(57)【要約】【課題】  本発明においては、基板上に配置され金属筐体で覆われた誘電体共振器と非線形素子の間に金属板を配置し、発振器の周波数の調整時に、所望の発振モードにおける安定発振が可能となる。【解決手段】基板と、グランドと、非線形素子と、非線形素子の第一端子に一端を接続し、他端をグランドに接続した第一マイクロストリップラインと、非線形素子の第二端子に接続された第ニマイクロストリップラインと、誘電体共振器と、金属筐体と、周波数調整ネジとを備え、周波数調整ネジの回動により周波数の調整が可能な発振器であって、周波数調整ネジの回動時に、発振器の発振モードを確保できるように金属筐体の内部壁面に接続され、非線形素子と誘電体共振器の間に、前記第一マイクロストリップラインと略直交方向にグランドと接続するように金属板を配置したことを特徴とする発振器を提供する。【選択図】図１
2009246863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置された基準電位を設定するグランドと、
前記基板上に設けられた非線形素子と、
前記非線形素子の第一端子に一端を接続し、他端を前記グランドに接続した第一マイクロストリップラインと、
前記非線形素子の第二端子に接続された第ニマイクロストリップラインと、
前記第一マイクロストリップラインと隣接し、前記第一マイクロストリップラインと高周波的に結合するように配置された誘電体共振器と、
前記基板上で前記非線形素子を設けた面に配置された金属筐体と、
前記金属筐体の天井に挿入された周波数調整ネジとを備え、前記周波数調整ネジの回動により周波数の調整が可能な発振器であって、
前記周波数調整ネジの回動時に、発振器の発振モードを確保できるように前記金属筐体の内部壁面に接続され、前記非線形素子と前記誘電体共振器の間に、前記誘電体共振器と最も隣接した前記第一マイクロストリップラインと略直交方向に前記グランドと接続するように金属板を配置したことを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記金属板は、前記金属筐体の内部側壁面と内部天面に接続され、前記基板と対峙する面と基板との間に空隙を有して配置されていることを特徴とする請求項１記載の発振器。
【請求項３】
前記金属筐体内部を前記非線形素子側から側面視した際に、前記金属板は、前記誘電体共振器と少なくとも一部が重複するように突出して配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波の信号を生成する発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波を搬送波とするレーダーや無線通信、衛星放送等に使用される送受信機に内蔵され、主に変復調に使用される誘電体共振器を具備した高周波局部発振器に関し、特に簡単な構成で任意の発振周波数を得ることができる構造を有する高周波局部発振器が使用されている。また、近年では人体検知用のセンサの高周波発振器としても用いられている。
【０００３】
一般的に、誘電体共振器を具備した高周波局部発振器において、発振回路は所望の周波数帯で発振させるために基板を筐体で覆い、筐体の外部に周波数調整機構を設け、誘電体共振器と周波数調整機構によって周波数調整を行い、所望の周波数で発振させていた。
【０００４】
例えば、特許文献１のように基板固定板に伸縮自在の可動部を設け、これを変形することで容易に任意の発振周波数を得ることができる周波数調整機構を設けることが知られている。
【０００５】
また、特許文献２によれば、周波数調整棒と誘電体共振器を接続し、周波数調整棒を調整し、誘電体共振器と基板と空隙の距離の変化によって発振周波数を調整することができる構造となっている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１や特許文献２のように基板と誘電体共振器と筐体に対して調整部材を上下可動し、空隙を制御するだけでは所望の発振モードが確保できなくなり、発振器の周波数調整時に発振の停止や発振周波数の急激な変動が発生するため、発振の安定性を確保することができなかった。
【特許文献１】特開平１１−０７４７２８号
