JP3753883B2

JP3753883B2 - マイクロ波回路

Info

Publication number: JP3753883B2
Application number: JP5676399A
Authority: JP
Inventors: 康次郎南谷
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: JP2000252715A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロ波回路、特にマイクロストリップ線路、共平面線路等の平面実装線路を備えた回路での周波数安定化を図るための構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５には、従来のマイクロ波発振器の構成が示されており、誘電体基板１の上にガンダイオード２が設けられ、このガンダイオード２に発振周波数の波長λのおよそ４分の１の線路長（Ｌ1 ）となるオープンスタブ３が形成・接続される。上記ガンダイオード２には、線路４、チップコンデンサ５、ＲＦ（高周波）出力端６が接続するように形成され、また上記線路４に接続してＤＣ入力端７とＲＦチョーク８が形成される。このような発振器では、上記のオープンスタブ３の線路長Ｌ1 でほぼ決定される周波数を発振することになる。
【０００３】
図６には、マイクロ波帯の帯域通過フィルタの構成が示されており、図示されるように、誘電体基板１の上に所定帯域周波数の波長λの２分の１となる長さ（Ｌ2 ）の複数の線路１０が配置される。このフィルタによれば、上記線路長Ｌ2 で決定される周波数帯域のマイクロ波を通過させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のマイクロ波回路では、環境温度が変化し、マイクロ波回路を構成する基板１が熱膨張することにより、それぞれの動作周波数（発振周波数、通過周波数等）が変化するという不具合があった。即ち、上記図５の発振器では、誘電体基板１が熱膨張すると、オープンスタブ３の長さＬ1 が変化し、図６の帯域通過フィルタでは、同様に基板１の熱膨張により、線路１０の長さＬ2 が変化する。これらの長さＬ1 、Ｌ2 は、上述のように動作周波数を決定しており、これらの長さＬ1 、Ｌ2 の変化により動作周波数が変わることになる。
【０００５】
そこで、従来ではマイクロ波回路にヒータ等を取り付け、環境温度の変化に応じてこのヒータの加熱量を制御することによりマイクロ波回路の温度を一定に維持している。これにより、上記基板１の膨張による線路長の変化が抑えられ、動作周波数の変化を小さくすることができる。
【０００６】
しかしながら、このような温度制御による周波数安定化の方法では、ヒータ、温度制御部等の各種回路が必要となり、低コストの製品を得ることができない。しかも、装置の小型化が困難になるという問題がある。なお、従来の誘電体発振器において、温度変化による周波数変動を抑制する発明として、特開平５-３７２３４号に示されるものもある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒータ、温度制御部等の回路を用いることなく低コストで、環境温度による動作周波数の変化を抑制することができるマイクロ波回路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、電気伝導性を持った筐体の内部に配置された誘電体基板と、この誘電体基板上に平面実装されたマイクロ波線路とを有するマイクロ波回路において、上記マイクロ波線路の容量が形成される(存在する)部分に近接するように上記筐体に取り付けられ、上記筐体の材質の熱膨張係数と上記誘電体基板の材質の熱膨張係数の差より小さな熱膨張係数を持つ電気伝導性材質からなる突起物を設けたことを特徴とする。なお、上記の容量が形成される部分とは、線路の開放端、空隙を持った線路部分等である。
