特許 6784377 位相変調高周波発振器アレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6784377

(24)【登録日】2020年10月27日

(45)【発行日】2020年11月11日

(54)【発明の名称】位相変調高周波発振器アレイ

(51)【国際特許分類】

   H03B 15/00 20060101AFI20201102BHJP

   H03B 19/00 20060101ALI20201102BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20201102BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20201102BHJP

【ＦＩ】

   H03B15/00

   H03B19/00

   H01L29/82 Z

   H01L43/08 Z

【請求項の数】5

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2018-554231(P2018-554231)

(86)(22)【出願日】2017年11月30日

(86)【国際出願番号】JP2017042972

(87)【国際公開番号】WO2018101386

(87)【国際公開日】20180607

【審査請求日】2019年4月22日

(31)【優先権主張番号】特願2016-234939(P2016-234939)

(32)【優先日】2016年12月2日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(72)【発明者】

【氏名】常木 澄人

(72)【発明者】

【氏名】福島 章雄

(72)【発明者】

【氏名】田丸 慎吾

(72)【発明者】

【氏名】久保田 均

(72)【発明者】

【氏名】水沼 広太朗

(72)【発明者】

【氏名】河野 欣

(72)【発明者】

【氏名】磯部 良彦

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 和也

(72)【発明者】

【氏名】水上 成美

【審査官】 ▲高▼橋 徳浩

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０９４３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１０３６８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−２９５９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１７５２４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２２１７６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／２２

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０３Ｂ ２９／００

Ｈ０１Ｌ４３／００−Ｈ０１Ｌ４３／１４

Ｈ０３Ｂ１１／００−Ｂ０３Ｂ２７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

周波数ｆで同期及び発振する位相変調高周波発振器アレイであって、
ｎを２以上の整数としたときに、前記周波数ｆのｎ倍又は１／ｎ倍の周波数を有する基準信号を出力する基準信号源と、
複数の磁気抵抗素子であって、前記基準信号が前記複数の磁気抵抗素子のそれぞれに注入されることにより、前記複数の磁気抵抗素子のそれぞれからの出力信号の周波数が前記周波数ｆに一致している、複数の磁気抵抗素子と、
前記複数の磁気抵抗素子のそれぞれにバイアス電圧を印加する複数のバイアス電圧印加機構であって、前記複数の磁気抵抗素子のうち任意に選択される少なくとも二つの磁気抵抗素子に印加されるバイアス電圧の大きさを変えることにより前記少なくとも二つの磁気抵抗素子からの出力信号間の位相差を変える、複数のバイアス電圧印加機構と、
前記複数の磁気抵抗素子のそれぞれからの出力信号を伝達する信号経路に混入する前記基準信号を除去する複数の除去手段と、
を備える位相変調高周波発振器アレイ。

【請求項2】

請求項１に記載の位相変調高周波発振器アレイであって、
前記複数の磁気抵抗素子のそれぞれに磁界を印加する複数の磁界印加機構であって、前記複数の磁気抵抗素子のうち任意に選択される少なくとも二つの磁気抵抗素子に印加される磁界を変えることにより前記少なくとも二つの磁気抵抗素子からの出力信号間の位相差を変える、複数の磁界印加機構を更に備える、位相変調高周波発振器アレイ。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の位相変調高周波発振器アレイであって、
前記ｎは２である、位相変調高周波発振器アレイ。

【請求項4】

請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の位相変調高周波発振器アレイであって、
前記複数の除去手段のそれぞれは、前記基準信号の周波数帯域を減衰域とする周波数特性を有するフィルタである、位相変調高周波発振器アレイ。

【請求項5】

請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の位相変調高周波発振器アレイであって、
前記複数の除去手段のそれぞれは、前記基準信号の周波数帯域を減衰域とする周波数特性を有し、且つ前記磁気抵抗素子からの前記出力信号を電波として出力するアンテナである、位相変調高周波発振器アレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は位相変調高周波発振器アレイに関わる。

【背景技術】

【0002】

マイクロ波帯（１ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ程度）を含む高周波信号（１００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚ程度）を使用する通信技術は、近年益々重要になり、その技術は携帯電話、無線通信、衛星放送、レーダーなどに広く使用されている。特に、レーダーでは、高周波信号の指向性を制御する用途が増えてきている。このような事情を背景に、複数の発振器を用いて高周波信号の指向性を制御する位相変調高周波発振器アレイが検討されている。この種の位相変調高周波発振器アレイの中には、基準信号源から出力される基準信号を用いて基準信号源と各発振器との間の同期をとりつつ、それぞれの発振器からの出力信号を伝達する信号経路に設けられた位相器により、各発振器からの出力信号間に位相差を形成し、位相変調を行うものがある。位相器として、例えば、遅延線を使用するものや、電子回路により位相制御を行うものが知られている。また、発振器として、電圧制御発振器が知れている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかし、遅延線を使用する位相器は、回路が冗長になる上に位相差が固定していて任意に変えることができないという欠点を有する。また、電子回路を使用する位相器は、位相差を形成できる周波数の帯域が一般的に狭く、また、信号損失も大きいという欠点を有する。一方、発振器として、電圧制御発振器を用いると、数ＧＨｚ以上の周波数帯域での小型化が難しいという欠点を有する。

【0004】

そこで、本発明は、上述の欠点を解消し、複数の出力信号間の位相差を任意に変えることのできる位相変調高周波発振器アレイを提案することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上述の課題を解決するため、本発明に係る位相変調高周波発振器アレイは、周波数ｆで同期及び発振する位相変調高周波発振器アレイであって、（i）ｎを２以上の整数としたときに、周波数ｆのｎ倍又は１／ｎ倍の周波数を有する基準信号を出力する基準信号源と、（ii）複数の磁気抵抗素子であって、基準信号が複数の磁気抵抗素子のそれぞれに注入されることにより、複数の磁気抵抗素子のそれぞれからの出力信号の周波数が周波数ｆに一致している、複数の磁気抵抗素子と、（iii）複数の磁気抵抗素子のそれぞれにバイアス電圧を印加する複数のバイアス電圧印加機構であって、複数の磁気抵抗素子のうち任意に選択される少なくとも二つの磁気抵抗素子に印加されるバイアス電圧を変えることにより少なくとも二つの磁気抵抗素子からの出力信号間の位相差を変える、複数のバイアス電圧印加機構と、（iv）複数の磁気抵抗素子のそれぞれからの出力信号を伝達する信号経路に混入する基準信号を除去する複数の除去手段と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明の実施形態に関わる位相変調高周波発振器アレイの概略構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の実施形態に関わる磁気抵抗素子の構成を示す説明図である。

