JP6615475B2

JP6615475B2 - 発振回路

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Publication number: JP6615475B2
Application number: JP2015075634A
Authority: JP
Inventors: 辰典恩塚; 敦中川; 光進根本; 正義相川
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2035-04-02
Also published as: JP2015213302A

Description

本発明は、発振信号を放射する発振回路に関する。

従来、スロットラインを用いた高周波発振回路が知られている。例えば、特許文献１においては、円形状のスロットラインに２個のガンダイオードを装荷することにより発振信号を出力する発振回路が開示されている。

特開２００３−２５８５５６号公報

図７は、従来の発振回路７００の構成を示す図である。発振回路７００は、基板７１０に、周長が発振信号の波長に等しい円形状のスロットライン７２０が形成されており、スロットライン７２０と交差するように、２個のガンダイオード７３０、７４０が設けられている。スロットライン７２０の内側にバイアス電圧を印加することによりガンダイオード７３０及びガンダイオード７４０が発振を開始すると、スロットライン７２０におけるガンダイオード７３０とガンダイオード７４０との間には発振波動が発生し、図７の矢印が示す向きの電界が発生する。発振回路７００の構成を用いることで、簡易な構成で高周波信号を発生することができる。

しかしながら、発振回路７００において、電界強度が最大となる位置における電界の向きは、図７に示すように互いに逆向きである。したがって、発振回路７００は、多数の負性抵抗素子を用いて出力電力を大きくする必要がある場合に有効なファブリペロー共振器の構成を用いて空間電力合成をする用途や、所定の向きに電磁放射をさせる用途には適さない。そこで、簡易な構成で、高周波信号を所望の向きに放射させることができる発振回路が求められている。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、高周波信号を発生し、所望の向きに放射させることができる発振回路を提供することを目的とする。

本発明に係る発振回路は、波長がλの発振信号を出力する発振回路であって、長さがλの第１スロットラインが形成された基板と、前記第１スロットラインの中央位置において、前記第１スロットラインと交差して前記基板に設けられた第１負性抵抗素子と、を備え、前記基板には、前記第１スロットラインにおける、前記第１負性抵抗素子からλ／４の距離の第１位置を通る、前記第１スロットラインと直交する方向に延伸した第１垂直スリットと、前記第１スロットラインにおける、前記第１負性抵抗素子に対して前記第１垂直スリットと反対側における、前記第１負性抵抗素子からλ／４の距離の第２位置を通る、前記第１スロットラインと直交する方向に延伸した第２垂直スリットと、前記第１垂直スリット及び前記第２垂直スリットと接続され、かつ、前記第１スロットラインと平行な水平スリットと、が形成されている。

前記基板には、前記第１スロットラインと平行な、長さがλの第２スロットラインがさらに形成されており、前記第１スロットラインと前記第２スロットラインとの間に、前記第１スロットラインと平行な、長さがλ／２の第３スロットライン及び第４スロットラインがされに形成されており、前記第２スロットラインの中央位置において、前記第２スロットラインと交差して前記基板に設けられた第２負性抵抗素子をさらに備え、前記第１垂直スリット及び前記第２垂直スリットは、前記第１負性抵抗素子及び前記第２負性抵抗素子を結ぶ直線と平行であり、かつ、前記第１負性抵抗素子及び前記第２負性抵抗素子を結ぶ直線からの距離がλ／４の位置に形成されていてもよい。

上記の発振回路は、第２負性抵抗素子を備え、前記基板には、前記第１スロットラインの延長線上に、前記第２負性抵抗素子が交差する第２スロットラインと、前記第２スロットラインにおける、前記第２負性抵抗素子からλ／４の距離の第３位置を通る、前記第２スロットラインと直交する方向に延伸した第３垂直スリットと、前記第２スロットラインにおける、前記第２負性抵抗素子に対して前記第３垂直スリットと反対側に、前記第２負性抵抗素子からλ／４の距離の第４位置を通る、前記第２スロットラインと直交する方向に延伸した第４垂直スリットと、前記第１垂直スリットと前記第４垂直スリットとを接続する第１水平スリットと、前記第２垂直スリットと前記第３垂直スリットとを接続する第２水平スリットと、が形成されていてもよい。

