JP2004505580A

JP2004505580A - Multi-space structural amplifier

Info

Publication number: JP2004505580A
Application number: JP2002516857A
Authority: JP
Inventors: シン，チェウン，ウー
Original assignee: センシング　テック　コープ; シン，チェウン，ウー
Priority date: 2000-08-02
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2004-02-19
Also published as: WO2002011234A1; AU2000261885A1

Abstract

本発明は、複数の異なるサイズの非放射誘電体導波路から成る多数スペース構造を備え、その多数スペース構造にガンダイオードを装着することによって、複数の周波数を増幅することができる高周波増幅器に関する。本発明は、互いにある間隔離れた二枚の金属板の間のスペースに挿入されたガンダイオード；入力波を回転させると共に伝送方向を決定するサーキュレータ；前記サーキュレータに接続されて、入力端子からの入力波を前記サーキュレータに送る第１非放射誘電体導波路；前記サーキュレータに接続されており前記サーキュレータからの入力信号を前記ガンダイオードに送ると共に、前記ガンダイオードからの増幅信号を前記サーキュレータに送り戻す第２非放射誘電体導波路；及び前記サーキュレータに接続されており前記第２非放射誘電体導波路を通じて前記サーキュレータに入ってくる増幅信号を出力端子に送る第３非放射誘電体導波路を含んで成る、多数スペース構造を備えた高周波増幅器を提供する。本発明は、非放射誘電体導波路の複合ブロックから成る共振回路を更に含むことにより、広帯域の増幅機能を提供する。本発明は、多数スペース構造式の非放射誘電体導波路を用いるガンダイオード増幅器を提供することにより、種々の周波数を増幅するための多数のパッケージの製作を不必要にする。従って、本発明は、経済的な利点がある。更に、ガンダイオードと誘電体共振回路とを備えた本発明の広帯域増幅器は、現在のマルチメディア時代における超高速の広帯域通信機器にとって非常に有用となり得る。The present invention relates to a high-frequency amplifier having a multi-space structure including a plurality of non-radiating dielectric waveguides of different sizes, and amplifying a plurality of frequencies by mounting a Gunn diode in the multi-space structure. The present invention provides a Gunn diode inserted in a space between two metal plates spaced apart from each other; a circulator for rotating an input wave and determining a transmission direction; being connected to the circulator to detect an input wave from an input terminal. A first non-radiating dielectric waveguide for sending to the circulator; a second non-radiating dielectric waveguide connected to the circulator for sending an input signal from the circulator to the gun diode and sending an amplified signal from the gun diode back to the circulator; A radiating dielectric waveguide; and a third non-radiating dielectric waveguide connected to the circulator for sending an amplified signal entering the circulator through the second non-radiating dielectric waveguide to an output terminal. Provided is a high-frequency amplifier having a multi-space structure. The present invention provides a broadband amplification function by further including a resonant circuit comprising a composite block of non-radiating dielectric waveguides. The present invention obviates the need for fabricating multiple packages to amplify various frequencies by providing a Gunn diode amplifier using a multi-spaced, non-radiating dielectric waveguide. Thus, the present invention has economic advantages. Further, the broadband amplifier of the present invention with a Gunn diode and a dielectric resonance circuit can be very useful for ultra-high speed broadband communication equipment in the current multimedia era.

