JPH06244636A - プッシュプッシュ式リング状共振器を備えた発振器 - Google Patents

プッシュプッシュ式リング状共振器を備えた発振器

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JPH06244636A
JPH06244636A JP5303256A JP30325693A JPH06244636A JP H06244636 A JPH06244636 A JP H06244636A JP 5303256 A JP5303256 A JP 5303256A JP 30325693 A JP30325693 A JP 30325693A JP H06244636 A JPH06244636 A JP H06244636A
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resonator
oscillator means
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push
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JP5303256A
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Slawomir J Fiedziuszko
スラウォミル・ジェイ・フィエジュスコ
John A Curtis
ジョン・エイ・カーティス
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Original Assignee
Space Systems Loral LLC
Loral Space Systems Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 自動化された大量生産を可能にし、かつ高度
な周波数安定を提供する発振器回路を提供することであ
る。 【構成】 本発明のプッシュプッシュ式マイクロ波発振
器１０は、トランジスタ１６及び２８と該トランジスタ
の端子から延長する伝送線路とから構成される二つのブ
ランチ発振器１２及び１４と、環状の超伝導体材料から
成り二つのブランチ発振器１２及び１４の発振の位相同
期をとる共振器３６とを有し、マイクロストリップもし
くはストリップライン形式で構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロストリップも
しくはストリップライン形式で構成されるプッシュプッ
シュ式発振器回路に関し、さらに特定すると、超伝導体
材料製の共通のリング状共振器によって安定化される二
つの能動ブランチをもつプッシュプッシュ式マイクロ波
発振器回路に関する。
【０００２】
【従来技術と解決課題】プッシュプッシュ式マイクロ波
発振器は、二つの能動ブランチから構成される。各能動
ブランチは、能動素子と複数の伝送線路セクションと、
さらに何らかの形状の共振器とを有する。この何らかの
形状を持つ共振器が、二つのブランチの発振を位相同期
して安定な出力信号を発生させる。Pavio, Jr.他の米国
特許第4,763,084 号に開示されたこのような回路の一つ
は、誘電体製の円形ディスクを採用して二つのブランチ
のための共通共振器として機能する。誘電共振器により
安定化させる発振器（ＤＲＯ’ｓ）は、また、季刊誌「A
PPLIED MICROWAVE」 の１９９０年春号の６９〜８０頁に
Chen Y. Ho他による”DRO State of the Art" と題する
論文に記載されている。誘電共振器は、マイクロ波周波
数で使用するために特別に準備されるセラミック材料か
ら構成されて、その後発振器回路内部へ装備され、伝送
線路の近くに正確に位置付けられて、所望の量の結合を
提供して発振器の周波数を安定させる。
【０００３】問題は、上記の型の発振器回路が衛星通信
システムのような正確な信号処理応用に所望できる程度
の高度な周波数安定を提供しないということにある。さ
らなる問題は、上述の型の共振器が発振器回路と別個に
製造されねばならないことと、ストリップラインもしく
はマイクロストリップ式回路の要素のものより大きい厚
さをもつことの二つの理由が、発振器回路の大量の自動
化生産を難しくしているということである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】二つの発振器ブランチの
