JPH07112121B2 - マイクロ波装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、フェリ磁性体の強磁性共鳴現象を利用した静
磁波素子を主要部品とするマイクロ波装置に関するもの
である。

「従来技術」 マイクロ波発振装置等に使用される主要部品として、フ
ラックス法等で作製したYIG（イットリウム・鉄・ガー
ネット）単結晶の球状試料、もしくは、GGG（ガドリニ
ウム・ガリウム・ガーネット）基板上に、液相エピタキ
シャル成長させたYIG薄膜等のフェリ磁性体を用いた静
磁波素子が提案されている。

第２図はYIG薄膜による静磁波素子1aを利用した従来技
術の一例を示す静磁波共振子１の概略構成図である。こ
の図において、静磁波素子1aは、GGG基板22の上に液相
エピタキシャル法により育成されたYIG薄膜23、このYIG
薄膜23上に、金あるいはアルミニウム膜からなる複数の
電極指24及びこれら電極指24の両側にパッド電極25a、2
5bをフォトリソグラフィ技術により形成したものであ
る。パッド電極25bが導体Wbによりマイクロ波回路の地
導体26に接続され、Wa1とWa2はマイクロ波回路の入力端
子となる。これらが静磁波素子1aとマイクロ波回路との
結合手段となり、静磁波共振子１が形成される。

このとき、YIG薄膜23の膜面に垂直に磁界Hoが印加され
ると、この静磁波素子1aには静磁前進体積波が図中のｉ
方向に伝搬し、端面の反射により共振するようになる。
この共振がおこる周波数は与えられた磁界Hoにより変え
ることができるので、このような静磁波共振子１により
周波数可変のマイクロ波装置を形成することができる。
静磁波素子1aは高品質YIG薄膜により高い選択度（Ｑ）
をもつこと、また共振周波数の可変幅を大きく取れるこ
となどの優れた特徴を持つことが開示されている。既に
マイクロ波領域では広く使われているYIG球を用いる素
子に比較しても、フォトリソグラフィにより素子を作製
するため比較的安価に製造できること等も開示されてい
る。

このような静磁波素子を使って実用制のあるマイクロ波
装置を作製するために、コイルに流れる電流により印加
磁界を変化させ、使用する周波数幅に対応して、静磁波
素子の共振周波数を制御する方法はよく知られている。

この場合、周波数の安定化を図るため、マイクロ波の出
力を前記コイルにフィードバックする第６図に示すよう
なPLL制御方法がよくとられる。ここで、42は静磁波素
子を利用したマイクロ波発振器、43は分周器、44は位相
検波器、45は基準周波数源、41はコイルの駆動回路であ
る。

前記コイルは、通常、主制御コイルと微調整用制御コイ
ルの２種類のコイルにより構成される。この場合、主制
御コイルに発振周波数に対応する電流を予め流し、微調
整用制御コイルにPLL制御信号に応じた電流を流す方法
がとられる。このとき、微調整用制御コイルは主制御コ
イルに比べ速い応答を必要とするために、巻き数は少な
く起磁力の小さいコイルを使用するのが通例である。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、上記構成においては次のような問題があ
った。例えば、使用温度範囲が常温から高温あるいは低
温などに変化した場合、予め与えた主制御コイルの電流
による中心周波数は、マイクロ波装置が持っている温度
特性により所望の周波数から大きくずれる。この分を微
調整用制御コイルにより補償しようとすると、微調整用
制御コイルの起磁力は十分大きいものに設計しなければ
ならない。結果として応答速度の低下あるいは消費電力
の増大を招くとい問題があった。従って、速い応答静を
求めれば、微調整用制御コイルの周波数可変範囲（ダイ
ナミックレンジ）は必然的に小さいものとなる。

まず、従来技術の実施例について述べる。第５図は、従
来技術によるコイル駆動部の図である。マイクロ波発振
器53の二つのコイル、主制御コイル7a及び微調整用制御
コイル7bのそれぞれは独立したコイル駆動部52、51より
駆動される。

最初に、主制御コイル7aの駆動回路52だけを使って第６
図のPLLループに組み込み動作させた。これは、第６図
における41と42の代わりに、第５図の52と53を用いたこ
とに相当する。この結果は、予想に反し大きなハンチン
グが起こり安定したPLL制御が不可能であった。

