JP4798835B2

JP4798835B2 - ガンダイオード発振器

Info

Publication number: JP4798835B2
Application number: JP2000326008A
Authority: JP
Inventors: 健一渡辺
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2020-10-25
Also published as: JP2002134809A

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２次高調波モード発振の発振特性向上を実現したガンダイオード発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波やミリ波の発振器の発振素子であるＧａＡｓからなるガンダイオードは、ＧａＡｓのEnergy Relaxation Timeの制限により基本発振周波数の２倍の周波数を用いた２次高調波モードにより構成することが多い。
【０００３】
従来では、図７に示すように、メサ型に形成されたガンダイオード５０を図８に示すピル型パッケージ６０に組み立て、これを図示しない導波管キャビティ内に配置して構成されたガンダイオード発振器がある。これらの図７，図８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はバッファ層、５５はカソード電極、５６はアノード電極、６１はガンダイオード５０を搭載した放熱基台、６２はガンダイオード５０の周囲を覆う円筒、６３は金リボン、６４は金属ディスクである。
【０００４】
導波管はカットオフ周波数ｆを持ち、ｆ＝ｃ／２ａで表される。ｃは光速、ａは導波管の長い方の内辺である。従って、基本波周波数が、このカットオフ周波数ｆ以下の場合、基本波成分は導波管によって除外され２次高調波成分のみが取り出されることになる。
【０００５】
また、本出願人の前の出願である特開平１０−１１８５３６に開示された、平面実装型（プレーナ構造）のガンダイオードを用いる発振器では、該ガンダイオードをマイクロストリップ線路やコプレーナ線路が形成された基板上に実装して構成している。
【０００６】
この平面実装型のガンダイオード１０は、図９の(a)の平面図、(b)の断面図に示すように、半導体基板１１上に、第１の半導体層１２、活性層１３および第２の半導体層１４が順に積層され、第２の半導体層１４上に活性層１３に電圧を印加するためのアノード電極１５とカソード電極１６が配置されている。１７は裏面カソード電極である。アノード電極１５には導電性突起からなる所定の高さのアノードバンプ１８が形成され、カソード電極１６にもアノードバンプ１８と同じレベルの高さに導電性突起からなるカソードバンプ１９が形成されている。そして、アノード電極１５の周囲が第２の半導体層１４および活性層１３に向けて深く切り込まれ、これによりアノード電極１５が接続される第２の半導体層１４と活性層１３をガンダイオード部分として機能される領域として区画する凹部２０が形成されている。その凹部２０や、パンプ１８、１９以外の表面は非導電性膜２１によって保護されている。なお、アノード電極１５とアノードバンプ１８は図９に示したように複数個の場合も、また１個の場合もある。また、アノード電極１５とカソード電極１６は逆の場合もある。
【０００７】
図９に示した表面実装型のガンダイオード１０が実装されるマイクロストリップ線路は、図１０の(a)の平面図、(b)の断面図に示すように、誘電体の平板基板７１の表面に信号電極７２が、裏面に接地電極７３が各々形成され、さらに表面には表面接地電極７４形成され、この表面接地電極７４はヴィアホール７５を介して裏面の接地電極７３に接続されている。ガンダイオード１０は、そのアノードバンプ１８が信号電極７２に接着され、カソードバンプ１９が表面接地電極７４に接着されるよう搭載され、これにより発振器が構成される。
【０００８】
なお、ガンダイオード１０のコプレーナ線路への実装は、誘電体の平板基板の表面に形成された信号電極及びその信号電極の両側の一対の接地電極からなるコプレーナ線路の該信号電極にアノードバンプ１８を、両接地電極にカソードバンプ１９をそれぞれ接着搭載して構成される。
【０００９】