【図3】本発明の実施形態に関わる位相変調高周波発振器アレイの概略構成を示すブロック図である。

【図4】本発明の実施形態に関わる位相変調高周波発振器アレイの概略構成を示すブロック図である。

【図5】本発明の実施形態に関わる位相変調高周波発振器アレイの概略構成を示すブロック図である。

【図6】本発明の実施形態に関わる位相変調高周波発振器アレイの概略構成を示すブロック図である。

【図7】本発明の実施形態に関わる位相変調高周波発振器アレイの概略構成を示すブロック図である。

【図8】本発明の実施例に関わる位相変調高周波発振器アレイの具体的構成を示すブロック図である。

【図9】本発明の実施例に関わる磁気抵抗素子に印加されるバイアス電圧を２３５〜２５５ｍＶの範囲で変化させたときの磁気抵抗素子のスペクトル強度の測定結果を示すグラフである。

【図10】本発明の実施例に関わる磁気抵抗素子に印加されるバイアス電圧を２００〜２２０ｍＶの範囲で変化させたときの磁気抵抗素子のスペクトル強度の測定結果を示すグラフである。

【図11】本発明の実施例に関わる磁気抵抗素子に印加されるバイアス電圧を２３５〜２５５ｍＶの範囲で変化させたときの磁気抵抗素子の発振周波数を示すグラフである。

【図12】本発明の実施例に関わる磁気抵抗素子に印加されるバイアス電圧を２００〜２２０ｍＶの範囲で変化させたときの磁気抵抗素子の発振周波数を示すグラフである。

【図13】本発明の実施例に関わる磁気抵抗素子を注入同期させたときの発振周波数と測定出力との関係を示すグラフである。

【図14】本発明の実施例に関わる磁気抵抗素子を注入同期させたときの発振周波数と測定出力との関係を示すグラフである。

【図15】本発明の実施例に関わる第１の磁気抵抗素子に印加されるバイアス電圧を固定し、第２の磁気抵抗素子に印加されるバイアス電圧を変化させたときの第１の磁気抵抗素子の発振周波数ｆ_MR1と、第２の磁気抵抗素子の発振周波数ｆ_MR2とを測定した結果を示すグラフである。

【図16】本発明の実施例に関わる第１の磁気抵抗素子に印加されるバイアス電圧を固定し、第２の磁気抵抗素子に印加されるバイアス電圧を変化させたときの第１の磁気抵抗素子出力信号と第２の磁気抵抗素子の出力信号との間の位相差を測定した結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、本発明の実施形態に関わる位相変調高周波発振器アレイの、本発明者らが推測する作用機構について説明する。
特開２００６−２９５９０８号公報において報告されているように、磁気抵抗素子（以下、「ＭＲ素子」という）は、高周波発振素子として機能することが知られている。半導体プロセスを応用した微細加工により、小型の高周波発振素子（例えば、直径３０ｎｍ〜３００ｎｍ程度、高さ３０ｎｍ〜１００ｎｍ程度）として機能するＭＲ素子を製造することができる。ＭＲ素子は、磁化自由層（以下、単に「自由層」という）、非磁性層、及び磁化固定層（以下、単に「固定層」という）を備えている。自由層から固定層に向けて又は固定層から自由層に向けて直流電流を流すと、自由層の電子スピンが、直流電流のスピントルクにより励起され、自由層と固定層との間の磁化の相対角度が時間経過とともに振動する。この振動は、トンネル磁気抵抗効果又は巨大磁気抵抗効果を通じて高周波の電気信号に変換され、その結果、ＭＲ素子から高周波信号が発振される。ＭＲ素子から発振される高周波信号の同期前発振周波数ｆ_MRは、ＭＲ素子の共鳴条件（例えば、ＭＲ素子に印加される直流電流（又は直流電圧）、磁界、或いは温度など）に依存するため、ＭＲ素子の共鳴条件を変化させることにより、同期前発振周波数ｆ_MRを変化させることができる。

【0008】

一方、ＭＲ素子から発振される高周波信号は、ピーク幅が広く、同期前発振周波数ｆ_MRが不安定であるという問題がある。この問題を解決するため、注入同期と呼ばれる手法が知られている。注入同期とは、基準信号源からＭＲ素子に注入（供給）される基準信号の周波数ｆ_REFと、ＭＲ素子の同期前発振周波数ｆ_MRとの差分が、ある一定のバンド幅Ｗ（以下、「同期可能なバンド幅」という）よりも小さいとき、即ち、式（１）の関係が満たされるときに、ＭＲ素子の同期前発振周波数ｆ_MRが基準信号の周波数ｆ_REFに一致する現象である。
(|ｆ_REF−ｆ_MR|＜Ｗ)…（１）

【0009】

注入同期では、ＭＲ素子の同期前発振周波数ｆ_MRが、基準信号の周波数ｆ_REFに一致するだけでなく、基準信号の周波数ｆ_REFに正確に追従して同期する。このため、注入同期を利用することにより、ＭＲ素子から発振される高周波信号のピーク幅を狭くし、同期前発振周波数ｆ_MRを安定させることができる。また、注入同期を利用すれば、ＭＲ素子の同期前発振周波数ｆ_MRを安定させることができるだけでなく、上述の課題である位相差Δを任意に制御することも可能である。基準信号の周波数ｆ_REFとＭＲ素子の同期前の発振周波数ｆ_MRとの間の位相差Δφは、（２）式の関係を満たす。
Δφ＝ａｒｃｓｉｎ｛（ｆ_MR−ｆ_REF）／Ｗ｝…（２）

【0010】

ここで、ａｒｃｓｉｎは、逆正弦関数である。注入同期により、ＭＲ素子の同期前発振周波数ｆ_MRが、基準信号の周波数ｆ_REFに一致すると、ｆ_MRはｆ_REFに一致したまま固定される。ここで、注入同期後のＭＲ素子の発振周波数が共鳴条件（例えば、ＭＲ素子に印加される直流電流（又は直流電圧）、磁界、或いは温度など）の変化により変化するもの仮定したときに想定されるＭＲ素子の発振周波数ｆ_MRを（２）式に代入すると、注入同期後のＭＲ素子から発振される高周波信号と基準信号との間の位相差Δφを（２）式から求めることができる。即ち、（２）式のｆ_MRは、本来的には、ＭＲ素子の同期前の発振周波数を意味するものであるが、注入同期後のＭＲ素子の発振周波数が共鳴条件の変化により変化するもの仮定したときに想定されるＭＲ素子の発振周波数をも意味するものと解釈しても差し支えない。このような理由により、注入同期後のＭＲ素子の共鳴条件を変化させることにより、注入同期後のＭＲ素子の発振周波数を基準信号の周波数ｆ_REFに一致させたまま、注入同期後のＭＲ素子から発振される高周波信号と基準信号との間の位相差Δφを任意に変化させることができる。

