JPH11239021A - 誘電体共振器装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 誘電体共振器を用いた共振回路の外部Ｑをよ
り小さくできるようにし、発振回路を構成する場合に、
その周波数変調幅および出力を増大できるようにする。 【解決手段】 誘電体板１の両主面のそれぞれに、互い
に対向する開口部４を有する電極２，３を形成して、電
極開口部の領域に誘電体共振器を構成するとともに、そ
の電極開口部に結合線路１１，１２を直接形成し、回路
基板６に伝送線路１１′，１２′を形成して、両者をワ
イヤーボンディング等により接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロ波帯や
ミリ波帯で使用される誘電体共振器装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波帯域
において用いられる共振器や発振器は、その位相雑音特
性および周波数安定度を高めるために、誘電体共振器が
用いられている。

【０００３】ここで、従来の誘電体共振器を用いた発振
器の構成例を図１９および図２０に示す。図１９におい
て１は誘電体板であり、その両主面のそれぞれに、互い
に対向する開口部（４はその一方の開口部）を有する電
極を形成していて、その電極開口部を誘電体共振器とし
て用いている。この誘電体板１の上面には、表面にマイ
クロストリップ線路等による回路を形成した回路基板６
を積層している。１１，１２で示す結合線路は上記電極
開口部４部分の誘電体共振器と結合する位置に配置して
いる。

【０００４】図２０に示す例では、両主面のそれぞれ
に、互いに対向する開口部（５はその一方の開口部）を
有する電極を形成して、その電極開口部を誘電体共振器
とした誘電体板１を、回路基板６上に重ねて、回路基板
６上の線路と誘電体共振器とを結合させるようにしてい
る。誘電体板１と回路基板６との間には、誘電体板１の
図における下面側の電極と回路基板６上面側の電極とを
絶縁するためにスペーサを設けている。

【０００５】このように、誘電体板の両主面のそれぞれ
に、互いに対向する開口部を有する電極を形成した誘電
体共振器では、電磁界は電極開口部に殆ど閉じ込めら
れ、電磁界エネルギーが集中するため、適切な位置に結
合線路を配置すれば強い結合が得られ、たとえば発振回
路に適用した場合に、発振周波数変調幅の大きな発振回
路や出力の大きな発振回路が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここで図１９，図２０
に示した従来の発振器において、共振回路の（結合線路
１２の）外部Ｑ（Ｑｅ２）と周波数変調幅との関係を図
１６に示す。このように外部Ｑ（Ｑｅ２）を小さくすれ
ば周波数変調幅を大幅に増大させることができる。

【０００７】また誘電体共振器と帯域反射用結合線路１
１の外部Ｑ（Ｑｅ１）と共振回路の反射係数との関係を
図１７に示す。このように外部Ｑ（Ｑｅ１）を小さくす
ることにより共振回路の反射係数が大きくなる。共振回
路の反射係数を大きくすれば出力が増大するので、外部
Ｑ（Ｑｅ１）を小さくすれば出力が増すことになる。

【０００８】ここで、図１９または図２０に示したよう
な、誘電体板に共振器を構成した誘電体共振器の電磁界
分布を図２に示す。図２において２，３が誘電体板１の
両主面に形成した電極であり、その円形の開口部４，５
部分がＴＥ０１０モードの誘電体共振器として作用す
る。従来の発振器用の共振回路においては、結合線路１
１，１２は誘電体共振器部である電極開口部４，５の表
面（以下、電極開口面という。）から少し離れた位置に
ある。結合線路が電極開口面から離れると、電磁界強度
は図２に示すように急速に低下する。したがって結合線
路が電極開口面から離れるほど結合度が急激に低下する
ことになる。

【０００９】図１８は電極開口面と結合線路間の距離
（電極開口面に対して垂直方向の距離）に対する発振出
力の関係を示す図である。このように、電極開口面と結
合線路との距離を短くすれば外部Ｑが小さくなり、出力
が増大する。