次に、主導により駆動電源52から主制御コイル7aにバイ
アス電流を与え、微調整用制御コイル7bの駆動回路51を
使って同様に第６図のPLLループに組み込み動作させ
た。これは、第６図における41と42の代わりに、第５図
の51と53を用いたことに相当する。この場合、安定した
PLL制御が可能であった。しかし、主制御コイル7bのバ
イアス電流で決定される周波数に対して約20MHzの範囲
した追従することができなかった。

本発明の目的は上記課題に鑑み、微調整用制御コイルの
動作点を常に可変帯域幅の中心に保持するように主制御
コイルの電流を調整することにより、応答の速いかつ消
費電力の少ない静磁波素子を使ったマイクロ波装置を提
供することである。

「課題を解決するための手段」 本発明のマイクロ波装置は、フェリ磁性体を用いた静磁
波素子と、該静磁波素子とマイクロ波回路を結合する結
合手段と、該静磁波素子に磁界を印加する磁界印加手段
と、該磁界印加手段として少なくとも２個のコイルを含
み、前記マイクロ波回路のマイクロ波出力を検出し前記
コイルの駆動信号にフィードバックする手段とを有する
マイクロ波装置において、前記少なくとも２個のコイル
内の少なくとも１個のコイルの駆動信号が他のコイルの
駆動信号の積分信号を含むことを特徴としている。

マイクロ波装置の一例として、静磁波素子を使ったマイ
クロ波発振器の場合、この発振周波数をPLL制御によ
り、周囲温度やその他の要因に対して安定化させる機能
を考える。実際にPLL制御による発振周波数の安定化を
行ってみると、フィードバックに必要な可変周波数幅
は、低周波の変動成分に対して大きなフィードバック量
が必要であること、また高周波の変動成分に対しては小
さなフィードバック量ですむことを本発明者等は見いだ
した。

例えば、周囲温度の変化による周波数の変化は、温度が
変化してから実際に発振周波数の変化となって現れるま
でには、ケース、磁気回路等の大きな熱容量のためにき
わめて多くの時間を必要とするが、その変化量は最終的
には大きなものとなる。

一方、商用電源からの誘導などによる比較的速い雑音成
分は実際の使用状態では周波数の変動幅は比較的小さい
ものである。微調整用制御コイルにより制御を図る場
合、周波数の高い成分に応答する速度と遅い成分に対応
する広いダイナミックレンジの両方を同時に満足するた
めには、速い応答と大きな起磁力の両者が要求されるた
め、できるだけ少ない巻き数のコイルにできるだけ大き
な電流を流すように設計することになる。

また、主制御コイルは通常巻線数を多くすることにより
適当な消費電力で必要な周波数可変帯域幅を満足する起
磁力を発生するようになっている。このため応答は微調
整用制御コイルに比較して遅くなっているが、遅い成分
を制御することは可能である。すなわち微調整用制御コ
イルの制御信号の内遅い成分のみを取り出して主制御コ
イルにフィードバックすることにより実質的にはダイナ
ミックレンジのきわめて広いしかも応答の速い制御系が
実現できることになる。

このような構成においては、微調整用制御コイルに流れ
る電流は通常動作持には結果的にほとんどゼロとなるた
め、消費電力の削減という副次的な効果もある。

「実施例」 第４図は本発明の実施例を実行する上で基本となったマ
イクロ波発振器の構造断面図である。１はYIG薄膜を用
いた静磁波共振子であって、これはプリント基板２の上
に設置されている。この静磁波共振子１に、主制御コイ
ル7aと微調整用制御コイル7b及び希土類磁石４により、
YIG膜面に垂直に磁界が印加される。この静磁波共振子
１は、二つのコイルの巻線電流を可変することにより、
4.5〜6.0GHzの広い範囲で共振するように設計されてい
る。

図中、３は銅製のシールド板、４は希土類磁石、５は第
１磁極、６は第２磁極、7aは主制御コイル、7bは微調整
用制御コイル、８は第１ヨーク、９は第２ヨーク、10は
第１ヨーク及び第２ヨークの接合部である。