【0011】

次に、１つの基準信号を用いて二つのＭＲ素子を同期させることを考える。説明の便宜上、二つのＭＲ素子のうち一方を第１のＭＲ素子と呼び、他方を第２のＭＲ素子と呼ぶ。基準信号の周波数ｆ_REFに対して、第１のＭＲ素子の同期前発振周波数ｆ_MR1と、第２のＭＲ素子の同期前発振周波数ｆ_MR2とが異なるとき、二つのＭＲ素子のそれぞれから発振される高周波信号の位相差Δφ_MRは、（３）式〜（５）式の関係を満たす。
Δφ_MR＝Δφ_MR1−Δφ_MR2…（３）
Δφ_MR1＝ａｒｃｓｉｎ｛（ｆ_MR1−ｆ_REF）／Ｗ_MR1｝…（４）
Δφ_MR2＝ａｒｃｓｉｎ｛（ｆ_MR2−ｆ_REF）／Ｗ_MR2｝…（５）

【0012】

ここで、Ｗ_MR1及びＷ_MR2は、それぞれ、第１のＭＲ素子及び第２のＭＲ素子が同期可能なバンド幅である。注入同期により、二つのＭＲ素子を同期させたまま、例えば、第１のＭＲ素子に印加される直流電圧を固定し、第２のＭＲ素子に印加される直流電圧を変化させることにより、ｆ_MR1＝ｆ_MR2＝ｆ_REFとしたまま、二つのＭＲ素子のそれぞれから発振される高周波信号の位相差Δφ_MRを任意に変化させることができる。

【0013】

なお、ＭＲ素子から発振される高周波信号は、信号経路を伝搬する過程で位相がずれるため、（３）式〜（５）式は、信号経路を通じて二つのＭＲ素子のそれぞれから発振される高周波信号の位相差と必ずしも同一ではない点に留意されたい。

【0014】

注入同期が生じるための条件について本発明者が鋭意検討したところ、同期後のＭＲ素子の発振周波数をｆとしたときに、基準信号の周波数ｆ_REFがｆに等しく、且つ、ＭＲ素子の発振周波数ｆ_MRがｆに等しい場合にのみ注入同期が生じるのではなく、基準信号の周波数ｆ_REFがｆのｎ倍又は１／ｎ倍と等しいか、又はｆのｎ倍又は１／ｎ倍とほぼ等しいときに生じることが判明した。ここで、ｎは、２以上の整数である。「ほぼ等しい」とは、ｆ_REFとｆのｎ倍又は１／ｎ倍との差がｆの４０％以内、好ましくは、３０％以内であれば、同期可能であることを意味する。このような理由から、本明細書では、ｆのｎ倍又は１／ｎ倍と「ほぼ等しい周波数」を「同期可能な周波数」という。

【0015】

本発明者はこのような技術的知見に着目し、同期後の複数のＭＲ素子の発振周波数をｆとしたときに、ｆのｎ倍又は１／ｎ倍の周波数を有する基準信号を用いて複数のＭＲ素子を注入同期させる位相変調高周波発振器アレイを着想した。注入同期により、複数のＭＲ素子の発振周波数は、ｆに一致する。注入同期された複数のＭＲ素子のうち任意に選択される少なくとも二つのＭＲ素子の共鳴条件を変えることにより、複数のＭＲ素子のそれぞれから発振される高周波信号の発振周波数をｆに一致させたまま、選択された少なくとも二つのＭＲ素子から出力される高周波信号間の位相差を任意に制御することができる。このようにして、高周波信号間の位相差を制御することにより、位相変調が可能となる。位相変調高周波発振器アレイは、例えば、フェーズドアレイレーダとして応用可能である。ＭＲ素子の共鳴条件を変えるための機構として、例えば、ＭＲ素子に印加される直流電圧であるバイアス電圧を変えるバイアス電圧印加機構や、ＭＲ素子に印加される磁界強度を変える磁界印加機構などが好適である。複数のＭＲ素子のそれぞれに印加されるバイアス電圧又は磁界強度を変えることにより、複数のＭＲ素子のそれぞれから発振される高周波信号の発振周波数をｆに一致させたまま、高周波信号間の位相差を任意に制御することができる。

【0016】

上述の如く構成された位相変調高周波発振器アレイでは、複数のＭＲ素子のそれぞれから発振される高周波信号を伝達する信号経路に基準信号が混入する。仮に、同期後の複数のＭＲ素子の発振周波数ｆと、基準信号の周波数ｆ_REFとが等しい場合、ＭＲ素子からの位相変調された高周波信号と基準信号とを区別して位相変調高周波発振器アレイから出力することが困難になる。基準信号の周波数ｆ_REFが同期後の複数のＭＲ素子の発振周波数ｆのｎ倍又は１／ｎ倍である場合には、基準信号を選択的に除去する除去手段を用いることにより、ＭＲ素子からの位相変調された高周波信号を位相変調高周波発振器アレイから出力することができる。このような除去手段として、例えば、基準信号の周波数ｆ_REFを減衰域（又は阻止域）とし、且つＭＲ素子の発振周波数ｆを通過域とする周波数特性を有するフィルタなどを用いることができる。基準信号の周波数ｆ_REFが同期後の複数のＭＲ素子の発振周波数ｆのｎ倍である場合には、除去手段として、ローパスフィルタを用いることができる。基準信号の周波数ｆ_REFが同期後の複数のＭＲ素子の発振周波数ｆの１／ｎ倍である場合には、除去手段として、ハイパスフィルタを用いることができる。除去手段は、上述のフィルタに限られるものではなく、例えば、基準信号の周波数ｆ_REFを減衰域（又は阻止域）とする周波数特性を有し、且つＭＲ素子から発振される高周波信号を電波として出力するアンテナでもよい。

