JP4535127B2 - 電圧制御発振器および無線装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えばマイクロ波帯、ミリ波帯などで用いる誘電体共振器、さらには、その誘電体共振器を備えた電圧制御発振器および無線装置に関する。

従来の発振器を図１（Ａ）に示す。発振器では誘電体基板の表面に誘電体共振器１０４を構成し、誘電体共振器１０４自体を実装する実装基板に、信号線や共振器と結合する主線路１０３を設け、さらに主線路１０３にＤＣカットのための電極間隙（以下、この構造をＤＣカット構造という。）１０６を設けて、主線路１０３を２つの構成部１０３Ａ，１０３Ｂとし、主線路構成部１０３Ａに負性抵抗素子１０１を接続し、主線路構成部１０３Ｂに終端抵抗１０２を接続して帯域反射型の発振器を構成している（例えば、特許文献1参照。）。

また、誘電体共振器としては他にも、図１（Ｂ）に示すような略直方体状の誘電体ブロック１１１からなる導波管型の誘電体共振器１１０も知られており、誘電体ブロック１１１の外面に設けた外面電極１１２に開口１１３Ａ，１１３Ｂを設け、開口１１３Ａ，１１３Ｂにそれぞれ外面電極１１２に一端が短絡され他端が開放される線路パターン（入出力電極）１１４Ａ，１１４Ｂを設ける構成が公知である（例えば、特許文献２参照。）。

以上の共振器では、誘電体基板や誘電体ブロックなど（以下、単に誘電体部材という。）の入出力電極を実装基板の信号線に接続し、誘電体部材の外面電極の一部をグランド電極に接続することで、入出力電極に等価的な短絡点を設け、誘電体共振器を励振する構成としていた。

また、主線路などのマイクロストリップ線路に電極間隙を設けてＤＣカット構造とする場合に、電極間隙を挟んで対向する部分の線路主方向の長さを、通過させる高周波信号の１／４波長に設定すると信号の損失が最も小さくなることが知られている。（例えば、非特許文献１参照。）
実公平６−４８９７４号公報 国際公開ＷＯ２００２／０７８１１９号パンフレット 小西良弘著「マイクロ波回路の基礎とその応用」ｐ．３１８

ところで上述した特許文献１に記載された従来技術では実装基板に設けた信号線および主線路を共振器の外側の基板に配置するために、誘電体共振器を実装する基板が大きくなる傾向があり、装置全体が大型化するという問題があった。

また、特許文献２に記載された従来技術では誘電体部材の外面電極と入出力電極との相対位置が、わずかに位置ずれしただけでも誘電体共振器と入出力電極との間の結合量が大きく変化してしまう。この結果、個々の誘電体共振器ごとに入出力電極との結合量にばらつきが生じやすく、共振器の電気特性のばらつきを抑えるために入出力電極形成後にその入出力電極の外形形状の微調整を精度良く行う必要がある。

また、以上のような誘電体共振器では入出力電極の全反射端（短絡点）からの距離によって、共振器からの反射信号または通過信号の位相が定まるものであるために、接続される実装基板の他の回路素子や線路の配置およびサイズに固定的な制約が生じる場合があり、実装基板の回路設計に強い制約を与えていた。

また、非特許文献１に記載された従来技術では、信号線を伝搬する高周波信号の波長に対して、ＤＣカット構造の櫛歯の長さを前記高周波信号の１／４波長とすることで信号の伝送損失を最小にできるが、それ以外の長さに電極間隙を設定すると信号の伝送損失が急激に増大するものであり、この給電線の形状の形状調整も精度良く行う必要があった。

本発明は上述したような従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、実装基板にＤＣカット素子やＤＣカット構成の信号線を必要とせずにＤＣカットを行うことができ、また外形寸法の小型化と製造の容易化を実現し、共振器を実装する実装基板の回路設計に対しての制約を除くことができるようにするとともに、可変容量素子の両端の電位の正負を異ならせて使用することができ、回路構成の簡易な電圧制御発振器、およびそれを備えた無線装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明の電圧制御発振器に備える誘電体共振器は次のような構成とする。

誘電体部材と、前記誘電体部材の外面に設けられた電極とからなる誘電体共振器において、前記電極と一端で短絡され他端で開放される、前記誘電体部材の外面の一部に設けた線路パターンを備え、前記線路パターンを、その線路パターンを区画する電極間隙と、前記電極に対する開放側に設けた信号入出力部と、前記電極に対する短絡側に設けた接地部と、で構成する。