これら平面実装型のガンダイオード１０を用いたガンダイオード発振器では、図１０の(a)に示すように、信号電極７２の一端がガンダイオード１０のアノードバンプ１８の接着部分から所定の長さＬで開放する電極部分を形成して、この電極部分を共振器として働かせ、該電極部分の長さＬにより発振周波数を決定することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示した導波管型の発振器は精度の高い金属加工技術が要求されるため量産化や低コスト化が困難であり、また、一般的に導波管コンポーネントはサイズが大きく小型化も困難であるという問題点があった。
【００１１】
一方、図９の表面実装型のガンダイオード１０をマイクロストリップ線路やコプレーナ線路に搭載する発振器は、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路が導波管のようにカットオフ周波数を持たないため、２倍波成分を取り出すためのフィルタが必要になるが、ミリ波帯においては減衰が小さく且つ帯域の広い平面回路型のフィルタを作製することは困難で、フィルタの減衰のために出力が劣化したり、帯域の狭さのために歩留りの低下を引き起すという問題点があった。
【００１２】
本発明の目的は、表面実装型ガンダイオードを使用しながらも、その基本波成分は伝送線路でカットできるようにして、量産化に適し、低コスト化、小型化、少ない特性バラツキ等を実現できるガンダイオード発振器を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このために第１の本発明は、ガンダイオードの発振出力の２次高調波を出力信号として取り出すガンダイオード発振器において、裏面に接地導体が形成され、表面にスロット状の伝送線路が残る形状に表面導体が形成され、且つ前記接地導体と前記表面導体がヴィアホールによって接続された誘電体基板と、発振出力が前記スロット状の伝送線路と電磁結合するよう前記誘電体基板の前記表面に搭載された表面実装型ガンダイオードとを具備し、前記伝送線路のカットオフ周波数を前記表面実装型ガンダイオードの基本波周波数より高く且つ２次高調波の周波数より低く設定した。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記表面実装型ガンダイオードには、その底面の略中央に第１の電極を設けると共に、該第１の電極を挟むように前記底面の両側に第２の電極を各々設け、前記第１の電極を前記誘電体基板の前記表面導体に接続し、前記第２の電極の内の一方を前記誘電体基板の表面に別に設けた第１のバイアス電極に接続し、前記第２の電極の内の他方を前記誘電体基板の表面に別に設けた調整電極に接続した。
【００１５】
第３の発明は、第１の発明において、前記表面実装型ガンダイオードには、その底面の片端に第１の電極を設けると共に、他端に第２の電極を設け、前記第１の電極を前記誘電体基板の前記表面導体に接続し、第２の電極を前記誘電体基板の表面に別に設けた第１のバイアス電極に接続した。
【００１６】
第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれか１つにおいて、第１、第２の電極を有し且つ前記ガンダイオードと異なる２端子素子を具備し、該２端子素子の前記第１の電極を前記誘電体基板の表面に別に設けた第２のバイアス電極に接続し、前記第２の電極を前記表面導体に接続した。
【００１７】
第５の発明は、第４の発明において、前記２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状の伝送線路上に搭載されているように構成した。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態のガンダイオード発振器の構造を示す斜視図である。３１は誘電体基板であり、その裏面の全面には接地導体３２が形成され、表面には表面導体３３、その表面導体３３の一部を削除した形のスロット状の伝送線路３４、表面実装型ガンダイオード１０にバイアスを供給するためのバイアス電極３５、表面導体３３の一部としての表面接地電極３６、表面導体３３とは絶縁された周波数の調整電極３７が形成されている。また、スロット状の伝送線路３４の両側には線路に沿って、ヴィアホール３８が設けられ、このヴィアホール３８によって表面導体３３と接地導体３２が接続されている。ガンダイオード１０は、その中央のアノードバンプ１８が表面接地電極３６に接着され、両側のカソードバンプ１９の一方がバイアス電極３５に接着され、他方が調整電極３７に接着されている。３９はガンダイオード１０のスロット状の伝送線路３４側と反対側に設けたスロット状のショートスタブである。
【００１９】