Description

【０００１】
［技術分野］
この発明は、高周波増幅器に関し、より詳細には、多数スペース構造に作られた様々なサイズの非放射誘電体導波路に装着されたガンダイオードを用いることによって、複数の周波数を増幅することができる多数スペース構造式増幅器に関する。
【０００２】
［背景技術］
コンピュータや情報通信技術が発達するに伴って、個人が扱うデータ量も増加している。更に、最近のマルチメディアの発展によって、個人が用いる情報のフォーマットも文字のテキストから絵や写真へ、更には動画へと変化しつつある。それゆえ、大量の情報をリアルタイムで伝送する緊急の必要性が存在する。
上記の理由によって、移動端末や携帯端末の使用も次第に増加しており、それゆえ、かかる携帯端末への大量の情報の伝達を可能にする大容量超高速の無線通信機器の必要性も増大している。
従って、高い周波数と広い帯域を使用することが必要であり、高周波信号を処理し且つブロードバンドを提供することができる増幅器について切実な要求が生じている。
【０００３】
ガリウム砒素（ＧａＡｓ）製のガンダイオード（Ｇａｎｎｄｉｏｄｅ）は、二つの伝導帯バレーを持つ素子であり、素子の電界強度に起因した電子移動度の差異に応じて、負性抵抗状態になり得る。
ガンダイオードにバイアス電圧を印加すると、図１のグラフに示すように、二つの増幅領域と一つの発振領域が生じる。ここで、低い方のバイアス電圧レベルでの増幅領域を「増幅領域１」と、また、高い方のバイアス電圧レベルでの増幅領域を「増幅領域２」と称する。低い方のバイアス電圧における増幅領域１は、ガンダイオードの内側の電子がＬバレーからＵバレーへ移動する負性抵抗領域である。このような負性抵抗領域は、増幅領域２でのゲインが得られなくなるまで続く。このグラフが示すように、ガンダイオードには二つの負性領域があるが、増幅領域１においては、バイアス電圧を印加することができる範囲が非常に限られている。バイアス回路の不安定性によって、このような増幅領域からの逸脱が容易に生じる。従って、増幅器は、増幅領域２に対して設計される。
【０００４】
誘電体導波路（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｗａｖｅｇｕｉｄｅ）やストリップ共振器（ｓｔｒｉｐｒｅｓｏｎａｔｏｒ）のような増幅器を構成するすべての回路要素は、予め定められたある周波数で共振するように設定されているので、増幅領域２を用いて設計された増幅器は、多種類の周波数を運ぶ能力がないという問題を有する可能性がある。
【０００５】
［発明の開示］
上記の問題を解決するため、本発明の目的は、ガンダイオードの増幅特性を用いて、非放射誘電体導波路（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を備えた増幅器を提供することである。
【０００６】
非放射誘電体導波路を使用するときには、スペースが使用周波数の波長の半分に相当する二枚の金属板の間に回路要素を装着しなくてはならないので、多種類の周波数を増幅するために、ガンダイオードのサイズを変更しなくてはならない。本発明の別の目的は、ガンダイオードのサイズに関連する問題を克服するため、多数スペース構造式の非放射誘電体導波路を用いることによって、ガンマウントのサイズにかかわらず、多種類の周波数のための増幅機能を提供することである。
【０００７】
上記目的に従って、本発明は、互いにある間隔離れた二枚の金属板の間のスペースに挿入されたガンダイオード；入力波を回転させるとともに伝達ポートを決定するサーキュレータ；前記サーキュレータに接続されており、入力端子からの入力波を前記サーキュレータに送る第１非放射誘電体導波路；前記サーキュレータに接続されており、前記サーキュレータからの入力信号を前記ガンダイオードに送ると共に、ある比率で増幅された信号をサーキュレータに送り戻す第２非放射誘電体導波路；及び前記サーキュレータに接続されており、前記サーキュレータに入ってきた前記増幅信号を負荷側に送る第３非放射誘電体導波路から成る、多数スペース構造式増幅器器を提供する。
【０００８】
本発明に従ってガンダイオードを用いた増幅器は、ガンダイオードの負性抵抗特性を利用している。
本発明のガンダイオードを用いた増幅器は、ガンダイオードの負性抵抗の特性反射係数を１よりも大きい値に維持することによって増幅効果を達成している。
ガンダイオードを用いた本発明の増幅器は、オリジナルに設計された共振点の周りに少なくとも一つの付加的な共振点を備えることにより、増幅された周波数の帯域幅を広げることができる。
前記付加的な共振点は、ガンダイオードとサーキュレータとを接続する非放射誘電体導波路内に置かれている。
【０００９】
［発明を実施する最良の形態］
図２に示すように、本発明による多数スペース構造式増幅器において、入力波は、第１非放射誘電体導波路（１５）を通じてサーキュレータ（２０）に入る。次に、サーキュレータ（２０）は、回転作用によって入力波を伝送する方向を決定する。入力波は、次の伝達線路である第２非放射誘電体導波路（１３）を通じて、ガンダイオード（５）に送られる。ガンダイオードにおいては、負性抵抗の特性によって入力波が増幅されて反射波となるが、入力波はある整数倍で増幅される。この増幅された波は、第２非放射誘電体導波路（１３）を通じて、サーキュレータ（２０）に伝えられる。サーキュレータ（２０）は、回転作用によって増幅信号のための伝送ポートを決定し、反射波を、第３非放射誘電体導波路（１７）を通じて、負荷側の決定されたポートに出力する。
【００１０】
図２において、ガンダイオード（５）のインピーダンスを伝送路の特性インピーダンスにおいて正規化したものをＺ_Ｄとすると、ガンダイオード（５）のかかるインピーダンスは、負性抵抗ｒとリアクタンスｊｘの直列回路によって表すことができる。
ここで、反射係数ｒ_Ｎは、次の式１によって定義することができる。
［式１」
【数１】

【００１１】
式を簡単にするために、リアクタンスｊｘの値として０を代入すると、増幅器の中央周波数における反射係数は次の式２のように定められる。
［式２］
【数２】

【００１２】
上記の式２において、反射係数が１よりも大きいと、反射波は入射波よりも大きくなり、これは増幅をもたらす。反射係数は、入力パワーに対する出力パワーの比であるから、ゲインの定義と同じである。それゆえ、パワーゲインは、次の式３で定義される。
［式３］
【数３】

【００１３】
上記式３から、ガンダイオード（５）の負性抵抗値が伝送路の特性インピーダンスに近づくにつれて、増幅ゲインが増加することがわかる。負性抵抗値が１であると、反射係数は無限大の値を持つことになり、それゆえ、入力波がまったくなくても出力波が存在し、振動が生じることになる。
その結果、上記式１において増幅器のゲインの周波数特性は、ガンダイオードのリアクタンスが０となる周波数において最大となる、単純ピークの形状を有する。
【００１４】
他方、非放射誘電体導波路のサイズは、次の式４及び５によって決定することができる。
［式４］
【数４】