前記基板には、前記第１スロットラインの延長線上に、前記第１スロットラインと平行な、長さがλ／２のスロットラインが形成されていてもよい。また、前記基板には、前記第１スロットラインと直交する方向の前記第１スロットラインから離れる向きの位置に、前記第１スロットラインと平行な、長さがλ／２のスロットラインが形成されていてもよい。

本発明によれば、簡易な構成で、高周波信号を発生し、所望の向きに放射させることができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る発振回路の構成を示す図である。第２の実施形態に係る発振回路の構成を示す図である。第３の実施形態に係る発振回路の構成を示す図である。第４の実施形態に係る発振回路の構成を示す図である。第４の実施形態に係る発振回路の構成を示す図である。第５の実施形態に係る発振回路の構成を示す図である。第６の実施形態に係る発振回路の構成を示す図である。従来の発振回路の構成を示す図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る発振回路１００の構成を示す図である。発振回路１００は、基板１と、スロットライン１０と、ダイオード２０と、スリット３１とを備え、ミリ波又はテラヘルツ波等の高周波発振信号を出力する。図１（ａ）は、発振回路１００の平面図である。図１（ｂ）は、発振回路１００のＡ−Ａ線概略断面図である。図１（ａ）における矢印は、スロットライン１０に生じる電界の向きを示している。なお、本明細書において、図１（ａ）に示すように、スロットライン１０と平行な方向をＸ方向、スロットライン１０と直交する方向をＹ方向という。

以下、ダイオード２０にバイアス電圧を印加することにより発生する発振信号の基本周波数がｆ_０であり、発振回路１００が放射する発振信号が、基本周波数ｆ_０のｎ倍（ｎは整数）の高調波信号であるとして説明する。また、周波数ｎｆ_０の高調波信号の波長をλとする。

スロットライン１０は、基板１に設けられた導体２の一部の領域を除去することにより形成されている。スロットライン１０の長さは、発振回路１００が放射する発振信号の波長λに等しい。

ダイオード２０は、例えばガンダイオードである。ダイオード２０は、スロットライン１０の中央位置において、スロットライン１０と交差して基板１に設けられている。具体的には、ダイオード２０のアノード及びカソードは、それぞれスロットライン１０の反対側において導体２に接続されている。

スリット３１は、スリット３１ａと、スリット３１ｂと、スリット３１ｃとから構成されている。スリット３１により、導体２は、ダイオード２０のアノードが接続されている第１領域である導体２ａと、ダイオード２０のカソードが接続されている第２領域である導体２ｂとに分断されている。

スリット３１ａは、スロットライン１０における、ダイオード２０からλ／４の距離の位置Ｐ１を通る、スロットライン１０と直交する方向に延伸した第１垂直スリットである。スリット３１ｂは、スロットライン１０における、ダイオード２０に対してスリット３１ａと反対側において、ダイオード２０からλ／４の距離の位置Ｐ２を通る、スロットライン１０と直交する方向に延伸した第２垂直スリットである。スリット３１ｃは、スリット３１ａ及びスリット３１ｂと接続され、かつ、スロットライン１０と平行な水平スリットである。導体２ａにバイアス電圧を印加することにより、ダイオード２０のアノードにバイアス電圧が印加され、ダイオード２０が発振信号の発生を開始する。

発振回路１００においては、スロットライン１０の長さが、周波数ｎｆ_０の高調波信号の波長λに等しい。したがって、ダイオード２０が発振信号の発生を開始すると、スロットライン１０からは、発振信号に含まれる周波数ｎｆ_０の高調波成分が選択的に放射される。

