JP2004505580A - 多数スペース構造式増幅器 - Google Patents
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Abstract
本発明は、複数の異なるサイズの非放射誘電体導波路から成る多数スペース構造を備え、その多数スペース構造にガンダイオードを装着することによって、複数の周波数を増幅することができる高周波増幅器に関する。本発明は、互いにある間隔離れた二枚の金属板の間のスペースに挿入されたガンダイオード；入力波を回転させると共に伝送方向を決定するサーキュレータ；前記サーキュレータに接続されて、入力端子からの入力波を前記サーキュレータに送る第１非放射誘電体導波路；前記サーキュレータに接続されており前記サーキュレータからの入力信号を前記ガンダイオードに送ると共に、前記ガンダイオードからの増幅信号を前記サーキュレータに送り戻す第２非放射誘電体導波路；及び前記サーキュレータに接続されており前記第２非放射誘電体導波路を通じて前記サーキュレータに入ってくる増幅信号を出力端子に送る第３非放射誘電体導波路を含んで成る、多数スペース構造を備えた高周波増幅器を提供する。本発明は、非放射誘電体導波路の複合ブロックから成る共振回路を更に含むことにより、広帯域の増幅機能を提供する。本発明は、多数スペース構造式の非放射誘電体導波路を用いるガンダイオード増幅器を提供することにより、種々の周波数を増幅するための多数のパッケージの製作を不必要にする。従って、本発明は、経済的な利点がある。更に、ガンダイオードと誘電体共振回路とを備えた本発明の広帯域増幅器は、現在のマルチメディア時代における超高速の広帯域通信機器にとって非常に有用となり得る。
Description
【０００１】
［技術分野］
この発明は、高周波増幅器に関し、より詳細には、多数スペース構造に作られた様々なサイズの非放射誘電体導波路に装着されたガンダイオードを用いることによって、複数の周波数を増幅することができる多数スペース構造式増幅器に関する。
【０００２】
［背景技術］
コンピュータや情報通信技術が発達するに伴って、個人が扱うデータ量も増加している。更に、最近のマルチメディアの発展によって、個人が用いる情報のフォーマットも文字のテキストから絵や写真へ、更には動画へと変化しつつある。それゆえ、大量の情報をリアルタイムで伝送する緊急の必要性が存在する。
上記の理由によって、移動端末や携帯端末の使用も次第に増加しており、それゆえ、かかる携帯端末への大量の情報の伝達を可能にする大容量超高速の無線通信機器の必要性も増大している。
従って、高い周波数と広い帯域を使用することが必要であり、高周波信号を処理し且つブロードバンドを提供することができる増幅器について切実な要求が生じている。
【０００３】
ガリウム砒素（ＧａＡｓ）製のガンダイオード（Ｇａｎｎ ｄｉｏｄｅ）は、二つの伝導帯バレーを持つ素子であり、素子の電界強度に起因した電子移動度の差異に応じて、負性抵抗状態になり得る。
ガンダイオードにバイアス電圧を印加すると、図１のグラフに示すように、二つの増幅領域と一つの発振領域が生じる。ここで、低い方のバイアス電圧レベルでの増幅領域を「増幅領域１」と、また、高い方のバイアス電圧レベルでの増幅領域を「増幅領域２」と称する。低い方のバイアス電圧における増幅領域１は、ガンダイオードの内側の電子がＬバレーからＵバレーへ移動する負性抵抗領域である。このような負性抵抗領域は、増幅領域２でのゲインが得られなくなるまで続く。このグラフが示すように、ガンダイオードには二つの負性領域があるが、増幅領域１においては、バイアス電圧を印加することができる範囲が非常に限られている。バイアス回路の不安定性によって、このような増幅領域からの逸脱が容易に生じる。従って、増幅器は、増幅領域２に対して設計される。
【０００４】
誘電体導波路（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）やストリップ共振器（ｓｔｒｉｐ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ） のような増幅器を構成するすべての回路要素は、予め定められたある周波数で共振するように設定されているので、増幅領域２を用いて設計された増幅器は、多種類の周波数を運ぶ能力がないという問題を有する可能性がある。
【０００５】
［発明の開示］
上記の問題を解決するため、本発明の目的は、ガンダイオードの増幅特性を用いて、非放射誘電体導波路（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を備えた増幅器を提供することである。
【０００６】
非放射誘電体導波路を使用するときには、スペースが使用周波数の波長の半分に相当する二枚の金属板の間に回路要素を装着しなくてはならないので、多種類の周波数を増幅するために、ガンダイオードのサイズを変更しなくてはならない。本発明の別の目的は、ガンダイオードのサイズに関連する問題を克服するため、多数スペース構造式の非放射誘電体導波路を用いることによって、ガンマウントのサイズにかかわらず、多種類の周波数のための増幅機能を提供することである。
【０００７】
上記目的に従って、本発明は、互いにある間隔離れた二枚の金属板の間のスペースに挿入されたガンダイオード；入力波を回転させるとともに伝達ポートを決定するサーキュレータ；前記サーキュレータに接続されており、入力端子からの入力波を前記サーキュレータに送る第１非放射誘電体導波路；前記サーキュレータに接続されており、前記サーキュレータからの入力信号を前記ガンダイオードに送ると共に、ある比率で増幅された信号をサーキュレータに送り戻す第２非放射誘電体導波路；及び前記サーキュレータに接続されており、前記サーキュレータに入ってきた前記増幅信号を負荷側に送る第３非放射誘電体導波路から成る、多数スペース構造式増幅器器を提供する。
【０００８】
本発明に従ってガンダイオードを用いた増幅器は、ガンダイオードの負性抵抗特性を利用している。
本発明のガンダイオードを用いた増幅器は、ガンダイオードの負性抵抗の特性反射係数を１よりも大きい値に維持することによって増幅効果を達成している。
ガンダイオードを用いた本発明の増幅器は、オリジナルに設計された共振点の周りに少なくとも一つの付加的な共振点を備えることにより、増幅された周波数の帯域幅を広げることができる。
