(57)【要約】【課題】可変容量素子などの集中定数素子の実装をともなわず、寄生リアクタンス成分などによる発振特性の劣化が少ない周波数可変発振器を提供することである。【解決手段】周波数可変発振器は、負性抵抗素子１２と共振器１１とを帰還回路で閉じた発振器である。周波数可変発振器は、帰還回路の少なくとも一部に、共振器１１における電気長を変調できるように分布定数をもって構成された分布定数材料１３と、分布定数材料１３を外部制御する制御手段１５、１５１、１５２とを含み、制御手段１５、１５１、１５２の外部制御によって発振周波数を可変とできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負性抵抗素子と共振器とを帰還回路で閉じた発振器であって、前記帰還回路の少なくとも一部に、前記共振器における電気長を変調できるように分布定数をもつように構成された分布定数材料と、前記分布定数材料を外部から制御する制御手段とを含み、前記制御手段の外部制御によって発振周波数を可変とできることを特徴とする周波数可変発振器。
【請求項２】
前記分布定数材料は液晶を含み、前記制御手段は外部制御として液晶分子の配向を変えるための電界制御を行う請求項１記載の周波数可変発振器。
【請求項３】
前記分布定数材料は電気泳動粒子を含み、前記制御手段は外部制御として電気泳動粒子の空間分布を変えるための電界制御を行う請求項１記載の周波数可変発振器。
【請求項４】
前記分布定数材料はバイメタル合金を含み、前記制御手段は外部制御としてバイメタル合金の形状を変えるための熱制御を行う請求項１記載の周波数可変発振器。
【請求項５】
前記共振器は、高周波伝送路を有限な長さで切断したマイクロストリップ共振器からなる請求項１乃至４のいずれかに記載の周波数可変発振器。
【請求項６】
前記マイクロストリップ共振器に高周波伝送路を電磁結合し、発振出力を外部回路へ取り出せる請求項５記載の周波数可変発振器。
【請求項７】
前記負性抵抗素子は、フォトンアシストトンネルに基づいた共鳴トンネルダイオードである請求項１乃至６のいずれかに記載の周波数可変発振器。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の周波数可変発振器を備え、周波数可変発振器より出力された電磁波を検体に導き、検体の情報をのせた検体からの電磁波を検出手段で検出することを特徴とするセンシング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数可変発振器、センシング装置などに関し、特には、ミリ波帯からテラヘルツ帯（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）の周波数領域における周波数可変発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波帯における周波数可変発振器では、発振器の一部に可変容量素子を備え、この静電容量を外部電界によって制御して発振周波数を可変とすることができるものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に開示された周波数可変発振器の一例について、図１１を用いて説明する。同図(a)は平面図、同図(b)は断面図を表す。この周波数可変発振器では、負性抵抗素子５２とＣＰＷ（コプレーナウェーブガイド）共振器５１とを接地導体５４を介して帰還回路で閉じ、これと並列に可変容量ダイオード５３が実装されている。負性抵抗素子５２は帰還回路に電力を供給し、共振の維持が行われるようになると発振する。発振周波数は、ＣＰＷ共振器５１と可変容量ダイオード５３の静電容量とによって決定される共振周波数に依存する。そのため、可変容量ダイオード５３に印加された制御電界を変化させると、可変容量ダイオード５３の静電容量が変化し、これにともない発振周波数を可変とできる。尚、図１１において、５３１はコンデンサ、５７は出力線、５８は誘電体である。
