JP3528702B2 - 発振器および無線装置 - Google Patents

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、ガンダイオード
などを用いた発振回路と、発振信号を出力する出力用伝
送線路とを設けたマイクロ波帯またはミリ波帯の発振器
およびその発振器を用いた無線装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガンダイオードなどの負性抵抗素
子を用いたマイクロ波帯やミリ波帯の発振器において、
逓倍発振させるようにしたものが特公平６−１０５８
５１号および特公平６−２２２８９号に示されてい
る。

【０００３】このような逓倍発振させるようにした発振
回路を用いれば、ガンダイオードなどで直接発振できな
いような、例えば６０ＧＨｚ帯を超えるミリ波帯の発振
器でも容易に構成することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、に示され
ている発振器においては、導波管を用いて空洞共振させ
るものであるため、その共振周波数が空間容積で決定さ
れ、共振周波数の調整が困難であり、量産には向かずコ
スト高となる。しかもサイズが大きくなるという問題が
あった。

【０００５】また、に示されている発振器において
は、マイクロストリップパターンによって基本波を阻止
するだけであるため、基本波の十分な抑圧が困難であ
り、その基本波を阻止するマイクロストリップパターン
が、利用しようとする高調波の信号をも減衰させてしま
い、損失が大きくなるという問題があった。

【０００６】この発明の目的は、上述の問題を解消し
て、小型で、共振周波数の調整を容易とし、量産性に適
した低コスト化の可能な発振器およびそれを用いた無線
装置を提供することにある。

【０００７】また、この発明の目的は、基本波を十分に
抑圧し、且つ低損失化を図った発振器およびそれを用い
た無線装置を提供することにある。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【課題を解決するための手段】 この発明の発振器は、誘
電体基板上に構成した発振回路と、該発振回路の発振出
力信号を伝送する出力用伝送線路とを備え、出力用伝送
線路を、略平行な２つの導体板の間に誘電体ストリップ
を配置して成る誘電体線路とし、該誘電体線路の遮断周
波数を前記発振回路による発振信号の基本波成分または
基本波成分と低次の高調波成分を遮断し、それより高周
波の高調波成分を伝搬させるように定め、前記発振回路
は少なくとも一方端を開放させた半波長の整数倍の長さ
を有する線路のショート位置近傍に負性抵抗素子を実装
して成り、前記線路と前記出力用伝送線路とを結合さ
せ、前記負性抵抗素子に対するバイアス電圧を供給する
バイアス線路に、前記負性抵抗素子の接続点からバイア
ス電源を見たインピーダンスが、前記基本波の周波数お
よび前記高調波の周波数のもとで高インピーダンスとな
るようにスタブを設け、前記誘電体基板を、前記２つの
導体板の間に構成される空間に配置するとともに、前記
バイアス線路に、線路幅の広い部分と狭い部分とを設
け、前記線路幅の狭い部分の近傍に前記誘電体基板を前
記２つの導体板に固定するバネを設ける。

【００１４】この発明の発振器は、上記発振回路の線路
に弱結合をする端子を設け、この端子により、発振信号
をモニタリングできるようにする。

【００１５】

【００１６】

【００１７】この発明の無線装置は、これらのいずれか
の構造を有する発振器を用いて、例えばミリ波レーダな
どの送受信機として構成する。

【００１８】

【発明の実施の形態】第１の実施形態に係る発振器の構
成を図１〜図３を参照して説明する。図１の（Ａ）は、
上下の導体板を有する発振器の上部導体板を取り除いた
状態での平面図、（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ上部導体板
を設けた状態での（Ａ）におけるＢ−Ｂ部分，Ｃ−Ｃ部
分の断面図である。図１において、１は下部導体板、２
は上部導体板であり、この上下の導体板で挟まれる空間
内に発振器を構成している。図中の３，４はそれぞれ誘
電体基板である。誘電体基板３の上面には発振回路用の
線路７を設けていて、その所定位置にガンダイオード６
を接続している。このガンダイオード６は、ピルパッケ
ージ型であり、下部導体板１にマウントし、その突出す
る電極を誘電体基板３に形成した孔に挿通させて、ガン
ダイオードの電極を線路７に半田付けなどにより電気的
に接続している。

【００１９】誘電体基板３の上面には上記ガンダイオー
ド６に対するバイアス電圧を供給するバイアス線路８を
形成していて、その所定位置にスタブ９，１０を設けて
いる。また、誘電体基板３の上面には可変リアクタンス
素子１２を、線路７と可変リアクタンス素子用スタブ１
１との間に実装している。

