特許 6978300 高周波電子機器及びマルチパクション防止方法

(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】6978300

(24)【登録日】2021年11月15日

(45)【発行日】2021年12月8日

(54)【発明の名称】高周波電子機器及びマルチパクション防止方法

(51)【国際特許分類】

   H03F 3/60 20060101AFI20211125BHJP

   H03F 1/52 20060101ALI20211125BHJP

   H03F 3/193 20060101ALI20211125BHJP

   H01P 5/08 20060101ALI20211125BHJP

【ＦＩ】

   H03F3/60

   H03F1/52 220

   H03F3/193

   H01P5/08 B

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-242922(P2017-242922)

(22)【出願日】2017年12月19日

(65)【公開番号】特開2019-110464(P2019-110464A)

(43)【公開日】2019年7月4日

【審査請求日】2020年11月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】301072650

【氏名又は名称】ＮＥＣスペーステクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109313

【弁理士】

【氏名又は名称】机 昌彦

(74)【代理人】

【識別番号】100124154

【弁理士】

【氏名又は名称】下坂 直樹

(72)【発明者】

【氏名】田中 秀典

【審査官】 渡井 高広

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−００４１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２６０５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１１４５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Natanael Ayllon,and Pier Giorgio Arpesi，Highly Efficient And Multipaction-Free P-Band GaN High-Power Amplifiers for Space Applications，IEEE Trabsactions on Microwave Theory and Techniques，米国，IEEE，2015年12月12日，VOL.63，p.4429-4436

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｆ ３／６０

Ｈ０３Ｆ １／５２

Ｈ０３Ｆ ３／１９３

Ｈ０１Ｐ ５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

トランジスタと、
基板上の配線と接合される同軸部と、
前記トランジスタに電源電圧を供給する直流電源と、
前記電源電圧により、前記基板上の配線と前記同軸部が接続される接合部に直流電圧を印加する電圧付加回路と、
アイソレータのインタフェース部である前記同軸部に内蔵され、前記同軸部内で信号の直流成分を遮断する直流遮断素子と、
を有し、
前記電圧付加回路は、前記配線と前記同軸部の接合部に電圧を印加し、前記直流遮断素子を通過した後の高周波信号を正方向にオフセットする、
高周波電子機器。

【請求項2】

前記トランジスタは、電界効果トランジスタであり、
前記電圧付加回路は、前記直流電源が前記電界効果トランジスタのドレインに印加するドレイン電圧を前記接合部に印加する、
請求項１に記載の高周波電子機器。

【請求項3】

前記同軸部は、
高周波回路に接続される入力側の内導体と、
前記直流遮断素子を介して前記入力側の内導体に接続される出力側の内導体と、
外導体と、
前記入力側の内導体、前記直流遮断素子及び前記出力側の内導体と前記外導体とを絶縁する絶縁体と、
を有する、
請求項１又は２に記載の高周波電子機器。

【請求項4】

トランジスタに電源電圧を供給し、
前記電源電圧により基板上の配線と同軸部が接続される接合部に直流電圧を印加し、
アイソレータのインタフェース部である前記同軸部に内蔵された直流遮断素子により、前記同軸部内で信号の直流成分を遮断し、
前記配線と前記同軸部の接合部に電圧を印加し、前記直流遮断素子を通過した後の高周波信号を正方向にオフセットする、
マルチパクション防止方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、高周波電子機器及びマルチパクション防止方法に関し、特にトランジスタを用いる高周波電子機器及びマルチパクション防止方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高周波回路を用いる電子機器は、低気圧環境、特に真空中で使用される場合、電子機器内の２つの導体間で電子が飛行する時間と、２つの導体間に発生する電界反転の周期が同期している箇所があると、その箇所でいわゆるマルチパクションが発生する。これは、一方の導体Ａから二次電子が放出された時、他方の導体Ｂから導体Ａへの正の電界で放出された二次電子が導体Ｂに向かって加速されて衝突し、それによって導体Ｂから放出された二次電子が反転した電界によって導体Ａに向かって加速され衝突する現象を繰り返すことにより発生する。電界が強く、衝突する二次電子の数より衝突により放出される電子の数が多い場合は、両導体間を飛び交う電子は時間とともに増加し、絶縁破壊に到る。

【0003】

特に高周波回路の基板と同軸部を接合する接合部では、同軸部の外導体と接合部の間、及び、金属の筐体と接合部との間でマルチパクションが発生する懸念がある。

【0004】

このマルチパクションを防止する構造が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、素粒子の研究などのため使用される粒子加速器において、高周波加速洞にマイクロ波導入用のカップラー部が接合される構造が開示されている。特許文献１に開示されているカップラー部の接続構造では、カップラー部が、直流成分をカットするよう容量性の接続により高周波加速洞に接合され、またカップラー部にはマイクロ波の高周波の電圧より高い直流電圧が印加されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５−１７０９７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら特許文献１の構成は、マルチパクションを防止するために、高周波加速洞にマイクロ波導入用のカップラー部が接合される構造に加えて、容量性の接続とするため導波管の先端部外周に絶縁性のセラミックで作られた円筒体が嵌合され、またマイクロ波の高周波の電圧より高い直流電圧を印加するための直流電源を備える構成となっている。特許文献１には、簡単な構造でマルチパクションを防ぐ構成は開示されていない。

