JP4551541B2

JP4551541B2 - ガンダイオード発振器

Info

Publication number: JP4551541B2
Application number: JP2000241956A
Authority: JP
Inventors: 健一渡辺
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2000-08-10
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: JP2002057529A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波帯のガンダイオードを用いた発振器に係り、特に二次高調波の発振特性を向上させたガンダイオード発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられているガンダイオード発振器には、（１）ガンダイオード素子をパッケージ内に組み込んだものを導波管内に配置して構成したものや、（２）表面実装型ガンダイオードをマイクロストリップ線路等の平面回路上に実装して構成したものなどがある。
【０００３】
先ず、上記（１）の従来例について述べる。図８に示すようなメサ型に形成されたガンダイオード素子５０を図９に示すようなピル型パッケージ５７内に組込み、これを図示していない導波管キャビティ内に配置して構成している。これらの図において、５１は半導体基板、５２はコンタクト層、５３は活性層、５４はコンタクト層、５５はカソード層、５６はアノード層、５８は放熱基台、５９は円筒、６０は金リボン、６１は金属ディスクである。
【０００４】
マイクロ波やミリ波の発振素子であるＧａＡｓガンダイオードは、ＧａＡｓのもつ Energy Relaxation Time の制限から、基本波発振周波数の二倍の周波数を用いる二次高調波モードにより構成することが多い。二次高調波を利用する場合、基本波成分の出力は不要且つ有害となるので除去する必要があるが、上記のように導波管内に配置した構造をとると、基本波成分の周波数が導波管のカットオフ周波数以下であれば、基本波成分は抑圧され、発振出力の主要周波数スペクトルは二次高調波成分のみとなる。なお、導波管（内寸法：長辺ａ、短辺：ｂ）のカットオフ周波数はｃ／２ａで与えられる。ただしｃは光速である。
【０００５】
次に、上記（２）の従来例について述べる。出願人の前の出願である特願平１０−２５９００６に開示されたようなプレーナ構造のガンダイオード（以下表面実装型ガンダイオードと呼ぶ。）を用いた発振器がある。この発振器は、該構造のガンダイオードを直接マイクロストリップ線路やコプレーナ線路の形成された基板上に実装して構成される。
【０００６】
図１は、表面実装型ガンダイオードの一例の断面図、図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図１のガンダイオードを平面回路に実装した状態を示す平面図及び断面図である。図１において、１は半導体基板、２は第１の半導体層、３は活性層、４は第２の半導体層である。
【０００７】
第２の半導体層４の上には金属層が形成され、該金属層はそれぞれ円筒状凹部１０により区画されて、複数個（２個のみ図示）の独立したアノード電極５と、カソード電極６（残余の部分）とが形成され、各アノード電極５の上にはバンプ（導電性突起部）８が、カソード電極６の上には複数個（２個のみ図示）のバンプ９がそれぞれ同じ高さに形成され、これらバンプを除く表面及び凹部１０は非導電性膜１１により保護されている。半導体基板１の裏面には、オーミック接続のための金属膜７が形成されている。
【０００８】
図２において、３１は誘電体基板、３３は裏面接地電極である。誘電体基板３１の上面には、信号電極１５、２個の表面接地電極１６を含むマイクロストリップ線路１４が形成され、各表面接地電極１６はそれぞれヴィアホール１２により裏面接地電極３３に接続されている。
【０００９】
ガンダイオード１３の実装は、ガンダイオードを裏返して各バンプ８及びバンプ９を対応する信号電極１５及び表面接地電極１６上に載せ、熱圧着により行われる。平面回路をコプレーナ線路で構成した場合は、上記各バンプを信号電極１５とその両側の接地導体１６の部分にそれぞれ接続されるようにし、上記と同様な方法で実装が行われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述の図８に示したようなメサ型構造のガンダイオード素子は、メサ型構造とするために、通常ホトレジストをマスクとして使用し、化学的な湿式エッチングを行う方法がとられるが、このエッチングは深さ方向だけでなく横方向にも同時に進行するので、電子の走行空間（活性層）の制御が非常に難しく、そのためガンダイオードの素子特性がばらつくという弱点をもっている。