【特許文献１】特開２００３−２０４２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、発振周波数をミリ波帯からテラヘルツ帯に選択した従来の可変周波数発振器においては、可変容量素子を実装する際に生じる寄生リアクタンス成分は発振特性を劣化させる恐れがある。例えば、上述の周波数帯において使用する可変容量素子の静電容量は小さいため、比較的大きな寄生静電容量が発生すると高周波のほとんどは寄生静電容量をバイパスしてしまい、十分な静電容量変化比が得られない。ゆえに、発振周波数を可変とできる範囲は狭くなる。また、実装構造に発生する寄生インダクタンスとの寄生的な共振構造の形成も考えられ、典型的な場合、発振出力は低下する。さらに、現時点でいえば、テラヘルツ帯で使用する可変容量素子の静電容量は極めて小さいため、その作製さえ難しいとされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明の周波数可変発振器は、負性抵抗素子と共振器とを帰還回路で閉じた発振器であって、前記帰還回路の少なくとも一部に、前記共振器における電気長を変調できるように分布定数をもつように構成された分布定数材料と、前記分布定数材料を外部制御する制御手段とを含み、前記制御手段の外部制御によって発振周波数を可変とできるように構成されたことを特徴とする。本発明の周波数可変発振器の構成は次の点に基づいている。特にミリ波帯からテラヘルツ帯の可変周波数発振器では、その実装にともなって前述の寄生リアクタンス成分を発生させる集中定数素子（扱う電磁波の波長に比べて、大きさが比較的小さい素子）である可変容量素子に依らない方法を見いだすことが重要である。この点に注目して、本発明では、発振器における共振器の電気長（共振器の物理的長さ／√εeff；εeffは共振器における実効的な比誘電率）を変調できる上記分布定数材料を利用するのである。
【０００６】
また、上記課題に鑑み、本発明のセンシング装置は、上記周波数可変発振器を備え、周波数可変発振器より出力された電磁波を検体に導き、検体の情報をのせた検体からの電磁波を検出手段で検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、可変容量素子などの集中定数素子の実装をともなわないために、前述の寄生リアクタンス成分による発振特性の劣化は問題にならないという効果を有する。さらに、電気長の変調を比較的大きくとることができる分布定数材料を利用すれば、比較的広い周波数領域に渡って発振周波数を可変とできる効果も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の好適な一実施形態を、図１を参照しながら以下に説明する。
本実施形態に係る周波数可変発振器は、負性抵抗素子１２とマイクロストリップ共振器１１とを接地導体１４を介して帰還回路で閉じ、液晶１３はマイクロストリップ共振器１１と電磁結合するように構成される。負性抵抗素子１２は帰還回路に高周波を供給し、利得が十分であると発振に至る。ミリ波帯からテラヘルツ帯で利得を得ることができる負性抵抗素子１２としては、例えば、フォトンアシストトンネルに基づいた共鳴トンネルダイオードを選択することが可能であり、これを集積化して帰還回路に実装すると利得低下の低減のため好ましい。発振周波数はマイクロストリップ共振器１１における電気長に依存する。そのため、液晶１３に印加された制御電界を変化させると、液晶１３における誘電率変化に起因してマイクロストリップ共振器１１の電気長が変調され、これにともない発振周波数を可変とすることができる。ここでは、液晶１３は容器状の保持材１６によって保持され、上記制御電界は、液晶１３を挟むように図１の如く形成された一対の制御用電極１５１、１５２を含む外部電界制御装置１５を用いて制御される。保持材１６は、電磁波に対して損失の少ない材料により形成されている。
【０００９】