前記付加的な共振点は、ガンダイオードとサーキュレータとを接続する非放射誘電体導波路内に置かれている。
【０００９】
［発明を実施する最良の形態］
図２に示すように、本発明による多数スペース構造式増幅器において、入力波は、第１非放射誘電体導波路（１５）を通じてサーキュレータ（２０）に入る。次に、サーキュレータ（２０）は、回転作用によって入力波を伝送する方向を決定する。入力波は、次の伝達線路である第２非放射誘電体導波路（１３）を通じて、ガンダイオード（５）に送られる。ガンダイオードにおいては、負性抵抗の特性によって入力波が増幅されて反射波となるが、入力波はある整数倍で増幅される。この増幅された波は、第２非放射誘電体導波路（１３）を通じて、サーキュレータ（２０）に伝えられる。サーキュレータ（２０）は、回転作用によって増幅信号のための伝送ポートを決定し、反射波を、第３非放射誘電体導波路（１７）を通じて、負荷側の決定されたポートに出力する。
【００１０】
図２において、ガンダイオード（５）のインピーダンスを伝送路の特性インピーダンスにおいて正規化したものをＺＤ とすると、ガンダイオード（５）のかかるインピーダンスは、負性抵抗ｒとリアクタンスｊｘの直列回路によって表すことができる。
ここで、反射係数ｒＮ は、次の式１によって定義することができる。
［式１」
【数１】
【００１１】
式を簡単にするために、リアクタンスｊｘの値として０を代入すると、増幅器の中央周波数における反射係数は次の式２のように定められる。
［式２］
【数２】
【００１２】
上記の式２において、反射係数が１よりも大きいと、反射波は入射波よりも大きくなり、これは増幅をもたらす。反射係数は、入力パワーに対する出力パワーの比であるから、ゲインの定義と同じである。それゆえ、パワーゲインは、次の式３で定義される。
［式３］
【数３】
【００１３】
上記式３から、ガンダイオード（５）の負性抵抗値が伝送路の特性インピーダンスに近づくにつれて、増幅ゲインが増加することがわかる。負性抵抗値が１であると、反射係数は無限大の値を持つことになり、それゆえ、入力波がまったくなくても出力波が存在し、振動が生じることになる。
その結果、上記式１において増幅器のゲインの周波数特性は、ガンダイオードのリアクタンスが０となる周波数において最大となる、単純ピークの形状を有する。
【００１４】
他方、非放射誘電体導波路のサイズは、次の式４及び５によって決定することができる。
［式４］
【数４】
［式５］
【数５】
上記式において、εｒ は誘電定数（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ，（誘導率））であり、λは波長である。
【００１５】
通常、ガンダイオード（５）のサイズは、非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）が置かれている二枚の金属板（１，３）間のスペースに嵌まり合うものでなければならない。ダイオードマウント（１０）のサイズは製造元によって異なり、実際に使われる周波数も用途や目的によって異なる。異なる周波数を用いるには、二枚の金属板（１，３）間のスペースを変える必要がある。従って、使用周波数に合致するサイズのダイオードを求めることは実際的ではない。
【００１６】
それゆえ、本発明においては、多数スペース構造式の非放射誘電体導波路に作られた増幅器が提供される。このような増幅器において、ガンダイオード（５）と、増幅信号の入力と出力のための非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）とが、二枚の金属板（１，３）間のスペースに装着されており、増幅すべき種々の周波数のために、金属板（１，３）間に多数スペースが形成される。
【００１７】
本発明においては、高周波用ガンダイオードばかりでなく、低周波用ガンダイオードをも用いることができる。このような場合、低周波用ガンダイオードは、間に形成されるスペースが大きい二枚の金属板間に装着され、金属板間のより小さなスペースには２逓倍又は３逓倍された周波数のための誘電体伝送線路が装着される。逓倍された周波数において共振するストリップ共振器又はリード型共振器が、ダイオードと導波路とを接続するように配置され、調和負性抵抗特性を用いて反射波を増幅する。
【００１８】
本発明の上記の目的、特徴及び利点は、本発明についての以下の詳細な記述を通して明らかになるであろう。以下は、本発明の好ましい実施例の詳細な説明である。
【００１９】
図３は、この発明の多数スペース構造式増幅器を一部破断して示す図である。
図３に示すように、入力波は、第１の非放射誘電体導波路を通じてサーキュレータ（２０）へ送られる。伝達方向がサーキュレータ（２０）の回転によって決定された後、その入力波は第２の非放射誘電体導波路（１３）を通じてガンダイオードに入る。ガンダイオード（５）では、逓倍された周波数に対する増幅比は、負性抵抗特性によって決定される。ここでは、反射された出力波は入力波よりも大きいので、入力波に対する出力波の比が増幅比である。ガンダイオード（５）で逓倍された増幅波は、第２の非放射誘電体導波路（１３）を通じてサーキュレータ（２０）に送られる。伝達方向がサーキュレータ（２０）の回転によって決定された後、かかる波は、反射波として、非放射誘電体導波路（１７）を通じて負荷側へ出力される。
【００２０】
前記ダイオード（５）とダイオードマウント（１０）とを支持するベースは、ガンダイオードとダイオードマウント（１０）とのサイズに適合するサイズの金属板から成り、それらの金属板間のスペースが使用周波数に相当している。このようなベースが、多数スペース構造を持つように構成されている。
【００２１】
本発明によって、同じサイズのガンダイオード（５）を用いながら、用途に応じて種々の周波数を発生させることができる増幅器を構成することができる。
【００２２】
非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）のサイズは、使用する周波数に従って式４及び式５によって決定され、同様にして非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）を形成する金属板間のスペースも決定される。しかしながら、ダイオードマウント（１０）のサイズは、製造元によって異なっているので、種々の異なるサイズの要素を備える回路を構成するのに、多数スペース構造が用いられる。