【００１１】
また、上記素子のピル型パッケージ５７への組立工程では、ガンダイオード素子５０を放熱基台５８に接着する際、使用するボンディングツールが視野を遮り直視が困難で、作業効率が極めて悪いという問題がある。更に、上記ピル型パッケージ５７を平面基板上のマイクロストリップ線路等に実装する場合は、金リボンによって接続するので寄生インダクタンスが発生し、特性がばらつくという実装上の問題もある。
【００１２】
マイクロストリップ線路やコプレーナ線路に表面実装型のガンダイオードを搭載して構成した従来のガンダイオード発振器では、このような問題を発生させることなく、特性のばらつきが低く抑えられる利点はあるが、ガンダイオード素子の二次高調波を利用するよう設計されている場合であっても、その発振スペクトルは、二次高調波成分（発振器の発振周波数。以下、単に発振周波数と呼ぶ）と共に基本波成分（発振周波数の半分の周波数）を含み、発振器出力として不要な基本波成分も出力されるいう問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上記製造上、特性上、実装上の問題点を解消したガンダイオード発振器を提供することである。
【００１４】
【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、表面実装型ガンダイオードを搭載した誘電体基板と、該誘電体基板を収納する金属筐体とからなり、二次高調波の発振出力を利用するガンダイオード発振器において、前記誘電体基板が収納される前記金属筐体内部が方形導波管であり、前記誘電体基板に、前記表面実装型ガンダイオードの発振出力が電磁気的に結合するスロット線路が形成され、フィンライン型の出力部を構成し、発振周波数の半分の周波数が前記フィンラインのカットオフ周波数以下であって、前記誘電体基板は、表面に信号電極と該信号電極をまたぐように配置された２個の表面接地電極が各々マイクロストリップ線路で形成され、裏面に前記表面接地電極と接続し前記マイクロストリップ線路及び前記フィンラインの接地導体を兼ねる接地導体と、該接地導体の一部を除去してなる前記スロット線路が形成され、前記表面実装型ガンダイオードは、底面の略中央に前記信号電極に接続するアノード又はカソードいずれか一方の電極が形成され、該電極の両側に前記表面接地電極に接続する他方の電極が形成され、前記表面実装型ガンダイオードの発振出力が前記信号電極を介して前記スロット線路に電磁気的に結合してなり、前記スロット線路を形成する接地導体の片側の一部分に、導体除去部分により区画してなるバイアス電極が形成され、二端子素子の一方の電極が前記バイアス電極に、他方の電極が前記接地導体の反対側の一部分にそれぞれ接続可能としたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のガンダイオード発振器において、前記誘電体基板表面に、一端が前記信号電極と電磁気的に結合し、他端が開放された長さＬのマイクロストリップ線路からなるスタブが形成され、該スタブを共振器として働かせ、前記長さＬは、共振器の共振周波数が発振周波数の略半分になるように決定されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明は、表面実装型ガンダイオードを搭載した誘電体基板と、該誘電体基板を収納する金属筐体とからなり、二次高調波の発振出力を利用するガンダイオード発振器において、前記誘電体基板が収納される前記金属筐体内部が方形導波管であり、前記誘電体基板に、前記表面実装型ガンダイオードの発振出力が電磁気的に結合するスロット線路が形成され、フィンライン型の出力部を構成し、発振周波数の半分の周波数が前記フィンラインのカットオフ周波数以下であって、前記誘電体基板は、表面に信号電極及び該信号電極をまたぐように配置された２個の表面接地電極が各々コプレーナ線路及び該コプレーナ線路の接地導体で形成され、該接地導体が前記フィンラインの接地導体を兼ね、該接地導体の一部を除去してなる前記スロット線路が形成され、前記表面実装型ガンダイオードは、底面の略中央に前記信号電極に接続するアノード又はカソードいずれか一方の電極が形成され、該電極の両側に前記表面接地電極に接続する他方の電極が形成され、前記表面実装型ガンダイオードの発振出力が前記信号電極を介して前記スロット線路に電磁気的に結合してなり、前記スロット線路を形成する接地導体の片側の一部分に、導体除去部分により区画してなるバイアス電極が形成され、二端子素子の一方の電極が前記バイアス電極に、他方の電極が前記接地導体の反対側の一部分にそれぞれ接続可能としたことを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項３記載のガンダイオード発振器において、前記誘電体基板表面に、一端が前記信号電極と電磁気的に結合し、他端が開放された長さＬのコプレーナ線路からなるスタブが形成され、該スタブを共振器として働かせ、前記長さＬは、共振器の共振周波数が発振周波数の略半分になるように決定されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４いずれか１項記載のガンダイオード発振器において、前記二端子素子がバラクタダイオード又はＰＩＮダイオードであり、該バラクタダイオード又はＰＩＮダイオードが前記スロット線路上に搭載されていることを特徴とする。