【0017】

なお、本発明者の実験により、注入同期は、基準信号の周波数ｆ_REFが、同期後のＭＲ素子の発振周波数ｆの２／３倍である場合など、ｆのｎ倍又は１／ｎ倍の周波数以外の周波数でも生じることが確認されている。しかし、ｆの１／２倍に比べてｆの２／３倍などの半端な周波数は、同期幅が狭いため、注入同期に要するエネルギーが高い。そのため、基準信号源からの多くの電力をＭＲ素子に注入しなければならず、実用性に乏しい。

【0018】

次に、図１から図７を参照しながら、本発明の実施形態に関わる位相変調高周波発振器アレイの構成について説明する。ここで、同一符号は同一の素子を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は、本発明の実施形態に関わる位相変調高周波発振器アレイ１０の概略構成を示すブロック図である。位相変調高周波発振器アレイ１０は、基準信号源２０と、Ｎ個の高周波発振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎと、Ｎ個の除去手段４０−１，４０−２，…，４０−Ｎとを備えている。ここで、Ｎは２以上の整数である。Ｎ個の高周波発振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎのそれぞれは、ＭＲ素子３１と、バイアス電圧印加機構３２とを備えている。位相変調高周波発振器アレイ１０は、発振周波数ｆで同期するように構成されており、基準信号源２０は、発振周波数ｆのｎ倍又は１／ｎ倍の周波数を有する基準信号を出力する。ｎは２以上の整数であり、例えば、２〜１２の整数が好ましい。基準信号源２０として、例えば、電圧制御発振器やフェーズロックドループ発振器などを用いることができる。発振周波数ｆを有する信号を出力する原始信号源と、その原子信号源から出力される信号の発振周波数ｆをｎ倍又は１／ｎ倍に逓倍する逓倍器との組み合わせから基準信号源２０を構成してもよい。

【0019】

基準信号源２０は、Ｎ個の高周波発振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎのそれぞれに基準信号を供給する。高周波発振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎのそれぞれは、基準信号源２０から供給される基準信号をＭＲ素子３１に注入することにより、Ｎ個の高周波発振器３０−１，３０−２，…，３０−ＮのそれぞれのＭＲ素子３１から発振される高周波信号の発振周波数をｆに一致させる。本実施形態では、一つの基準信号源２０をＮ個の高周波発振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎで共用しているが、Ｎ個の高周波発振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎのそれぞれに専用の基準信号源を設けてもよい。

【0020】

ここで、図２を参照しながら、ＭＲ素子３１について説明する。ＭＲ素子３１は、自由層３１Ａ、非磁性層３１Ｂ、及び固定層３１Ｃを備えている。ＭＲ素子３１は、バイアス電圧を印加すると、発振周波数ｆ_MRで共鳴発振し、高周波信号を出力する高周波発振素子として機能する。このとき、ＭＲ素子３１は、高周波信号の基本波成分のみならず、その高調波成分をも発振する。そのため、ＭＲ素子３１から発振される高周波信号の基本波成分を、ＭＲ素子３１から出力される出力信号として取り扱ってもよく、又はＭＲ素子３１から発振される高周波信号の高調波成分を、ＭＲ素子３１から出力される出力信号として取り扱ってもよい。例えば、ＭＲ素子３１から発振される高周波信号の高調波成分を、ＭＲ素子３１から出力される出力信号として取り扱う場合には、ＭＲ素子３１から発振される高周波信号の基本波成分をフィルタで除去してもよい。ＭＲ素子３１は、磁化の向きに応じて、水平型、垂直型、磁気渦型に分類されるが、どれも使用可能である。

【0021】

自由層３１Ａの材質は、強磁性体である。強磁性体材料としては、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの鉄系又は鉄系合金（例えば、ＣｏＦｅＢ）が代表的である。その他、例えば、ＦｅＢの単層膜やＣｏＦｅＢとＮｉＦｅの２層膜、ＣｏＦｅとＮｉＦｅの２層膜、ＣｏＦｅＢとＲｕとＣｏＦｅＢの３層膜、ＣｏＦｅＢとＲｕとＮｉＦｅの３層膜、ＣｏＦｅとＲｕとＮｉＦｅの３層膜、ＣｏＦｅＢとＣｏＦｅとＲｕとＣｏＦｅの４層膜、ＣｏＦｅＢとＣｏＦｅとＲｕとＮｉＦｅの４層膜なども使用可能である。自由層３１Ａの結晶構造は、例えば、ＢＣＣ構造であることが好ましい。自由層３１Ａの膜厚は、例えば、１．５〜２０ｎｍ程度である。

【0022】

非磁性層３１Ｂの材質は、非磁性金属と、絶縁体と分類される。非磁性層３１Ｂの材質として、非磁性金属を用いるものは、ＧＭＲ素子と呼ばれ、絶縁体を用いるものは、ＴＭＲ素子と呼ばれる。非磁性層３１Ｂとして機能する非磁性金属として、例えば、Ｃｕ，Ａｇ，Ｃｒなどが使用できる。非磁性金属の厚さは、例えば、０．３ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。特に、大きなＭＲ比を実現するＣｕ，Ａｇを用いる場合、その厚さは、例えば、２ｎｍ〜１０ｎｍである。非磁性層３１Ｂとして機能する絶縁体として、例えば、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｌｉなどの酸化物、窒化物、ハロゲン化物などの様々な誘電体を使用できる。特に、大きなＭＲ比と小さな面抵抗を両立する酸化マグネシウムが好ましい。上述の酸化物や窒化物を非磁性層３１Ｂとして用いる場合は、その酸化物や窒化物の中に酸素や窒素欠損が多少存在していてもかまわない。絶縁体の厚さは、例えば、０．３ｎｍ〜２ｎｍ程度である。なお、ＴＭＲ素子の場合、非磁性層３１Ｂは、トンネル障壁層とも呼ばれる。