［式５］
【数５】

上記式において、ε_ｒは誘電定数（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ，（誘導率））であり、λは波長である。
【００１５】
通常、ガンダイオード（５）のサイズは、非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）が置かれている二枚の金属板（１，３）間のスペースに嵌まり合うものでなければならない。ダイオードマウント（１０）のサイズは製造元によって異なり、実際に使われる周波数も用途や目的によって異なる。異なる周波数を用いるには、二枚の金属板（１，３）間のスペースを変える必要がある。従って、使用周波数に合致するサイズのダイオードを求めることは実際的ではない。
【００１６】
それゆえ、本発明においては、多数スペース構造式の非放射誘電体導波路に作られた増幅器が提供される。このような増幅器において、ガンダイオード（５）と、増幅信号の入力と出力のための非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）とが、二枚の金属板（１，３）間のスペースに装着されており、増幅すべき種々の周波数のために、金属板（１，３）間に多数スペースが形成される。
【００１７】
本発明においては、高周波用ガンダイオードばかりでなく、低周波用ガンダイオードをも用いることができる。このような場合、低周波用ガンダイオードは、間に形成されるスペースが大きい二枚の金属板間に装着され、金属板間のより小さなスペースには２逓倍又は３逓倍された周波数のための誘電体伝送線路が装着される。逓倍された周波数において共振するストリップ共振器又はリード型共振器が、ダイオードと導波路とを接続するように配置され、調和負性抵抗特性を用いて反射波を増幅する。
【００１８】
本発明の上記の目的、特徴及び利点は、本発明についての以下の詳細な記述を通して明らかになるであろう。以下は、本発明の好ましい実施例の詳細な説明である。
【００１９】
図３は、この発明の多数スペース構造式増幅器を一部破断して示す図である。
図３に示すように、入力波は、第１の非放射誘電体導波路を通じてサーキュレータ（２０）へ送られる。伝達方向がサーキュレータ（２０）の回転によって決定された後、その入力波は第２の非放射誘電体導波路（１３）を通じてガンダイオードに入る。ガンダイオード（５）では、逓倍された周波数に対する増幅比は、負性抵抗特性によって決定される。ここでは、反射された出力波は入力波よりも大きいので、入力波に対する出力波の比が増幅比である。ガンダイオード（５）で逓倍された増幅波は、第２の非放射誘電体導波路（１３）を通じてサーキュレータ（２０）に送られる。伝達方向がサーキュレータ（２０）の回転によって決定された後、かかる波は、反射波として、非放射誘電体導波路（１７）を通じて負荷側へ出力される。
【００２０】
前記ダイオード（５）とダイオードマウント（１０）とを支持するベースは、ガンダイオードとダイオードマウント（１０）とのサイズに適合するサイズの金属板から成り、それらの金属板間のスペースが使用周波数に相当している。このようなベースが、多数スペース構造を持つように構成されている。
【００２１】
本発明によって、同じサイズのガンダイオード（５）を用いながら、用途に応じて種々の周波数を発生させることができる増幅器を構成することができる。
【００２２】
非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）のサイズは、使用する周波数に従って式４及び式５によって決定され、同様にして非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）を形成する金属板間のスペースも決定される。しかしながら、ダイオードマウント（１０）のサイズは、製造元によって異なっているので、種々の異なるサイズの要素を備える回路を構成するのに、多数スペース構造が用いられる。
【００２３】
ここでは、ガンダイオード（５）と非放射誘電体導波路（１３）との接続は、ストリップ共振器（８）によって作られ、その共振器の金属部分の長さが使用周波数を決定する。
金属板の長さが使用周波数の波長の半分よりも長ければ周波数は低くなり、金属板の長さが短ければ、共振周波数は高くなる。
【００２４】
サーキュレータの接続領域においては不要モードが生じる可能性があるので、非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）とサーキュレータ（２０）との間の接続領域にはモードサプレッサ（６）が挿入される。
【００２５】
増幅領域２は、増幅領域１よりも良好な増幅特性を有しているとともにより安定であるので、上記の増幅器にバイアス電圧を印加する必要があるときには、そうした電圧は増幅領域２に印加される。
【００２６】
図４は、本発明によるガンダイオード増幅器の周波数特性を示すグラフである。
本発明のガンダイオード増幅器は、増幅領域１を使用する場合には、１３ｄＢのゲインを有するが、増幅領域２を使用する場合には、図４に示すように２４ｄＢという高いゲインを示すことになる。
バイアス電圧の変化１ｍＶに対するゲインの変化は、増幅領域１では０．２０３ｄＢ／ｍＶであるが、増幅領域２では、この変化は０．３８ｄＢ／ｍＶである。このように、増幅領域２が示すゲインの変化はより少ないことがわかる。
【００２７】
図５は、本発明による増幅器の別の実施例を一部破断して示す図である。
大量のデータを伝送するために高い周波数を用いる場合に、高周波数用のガンダイオードを入手するのが難しいときは、低周波数用のガンダイオードを用いて高い周波数のための増幅器を構成することができる。図５に示すような多数スペース式非放射誘電体導波路構造においては、バイアス電圧を、低周波数用のガンダイオード（５）を通じて、金属板（１）間の低周波数レベルのための大きなスペースに対して印加することができる。ガンダイオード振動周波数の２逓倍又は３逓倍の周波数のための非放射誘電体導波路（１３，１５，１７）を、金属板間のより狭いスペースに配置することができる。ガンダイオードと非放射誘電体導波路との間には、逓倍周波数で共振するストリップ共振器（８）又はレード型共振器が配置される。このようにして、反射波は、高調波を用いて負性抵抗特性によって増幅される。
このように、多数スペース式非放射誘電体導波路における周波数逓倍型の増幅器は、ガンダイオードの周波数よりも２倍又は３倍の高い周波数用として構成することができる。
【００２８】
同様に、本発明の別の実施例として、逓倍共振点に関して増幅される周波数の帯域を拡張するために、オリジナルの共振点に加えてもう一つの共振点を付加的に挿入することができる。このような増幅器について、以下に詳細に説明する。　増幅特性の一つとして、非放射誘電体導波路と素子とを選択するのに応じて、ある帯域を持つ周波数共振が設定される。このように、図６に示す増幅器の等価回路に示すように、Ｌ１とＣ１の値に応じて、ある周波数が共振する。Ｌ２とＣ２について別の共振点を作り、その共振点をＬ１とＣ１についてのオリジナルの共振点の近くに置くと、トータルでの周波数特性は両方の共振点を含み、その結果、一つだけのオリジナルの共振点を持つ増幅器よりも広い帯域を持つ増幅器を構成することができる。
【００２９】
このようにして、オリジナルな共振回路にもう一つの共振回路を外付けして加えることで複合回路を構成して、（図６に示すように）付加的な共振回路にはオリジナルな共振回路の共振点とは僅かに違った共振点を持つことで、図７に示すように、広範な増幅帯域を持つ増幅器を得ることができる。
同様にして、二つの外的な共振回路を挿入して増幅器に三つの共振点を持たせることで、図８に示すように幅広に広がった周波数特性を得ることができる。
【００３０】
非放射誘電体導波路ブロックから成る外付け共振回路を用いる広帯域の周波数特性を持つ増幅器を構成する原理を以下に記す。
本発明の実施例に従って非放射誘電体導波路ブロックを用いた共振回路が、図９に示すように構成することができる。
先ず、図９に示すように非放射誘電体導波路ブロックを用いてマルチストリップ共振器を構築する。この基本的な構造において、ｌ１，ｄ１，及びｌ２の値を得るために、図９に示す共振回路は図１０に示す等価回路に変換されて解析される。
ここで、対称的なＴ型回路は減衰領域を表しており、η_Ｄは線路の特性インピーダンスを表しＸｐｊ，Ｘｓｊ（ｊ＝１〜ｎ＋１）は減衰領域の直列又は並列なアーム部のインピーダンスであり、ｌｊの関数として表される。
【００３１】
Ｔ型回路部分を図１１に示すようなインピーダンスインバータ回路に変換すると、図１０に示す等価回路は、図１２に示す等価回路として表すことができる。　図１０において共振器の長さ、ｄｊ（ｊ＝１〜ｎ）は、両側のインピーダンスから成るＸｐｊ，Ｘｓｊ，Ｘｐｊ＋１，及びＸｓｊ＋１であり、これらは、位相定数βで表された、次の式６及び７で定義される。
［式６］
【数６】