【0007】

本発明は、簡単な構造で、マルチパクションを防ぐことが可能な高周波電子機器及びマルチパクション防止方法を提供することを主な目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の１つの側面による高周波電子機器は、トランジスタと、基板上の配線と接合される同軸部と、前記トランジスタに電源電圧を供給する直流電源と、前記電源電圧により前記基板上の配線と前記同軸部が接続される接合部に直流電圧を印加する電圧付加回路と、前記同軸部内で信号の直流成分を遮断する直流遮断素子と、を有する。

【0009】

本発明の他の側面によるマルチパクション防止方法は、トランジスタに電源電圧を供給し、前記電源電圧により基板上の配線と同軸部が接続される接合部に直流電圧を印加し、前記同軸部内で信号の直流成分を遮断する。

【発明の効果】

【0010】

本発明の上記側面によれば、高周波電子機器において簡単な構造でマルチパクションを防ぐことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、第１の実施形態の構成の一例を示すブロック図である。

【図2】図２は、第２の実施形態の構成の一例を示すブロック図である。

【図3】図３は、図２の構成を示す断面図である。

【図4】図４は、図２及び図３の電界効果トランジスタの出力する高周波信号の一例を示す図である。

【図5】図５は、図２及び図３の直流遮断素子を通過した後の高周波信号の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

次に例示的な第１の実施形態について図面を参照して説明する。第１の実施形態は、真空中で使用され、同軸部と基板もしくはトリプレートを接合する接合部が存在し、トランジスタが実装される高周波電子機器の実施形態である。高周波電子機器は、例えば、高周波信号を増幅する増幅器でもよいし、高周波信号を通過させるパッシブ機器でもよい。

【0013】

図１は、第１の実施形態の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、第１の実施形態の高周波電子機器１は、トランジスタ１１と、同軸部１２と、直流電源１３を備えている。同軸部１２は、図１に示すように、例えばトランジスタに接続される基板上の配線１４と接合されている。また直流電源１３は、トランジスタ１１に電源電圧を供給する。

【0014】

また高周波電子機器１は、配線１４と同軸部１２が接続される接合部１５に直流電圧を印加する電圧付加回路１６を備えている。電圧付加回路１６は、直流電源１３がトランジスタ１１に供給する電源電圧により、帯域内に影響を及ぼさない回路、例えばチョークコイルを介して接合部に電圧を印可させるものでもよい。直流電源１３がトランジスタ１１に電源電圧を供給すると、電圧付加回路１６にも、トランジスタ１１に印加される電源電圧が入力され、電圧付加回路１６は、この電源電圧により、接合部１５に例えばチョークコイルを介して直流電圧を印加する。この直流電圧を接合部１５に印加することで、接合部１５の電位の極性が常に正となる。

【0015】

また同軸部１２は、同軸部１２に入力される信号の直流成分を遮断する直流遮断素子１７を内蔵している。直流遮断素子１７は、例えばコンデンサで構成される。

【0016】

このように本実施形態によれば、直流電源１３がトランジスタ１１に電源電圧を供給し、電圧付加回路１６が、この電源電圧により接合部１５に直流電圧を印加することで、接合部１５の電位の極性が常に正となる。そして直流遮断素子１７が同軸部１２内で信号の直流成分を遮断する。この構成により、マルチパクションが生じ易い、基板と同軸部１２の接合部１５の極性が一定になり、同軸部１２の外導体と基板の間、及び、金属の筐体と基板との間の電界の方向が一定になる。したがって接合部１５と外導体との間、及び、接合部１５と筐体の間での電子の往復運動が制限され、高周波電子機器において簡単な構造でマルチパクションを防ぐことが可能となる。

【0017】

次に第２の実施形態について説明する。図２は、第２の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態は、高周波信号を増幅する増幅器の実施形態である。

【0018】

図２に示すように、高周波電子機器２は、高周波信号を増幅する電界効果トランジスタ２１と、同軸部２２１を有するアイソレータ２２と、直流電源２３を備えている。アイソレータ２２の同軸部２２１は、電界効果トランジスタ２１の出力に接続されるマイクロストリップ線路２４と接合されている。また直流電源２３は、電界効果トランジスタ２１に電源電圧であるドレイン電圧ＶＤを印加する。

【0019】

また高周波電子機器２は、マイクロストリップ線路２４とアイソレータ２２の同軸部２２１が接続される接合部２５に、電界効果トランジスタ２１に印加される電源電圧であるドレイン電圧ＶＤにより、直流電圧を印加する電圧付加回路２６を備えている。電圧付加回路２６は、ドレイン電圧ＶＤにより第１の実施形態と同様、帯域内に影響を及ぼさない回路、例えば図２に示すようにチョークコイル２６１などを介して接合部２５に直流電圧を印可させるものでよい。すなわち直流電源２３が電界効果トランジスタ２１に電源電圧であるドレイン電圧ＶＤを印加すると、電圧付加回路２６にも、電界効果トランジスタ２１に印加されるドレイン電圧ＶＤが入力され、電圧付加回路２６は、例えばチョークコイル２６１を介して、入力されたドレイン電圧ＶＤを接合部２５に印加する。