【0023】

固定層３１Ｃの材質は、強磁性体である。強磁性体材料としては、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの鉄系又は鉄系合金（例えば、ＦｅＢやＣｏＦｅＢ）が代表的である。製法の都合で中間状態としてアモルファス状態を望む場合には、これらにＢ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｖなどを添加した合金ＣｏＦｅＢＳｉ，ＣｏＦｅＢＴｉ，ＣｏＦｅＢＣｒ，ＣｏＦｅＢＶなどを用いることもできる。特に、垂直磁化の場合には、ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄなどの合金、又はそれらの合金薄膜の多層膜、或いはそれら合金にＢ、Ｃｒなどを添加した合金を用いることができる。固定層３１Ｃの結晶構造は、例えば、ＢＣＣ構造であることが好ましい。アモルファス状態の膜を結晶化するには、例えば、熱処理（アニーリング）すればよい。固定層３１Ｃの膜厚については、その膜厚が薄くなると、電流や熱に対する磁化方向の安定性が低下するという問題と、連続膜を作るのが難しくなるという問題が発生する。逆に、固定層３１Ｃの膜厚が厚くなると、固定層３１Ｃから自由層３１Ａへの漏洩磁界が大きくなるという問題と、微細加工が難しくなるという問題が発生する。これらの事情に鑑み、固定層３１Ｃの膜厚は、例えば、２〜３０ｎｍ程度が好ましい。

【0024】

ＭＲ素子３１の基本的な構成要素である自由層３１Ａ、非磁性層３１Ｂ、及び固定層３１Ｃについて説明したが、本発明の目的に反しない限り、例えば、取出し電極層、固定層３１Ｃの磁化方向を保持するべく支援する第１支援層、自由層３１Ａの磁化容易方向を調整するべく支援する第２支援層、自由層３１Ａの磁化の向きを読出すときに読出し信号を高めるべく支援する第３支援層（読出し専用層）、キャッピング層などの層を設けてもよい。ここで、自由層３１Ａの磁化の向きが水平型である場合や磁気渦型である場合は、第２支援層の材質として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの鉄系又は鉄系合金（例えば、ＦｅＢやＣｏＦｅＢ）が代表的である。自由層３１Ａの磁化の向きが垂直型である場合は、第２支援層の材質として、ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄなどの合金、又はそれらの合金薄膜の多層膜、或いはそれら合金にＢ、Ｃｒなどを添加した合金を用いることができる。ＭＲ素子３１に第２支援層を設けることにより、ＭＲ素子３１にバイアス電圧を印加したときにその発振周波数ｆ_MRを変え易くなることがある。

【0025】

ここで、図１の説明に戻る。バイアス電圧印加機構３２は、ＭＲ素子３１にバイアス電圧を印加する。バイアス電圧印加機構３２は、ＭＲ素子３１が注入同期された状態でＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を変えることにより、ＭＲ素子３１から出力される出力信号と基準信号との間の位相差を制御することができる。このような位相変調は、例えば、ｉ番目の高周波発振器３０−ｉから出力される出力信号とｊ番目の高周波発振器３０−ｊから出力される出力信号との間の位相差の制御にも応用可能である。但し、ｉ，ｊは１以上Ｎ以下の互いに異なる任意の整数である。バイアス電圧印加機構３２は、バイアス電圧源及びバイアス電圧を印加するための信号経路を備える。ＭＲ素子３１は、一般的に、１０〜１ｋΩ程度の抵抗を有しており、ＭＲ素子３１の共鳴条件が満たされるためのバイアス電圧として１００〜７００ｍＶ程度を必要とすることから、バイアス電圧源としては、最大出力が１Ｖ，１００ｍＡ程度の直流電源が望ましい。

【0026】

除去手段４０−ｉは、高周波発振器３０−ｉから出力される出力信号を伝達する信号経路に混入する基準信号を選択的に除去する。ここで、ｉは１以上Ｎ以下の任意の整数である。このような除去手段４０−ｉとして、例えば、基準信号の周波数ｆ_REFを減衰域（又は阻止域）とし、且つ注入同期後のＭＲ素子３１の発振周波数ｆを通過域とする周波数特性を有するフィルタを用いることができる。基準信号の周波数ｆ_REFが注入同期後の複数のＭＲ素子３１の発振周波数ｆのｎ倍である場合には、除去手段４０−ｉとして、ローパスフィルタを用いることができる。基準信号の周波数ｆ_REFが注入同期後の複数のＭＲ素子３１の発振周波数ｆの１／ｎ倍である場合には、除去手段４０−ｉとして、ハイパスフィルタを用いることができる。除去手段４０−ｉは、上述のフィルタに限られるものではなく、例えば、基準信号の周波数ｆ_REFの帯域を減衰域とする周波数特性を有し、且つＭＲ素子３１から出力される出力信号を電波として出力するアンテナでもよい。除去手段４０−ｉとしてアンテナを用いる場合には、基準信号を選択的に除去するためのフィルタは不要であり、高周波発振器３０−ｉの出力にアンテナを接続すればよい。なお、基準信号の周波数ｆ_REFにおける利得が低く、且つ注入同期後のＭＲ素子３１の発振周波数ｆにおける利得が高い周波数特性を有する増幅器を除去手段４０−ｉとして用いてもよい。

【0027】

図３に示すように、高周波発振器３０−ｉは、基準信号源２０から出力される交流信号である基準信号に、バイアス電圧印加機構３２から出力される直流信号であるバイアス電圧を重畳してこれをＭＲ素子３１に供給するバイアスティー３３を備えてもよい。バイアスティー３３は、キャパシタ素子とインダクタ素子とから構成される。基準信号源２０からの基準信号が伝搬する信号経路やＭＲ素子３１からの出力信号が伝搬する信号経路に直流信号が重畳されてもよい場合には、バイアスティー３３を使用せずに、バイアス電圧印加機構３２から供給されるバイアス電圧をＭＲ素子３１に直接印加してもよい。なお、図３は、便宜上、高周波振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎの中から高周波発振器３０−ｉのみを図示しているが、例えば、高周波振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎの全てがバイアスティー３３を備えてもよい。

【0028】

図４に示すように、高周波発振器３０−ｉは、ＭＲ素子３１に磁界を印加する磁界印加機構３４を備えてもよい。磁界印加機構３４は、ＭＲ素子３１が注入同期された状態でＭＲ素子３１に印加される磁界強度を変えることにより、ＭＲ素子３１から出力される出力信号と基準信号との間の位相差を制御することができる。このような位相変調は、例えば、ｉ番目の高周波発振器３０−ｉから出力される出力信号とｊ番目の高周波発振器３０−ｊから出力される出力信号との間の位相差の制御にも応用可能である。但し、ｉ，ｊは２以上Ｎ以下の互いに異なる任意の整数である。磁界印加機構３４として、例えば、永久磁石や電磁石などを用いることができる。電磁石によれば、磁界強度の変更が容易である。電磁石は、磁性体の周りに巻回されたコイルを通電することによって、磁力を発生させるものであるが、磁性体は必ずしも必須ではなく、コイルの通電により生じる磁界をＭＲ素子３１に印加してもよい。なお、図４は、便宜上、高周波振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎの中から高周波発振器３０−ｉのみを図示しているが、例えば、高周波振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎの全てが磁界印加機構３４を備えてもよい。

