(57)【要約】【課題】ミリ波帯以上の高周波帯における安定した高次高調波発振回路技術を提供する。【解決手段】高調波（ハーモニック）共振関係にある共振器が、半導体発振デバイス（３、６）を共有して結合することによって目的の高調波同期発振を実現する。即ち、基本発振周波数（ｆ０）帯の第一の共振器＃１と発振デバイスによって基本周波数（ｆ０）発振を生起すると共に、デバイスを共有結合している第二の共振器＃２上にその高調波（ｍｆ０）を選択的かつ安定して励起することを特徴とする。この発振器は極めて単純な構成であるので、既存の高調波発振技術である単一共振器上の高調波直交性を利用した「高調波選択抽出型発振回路」や高調波共振波動場間の電磁結合による「高調波同期型発振回路」と比較して、高周波帯において安定した高次高調波発振を簡易に実現することが出来る。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振周波数が基本発振周波数帯にある第一の共振器と、共振周波数が前記基本発振周波数の整数倍の高調波（ハーモニック）共振関係にある第二の共振器が、半導体発振デバイスを共有して結合していることを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記第一の共振器および第二の共振器は長さがそれぞれの共振周波数において４分の１波長の整数倍である線路共振器であり、また前記半導体発振デバイスは２端子負性抵抗素子あるいはその集積チップであり、前記半導体発振デバイスを前記共振器の接続部に実装し、発振信号は前記第二の共振器より電磁結合で出力することを特徴とした発振器。
【請求項３】
請求項１、２において、前記第一の共振器をＵ字形状に曲げ、その両端にそれぞれ第二の共振器を接続すると共に、その接続部に前記半導体発振デバイスを実装し、発振出力は前記第二の共振器の残る他端から電磁結合で取り出すことを特徴とする発振器。
【請求項４】
請求項１、２において、前記第二の共振器をＵ字形状に曲げ、その両端にそれぞれ第一の共振器を接続すると共に、その接続部に前記半導体発振デバイスを実装し、発振出力は前記第二の共振器より電磁結合で取り出すことを特徴とする発振器。
【請求項５】
請求項１、２において、前記第一の共振器ならびに第二の共振器は結合線路共振器とし、それぞれの片端を接続すると共に、その接続部に前記半導体発振デバイスを実装し、発振出力は前記第二の共振器の残る他端から電磁結合で取り出すことを特徴とする発振器。
【請求項６】
請求項１、２において、前記第一の共振器ならびに第二の共振器をＵ字形に曲げ、それらの両端を互いに接続すると共に、その接続部に前記半導体発振デバイスを実装し、発振出力は前記第二の共振器から電磁結合で取り出すことを特徴とする発振器。
【請求項７】
請求項３〜６において、前記半導体発振デバイスは、Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅや共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）あるいはそれらの集積チップであり、それらを前記接続部においてはビアホール接地を用いて実装するか、あるいはビアホールの代わりに前記第一の共振器ならびに第二の共振器の共振周波数帯においてそれぞれ４分の１波長の先端開放スタブで高周波接地して実装したことを特徴とする発振器。
【請求項８】
請求項３〜７において、前記接続部における基本周波数信号が互いに逆位相となる共振波動場を第一の共振器上に形成することを特徴とする発振器。
【請求項９】
請求項４および６において、前記第二の共振器の中点と磁界結合して、第二の共振器の共振周波数の偶数倍である周波数信号を取り出すことを特徴とした発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、マイクロ波・ミリ波帯以上の高周波帯発振器を技術分野とし、特に超高周波帯発振が可能な高次高調波同期発振機能を具備する回路構成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】  ミリ波、短ミリ波帯さらにはテラヘルツなどの高周波帯発振技術について、安定で簡易かつより高い周波数帯の発振技術が求められている。例えば、各種のワイヤレスセンサーやレーダー装置が多様に展開しており、無線通信に限らず、様々なニーズが顕在化しつつある。【０００３】  第８図（ａ）は、高調波発振器構成の基本概念図の一つであり、共振器波動場の電磁界分布の特徴を積極的に活用して高調波を選択抽出する。