(57)【要約】【課題】  誘電体共振器１０３を用いる発振器において、台座１０６上への搭載作業が簡単で、高精度に垂直方向及び台座面上のＸ軸、Ｙ軸方向の位置決めを行う。【解決手段】  誘電体共振器１０３を搭載する台座１０６上にガイド４１，４２を設け、Ｙ軸方向の動きを規制するとともに、台座１０６に窪み２を設けて接着剤３を充填した。誘電体共振器１０３を台座１０６上に搭載する際、出力周波数をモニタしながら、誘電体共振器１０３を、マニピュレータにてＸ軸方向に微小距離づつ移動させ、所望周波数が得られる位置で、マニピュレータから離す。このとき、ガイド４１，４２により共振器１０３が動いてしまうことがなくなり、次に、接着剤を熱硬化させる際に、接着剤が流動して動いてしまうのを防止でき、簡単な作業で、確実な実装を実現できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体共振器と、発振器回路を含むモノリシック集積回路とを近接して配置したマイクロ波・ミリ波帯発振器であって、前記誘電体共振器を搭載した台座の上に、前記誘電体共振器の移動方向を規制するガイドを設けたことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項２】
請求項１において、前記ガイドを、このガイドに沿って移動した前記誘電体共振器が、前記モノリシック集積回路内の結合線路と電磁結合する範囲を含むように形成したことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記ガイドを、低誘電率の有機材料で形成したことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記ガイドの誘電率を、２〜５としたことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記ガイドを、前記モノリシック集積回路の配線パターン等を保護するレジスト材と共通の材料で形成したことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項６】
誘電体共振器と、発振器回路を含むモノリシック集積回路とを近接して配置したマイクロ波・ミリ波帯発振器であって、前記誘電体共振器を搭載した台座の、前記誘電体共振器の直下部に、前記誘電体共振器の底面積より小さく、かつ前記誘電体共振器の底部に向って開口する窪みを設け、この窪み内に低誘電率の接着剤を充填したことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項７】
誘電体共振器と、発振器回路を含むモノリシック集積回路とを近接して配置したマイクロ波・ミリ波帯発振器であって、前記誘電体共振器を搭載した台座の上に、前記誘電体共振器の移動方向を規制するガイドを設けるとともに、前記誘電体共振器を搭載した台座の、前記誘電体共振器の直下部に、前記誘電体共振器の底面積より小さく、かつ前記誘電体共振器の底部に向って開口する窪みを設け、この窪み内に低誘電率の接着剤を充填したことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項８】
誘電体共振器と、発振器回路を含むモノリシック集積回路とを近接して配置したマイクロ波・ミリ波帯発振器であって、前記誘電体共振器の底部に、台座に向って開口する窪みを設け、この窪み内に低誘電率の接着剤を充填したことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項９】
誘電体共振器と、発振器回路を含むモノリシック集積回路とを近接して配置したマイクロ波・ミリ波帯発振器であって、前記誘電体共振器を搭載した台座の上に、前記誘電体共振器の移動方向を規制するガイドを設けるとともに、前記誘電体共振器の底部に、台座に向って開口する窪みを設け、この窪み内に低誘電率の接着剤を充填したことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかにおいて、前記台座をセラミック基板で形成したことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかにおいて、前記台座を低誘電率の有機材料で形成したことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【請求項１２】
