(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体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、該信号電極に接続する電源供給用の第１のバイアス電極と、前記信号電極の一方の端部に配置されたオープンスタブ線路と、該オーブンスタブ線路近傍で前記信号電極を挟んで配置された２つの第１の表面接地電極と、前記誘電体基板の裏面全面に形成された裏面接地電極と、前記２つの第１の表面接地電極と該裏面接地電極とをそれぞれ接続する前記誘電体基板を貫通する２つの第１のヴィアホールと、前記信号電極の他方の端部に配置された発振信号の出力部と、
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、前記一方の電極を前記信号電極に接続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続した表面実装型のガンダイオードと、
前記オープンスタブ線路と高周波的に結合する伝送線路と、該伝送線路に接続する第２の表面接地電極と、該第２の表面接地電極と前記裏面接地電極とを接続する前記誘電体基板を貫通する第２のヴィアホールと、前記伝送線路近傍に配置されたバックオープンスタブと、該バックオープンスタブに接続する変調電圧印加用の第２のバイアス電極と、アノード又はカソードのいずれか一方の電極を前記伝送線路に接続すると共に他方の電極を前記バックオープンスタブにそれぞれ接続したバラクタダイオードとからなるバラクタダイオード変調回路とを具備したガンダイオード電圧制御発振器において、
前記バラクタダイオード変調回路を２つ備え、前記オープンスタブ線路が２つに分岐する分岐部を有し、
前記２つのバラクタダイオード変調回路の一方は、前記分岐部から分岐した一方のオープンスタブ線路と高周波的に結合し、前記２つのバラクタダイオード変調回路の他方は、前記分岐部から分岐した他方のオープンスタブと高周波的に結合し、
前記２つのバラクタダイオード変調回路は、印加する変調電圧が大きくなるに伴い、変調増加幅が大きくなり、さらに印加する変調電圧を大きくしたとき、変調増加幅が小さくなる変調特性を有し、
前記２つのバラクタダイオード変調回路の一方は、印加する前記変調電圧が大きくなるに伴い、変調増加幅が大きくなる電圧範囲で、前記変調電圧を印加し、他方は、印加する前記変調電圧が大きくなるに伴い、変調増加幅が小さくなる電圧範囲で、前記変調電圧を印加し、前記２つのバラクタダイオード変調回路への前記変調電圧の印加を、それぞれ独立に、かつ同時に印加することにより、発振周波数を変調することを特徴とするガンダイオード電圧制御発振器。
【請求項２】
請求項１記載のガンダイオード電圧制御発振器において、
前記オープンスタブ線路と高周波的に結合する前記伝送線路の幅が、前記バラクタダイオード変調回路ごとに異なることにより、前記２つのバラクタダイオード変調回路の変調特性が相互に異なることを特徴とするガンダイオード電圧制御発振器。
【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、変調幅を広げると共に変調特性の線形性の改善を図ったガンダイオード電圧制御発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４にマイクロ波やミリ波帯の発振器に用いられるメサ型構造のガリウム砒素（ＧａＡｓ）表面実装型のガンダイオード２００の表面図（ａ）および断面図（ｂ）を示す。高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板２２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２３、低濃度ｎ型ＧａＡｓからなる活性層２４、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第２の半導体層２５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、メサ型構造となっている。２６は絶縁体、２７はアノード電極、２８はカソード電極、２９は導電性突起によるアノードバンプ、３０は導電性突起によるカソードバンプである。