ここで、本発明で用いられているスロット状の伝送線路３４について説明する。この伝送線路３４は図２の(a)の平面図、(b)の断面図に示すように、スロットラインに似た形状をしているが、裏面が接地導体３２で覆われていることと、両側にヴィアホール３８が設けられているところが異なっている。この構造から容易にわかるように、この伝送線路３４はＴＥＭモードを持たない。つまりこの伝送線路３４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。
【００２０】
具体的なカットオフ周波数を求めるのは容易ではないが、スロット幅Ｗ１＝１８０μｍ、ヴィアホール２２の間隔Ｗ２＝６００μｍ、基板３１の厚さｈ＝３８０μｍのときの伝送特性のシミュレーション結果を図３に示す。伝送線路の長さは１ｍｍである。この図から６０ＧＨｚ付近がカットオフ周波数になっていることがわかる。
【００２１】
本発明では、上記カットオフ周波数がガンダイオード１０の基本波発振周波数より高く且つその２次高調波の周波数（出力発振周波数）よりは低くなるように設定し、上記構造の諸元を決定する。
【００２２】
さて、バイアス電極３５と接地電極３２の間に電圧を印加すると、バイアス電極３５−ガンダイオード１０−表面接地電極３６−表面導体３３−ヴィアホール３８−接地電極３２の経路で電流が流れ、ガンダイオード１０で電磁波（マイクロ波）が発生する。発生した電磁波は伝送線路３４に沿って伝搬してゆく。この際、基本波成分は伝送線路３４がカットオフ周波数以下になっているのでそこを伝搬できず、２次高調波以上の周波数成分のみが伝搬する。
【００２３】
この発振器の発振周波数および整合条件は、調整電極３７の長さやガンダイオード１０後方のショートスタブ３９の長さを変えることによって調整する。また、本実施形態では外部に出力を取り出すために、エアーブリッジ４０を用いて伝送線路をコプレーナ線路に変換しているが、必要に応じて導波管やマイクロストリップ線路に変換してもよい。
【００２４】
図１で説明した実施形態では、底面の略中央に複数のアノードバンプ１８が形成され、その両側にカソードバンプ１９が形成されたガンダイオード１０を用いたが、図４の(a)の平面図、(b)の断面図に示すように、アノードバンプ１８とカソードバンプ１９が底面の両端に配置されたガンダイオード１０Ａを用いることもできる。その場合の発振器の構成は図５に示すようになり、調整電極３７が省かれる。この構成は、図１の構成に比べて調整機構が１つ減るという欠点があるが、アノード付近の電位が基本波と２次高調波で同じになり、発振出力が増すという利点がある。
【００２５】
また、本発明の発振器において、表面導体３３に導体除去によって区画した別のバイアス電極４１を形成しておくとよい。これによりガンダイオードと異なる別の２端子素子を搭載することができる。すなわち、その一方の電極をそのバイアス電極４１に、他方の電極を表面導体３３の一部にそれぞれ接着可能となる。
【００２６】
例えば図６に示すように、伝送線路３４の上にその２端子素子としての表面実装型バラクタダイオード４２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４２は、一方の電極をバイアス電極４１に、他方の電極を表面導体３３に接着して搭載する。この構成では、バイアス電極４１に電圧を印加することによりガンダイオード１０から見た外部回路のインピーダンスが変化するので、それに伴って発振周波数が変化する。また、２端子素子としてバラクタダイオード４２の代りに、ＰＩＮダイオードを搭載すると、パルス変調の発振器として機能させることができる。更にここでは２端子素子をガンダイオード１０の前方（伝送線路３４の側）に設けたが、後方のショートスタブ３９上に設けてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の２次高調波利用のガンダイオード発振器は、誘電体基板に表面実装型のガンダイオードを搭載するので組立容易な構造となり、量産化、小型化が可能であり、しかもカットオフ周波数をもつ伝送線路を用いているので特別なフィルタを使用することなく不要な基本波成分を除去することが可能となり、特性のバラツキが少ない利点がある。
【００２８】
また、底面の略中央に第１の電極（アノード等）が形成されその両側に第２の電極（カソード等）が形成されたガンダイオードを用い、第２の電極の一方を調整電極に接続することによって、整合条件や周波数を調整することができる。
【００２９】
また、第１の電極（アノード等）と第２の電極（カソード等）が底面の両側に配置されたガンダイオードを用い、調整機構を省くことによって、第１の電極付近の電位が基本波と２次高調波で同じになり、発振出力を向上させることができる。
