JP3899193B2

JP3899193B2 - Ｎｒｄガイドガン発振器

Info

Publication number: JP3899193B2
Application number: JP25900598A
Authority: JP
Inventors: 健一渡辺; 敦中川
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: JP2000091846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＲＤガイド（Non Radiative Dielectic Wave Guide：非放射性誘電体ガイド）回路とガンダイオードを組み合わせて構成したＮＲＤガイドガン発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＲＤガイド回路は、マイクロ波ストリップ線路に比べて伝搬損失が低く、また導波管に比べて伝搬路の制作が容易であるところから、マイクロ波、特に３０ＧＨｚ以上のミリ波帯の伝送線路として注目されている。
【０００３】
このＮＲＤガイド回路は、電磁波が伝搬する誘電体ストリップ線路を導電性金属の２枚の平行平板で挟んだ構造であり、この平行平板の対面間隔が使用周波数波長の1/2以下に設定されているので、この誘電体ストリップ線路以外の場所では、電磁波が遮断されてその放射が抑制されるため、誘電体ストリップ線路に沿って電磁波を低損失で伝搬させることができる。
【０００４】
このＮＲＤガイド回路とガンダイオードを組み合わせて構成した３５ＧＨｚ帯および６０ＧＨｚ帯の発振器が開発され、導波管に匹敵する発振出力が得られている。
【０００５】
図６の(a)は従来のＮＲＤガイドガン発振器の構造を示す図である。これは、平行平板１，２の間のスペースに、誘電体ストリップ線路３と共にガンダイオード１１０を搭載したマウント１２０を設置したものであり、ガンダイオード１１０で発振した高周波出力が、共振器１３０を経由して誘電体ストリップ線路３に導出される。図６の(b)は共振器１３０の代表的な例を示す図であり、テフロン銅張積層基板の銅箔をエッチングでパターニングした銅箔部分１３１を有するようにしたものである。この銅箔部分１３１の幅や長さを調整することにより発振周波数を調整することができる。
【０００６】
図７はマウント１２０の構成を示す図である。ガンダイオード１１０は円筒部１２１の中に納められており、その円筒部１２１の隣に接続されたバイアスチョーク１４０を介してバイアス電圧が印加される。このバイアスチョーク１４０は、テフロン銅張積層板をエッチングによりパターンニングし、さらに円筒部１２１における接続部用リッド１４１となる銅箔部分が残るように積層板部分を削り取ったものである。ガンダイオード１１０は、そのカソード電極がマウント１２０の放熱基台１２２にロウ付けされている。この放熱基台１２２は、リッド１４１との間が円筒形のセラミック１４２によって絶縁分離されており、このリッド１４１がガンダイオード１１０のアノード電極にリボン１４３によって接続されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記したＮＲＤガイドガン発振器は、特殊なマウント１２０を使用しているためにその製作が困難であり、特にバイアスチョーク１４０は基板を削ってリッド１４１を露出させなければならにので、その作業能率が非常に悪いという問題があった。
【０００８】
また、ガンダイオード１１０のアノード電極とリッド１４１をリボン１４３によって接続するため、寄生インダクタンスが発生し、特性がばらつくという問題もあった。
【０００９】