【００２１】
図３は、本発明の参考例の構造内部を示した斜視図である。誘電体基板３１の表面には発振部用のマイクロストリップ線路１４、該基板３１の裏面には出力部用のスロット線路１９が形成されており、マイクロストリップ線路１４の上には、図１に示したような表面実装型のガンダイオード１３が、図２に示したような形態で搭載されている。
【００２２】
金属筐体２０の内部は導波管となっており、誘電体基板３１はヒートシンクを兼ねる支持台１８によって支持され金属筐体２０の内部ほぼ中央位置に置かれている。図示されていないが、金属筐体２０の左側端部には短絡板が、右側端部には外部導波管との接続用の結合部が設けられている。
【００２３】
図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ誘電体基板３１の表面及び裏面に形成された線路導体のパターン図である。誘電体基板３１の表面には、図４（ａ）に示すように、ガンダイオードを搭載するための信号電極１５、信号電極１５をまたぐように配置した一対の表面接地電極１６、オープンスタブ１７及びバイアスパッド３５を含むマイクロストリップ線路１４が形成されている。該線路１４の出力側端部は基板裏面に形成されるスロット線路１９と電磁気的に結合する位置に配置されている。
【００２４】
誘電体基板３１の裏面には、図４（ｂ）に示すように、マイクロストリップ線路用の接地導体２３が形成されており、該接地導体はスロットライン１９の接地導体を兼ねる。
【００２５】
誘電体基板３１の幅寸法は挿入する導波管の内壁幅に合わせて設定される。接地導体２３には上記幅の中心線に沿って延びる帯状の導体除去部分が形成され、該部分により出力部用のスロット線路１９が形成される。該線路１９はその終端部において、基板表面のマイクロストリップ線路１４の出力側端部と高周波的に結合するように形成される。
【００２６】
接地導体２３は、上記のようにスロット線路１９が形成されることにより「ひれ」形状の金属膜となるが、このような金属膜の「ひれ」を方形導波管に挿入することにより、いわゆる”フィンライン”伝送線路が構成される。
【００２７】
ここで、フィンラインについて説明する。図５に最も典型的なフィンラインの断面図を示す。方形導波管４０（内寸法：長辺ａ、短辺ｂ）の壁に囲まれた中央部に、短辺の壁と平行となるように、ひれ状の接地導体２３が形成された誘電体基板３１が実装されている。
【００２８】
電磁波の主要部分はスロット線路１９の間隙（間隙寸法ｓ）を通って伝搬し、主モードでは、図のように電界が上下の金属膜を結ぶような方向に向いている。
そのため、フィンライン伝送線路は導波管との親和性がよく、マイクロ波やミリ波の二端子素子を扱う場合にはよく利用される。
【００２９】
上記構造から理解されるように、フィンライン伝送線路はＴＥＭモードをもたず、主モードはＴＥ０１モードである。従って、この伝送線路はカットオフ周波数をもち、それより低い周波数では伝搬しない。
【００３０】
誘電体基板及びスロット線路間隙が図示のように導波管の中央にあり、且つ誘電体基板３１の厚さが無視できるとき、フィンライン伝送線路のカットオフ周波数は次の方程式の解として求められる。
ｊＢ／２Ｙｃ−ｊｃｏｔ（πａ／λｃ）＝０
ただし、λｃは求めるカットオフ波長、Ｙｃは横幅が単位長さで間隙がｂの二枚の平行平板伝送線路の特性アドミッタンス、Ｂはスロット線路１９の間隙がつくる単位長当たりのサセプタンス、ｊは定数である。
【００３１】
この値は、R.E.Collin 著 ”Foundation of Microwave Engineering”,MacGraw-Hill,Inc.によると、下式で与えられる。
【００３２】
【数１】

【００３３】
ただし、
【００３４】
【数２】

【００３５】
である。
【００３６】
本発明では、結果的に基本波発振周波数（発振周波数の半分）がカットオフ周波数以下となるよう、上記カットオフ周波数を上記基本波発振周波数より高く（いうまでもなく発振周波数よりは低く）設定し、上記構造の諸元を決定する。
【００３７】