発振器回路の構成によって上記問題は解決され、他の利
点も提供される。二つの発振器ブランチは、共通の共振
器を使用してプッシュプッシュ形式で共に結合される。
本発明により、共通の共振器は、リング状もしくは環状
の形状を持ち、超伝導体材料のフィルムから製造され
る。超伝導体材料は、発振器の他の構成要素とともにホ
トリソグラフ技術の製造手順によって構成できる。これ
により、発振周波数の正確な制御を保証しながら共振器
を正確に位置付けかつ形成して大量の発振器の自動化組
立が可能となる。発振器は、ストリップラインもしくは
マイクロストリップ形式、あるいは所望であればスロッ
トラインのような別の形式で構成できる。
【０００５】共振器の構成の例として、適当な超伝導体
材料は、イットリウム−バリウム−酸化銅（ＹＢＣＯ）
である。このＹＢＣＯは、９０Ｋより低いもしくは同一
の温度でも超伝導モードで電流を導通するように動作す
る。発振器周波数を安定化する際の精度の向上は、超伝
導材料の特性に基づいている。このとき、マイクロ波に
対する材料表面の抵抗は、周波数の増加分の平方に比例
して増加する。Ｑ値は、ほぼ一桁の大きさによって改善
される。発振は、二つのブランチの発振器によって発生
され、二つのブランチを共通の共振器に電磁的に結合す
ることによって位相同期がとられる。プッシュプッシュ
形式は、発振器の高次調波要素の抽出を可能にする。こ
の発振器は、上記の周波数の平方された関係の故に、位
相ノイズ特性の顕著な改善を提供する。基本発振周波数
とその奇数倍での発振信号はプッシュプッシュ形式の二
つのブランチの間の逆位相の関係によって打ち消し合う
が、基本発振周波数の偶数倍での発振信号は同位相の関
係にあって共に合計されて発振器により出力される。
【０００６】
【実施例】図１及び２によれば、プッシュプッシュ発振
器１０は、本発明に従って構成されており、二つのブラ
ンチ１２及び１４を含んでいる。これらのブランチそれ
ぞれが、発振器として構成される。第一ブランチ１２の
発振器は、電界効果トランジスタあるいはバイポーラ結
合トランジスタのいずれでもよいトランジスタ１６を有
する。本発明の好ましい実施例では電界効果トランジス
タが採用されており、図１にこれを図示している。例と
して、トランジスタ１６は、９０Ｋのような低温で機能
するようにガリウム砒素から製造できる。トランジスタ
１６は、ソース、ドレイン及びゲートを含んでいる。こ
れら各端子は、図１において文字Ｓ、Ｄ及びＧで指示さ
れる。
【０００７】三つの伝送線路１８、２０及び２２は、ト
ランジスタ１６のソース端子、ドレイン端子及びゲート
端子にそれぞれ接続されている。図２に図示されるよう
に、伝送線路２２は、マイクロストリップ構造で誘電層
２４の上面に配置される。金属シート２６の形式のグラ
ンドプレーンは、誘電層２４の底面に接して配置され
る。マイクロストリップ構造の構成の例として、シート
２６は、銅もしくはアルミニウムから製造できる。誘電
層２４は、セラミックとアルミナとから形成できる。そ
の他の伝送線路１８及び２０もマイクロストリップ構造
形式で層２４上に同様に配置される。
【０００８】第二ブランチ１４の発振器は、第一ブラン
チ１２の発振器と同様の形式で構成されており、トラン
ジスタ２８と三つの伝送線路３０、３２及び３４とを有
する。トランジスタ２８はトランジスタ１６と同一であ
り、伝送線路３０、３２及び３４は、トランジスタ２８
のソース端子、ドレイン端子及びゲート端子にそれぞれ
接続されていて、第一ブランチ１２の対応する伝送線路
１８、２０及び２２と同一の長さ及び特性インピーダン
スをもつ。図２に図示するように、伝送線路３４は、誘
電層２４の上面に配置されて、伝送線路２２のようにマ
イクロストリップ構造の一部を形成する。伝送線路３０
及び３２も同様にマイクロストリップ構造の一部を形成
する。
【０００９】本発明によれば、共通の共振器３６は、発
振器１０の二つのブランチ１２及び１４によって共有さ
れ、そしてリング状もしくは環状の超伝導体材料で構成
される。共振器３６の構造の例として適当な超伝導体材
料は、イットリウム−バリウム−酸化銅（ＹＢＣＯ）で
ある。イットリウム−バリウム−酸化銅（ＹＢＣＯ）
は、９０Ｋより低いあるいは同一の温度でも超電導モー
ドで電流を導通するように機能する。所望であれば、共
振器３６を構成するに際し、酸化銅と、ビスマスもしく
はタリウムのような他の稀土類金属と、バリウムの代わ
りのストロンチウムとの化合物のような同様の超伝導体
材料も採用できる。図２で磁力線Ｈと電気力線Ｅで指示