［式７］
【数７】

【００３２】
従って、次の式８及び９で表される設計公式を用いて、誘電体ブロックから
複合共振回路を設計し製作することができる。
［式８］
【数８】

［式９］
【数９】

ｆ_０：中心周波数　　　　　　　　　　Δｆ：帯域
λｇｏ：ｆ_０における導波路内の波長
λ_０：ｆ_０における自由空間波長
Ｈ_Ｄ：負荷インピーダンス
【００３３】
上記の目的、特徴、及び利点は添付の図面を参照した以下の詳細な説明によって明らかになるであろう。
以下は、添付図面を参照してされた、本発明の実施例の詳細な説明である。
図１３は、本発明の別の実施例による外的付加の共振器を一つ備えた増幅器を示す図である。
図１３は、ガンダイオード増幅器（５）と一つの外付けされた非放射誘電体導波路（１３）とを用いた共振回路によって実現された広帯域の増幅器を示す。
【００３４】
本発明においては、ガンダイオード（５）は、二枚の金属板間のある大きさに定められたサイズのスペースに装着されている。第１非放射誘電体導波路（１５）からの入力波は、サーキュレータ（２０）内での回転と伝達方向の決定に従って、第２非放射誘電体導波路（１３）を通じてガンダイオード（５）へ送られる。波はガンダイオード（５）において増幅され、伝達方向はサーキュレータ（２０）内での回転に従って決定され、次に、出力波が第３非放射誘電体導波路（１７）を通じて伝達される。
【００３５】
ストリップ共振器（８）は、前記ガンダイオード（５）と第２非放射誘電体導波路（１３）との間に装着されて、両者を接続している。第２非放射誘電体導波路（１３）とストリップ共振器（８）との接続領域には、モードサプレッサ（６）が挿入されている。
第１非放射誘電体導波路（１５）は、入力端子からの入力波をサーキュレータ（２０）に伝送し、サーキュレータ（２０）に接続されている第３非放射誘電体導波路（１７）はガンダイオードで増幅された波を出力ポートに伝送する。
【００３６】
図１３に示すように、第１非放射誘電体導波路（１５）から入力された入力波は、サーキュレータ（２０）の回転作用によって伝送方向が決定された後、第２非放射誘電体導波路（１３）を通ってガンダイオード（５）ヘ入力される。ガンダイオード（５）においては、入力波は予め定められたレベルで増幅され、反射波として出力される。このように増幅された反射波は、第２非放射誘電体導波路（１３）を通じて出力され、増幅されて、第２非放射誘電体導波路（１３）上の一つ又はそれ以上の共振回路（１１，１２）によって定まる共振点のオーバーレイを通って広帯域信号となり、更にサーキュレータ（２０）に伝送される。
【００３７】
サーキュレータ（２０）は、次に、増幅された広帯域信号として入力された反射波を回転し、そうした信号を伝送すべき方向を決定し、信号を第３非放射誘電体導波路（１７）を通じて負荷側に伝達する。
ガンダイオード（５）とマウント（１０）のサイズが第２非放射誘電体導波路（１３）に適合しない場合には、大きいが間隔の狭い金属板を備えた多数スペース構造式導波路が用いられる。
共振点のオーバーレイを通じて広帯域周波数を作り出すために、一つ又はそれ以上の共振回路（１１，１２）が第２非放射誘電体導波路（１３）に挿入される場合には、周波数は増幅されて、図１４のグラフに示されているように、約７５０ＭＨｚの幅広い周波数帯域を持つようになる。図４に示すようにガンダイオード（５）を備えるのみの増幅器では３０００ＭＨｚの通過帯域をもつが、外付けの共振器を挿入することによって、広帯域の増幅を得ることができる。
【００３８】
他方、伝達すべきデータが増加し使用される周波数が高くなる場合で、しかし、高周波用ガンダイオードを適用することができず、しかも低周波用ガンダイオードによる高周波増幅を行うことが必要な場合には、本発明の多数スペース構造を用いることができる。多数スペース構造においては、金属板間において低周波数用の大きなスペースにバイアス電圧が印加されると、負性抵抗特性が作り出される。金属板間の小さい方のスペース間においては、ガンダイオードの振動周波数よりも２倍又は３倍の高い周波数を発振するストリップ共振回路又はリード型共振回路が、非放射誘電体導波路に配置される。このように、ガンダイオードにおいて、その負性抵抗特性によって増幅された反射波は、広帯域周波数になるように増幅される。
【００３９】
上記に詳細に説明したように、本発明は、ガンダイオードと多数スペース式非放射誘電体導波路構造とを用いた増幅器を構成しており、複数の周波数を増幅するために多くのパッケージを製作する必要がないので、経済的な利点を有している。
【００４０】
本発明は、ガンダイオードと誘電体共振回路とを備えた広帯域増幅器を提供することによって、今日のマルチメディア時代において、超高速の広帯域通信装置の発展に寄与することができる。
【００４１】
本発明の好ましい実施例は、本発明を説明するために挙げられたものである。関連する分野に属する者であれば、本発明の概念及び範囲内において、本発明の特徴を修正し、変更し、或いはそれに付加することができ、それゆえ、そのような修正、変更又は付加は、特許請求の範囲に含められるとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、通常のガンダイオードの増幅領域と振動領域とを示すグラフである。
【図２】
図２は、本発明によるガンダイオードを用いた増幅器の構造を示す図である。
【図３】
図３は、この発明による多数スペース構造式増幅器を一部破断して示す図である。
【図４】
図４は、この発明による多数スペース構造式増幅器の周波数特性を示すグラフである。
【図５】
図５は、この発明による多数スペース構造式増幅器の別の実施例を一部破断して示す図である。
【図６】
図６は、この発明による多数スペース構造式増幅器の別の実施例を提供するための付加的な共振器を備えた回路の等価回路を示す図である。
【図７】
図７は、一つの外部共振点を持つように設計された広帯域増幅器の周波数特性を示すグラフである。
【図８】
図８は、二つの外部共振点を持つように設計された広帯域増幅器の周波数特性を示すグラフである。
【図９】
図９は、この発明による別の実施例において、非放射誘電体導波路に装着された共振器を一部破断して示す図である。
【図１０】
図１０は、図９に示す非放射誘電体導波路上に装着された共振回路の等価回路を示す図である。
【図１１】
図１１は、図１０に示すＴ型回路を、インピーダンスインバータ回路とともに示す図である。
【図１２】
図１２は、図９に示す非放射誘電体導波路上の共振回路のためのインバータを用いた等価回路を示す図である。
【図１３】
図１３は、この発明による別の実施例に従った、一つの外部共振器を付加した広帯域増幅器の回路を示す図である。
【図１４】
図１４は、図１３に示すこの発明の実施例である広帯域増幅器の増幅特性を示すグラフである。[0001]
[Technical field]
The present invention relates to high frequency amplifiers, and more particularly, to amplify multiple frequencies by using Gunn diodes mounted in various sizes of non-radiating dielectric waveguides made in a multi-space structure. It relates to a multi-space structural amplifier.
[0002]
[Background Art]
With the development of computers and information and communication technologies, the amount of data handled by individuals has also increased. Furthermore, with the recent development of multimedia, the format of information used by individuals is changing from textual text to pictures and photographs, and even to moving images. Therefore, there is an urgent need to transmit large amounts of information in real time.
For the above reasons, the use of mobile terminals and mobile terminals is also gradually increasing, and therefore, the need for large-capacity, ultra-high-speed wireless communication devices capable of transmitting large amounts of information to such mobile terminals is also increasing. ing.
Therefore, it is necessary to use a high frequency and a wide band, and there is an urgent need for an amplifier that can process a high-frequency signal and provide broadband.
[0003]
A gallium arsenide (GaAs) Gunn diode is a device having two conduction band valleys, and can be in a negative resistance state according to a difference in electron mobility due to the electric field strength of the device.