この基本概念に基づいて、同図（ｂ）は、ＨＥＭＴなどで構成する負性抵抗回路をリング共振器に実装して、リング共振器上の第４次高調波を選択抽出する発振器である（非特許文献１）。同図（ｃ）もこの基本概念に基づいており、２分の１波長線路共振器の適切なポイントにＨＥＭＴ等の負性抵抗回路を実装することにより、第２次高調波を抑制して第４次高調波を選択励起し抽出するＰｕｓｈ−Ｐｕｓｈ型発振器である（特許文献１）。これらは、単一共振器上の高調波電磁界分布の直交性を利用して目的次数の高調波を励起し選択抽出するという原理に基づいている。そのために、高次の高調波次数の選択性には限界があり、特にミリ波帯以上における実現は困難である。第８図（ｄ）は、高調波（ハーモニック）共振関係にある共振器を電磁結合して高調波同期発振器を実現する他の基本概念図である。これは、電磁結合に基づく高調波同期であるために、安定した高次の同期発振は困難を伴う。【０００４】  一方、本発明の実施例に関わるＧｕｎｎ  ｄｉｏｄｅを用いた平面回路構造発振器の先行事例としては、例えば、非特許文献２に示されているように、４分の１波長共振器にＧｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ集積チップを表面実装したミリ波帯発振器がある（図８（ｅ））。また、特許文献２ならびに非特許文献３には、同図（ｅ）の接地用ビアホールを４分の１波長先端開放スタブに置換した回路も報告されている（図８（ｆ））。いずれも、Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅの基本発振周波数帯で実現したミリ波帯平面回路構造発振器である。【０００５】
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１９４８７１号
【特許文献２】特開２０１６−１３９９８３号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｈａｉ  Ｘｉａｏ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｂａｓｉｃ  Ｂｅｈａｖｉｏｒ  ｏｆ  Ｑｕａｄｒｕｐｌｅ−Ｐｕｓｈ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｒｉｎｇ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，”ＩＥＩＣＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．Ｅ８８−Ｃ，Ｎｏ．７，ｐｐ．１５０２−１５０８，Ｊｕｌｙ  ２００５．
【非特許文献２】Ｎ．Ｎａｋａｇａｗａ，ｅｔ  ａｌ．，“７７  ＧＨｚ  Ｐｌａｎａｒ  Ｇｕｎｎ  ＶＣＯｓ  ｏｎ  ＡｌＮ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｎｏｖｅｌ  Ｆｌｉｐ−Ｃｈｉｐ  ＩｎＰ  Ｇｕｎｎ  Ｄｉｏｄｅｓ，”２０００  ＩＥＥＥ  ＭＴＴ−Ｓ  Ｄｉｇｅｓｔ，ｐｐ．１２０５−１２０８，２０００．
【非特許文献３】
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【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】（従来技術の問題点）
高調波発振技術は、ミリ波帯以上の超高周波信号の発生にとって有効であるが、安定した発振の実現には課題が多い。例えば、図８（ｄ）に示すような共振波動場の電磁結合による高調波同期型発振においては、安定した高次高調波発振の実現は一般に困難である。【０００９】（発明の目的）
本発明は、Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅや共鳴トンネルダイオード、さらにはそれらを集積化した表面実装型チップ等と小型化に適した平面回路技術の複合効果によって、高次高調波発振をミリ波帯以上の高周波帯で簡易に実現する回路構成技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  その目的のために、本発明では高調波（ハーモニック）共振関係にある共振器が半導体発振デバイスを共有して結合することによって、高調波同期発振を安定して励起する発振回路を提起している。図１に示すように、基本発振周波数帯において共振周波数ｆ０を有する第一の共振器（以下、共振器＃１とする）と発振デバイス３により安定した基本周波数発振を生起すると共に、高調波共振関係にある第二の共振器（以下、共振器＃２とする）が発振デバイス３を共有して結合しているために、共振器＃２の共振周波数（以下、ｍｆ０とする．）