JP5403637B2 - アンテナとそれを用いた発振器 - Google Patents

Description

本発明はアンテナとそれを用いた発振器に係り、さらに詳しくは、基板上に作製された能動素子の電極をアンテナ又は共振回路兼アンテナとして用いた発振器に関する。

ミリ波からサブミリ波を経て遠赤外線にまでわたる帯域の電磁波は広く、テラヘルツ電磁波またはテラヘルツ光と呼ばれている。その周波数の下限を１００〜３００ＧＨｚ、上限を１０〜１００ＴＨｚとする範囲を指すことが多い。非特許文献１及び２において、１００ＧＨｚ以上テラヘルツ領域の発振や増幅に用いられる各種の半導体装置における国内外の研究開発動向が、各種のダイオードやトランジスタの材料、動作原理、具体的な構造、特性等について報告されている。

同様に、非特許文献３，４には、各種の半導体装置の製造と半導体装置を発振器とした応用例である電圧制御発信器（ＶＣＯ）やＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の実装技術が報告されている。

非特許文献５には、アンテナと共鳴トンネルダイオードを基板上に集積化した発振器として、スロットアンテナをアンテナ兼用の外部共振回路とし、０.６ＴＨｚ超の発振が得られたことを報告している。非特許文献５においては、共振回路部分に相当する半導体素子電極兼アンテナ部分の等価回路特性の制御のために、一対の電極の間にスロットアンテナを実現し、その長さを決定するために金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）の三層構造からなるＭＩＭリフレクタを導入している。このため発振デバイスの構造は複雑となり、半導体作製工程も増加する。

非特許文献６には、負性抵抗デュアルチャネルトランジスタ（ＮＤＲ−ＤＣＴ）を用いた場合の設計が報告されているが、確認できた大きな余裕をもった発振の可能性は約１ＴＨｚ超に留まっている。

非特許文献７によれば、ダイオード，トランジスタ等を用いた発振回路は、一般に、それら素子を負性抵抗を含む回路として、これに外部共振回路を並列接続した等価回路の解析が記載されている。

スロットアンテナ６０とは、図２８に示すように導体板６１の上に細長い切れ目６２（スロットとも呼ぶ）を作り、そこに高周波電圧６３を給電すると、その切れ目を横切る方向に電界が生じ、それが波源となって導体板６１の周辺に電磁界を放射する基本的なアンテナの一つである。このスロットアンテナ６０はダイポールアンテナの補対アンテナとして知られており、その動作原理はよく解明されている。非特許文献８には、スロットアンテナが同じ長さの線状導体、すなわち、ダイポールアンテナとまったく同様に取り扱えることが述べられている。これらのアンテナは、その長さが給電される高周波の半波長の整数倍、特に１倍の際に共振し、電波の放射能力も大きくなることが記載されている。

佐野栄一、「テラヘルツ発振を目指したデバイス技術の展望」、電子情報通信学会論文誌 C Vol.J87-C No.5 pp.413-423, 2004年5月 榎木孝和、「超高速化合物半導体電子デバイスの可能性」、電子情報通信学会論文誌 C Vol.J89-C No.3, pp.79-86, 2006 相川他、「モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）」、（社）電子情報通信学会、ｐｐ．１９−６５、平成９年１月 「ミリ波技術の基礎と応用」編集委員会監修・編集、「ミリ波技術の基礎と応用」（株）リアライズ社、ｐｐ.４６−７３、ｐｐ.９９−１３３、平成１０年７月３１日 Naoyuki Orihashi,et al.,"Experimental andTheoretical Characteristics of Sub-Terahertz and Terahertz Oscillations ofResonant Tunneling Diodes Integrated with Slot Antennas",Japanese Journal of Applied Physics,Vol.44,No.1１,pp.780９-7815,2005 古屋他、「負性抵抗デュアルチャネルトランジスタを用いたテラヘルツ発信器の解析」、電子情報通信学会２００６年ソサイエティ大会講演論文集、予稿集、２００６年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−１０−８、ｐｐ.４９、平成１８年９月７日 鈴木雅臣、「［定本］続トランジスタ回路の設計」、ｐｐ.３１４−３１８、ＣＱ出版（株）、２００４年７月１日、第１４版 虫明康人、「電波とアンテナのやさしい話−超ブロードバンド化の原理の発見−」、ｐｐ.４６−５２、ｐｐ.６６−６９、（株）オーム社、平成１３年８月２５日

直流的な短絡が許されない二つの導体を用いてアンテナもしくは共振回路を構成する必要がある例としては、上記非特許文献５及び６のようなトランジスタ，ダイオード等の半導体素子を用いて、特に基板に集積化した発振器を実現する場合が挙げられる。この場合、負性抵抗回路部分の所定の等価回路特性に対し、それに接続された外部共振回路の特性を調整することで、上記の発振条件を所望の周波数において満足させなくてはならない（図１２参照）。このためには、その共振回路の特性が周波数に対し大きく変化し、かつ、その変化を所望の周波数において生じさせ得ることが望ましい。即ち、鋭い共振とこれに付随する強い電磁界放射の実現と、その共振周波数の制御であるが、これらを可能にするための設計は、アンテナでは一般に行われている。基本的で代表的なアンテナの一つである半波長ダイポールアンテナは、二つの線状導体からなり、比較的共振が鋭く、アンテナ長を変化させることにより共振周波数を変化させられるため、上記のような要求を満足する外部共振回路の候補となり得る。ダイポールアンテナの補対アンテナであるスロットアンテナも同様である。

