调谐振荡器

本发明是关于在收音机、电视机等等中的调谐电路内作为本机振荡器使用的调谐振荡器和在光谱分析仪、微波测试仪器等中的扫描振荡器。

技术背景及其存在的问题

在现有技术中，这样的振荡器使用釔铁石榴石体卽YIG球（这里YIG表示釔、铁和榴子石，但其中可能含有各种类型的添加剂）（它已在日本专利申请，号为32671/1978的出版文件中公开了），这类YIG球具有各种不同的特性，例如在微波频带高端，有高的共振特征Q值;由于它的共振频率和YIG的体积无关，因此在在外形尺寸上能做得很小;在改变加到YIG球上的偏置磁场时，它的响应频率可在宽带内线性地改变;等等。

然而由于在振荡器内使用YIG球，上述的振荡器也有不足之处，这样的调谐振荡器很难集中构成在MIC（薄膜混合微波集成电路）的基片上，因此结构上的灵活性就减少了。近而，这样的YIG调谐振荡器一方面必须通过调整导线和构成YIG球偶合环的带状物实现匹配，而另一方面又必须通过调整偶合环和YIG体之间的位置实现匹配，致使该调谐振荡器极易受振动的影响。

发明的主题

考虑到上述问题，本发明必须提供一个能改进上述缺点的调谐振荡器。

发明概述

本发明提供一个调谐振荡器，它包括了一个有源元件，一个由利用铁磁共振现象的磁材料做成的，和有源元件电气连接的共振器及一个给共振器提供磁场的磁路，在这种情况下，利用薄膜形成技术，共振器是由YIG（钇、铁和榴子石）薄膜磁共振元件构成的;并且利用了在YIG薄膜内的均匀模式的铁磁共振。

实施例

现在依本发明，调谐振荡器的实施例借助插图，进一步地描述。

在本实施例中，如图1所示，提供了一个由磁性材料，例如坡莫合金等构成的磁轭1，其中包括了磁隙3磁隙2，在磁隙2中放置着含在基片3内振荡电路。线圈6至少绕在磁极4和5所的一个上，磁极相对放置形成铁轭1的磁间隙2，而变化的电流馈送到线圈6，从而完成了变化磁场的提供装置。

图2是包含振荡电路的基片3实际结构示例的平视图，而图3是图2中沿线A-A的断面图。如图2和图3所示，在用材料，例如氧化铝等形成的介电基片31的第一主表面上形成地线导体32，在介电基片31的第二个主表面形成微带线33，它的一端通过连接导体34到地线导体32，微带线33和YIG薄膜磁共振元件35是进行电磁偶合，YIG薄膜磁共振元件35构成如下，使用薄膜形成工 艺，例如溅射，化学气相沉积法（CVD法），液相外延生长法（LPE法）等等，例如在GGG（钇镓榴子石）基片36上的二主表面上形成铁磁材料YIG薄膜，和在它的上而相形，例如通过照像工艺在YIG薄膜上形成园形图形，在图2和3中标号37表示双极高频体管，标号38表示阻抗匹配电路，标号39表示直流单元MOS（金属氧化物半导体）电容，在本实施例中双极型晶体管37的基极B通过具有电抗线41连接到和接地板32相耦合的地线垫片40，发射极E连接到YLG薄膜磁谐振元件35侧面，而集电极C连接到阻抗匹配电路38侧面，这样就构成了其基极串联反馈振荡器。

使用YIG薄膜磁共振元件作为共振器，振荡电路的振荡原理，振荡条件等将进一步简述。此外使用共振器的振荡电路或YIG薄膜磁振荡元件35，不仅输出电路部分而且反馈电路都将进一步描述。图4A和4B示出该振荡电路的方框图，在图4A和B中，标号42为YIG薄膜共振电路，标号43为负阻电路，标号44为阻抗匹配电路和标号45为负载，在图4B中标号46为负载阻抗，它包括了匹配电路的阻抗。

在图4，Ty表示向YIG薄膜共振电路侧看进去的，即YIG反馈电路侧的反射系数而TN表示从有源元件侧看进去的，即从端点A向负阻电路侧看进去的反射系数，它们可以用从端点A分别看进去的，它们阻抗Zy和ZA在下面的公式中表示

