JP7346584B2 - electromagnetic wave generator - Google Patents
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Description
本発明は、電磁波発生装置に関し、特に、複数個の電磁波発生素子を並列して駆動する電磁波発生装置に関する。 The present invention relates to an electromagnetic wave generating device, and particularly to an electromagnetic wave generating device that drives a plurality of electromagnetic wave generating elements in parallel.
例えば、0.1THz~10THzの周波数帯域にわたって分布するテラヘルツ帯の電磁波を用いた計測装置の電磁波発生素子として、共鳴トンネルダイオード(Resonant Tunneling Diode:以下、RTDと称する)が知られている。RTDは、電圧電流特性に微分負性抵抗(Negative Differential Registivity:以下、NDRと称する)領域を有する素子であり、微分負性抵抗領域のバイアス電圧の印加によってテラヘルツ帯の電磁波を発生する。 For example, a resonant tunneling diode (hereinafter referred to as RTD) is known as an electromagnetic wave generating element for a measuring device that uses terahertz band electromagnetic waves distributed over a frequency band of 0.1 THz to 10 THz. An RTD is an element having a negative differential resistance (NDR) region in its voltage-current characteristics, and generates terahertz band electromagnetic waves by applying a bias voltage in the differential negative resistance region.
例えば、特許文献1には、テラヘルツ波発振素子としてのRTD発振素子に直流のオフセット電圧とパルス状電圧とを重畳して印加して電磁波の発生状態と非発生状態を繰り返し生じさせることで、テラヘルツ帯の電磁波で振幅偏移変調方式(Amplitude Shift Keying:以下、ASKと称する)を実現することが開示されている。
For example,
RTD発振素子に上述のオフセットされたパルス状のバイアス電圧を印加する手法としては、デジタルアナログ変換回路(以下、DACと称する)による出力電圧の制御が挙げられる。 An example of a method for applying the above-mentioned offset pulse-like bias voltage to the RTD oscillation element is to control the output voltage using a digital-to-analog conversion circuit (hereinafter referred to as DAC).
また、複数のRTD発振素子を発生源として電磁波計測装置に用いる場合、RTD発振素子のそれぞれから発生されたテラヘルツ波同士に干渉が発生する。電磁波計測装置の検出部のテラヘルツ波検出素子の位置に干渉縞の暗部が発生してしまった場合、テラヘルツ波検出素子の検出値が小さくなるという問題が生じる。 Furthermore, when a plurality of RTD oscillation elements are used as a generation source in an electromagnetic wave measuring device, interference occurs between the terahertz waves generated from each of the RTD oscillation elements. If a dark area of interference fringes occurs at the position of the terahertz wave detection element of the detection section of the electromagnetic wave measuring device, a problem arises in that the detected value of the terahertz wave detection element becomes small.
テラヘルツ波の干渉が問題となる場合には、干渉縞を生じさせないように、互いに干渉を生じさせるRTD発振素子のそれぞれのテラヘルツ波の発生に時間差を設ける手法が有効となる。 When interference of terahertz waves becomes a problem, an effective method is to set a time difference between the generation of terahertz waves of RTD oscillation elements that cause interference with each other so as not to cause interference fringes.
上記のような、複数のRTD発振素子を用いて所望のRTD発振素子を選択的に駆動させるようなシステムでは、素子の数量に応じたバイアス電圧を生成するために、多チャンネルのDACを用いることが望ましい。 In a system such as the one described above in which a desired RTD oscillation element is selectively driven using a plurality of RTD oscillation elements, a multi-channel DAC is used to generate a bias voltage according to the number of elements. is desirable.
