(57)【要約】【課題】  発振周波数の周波数変動率の小さいガンダイオード発振器を提供する。【解決手段】  マイクロストリップ信号電極からＷＲ１２導波管線路に変換して信号を伝送する変換部の導波管接合部の開口寸法を所定の大きさとする。即ち、短辺寸法がＷＲ１２導波管線路の短辺寸法と同一で、長辺寸法が短辺寸法に対して１．５４９〜１．７４３の長さのとする。【選択図】  図１
2008042601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性の平板基板の表面に形成されたマイクロストリップ線路からなる信号電極と、該信号電極に連続するバイアス電極及びオープンスタブと、該オーブンスタブ近傍で前記信号電極を挟んで配置された２つの表面接地電極と、前記平板基板の裏面に形成された裏面接地電極と、該裏面接地電極と前記表面接地電極とを接続する前記平板基板を貫通するヴィアホールとを備えた発振回路と、
底面の中央に形成されたアノード又はカソードのいずれか一方の電極と、前記底面の両側に形成された他方の電極とを備えた表面実装型のガンダイオードとを具備し、
前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記信号電極に接着すると共に前記他方の電極を前記表面接地電極にそれぞれ接着したガンダイオード発振器において、
前記信号電極からＷＲ１２導波管線路に変換して信号を伝送する変換部を備え、
該変換部は、前記平板基板表面に前記信号電極先端の出力部を覆うショート導波管を載置すると共に、前記ＷＲ１２導波管線路が接合する前記平板基板裏面の前記裏面接地電極の一部を除去し、前記平板基板を露出する導波管接合部を備え、
該導波管接合部の短辺寸法は前記ＷＲ１２導波管線路の短辺寸法と同一であり、長辺寸法は前記短辺寸法に対して１．５４９〜１．７４３の長さであることを特徴とするガンダイオード発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波やミリ波用のガンダイオードを用いた発振器に係り、特に発振周波数の周波数変動率の小さいガンダイオード発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波帯域やミリ波帯域の発振素子として用いられている表面実装型のガンダイオード２０の平面図を図５（ａ）に、図５（ａ）のＡ−Ａ’面の断面図を図５（ｂ）にそれぞれ示す。図５に示すように、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板２１上に、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法により、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第１の半導体層２２、低濃度ｎ型ＧａＡｓからなる活性層２３、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第２の半導体層２４が順次積層され、電子の走行空間の面積を小さくするため、絶縁体２５によって第２の半導体層２４及び活性層２３を区画したメサ型構造となっている。２６はカソード電極、２７はアノード電極、２８は導電性突起電極であるカソードバンプ、２９は導電性突起電極であるアノードバンプである。絶縁体２５は、上面から第１の半導体層２２までボロン注入して高抵抗化して形成され、カソード電極２６をアノード電極２７から分離している。この絶縁体２５により囲まれた内側の第２の半導体層２４、活性層２３、及び第１の半導体層２２によりガンダイオードの機能部が形成されている。図５では絶縁体２５により囲まれた６個のカソード電極２６下面に各々ガンダイオード機能部が形成され、カソードバンプ２８は６個のカソード電極２６の上面全てに形成されている。なお、ガンダイオードの発振周波数λのλ／１０以内の寸法内に配置された複数のカソード電極２６は、１個のカソード電極とみることができる。一方アノードバンプ２９は、カソードバンプ２８の一群を両側から挟むように、ガンダイオード２０の両側のアノード電極２７上に、片側２個ずつ合計４個形成されている。
【０００３】
