JPH0430604A - マイクロ波回路及びマイクロ波発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１］

【産業上の利用分野】

本発明は、特性を容易に調整して作製できるマイクロ波
回路及び周波数安定度の高いマイクロ波発振器に関する
。 ［０００２］

【従来の技術】

図５は従来のマイクロ波回路パターンの一例である。コ
プレナ線路を用いて構成されている。（Ａ）は上面から
見た図、（Ｂ）はＡ−Ａ’　　における断面図である。 １８は電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴと略す）のチ
ップ、１１はＦＥＴのゲート電極と接続された第１のコ
プレナ線路の中心導体、１５はＦＥＴのドレイン電極と
接続された第２のコプレナ線路の中心導体、１７はＦＥ
Ｔのソース電極に接続された第３のコプレナ線路の中心
導体、１２はコプレナ線路の外導体１６は金属−誘電体
薄膜−金属で構成されたキャパシタ、１９は金属パター
ンがコプレナ線路として動作するようにコプレナ線路の
外導体を同電位に保つためのワイヤー　２０はＦＥＴの
ドレイン電極と導体１５を接続するためのワイヤー２１
はＦＥＴのソース電極と導体１７を接続するためのワイ
ヤー　２２はＦＥＴのデート電極と導体１１を接続する
ためのワイヤー　１３は基板である。 ［０００３］ 図、６は、上記マイクロ波回路パターンの等価回路であ
る。６１はＦＥＴで図５の１８に対応し、６２はインダ
クタで図５の１１−１２で構成される第１のコプレナ線
路に対応し、６３はインダクタで図５の１７−１２で構
成される第３のコプレナ線路に対応し、６４はキャパシ
タで図５の１６に対応し、６５は出力用の伝送線路で図
５の１５−１２で構成される第２のコプレナ線路に対応
する。ＦＥＴ６１のゲート電極にインダクタ６２を接続
することにより、負性抵抗を実現し、インダクタ６３と
キャパシタ６４からなる共振回路とともに、発振器を構
成している。図５．６においては、説明を簡単にするた
め、直流回路及びバイアス供給用のパターンについては
省略しである。 ［０００４］ 本回路の設計・作成手順は以下の通りである。インダク
タ６２の値は、ＦＥＴ６１のパラメータをもとに、所望
の周波数で負性抵抗を生じる様にその値を決定し、イン
ダクタ６３とキャパシタ６４の値は、所望の周波数で位
相条件を満足するように、その値を決定する。次に、そ
のインダクタンス値を実現するコプレナ線路を設計する
。例えば、先端を短絡した第１のコプレナ線路１１−１
２のりアクタンスＸは、長さｌに比べて十分短い場合に
は近似的に、（１）式で表される［０００５］

【数１】 ［０００６］ ここで、Ｚｏは線路の特性インピーダンス、ε。１．は
線路の実効比誘電率、λ０は真空中での波長である。よ
って、このリアクタンスが必要なインダクタンスＬと等
しくなるためには、インダクタンス値りと線路のパラメ
ータＺｏ、εｅｆｆ、１とは、真空中の光速Ｃを用いて
、（２）式の関係を満たせば良い。 １７一 ［０００７］

【数２】 ［０００８］ 一般的に、導体の上部は空気等の気体であり、その比誘
電率εは、ε、＝１である。モノリシックマイクロ波集
積回路においては、保護膜としての誘電体が導体の上部
に存在するが、膜厚は１μｍ以下と薄く、線路の特性に
はほとんど影響を与えない。基板１３の厚みが十分厚い
場合には上記Ｚｏとεｅｆｆは、基板の誘電率、中心導
体の幅Ｗ、中心導体と外導体の間隔Ｇで決定される。こ
こで、十分厚い基板とは、基板下面への電磁界のもれが
無視できるほど厚いということを意味する。この様にし
て求めたＷ、Ｇ、ｌなる寸法を有する線路パターンをエ
ツチングにより形成し、該パターンとＦＥＴとをワイヤ
で接続することによって、マイクロ波回路を実現する。 ［０００９］

