JP3850179B2 - 高周波ダイオード発振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波集積回路等の高周波回路等に組み込まれるガンダイオード発振器等の高周波ダイオード発振器であって、非放射性誘電体線路を用いた高周波ダイオード発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガンダイオード発振器を図５に示す。同図において、１，１は一対の平行平板導体であり、それらの間隔ｚをｚ≦λ／２とすることにより外部から誘電体線路２へのノイズの侵入をなくしかつ外部への高周波信号の放射をなくして信号を伝送させる、所謂非放射性誘電体線路（nonradiative dielectric waveguide で、以下、ＮＲＤガイドという）を構成する。なお、λは使用周波数において空気中を伝搬する電磁波（高周波信号）の波長である。
【０００３】
また、２は金属ストリップ共振器５により共振した高周波信号を外部へ伝送させる誘電体線路、３はマイクロ波，ミリ波を発振する高周波ダイオードの１種であるガンダイオード素子、４はガンダイオード素子３を設置（マウント）するための金属ブロック等の金属部材、５は誘電体の基体に共振用の金属ストリップ線路５ａを設けた金属ストリップ共振器、６は不要モードのＬＳＥ（Longitudinal Section Electric ）モードを除去するＬＳＥモードサプレッサである。なお、図５では、内部を透視するために上側の平行平板導体１を一部切り欠いて描いたものである。
【０００４】
図５のＮＲＤガイド型のガンダイオード発振器は、一対の平行平板導体１，１の間に、ガンダイオード素子３を搭載しガンダイオード素子３からの熱を放熱するヒートシンクを兼ねる金属部材４が配置されており、ガンダイオード素子３から発振されたマイクロ波等の高周波信号（電磁波）は、金属ストリップ線路５ａを有する金属ストリップ共振器５を介して誘電体線路２に導出される。
【０００５】
また、ガンダイオード素子３の高周波信号の発振面は、平行平板導体１，１に垂直な面に平行に配置され、高周波信号の電界成分は平行平板導体１，１に平行な方向に主に放射される。この金属ストリップ共振器５は、テフロン等から成る誘電体基体に銅箔等の金属ストリップ線路５ａを貼り付けたものであり、ガンダイオード素子３の発振周波数を制御するとともに、誘電体線路２へ高周波信号を伝搬させる。なお、ガンダイオード素子３にバイアス電圧を供給し、広い幅の線路と狭い幅の線路が交互に形成されたチョーク型バイアス供給線路と、チョーク型バイアス供給線路とガンダイオード素子３とを接続する金属箔リボン等の帯状導体とが、金属部材４のガンダイオード素子３設置面に設けられるが、それらについては特に図示していない。
【０００６】
そして、金属ストリップ共振器５の高周波信号の伝搬方向に沿う電磁界はＴＥＭ（Trasverse Electric and Magnetic ）波であり、これに対して誘電体線路２の動作モードはＬＳＭ₀₁（Longitudinal Section Magnetic ）モードである。ＴＥＭ波からＬＳＭ₀₁モードを励振するためには、磁界Ｈに着目すると、図６に示すようにガンダイオード素子３の高周波信号の発振面を平行平板導体１に垂直な面に平行に配置して、金属ストリップ共振器５の一端に高周波信号を入力し、金属ストリップ共振器５の高周波信号の伝搬方向に対して横方向から誘電体線路２を結合させる必要がある。
【０００７】
このようなＮＲＤガイド型のガンダイオード発振器において、誘電体ストリップに対向して設けられた空洞共振器を有し、外部から空洞共振器の空洞部分の長さを変化させて発振周波数を調整する構成であって、ガンダイオード素子が平行平板導体上に直接接触して配置されていることにより、ガンダイオード素子から発生する熱を効率良く放散させるものが提案されている（従来例１：特開平９−３２６６３９号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示すような従来のＮＲＤガイド型のガンダイオード発振器においては、ガンダイオード素子３のパッケージが平行平板導体１，１の間隔ｚよりも大きい場合は、ガンダイオード素子３を平行平板導体１，１間に装荷することができないという問題があった。例えば、市販されている公知のガンダイオード素子３の円筒状パッケージの直径は約３ｍｍであるため、使用周波数が５０ＧＨｚ（λ＝６ｍｍ）より高い場合にはガンダイオード素子３を装荷できない。また、平行平板導体１，１と金属部材４との密着性が良くないと、ガンダイオード素子３の熱を十分に放熱することができず、ガンダイオード素子３の温度が上昇して発振不良を起こしていた。また、上記従来例１には、ＴＥＭ波からＬＳＭ₀₁モードに効率良く変換させる構成については一切開示されていない。