このように、誘電体部材に設けた電極に線路パターンを設け、更に線路パターンに電極間隙を設けることにより、全反射端での磁界結合を主として線路パターンと共振器とを結合させる。すると、ＤＣカット構造を誘電体共振器に一体的に実現することができるために、外形寸法の小型化が可能となる。
また、電極間隙により信号入出力部と接地部との間に容量が生じるが、この電極間隙の形状や間隙寸法を調整することにより、信号入出力部と接地部との間の容量を変化させ、電極間隙のみの調整で誘電体共振器と入出力電極である線路パターンとの結合量を調整でき、製造の容易化が実現できる。
また、この容量の調整によって線路パターンを伝搬する高周波信号の反射位相を変化させることができ、この反射位相を設定することにより、外部の実装基板の回路素子や給電線の位置やサイズの制約を抑制し、設計の自由度を向上させることができる。

また、この発明の電圧制御発振器に備える誘電体共振器は、次のような構成とする。
前記信号入出力部と前記接地部とが前記電極間隙を挟んで対向する部分の、前記線路パターンの主方向長さが、自共振器の共振信号の１／４波長よりも短いことを特徴とする。

このように、ＤＣカット構造部分での線路主方向における対向長さ（以下、対向長という。）を、自共振器の共振信号の１／４波長よりも短くする場合、従来技術のように例えば信号線にＤＣカット構造を設けるときには、結合Ｑが著しく低下して共振器との結合が実現できない場合があった。しかし、本発明では誘電体部材上にＤＣカット構造を実現しているために、磁界結合する全反射端付近（本来から反射端である位置またはその近傍）にＤＣカット構造が位置することになり、結合Ｑの低下が抑制される。したがって信号入出力部の形状を、対向長が共振信号の１／４波長より短くなるように設定したとしても、共振器との結合を実現でき、ＤＣカット構造の線路部分を小型化できる。さらに、この対向長によって高周波信号の反射位相を変化させることができ、この反射位相を設定することにより、外部の実装基板の回路素子や給電線の位置やサイズの制約を抑制し、設計の自由度を向上させることができる。

また、この発明の電圧制御発振器は、次のような構成とする。
上述の誘電体共振器に結合する主線路を備え、該主線路に負性抵抗素子を接続し、前記信号入出力部に可変容量素子と接続する線路を接続し、前記可変容量素子の一端に正電位、他端に負電位を印加する制御電圧印加手段を備えたことを特徴とする。

このように、誘電体共振器の線路パターンにＤＣカット構造を設けるために、誘電体共振器の電極（一般にグランド電極に接続される）と線路パターンとを異なる電位とすることができる。すると、線路パターンに接続する可変容量素子の両端の電位を、それぞれ誘電体共振器の電極の電位（グランド電位）と異ならせて利用でき、例えば可変容量素子の一端を負電位、他端を正電位として、グランド電位と異ならせて利用できる。これにより、可変容量素子に印加する電圧の絶対値を低電圧化しても使用することができる。

また、この発明の無線装置は、次のような構成とする。
上述の電圧制御発振器を高周波信号発生部に備える。

この発明によれば、実装基板にＤＣカット素子やＤＣカット構成の信号線を必要とせずに、外形寸法の小型化と製造の容易化を実現できる。また、誘電体共振器を実装する実装基板の回路設計の制約を抑制できる。また、簡易な回路構成でＤＣカット構造を実現し、自装置に接続された可変容量素子の両端の電位の正負を異ならせて使用することを可能にする。

従来技術に係る誘電体共振器を説明する図である。 第１の実施形態に係る誘電体共振器の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る誘電体共振器の実装基板実装時の斜視図である 第２の実施形態に係る線路パターンの構成を示す図である。 対向長Ｌと反射位相との関係を示す図である。 変形例に係る線路パターンの構成を示す回路図である。 第３の実施形態に係る誘電体共振器の構成を示す図である。 第４の実施形態に係る誘電体共振器の構成を示す図である。 第４の実施形態に係る電圧制御型の電圧制御発振器の回路図である。 第５の実施形態に係るレーダの回路図である。

符号の説明

１，４１，５１，６１−誘電体共振器
２，２２，５２，６２−誘電体部材
３−円形電極
５３−外面電極
４，４４，６４−裏面電極
５−切込
６，４６，５６，６６−線路パターン
７，４７，５７−開口
８−バンプ接続部
９，４９，５９−電極間隙
１０，５０，５５−信号入出力部
１１，５１，５４−接地部
２１−実装基板
２３−信号線
２４−グランド電極
２５，２７，４８−バンプ
２６−スルーホール
６３−電圧制御発振器
７０−終端抵抗
７３−電界効果トランジスタ
７５−マイクロストリップライン
７６−スタブ
７７−カップルドライン
７８−アッテネータ
７９−可変容量ダイオード

