JPH04348602A - 共振器及び共振器を動作させるための方法 - 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】本発明は共振器に関し、特に共振
器が、テブナン等価同調回路として所望のモードで動作
するような態様で、多数の容量性素子と分布インダクタ
ンスとから成る該共振器への結合を可能にする結合構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】単一の容量性素子の電力取扱い能力は電
力消費、電圧破壊、又は特にバラクタの場合は印加され
るＲＦ電圧に因る過度のキャパシタンスひずみによって
制約されることがある。多くの共振器では多重容量性素
子を単一のテブナン等価コンデンサへと結合して電力取
扱い能力を高めることが望ましい。容量性素子とは個別
（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）コンデンサ、電圧可変コンデンサ
、基板上にエッチングされたコンデンサ又はそれらの組
合せを意味することに留意されたい。高周波共振器では
、幾つかのコンデンサを単一の個別インダクタと接続す
ることは困難である。一般的な解決策は幾つかのコンデ
ンサを分布インダクタンスに接続することである。

【０００３】このような分布インダクタの論理構造の一
つは図１に示すような短絡同軸線である。端板１０が一
端で外部導体１４と内部導体１２とを短絡させる。コン
デンサ１６は他端で外部導体と内部導体とを結合する。 短絡された同軸共振器の利点は共振器のインダクタンス
に影響を及ぼすことなく所望の数の径方向に接続された
コンデンサを収納するのに必要なだけ導体間の間隔を大
きくできることである。短絡された同軸線のインダクタ
ンスは次の方程式で表すことができる。 Ｌ＝（Ｚμ／２π）＊ｌｎ（ｂ／ａ） ここに、Ｚは線の長さ、μは自由空間の磁気透磁率、ｂ
は線の外部導体の半径、又、ａは線の内部導体の半径で
ある。インダクタンスは外部と内部の導体の半径比の関
数であり、短絡された同軸線の直径の絶対値には左右さ
れない。

【０００４】分布共振器は全て多くの異なる周波数で共
振する。所望の共振モードを支配的なモードとして確立
することは例えば幾つかの周波数で動作される発振器の
ような用途では重要である。所望の共振モードは図２ａ
及び２ｂに示すように短絡された同軸線の軸方向の横磁
気波（ＴＭ）である。磁界線は波の伝播方向に対して垂
直（横向き）である。電界線は径方向に対称であり、共
振器の任意の横断面で大きさと符号が等しい。電界線が
対称であるので、各々の径方向コンデンサの脚部は共振
器電力の等しい分配を受ける。

【０００５】この共振器はある側面では有利であるが、
別の側面では欠点がある。共振器はその性質上、分布回
路素子であるので、一般に分布結合技術が利用される。 このような技術には、例えば電磁界を共振構造に伝播さ
せる（米国特許明細書第３，７３５，２８６号に開示さ
れているような）結合ループ、電極又は探針によって共
振器に電磁的に結合することが含まれている。このよう
な結合技術はテブナン等価共振器への高度な結合を必要
とするある種の用途では欠点がある。

【０００６】短絡された同軸共振器への結合の第２の欠
点は所望の共振モードを確立することが困難な点である
。一般的な結合記述は幾つかの異なる共振モードを励振
するとがある。不都合なモードの一つは図３ａ及び３ｂ
に示すようなＴＥ波モードである。電界は波の伝播方向
に対して垂直（横方向）であり、どの横断面でも電界は
径方向に分布されない。この波によってコンデンサには
共振器電力が不均一に分割される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、個別
型回路の結合が簡単で、かつ、所望の共振モードを確立
することのできる分布共振器を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の好ましい実施例
に従って、これらの欠点は多重コンデンサ、短絡同軸共
振器への結合ポートを設けることによって解決される。 このポートは第１の短絡同軸線の端にわたって第２の短
絡同軸線を付加することによって形成される。線の外部
導体は相互に接続される。第２の線の内部導体はワイヤ
、円筒状素子又はコイルのようなリアクタンス素子で良
い。第２の線の外部導体は円筒状の、又は製造を容易に
するため六角形のカンのような類似の形状のカンで良い
。２本の線の内部導体は直列に結合され、その全長に沿
って、又は端部で、そこに個別型回路を接続できる結合
用ギャップを形成する。本発明の好ましい実施例では、
個別型回路は回路に電磁シールドを供給するために片方
の内部導体の周囲内領域に配置される。共振器と結合器
との径方向の対称性を保持することにより、支配的な共
振モードはＴＭ波となる。結合ポートは個別型回路に、
短絡同軸線のインダクタンスと、並列な対称脚部のキャ
パシタンスとの合計から成るテブナン等価同調回路をも
たらす。