本発明は以上のような問題点を解決したＮＲＤガイドガン発振器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、２枚の金属板からなる平行平板を使用周波数の波長の1/2以下の間隔で配置し、該平行平板の間に誘電体ストリップ線路を挟持したＮＲＤガイド回路とガンダイオードとを組み合わせてなるＮＲＤガイドガン発振器において、信号線路に接続された信号電極および該信号電極に対して絶縁された接地電極が表面に形成された絶縁性又は半絶縁性の平板基板と、同一面にアノード電極およびカソード電極が形成され、該両電極の一方が前記平板基板の前記信号電極に直接接続され他方が前記平板基板の前記接地電極に直接接続されることにより、前記平板基板上に搭載されたガンダイオードと、前記平板基板の裏面を前記平行平板の一方に対して支持するヒートシンクとを具備し、前記平板基板の前記信号線路の先端を前記誘電体ストリップ線路に電磁的に結合するように構成した。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記ガンダイオードが接続搭載された前記平板基板が前記平行平板に対して平行で、かつ前記信号線路が前記誘電体ストリップ線路に対して垂直方向で電磁的に結合するよう構成した。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明において、前記ガンダイオードが接続搭載された前記平板基板が前記平行平板に対して平行で、かつ前記信号線路の電磁波の進行方向が前記誘電体ストリップ線路の電磁波の進行方向と同一であり、前記信号線路が前記誘電体ストリップ線路の基端部と電磁的に結合しているよう構成した。
【００１３】
第４の発明は、第２又は第３の発明において、前記ガンダイオードが接続搭載された前記平行基板の姿勢を、前記平行平板に対して平行から垂直に代えて構成した。
【００１４】
第５の発明は、第１乃至第４の発明において、前記信号線路が、サスペンディド線路、マイクロストリップ線路、又はコプレーナ線路であるよう構成した。
【００１５】
第６の発明は、第１乃至第５の発明において、前記平板基板が、裏面に接地用の電極を有し、該接地用の電極と前記接地電極がヴィアホールで接続されているよう構成した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態のＮＲＤガイドガン発振器の構造を示す図である。ＮＲＤガイド回路は２枚の金属の平行平板１，２の間に誘電体ストリップ線路３を挟んだ構造であり、従来と同じである。本実施の形態では、線路基板１０の上面にガンダイオード２０を搭載して、これを平板２に対して接地、放熱および高さ調整用のヒートシンク３０を介して支持している。
【００１７】
線路基板１０は、図２の(a),(b)に示すように、半絶縁性又は絶縁性（例えば、比抵抗が10⁶Ωcm程度以上で、熱伝導率が140W/mK程度以上のＡｌＮ、ＳｉＣ、ダイアモンド等）の平板基板１１の上面に、信号線路１２、その信号線路１２に直流バイアスを印加するチョーク部１３、その信号線路１２の端部に連続させた信号電極１４、その信号電極１４を挟むように配置した一対の表面接地電極１５が形成され、裏面には接地電極１６が形成され、表面接地電極１５は接地電極１６に対してヴィアホール１７により接続されている。この線路基板１０は、その信号線路１２の裏面に接地電極がなく、サスペンディド線路を形成している。
【００１８】
ガンダイオード２０は、図３の(a),(b)に示すように、半導体基板２１の上面に第１のコンタクト層２２、活性層２３、第２のコンタクト層２４および金属層２５を積層して、中央に丸形状の凹部２６を金属層２５から第１のコンタクト層２２にほぼ達するように形成することにより、その金属層２５をアノード電極２５Ａとカソード電極２５Ｋに区画し、そのアノード電極２５Ａの上に熱圧着し易いＡｕのダンプ２７を、カソード電極２５Ｋの上に同じＡｕのバンプ２８を、各々同じレベルの高さとなるように形成したものである。このバンプ２７，２８もアノード電極２５Ａ，カソード電極２５Ｋと等価である。
【００１９】
一例として、半導体基板２１は不純物濃度が１〜２×10¹⁸atom/cm ³のｎ型ガリウム砒素からなり、第１のコンタクト層２２は不純物濃度が２×10¹⁸atom/cm ³で厚さ1.5μmのｎ型ガリウム砒素からなり、活性層２３は不純物濃度が1.2×10¹⁶atom/cm ³で厚さ1.6μmのｎ型ガリウム砒素からなり、第２のコンタクト層２４は不純物濃度が１×10¹⁸atom/cm ³で厚さ0.3μmのｎ型ガリウム砒素からなる。ガリウム砒素に代えてインジウムリン等の他の化合物半導体を使用することもできる。
【００２０】