絶縁体２６は、上面から活性層２４と第１の半導体層２３の境までボロン注入により筒形状に形成され、アノード電極２７をカソード電極２８から分離し、この絶縁体２６により囲まれた内側の活性層２４及び第２の半導体層２５によりガンダイオードの機能部が形成されている。図４では絶縁体２６により囲まれた筒状の部分が６個形成され、６個のアノード電極２７の下層に各々ガンダイオード機能部が形成されている。また、アノードバンプ２９は６個のアノード電極２７の全ての上面に各々形成されており、カソードバンプ３０はカソード電極２８上面の両側にアノードバンプ２９の一群を両側から挟むように片側に３個ずつ合計で６個形成されている。この種の表面実装型のガンダイオードは、特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、上記のような表面実装型のガンダイオードの他に、第１の半導体層２３、活性層２４及び第２の半導体層２５からなるガンダイオードの機能部をもち、カソード電極を半導体基板側に形成し、そのガンダイオード素子をピル型パッケージに組み立てて、ピル型ガンダイオードとしても用いられている場合もある。
【０００４】
図５は、図４のガンダイオード２００をマイクロストリップ線路で構成された発振回路１００に搭載して構成したガンダイオード電圧制御発振器の一部断面図である。図６はマイクロストリップ線路で構成されたガンダイオード電圧制御型発振器の全体斜視図である。発振回路１００は、誘電体基板１１の上面にマイクロストリップ線路で構成された出力用の信号線路１２と共振器を構成するオープンスタブ線路１７が形成され、そのオープンスタブ線路１７を両側から挟むように２個のガンダイオード用の表面接地電極１３を形成すると共に、裏面に裏面接地電極１４を形成し、各表面接地電極１３と裏面接地電極１４を、誘電体基板１１を貫通するヴィアホール１５により導通させたものである。出力用の信号線路１２にはガンダイオード２００に電源供給するためのガンダイオード用のバイアス電極１６が形成されている。ガンダイオード２００は、中央のアノードバンプ２９が信号線路１２及びオープンスタブ線路１７に、両側のカソードバンプ３０が両側のガンダイオード用の表面接地電極１３に接続するように実装される。
【０００５】
バラクタダイオード３００は、アノードに接続したアノードバンプ（図示せず）が、オープンスタブ線路１７の近傍に設置され、オープンスタブ線路１７と高周波的に結合した伝送線路１８に、カソードに接続したカソードバンプ（図示せず）が、伝送線路１８の近傍に設置されたバックオープンスタブ線路２１に接続するように実装されている。伝送線路１８には、バラクタダイオード用の表面接地電極１９が形成されており、バックオープンスタブ線路２１には、バラクタダイオード用のバイアス電極２０が形成されている。バイアス電極２０に変調電圧が印加され、バラクタダイオード３００の容量値が変化することにより発振周波数が変調され、ガンダイオード電圧制御発振器を構成している。この種の電圧制御型のガンダイオード発振回路は特許文献２に開示されている。３１は放熱基台であるが、図６では図示を省略した。
【特許文献１】特開２００３−１５２２４６号公報
【特許文献２】特開２００２−９５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような従来のガンダイオード電圧制御発振器では、十分な変調幅と良好な線形性が得られないという問題点があった。本発明の目的は、良好な線形性を保った変調幅が広いガンダイオード電圧制御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】
【０００７】
上記目的を達成するため本願請求項１に係る発明は、誘電体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、該信号電極に接続する電源供給用の第１のバイアス電極と、前記信号電極の一方の端部に配置されたオープンスタブ線路と、該オーブンスタブ線路近傍で前記信号電極を挟んで配置された２つの第１の表面接地電極と、前記誘電体基板の裏面全面に形成された裏面接地電極と、前記２つの第１の表面接地電極と該裏面接地電極とをそれぞれ接続する前記誘電体基板を貫通する２つの第１のヴィアホールと、前記信号電極の他方の端部に配置された発振信号の出力部と、