【００２３】
ここでは、ガンダイオード（５）と非放射誘電体導波路（１３）との接続は、ストリップ共振器（８）によって作られ、その共振器の金属部分の長さが使用周波数を決定する。
金属板の長さが使用周波数の波長の半分よりも長ければ周波数は低くなり、金属板の長さが短ければ、共振周波数は高くなる。
【００２４】
サーキュレータの接続領域においては不要モードが生じる可能性があるので、非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）とサーキュレータ（２０）との間の接続領域にはモードサプレッサ（６）が挿入される。
【００２５】
増幅領域２は、増幅領域１よりも良好な増幅特性を有しているとともにより安定であるので、上記の増幅器にバイアス電圧を印加する必要があるときには、そうした電圧は増幅領域２に印加される。
【００２６】
図４は、本発明によるガンダイオード増幅器の周波数特性を示すグラフである。
本発明のガンダイオード増幅器は、増幅領域１を使用する場合には、１３ｄＢのゲインを有するが、増幅領域２を使用する場合には、図４に示すように２４ｄＢという高いゲインを示すことになる。
バイアス電圧の変化１ｍＶに対するゲインの変化は、増幅領域１では０．２０３ｄＢ／ｍＶであるが、増幅領域２では、この変化は０．３８ｄＢ／ｍＶである。このように、増幅領域２が示すゲインの変化はより少ないことがわかる。
【００２７】
図５は、本発明による増幅器の別の実施例を一部破断して示す図である。
大量のデータを伝送するために高い周波数を用いる場合に、高周波数用のガンダイオードを入手するのが難しいときは、低周波数用のガンダイオードを用いて高い周波数のための増幅器を構成することができる。図５に示すような多数スペース式非放射誘電体導波路構造においては、バイアス電圧を、低周波数用のガンダイオード（５）を通じて、金属板（１）間の低周波数レベルのための大きなスペースに対して印加することができる。ガンダイオード振動周波数の２逓倍又は３逓倍の周波数のための非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）を、金属板間のより狭いスペースに配置することができる。ガンダイオードと非放射誘電体導波路との間には、逓倍周波数で共振するストリップ共振器（８）又はレード型共振器が配置される。このようにして、反射波は、高調波を用いて負性抵抗特性によって増幅される。
このように、多数スペース式非放射誘電体導波路における周波数逓倍型の増幅器は、ガンダイオードの周波数よりも２倍又は３倍の高い周波数用として構成することができる。
【００２８】
同様に、本発明の別の実施例として、逓倍共振点に関して増幅される周波数の帯域を拡張するために、オリジナルの共振点に加えてもう一つの共振点を付加的に挿入することができる。このような増幅器について、以下に詳細に説明する。 増幅特性の一つとして、非放射誘電体導波路と素子とを選択するのに応じて、ある帯域を持つ周波数共振が設定される。このように、図６に示す増幅器の等価回路に示すように、Ｌ１とＣ１の値に応じて、ある周波数が共振する。Ｌ２とＣ２について別の共振点を作り、その共振点をＬ１とＣ１についてのオリジナルの共振点の近くに置くと、トータルでの周波数特性は両方の共振点を含み、その結果、一つだけのオリジナルの共振点を持つ増幅器よりも広い帯域を持つ増幅器を構成することができる。
【００２９】
このようにして、オリジナルな共振回路にもう一つの共振回路を外付けして加えることで複合回路を構成して、（図６に示すように）付加的な共振回路にはオリジナルな共振回路の共振点とは僅かに違った共振点を持つことで、図７に示すように、広範な増幅帯域を持つ増幅器を得ることができる。
同様にして、二つの外的な共振回路を挿入して増幅器に三つの共振点を持たせることで、図８に示すように幅広に広がった周波数特性を得ることができる。
【００３０】
非放射誘電体導波路ブロックから成る外付け共振回路を用いる広帯域の周波数特性を持つ増幅器を構成する原理を以下に記す。
本発明の実施例に従って非放射誘電体導波路ブロックを用いた共振回路が、図９に示すように構成することができる。
先ず、図９に示すように非放射誘電体導波路ブロックを用いてマルチストリップ共振器を構築する。この基本的な構造において、ｌ１，ｄ１，及びｌ２の値を得るために、図９に示す共振回路は図１０に示す等価回路に変換されて解析される。
ここで、対称的なＴ型回路は減衰領域を表しており、ηＤ は線路の特性インピーダンスを表しＸｐｊ，Ｘｓｊ（ｊ＝１〜ｎ＋１）は減衰領域の直列又は並列なアーム部のインピーダンスであり、ｌｊ の関数として表される。
【００３１】
Ｔ型回路部分を図１１に示すようなインピーダンスインバータ回路に変換すると、図１０に示す等価回路は、図１２に示す等価回路として表すことができる。 図１０において共振器の長さ、ｄｊ （ｊ＝１〜ｎ）は、両側のインピーダンスから成るＸｐｊ， Ｘｓｊ，Ｘｐｊ＋１，及びＸｓｊ＋１であり、これらは、位相定数βで表された、次の式６及び７で定義される。
［式６］
【数６】
［式７］
【数７】
【００３２】
従って、次の式８及び９で表される設計公式を用いて、誘電体ブロックから
複合共振回路を設計し製作することができる。
［式８］
【数８】
［式９］
【数９】
ｆ０ ：中心周波数 Δｆ：帯域
λｇｏ：ｆ０ における導波路内の波長
λ０ ：ｆ０ における自由空間波長
ＨＤ ：負荷インピーダンス
【００３３】
上記の目的、特徴、及び利点は添付の図面を参照した以下の詳細な説明によって明らかになるであろう。
以下は、添付図面を参照してされた、本発明の実施例の詳細な説明である。
図１３は、本発明の別の実施例による外的付加の共振器を一つ備えた増幅器を示す図である。
図１３は、ガンダイオード増幅器（５）と一つの外付けされた非放射誘電体導波路（１３）とを用いた共振回路によって実現された広帯域の増幅器を示す。
【００３４】
本発明においては、ガンダイオード（５）は、二枚の金属板間のある大きさに定められたサイズのスペースに装着されている。第１非放射誘電体導波路（１５）からの入力波は、サーキュレータ（２０）内での回転と伝達方向の決定に従って、第２非放射誘電体導波路（１３）を通じてガンダイオード（５）へ送られる。波はガンダイオード（５）において増幅され、伝達方向はサーキュレータ（２０）内での回転に従って決定され、次に、出力波が第３非放射誘電体導波路（１７）を通じて伝達される。