しかし、ASKのように高い変調周波数で出力電圧を交互に変化させるような場合には高速DACが必要となり、高速DACを複数のRTD発振素子の数量に応じてICチップ上に多素子化すると、ICチップ上の回路が大規模化し、高コスト化を招く。加えて、高速DACを制御する制御信号も多数必要となる。 However, when the output voltage is alternately changed at a high modulation frequency like ASK, a high-speed DAC is required, and if the high-speed DAC is multi-elemented on an IC chip according to the number of multiple RTD oscillation elements, The circuits on IC chips become larger in scale, leading to higher costs. In addition, a large number of control signals are required to control the high speed DAC.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、DACを用いながらの回路の大規模化、高コスト化を招くことなく、高い変調周波数で駆動する複数のRTD発振素子の並列制御が可能な電磁波発生装置を提供することを目的の1つとしている。 The present invention has been made in view of the above points, and enables parallel control of multiple RTD oscillation elements driven at a high modulation frequency without increasing the scale or cost of the circuit while using a DAC. One of the purposes is to provide a possible electromagnetic wave generation device.
請求項1に記載の発明は、駆動電圧が供給され、これに応答して各々が電磁波を発生する複数の電磁波発生素子と、前記複数の電磁波発生素子の各々に対応する複数の直流電圧を電圧可変に生成する直流電圧源と、前記複数の電磁波発生素子に所定の2値の電圧値の間で電圧値が周期的に変化する変調電圧を生成する変調電圧源と、前記複数の直流電圧の各々と前記変調電圧とを加算して前記複数の電磁波発生素子に夫々供給する供給部と、前記直流電圧源を制御して前記複数の直流電圧の各々の電圧値を互いに独立して変化させる制御部と、を備えることを特徴とする。
The invention according to
以下に本発明の実施例について詳細に説明する。 Examples of the present invention will be described in detail below.
図1は、本発明による電磁波発生装置1の構成を示す機能ブロック図である。
FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of an
電磁波発生装置1は、テラヘルツ波の発生を指令するための制御信号を供給する制御部10を含んでいる。また、電磁波発生装置1は、複数の出力端からそれぞれ直流電圧を出力する直流電圧源である多チャンネルDAC20と、ASKの変調周波数を有し、2値の電圧値を周期的に変化させて出力する高速DAC30と、多チャンネルDAC20の出力と高速DAC30の出力を加算するm個の加算器40と及びテラヘルツ波発生源であるm個のRTD発振素子50とを有する。
The
制御部10は、多チャンネルDAC20に接続され、多チャンネルDAC20の出力端から出力される直流のオフセット電圧VOffset1~VOffsetmのそれぞれの電圧値を制御するオフセット電圧制御信号を供給する。また、制御部10は、高速DAC30に接続され、高速DAC30が出力する変調電圧VACの電圧振幅及び周波数を制御する変調電圧制御信号を供給する。The
多チャンネルDAC20は、m個の出力端を有する直流電圧源である。当該m個の出力端のそれぞれがm個の加算器40のそれぞれに接続されている。多チャンネルDAC20は、制御部10から供給されるオフセット電圧制御信号に基づいて、それぞれの出力端から出力する直流のオフセット電圧VOffset1~VOffsetmのそれぞれの電圧値を可変に制御して、それぞれの出力端から出力するように動作する。The
高速DAC30は、例えば、矩形波のように電圧値が周期的に変化する変調電圧VACを出力する1つの出力端を有する電圧源である。当該出力端は、m個の加算器40のそれぞれに接続されている。高速DAC30は、制御部10から供給される変調電圧制御信号に基づいて、変調電圧VACを、最大電圧値並びに最小電圧値及び周波数を可変に出力するように動作する。具体的には、例えば、高速DAC30は、変調電圧制御信号に基づいて、出力する変調電圧VACの最大電圧値、最少電圧値及びパルスの発生周期を変化させる。The high-
m個の加算器40は、多チャンネルDAC20のm個のそれぞれの出力端及び高速DAC30の出力端に接続されている。m個の加算器40は、多チャンネルDAC20のm個のそれぞれの出力端から出力される直流のオフセット電圧VOffset1~VOffsetmのそれぞれの電圧値と高速DAC30から出力される変調電圧VACとをそれぞれの加算器で加算してこれを出力する。すなわち、m個の加算器40は、変調電圧VACがオフセット電圧VOffset1~VOffsetmのそれぞれによってオフセットされた駆動電圧VDr1~VDrmを生成し、加算器40のそれぞれの加算器から出力するように動作する。The
m個のRTD発振素子50は、m個の加算器40の出力端のそれぞれに接続されており、m個の加算器40が生成した駆動電圧VDr1~VDrmがm個のRTD発振素子50のそれぞれに供給される。m個のRTD発振素子50は、供給される駆動電圧VDr1~VDrmに基づいてそれぞれのRTD発振素子からテラヘルツ波を発生する。The m
図2は、RTD発振素子の電圧電流特性を示す概略図である。 FIG. 2 is a schematic diagram showing the voltage-current characteristics of the RTD oscillation element.