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、マイクロ波回路においては、能動素子の
特性のばらつき等により、設計どおりの特性が得られな
いことが多い。さらに本従来例の様な発振回路において
は、ＦＥＴの動作は大信号動作であるため、小信号パラ
メータより求められたインダクタ６２．６３の値は、回
路形成後に若干の変更を必要とする。ところが、上記マ
イクロ波回路においては、導体パターンは基板と密着し
ており、回路形成後に導体パターンを調整することは容
易にはできなかった。特にモノリシックマイクロ波集積
回路においては、金属パターン寸法が小さく、又、ＦＥ
Ｔ等の他の回路素子と一体的に形成するために、回路作
成後の調整は非常に困難であった。このため従来は、何
回か試作を繰り返してＷ、Ｇ、１の最終的な値を得たり
、若干寸法の異なる数種類のパターンを作成し最適なも
のを選ぶ等の作業をしており、設計の効率が悪かった。 ［００１０］ また、一般に回路は温度特性を有しており、特にマイク
ロ波発振器では、周囲温度の変化によって、能動素子の
特性が変化して共振回路に要求される位相条件が変わる
が、共振回路の特性はこれに合わせて温度変化するよう
にはなっていないために、発振周波数が変動するという
問題がある。 ［００１１］ 以上に鑑み、本発明は回路形成後に容易に特性を調整で
きるマイクロ波回路を提供することを目的とする。また
、温度変化による発振周波数の変動が小さいマイクロ波
発振器を提供することを目的とする。 ［００１２］

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本発明は伝送線路基板上の
一部に厚い誘電体が形成され、該誘電体の物理定数によ
り回路特性が調整制御されていることを特徴とするマイ
クロ波回路を提供する。 ［００１３］ また、電磁界が基板の上面または上下面の空間中に存在
する構造のマイクロ波伝送線路を共振器として用いたマ
イクロ波発振器であって、上記共振器を構成するマイク
ロ波伝送線路上の上記電磁界の存在する空間部分に所定
の温度係数の誘電率を有する厚い誘電体が形成されて温
度変化に伴い、上記共振器の特性がマイクロ波発振器を
構成する他の回路の特性の温度変化に合わせて変化する
構成となっていることを特徴とするマイクロ波発振器を
提供する。 ［００１４］

【作用】

基板の外部の空間に電磁界が存在する構造のマイクロ波
伝送線路においては、該空間に形成した厚い誘電体の誘
電率および厚みによって、伝送線路の特性インピーダン
スおよび実効誘電率が変化するので、上記マイクロ波伝
送線路パターンの変更をすることなく、上記線路の特性
を変化させ、回路特性の調整ができる。 そこで本発明の回路では、該空間への誘電体の形成は、
線路パターン形成後に行えるので、回路特性を測定した
後に、適当な誘電率、厚みを選んで行う。 ［００１５］ また、誘電体の誘電率は物質ごとに一定の温度係数を有
しており、この温度係数を適当に選ぶことにより、能動
素子等の温度による特性の変化を打ち消すことができる
。 ［００１６］ そこで本発明のマイクロ波発振器は、回路作成後回路の
温度特性を測定し、適当な温度係数、誘電率、厚みの誘
電体を共振器を構成するマイクロ波伝送線路上に形成し
て作製される。 ［００１７］

【実施例】

以下実施例により本発明を説明する。 ［００１８］ 実施例１ 図１に本発明マイクロ波回路の実施例を示す。（Ａ）は
基板上面からみた図、（Ｂ）はＡ−Ａ’での断面図を示
す。図５の従来例の回路パターンにおいて導体１１−１
２で構成される第１のコプレナ線路の上部に比誘電率ε
の誘電体１４を形成した構成となっている。この実施例
においては、誘電体１４の厚みは基板１３と同程度、幅
は２　（２Ｇ＋Ｗ）程度である。この回路パターンの等
何回路は図６と同じである。誘電体１４の厚みは充分厚
いので、誘電体外部への電磁界は無視できる。この場合
の、線路の特性インピーダンスと実効比誘電率を近似計
算した結果を図２に示す。ここで、中心導体１１の幅Ｗ
＝　０　、　１　ｍｍ、中心導体１１と外導体１２の間
隔Ｇ＝０．７ｍｍ、基板１３の比誘電率は９．７である
。横幅は誘電体１４の比誘電率ε　、縦軸は該線路の実
効比誘電率ε　　および特性イｒ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　ｅｆｆゝンピーダンスＺｏであ
る。図２に示す様に、誘電体の比誘電率によって、特性
インピーダンス及び実効比誘電率を変化させることがで
きる。 ［００１９］ ここで、図２より、比誘電率ε　に対する特性インピー
ダンスＺｏおよび実効比誘電率ε８７．との関係は、近
似的に直線関係にあるので、（３）、　　（４）式の様
に表すことができる。 ［００２０１