【００３５】
ストリップ共振器（８）は、前記ガンダイオード（５）と第２非放射誘電体導波路（１３）との間に装着されて、両者を接続している。第２非放射誘電体導波路（１３）とストリップ共振器（８）との接続領域には、モードサプレッサ（６）が挿入されている。
第１非放射誘電体導波路（１５）は、入力端子からの入力波をサーキュレータ（２０）に伝送し、サーキュレータ（２０）に接続されている第３非放射誘電体導波路（１７）はガンダイオードで増幅された波を出力ポートに伝送する。
【００３６】
図１３に示すように、第１非放射誘電体導波路（１５）から入力された入力波は、サーキュレータ（２０）の回転作用によって伝送方向が決定された後、第２非放射誘電体導波路（１３）を通ってガンダイオード（５）ヘ入力される。ガンダイオード（５）においては、入力波は予め定められたレベルで増幅され、反射波として出力される。このように増幅された反射波は、第２非放射誘電体導波路（１３）を通じて出力され、増幅されて、第２非放射誘電体導波路（１３）上の一つ又はそれ以上の共振回路（１１，１２）によって定まる共振点のオーバーレイを通って広帯域信号となり、更にサーキュレータ（２０）に伝送される。
【００３７】
サーキュレータ（２０）は、次に、増幅された広帯域信号として入力された反射波を回転し、そうした信号を伝送すべき方向を決定し、信号を第３非放射誘電体導波路（１７）を通じて負荷側に伝達する。
ガンダイオード（５）とマウント（１０）のサイズが第２非放射誘電体導波路（１３）に適合しない場合には、大きいが間隔の狭い金属板を備えた多数スペース構造式導波路が用いられる。
共振点のオーバーレイを通じて広帯域周波数を作り出すために、一つ又はそれ以上の共振回路（１１，１２）が第２非放射誘電体導波路（１３）に挿入される場合には、周波数は増幅されて、図１４のグラフに示されているように、約７５０ＭＨｚの幅広い周波数帯域を持つようになる。図４に示すようにガンダイオード（５）を備えるのみの増幅器では３０００ＭＨｚの通過帯域をもつが、外付けの共振器を挿入することによって、広帯域の増幅を得ることができる。
【００３８】
他方、伝達すべきデータが増加し使用される周波数が高くなる場合で、しかし、高周波用ガンダイオードを適用することができず、しかも低周波用ガンダイオードによる高周波増幅を行うことが必要な場合には、本発明の多数スペース構造を用いることができる。多数スペース構造においては、金属板間において低周波数用の大きなスペースにバイアス電圧が印加されると、負性抵抗特性が作り出される。金属板間の小さい方のスペース間においては、ガンダイオードの振動周波数よりも２倍又は３倍の高い周波数を発振するストリップ共振回路又はリード型共振回路が、非放射誘電体導波路に配置される。このように、ガンダイオードにおいて、その負性抵抗特性によって増幅された反射波は、広帯域周波数になるように増幅される。
【００３９】
上記に詳細に説明したように、本発明は、ガンダイオードと多数スペース式非放射誘電体導波路構造とを用いた増幅器を構成しており、複数の周波数を増幅するために多くのパッケージを製作する必要がないので、経済的な利点を有している。
【００４０】
本発明は、ガンダイオードと誘電体共振回路とを備えた広帯域増幅器を提供することによって、今日のマルチメディア時代において、超高速の広帯域通信装置の発展に寄与することができる。
【００４１】
本発明の好ましい実施例は、本発明を説明するために挙げられたものである。関連する分野に属する者であれば、本発明の概念及び範囲内において、本発明の特徴を修正し、変更し、或いはそれに付加することができ、それゆえ、そのような修正、変更又は付加は、特許請求の範囲に含められるとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、通常のガンダイオードの増幅領域と振動領域とを示すグラフである。
【図２】
図２は、本発明によるガンダイオードを用いた増幅器の構造を示す図である。
【図３】
図３は、この発明による多数スペース構造式増幅器を一部破断して示す図である。
【図４】
図４は、この発明による多数スペース構造式増幅器の周波数特性を示すグラフである。
【図５】
図５は、この発明による多数スペース構造式増幅器の別の実施例を一部破断して示す図である。
【図６】
図６は、この発明による多数スペース構造式増幅器の別の実施例を提供するための付加的な共振器を備えた回路の等価回路を示す図である。
【図７】
図７は、一つの外部共振点を持つように設計された広帯域増幅器の周波数特性を示すグラフである。
【図８】
図８は、二つの外部共振点を持つように設計された広帯域増幅器の周波数特性を示すグラフである。
【図９】
図９は、この発明による別の実施例において、非放射誘電体導波路に装着された共振器を一部破断して示す図である。
【図１０】
図１０は、図９に示す非放射誘電体導波路上に装着された共振回路の等価回路を示す図である。
【図１１】
図１１は、図１０に示すＴ型回路を、インピーダンスインバータ回路とともに示す図である。
【図１２】
図１２は、図９に示す非放射誘電体導波路上の共振回路のためのインバータを用いた等価回路を示す図である。
【図１３】
図１３は、この発明による別の実施例に従った、一つの外部共振器を付加した広帯域増幅器の回路を示す図である。
【図１４】
図１４は、図１３に示すこの発明の実施例である広帯域増幅器の増幅特性を示すグラフである。
［技術分野］
この発明は、高周波増幅器に関し、より詳細には、多数スペース構造に作られた様々なサイズの非放射誘電体導波路に装着されたガンダイオードを用いることによって、複数の周波数を増幅することができる多数スペース構造式増幅器に関する。
【０００２】
［背景技術］
コンピュータや情報通信技術が発達するに伴って、個人が扱うデータ量も増加している。更に、最近のマルチメディアの発展によって、個人が用いる情報のフォーマットも文字のテキストから絵や写真へ、更には動画へと変化しつつある。それゆえ、大量の情報をリアルタイムで伝送する緊急の必要性が存在する。