RTD発振素子は、図2に示すように、正バイアスの電圧を印加していくと、印加電圧の上昇に伴って線形的に電流が変化することが知られている(点a-b間)。しかし、所定の電圧領域では、強い非線形領域が現れることが知られている(点b-c間)。さらに印加電圧を高くすると、印加電圧に伴って電流が減少するNDR領域が現れることが知られている(点c-d間)。 As shown in Figure 2, it is known that when a positive bias voltage is applied to an RTD oscillation element, the current changes linearly as the applied voltage increases (between points a and b). . However, it is known that a strong nonlinear region appears in a predetermined voltage region (between points b and c). It is known that when the applied voltage is further increased, an NDR region appears (between points c and d) where the current decreases with the applied voltage.
RTD発振素子のNDR領域に相当するバイアス電圧を印加することで、RTD発振素子からテラヘルツ帯の電磁波が発生することが知られている。 It is known that terahertz band electromagnetic waves are generated from the RTD oscillation element by applying a bias voltage corresponding to the NDR region of the RTD oscillation element.
すなわち、バイアス電圧値VNDR1~VNDR2のテラヘルツ波発振領域の範囲のバイアス電圧を印加することで、RTD発振素子からテラヘルツ波を発生させることが可能である。換言すれば、このRTD発振素子の最大動作電圧はVNDR2であり、最小動作電圧はVNDR1である。That is, by applying a bias voltage in the range of the terahertz wave oscillation region of bias
また、バイアス電圧VNDR1~VNDR2のテラヘルツ波発振領域の範囲のバイアス電圧にASKの変調周波数を有する電圧を印加することで、テラヘルツ波を変調周波数に応じて断続的に発生させることが可能となる。Furthermore, by applying a voltage having a modulation frequency of ASK to the bias voltage in the range of the terahertz wave oscillation region of
制御部10は、m個のRTD発振素子50に供給される駆動電圧VDr1~VDrmのうち、多チャンネルDAC20が出力する直流のオフセット電圧VOffset1~VOffsetmのそれぞれの電圧値を制御することで、m個のRTD発振素子50のうち所望のRTD発振素子のみにテラヘルツ波を発生させるように制御する。The
このとき、高速DAC30からは、テラヘルツ波を発生させるRTD発振素子及び発生させないRTD発振素子のどちらにも同じ周波数と電圧の変調電圧VACが印加されている。すなわち、制御部10は、多チャンネルDAC20のm個の出力端のうち、テラヘルツ波を発生させるRTD発振素子に対応する出力端からはRTD発振素子を発振させる高電位な駆動電圧VDrとなるように変調電圧VACをオフセットさせるオフセット電圧VOffsetを出力させる。具体的には、例えば、上述したバイアス電圧値VNDR1~VNDR2となるような駆動電圧VDrが、加算器40から出力されるようにオフセット電圧VOffsetを出力させる。その一方、テラヘルツ波を発生させないRTD発振素子に対応する出力端からはRTD発振素子が発振する電位に満たない駆動電圧VDrが出力されるように低いオフセット電圧VOffsetを供給するか又はオフセット電圧VOffsetの供給を停止させる。具体的には、例えば、上述したバイアス電圧値VNDR1~VNDR2未満となるような駆動電圧VDrが、加算器40から出力されるようにオフセット電圧VOffsetを出力させる。At this time, the high-
制御部10は、このように選択的に高いオフセット電圧VOffsetを各加算器40に供給することで所望のRTD発振素子のみにテラヘルツ波を発生させるように制御する。The
本発明の電磁波発生装置1は、上記構成により、1個の多チャンネルDAC20と、1個の高速DAC30でm個のRTD発振素子50を選択的に動作させるよう制御することが可能となり、DACを含むICチップの回路の大規模化、高コスト化を招くことなく、高い変調周波数に対応したRTD発振素子の多素子制御が可能となる。
With the above configuration, the electromagnetic