【0029】

図５に示すように、位相変調高周波発振器アレイ１０は、高周波発振器３０−ｉから出力される出力信号を増幅する増幅器５０−ｉを備えてもよい。高周波発振器３０−ｉから出力される出力信号の強度は、例えば、１０ｍＶ（ｒｍｓ）程度と低いため、増幅器５０−ｉを用いて出力信号を増幅するのが好ましい。ここで、ｒｍｓは、二乗平均平方根を意味する。なお、図５は、便宜上、高周波振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎの中から高周波発振器３０−ｉのみを図示しているが、例えば、位相変調高周波発振器アレイ１０は、Ｎ個の高周波振器３０−１，３０−２，…，３０−Ｎのそれぞれから出力される出力信号を増幅するＮ個の増幅器５０−１，５０−２，…，５０−Ｎを備えてもよい。

【0030】

なお、図１に示す構成では、バイアス電圧印加機構３２からのバイアス電圧と、基準信号源２０からの基準信号とが同一の信号経路を通じてＭＲ素子３１に供給されるが、図６に示すように、バイアス電圧印加機構３２からのバイアス電圧と、基準信号源２０からの基準信号とが異なる信号経路を通じてＭＲ素子３１に供給されてもよい。

【0031】

図７は、２出力型の位相変調高周波発振器アレイ１０の概略構成を示すブロック図である。同図に示す構成は、図１においてＮ＝２としたときの構成である。位相変調高周波発振器アレイ１０は、基準信号源２０と、二つの高周波発振器３０−１，３０−２と、二つの除去手段４０−１，４０−２とを備えている。高周波発振器３０−１，３０−２のそれぞれは、ＭＲ素子３１、バイアス電圧印加機構３２、バイアスティー３３、及び磁界印加機構３４を備えており、高周波発振器３０−１から出力される出力信号と高周波発振器３０−２から出力される出力信号との間の位相差を制御することができる。除去手段４０−１，４０−２は、それぞれ、高周波発振器３０−１，３０−２から出力される出力信号を伝達する信号経路に混入する基準信号を選択的に除去する。

【実施例】

【0032】

図８は本実施例に関わる位相変調高周波発振器アレイ１０の具体的構成を示すブロック図である。位相変調高周波発振器アレイ１０は、基準信号源２０と、二つの高周波発振器３０−１，３０−２と、分配器６０と、二つの減衰器７０−１，７０−２と、二つの方向性結合器８０−１，８０−２と、二つの増幅器５０−１，５０−２と、二つのフィルタ９０−１，９０−２とを備えている。高周波発振器３０−１，３０−２のそれぞれは、ＭＲ素子３１、バイアス電圧印加機構３２、バイアスティー３３、及び磁界印加機構３４を備えている。増幅器５０−１，５０−２は、それぞれ、高周波発振器３０−１，３０−２から出力される出力信号を増幅する。フィルタ９０−１，９０−２は、それぞれ、高周波発振器３０−１，３０−２から出力される出力信号を伝達する信号経路に混入する基準信号を選択的に除去する。

【0033】

高周波発振器３０−１，３０−２は、発振周波数ｆ＝６．１２９ＧＨｚで同期するように設定した。基準信号源２０として、出力パワーが−１３５ｄＢｍ〜＋２１ｄＢｍ、帯域が２５０ｋＨｚ〜４０ＧＨｚであるキーサイトテクノロジー社製アナログ信号発生器Ｅ８２５７Ｄを用いた。本実施例では、基準信号源２０から出力パワー１６ｄＢ、周波数ｆ_REF＝２ｆ＝１２．２５８ＧＨｚの基準信号を出力した。

【0034】

ＭＲ素子３１を構成する自由層３１Ａとして、ＦｅＢ層（厚さ２ｎｍ）を用いた。ＭＲ素子３１を構成する非磁性層３１Ｂとして、ＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）を用いた。ＭＲ素子３１を構成する固定層３１Ｃとして、ＣｏＦｅＢ層（厚さ３ｎｍ）／Ｒｕ層（厚さ０．８６ｎｍ）／ＣｏＦｅ層（厚さ２．５ｎｍ）／ＰｔＭｎ層（厚さ１５ｎｍ）の多層膜を用いた。固定層３１ＣのＣｏＦｅＢ層は、非磁性層３１ＢであるＭｇＯ層に接している。微細加工処理により、ＭＲ素子３１の形状が直径３００ｎｍの円柱になるように加工した。このＭＲ素子３１の抵抗値は２７Ω、磁気抵抗比（ＭＲ比）は室温で約１００％であった。

【0035】

バイアス電圧印加機構３２として、最小電源分解能が１００ｎＶであるキーサイトテクノロジー社製プレジションソースメジャーユニットＢ２９１２Ａを用いた。バイアスティー３３として、挿入損失が約０．８ｄＢ、帯域が４５ＭＨｚ〜２６．５ＧＨｚであるキーサイトテクノロジー社製バイアスティー１１６１２Ａを用いた。磁界印加機構３４として、電磁石を用いた。

【0036】

分配器６０は、三つのポート６１，６２，６３を備えており、基準信号源２０からポート６１を通じて分配器６０に入力される基準信号を二つに等分割してポート６２，６３のそれぞれから出力する。ポート６２，６３から出力される基準信号の強度は同じである。分配器６０として、挿入損失が約７ｄＢ、帯域がＤＣ１８ＧＨｚのミニサーキット社製広帯域抵抗型分配器ＺＦＲＳＣ−１８３＋を用いた。

【0037】

減衰器７０−１，７０−２のそれぞれは、ポート７１，７２を備えている。ポート７１から入力してポート７２から出力される信号の減衰の度合いと、ポート７２から入力してポート７１から出力される信号の減衰の度合いは同じである。減衰器７０−１，７０−２を設けることにより、高周波発振器３０−１からの出力信号が増幅器５０−２及びフィルタ９０−２に入力されるのを制限するとともに、高周波発振器３０−２からの出力信号が増幅器５０−１及びフィルタ９０−１に入力されるのを制限することができる。減衰器７０−１，７０−２として、挿入損失が約２０ｄＢ、帯域がＤＣ４０ＧＨｚのミニサーキット社製広帯域減衰器ＢＷ−Ｋ２０−２Ｗ４４＋＋を用いた。