上記の理由によって、移動端末や携帯端末の使用も次第に増加しており、それゆえ、かかる携帯端末への大量の情報の伝達を可能にする大容量超高速の無線通信機器の必要性も増大している。
従って、高い周波数と広い帯域を使用することが必要であり、高周波信号を処理し且つブロードバンドを提供することができる増幅器について切実な要求が生じている。
【０００３】
ガリウム砒素（ＧａＡｓ）製のガンダイオード（Ｇａｎｎ ｄｉｏｄｅ）は、二つの伝導帯バレーを持つ素子であり、素子の電界強度に起因した電子移動度の差異に応じて、負性抵抗状態になり得る。
ガンダイオードにバイアス電圧を印加すると、図１のグラフに示すように、二つの増幅領域と一つの発振領域が生じる。ここで、低い方のバイアス電圧レベルでの増幅領域を「増幅領域１」と、また、高い方のバイアス電圧レベルでの増幅領域を「増幅領域２」と称する。低い方のバイアス電圧における増幅領域１は、ガンダイオードの内側の電子がＬバレーからＵバレーへ移動する負性抵抗領域である。このような負性抵抗領域は、増幅領域２でのゲインが得られなくなるまで続く。このグラフが示すように、ガンダイオードには二つの負性領域があるが、増幅領域１においては、バイアス電圧を印加することができる範囲が非常に限られている。バイアス回路の不安定性によって、このような増幅領域からの逸脱が容易に生じる。従って、増幅器は、増幅領域２に対して設計される。
【０００４】
誘電体導波路（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）やストリップ共振器（ｓｔｒｉｐ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ） のような増幅器を構成するすべての回路要素は、予め定められたある周波数で共振するように設定されているので、増幅領域２を用いて設計された増幅器は、多種類の周波数を運ぶ能力がないという問題を有する可能性がある。
【０００５】
［発明の開示］
上記の問題を解決するため、本発明の目的は、ガンダイオードの増幅特性を用いて、非放射誘電体導波路（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を備えた増幅器を提供することである。
【０００６】
非放射誘電体導波路を使用するときには、スペースが使用周波数の波長の半分に相当する二枚の金属板の間に回路要素を装着しなくてはならないので、多種類の周波数を増幅するために、ガンダイオードのサイズを変更しなくてはならない。本発明の別の目的は、ガンダイオードのサイズに関連する問題を克服するため、多数スペース構造式の非放射誘電体導波路を用いることによって、ガンマウントのサイズにかかわらず、多種類の周波数のための増幅機能を提供することである。
【０００７】
上記目的に従って、本発明は、互いにある間隔離れた二枚の金属板の間のスペースに挿入されたガンダイオード；入力波を回転させるとともに伝達ポートを決定するサーキュレータ；前記サーキュレータに接続されており、入力端子からの入力波を前記サーキュレータに送る第１非放射誘電体導波路；前記サーキュレータに接続されており、前記サーキュレータからの入力信号を前記ガンダイオードに送ると共に、ある比率で増幅された信号をサーキュレータに送り戻す第２非放射誘電体導波路；及び前記サーキュレータに接続されており、前記サーキュレータに入ってきた前記増幅信号を負荷側に送る第３非放射誘電体導波路から成る、多数スペース構造式増幅器器を提供する。
【０００８】
本発明に従ってガンダイオードを用いた増幅器は、ガンダイオードの負性抵抗特性を利用している。
本発明のガンダイオードを用いた増幅器は、ガンダイオードの負性抵抗の特性反射係数を１よりも大きい値に維持することによって増幅効果を達成している。
ガンダイオードを用いた本発明の増幅器は、オリジナルに設計された共振点の周りに少なくとも一つの付加的な共振点を備えることにより、増幅された周波数の帯域幅を広げることができる。
前記付加的な共振点は、ガンダイオードとサーキュレータとを接続する非放射誘電体導波路内に置かれている。
【０００９】
［発明を実施する最良の形態］
図２に示すように、本発明による多数スペース構造式増幅器において、入力波は、第１非放射誘電体導波路（１５）を通じてサーキュレータ（２０）に入る。次に、サーキュレータ（２０）は、回転作用によって入力波を伝送する方向を決定する。入力波は、次の伝達線路である第２非放射誘電体導波路（１３）を通じて、ガンダイオード（５）に送られる。ガンダイオードにおいては、負性抵抗の特性によって入力波が増幅されて反射波となるが、入力波はある整数倍で増幅される。この増幅された波は、第２非放射誘電体導波路（１３）を通じて、サーキュレータ（２０）に伝えられる。サーキュレータ（２０）は、回転作用によって増幅信号のための伝送ポートを決定し、反射波を、第３非放射誘電体導波路（１７）を通じて、負荷側の決定されたポートに出力する。
【００１０】
図２において、ガンダイオード（５）のインピーダンスを伝送路の特性インピーダンスにおいて正規化したものをＺＤ とすると、ガンダイオード（５）のかかるインピーダンスは、負性抵抗ｒとリアクタンスｊｘの直列回路によって表すことができる。
ここで、反射係数ｒＮ は、次の式１によって定義することができる。
［式１」
【数１】
式を簡単にするために、リアクタンスｊｘの値として０を代入すると、増幅器の中央周波数における反射係数は次の式２のように定められる。
［式２］
【数２】
上記の式２において、反射係数が１よりも大きいと、反射波は入射波よりも大きくなり、これは増幅をもたらす。反射係数は、入力パワーに対する出力パワーの比であるから、ゲインの定義と同じである。それゆえ、パワーゲインは、次の式３で定義される。
［式３］
【数３】
上記式３から、ガンダイオード（５）の負性抵抗値が伝送路の特性インピーダンスに近づくにつれて、増幅ゲインが増加することがわかる。負性抵抗値が１であると、反射係数は無限大の値を持つことになり、それゆえ、入力波がまったくなくても出力波が存在し、振動が生じることになる。
その結果、上記式１において増幅器のゲインの周波数特性は、ガンダイオードのリアクタンスが０となる周波数において最大となる、単純ピークの形状を有する。
【００１４】
他方、非放射誘電体導波路のサイズは、次の式４及び５によって決定することができる。
［式４］
【数４】
【数５】
【００１５】