また、スリット３１ａ及びスリット３１ｂは、スロットライン１０において電界強度が最大になる、ダイオード２０からλ／４の距離の位置Ｐ１及び位置Ｐ２に形成されている。位置Ｐ１及び位置Ｐ２における高調波信号の電流はゼロなので、これらの位置にスリット３１ａ及びスリット３１ｂを形成することにより、スロットライン１０及びダイオード２０により構成される発振回路の高周波信号の発振に影響しない。位置Ｐ１における電界の向き及び位置Ｐ２における電界の向きは図１におけるＹの向きであり、スロットライン１０においては、位相ベクトルが一様な電界分布が形成される。その結果、スロットライン１０からは、周波数ｎｆ_０の高調波信号が、基板１の面と直交する方向（以下、Ｚ方向という）に放射される。

なお、図１（ａ）において、電界の向きを示す矢印を見やすくするために、矢印のＸ方向における位置と、スリット３１ａ及びスリット３１ｂのＸ方向における位置との関係をずらしている。この点については、図２から図６においても同様である。

以上のとおり、第１の実施形態に係る発振回路１００は、スロットライン１０における、ダイオード２０からλ／４の位置に、ダイオード２０のアノードとカソードとを分離するスリット３１を有する。したがって、簡易な構成で、ダイオード２０の高周波発振に影響させることなくバイアス電圧を印加して発振させつつ、位相、振幅及び向きが同一の一様な電界分布を形成し、所定の向きに高周波信号を放射することができる。

＜第２の実施形態＞
図２は、第２の実施形態に係る発振回路２００の構成を示す図である。発振回路２００は、スロットライン１１、１３、１４と、ダイオード２１とをさらに備える点で第１の実施形態に係る発振回路１００と異なる。スロットライン１１、１３、１４は、スロットライン１０と平行であり、かつ、スロットライン１１のＸ方向における位置は、スロットライン１０と同じ位置である。一方、スロットライン１３、１４は、それぞれスロットライン１０とスロットライン１１との間において、スリット３１ａ、３１ｂの左右の近傍に配置されている。スロットライン１１の長さは、周波数ｎｆ_０の高調波信号の波長λに等しく、スロットライン１３、１４の長さは、２分の１波長（λ／２）に等しい。ダイオード２１は、スロットライン１１の中央位置において、スロットライン１１と交差して基板１に設けられている。

スリット３１ａ及びスリット３１ｂは、ダイオード２０及びダイオード２１を結ぶ直線と平行である。また、スリット３１ａ及びスリット３１ｂは、ダイオード２０及びダイオード２１を結ぶ直線からの距離がλ／４の位置に形成されている。スロットライン１１は、スリット３１ａ及びスリット３１ｂに接続されており、スリット３１ｃと同様に水平スリットとして機能する。

スロットライン１０に生じる電界とスロットライン１１に生じる電界とは、スロットライン１３、１４を介して相互に電磁結合することにより相互同期して、位相ベクトルが一様な電界分布が形成される。その結果、発振回路２００は、スロットライン１０及びスロットライン１１、並びにスロットライン１３及びスロットライン１４からＺ方向に高周波信号を放射することができる。発振回路２００は、複数のスロットライン１０、１１に設けられた複数のダイオード２０、２１を有するので、発振回路１００よりも強い高周波信号を放射することができる。

＜第３の実施形態＞
図３は、第３の実施形態に係る発振回路３００の構成を示す図である。発振回路３００は、スロットライン１２と、ダイオード２２とをさらに備える点で第１の実施形態に係る発振回路１００と異なる。また、スロットライン１０とスロットライン１２とを接続するスリット３２及びスリット３３が形成されている点でも、発振回路１００と異なる。スロットライン１２は、スロットライン１０の延長線上において、スロットライン１０と磁界結合可能な距離だけＸ方向に離れた位置に形成されている。スロットライン１２の長さは、周波数ｎｆ_０の高調波信号の波長λに等しい。ダイオード２２は、スロットライン１２の中央位置において、スロットライン１２と交差して基板１に設けられている。

スリット３２ａは、スロットライン１０における、ダイオード２０からλ／４の距離の位置Ｐ３１を通り、スロットライン１０と直交する方向に延伸している。スリット３２ｂは、スロットライン１２における、ダイオード２２からλ／４の距離の位置Ｐ３４を通り、スロットライン１２と直交する方向に延伸している。スリット３２ｃは、スリット３２ａ及びスリット３２ｂと接続され、かつ、スロットライン１０及びスロットライン１２と平行である。