信号を選択的に共振励起する。即ち、共振器＃２上に、共振器＃１のｆ０波動場と高調波同期した第ｍ次高調波であるｍｆ０波動場を安定して励起する。【００１１】  図１の本発明の基本概念図に基づいた４種の発振器（以下、基本回路とする．）を、図２に示す。ここでは、図１の基本概念構成を２段構造に限定し、その共振器＃１および共振器＃２は、それぞれの共振周波数（ｆ０、ｍｆ０）において４分の１波長の整数倍の線路共振器とする。また、半導体発振デバイス３としては、Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅを想定している。【００１２】  図２（ａ）の回路１は、共振器＃１の両端にそれぞれ共振器＃２を接続すると共に、その接続部には発振デバイス３を並列接続する。第ｍ次高調波ｍｆ０信号は、共振器＃２の他端から抽出する。これをマイクロストリップライン平面回路で実現する場合の実施例を、図３に示す。【００１３】  図２（ｂ）の回路２は、共振器＃２の両端にそれぞれ共振器＃１を接続すると共に、その接続部に発振デバイス３を並列接続する。第ｍ次高調波ｍｆ０信号あるいはその倍波である２ｍｆ０信号は、共振器＃２の中点から抽出する。これをマイクロストリップライン平面回路で実現する場合の実施例を、図４に示す。【００１４】  図２（ｃ）の回路３は、共振器＃１ならびに共振器＃２をいずれも結合線路とし、それぞれの片端を接続すると共に、その接続部に発振デバイス３を並列接続する。第ｍ次高調波ｍｆ０信号は、共振器＃２の残る他端から抽出する。これをマイクロストリップライン平面回路で実現する場合の実施例を、図５に示す。【００１５】  図２（ｄ）の回路４は、共振器＃１と共振器＃２のそれぞれをＵ字形状に曲げて両端を互いに接続し、各接続部に発振デバイス３をそれぞれ実装する。第ｍ次高調波ｍｆ０信号あるいはその倍波である２ｍｆ０信号は、共振器＃２の中点から出力する。これをマイクロストリップラインやスロットラインの平面回路で実現する場合の実施例を、図６に示す。【００１６】  図２に示す４種の基本回路において、基本発振周波数（ｆ０）帯の共振器＃１とその自然数（ｍ）倍の共振周波数ｍｆ０を持つ共振器＃２が発振デバイス３を共有結合していること、さらには極めて単純な回路構造であることが本発明の特徴である。その結果、図８（ａ）の従来の高調波発振技術である高調波選択抽出型発振回路や図８（ｄ）の電磁結合による高調波同期型発振回路と比べて、高周波帯においてより安定した高次の高調波発振を簡易に実現することが出来る。図８（ｂ）、（ｃ）のように単一の共振器上の高調波電磁界分布の直交性を利用する従来の高調波発振技術と比較して、高次��調波の選択性、不要信号の抑圧、耐干渉性に優れ、さらに周波数安定化や低雑音化などの発振制御機能の実装にも適した構造である。
【発明の効果】
【００１７】  以上の特徴より、本発明は以下のような効用、展開可能性がある。
（１）ミリ波から短ミリ波帯、さらにはサブテラヘルツ帯において、安定かつ良好な特性      の高次高調波発振が実現出来る。
（２）半導体発振デバイスとその集積化、そのチップ実装技術および平面回路技術による      高精度な製造が可能であり、高周波数帯の実現に適している。
（３）周波数可変制御、注入同期や位相同期等の安定化や低雑音化処理さらには周波数変      調等が、基本周波数（ｆ０）帯で容易に実装出来る。
（４）隣接発振器間の相互同期にも適した構造であり、発振アレー等の２次元展開も可能      である。
（５）より高い周波数帯の新たな開拓にも寄与すると共に、ミリ波からテラヘルツに至る      様々な計測やセンシングなど、様々なワイヤレス応用技術への展開が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】高次高調波発振器の構成に関する基本概念である。
【図２】その基本概念に基づき、線路共振器２段（＃１、＃２）と発振デバイス３で構成する高調波発振器の４種の基本回路である。（請求項１、２）
【図３】図２の回路１の基本回路に基づく第１の実施例である。（請求項１、２、３、７）
【図４】図２の回路２の基本回路に基づく第２の実施例である。このなかで（ｃ）は磁界結合を用いたスロットライン出力回路によって、共振器＃２の共振周波数の倍波である２ｍｆ０信号を選択抽出する。（請求項１、２、４、７、９）
【図５】図２の回路３の基本回路に基づく第３の実施例である。（請求項１、２、５、７）