図６は、図５に示したガンダイオード２０をマイクロストリップ線路で形成した発振回路３０に搭載したガンダイオード発振器の一部断面図である。また図７は、ガンダイオード発振器１０の斜視図である。発振回路３０は、半絶縁性の平板基板３１の上面に信号電極３２とその信号電極３２の両側に２個の表面接地電極３３が形成されると共に、裏面には裏面接地電極３４が形成されている。表面接地電極３３と裏面接地電極３４は、平板基板３１を貫通するヴィアホール３５によって接続されている。信号電極３２には電圧印加用のバイアス電極３２Ａ、共振器を構成するオープンスタブ３２Ｂ、及び発振出力取出用の出力部３２Ｃが連続して形成されている。ガンダイオード２０は、中央のカソードバンプ２８が信号電極３２に、両側のアノードバンプ２９が両側の表面接地電極３３にそれぞれ接着するように実装される。図６の３６は放熱基台であるが、図７では図示していない。信号電極３２先端の出力部３２Ｃは、平板基板３１表面の接地導体３８に接続するように配置されたショート導波管３７内の伝送空間へ突き出るように形成されている。また平板基板３１裏面は、裏面接地電極３４の一部が導波管と同じ寸法で取り除かれて平板基板３１が露出する導波管接合部３９が形成されている。このような構造のガンダイオード発振器１０は、本出願人が先に開示したものである（特許文献１参照）。
【０００４】
導波管出力となるガンダイオード発振器１０では、平板基板３１の裏面に、導波管接合部３９にあわせて図示しない導波管が接続され、マイクロストリップ線路から導波管へ信号が伝送される。この種の変換器は、例えば特許文献２に開示されており、通常、ガンダイオード２０側からみた信号電極３２先端の出力部３２Ｃからの反射係数が小さく、かつ挿入損失が少なくなるように構成されている。
【特許文献１】特開２００３−２１８１５９号公報
【特許文献２】特開２００２−１００９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、出力部３２Ｃからの反射係数が小さく、かつ挿入損失が小さくなるように構成された従来のガンダイオード発振器では、導波管に接続される外部負荷（具体的には、アイソレータやパワーアンプ）の温度変化に伴う特性変動に起因する周波数変動率が大きくなるという問題があった。それは、外部負荷の温度変化の伴う反射係数変動が、発振回路に影響して、回路定数が変化してしまうためである。従来のＷＲ１２導波管を用いたガンダイオード発振器では、６ＭＨｚ／℃程度の周波数変動率であった。本発明は、周波数変動率の小さいガンダイオード発振器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】
【０００６】
上記目的を達成するため本願発明は、半絶縁性の平板基板の表面に形成されたマイクロストリップ線路からなる信号電極と、該信号電極に連続するバイアス電極及びオープンスタブと、該オーブンスタブ近傍で前記信号電極を挟んで配置された２つの表面接地電極と、前記平板基板の裏面に形成された裏面接地電極と、該裏面接地電極と前記表面接地電極とを接続する前記平板基板を貫通するヴィアホールとを備えた発振回路と、底面の中央に形成されたアノード又はカソードのいずれか一方の電極と、前記底面の両側に形成された他方の電極とを備えた表面実装型のガンダイオードとを具備し、前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記信号電極に接着すると共に前記他方の電極を前記表面接地電極にそれぞれ接着したガンダイオード発振器において、前記信号電極からＷＲ１２導波管線路に変換して信号を伝送する変換部を備え、該変換部は、前記平板基板表面に前記信号電極先端の出力部を覆うショート導波管を載置すると共に、前記ＷＲ１２導波管線路が接合する前記平板基板裏面の前記裏面接地電極の一部を除去し、前記平板基板を露出する導波管接合部を備え、該導波管接合部の短辺寸法は前記ＷＲ１２導波管線路の短辺寸法と同一であり、長辺寸法は前記短辺寸法に対して１．５４９〜１．７４３の長さであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、ＷＲ１２導波管線路を用いたガンダイオード発振器おいて、導波管接合部の開口寸法を、短辺寸法がＷＲ１２導波管線路の短辺寸法と同一で、長辺寸法が所定の寸法（ＷＲ導波管線路の短辺寸法に対して１．５４９〜１．７４３の長さ）と構成することで、変換部からの反射係数を大きくし、発振回路のＱファクタを大きくすることができ、外部負荷の影響を低減し、発振周波数の周波数変動率を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のガンダイオード発振器１０は、前述の図５に示すガンダイオード２０を用い、図７に示す発振回路３０と比較して、導波管接合部３９Ａの大きさが異なる。即ち、本発明の導波管接合部３９Ａは、図７に示す従来の導波管接合部３９と比較して、平板基板３１を露出する開口の大きさが、短辺の寸法は同じで、長辺の寸法が短い構造となっている。 
