JP3967117B2

JP3967117B2 - 高周波発振器

Info

Publication number: JP3967117B2
Application number: JP2001367474A
Authority: JP
Inventors: 正義相川; 高行田中; 文雄浅村; 健児川幡; 武雄追田
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: JP2003168925A; US6771137B2; US20030102927A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波増幅デバイスや増幅機能を有するICチップ、有限長のコプレーナライン、およびマイクロストリップライン等を誘電体基板両面に形成して実現したマイクロ波・ミリ波帯発振器の構成法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）マイクロ波・ミリ波帯発振器は高速・高周波装置の中で、性能上にもコスト的にも大変重要な機能回路ある。特に周波数がミリ波以上と高周波帯になると、能動デバイス高周波特性の性能に制限され、また回路の損失も増大して高出力で高品質かつ低コストな発振器の実現は困難となってくる。本発明は、その解決法の一つとして、基板の両面に複数種類のマイクロ波線路を配置する、所謂、両平面回路技術を基盤として、極めて簡易な帰還型高周波発振器の構成法を考案したものである。図９は従来構成例であり、基板16、増幅回路1に加えて電力分配回路2を含む帰還回路3で構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この第９図の様なマイクロストリップライン型回路で帰還型回路を構成する場合、増幅回路の接地にビアホールが必要となり、さらにそれはインダクタンス成分として高周波特性を劣化させる要因となる。また、サブ・ハーモニック注入同期さらにはPush-Push機能などの発振機能の高度化も複雑な設計が必要であり、一般にそれらの実現は構造上困難を伴う。特に、帰還回路の設計も複雑で回路規模も大きくなる等の課題があり、特にミリ波帯の様な超高周波帯においては、一般に設計が複雑であると共に、製造も困難性を伴ってくる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の状況に鑑みなされたもので、誘電体あるいは半導体基板の片面（以下、裏面と呼ぶ）にコプレーナラインを形成し、そのライン上に増幅モジュール、あるいは増幅機能を有する集積回路（IC）チップを装荷する。
【０００５】
【作用】
このような解決手段によれば、コプレーナラインが共平面構造であるために、表面実装技術やバンプ技術によるフリップチップ実装が容易であり、かつその実装精度も高く、さらに寄生リアクタンス成分の発生も少ないので、ミリ波帯でも従来の困難性は大幅に緩和出来る。
【０００６】
さらに、周波数可変制御のための可変リアクタンス素子の実装、サブ・ハーモニック注入同期信号の注入、基本発振周波数の２倍から４倍の高周波発振を実現できるPush-Push発振回路も極めて容易に構成することができるなど、実用上の優れた特徴を併せ持っている。これらの特徴は、全て両平面回路技術の効用を積極的に活用した結果である。
【０００７】
即ち、本発明では、基板の両面に形成した有限長のコプレーナラインと他の面上のマイクロストリップライン回路の組み合わせによって、従来の超高周波発振器が抱えている主な技術課題を概ね解決することができる。
【０００８】
【実施例１、２】
以下、本発明の作用と効用を添付図面に基づいて詳細に説明する。第１図に示すのは、本発明の請求項１の実施例であり、増幅デバイス１、両端開放境界のコプレーナライン、さらにループ状のマイクロストリップラインの帰還回路5、そして発振出力ポート6から成る極めて簡易な発振器構成の平面回路図とその断面図である。即ち、この回路では、増幅デバイス特性に加えて、コプレーナライン4とそれに電磁結合したマイクロストリップ帰還回路5で正帰還となる発振条件で特性が決定される。
【０００９】
第２図は、第２の実施例（請求項２）である。この場合、有限長コプレーナライン4は、両端が短絡境界であり、帰還回路であるマイクロストリップライン5は、ここでは直線状であり、かつ、発振出力ポート6と直結させることもできる。この様に、マイクロストリップラインによる帰還回路5や出力ポート6は、様々な構造をとることができる。この実施例の出力ポート6は、マイクロストリップラインで構成しているが、さらにマイクロストリップラインを電磁結合させたコプレーナラインとしてもよい。
【００１０】
【実施例３、４】
第３図ならびに第４図は、それぞれ実施例１（第１図）、実施例２（第２図）に対応する周波数可変のVCO 回路の実施例３、実施例４である。先ず、第３図の実施例３では、コプレーナライン4にリアクタンス可変素子7を装荷し、その制御電圧の印加ポイントはコプレーナライン4上の共振モードを考慮して設定すればよい。なお、第３図の発振出力ポート6は、図の様にループ状として電磁結合させてもよい。
【００１１】
第４図はでは、直線上のマイクロストリップライン帰還回路5に可変リアクタンス素子7を直列に装荷している。この場合の制御電圧の印加は、高インピーダンス抵抗を介するなどして周波数制御が可能である。この実施例３、４で明かな様に、極めて簡易な回路構成によって、発振周波数可変制御を大変容易に実現することができる。
【００１２】
【実施例５】
第５図は、発振周波数f0の整数(n)分の1の注入信号で発振同期をとる、所謂、サブ・ハーモニック注入同期発振器の実施例５である。比較的低周波数であるサブ・ハーモニック注入同期信号f0/nは、ここではコプレーナライン８とボンディングワイヤを介して、図の様な方法で簡易に注入することができる。この場合も共振モードへの影響が少ないポイントを選定して注入することができる。サブ・ハーモニック注入同期発振器は、位相雑音特性向上と周波数安定化を図ることができると共に、ミリ波帯周波数シンセサイザーの実現も容易に可能である。
【００１３】
【実施例６】
実施例１〜4の発振回路系を２系統用いることによって、基本発振周波数f0の２倍の発振周波数出力2f0を効率よく得られる2相Push-Push発振の実現も容易である。第６図はその実施例６である。ここでは、実施例１の２個の発振回路系をマイクロストリップライン9により電磁結合すると共に、その中点に周波数f0にとって4分の1波長である先端開放マイクロストリップライン10、および2f0の出力ポート11を接続する。この様に、極めて簡易な回路構成で２倍の周波数の高周波発振器を容易に実現することができる。
【００１４】
【実施例７】
実施例６のPush-Push発振回路系を２系統用いることによって、基本発振周波数f0の4倍の発振周波数出力4f0を発振させる4相Push-Push発振の構成も容易である。第7図はその実施例7である。ここでは、実施例6の２個の発振回路系をマイクロストリップライン14により結合すると共に、その中点に周波数2f0にとって4分の1波長である先端開放マイクロストリップライン12、および4f0の出力ポート13を接続する。
【００１５】
この構造によって、マイクロストリップライン14は2f0の2分の1波長共振回路として動作させるので、互いに位相が反転した逆相発振となり、Push-Push原理に基づいて4f0の発振出力が得られる。この様に、極めて簡易な回路構成で基本発振周波数の4倍の周波数の超高周波発振器が実現できるので、特にミリ波、さらにはサブミリ波帯の発振源としても有望である。さらに、本構造は３次元モノリシックマイクロ波集積回路の高い設計自由度を活用すれば、容易にモノリシック化も可能であり、特にミリ波帯発振器の実現に効果を発揮することができる。
【００１６】
【実施例８】
また、実施例１〜4の発振回路系を２系統用いることによって、基本発振周波数f0として２倍に接近した合成出力Ｐを効率よく得られる2相Push-Pull発振の実現も容易である。第８図はその実施例８である。ここでは、実施例１の２個の発振回路系をマイクロストリップライン9により電磁結合すると共に、スロットライン15を設けて、マイクロストリップライン6を接続する。この様に、極めて簡易な回路構成で２倍に接近した合成出力Pを得る高周波発振器を容易に実現することができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明した様に、所謂、両平面回路技術によって、誘電体基板の両面に形成したコプレーナラインとマイクロストリップラインの伝送特性と線路構造を活用して、従来技術の課題である高周波帯発振器の簡易化、高出力化、高周波化さらに高品質特性を実現するものである。この回路構造によって、以下の様な効用を実現することが出来る。
（１）コプレーナラインを用いているために、増幅デバイスあるいは増幅ＩＣをバンプ実装や表面実装によって高精度にかつ効率よく製造できる。従って、特にミリ波やさらにはサブミリ波等における低コストな超高周波帯発振器として有効である。
（２）発振周波数の可変制御、サブ・ハーモニック注入同期、さらには２相、４相Push-Push発振も容易に実現可能である。
（３）本回路は３次元モノリシックマイクロ波集積回路の特徴を活用すれば、そのモノリシック化も可能であり、ミリ波帯発振器の低コスト化に大変有効である。
【００１８】
以上、本発明は、極めて簡易な回路構成であると共に、ミリ波等の超高周波帯発振器の低コスト化と高性能化にも大変有効である。特に、基本発振周波数の２倍から４倍の高周波化も可能なPush-Push発振も容易に実現できるので、サブミリ波等の超高周波発振にも大変有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を説明する高周波発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明の第２実施例を説明する高周波発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。
【図３】本発明の第３実施例を説明する高周波発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明の第４実施例を説明する高周波発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。
【図５】本発明の第５実施例を説明する高周波発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。
【図６】本発明の第６実施例を説明する高周波発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。
【図７】本発明の第７実施例を説明する高周波発振器の平面図である。
【図８】本発明の第８実施例を説明する高周波発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。
【図９】従来例を説明する高周波発振器の平面図である。