【００２０】誘電体基板４の上面には、可変リアクタン
ス素子１２に対する制御電圧供給用の線路１３を形成し
ていて、その所定位置にスタブ１４，１５を形成してい
る。

【００２１】また図１において、５は誘電体ストリップ
であり、上下の導体板１，２の所定位置に誘電体ストリ
ップ５の幅を有する溝を形成して、その溝に沿って誘電
体ストリップ５を配置している。この誘電体ストリップ
５と上下の導体板１，２とによって非放射性誘電体線路
（以下「ＮＲＤガイド」という。）を構成する。特に、
この例では誘電体ストリップ５部分の上下の導体板間の
間隔より、その両側の空間部における上下導体板間の間
隔を狭くして、ＬＳＥ０１モードの伝搬を阻止し、ＬＳ
Ｍ０１モードの単一モードを伝搬するようにした非放射
性誘電体線路として作用する。

【００２２】誘電体基板３は、その上面に設けた線路７
の端部付近が誘電体ストリップ５の軸方向に垂直で且つ
上下の導体板に平行な方向を向き、その開放端が誘電体
ストリップ５の幅方向の中央に位置するように配置して
いる。このことにより、線路７と上下の導体板によるサ
スペンデッドラインのモードと上記誘電体線路のＬＳＭ
０１モードとが磁界結合する。

【００２３】図２は、図１に示した発振回路部分の構成
を示す回路図である。線路７上の１波長をλｇで表した
とき、この例では、線路７をＮ×λｇ／２の長さとし、
両端を開放させている。ここでＮは１以上の整数であ
る。ガンダイオード６のインピーダンスは数Ω程度と低
いので、線路の一方の開放端からλｇ／４の位置すなわ
ち等価的に略短絡点の位置にガンダイオード６を接続し
て、インピーダンス整合をとっている。このガンダイオ
ード６の接続位置から他方の開放端までの間の所定位置
に可変リアクタンス素子１２を接続している。可変リア
クタンス素子用スタブ１１はλｇ／４の長さを有し、端
部を開放させているので、線路７に対する可変リアクタ
ンス素子１２の接続点と等価的な接地との間に可変リア
クタンス素子１２を接続した構成となる。

【００２４】以上の構成により、ガンダイオード６によ
る発振信号は線路７を経由し、誘電体線路に結合し、そ
の誘電体線路を介して伝送される。

【００２５】上記ＮＲＤガイドは周波数カットオフ特性
を備え、その遮断周波数を、ガンダイオード６による基
本波発振周波数より高く、且つ２次高調波（２倍波）の
周波数より低くなるように、誘電体ストリップ５の比誘
電率、寸法および上下の導体板間の空間の寸法を定めて
いる。したがって、ＮＲＤガイドには発振信号の高調波
成分のみが伝送されることになる。例えばガンダイオー
ド６の基本発振周波数を３８ＧＨｚとしたとき、その２
次高調波である７６ＧＨｚがＮＲＤガイドに伝送される
ことになる。

【００２６】なお、３次高調波以上の高次の高調波も伝
送されるが、通常は高次になる程、その出力電力は小さ
くなるため、基本波に比べて、その影響は無視できる程
度である。

【００２７】ガンダイオード６による発振周波数は線路
７に装荷した可変リアクタンス素子１２のリアクタンス
によって変動するので、可変リアクタンス素子１２に対
する制御電圧によって発振周波数を調整または変調する
ことができる。また、制御電圧変化に対する発振周波数
変化の比は、線路７に対する可変リアクタンス素子１２
の接続位置によって変化するので、この可変リアクタン
ス素子の接続位置によって、周波数調整幅または変調幅
を定める。

【００２８】図３は図１に示したバイアス線路部分の構
成を示す図である。スタブ９はガンダイオード６の位置
から(1) だけ離れた位置に設け、バイアス線路８に対す
る接続点から開放端までの長さを(2) としている。ま
た、スタブ１０はガンダイオード６の位置から(3) だけ
離れた位置に設け、バイアス線路８に対する接続点から
開放端までの長さを(4) としている。上記(1) はガンダ
イオードの接続位置すなわち等価的に略短絡点の位置か
ら、バイアス線路上の２次高調波の波長で略１／４波長
としている。(2) は２次高調波の波長で略１／４波長で
ある。また、上記(3) はガンダイオードの接続位置すな
わち等価的に略短絡点の位置から、バイアス線路上の基
本波の波長で略１／４波長としている。(4) は基本波の
波長で略１／４波長である。但し、上記短絡点からスタ
ブ１０の接続位置までの長さ(3) はスタブ９の影響（上
記(1) および(2) の長さ）を考慮したものとしている。