このガンダイオード２０は、アノード電極２５Ａに対応する区画部分の活性層の面積が、ガンダイオードの所定の動作電流が得られる面積（横方向断面積）となるよう設定される。また、カソード電極２５Ｋに対応する活性層の面積については、アノード電極２５Ａに対応する活性層の面積の１０倍以上として、そのカソード電極２５Ｋの下層の半導体積層部の電気抵抗をアノード電極２５Ａのそれの1/10以下とすることで、この部分をガンダイオードとして機能させず、実質的に低抵抗として機能させている。
【００２１】
なお、このガンダイオード２０は、図３の(c)に示すように、図３の(b)におけるカソード電極２５Ｋの下層の第２のコンタクト層２４と活性層２３を除去した構造のガンダイオード２０’に置換し、第１のコンタクト層２２に直接カソード電極２５Ｋを被着しそのバンプ２８をアノード電極２５Ａのバンプ２７と上面が同一となるレベルの高さに設けたものであっても良い。
【００２２】
さて、線路基板１０の平板基板１１へのガンダイオード２０の実装搭載は、そのアノード電極２５Ａのバンプ２７が信号電極１４に接続され、カソード電極２５Ｋの一対のバンプ２８が一対の表面接地電極１５に接続されるように、熱圧着で行う。そして、線路基板１０の接地電極１６の部分がヒートシンク３０に接続されるようにして、このヒートシンク３０を介して平板２に接地されるようにする。
【００２３】
線路基板１０のＮＲＤガイド回路への実装は、図１の(a),(b)に示すように、線路基板１０の平板基板１１が平行平板１，２に対して平行となり、信号線路１２の先端が誘電体ストリップ線路３の基部に対して垂直方向から近接するように行う。
【００２４】
チョーク部１３に直流電圧を印加すると、信号線路１２、信号電極１４、ガンダイオード２０、表面接地電極１５、ヴィアホール１７、裏面の接地電極１６、ヒートシンク３０、平板２の経路で電流が流れて、ガンダイオード２０で電磁波（マイクロ波）が発生し、信号線路１２を通じて誘電体ストリップ線路３の側面に到達する。電磁波はここでＮＲＤガイド回路に変換（ＬＳＭモード）され、誘電体ストリップ線路３内を伝搬してゆく。
【００２５】
本実施の形態では、チョーク部１３を平板基板１１に形成しているので、これを信号線路１２、信号電極１４、表面接地電極１５と同時にエッチングにより形成できるので、基板を切除する必要はなく組立は容易であり、その作業効率が向上する。また、ガンダイオード２０が平板基板１１に対してフェースダウンの姿勢で直接搭載されるので、リボンを使用する場合に問題となる寄生インダクタンスは発生しない。また、ガンダイオード２０で発生した熱はバンプ２７，２８や熱伝達特性の良好な平板基板１１を介してヒートシンク３０に伝えられるので、放熱効果が高くなる。また、ガンダイオード２０は両側のカソード電極２５Ｋのバンプ２８で支持されるので、ガンダイオードとして実質的に機能する中央の半導体積層部分に過度の荷重が加わることが防止される。
【００２６】
なお、以上では、信号線路１２の部分とガンダイオード２０が搭載される部分を共通の平板基板１１に設けたが、これば別の基板に構成して金リボン等の導電線により接続してもよい。また、ヴィアホール１７を使用せず、表面接地電極１５を裏面の接地電極１６にリボン等により接続してもよい。
【００２７】
更に上記では、線路基板１０の信号線路１２をサスペンディド線路としたが、平板基板１１の裏面全面に接地電極１６を設ければマイクロストリップ線路となる。また、この線路は平板基板１１の上面の中央に信号線路を設け、その信号線路を挟むように一対の接地電極を同一面に設けたコプレーナ線路とすることもできる。このときは、ガンダイオード２０は、そのアノード電極２５Ａのバンプ２７を中央の信号線路に接続し、カソード電極２５Ｋの両側のバンプ２８を接地電極に接続すればよい。
【００２８】
更に、ガンダイオード２０のアノード電極２５Ａ、カソード電極２５Ｋは活性層の濃度勾配によって反対になることもあり、この場合はチョーク部１３に印加する電圧の極性を適宜選定すればよい。
【００２９】
図４はＮＲＤガイドガン発振器の別の例を示す図である。ここでは、ガンダイオード２０を搭載しヒートシンク３０に支持された線路基板１０の向きを、平行平板１，２に平行で、且つその信号線路１２の先端が誘電体ストリップ線路３の基端に一直線状に並ぶように配置している。この場合は、誘電体ストリップ線路３を伝送する電磁波の伝送モードは、ＬＳＥモードとなる。
