JP5116721B2 - 高周波発振器 - Google Patents

Description

本発明は、特に高周波帯のセンサーやレーダー等に使用される高周波発振器の構造に関する。

従来から、マイクロ波帯又はミリ波帯等において高周波発振器が用いられており、この高周波発振器として、例えば下記の特許文献１や特許文献２に示されるものがある。

図１３には、特許文献１に記載されるマイクロ波発振器の構成が示されており、この発振器では、誘電体基板３１上にマイクロストリップ線路３２〜３４が形成され、増幅素子３５のドレイン端子がマイクロストリップ線路３４、ゲート端子がマイクロストリップ線路３３に接続され、かつマイクロストリップ線路３３に電磁結合するように誘電体共振器３６が配置される。

このような発振器では、増幅素子３５のドレイン回路−ゲート回路間に、両回路間の容量と誘電体共振器３６による帰還回路が構成され、これによって、所定周波数のマイクロ波が発振する。また、上記誘電体共振器３６の上方には、金属ビス３７が配置されており、この金属ビス３７と誘電体共振器３６との間の距離を調整することで、発振周波数を変化させることが行われる。

また、誘電体共振器を使用しない例として、例えば特許文献２に示されるように、誘電体基板上に、リング共振器を含む分布定数回路が形成された発振器もあり、この発振器では、リング共振器にスタブを介して接続されるバラクタダイオードの容量を変えることで、所望の周波数を得ることができる。

特開平７−９４９４６号公報 特開２００６−８０６９７号公報

しかしながら、上記特許文献１に示される従来の高周波発振器は、発振周波数の安定度は良好であるが、発振のために高価な誘電体共振器３６を使用しており、廉価なセンサー等の発振源としては不向きである。また、図１３に示されるように、誘電体共振器３６を増幅素子３５に接続されたマイクロストリップ線路３３と３４に挟み込む形で配置するため、発振器の回路全体が占める面積が大きくなり、小型化に不向きである。

一方、上記特許文献２に示される高周波発振器は、誘電体基板上に分布定数回路であるリング共振器を形成しており、このリング共振器では、概ねλ（波長）／４の分布定数回路パターンが少なくとも４個配置されており、回路面積が大きくなる。しかも、周波数調整には、高価なバラクタダイオードを使用するため、廉価なセンサー等の発振源としては不向きである。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高価な誘電体共振器やバラクタダイオードを使用することなく、廉価に制作することができ、また回路面積が小さくなって小型化が可能となる高周波発振器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る高周波発振器は、誘電体基板表面に形成された伝送線路と、この伝送線路に対して接続された増幅素子と、上記誘電体基板における上記増幅素子配置位置の裏面側で、上記伝送線路の上記増幅素子の入力端側線路と上記増幅素子の出力端側線路との間に、伝送線路方向にて配置され、上記入力端側線路又は出力端側線路の少なくとも一方に容量性結合する金属体（金属パターン、金属線、金属片、金属板等）と、からなることを特徴とする。
請求項２の発明は、上記金属体として、上記誘電体基板の裏面に金属パターンを形成し、この金属パターンの両端を上記入力端側線路及び出力端側線路に容量性結合したことを特徴とする。
請求項３の発明は、上記金属体として、上記誘電体基板の裏面に金属パターンを形成し、この金属パターンの一方端を上記入力端側線路又は出力端側線路のいずれか一方にスルーホールを介して接続し、他方端を上記入力端側線路又は出力端側線路の他方に容量性結合したことを特徴とする。

請求項４の発明は、上記誘電体基板の裏面で、かつ容量性結合した上記金属体の端部近傍に、周波数調整パターンを形成し、この周波数調整パターンの面積（形状、大きさ）を変えることにより、発振周波数を可変調整することを特徴とする。
請求項５の発明は、支持体（金属ケース等）から上記金属体の端部又は上記周波数調整パターンへ向けて金属可動部材（ネジや棒状部材）を配置し、この金属可動部材と上記金属体の端部又は上記周波数調整パターンとの距離を変えることにより、発振周波数を可変調整することを特徴とする。
請求項６の発明は、上記金属パターンの下側に、裏面が接地面とされた誘電体基板を更に積層したことを特徴とする。