請求項２に係る発明は、同様のマイクロ波回路において、マイクロ波線路のインダクタンスが形成される部分に近接するように上記筐体に取り付けられ、筐体の材質の熱膨張係数と上記誘電体基板の材質の熱膨張係数の和より大きな熱膨張係数を持つ電気伝導性材質からなる突起物を設けたことを特徴とする。なお、上記のインダクタンスが形成される部分とは、線路の幅が不連続に変化している部分、線路の曲り部分等である。
【０００９】
上記の請求項１の構成によれば、例えば発振器のオープンスタブの開放端（容量が形成される部分）の上側に近接配置した状態で、インバー製ネジがアルミニウム製の筐体に取り付けられ、上記オープンスタブはアルミナ製の基板に平面実装される。従って、環境温度の変化で例えば基板が膨張しオープンスタブの長さが伸びた場合は、周波数が低下することになるが、筐体に取り付けられた上記インバー製ネジとこのオープンスタブ開放端との間隔も温度変化で所定量だけ離れてその部分の容量が変化するので、周波数の低下が抑制される。ここで、上記のインバー製ネジは、容量を変化させる役目と、その材料の選択により筐体の熱膨張を考慮した容量変化の度合いを調整する役目をすることになる。
【００１０】
また請求項２の場合は、例えば発振器のオープンスタブの線路幅の不連続部分（インダクタンスが形成される部分）の上側に近接配置した状態で、アルミニウム製ネジが鉄製の筐体に取り付けられ、基板は例えばアルミナ製となる。そして、例えば基板が膨張してオープンスタブの長さが伸びた場合は、上記アルミニウム製ネジと上記不連続部部分との距離が所定量だけ近づいてインダクタンスが変化することにより、周波数の低下が抑制される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には、実施形態の第１例に係るマイクロ波発振器（マイクロ波回路）の構造が示されている。図１の発振器では、アルミニウム製の筐体１２の底面部にアルミナ製の誘電体基板１３が配置され、この基板１３の上側に、線路長Ｌ1 のオープンスタブ１４、ガンダイオード１５、線路１６、チップコンデンサ１７、ＲＦ（高周波）出力端１８が形成され、上記線路１６に接続してＤＣ入力端１９とＲＦチョーク２０が形成される。
【００１２】
そして、上記オープンスタブ１４の開放端の上側にインバー製ネジ２２を近接させ、このネジ２２を上記筐体１２の上面に取り付けており、このネジ２２は回転（螺合）位置を変えることにより、上記オープンスタブ１４との間隔Ｇを変化させることができる。この開放端は、電気回路的には完全な開放端ではなく、このオープンスタブ１４と基板１３の間でキャパシタンス(容量)が形成される。この容量が存在する場所に、ネジ２２を配置することにより、このネジ２２とオープンスタブ１４との間にも容量が形成される。
【００１３】
当該例では、例えば誘電体基板１３の厚さ＝０．１ｍｍ、この誘電体基板１３から筐体１２の上面（内側）までの高さｈ1 ＝１．５ｍｍ、インバー製ネジ２２の筐体１２の上面（内側）からの長さｈ2 ＝０．９ｍｍ、オープンスタブ１４の長さ＝０．６ｍｍとされており、上記間隔Ｇは０．６ｍｍ（１．５−０．９＝０．６）となる。
【００１４】
このような第１例の発振器によれば、上記ＤＣ入力端１９から供給されるＤＣ電力によって発振し、この発振周波数はオープンスタブ１４の線路長Ｌ1 でほぼ決定されることになり、例えば６０ＧＨｚ帯の周波数のマイクロ波はＲＦ出力端１８から送信される。そして、環境温度が変化した場合でも、上記周波数の変動を良好に抑えることが可能となる。即ち、当該例では、下記の表１に示されるように、筐体１３を熱膨張係数が２３（×１０^-6／度）となるアルミニウム製、基板１３を熱膨張係数が６（×１０^-6／度）となるアルミナ製、ネジ２２を熱膨張係数が１（×１０^-6／度）となるインバー製としたので、筐体の熱膨張係数(２３)−基板の熱膨張係数(６)＞ネジの熱膨張係数(１)の式を具備することになる。従って、基板１３が熱膨張したときには、上記の高さｈ1 を適宜高くすることにより動作周波数の変化をなくすことができる。
【００１５】
【表１】