Ty＝ (Zy-ZO)/(Zy+ZO) ……（1）

TN＝ (ZN-ZO)/(ZN+ZO) ……（2）

这里Zo表示电路的特性阻抗（50Ω）

稳定振荡条件可以使用反射系数Ty和TN表示为TyTN＝1 …（3）

由于反射系数Ty和TN均为多数，方程式（3）可以改写如下，如果分别对应幅度和相位

｜Ty｜｜TN｜ej（θy+θN）＝1

即 ｜Ty｜｜TN｜＝1…（4） θy+θN＝0 …（5）

由于YIG反馈电路作为无源元件电路具有有源等效电阻相应于YIG薄膜共振器的损耗，在方程式（1）中产生了｜Ty｜＜1，依次，为建立由方程式（4）给出的振荡条件，｜TN｜＞1的条件必须建立，然而公式（2）可以这样想解阻抗ZN必须具有负阻特性。

在图4中负阻电路43可以是2端有源元件作为负阻元件，或者由三端有源元件或反馈元件构成，在图2和3的例中使用高频双极晶体管做为三端有源元件，在图5中示出共基极串联反馈型振荡电路，在图5中注明的字母X表示电抗反馈电路。

虽然描述了振荡电路的稳定振荡条件，但必须建立下述条件，至使振荡电路起振。

｜Ty｜｜TNS｜＞1 …（6）即｜Ty｜＞ 1/(｜TNS｜) …（7）

这里TNS是TN在小信号时的TN值，当振荡电路开始起振时，有源元件在大幅度下工作，负阻的绝对值变小1/｜TN｜开始逐渐变大，当方程式（2）建立时，振荡电路的振荡开始进入稳定状态，在上述解释的基础上，YIG振荡电路的工作原理将借助于图6的史密斯园图简述。

如图6所示，当在小信号时，信号幅度小，1/TN是在曲线C的状态上，它相应靠近史密斯园图的内部，当有源元件工作在大幅度时，它经历的状态由曲线D表示，移动方向用箭头表示。

结合图2及图3所描述的YIG振荡电路中，YIG薄膜磁谐振元件35并不谐振，它仅仅是微带线的末端部短路，使Ty成为在图5中用A所示的弧线表示，从图6中可以清楚地看出，由于反射系数TN具有幅度，因此，不能满足由方程（5）所给出的起振相位条件，因此，也就不能产生振荡。

如果YIG薄膜磁谐振元件35放置在直流磁场内，则在频率f1和f0处产生谐振，谐振频率在f0附近，反射系数Ty所出轨迹如图6中B所示，在这时，在频率f0附近，在这时由公式（7）给出的起振幅度条件和由公式（5）给出的起振相位条件同时满足，因而起振。当振荡开始时1/TN从图6中的曲线C移动到曲线D，与此同时，方程式（4）和（5）确定了振动频率f0，使得振荡器电流在振荡频率f0上稳定地工作。

如果在此原则下，在改变外加DC磁场电压时YIG薄膜元件35的谐振频率，从f1到f2范围内变化，可以调节振荡电路在谐振频率附近的频率范围内调节。

在本实施例中，谐振器是由通过薄膜制造工艺制成的YIG薄膜磁谐振元件构成的，在这种情况下，需抑制伪响应（磁模式），更具体地而言，由单晶球制成的磁谐振元单（YIG单晶球）具有优点，静磁模式，激励困难，而单独的共谐振模式可通过均匀进动模式得到，由YIG薄膜做的磁共振元件，在另一方面具有优点，尽管它放置在作好的高频均匀磁场中，静磁模激励是因为在DC磁场内部是不均匀的，当直流磁场垂直地把施加到由铁磁材料做成的盘形试样表面时，所呈现的磁模的分析出现在文献中（应用物理学杂志，卷48，1977.7.3001-3007页），其中每一种模式用（nN）m图表表示，这（nN）图表在园周方向有n波节，在半径方面有N波节，在厚度方 向上有（m-1）波节，穿过整个试样的高频磁场的均匀性是极好的，（1，N）系列成为主要的静磁模。

图7示出了在9GHz频率下，在空腔谐振器中测试的园形YIG薄膜铁磁响应结果，其中（1，N）1静磁模式系列受强烈，当上述的微波元件例如滤波器或类似的是这个试样构成时，使用了均匀模式静磁模（1，1）1系列，在这时其它所有静磁模都将是伪响应，这样就担心会形成伪响应和模式跳变，这样就期望能提供一种能够抑制产生不需要的伪响应的磁模式但却不损坏均匀模式，以配用以铁磁材料薄膜（YIG薄膜）做成的磁响应材料，这将在以后描述。