Claims

アース導体を挟んで互いに対向する一端を少なくとも高周波開放端としたコプレーナラインからなる伝送線路を基板の一主面に形成し、前記コプレーナラインの各一端に発振用増幅器の入出力端を接続し、前記基板の他主面に前記コプレーナラインと電磁結合したマイクロストリップラインからなる伝送線路を形成して、前記発振用増幅器の帰還回路を構成したことを特徴とする高周波発振器。
請求項１において、前記共平面構造の伝送線路は有限長のコプレーナラインである高周波発振器。
請求項２において、前記コプレーナラインは、両端高周波開放、両端高周波短絡又は一端が高周波開放で他端が高周波短絡の伝送線路である高周波発振器。
請求項２、３において、前記コプレーナラインに可変リアクタンス素子を装荷して、発振周波数を可変とした高周波発振器。
請求項２、３、４において、前記コプレーナラインの中心導体にサブ・ハーモニック注入同期信号を印加したことを特徴とする高周波発振器。
請求項１において、前記帰還回路はマイクロストリップラインである高周波発振器。
請求項６において、前記マイクロストリップライン上に可変リアクタンス素子を装荷して発振周波数を可変とした高周波発振器。
請求項１において、前記共平面構造の伝送線路は有限長のコプレーナラインであって、前記帰還回路はマイクロストリップラインである高周波発振器。
請求項６、７、８において、２つの同一の発振系として前記マイクロストリップラインの発振出力ポートを互いに接続し、その中点に基本発振周波数の２倍の周波数の発振出力ポートを接続したことを特徴とする高周波発振器。
請求項９における２つの同一の発振系の前記マイクロストリップラインの発振出力ポートを互いに接続し、その中点に基本発振周波数の４倍の周波数の発振出力ポートを接続したことを特徴とする高周波発振器。