JP4634873B2 - ガンダイオード発振器 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波用のガンダイオードを用いた発振器に係り、特に発振出力、位相雑音特性を向上させたガンダイオード発振器に関するものである。

図７にマイクロ波やミリ波の発振器用のガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなる表面実装型のガンダイオード２０の平面図（ａ）および断面図（ｂ）を示す。図７に示すように、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板２１上に、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法により、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第１の半導体層２２、低濃度ｎ型ＧａＡｓからなる活性層２３、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第２の半導体層２４が順次積層され、電子の走行空間の面積を小さくするため、絶縁体２５によって第２の半導体層２４及び活性層２３を区画したメサ型構造となっている。２６はカソード電極、２７はアノード電極、２８は導電性突起電極であるカソードバンプ、２９は導電性突起電極であるアノードバンプである。絶縁体２５は、上面から第１の半導体層２２までボロン注入して高抵抗化し、カソード電極２６をアノード電極２７から分離している。この絶縁体２５により囲まれた内側の第２の半導体層２４、活性層２３及び第１の半導体層２２によりガンダイオードの機能部が形成されている。図７では絶縁体２５により囲まれた６個のカソード電極２６の上面全てに各々カソードバンプ２８が形成されている。なお、図７では６個のカソード電極２６が形成されているが、ガンダイオードの発振周波数λのλ／１０以内の寸法ないに配置された複数のカソード電極２６は、１個のカソード電極とみることができる。一方アノードバンプ２９は、カソードバンプ２８の一群を両側から挟むように、ガンダイオード２０の両側のアノード電極２７上に、片側２個ずつ合計４個形成されている。

図８は、マイクロストリップ線路で構成された発振回路３０に搭載したガンダイオード２０部分の信号電極３２の延出方向（信号伝送方向）と垂直方向の部分断面図である。また図９は、ガンダイオード発振器１０の斜視図である。図９に示すようにガンダイオード発振器１０は、半絶縁性の平板基板３１の上面に信号電極３２とその信号電極３２の両側に２つの表面接地電極３３が形成されると共に、裏面には裏面接地電極３４が形成されている。表面接地電極３３と裏面接地電極３４は、平板基板３１を貫通するヴィアホール３５によって接続されている。信号電極３２には電圧印加用のバイアス電極３２Ａ、共振器を構成するオープンスタブ３２Ｂ及び発振出力取出用の出力部３２Ｃが連続して形成されている。ガンダイオード２０は、中央のカソードバンプ２８が信号電極３２に、両側のアノードバンプ２９が両側の表面接地電極３３にそれぞれ接着するように実装される。図８の３６は放熱基台であるが、図９では図示していない。なお、この種のガンダイオード発振器は、本出願人が先に開示したものである（特許文献１参照）。

信号電極３２先端の出力部３２Ｃは、ショート導波管３７内の伝送空間Ｓへ突き出るように形成されると共に、平板基板３１の裏面接地電極３４の一部が取り除かれた裏面に導波管（図示せず）が接続する構造となっており、マイクロストリップ線路と導波管の変換器を構成している。この種の変換器は、例えば特許文献２に開示されており、通常、ガンダイオード２０側からみた信号電極３２先端の出力部３２Ｃからの反射係数が小さく、かつ挿入損失が少なくなるように、信号電極３２及び出力部３２Ｃを構成されている。
特開２００３−２１８１５９号公報 特開２００２−１００９０７号公報

このように、出力部からの反射係数が小さく、かつ挿入損失が小さくなるように構成された従来のガンダイオード発振器では、マイクロストリップ線路から導波管出力に変換した場合、導波管に接続される外部負荷（具体的には、アイソレータやアンプ）の影響によって、充分な発振出力が得られなかった。本発明は、外部負荷の影響を低減し、さらに発振出力の大きいガンダイオード発振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本願発明は、半絶縁性の平板基板に形成された信号電極と、該信号電極に連続して電圧印加用のバイアス電極と、前記信号電極の一方の端部に配置されたオープンスタブと、該オープンスタブ近傍で前記信号電極を挟んで配置された２つの表面接地電極と、前記信号電極の他方の端部に配置された発振信号の出力部とを備えたマイクロストリップ線路と、底面の中央に形成されたアノード又はカソードのいずれか一方の電極と、前記底面の両側に形成された他方の電極とを備えた表面実装型のガンダイオードと、前記マイクロストリップ線路で構成された出力部から出力される信号を、導波管、同軸線路あるいはコプレーナ線路に変換するための変換部とを具備し、前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記信号電極に接着すると共に前記他方の電極を前記表面接地電極にそれぞれ接続したガンダイオード発振器において、前記ガンダイオードからみた前記出力部からの反射係数が、−１３ｄＢから−２３ｄＢとなる長さの前記信号電極および前記出力部とを備えていることを特徴とするものである。

