JP4553288B2

JP4553288B2 - 高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器

Info

Publication number: JP4553288B2
Application number: JP2001325293A
Authority: JP
Inventors: 正義相川; 文雄浅村; 武雄追田
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY; Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY; Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: US20030076185A1; US6717480B2; JP2003133858A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波やマイクロ波の高周波発振器として使用される高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器を産業上の技術分野とし、特に発振出力（電力）を増大して性能を向上した多素子発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）平面共振器を用いた高周波発振器は、ワイヤレス通信システムや光伝送システム等に適用される各種機器に周波数の発振源として適用される。このようなものの一つに、高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器があり、基本波モードを適用したものに比べ、比較的に設計も容易にして発振出力を増大することから、注目を浴びている（参照：ITE Technical Report．Vol.25、No6、pp.15〜18）。
【０００３】
（従来技術の一例）第９図は一従来例を説明する多素子発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
多素子発振器は、高次モードの平面共振器と第１及び第２発振素子とからなる。平面共振器は、誘電体等からなる基板１の一主面に共振用回路導体（共振導体とする）２を他主面に接地導体３を設けた、マイクロストリップライン型からなる。ここでは、対をなす正負電位点（＋、−）を２箇所に有するＴＭ21モードとした高次モードを適用する。この場合、一対の正負の電位点は中心から９０度ずれて、正負の各同電位点は互いに点対称の外周になる。なお、マイクロストリップライン型の平面共振器は共振導体２と接地導体３との間で生ずる電界及び磁界によって共振電磁場を形成する。
【０００４】
第１及び第２発振素子はいずれも負性抵抗素子として機能する例えばガンダイオード４からなる。そして、共振導体２から延出した結合線路５の先端に設けた貫通孔８に埋設され、結合線路５及び接地用導体に半田等によって接続される。結合線路５は互いに反対側となる２箇所の同電位点から延出する。そして、マイクロストリップラインとした出力線６を例えば同電位点とは逆電位点となる一方に接続するとともに、出力線６にはインピーダンス整合用のマッチング線路７（容量性）を設けてなる。
【０００５】
このようなものでは、多素子発振器の発振周波数は概ね平面共振器の共振周波数に依存する。そして、平面共振器を共用した高周波発振器を２個形成して、各高周波発振器（ガンダイオード４）の出力が合成されることから、ガンダイオード４が一個の場合に比較して約２倍の出力が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の高次モードを用いた多素子発振器では、ガンダイオード４を基板１内に埋設して接続することに起因して、次の問題があった。すなわち、基板１に設ける貫通孔８は、機械的な加工によるために位置精度が悪い。このため、平面共振器の電気的な対称性を欠いて所望の発振周波数が得られなかったり、各発振素子（ガンダイオード４）からの出力周波数間で位相ずれを生じて発振出力が低下したりする問題があった。また、この種のガンダイオード４は、実装時にインダクタ成分を生ずるので、さらに発振出力の低下を招く。そして、貫通孔の加工及びそこへのガンダイオードの埋設実装は量産性を損なう要因にもなっていた。
【０００７】
（発明の目的）本発明は、設計性に優れ、電力合成効率を良好にして高出力とした高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平面共振器を形成する基板の少なくとも一方の主面に、高次モードの同電位点となる個所に複数の発振素子を配置したことを基本的な解決手段とする。
【０００９】
【作用】
本発明では、共振導体の形成された基板の少なくとも一主面に発振素子を配置して同主面に形成された対をなす回路導体との間に接続するので、基板に貫通孔を要しない。したがって、製作精度を格段に向上するとともに加工工程を簡易にした上で、平面共振器の電気的対称性を維持する。また、実装時のインダクタ成分を小さくする。以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１０】