【特許文献２】特開平１０−３１５７６１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明においては、発振器の周波数の調整時に、所定の発振のモードを確保でき、安定した発振を行うことができる発振器を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、基板と、前記基板上に配置された基準電位を設定するグランドと、前記基板上に設けられた非線形素子と、前記非線形素子の第一端子に一端を接続し、他端を前記グランドに接続した第一マイクロストリップラインと、前記非線形素子の第二端子に接続された第ニマイクロストリップラインと、前記第一マイクロストリップラインと隣接し、前記第一マイクロストリップラインと高周波的に結合するように配置された誘電体共振器と、前記基板上で前記非線形素子を設けた面に配置された金属筐体と、
前記金属筐体の天井に挿入された周波数調整ネジとを備え、前記周波数調整ネジの回動により周波数の調整が可能な発振器であって、前記周波数調整ネジの回動時に、発振器の発振モードを確保できるように前記金属筐体の内部壁面に接続され、前記非線形素子と前記誘電体共振器の間に、前記誘電体共振器と最も隣接した前記第一マイクロストリップラインと略直交方向に前記グランドと接続するように金属板を配置したことを特徴とする発振器を提供できる。
【０００９】
また、本発明の一態様によれば、前記金属板は、前記金属筐体の内部側壁面と内部天面に接続され、前記基板と対峙する面と基板との間に空隙を有して配置されていることを特徴とする発振器を提供できる。
【００１０】
また、本発明の一態様によれば、前記金属筐体内部を前記非線形素子側から側面視した際に、前記金属板は、前記誘電体共振器と少なくとも一部が重複するように突出して配置されたことを特徴とする発振器を提供できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、基板を金属筐体で覆われ、基板上に配置され誘電体共振器と非線形素子の間に金属板を配置し、筐体内の空間を分割し、誘電体共振が設置された空間での安定した共振領域を確保することにより、発振器の周波数の調整時に不要な発振モードに移行することなく、所望の発振モードにおける発振の継続が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１に本発明の発振器の概略構成図を示す。本発明の発振器は誘電体からなる基板１と、基板上に配置された基準電位を設定するグランド２と、基板１上に設けられた非線形素子３と、基板１上に一端を非線形素子３の第１端子４に接続し、他端をグランド２に接続した第一マイクロストリップライン５と、非線形素子３の第ニ端子６に接続され、基板１の片面に設けられた第ニマイクロストリップライン７と、第一マイクロストリップライン５と高周波的に結合し、非線形素子３で生成又は増幅され第一マイクロストリップライン５を伝送する高周波信号を非線形素子３の第一端子４側へ反射させる誘電体共振器８と、基板１上で非線形素子３を設けた面においてグランド２と接続し、基板を覆うように配置された金属筐体９と、金属筐体９の天井に挿入された周波数調整ネジ１０とを備え、周波数調整ネジ１０の回動により発振の周波数の調整が可能な発振器において、周波数調整ネジ１０の回動時に、金属筐体９の内部壁面と内部天面に接続され、非線形素子３と前記誘電体共振器８との間に、第一マイクロストリップライン５と略直交方向に金属板１１を配置したこと構成となっている。また、基板の部品が搭載されていない裏面にもグランド１２が配置されている。
【００１３】
図２に金属筐体９における断面図の定義を示す。図示する斜線部が天井であり、開口面と対峙した面を天井面として、内部壁面を有して構成されている。
【００１４】
非線形素子３は一般的に高周波用トランジスタや高周波用電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などの増幅発振素子を使用する。例えば、ＦＥＴで発振器を構成し、ドレイン接地型でソース端子から出力を取り出す場合、図１に示す第１端子４はゲート端子、第ニ端子６はソース端子の出力側となり第ニマイクロストリップライン７により伝送される。また、誘電体共振器８と非線形素子３との間で第一マイクロストリップライン５を介して高周波信号の帰還をかけて発振させ、所望の周波数帯の出力が取り出される。その際、誘電体共振器８は樹脂製の接着剤等により基板１に固定されている。