本発明は、ガンダイオードからみた信号電極先端の出力部からの反射係数を、−１３ｄＢから−２３ｄＢの範囲とすることで、外部負荷の影響を受けず、発振出力を向上させることが可能となった。また、位相雑音特性が改善されるという効果を奏するガンダイオード発振器を形成することができた。

本発明のガンダイオード発振器は、ガンダイオードからみた信号電極先端の出力部からの反射係数が、比較的大きい−１３ｄＢから−２３ｄＢ（−２３ｄＢ以上、−１３ｄＢ以下）の範囲とすることで、発振出力特性及び位相雑音特性の優れたガンダイオード発振器を構成する。以下、本発明の実施例について説明する。

本発明のガンダイオード発振器は、従来例で説明した図７に示す構造のガンダイオード２０を用い、図９に示すガンダイオード発振器１０と比較して、ガンダイオード２０から出力部３２Ｃ先端までの寸法が短い、出力部３２Ｄを備える構造としている。即ち、図７に示すように、ガンダイオード２０は、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板２１上に、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法により、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第１の半導体層２２、低濃度ｎ型ＧａＡｓからなる活性層２３、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第２の半導体層２４が順次積層され、電子の走行空間の面積を小さくするため、絶縁体２５によって第２の半導体層２４及び活性層２３を区画したメサ型構造となっている。２６はカソード電極、２７はアノード電極、２８は導電性突起電極であるカソードバンプ、２９は導電性突起電極であるアノードバンプである。絶縁体２５は、上面から第１の半導体層２２までボロン注入して高抵抗化し、カソード電極２６をアノード電極２７から分離している。この絶縁体２５により囲まれた内側の第２の半導体層２４、活性層２３及び第１の半導体層２２によりガンダイオードの機能部が形成されている。図７では絶縁体２５により囲まれた６個のカソード電極２６の上面全てに各々カソードバンプ２８が形成されている。なお、図７では６個のカソード電極２６が形成されているが、ガンダイオードの発振周波数λのλ／１０以内の寸法内に配置された複数のカソード電極２６は、１個のカソード電極とみることができる。一方アノードバンプ２９は、カソードバンプ２８の一群を両側から挟むように、ガンダイオード２０の両側のアノード電極２７上に、片側２個ずつ合計４個形成されている。

一方、図１に示すように、マイクロストリップ線路で構成された発振回路３０は、半絶縁性の平板基板３１の上面に信号電極３２とその信号電極３２の両側に２つの表面接地電極３３が形成されると共に、裏面には裏面接地電極３４が形成されている。表面接地電極３３と裏面接地電極３４は、平板基板３１を貫通するヴィアホール３５によって接続している。信号電極３２には電圧印加用のバイアス電極３２Ａ、共振器を構成するオープンスタブ３２Ｂ及び発振出力取出用の出力部３２Ｄが連続して形成されている。ガンダイオード２０は、中央のカソードバンプ２８が信号電極３２に、両側のアノードバンプ２９が両側の表面接地電極３３にそれぞれ接着するように実装される。

本発明のガンダイオード発振器では、出力部３２Ｄの信号伝送方向の延出長さが、図９の出力部３２Ｃと比較して短く調整されており、信号線路先端から信号の伝送方向と逆方向への反射係数が最適化されている。この出力部３２Ｄの延出長さの調整は、反射係数が最小となる長さの信号電極３２及び出力部３２Ｃをパターン形成した後、例えばレーザトリミング法によって長さを短くし、反射係数が所定の範囲となるように調整することができる。なおトリミングを行わず、予め設定される長さの出力部３２Ｄを信号電極３２等と同時に形成しても良い。

出力部３２Ｄを所定のパターンに形成した後、変換器のショート面を形成するため、接地導体３８にショート導波管３７を接続する。ショート導波管３７の平板基板３１表面と平行な天井面をショート面とすることで、ショート導波管３７で囲まれた伝送空間Ｓから裏面接地電極３４の一部を取り除いた平板基板３１の裏面に接続された導波管（図示せず）に信号が変換、伝送される構造となっている（図２）。

図３は本発明のガンダイオード発振器の発振出力特性と位相雑音特性を示している。レーザトリミングを行わない場合（図９の出力部３２Ｃに相当）、反射係数は、−４５ｄＢと小さい値を示している。レーザトリミングを行い、出力部３２Ｄの延出長さを短くするに伴い、反射係数が相対的に大きくなる。それに伴い、発振出力が大きくなり、位相雑音が小さくなることがわかる。特に、反射係数が−１３ｄから−２３ｄＢの範囲では、発振出力が大きく、位相雑音の小さい、良好な特性がえられることがわかる。

図４は、反射係数が上記範囲内となるように出力部３２Ｄを形成したガンダイオード発振器に、発振開始直前のバイアス電流を印加したときの周波数と反射係数の関係を示している。発振周波数付近で反射係数の最小値が確認され、所望の発振が可能であることが確認された。