【第１実施例、請求項１に相当】
第１図は、本発明の第１実施例を説明する高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）は同Ｂ−Ｂ断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
多素子発振器は、前述したように、基板１の両主面に設けた共振導体２と接地導体３からなるマイクロストリップライン型として正負の同電位点を外周近傍２箇所に有するＴＭ21とした高次モードの平面共振器と、ガンダイオード４からなる第１及び第２発振素子（負性抵抗素子）とを備えてなる。
【００１１】
そして、第１実施例では、共振導体２の外周近傍２箇所となる同電位点に、共振導体２と対をなす回路導体ここでは約λ／４とした第１及び第２マイクロストリップライン９を形成する。共振導体２の各同電位点と回路導体（第１及び第２マイクロストリップライン９）との間には、ガンダイオード４が配置されて両端子を接続する。図中の符号２ａは整合線路であり、共振導体２とガンダイオード４とのインピーダンス整合を計るためのものである。
【００１２】
第１及び第２マイクロストリップライン９は、ガンダイオード４の接続点から見て高周波的に電気的な短絡端となる約λ／４に設定される。ガンダイオード４は表面実装素子として例えばバンプ１０を用いた超音波熱圧着や単なる熱圧着によって接続される。各回路導体（第１及び第２マイクロストリップライン９）は共振導体２の一方の半外周に沿う線路（第３マイクロストリップライン）１１によって共通接続される。そして、他方の半外周側となる同電位点に対する逆電位点に前述同様のマッチング線路７を設けた出力線（マイクロストリップライン）６を接続してなる。
【００１３】
このような構成であれば、約λ／４とした第１及び第２マイクロストリップライン９からなる回路導体と共振導体２の外周部に生ずる２箇所の同電位点との間にガンダイオード４を接続するので、前述同様、平面共振器を共用した２個の高周波発振器を得る。したがって、発振周波数は平面共振器に依存して、発振出力を約２倍にする。
【００１４】
そして、共振導体２を有する基板１の一主面上にガンダイオード４を配置して、一主面上で実装するので、従来のように貫通孔８を要することなく、表面実装素子を採用できる。したがって、ガンダイオード４の実装位置精度等を高めて、平面共振器の電気的な対称性を正確に維持する。これにより、各ガンダイオード４からの出力周波数の位相が一致し、電力合成効率を高めて良好な電力合成を可能にする（実現できる）。また、実装時のインダクタ成分も小さくなるので、伝播損失を軽減して発振出力を高められる。
【００１５】
【第２実施例、請求項２に相当】
第２図は本発明の第２実施例を説明する高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。なお、前第１実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。
第２実施例では、基板１の一主面に設けた共振導体２の同電位点（反対方向の両端外周部、２箇所）に電気的に終端開放となる導出線（第４及び第５マイクロストリップライン）１２を形成する。そして、基板１の他主面に設けた接地導体３を分割して、導出線（第４及び第５マイクロストリップライン）１２と交差するスロットライン１３（溝）を共振導体２の外周に形成する。
【００１６】
そして、導出線（第４及び第５マイクロストリップライン）１２の直下となるスロットライン１３上にガンダイオード４を配置し、スロットライン１３を形成する分割された対をなす回路導体に表面実装する。なお、前述同様に共振導体２の逆電位点の一箇所からマッチング線路７を有する出力線６を形成する。出力線６の直下のスロットライン１３上には出力伝送路を形成するため、チップコンデンサ１６を実装する。この場合、共振モードの対称性を維持するため、スロットライン１３上の反対側となる対向する点にもチップコンデンサを実装してもよい。
【００１７】
このような構成であれば、共振導体２の２箇所の同電位点に接続する導出線（第４及び第５マイクロストリップライン）１２と電磁結合するスロットライン１３の対をなす回路導体間にガンダイオード４を接続するので、前述同様に、平面共振器を共通にした２個の高周波発振器を得る。したがって、発振周波数は平面共振器に依存して、発振出力を約２倍にする。
【００１８】
そして、接地導体（スロットライン１３を形成する対をなす回路導体）３を有する基板１の他主面上にガンダイオード４を配置して、同主面上の対をなす回路導体に実装するので、第１実施例と同様に表面実装素子を採用できる。したがって、ガンダイオード４の実装位置精度等を高めて、平面共振器の電気的な対称性を正確に維持する。これにより、各発振素子（ガンダイオード）からの出力周波数の位相が一致して良好な電力合成を可能にするとともに、実装時のインダクタ成分も小さくなるので、発振出力を高められる。
【００１９】
【第３実施例、請求項３に相当】