【００１５】
発振器で生成された発振の正常な発振モードは例えばＴＥ０１モードでそれ以外のモードは不要モードとなる。不要モードはＴＥＭモード又は、ＴＥ０１モードとＴＥＭモードが混在したモードが存在する。図３に共振器のＴＥ０１モード及びＴＥＭモードの電界と磁界のベクトル方向についてそれぞれ示す。ＴＥ０１モードは誘電体共振器８の周囲に回り込むように電界が発生し、金属筐体９の天面方向へ向かって磁界が発生し、ループを描くように基板１側へ周りこみ第一マイクロストリップライン５と高周波的に結合する。ＴＥＭモードはＴＥ０１モードの電界と磁界が逆転して発生するモードで、ＴＥ０１モードとＴＥＭモードが混在した場合は電界と磁界のベクトルがＴＥ０１モードとＴＥＭモードのベクトルを合成した方向へ向かっている状態である。つまり、ＴＥ０１モードとＴＥＭモードが混在する発振状態又はＴＥＭモードになると発振の停止や、発振周波数が急激に変動する。また、発振器にインピーダンスの不整合による等の負荷が発生した時に顕著に周波数変動が発生する。また、周波数調整を実施した際にＴＥ０１モードと不安定モードが一定の周波数範囲内で重なった場合に不安定な発振の挙動を示す。
【００１６】
図４に図１に示す発振器構成において金属板１１を配置しない発振特性について示す。図の発振特性は発振周波数を１０．５ＧＨｚ近傍に設定した場合を示す。図４よりＴＥ０１モードとＴＥ０１+ＴＥＭモードとＴＥＭモードが発生していることが分かる。また、ＴＥ０１モードとＴＥ０１+ＴＥＭモードの発振の周波数差が５０ＭＨｚ程度しかない。そのため周波数調整ネジ１０を回動させ、周波数調整を実施した際に正常な発振モードと不要モードとが重なり、発振の停止又は発振が不安定な状態になる。
【００１７】
また、図５に図１に示す発振器構成によって金属板１１を配置した場合の発振特性について示す。図５より所望の発振モード（ＴＥ０１）と不要な発振モード（ＴＥ０１+ＴＥＭ）の発振の周波数差が３００ＭＨｚ程度あることが分かる。このように金属板１１を配置することにより金属筐体９の空間による発振状態を変化させ、所望の発振モードで発振させ、安定発振させることができる。また、周波数調整ネジ１０の回動により周波数を調整した際においても発振モードが重なることがない。
【００１８】
また、所望の発振モードに関しては周波数調整ネジ１０を回動させることにより、大きく発振周波数が変化するが、不要モードに関しては、周波数調整ネジ１０の回動に対して大きく変動することがない。例えば、１０ＧＨｚ近傍の発振状態について述べると、回動距離が０．４ｍｍに対して数十ＭＨｚ程度の変動である。ここで示した数値は一例であり、調整ネジの回動による安定モードの周波数調整量に対して不安定モードにおいてはほとんど周波数変動は無い。周波数調整を実施したい周波数調整範囲の中心に安定発振モードがあり、周波数調整範囲の外側に不安定モードが存在すれば、発振の不安定は発生しない。
つまり、電波法で使用を認められている周波数範囲を考慮して不要発振モードの発振周波数と所望の発振モードの周波数差をどの程度確保すれば安定発振が可能か判断することもできる。
【００１９】
また、ＴＥＭモードに関しては金属筐体９の内壁の高さにも依存し、内壁の高さが低い方が好ましい。ケースの高さを低くすることにより周波数調整ネジの一山分の回動により周波数の変動量が大きくなり、製造時の周波数調整が難しくなることも考慮して、高さの範囲としては３．５〜５．５ｍｍの範囲に設定することがより好ましい。
【００２０】
図６に図１の上面から内部を上面視した図を示す。図６に示すように基板１の周囲をグランド４で囲い、周囲のグランド４と接するように金属筐体９を配置ことにより金属筐体９とグランド４との密着性が向上し、金属筐体９は絶対グランドとして作用するため、発振の安定につながる。またグランド４はスルーホールを介して基板の裏面上のグランド１２と接続されている。
【００２１】