第１の実施形態に係る誘電体共振器について図２を参照して説明する。
図２（Ａ）は本実施形態の誘電体共振器１の上面図であり、図２（Ｂ）は誘電体共振器１の下面図である。また、図２（Ｃ）は誘電体共振器１の下面図における線路パターン６を拡大した図である。

この誘電体共振器１は、主にＴＭ０１０モードで共振する共振器であり、板状の誘電体部材２と、図２（Ａ）に示すその上面に設けた略円形状の円形電極３と、図２（Ｂ）に示すその裏面である実装面に設けた裏面電極４とによって構成している。この誘電体共振器１は下面の裏面電極４が実装基板のグランド電極に接続され、線路パターン６に実装基板の信号線に設けたバンプが接続されることになる。

板状の誘電体部材２は、誘電率εを示すセラミック等の高誘電性材料であり、ここでは図２中の縦方向（Ｙ方向）と横方向（Ｘ方向）に同一の寸法Ｌ１を有し、上面から裏面までの厚さとして寸法Ｌ２（図示せず）を有する。

図２（Ａ）に示す円形電極３は、実装面に対向する上面に設けており、誘電体部材２の中央部に位置して金属材料等の導電性薄膜により形成している。この円形電極３はその直径として寸法Ｌ３を有し、その中心軸部分から誘電体部材２の角部分の方向に放射状に４本の切込５を設けている。この切込５は周方向に対して等間隔に細長い溝状をなして設けていて、他の共振モード（例えば、ＴＭ２１０モード，ＴＭ３１０モード）の共振周波数の設定に用いる。

図２（Ｂ）に示す裏面電極４は、実装面を覆う略全面に矩形状にとなるように設けており、その他の端面付近には電極非形成部分を設けている。このようにして裏面電極４を前記円形電極３に対向するように形成している。また、その矩形状の一辺の中央付近に、誘電体部材２の露出した開口部７Ａと開口部７Ｂとを設けることにより、開口部７Ａと開口部７Ｂとに挟んで線路パターン６を形成している。

図２（Ｃ）に示す線路パターン６と開口部７Ａ，７Ｂとは、矩形状の実装面の一辺の中央付近から、実装面の中心部分に向けて直線状に延びる長方形状に形成している。線路パターン６はその両側に設けた開口部７Ａ，７Ｂにより挟まれており、横方向の寸法（幅寸法）Ｌ４を有し、縦方向の寸法（長さ寸法）Ｌ５を有する。また、開口部７Ａ，７Ｂは、それぞれ幅寸法Ｌ６と長さ寸法Ｌ５を有する。また、開口部７Ａ，７Ｂそれぞれの幅寸法Ｌ６は、線路パターン６の幅寸法Ｌ４よりも大きく、この開口部７Ａ，７Ｂの長さ寸法Ｌ５は線路パターンの長さ寸法と略同一である。

また、線路パターン６は電極間隙９を設けており、さらに、この電極間隙９により、他の電極と電気的に分離された信号入出力部１０と、前記電極間隙９により前記信号入出力部１０と電気的に分離されるとともに前記裏面電極４と連続した接地部１１と、を設けている。

ここでは電極間隙９を溝状に形成しており、線路パターン６の端部分からＹ方向に所定寸法Ｌ８の位置の両側を結ぶように延長した溝としている。この電極間隙９により前記信号入出力部１０と接地部１１をそれぞれ矩形状にしている。

本実施形態では以上のような誘電体共振器１を構成する。そして、この誘電体共振器１を実装基板に実装することで、実装面の端面付近に設けた信号入出力部１０により誘電体共振器１は実装基板の信号線に接続される。実装基板の信号線に設けた金（Ａｕ）などからなるバンプを入出力電極部１０のバンプ接続部８に接続して高周波信号を入出力することで、接地部１１と裏面電極４とが連続する位置Ｓの付近が高周波信号の全反射端として作用することになる。