本発明の構成によれば、誘電体基板上の伝送線路（例えばマイクロストリップ線路）に増幅素子が接続され、この増幅素子の配置位置の裏面側で、この増幅素子の入力端側(例えばゲート側)の線路と出力端側(例えばドレイン側)の線路との間に、伝送線路方向に沿って金属体としての例えば線状の金属パターンが配置される。この金属パターンは、誘電体基板の裏面の接地面の一部を切り欠くように空地領域を設けることで形成され、この金属パターンの端部が入力端側線路又は出力端側線路の両方又は一方に容量性結合するように構成される。この結果、増幅素子の入力端と出力端との間に、金属パターンのインダクタンス、及び金属パターンと入力端側線路又は出力端側線路との間の容量が配置された帰還ループが形成されることになり、所定周波数が発振する発振器が構成される。

また、請求項４のように、誘電体基板裏面の金属体の端部近傍に形成した周波数調整パターンの面積を変えること、請求項５のように、金属可動体と金属体の端部又は周波数調整パターンとの距離を変えることにより、発振周波数を所望の周波数に可変調整することができる。

本発明によれば、誘電体基板の裏面において金属体を伝送線路方向で増幅素子に沿って配置することで、簡単に発振器を構成することができるので、高価な誘電体共振器やバラクタダイオードを使用することなく、高周波発振器を廉価に制作することができる。また、特許文献１のように帰還回路のためのマイクロストリップ線路（３４等）を形成する必要がなく、特許文献２のような分布定数回路であるリング共振器等が不要であるから、回路面積が小さくなり、発振器の小型化を促進できるという効果がある。

また、金属ネジを配置したり、周波数調整パターンを設けたりすることにより、所望の発振周波数を容易に得ることができる。更に、金属パターンの下側に、裏面が接地面とされた誘電体基板を積層することで、発振周波数を安定させることが可能となる。

本発明の第１実施例に係る高周波発振器の構成を示し、図（Ａ）は上面図、図（Ｂ）は側面（断面）図、図（ｃ）は裏面図である。 第１実施例の高周波発振器の等価回路を示す図である。 第１実施例の高周波発振器における発振信号のスペクトラムを示すグラフ図である。 第２実施例に係る高周波発振器の構成を示す側面（断面）図である。 第２実施例の高周波発振器の等価回路を示す図である。 第３実施例に係る高周波発振器の構成を示し、図（Ａ）は側面（断面）図、図（Ｂ）は裏面図である。 第３実施例の高周波発振器の等価回路を示す図である。 第４実施例に係る高周波発振器の構成を示す側面（断面）図である。 第５実施例に係る高周波発振器の構成を示す側面（断面）図である。 第５実施例の高周波発振器の等価回路を示す図である。 第６実施例に係る高周波発振器の構成を示す側面（断面）図である。 第６実施例の高周波発振器の等価回路を示す図である。 従来のマイクロ波発振器の構成を示す斜視図である。

図１には、本発明の第１実施例である高周波発振器の構成が示されており、この高周波発振器は、伝送線路（分布定数線路）をマイクロストリップ線路とした例である。図１において、誘電体基板１上にマイクロストリップ線路（分布定数パターン）２が形成され、このマイクロストリップ線路２に、ＦＥＴ等の増幅素子（ベアチップ又はパッケージ形成チップ）が接続される。即ち、図１のマイクロストリップ線路２において、増幅素子３の入力端であるゲートが入力端側線路２ａに接続され、出力端であるドレインが出力端側線路２ｂに接続され、ソースが接地電極５に接続される。

そして、上記誘電体基板１の裏面の接地（ＧＮＤ）面（層）７の中に、その接地面７の一部を除去すること等により、金属体としての線状の金属パターン８が配置される。即ち、増幅素子３の裏側に位置する接地面７を四角枠状に切り欠くようにして空地領域７Ｅを設けることで、増幅素子３の長さよりも長い線状の金属パターン８が形成され、この金属パターン８は、その長手方向がマイクロストリップ線路２の伝送線路方向で設けられる（図１では金属パターン８がマイクロストリップ線路２に平行となる）。なお、この金属パターン８は、線状に限らず、短冊状又は方形等の平面状のものでもよい。