さて、バイアスパッド３５・金属筐体２０間に電圧を印加すると、オープンスタブ１７、信号電極１５、ガンダイオード１３、表面接地電極１６、ヴィアホール１２、接地導体２３、支持台１８、金属筐体２０の経路で電流が流れ、ガンダイオード１３で電磁波（マイクロ波）が発生する。発生した電磁波はオープンスタブ１７で共振し、マイクロストリップ線路１４を通り、裏面のスロット線路１９（フィンラインの伝送線路）に結合する。マイクロストリップ線路のＴＥＭ波の磁界とスロット線路１９の磁界とは類似しているので両者は容易に結合できる。
【００３８】
電磁波はスロット線路１９に沿って伝搬して行くが、基本波成分はフィンラインのカットオフ周波数以下となっているので伝搬できず、二倍波以上の成分のみが伝搬する。
【００３９】
金属筐体２０及び導体線路の出力側端部は図示していないが、誘電体基板３１に形成されているスロット線路１９の端部には導波管との結合のための整合手段が設けられる。例えば、スロット線路の間隙幅が、出力端に向かって徐々に広がり末端で金属筐体壁に達するように、導体パターンを形成して行う整合方法がとられる。
【００４０】
図３により示した参考例は、ガンダイオードの発振部をマイクロストリップ線路で構成した場合であるが、図６に示すように、コプレーナ線路を用いて構成することもできる。コプレーナ線路２１は誘電体基板３１の上面に形成したコプレーナ接地導体２２によって形成される。この場合は、スロット線路１９も、同コプレーナ接地導体２２によって、同一面に形成される。
【００４１】
また、上述の図３及び図６の参考例では、基板３１を金属筐体内部の高さの中央に置いているが、必ずしもその必要はなく、中央よりずれていても構わない。特に図６の参考例の場合は、基板を金属筐体内部の底面に直接つけた構成としてもよい。その場合もカットオフ周波数が存在することに変わりはないので、基板の取り付けが容易となる点、実装上有利である。
【００４２】
本発明の実施例の発振器において、接地導体に導体除去部分によって区画したバイアス電極を形成しておくとよい。これにより二端子素子の一方の電極が前記バイアス電極に、他方の電極が前記接地導体の反対側の一部分にそれぞれ接続可能となり、例えば図７に示すように、スロット線路１９の上に表面実装型バラクタダイオード２４を搭載して電圧制御発振器とすることができる。バラクタダイオード２４は、片側の接地導体に形成したバイアスパッド２５を一方の電極とし、反対側の接地導体を他方の電極として搭載する。バイアスパッド２５に電圧を印加することによりガンダイオードから見た外部回路のインピーダンスが変化し、それに伴って発振周波数が変化する。
【００４３】
また、上記のバラクタダイオードの代わりに、ＰＩＮダイオードを搭載することによりパルス変調の発振器とすることができる。
【００４４】
さらに、本発明の発振器は、オープンスタブ１７の長さＬを調整することによっても発振周波数の決定を行うことができる。これは、オープンスタブ１７が共振器として働き、その長さＬによって共振する周波数が変わるためである。長さＬは、ガンダイオードの電極が接続された箇所から開放端に至るまでの距離であり、発振周波数の略半分の周波数に共振するよう予め回路シミュレーション等で決定しておく。但し、導体パターン形成後であっても、オープンスタブ１７の一部切除やその逆に金属箔を接合する等で長さを調整し、最終的に好適な長さＬとすることが可能である。なお、図４では、オープンスタブ１７を信号電極１５と異なる幅に形成しているが、これに限らず同一の幅とすることもある。
【００４５】
【発明の効果】
上述したように、本発明のガンダイオード発振器は、表面実装型ガンダイオードを搭載した誘電体基板と、これを収納する金属筐体とから構成しているので組立容易であり、しかも金属筐体内部を方形導波管にし、前記誘電体基板に表面実装型ガンダイオードの発振出力が電磁気的に結合するスロット線路を形成してフィンライン型の出力部を構成しているので、フィンラインのカットオフ周波数で不要な基本波成分を除去することが可能である。従って、特性のばらつきが少なく、組立の作業効率の高い二次高調波利用のガンダイオード発振器の実現が可能となる。
【００４６】
また、表面実装型ガンダイオードの発振出力は、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路を用いることで容易にスロット線路に結合でき、信号電極の一端に長さＬで開放されてなるオープンスタブを形成することにより、発振周波数の調整が容易となる。
【００４７】
