(57)【要約】【課題】ミリ波帯域、さらにはテラヘルツ領域におよぶ周波数帯で動作する高周波装置に関し、特に高調波信号を発生する非線形素子に関する。またパルス信号波形を急峻にする非線形素子に関する。【解決手段】半絶縁性半導体基板で構成される高周波基板上に設けた高周波伝送線路３あるいは高周波回路に接して、ショットキーダイオード４を等間隔で配置するとともに、半導体増幅器も集積化する。さらに出力段には複数の帯域特性を有するフィルタバンク５を設け、所定周波数の高調波出力を分離抽出することで、複数のミリ波信号を得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチ素子または半導体増幅装置に接続された高周波伝送線路と、前記伝送線路に沿った複数の点で、前記伝送線路に接続された可変容量素子からなることを特徴とする高周波信号発生装置。
【請求項２】
半導体スイッチ素子または半導体増幅装置に接続された高周波伝送線路と、前記伝送線路に沿った複数の点で、前記伝送線路に接続された可変容量素子からなり、さらに複数の異なる周波数を分離するフィルタバンクを備えたことを特徴とする高周波信号発生装置。
【請求項３】
可変容量素子がショットキーダイオードであることを特徴とする請求項１、２記載の高周波信号発生装置。
【請求項４】
半導体スイッチ素子が電界効果型トランジスタあるいはバイポーラトランジスタのいずれかを用いることを特徴とする請求項１、２記載の高周波信号発生装置。
【請求項５】
可変容量素子であるショットキーダイオードと半導体スイッチ素子が同一の半導体基板上に形成されたことを特徴とする請求項１、２、３、４記載の高周波信号発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯からミリ波帯域で動作する高周波装置に関し、特にステップ状に変化する信号の立ち上がり時間（遷移幅）を短縮する素子に関する。あるいはパルス幅を短縮する素子に関する。さらに高周波の高調波発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年情報通信分野における技術の進展は著しく、扱われる信号量も急激に増加してきた。これに伴い無線通信における通信帯域の拡大が望まれ、搬送周波数もマイクロ波帯からミリ波帯へとより高い周波数帯域への展開が図られている。現在使用できる無線用周波数およびその周波数帯域は、例えば６０ＧＨｚ帯で６ＧＨｚ程度であるが、光ファイバーを用いた有線系回線では１チャンネルあたり数十Ｇｂｐｓの伝送が実用化されており、将来的には無線通信回線においてもこの伝送容量に順ずる高速伝送特性、すなわち周波数帯域にして１０ＨＧｚ程度から１００ＧＨｚ以上が必要となると思われる。
【０００３】
現在広く使われているヘテロダイン方式を考えると、中間周波数やベースバンドにおいて２０ＧＨｚあるいは１００ＧＨｚの周波数帯域の信号を一括して扱うことは現実的でない。コスト面から考えると、ベースバンドおよび中間周波数では既存の回路素子を用い（すなわち周波数帯域としては数１００ＭＨｚから２ＧＨｚ程度の帯域信号を扱い）、それらを集合して全体として１０ＧＨｚ程度から１００ＧＨｚ以上の広帯域信号を構成し、さらにそれを搬送波に乗せるサブキャリアマルチプレクシング（ＳＣＭ  ：  ｓｕｂｃａｒｒｉｅｒ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が有効と思われる。
【０００４】
このＳＣＭ方式では、各チャネル信号（ベースバンド信号あるいは中間周波信号）をより高周波の隣接したサブキャリアに配置する必要があり、各サブキャリアの周波数に対応した複数のローカル信号（ＬＯ）が必要となる。従来ミリ波帯にわたる高周波では、これらＬＯ信号は、単独のガンダイオードを複数個用いたり、共鳴トンネルダイオードやショットキーダイオードなどの非線形素子による逓倍による高調波から得ていた。
【０００５】
一方、高周波測定分野では信号の高速サンプリング手法が望まれており、その際に使用される急峻な立ち上がり特性を有するステップ信号の発生に、非線形伝送線路（ＮＬＴＬ）と呼ばれる伝送線路の利用が提案されている。これは伝送線路に並列に配置される可変容量素子の容量変化を利用して、伝播するステップ信号の立ち上がり時間を短縮するものであり、可変容量素子としては共鳴トンネルダイオードや、逆バイアスされたショットキーダイオードが用いられている。（特許文献１、特許文献２、および非特許文献１を参照）。