【００１０】ところが、図１９または図２０に示したよ
うな従来の誘電体共振器装置においては、電極開口面と
結合線部との距離を短くするには限度がある。すなわ
ち、図１９に示した例では、結合線路１１，１２は回路
基板６の上面に配置されるため、電極開口部４の電極開
口面から線路１１，１２までの距離を短くするには回路
基板６を薄くしなければならず、自ずと限度がある。ま
た図２０に示した例では、スペーサの厚さを薄くするこ
とになるが、同様の限度があり、しかもスペーサを薄く
すれば、線路１１，１２の特性インピーダンスが大きく
変化するため所定の特性が得られないという問題も生じ
る。

【００１１】さらにもう一つの問題は、共振器と結合線
路との位置精度の問題である。すなわち、ミリ波におい
ては共振器と結合線路との位置が僅かにずれるだけで特
性が変化するので、その精度が高精度に再現される必要
がある。しかし従来の誘電体共振器装置においては、共
振器と結合線路とを別工程で製造せざるを得ないので、
必要な位置精度が得難いという問題がある。

【００１２】この発明の目的は、誘電体共振器を用いた
共振回路の外部Ｑをより小さくできるようにして、たと
えば発振回路を構成する場合に、その周波数変調幅を増
大させ、出力を増大できるようにした誘電体共振器装置
を提供することにある。

【００１３】また、この発明の他の目的は、共振器と結
合線路との位置精度を容易に高められるようにして、特
性ばらつきの少ない誘電体共振器装置を提供することに
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】誘電体板の両主面のそれ
ぞれに、互いに対向する開口部を有する電極を形成して
なる誘電体共振器を備えた装置において、電極開口部の
面と結合線路との距離を小さくするために、互いに対向
する開口部のうち少なくとも一方の開口部内に誘電体共
振器に結合する結合線路を設けるとともに、電極開口部
の外側に伝送線路を設け、その伝送線路と結合線路とを
電気的に接続する。

【００１５】この構成によれば、電極開口部の面に直接
結合線路が設けられるため、誘電体共振器と結合線路と
を強く結合させることができる。

【００１６】前記伝送線路を、前記誘電体板に形成され
ている電極を接地電極とするコプレーナ線路として構成
すれば、誘電体板に対して誘電体共振器部を形成するた
めの電極および結合線路とともに伝送線路を同時に形成
することができ、特別なその他の基板が不要となる。

【００１７】また、前記誘電体板の表面に他の誘電体板
または誘電体膜を設けるとともに、当該他の誘電体板ま
たは誘電体膜にマイクロストリップ線路を形成し、この
マイクロストリップ線路を前記伝送線路とする。この構
造により、結合線路以外の線路をマイクロストリップ線
路で構成する場合であっても、誘電体共振器と結合線路
とを強く結合させることができる。

【００１８】前記結合線路と前記伝送線路との接続は、
誘電体板主面の電極から絶縁され、結合線路と伝送線路
とを接続する導電体を形成した配線部材を、誘電体板表
面に配置することによって行ってもよい。この構造によ
れば他のチップ状部品の実装と同様にして、部品として
の配線部材を誘電体板表面に実装することによって伝送
線路と結合線路との接続が容易に行える。

【００１９】前記結合線路と伝送線路を誘電体板に形成
する際、コプレーナ線路の中心導体を結合線路と一体の
線路として設けてもよい。この構造によれば、結合線路
と伝送線路とを電気的に接続するための特別な配線が不
要となる。

【００２０】さらに、前記コプレーナ線路を構成する中
心導体両側の接地電極同士を前記中心導体を跨いで導電
体で接続すれば、コプレーナ線路両側の接地電極間を接
続する導電体の接続位置によって、誘電体共振器の共振
周波数を変えることも可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】この発明の第１の実施形態に係る
電圧制御発振器（以下ＶＣＯという。）の構成例を図１
〜図３を参照して説明する。