プリント基板２の上に構成されたマイクロ波回路は第３
図に示すように、トランジスタ34、結合コンデンサー33
及び他の部品により構成された負性抵抗回路であり、静
磁波共振子１としてマイクロ波発振器として機能するも
のである。31はトランジスタ34に直流電圧を供給する端
子であり、32はマイクロ波の出力端子である。35はマイ
クロ波が直流電源側に流れ込まないようにするマイクロ
波阻止用インダクタである。

以下実施例を用いて本発明の効果を詳しく述べる。

（実施例１） 第１図は本発明の一実施例を示す図である。図中、53は
第４図と同じ構造を有するマイクロ波発振器、51は微調
整用制御コイルの駆動回路、54は積分回路、52は主制御
コイルの駆動回路である。主制御コイルの駆動回路52の
出力は第４図の主制御コイル7aに接続され、微調整用制
御コイルの駆動回路51の出力は第４図の微調整用制御コ
イル7bに接続される。微調整用制御コイルの駆動回路51
の出力電圧は積分回路54で積分され主制御コイルの駆動
回路52の入力となる。

本実施例の第１図の回路を第６図のPLLループのブロッ
ク図の41と53の代わりに組み込み動作させたところ、4.
5〜6.0GHzの全周波数帯域にわたりPLL制御を安定に行う
ことができた。

第５図の従来技術においてはPLL制御の範囲か僅か20MHz
であるのに対し、本発明の本実施例では制御範囲は著し
く広い約1.5GHzとなり、本発明の構造が優れていること
が分かる。

（実施例２） 第７図は本発明の他の実施例を示す図である。主制御コ
イルの駆動回路52が、微調整用制御コイルの駆動回路51
の入力信号に積分回路54を介して接続されているのが実
施例１との相違点である。本実施例においても実施例１
と同様の結果を得た。

本発明において積分回路は公知のもの（例えば「センサ
の基礎とその応用」森北出版p.25 1985年）を用いるこ
とができる。

尚、ここでの実施例としては、YIG薄膜についてのみ述
べたが、主制御コイルの駆動信号を微調整用制御コイル
の駆動信号の積分信号とした本発明の範囲は、これに限
定されるものではなく、フェリ磁性体の強磁性共鳴現象
を利用した他の静磁波素子、例えばYIG球を用いたマイ
クロ波装置にも適用できることは、本発明の分野の専門
家であれば容易に理解できることである。

「発明の効果」 本発明の技術によれば、従来技術よりも広いダイナミッ
クレンジにわたって高速のフィードバックが可能な周波
数可変のマイクロ波装置を実現することができ、マイク
ロ波発振器、フィルター、遅延線等に有効に活用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第７図は本発明の実施例を示す回路ブロック
図、第２図は従来技術の静磁波共振子の概略構成図、第
３図は従来技術のマイクロ波発振器の回路図、第４図は
従来技術のマイクロ波装置の概略構造断面図、第５図、
第６図は従来技術の回路ブロック図である。 1:静磁波共振子1a:静磁波素子、 22:GGG基板、23:YIG薄膜 4:希土類磁石、５、6:磁極、 7a:主制御コイル、7b:微調整用制御コイル、 ８、9:ヨーク、41:コイル駆動回路、 42:マイクロ波発振器、43:分周器、 44:位相検出器、45:基準周波数源、 51:微調整用制御コイル駆動回路、 52:主制御コイル駆動回路、 53:マイクロ波発振器、54:積分回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０３Ｌ 7/099 (56)参考文献 特開 平１−140803（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−191504（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−281610（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−296276（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−84301（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−296414（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−20516（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−162917（ＪＰ，Ｕ) 1989年電子情報通信学会秋期全国大会Ｓ Ｃ−９−６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フェリ磁性体を用いた静磁波素子と、該静
   磁波素子とマイクロ波回路を結合する結合手段と、該静
   磁波素子に磁界を印加する磁界印加手段と、該磁界印加
   手段として少なくとも２個のコイルを含み、前記マイク
   ロ波回路のマイクロ波出力を検出し前記コイルの駆動信
   号にフィードバックする手段とを有するマイクロ波装置
   において、前記少なくとも２個のコイル内の少なくとも
   １個のコイルの駆動信号が他のコイルの駆動信号の積分
   信号を含むことを特徴とするマイクロ波装置。