請求項１１において、前記有機材料を、前記モノリシック集積回路の配線パターン等を保護するレジスト材と共通の材料で形成したことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は誘電体共振器を用い、マイクロ波及びミリ波帯で用いられ、高誘電率材料で作られた誘電体共振器とモノリシック集積回路とから構成されるマイクロ波・ミリ波帯発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体共振器を用いたマイクロ波、ミリ波帯で用いられる発振器の構成は、特許文献１に開示されている。その概要は、結合線路の所定の位置に近接して円柱状誘電体共振器を配置し、電磁的に結合させ、共振器として動作させる。所望の周波数帯域において負性抵抗が現れるように各回路素子パラメータを決定し、誘電体共振器の直径と高さにより一義に決まる所望の共振周波数において発振条件が成立し発振する。
【０００３】
特許文献１では、高精度の位置決めを要しないように、誘電体共振器を搭載する金属台座の、共振器の直下部に、共振器よりも大きな穴を設けて、誘電率を引下げることを提案している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−８３４７号公報（全体）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マイクロ波帯以上の高周波では、モノリシック集積回路のチップ厚は１００〜２００μｍ程度となるのが一般的であり、誘電体共振器とその下面に位置する裏面導体との間隔もこの程度となる。このため、誘電体共振器の近傍の空間に漏洩する電磁界エネルギーの分布は、裏面導体の存在によって、誘電体共振器が自由空間に置かれた場合の電磁界エネルギーの分布とは異なる状態となる。したがって、誘電体共振器の高さ方向の位置変動に対する共振周波数の変動の感度が大きくなり、共振周波数を所望の帯域内に収めるためには、極めて高精度で誘電体共振器の高さ方向の位置調整を行う必要がある。
【０００６】
後述するように、例えば、自動車レーダ用に割当てられた周波数帯域である７６〜７７ＧＨｚの周波数で発振させるためには、隙間を８〜１０μｍの範囲に収めて誘電体共振器を搭載する必要がある。
【０００７】
また、誘電体共振器の近傍に漏洩する電磁界エネルギーの分布は、結合線路に近接して電磁界結合を行うので、やはり誘電体共振器が自由空間に置かれた場合とは異なる状態となる。よって、誘電体共振器の結合線路との相対位置変動に対する共振周波数の変動の感度が大きくなり、共振周波数を所望の帯域内に収めるためには、極めて高精度で誘電帯共振器の水平方向の位置調整を行う必要がある。
【０００８】
しかしながら、誘電体共振器は、接着剤等を用いて固定する方法が一般的であり、誘電体共振器に接着剤を塗布した後に、誘電体共振器と低誘電率基板との間のすき間を所定の範囲に固定することが、量産上、非常に難しいという問題がある。量産時には、誘電体共振器は真空マニピュレータにより吸着し、カメラによる画像認識で高精度に低誘電体基板上に搭載することは可能であるが、マニピュレータから誘電体共振器を離す際、真空を破壊するときに接着剤の上に載った誘電体共振器が動いてしまう。また、接着剤を熱硬化する際、接着剤が流動して誘電体共振器が動いたりするからである。
【０００９】
特許文献１で提案されているように、誘電体共振器を搭載する金属台座に大きな穴を設けて、誘電率を引下げ、できるだけ位置決め精度を要しないようにすることも一案であるが、精度も大切である。直径１〜２ｍｍの小さな誘電体共振器１０３は、真空マニピュレータでの吸着保持から離すとき、どうしても動いてしまう。これを防止し、必要な数μの精度を確保するためには、特許文献１の技術を採用した場合でも、高精度の位置決め策が必要である。また、特許文献１の技術では、金属台座に低誘電率材料を入れる穴を加工する工程のために高コストとなるばかりでなく、集積回路の取り付けが、片持ちで不安定となる欠点もある。
【００１０】
本発明の目的は、誘電体共振器をもつ発振器の製造において、発振周波数の調整装置の設置精度及び微調整の工程時間を短縮し、その量産、歩留まりの優れた発振器を実現することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、製造コストを抑制しつつ、誘電体共振器及び集積回路の安定した取り付けが可能なマイクロ波・ミリ波帯発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の望ましい実施態様においては、誘電体共振器と発振器回路を含むモノリシック集積回路から構成されるマイクロ波・ミリ波帯発振器において、誘電体共振器が搭載された台座の上に誘電体共振器の移動方向を規制するガイドを設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の望ましい実施態様においては、誘電体共振器を載せる台座の、誘電体共振器の下部に、誘電体共振器の断面積より小さな空間を設け、空間内に低誘電率の接着剤を充填したことを特徴とする。