【０００９】

【実施例】図４を参照すると、本発明の一実施例に基づ
く共振器２２は２本の短絡同軸線２４及び２６を有して
いる。第１の線２４は外部導体３０内に同軸に配置され
た内部導体２８を備えている。これらの双方の導体はそ
の第１端３２、３４で第１の導電性端部材３６に接続さ
れている。これらの導体は端部材３６から延びて、第２
端３８、４０のそれぞれにて終端している。

【００１０】第２の短絡同軸線２６は第２の外部導体４
４内に同軸に配置された第２の内部導体４２を備えてい
る。これらの導体はその第１端４６、４８で第２の導電
性端部材５０に接続され、そこから延び、第２端５２、
５４でそれぞれ終端している。（好ましい実施例では第
２の外部導体４４の直径は第１の外部導体３０の直径よ
りも大きいが、別の実施例ではこれらの直径の関係が異
なる場合もある。）第１及び第２の短絡同軸線２４、２
６の外部導体はその第２端４０、５４で接続されている
。内部導体の第２端３８、５２は互いに接近しているが
、相互接続はしない。代わりに、両者はギャップ５６を
形成し、そこに個別型回路が接続可能であり、共振器へ
の単一点結合ができるようにされている。

【００１１】図５及び図６はプリント回路基板共振器５
６を示し、個別型回路が結合ギャップ５６にわたって接
続可能である構成例の一つを示している。この共振器で
は、第１の短絡同軸線２４は第１と第２の表面６２、６
４を有する厚さ０．０６２インチのＦＲ４回路基板６０
を備えている。この基板を貫通して内部導体７０の周囲
を形成する第１の複数個のメッキされたバイア（ｖｉａ
）６８と、外部導体７４の周囲を形成する第２の複数個
のメッキされたバイア７２とが延びている。第２の表面
は内部導体７０と外部導体７４の表面との間で銅６６で
メッキされている。各々のバイアは基板の第２の表面６
４上で金属６６と接続されている。第１の複数個のバイ
ア６８は他端で基板の第１の表面上の環状金属トレース
７６に接続され、第２の複数個のバイア７２は他端で環
状金属トレース７８に接続されている。トレース７６は
内部導体の端を形成し、トレース７８は外部導体の端を
形成する。

【００１２】これまで説明してきた構造は図４の共振器
の第１の短絡同軸線２４の端板３６及び第１の内部及び
外部導体２８、３０に対応する。基板の第２の表面上の
金属メッキ６６は端板として機能する。同心の内部及び
外部導体はメッキされたバイアとそれらが終端する金属
トレースとによって形成されたケージ状の有限素子構造
である。この場合は第１の短絡同軸線は図４の共振器２
２で使用されている空気誘電体とは異なりＦＲ４誘電体
を有していることが理解されよう。この第１の同軸線の
直線長さは僅か０．０６２インチであり、これは回路基
板の厚さと等しい。

【００１３】共振器５８は基板の第１の表面６２上に配
置された折り返し（ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ）バラク
タ８０のような複数個の電圧可変キャパシタンス素子に
よって同調される。各々が約６から３０ピコファラッド
のキャパシタンス範囲を有する図示したバラクタは、内
部と外部の導体端部７６と７８を（大型のバイパス・コ
ンデンサ８５を介して）結合する機能を有している。第
１の金属回路基板のトレース８２はバラクタの折り返し
陽極を相互接続して共通の粗同調端子を提供する。第２
の金属回路基板トレース８３は外部導体に最も近接した
バラクタの陰極を相互に接続して、共通の微同調端子を
提供する。これらの陰極はコンデンサ８５によって外部
導体７４の端を形成するトレース７８に接続されている
。一実施例では、プリント回路基板は多層板であり、同
調トレース８２、８３への外部の接続は基板の中間層の
一つの上に形成される。

【００１４】第２の短絡同軸線２６（図６）は導電性カ
ン８４と内部導体８６とから成っている。このカンはこ
の第２の同軸線の外部導体として機能する円筒状の側壁
８８を備え、更に平坦な端壁９０を備えている。円筒状
の側壁はその周囲９２で第１の線の外部導体の端部を形
成する金属トレース７８に接続されている。内部導体８
６はこのカンにより形成される空間内に配置されている
。導体８６は端壁９０の中央部９６に接続された第１端
９４と、第１の内部導体７０の周囲の内側で回路基板の
第１表面上の金属パッド１００に接続する第２端９８と
を有している。パッド１００とトレース７６は共に共振
器の結合ポート１０２を形成する。共振器への結合はこ
れらのポイント間に個別型回路を接続することによって
行われる。