図３（Ａ）は実装基板２１の斜視図であり、図３（Ｂ）は誘電体共振器１を実装基板２１へ実装した場合の斜視図である。

実装基板２１は、前述の誘電体共振器１の誘電体部材２よりも低い誘電率のセラミック材料による厚さ寸法Ｌ１１の誘電体板２２で構成している。さらに、この実装基板２１は、誘電体共振器１を実装する際に入出力電極部１０に接続する信号線２３と、誘電体共振器１の裏面電極４に接続するグランド電極２４とを備えている。信号線２３とグランド電極２４は金属薄膜等の導電性材料により形成しており、信号線２３の先端部分に前記誘電体共振器１の信号入出力部１０のバンプ接続部８に接続するための金（Ａｕ）からなるバンプ２５を備えている。また、グランド電極２４は、その全面にわたって所定間隔でスルーホール２６を配していて、このグランド電極２４はスルーホール２６を介してこの誘電体板２２裏面のグランド電極と導通する。また、このグランド電極２４にはその一部にバンプ２７を複数配列していて、これらのバンプ２７を介して誘電体共振器１の裏面電極４をグランド電極２４に接続する。

ここで、信号線２３から誘電体共振器１の共振周波数の高周波信号を入力する。
すると信号線２３から入力された高周波信号は信号線２３からバンプ２５、バンプ接続部８を介して誘電体共振器１の信号入出力部１０に伝達される。信号入出力部１０では、高周波信号によって電極間隙９部分の電位が変化し、電極間隙９を介して対向する接地部１１でも電位が変化する。これにより、電極間隙９部分で信号入出力部１０と接地部１１との間に容量Ｃが生じ、信号入出力部１０と接地部１１とが結合し、共振器にキャパシタンスが直列接続されたことになる。このキャパシタンスにより、信号線２３から見て誘電体共振器１で反射する信号の位相（反射位相）が変化する。

また、裏面電極４がグランド電極２４と接続されると、線路パターン６の端部から寸法Ｌ５だけ離れた部分である、接地部１１と裏面電極４との連続部分Ｓが等価的な接地点となる。

ここで信号線２３から入力される高周波信号が誘電体共振器１の共振周波数の場合には、接地点Ｓ近傍に最も大きな磁界が生じ、線路パターン６の主方向（図Ｙ方向）を周回するように、すなわち前記主方向に垂直な面内で巻くように、磁界が生じることになる。

すると、誘電体共振器１では、円形電極３の中心軸に垂直な面と、線路パターン６の主方向に垂直な面とが交差する交差線方向に磁界ベクトルが生じることになり、そのため、円形電極３の中心軸に垂直な面内で巻くように磁界が生じ、誘電体部材２の内部に裏面電極４と円形電極３との間で前記中心軸方向の電界が生じる。

このように誘電体部材２の電極の一部に線路パターン６を設けたことにより線路パターン６に生じる磁界を誘電体部材２の内部に生じる磁界と一致させて、線路パターン６を共振器と磁界結合させることができ、線路パターン６を伝搬する高周波信号によって誘電体共振器１がＴＭ０１０モードで共振することとなる。このようにして、ＤＣカット構造を誘電体共振器に一体的に実現することができるために、外形寸法の小型化が可能となる。

また、線路パターン６に設けた電極間隙９部分の信号入出力部１０と接地部１１との間に容量Ｃが生じることにより、直流成分をカットするＤＣカット構造とすることができる。そのため、例えば実装基板にこのＤＣカット構造のマイクロストリップラインやＤＣカット素子を設ける必要がなくなる。

また、共振器にキャパシタンスを直列接続した構造になるため、この誘電体共振器１のみの調整により出力信号の位相を調整することができ、外部の実装基板や給電線の配置やサイズなどに設計の自由度を持たせることができる。

また反射位相を調整するには、容量Ｃの大きさを調整するとよいが、電極間隙の間隙寸法に応じて容量を設定するようにすると、間隙寸法を大きくすることによって容量Ｃが小さくなり、間隙寸法を小さくすることによって容量Ｃが大きくなる。このようにして容量Ｃを設定することができる。

また、誘電体部材２の実装面には線路パターンを設けるとともに、その線路パターンに電極間隙９を設けたので、例えばＤＣカット構造の信号線などを実装基板に設ける場合よりも、複数の誘電体共振器１ごとに容量Ｃがばらつくことを抑え、誘電体共振器１ごとの電気特性を略一定に維持することができる。そして、ＤＣカット構造を誘電体共振器１自体に設けることにより実装基板の回路構成を簡易化するとともに小型化できる。

なお、本実施形態では、円形電極と裏面電極とを備えたＴＭ０１０モード共振器の例を示したが、円形電極や裏面電極の形状によっては本発明は限定されない。また、特許文献２のような導波管型の共振器であっても本発明は実施可能である。