図3は、テラヘルツ波を出射させるRTD発振素子に印加される駆動電圧VDr及びRTD発振素子のテラヘルツ波出力の概略タイムチャートである。また、図4は、テラヘルツ波を出射させないRTD発振素子に印加される駆動電圧VDr及びRTD発振素子のテラヘルツ波出力の概略タイムチャートである。FIG. 3 is a schematic time chart of the drive voltage V Dr applied to the RTD oscillation element that emits the terahertz wave and the terahertz wave output of the RTD oscillation element. Further, FIG. 4 is a schematic time chart of the drive voltage V Dr applied to the RTD oscillation element that does not emit terahertz waves and the terahertz wave output of the RTD oscillation element.
図3及び図4を用いて本実施例の電磁波発生装置1の動作を説明する。
The operation of the
図3の上図は、m個のRTD発振素子50のうち、動作対象となるテラヘルツ波を周期的に発生させるRTD発振素子に供給される駆動電圧VDrのタイムチャートを示す。The upper diagram of FIG. 3 shows a time chart of the drive voltage V Dr supplied to the RTD oscillation element that periodically generates the terahertz wave to be operated, among the m
RTD発振素子に印加される駆動電圧VDrは、上述の通り多チャンネルDAC20から出力されるVOffsetと高速DAC30から出力される矩形波電圧VACが合算された電圧値を有する。The drive voltage V Dr applied to the RTD oscillation element has a voltage value that is the sum of the V Offset output from the
よって、駆動電圧VDrは、最小値がオフセット電圧VOffsetであり最大値がオフセット電圧VOffset+変調電圧VACの最大電圧となる2値の電圧値を変調電圧VACの周波数に応じて周期的に繰り返す電圧プロファイルを有する。Therefore, the driving voltage V Dr has a binary voltage value whose minimum value is the offset voltage V Offset and whose maximum value is the maximum voltage of the offset voltage V Offset + modulation voltage V AC , with a period according to the frequency of the modulation voltage V AC . It has a voltage profile that repeats over time.
制御部10は、多チャンネルDAC20に対して、駆動電圧VDrの最大電圧値がテラヘルツ波発振領域内の電圧値となるバイアス電圧VNDR1~VNDR2となり、且つ駆動電圧VDrの最小電圧値がテラヘルツ波発振領域外の電圧値となるバイアス電圧VNDR1以下となるように、動作対象のRTD発振素子50に対応する多チャンネルDAC20の出力端から出力させる直流電圧VOffsetの電圧値を制御する。The
図3の下図は、上記駆動電圧VDrがRTD発振素子に印加された際のRTD発振素子から発生するテラヘルツ波の挙動を示すタイムチャートである。The lower diagram of FIG. 3 is a time chart showing the behavior of the terahertz wave generated from the RTD oscillation element when the drive voltage V Dr is applied to the RTD oscillation element.
図3の上図に示すとおり、駆動電圧VDrが最大値となるバイアス電圧VNDR1~VNDR2の範囲内の電圧値となった場合にのみ、RTD発振素子はテラヘルツ波を発生するように動作する。As shown in the upper diagram of FIG. 3, the RTD oscillation element generates terahertz waves only when the drive voltage V Dr reaches a voltage value within the range of
これにより、動作対象のRTD発振素子のテラヘルツ波は、変調電圧VACの周期で断続的にテラヘルツ波を発生させることが可能となる。Thereby, the terahertz wave of the RTD oscillation element to be operated can be generated intermittently at the period of the modulation voltage V AC .