【００１４】
ここで、誘電体共振器の形状は円柱状でも、長方形でもよく、誘電体共振器の断面積とは、誘電体共振器の金属領域表面に平行な最大面積を意味する。
【００１５】
さらに、本発明の望ましい他の実施態様においては、誘電体共振器の底部に、台座に向って開口する窪みを設け、この窪み内に低誘電率の接着剤を充填したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の望ましい実施態様によれば、誘電体共振器のガイドを設けることにより、マニピュレータが離す際の誘電体共振器の動きが規制され、高精度の位置決めが可能となる。
【００１７】
また、本発明の望ましい実施態様によれば、誘電体共振器の直下の台座に、誘電体共振器の断面より小さな窪み（空間）を設け、この窪みに接着剤を充填することにより、熱硬化する際、接着剤が流動することがない。このため、誘電体共振器は動かず、位置精度が高くなり、量産時における歩留まりを向上させることができ、製造コストが低減され、ひいては、マイクロ波・ミリ波共振器を組み込んだ送受信器モジュールの低コスト化を実現できる。
【００１８】
本発明の望ましい実施態様によれば、７６ＧＨｚ乃至７７ＧＨｚの周波数範囲を使用する障害物探知レーダに用いられる送受信モジュールに特に適した発振器が得られる。
【００１９】
本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例の説明の中で明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の第１実施例によるマイクロ波・ミリ波帯発振器の（Ａ）平面図と（Ｂ）部分側面断面図である。接地された金属基板１の上に、発振器の回路等の送受信回路が構成されたモノリシック集積回路基板１０５と、台座（低誘電率基板）１０６とが搭載されている。台座１０６上には、概略誘電体共振器１０３の直径と同じ間隔で並行にガイド４１，４２を設けている。これらのガイド４１，４２は、誘電体共振器１０３の水平方向の移動を規制する。この実施例では、誘電体共振器１０３の移動方向を、結合線路１０２ａの直線部と直角を成す方向にのみ移動できるように規制している。これらのガイド４１，４２に沿って、誘電体共振器１０３を移動させ、図示の位置に誘電体共振器１０３が静止すれば、この誘電体共振器１０３と結合線路１０２ａは電磁界結合できる。モノリシック集積回路基板１０５には、能動素子としてのＦＥＴ１００と、結合線路１０２ａと、バイアス給電用電極ｔ１〜ｔ５、及び出力端子１０２ｂ等を含む回路が形成されている。
【００２１】
また、誘電体共振器１０３の直下の台座１０６には、円柱状の窪み（穴）２を設けており、この窪み２の中には、低誘電率の接着剤３を充填し、その上に誘電体共振器１０３を搭載し、固定している。接着剤３の誘電率は、１０以下であることが望ましい。
【００２２】
この実施例において、直径１．２〜１．３３ｍｍの小さな誘電体共振器１０３を、真空マニピュレータで吸着保持し、台座１０６上をガイド４１，４２に沿って移動させ、図示する適切な位置に位置決めする。ここで、吸着保持から離すとき、並行配置したガイド４１，４２によって、その動きが規制され、適切な位置での静止状態を保つことができる。この状態で、窪み２内の接着剤３が、誘電体共振器１０３の底部に接着し、この接着剤を熱硬化すれば、接着剤が流動して誘電体共振器が動いたりすることはない。
【００２３】
このようにして、誘電体共振器１０３の、簡単で高精度の位置決め搭載が可能となる。また、誘電体共振器１０３は、台座（低誘電率基板）１０６上に、また、モノリシック集積回路基板１０５は直接金属基板１にしっかりと取り付けられ、量産、歩留まりの優れた発振器を実現することができる。
【００２４】
図２は、本発明の実施例に用いた誘電体発振器の回路構成図である。ＦＥＴ１００のゲートＧとアースＡ１との間にリアクタンス素子１０１が接続され、ＦＥＴ１００のソースＳとアースＡ２との間には結合線路１０２ａが接続されている。この結合線路１０２ａの線路長の所定の位置に、近接して円柱状誘電体共振器１０３を配置し、結合線路１０２ａと誘電体共振器１０３とを電磁的に結合させ、共振器として動作させる。所望の周波数帯域において負性抵抗が現れるように、各回路素子パラメータを決定し、誘電体共振器１０３の直径と高さにより決まる所望の共振周波数において発振条件を成立させる。これにより、ＦＥＴ１００のドレインＤから整合回路１０４を介して、出力端子１０２ｂから所望周波数の発振出力を取り出すことができる。
【００２５】
図３は、誘電体共振器の高さ方向の位置変動に対する発振器の発振周波数変動について、３次元電磁界解析シミュレータにより計算を行った結果を示すグラフである。
【００２６】