次に、本発明の第２の実施形態に係る誘電体共振器について図４を参照して説明する。
本実施形態の誘電体共振器は、前述の第１の実施形態の線路パターンが、突出形状の電極間隙によって分離されており、その突出する部分の対向長が共振周波数の１／４波長よりも短い点を特徴とする。

図４は誘電体共振器４１の下面図における線路パターン４６を拡大した図である。
この誘電体共振器４１は第１の実施形態で示した誘電体共振器１と略同様な構成であるが線路パターン４６の形状が主に異なる。図４に示すように線路パターン４６には電極間隙４９を設けている。また、他の電極と電気的に分離された信号入出力部５０と、前記電極間隙４９により前記信号入出力部５０と電気的に分離されるとともに前記裏面電極４４と連続した接地部５１とを設けている。そして、信号入出力部５０のバンプ接続部４８に実装基板の信号線のバンプを接続する。

電極間隙４９はその全長にわたって間隙寸法Ｌ５０の溝状に形成し、線路パターン４６の端部分からＹ方向に所定寸法Ｌ４８の位置の両側から、所定寸法Ｌ４９だけ内側から裏面電極４４の中央側に所定寸法Ｌだけ突出し、その突出部分で前記両側から延長してきた溝を連続させた形状としている。この電極間隙４９により前記信号入出力部５０が凸形状を成し、前記接地部５１が凹形状を成している。

このように、ＤＣカット構造部分での線路主方向に電極間隙４９を対向長Ｌだけ突出させた場合、この対向長Lによって容量Ｃをより大きくすることができる。

電極間隙４９の対向長Ｌや間隙寸法Ｌ５０により容量Ｃを設定することができ、対向長Ｌを大きくすることによって容量Ｃが大きくなり、対向長Ｌを小さくすることによって容量Ｃが小さくなる。また、間隙寸法Ｌ５０を大きくすることによって容量Ｃが小さくなり、間隙寸法Ｌ５０を小さくすることによって容量Ｃが大きくなる。容量Ｃの大きさにより、反射位相が異なるので、容量Ｃを調整することで反射位相を調整することができる。

また、本実施形態では、突出部分の対向長Ｌを自共振器の共振信号の１／４波長よりも短くしている。従来技術のように例えば給電線にＤＣカット構造を設けるときには、対向長Ｌを自共振器の共振信号の１／４波長よりも短くすると、結合Ｑが著しく低下して共振器と給電線との結合が実現できない場合があった。しかし、本発明のように誘電体部材上にＤＣカット構造を実現すると、磁界結合する全反射端付近（もともと反射端である位置またはその近傍）にＤＣカット構造が位置するために、結合Ｑの低下が抑制され、対向長Ｌが共振信号の１／４波長より短くなるように設定したとしても、共振器との結合を実現できる。これにより、ＤＣカット構造の線路部分を小型化できる。

ここで、図５に、本実施形態による誘電体共振器について電磁界シミュレーションにより反射特性を解析した結果を示す。電磁界シミュレーションでは、対向長Ｌを様々に変更したシミュレーション例について反射位相差を確認した。図５（Ａ）は、反射信号と入力信号との位相差を対向長Ｌを様々に変化させて観測した結果であり、共振周波数３８ＧＨｚとしたときの周辺帯域での反射位相差を示している。図５（Ｂ）は周波数３８ＧＨｚの場合の位相差と負荷Ｑ（ＱＬ）、無負荷Ｑ（Ｑ０）、結合Ｑ（Ｑｅ）を算出した結果である。ここで、対向長Ｌを様々に異ならせて（１）Ｌ＝０．１ｍｍ、（２）Ｌ＝０．１５ｍｍ、（３）Ｌ＝０．２ｍｍ、（４）Ｌ＝０．２５ｍｍ、（５）Ｌ＝０．３ｍｍとした場合の、反射位相差をシミュレーションにより求めた。すると対向長Ｌが（１）〜（５）のそれぞれの場合において反射位相差が異なり、対向長Ｌが小さいほど位相差が大きく対向長Ｌが大きいほど位相差が小さいものとなった。また、対向長Ｌごとの負荷Ｑ（ＱＬ）、無負荷Ｑ（Ｑ０）、結合Ｑ（Ｑｅ）は概ね実用に適する値を示し、不整合端であっても結合を実現できることを確認した。

かくして、本実施形態のように、誘電体部材上にＤＣカット構造を実現した場合には、結合Ｑの低下が抑制され、信号入出力部の形状を対向長が共振信号の１／４波長より短くなるように設定したとしても、共振器との結合を実現できＤＣカット構造の線路部分を小型化できる。