第３図は本発明の第３実施例を説明する図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。なお、前各実施例との同一部分の説明は省略又は簡略する。
第３実施例では、基板１の一主面に設けた共振導体２の外周側を分割して対をなす回路導体を形成し、スロットライン１３を形成する。そして、互いに反対方向となる共振導体２の両端外周部の同電位点にガンダイオード４を配置し、表面実装によって対をなす回路導体に接続する。そして、逆電位点からマッチング線路７を有する出力線６を導出する。但し、基板１の他主面には接地導体３を有する。また、共振電磁場の対称性を保持するため、逆電位点のスロットライン１３上にチップコンデンサを実装してもよい。
【００２０】
このような構成であれば、共振導体２における２箇所の同電位点近傍となる、対をなす回路導体間にガンダイオード４を接続するので、前述同様、平面共振器を共用した２個の高周波発振器を得る。したがって、発振周波数は平面共振器に依存して、発振出力を約２倍にする。
【００２１】
そして、共振導体２（スロットライン１３を形成する対をなす回路導体）を有する基板１の一主面上に表面実装型のガンダイオード４を配置して対をなす回路導体に実装する。したがって、平面共振器の電気的な対称性を正確に維持して良好な電力合成を可能にするとともに、実装時のインダクタ成分も小さくなって発振出力を高められる。
【００２２】
【第４実施例、請求項４に相当】
第４図は本発明の第４実施例を説明する図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。なお、前各実施例との同一部分の説明は省略又は簡略する。
第４実施例では、基板１の他主面に設けた接地導体３を分割して対をなす回路導体を形成し、一主面に設けた共振導体２の外周部と対面するスロットライン１３を形成する。そして、共振導体２の両端外周部となる同電位点に対応した、他主面のスロットライン１３上にガンダイオード４を配置し、表面実装によって対をなす回路導体に接続する。出力線６は一主面の共振導体２の逆電位点から導出する。この場合でも、共振電磁場の対称性を維持するため、スロットライン１３上の逆電位点近傍にチップコンデンサ１６を実装してもよい。
【００２３】
このような構成であれば、共振導体２の２箇所の同電位点に対応する、他主面に設けた対をなす回路導体にガンダイオード４を接続するので、前述同様、平面共振器を共用した２個の高周波発振器を得て、発振出力を約２倍にする。そして、表面実装型のガンダイオード４を他主面側の対をなす回路導体に実装するので、平面共振器の電気的な対称性を正確に維持して良好な電力合成を可能にし、実装時のインダクタ成分も小さくして発振出力を高める。
【００２４】
【第５実施例（参考）】
第５図は本発明の第５実施例を説明する図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。なお、前各実施例との同一部分の説明は省略又は簡略する。
全各実施例では平面共振器の同電位点に第１及び第２発振素子（ガンダイオード４）を接続したが、第５実施例では同電位点及び同電位点に対する逆電位点にもガンダイオード４を接続する例で、例えば第１実施例と第２実施例とを組み合わせて両主面にガンダイオード４を配置したものである。
【００２５】
すなわち、第５実施例では、先ず基板１の一主面に設けた共振導体２の両端外周部に生ずる同電位点と第１及び第２マイクロストリップライン９による回路導体との間にガンダイオード４を接続する。次に、同電位点となる両端外周部を結ぶ線とは直交する両端外周部である共振導体２の逆電位点に導出線（第４及び第５マイクロストリップライン）１２を設け、これと電磁結合するスロットライン１３（対をなす回路導体）を他主面の接地導体３に形成する。
【００２６】
そして、導出線（第４及び第５マイクロストリップライン）１２の直下となるスロットライン１３にガンダイオード４を接続する。出力線６は例えば共振導体２の互いに逆電位点となる中間外周部から延出する。また、出力線６の直下のスロットライン１３上には、前述したように伝送路を形成するチップコンデンサを実装する。
【００２７】
このような構成であれば、平面共振器の同電位点及びこれに対する逆電位点の各２箇所合計４箇所にガンダイオード４を接続して加算した発振出力を得るので、概ね４倍の出力を得られる。そして、各前実施例と同様に電力合成を良好にして、インダクタ成分の発生を少なくして発振出力の低下を防止する。
【００２８】
【第６実施例、参考】
第６図は本発明の第６実施例を説明する図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。なお、前各実施例との同一部分の説明は省略又は簡略する。
第６実施例は注入同期によって発振周波数の安定度を高める場合で、各前実施例で適用したＴＭ21モードに代えて例えばＴＭ01の高次モードを使用する。なお、ＴＭ01は平面共振器の中心に対して同心円状の共振電磁界が存在するモードである。
【００２９】