When a bias voltage is applied to the Gunn diode, two amplification regions and one oscillation region are generated as shown in the graph of FIG. Here, the amplification region at the lower bias voltage level is referred to as “amplification region 1”, and the amplification region at the higher bias voltage level is referred to as “amplification region 2”. The amplification region 1 at the lower bias voltage is a negative resistance region where electrons inside the Gunn diode move from the L valley to the U valley. Such a negative resistance region continues until the gain in the amplification region 2 cannot be obtained. As shown in this graph, the Gunn diode has two negative regions, but in the amplification region 1, the range in which a bias voltage can be applied is very limited. Such an excursion from the amplification region is easily caused by the instability of the bias circuit. Therefore, the amplifier is designed for the amplification region 2.
[0004]
Since all circuit elements constituting an amplifier such as a dielectric waveguide and a strip resonator are set to resonate at a predetermined frequency, the amplification region 2 is set at a predetermined frequency. Amplifiers designed with may have the problem that they are not capable of carrying multiple frequencies.
[0005]
[Disclosure of the Invention]
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an amplifier having a non-radiative dielectric waveguide by using an amplification characteristic of a Gunn diode.
[0006]
When a non-radiating dielectric waveguide is used, circuit elements must be mounted between two metal plates whose space corresponds to half the wavelength of the operating frequency. The size of the diode must be changed. Another object of the present invention is to overcome the problems associated with Gunn diode size by using a multi-spaced, non-radiating dielectric waveguide to achieve a wide variety of frequencies regardless of gun mount size. To provide an amplification function for
[0007]
According to the above object, the present invention provides a gun diode inserted in a space between two metal plates spaced apart from each other; a circulator for rotating an input wave and determining a transmission port; an input terminal connected to the circulator; A first non-radiating dielectric waveguide for transmitting an input wave from the circulator to the circulator; being connected to the circulator, for transmitting an input signal from the circulator to the Gunn diode, and a signal amplified at a certain ratio to the circulator; A multiple non-radiating dielectric waveguide coupled back to the circulator and for transmitting the amplified signal entering the circulator to a load side; Provide a container.
[0008]
An amplifier using a Gunn diode according to the present invention utilizes the negative resistance characteristic of the Gunn diode.
The amplifier using the Gunn diode of the present invention achieves the amplification effect by maintaining the characteristic reflection coefficient of the negative resistance of the Gunn diode at a value larger than 1.
The amplifier of the present invention using a Gunn diode can extend the bandwidth of the amplified frequency by providing at least one additional resonance point around the originally designed resonance point.
The additional resonance point is located in a non-radiating dielectric waveguide connecting the Gunn diode and the circulator.
[0009]
[Best mode for carrying out the invention]
As shown in FIG. 2, in the multi-space structured amplifier according to the present invention, an input wave enters the circulator (20) through the first non-radiating dielectric waveguide (15). Next, the circulator (20) determines a direction in which the input wave is transmitted by a rotating action. The input wave is sent to the Gunn diode (5) through the second non-radiating dielectric waveguide (13), which is the next transmission line. In the Gunn diode, the input wave is amplified by the characteristic of the negative resistance to become a reflected wave, but the input wave is amplified by a certain integral multiple. The amplified wave is transmitted to the circulator (20) through the second non-radiating dielectric waveguide (13). The circulator (20) determines a transmission port for the amplified signal by a rotating action, and outputs the reflected wave to the determined port on the load side through the third non-radiating dielectric waveguide (17).
[0010]
2, a material obtained by normalizing When Z _D in the characteristic impedance of the transmission line impedance of the Gunn diode (5), the impedance consuming Gunn diode (5) is represented by a series circuit of a negative resistance r and reactance jx be able to.
Here, the reflection coefficient r _N can be defined by the following equation 1.
[Equation 1]
(Equation 1)

[0011]
If 0 is substituted for the value of the reactance jx to simplify the equation, the reflection coefficient at the center frequency of the amplifier is determined as in the following equation 2.
[Equation 2]
(Equation 2)