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、前記一方の電極を前記信号電極に接続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続した表面実装型のガンダイオードと、前記オープンスタブ線路と高周波的に結合する伝送線路と、該伝送線路に接続する第２の表面接地電極と、該第２の表面接地電極と前記裏面接地電極とを接続する前記誘電体基板を貫通する第２のヴィアホールと、前記伝送線路近傍に配置されたバックオープンスタブと、該バックオープンスタブに接続する変調電圧印加用の第２のバイアス電極と、アノード又はカソードのいずれか一方の電極を前記伝送線路に接続すると共に他方の電極を前記バックオープンスタブにそれぞれ接続したバラクタダイオードとからなるバラクタダイオード変調回路とを具備したガンダイオード電圧制御発振器において、前記バラクタダイオード変調回路を２つ備え、前記オープンスタブ線路が２つに分岐する分岐部を有し、前記２つのバラクタダイオード変調回路の一方は、前記分岐部から分岐した一方のオープンスタブ線路と高周波的に結合し、前記２つのバラクタダイオード変調回路の他方は、前記分岐部から分岐した他方のオープンスタブと高周波的に結合し、前記２つのバラクタダイオード変調回路は、印加する変調電圧が大きくなるに伴い、変調増加幅が大きくなり、さらに印加する変調電圧を大きくしたとき、変調増加幅が小さくなる変調特性を有し、前記２つのバラクタダイオード変調回路の一方は、印加する前記変調電圧が大きくなるに伴い、変調増加幅が大きくなる電圧範囲で、前記変調電圧を印加し、他方は、印加する前記変調電圧が大きくなるに伴い、変調増加幅が小さくなる電圧範囲で、前記変調電圧を印加し、前記２つのバラクタダイオード変調回路への前記変調電圧の印加を、それぞれ独立に、かつ同時に印加することにより、発振周波数を変調することを特徴とする。
【０００８】
本願請求項２にかかる発明は、請求項１記載のガンダイオード電圧制御発振器において、前記オープンスタブ線路と高周波的に結合する前記伝送線路の幅が、前記バラクタダイオード変調回路ごとに異なることにより、前記２つのバラクタダイオード変調回路の変調特性が相互に異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のガンダイオード電圧制御発振器は、少なくとも２つに分岐したオープンスタブ線路それぞれに、高周波的に結合するバラクタダイオード変調回路を備える構造とし、一方のバラクタダイオード変調回路の変調特性と他方のバラクタダイオード変調回路の変調特性を組み合わせることで、バラクタダイオード変調回路を１つだけ備える場合と比較して、線形性を保った変調幅の広い特性を得ることができる。
【００１１】
バラクタダイオード変調回路の変調特性は、バラクタダイオードを実装した伝送線路の幅を変えることで、オープンスタブ電極との結合度を変え、簡便に調整することができる。また、ほぼ等しい特性の２つのバラクタダイオードを用いて、一方を印加電圧の小さい電圧範囲で使用するバラクタダイオード変調回路として使用し、他方を印加電圧の大きい電圧範囲で使用するバラクタダイオード変調回路とし組み合わせて使用することで、容易に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明のガンダイオード電圧制御発振器について、詳細に説明する。
【００１３】
図１は表面実装型のガンダイオード２００を用いた本発明のガンダイオード電圧制御発振器の実施例の説明図である。ガンダイオード２００は、図４に示したように底面中央にアノードバンプ２９が、両側にカソードバンプ３０が各々突出形成された表面実装型のガンダイオードであり、マイクロストリップ線路で構成された出力用の信号線路１２及びオープンスタブ線路に後述するように実装されている。
【００１４】