図６に示すＡの距離を変化させた場合（図８のＢ=０．５ｍｍ、Ｃ＝９ｍｍ固定）のＴＥ０１モードとＴＥＭモードの混在したモードの周波数の変化量とＴＥ０１モードの発振パワーを図７に示す。距離Ａとは金属板１２と金属板と平行に誘電体共振器の曲面に対してひいた接線との距離である。図７に示すように安定モードと不安定モードの発振周波数の差と発振のパワーはＡの距離によって変化し、Ａ＝５〜８ｍｍの間に設定することにより周波数の差を考慮でき、安定モードの放射パワーが大きくとれることから、最適であることが分かる。
【００２２】
図８に金属筐体９内部を非線形素子３側から側面視した図を示す。図８に示すＢに空隙を設けることにより安定モードと不安定モードの発振の周波数差を確保することができる。図９にＢ寸法を変化させた場合（Ａ＝７ｍｍ、Ｃ＝９ｍｍ固定）の安定モードと不安定モードの周波数の差について示す。
図９をみるとＢ寸法は０．５ｍｍ付近であれば、周波数の差を大きく確保できることが分かる。このように金属板１１と基板１との間にある一定の空隙を有した方がより発振の安定性を確保できることが分かる。
【００２３】
図１０に図８のＣを変化させた場合（Ａ＝７ｍｍ、Ｂ＝０．５ｍｍ）の安定モードと不安定モードの発振周波数の差を示す。図１０をみるとＣ寸法は９ｍｍ付近であれば、周波数の差を大きく確保できることが分かる。つまり、図１を側面視した図８（Ｃ＝９ｍｍの場合）に示すように、誘電体共振器と重複するように金属板１１を配置することが発振の安定性を確保する上で好ましい。
【００２４】
このように安定モードと不要モードの周波数差は金属筐体９内の空間を制御することにより変化する。金属板１１を設置せずに、金属板１１から誘電体共振器８とは逆側の金属筐体９の内壁までの空間をすべて金属で埋めてしまう方法もある。しかし、非線形素子３の上部に金属物体が設置されることにより、発振ノイズが大きくなってしまい、不安定になる可能性があるため、上記した誘電体共振器８と非線形素子３の間に金属板１１を設けることが好ましい。金属板の厚みに関して、図６に示すＡの寸法を確保し、非線形素子３の第一端子４の上部に重複しない厚みであることが好ましい。
【００２５】
また、金属板１１は金属筐体９を作成後に後工程で接着して設置してもよいし、金属筐体９と同材料でー体として加工してもよい。金属の材料はアルミ等の導電性の良く、加工もしやすい材料を用いる。
【００２６】
上述したように、金属板１１の位置（Ａ、Ｂ、Ｃ寸法の変化）により発振の安定状態は変化する。本実施例のようにＡ、Ｂ、Ｃいずれかの２つの値を固定し、最適条件について示しているが、いずれか１つを固定しＡ、Ｂの両方を変動させて最適条件をみつけることもできる。つまり金属板１１により共振器の空間を分割し、安定した共振空間に設定すれば良い。
【００２７】
以上の構成において、本実施例においては、安定発振の発振周波数を１０．５ＧＨｚと設定したが、高周波信号（特にＧＨｚ帯）においては、同様の特性を有するため、この周波数に限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の発振器の概略構成図
【図２】金属筐体の断面図
【図３】（ａ）ＴＥ０１モードの電界、磁界の方向           （ｂ）ＴＥＭモードの電界、磁界の方向
【図４】金属板を配置しない場合の発振特性
【図５】本発明の金属板を配置した場合の発振特性
【図６】本発明の内部を上面視した図
【図７】Ａ寸法を変化させた場合の安定モードと不要モードとの周波数の差と発振パワーの関係図。
【図８】金属筐体内部を非線形素子側から側面視した図
【図９】Ｂ寸法をを変化させた場合の安定モードと不要モードとの周波数差の関係図。
【図１０】Ｃ寸法をを変化させた場合の安定モードと不要モードとの周波数差の関係図。
【符号の説明】
【００２９】
１…基板
２、１２…グランド
３…非線形素子
４…第一端子
５…第一マイクロストリップライン
６…第二端子
７…第二マイクロストリップライン
８…誘電体共振器
９…金属筐体
１０…金属板
１１…周波数調整ネジ
１３…天井
１４…内部天面
１５…内部側壁面
【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】
2009246863.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009246863.tif 000011
【図１０】
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