[0012]
In Equation 2 above, if the reflection coefficient is greater than 1, the reflected wave will be larger than the incident wave, which will result in amplification. Since the reflection coefficient is a ratio of the output power to the input power, it is the same as the definition of the gain. Therefore, the power gain is defined by the following equation (3).
[Equation 3]
[Equation 3]

[0013]
From Equation 3, it can be seen that the amplification gain increases as the negative resistance value of the Gunn diode (5) approaches the characteristic impedance of the transmission line. When the negative resistance value is 1, the reflection coefficient has an infinite value, and therefore, even if there is no input wave, the output wave exists and the vibration occurs.
As a result, the frequency characteristic of the gain of the amplifier in the above equation 1 has a simple peak shape that becomes maximum at a frequency at which the reactance of the Gunn diode becomes zero.
[0014]
On the other hand, the size of the non-radiating dielectric waveguide can be determined by

Equations

4 and 5 below.
[Equation 4]
(Equation 4)

[Equation 5]
(Equation 5)

In the above equation, ε _r is a dielectric constant (dielectric constant), and λ is a wavelength.
[0015]
Usually, the size of the Gunn diode (5) must be such that it does not fit in the space between the two metal plates (1, 3) where the non-radiating dielectric waveguides (13, 15, 17) are located. No. The size of the diode mount (10) varies depending on the manufacturer, and the frequency actually used also varies depending on the application and purpose. In order to use different frequencies, it is necessary to change the space between the two metal plates (1, 3). Therefore, it is not practical to find a diode having a size that matches the operating frequency.
[0016]
Therefore, the present invention provides an amplifier made in a multi-spaced, non-radiating dielectric waveguide. In such an amplifier, a Gunn diode (5) and a non-radiating dielectric waveguide (13, 15, 17) for inputting and outputting an amplified signal are provided between two metal plates (1, 3). A large number of spaces are formed between the metal plates (1, 3) for the different frequencies to be amplified, which are mounted in the space.
[0017]
In the present invention, not only high-frequency gun diodes but also low-frequency gun diodes can be used. In such a case, the low-frequency Gunn diode is mounted between two metal plates having a large space formed therebetween, and a smaller space between the metal plates is provided for a frequency doubled or tripled. A dielectric transmission line is mounted. A strip resonator or a lead resonator that resonates at the multiplied frequency is arranged so as to connect the diode and the waveguide, and amplifies the reflected wave using the harmonic negative resistance characteristic.
[0018]
The above objects, features and advantages of the present invention will become apparent through the following detailed description of the present invention. The following is a detailed description of a preferred embodiment of the invention.
[0019]
FIG. 3 is a partially cutaway view of the multi-space structural amplifier of the present invention.
As shown in FIG. 3, the input wave is sent to the circulator (20) through the first non-radiating dielectric waveguide. After the direction of transmission is determined by the rotation of the circulator (20), the input wave enters the Gunn diode through the second non-radiating dielectric waveguide (13). In the Gunn diode (5), the amplification ratio with respect to the multiplied frequency is determined by the negative resistance characteristic. Here, since the reflected output wave is larger than the input wave, the ratio of the output wave to the input wave is the amplification ratio. The amplified wave multiplied by the Gunn diode (5) is sent to the circulator (20) through the second non-radiating dielectric waveguide (13). After the transmission direction is determined by the rotation of the circulator (20), such a wave is output as a reflected wave to the load side through the non-radiating dielectric waveguide (17).
[0020]
The base supporting the diode (5) and the diode mount (10) is made of a metal plate having a size compatible with the size of the Gunn diode and the diode mount (10). Equivalent. Such a base is configured to have a multi-space structure.
[0021]
According to the present invention, it is possible to configure an amplifier that can generate various frequencies depending on the application while using the same size Gunn diode (5).
[0022]
The size of the non-radiating dielectric waveguides (13, 15, 17) is determined by