【０００９】
このように形成することで、反射係数を大きくすることができ、発振回路のＱ値を変化させる構造となり、外部負荷の影響をなくし、発振周波数の変動率を小さくしている。以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
まず第１の実施例について説明する。ガンダイオード２０は、図５に示すように、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板２１上に、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法により、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第１の半導体層２２、低濃度ｎ型ＧａＡｓからなる活性層２３、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第２の半導体層２４が順次積層され、電子の走行空間の面積を小さくするため、絶縁体２５によって第２の半導体層２４及び活性層２３を区画したメサ型構造となっている。２６はカソード電極、２７はアノード電極、２８は導電性突起電極であるカソードバンプ、２９は導電性突起電極であるアノードバンプである。絶縁体２５は、上面から第１の半導体層２２までボロン注入して高抵抗化し、カソード電極２６をアノード電極２７から分離している。この絶縁体２５により囲まれた内側の第２の半導体層２４、活性層２３、及び第１の半導体層２２によりガンダイオードの機能部が形成されている。図５では絶縁体２５により囲まれた６個のカソード電極２６の上面全てに各々カソードバンプ２８が形成されている。一方アノードバンプ２９は、カソードバンプ２８の一群を両側から挟むように、ガンダイオード２０の両側のアノード電極２７上に、片側２個ずつ合計４個形成されている。
【００１１】
一方、図１に示すように、マイクロストリップ線路で形成した発振回路３０は、半絶縁性の平板基板３１の上面に信号電極３２とその信号電極３２の両側に２つの表面接地電極３３が形成されると共に、裏面には裏面接地電極３４が形成されている。表面接地電極３３と裏面接地電極３４は、平板基板３１を貫通するヴィアホール３５によって接続されている。信号電極３２には電圧印加用のバイアス電極３２Ａ、共振器を構成するオープンスタブ３２Ｂ及び発振出力取出用の出力部３２Ｃが連続して形成されている。ガンダイオード２０は、中央のカソードバンプ２８が信号電極３２に、両側のアノードバンプ２９が両側の表面接地電極３３にそれぞれ接着するように実装される。
【００１２】
本発明のガンダイオード発振器では、図７に示す発振回路３０と比較して、平板基板３１の裏面に形成された導波管接合部３９Ａが異なる。即ち、長辺の寸法を短く形成している。この導波管接合部３９Ａは、平板基板３１の裏面側が露出する開口部の長辺が２．４ｍｍ以下となるように予めパターン形成した後、例えばレーザトリミング法によって導体膜３４Ａを少しずつ除去し、開口部の長辺の寸法が所定の範囲となるように調整する。もちろん、予め設定された長辺寸法に形成してもよい。導体膜３４Ａは、裏面接地電極３４と一体で形成することができるし、別に金属膜等で形成することもできる。
【００１３】
図２は本発明のガンダイオード発振器において、導波管接合部の開口寸法（長辺）と発振周波数の周波数変動率の関係を示している。発振周波は７６．５ＧＨｚとした。また、測定温度は、−３０℃〜８５℃として測定を行った。導波管接合部の開口寸法３．１ｍｍが、ＷＲ１２導波管長辺の規格サイズ（図７の導波管結合部３９の長辺寸法に相当）である。この場合周波数変動率は、６ＭＨｚ／℃であった。これに対し、ＷＲ１２導波管開口部の長さを２．４ｍｍから２．７ｍｍの範囲で周波数変動率が、約４ＭＨｚ／℃に改善され、温度特性が良好になっていることがわかる。これらの結果から、開口部の長辺寸法が、ＷＲ導波管線路の短辺寸法（規格サイズ１．５４９ｍｍ）に対して１．５４９〜１．７４３の長さとなるように導体膜３４Ａを形成することが、周波数変動率の改善に効果が大きいことが確認された。