【図６】図２の回路４の基本回路に基づく第４の実施例である。このなかで（ｃ）は、磁界結合を用いたスロットライン出力回路によって、共振器＃２の共振周波数ｍｆ０の倍波である２ｍｆ０信号を選択抽出する。（ｄ）は、共振器＃１、共振器＃２にスロットライン共振器を用いた実施例である。（請求項１、２、６、７、９）
【図７】本発明の第５の実施例である。（ａ）は、共振器＃１の電気長をＩ波長と設定し、（ｂ）は、２分の１波長共振器１０を電磁結合することによって接続部で逆位相波動場を形成し、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｓｈ発振を実現する。（請求項１、２、７、８）
【図８】先行技術の説明図である。（ａ）は、高調波選択型発振回路の基本概念図、（ｂ）は、その基本概念に基づいたリング共振器と負性抵抗回路を用いた第４次高調波発振器、（ｃ）は同じ基本概念に基づいて、２分の１波長線路共振器と負性抵抗回路で構成した第４次高調波発振器である。（ｄ）は共振器の電磁結合による高調波器同期発振器の基本概念図である。（ｅ）、（ｆ）は、Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ集積チップを表面実装したミリ波帯基本周波数発振器の実施例である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】  以下、本発明の実施形態を、図３〜図７を用いて説明する。いずれも図２に示す４種の基本回路に基づいた実施例である。共振器は主にマイクロストリップラインあるいはスロットラインで形成し、発振デバイスはＧｕｎｎ  ｄｉｏｄｅを用いる場合である。
【実施例１】
【００２０】  図３は、図２（ａ）の回路１の基本回路に基づく第１の実施例である。いずれも＃１共振器をＵ字形状に曲げ、共振器＃２上の第ｍ次高調波であるｍｆ０信号を電磁結合で電力合成すると共に、表面実装型Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ集積チップ６を実装するために適した回路形状でもある。（ａ）では、２個のＧｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ個別素子３のアノード端子をビアホール４で接地し、カソード端子を共振器＃１と共振器＃２の接続部に並列実装する。共振器＃１とビアホール接地によって基本周波数ｆ０の発振を生起すると同時に、発振デバイス３を共有する共振器＃２によって第ｍ次高調波ｍｆ０を選択励起して電磁結合でポート５へ出力する。（ｂ）、（ｃ）の回路も基本原理は同じであるが、前者は集積チップ６を表面実装する場合の構成であり、後者はさらにビアホール接地を除去するために共振器＃１、＃２それぞれの共振周波数において先端開放４分の１波長スタブ７、８を形成している。（請求項１、２、３、７）
【実施例２】
【００２１】  図４は、図２（ｂ）の回路２の基本回路に基づく第２の実施例である。この実施例ではいずれも共振器＃２をＵ字形とし、共振器＃２上の第ｍ次高調波であるｍｆ０信号をその中点から電磁結合で抽出すると共に、Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ集積チップ６を実装するために適した回路形状である。（ａ）では、２個のＧｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ個別素子３のアノード端子をビアホール４で接地し、残るカソード端子を共振器＃１と＃２の接続部に並列実装する。この構造によって、基本周波数ｆ０の発振を生起すると同時に、共振器＃２によって第ｍ次高調波ｍｆ０を選択励起する。（ｂ）、（ｃ）の回路も基本原理は同じであり、いずれも集積チップ６を表面実装する場合の構成である。（ｃ）では、共振器＃２の中点と基板裏面に形成したスロットライン９を磁界結合することによって、共振器＃２の共振周波数ｍｆ０の倍波である２ｍｆ０信号を選択抽出する。この磁界結合出力によって、原理的には基本周波数信号ｆ０およびｍｆ０信号を完全に抑圧することが出来る。（請求項１、２、４、７、９）
【実施例３】
