JP4438717B2 - 高周波共振器およびこれを用いた高周波発振器 - Google Patents

Description

この発明は、主としてマイクロ波帯またはミリ波帯で用いられる高周波共振器およびこれを用いた高周波発振器に関する。

従来の高周波発振器に用いられる高周波共振器は、マイクロストリップ線路からなる信号線路内に直列に接続された複数のコンデンサと、一端がこのコンデンサ間に接続され、他端が接地されるように設置されたインダクタと、で構成されていた。

このような構成の高周波共振器は、信号線路内に直列に接続されたコンデンサと信号線路内のインダクタンス成分により直列共振回路が構成されると共に、信号線路に並列に接続されたインダクタと信号線路と地導体との浮遊容量により並列共振回路が構成され、伝搬定数が０となる周波数が存在し、いわゆる０次モード共振器を形成する。０次モード共振器では見かけ上伝導電流が流れないので、導体損によるＱ値の劣化を防止するという効果を奏する（例えば、非特許文献１参照）。

Anthony Lai, Christophe Caloz, and Tatsuo Itoh, 'Composite Right/Left-Handed Transmission Line Metamaterials,' Microwave Magazine, pp.34-50, September, 2004.

従来の高周波共振器では、地導体と信号線路の間に比誘電率が２〜３程度のフッ素樹脂を挟んだ構成になっていたため、誘電体損によるＱ値が劣化するといった問題があった。また、並列共振回路を構成するコンデンサは浮遊容量のみを用いているために、容量の大きなコンデンサを形成することが困難であり、設計の自由度が制限されるといった問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、誘電体損によるＱ値の劣化を低減した高周波共振器および高周波発振器を得るものである。

この発明にかかる高周波発振器は、上面に凹部が形成され、凹部の底面部に１または複数個の凸部が形成された誘電体基板と、誘電体基板の少なくとも凹部底面部および凸部表面とにわたって形成された地導体と、凹部に対向するとともに凸部頂面から所定間隔をおいて配設された誘電体からなる支持体と、支持体に直列共振回路および並列共振回路を形成する信号線路とを備え、直列共振回路と並列共振回路とが所定数交互に縦続的に設けられた高周波共振器であって、信号線路は、凸部頂面に対向する部分の線幅を広げて所定面積を有するプレート状導体を形成し、このプレート状導体と凸部頂面の地導体間で前記並列共振回路のコンデンサを形成したことを特徴とするものである。

この発明によれば、誘電体基板と支持体に形成した信号線路との間に空気層を設けることにより誘電体損によるＱ値の劣化を防止することができる。また、誘電体基板と信号線路との間の空気層により、低損失で、容量の大きなコンデンサを容易に得ることが可能となる。

実施の形態１．
図１〜図４は、この発明を実施するための実施の形態１における高周波共振器を示すものである。図１は上面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図、図４はこの高周波共振器の等価回路図である。図１〜図４において、適宜の幅を有する矩形状をした誘電体基板１は、その上面の長手方向に沿って断面形状が逆台形をした一連の凹部を形成するとともに、この凹部の底面部に所定の高さをもちかつ頂面が所定の面積をもった凸部１ａを所定数、所定間隔にて形成している。そして、少なくとも凹部の底面部と凸部１ａとの全表面に導体膜をコーティングしてグランド電位となる地導体２が設けられる。また誘電体基板１の上面には、誘電体基板１の凹部と対向するようにして誘電体からなる支持体３が配設され、この支持体３の下面に、入力端子４および出力端子５を両端部に有するマイクロストリップ線路からなる信号線路６がパターン化して形成される。この信号線路６はいわゆる高周波共振回路を構成し、ストリップ導体間のギャップからなる直列コンデンサ７と高インピーダンス線路とからなる直列インダクタ８が直列接続された直列共振回路９と、並列コンデンサ１０と並列インダクタ１１とが並列接続された並列共振回路１２とが組み合わされて必要な数だけ縦続接続されている。そして、並列共振回路１２を構成する線路の一部の線幅を広げることにより所定の面積をもったプレート状導体１３を形成し、このプレート状導体１３を誘電体基板１に形成された凸部１ａの頂面に対向して配置することによりこの凸部１ａ上面の地導体２との間で所定容量をもった並列コンデンサ１０を構成し、また、その配線の一部と凸部１ａの頂面に位置する地導体２との間を、導体を介して直接的に接続することにより所定の値を持った並列インダクタ１１を形成する。

また、図４において直列インダクタ８には信号線路６のインダクタ成分が含まれるものとし、並列コンデンサ１０には浮遊容量が含まれるものとする。さらに、直列共振回路９の共振周波数をｆｓ、並列共振回路１２の共振周波数をｆｐ、この高周波共振器の所望の共振周波数をｆとした場合、（数１）または（数２）を満たすように直列コンデンサ７、直列インダクタ８、並列コンデンサ１０、並列インダクタ１１の各素子パラメータが設定されている。さらにまた、各素子は共振周波数ｆにおける波長に対して十分小さなサイズであり、素子内における信号の位相差は無視できるものとする。