なお、ここでは、突出部の形状を信号入出力部で凸、接地部で凹となるようにしたが、このような構成に限らず、様々な形状であっても本実施形態と同様に結合することを発明者らは電磁界シミュレーションにより確認している。

例えば、図６（Ａ）に示す変形例のように、電極間隙の位置が接地点と一致する程度まで、即ち線路パターンと裏面電極との連続する部分の位置まで電極間隙を侵入させたとしても、裏面電極が接地部として作用するため、上述の効果と同様な効果を奏し、結合を実現できることを確認している。

また、図６（Ｂ）に示す変形例のように、電極間隙が全体的に線路パターンに含まれている位置であったとしても、また、図６（Ｃ）に示す変形例のように、電極間隙の突出部が裏面電極部分にまで挿入されている位置であったとしても、上述の効果と同様な効果を奏し、結合を実現できることを確認している。

また、図６（Ｄ）に示す変形例のように、電極間隙が第２の実施形態で示す例と反対に信号入出力部が凹形状であり、接地部が凸形状であっても、上述の効果と同様な効果を奏し、結合を実現できることを確認している。

また、図６（Ｅ）に示す変形例のように、電極間隙が複数の突出部からなるメアンダライン状であっても、上述の効果と同様な効果を奏し、結合を実現できることを確認している。

また、図６（Ｆ）に示す変形例のように、電極間隙が段状であっても、上述の効果と同様な効果を奏し、結合を実現できることを確認している。

また、図６（Ｇ）に示す変形例のように、電極間隙が鋭角に切り込むように設けてあっても、上述の効果と同様な効果を奏し、結合を実現できることを確認している。

次に、本発明の第３の実施形態に係る電圧制御発振器について図７を参照して説明する。
図７は、略直方体状の誘電体ブロック５２からなる導波管型の誘電体共振器５１であり、誘電体ブロック５２の外面の略全面に設けた外面電極５３の、長手方向を有する一面のその縁周部分に接する位置に開口５７Ａ，５７Ｂをそれぞれ設けている、開口５７Ａには、一端が短絡され他端が開放される線路パターン（入出力電極）５６を設け、線路パターン５６に、電極間隙５９を設けることで入出力部５５と接地部５４とを形成している。

ここでこの線路パターン５６および電極間隙５９は、前述の第１の実施形態で示した線路パターンおよび電極間隙と略同形状とする。

このようにして導波管型の誘電体共振器５１であっても本発明は前述の実施形態と同様に実施可能であり、また、線路パターン５６および電極間隙５９の形状は前述のどの形状であっても良い。

次に、本発明の第４の実施形態に係る電圧制御発振器について図８および図９を参照して説明する。
図８は、誘電体共振器６１の実装面である下面図であり、図９は、その誘電体共振器６１を実装基板に設けた電圧制御発振器６３の回路図である。

本実施形態では、前述の第１の実施形態と略同様な構成で誘電体共振器６１を構成するが、実装面側の裏面電極６４と線路パターン６６の形状において主に異なる。

実装面には第１の線路パターン６６Ａと第２の線路パターン６６Ｂを設け、線路パターン６６Ａによって裏面電極を第１の裏面電極６４Ａと第２の裏面電極６４Ｂに区分している。また、線路パターン６６Ｂを裏面電極６４Ａに連続させて設け、この線路パターン６６ＢにＤＣカット構造を採用するために電極間隙６９を設けている。また、ここでは図示していないが誘電体共振器６１は実装基板に対向する実装面とは反対の上面に略円形状の円形電極を設けている。

実装面に設けた線路パターン６６Ａは、円形電極の中心軸付近を通って円形電極の直径に沿って直線状に延びている。そして、線路パターン６６Ａの両端（図横方向の両端）には実装基板の信号線が接続される幅広の接続部を形成している。この接続部はバンプにより実装基板の信号線に接続する。また、裏面電極６４Ａ，６４Ｂはそれぞれ誘電体部材の実装面側に位置して線路パターン６６Ａの幅方向の両側に離間して設けている。裏面電極６４Ａ，６４Ｂは、この誘電体部材の実装面の、線路パターンとその脇の開口とを除いた全面に設けている。