また、本発明のガンダイオード発振器は、スロット線路を形成する接地導体に導体除去部分で区画されたバイアス電極を形成しておくことにより、二端子素子がスロット線路上に搭載可能となり、二端子素子の選択によって異なる機能を発揮させることができる。具体的には、バラクタダイオードを搭載することにより、電圧制御型発振器とすることができ、ＰＩＮダイオードを搭載することによりパルス変調の発振器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面実装型ガンダイオードの一例の断面図である。
【図２】同上ガンダイオードを実装した状態を示す平面図及び断面図である。
【図３】本発明のガンダイオード発振器の参考例の斜視図である。
【図４】同上参考例の基板上面及び裏面の導体パターン図である。
【図５】フィンライン伝送線路の説明用の断面図である。
【図６】本発明のガンダイオード発振器の別の参考例の斜視図である
【図７】本発明のガンダイオード発振器にバラクタダイオードを搭載し、電圧制御発振器とした場合の説明図である。
【図８】メサ型構造のガンダイオードの断面図である。
【図９】メサ型構造のガンダイオードを組み込んだピル型パッケージの断面図である。

Claims

表面実装型ガンダイオードを搭載した誘電体基板と、該誘電体基板を収納する金属筐体とからなり、二次高調波の発振出力を利用するガンダイオード発振器において、前記誘電体基板が収納される前記金属筐体内部が方形導波管であり、前記誘電体基板に、前記表面実装型ガンダイオードの発振出力が電磁気的に結合するスロット線路が形成され、フィンライン型の出力部を構成し、発振周波数の半分の周波数が前記フィンラインのカットオフ周波数以下であって、
前記誘電体基板は、表面に信号電極と該信号電極をまたぐように配置された２個の表面接地電極が各々マイクロストリップ線路で形成され、裏面に前記表面接地電極と接続し前記マイクロストリップ線路及び前記フィンラインの接地導体を兼ねる接地導体と、該接地導体の一部を除去してなる前記スロット線路が形成され、前記表面実装型ガンダイオードは、底面の略中央に前記信号電極に接続するアノード又はカソードいずれか一方の電極が形成され、該電極の両側に前記表面接地電極に接続する他方の電極が形成され、前記表面実装型ガンダイオードの発振出力が前記信号電極を介して前記スロット線路に電磁気的に結合してなり、
前記スロット線路を形成する接地導体の片側の一部分に、導体除去部分により区画してなるバイアス電極が形成され、二端子素子の一方の電極が前記バイアス電極に、他方の電極が前記接地導体の反対側の一部分にそれぞれ接続可能としたことを特徴とするガンダイオード発振器。
請求項１記載のガンダイオード発振器において、前記誘電体基板表面に、一端が前記信号電極と電磁気的に結合し、他端が開放された長さＬのマイクロストリップ線路からなるスタブが形成され、該スタブを共振器として働かせ、前記長さＬは、共振器の共振周波数が発振周波数の略半分になるように決定されていることを特徴とするガンダイオード発振器。
表面実装型ガンダイオードを搭載した誘電体基板と、該誘電体基板を収納する金属筐体とからなり、二次高調波の発振出力を利用するガンダイオード発振器において、前記誘電体基板が収納される前記金属筐体内部が方形導波管であり、前記誘電体基板に、前記表面実装型ガンダイオードの発振出力が電磁気的に結合するスロット線路が形成され、フィンライン型の出力部を構成し、発振周波数の半分の周波数が前記フィンラインのカットオフ周波数以下であって、
前記誘電体基板は、表面に信号電極及び該信号電極をまたぐように配置された２個の表面接地電極が各々コプレーナ線路及び該コプレーナ線路の接地導体で形成され、該接地導体が前記フィンラインの接地導体を兼ね、該接地導体の一部を除去してなる前記スロット線路が形成され、前記表面実装型ガンダイオードは、底面の略中央に前記信号電極に接続するアノード又はカソードいずれか一方の電極が形成され、該電極の両側に前記表面接地電極に接続する他方の電極が形成され、前記表面実装型ガンダイオードの発振出力が前記信号電極を介して前記スロット線路に電磁気的に結合してなり、
前記スロット線路を形成する接地導体の片側の一部分に、導体除去部分により区画してなるバイアス電極が形成され、二端子素子の一方の電極が前記バイアス電極に、他方の電極が前記接地導体の反対側の一部分にそれぞれ接続可能としたことを特徴とするガンダイオード発振器。
請求項３記載のガンダイオード発振器において、前記誘電体基板表面に、一端が前記信号電極と電磁気的に結合し、他端が開放された長さＬのコプレーナ線路からなるスタブが形成され、該スタブを共振器として働かせ、前記長さＬは、共振器の共振周波数が発振周波数の略半分になるように決定されていることを特徴とするガンダイオード発振器。
請求項１乃至４いずれか１項記載のガンダイオード発振器において、前記二端子素子がバラクタダイオード又はＰＩＮダイオードであり、該バラクタダイオード又はＰＩＮダイオードが前記スロット線路上に搭載されていることを特徴とするガンダイオード発振器。