されるような、伝送線路２２及び３４を囲む電磁界は、
共振器３６をリンクして共振器３６と伝送線路２２及び
３４との間に電磁結合を提供する。ブランチ１２及び１
４の発振器の発振により生じる伝送線路２２及び３４内
の振動電磁界は、矢印３８で指示される電流を誘導す
る。この電流は、共振器３６のリングについて交流形式
で循環する。
【００１０】ブランチ１２及び１４の発振器は、伝送線
路１８及び３０によって同調されて同一の周波数で共振
する。これは、基本モードの発振での波長の１／４にほ
ぼ等しい伝送線路１８及び３０の電気的長さを作ること
によって達成される。しかしながら、伝送線路２２及び
３４のそれぞれに隣接する共振器の部分での反対方向の
電流を考えると、ブランチ１２及び１４の発振には、互
いに１８０度の位相のずれがある。伝送線路１８及び３
０の長さの選定と、トランジスタ１６及び２８のゲート
端子Ｇから伝送線路２２及び３４に沿った方向と共振器
３６との距離の選定とは、上述した米国特許第4,763,08
4 号に開示される手順に従う方法で達成される。例とし
て、共振器３６の外径は、発振周波数５ＧＨｚに対して
５．０８ｍｍ（0.200inch)の長さを持つ。周波数が高く
なるほど、共振器は小型になるので、例えば、２５ＧＨ
ｚの周波数であれば、ほぼ１．０１６ｍｍ(0.040inch)
である。共振器３６の内径は、外形のほぼ８０〜８５％
の範囲である。これらの寸法は、上述したアルミナ基板
に使用され、異なる比誘電率の基板材料ごとに異なる。
【００１１】発振器１０の動作において、二つのブラン
チ１２及び１４の貢献は、電力結合器４０で結合され
て、結合された電力をインピーダンスＺL をもつ負荷４
２へ出力する。この負荷４２は、反射を抑制して電力転
送を最大にする整合された負荷であるのが好ましい。電
力結合器４０は、伝送線路２０及び３２を含み、さらに
第三の伝送線路４４を有する。この伝送線路４４は、伝
送線路２０及び３２と相互作用して二つのブランチ１２
及び１４により出力される信号を合計する。ブランチ１
２及び１４の各々において、発振器は、基本モードの発
振と、基本周波数の高次調波とを発生するように動作す
る。二つのブランチ１２及び１４の基本周波数での発振
が互いに位相がずれているという事実の故に、二つの信
号は打ち消し合って基本周波数の発振では零出力を発生
する。しかしながら、基本周波数の二倍である第一調波
では、二つのブランチ１２及び１４の信号は、同位相で
あり電力結合器４０で合わさって有用な電力出力を負荷
４２に供給する。
【００１２】伝送線路２２及び３４は、抵抗４６及び４
８によってそれぞれ終端する。これらの抵抗４６及び４
８は、典型的な数値が５０Ωの整合負荷を伝送線路２２
及び３４に提供する。トランジスタ１６及び２８の端子
に直流バイアスをかけるために、伝送線路２２及び３４
は、コンデンサ５０及び５２を介して抵抗４６及び４８
と接続されて抵抗４６及び４８からの直流をブロックす
る。バイアス供給回路５４及び５６は、バイアス電圧を
トランジスタ１６及び２８それぞれのゲート端子Ｇにか
ける。バイアス回路５４において、抵抗５８とコイル６
０は、電力供給源の端子ＶG とトランジスタ１６のゲー
ト端子Ｇとの間に直列に接続されている。コンデンサ６
２は、グランドから抵抗５８とコイル６０との結合点ま
でを接続する。コイル６０は、チョークコイルとして作
動して発振信号が電力供給源に達するのを阻止する。コ
ンデンサは、いくらかの発振信号をグランドへ分岐させ
る。このバイアス回路は、例として提供されたものであ
り、他の形式のバイアス回路が採用されてもよいことは
理解されるだろう。
【００１３】バイアス回路５６は、バイアス回路５４と
同一様式で構成されて動作し、電力供給源の端子ＶG と
トランジスタ２８のゲート端子Ｇとの間に直列に接続さ
れる抵抗６４とコイル６６とを含んでいる。コンデンサ
６８は、グランドから抵抗６４とコイル６６との結合点
までを接続する。トランジスタ１６及び１８のソース端
子Ｓは、伝送線路１８及び３０を介して接地される。ト
ランジスタ１６及び１８のドレイン端子Ｄのバイアス
は、電力結合器４０を使用することによって達成され
る。伝送線路４４は、直流をブロックするコンデンサ７
０を介して負荷４２に接続される。バイアス供給回路７
２は、ドレイン電力供給源の端子ＶD と電力結合器４０
との間を接続してバイアス電流をドレイン端子Ｄに供給
する。バイアス回路７２は、バイアス回路５４と同一様
式で構成されて動作し、電力供給源の端子ＶD と結合器