図４は、上記３次元電磁界解析を行うモデルの概略構造を示す平面図である。このモデルは、図２に示すモノリシック集積回路上の結合線路１０２ａを、単純なマイクロストリップ伝送線路と考え、この線路上に、円柱型の誘電体共振器１０３の一部が重なるように配置した構成とした。計算を行ったパラメータは以下の通りである。
【００２７】
すなわち、誘電体共振器１０３の直径：０．９ｍｍ、同じく高さ：０．４ｍｍ、誘電体共振器１０３の誘電率：２３．８、台座１０６の誘電率：６．４、結合線路１０２ａの線路幅：６０μｍ、集積回路基板１０５の誘電率：１２．６、空気の誘電率：１．０である。
【００２８】
このモデルを用いて、誘電体共振器１０３と台座１０６との隙間を変化させたときの共振周波数を算出した。
【００２９】
図３の横軸に示した「ＤＲ浮き」とは、誘電体共振器１０３と台座１０６との隙間の距離であり、縦軸がこのモデルを用いて電磁界解析により求めた共振周波数である。この計算結果から、例えば、自動車レーダ用に割り当てられた周波数帯域である７６〜７７ＧＨｚの周波数で発振させるためには、隙間が８〜１０μｍの範囲となるように誘電体共振器１０３を搭載する必要があることが分る。
【００３０】
また、誘電体共振器１０３の近傍に漏洩する電磁界エネルギーの分布は、結合線路１０２ａに近接して電磁界結合を行うので、やはり誘電体共振器１０３が自由空間に置かれた場合とは異なる状態となる。したがって、誘電体共振器１０３の結合線路１０２ａとの水平方向の位置変動に対する共振周波数の変動の感度が大きくなり、共振周波数を所望の帯域内に収めるためには、極めて高精度で誘電帯共振器１０３の水平方向の位置調整を行う必要がある。
【００３１】
図５は、誘電体共振器の水平方向の位置変動に対する発振周波数変動を計測したモデルの概略構成を示す平面図である。
【００３２】
図６は、台座１０６面内における誘電体共振器１０３の位置変動に対する共振周波数変動の計測値を示すグラフである。グラフの横軸は、図５の誘電体共振器のＸ軸方向の位置を示し、縦軸はＹ軸方向の位置を示している。グラフ内の桝目の数字はその右に示すＮｏに対応しており、発振周波数を示している。この実験結果から、例えば自動車レーダ用に割り当てられた周波数帯域である７６〜７７ＧＨｚの周波数で発振させるためには、Ｘ軸方向で２００〜５００μｍ、Ｙ軸方向で２００〜３００μｍの範囲に誘電体共振器を搭載する必要があることが分る。より安定した発振周波数を得るためには、この帯域の中心周波数で発振し、Ｘ及びＹ軸方向に僅かなずれを生じてもこの周波数帯域から外れにくいように、Ｘ軸方向で３００〜４００μｍ、Ｙ軸方向で２５０μｍの範囲に誘電体共振器を搭載することが望ましい。
【００３３】
ここで、図１の第１実施例において、誘電体共振器１０３の位置の調整方法について説明する。図６に示したように、発振周波数は共振器１０３の位置により変化し、また、誘電体共振器１０３の位置と周波数の関係は、モノリシック集積回路基板１０５や台座１０６、誘電体共振器１０３の製造ばらつきによって若干のばらつきが出る。しかし、この実施例によれば、ガイド４１，４２によって、Ｙ軸方向の位置を２５０±２０μｍのばらつきの範囲内に抑えることができる。したがって、出力端子１０２ｂの周波数をモニタしながら、所望の周波数（７６〜７７ＧＨｚ）になるように、誘電体共振器１０３を、Ｘ軸方向に約５０μｍのピッチで移動させ、所望帯域の中心周波数が得られる位置で、マニピュレータの真空を破壊し、共振器を離す。このとき、ガイド４１，４２によって、接着剤３の上に載った誘電体共振器１０３の移動を防ぐので、優れた位置決めを実現できる。
【００３４】
また、接着剤３を窪み２に充填することによって、接着剤３を熱硬化する際、接着剤３が流動して誘電体共振器１０３が動くことを防ぐことができるとともに、垂直方向の誘電体共振器１０３の位置ばらつきをも低減することができ、３次元の高精度の位置決めを実現できる。
【００３５】
図７は、本発明の第２実施例によるマイクロ波・ミリ波帯発振器の平面図である。図１の第１実施例と同一機能部には同一符号を付けて、重複説明は避ける。図１との違いは、ガイド４３の形状が異なっていることであり、台座１０６の図示しない円柱状の窪み２とその中の接着剤３は図２と同様とする。この実施例では、誘電体共振器１０３のＸ軸方向の位置を、最適な３００〜４００μｍのばらつきの範囲に抑えるようにしている。以下、第１実施例と同様に、出力周波数をモニタしながら、マニピュレータで共振器１０３をＹ軸方向に移動させ、所望周波数が得られる適切な位置で共振器１０３を離し、接着剤を熱硬化させる。
【００３６】
この実施例によれば、ガイド４３を設けたこと、並びに窪み２内の接着剤３とにより、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