スリット３３ａは、スロットライン１０における、ダイオード２０からλ／４の距離の位置Ｐ３２を通り、スロットライン１０に対してスリット３２ａと反対の向きに延伸している。スリット３３ｂは、スロットライン１２における、ダイオード２２からλ／４の距離の位置Ｐ３３を通り、スロットライン１２に対してスリット３２ｂと反対の向きに延伸している。スリット３３ｃは、スリット３３ａ及びスリット３３ｂと接続され、かつ、スロットライン１０及びスロットライン１２と平行である。

発振回路３００においては、スリット３２と、スリット３３と、スロットライン１０と、スロットライン１２とで囲まれた領域にバイアス電圧を印加すると、ダイオード２０及びダイオード２２のアノードにバイアス電圧が印加され、ダイオード２０及びダイオード２２が発振信号の出力を開始する。ダイオード２０及びダイオード２２が発振信号を出力している状態において、スロットライン１０とスロットライン１２とは磁界結合している。その結果、ダイオード２０とダイオード２２とは、同一の位相ベクトルを有するように相互同期する。したがって、発振回路３００は、スロットライン１０及びスロットライン１２から、Ｚ方向に高周波信号を放射することができる。発振回路３００は、スロットライン１０とスロットライン１２とがＸ方向に隣接しているので、発振回路２００に比べてＸ方向の電磁波の広がりを抑制し、アンテナ利得を向上することができる。

＜第４の実施形態＞
図４Ａは、第４の実施形態に係る発振回路４００の構成を示す図である。発振回路４００においては、図２に示した発振回路２００におけるスロットライン１０とスロットライン１１に平行に、長さがλ／２のスロットライン１５が形成されている。

すなわち、スロットライン１０及びスロットライン１１と直交する方向において、スロットライン１０及びスロットライン１１から離れる向きの位置に、スロットライン１０及びスロットライン１１と平行な、長さがλ／２のスロットライン１５が形成されている。スロットライン１０、スロットライン１１、スロットライン１３、スロットライン１４及びスロットライン１５は、Ｙ方向において電磁結合する。

したがって、スロットライン１０及びダイオード２０から構成される発振系において生じる電界と、スロットライン１１、スロットライン１３、スロットライン１４及びスロットライン１５において生じる電界とが同一の位相ベクトルを有する。その結果、発振回路４００は、スロットライン１０、スロットライン１１、スロットライン１３、スロットライン１４及びスロットライン１５からＺ方向に高周波信号を放射することができる。また、スロットライン１３、スロットライン１４、スロットライン１５が存在することによりアンテナゲインを向上できるので、発振回路４００は、発振回路２００よりも電界強度が大きい高周波信号を放射することができる。

図４Ｂは、第４の実施形態に係る他の例としての発振回路４１０の構成を示す図である。発振回路４１０においては、図４Ａに示した発振回路４００の両側に、複数のスロットライン１６が形成されている。スロットライン１６は、スロットライン１０、スロットライン１１、スロットライン１３、スロットライン１４及びスロットライン１５の延長線上における、これらのスロットラインと磁界結合する位置に、これらのスロットラインと平行に形成されている。それぞれのスロットライン１６の長さはλ／２である。

発振回路４１０における複数のスロットラインは、Ｘ方向及びＹ方向において電磁結合する。したがって、スロットライン１０及びダイオード２０から構成される発振回路４００の発振系において生じる電界と、周囲の複数のスロットライン１６において生じる電界とが同一の位相ベクトルを有する。その結果、発振回路４１０は、スロットライン１０、スロットライン１１、スロットライン１３、スロットライン１４、スロットライン１５及びスロットライン１６からＺ方向に高周波信号を放射することができる。また、複数のスロットライン１６が存在することによりアンテナゲインを向上させて、発振回路４１０は、発振回路４００よりも電界強度が大きい高周波信号を放射することができる。