图8给出内部直流磁场Hi的状态，当DC磁场垂直加在一块厚度为t，直径为D（半径为R）的YIG园形薄膜上时，在这种情况下，它以厚度直径比t/D是足够小，在试样厚度方向的磁场分布可忽略，由于去磁场在盘型内是大的而在其外边缘部位突然变小，使得内部直流磁场在靠近中心处是小的，而在靠近外部边缘开始突然变大，根据上述文献分析的结果，如果r/R的比值在Hi＝w/r处取为§，静磁模处于在O≤r/R≤§之间，w是静磁模谐振时的角频率，γ是旋磁化，当磁场固定时，谐振频率随着模数N增加而变大，至使静磁模式或区域逐渐延伸到图9A中所示的外部，图9B示出对应（1，N）1模三种低次模试样高频磁化分量分布，这里绝对值表示高频磁化元件的幅度标号表示了高频磁化分量的相位关系，从图9中可以清楚看出，高频磁化分量在静磁模中变得不多，如果利用这一点，就有可能抑制产生伪响应磁模的激励，而不对均匀模式产生影响。

实际上，如图10所示，环形槽53，例如可以通过选择性腐蚀工艺在YIG薄膜磁共振元件52上构成，例如，在GGG基片51形成的盘型提供了环形部分，在这种情况下，YIG薄膜磁共振元件 52在其厚度上可以做得足够小，而静磁模在这种情况下是（1，N）1模。

在（1，1）1模高频磁化分量变为O处，形成的槽53和元件52同轴，槽53可以连续的也可以间断地构成，在图11中所示的构形中，由槽53所环绕的范围可以比它的外面部分薄，在这种情况下，在紧靠着槽53的内面积，去磁场增加，因此去磁场在这个面积内将基本上均匀，换言之，如图9A虚线所示，在半径方向较宽的范围内，直流磁场基本上是均匀的。

这样可以抑制除均匀模以外其它静磁模的激励。

这样磁共振元件中槽53扼制磁化，在这种情况下，由于槽放置在（1，1）1模高频磁化分量变为O的位置，并不影响激励（1，1）1模，另一方面槽53放置的位置，对其它静磁模而言高频磁化分量并不为O，这样磁化高速部分地完成，其结果是，这些模的激励是弱的使能抑制伪响应而不破坏均匀模成为可能。

由于在YIG薄膜（见图9B）中高频磁化分量的分布完全不依赖试样饱和磁化的幅度，并同样也不大依赖厚度半径比，甚至当饱和磁化和铁磁层52的厚度是不同时，也无须改变槽53与此相应的位置。

依实验用YIG薄膜做半径1mm，厚度为20μm的YIG薄膜元件，并在上面形成深2μm，半径为0.8mm的槽53，使用微带线测试其铁磁谐振频率，图12示出插入损耗的测试结果，空载Q值是775。

在园形YIG薄膜谐振元件中（1，1）1模高频磁化分量在r/R＝0.8处为0。

进一步考虑由同样YIG薄膜制成的半径为1mm厚度为20μm（不具有槽的）YIG薄膜元件，使用微带线测试铁磁谐振。

在图13中示出当时插入损耗的测试结果，未加载的Q值是660。根据上述的比较很容易理解，依本实施例除了（1，1）l模外静磁膜可以被抑制，这样也就抑制了伪响应。

在此均匀模不受损害，未加载的Q值也不会受损。

在由YIG薄膜磁谐振元件中，其它一些结构也能抑制可能产生伪响应的静磁模激励，即铁磁薄膜，可以考虑形成它的内部区域比它的外部区域薄。下面将具体描述。当直流磁场DC施加到厚度为t，直径为D（半径为R）的YIG园形薄膜，并且垂直地作用在该薄膜表面。内DC磁场Hi可表示为Hi＝Hd（r/R）-Ha其中Hd是去磁场，Ha是各向异性的磁场。在这种情况下，厚度/直径比率t/D是足够小，试样在厚度方向的磁场分布可以忽略。厚度为20μm半径为1mm的YIG园盘去磁场的计算结果在图14中示出。由于去磁场Hd在园盘的内部是大的，而在其边缘部分突然变小，而内部直流磁场在靠近中心部分是小的，而在靠近外部边缘部分突然变大。在半径为0.8mm的同一个YIG薄膜内部区域的薄膜厚度减少1μm时，去磁场分布的计算结果如图15所示。从图15中可以看出当内部面积的厚度略微薄一点时，去磁场靠近厚度被减小的面积的边缘部分增加一点，并且去磁场的平坦区域扩大了。