次に、m個のRTD発振素子50のうち、動作対象外となるテラヘルツ波を発生させないRTD発振素子における駆動電圧VDr及びその際にRTD発振素子から出力されるテラヘルツ波の概略タイムチャートを図4に示す。Next, of the m
図4の上図は、m個のRTD発振素子50のうち、動作対象外となるテラヘルツ波に発生させないRTD発振素子に供給される駆動電圧VDrのタイムチャートを示す。The upper diagram of FIG. 4 shows a time chart of the drive voltage V Dr supplied to the RTD oscillation elements that do not generate terahertz waves, which are not the target of operation, among the m
制御部10は、駆動電圧VDrの最大値がテラヘルツ波発振領域の低圧側の電圧値となるバイアス電圧VNDR1以下となるように、多チャンネルDAC20に対して動作対象のRTD発振素子に対応する出力端のオフセット電圧VOffsetの電圧値を0Vとする等の制御をする。The
すなわち、図4の上図に示すように、駆動電圧VDrの最大値は、テラヘルツ波発振領域内の電圧値となるバイアス電圧VNDR1~VNDR2の範囲には到達しない。That is, as shown in the upper diagram of FIG. 4, the maximum value of the drive voltage V Dr does not reach the range of
図4の下図は、上記駆動電圧VDrがRTD発振素子に印加された際のRTD発振素子から発生するテラヘルツ波の挙動を示すタイムチャートである。The lower diagram of FIG. 4 is a time chart showing the behavior of the terahertz wave generated from the RTD oscillation element when the drive voltage V Dr is applied to the RTD oscillation element.
図4の上図に示すとおり、駆動電圧VDrが最大値となるバイアス電圧VNDR1~VNDR2の範囲に到達しない故、RTD発振素子はテラヘルツ波を発生しない。As shown in the upper diagram of FIG. 4, the RTD oscillation element does not generate a terahertz wave because the drive voltage V Dr does not reach the maximum value in the bias
すなわち、本実施例の電磁波発生装置1によれば、RTD発振素子のそれぞれに印加される駆動電圧VDrのうち、直流電圧成分を供給する多チャンネルDAC20のみを制御することで、m個のRTD発振素子から選択的にテラヘルツ波を発生させることが可能となる。That is, according to the electromagnetic
本実施例によれば、1個の多チャンネルDAC20と、1個の高速DAC30でm個のRTD発振素子50を選択的に動作させるよう制御することが可能となり、DACを含むICチップの回路の大規模化、高コスト化を招くことなく、高い変調周波数に対応したRTD発振素子の多素子制御が可能となる。
According to this embodiment, it is possible to control the m
また、本実施例によれば、多チャンネルDAC20の出力端から出力される直流のオフセット電圧VOffset1~VOffsetmのそれぞれの電圧値のみを制御することで、m個のRTD発振素子50のうち所望のRTD発振素子のみにテラヘルツ波を発生させることが可能となる。Further, according to the present embodiment, by controlling only the voltage values of the DC offset
なお、RTD発振素子は、組成種及び個体差により、テラヘルツ波発振領域の電圧値となるVNDR1及びVNDR2が変動する。それ故、高速DAC30から出力される変調電圧VACの2値の電圧値の高圧側の電圧値は、m個のRTD発振素子50のテラヘルツ波発生領域の低圧側電圧VNDR1のそれぞれの最も小さいVNDR1よりも小さい電圧値と設定することが望ましい。Note that in the RTD oscillation element,
本実施例の説明及び図面において、多チャンネルDAC20が動作対象外のRTD発振素子に供給する直流電圧VOffsetを0Vとしたが、これに限らない。駆動電圧VDrの最大値がテラヘルツ波発振領域内の電圧値となるバイアス電圧VNDR1~VNDR2の低圧側のバイアス電圧VNDR1以下となるように、多チャンネルDAC20の動作対象外のRTD発振素子に対応する出力端から出力する直流のオフセット電圧VOffsetの電圧値を制御できればよい。In the description and drawings of this embodiment, the DC voltage V Offset that the
また、本実施例の説明及び図面において、高速DAC30が出力する変調電圧VACの2値の電圧値の低電圧側を0Vとしたが、これに限らない。Further, in the description and drawings of this embodiment, the lower voltage side of the binary voltage value of the modulation voltage V AC outputted by the high-