ここで信号線からこの線路パターン６６Ａに誘電体共振器６１の共振周波数の高周波信号が入力される場合には、線路パターン６６Ａの主方向に垂直な面内を巻くように磁界が生じる。また、誘電体部材の内部には円形電極の中心軸に垂直な面内を巻くように磁界が生じる。この２つの磁界はともに、半波長ごとに磁界の強弱が逆転し、それぞれの磁界の強い位置同士と弱い位置同士が一致し、また、線路パターン６６Ａに垂直な面で、且つ円形電極の中心軸に垂直な面の交線の方向の磁界ベクトルが一致するためにこの２つの磁界が結合することになる。そのため、この線路パターン６６Ａの一方端を終端することでこの誘電体共振器６１は帯域反射型の共振器として作用することになる。

実装面に設けた線路パターン６６Ｂは、第１の実施形態で示した線路パターンと略同様な構成であり、誘電体部材の実装面側に位置して誘電体部材の端部側から誘電体部材の中央部に向けて延びている。この線路パターン６６Ｂは、コの字型の開口（切込）によって幅方向（図縦方向）をはさまれており、帯状（舌状）に形成されている。この線路パターン６６Ｂの端面側は開口に取り囲まれて開放端のようになっており、また基板側は裏面電極６４Ａに接続した短絡端のようになっている。

裏面電極６４Ａはグランド電極と接続されて接地されるので、この線路パターン６６Ｂの基板側が短絡点として作用することになる。そして、この短絡点において線路パターンは強い磁界を生じ、その磁界によって誘電体共振器６１と線路パターン６６Ｂが磁界結合することになる。

この時、線路パターン６６Ｂでは信号線から誘電体振器６１に高周波信号が伝達されることによって、高周波信号によって電極間隙部分の電位が変化し、これにより、電極間隙部分で線路パターン６６Ｂに容量Ｃが生じ、共振器にキャパシタンスが直列接続されるため反射位相を容量Ｃによって変化させることができ、また、裏面電極が接地されるため、線路パターン６６Ｂと裏面電極６４Ａとの連続部分が等価的な接地点となり、接地点近傍に最も大きな磁界が生じ、線路パターン６６Ｂを誘電体共振器６１と磁界結合させることができる。

以上の構成の誘電体共振器６１を実装基板（図示せず。）に装荷して電圧制御型の電圧制御発振器６３とする。実装基板は誘電体材料からなる基板であり、この実装基板に、電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴ）７３、マイクロストリップラインなどからなる増幅回路部７１を設けている。ここで電源端子Ｖｄを通じて電源電圧を供給することで、誘電体共振器６１によって設定された所定の発振周波数の信号を発振するとともに、この信号を出力端子Ｖｏｕｔを通じて出力する。

ＦＥＴ７３のゲート端子Ｇは、線路パターン６６Ａの一端に接続し、ＦＥＴ７３のソース端子Ｓは１／４波長線路であるマイクロストリップライン７５Ａに接続している。マイクロストリップライン７５Ａの電源端子Ｖｄ側には、整合用のスタブ７６Ａを接続している。また、ＦＥＴ７３のドレイン端子Ｄからの信号は、直流成分を遮断するためのカップルドライン７７およびアッテネータ７８を介して出力端子Ｖｏｕｔから出力するように構成している。

さらに、誘電体共振器６１の線路パターン６６Ａの前記ＦＥＴ７３と接続されていない他端は、終端抵抗７０を介して接地している。なお、ここでは図示していないが実装基板側の誘電体共振器を装荷する信号線の部分はＦＥＴ７３側と終端抵抗７０側とにそれぞれ設けており、そして、これらの信号線は、線路パターン６６Ａを用いて互いに接続している。また、裏面電極６４Ａ，６４Ｂはグランド電極に接地している。

また、実装基板には周波数制御回路部７２を設け、誘電体共振器の線路パターン６６Ｂを接続している。周波数制御回路部７２では、前記線路パターン６６Ｂに可変容量ダイオード７９のアノードを接続している。可変容量ダイオード７９のカソードには、整合用にスタブ７６Ｂとマイクロストリップライン７５Ｂとを接続し、更にマイクロストリップライン７５Ｂの他端側に１／４波長線路であるスタブ７６Ｃと、可変容量ダイオード７９の接合容量を調整するために正の制御電圧を印加する正制御電圧入力端子Ｖｐを接続している。

また、可変容量ダイオード７９のアノードには、マイクロストリップライン７５Ｃを接続し、更にマイクロストリップライン７５Ｃの他端側に１／４波長線路であるスタブ７６Ｄと、可変容量ダイオードの接合容量を調整するために負の電圧を印加する負制御電圧入力端子Ｖｎを接続している。