図８及び図９は、本発明の第３及び第４実施例によるマイクロ波・ミリ波帯発振器の平面図である。これらの実施例に関しても、第１実施例との違いは、それぞれ、ガイド４４及び４５の形状のみが異なるものであり、同様の効果を得ることができる。
【００３８】
図１０は、本発明の第５実施例によるマイクロ波・ミリ波帯発振器の要部を示す（Ａ）誘電体共振器の側面断面図及び（Ｂ）その底面図である。第１実施例の台座１０６上のガイド４１，４２は同一構成とするとともに、台座１０６の窪み２を排し、代わりに、誘電体共振器１０３１の底部に窪み（穴）２０１を設け、この窪み２０１内に低誘電率の接着剤３１を充填したものである。
【００３９】
本実施例においても、第１実施例と同様に、簡単で高精度の水平方向の位置決めを可能とし、熱硬化時の接着剤３１の流動を防ぎ、垂直方向の誘電体共振器１０３１の位置ばらつきを低減することができる。
【００４０】
以上の実施例では、窪み（穴）２及び２０１の形状を円柱状としたが、熱硬化時の接着剤３又は３１の流動を防ぐことを目的としており、これに限定されず、誘電体共振器１０３及び１０３１よりも小さければ、直方体や等価な任意の形状を採用することができる。
【００４１】
図１１は本発明の一実施例による発振器を実装した送受信モジュールの構成図である。同図（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ上面図及び裏面図を表す。本実施例は、自動車に搭載される障害物探知レーダに使用される送受信モジュールである。
【００４２】
同図（Ａ）において、金属のレーダモジュール基板１２上に実装基板２２が形成され、レーダモジュール基板１２の裏面には、同図（Ｂ）に示すような送信用及び受信用アンテナが形成されている。実装基板２２上に、図１に示した発振器を構成する集積回路チップ１３と、この発振器の出力信号を電力分配器１７を介し、入力し増幅を行ないスルーホール１５を介して送信アンテナに結合する電力増幅器のチップ１４が形成されている。また、電力分配器１６、１７を介して上記発振器に結合し、スルーホール１８及び１９を介して上記受信用アンテナの入力信号との混合を行うミクサを構成する集積回路チップ２０及び２１が形成されている。各集積回路チップ１３，１４、２０及び２１は、電源端子ｔ６に接続されている。
【００４３】
以上説明したように、本発明の実施例による発振器は、誘電体共振器の水平方向の移動を規制するガイドを設けることにより、誘電体共振器は、マニピュレータから離された際の動きが規制される。また、誘電体共振器の低部で、低部断面積より小さな空間を設けて接着剤を充填することにより、熱硬化時の接着剤の流動を防止し、誘電体共振器の動きが規制される。したがって、誘電体共振器の位置決め精度が高く、量産時における歩留まりを向上させることができ、製造コストが低減され、ひいては、マイクロ波・ミリ波共振器を組み込んだ送受信器モジュールの低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施例によるマイクロ波・ミリ波帯発振器の（Ａ）平面図と（Ｂ）部分側面断面図。
【図２】本発明の実施例に用いた誘電体発振器の回路構成図。
【図３】３次元電磁界解析により求めた、誘電体共振器の高さ方向の位置変動に対する共振周波数の変動を示したグラフ。
【図４】３次元電磁界解析を行うモデルの概略構造を示す平面図。
【図５】誘電体共振器の水平方向の位置変動に対する発振周波数変動を計測したモデルの概略構成を示す平面図。
【図６】台座面内における誘電体共振器の位置に対する共振周波数の計測グラフ。
【図７】本発明の第２実施例によるマイクロ波・ミリ波帯発振器の平面図。
【図８】本発明の第３実施例によるマイクロ波・ミリ波帯発振器の平面図。
【図９】本発明の第４実施例によるマイクロ波・ミリ波帯発振器の平面図。
【図１０】本発明の第５実施例によるマイクロ波・ミリ波帯発振器の要部を示す誘電体共振器の（Ａ）側面断面図と（Ｂ）底面図。
【図１１】本発明の一実施例による発振器を実装した送受信モジュールの構成図。
【符号の説明】
【００４５】
１…金属基板、２，２０１…窪み（穴）、３，３１…接着剤、４１〜４５…ガイド、１００…ＦＥＴ、１０１…リアクタンス素子、１０２ａ…結合線路、１０２ｂ…出力端子、１０３，１０３１…誘電体共振器、１０４…整合回路、１０５…モノリシック集積回路基板、１０６…台座（低誘電率基板）、１２…レーダモジュール基板、１３…集積回路チップ、１４…電力増幅器、１５，１６，１８，１９…スルーホール、１７…電力分配器、２０，２１…ミクサ、２２…実装基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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