【００２９】したがって、Ａからバイアス電源側をみた
インピーダンスＺは、基本波周波数および２次高調波の
周波数において高インピーダンス（理想的にはスミスチ
ャート上のインピーダンス無限大の点）となり、スタブ
９は２次高調波成分のトラップ、スタブ１０は基本波成
分のトラップとして作用する。これにより発振信号がバ
イアス線路を介してバイアス電源側へ漏れることがな
く、変調特性および発振効率が向上する。

【００３０】上記の２つのスタブと同様のスタブは、図
１に示したように制御電圧供給用線路１３にも設けてい
る。スタブ１４は可変リアクタンス素子用スタブ１１の
等価的短絡点から２次高調波の波長で１／４波長離れた
位置に接続し、その接続点から開放端までの長さを２次
高調波の波長で１／４波長としている。また、スタブ１
５は可変リアクタンス素子用スタブ１１の等価的短絡点
から基本波の波長で１／４波長離れた位置に接続し、そ
の接続点から開放端までの長さを基本波の波長で１／４
波長としている。したがって、発振信号が制御電圧供給
用線路１３側に漏れることもなく、変調特性および発振
効率が向上する。

【００３１】次に、第２の実施形態に係る発振器の構成
を図４に示す。この図４は上部導体板を取り除いた状態
での平面図である。図１に示した例とは異なり、誘電体
基板３に電極２１およびそれに接続した調整用端子２０
を設けている。また、この例では、電圧制御による周波
数可変のための構造を備えていない。

【００３２】図４において電極２１は線路７と弱結合
し、調整用端子２０にスペクトルアナライザなどを接続
することによって、発振信号をモニタリングできるよう
にしている。例えば発振周波数を調整する場合、その基
本波周波数が、実際に用いる２次高調波周波数の１／２
の値となるように、線路７の一方の開放端Ｔ部分をトリ
ミングする。

【００３３】このように、電極２１は線路７に弱結合す
るだけであるので、ほかに悪影響を与えることがない。
なお、基本波成分が阻止されていない線路７に弱結合し
て発振信号をモニタリングするため、ＮＲＤガイドに出
力する発振周波数より低い周波数である基本波の周波数
を測定することができ、低価格のスペクトルアナライザ
を用いることが可能となる。

【００３４】なお、第１の実施形態で示したように、可
変リアクタンス素子を設けて、発振周波数を電圧制御可
能とし、上記調整用端子により取り出した信号から発振
周波数を検出し、規定の周波数になるように、制御電圧
にフィードバックを掛けるようにし、発振周波数の安定
化を図るようにしてもよい。

【００３５】次に、第３の実施形態に係る発振器の構成
を図５を参照して説明する。第１・第２の実施形態で
は、上下の導体板で挟まれる空間内に誘電体基板３を設
けたが、この第３の実施形態では、上下の導体板の外側
に誘電体基板３を配置する。すなわち上部導体板２に、
誘電体ストリップ５の長手方向に沿ってスロット２２を
形成し、このスロット２２に対して発振回路の線路７が
直交するように誘電体基板３を配置する。この誘電体基
板３の構成は図１または図４に示したものと基本的に同
様である。ただし、発振回路の線路７を伝搬するマイク
ロストリップラインのモード（略ＴＥＭモード）と誘電
体線路のＬＳＭモードとは、スロット２２を介して磁界
結合する。このとき、ＴＥＭモードの磁界はスロット２
２を介して広がるのに対し、ＬＳＭモードの磁界はスロ
ット２２から誘電体基板３側へほとんど漏れない。その
ため、線路７からＮＲＤガイドへ一方向性結合すること
になる。このような構成によれば、ＮＲＤガイドの不連
続部での反射波がガンダイオード側へ戻ったとしても、
その信号レベルが抑えられ、しかもＮＲＤガイドが基本
波成分を伝搬しないことから、ガンダイオード６側へ戻
る信号には基本波成分が含まれていない。そのため、発
振特性に与える影響は極めて小さくなる。