【数３】 ［００２１］

【数４】 Ｅｅｆｆ（′：””ｂｌ！：＋Ｅｅｆｆｌ）−ｂ　　　
・＝（４）ｒ　　　　　　　　　　ｒ ［００２２］ ここで、ａ、ｂは直線の傾き、Ｚｏｏは誘電体を積層し
ない場合の特性インピーダンスＺ。（１）　　ε８８．
。は誘電体を積層しない場合の実効比誘電率εｅｆｆ（
１）である。（３）　　　（４）式を（２）式へ代入す
ることにより、次式（５）を得る［００２３］

【数５】 ［００２４］ 図２の値を（５）式へ代入することにより、誘電体１４
として、比誘電率ε。 が１から９まで種々の誘電体を用いた時に、インダクタ
ンス値しは、ε　＝４゜９の時最大となり、 Ｌ　（４，９）／　（０）＝１．０３２となる。すなわ
ち、伝送線路特性測定後、適当な誘電体を線路１１−１
２の上部に形成することにより、最大＋３％のインダク
タンス値の調整ができる。この、調整できる値の範囲は
基板の誘電率、線路の寸法Ｗ、Ｇ、ｌ、および、誘電体
１４の厚みによって異なる。 ［００２５］ 実施例２ 図３は本発明マイクロ波発振器の実施例を示す図である
。（Ａ）は基板上面がらみた図、（Ｂ）はＡ−Ａ’での
断面図を示す。３８はＦＥＴのチップ、３１はＦＥＴの
ゲート電極と接続された第１のコプレナ線路の中心導体
、３５はＦＥＴのドレイン電極と接続された第２のコプ
レナ線路の中心導体、３７はＦＥＴのソース電極に接続
された第３のコプレナ線路の中心導体、３２はコプレナ
線路の外導体、３９は金属パターンがコプレナ線路とし
て動作するようにコプレナ線路の外導体を同電位に保つ
ためのワイヤー、４０はＦＥＴのドレイン電極と導体３
５を接続するためのワイヤー　４１はＦＥＴのソース電
極と導体３７を接続するなめのワイヤー、４２はＦＥＴ
のデート電極と導体３１を接続するためのワイヤー３３
は基板である。そして第３のコプレナ線路の上部に比誘
電率εの誘電体３４が形成されている。誘電体３４の厚
みは基板３３と同程度で、幅は２（２Ｇ＋Ｗ）程度であ
る。 ［００２６］ 図４は、このマイクロ波発振器の等価回路図である。５
１はＦＥＴでＦＥＴ３８に対応し、５２はインダクタで
３１−３２で構成される第１のコプレナ線路に対応し、
５３は先端開放の１７４波長共振線路からなる共振器で
３７−３２で構成される第３のコプレナ線路に対応し、
５５は出力用の伝送線路で３５−３２で構成される第２
のコプレナ線路に対応している。ＦＥＴ５１のゲート電
極にインダクタ５２を接続することにより負性抵抗が形
成され、共振器５３とともに発振器が構成されている。 尚、直流回路及びバイアス供給用のパターンは簡単のな
めに省略している。 ［００２７］ 本実施例の誘電体３４の厚みは充分厚いので誘電体外部
への電磁界は無視でき実施例１と同様、線路の特性イン
ピーダンスＺ。と実効比誘電率εｅｆｆの近似計算結果
は図２のようになる。 ここで、中心導体３７の幅Ｗ＝０．１ｍｍ、中心導体３
７と外導体３２の間隔Ｇ＝０．７ｍｍ、基板３３の比誘
電率は９．７である。 ［００２８］ 図２より、誘電体の比誘電率ε　と実効比誘電率ε８７
．の関係は、実施例１で示したと同様（４）式のように
なる。 ［００２９］ さて、実施例１では誘電体１４の誘電率の温度係数は考
慮しなかったが、本実施例では誘電体３４の誘電率の温
度係数を積極的に取り入れる。誘電体３４の誘電率の温
度係数をｋ（１／’Ｃ）とすると、温度ｔでの実効比誘
電率εｅｆｆ（ｔ）は（４）式から温度ｔ　での実効比
誘電率εｅｆｆ（ｔＯ）を用いて（６）式のように表せ
る。 ［００３０］