このようにして、第１実施例では、図１（Ｂ）に示されるように、線状の金属パターン８の一方端が入力端側線路２ａに誘電体基板１を介して容量性結合し、他方端が出力側線路２ｂに誘電体基板１を介して容量性結合し、図２に示す回路からなる発振器が構成される。

図２は、第１実施例の高周波発振器の等価回路であり、図１の構成により、増幅素子３の入力端と出力端の間に、金属パターン８によるインダクタンス（誘導成分）Ｌ、金属パターン８と出力端側線路２ｂの間の容量（容量成分）Ｃ_１及び金属パターン８と入力端側線路２ａの間の容量Ｃ_２を有する帰還ループが形成され、増幅素子３からの出力が、容量Ｃ_１、インダクタンスＬ、容量Ｃ_２を通って入力端へ帰還し、この帰還ループの共振によって発振が行われる。

そして、この高周波発振器では、発振周波数をｆとすると、

が成立するので、次の数式２で表わされる発振周波数ｆが得られる。

図３には、第１実施例で得られた発振信号の一例が示されており、図３に示されるように、不要な発振がなく、周波数２４ＧＨｚ近傍の一つのピーク値を持つ良好な発振が得られた。

図４には、第２実施例の高周波発振器の構成が示されており、この第２実施例は、金属パターンに対し周波数調整（可変）用の金属ネジ（金属可動部材）を配置したものである。
図４に示されるように、誘電体基板１の裏面の金属パターン８及び空地領域７Ｅの全体を囲み覆うように金属ケース体１０が設けられ、この金属ケース体１０に、その下面から線状の金属パターン８の両端のそれぞれへ向かって貫通するように金属ネジ１２ａ，１２ｂが螺合・結合されており、この金属ネジ１２ａ，１２ｂは、金属パターン８の端部との距離が変えられるように進退可能となる。なお、その他の構成は、第１実施例と同様である。

このような第２実施例によれば、金属パターン８に対する金属ネジ１２ａ，１２ｂの距離を調整することにより、金属パターン８と金属ネジ１２ａ，１２ｂとの間の結合性容量を可変にし、この結果、増幅素子３の帰還ループに生じる容量値を変えることができる。なお、第２実施例では、上記金属ネジ１２ａ，１２ｂを金属ケース体１０に配置したが、誘電体基板１上に各種形状の支持体を配置し、この支持体から金属ネジ１２ａ，１２ｂを金属パターン８へ向けて配置するようにしてもよい。

図５には、第２実施例の高周波発振器の等価回路が示されており、この第２実施例は増幅素子３の入力端と出力端の間に、可変容量Ｃ_３、金属パターン８によるインダクタンスＬ及び可変容量Ｃ_４からなる帰還ループが形成される。即ち、上記可変容量Ｃ_３は、金属パターン８と出力端側線路２ｂの間の容量に金属パターン８と金属ネジ１２ｂの間の可変容量を合成したもの、上記可変容量Ｃ_４は、金属パターン８と入力端側線路２ａの間の容量に金属パターン８と金属ネジ１２ａの間の可変容量を合成したものとなる。従って、第２実施例では、金属ネジ１２ａ、金属ネジ１２ｂと金属パターン８の両端との距離を調整することで、発振周波数を可変とし、所望の周波数を得ることが可能となる。

図６には、第３実施例の高周波発振器の構成が示されており、この第３実施例は、周波数調整パターンを設けたものである。
図６に示されるように、第３実施例の基本的な構成は第１実施例と同様であるが、誘電体基板１の裏面の接地面（層）７において、上記空地領域（切り欠き領域）７Ｅを伝送線路方向へ広くし、金属パターン８の両端の近傍に例えば方形の周波数調整パターン１４ａ，１４ｂが形成される。この調整パターン１４ａ，１４ｂのそれぞれは、方形以外の小短冊状等の各種の形状としてもよく、１つだけでなく、複数配置することもでき、調整パターン１４ａ，１４ｂのそれぞれの全体の面積、即ち個々の形状、個数が調整すべき所望の周波数に応じて設定される。また、金属パターン８と調整パターン１４ａ，１４ｂは、調整の必要に応じて、導電体（金属パターン、金属線、金属片、金属板等）で接続してもよい。