この様な構造において、マイクロストリップ共振器１１の電気長が変調できるしくみ、つまり、液晶１３における誘電率変化のしくみを、図１の横方向（共振器長方向と直角な方向）断面構造を表した図２に説明する。液晶１３は、追従が可能な程度の制御電界によって、液晶分子２２の配向が変わる性質を持つ。液晶分子は一般に長軸方向と短軸方向との誘電率が異なるため、液晶分子の配向の追従を許さない高周波電界２１に対しては、誘電率異方性のある誘電体として作用する。典型的な場合、高周波電界２１の向きに対して液晶分子２２の長軸方向が平行であるとき誘電率は高く、垂直であるとき誘電率は低い。したがって、マイクロストリップ共振器１１に閉じ込められる高周波電界と電磁結合する液晶１３の誘電率が高い場合、マイクロストリップ共振器１１の電気長は伸張し、発振周波数は低周波側にシフトする。その反対に、マイクロストリップ共振器１１に閉じ込められる電界と結合する液晶１３の誘電率が低い場合は、マイクロストリップ共振器１１の電気長は短縮し、発振周波数は高周波側にシフトする。
【００１０】
可変とできる発振周波数の範囲を広くする（シフト分を大きくする）ために、好ましくは、液晶分子における長軸方向と短軸方向の誘電率異方性が高い液晶材料がよく、一般的にはネマティック液晶が優れている。また、共振器に閉じ込められる高周波電界２１と液晶１３との電磁結合が大きいほどよい。マイクロストリップ共振器１１は共振器として単純な構造で比較的設計の自由度が高いため、マイクロストリップ共振器１１における高周波電界の閉じ込めを調整することが可能である。
【００１１】
本実施形態において可変とできる発振周波数の範囲を見積もる。そのため、ｆnをマイクロストリップ共振器１１のn次（nは自然数）の共振モードに依存する発振周波数、Δｆをｆnのシフト分、√εeffをマイクロストリップ共振器１１における実効的な比誘電率の平方根、Δ√εeffを√εeffの液晶１３による変化分として表すとすると、Δf/fn=Δ√εeff/√εeffが近似的に成り立つ。
【００１２】
(i)液晶１３の材料としてネマティック液晶4’-n-pentyl-4-cyanobipenylを選択すると、０．３ＴＨｚから１．４ＴＨｚまでの領域においてΔ√εr＝０．２程度、１ＴＨｚにおいて√εr＝１．７程度であることが知られている（アプライド
オプテクス，第４２巻，２３７２頁（２００３年）を参照）。
【００１３】
(ii)マイクロストリップ共振器１１と液晶１３との電磁結合の大きさが比較的大きくなるような構造を想定し、マイクロストリップ共振器１１における実効比誘電率εeffと液晶１３の比誘電率εrとの関係は√εeff＝０．９√εrとする（Brian
C. Wadell著 ”Transmission Line Design Handbook”, ARTECH HOUSE INC(１９９１)，３章を参照）。
【００１４】
(i)、(ii)より試算された可変周波数の範囲は、ｆn＝１ＴＨｚとすると、１．００〜１．１１ＴＨｚとなる。つまり、発振周波数の１１％のシフトが可能であることを意味し、これは従来の可変容量素子に依る方法と比べても比較的大きなシフトといえる。
【００１５】
以上のように、本発明に係る周波数可変発振器の一実施形態では、共振器の電気長を変調するために誘電率異方性のある液晶の配向を利用し、これを電界制御することによって発振周波数を可変し、可変とできる発振周波数の範囲も比較的大きくすることができる。さらに、この実施形態では、液晶分子の配向を変えるための制御電界として、ＤＣから低周波電界を用いることも可能であり、本発明に係る周波数可変発振器はＦＭ変調の可能な発振器として動作することもできる。
【００１６】
ただし、本発明に係る周波数可変発振器の実施形態はこれに限らない。例えば、電気泳動粒子の電界制御による誘電率濃度の空間分布を利用した電気長の変調方法（図３）や、バイメタル合金の熱制御による実効的な誘電率変化を利用した電気長の変調方法（図４）も有効である。横方向（共振器長方向と直角な方向）断面構造を示す図３は、電気泳動粒子溶媒１０３中の荷電粒子１０２の分布が、一対の制御用電極１５１、１５２による電界制御で変化する様子を示す。これにより、マイクロストリップ共振器１１に閉じ込められる高周波電界１０１と電磁結合する電気泳動粒子による誘電率分布が変化し、共振器１１の電気長が変調させられる。共振器長方向断面構造を示す図４は、誘電体１１８上に形成された２種類の金属１１１、１１２からなるバイメタル合金（マイクロストリップ共振器でもある）における実効的な誘電率が、外部熱制御装置１１５による熱制御で変化する様子を示す。バイメタル合金１１１、１１２は熱制御で種々に変形可能で、これと誘電体１１８の間に多様な空隙１２２を形成することができる。これにより、マイクロストリップ共振器１１１、１１２に閉じ込められる高周波電界１２１が感じる誘電率が変化して、共振器の電気長が変調させられる。尚、１１４は接地導体である。