【００１６】
次に、上記筐体の熱膨張係数−基板の熱膨張係数＞ネジの熱膨張係数の条件で周波数の変動を抑制できることを式を用いて説明する。
まず、ほぼλ／４の長さ（Ｌ1 ）の上記オープンスタブ１４では、その先端の容量をＣ、線路の特性インピーダンスをＺ0 とすると、
Ｚ0 tan（β・Ｌ1 ）＝１／ωＣ
の関係がある。ここで、周波数ｆを一定として両辺を微分すると、

となり、これは次のように変形できる。
β｛１／cos（β・Ｌ1 ）sin（β・Ｌ1 ）｝ｄＬ1 ＝−ｄＣ／Ｃ …（１）
また、ｄＬ1 、ｄＣを熱膨張による変化ΔＬ1 、ΔＣとすると、
ΔＬ1 ＝ｋ3 Ｌ1 ΔＴ
となる。なお、ｋ3 は基板(１３)の熱膨張係数、ΔＴは温度変化量である。
【００１７】
次に、ΔＣ／Ｃを見積るが、このΔＣはオープンスタブ１４とネジ２２の間隔Ｇの変化によってもたらされるので、その容量Ｃは、Ｃ＝ε_０Ｓ／Ｇとなる。
従って、ΔＣ／Ｃ＝−ΔＧ／Ｇとなる。
また、ΔＧ＝ｈ1 ｋ1 ΔＴ−ｈ2 ｋ2 ΔＴである。なお、ｋ1 は筐体(１２)の熱膨張係数、ｋ2 はネジ(２２)の熱膨張係数である。ここで、高さｈ1 とｈ2はほぼ等しいと考えると、
ΔＧ≒ｈ1 ΔＴ（ｋ1 −ｋ2 ）
となる。以上をまとめると、上記の（１）式は、
β｛２／sin（２β・Ｌ1 ）｝ｋ3 Ｌ1 ΔＴ＝（１／Ｇ）ｈ1（ｋ1−ｋ2）ΔＴ
となる。
【００１８】
ここで、β＝２π／λ、Ｌ1 ≒λ／４であるから、
｛π／sin（２β・Ｌ1 ）｝ｋ3 ＝ｈ1（ｋ1−ｋ2）／Ｇ
ｋ3 ＝｛sin（２β・Ｌ1 ）／π｝・｛ｈ1（ｋ1−ｋ2）／Ｇ｝
となり、また上記のsin（２β・Ｌ1 ）は、β＝２π／λ、Ｌ1 ≒λ／４から、０と置くことができるので、
｛sin（２β・Ｌ1 ）／π｝・（ｈ1／Ｇ）＜１となり、
ｋ3 ＜（ｋ1−ｋ2）となる。
従って、基板の熱膨張係数ｋ3 ＜筐体の熱膨張係数ｋ1−ネジの熱膨張係数ｋ2となり、これを変形させると、
筐体の熱膨張係数ｋ1−基板の熱膨張係数ｋ3 ＞ネジの熱膨張係数ｋ2の式が得られる。なお、この関係式は負の膨張係数を持つ材質の場合も同様に成立する。
【００１９】
当該例では、上述のように、（アルミナ製基板１３の熱膨張係数６）＜（アルミニウム製筐体１２の熱膨張係数２３）−（インバー製ネジ２２の熱膨張係数１）が具備されており、上記基板１３が熱膨張しオープンスタブ１４の伸びにより動作周波数が低下するような状況にあっても、ネジ２２とオープンスタブ１４の間隔Ｇが適宜長くなり、上記周波数低下の補償に見合う分だけ容量が小さくなるので、動作周波数の変化を抑制できることになる。
この第１例の構成での実際の計測によれば、インバー製ネジ２２がない場合の発振周波数の温度変化が、３．４ＭＨｚ／℃となったのに対し、インバー製ネジ２２を取り付けた場合の温度変化は、−１．４ＭＨｚ／℃となった。
【００２０】
また、上記の６０ＧＨｚ帯の発振器で、上記の各部材の熱膨張係数の関係の他の例としては、筐体１２をアルミニウム製、誘電体基板１３を窒化アルミニウム製、ネジ２２をインバー製とすることができる。これによっても、筐体の熱膨張係数(２３)−基板の熱膨張係数(０．５)＞ネジ(突起物)の熱膨張係数(１)が２３−０．５＞１となり、上記条件式を具備することになる。
【００２１】
図２には、第２例に係る帯域通過フィルタの構成が示されており、このフィルタでは、アルミニウム製の筐体２４の底面部にアルミナ製の誘電体基板２５が形成され、この基板２５の上に、所定帯域周波数の波長λの２分の１となる長さ（Ｌ2 ）の４個の線路２６が形成される。そして、この線路２６の開放端の２個所(この数は任意)に間隔Ｇで近接する状態で、インバー製ネジ２７，２８が筐体２４に取り付けられる。
【００２２】
この帯域通過フィルタによれば、上記線路長Ｌ2 で決定される周波数帯域のマイクロ波を通過させることができる。そして、温度補償に関する構成は、上記の第１例と同様となっており、温度変化があっても帯域通過周波数を一定に維持することができる。例えば、温度上昇により線路２６が長くなって動作周波数が低下する状態となっても、上記間隔Ｇが広がって容量を小さくするので、動作周波数の低下を抑制することができる。
【００２３】
図３には、マイクロ波回路において容量が形成される線路部分の他の例が示されており、例えば図(Ａ)に示されるように、線路３０と線路３１との間に空隙Ｋ1 が設けられる場合もある。また、図(Ｂ)に示されるように、線路３２と線路３２の端部が重ね合わされた部分に空隙Ｋ2 が形成される場合もあり、このような部分に容量が形成される。従って、このようなマイクロ波回路の部分に、上記のネジ２２，２７等の突起物を近接配置すれば周波数の安定化を図ることが可能となる。
【００２４】