しかしながら、ダイポールアンテナは、それを構成する導体が線状ではなく、例えば平板のようにある程度の広がりを持つ場合は、鋭い共振が得られないという課題がある。

特に、ダイオード，トランジスタ等の半導体素子のように基板上に形成された電極を利用して上記の共振回路を構成しようとする場合に障害となる。この電極は、例えば、トランジスタのチャネル幅以上に小さくすることができないことやワイヤ・ボンディングのためにある程度の大きさが必要であることなどの理由から、一般に線状にすることは難しいという課題がある。

スロットアンテナの長さは、共振波長を決定するものでもあり、有限でなくてはならない。ダイオードの各電極はアノードとカソードに、トランジスタの各電極はソース、ドレイン、ゲート等に接続されているので、当然、相互の短絡は許されないことから、これらの電極を接続して電極間の細隙の両端を塞いでスロットアンテナの両端とすることはできない。

半導体素子として三端子素子を用いる場合には、これらの端子に接続された内の二つの電極によりスロットアンテナを構成しつつ、残る一つの電極を配線するための領域を確保しなくてはならない。

上記課題に鑑み、本発明は、共振周波数特性をより細かく調整可能なスロットアンテナ、及びそのスロットアンテナを用いて所望の発振特性を得ることができる発振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のスロットアンテナは、所定の間隔の第１の空隙を形成して配置された２枚の導電性平板と、前記第１の空隙の長手方向に対して垂直方向に、かつ、対向して前記２枚の導電性平板にそれぞれ形成された第２の空隙を一組としたとき、前記２枚の導電性平板の互いに異なる位置にそれぞれ形成された複数組の前記第２の空隙による複数組のスリットリフレクタ部と、を備え、前記複数組のスリットリフレクタ部のうち所定の２組のスリットリフレクタ部で挟み込まれた前記２枚の導電性平板の前記第１の空隙の空隙部分をスロットアンテナ本体とし、前記スロットアンテナ本体の中央部を給電点とし、前記スロットアンテナ本体の前記第１の空隙の長手方向の長さがほぼ所望の共振周波数が得られる値に設定され、前記複数組のスリットリフレクタ部の前記第２の空隙の位置、前記第２の空隙の長手方向の長さ及び幅により前記給電点において所望のインピーダンス又はアドミタンスの周波数特性が得られるように調整された構成であることを特徴とする。

上記構成において、好ましくは、さらに、スロットアンテナ本体の給電点近傍に、スリットリフレクタ部が配置される。この場合、スロットアンテナ本体の給電点に配置されるスリットリフレクタ部が所謂スタブとして動作し、給電点に接続される交流電源とスロットアンテナとの整合特性を改善することができる。したがって、給電点近傍に設けるスリットリフレクタ部の長さや幅を調整することで、交流電源からの電力を効率良くスロットアンテナに供給することができる。

また、上記目的を達成するため、本発明のスロットアンテナを用いた発振器は、基板上に能動素子を含む層が形成されるとともに、その能動素子がスロットアンテナの給電点に接続された構成であり、前記能動素子のアドミタンスと前記スロットアンテナのアドミタンスとの並列回路で等価回路が表され、前記能動素子のアドミタンスと前記スロットアンテナのアドミタンスについて所定の発振条件を成立させて発振動作を行う発振器であって、
前記スロットアンテナは、所定の間隔の第１の空隙を形成して配置された２枚の導電性平板と、前記第１の空隙の長手方向に対して垂直方向に、かつ、対向して前記２枚の導電性平板にそれぞれ形成された第２の空隙を一組としたとき、前記２枚の導電性平板の互いに異なる位置にそれぞれ形成された複数組の前記第２の空隙による複数組のスリットリフレクタ部と、を備え、
前記複数組のスリットリフレクタ部のうち所定の２組のスリットリフレクタ部で挟み込まれた前記２枚の導電性平板の前記第１の空隙の空隙部分をスロットアンテナ本体とし、前記スロットアンテナ本体の中央部を前記能動素子が接続される前記給電点とする構成であり、前記スロットアンテナのアドミタンスが前記能動素子のアドミタンスとともに前記発振条件を満足するように、前記スロットアンテナ本体の前記第１の空隙の長手方向の長さによりほぼ所望の共振周波数が設定され、かつ、前記複数組のスリットリフレクタ部の前記第２の空隙の位置、前記第２の空隙の長手方向の長さ及び幅の少なくとも一つが調整されていることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するため、本発明のスロットアンテナを用いた発振器は、上記の能動素子が、前記層の上の絶縁層上に前記能動素子のドレイン電極及びソース電極が形成されるとともに、前記２枚の導電性平板の一方を前記ドレイン電極とし他方を前記ソース電極とし、前記基板上の前記２枚の導電性平板とは異なる位置に設けられた外部ゲート電極に、前記２枚の導電性平板の前記所定の間隔の前記基板上の前記第１の空隙中に設けられたゲート配線を介してゲートが接続されたトランジスタであることを特徴とする。

本発明のスロットアンテナによれば、スロットアンテナ本体にスリットリフレクタ部を設けることにより共振の鋭さの度合いやそれが生じる周波数等を調整可能な、即ち入力インピーダンス等の特性を制御可能なスロットアンテナを提供することができる。