以上のような構成により電圧制御発振器を構成する。ここで電源端子Ｖｄに駆動電圧が印加されると、ＦＥＴ７３のゲート端子Ｇには、誘電体共振器６１の共振周波数に応じた信号が入力される。これにより増幅回路部７１と誘電体共振器６１とが発振回路を構成する。するとＦＥＴ７３は誘電体共振器６１の共振周波数に応じた信号を増幅して発振し、出力端子Ｖｏｕｔを通じて外部へ出力する。

ここで、周波数制御回路部７２では、正制御電圧入力端子Ｖｐに正の制御電圧を印加し、負制御電圧入力端子Ｖｎには負の制御電圧を印加する。負制御電圧入力端子Ｖｎは可変容量ダイオード７９とともに誘電体共振器６１にも接続されているが、誘電体共振器６１の線路パターン６６Ｂには前述のように電極間隙を設けているために、この電極間隙がＤＣカット回路として作用して、この負制御電圧入力端子Ｖｎが誘電体共振器６１の裏面電極６４Ａを介して実装基板のグランド電極に接地されることを防止する。これにより、可変容量ダイオード７９には、そのカソードに正電圧がアノードに負電圧が印加されることになり、接合容量がその差分にしたがって設定される。

このように、可変容量ダイオード７９にはカソードに正電圧がアノードに負電圧が印加されるため、制御電圧の絶対値が低いままで用いても、大きな差電圧を印加することができ、制御電圧の絶対値を低電圧化できる。

次に、本発明の第５の実施形態に係るレーダについて図１０を参照して説明する。

図１０はレーダ全体の構成を示すブロック図である。このレーダ８０は、電圧制御発振器６３、パワーアンプ８５、カプラ８４、サーキュレータ８２、アンテナ８１、ミキサ８３、ローノイズアンプ８６、信号処理部８７等によって構成している。

ここで、電圧制御発振器６３は、第４の実施形態で示した電圧制御発振器である。パワーアンプ８５は電圧制御発振器６３から出力される信号を増幅し、サーキュレータ８２を介しアンテナ８１から探知方向へビームをなして送信する。アンテナ８１が物標からの反射波を受けることによって生じる受信信号はサーキュレータ８２を経由してミキサ８３へ入力される。ミキサ８３は、カプラ８４から出力される送信信号の電力分配信号をローカル信号として入力し、ローカル信号と受信信号とのビート信号をローノイズアンプ８６へ与える。ローノイズアンプ８６はこれを増幅して中間周波信号として信号処理部８７へ与える。信号処理部８７は、電圧制御発振器６３が三角波状に発振信号を変調するように、電圧制御発振器６３に対して三角波状の電圧信号を与える。また信号処理部８７は中間周波信号をディジタルデータ列に変換するとともにＦＦＴ処理して中間周波信号の周波数スペクトルを求め、その周波数スペクトルに基づいて物標までの距離および物標の相対速度を検知する。

このようにして本発明の電圧制御発振器６３を用いてレーダ８０を構成すれば、レーダ８０ごとの電気的特性のばらつきを低減できるとともに、製造コストを低減できる。

なお、本発明の電圧制御発振器は上述のレーダ以外にも、たとえばミリ波帯を利用する通信装置にも適用できる。その場合、レーダのように送信信号と受信信号のビートをとるのではなく、受信信号をローノイズアンプで増幅し、受信回路でその受信信号の処理を行うように構成すればよい。

Claims (3)

1. 誘電体部材と、前記誘電体部材の外面に設けられた電極とからなる誘電体共振器と、この誘電体共振器に結合する主線路を備え、
   前記電極は、前記誘電体部材の裏面に設けられた裏面電極を有するとともに、前記裏面電極と一端で短絡され他端で開放される、前記誘電体部材の外面の一部に設けた線路パターンを備え、
   前記線路パターンを、その線路パターンを区画する電極間隙と、開放側に設けた信号入出力部と、短絡側に設けた接地部と、で構成し、
   前記主線路に負性抵抗素子を接続し、前記信号入出力部に可変容量素子と接続する線路を接続し、前記可変容量素子の一端に正電位、他端に負電位を印加する制御電圧印加手段を備えたことを特徴とする電圧制御発振器。
2. 前記信号入出力部と前記接地部とが前記電極間隙を挟んで対向する部分の、前記線路パターンの主方向長さが、前記誘電体共振器の共振信号の１／４波長よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の電圧制御発振器。
3. 請求項１または２に記載の電圧制御発振器を高周波信号発生部に備えた無線装置。

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