【００３６】次に、第４の実施形態に係る発振器の構成
を図６を参照して説明する。図６の（Ａ）は上部導体板
を取り除いた状態での発振回路部分の平面図、（Ｂ）は
上部導体板を設けた状態での、バイアス線路に垂直な面
での断面図である。この例では、バイアス線路８に線路
幅の広い部分ｗと線路幅の狭い部分ｎの繰り返しパター
ンを形成して、これにより発振信号成分を遮断するロー
パスフィルタ特性を持たせている。そして、ｎで示す狭
路部分に凹状バネ２３を設けている。この凹状バネ２３
は、誘電体基板３と上部導体板２との間の空間部分に配
置され、誘電体基板３を下部導体板１側へ押しつける。
したがって、仮に誘電体基板３に多少の反りがあって
も、誘電体基板３が上下の導体板により生じる空間内に
確実に固定され、安定した周波数特性が得られる。

【００３７】なお、凹状バネをバイアス線路の狭路部に
設けたことにより、凹状バネがバイアス線路に導通する
ことがなく、しかもこの部分はバイアス線路が等価的に
インダクタとして作用する部分であるので、バイアス線
路に対して殆ど影響を与えることがない。

【００３８】次に、平面誘電体線路を出力用伝送線路と
して用いた例を図７を参照して説明する。図７は、発振
回路と出力用伝送線路とを含む発振器の主要部の構成を
示す斜視図である。図７において、３０は誘電体基板で
あり、その上面に電極３１ａ，３１ｂを設けて、この２
つの電極３１ａ，３１ｂで挟まれる領域にスロットを形
成している。誘電体基板３０の下面にも電極３２ａ，３
２ｂを設けて、この２つの電極３２ａ，３２ｂで挟まれ
る領域にスロットを形成している。この構造により、主
として上下２つのスロットで挟まれる誘電体基板内の領
域を伝搬路とする平面誘電体線路（ＰＤＴＬ）を構成し
ている。図中の破線の矢印は磁界ベクトル、実線の矢印
は電界ベクトルをそれぞれ表している。また、同図にお
いて３は誘電体基板であり、線路７を形成してマイクロ
ストリップラインを構成している。この線路７の面を上
記平面誘電体線路の略中央面の高さとなるように、且つ
線路７が平面誘電体線路の電磁波伝搬方向に垂直となる
ように、両者を配置している。その他の部分の構成は図
１に示したものと同様である。このような構成により、
平面誘電体線路とマイクロストリップラインとは磁界結
合し、平面誘電体線路を出力用伝送線路とする発振器を
得る。

【００３９】次に、無線装置の実施形態として、ミリ波
レーダの構成例を図８を参照して説明する。図８におい
て、ＶＣＯは第１の実施形態で示した発振器である。こ
のＶＣＯは信号処理回路から与えられる例えば三角波信
号で周波数変調して、発振信号を出力する。この発振出
力信号は、アイソレータ→カプラ→サーキュレータを経
由して、１次放射器に伝送される。これにより１次放射
器は、誘電体レンズなどを介して所定ビーム幅でミリ波
信号を送信する。カプラは送信信号の一部をローカル信
号としてミキサへ与える。物体からの反射波が１次放射
器に入射すると、受信信号がサーキュレータを経てミキ
サに与えられる。ミキサは、サーキュレータからの受信
信号と上記ローカル信号とを混合して中間周波信号を生
成する。ＩＦアンプは、この中間周波信号を増幅して信
号処理回路へ与える。信号処理回路はＶＣＯに与えた変
調信号とＩＦ信号とから、物体までの距離および物体の
相対速度を検出する。

【００４０】なお、実施形態ではピル型のガンダイオー
ドを用いたが、表面実装型のガンダイオードを誘電体基
板上に実装するようにしてもよい。また、負性抵抗素子
としてガンダイオード以外にＦＥＴなどの３端子型の素
子を用いてもよい。例えばＭＯＳ−ＦＥＴを用いる場
合、そのドレインにＮＲＤガイドとの結合用の線路を接
続し、ソースに共振線路を接続し、ゲートにバイアス線
路を接続する。

【００４１】また、実施形態では、基本波が３８ＧＨｚ
帯のガンダイオードを用いて、その２次高調波である７
６ＧＨｚ帯の発振信号を得るようにしたが、目的によっ
て３次高調波以上の高次の高調波成分を出力用伝送線路
に伝送させるように、その遮断周波数を２次高調波と３
次高調波との間に定めるようにしてもよい。

【００４２】さらに、実施形態では誘電体基板３に設け
た発振回路の線路７を誘電体ストリップ５の端部に近接
させることによって、線路間の結合をとるようにした
が、誘電体ストリップを上下の導体板に平行な面で上下
に分割し、その上下の誘電体ストリップの間に誘電体基
板を配置して、発振回路の線路とＮＲＤガイドとを結合
させるようにしてもよい。