４０との間に直列に接続される抵抗７４とコイル７６と
を含んでいる。コンデンサ７８は、グランドから抵抗７
４とコイル７６との結合点までを接続する。
【００１４】所望であれば、発振器１０は、図３に図示
されるようなストリップライン形式で構成することもで
きる。これは、共振器３６と伝送線路２２及び３４との
上面に追加的な誘電層８０を配置し、かつ上面金属シー
ト８２が第二グランドプレーンとして働くように誘電層
８０の上面に配置されることによって達成される。誘電
層８０は層２４と同一材料から形成され、シート８２は
シート２６と同一材料から形成される。本発明の両実施
例において、共振器３６は、同一の平面環状形状であ
る。
【００１５】本発明の両実施例において、共振器３６と
グランドプレーン（すなわち、金属シート２６（図２）
の単一のグランドプレーンあるいはシート２６及び８２
（図３）の二つのグランドプレーン）との間には０．６
３５ｍｍ(0.025inch) の間隔がある。所望であれば、層
２４及び８０は、アルミン酸ランタンから製造されても
良い。この場合、上記間隔は０．５０８ｍｍ(0.020inc
h) に短くしても良い。アルミナ製の誘電層２４に関し
て、所望であれば、共振器３６と接する誘電層２４の中
央部８４（図２）は、他の誘電体、特に、比誘電率２５
をもつアルミン酸ランタンと取り替えることができる。
これは、アルミナの比誘電率より高く、共振器３６で共
振する電磁放射の波長を短くすることによって共振器３
６の直径の対応する短縮を可能にする。アルミン酸ラン
タンの中央部への挿入によって、両層２４及び８０（図
３）における対応する変更ができる。共振器３６の環の
厚さの代表的な値は、約１２．７ｍｍ(500microinch)で
ある。発振器１０は、温度制御されるチャンバ内で保持
されて、共振器３６の超伝導体材料が動作するために必
要な温度約９０Ｋを提供する。本発明は、より高い周波
数安定性と、低い位相ノイズと、小さい大きさ及び質
量、その上、低い生産コストと、同一の周波数で動作す
る同一発振器の大量生産を可能にするホトリソグラフ技
術の利点とを提供する。
【００１６】本発明の別の実施例として、前述した相対
的に厚いセラミック要素の誘電共振器の代わりに相対的
に薄いマイクロストリップ型共振器を使用することによ
り安定化される発振器の本発明の特徴が、図４〜７に図
示するような種々の形状のマイクロストリップ型共振器
で達成できることは注目される。図４は、伝送線路２２
及び３４の間に配置されるリング形状の共振器３６を図
示している。この共振器は、図１で先に記述されたもの
で、図５〜７の共振器と比較を用意にするために並べて
図示した。図５は周囲が円形で中身の詰まったディスク
型共振器を図示し、他方図６には周囲が矩形のディスク
型共振器が図示されている。図７は、方形のリング状共
振器を図示する。種々の実施例に対する動作原理は同一
である。例えば、伝送線路に垂直な矩形共振器（図６）
の横方向の寸法は、１／２波長である。
【００１７】上述した本発明の実施例は、例示しただけ
であって、種々の修正が行なえ得ることは当業者であれ
ば理解されるであろう。したがって、本発明は、記述し
た実施例に限定されるものと考えるではなく、特許請求
の範囲に定義されるものにだけ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプッシュプッシュ発振器の回路要
素の構成図である。
【図２】本発明の第一実施例によるマイクロストリップ
形式の回路のリング状共振器の一部断面図であり、図１
の線分２−２に沿って切り取ったものである。
【図３】ストリップライン形式で構成される本発明の別
の実施例を図示する。
【図４】マイクロストリップ形式の円形リング型共振器
の平面図である。
【図５】マイクロストリップ形式の円形ディスク型共振
器の平面図である。
【図６】マイクロストリップ形式の矩形ディスク型共振
器の平面図である。
【図７】マイクロストリップ形式の矩形リング型共振器
の平面図である。
【符号の説明】
１０ 発振器 １２、１４ ブランチ １６、２８ トランジスタ １８、２０、２２、３０、３２、３４ 伝送線路 ２４、８０ 誘電層 ２６、８２ 金属シート ３６ 共振器 ４０ 電力結合 ４２ 負荷 ４６、４８、５６、５８、６４、７４ 抵抗 ５０、５２、６２、６８、７０、７８ コンデンサ ５４、５６、７２ バイアス供給回路 ６０、６６、７６ コイル

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超伝導体材料製の環状物から成る共振器