Equations

4 and 5 according to the frequency used, and similarly, the metal forming the non-radiating dielectric waveguides (13, 15, 17) The space between the boards is also determined. However, since the size of the diode mount (10) varies from manufacturer to manufacturer, a multi-space structure is used to construct circuits with a variety of different sized elements.
[0023]
Here, the connection between the Gunn diode (5) and the non-radiating dielectric waveguide (13) is made by a strip resonator (8), the length of the metal part of which determines the frequency used.
If the length of the metal plate is longer than half the wavelength of the operating frequency, the frequency is low, and if the length of the metal plate is short, the resonance frequency is high.
[0024]
Since unnecessary modes may occur in the connection region of the circulator, a mode suppressor (6) is inserted in the connection region between the non-radiating dielectric waveguides (13, 15, 17) and the circulator (20). You.
[0025]
Since the amplification region 2 has better amplification characteristics and is more stable than the amplification region 1, when a bias voltage needs to be applied to the amplifier, such a voltage is applied to the amplification region 2. .
[0026]
FIG. 4 is a graph showing a frequency characteristic of the Gunn diode amplifier according to the present invention.
The Gunn diode amplifier of the present invention has a gain of 13 dB when the amplification region 1 is used, but exhibits a high gain of 24 dB as shown in FIG. 4 when the amplification region 2 is used. .
The change in gain with respect to a change in bias voltage of 1 mV is 0.203 dB / mV in the amplification region 1, whereas the change in the amplification region 2 is 0.38 dB / mV. Thus, it can be seen that the change in the gain indicated by the amplification region 2 is smaller.
[0027]
FIG. 5 shows another embodiment of the amplifier according to the invention, partially cut away.
When using high frequencies to transmit large amounts of data and it is difficult to obtain high-frequency Gunn diodes, use low-frequency Gunn diodes to configure amplifiers for high frequencies. it can. In the multi-spaced non-radiating dielectric waveguide structure as shown in FIG. 5, the bias voltage is reduced to a large space for the low frequency level between the metal plates (1) through the low frequency Gunn diode (5). Can be applied. Non-radiating dielectric waveguides (13, 15, 17) for doubling or tripling the Gunn diode oscillation frequency can be arranged in a narrower space between the metal plates. Between the Gunn diode and the non-radiating dielectric waveguide, a strip resonator (8) or a reed resonator that resonates at a multiple frequency is arranged. In this way, the reflected wave is amplified by the negative resistance characteristic using the harmonic.
In this way, a frequency-doubled amplifier in a multi-spaced non-radiating dielectric waveguide can be configured for a frequency that is twice or three times higher than the frequency of a Gunn diode.
[0028]
Similarly, as another embodiment of the present invention, another resonance point can be additionally inserted in addition to the original resonance point in order to extend the frequency band amplified with respect to the multiplied resonance point. Such an amplifier will be described in detail below. As one of the amplification characteristics, frequency resonance having a certain band is set according to selection of the non-radiating dielectric waveguide and the element. Thus, as shown in the equivalent circuit of the amplifier shown in FIG. 6, a certain frequency resonates according to the values of L1 and C1. If another resonance point is created for L2 and C2 and the resonance point is placed near the original resonance point for L1 and C1, the total frequency characteristic includes both resonance points, so that only one resonance point is obtained. An amplifier having a wider band than the amplifier having the original resonance point can be configured.
[0029]
In this way, a composite circuit is constructed by externally adding another resonance circuit to the original resonance circuit, and an additional resonance circuit is added to the original resonance circuit (as shown in FIG. 6). By having a resonance point slightly different from the resonance point, an amplifier having a wide amplification band can be obtained as shown in FIG.
Similarly, by inserting two external resonance circuits and giving the amplifier three resonance points, it is possible to obtain a wide and wide frequency characteristic as shown in FIG.
[0030]
The principle of configuring an amplifier having a wideband frequency characteristic using an external resonance circuit composed of a non-radiating dielectric waveguide block will be described below.
A resonance circuit using a non-radiating dielectric waveguide block according to an embodiment of the present invention can be configured as shown in FIG.
First, as shown in FIG. 9, a multi-strip resonator is constructed using a non-radiating dielectric waveguide block. In this basic structure, the resonance circuit shown in FIG. 9 is converted into an equivalent circuit shown in FIG. 10 and analyzed in order to obtain the values of l1, d1, and l2.
Here, the symmetric T-type circuit represents an attenuation region, η _D represents the characteristic impedance of the line, and Xpj and Xsj (j = 1 to n + 1) are the impedances of the series or parallel arms of the attenuation region. , Lj.
[0031]
When the T-type circuit portion is converted into an impedance inverter circuit as shown in FIG. 11, the equivalent circuit shown in FIG. 10 can be represented as an equivalent circuit shown in FIG. In FIG. 10, the length of the resonator, dj (j = 1 to n), is Xpj, Xsj, Xpj + 1, and Xsj + 1 composed of impedances on both sides, and these are expressed by the following equation 6 expressed by a phase constant β. And 7.
[Equation 6]
(Equation 6)

[Equation 7]
(Equation 7)

[0032]
Therefore, a composite resonance circuit can be designed and manufactured from a dielectric block using the design formulas represented by the following equations 8 and 9.
[Equation 8]
(Equation 8)

[Equation 9]
(Equation 9)

f _0: center frequency Delta] f: band Ramudago: wavelength in the waveguide at _{f ₀ λ 0:} free space wavelength at _{f 0} _{H D:} load impedance [0033]
The above objects, features and advantages will become apparent from the following detailed description with reference to the accompanying drawings.
The following is a detailed description of embodiments of the present invention, with reference to the accompanying drawings.
FIG. 13 is a diagram illustrating an amplifier having one externally added resonator according to another embodiment of the present invention.
FIG. 13 shows a broadband amplifier implemented by a resonant circuit using a Gunn diode amplifier (5) and one external non-radiating dielectric waveguide (13).
[0034]
In the present invention, the gun diode (5) is mounted in a space of a certain size between two metal plates. The input wave from the first non-radiating dielectric waveguide (15) passes through the second non-radiating dielectric waveguide (13) to the Gunn diode (5) according to the rotation and transmission direction determined in the circulator (20). Sent. The wave is amplified in the Gunn diode (5), the direction of transmission is determined according to the rotation in the circulator (20), and the output wave is then transmitted through the third non-radiating dielectric waveguide (17).
[0035]
The strip resonator (8) is mounted between the Gunn diode (5) and the second non-radiating dielectric waveguide (13) to connect them. A mode suppressor (6) is inserted in a connection region between the second non-radiating dielectric waveguide (13) and the strip resonator (8).
The first non-radiating dielectric waveguide (15) transmits an input wave from an input terminal to the circulator (20), and the third non-radiating dielectric waveguide (17) connected to the circulator (20) is a gun. The wave amplified by the diode is transmitted to the output port.
[0036]
As shown in FIG. 13, an input wave input from the first non-radiating dielectric waveguide (15) has its transmission direction determined by the rotation of the circulator (20), and then has a second non-radiating dielectric waveguide. It is input to the gun diode (5) through (13). In the Gunn diode (5), the input wave is amplified at a predetermined level and output as a reflected wave. The reflected wave amplified in this manner is output through the second non-radiating dielectric waveguide (13), is amplified, and is subjected to one or more resonance circuits on the second non-radiating dielectric waveguide (13). The signal becomes a broadband signal through the overlay of the resonance point determined by (11, 12), and further transmitted to the circulator (20).
[0037]
The circulator (20) then rotates the reflected wave input as an amplified broadband signal, determines the direction in which to transmit such signal, and loads the signal through the third non-radiating dielectric waveguide (17). To the side.
If the size of the Gunn diode (5) and mount (10) is not compatible with the second non-radiating dielectric waveguide (13), a multi-space structured waveguide with large but closely spaced metal plates is used. .
If one or more resonant circuits (11, 12) are inserted into the second non-radiating dielectric waveguide (13) to create a broadband frequency through the resonance point overlay, the frequency is amplified. As shown in the graph of FIG. 14, a broad frequency band of about 750 MHz is obtained. As shown in FIG. 4, an amplifier having only a Gunn diode (5) has a pass band of 3000 MHz. However, wide band amplification can be obtained by inserting an external resonator.
[0038]
On the other hand, in the case where the data to be transmitted increases and the frequency to be used increases, but the high-frequency Gunn diode cannot be applied and high-frequency amplification by the low-frequency Gunn diode is required. Can use the multiple space structure of the present invention. In a multi-space structure, when a bias voltage is applied to a large space for low frequency between metal plates, a negative resistance characteristic is created. Between the smaller spaces between the metal plates, a strip resonance circuit or a lead-type resonance circuit that oscillates at a frequency two or three times higher than the oscillation frequency of the Gunn diode is disposed in the non-radiating dielectric waveguide. . Thus, in the Gunn diode, the reflected wave amplified by its negative resistance characteristic is amplified to have a broadband frequency.
[0039]
As described in detail above, the present invention constitutes an amplifier using a Gunn diode and a multi-spaced non-radiating dielectric waveguide structure, and manufactures many packages to amplify a plurality of frequencies. It has the economic advantage of not having to.
[0040]
The present invention can contribute to the development of an ultra-high-speed broadband communication device in today's multimedia age by providing a broadband amplifier including a Gunn diode and a dielectric resonance circuit.
[0041]
The preferred embodiments of the present invention have been set forth to illustrate the invention. Those skilled in the relevant art can modify, change, or add to the features of the present invention within the concept and scope of the present invention, and therefore such modifications, changes, or additions may be made. , Are considered to be included in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 1 is a graph showing an amplification region and a vibration region of a normal Gunn diode.
FIG. 2
FIG. 2 is a diagram showing a structure of an amplifier using a Gunn diode according to the present invention.
FIG. 3
FIG. 3 is a partially cutaway view of a multi-space structural amplifier according to the present invention.
FIG. 4
FIG. 4 is a graph showing frequency characteristics of the multi-space structural amplifier according to the present invention.
FIG. 5
FIG. 5 is a partially cutaway view of another embodiment of the multi-space structural amplifier according to the present invention.
FIG. 6
FIG. 6 shows an equivalent circuit of a circuit with an additional resonator to provide another embodiment of the multi-space structural amplifier according to the present invention.
FIG. 7
FIG. 7 is a graph illustrating a frequency characteristic of a wideband amplifier designed to have one external resonance point.
FIG. 8
FIG. 8 is a graph illustrating frequency characteristics of a wideband amplifier designed to have two external resonance points.
FIG. 9
FIG. 9 is a partially cutaway view of a resonator mounted on a non-radiating dielectric waveguide according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10
FIG. 10 is a diagram showing an equivalent circuit of the resonance circuit mounted on the non-radiating dielectric waveguide shown in FIG.
FIG. 11
FIG. 11 is a diagram showing the T-type circuit shown in FIG. 10 together with an impedance inverter circuit.
FIG.
FIG. 12 is a diagram showing an equivalent circuit using an inverter for a resonance circuit on the non-radiating dielectric waveguide shown in FIG.
FIG. 13
FIG. 13 is a diagram showing a circuit of a broadband amplifier to which one external resonator is added according to another embodiment of the present invention.
FIG. 14
FIG. 14 is a graph showing the amplification characteristics of the wideband amplifier according to the embodiment of the present invention shown in FIG.