発振回路は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ダイアモンド等のように比抵抗が１０6Ω・ｃｍ以上、熱電導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上で良好な半絶縁性の基板を誘電体基板１１とし、その誘電体基板１１の表面に、出力用の信号線路１２、ガンダイオード用の表面接地電極１３、オープンスタブ線路１７、ガンダイオード２００へ電源を供給するためのガンダイオード用のバイアス電極１６が形成されている。オープンスタブ線路１７は途中で２つに分岐し、終端において再度１つに接接続されており、オープンスタブ線路１７の分岐部の一方と高周波的に結合した伝送線路１８Ａ、伝送線路１８Ａ近傍に設置されたバックオープンスタブ線路２１Ａ、バラクタダイオード３００Ａへ変調電圧を印加するためのバラクタダイオード用のバイアス電極２０Ａ、バラクタダイオード用の表面接地電極１９Ａが形成されている。そしてさらに、オープンスタブ線路１７の分岐部の他方と高周波的に結合した伝送線路１８Ｂ、伝送線路１８Ｂ近傍に設置されたバックオープンスタブ線路２１Ｂ、バラクタダイオード３００Ｂへ変調電圧を印加するためのバラクタダイオード用のバイアス電極２０Ｂ、バラクタダイオード用の表面接地電極１９Ｂが形成されている。各表面接地電極１３、１９Ａ、１９Ｂは、誘電体基板１１を貫通するヴィアホール１５を通して、裏面接地電極１４に接続している。
【００１５】
ガンダイオード２００は、中央のアノードバンプ２９が信号線路１２およびオープンスタブ線路１７に、両側のカソードバンプ３０が両側のガンダイオード用の表面接地電極１３に接続するように実装されている。またバラクタダイオード３００Ａは、アノードに接続したアノードバンプ（図示せず）が伝送線路１８Ａに、カソードに接続したカソードバンプ（図示せず）が、バックオープンスタブ線路２１Ａに接続するように実装され、第１のバラクタダイオード変調回路を構成している。さらに、バラクタダイオード３００Ｂは、アノードに接続したアノードバンプ（図示せず）が伝送線路１８Ｂに、カソードに接続したカソードバンプ（図示せず）が、バックオープンスタブ線路２１Ｂに接続するように実装され、第２のバラクタダイオード変調回路を構成している。
【００１６】
このような構成のガンダイオード電圧制御発振器では、ガンダイオード用のバイアス電極１６を介してガンダイオード２００にバイアス電圧を印加し、バラクタダイオード用のバイアス電極２０Ａを介してバラクタダイオード３００Ａにバイアス電圧を印加するとともに、同時にバラクタダイオード用のバイアス電極２０Ｂを介してバラクタダイオード３００Ｂにバイアス電圧を印加することで、ガンダイオード２００の出力信号の発振周波数を、２つのバラクタダイオード変調回路によって変調することができる。
【００１７】
ここで本実施例では、一方のバラクタダイオード変調回路に印加する変調電圧と、他方のバラクタダイオード変調回路に印加する変調電圧は、次のように設定する。
【００１８】
図２は、バラクタダイオード３００Ａを搭載した第１のバラクタダイオード変調回路（第１の変調回路と表示）とバラクタダイオード３００Ｂを搭載した第２のバラクタダイオード変調回路（第２の変調回路と表示）の変調特性を示すグラフである。図２に示すようにバラクタダイオードに印加する変調電圧が大きくなるに従い、発振周波数が変化していることがわかる。また、変調電圧を０Ｖから徐々に大きくしていくと、変調電圧が大きくなるに伴い、変調増加幅（所定の電圧から一定幅の電圧まで増加させたとき、変化する発振周波数幅）が徐々に大きくなっていく領域と、変調電圧がある程度大きくなると、変調電圧が大きくなるに伴い、変調増加幅が徐々に小さくなる領域があることがわかる。
【００１９】
本発明は、このような変調増加幅の変化が相互に異なる変調特性を有するバラクタダイオード変調回路を組み合わせて使用することで、線形性が良好で、広い変調幅を有するガンダイオード電圧制御発振器を提供している。特に、オープンスタブ線路１７を分岐させ、その分岐させた部分にそれぞれバラクタダイオード変調回路を備え、オープンスタブ線路１７の終端で１つに接続する構造としたことで、各々のバラクタダイオード変調回路の伝送線路１８Ａ、１８Ｂとオープンスタブ線路１７との結合度が増す。その結果、オープンスタブ線路１７を分岐しないガンダイオード電圧制御発振器と比較して変調幅が大幅に広がり、後述のように各々のバラクタダイオード変調回路に電圧を印加することで、良好な線形性が得られる。
【００２０】