このような第３実施例によれば、周波数調整パターン１４ａ，１４ｂを設けることにより、入力端側線路２ａと周波数調整パターン１４ａの間、出力端側線路２ｂと周波数調整パターン１４ｂの間に容量を付与することができ、この周波数調整パターン１４ａ，１４ｂの全体の面積を調整することにより、増幅素子３の帰還ループの容量値を変えることができる。また、この場合は、インダクタンス成分も可変となる。

図７には、第３実施例の高周波発振器の等価回路が示されており、この第３実施例では増幅素子３の入力端と出力端の間に、可変容量Ｃ_５、金属パターン８による可変インダクタンスＬ_ｈ及び可変容量Ｃ_６からなる帰還ループが形成される。即ち、上記可変容量Ｃ_５は、金属パターン８と出力端側線路２ｂの間の容量に周波数調整パターン１４ｂで生じる容量を合成したもの、上記可変容量Ｃ_６は、金属パターン８と入力端側線路２ａの間の容量に周波数調整パターン１４ａで生じる容量を合成したものとなる。従って、第３実施例では、周波数調整パターン１４ａ，１４ｂの全体の面積を調整することで、発振周波数を可変とし、所望の周波数を得ることができる。

図８には、第４実施例の高周波発振器の構成が示されており、この第４実施例は、周波数調整パターンに対し金属ネジを配置したものである。
図８に示されるように、第４実施例の基本的な構成は第３実施例と同様であり、誘電体基板１の裏面の接地面７において空地領域７Ｅを含む金属パターン８及び周波数調整パターン１４ａ，１４ｂを覆うように金属ケース体１５が設けられ、この金属ケース体１５に、その上面から貫通し周波数調整パターン１４ａ，１４ｂのそれぞれに向かうように金属ネジ１６ａ，１６ｂが螺合されており、これら金属ネジ１６ａ，１６ｂは、周波数調整パターン１４ａ，１４ｂとの距離が変えられるように進退可能となる。

このような第４実施例によれば、周波数調整パターン１４ａ，１４ｂのそれぞれに対する金属ネジ１６ａ，１６ｂの距離を調整することにより、周波数調整パターン１４ａ，１４ｂと金属ネジ１６ａ，１６ｂとの間の結合性容量を可変にし、この結果、増幅素子３の帰還ループの容量値を変え、所望の周波数を得ることができる。

図９には、第５実施例の高周波発振器の構成が示されており、この第５実施例は、金属パターンの下側に、接地面を有する誘電体基板を配置したものである。
図８に示されるように、第５実施例の基本的な構成は第１実施例と同様であるが、接地面７及び金属パターン８の下側に、裏側に接地面１９が形成された第２の誘電体基板１８が積層配置され、多層基板構造とされる。

このような第５実施例によれば、図１０に示されるように、増幅素子３からの出力が容量Ｃ_７、インダクタンスＬ、容量Ｃ_８を通って入力端へ戻る帰還ループにて、発振が行われる。そして、この場合は、金属パターン８が接地面１９によって覆われるため、所望の発振周波数を安定化することができるという利点がある。

図１１には、第６実施例の高周波発振器の構成が示されており、この第６実施例は、金属体の一方端を伝送線路に接続し、他方端を伝送線路に容量性結合したものである。
図１１の高周波発振器でも、第１実施例と同様に、誘電体基板１上にマイクロストリップ線路２が形成され、このマイクロストリップ線路２において、増幅素子３の入力端であるゲートが入力端側線路２ａに接続され、出力端であるドレインが出力端側線路２ｂに接続され、ソースが接地電極２に接続される。

また、上記誘電体基板１の裏面の接地（ＧＮＤ）面７において、増幅素子３の裏側に位置する接地面７の一部を切り欠くようにして空地領域７Ｅを設けることで、増幅素子３の長さよりも長い線状の金属パターン８が形成され、この金属パターン８は、その長手方向がマイクロストリップ線路２の伝送線路方向で設けられる。そして、金属パターン８の一方端のみがスルーホール２１を介して入力端側線路２ａ（出力端側線路２ｂでもよい）に接続される。