本発明によるスロットアンテナの構成を模式的に示す図であり、（Ａ）はその構成を示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のスロットアンテナの給電部に交流電源を接続した様子を示す平面図である。 本発明による第２の実施形態に係るスロットアンテナの構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るスロットアンテナの第１変形例の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るスロットアンテナの第２変形例の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明によるスロットアンテナの第３変形例の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係るスロットアンテナを用いたアレーアンテナの一構成例を模式的に示す斜視図である。 本発明によるスロットアンテナを用いた発振器を模式的に示す斜視図である。 本発明によるスロットアンテナを用いた発振器を模式的に示す斜視図である。 本発明によるスロットアンテナを用いた発振器を模式的に示す斜視図である。 本発明によるスロットアンテナを用いた発振器を模式的に示す斜視図である。 本発明の発振器の等価回路を示す図である。 本発明の発振器の能動素子及びスロットアンテナのアドミタンスの周波数特性の概略を示す図であり、それぞれ、（Ａ）が発振条件を満たさない場合、（Ｂ）が発振条件を満たす場合を示している。 本発明によるスロットアンテナを用いた発振器の具体例を模式的に示す斜視図である。 図１３に示した発振器のＡ−Ａ線に沿う能動素子を含む構造を示す断面図である。 （Ａ）はＮＤＲ−ＤＣＴの等価回路を示し、（Ｂ）は発振器の等価回路を示している。 詳細に設計されたスロットアンテナを有する発振器の平面図である。 図１６の発振器に対応するアドミタンスの周波数特性を示す図である。 スロットアンテナを有する発振器の別の構成のパターンを示す平面図である。 図１８の発振器に対応するアドミタンスの周波数特性を示す図である。 スロットアンテナを有する発振器のさらに別の構成のパターンを示す平面図である。 図２０の発振器に対応するアドミタンスの周波数特性を示す図である。 図２０のスロットアンテナの設計パラメータは変えずに、それを構成する電極のサイズを変更したパターンを示す図である。 図２２の発振器のパターンに対応するアドミタンスの周波数特性を示す図である。 図２０に示す発振器パターンにおいて、小さいスリットリフレクタ部を除いた発振器のパターンを示す図である。 図２４の発振器のパターンに対応するアドミタンスの周波数特性を示す図である。 図１６の構造から付加的なスリットリフレクタ部を除いた発振器のパターンを示す図である。 図２６の発振器のパターンに対応するアドミタンスの周波数特性を示す図である。 従来のスロットアンテナの構造を示す斜視図である。

以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
本発明の第１の実施形態に係るアンテナについて説明する。
図１は、本発明によるスロットアンテナの構成を模式的に示す図であり、（Ａ）はその構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）のスロットアンテナの給電部に交流電源を接続した様子を示す平面図である。
図１（Ａ）に示すように、本発明のスロットアンテナ１は、スロットアンテナ本体２となる長さがＬ_０で幅がＷ_０の空隙と、この空隙２の長手方向（図１のＹ方向）に対して垂直な方向（図１のＸ方向）に配置され長さがＬ₁で幅がＷ₁の空隙からなるスリットリフレクタ部３と、から構成されている。図示の場合にはスリットリフレクタ部３はスロットアンテナ本体２に対して十字となるように、Ｘ方向の空隙３Ａ及び３Ｂとから形成されている。空隙３Ａの長さＬ₁’及び３Ｂの長さＬ₁’’は同じとしてもよい。

スロットアンテナ１は、導電性が良好な導電性平板５にスロットアンテナ本体２及びスリットリフレクタ部３となる空隙を設けることで形成することができる。図示の場合には、スリットリフレクタ部となる空隙３はスロットアンテナ１が形成される導電性平板５の左側及び右側に設けている。

上記導電性平板５は、図示するように基板６上に形成してもよい。このような基板６としては、絶縁体や半導体などの材料を用いることができる。導電性平板５の厚さは使用する周波数において損失が生じない厚さとし、導電性平板５の導電率と使用周波数で決まる表皮深さ以上の厚みとすればよい。

図１（Ｂ）に示すように、本発明によるスロットアンテナ１のスロットアンテナ本体２における給電部２Ａは、スロットアンテナ本体２の中央部に設けられている。この給電部２Ａには交流電源７が接続されることでスロットアンテナ１が励振される。

本発明のスロットアンテナ１によれば、給電点における二端子対のインピーダンス又はアドミタンスの周波数特性は、上記スリットリフレクタ部３のスロットアンテナ本体への配置場所と、その長さＬ₁及び幅Ｗ₁を変えることで調整することができる。したがって、本発明のスロットアンテナ１によれば、インピーダンスの周波数特性を変化させることで、その共振特性を制御することができる。

本発明の第２の実施形態に係るスロットアンテナについて説明する。
図２は、本発明による第２の実施形態に係るスロットアンテナ１０の構成を模式的に示す斜視図である。
図２に示すように、本発明の第２の実施形態に係るスロットアンテナ１０は、幅がＷ₀の間隔の空隙を形成するように２枚の導電性平板１１，１２が配置されており、上記空隙の長手方向（図２のＹ方向）に対して垂直な方向（図２のＸ方向）に配置され長さがＬ_１で幅がＷ₁の空隙（細隙とも呼ぶ）からなる第１のスリットリフレクタ部３と、これと同様の空隙から形成される長さがＬ₂で幅がＷ₂の空隙からなる第２のスリットリフレクタ部１３と、から構成されている。