【００１５】図示した回路基板共振器５８では、個別型
回路はＮＥＣ２１９３５発振器トランジスタ１０４であ
り、そのベース端子１０６はパット１００に接続され、
そのエミッタ端子１０７（図７）は０．１マイクロファ
ラッドの結合コンデンサ１０８を介して内部導体トレー
ス７６に結合されている。エミッタのバイアス電流源は
中間層上のトレースを介して外部接続されている。トラ
ンジスタのコレクタ端子１１０はパッド１１２に接続さ
れ、そこから１２０オームの電力抵抗１１４が共振器の
外側へと延び、そこで共振器はバイアス回路／バッファ
増幅器１１６に固定されている。発振器の概略図は図７
に示してある。導体８６は多くの形式のものが可能であ
るが、図示した実施例ではトランジスタ１０４のベース
をＲＦアースから絶縁する２０ナノヘンリーのコイル状
に巻かれた直径が小さい導体である。

【００１６】共振器のアースは第１短絡線の外部導体の
径方向に分布されているので、トランジスタのベースが
アースされるアースも同様に径方向に分布されなければ
ならない。このような径方向に分布されたベース・アー
スは第２短絡同軸線の内部導体８６をカン８４の中心に
接続することによって達成される。この結合方法によっ
て共振器の支配的な共振モードがＴＭ波であることが保
証される。図示した発振器は約５００−１０００ＭＨＺ
の周波数範囲で動作する。テブナン等価同調回路は約０
．６ナノヘンリーのインダクタンス１１８（図７）を有
している。このインダクタンスは前述の方程式（１）で
表されるとおり、第１短絡同軸線の寸法の関数である。

【００１７】図示した構成によって従来の技術と比較し
て多くの利点が得られる。その主なものは、共振器が個
別型回路を結合できる単一点結合ポートを備えたことで
ある。このポートでの結合によって分布共振器はテブナ
ン等価ＬＣ回路に変換される。このような構成によって
更に不要な共振を抑制しつつ、所望のＴＭ共振モードが
励振される。図示した結合構造によって更に個別型回路
を２本の短絡同軸線のうちの一つの内部導体内に配置す
ることによって、前記回路をシールドすることができ、
共振器の電磁界はこれらの線の内部と外部の導体の間に
限定され、空洞を形成し、これを囲む導電性の壁によっ
て外部の電磁界が排除される。

【００１８】図示した共振器５８は発振器の同調素子と
して利用されると、従来の発振器よりも２０ｄＢ低い発
振器位相ノイズしか発生しない。このような改善は共振
器の電力取扱能力が高まったためである。共振器の電力
が低いと発振器のノイズ・レベルが高まる。バラクタ同
調キャパシタンス内の電力が大きすぎると、キャパシタ
ンス歪みにより過度のＡＭ−ＦＭノイズ変換が生ずる。 分布共振器は電力が幾つかの低電力部品間で配分される
ので、個別型共振器よりも多くの電力を処理することが
できる。

【００１９】本発明の原理を好ましい実施例に基づいて
、図示し、説明してきたが、本発明はこのような原理か
ら逸脱することなく構成と細部を修正できることは明白
であろう。例えば、本発明はバラクタ同調の短絡同軸共
振器に関連して説明してきたが、その原理は多様な他の
共振器構成にも同様に応用できる。更に、本発明は結合
ギャップが内部空洞導体に最も近接した第２内部導体の
端部に形成される実施例について説明してきたが、別の
実施例では、ギャップは導体の他端、すなわちコイルの
端９４と端壁９０の中央領域９６の間に形成してもよい
。このような実施態様によって結合ポートは必要ならば
図８に示すように共振器の外側からアクセスすることが
できる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、個別型回路を簡単に結合することができると
ともに、不要な共振モードを抑制して所望の共振モード
を励振させることができる。また該個別型回路をシール
ドすることができ、さらに、発振器の同調素子として利
用したときに、発振器位相ノイズを大幅に低減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の短絡同軸共振器の断面図である。

【図２】同軸共振器における横磁気波を示す図である。

【図３】同軸共振器における横電気波を示す図である。

【図４】本発明の一実施例による短絡同軸共振器の簡略
断面図である。

【図５】本発明の一実施例によるプリント回路基板共振
器に使用されるプリント回路基板の上面図である。

【図６】図５の線６−６における断面図である。

【図７】本発明による共振器が用いられる発振器の概略
図である。

【図８】本発明の別の実施例を示す図である。

【符号の説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、前記基板を貫通し、空洞内部導体
   を形成する相互接続された第１の複数の導電性バイアと
   、前記基板を貫通し、空洞外部導体を形成する相互接続
   された第２の複数の導電性バイアと、前記基板の第２面
   において前記内部導体と前記外部導体とを接続する導電
   部材と、前記基板の第１面において前記内部導体と前記
   外部導体とを結合する複数の容量性素子と、前記基板の
   第１面において前記外部導体にその周囲が接続し、該第
   １面を電気的に遮蔽する導電性カン部材と、前記導電性
   カン部材の中央部にその第１端が結合し、前記内部導体
   の周辺にその第２端が結合する誘導性導体と、を備えて
   成る共振器。