    と、 前記共振器により位相同期をとられる第一発振器手段及
    び第二発振器手段と、 発振器から出力信号を提供するために前記第一及び第二
    発振器手段により発生される発振信号を合計するための
    手段と、 を有するプッシュプッシュ式超伝導体製共振器を備える
    前記発振器。
  2. 【請求項２】 前記発振器手段の各々が能動要素と前記
    能動要素の複数の端子にそれぞれ接続された複数の伝送
    線路とを有し、かつ前記発振器手段の第一伝送線路が前
    記共振器との電磁結合を提供して前記位相同期を達成す
    る請求項１に記載の発振器。
  3. 【請求項３】 前記発振器手段の各々の第二伝送線路が
    前記発振器手段を特定の周波数に同調させる長さをも
    ち、かつ前記発振器手段の各々の前記能動要素がトラン
    ジスタである請求項２に記載の発振器。
  4. 【請求項４】 前記第一及び第二発振器手段が前記環状
    物の平面と共面形式で構成され、前記共振器の平面に平
    行なグランドプレーンと、前記共振器と前記グランドプ
    レーンとの間に配置される誘電層とを有する請求項３に
    記載の発振器。
  5. 【請求項５】 前記発振器がストリップラインもしくは
    マイクロストリップ形式で構成され、前記発振器の構成
    要素の配置及び構成がホトリソグラフ技術による製造を
    可能にする請求項４に記載の発振器。
  6. 【請求項６】 前記合計手段が、前記誘電層によって前
    記グランドプレーンから離されて平面の伝送線路形式で
    構成される請求項４に記載の発振器。
  7. 【請求項７】 前記第一発振器手段の第一伝送線路は前
    記第二発振器手段の第一伝送線路に平行であって、かつ
    前記共振器が前記第一発振器手段の前記第一伝送線路と
    前記第二発振器手段の前記第一伝送線路との間に等距離
    で配置される請求項６に記載の発振器。
  8. 【請求項８】 前記発振器手段の各々の前記能動要素が
    前記超伝導体と共に共通温度で動作する請求項２に記載
    の発振器。
  9. 【請求項９】 前記共通温度がほぼ９０Ｋに等しいある
    いはそれ以下であり、かつ前記超伝導体材料が稀土類元
    素と酸化銅との化合物である請求項８に記載の発振器。
  10. 【請求項１０】 前記超伝導体材料がイットリウム−バ
    リウム−酸化銅である請求項９に記載の発振器。
  11. 【請求項１１】 前記第一及び第二発振器手段が前記共
    振器の平面と共面形式で構成されて、前記共振器の平面
    に平行なグランドプレーンと、前記共振器と前記グラン
    ドプレーンとの間に配置される誘電層とを有する請求項
    １０に記載の発振器。
  12. 【請求項１２】 ストリップラインもしくはマイクロス
    トリッピ形式で構成され、環状あるいは中身の詰まった
    形状をもつ超伝導体材料製ディスクから成る共振器と、 前記共振器により位相同期をとられる第一発振器手段及
    び第二発振器手段と、 発振器から出力信号を提供するために前記第一及び第二
    発振器手段により発生される発振信号を合計するための
    手段と、 を有するプッシュプッシュ式超伝導体製共振器を備えた
    前記発振器。
  13. 【請求項１３】 前記発振器手段の各々が能動要素と前
    記能動要素の複数の端子に接続される複数の伝送線路と
    を有し、前記発振器手段の各々の第一伝送線路が前記共
    振器との電磁結合を提供して前記位相同期を達成し、前
    記発振器手段の各々の第一伝送線路がストリップライン
    もしくはマイクロストリップ形式で構成される請求項１
    に記載の発振器。
  14. 【請求項１４】 前記発振器手段の各々の第二伝送線路
    が前記発振器手段を特定の周波数に同調させる長さをも
    ち、かつ前記発振器手段の各々の前記能動要素がトラン
    ジスタであり、かつ前記共振器の形状が、円形環状、あ
    るいは方形環状、あるいは中身の詰まった円形、あるい
    は中身の詰まった矩形である請求項２に記載の発振器。
JP5303256A 1992-11-13 1993-11-10 プッシュプッシュ式リング状共振器を備えた発振器 Pending JPH06244636A (ja)

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