【００１７】
また、本実施形態に係る周波数可変発振器における発振出力の取り出し方として、幾つかのよく知られた方法の中から選択することができる。例えば、マイクロストリップ共振器１１に高周波伝送路を電磁結合し、発振出力の一部を外部回路へ取り出せるようにする方法がある。また、マイクロストリップ共振器に捕らえられた電磁界が遠方界を持つようなマイクロストリップ共振器１１を用いて、発振出力の一部を外部空間へ取り出せるようにする方法なども利用できる。
【実施例】
【００１８】
以下に、さらに具体的な実施例を、図を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施例１）
図５は、本発明に係る周波数可変発振器の第一の実施例の構造を示している。第一の実施例では、共振器として、マイクロストリップライン（ＭＳＬ）を有限な長さで切断し、両端を開放としたＭＳＬ共振器３１を使用している。負性抵抗素子である共鳴トンネルダイオード３２は、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の半導体材料を多重量子井戸構造としたフォトンアシストトンネルに基づく活性構造を有している。この活性構造は、例えば、ＩｎＧａＡｓ４．０ｎｍ／ＩｎＡｌＡｓ８．４ｎｍ／ＩｎＧａＡｓ４．４ｎｍ／ＩｎＡｌＡｓ５．４ｎｍ／ＩｎＧａＡｓ４．０ｎｍの多層構造から成り、ミリ波帯からテラヘルツ帯の利得を得る。共鳴トンネルダイオード３２は、ＭＳＬ共振器３１と接地導体３４とを二端子として選び、エッチング、埋め込み加工、金属薄膜の蒸着などのプロセスを経て、帰還回路を形成する。
【００２０】
このとき、共鳴トンネルダイオード３２の位置として、ＭＳＬ共振器３１における共振器長Ｌ方向については中央からオフセットした位置（節でない位置）を選択し、これと垂直な幅方向については中央（節の位置）を選択すると、ＭＳＬ共振器３１に捕らえられる電磁界は共振器長Ｌを選択して、発振に至る。分布定数材料であるネマティック液晶4’-n-pentyl-4-cyanobipenyl３３は保持材３６に保持され、ＭＳＬ共振器３１と接地導体３４との間に位置するように構成されている。ＭＳＬ共振器３１における高周波電界は、すでに述べたようにネマティック液晶4’-n-pentyl-4-cyanobipenyl３３における液晶分子の配向の強い影響を受けるから、制御用電極３５１、３５２でこの配向を制御することでＭＳＬ共振器３１の電気長の変調が可能であり、発振周波数を可変とできる。
【００２１】
共鳴トンネルダイオード３２の内部構造及び実装構造にともなうリアクタンスがゼロとなるように選択すると、ＭＳＬ共振器３１の基準モードに由来する発振周波数は、ｆ1＝ｃ/(２×Ｌ×√εeff)で表される（ｃは真空中における光速、ＬはＭＳＬ共振器長）。したがって、ＭＳＬ共振器３１の共振器長Ｌ＝９６ミクロン、幅を１２ミクロン、ＭＳＬ共振器３１と接地導体３４の間隔を２ミクロンと設計すると、ＭＳＬ共振器３１において√εeff＝１．５３であり、発振周波数ｆ1＝１ＴＨｚが得られる。このとき、外部電界制御装置３５（制御用電極３５１、３５２を含む）は、ＭＳＬ共振器３１に捕らえられている電磁界と電磁結合しないように、ＭＳＬ共振器３１と十分な距離（例えば１０ミクロン）をおいて構成すると良い。制御電界の大きさを強めると、ネマティック液晶4’-n-pentyl-4-cyanobipenyl３３における液晶分子は、外部電界制御装置３５（制御用電極３５１、３５２）による制御電界の向きに揃うように配向を変える。したがって、ＭＳＬ共振器３１における高周波電界の向きと揃わなくなり、すでに述べた見積もりのように発振周波数は１ＴＨｚから１．１１ＴＨｚへシフトする。逆に、制御電界の大きさを弱めると、液晶分子の配向はＭＳＬ共振器３１における高周波電界の向きと揃うようになり、高周波電界と電磁結合する液晶の誘電率が高くなってＭＳＬ共振器３１の電気長は伸張し、発振周波数は低周波側にシフトする。