【０００９】
従って、本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は、ガンダイオード素子等の高周波ダイオードを平行平板導体間に容易に配置でき、放熱性に優れ、また高周波ダイオードから発振された高周波信号の電磁界（ＴＥＭ波）を効率良くＬＳＭ₀₁モードに変換して誘電体線路に伝搬させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波ダイオード発振器は、高周波信号の波長の２分の１以下の間隔で配置した平行平板導体間に、平行平板導体の少なくとも一方の内側主面に直接設置され前記高周波信号を発振する高周波ダイオードと、一端を前記高周波ダイオードに近接配置した誘電体線路とを設けた高周波ダイオード発振器であって、前記誘電体線路は、前記高周波信号の伝搬方向に沿った中心軸の延長線が前記高周波ダイオードと重ならないように配置されて前記高周波ダイオードに電磁結合しており、前記高周波ダイオードは、幅の広い線路と幅の狭い線路がλ／４（λは前記高周波信号の波長）の周期で交互に形成されたチョーク型バイアス供給線路と、長さを｛（３／４）＋ｎ｝λ（ｎは以上の整数）とした帯状導体とからなる共振器を介してバイアス電圧が供給されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、このような構成により、高周波ダイオードを平行平板導体間に容易に配置でき、高周波ダイオードが平行平板導体に密着しているので放熱性に優れ、また高周波ダイオードから発振された高周波信号の電磁界（ＴＥＭ波）を効率良くＬＳＭ₀₁モードに変換して誘電体線路に伝搬させ得る。
【００１２】
本発明において、好ましくは、前記高周波信号の波長をλとしたとき、前記中心軸の延長線と前記高周波ダイオードの発振部との距離がλ／２以下であることを特徴とする。これにより、高周波信号の損失を小さくして、高周波ダイオードと誘電体線路とを電磁結合させることができる。
【００１３】
また、好ましくは、前記高周波ダイオードと誘電体線路との電磁結合部の外側に、前記中心軸の延長線と平行でありかつ平行平板導体の主面に垂直な主面を有する金属片を、該金属片の主面が高周波ダイオード側に対向するように配置したことを特徴とする。この構成により、電磁界を整流して良好な電磁結合をさせることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波ダイオード発振器について以下に説明する。図１〜図４は、本発明のＮＲＤガイド型の高周波ダイオード発振器を示し、これらの図において、１はガンダイオード等の高周波ダイオードが発振する高周波信号の空気中での波長の２分の１以下の間隔で配置した一対の平行平板導体、２は一端面２ａまたはその延長面２ｂを高周波ダイオードに対向させて近接配置され、かつ高周波信号の伝搬方向における中心軸の延長線７が高周波ダイオードと重ならない状態で前記一端面２ａを高周波ダイオード近傍に配置して電磁結合している誘電体線路、３はマイクロ波，ミリ波を発振する高周波ダイオードの１種であるガンダイオード素子、６は不要モードのＬＳＥモードを除去するＬＳＥモードサプレッサである。なお、図１では、内部を透視するために平行平板導体１の上側を一部切り欠いている。
【００１５】
また、図１では、誘電体線路２の一端面２ａまたはその延長面２ｂを、ガンダイオード素子３に対向させて近接配置しているが、延長面２ｂがガンダイオード素子３に接するように配置する構成、延長面２ｂの後方であって誘電体線路２の側面がガンダイオード素子３に対向するように配置する構成も採り得る。
【００１６】