【数６】 ［００３１］ 一方、共振器５３の共振周波数ｆ。は の長さである。 ［００３２］ （７）式のように表せる。 ■。は導体３７

【数７】 ［００３３］ （６）式、（７）式より共振周波数ｆ。の温度係数に′
は （８）式のようにな る。 ［００３４］ （数Ｂ１に’　＝ｆｏ（ｔ）ｆｏ　（ｔｏ）ｆｏ　（ｔ
ｏ　）　　Δｔ ［００３５］ そして、一般にａｋΔｔ／εｅｆｆ（ｔｏ）のように表
せる。 ［００３６］ （１であるので、 結局に は （９）式

【９】 ％式％］ 以上の関係から、例えば本実施例において温度ｔでの誘
電率がεｒ（ｔｏ）＝５、誘電率の温度係数かに＝　１
０　（ｐｐｍ７℃）の誘電体３４を用いれば、共振器５
３の共振周波数ｆｏの温度係数に′はｋ　’　＝−０，
４（ｐｐｍ／’Ｃ）となる。 このように誘電体３４の誘電率、温度係数、厚み等の形
状により、共振器の共振周波数の温度係数が決まる。そ
こで、誘電体３４を形成しない回路を作成後、この回路
の発振周波数の温度特性を測定し、この測定値よりＦＥ
Ｔ３８を含んだ負性抵抗回路の温度特性を計算して求め
、この温度特性を打ち消して常に一定周波数で発振条件
を満たすための共振器５３の共振周波数の温度係数を計
算により求める。そして、誘電体の誘電率と厚みを基本
となる発振条件に合わせて決め、上記（９）式を用いて
ポツティングする誘電体の誘電率の温度係数を決定し、
これらを満たす材料を選んでポツティングにより誘電体
３４を形成する。これにより、温度安定性の高いマイク
ロ波発振器が完成する。 ［００３８］

【発明の効果】

本発明のマイクロ波回路によれば、線路の物理的寸法、
すなわち基板厚、線路幅、線路間隔等を変えることなく
、伝送線路の特性を変えることができるので、回路作成
後に容易に回路特性の微調整が可能となる。さらに、適
当な温度係数の誘電体を用いることにより、能動素子の
温度による特性の変化を打ち消すような、温度安定性の
高い回路を作ることもできる。 ［００３９］ 特に、本発明のマイクロ波発振器によれば、共振器を構
成するマイクロ波伝送線路上に、適当な誘電率と厚み等
の形状、さらに適当な温度係数を有する誘電体を形成す
ることで、発振周波数の変動が小さい温度安定性の高い
マイクロ波発振器を作製できる。 ［００４０］ また、本発明によれば、回路作製後に回路の特性を測定
した後ポツティングにより誘電体を形成できるので、作
製に自由度があると共に作製が容易であり、必要となる
場所にのみ誘電体を容易に形成できるので、例えば、基
板上に２種類の発振器回路があり、それぞれの温度係数
が異なるときでも、それぞれの共振器に別々の誘電体を
ポツティングして容易に特性を調整できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明マイクロ波回路の実施例を示す図である。

【図２】 線路の特性インピーダンスと実効比誘電率を近似計算し
た結果を示す図である

【図３】 本発明マイクロ波発振器の実施例を示す図である。

【図４】 実施例２のマイクロ波発振器の等価回路図である。

【図５】 従来のマイクロ波回路パターンを示す図である。

【図６】 従来のマイクロ波回路パターンの等価回路図である。

【符号の説明】

１１　　　　　コプレナ線路の中心導体１２．３２　　
　コプレナ線路の外導体１３゜ ５１゜ ５５゜ 基板 誘電体 誘電体 コプレナ線路の中心導体 ＥＴ インダクタ 共振器 伝送線路 インダクタ キャパシタ １は平４−３０６０４　（１２）

【書類基】

図面

【図１】

【図２】 特開平４−３ｏｅｏ４（１４）

【図４】

【図５１ 【図６】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】伝送線路基板上の一部に厚い誘電体が形成
   され、該誘電体の物理定数により回路特性が調整制御さ
   れていることを特徴とするマイクロ波回路。
2. 【請求項２】電磁界が基板の上面または上下面の空間中
   に存在する構造のマイクロ波伝送線路を共振器として用
   いたマイクロ波発振器であって、上記共振器を構成する
   マイクロ波伝送線路上の上記電磁界の存在する空間部分
   に所定の温度係数の誘電率を有する厚い誘電体が形成さ
   れて、温度変化に伴い、上記共振器の特性がマイクロ波
   発振器を構成する他の回路の特性の温度変化に合わせて
   変化する構成となっていることを特徴とするマイクロ波
   発振器。