(57)【要約】【課題】　小型で、共振周波数の調整を容易とし、量産性を向上させ、また、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。【解決手段】　誘電体基板３の上に線路７とガンダイオード６を設けて発振回路を構成し、上下の導体板１，２の間に誘電体ストリップ５を配置して出力用伝送線路としてのＮＲＤガイドを構成し、線路７とＮＲＤガイドとを結合させる。このＮＲＤガイドの遮断周波数を、発振回路による発振信号の基本波成分を遮断し、高調波成分を伝搬させるように定める。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【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、
　前記誘電体線路を構成する一方の導体板にスロットを形成し、該導体板の外側に前記誘電体基板を配置して、前記発振回路の線路と誘電体線路とを結合させたことを特徴とする発振器。
【請求項２】
　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たことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
　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たことを特徴とする請求項２に記載の発振器。
【請求項４】
　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２または３に記載の発振器。
【請求項５】
　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２〜４のうちいずれかに記載の発振器。
【請求項６】
　請求項１〜５のうちいずれかに記載の発振器を用いた無線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　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。
【背景技術】
【０００２】
　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許文献１および特許文献２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。
【特許文献１】特公平６−１０５８５１号公報
【特許文献２】特公平６−２２２８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　ところが、特許文献１に示されている発振器においては、導波管を用いて空胴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、特許文献２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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
　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、前記誘電体線路を構成する一方の導体板にスロットを形成し、該導体板の外側に前記誘電体基板を配置して、前記発振回路の線路と誘電体線路とを結合させたことを特徴としている。
【０００９】
　この発明の発振器は、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、この発振回路の線路と上記出力用線路とを結合させたことを特徴としている。
【００１０】
　この発明の発振器は、上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たことを特徴としている。
【００１１】
　この発明の発振器は、上記発振回路の線路に可変リアクタンス素子を接続し、この可変リアクタンス素子に対して制御電圧を供給する線路を設けたことを特徴としている。
【００１２】
　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たことを特徴としている。
【００１３】
　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たことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
　この発明によれば、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る。しかも誘電体基板を用いて発振回路を構成し、また、略平行な２つの導体面の間に誘電体材部分を含む出力用伝送線路を用いたため、空胴導波管を用いた場合と異なり、回路パターンの形成を容易となり、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。さらに誘電体線路から発振回路への戻り信号が抑えられ、しかも基本波周波数信号は戻らないため、安定した発振特性が得られる。
【００１５】
　また、この発明によれば、発振回路に、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、この発振回路の線路と上記出力用線路とを結合させるようにしたので、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。
【００１６】
　また、この発明によれば、上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たことにより、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。
【００１７】
　また、この発明によれば、上記発振回路の線路に可変リアクタンス素子を接続し、この可変リアクタンス素子に対して制御電圧を供給する線路を設けたことにより、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。
【００１８】
　この発明によれば、上記発振回路の線路に弱結合をする端子を設けたことにより、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。
【００１９】
　この発明によれば、これらのいずれかの構造を有する発振器を用いたことにより、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
　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。
【００２１】
　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１１との間に実装している。
【００２２】
　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。
【００２３】
　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、ＬＳＭ０１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。
【００２４】
　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ＬＳＭ０１モードとが磁界結合する。
【００２５】
　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。
【００２６】
　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。
【００２７】
　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。
【００２８】
　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。
【００２９】
　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。
【００３０】
　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。
【００３１】
　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。
【００３２】
　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１５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。
【００３３】
　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。
【００３４】
　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。
【００３５】
　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。
【００３６】
　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。
【００３７】
　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２２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。
【００３８】
　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、上下の導体板１，２の間に構成される空間内に誘電体基板３が配置された状態で、誘電体基板３と上部導体板２との間の空間部分に、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。
【００３９】
　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。
【００４０】
　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，３２ｂ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。
【００４１】
　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。
【００４２】
　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。
【００４３】
　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７６ＧＨｚ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。
【００４４】
　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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【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】
【００４６】
　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
【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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