【0038】

方向性結合器８０−１，８０−２のそれぞれは、入力ポート８１、結合ポート８２、及び出力ポート８３を備えている。入力ポート８１から入力された信号は、殆ど減衰なく出力ポート８３から出力されるとともに、一定の割合（例えば、−１４ｄＢ程度）の信号が結合ポート８２からも出力される。出力ポート８３から入力された信号は、殆ど減衰なく入力ポート８１から出力されるとともに、一定の割合（例えば、−２８ｄＢ程度、即ち、殆どゼロ）の信号が結合ポート８２からも出力される。方向性結合器８０−１，８０−２を設けることにより、高周波発振器３０−１からの出力信号が増幅器５０−２及びフィルタ９０−２に入力されるのを制限するとともに、高周波発振器３０−２からの出力信号が増幅器５０−１及びフィルタ９０−１に入力されるのを制限することができる。方向性結合器８０−１，８０−２として、キーサイトテクノロジー社製同軸方向性結合器８７３０１Ｄを用いた。本実施例では、基準信号源２０からの基準信号の強度がＭＲ素子３１からの出力信号の強度と比較して８ｄＢ程度大きいことから、増幅器５０−１，５０−２の飽和を避けるために、方向性結合器８０−１，８０−２を使用し、基準信号源２０からの基準信号の強度を減衰させた。但し、幅器５０−１，５０−２が飽和する虞がない場合（例えば、ＭＲ素子３１の出力信号の強度が、増幅器５０−１，５０−２が飽和するときの入力電圧の許容最大値を下回る場合や、当該許容最大値が実用上十分に大きい場合など）には、方向性結合器８０−１，８０−２は必須ではなく、方向性結合器８０−１，８０−２に替えて分配器や単純な電気的接点などを用いてもよい。

【0039】

増幅器５０−１として、ＭＲ素子３１の発振周波数ｆ_MR＝６．１２９ＧＨｚ近傍での増幅率が約２７ｄＢ、ノイズ指数が２．４ｄＢ、帯域が１００ＭＨｚ〜１８ＧＨｚであるミニサーキット社製増幅器ＺＶＡ−１８３Ｗ−Ｓ＋を用いた。増幅器５０−２として、ＭＲ素子３１の発振周波数ｆ_MR＝６．１２９ＧＨｚ近傍での増幅率が約２６ｄＢ、ノイズ指数が３．０ｄＢ、帯域が８００ＭＨｚ〜２１ＧＨｚであるミニサーキット社製増幅器ＺＶＡ−２１３−Ｓ＋を用いた。

【0040】

フィルタ９０−１，９０−２は、実デバイスはなく、信号解析処理により、増幅器５０−１，５０−２の後段に疑似的に挿入された仮想デバイスである。本実施例では、フィルタ９０−１，９０−２として、遮断周波数が８ＧＨｚに設定されたバーターワース型のローパスフィルタを用いた。

【0041】

次に、位相変調高周波発振器アレイ１０における信号の流れとその強度について説明する。基準信号源２０から信号強度９ｄＢｍの基準信号（周波数ｆ_REF＝２ｆ＝１２．２５８ＧＨｚ）を出力した。分配器６０のポート６１に入力した基準信号は、信号強度３ｄＢｍの信号に等分割されて、ポート６２，６３から出力された。分配器６０のポート６２から出力された基準信号は、減衰器７０−１、方向性結合器８０−１の出力ポート８３、方向性結合器８０−１の入力ポート８１、及び高周波発振器３０−１のバイアスティー３３を通じて−７ｄＢｍ程度までその信号強度が減衰した後に、高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１に注入された。同様に、分配器６０のポート６３から出力された基準信号は、減衰器７０−２、方向性結合器８０−２の出力ポート８３、方向性結合器８０−２の入力ポート８１、及び高周波発振器３０−２のバイアスティー３３を通じて−７ｄＢｍ程度までその信号強度が減衰した後に、高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１に注入された。これにより、高周波発振器３０−１，３０−２の二つのＭＲ素子３１は、注入同期され、発振周波数ｆ＝６．１２９ＧＨｚで同期した。このとき、方向性結合器８０−１，８０−２のそれぞれの出力ポート８３から結合ポート８２を通過する基準信号は、その信号強度が−３５ｄＢｍ程度まで減衰した後に、増幅器５０−１，５０−２によりその信号強度が−８ｄＢｍまで増幅され、フィルタ９０−１，９０−２によりその信号強度が−４６ｄＢｍまで（即ち、殆どゼロまで）減衰した。

【0042】

一方、高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１から出力された出力信号（発振周波数ｆ＝６．１２９ＧＨｚ）の強度は、約−３０ｄＢｍであった。高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１からの出力信号は、方向性結合器８０−１の入力ポート８１から結合ポート８２を通過してその信号強度が−４３ｄＢｍまで減衰し、増幅器５０−１によりその信号強度が−１６ｄＢｍまで増幅され、ローパスフィルタ９０−１によりその信号強度が−１７Ｂｍまで減衰した。同様に、高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１から出力された出力信号（発振周波数ｆ＝６．１２９ＧＨｚ）の強度は、約−３０ｄＢｍであった。高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１からの出力信号は、方向性結合器８０−２の入力ポート８１から結合ポート８２を通過してその信号強度が−４３ｄＢｍまで減衰し、増幅器５０−２によりその信号強度が−１６ｄＢｍまで増幅され、ローパスフィルタ９０−２によりその信号強度が−１７Ｂｍまで減衰した。

【0043】

なお、高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１から出力された出力信号は、方向性結合器８０−２の入力ポート８１、方向性結合器８０−２の出力ポート８３、減衰器７０−２、分配器６０、減衰器７０−１、方向性結合器８０−１の出力ポート８３、方向性結合器８０−１の結合ポート８２、増幅器５０−１及びフィルタ９０−１を通じてその信号強度が最終的に−４６ｄＢｍまで減衰して、高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１から出力された出力信号（信号強度−１７Ｂｍ）に重畳することが確認された。しかし、−４６ｄＢｍの出力信号は、−１７Ｂｍの出力信号と比較して３桁程度レベルが低いため、実用上は無視し得る。同様に、高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１から出力された出力信号は、最終的にその信号強度が−４６ｄＢｍまで減衰して、高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１から出力された出力信号（信号強度−１７Ｂｍ）に重畳してしまうが、実用上は無視し得る。