ここで、第１及び第２のスリットリフレクタ部３，１３は、導電性平板１１，１２のそれぞれに空隙が形成されることで形成されているので、２組のスリットリフレクタ部と呼ぶ。上記の２つのスリットリフレクタ部３，１３とに挟まれる空隙は、幅がＷ₀で長さがＬ₀の空隙であり、スロットアンテナ本体２となり、その給電点はスロットアンテナ本体２の中央部となっている。スリットリフレクタ部３はスロットアンテナ本体２の長手方向に対して垂直方向に配置されているが、空隙の幅と長さは同じ寸法としてもよい。

本発明の第２の実施形態に係るスロットアンテナ１０においては、近接して配置された二つの導体平板１１，１２を隔てる幅がＷ₀の空隙は、一種のスロット導波路（スロット線路とも呼ばれている。非特許文献３参照）とみなせる。ここで、このスロット導波路の一部に上記のように第１及び第２のスリットリフレクタ部３，１３を設けると、スロット導波路本来のインピーダンスとは異なる状態となり不整合が生じる。不整合の程度が充分大きい場合には、このスロット導波路、つまり、スロットアンテナ本体を伝搬する電磁界は、その不整合部分で反射され、エネルギーの殆どがそれより先には伝搬しない。これは、第１及び第２のスリットリフレクタ部３，１３が、スロットアンテナ本体に設けられた終端として作用する。スロットアンテナ１０においては、第１及び第２のスリットリフレクタ部３，１３により終端された有限長のスロット導波路とも考えられる。

本発明のスロットアンテナ１０によれば、共振周波数は上記の第１及び第２のスリットリフレクタ部３，１３で両端を区切られたスロットアンテナ本体部分の長さＬ₀に理想的には反比例し、また、その共振の様子、つまり、給電点における二端子対のインピーダンス又はアドミタンスの周波数特性は、第１及び第２のスリットリフレクタ部３，１３の長さ及び幅Ｗを変えることで調整することができる。したがって、本発明のスロットアンテナ１０によれば、インピーダンスの周波数特性を変化させることで、その共振特性を制御することができる。

スリットリフレクタ部３，１３によって実現される不整合の度合いは、その幅、長さ、導電性平板の厚み等の寸法によって異なるため、これを調節して、電磁界伝搬に対して必ずしも前記のような反射の実現ではない制御を加えることも可能となる。この場合は、スリットリフレクタ部３，１３が、必ずしも完全に近いリフレクタ、つまり、反射器ではないとみなせる場合であってもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係るアンテナの第１の変形例について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係るスロットアンテナの第１変形例の構成を模式的に示す斜視図である。図３に示すように、第２の実施形態に係るスロットアンテナの第１変形例においては、スロットアンテナ１５が、図２に示すスロットアンテナ１０と比較すると、さらに２組のスリットリフレクタ部１４，１４を備えている点が異なっている。

上記スロットアンテナ１５によれば、共振周波数特性は、第１及び第２のスリットリフレクタ部３，１３にさらに２組のスリットリフレクタ部１４，１４を備えているので、共振特性をより細かく制御することができる。

本発明の第２の実施形態に係るアンテナの第２変形例について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係るスロットアンテナの第２形例の構成を模式的に示す斜視図である。図４に示すように、第２の実施形態に係るスロットアンテナの第２変形例においては、スロットアンテナ２０が、図２に示すスロットアンテナ１０と比較すると、第１のスリットリフレクタ部３に隣接してスリットリフレクタ部１６を備えている点が異なっている。このスリットリフレクタ部１６を２組備えていてもよい。

上記スロットアンテナ２０によれば、第１及び第２のスリットリフレクタ部３，１３に隣接してさらにスリットリフレクタ部１６を備えているので、共振周波数特性をより細かく制御することができる。

本発明の第２の実施形態に係るアンテナの第３変形例について説明する。
図５は、本発明によるスロットアンテナの第３変形例の構成を模式的に示す斜視図である。図５に示すように、本発明によるスロットアンテナの第３変形例２５が、図４に示すスロットアンテナ２０と異なるのは、さらに、給電点２Ａの近傍にスリットリフレクタ部１８を備えている点である。図示の場合にはスリットリフレクタ部１８は給電点２Ａの片側に設けている。さらに、スリットリフレクタ部１８は給電点の両側に、１組又は複数組設けてもよい。

上記スロットアンテナ２５によれば、給電点に配置されるスリットリフレクタ部１８が所謂スタブとして動作し、給電点に接続される交流電源とスロットアンテナ２５との整合特性を改善することができる。したがって、給電点近傍に設けるスリットリフレクタ部１８の長さや幅を調整することで、交流電源からの電力を効率良くスロットアンテナに供給することができる。この給電点付近に設けるスリットリフレクタ部１８は、スロットアンテナ１０，１５，２０も適用することができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係るスロットアンテナを用いたアレーアンテナについて説明する。
上記構成の本発明によるスロットアンテナ１０，１５，２０，２５を多数並べて配置して、アレーアンテナとすることができる。図６は、本発明の第３の実施形態に係るスロットアンテナを用いたアレーアンテナの一構成例を模式的に示す斜視図である。図６に示すように、アレーアンテナ３０は、多数のスロットアンテナ１５を線状に間隔ｄで並べて構成されている。アレーアンテナ３０は線状のほかには面状の二次元配列や立体配列とすることができる。