次に、このように構成された高周波共振器の動作について説明する。図４の等価回路に示すように、この高周波共振器は互いに隣り合う直列コンデンサ７と並列インダクタ１１とからなる位相定数が正となる右手系伝送線路と、互いに隣り合う並列コンデンサ１０と直列インダクタ８とからなる位相定数が負となる左手系伝送線路とが縦続接続される構成になっているために、共振周波数ｆで位相定数を０にすることが可能となる。従って、共振周波数ｆにおいて、信号線路６には見かけ上電流は流れなくなり、導体損が生じない０次モード共振器を形成する。従って、入力端子４に複数の周波数成分を持った入力信号を入力した場合、出力端子５からは周波数がｆ付近の位相差の小さい出力信号が得られる。

また、このように構成された高周波共振器においては、直列共振回路９及び並列共振回路１２を形成する信号線６と地導体２の間は所定高さの空間によって隔てられているために、この空間にフッ素樹脂よりも比誘電率の小さい空気層が存在することになり、誘電損による損失を低減し、高Ｑな高周波共振器を得ることができる。また、地導体２と信号線路６との間が空気層になっていることから、図２または図３に示すように並列インダクタ１１を地導体２に接続することが容易となる。

また、並列コンデンサ１０は誘電体基板１に形成された凸部１ａ頂面の地導体２と信号線路６におけるプレート状導体１３とのギャップによって構成されているため、誘電体基板１が凸部１ａを有さない場合に比べて、導体間の距離を短くでき、並列コンデンサ１０を大容量にすることが可能となり、各素子の設計の自由度が増すという効果を奏する。

また、図２では誘電体基板１の凹部の底面部に形成された凸部１ａがプレート状導体１３に対向する位置よりも誘電体基板１の長手方向に延設され、この凸部１ａの頂面に形成された地導体２に並列インダクタ１１が接続される構成になっているが、図５および図６に示すように誘電体基板１の凹部の底面に形成された地導体２に並列インダクタ１１を接続しても良い。このように、接続位置を変えることにより、並列インダクタ１１の全長を変化させ、インダクタンス成分の大きさを調整することが可能となる。

また、本実施の形態においては、信号線路６は支持体３の誘電体基板１と対抗する面に形成されているが、信号線路６を対向しない面に形成しても良い。この場合、並列インダクタ１１は支持体３を貫通し地導体２と接続する。

実施の形態２．
実施の形態１における高周波共振器は、グランドとして誘電体基板１の凹部底面部に設けた地導体２を使用する構成になっていたが、図７に示すように信号線路３を挟むように２本の平行なグランド線路１４を支持体３に形成するような構成にしても実施の形態１と同様の効果が得られる。図７はこの発明の実施の形態２にかかる高周波共振器の上面図を示した図である。この場合、並列インダクタ１１は地導体２に接続されるのではなく、グランド線路１４に接続する構成にする。図８は図７のＡ−Ａ断面を示す図であり、図９は図７のＢ−Ｂ断面を示す図である。

図９に示すように、地導体２は、誘電体基板１と信号線路６が形成された支持体３との接合面を含む凹部の全表面に導体膜をコーティングすることにより形成され、この接合面の導体膜により支持体２に形成されたグランド線路１４と直接接続するような構成になっている。また、図１０は実施の形態２における変形例であり、地導体２とグランド線路１４とはビアまたは線路によって接続されている。このような接続にすることによって、地導体２とグランド線路１４を同電位にすることが可能となり、安定したグランド電位を得ることが可能となる。また、並列インダクタ１１は支持体３の平面上に形成されることになるので、他の素子と一括してパターニングできるという効果を奏する。その他の構成および効果は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

また、本実施の形態においては、信号線路６を挟むように２本のグランド線路１４が形成されているが、グランド線路１４は片方のみの１本であっても良い。

実施の形態３．
実施の形態１または実施の形態２における高周波共振器において、信号線路６は高次モードの周波数での表皮深さよりも薄くなるように構成してもよい。その他の構成は実施の形態１または実施の形態２と同様である。

このように構成された高周波共振器においては、信号線路６は表皮深さよりも薄くなることにより、高インピーダンスの信号線路となる。従って、入力端子４から入力された信号のうち、０次モード以外の共振モードに対応する周波数の信号は導体損が増大し大きく減衰することになる。しかし、０次モード共振に対応する周波数、すなわち所望の共振周波数ｆ付近の周波数の信号については、実施の形態１で説明したように、見かけ上電流が流れない構成になるので、信号線路６の抵抗による影響を受けない。従って、より高Ｑな高周波共振器を得ることが可能となる。