【００２２】
ここで、共鳴トンネルダイオード３２へのバイアス供給（不図示）は、ＭＳＬ共振器３１における高周波への影響がないように、バイアスＴあるいはローパスフィルターを介して接続されると良い。
【００２３】
図５において、ＭＳＬ３７は外部回路へ発振出力を取り出すために誘電体３８上に設けられたものである。ＭＳＬ３７はＭＳＬ共振器３１と容量性結合を介して電磁結合され、ＭＳＬ共振器３１における発振出力の一部はＭＳＬ３７を伝播するようになる。したがって、外部回路へ発振出力を取り出すことができる。なお、ＭＳＬ３７を設けない場合を考えると、ＭＳＬ共振器３１の両端は開放として終端されているため、得られる発振出力の一部としてＭＳＬ共振器３１のほぼ上方に遠方界が残る。つまり、この場合は、外部空間へ発振出力の一部を取り出すことが可能である。
【００２４】
（実施例２）
図６は、本発明に係る周波数可変発振器の第二の実施例の構造を示している。図７は、図６の横方向（共振器長方向と直角な方向）断面構造を表した図である。第二の実施例では、共振器として、コプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を有限な長さで切断し、両端を開放としたＣＰＷ共振器６１を使用している。ＣＰＷ共振器６１における接地導体６５１、６５２は制御用電極も兼ねている。したがって、制御用電極としての導体６５１、６５２間では、制御用のＤＣから低周波電界を発生させるための電位のオフセットをともなう。ただし、高周波電界と制御用電界には重ね合わせが成り立つため、問題なくネマティック液晶4’-n-pentyl-4-cyanobipenyl６３における液晶分子の配向を制御することができる。尚、図６と図７において、６２は共鳴トンネルダイオードなどの負性抵抗素子、６４は接地導体、６６は液晶の保持材である。
【００２５】
この様なＣＰＷ共振器６１に捕らえられる高周波電界７１は、図６の断面構造を表した図７に示される。このとき制御電界の大きさを強めると、ネマティック液晶4’-n-pentyl-4-cyanobipenyl６３における液晶分子７２は、外部電界制御装置６５（制御用電極６５１、６５２）による制御電界の向きに揃うように配向を変え、ＣＰＷ共振器６１における高周波電界７１の向きと揃うようになる。したがって、発振周波数は低周波側へシフトする。その他の点は、第一の実施例と同様である。
【００２６】
（実施例３）
図８は、本発明に係る周波数可変発振器の第三の実施例の構造を示している。図９は、図８の共振器長方向断面構造を表した図である。第三の実施例では、共振器として、導波管を有限な長さで切断し、両端を開放とした導波管共振器８１を使用している。導波管共振器８１の一部には、負性抵抗素子である共鳴トンネルダイオード８２にバイアス供給するための構造（共鳴トンネルダイオード８２の上部）がともなって設けられる必要があるが、図示しないバイアス供給は、導波管共振器８１における高周波に影響がないように行われることが好ましい。共振器長方向に対向する一対の制御用電極８５１、８５２は、保持材８６、８７によって保持されるネマティック液晶4’-n-pentyl-4-cyanobipenyl８３における液晶分子の配向を制御する。ただし、制御用電極８５１、８５２は、導波管共振器８１に捕らえられている電磁界と電磁結合しないように、導波管共振器８１と十分な距離（例えば、保持材８６、８７を介して１００ミクロン）をおいて構成することが望ましい。
【００２７】