【００３０】
図５は線路基板１０を平行平板１，２に対して垂直になるように搭載したものである。この形態では、信号線路１２で高次モードが立ちにくいという長所がある。なお、図４に示したように、誘電体ストリップ線路３が信号線路１２と一直線に並ぶようにして、線路基板１０を平行平板１，２に対して垂直に搭載することもできる。
【００３１】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、バイアスを印加するためのチョークとガンダイオードとの接続が単純となって組立が容易となり、その作業効率が向上する。また、ガンダイオードの搭載にリボンが不要であり寄生インダクタンスは発生しない。また、ガンダイオードで発生した熱は基板を介してヒートシンクに伝えられるので、放熱効果が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a)は本発明の実施の形態のＮＲＤガイドガン発振器の斜視図、(b)は側面図である。
【図２】 (a)は線路基板の平面図、(b)は裏面図である。
【図３】 (a)はガンダイオードの平面図、(b)は断面図、(c)は変形例のガンダイオードの断面図である。
【図４】本発明の別の実施の形態のＮＲＤガイドガン発振器の斜視図である。
【図５】本発明の更なる別の実施の形態のＮＲＤガイドガン発振器の斜視図である。
【図６】 (a)は従来のＮＲＤガイドガン発振器の斜視図、(b)は共振器の斜視図である。
【図７】 (a)は図６に示したＮＲＤガイドガン発振器のマウントの斜視図、(b)は(a)のｂ−ｂ断面図である。
【符号の説明】
１，２：金属の平行平板、３：誘電体ストリップ線路、
１０：線路基板、１１：平板基板、１２：信号線路、１３：チョーク部、１４：信号電極、１５：表面接地電極、１６：接地電極、１７：ヴィアホール、
２０：ガンダイオード、２１：半導体基板、２２：第１のコンタクト層、２３：活性層、２４：第２のコンタクト層、２５：金属層、２５Ａ：アノード電極、２５Ｋ：カソード電極、２６：凹部、２７，２８：バンプ、
３０：ヒートシンク。

Claims

２枚の金属板からなる平行平板を使用周波数の波長の1/2以下の間隔で配置し、該平行平板の間に誘電体ストリップ線路を挟持したＮＲＤガイド回路とガンダイオードとを組み合わせてなるＮＲＤガイドガン発振器において、
信号線路に接続された信号電極および該信号電極に対して絶縁された接地電極が表面に形成された絶縁性又は半絶縁性の平板基板と、
同一面にアノード電極およびカソード電極が形成され、該両電極の一方が前記平板基板の前記信号電極に直接接続され他方が前記平板基板の前記接地電極に直接接続されることにより、前記平板基板上に搭載されたガンダイオードと、
前記平板基板の裏面を前記平行平板の一方に対して支持するヒートシンクとを具備し、
前記平板基板の前記信号線路の先端を前記誘電体ストリップ線路に電磁的に結合させたことを特徴とするＮＲＤガイドガン発振器。
前記ガンダイオードが接続搭載された前記平板基板が前記平行平板に対して平行で、かつ前記信号線路が前記誘電体ストリップ線路に対して垂直方向で電磁的に結合していることを特徴とする請求項１に記載のＮＲＤガイドガン発振器。
前記ガンダイオードが接続搭載された前記平板基板が前記平行平板に対して平行で、かつ前記信号線路の電磁波の進行方向が前記誘電体ストリップ線路の電磁波の進行方向と同一であり、前記信号線路が前記誘電体ストリップ線路の基端部と電磁的に結合していることを特徴とする請求項１に記載のＮＲＤガイドガン発振器。
前記ガンダイオードが接続搭載された前記平行基板の姿勢を、前記平行平板に対して平行から垂直に代えたことを特徴とする請求項２又は３に記載のＮＲＤガイドガン発振器。
前記信号線路が、サスペンディド線路、マイクロストリップ線路、又はコプレーナ線路であることを特徴とする請求項１乃至４に記載のＮＲＤガイドガン発振器。
前記平板基板が、裏面に接地用の電極を有し、該接地用の電極と前記接地電極がヴィアホールで接続されていることを特徴とする請求項１乃至５に記載のＮＲＤガイドガン発振器。