通常、ガンダイオード（５）のサイズは、非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）が置かれている二枚の金属板（１，３）間のスペースに嵌まり合うものでなければならない。ダイオードマウント（１０）のサイズは製造元によって異なり、実際に使われる周波数も用途や目的によって異なる。異なる周波数を用いるには、二枚の金属板（１，３）間のスペースを変える必要がある。従って、使用周波数に合致するサイズのダイオードを求めることは実際的ではない。
【００１６】
それゆえ、本発明においては、多数スペース構造式の非放射誘電体導波路に作られた増幅器が提供される。このような増幅器において、ガンダイオード（５）と、増幅信号の入力と出力のための非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）とが、二枚の金属板（１，３）間のスペースに装着されており、増幅すべき種々の周波数のために、金属板（１，３）間に多数スペースが形成される。
【００１７】
本発明においては、高周波用ガンダイオードばかりでなく、低周波用ガンダイオードをも用いることができる。このような場合、低周波用ガンダイオードは、間に形成されるスペースが大きい二枚の金属板間に装着され、金属板間のより小さなスペースには２逓倍又は３逓倍された周波数のための誘電体伝送線路が装着される。逓倍された周波数において共振するストリップ共振器又はリード型共振器が、ダイオードと導波路とを接続するように配置され、調和負性抵抗特性を用いて反射波を増幅する。
【００１８】
本発明の上記の目的、特徴及び利点は、本発明についての以下の詳細な記述を通して明らかになるであろう。以下は、本発明の好ましい実施例の詳細な説明である。
【００１９】
図３は、この発明の多数スペース構造式増幅器を一部破断して示す図である。
図３に示すように、入力波は、第１の非放射誘電体導波路を通じてサーキュレータ（２０）へ送られる。伝達方向がサーキュレータ（２０）の回転によって決定された後、その入力波は第２の非放射誘電体導波路（１３）を通じてガンダイオードに入る。ガンダイオード（５）では、逓倍された周波数に対する増幅比は、負性抵抗特性によって決定される。ここでは、反射された出力波は入力波よりも大きいので、入力波に対する出力波の比が増幅比である。ガンダイオード（５）で逓倍された増幅波は、第２の非放射誘電体導波路（１３）を通じてサーキュレータ（２０）に送られる。伝達方向がサーキュレータ（２０）の回転によって決定された後、かかる波は、反射波として、非放射誘電体導波路（１７）を通じて負荷側へ出力される。
【００２０】
前記ダイオード（５）とダイオードマウント（１０）とを支持するベースは、ガンダイオードとダイオードマウント（１０）とのサイズに適合するサイズの金属板から成り、それらの金属板間のスペースが使用周波数に相当している。このようなベースが、多数スペース構造を持つように構成されている。
【００２１】
本発明によって、同じサイズのガンダイオード（５）を用いながら、用途に応じて種々の周波数を発生させることができる増幅器を構成することができる。
【００２２】
非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）のサイズは、使用する周波数に従って式４及び式５によって決定され、同様にして非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）を形成する金属板間のスペースも決定される。しかしながら、ダイオードマウント（１０）のサイズは、製造元によって異なっているので、種々の異なるサイズの要素を備える回路を構成するのに、多数スペース構造が用いられる。
【００２３】
ここでは、ガンダイオード（５）と非放射誘電体導波路（１３）との接続は、ストリップ共振器（８）によって作られ、その共振器の金属部分の長さが使用周波数を決定する。
金属板の長さが使用周波数の波長の半分よりも長ければ周波数は低くなり、金属板の長さが短ければ、共振周波数は高くなる。
【００２４】
サーキュレータの接続領域においては不要モードが生じる可能性があるので、非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）とサーキュレータ（２０）との間の接続領域にはモードサプレッサ（６）が挿入される。
【００２５】
増幅領域２は、増幅領域１よりも良好な増幅特性を有しているとともにより安定であるので、上記の増幅器にバイアス電圧を印加する必要があるときには、そうした電圧は増幅領域２に印加される。
【００２６】
図４は、本発明によるガンダイオード増幅器の周波数特性を示すグラフである。
本発明のガンダイオード増幅器は、増幅領域１を使用する場合には、１３ｄＢのゲインを有するが、増幅領域２を使用する場合には、図４に示すように２４ｄＢという高いゲインを示すことになる。
バイアス電圧の変化１ｍＶに対するゲインの変化は、増幅領域１では０．２０３ｄＢ／ｍＶであるが、増幅領域２では、この変化は０．３８ｄＢ／ｍＶである。このように、増幅領域２が示すゲインの変化はより少ないことがわかる。
【００２７】
図５は、本発明による増幅器の別の実施例を一部破断して示す図である。
大量のデータを伝送するために高い周波数を用いる場合に、高周波数用のガンダイオードを入手するのが難しいときは、低周波数用のガンダイオードを用いて高い周波数のための増幅器を構成することができる。図５に示すような多数スペース式非放射誘電体導波路構造においては、バイアス電圧を、低周波数用のガンダイオード（５）を通じて、金属板（１）間の低周波数レベルのための大きなスペースに対して印加することができる。ガンダイオード振動周波数の２逓倍又は３逓倍の周波数のための非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）を、金属板間のより狭いスペースに配置することができる。ガンダイオードと非放射誘電体導波路との間には、逓倍周波数で共振するストリップ共振器（８）又はレード型共振器が配置される。このようにして、反射波は、高調波を用いて負性抵抗特性によって増幅される。
このように、多数スペース式非放射誘電体導波路における周波数逓倍型の増幅器は、ガンダイオードの周波数よりも２倍又は３倍の高い周波数用として構成することができる。
【００２８】