本発明において、ガンダイオード素子３は平行平板導体１の内側主面、即ち高周波信号の伝搬空間側（内部空間側）の主面に直接設置されるものであり、例えば平行平板導体１の前記内側主面に孔，溝等の凹部を形成し、その凹部にガンダイオード素子３を接着する構成、または平行平板導体１の前記内側主面にガンダイオード素子３下部のネジ込み式パッケージ部をネジ込む構成とし得る。このような構成により、円筒状のガンダイオード素子３の直径が平行平板導体１，１間の間隔よりも大きい場合でも、ガンダイオード素子３を容易に実装でき、またガンダイオード素子３が平行平板導体１に密着して設置されるので、ガンダイオード素子３から発生する熱を効率良く放熱し得る。さらに、ガンダイオード素子３は、一対の平行平板導体１，１の両方に設けることもできる。
【００１７】
また、誘電体線路２は、高周波信号の伝搬方向に沿った中心軸の延長線７がガンダイオード素子３の発振部３ａと重ならない状態で一端面２ａをガンダイオード素子３近傍に配置して電磁結合させる。前記延長線７がガンダイオード素子３の発振部３ａと重なると、ガンダイオード素子３から発振された高周波信号のＴＥＭ波を効率良くＬＳＭ₀₁モードに変換できなくなる。そして、前記中心軸の延長線７とガンダイオード素子３の発振部３ａとの距離ｄはλ／２以下が良く、λ／２を超えると、ガンダイオード素子３からのＴＥＭ波を効率良くＬＳＭ₀₁モードに変換して誘電体線路２に電磁結合させることが困難となる。より好ましくは、λ／８≦ｄ≦λ／２である。
【００１８】
また、誘電体線路２の一端面２ａとガンダイオード素子３の発振部３ａとの最短距離Ｌは１．０ｍｍ程度以下が好ましく、１．０ｍｍを超えるとガンダイオード素子３との電磁結合が不良となり高周波信号の出力が低下する。
【００１９】
ここで、図２に示すように、ガンダイオード素子３の発振部３ａから放射される高周波信号の電磁界の電界Ｅは発振部３ａより垂直方向および水平方向に進行し分布しており、図３のように、誘電体線路２にＬＳＭ₀₁モードの電界Ｅを生じさせるには、誘電体線路２の高周波信号の伝搬方向に沿った中心軸の延長線７がガンダイオード素子３の発振部３ａと重ならないように配置することが必要である。
【００２０】
また好ましくは、図４に示すように、ガンダイオード素子３と誘電体線路２との電磁結合部の外側に、前記中心軸の延長線７と平行でありかつ平行平板導体１の主面に垂直な主面９ａを有する金属片９を、該主面９ａがガンダイオード素子３側に対向するように配置するのが良く、この場合、電界Ｅの向きは金属片９の主面９ａに垂直となるため、平行平板導体１の主面に平行な成分が強くなり、ＬＳＭ₀₁モードへの変換効率が高くなる。従って、ガンダイオード素子３から発振された高周波信号の電磁界を整流して良好な電磁結合を行わせることができる。より好ましくは、図４のように、２つの金属片９，９をそれらの主面９ａ，９ａが対向するように配置するのが良く、電磁界の整流作用がさらに向上する。また、２つの金属片９，９の間隔を変化させることで、金属片９，９間に生じる電磁界分布を制御して発振周波数を制御することも可能である。なお、図４では内部を透視した状態を図示している。
【００２１】
金属片９の形状は、前記主面９ａを有する直方体状，板状，四角錐状，三角柱等の角柱状，蒲鉾状等が良い。また、金属片９の材料はＡｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，ＳＵＳ（ステンレス），真鍮（黄銅：Ｃｕ−Ｚｎ合金）等の導電性に優れた金属，合金であれば良く、金属片９は、前記金属，合金のブロック、セラミックス等の絶縁性基体に前記金属，合金材料をメッキしたもの、または絶縁性基体に前記金属，合金材料をメタライズしたもの、絶縁性基体に前記金属，合金材料を含む有機樹脂材料をコートし硬化させたもの等でも構わない。
【００２２】
また、ガンダイオード素子３の発振部３ａに一端側が近接または接合し、他端側が誘電体線路２に接合する柱状の誘電体チップ８を配置するのが良く、その場合誘電体チップ８に電界が集中し、高出力の高周波信号が得られ、また誘電体チップ８の大きさを変化させることで発振周波数の制御も可能である。誘電体チップ８の形状は、円柱，四角柱等の多角柱等の柱状であり、その材料はコーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・５ＳｉＯ₂ ），アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等が好ましく、これらは高周波帯域において低損失である。