Claims

A Gunn diode inserted in the space between two metal plates spaced apart from each other;
A circulator that rotates the input wave and determines the direction of transmission;
A first non-radiating dielectric waveguide connected to the circulator for transmitting an input wave from an input terminal to the circulator;
A second non-radiating dielectric waveguide that is connected to the circulator, sends an input signal from the circulator to the gun diode, and sends an amplified signal from the gun diode back to the circulator; and is connected to the circulator. A third non-radiating dielectric waveguide that sends the amplified signal entering the circulator through the second non-radiating dielectric waveguide to an output terminal;
Multi-space structural amplifier for high frequency amplification consisting of:

The multi-space structural amplifier according to claim 1, wherein the amplification of the input wave is obtained by utilizing a negative resistance characteristic of the Gunn diode.

The Gunn diode is mounted in the space between two metal plates spaced apart from each other; and the non-radiating dielectric waveguide is mounted in a different size space between the two metal plates forming a multi-space structure. The multi-space structural amplifier of claim 1, comprising:

The multispace structural formula of claim 1, wherein a strip resonator connects said Gunn diode and said non-radiating dielectric waveguide, and wherein the length of said strip resonator determines the frequency used. amplifier.

2. The multi-space structural amplifier according to claim 1, wherein a mode suppressor for removing unnecessary modes is used for connecting the circulator to the non-radiating dielectric waveguide.

2. The multi-space structural amplifier according to claim 1, wherein said Gunn diode and said non-radiating dielectric waveguide are connected by a frequency-doubled strip resonator that resonates at a frequency multiplied by a fundamental oscillation frequency.

3. The multi-space structural amplifier according to claim 2, wherein a reflection coefficient is greater than 1 as a negative resistance characteristic of the Gunn diode.

A Gunn diode inserted in the space between two metal plates spaced apart from each other;
A circulator that rotates the input wave and determines the direction of transmission;
A first non-radiating dielectric waveguide connected to the circulator for transmitting an input wave from an input terminal to the circulator;
A second non-radiating dielectric waveguide connected to the circulator and comprising a composite block of a resonance circuit, for sending an input signal from the circulator to the gun diode and sending an amplified signal from the gun diode back to the circulator ;
A third non-radiating dielectric waveguide connected to the circulator for sending the amplified signal entering the circulator to an output terminal; and a strip resonator connecting the Gunn diode to each of the non-radiating dielectric waveguides. Multi-space structural amplifier for high frequency amplification.

9. The method of claim 8, wherein the resonant circuit mounted on the second non-radiating dielectric waveguide comprises providing one or more resonant points around a fundamental resonant point to form a resonant frequency overlay. A multi-space structural amplifier as described.

Gunn diode inserted in large space between metal plates;
A non-radiating dielectric waveguide for the multiplication frequency of the oscillation frequency of the low-frequency Gunn diode is mounted in a small space between the metal plates;
A multi-space structural amplifier comprising a strip resonator resonating at a higher frequency connecting the Gunn diode and the non-radiating dielectric waveguide to amplify the magnitude of the reflected wave.