【０００６】
このＮＬＴＬにおいては、あるパルス幅を持った波形入力に対し、ＮＬＴＬ中を伝播するに従いそのパルス幅を狭める効果が示されている。パルス波形はフーリエ変換を施すと明らかなように高調波成分を含んでおり、一般にその高次項の振幅は、パルス幅が狭いほど大きくなることが示される。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０１−１９２２１４号公報
【特許文献２】
特開平０１−２７２２０１号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５６３００号公報（特に図５、図７）
【特許文献４】
特開２０００−０５８７６７号公報（特に図９）
【特許文献５】
特開昭５２−０６２４０１号公報
【非特許文献１】
Ｍａｒｋ．  Ｊ．  Ｗ．  Ｒｏｗｅｌｌ  他  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，  Ｖｏｌ．３９．  Ｎｏ．７，１１９４頁−１２０４頁，１９９１
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献１のＮＬＴＬでは、サンプリング回路応用を前提としているのでステップ信号の入力となっている。また、その非線形伝送線路に用いたダイオードの非線形性を有効に得るために、入力として−６Ｖから−７Ｖ程度の信号振幅としている。非特許文献１のような単独のステップ波形では広い帯域に広がったスペクトルとなり、本願発明の目的である基本波に対する高次高調波の発生には、繰り返し信号である周期的な矩形波入力が必要になる。
【０００９】
またより高周波で動作させるためには、この矩形波の繰返し周期を短くするとともに、入力時点でもある程度急峻な短いパルス列としなくてはならない。繰返し周期が短く、振幅の大きなパルス列を得るには、高機能で高価な信号源を使用する必要があり実用的ではない。
【００１０】
そこで本願発明では、まず信号レベルの小さな入力に対して有効に高調波出力が得られる高周波信号発生素子を提供することを目的とする。
【００１１】
特にミリ波帯からテラヘルツ帯での高速通信に応用するために、複数のサブキャリアに対応したＬＯ信号を効率よく発生させる手段を提供することを課題とする。
【００１２】
通常、サブキャリア間隔は等間隔であり、ＬＯ信号も等間隔であることが望ましい。すなわち、高速通信では帯域を広く取るため、多数の等間隔のＬＯ信号を簡便に得ることが課題となる。また、一般に非線形素子を用いた高調波発生では、高次になるほど信号出力が低下する。本願発明では高次の項においても信号出力が比較的大きくなるような信号発生器を提供することも課題の一つである。さらに、その出力から任意の周波数成分を分離し取り出す回路装置の提供も課題の一つである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明にかかる第１の高周波信号発生素子は、高周波伝送線路に沿った複数の点で接続された可変容量素子からなるＮＬＴＬに対し、入力側に半導体スイッチ素子あるいは半導体増幅装置を配置した構成をとる。
【００１４】
また、上記ＮＬＴＬの出力に対して複数の異なる周波数を分離するフィルタバンクを備えた構成をとる。さらに可変容量素子はショットキーダイオードであり、半導体スイッチ素子は電界効果型トランジスタあるいはヘテロ接合バイポーラトランジスタのいずれかを用い、これらの素子を同一基板上に集積化した構成をとる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の高周波信号発生素子の構成を示す。１つの非線形伝送線路６は、１つの伝送線路３と１つのショットキーダイオード４よりなる。本発明の高周波信号発生素子においては、伝送線路３と接地間にショットキーダイオード４が等間隔で配置された構造をとる。この伝送線路３の入力側には、信号増幅用のトランジスタが配置されている。さらに伝送線路の他端には、出力信号中の異なる任意の周波数信号を分離するフィルタバンク５を配置した構成をとる。このように、複数個の非線形伝送線路６が直列に接続され、一端にＦＥＴ２のゲートを介して接続された信号発生器１、他端（終端）にフィルタバンク５が接続され、これら複数個の非線形伝送線路６、信号発生器１、およびフィルタバンク５により、本発明の高周波信号発生素子が構成されている。