上記アレーアンテナ３０によれば、各スロットアンテナ１５間の間隔ｄや相対的な配置等を調整することにより放射指向性の制御や利得の向上を可能とする。各スロットアンテナ１５はそれぞれが相互に結合し、これらのインピーダンス特性も各スロットアンテナ１５が単一に存在する場合とは異なる変化をするので、アレーアンテナを構成する各アンテナの共振特性の調整に利用することができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る本発明のスロットアンテナを用いた発振器について説明する。
図７〜１０は、本発明によるスロットアンテナを用いた発振器を模式的に示す斜視図である。
図７に示すように、本発明のスロットアンテナ１０を用いた発振器３５は、図２に示すスロットアンテナ１０と能動素子３３とから構成されている。スロットアンテナ１０及び能動素子３３は、基板３１上に形成されており、基板３１上には能動素子を含む層３２が形成されており、図示しない絶縁層上に形成される能動素子の電極がスロットアンテナの導電性平板１１，１２を兼ねている。つまり、図２に示したスロットアンテナ本体の給電部に能動素子が接続されて構成されている。スロットアンテナ１０の構成は既に説明しているので詳細な説明は省略する。能動素子がダイオードの場合には、そのアノード電極及びカソード電極を、それぞれ導電性平板１１，１２を兼ねるようにすればよい。能動素子がトランジスタの場合には、そのソース電極及びドレイン電極を、それぞれ導電性平板１１，１２を兼ねるようにすればよい。ゲート電極はスロットアンテナ本体２の空隙中に細線を用いて配線をすればよい。

図８は、本発明によるスロットアンテナ１５を用いた発振器４０を示しており、図７の発振器３５との違いは、スロットアンテナ１５が、さらに、スリットリフレクタ部１４を備えている点にある。

図９は、本発明によるスロットアンテナ２０を用いた発振器４５を示しており、図８の発振器３５との違いは、スロットアンテナ２０が、さらに、スリットリフレクタ部１６を備えている点にある。

図１０は、本発明によるスロットアンテナを用いた発振器５０を示しており、図９の発振器４５との違いは、スロットアンテナ２０の給電点２Ａ近傍に、さらに、スリットリフレクタ部１８を備えている点にある。ここで、スリットリフレクタ部１８は上記発振器３５，４０に設けてもよい。

二端子素子としては、所謂負性抵抗ダイオードを用いることができ、例えば、江崎ダイオード（トンネルダイオード）、ガンダイオード、インパットダイオード、タンネットダイオード、バリットダイオード、共鳴トンネルダイオードなどが挙げられる。

三端子素子のトランジスタとしては、各種の電界効果トランジスタ、例えば、ＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ，ＭＯＳＦＥＴ，ＳＩＴ，ＨＥＭＴ、負性抵抗デュアルチャネルトランジスタなどが挙げられる。

本発明の発振器の動作について説明する。
図１１は、本発明の発振器３５，４０，４５，５０の等価回路を示す図である。図１１に示すように、本発明の発振器は、能動素子のアドミタンス（以下、適宜にＹａと呼ぶ）上記本発明のスロットアンテナ１０，１５，２０の各アドミタンス（以下、適宜に区別しないでＹｄと呼ぶ）との並列回路で表わすことができる。この発振回路が発振するためには、能動素子部分のアドミタンスＹｄとスロットアンテナのアドミタンスＹａについて、以下の二つの発振条件、すなわち、利得条件及び位相条件が同時に成り立たなくてはならない。
利得条件：
Ｒｅ（Ｙｄ）＋Ｒｅ（Ｙａ）≦０（ここで、Ｒｅ（Ｙｄ）＜０：負性抵抗）
位相条件：
Ｉｍ（Ｙｄ）＋Ｉｍ（Ｙａ）＝０
ここで、Ｒｅ及びＩｍはそれぞれアドミタンスの実部及び虚部を示している。利得条件では、Ｒｅ（Ｙｄ）＋Ｒｅ（Ｙａ）が零より小さいほど良い。

図１２は、本発明の発振器の能動素子及びスロットアンテナのアドミタンスの周波数特性の概略を示す図であり、それぞれ、（Ａ）が発振条件を満たさない場合を、（Ｂ）が発振条件を満たす場合を示している。図１２において、横軸は周波数を縦軸はアドミタンスを示している。
図１２（Ｂ）に示すように、スロットアンテナのアドミタンスの実部（コンダクタンス）は共振周波数ｆｒで最大となり、その虚部（サセプタンス）は共振周波数ｆｒで０となり、その前後の周波数でＣ性からＬ性に変わる。一方、能動素子のアドミタンスは符号を反転して、つまり、−１を乗じた値で示している。上記利得及び位相条件を満たす周波数ｆ０が発振器の発振周波数である。したがって、本発明の発振器は能動素子のアドミタンス特性を得て、スロットアンテナのアドミタンスを、上記発振条件を満たすようにすれば発振する（図１２（Ｂ）参照）。

本発明の各発振器３５，４０，４５によれば、２組のスリットリフレクタ部３，１３の間隔がほぼ共振周波数を決定することができ、２組のスリットリフレクタ部３，１３の幅や長さを調整することで共振器特性を適宜に設計することができる。さらに、発振器４０，４５の場合には、さらにスリットリフレクタ部１４または１６が付加されているので、共振器特性の細かい調整が可能となる。