【００２３】
本発明において、高周波信号を共振させる共振器として、ガンダイオード素子３にバイアス電圧を供給し、広い幅の線路と狭い幅の線路が交互に形成されたチョーク型バイアス供給線路と、チョーク型バイアス供給線路とガンダイオード素子３とを接続する金属箔リボン等の帯状導体とを別途設け、これらチョーク型バイアス供給線路と帯状導体とにより共振器を構成したものを使用する。この場合、チョーク型バイアス供給線路の広い幅の線路の空間的周期と狭い幅の線路の空間的周期をそれぞれ略λ／４とし、帯状導体の長さを略｛（３／４）＋ｎ｝λ（ｎは０以上の整数）とすることで、チョーク型バイアス供給線路の１パターン（広い幅の線路と狭い幅の線路のいずれか１つ）と帯状導体とで一体的な共振器構造とし得る。この共振器は、チョーク型バイアス供給線路と帯状導体とを、プリント配線基板等の配線基板に形成したものを、ガンダイオード素子３が設置された平行平板導体１の内側主面または外側主面に設ける構成等を採ることにより設置できる。前記ｎは０〜３が好ましく、３を超えると帯状導体に不要なモードが発生して、所望の発振周波数と異なる周波数の信号が生じ易くなる。より好ましくは、ｎ＝０，１である。
【００２４】
本発明でいう高周波帯域は、数１０〜数１００ＧＨｚ帯域のマイクロ波帯域およびミリ波帯域に相当し、例えば３０ＧＨｚ以上、特に５０ＧＨｚ以上、更には７０ＧＨｚ以上の高周波帯域が好適である。
【００２５】
また本発明の高周波ダイオードとしては、インパット（impatt：impact ionisation avalanche transit time）・ダイオード，トラパット（trapatt ：trapped plasma avalanche triggered transit）・ダイオード，ガンダイオード等のマイクロ波ダイオードおよびミリ波ダイオードが好適に使用される。
【００２６】
本発明のＮＲＤガイド用の平行平板導体１は、高い電気伝導度および加工性等の点で、Ｃｕ，Ａｌ，Ｆｅ，ＳＵＳ（ステンレス），Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ等の導体板、あるいはセラミックス，樹脂等から成る絶縁板の表面にこれらの導体層を形成したものでもよい。
【００２７】
また、本発明のＮＲＤガイド型の高周波ダイオード発振器は、無線ＬＡＮ，自動車のミリ波レーダ等に使用されるものであり、例えば自動車の周囲の障害物および他の自動車に対しミリ波を照射し、反射波を元のミリ波と合成してビート信号を得、このビート信号を分析することにより障害物および他の自動車までの距離、それらの移動速度等が測定できる。
【００２８】
かくして、本発明は、高周波ダイオードを平行平板導体間に容易に配置でき、高周波ダイオードが平行平板導体に密着しているので放熱性に優れ、また高周波ダイオードから発振された高周波信号のＴＥＭ波を効率良くＬＳＭ₀₁モードに変換して誘電体線路に伝搬させ得る。
【００２９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行っても何等差し支えない。
【００３０】
【実施例】
本発明の実施例を以下に説明する。
【００３１】
（実施例）
図４のＮＲＤガイド型のガンダイオード発振器を以下のように構成した。一対の平行平板導体１，１として、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ２ｍｍのＡｌ板を１．８ｍｍの間隔で配置し、一方の平行平板導体１の内側主面にネジ孔を形成し、ガンダイオード素子３をネジ込んで固定した。また、比誘電率が４．８のコーディエライトセラミックスから成り、断面形状が幅０．８ｍｍ，高さ１．８ｍｍの誘電体線路２を、高周波信号の伝搬方向に沿った中心軸７とガンダイオード素子３の発振部３ａとの距離ｄが１．５ｍｍとなるように、平行平板導体１，１間に設置した。
【００３２】