【００２２】図１はＶＣＯのモジュールの部分斜視図で
ある。同図において１が誘電体板であり、その両主面
に、互いに対向する開口部を有する電極２，３を形成し
ている。図中の４で示す部分は誘電体板１の図における
上面の電極開口部である。また、同図において６は誘電
体シート状の回路基板であり、電極開口部４に対向する
位置に開口部を形成している。回路基板６の上面には次
に述べるような各種回路を形成している。１１′は電極
開口部４内に形成した結合線路１１に繋がる線路、１
２′は電極開口部４内の結合線路１２に接続される伝送
線路である。一方の伝送線路１１′と接地電極１４との
間には終端抵抗１３を実装している。伝送線路１２′と
接地電極１７との間にはバラクタダイオード１６を実装
している。また、伝送線路１２′の端部にはバイアス回
路２３を接続している。

【００２３】２０は直列帰還用線路であり、この上部に
ＦＥＴ１５を実装している。２４は出力回路であり、Ｆ
ＥＴ１５のゲートを伝送線路１１′の端部に接続し、ド
レインとソースを直列帰還用線路２０および出力回路２
４に接続している。直列帰還用線路２０にはバイアス回
路２２を、出力回路２４にはバイアス回路２１をそれぞ
れ接続している。また、バイアス回路２１の端部と接地
電極との間にはチップ抵抗２５を実装している。

【００２４】回路基板６の裏面には、誘電体板１上面の
接地電極が接しているため、この接地電極と上面の上記
各線路とでそれぞれマイクロストリップ線路を構成して
いる。なお、この回路基板６の裏面（誘電体板１に対向
する面）のほぼ全面に接地電極を形成してもよい。

【００２５】誘電体板１の上面の電極開口部内には結合
線路１１，１２を形成している。これらの結合電極１
１，１２と回路基板６上の電極１１′，１２′との間は
ワイヤボンディングによりそれぞれ接続している。

【００２６】図２は誘電体共振器部分の電磁界分布を示
す断面図である。このように互いに対向する円形の電極
開口部４，５を有する電極２，３を誘電体板１の両主面
に設けたことによって、その部分にＴＥ０１０モードの
誘電体共振器が構成される。このモードは電極開口部
４，５の開口部付近で且つ誘電体板１表面に近いほどそ
の電磁界強度が強くなる。

【００２７】図３は上記ＶＣＯの等価回路図である。同
図においてＲは誘電体共振器を表している。ＦＥＴ１５
は負性抵抗回路を構成し、この負性抵抗回路と結合線路
１１およびそれに結合する誘電体共振器Ｒとによって帯
域反射型発振回路を構成している。また誘電体共振器Ｒ
に結合する結合線路１２に装荷されるバラクタダイオー
ド１６の静電容量に応じて発振周波数が変化する。

【００２８】このように、電極開口面に直接結合線路を
形成することにより、誘電体共振器と結合線路とを強く
結合させることができる。しかも、誘電体共振器形成の
ための電極開口部と結合線路とを一つの誘電体板上に形
成できるため、誘電体共振器と結合線路との位置精度を
容易に高めることができる。その結果、特性ばらつきの
少ない誘電体共振器装置を容易に製造できることにな
る。

【００２９】第１の実施形態では、伝送線路をマイクロ
ストリップ線路としたが、伝送線路をコプレーナ線路と
してもよい。その例を図４に示す。図４においては電極
開口部内の電極として結合線路１１のみを示している。
誘電体板１の図における上面には円形の開口部４を有す
る電極２とともに１１′で示す中心導体を有するコプレ
ーナ線路を形成している。このコプレーナ線路の中心導
体１１′と結合線路１１との間はワイヤーボンディング
により接続している。このように、伝送線路をコプレー
ナ線路とすれば、少なくとも伝送線路形成部分について
は図１に示したような回路基板６が不要となる。また、
接地電極、伝送線路、および結合線路のすべてを誘電体
板上に形成できるため、その製造工程が簡単になり、且
つ誘電体共振器と結合線路との位置精度を容易に高める
ことができる。