本発明の各発振器５０によれば、さらに、給電点近傍に少なくとも１組以上のスリットリフレクタ部１８が付加できるので、能動素子３３とスロットアンテナ部との整合状態を良くし、発振器の出力を向上させることができる。したがって、共振器特性の細かい調整が可能となる。

次に、本発明の第４の実施形態に係るスロットアンテナを用いた発振器の具体例について説明する。
図１３は、本発明によるスロットアンテナを用いた発振器の具体例を模式的に示す斜視図である。図１３に示すように、本発明のスロットアンテナ１０を用いた発振器３５は、図２に示すスロットアンテナ１０と能動素子３３とが、半導体基板上に形成されている。図示の場合には、ドレイン電極をスロットアンテナの導電性平板１１とし、ソース電極をスロットアンテナの導電性平板１２としている。ゲート電極は、ドレイン電極とソース電極の上方に形成されており、細隙中の中央部に設けたゲート配線を介して能動素子３３のゲートに接続されている。

図１４は、図１３に示す発振器のＡ−Ａ線に沿う能動素子を含む構造の断面図である。図１４に示すように、この能動素子は、例えば負性抵抗デュアルチャネルトランジスタであり、ＩｎＰの（１００）基板上に、厚さが１０ｎｍのＩｎＡｌＡｓバッファ層と、厚さが１０ｎｍのＩｎＧａＡｓからなる高移動度層と、ＩｎＡｌＡｓからなるバリヤ層と、ＩｎＧａＡｓからなる低移動度層と、ＩｎＡｌＡｓからなるスペーサ層と、δドーピング層と、厚さが１５ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるショットキー層と、コンタクト層と、が順に積層されており、その詳細は非特許文献６に記載されている。負性抵抗デュアルチャネルトランジスタは、例えば、ＩｎＰの（１００）基板上に分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などにより能動層を形成し、ソース、ドレイン、ゲートの各電極を形成して製造することができる。この場合、各電極の形成には、絶縁膜を堆積するＣＶＤ工程や上記電極となる金属材料の蒸着工程やパターニングを行なうためのリソグラフィ工程やエッチング工程により形成することができる。

アレーアンテナやアレーアンテナを用いた発振器については、上記のような単一に切り離されたデバイスを複数用意して所望の配列とすることができる。この場合の配列方法としては、線状、面状、三次元配列の何れかとすることができる。さらには、半導体素子製造時に同一の基板上に同時に作られた複数のデバイスを用いてもよい。また、各アンテナは、半導体素子の電極の一部を共有してもよい。例えば、単一に切り離された複数のデバイスにおいて、ドレイン電極だけを共有するように短絡して構成してもよい。

能動素子、特にトランジスタの場合には製造上の制約から不可避な電極除去部分が生じることが多い。例えば、ソース，ドレインの両電極に挟まれたトランジスタのチャネルを横切るゲート電極の作製のために、チャネルの両脇でソース，ドレインの電極を若干取り除かれねばならかった場合、その空隙を本発明のスロットアンテナで用いるスリットリフレクタ部に転用できる。これにより、本発明の発振器は、製造の容易さにより所望のスロットアンテナの共振器特性を実現すると共に、半導体製造上の自由度を向上させることができる。

以下に、本発明の発振器の設計例を示す。
半導体素子として、非特許文献６に示したＮＤＲ−ＤＣＴを用い、半導体素子を作製し、その特性の測定及び解析を行い、外部共振器設計のための三次元電磁界解析には有限要素法による数値解析ツール（アンソフト・ジャパン（株）製、ＨＦＳＳ）を用いた。

図１５は、（Ａ）がＮＤＲ−ＤＣＴの等価回路を示し、（Ｂ）が発振器の等価回路を示している。図１５（Ａ）に示すように、トランジスタの等価回路において、Ｒｃはソース又はドレイン電極と半導体間の接触抵抗であり、Ｃｃは、ソース又はドレイン電極と半導体間の容量であり、Ｒｃｈはチャネル抵抗であり、−Ｇｄ及びＣｄは、それぞれ、ゲート直下のデュアルチャネル間の遷移により発現する微分負性コンダクタンスと容量である。Ｌｇはゲート長である。
等価回路定数Ｒｃ，Ｃｃ，Ｒｃｈとしては下記値を用いた。
Ｒｃ＝１.３９×１０^-3Ω
Ｃｃ＝０.２４ｐＦ
Ｒｃｈ＝１２Ω

等価回路定数の−Ｇｄ及びＣｄは、非特許文献５を参照し、下記数式（１）及び（２）から、Ｌｇ＝１００ｎｍ及び２００ｎｍのそれぞれについて求めた。
ここで、Ｇ（Ｖ_AC）＝ａ−（３ｂ／４）＊Ｖ_AC ²、τ_Gate＝Ｌｇ／ｖ_sであり、Ｇ（Ｖ_AC）は下記（３）式及び（４）式から求めた。Ｖ_０はＤＣバイアスに相当する。
ここで、ａ＝３／２＊ΔＩ／ΔＶ、ｂ＝ΔＩ／ΔＶ²である。ΔＩ，ΔＶは、ＮＤＲ−ＤＣＴの実際の負性抵抗の測定結果から求めた。キャリアの飽和速度ｖ_sは、キャリアがゲート下で高移動度と低移動度のチャネルをそれぞれを同じ距離（Ｌｇ／２）走行すると仮定し、それぞれにおける凡その飽和速度は１.２６×１０⁵ｍ／ｓとした。また、τ_Gate＞＞τ_traと仮定した。ここで、τ_traはキャリア（電子）のデュアルチャネル間遷移に要する時間である。