【００１４】
図３は、導波管接合部の開口寸法と発振出力及び変調幅の関係を示している。図３に示すように、開口寸法が変化しても、発振出力、変調幅に大きな特性変動がないことがわかる。即ち、開口部の長辺寸法が、ＷＲ導波管線路の短辺寸法に対して１．５４９〜１．７４３の長さとなるように導体膜３４Ａを形成しても、発振出力と変調幅に特性の劣化はなく、所望の発振が可能であることが確認された。
【００１５】
このように導波管接合部の管開口寸法を所定の範囲に設定することで、ガンダイオード発振器の発振周波数の温度特性を向上することができる。
【実施例２】
【００１６】
次に、本発明を電圧制御型ガンダイオード発振器１１に適用した場合について説明する。図４は本発明の電圧制御型ガンダイオード発振器１１である。図１に示した構成と同一のものには同じ符号を付けている。
【００１７】
本実施例では、第一のオープンスタブ３２Ｂの延長線上の離れた位置に第二のオープンスタブ４２Ｂを設け、第一のオープンスタブ３２Ｂと第二のオープンスタブ４２Ｂの間にバラクタダイオード４０を搭載している。第一のバイアス電極３２Ａを介してガンダイオード２０にバイアスを印加し、第二のバイアス電極４２Ａを介してバラクタダイオード４０にバイアスを印加することにより、ガンダイオード２０で発振する発振周波数をバラクタダイオード４０により変調することができる電圧制御型ガンダイオード発振器１１となる。
【００１８】
このような電圧制御型ガンダイオード発振器においても、上述の実施例１同様、導波管接合部の開口寸法（長辺）が、ＷＲ導波管線路の短辺寸法に対して１．５４９〜１．７４３の長さとなるように形成すると、発振出力と変調幅に劣化は確認されず、発振周波数変動率の温度特性の優れたの発振が可能であることが確認された。電圧制御型ガンダイオードにおいても、導波管接合部３９Ａは、平板基板３１の裏面側が露出する開口部の長辺が２．４ｍｍ以下となるように予めパターン形成した後、例えばレーザトリミング法によって導体膜３４Ａを少しずつ除去し、開口部の長辺の寸法が所定の範囲となるように調整すればよい。予め設定された長辺寸法に形成してもよい。導体膜３４Ａは、裏面接地電極３４と一体で形成することができるし、別に金属膜等で形成することもできる。
【００１９】
本発明のガンダイオード発振器においても、導体膜３４Ａを設ける構成とすることで、外部負荷の影響を低減し、発振周波数の周波数変動率を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施例のガンダイオード発振器の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施例のガンダイオード発振器の周波数変動率の特性図である。
【図３】本発明の第１の実施例のガンダイオード発振器の発振出力及び変調幅の特性図である。
【図４】本発明の第２の実施例の電圧制御型ガンダイオード発振器の説明図である。
【図５】表面実装型のガンダイオードの説明図である。
【図６】ガンダイオード発振器の部分拡大図である。
【図７】従来のガンダイオード発振器の説明図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０：ガンダイオード発振器、１１：電圧制御型ガンダイオード発振器、２０：ガンダイオード、２１：半導体基板、２２：第１の半導体層、２３：活性層、２４：第２の半導体層、２５：絶縁体、２６：カソード電極、２７：アノード電極、２８：カソードバンプ、２９：アノードバンプ、３０：発振回路、３１：平板基板、３２：信号電極、３２Ａ：第一のバイアス電極、３２Ｂ：第一のオープンスタブ、３２Ｃ：出力部、３３：表面接地電極、３４：裏面接地電極、３４Ａ：導体膜、３６：放熱基台、３７：ショート導波管、３８：接地導体、３９、３９Ａ：導波管結合部、４０：バラクタダイオード、４２Ａ：第二のバイアス電極、４２Ｂ：第二のオープンスタブ
【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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