すなわち、第６実施例では基板１の一主面に設けた共振導体２に例えば第４実施例で示したようにスロットライン１３を形成し、両端外周部の同電位点近傍に複数のガンダイオード４を接続し、出力線６によって発振出力を導出する。そして、基板１の他主面から例えば同軸線路の芯線１４を半田１５によって、あるいはこれに接続したビアホールを、共振導体２の中心に接続し、同軸線路の図示しない接地線（網線）を接地導体３に接続する。そして、同軸線路に共振周波数（発振周波数）ｆ0の１／ｎ（ｎは自然数）となる同期信号を注入する。
【００３０】
このような構成であれば、平面共振器は同期信号に対して共振周波数のｎ波ごとに同期するので、周波数安定度を高める。したがって、各ガンダイオード４による複数の発振器（発振出力）の合成による位相特性を良好にして、位相雑音を低減する。そして、この例でＴＭ01モードを使用してその中心に同期注入するので、共振モード度の対称性を良好に維持する。
【００３１】
なお、基板１の共振導体２に芯鮮を接続したり、基板１にビアホールを設けるのでこれによる特性劣化が危惧されるが、同期信号は周波数が低いので発生するインダクタンスも小さく、注入同期による問題はない。
【００３２】
【他の事項】
上記実施例では、マッチング線路７を有する出力線６を共振導体２に接続して出力を導出したが、これに限らず例えば共振導体２にタブ２ｂを設けて出力線６を容量結合して疎結合にして導出してもよい（第７図）。この場合、容量値によって結合度合を制御できるので、マッチング線路７を不要にする。
【００３３】
また、実施例１〜５では平面共振器をＴＭ21による高次モードとしたが、例えばＴＭ41の高次モードを適用して４箇所の同位点（例えば第８図）あるいはこれに対する逆電位点にもガンダイオード４を接続して概ね４倍あるいは８倍の発振出力を得ることも可能であり、ＴＭn1等の高次モードを適用できる。
【００３４】
また、各実施例では発振素子として負性抵抗素子として機能するガンダイオードを適用したが、これに限らずトランジスタやＦＥＴ等の増幅素子を用いてもよく、要は平面共振器と協働して高周波発振器を構成する回路を含めた発振素子であればよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は、平面共振器を形成する基板１の少なくとも一方の主面に、高次モードの同電位点となる個所に複数の発振用増幅器を配置して発振素子を接続したので、製作精度を格段に向上するとともに加工工程を簡易にする。したがって、ミリ波等の超高周波帯でも電力合成効率を良好にして高出力とした高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を説明する多素子発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図２】本発明の第２実施例を説明する図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の矢印Ｐで示す他主面から見た拡大図である。
【図３】本発明の第３実施例を説明する図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の第４実施例を説明する図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図５】本発明の第５実施例を説明する図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図６】本発明の第６実施例を説明する図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図７】本発明の他の例を説明する多素子発振器一部平面図である。
【図８】本発明の他の例を説明する多素子発振器の平面図である。
【図９】従来例を説明する他素子発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
１基板、２共振導体、２ａ整合線路、２ｂタブ、３接地導体、４ガンダイオード、５結合線路、６出力線、７マッチング線路、８貫通孔、９回路導体（第１及び第２マイクロストリップライン）、１０バンプ、１１線路（第３マイクロストリップライン）、１２導出線（第４及び第５マイクロストリップライン）、１３スロットライン、１４同軸線路（芯線）、１５半田、１６チップコンデンサ．

Claims

基板の一主面に共振用回路導体を他主面に接地導体を有し、前記共振用回路導体を二等分する中心線の一端側と他端側を正電位又は負電位の同電位とし、前記共振用回路導体の外周に沿って前記正電位と負電位とが交互に位置してなるＴＭ共振モードの高次モードを有する平面共振器と、
前記中心線の一端側に配置された第１発振素子と、前記中心線の他端側に配置された第２発振素子と、前記中心線の一端側と他端側の間となる前記共振用回路導体の外周であって前記一端側と他端側の電位とは逆電位となる外周に接続した前記基板の一主面のマイクロストリップラインからなる出力線とを備えてなる高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器において、