＜第５の実施形態＞
図５は、第５の実施形態に係る発振回路５００の構成を示す図である。発振回路５００においては、複数の発振回路４００がＸ方向及びＹ方向に並べられて構成されている。ただし、相互同期の電磁結合範囲を考慮して、Ｙ方向に隣接する２つの発振回路４００がスロットライン１５を共用している。

４つの発振回路４００は、Ｘ方向及びＹ方向において電磁結合することにより、それぞれのスロットラインにおいて生じる電界が同一の位相ベクトルを有する。発振回路５００は、複数の発振回路４００を有するとともに、生じる電界の位相が同一なので、発振回路４００に比べてより鋭いビームの高周波信号をＺ方向に放射することができる。

＜第６の実施形態＞
図６は、第６の実施形態に係る発振回路６００の構成を示す図である。発振回路６００は、発振回路５００とスリットの構成が異なっており、その他の構成は同じである。具体的には、発振回路６００においては、発振回路５００における一部のスリット３１に代えて、スリット３４、スリット３５、スリット３６及びスリット３７が形成されている。

発振回路６００は、複数のスリットと、これらのスリットの終端部が接続されたスロットラインとにより囲まれた領域に、全てのダイオードのアノードが接続されている。すなわち、発振回路６００においては、複数のスリット及び複数のスロットラインにより、複数のダイオードのアノードが接続された第１領域Ｒ１と、複数のダイオードのカソードが接続された第２領域Ｒ２とに二分されている。したがって、第１領域Ｒ１内の任意の１箇所にバイアス電圧をかけると、全てのダイオードにバイアス電圧が印加される。その結果、発振回路６００においては、簡易な給電回路により、多数のダイオードを発振させることができる。

さらに、発振回路６００においては、全てのスロットラインにおいて、Ｘ方向及びＹ方向において電磁結合することにより、それぞれのスロットラインに生じる電界が相互同期する。その結果、発振回路６００においては、位相ベクトルが一様な電界分布が形成され、多数の同期励振したスロットラインから鋭いビームの高周波信号を放射することができる。

上記の各実施形態においては、放射機能を有するスロットライン共振器を用いているので、隣接する発振回路間の相互同期発振を容易に実現できる。そして、両面放射であるために、ファブリペロー共振タイプの空間電力合成も可能である。さらに、可変反射鏡等と組み合わせることによって、周波数可変制御やＦＳＫ等のＲＦ直接変調機能も実現することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、上記の実施形態においては、ガンダイオードを装荷した場合の構成について説明したが、ＨＥＭＴ等の３端子素子から構成される負性抵抗回路や、負性抵抗回路を含むＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）をスロットライン共振器に電磁結合させることにより構成してもよい。
また、垂直スロットは、図１に示したようにスロットラインとＴ字状に交差してもよく、図３に示したようにスロットラインを突き抜けて、スロットラインと十字状に交差してもよい。

１・・・基板
２・・・導体
１０、１１、１２、１３、１４、１５・・・スロットライン
２０、２１・・・ダイオード
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７・・・スリット
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００・・・発振回路
７１０・・・基板
７２０・・・スロットライン
７３０、７４０・・・ガンダイオード