このような第６実施例では、図１１に示されるように、金属パターン８の他方端が出力側線路２ｂに誘電体基板１を介して容量性結合し、図１２に示す回路からなる発振器が構成される。ここで、上記金属パターン８の長さを、λ／２（λ：所望の発振周波数の波長）の長さ相当とすれば、出力端側線路２ａから見て金属パターン８のインピーダンスが開放となり、所望の発振周波数における増幅素子の利得低下を防止することができる。

図１２は、第６実施例の高周波発振器の等価回路であり、図１１の構成により、増幅素子３の入力端と出力端の間に、金属パターン８と入力端側線路２ｂの間の容量Ｃ_９、金属パターン８によるインダクタンスＬを有する帰還ループが形成され、増幅素子３からの出力が、容量Ｃ_９、インダクタンスＬを通って入力端へ帰還することで、発振が行われる。

また、この第６実施例でも、第２実施例のように、金属ネジ１２ａ，１２ｂを設ける構成、第３実施例のように、周波数調整パターン１４ａ，１４ｂを形成する構成、第４実施例のように、周波数調整パターン１４ａ，１４ｂに対して金属ネジ１６ａ，１６ｂを設ける構成、第５実施例のように、金属パターン８の下側に、接地面１９を有する誘電体基板１８を積層する構成を採用することができる。

なお、上記各実施例では、金属体として線状の金属パターン８を設けたが、これ以外でも、金属線、金属片、金属板等を用いることができ、伝送線路としてマイクロストリップ線路を用いたが、コプラナーウェーブガイド等を用いてもよい。また、上記第２実施例、第４実施例において、金属ケース１０，１５は、金属以外の材料で形成してもよいし、ケース形状以外の各種の支持体としてもよい。更に、金属ネジ１２ａ，１２ｂ，１６ａ，１６ｂの代わりに、金属棒状部材を上下動可能に配置してもよい。

１，１８…誘電体基板、 ２…マイクロストリップ線路、
２ａ…入力端側線路、 ２ｂ…出力端側線路、
３…増幅素子、 ７，１９…接地（ＧＮＤ）面、
７Ｅ…空地領域、 ８…金属パターン、
１０，１５…金属ケース体、 １２ａ，１２ｂ，１６ａ,１６ｂ…金属ネジ、
１４ａ，１４ｂ…周波数調整パターン。

Claims (6)

1. 誘電体基板表面に形成された伝送線路と、
   この伝送線路に対して接続された増幅素子と、
   上記誘電体基板における上記増幅素子配置位置の裏面側で、上記伝送線路の上記増幅素子の入力端側線路と上記増幅素子の出力端側線路との間に、伝送線路方向にて配置され、上記入力端側線路又は出力端側線路の少なくとも一方に容量性結合する金属体と、からなる高周波発振器。
2. 上記金属体として、上記誘電体基板の裏面に金属パターンを形成し、この金属パターンの両端を上記入力端側線路及び出力端側線路に容量性結合したことを特徴とする請求項１記載の高周波発振器。
3. 上記金属体として、上記誘電体基板の裏面に金属パターンを形成し、この金属パターンの一方端を上記入力端側線路又は出力端側線路のいずれか一方にスルーホールを介して接続し、他方端を上記入力端側線路又は出力端側線路の他方に容量性結合したことを特徴とする請求項１記載の高周波発振器。
4. 上記誘電体基板の裏面で、かつ容量性結合した上記金属体の端部近傍に、周波数調整パターンを形成し、この周波数調整パターンの面積を変えることにより、発振周波数を可変調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波発振器。
5. 支持体から上記金属体の端部又は上記周波数調整パターンへ向けて金属可動部材を配置し、この金属可動部材と上記金属体の端部又は上記周波数調整パターンとの距離を変えることにより、発振周波数を可変調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高周波発振器。
6. 上記金属パターンの下側に、裏面が接地面とされた誘電体基板を更に積層したことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の高周波発振器。

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