【００１６】
この高周波信号発生素子の動作は以下のように考えることができる。
【００１７】
まず信号発生器１から矩形波あるいは連続したパルス信号を送出し、この信号をＦＥＴ２で増幅した後伝送線路を伝播させフィルタバンク５に伝達する。
【００１８】
矩形波の場合、信号は伝送線路を伝播中に立ち上がり（あるいは立下り）時間が短縮され、理想的な矩形波に近づく。これは周期的に配置された可変容量素子として動作するショットキーダイオード４の効果である。このとき矩形波形に含まれる高調波成分は増大し、さらにより高次の成分まで含まれるようになる。また同様の効果はパルス列でも得られ、このパルス信号の場合は時間軸上ではパルス幅の短縮という形で観測できる。周波数成分としては、矩形波と同様に高次成分が高周波側まで含まれるようになり、またその電力も増加している。なお、いずれの場合もこれら高調波成分の基本波となる周波数は、矩形波あるいはパルス列の繰り返し周波数である。
【００１９】
さらに、立ち上がり特性が急峻になった繰り返し矩形波形、あるいはパルス列を、所定のフィルタバンク５を通すことにより、等間隔周期の高周波信号を分離、出力できる。
【００２０】
以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００２１】
図２に本発明の高周波発振素子の平面図を示す。Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板を高周波基板上に電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ１１）とショットキーダイオード１２を配置し、配線電極を利用して伝送線路１３、接地面１４を形成した。伝送線路自体は接地面と信号線が同一基板に配置されたコプレーナ型伝送線路構造とした。
【００２２】
ＦＥＴ１１はヘテロ構造電界効果型トランジスタ（ＨＦＥＴ）であり、そのゲート部分はゲート電極と半導体チャネル層間のショットキー接合により形成されている。
【００２３】
このゲート構造のショットキー接合と同様の構造を利用してショットキーダイオード１２とした。コプレーナ伝送線路の信号線、接地面は、ＨＦＥＴの配線電極と同一の配線層を用いたため、非線形伝送線路自体は特別な製造方法を用いることなく、通常のＨＦＥＴ製造プロセスで製造することができた。
【００２４】
図３に非線形伝送線路に用いたＦＥＴ素子の平面図と、その等価回路図を示す。非線形伝送線路中のショットキーダイオードは逆バイアスする必要があり、そのためＦＥＴ２１の出力は接地電位に対して負となるような回路構成にしている。バイアス端子２２には負電源を接続し、この負電源の値は可変容量素子となるショットキーダイオードの逆バイアス電位に準じるものとした。またＦＥＴ２１のゲートバイアス電圧は、バイアス端子２２に印加される負電圧を基準とし、ＦＥＴ動作可能な範囲で適宜設定した。
【００２５】
図４に非線形伝送線路に用いた可変容量素子であるショットキーダイオード３１の平面図と、等価回路図を示す。ショットキーダイオード３１は信号線３３と接地面３４間に配置している。原理的には図１に示したように非線形伝送線路中の可変容量素子は一箇所につきひとつでよいが、本実施例においては信号線３１に対して対象に配置した。また、ショットキーダイオード３１はＨＦＥＴのゲート電極構造を利用して作成したため、ＦＥＴ２１を製造するプロセスと同時に形成できる。すなわちＦＥＴ２１のソース電極層、あるいはドレイン電極層を接地面３４に接続し、ゲート電極を信号線３３に接続している。ここで可変容量素子の静電の容量は、ショットキー電極の面積を適宜設計することにより調整した。
【００２６】
上記の非線形伝送線路に対する入力信号波形と出力信号波形の説明を図５、図６を用いてする。実際の素子特性は伝送線路の幅、ショットキーダイオードの配置間隔、ショットキーダイオードの接合面積、さらにはバイアス端子２２に印加するバイアス電圧により複雑に変化した。
【００２７】
これは動作の基本がショットキーダイオードの素子容量変化を利用するものであり、また寄生容量成分も関係してくるからである。ここでは個々の結果の定性的な説明により、動作を明らかにしておく。