Claims

波長がλの発振信号を出力する発振回路であって、
長さがλの第１スロットラインが形成された基板と、
前記第１スロットラインの中央位置において、前記第１スロットラインと交差して前記基板に設けられた第１負性抵抗素子と、
を備え、
前記基板には、
前記第１スロットラインにおける、前記第１負性抵抗素子からλ／４の距離の第１位置を通る、前記第１スロットラインと直交する方向に延伸した第１垂直スリットと、
前記第１スロットラインにおける、前記第１負性抵抗素子に対して前記第１垂直スリットと反対側における、前記第１負性抵抗素子からλ／４の距離の第２位置を通る、前記第１スロットラインと直交する方向に延伸した第２垂直スリットと、
前記第１垂直スリット及び前記第２垂直スリットと接続され、かつ、前記第１スロットラインと平行な水平スリットと、
が形成されている発振回路。
波長がλの発振信号を出力する発振回路であって、
長さがλの第１スロットラインが形成された基板と、
前記第１スロットラインの中央位置において、前記第１スロットラインと交差して前記基板に設けられた第１負性抵抗素子と、
を備え、
前記基板には、
前記第１スロットラインにおける、前記第１負性抵抗素子からλ／４の距離の第１位置を通る、前記第１スロットラインと直交する方向に延伸した第１垂直スリットと、
前記第１スロットラインにおける、前記第１負性抵抗素子に対して前記第１垂直スリットと反対側における、前記第１負性抵抗素子からλ／４の距離の第２位置を通る、前記第１スロットラインと直交する方向に延伸した第２垂直スリットと、
前記第１垂直スリット及び前記第２垂直スリットと接続され、かつ、前記第１スロットラインと平行な、長さがλの第２スロットラインと、
が形成されており、
前記第１スロットラインと前記第２スロットラインとの間に、前記第１スロットラインと平行な、長さがλ／２の第３スロットライン及び第４スロットラインがさらに形成されており、
前記第２スロットラインの中央位置において、前記第２スロットラインと交差して前記基板に設けられた第２負性抵抗素子をさらに備え、
前記第１垂直スリット及び前記第２垂直スリットは、前記第１負性抵抗素子及び前記第２負性抵抗素子を結ぶ直線と平行であり、かつ、前記第１負性抵抗素子及び前記第２負性抵抗素子を結ぶ直線からの距離がλ／４の位置に形成されている、
発振回路。
前記基板には、前記第３スロットラインの延長線上に、前記第１スロットラインと平行な、長さがλ／２のスロットラインが形成されている、
請求項２に記載の発振回路。
前記基板には、前記第１スロットラインと直交する方向の前記第１スロットラインから離れる向きの位置に、前記第１スロットラインと平行な、長さがλ／２のスロットラインが形成されている、
請求項２又は３に記載の発振回路。
波長がλの発振信号を出力する発振回路であって、
長さがλの第１スロットラインと、前記第１スロットラインの延長線上に形成された長さがλの第２スロットラインと、を有する基板と、
前記第１スロットラインの中央位置において、前記第１スロットラインと交差して前記基板に設けられた第１負性抵抗素子と、
前記第２スロットラインの中央位置において、前記第２スロットラインと交差して前記基板に設けられた第２負性抵抗素子と、
を備え、
前記基板には、
前記第１スロットラインにおける、前記第１負性抵抗素子からλ／４の距離の第１位置を通る、前記第１スロットラインと直交する方向に延伸した第１垂直スリットと、
前記第１スロットラインにおける、前記第１負性抵抗素子に対して前記第１垂直スリットと反対側における、前記第１負性抵抗素子からλ／４の距離の第２位置を通る、前記第１スロットラインと直交する方向に延伸した第２垂直スリットと、
前記第２スロットラインにおける、前記第２負性抵抗素子からλ／４の距離の第３位置を通る、前記第２スロットラインと直交する方向に延伸した第３垂直スリットと、
前記第２スロットラインにおける、前記第２負性抵抗素子に対して前記第３垂直スリットと反対側に、前記第２負性抵抗素子からλ／４の距離の第４位置を通る、前記第２スロットラインと直交する方向に延伸した第４垂直スリットと、
前記第１垂直スリットと前記第４垂直スリットとを接続する第１水平スリットと、
前記第２垂直スリットと前記第３垂直スリットとを接続する第２水平スリットと、
が形成されており、
前記第１位置は、前記第２位置に比べて前記第２スロットラインから遠い位置であり、
前記第４位置は、前記第３位置に比べて前記第１スロットラインから遠い位置であり、
前記第１垂直スリット及び前記第２垂直スリットの延伸方向が、前記第１スロットラインに対して互いに反対方向であり、
前記第３垂直スリット及び前記第４垂直スリットの延伸方向が、前記第２スロットラインに対して互いに反対方向である発振回路。