図１５（Ｂ）に示すように、発振器の等価回路は、図１４のトランジスタの等価回路を簡略化してアドミタンスＹｄとし、スロットアンテナアドミタンスＹａとの並列回路で表わされる。

図１６は詳細に設計されたスロットアンテナを有する発振器の平面図である。図示するように、１１２０μｍ×１１２０μｍの大きさの半導体基板の中央部には、幅が６０μｍで長さが４μｍのＮＤＲ−ＤＣＴのチャネルが配置されている。その両端に接続されている大きな二枚の導電性平板３，１３が、ソース電極及びドレイン電極であり、これら電極間の細隙に、本発明のスロットアンテナが形成されている。この場合、スロットアンテナ本体２の幅は４μｍで、その長さは７２０μｍであり、スロットアンテナ本体に接続しているスリットリフレクタ部３，１３は同じ寸法であり、幅が２０μｍであり、長さが５００μｍである。能動素子の周辺、つまり、給電点近傍には、間隔が６０μｍで、１５μｍ×１５μｍのスリットリフレクタ部１８，１８を設けている。ソース、ドレイン，ゲートの電極パッド、すなわち、ワイヤボンディングパッドは１００μｍ角である。
なお、図中のＬｇは、半導体素子のチャネルの上を横切って設けられているゲートの幅、つまりゲート長（図１４参照）であり、スロットアンテナ本体２の幅（ソース、ドレイン電極間の細隙の幅）４μｍに比較して十分に小さい。

図１７は、図１６の発振器に対応するアドミタンスの周波数特性を示す図である。図１７の横軸は周波数（ＴＨｚ）であり、縦軸はアドミタンス（Ｓ）を示している。図１７においては、スロットアンテナのアドミタンスの実部Ｒｅ（Ｙａ）とその虚部Ｉｍ（Ｙａ）と、ＮＤＲ−ＤＣＴのＬｇが１００ｎｍ及び２００ｎｍにおけるアドミタンスの実部Ｒｅ（Ｙｄ）とその虚部Ｉｍ（Ｙｄ）を示している。発振条件が、本発明によって設計されたスロットアンテナが設けられた外部共振器の共振周波数近辺で満足され、０.１２ＴＨｚ、すなわち、１２０ＧＨｚ付近で電力条件に余裕をもって発振するというシミュレーション結果となっている。

図１８は、スロットアンテナを有する発振器の別構成のパターンを示す平面図である。スロットアンテナ本体２の長さを３９０μｍとし、スロットアンテナ本体２に接続しているスリットリフレクタ部３，１３の寸法は、長さを３００μｍとした以外は、図１６に示す発振器と同じである。但し、ＮＤＲ−ＤＣＴのＬｇは１００ｎｍとしている。

図１９は、図１８の発振器に対応するアドミタンスの周波数特性を示す図であり、図１９の横軸及び縦軸は図１７と同じであるので説明は省略する。
図１９から明らかなように、発振条件は本発明によって設計されたスロットアンテナにより形成された外部共振器の共振周波数近辺で満足され、０.２１ＴＨｚ、すなわち、２１０ＧＨｚ付近で電力条件に余裕をもって発振するというシミュレーション結果となっている。

図２０は、スロットアンテナを有する発振器のさらに別構成のパターンを示す平面図である。スロットアンテナ本体の長さを２７０μｍとし、スロットアンテナ本体に接続しているスリットリフレクタ部３，１３の寸法は、長さを２００μｍとした以外は、図１６に示す発振器と同じである。但し、ＮＤＲ−ＤＣＴのＬｇは１００ｎｍとしている。

図２１は、図２０の発振器に対応するアドミタンスの周波数特性を示す図であり、図２１の横軸及び縦軸は図１７と同じであるので説明は省略する。
図２１から明らかなように、発振条件は本発明によって設計されたスロットアンテナにより形成された外部共振器の共振周波数近辺で満足され、０.３０５ＴＨｚ、すなわち、約３０５ＧＨｚ付近で電力条件に余裕をもって発振するというシミュレーション結果となっている。

上記の解析結果からは、スロットアンテナの共振周波数は、スロットアンテナ長にほぼ反比例して変化していることが分かる。したがって、本発明により当該発振デバイスの発振周波数を制御し得ることが分かる。

図２２は、図２０のスロットアンテナの設計パラメータは変えずに、それを構成する電極のサイズを変更したものであり、図２３はそのアドミタンスの周波数特性を示す図である。図２３から明らかなように、図２１に示すアドミタンスの周波数特性と比較すると、両者の相違は少なく、共に発振条件が満足されていることが分かる。シミュレーション上で、本発明が、スリットリフレクタ部３，１３に挟まれたスロットアンテナ本体２への電磁界の局在化に成功しており、デバイス全体の大きさに影響されず所望の発振周波数を実現し得ることが分かる。