同様に、本発明の別の実施例として、逓倍共振点に関して増幅される周波数の帯域を拡張するために、オリジナルの共振点に加えてもう一つの共振点を付加的に挿入することができる。このような増幅器について、以下に詳細に説明する。 増幅特性の一つとして、非放射誘電体導波路と素子とを選択するのに応じて、ある帯域を持つ周波数共振が設定される。このように、図６に示す増幅器の等価回路に示すように、Ｌ１とＣ１の値に応じて、ある周波数が共振する。Ｌ２とＣ２について別の共振点を作り、その共振点をＬ１とＣ１についてのオリジナルの共振点の近くに置くと、トータルでの周波数特性は両方の共振点を含み、その結果、一つだけのオリジナルの共振点を持つ増幅器よりも広い帯域を持つ増幅器を構成することができる。
【００２９】
このようにして、オリジナルな共振回路にもう一つの共振回路を外付けして加えることで複合回路を構成して、（図６に示すように）付加的な共振回路にはオリジナルな共振回路の共振点とは僅かに違った共振点を持つことで、図７に示すように、広範な増幅帯域を持つ増幅器を得ることができる。
同様にして、二つの外的な共振回路を挿入して増幅器に三つの共振点を持たせることで、図８に示すように幅広に広がった周波数特性を得ることができる。
【００３０】
非放射誘電体導波路ブロックから成る外付け共振回路を用いる広帯域の周波数特性を持つ増幅器を構成する原理を以下に記す。
本発明の実施例に従って非放射誘電体導波路ブロックを用いた共振回路が、図９に示すように構成することができる。
先ず、図９に示すように非放射誘電体導波路ブロックを用いてマルチストリップ共振器を構築する。この基本的な構造において、ｌ１，ｄ１，及びｌ２の値を得るために、図９に示す共振回路は図１０に示す等価回路に変換されて解析される。
ここで、対称的なＴ型回路は減衰領域を表しており、ηＤ は線路の特性インピーダンスを表しＸｐｊ，Ｘｓｊ（ｊ＝１〜ｎ＋１）は減衰領域の直列又は並列なアーム部のインピーダンスであり、ｌｊ の関数として表される。
【００３１】
Ｔ型回路部分を図１１に示すようなインピーダンスインバータ回路に変換すると、図１０に示す等価回路は、図１２に示す等価回路として表すことができる。 図１０において共振器の長さ、ｄｊ （ｊ＝１〜ｎ）は、両側のインピーダンスから成るＸｐｊ， Ｘｓｊ，Ｘｐｊ＋１，及びＸｓｊ＋１であり、これらは、位相定数βで表された、次の式６及び７で定義される。
［式６］
【数６】
【数７】
従って、次の式８及び９で表される設計公式を用いて、誘電体ブロックから
複合共振回路を設計し製作することができる。
［式８］
【数８】
【数９】
λｇｏ：ｆ０ における導波路内の波長
λ０ ：ｆ０ における自由空間波長
ＨＤ ：負荷インピーダンス
【００３３】
上記の目的、特徴、及び利点は添付の図面を参照した以下の詳細な説明によって明らかになるであろう。
以下は、添付図面を参照してされた、本発明の実施例の詳細な説明である。
図１３は、本発明の別の実施例による外的付加の共振器を一つ備えた増幅器を示す図である。
図１３は、ガンダイオード増幅器（５）と一つの外付けされた非放射誘電体導波路（１３）とを用いた共振回路によって実現された広帯域の増幅器を示す。
【００３４】
本発明においては、ガンダイオード（５）は、二枚の金属板間のある大きさに定められたサイズのスペースに装着されている。第１非放射誘電体導波路（１５）からの入力波は、サーキュレータ（２０）内での回転と伝達方向の決定に従って、第２非放射誘電体導波路（１３）を通じてガンダイオード（５）へ送られる。波はガンダイオード（５）において増幅され、伝達方向はサーキュレータ（２０）内での回転に従って決定され、次に、出力波が第３非放射誘電体導波路（１７）を通じて伝達される。
【００３５】
ストリップ共振器（８）は、前記ガンダイオード（５）と第２非放射誘電体導波路（１３）との間に装着されて、両者を接続している。第２非放射誘電体導波路（１３）とストリップ共振器（８）との接続領域には、モードサプレッサ（６）が挿入されている。
第１非放射誘電体導波路（１５）は、入力端子からの入力波をサーキュレータ（２０）に伝送し、サーキュレータ（２０）に接続されている第３非放射誘電体導波路（１７）はガンダイオードで増幅された波を出力ポートに伝送する。
【００３６】
図１３に示すように、第１非放射誘電体導波路（１５）から入力された入力波は、サーキュレータ（２０）の回転作用によって伝送方向が決定された後、第２非放射誘電体導波路（１３）を通ってガンダイオード（５）ヘ入力される。ガンダイオード（５）においては、入力波は予め定められたレベルで増幅され、反射波として出力される。このように増幅された反射波は、第２非放射誘電体導波路（１３）を通じて出力され、増幅されて、第２非放射誘電体導波路（１３）上の一つ又はそれ以上の共振回路（１１，１２）によって定まる共振点のオーバーレイを通って広帯域信号となり、更にサーキュレータ（２０）に伝送される。
【００３７】
サーキュレータ（２０）は、次に、増幅された広帯域信号として入力された反射波を回転し、そうした信号を伝送すべき方向を決定し、信号を第３非放射誘電体導波路（１７）を通じて負荷側に伝達する。
ガンダイオード（５）とマウント（１０）のサイズが第２非放射誘電体導波路（１３）に適合しない場合には、大きいが間隔の狭い金属板を備えた多数スペース構造式導波路が用いられる。
共振点のオーバーレイを通じて広帯域周波数を作り出すために、一つ又はそれ以上の共振回路（１１，１２）が第２非放射誘電体導波路（１３）に挿入される場合には、周波数は増幅されて、図１４のグラフに示されているように、約７５０ＭＨｚの幅広い周波数帯域を持つようになる。図４に示すようにガンダイオード（５）を備えるのみの増幅器では３０００ＭＨｚの通過帯域をもつが、外付けの共振器を挿入することによって、広帯域の増幅を得ることができる。
【００３８】
他方、伝達すべきデータが増加し使用される周波数が高くなる場合で、しかし、高周波用ガンダイオードを適用することができず、しかも低周波用ガンダイオードによる高周波増幅を行うことが必要な場合には、本発明の多数スペース構造を用いることができる。多数スペース構造においては、金属板間において低周波数用の大きなスペースにバイアス電圧が印加されると、負性抵抗特性が作り出される。金属板間の小さい方のスペース間においては、ガンダイオードの振動周波数よりも２倍又は３倍の高い周波数を発振するストリップ共振回路又はリード型共振回路が、非放射誘電体導波路に配置される。このように、ガンダイオードにおいて、その負性抵抗特性によって増幅された反射波は、広帯域周波数になるように増幅される。