【0020】

またアイソレータ２２は、電界効果トランジスタ２１の出力の直流成分を遮断する直流遮断素子２２２を内蔵している。またアイソレータ２２は、サーキュレータ２２３と、整合終端器２２４を備えている。直流遮断素子２２２は、例えばコンデンサで構成される。

【0021】

図３は、図２の増幅装置の構成を示す断面図である。図３に示すようにマイクロストリップ線路２４が搭載されている基板２７上には直流遮断素子が配置されず、アイソレータ２２の入力インタフェース部である同軸部２２１に直流遮断素子２２２が内蔵される。また同軸部２２１は、直流遮断素子２２２とともに、マイクロストリップ線路２４が接続される内導体２２５と、直流遮断素子２２２を介して内導体２２５と接続される内導体２２６と、外導体２２７と、絶縁体２２８を備えている。内導体２２５、２２６及び直流遮断素子２２２は、絶縁体２２８でおおわれている。絶縁体２２８の材料としては、例えばテフロン（登録商標）が用いられる。テフロンなどの絶縁体２２８の絶縁体破壊電圧を超える電圧振幅を持つ高周波信号が入力されない限り、内導体２２５、２２６と外導体２２７との間で放電が起きることはない。

【0022】

図４は、図２及び図３の電界効果トランジスタの出力する高周波信号の一例を示す図である。図４に示すように電界効果トランジスタ２１で増幅された高周波信号は、並列給電されたバイアス電圧により、最大でドレイン電圧ＶＤの２倍の大きさの振幅を有する。また、接合部２５にドレイン電圧ＶＤが印加されることにより、電界効果トランジスタ２１で増幅された高周波信号の振幅の中心はドレイン電圧ＶＤだけ０Ｖからオフセットされた波形となる。したがって電界効果トランジスタ２１の出力信号は常に正の電圧に保持される。

【0023】

図５は、図２及び図３の直流遮断素子を通過した後の高周波信号の一例を示す図である。図５に示すように直流遮断素子２２２を通過した後の高周波信号は、接合部２５に印加されたバイアス電圧によるオフセットがなくなるため、振幅はドレイン電圧ＶＤの２倍の振幅であるが、振幅の中心は０Ｖを中心とした波形となる。すなわち、直流遮断素子２２２を通過した後の高周波信号は、最大で＋ＶＤ、−ＶＤという正負の振幅を周期的に繰り返すことになる。これが正負の周期的な電界を生み出す要因となり、マルチパクションの原因となる。

【0024】

図３に示すように、直流遮断素子２２２をアイソレータ２２のインタフェース部の同軸部２２１に内蔵させ、マルチパクションが生じ易い、マイクロストリップ線路２４と同軸部２２１の接合部２５に、ドレイン電圧ＶＤを印加し、直流遮断素子２２２を通過した後の高周波信号にオフセットを与える。その結果、高周波による電圧変動(電界変動)がドレイン電圧ＶＤだけ正方向にオフセットされる。

【0025】

本実施形態によれば、接合部２５の電位の極性は常に正となるため、接合部２５と外導体２２７との間、及び、接合部２５と筐体２８の間の電界の方向が一定になる。したがって、接合部２５と外導体２２７との間、及び、接合部２５と筐体２８の間での電子の往復運動が制限され、高周波電子機器において、簡単な構造でマルチパクションを防ぐことが可能となる。

【0026】

なお同軸部２２１は、電界効果トランジスタ２１の出力に接続されるマイクロストリップ線路２４と接合されているとしたが、これに限られない。例えば電界効果トランジスタ２１の入力に接続されるマイクロストリップ線路と同軸部が接合されているものでも本実施形態は適用可能である。この場合、同軸部に直流遮断素子を同軸部に内蔵させ、電圧付加回路は、ドレイン電圧ＶＤにより、例えばチョークコイルを介して、電界効果トランジスタの入力に接続されるマイクロストリップ線路と同軸部の接合部に直流電圧を印加する構成とする。

【0027】

この構成でもマルチパクションが生じ易い、基板と同軸部の接合部の極性が一定になり、同軸部の外導体と基板の間、及び、金属の筐体と基板との間の電界の方向が一定になる。したがって接合部と外導体との間、及び、接合部と筐体の間での電子の往復運動が制限され、高周波電子機器において簡単な構造でマルチパクションを防ぐことが可能となる。

【0028】

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

【符号の説明】

【0029】

１、２ 高周波電子機器
１１ トランジスタ
１２、２２１ 同軸部
１３、２３ 直流電源
１５、２５ 接合部
１６、２６ 電圧付加回路
１７、２２２ 直流遮断素子
２１ 電界効果トランジスタ
２２ アイソレータ
２４ マイクロストリップ線路
２２３ サーキュレータ
２２４ 整合終端器
２２５、２２６ 内導体
２２７ 外導体
２２８ 絶縁体
２６１ チョークコイル
２７ 基板
２８ 筐体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】