また、本実施例の説明および図面において、RTD発振素子に供給する直流電圧VOffsetを電圧VNDR1未満とし、VOffset+VACがテラヘルツ波発振領域内の電圧値であるバイアス電圧VNDR1~VNDR2の範囲内となるようにしたが、RTD発振素子に供給する直流電圧VOffsetをバイアス電圧VNDR2以上のRTD発振素子の発振しない領域とし、VACの高圧側を0V、低圧側を-VACとしVOffset-VACがVNDR1~VNDR2の範囲内に制御することでもよい。In addition, in the description and drawings of this embodiment, the DC voltage V Offset supplied to the RTD oscillation element is set to be less than the
また、本実施例の説明及び図面において、高速DAC30が出力する変調電圧VACを矩形波として説明したが、これに限らない。Further, in the description and drawings of this embodiment, the modulation voltage V AC outputted by the high-
上記の多チャンネルDAC20及び高速DAC30の電圧値設定は、それぞれのDACの有する電圧値変更の時間応答性にあわせて設定すればよい。
The voltage values of the
また、本実施例においては、テラヘルツ波計測装置に用いられる電磁波発生装置を例として説明した。しかし、RTD発振素子によるテラヘルツ波の発生に限らず、電圧値が高速に変化する駆動電圧に応じて動作するような素子に対して用いることも可能である。 Further, in this embodiment, an electromagnetic wave generating device used in a terahertz wave measuring device has been described as an example. However, the present invention is not limited to the generation of terahertz waves by RTD oscillation elements, but can also be used for elements that operate in response to a drive voltage whose voltage value changes rapidly.
10 制御部
20 多チャンネルDAC
30 高速DAC
40 加算器
50 m個のRTD発振素子10
30 High speed DAC
40 Adder 50 m RTD oscillation elements
Claims (7)
前記複数の電磁波発生素子の各々に対応する複数の直流電圧を電圧可変に生成する直流電圧源と、
前記複数の電磁波発生素子に所定の2値の電圧値の間で電圧値が周期的に変化する変調電圧を生成する変調電圧源と、
前記複数の直流電圧の各々と前記変調電圧とを加算して前記複数の電磁波発生素子の各々に供給する供給部と、
前記直流電圧源を制御して前記複数の直流電圧の各々の電圧値を互いに独立して変化させることで、前記複数の電磁波発生素子のうち所望の電磁波発生素子のみに前記電磁波を発生させる制御部と、を備えることを特徴とする電磁波発生装置。 a plurality of electromagnetic wave generating elements each of which is a negative resistance element that is supplied with a driving voltage and generates electromagnetic waves in response to the driving voltage;
a DC voltage source that variably generates a plurality of DC voltages corresponding to each of the plurality of electromagnetic wave generating elements;
a modulated voltage source that generates a modulated voltage whose voltage value periodically changes between predetermined binary voltage values in the plurality of electromagnetic wave generating elements;
a supply unit that adds each of the plurality of DC voltages and the modulation voltage and supplies the sum to each of the plurality of electromagnetic wave generating elements;
A control unit that generates the electromagnetic wave only in a desired electromagnetic wave generating element among the plurality of electromagnetic wave generating elements by controlling the DC voltage source and changing the voltage value of each of the plurality of DC voltages independently of each other. An electromagnetic wave generator comprising:
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