そして、比誘電率が４．８のコーディエライトセラミックスから成り、断面が幅０．５ｍｍ，高さ１．８ｍｍで、長さ２．３ｍｍの四角柱状の誘電体チップ８を、その一端が誘電体線路２の一端に接合され、他端側がガンダイオード素子３の発振部３ａ上に近接させて配置され、さらに誘電体チップ８の両端を挟んでＡｌから成る２つの金属片９，９を設置した。２つの金属片９，９は、断面が幅１．０ｍｍ，高さ１．８ｍｍで、長さ８．０ｍｍのものと、断面が幅１．０ｍｍ，高さ１．８ｍｍで、長さ５．０ｍｍのものであった。
【００３３】
このガンダイオード発振器の発振特性を確認したところ、発振周波数７６．７ＧＨｚ（λ＝３．９ｍｍ）で６ｍＷの高出力が得られ、１０時間使用しても熱による出力変動が殆ど生じず、信頼性の高いものであった。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、平行平板導体の少なくとも一方の内側主面に直接設置される高周波ダイオードと、一端を高周波ダイオードに近接配置した誘電体線路とを設けて成り、誘電体線路は、高周波信号の伝搬方向に沿った中心軸の延長線が高周波ダイオードと重ならないように配置されて電磁結合しており、高周波ダイオードは、幅の広い線路と幅の狭い線路がλ／４（λは高周波信号の波長）の周期で交互に形成されたチョーク型バイアス供給線路と、長さを｛（３／４）＋ｎ｝λ（ｎは以上の整数）とした帯状導体とからなる共振器を介してバイアス電圧が供給されていることにより、平行平板導体間の間隔よりも大きな高周波ダイオードを平行平板導体間に容易に配置でき、また高周波ダイオードが平行平板導体に密着しているので放熱性に優れ、さらに高周波ダイオードから発振された高周波信号のＴＥＭ波を効率良くＬＳＭ₀₁モードに変換して誘電体線路に伝搬させ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮＲＤ型の高周波ダイオード発振器の内部透視した斜視図である。
【図２】本発明の高周波ダイオード発振器の高周波ダイオードから放射される高周波信号の電界Ｅの進行方向および分布を示すものであり、高周波ダイオード部の断面図である。
【図３】本発明の高周波ダイオード発振器の誘電体線路を伝搬するＬＳＭ₀₁モードの高周波信号の電界Ｅの進行方向および分布を示すものであり、誘電体線路の斜視図である。
【図４】本発明の高周波ダイオード発振器の一実施形態であり、内部透視した平面図である。
【図５】従来の高周波ダイオード発振器の内部透視した斜視図である。
【図６】従来の高周波ダイオード発振器において金属ストリップ共振器および誘電体線路を伝搬する高周波信号の磁界Ｈの分布を示すものであり、高周波ダイオードと金属ストリップ共振器および誘電体線路の模式的斜視図である。
【符号の説明】
１：平行平板導体
２：誘電体線路
３：ガンダイオード素子
６：ＬＳＥモードサプレッサ
７：誘電体線路の中心軸の延長線

Claims (3)

1. 高周波信号の波長の２分の１以下の間隔で配置した平行平板導体間に、平行平板導体の少なくとも一方の内側主面に直接設置され前記高周波信号を発振する高周波ダイオードと、一端を前記高周波ダイオードに近接配置した誘電体線路とを設けた高周波ダイオード発振器であって、前記誘電体線路は、前記高周波信号の伝搬方向に沿った中心軸の延長線が前記高周波ダイオードと重ならないように配置されて前記高周波ダイオードに電磁結合しており、前記高周波ダイオードは、幅の広い線路と幅の狭い線路がλ／４（λは前記高周波信号の波長）の周期で交互に形成されたチョーク型バイアス供給線路と、長さを｛（３／４）＋ｎ｝λ（ｎは以上の整数）とした帯状導体とからなる共振器を介してバイアス電圧が供給されていることを特徴とする高周波ダイオード発振器。
2. 前記中心軸の延長線と前記高周波ダイオードの発振部との距離がλ／２以下であることを特徴とする請求項１記載の高周波ダイオード発振器。
3. 前記高周波ダイオードと誘電体線路との電磁結合部の外側に、前記中心軸の延長線と平行でありかつ平行平板導体の主面に垂直な主面を有する金属片を、該金属片の主面が高周波ダイオード側に対向するように配置したことを特徴とする請求項１または２記載の高周波ダイオード発振器。

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