図４には、発振器においてインダクタンス形成部分に突起物を近接配置する第３例の構成が示されており、材質以外の基本的な構成は、第１例の場合と同様となる。即ち、この発振器では、鉄製の筐体３５の底面部にアルミナ製の誘電体基板３６を形成し、この基板３６の上側に、線路長Ｌ3 のオープンスタブ１４、ガンダイオード１５、線路１６、チップコンデンサ１７、ＲＦ出力端１８が形成され、上記線路１６にはＤＣ入力端１９とＲＦチョーク２０が接続される。
【００２５】
そして、上記オープンスタブ１４のガンダイオード１５側においてその幅が変わる不連続部分(付け根部分)の上側にアルミニウム製ネジ３７の先端を近接させた状態で、このネジ３７を上記筐体３５の上面に取り付ける。このような不連続線路部分には、インダクタンスが存在しており、ネジ３７を近接させることにより、インダクタンスが増加することになる。また、上記の各部材の材質は、筐体の熱膨張係数＋基板の熱膨張係数＜ネジの熱膨張係数という関係(負の膨張係数を持つ材質の場合も同様に成立する)、即ち１２(鉄製筐体３５)＋６(アルミナ製基板３６)＜２３(アルミニウム製ネジ３７)を満たす。
【００２６】
この第３例によれば、例えば温度上昇によりオープンスタブ１４が長くなって動作周波数が低下する状態となっても、上記間隔Ｇを小さくして上記周波数低下の補償に見合う分だけインダクタンスを大きくするので、動作周波数を一定に保つことができる。なお、他のマイクロ波回路で例えば線路が曲がる部分があれば、この部分にもインダクタンスが形成されるので、この曲り部分に上記のネジ３７を配置してもよい。
【００２７】
上記の各実施形態例では、突起物として螺合ネジ２２，２７，３７を配置した例を示したが、このネジ２２，２７，３７によれば、初期設定時の間隔Ｇの調整、即ち動作周波数の調整が容易にできるという利点がある。しかし、ネジに限らず、単なる棒状物等、他の形式の突出物を利用することができることは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、マイクロ波線路の容量が形成される部分に所定間隔で近接させた状態で突起物を筐体に取り付け、この突起物の材質を上記筐体の材質の熱膨張係数と誘電体基板の材質の熱膨張係数の差より小さな熱膨張係数を持つものとしたので、動作周波数を決定する線路長が温度変化しても、上記間隔も変わって容量が変化することにより、上記周波数を一定に維持するように機能する。従って、ヒータ、温度制御部等の回路を用いることなく低コストで、環境温度による動作周波数の変化を抑制することが可能となる。
【００２９】
また、請求項２に係る発明によれば、マイクロ波線路のインダクタンスが形成される部分に近接する状態で突起物を筐体に取り付け、この突起物の材質を上記筐体の材質の熱膨張係数と誘電体基板の材質の熱膨張係数の和より大きな熱膨張係数を持つものとしたので、この場合は、インダクタンスの変化により動作周波数が一定に維持されることになり、上記と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の第１例に係るマイクロ波発振器の構成を示す図である。
【図２】実施形態の第２例に係るマイクロ波帯域通過フィルタの構成を示す図である。
【図３】実施形態例において容量を形成する線路部分の他の例を示す図である。
【図４】実施形態の第３例に係るマイクロ波発振器の構成を示す図である。
【図５】従来のマイクロ波発振器の構成を示す図である。
【図６】従来のマイクロ波帯域通過フィルタの構成を示す図である。
【符号の説明】
１，１３，２５，３６ … 誘電体基板、
２，１５ … ガンダイオード、
３，１４ … オープンスタブ、
４，１０，１６，２６ … 線路、
１２，２４，３５ … 筐体、
２２，２７，２８，３７ … ネジ(突起物)。

Claims

電気伝導性を持った筐体の内部に配置された誘電体基板と、
この誘電体基板上に平面実装されたマイクロ波線路とを有するマイクロ波回路において、
上記マイクロ波線路の容量が形成される部分に近接するように上記筐体に取り付けられ、この筐体の材質の熱膨張係数と上記誘電体基板の材質の熱膨張係数の差より小さな熱膨張係数を持つ電気伝導性材質からなる突起物を設けたことを特徴とするマイクロ波回路。
電気伝導性を持った筐体の内部に配置された誘電体基板と、
この誘電体基板上に平面実装されたマイクロ波線路とを有するマイクロ波回路において、
上記マイクロ波線路のインダクタンスが形成される部分に近接するように上記筐体に取り付けられ、この筐体の材質の熱膨張係数と上記誘電体基板の材質の熱膨張係数の和より大きな熱膨張係数を持つ電気伝導性材質からなる突起物を設けたことを特徴とするマイクロ波回路。