このように従来の発振器は、反射係数が最小になる条件に調整していたため、ガンダイオード発振器においては、発振出力が小さく、位相雑音が大きいという結果であったが、反射係数が最適化されていない（最小でない）条件下でも、所定の反射特性範囲に設定することで、ガンダイオード発振器の発振出力特性及び位相雑音特性が向上することを見出すことができた。具体的にその範囲は、−１３ｄＢから−２３ｄＢであった。この反射係数の範囲は、変換される伝送線路が導波管以外であっても同様であることが確認されている。

図５は、マイクロストリップ線路から変換される伝送線路を、導波管の代わりに同軸線路とした場合の発振出力及び位相雑音特性を示している。図５に示すように、同軸線路への変換であっても、反射係数が−１３ｄＢから−２３ｄＢの範囲で、良好な結果が得られることがわかる。なお、同軸線路に変換する場合は、信号電極先端の出力部に同軸線路の中心導体を接続する構造とすればよい。マイクロストリップ線路と同軸線路の変換器は、周知の構造を採用することができる。

さらに、変換される伝送線路が、コプレーナ線路についても、反射係数が−１３ｄＢから−２３ｄＢの範囲で、良好な結果が得られることが確認された。

次に、ガンダイオード発振器として、電圧制御型ガンダイオード発振器１１に本発明を適用した場合について説明する。図６は本発明の電圧制御型ガンダイオード発振器１１である。図１に示した構成と同一のものには同じ符号を付けている。

本実施例では、第一のオープンスタブ３２Ｂの延長線上の離れた位置に第二のオープンスタブ４２Ｂを設け、第一のオープンスタブ３２Ｂと第二のオープンスタブ４２Ｂの間にバラクタダイオード４０を搭載している。第一のバイアス電極３２Ａを介してガンダイオード２０にバイアスを印加し、第二のバイアス電極４２Ａを介してバラクタダイオード４０にバイアスを印加することにより、ガンダイオード２０で発振する発振周波数をバラクタダイオード４０により変調することができ、電圧制御型ガンダイオード発振器１１として利用することができる。図６に示すガン電圧制御型ダイオード発振器１１は、接地導体３８に図２で説明したようにショート導波管３７を接着する構造となる。

このような電圧制御型ガンダイオード発振器においても、反射係数が−１３ｄＢから−２３ｄＢの範囲で、実施例１同様、良好な結果が得られることが確認された。また、導波管への変換に限らず、同軸線路、コプレーナ線路についても同様に、良好な結果が得られることが確認された。

本発明の第１の実施例のガンダイオード発振器の説明図である。 本発明の第１の実施例のガンダイオード発振器の説明図である。 本発明の第１の実施例のガンダイオード発振器の発振出力特性と位相雑音特性の特性図である。 本発明の第１の実施例のガンダイオード発振器の特性図である。 本発明の実施例のガンダイオード発振器の発振出力特性と位相雑音特性の特性図である。 本発明の第２の実施例の電圧制御型ガンダイオード発振器の説明図である。 表面実装型のガンダイオードの平面図及び断面図である。 ガンダイオード発振器のガンダイオード部分の部分拡大図である。 従来のガンダイオード発振器の説明図である。

符号の説明

１０：ガンダイオード発振器、１１：電圧制御型ガンダイオード発振器、
２０：ガンダイオード、２１：半導体基板、２２：第１の半導体層、２３：活性層、
２４：第２の半導体層、２５：絶縁体、２６：カソード電極、２７：アノード電極、
２８：カソードバンプ、２９：アノードバンプ、
３１：平板基板、３２：信号電極、３２Ａ：第一のバイアス電極、
３２Ｂ：第一のオープンスタブ、３２Ｃ、３２Ｄ：出力部、３３：表面接地電極、
３４：裏面接地電極、３６：放熱基台、３７：ショート導波管、３８：接地導体、
４０：バラクタダイオード、４２Ａ：第二のバイアス電極、
４２Ｂ：第二のオープンスタブ

Claims (1)

1. 半絶縁性の平板基板に形成された信号電極と、該信号電極に連続して電圧印加用のバイアス電極と、前記信号電極の一方の端部に配置されたオープンスタブと、該オープンスタブ近傍で前記信号電極を挟んで配置された２つの表面接地電極と、前記信号電極の他方の端部に配置された発振信号の出力部とを備えたマイクロストリップ線路と、
   底面の中央に形成されたアノード又はカソードのいずれか一方の電極と、前記底面の両側に形成された他方の電極とを備えた表面実装型のガンダイオードと、
   前記マイクロストリップ線路で構成された出力部から出力される信号を、導波管、同軸線路あるいはコプレーナ線路に変換するための変換部とを具備し、
   前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記信号電極に接着すると共に前記他方の電極を前記表面接地電極にそれぞれ接続したガンダイオード発振器において、
   前記ガンダイオードからみた前記出力部からの反射係数が、−１３ｄＢから−２３ｄＢとなる長さの前記信号電極および前記出力部とを備えていることを特徴とするガンダイオード発振器。

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