実施の形態４．
図１１は実施の形態１乃至実施の形態３のいずれかに記載の高周波共振器１５を採用した高周波発振器を示す回路図である。すなわち高周波共振器１５が雑音を増幅する電界効果トランジスタ１６のゲート端子に接続されている。電界効果トランジスタ１６のドレイン端子およびソース端子には、電界効果トランジスタ１６が増幅した信号の一部を電界効果トランジスタ１６に反射する第１のリアクタンス回路１７、第２のリアクタンス回路１８が接続され、第２のリアクタンス回路１８の他端にはこの高周波発振器の発振波を出力する負荷抵抗１９が接続されている。

次にこのように構成された高周波発振器の動作について図１２を用いて説明する。まず、この高周波発振器内の雑音が電界効果トランジスタ１６によって増幅される。この増幅された信号の一部が、高周波共振器１５、第１のリアクタンス回路１７および第２のリアクタンス回路１８から電界効果トランジスタ１６へと反射され、増幅される。この動作を繰り返すことにより、高周波発振器は発振し、この発振波は負荷抵抗１９に出力される。このときの発振周波数は（数３）および（式４）を満たす周波数である。

（数３）および（数４）において、Ｚrは電界効果トランジスタ１６のゲート端子から高周波共振器１５側を見たときのインピーダンス、Ｚaは電界効果トランジスタ１６のゲート端子から電界効果トランジスタ１６側を見たときのインピーダンスである。

（数２）において、Ｚａ及びＺｒのＱ値が高いほど、左辺の周波数に対する傾きは大きくなる。また（数２）の左辺の周波数に対する傾きが大きいほど、この高周波発振器の位相雑音は改善される。本実施の形態における高周波発振器は、実施の形態１乃至実施の形態３で述べた高Ｑな高周波共振器１０を使用しているためＺrのＱ値は高くなり、低位相雑音の高周波発振器を得ることが可能となる。

この発明の実施の形態１を示す高周波共振器の上面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 この発明の実施の形態１を示す高周波共振器の等価回路図である。 この発明の実施の形態１を示す高周波共振器の上面図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。 この発明の実施の形態２を示す高周波共振器の上面図である。 図７のＡ−Ａ断面図である。 図７のＢ−Ｂ断面図である。 図７のＢ−Ｂ断面図である。 この発明の実施の形態４を示す高周波発振器の構成図である。

符号の説明

１ 誘電体基板、１ａ 凸部、２ 地導体、３ 支持体、６ 信号線路、７ 直列コンデンサ、８ 直列インダクタ、９ 直列共振回路、１０ 並列コンデンサ、１１ 並列インダクタ、１２並列共振回路、１３ プレート状導体、１４ グランド線路、１５ 高周波共振器、１６ 電界効果トランジスタ、１７ 第１のリアクタンス回路、１８ 第２のリアクタンス回路

Claims (6)

1. 上面に凹部が形成され、該凹部の底面部に１または複数個の凸部が形成された誘電体基板と、
   前記誘電体基板の少なくとも前記凹部底面部および前記凸部表面とにわたって形成された地導体と、
   前記凹部に対向するとともに前記凸部頂面から所定間隔をおいて配設された誘電体からなる支持体と、
   前記支持体に直列共振回路および並列共振回路を形成する信号線路とを備え、前記直列共振回路と前記並列共振回路とが所定数交互に縦続的に設けられた高周波共振器であって、
   前記信号線路は、
   前記凸部頂面に対向する部分の線幅を広げて所定面積を有するプレート状導体を形成し、このプレート状導体と前記凸部頂面の地導体間で前記並列共振回路のコンデンサを形成したことを特徴とする高周波共振器。
2. 前記並列共振回路のインダクタは、
   前記信号線路と前記凹部の底面部における地導体とに跨って接続されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波共振器。
3. 前記並列共振回路のインダクタは、
   前記信号線路と前記凸部頂面部における地導体とに跨って接続されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波共振器。
4. 前記誘電体基板の表面に少なくとも前記支持体との接合面に至る地導体を形成すると共に、前記支持体に前記地導体と接続されたグランド線路を形成し、前記並列共振回路のインダクタを前記信号線路とグランド線路とに跨って接続したことを特徴とする請求項１に記載の高周波共振器。
5. 前記信号線路は高次モードの周波数の表皮深さよりも薄くなるように形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の高周波共振器。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の高周波共振器と、
   前記高周波共振器をゲート端子に接続した電界効果トランジスタと、
   前記電界効果トランジスタのソース端子に接続され、前記電界効果トランジスタが増幅した信号を反射する第１のリアクタンス回路と、
   前記電界効果トランジスタのドレイン端子に接続され、前記電界効果トランジスタが増幅した信号を反射する第２のリアクタンス回路と、
   を有することを特徴とする高周波発振器。

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