図２４は、図２０に示した発振器パターンにおいて、小さいスリットリフレクタ部１８を除いたパターンを示す図である。図２５は、そのアドミタンスの周波数特性を示す図である。図２５から明らかなように、図２１に示すアドミタンスの周波数特性と比較すると、特性の変化が大きく、図２０に示した発振器の場合は満足されていた発振条件が、満足されなくなっていることが分かる。シミュレーション上で、本発明のスリットリフレクタ部１８が単なる反射器に留まらず共振の程度を調整する作用があり、スロットアンテナ本体２への電磁界の局在化に成功しており、デバイス全体の大きさに影響されず所望の発振周波数を実現し得ることが分かる。

図２０の構造に対する図２４と同様に、図１６の構造から前記のような付加的なスリットリフレクタ部１８を除いた場合が図２６であり、図２７は、そのアドミタンスの周波数特性を示す図である。
図２７から明らかなように、この場合は、図１７と同様に発振条件を満足する周波数を見出すことができ、小さいスリットリフレクタ部１８の有無が特性に大きく影響していないことが分かる。これは、スロット部分を挟んだ２組のスリットリフレクタ部３，１３のみで充分な共振回路が実現できる例である。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、例えば、用いる能動素子やその発振周波数はその目的に応じて設定することができ、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

本発明のアンテナ及びそれを用いた発振器は、テラヘルツ電磁波を通信、計測、演算等へ利用する装置のみならず、電磁波の伝送線路を用いて実現される回路全般にも広く適用することができる。

１，１０，１５，２０，２５：スロットアンテナ
２：スロットアンテナ本体
２Ａ：給電点
３：スリットリフレクタ部（第１のスリットリフレクタ部）
３Ａ，３Ｂ：空隙
５，１１，１２：導電性平板
６，３１：基板
１３：第２のスリットリフレクタ部
１４，１６，１８：さらに付加するスリットリフレクタ部
３０：アレーアンテナ
３２：能動素子を含む層
３３：能動素子
３５，４０，４５，５０：スロットアンテナを用いた発振器

Claims (5)

1. 所定の間隔の第１の空隙を形成して配置された２枚の導電性平板と、
   前記第１の空隙の長手方向に対して垂直方向に、かつ、対向して前記２枚の導電性平板にそれぞれ形成された第２の空隙を一組としたとき、前記２枚の導電性平板の互いに異なる位置にそれぞれ形成された複数組の前記第２の空隙による複数組のスリットリフレクタ部と、
   を備え、前記複数組のスリットリフレクタ部のうち所定の２組のスリットリフレクタ部で挟み込まれた前記２枚の導電性平板の前記第１の空隙の空隙部分をスロットアンテナ本体とし、前記スロットアンテナ本体の中央部を給電点とし、前記スロットアンテナ本体の前記第１の空隙の長手方向の長さがほぼ所望の共振周波数が得られる値に設定され、前記複数組のスリットリフレクタ部の前記第２の空隙の位置、前記第２の空隙の長手方向の長さ及び幅により前記給電点において所望のインピーダンス又はアドミタンスの周波数特性が得られるように調整された構成であることを特徴とするスロットアンテナ。
2. 前記複数組のスリットリフレクタ部のうち、前記所定の２組のスリットリフレクタ部以外の少なくとも一組のスリットリフレクタ部は、前記給電点の近傍位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載のスロットアンテナ。
3. 請求項１又は２記載のスロットアンテナが複数、線状に、又は二次元面状に、又は三次元立体状に所望の間隔で配列され、全体としてアレーアンテナを構成していることを特徴とするスロットアンテナ。
4. 基板上に能動素子を含む層が形成されるとともに、その能動素子がスロットアンテナの給電点に接続された構成であり、前記能動素子のアドミタンスと前記スロットアンテナのアドミタンスとの並列回路で等価回路が表され、前記能動素子のアドミタンスと前記スロットアンテナのアドミタンスについて所定の発振条件を成立させて発振動作を行う発振器であって、
   前記スロットアンテナは、
   所定の間隔の第１の空隙を形成して配置された２枚の導電性平板と、
   前記第１の空隙の長手方向に対して垂直方向に、かつ、対向して前記２枚の導電性平板にそれぞれ形成された第２の空隙を一組としたとき、前記２枚の導電性平板の互いに異なる位置にそれぞれ形成された複数組の前記第２の空隙による複数組のスリットリフレクタ部と、
   を備え、前記複数組のスリットリフレクタ部のうち所定の２組のスリットリフレクタ部で挟み込まれた前記２枚の導電性平板の前記第１の空隙の空隙部分をスロットアンテナ本体とし、前記スロットアンテナ本体の中央部を前記能動素子が接続される前記給電点とする構成であり、
   前記スロットアンテナのアドミタンスが前記能動素子のアドミタンスとともに前記発振条件を満足するように、前記スロットアンテナ本体の前記第１の空隙の長手方向の長さによりほぼ所望の共振周波数が設定され、かつ、前記複数組のスリットリフレクタ部の前記第２の空隙の位置、前記第２の空隙の長手方向の長さ及び幅の少なくとも一つが調整されていることを特徴とするスロットアンテナを用いた発振器。
5. 前記能動素子は、
   前記層の上の絶縁層上に前記能動素子のドレイン電極及びソース電極が形成されるとともに、前記２枚の導電性平板の一方を前記ドレイン電極とし他方を前記ソース電極とし、前記基板上の前記２枚の導電性平板とは異なる位置に設けられた外部ゲート電極に、前記２枚の導電性平板の前記所定の間隔の前記基板上の前記第１の空隙中に設けられたゲート配線を介してゲートが接続されたトランジスタであることを特徴とする請求項４記載の発振器。