【００３０】図４に示したようなワイヤーボンディング
以外に図５に示すようにリボンボンディングにより接続
してもよい。

【００３１】また図６に示すように、導電体２８を形成
した配線部材２７を結合線路１１とコプレーナ線路の端
部との間に取りつけて、導電体２８を介してコプレーナ
線路の中心導体１１′と結合線路１１とを接続してもよ
い。

【００３２】また、図７に示すように、結合線路１１と
コプレーナ線路の中心導体１１′との間にエアーブリッ
ジ２６形成して、両者の接続を行うようにしてもよい。

【００３３】次に、伝送線路としてコプレーナ線路を用
いたＶＣＯの構成例を図８に示す。同図において３０は
共振回路基板であり、誘電体板１の両主面に互いに対向
する開口部を有する電極２，３を形成してＴＥ０１０モ
ードの誘電体共振器部を構成するとともに、図における
上面に結合線路１１，１２と、コプレーナ線路による伝
送線路１１′，１２′等の各種線路を形成している。一
方、３１は負性抵抗回路基板であり、誘電体板の図にお
ける下面のほぼ全面に接地電極を形成し、図における上
面にＦＥＴ１５を含む負性抵抗回路を形成している。こ
の負性抵抗回路基板部分の構成は図１に示した負性抵抗
回路部分の構成と同様である。

【００３４】共振回路基板３０部分において、誘電体板
１の上面には伝送線路１１′と接地電極である電極２と
の間に終端抵抗１３を実装している。また伝送線路１
２′と接地電極との間にバラクタダイオード１６を実装
している。伝送線路１２′にはバイアス回路２３を接続
している。このようにコプレーナ線路とマイクロストリ
ップ線路とを混在させる場合には、共振回路基板と負性
抵抗回路基板とを別々に構成して、両者の線路をワイヤ
ーボンディングにより接続すればよい。

【００３５】図９は、コプレーナ線路を用いたＶＣＯの
他の構成例を示す図である。負性抵抗回路基板３１は図
８に示したものと同様である。共振回路基板３０につい
ては図８の場合と異なり、結合線路１１，１２を電極開
口部４からはみ出る領域にまで延長して、その部分をコ
プレーナ線路として構成している。この構造はコプレー
ナ線路の中心導体と結合線路とを一体の線路で形成した
ものと言い換えることができる。この構造によれば結合
線路と伝送線路との間のワイヤーボンディングが不要と
なる。また、共振回路基板３０と負性抵抗回路基板３１
との間の線路の接続についても、ボンディングワイヤー
を介さずに、半田付け等により直接接続するようにして
もよい。

【００３６】図１０はコプレーナ線路を用いた他のＶＣ
Ｏの構成例を示す斜視図である。同図において２６は、
結合線路１１，１２から延びる部分を中心導体とするコ
プレーナ線路部分の、その中心導体両側の接地電極（電
極２）同士を、中心導体を跨いで接続するエアーブリッ
ジである。これらのエアーブリッジ２６を電極開口部４
の周辺部に沿った位置に設けることによって、図８に示
した場合のように、電極開口部の周囲が接地導体で連続
したものと同様に作用し、本来の共振周波数で共振す
る。また、これらのエアーブリッジ２６を電極開口部４
の周囲からずらせる（遠ざける）ことにより電極開口部
の周囲における電磁界分布が変化し、共振周波数が変わ
る（低下する）。この作用を利用して、エアーブリッジ
２６の接続位置によって共振周波数を調整・設定しても
よい。

【００３７】なお、図１０に示したエアーブリッジ２６
の代わりにワイヤーボンディングまたはリボンボンディ
ングによって、コプレーナ線路部分の中心導体を跨いで
両側の接地電極間を接続してもよい。さらにこの部分に
二層配線プロセスによってブリッジを形成してもよい。