【００２２】  図５は、図２（ｃ）の回路３の基本回路に基づく第３の実施例である。共振器＃１、共振器＃２はいずれも結合線路であり、共振器＃２上の第ｍ次高調波であるｍｆ０信号を電力合成すると共に、表面実装型Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ集積チップ６を実装するために適した回路構成である。（ａ）では、２個のＧｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ個別素子３のアノード端子をビアホール４で接地し、残るカソード端子を共振器＃１と＃２の接続部に並列実装する。この構造によって、基本周波数ｆ０の発振を生起すると共に、共振器＃２によって第ｍ次高調波のｍｆ０信号を選択励起してポート５へ出力する。（ｂ）、（ｃ）の回路も基本原理は同じであるが、前者は集積チップ６を表面実装すると共に、ビアホール４を除去するために先端開放４分の１波長スタブ７、８を用いた回路構成であり、後者では共振器＃１、共振器＃２を単一線路に簡略化した回路である。（ｂ）および（ｃ）の回路は、ビアホール接地の（ａ）と比較して高調波信号の次数選択性向上が期待出来る。（請求項１、２、５、７）
【実施例４】
【００２３】  図６は、図２（ｄ）の回路４の基本回路に基づく第４の実施例である。共振器＃１、共振器＃２はいずれもＵ字形状の線路共振器であり、共振器＃２上の第ｍ次高調波であるｍｆ０信号を電磁結合でポート５へ出力すると共に、表面実装型集積チップを実装するために適した回路形状である。（ａ）では、２個のＧｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ個別素子３のアノード端子をビアホール接地し、残るカソード端子を共振器＃１と＃２の接続部に並列実装する。この構造によって、基本周波数ｆ０の発振を生起すると同時に、第ｍ次高調波であるｍｆ０信号を選択励起してポート５へ出力する。（ｂ）〜（ｄ）の回路は、いずれも基本原理は同じである。（ｂ）、（ｃ）は集積チップ６を表面実装するために適したビアホール接地配置である。（ｃ）では、基板裏面のスロットライン９と共振器２の磁界結合によって、倍波である２ｍｆ０信号を出力することが出来る。（ｄ）はスロットラインで形成した共振器＃１、共振器＃２の接続部に発振デバイス３を並列実装した回路である。（請求項１、２、６、７、９）
【実施例５】
【００２４】  図７は、Ｐｕｓｈ−Ｐｕｓｈ発振型の実施例５である。回路１の基本回路に基づく実施例１の回路（図３の（ａ）、（ｃ））を変形して、共振器＃１と共振器＃２の接続点で逆位相となる基本周波数帯波動場を共振器＃１上に形成する。図７（ａ）では、共振器＃１の電気長を１波長と設定し、同図（ｂ）では共振器＃１と２分の１波長共振器１０を電磁結合することによって、逆位相波動場を形成する。その結果、原理的には基本周波数成分や奇数次高調波成分の出力を完全に抑圧することが出来る。なお、このＰｕｓｈ−Ｐｕｓｈ動作の場合、原理的に高調波次数ｍは偶数であることが必要である。（請求項１、２、７、８）【００２５】  以上、共振器＃１、＃２の２段構成のＧｕｎｎ  ｄｉｏｄｅ高調波発振器で５つの実施例を説明したが、３段以上の構成や他の高周波デバイスを用いる高次発振器への拡大も容易である。また、周波数可変制御や位相同期等の低雑音化や安定化機能の実装にも適した単純な回路構造であり、さらには発振器間の相互同期による多素子アレー発振なども可能である
【産業上の利用可能性】
【００２６】  ミリ波から短ミリ波、そしてサブテラヘルツからテラヘルツに至る高周波数帯の簡易な信号発生技術として、計測やセンシングなど様々なニーズや新たな応用を喚起することが期待される。特に、Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅや共鳴トンネルダイオードなどを発振デバイスとした平面回路構造の発振系は容易かつ低コストで実現出来る上に、平面アンテナなどのＲＦ機能を一体集積化することによって多様なニーズの送信・受信モジュール開拓に向けた技術展開も期待出来る。
【符号の説明】
【００２７】＃１  基本発振周波数ｆ０の共振器（共振器＃１）
＃２  第ｍ次高調波周波数ｍｆ０の共振器（共振器＃２）、ｍ：自然数
３    発振デバイス、Ｇｕｎｎ  ｄｉｏｄｅや共鳴トンネルダイオード等の発振素子
４    接地用ビアホール
５    マイクロストリップライン発振出力ポート
６    発振デバイス集積チップ、表面実装型集積チップ
７    基本発振周波数ｆ０における４分の１波長先端開放スタブ
８    第ｍ次高調波周波数ｍｆ０における４分の１波長先端開放スタブ
９    スロットライン発振出力ポート
１０  Ｐｕｓｈ−Ｐｕｓｈ動作のための２分の１波長共振器
λ    １波長    λ（  ）：（  ）内の周波数における１波長を意味する。
【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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