各々のバラクタダイオード変調回路に印加する電圧は、一例として、図２に示す変調特性を有するバラクタダイオード変調回路の場合、０〜１０Ｖの範囲が、変調増加幅が徐々に大きくなる領域であり、１０〜１５Ｖの範囲が、変調増加幅が徐々に小さくなる領域となっている。そこで、第１のバラクタダイオード変調回路には、０〜１０Ｖの変調電圧を印加し、第２のバラクタダイオード変調回路には、１０〜１５Ｖの変調電圧を同時に印加する構成とする。具体的には、第１のバラクタダイオード変調回路に０、１、２、３・・・１０Ｖと変調電圧を印加するとき、第２のバラクタダイオード変調回路には、１０．０、１０．５、１１．０、１１．５・・・１５．０Ｖとなるように変調電圧を、それぞれ独立に、かつ同時に印加した。
【００２１】
図３は、図２に示す２つのバラクタダイオード変調回路を用いた場合のガンダイオード電圧制御発振器の変調特性を示すグラフである。図３において変調電圧は、第１のバラクタダイオード変調回路に印加する変調電圧を示している。図３に示すように、変調電圧が０〜１０Ｖの範囲で変化させたとき（第２のバラクタダイオード変調回路の変調電圧は、１０〜１５Ｖの範囲で変化させる）、変調幅は３３２ＭＨｚ、線形性は３．９２％という結果となった。比較のため、図１に示す第１のバラクタダイオード変調回路のみを使用した場合（変調電圧０〜１０Ｖ）、変調幅は１５１ＭＨｚ、線形性は６．６２％であり、同様に第２のバラクタダイオード変調回路のみを使用した場合（変調電圧０〜１０Ｖ）、変調幅は１７０ＭＨｚ、線形性は７．０６％である。また、オープンスタブ線路１７を分岐しないガンダイオード電圧制御発振器の変調幅は２５０ＭＨｚであり、本発明の構造にすることにより、オープンスタブ線路１７と各々のバラクタダイオード変調回路との結合度が増す為に変調幅が大幅に広がることがわかり、上述のように各々のバラクタダイオード変調回路に電圧を印加することで、線形性も大幅に改善していることがよくわかる。
【００２２】
なお本実施例では、バラクタダイオード変調回路が２つである場合及びオープンスタブ線路１７が２つに分岐する場合に限定されるものではなく、その数を増やすことにより、変調幅の向上、線形性の改善、さらに発振周波数の微調整が可能となる。また、バラクタダイオード変調回路は、図２に示すように相互に異なる変調特性を示すものに限らず、ほぼ同じ変調特性を示すものであっても良く、その変調特性に応じて、印加する変調電圧を所望の周波数特性を得ることができるように適宜設定すればよい。
【００２３】
さらにまた、一方のオープンスタブ線路と高周波的に結合する伝送線路の幅が、他方のオープンスタブ線路と高周波的に結合する伝送線路の幅と異なるように構成することで、オープンスタブ線路との結合度を異ならせる構成とすると、簡便に変調特性を調整することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例であるガンダイオード電圧制御発振器の説明図である。
【図２】本発明の実施例のバラクタダイオード変調回路の変調特性を説明する図である。
【図３】本発明の実施例であるガンダイオード電圧制御発振器の変調特性を説明する図である。
【図４】従来のガンダイオードの説明図である。
【図５】従来のガンダイオード電圧制御発振器の一部断面図である。
【図６】従来のガンダイオード電圧制御発振器の説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１００：発振回路、２００：ガンダイオード、３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ：バラクタダイオード、１１：誘電体基板、１２：信号線路、１３：ガンダイオード用の表面接地電極、１４：裏面接地電極、１５：ヴィアホール、１６：ガンダイオード用のバイアス電極、１７：オープンスタブ線路、１８、１８Ａ、１８Ｂ：伝送線路、１９、１９Ａ、１９Ｂ：バラクタダイオード用の表面接地電極、２０、２０Ａ、２０Ｂ：バラクタダイオード用のバイアス電極、２１、２１Ａ、２１Ｂ：バックオープンスタブ線路、２２：半導体基板、２３：第１の半導体層、２４：活性層、２５：第２の半導体層、２６：絶縁体、２７：アノード電極、２８：カソード電極、２９：アノードバンプ、３０：カソードバンプ、３１：放熱基台
【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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