この様な導波管共振器８１に捕らえられる高周波電界９１は、例えば、図８の共振器長Ｌ方向断面構造を表した図９に示される。このとき制御電界の大きさを強めると、ネマティック液晶4’-n-pentyl-4-cyanobipenyl８３における液晶分子９２は、外部電界制御装置８５（制御用電極８５１、８５２）による制御電界の向きに揃うように配向を変える。したがって、導波管共振器８１における高周波電界９１の向きと揃わなくなって、導波管共振器８１の電気長が短縮して発振周波数は高周波側へシフトする。
【００２８】
ただし、以上の実施例において、マイクロストリップ共振器の実施形態は上記の例に限るものではない。例えば、高周波伝送路として知られるスロットラインなどを有限の長さに切断した構造もマイクロストリップ共振器に含まれる。また、有限の長さに切断した高周波伝送路の両端の終端方法についても両端開放には限らない。
【００２９】
（実施例４）
第四の実施例はセンシング装置に関する。図１０は、本発明に係る周波数可変発振器を使用した第四の実施例の構造を示している。第四の実施例のセンシング装置では、本発明に係る周波数可変発振器４１を備え、周波数可変発振器４１より出力された電磁波をサンプル４３に通過させる。そして、サンプルの複素誘電率に由来する振幅の減衰、位相の遅延情報などをのせた電磁波が検出器４５にて検出される。この際、周波数可変発振器４１によって出力される電磁波の周波数を制御すると、サンプル４３における複素誘電率のスペクトルを得ることができる。広い周波数領域に渡って発振周波数を可変とすることができる程、広範囲のスペクトルが得られるため、本発明に係る周波数可変発振器はこの様なセンシング装置に適している。
【００３０】
このとき、周波数可変発振器４１から出力される電磁波を外部回路に取り出す方法を選択して、図１０(a)のように、第一の高周波伝送路４２１でサンプル４２まで伝送し、第二の高周波伝送路４４１で検出器４３へ入力する方法を採用することができる。あるいは、外部空間に取り出す方法を選択して、図１０(b)のように、第一の集光器４２２でサンプル４２に集光し、第二の集光器４４２で検出器４５へ入力する方法なども利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の周波数可変発振器のうち、ミリ波帯からテラヘルツ帯のコンパクトでチューナブルな発振器は、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求める分光技術、生体分子の解析、及びこれらを装置に組み込んだセンシング応用のために有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る周波数可変発振器の一実施形態を説明する斜視図である。
【図２】本発明に係る周波数可変発振器が発振周波数を可変とできるしくみを説明する断面図である。
【図３】本発明に係る周波数可変発振器の他の実施形態を説明する断面図である。
【図４】本発明に係る周波数可変発振器の他の実施形態を説明する断面図である。
【図５】本発明の第一の実施例を説明する斜視図である。
【図６】本発明の第二の実施例を説明する斜視図である。
【図７】図６の断面図である。
【図８】本発明の第三の実施例を説明する斜視図である。
【図９】図８の断面図である。
【図１０】本発明の第四の実施例であるセンシング装置を説明する斜視図である。
【図１１】従来例の周波数可変発振器を説明する図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１、３１、５１、６１、８１…共振器（マイクロストリップ共振器）
１２、３２、６２、８２…負性抵抗素子（共鳴トンネルダイオード）
１３、３３、６３、８３、１０２、１１１、１１２…分布定数材料（液晶、電気泳動粒子、バイメタル合金）
１５、３５、６５、８５…制御手段（外部電界制御装置、外部熱制御装置）
４１…周波数可変発振器
４３…検体（サンプル）
４５…検出手段（検出器）
１５１、１５２、３５１、３５２、６５１、６５２、８５１、８５２…制御用電極
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図９】
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