【００３９】
上記に詳細に説明したように、本発明は、ガンダイオードと多数スペース式非放射誘電体導波路構造とを用いた増幅器を構成しており、複数の周波数を増幅するために多くのパッケージを製作する必要がないので、経済的な利点を有している。
【００４０】
本発明は、ガンダイオードと誘電体共振回路とを備えた広帯域増幅器を提供することによって、今日のマルチメディア時代において、超高速の広帯域通信装置の発展に寄与することができる。
【００４１】
本発明の好ましい実施例は、本発明を説明するために挙げられたものである。関連する分野に属する者であれば、本発明の概念及び範囲内において、本発明の特徴を修正し、変更し、或いはそれに付加することができ、それゆえ、そのような修正、変更又は付加は、特許請求の範囲に含められるとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、通常のガンダイオードの増幅領域と振動領域とを示すグラフである。
【図２】
図２は、本発明によるガンダイオードを用いた増幅器の構造を示す図である。
【図３】
図３は、この発明による多数スペース構造式増幅器を一部破断して示す図である。
【図４】
図４は、この発明による多数スペース構造式増幅器の周波数特性を示すグラフである。
【図５】
図５は、この発明による多数スペース構造式増幅器の別の実施例を一部破断して示す図である。
【図６】
図６は、この発明による多数スペース構造式増幅器の別の実施例を提供するための付加的な共振器を備えた回路の等価回路を示す図である。
【図７】
図７は、一つの外部共振点を持つように設計された広帯域増幅器の周波数特性を示すグラフである。
【図８】
図８は、二つの外部共振点を持つように設計された広帯域増幅器の周波数特性を示すグラフである。
【図９】
図９は、この発明による別の実施例において、非放射誘電体導波路に装着された共振器を一部破断して示す図である。
【図１０】
図１０は、図９に示す非放射誘電体導波路上に装着された共振回路の等価回路を示す図である。
【図１１】
図１１は、図１０に示すＴ型回路を、インピーダンスインバータ回路とともに示す図である。
【図１２】
図１２は、図９に示す非放射誘電体導波路上の共振回路のためのインバータを用いた等価回路を示す図である。
【図１３】
図１３は、この発明による別の実施例に従った、一つの外部共振器を付加した広帯域増幅器の回路を示す図である。
【図１４】
図１４は、図１３に示すこの発明の実施例である広帯域増幅器の増幅特性を示すグラフである。
Claims (10)
- 互いにある間隔離れた二枚の金属板の間のスペースに挿入されたガンダイオード；
入力波を回転させると共に伝達方向を決定するサーキュレータ；
前記サーキュレータに接続されており、入力端子からの入力波を前記サーキュレータに送る第１非放射誘電体導波路；
前記サーキュレータに接続されており、前記サーキュレータからの入力信号を前記ガンダイオードに送ると共に前記ガンダイオードからの増幅信号を前記サーキュレータに送り戻す第２非放射誘電体導波路；及び
前記サーキュレータに接続されており、前記第２非放射誘電体導波路を通じて前記サーキュレータに入ってくる前記増幅信号を出力端子に送る第３非放射誘電体導波路；
から成る高周波増幅のための多数スペース構造式増幅器。 - 前記入力波の増幅は、前記ガンダイオードの負性抵抗特性を利用することによって得られることから成る請求項１に記載の多数スペース構造式増幅器。
- 前記ガンダイオードは互いにある間隔離れた二枚の金属板の間のスペースに装着され；そして
非放射誘電体導波路は、多数スペース構造を形成する二枚の金属板間の異なるサイズのスペースに装着されていることから成る請求項１に記載の多数スペース構造式増幅器。 - ストリップ共振器が前記ガンダイオードと前記非放射誘電体導波路とを接続しており、前記ストリップ共振器の長さが使用周波数を決定していることから成る請求項１に記載の多数スペース構造式増幅器。
- 前記サーキュレータと非放射誘電体導波路との接続のために、不要なモードを除去するモードサプレッサが用いられていることから成る請求項１に記載の多数スペース構造式増幅器。
- 前記ガンダイオードと前記非放射誘電体導波路とは、基本振動周波数の逓倍周波数で共振する周波数逓倍型のストリップ共振器によって接続されていることから成る請求項１に記載の多数スペース構造式増幅器。
- 前記ガンダイオードの負性抵抗特性として、反射係数は１より大きいことから成る請求項２に記載の多数スペース構造式増幅器。
- 互いにある間隔離れた二枚の金属板の間のスペースに挿入されたガンダイオード；
入力波を回転させると共に伝達方向を決定するサーキュレータ；
前記サーキュレータに接続されて、入力端子からの入力波を前記サーキュレータに送る第１非放射誘電体導波路；
前記サーキュレータに接続されていると共に共振回路の複合ブロックを備え、前記サーキュレータからの入力信号を前記ガンダイオードに送ると共に前記ガンダイオードからの増幅信号を前記サーキュレータに送り戻す第２非放射誘電体導波路；
前記サーキュレータに接続されており、前記サーキュレータに入ってくる前記増幅信号を出力端子に送る第３非放射誘電体導波路；及び
前記ガンダイオードと前記各非放射誘電体導波路を接続するストリップ共振器から成る、高周波増幅のための多数スペース構造式増幅器。 - 前記第２非放射誘電体導波路に装着された前記共振回路は、基本共振点の周りに一つ又はそれ以上の共振点を提供して共振周波数のオーバーレイを形成することから成る請求項８に記載の多数スペース構造式増幅器。
- ガンダイオードが金属板の間の大きなスペースに挿入されており；
低周波用ガンダイオードの発振周波数の逓倍周波数のための非放射誘電体導波路が金属板間の小さいスペースに装着されており；
より高い周波数で共振するストリップ共振器が前記ガンダイオードと前記非放射誘電体導波路とを接続して反射波の大きさを増幅する
ことから成る多数スペース構造式増幅器。
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