前記中心線の一端側には前記共振用回路導体から離間して前記中心線方向に第１マイクロストリップラインが設けられ、前記中心線の他端側には前記共振用回路導体から離間して前記中心線方向に第２マイクロストリップラインが設けられ、
前記第１発振素子は前記中心線の一端側となる前記共振用回路導体の外周と前記第１マイクロストリップラインの高周波的に電気的な短絡端となる一端側との間に接続し、前記第２発振素子は前記中心線の他端側となる前記共振用回路導体の外周と前記第２マイクロストリップラインの高周波的に電気的な短絡端となる一端側との間に接続し、
前記第１及び第２マイクロストリップラインの各一端側は、前記共振用回路導体の外周に沿った第３マイクロストリップラインによって共通接続したことを特徴とする多素子発振器。
基板の一主面に共振用回路導体を他主面に接地導体を有し、前記共振用回路導体を二等分する中心線の一端側と他端側を正電位又は負電位の同電位とし、前記共振用回路導体の外周に沿って前記正電位と負電位とが交互に位置してなるＴＭ共振モードの高次モードを有する平面共振器と、
前記中心線の一端側に配置された第１発振素子と、前記中心線の他端側に配置された第２発振素子と、前記中心線の一端側と他端側の間となる前記共振用回路導体の外周であって前記一端側と他端側の電位とは逆電位となる外周に接続した前記基板の一主面のマイクロストリップラインからなる出力線とを備えてなる高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器において、
前記基板の他主面の接地導体には前記共振用回路導体の外周の外側であって前記共振用回路導体の外周に沿って分割された両側の導体による環状のスロットラインが設けられ、
前記中心線の一端側となる前記共振用回路導体の外周には前記中心線方向に第４マイクロストリップラインが接続して前記スロットラインを横断し、前記中心線の他端側となる前記共振用回路導体の外周には前記中心線方向に第５マイクロストリップラインが接続して前記スロットラインを横断し、
前記第１及び第２発振素子は前記基板の他主面に配置されるとともに、前記第１発振素子は前記第４マイクロストリップラインの直下となる前記他主面のスロットライン上に位置して前記スロットラインの両側の導体間に接続し、前記第２発振素子は前記第５マイクロストリップラインの直下となる前記他主面のスロットライン上に位置して前記スロットラインの両側の導体間に接続し、
前記一主面の出力線は前記他主面のスロットラインを横断するとともに、前記出力線の直下となる前記スロットライン上にはコンデンサが位置して前記両側の導体間に接続したことを特徴とする多素子発振器。
基板の一主面に共振用回路導体を他主面に接地導体を有し、前記共振用回路導体を二等分する中心線の一端側と他端側を正電位又は負電位の同電位とし、前記共振用回路導体の外周に沿って前記正電位と負電位とが交互に位置してなるＴＭ共振モードの高次モードを有する平面共振器と、
前記中心線の一端側に配置された第１発振素子と、前記中心線の他端側に配置された第２発振素子と、前記中心線の一端側と他端側の間となる前記共振用回路導体の外周であって前記一端側と他端側の電位とは逆電位となる外周に接続した前記基板の一主面のマイクロストリップラインからなる出力線とを備えてなる高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器において、
前記基板の一主面の共振用回路導体には前記共振用回路導体の外周の内側であって前記共振用回路導体の外周に沿って分割された両側の導体による環状のスロットラインが設けられ、
前記第１及び第２発振素子は前記共振用回路導体の形成された基板の一主面に配置されるとともに、前記第１発振素子は前記中心線の一端側となる前記スロットラインの両側の導体間に接続され、前記第２発振素子は前記中心線の他端側となる前記スロットラインの両側の導体間に接続されたことを特徴とする多素子発振器。
基板の一主面に共振用回路導体を他主面に接地導体を有し、前記共振用回路導体を二等分する中心線の一端側と他端側を正電位又は負電位の同電位とし、前記共振用回路導体の外周に沿って前記正電位と負電位とが交互に位置してなるＴＭ共振モードの高次モードを有する平面共振器と、
前記中心線の一端側に配置された第１発振素子と、前記中心線の他端側に配置された第２発振素子と、前記中心線の一端側と他端側の間となる前記共振用回路導体の外周であって前記一端側と他端側の電位とは逆電位となる外周に接続した前記基板の一主面のマイクロストリップラインからなる出力線とを備えてなる高次モードの平面共振器を用いた多素子発振器において、
前記基板の他主面の接地導体には前記共振用回路導体の外周の内側であって前記共振用回路導体の外周に沿って分割された両側の導体による環状のスロットラインが設けられ、
前記第１及び第２発振素子は前記接地導体の形成された基板の他主面に配置されるとともに、前記第１発振素子は前記中心線の一端側となる前記スロットラインの両側の導体間に接続され、前記第２発振素子は前記中心線の他端側となる前記スロットラインの両側の導体間に接続されたことを特徴とする多素子発振器。