【００３８】図８〜図１０に示した例では、コプレーナ
線路を用いたが、伝送線路としてマイクロストリップ線
路を用いる場合でも、図１１に示すように共振回路基板
３０と負性抵抗回路基板３１とに分けることができる。
同図において共振回路電極開口部４部分に構成される誘
電体共振器およびそれに結合する結合線路１１，１２、
結合線路１１，１２に接続される伝送線路１１′，１
２′等の構成は配置関係が異なるだけで図１に示したも
のと同様である。一方、負性抵抗回路基板３１について
は図８等に示したものと同様である。このように共振回
路部分と負性抵抗回路部分との基板を分離することによ
って、それぞれ独立したモジュールとして製造調整する
ことが可能となる。

【００３９】図１２は回路基板６に形成したマイクロス
トリップ線路と誘電体板の電極開口部に形成した結合線
路との他の接続構造を示している。この例では、誘電体
板に形成した電極開口部４に対向する部分を開口させた
回路基板６を用いるが、電極開口部に形成した結合線路
１１の端部にまで、回路基板６の一部を開口部内に突出
させている。この突出部で、マイクロストリップ線路で
ある伝送線路１１′と結合線路１１とを半田付けなどに
より接続している。なお、この部分は半田付け以外に、
伝送線路１１′と結合線路１１との間の静電容量により
接続してもよい。

【００４０】以上に示した結合線路は誘電体板１の電極
開口部の表面に形成しただけであるが、図１３に示すよ
うに、結合線路形成部に溝を形成し、その溝の内面に電
極を形成して、いわばトレンチ構造としてもよい。この
電極構造によれば結合線路の導体損が抑えられるため、
誘電体共振器のＱｏが高められる。

【００４１】また、上記の各実施形態では、円形の電極
開口部を設けてＴＥ０１０モードの誘電体共振器を構成
したが、矩形の電極開口部を図１４に示すように設け
て、矩形スロットモードの共振器を構成してもよい。こ
のモードは平面誘電体線路を共振器としたものであるた
め、ＰＤＴＬモードということもできる。

【００４２】図１５はそのＰＤＴＬモードの誘電体共振
器の電磁界分布を示している。図１４に示した結合線路
１１をＰＤＴＬモードの磁界の向きに交差するように配
置することによって誘電体共振器と結合線路とを磁界結
合させることができる。

【００４３】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、電極開
口部の面に直接結合線路が設けられるため、誘電体共振
器と結合線路とを強く結合させることができる。

【００４４】請求項２に記載の発明によれば、誘電体板
に対して誘電体共振器部を形成するための電極および結
合線路とともに伝送線路を同時に形成することができ、
特別なその他の基板が不要となる。

【００４５】請求項３に記載の発明によれば、結合線路
以外の線路をマイクロストリップ線路で構成する場合で
あっても、誘電体共振器と結合線路とを強く結合させる
ことができる。

【００４６】請求項４に記載の発明によれば、他のチッ
プ状部品の実装と同様にして、部品としての配線部材を
誘電体板表面に実装することによって伝送線路と結合線
路との接続が容易に行える。

【００４７】請求項５に記載の発明によれば、コプレー
ナ線路の中心導体と結合線路とが一体の線路として設け
られるため、結合線路と伝送線路とを電気的に接続する
ための特別な配線が不要となる。

【００４８】請求項６に記載の発明によれば、コプレー
ナ線路両側の接地電極間を接続する導電体の接続位置に
よって、誘電体共振器の共振周波数を変えることも可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態であるＶＣＯの主要部の斜
視図