【００３０】
また、本発明のガンダイオード発振器は、表面導体にバイアス電極を形成しておくことにより、２端子素子を伝送線路上に搭載可能となり、２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】本発明の実施形態のガンダイオード発振器の斜視図である。
【図２】 (a)は図１のガンダイオード発振器の伝送線路部分の平面図、(b)は(a)のｂ−ｂ断面図である。
【図３】図２の伝送線路の周波数特性を示す図である。
【図４】 (a)は本発明で使用する別の表面実装型ガンダイオードの平面図、(b)は(a)のｂ−ｂ断面図である。
【図５】図４のガンダイオードを使用したガンダイオード発振器の斜視図である。
【図６】図１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て構成した電圧制御発振器の斜視図である。
【図７】従来のメサ型構造のガンダイオードの断面図である。
【図８】図７の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。
【図９】 (a)は表面実装型ガンダイオードの平面図、(b)は(a)のｂ−ｂ断面図である。
【図１０】 (a)は図９のガンダイオードを実装した状態の平面図、(b)は(a)のｂ−ｂ断面図である。
【符号の説明】
１０：表面実装型ガンダイオード、１１：半導体基板、１２：第１の半導体層、１３：活性層、１４：第２の半導体層、１５：アノード電極、１６：カソード電極、１７：裏面アノード電極、１８：アノードバンプ、１９：カソードバンプ、２０：凹部、２１：非導電性膜
３１：誘電体基板、３２：接地電極、３３：表面導体、３４：スロット状の伝送線路、３５：バイアス電極、３６：表面接地電極、３７：調整電極、３８：ヴィアホール、３９：ショートスタブ、４０：エアブリッジ、４１：別のバイアス電極、４２：バラクタダイオード
５０：メサ構造ガンダイオード、５１：半導体基板、５２：コンタクト層、５３：活性層、５４：バッファ層、５５：カソード電極、５６：アノード電極
６０：ピル型パッケージ、６１：放熱基台電極、６２：円筒、６３：金リボン、６４：金属ディスク
７１：誘電体の平板基板、７２：信号電極、７３：接地電極、７４：表面接地電極、７５：ヴィアホール

Claims

ガンダイオードの発振出力の２次高調波を出力信号として取り出すガンダイオード発振器において、
裏面に接地導体が形成され、表面にスロット状の伝送線路が残る形状に表面導体が形成され、且つ前記接地導体と前記表面導体がヴィアホールによって接続された誘電体基板と、
発振出力が前記スロット状の伝送線路と電磁結合するよう前記誘電体基板の前記表面に搭載された表面実装型ガンダイオードとを具備し、
前記伝送線路のカットオフ周波数を前記表面実装型ガンダイオードの基本波周波数より高く且つ２次高調波の周波数より低く設定したことを特徴とするガンダイオード発振器。
請求項１のガンダイオード発振器において、
前記表面実装型ガンダイオードには、その底面の略中央に第１の電極を設けると共に、該第１の電極を挟むように前記底面の両側に第２の電極を各々設け、
前記第１の電極を前記誘電体基板の前記表面導体に接続し、前記第２の電極の内の一方を前記誘電体基板の表面に別に設けた第１のバイアス電極に接続し、前記第２の電極の内の他方を前記誘電体基板の表面に別に設けた調整電極に接続したことを特徴とするガンダイオード発振器。
請求項１のガンダイオード発振器において、
前記表面実装型ガンダイオードには、その底面の片端に第１の電極を設けると共に、他端に第２の電極を設け、
前記第１の電極を前記誘電体基板の前記表面導体に接続し、第２の電極を前記誘電体基板の表面に別に設けた第１のバイアス電極に接続したことを特徴とするガンダイオード発振器。
請求項１乃至３のいずれか１つのガンダイオード発振器において、第１、第２の電極を有し且つ前記ガンダイオードと異なる２端子素子を具備し、
該２端子素子の前記第１の電極を前記誘電体基板の表面に別に設けた第２のバイアス電極に接続し、前記第２の電極を前記表面導体に接続したことを特徴とするガンダイオード発振器。
請求項４のガンダイオード発振器において、
前記２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状の伝送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。