【0044】

図９は高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を２３５〜２５５ｍＶの範囲で変えたときのＭＲ素子３１のスペクトル強度の測定結果を示すグラフである。図１０は高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を２００〜２２０ｍＶの範囲で変えたときのＭＲ素子３１のスペクトル強度の測定結果を示すグラフである。スペクトル強度の測定時には、磁界印加機構３４を用いて、高周波発振器３０−１，３０−２のそれぞれのＭＲ素子３１の固定層３１Ｃに対して１２０°傾けた角度で３ｋＯｅの大きさの磁界を印加した。

【0045】

図１１は高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を２３５〜２５５ｍＶの範囲で変えたときのＭＲ素子３１の発振周波数ｆ_MR1を示すグラフであり、図９の測定結果から求めたものである。図１１のグラフから、高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１の発振周波数ｆ_MR1は、２３５〜２５５ｍＶのバイアス電圧の範囲において、６．１６ＧＨｚを中心として、約６．１０ＧＨｚから約６．１８ＧＨｚの範囲で概ね単調に変化することが確認できる。図１２は高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を２００〜２２０ｍＶの範囲で変えたときのＭＲ素子３１の発振周波数ｆ_MR2を示すグラフであり、図１０の測定結果から求めたものである。図１２のグラフから、高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１の発振周波数ｆ_MR2は、２００〜２２０ｍＶのバイアス電圧の範囲において、６．１２ＧＨｚを中心として、約６．０７ＧＨｚから約６．１６ＧＨｚの範囲で概ね単調に変化することが確認できる。

【0046】

図１３は高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１を発振周波数ｆ＝６．１２９ＧＨｚで注入同期させたときの発振周波数ｆ_MR1と測定出力との関係を示すグラフである。図１４は高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１を発振周波数ｆ＝６．１２９ＧＨｚで注入同期させたときの発振周波数ｆ_MR2と測定出力との関係を示すグラフである。この注入同期では、基準信号（周波数ｆ_REF＝２ｆ＝１２．２５８ＧＨｚ）を高周波発振器３０−１，３０−２のそれぞれのＭＲ素子３１に注入した。図１３及び図１４に示す測定結果から、高周波発振器３０−１，３０−２のそれぞれのＭＲ素子３１から出力される出力信号のピーク幅は約３ｋＨｚ程度と低く、発振周波数ｆ_MR1，ｆ_MR2を安定化させることができることが分かる。なお、ＭＲ素子に基準信号を注入しないで（即ち、ＭＲ素子を注入同期させないで）、発振周波数を測定したところ、その出力のピーク幅は約３ＭＨｚ程度と非常に高く不安定であった。

【0047】

図１５は高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を２５０ｍＶに固定しつつ、高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を２１０ｍＶ付近で変化させたときの高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１の発振周波数ｆ_MR1と、高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１の発振周波数ｆ_MR2とを測定した結果を示すグラフである。高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を変化させたとしても、注入同期により、発振周波数ｆ_MR1，ｆ_MR2は共にｆ＝６．１２９ＧＨｚに一致したまま変化しないことが確認できる。

【0048】

図１６は高周波発振器３０−１のＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を２５０ｍＶに固定しつつ、高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を２１０ｍＶ付近で変化させたときの高周波発振器３０−１の出力信号と高周波発振器３０−２の出力信号との間の位相差を測定した結果を示すグラフである。高周波発振器３０−２のＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を変化させることにより、位相差は３π／４から０まで変化した。この測定結果から、高周波発振器３０−１，３０−２のそれぞれのＭＲ素子３１を注入同期させた状態でＭＲ素子３１に印加されるバイアス電圧を変えることにより、位相差を制御できること、即ち、位相変調が可能であることが確認できる。

【0049】

本実施例では、Ｎ＝２のときの位相変調高周波発振器アレイ１０による位相変調について説明したが、Ｎ＝３以上の場合についても同様の原理により、位相変調高周波発振器アレイ１０は、位相変調を行うことができる。位相変調高周波発振器アレイ１０の用途に応じて、Ｎは２以上４０以下の整数が好ましい。

【0050】

表１は、位相変調高周波発振器アレイ１０による位相変調の具体例を示す。

【表1】

【0051】

表１は、出力１に対する出力２、出力３、…、出力Ｎのそれぞれの位相差を示している。ここで、「出力１」、「出力２」、…、「出力Ｎ」は、それぞれ、「高周波発振器３０−１の出力信号」、「高周波発振器３０−２の出力信号」、…、「高周波発振器３０−Ｎの出力信号」を示す。例えば、例１では、出力１に対する出力２、出力３、…、出力Ｎのそれぞれの位相差は全て「０」である。例２では、出力１に対する出力２、出力３、出力４、出力５、…、出力Ｎのそれぞれの位相差は、「０〜π」、「０」、「０〜π」、「０」、…、「０〜π」である。例３では、出力１に対する出力２、出力３、出力４、出力５、…、出力Ｎのそれぞれの位相差は、「０」、「０〜π」、「０」、「０〜π」、…、「０」である。ここで、「０〜π」は、０〜πの範囲内の任意の位相を示す。例４では、出力１に対する出力２、出力３、出力４、出力５、…、出力Ｎのそれぞれの位相差は、「０」、「π」、「π」、「π／２」、…、「π／３」である。例５では、出力１に対する出力２、出力３、出力４、出力５、…、出力Ｎのそれぞれの位相差は、「π／２」、「π／３」、「π／４」、「π／５」、…、「π／Ｎ」である。

【0052】

出力１に対する出力２、出力３、…、出力Ｎのそれぞれの位相差は、特定の位相差に固定してもよく、或いは、時間経過に従って変化させてもよい。例えば、位相変調高周波発振器アレイ１０は、ある期間において、例１に示すように位相変調をし、後続の期間において、例２に示すように位相変調をし、更に後続の期間において、例３に示すように位相変調をしてもよい。

【0053】

本実施例の位相変調高周波発振器アレイ１０は、フェーズドアレイレーダや通信機器などに有用である。特に、ＭＲ素子３１は、高周波信号を出力する高周波発振素子として機能するため、小型で安価な位相変調高周波発振器アレイ１０を提供することができる。

【符号の説明】

【0054】

１０…位相変調高周波発振器アレイ ２０…基準信号源 ３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ…高周波発振器 ３１…ＭＲ素子 ３２…バイアス電圧印加機構 ３３…バイアスティー ３４…磁界印加機構 ４０−１，４０−２，…，４０−Ｎ…除去手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】