【図２】誘電体共振器部分の電磁界分布の例を示す断面
図

【図３】ＶＣＯの等価回路図

【図４】コプレーナ線路を用いた誘電体共振器装置の主
要部の構成を示す斜視図

【図５】コプレーナ線路を用いた誘電体共振器装置の主
要部の構成を示す斜視図

【図６】コプレーナ線路を用いた誘電体共振器装置の主
要部の構成を示す斜視図

【図７】コプレーナ線路を用いた誘電体共振器装置の主
要部の構成を示す斜視図

【図８】コプレーナ線路を伝送線路として用いたＶＣＯ
の主要部の構成を示す斜視図

【図９】コプレーナ線路を伝送線路として用いたＶＣＯ
の主要部の構成を示す斜視図

【図１０】コプレーナ線路を伝送線路として用いたＶＣ
Ｏの主要部の構成を示す斜視図

【図１１】マイクロストリップ線路を伝送線路とした他
のＶＣＯの構成例を示す斜視図

【図１２】結合線路とマイクロストリップ線路との接続
部の構造を示す部分斜視図

【図１３】結合線路の他の構成例を示す断面図

【図１４】ＰＤＴＬモードの誘電体共振器を用いた誘電
体共振器装置の主要部の斜視図

【図１５】ＰＤＴＬモードの電磁界分布の例を示す図

【図１６】発振器における周波数変調幅と結合度との関
係を示す図

【図１７】共振回路の反射係数と外部Ｑとの関係を示す
図

【図１８】電極開口面と結合線路間の距離に対する発振
器の出力の関係を示す図

【図１９】従来のＶＣＯの構成例を示す部分斜視図

【図２０】従来のＶＣＯの構成例を示す部分斜視図

【符号の説明】

１−誘電体板 ２，３−電極 ４，５−開口部 ６−回路基板（誘電体シート） ７，８−導体板（ケース） １１，１２−結合線路 １１′，１２′−伝送線路 １３−終端抵抗 １４−接地電極 １５−ＦＥＴ １６−バラクタダイオード １７−接地電極 ２０−直列帰還用線路 ２１，２２，２３−バイアス回路 ２４−出力回路 ２５−チップ抵抗 ２６−エアーブリッジ ２７−配線部材 ２８−導電体 ３０−共振回路基板 ３１−負性抵抗回路基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 貞夫 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体板の両主面のそれぞれに、互いに
   対向する開口部を有する電極を形成して成る誘電体共振
   器を備えた装置において、 前記互いに対向する開口部のうち少なくとも一方の開口
   部内に、前記誘電体共振器に結合する結合線路を設ける
   とともに、前記開口部の外側に伝送線路を設け、当該伝
   送線路と前記結合線路とを電気的に接続したことを特徴
   とする誘電体共振器装置。
2. 【請求項２】 前記伝送線路を、前記誘電体板に形成さ
   れている前記電極を接地電極とするコプレーナ線路とし
   て構成したことを特徴とする請求項１に記載の誘電体共
   振器装置。
3. 【請求項３】 前記誘電体板の表面に他の誘電体板また
   は誘電体膜を設けるとともに、当該他の誘電体板または
   誘電体膜に、マイクロストリップ線路を形成し、このマ
   イクロストリップ線路を前記伝送線路としたことを特徴
   とする請求項１に記載の誘電体共振器装置。
4. 【請求項４】 前記誘電体板の表面に配置され、当該誘
   電体板主面の電極から絶縁され、且つ前記結合線路と前
   記伝送線路とを接続する導電体を形成した配線部材によ
   り、前記伝送線路と前記結合線路との電気的接続を行っ
   たことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれかに記載
   の誘電体共振器装置。
5. 【請求項５】 前記コプレーナ線路の中心導体と前記結
   合線路とを一体の線路として前記誘電体板に形成したこ
   とを特徴とする請求項２に記載の誘電体共振器装置。
6. 【請求項６】 前記コプレーナ線路を構成する中心導体
   両側の接地電極同士を前記中心導体を跨いで導電体で接
   続したことを特徴とする請求項２または５に記載の誘電
   体共振器装置。