【００２８】
まず図５は入力である信号発生回路の入力波形の周波数成分である。繰返し周期ｆ０に対して複数の高調波成分が含まれているが、高次の項ではその電力レベルが低下した。
【００２９】
この信号波形を非線形伝送線路中のＦＥＴで増幅し、さらに伝送線路を伝播した後の信号の周波数成分を示したのが図６である。高次項の相対信号レベルが増加し、より高次項の基本波の逓倍出力を得ることができた。
【００３０】
これを中心周波数がｆ０、２×ｆ０、３ｘｆ０・・・の通過帯域を持つフィルタバンク５に通すことにより、各通過帯域に対応した等間隔の高周波を取り出すことができた。
【００３１】
さらに図７には別の立ち上がり特性を有する繰り返し入力信号に対する出力信号波形のスペクトルを示す。このとき偶数次成分のレベルは低下したものの、奇数次成分の出力が得られ、基本波の逓倍出力動作時より周波数間隔の広い高調波成分が得られたことと等価になった。実際に高調波を利用する際にはフィルタバンク５により信号を抜き出すことになるが、この奇数次が主として発生する動作では、フィルター特性が急峻でない場合などスプリアスレベルを低減させる必要がある場合有効であった。
【００３２】
以上、本実施例ではＩｎＰ系ＨＦＥＴを用いた非線形伝送線路を示したが、これはＩｎＰ系ＨＦＥＴの遮断周波数は４００ＧＨｚ〜５００ＧＨｚと高く、高周波動作が期待できるためである。
【００３３】
実際に本発明で用いたゲート長０．２ミクロンンメートルのＨＦＥＴの遮断周波数は１５０ＧＨｚ程度であるが、ゲート長を０．１ミクロンメートルとすることで３００ＧＨｚ程度の遮断周波数となることが期待できる。
【００３４】
さらにこれを本発明に用いると、テラヘルツ帯に達する高調波出力が期待できる。
【００３５】
なお、ＩｎＰ系ヘテロ接合型バイポーラトランジスタを用いても同様なが得られることは言うまでもない。また、ＧａＡｓ系のショットキーダイオードとＨＦＥＴ、さらにヘテロバイポーラ型トランジスタを用いても同様に高周波発生回路を構成できることは自明である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によると、信号入力としてミリ波帯の繰り返し信号を用いることで、ミリ波帯における高調波を効率よく発生できる。
【００３７】
また非線形伝送線路に接して高周波増幅器を配置することで、振幅の小さい入力信号でも十分な高調波出力が得られる効果がある。
【００３８】
またその高調波成分もより高次の成分が得られる効果がある。この高調波は信号周波数が等間隔の信号であり、この信号を分波することで複数の高周波信号出力を得ることができる。
【００３９】
この複数の等間隔信号は、複数チャネルのベースバンド信号をひとつの連続した周波数バンドに配置するアップコンバージョン動作の局部発信電力として利用できる。例えば、ミリ波帯で本発明の高周波発生装置を動作させ、数百ＧＨｚまでの高調波を利用すると、全体で数百ＧＨｚの帯域をもつミリ波信号のサブキャリアを構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非線形伝送線路による高調波発生回路のブロック図
【図２】非線形伝送線路の平面図
【図３】非線形伝送線路に用いたＦＥＴの平面図とその等価回路図
【図４】非線形伝送線路に用いた可変容量素子の平面図とその等価回路図
【図５】非線形伝送線路に対する入力波形の周波数特性を示す図
【図６】非線形伝送遠路を通過した信号の周波数特性を示す図
【図７】非線形伝送線路を通過した信号の周波数特性を示す図
【符号の説明】
１  信号発生器
２  ＦＥＴ
３  伝送線路
４  ショットキーダイオード
５  フィルタバンク
６  非線形伝送線路
７  出力信号
１１  ＦＥＴ
１２  ショットキーダイオード
１３  伝送線路
１４  接地面
２１  ＦＥＴ
２２  バイアス端子
２３  信号線
２４  接地面
２５  抵抗
２６  ＦＥＴ
２７  バイアス端子
２８  伝送線路
３０  抵抗
３１  ショットキーダイオード
３３  信号線
３４  接地面
３５  伝送線路
３６  ショットキーダイオード
【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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