【００４３】

【００４４】

【００４５】

【００４６】

【発明の効果】この発明によれば、ガンダイオードなど
の低インピーダンスの負性抵抗素子と線路とのインピー
ダンス整合を容易にとることができ、出力電力を高める
ことができる。また、発振信号がバイアス線路へ漏れる
ことがなく、変調特性および発振効率が高まる。さら
に、誘電体基板の変形による特性のばらつきが抑えら
れ、安定した特性が得られる。また、直接発振が困難な
高周波の信号を容易に得ることができ、小型で共振周波
数の調整も容易となり、量産性に適し、低コスト化を図
ることができる。また、基本波成分または低次の高調波
が出力用伝送線路で確実に遮断され、用いるべき高調波
成分のみが伝送されるため、利用しようとする高調波の
信号が減衰することがなく、そのため損失も生じない。
さらに誘電体基板の変形による特性のばらつきが抑えら
れ、安定した特性が得られる。また、発振信号がバイア
ス線路へ漏れることがなく、変調特性および発振効率が
高まる。

【００４７】この発明によれば、発振周波数を制御電圧
で可変とすることができ、電圧制御発振器として用いる
ことができる。

【００４８】この発明によれば、発振回路に悪影響を与
えることなく、しかも、利用しようとする周波数より低
い基本波周波数信号をモニタリングできるため、低価格
の測定器を用いることができる。

【００４９】

【００５０】

【００５１】この発明によれば、全体に小型で低損失・
高利得のミリ波レーダなどが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る発振器の構成を示す図

【図２】同発振器における発振回路の線路と、ガンダイ
オードなどの接続位置の関係を示す図

【図３】同発振器における発振回路のバイアス線路の構
成を示す図

【図４】第２の実施形態に係る発振器の構成を示す図

【図５】第３の実施形態に係る発振器の構成を示す図

【図６】第４の実施形態に係る発振器の構成を示す図

【図７】第５の実施形態に係る発振器の構成を示す部分
斜視図

【図８】第６の実施形態に係るミリ波レーダの構成を示
すブロック図

【符号の説明】

１−下部導体板 ２−上部導体板 ３，４−誘電体基板 ５−誘電体ストリップ ６−ガンダイオード ７−線路 ８−バイアス線路 ９−高調波用スタブ １０−基本波用スタブ １１−可変リアクタンス素子用スタブ １２−可変リアクタンス素子 １３−制御電圧供給用線路 １４−高調波用スタブ １５−基本波用スタブ ２０−調整用端子 ２１−電極 ２２−スロット ２３−凹状バネ ３０−誘電体基板 ３１，３２−電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０３Ｂ 9/14 Ｈ０３Ｂ 9/14 (72)発明者 谷崎 透 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 (56)参考文献 特開 平９−205304（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−48604（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−136010（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−242717（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−23109（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−355048（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03B 1/00 - 29/00 H01P 3/16 H01P 5/00 - 5/22

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体基板上に構成した発振回路と、該
   発振回路の発振出力信号を伝送する出力用伝送線路とを
   備えた発振器において、 前記出力用伝送線路を、略平行な２つの導体板の間に誘
   電体ストリップを配置して成る誘電体線路とし、 該誘電体線路の遮断周波数を前記発振回路による発振信
   号の基本波成分または基本波成分と低次の高調波成分を
   遮断し、それより高周波の高調波成分を伝搬させるよう
   に定め、 前記発振回路は少なくとも一方端を開放させた半波長の
   整数倍の長さを有する線路のショート位置近傍に負性抵
   抗素子を実装して成り、前記線路と前記出力用伝送線路
   とを結合させ、 前記負性抵抗素子に対するバイアス電圧を供給するバイ
   アス線路に、前記負性抵抗素子の接続点からバイアス電
   源を見たインピーダンスが、前記基本波の周波数および
   前記高調波の周波数のもとで高インピーダンスとなるよ
   うにスタブを設け、 前記誘電体基板を、前記２つの導体板の間に構成される
   空間に配置するとともに、前記バイアス線路に、線路幅
   の広い部分と狭い部分とを設け、前記線路幅の狭い部分
   の近傍に前記誘電体基板を前記２つの導体板に固定する
   バネを設けたことを特徴とする 発振器。
2. 【請求項２】 前記発振回路の線路に可変リアクタンス
   素子を接続し、該可変リアクタンス素子に対する制御電
   圧を供給する線路を設けたことを特徴とする請求項１に
   記載の発振器。
3. 【請求項３】 前記発振回路の線路に弱結合する端子を
   設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の発振
   器。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のうちいずれかに記載の発
   振器を用いた無線装置。