依上面所述，当YIG薄膜元件的内部面积在厚度上比它的外部面积的厚度减小一些时，在内部面积的去磁场的平坦区域加宽，致使能抑制产生伪响应的静磁模。例如，如图16所示，在GGG基片51上形成由铁磁材料组成的YIG薄膜元件52。在YIG薄膜元件52的外表面上形成凹部分54，使得内部面积的厚度比外部面积的厚度 要小。而YIG薄膜52的厚度做得足够薄，使得在厚度方向上的磁场分布均匀，此时静磁模是（1，N）l模。

凹部分54一直沿伸到这样的位置，使得产生伪响应的静磁模的激励能够有效地抑制。最好选在这样的位置，在此处（1，1）l模的幅度变为0，例如当YIG薄膜元件52是形状上是园形时，凹部分54延伸到直径的0.75-0.85倍。

依实验，在厚度为20μm，半径为1mm的YIG薄膜磁谐振元件上同心形成的半径为0.75mm，深为1.7μm的园形凹部分54上使用微带线测试其铁磁谐振。图17示出插入损耗的测试结果。此时的空Q值是865。

由于磁谐振元件，例如YIG薄膜元件的谐振频率依从于元件的饱和磁化强度，谐振频率直接受到饱和磁化强度的温度特性影响。如果上述的谐振器电路使用YIG薄膜元件，谐振频率将受到，例如周围环境温度的影响而发生故障。为了避免出现这种情况，例如至少在铁轭1的磁极4和5中的一个配有一个和YIG薄膜元件52温度特征相同材料制成的软磁板。依磁板在磁隙2内磁场的依从性补偿YIG薄膜元件本身的温度依从性，使得YIG薄膜元件随温度变化特性减少了。

按照本实施例，在磁极4和5之间产生的磁通可以随着施加到线圈6电流的变化而改变，这样也就改变了振荡频率。在这样的条件下，振荡频率的最小频率fmin可以给出

fmin＝γ（NT·4πMS+HS）

γ是旋磁比，NT是去磁系数。

MS是饱和磁化强度，HS是饱和磁场。

由于YIG球的NT为NT＝1/3，而YIG薄膜设为NT＜＜1。 使用YIG薄膜调谐振荡器的变化频率低限要比用YIG球的调谐振荡器的低限要低得多。如果实加的直流磁场逐渐变化，主磁膜（110）和其它静磁膜在频率上会偶然变得相同并产生伪振荡和调谐偏差。使用本实施例的YIG薄膜调谐振荡器，当直流磁场变化时，（1，N）l模也都在频率上相同地变化，没有模相互交叉，没有造成这样的损坏。一般而言，如果在由块hulk）制造的YIG园盘板的两面没有镜面抛光，则未加载Q值不能增加。

另一方面，由薄膜形成工艺生产的YIG薄膜不要求镜面抛光。

使用薄膜形成工艺生产的YIG薄膜一方面不须要镜面一抛光，GGG基片作为调谐振荡器的基片。

近而，由于N＝1的均匀模，即YIG薄膜的静磁模的主模被作用，未加Q值因此是高的，并且SSB（单边带）噪音可以减低。再者，由于外Q值能被降低，展宽变化频率振荡区域是可能的。另外，据本实施例，使用YIG薄膜，没有上述在YIG球中的固有缺点。

图18至25分别示依本发明的调谐振荡器其它实施例。在18图至25图中元件相应的部分使用了相同的标号，并且不再详细地描述了。在图18至22中给出的实施例中，调谐振荡器电路使用双极型晶体管37作为有源元件。在图23到25示出的实施例中，调谐振荡器电路使用二端元件例如甘氏二极管，雪崩二极管或类似的器件作为有源元件。

图18示出图5的改进例子，其中偶和带线33通过特性阻抗Z。接地，在图18的调谐振荡器电中，当YIG薄膜磁谐振元件35不谐振时，γy＝O即γy为史密斯园图的中心，这样启动振荡的幅度条件并不成立。这样寄生振荡的可能性是非常小的。

图19示出调谐振荡器的实例，其中YIG薄膜磁谐振元件35 多层状形成在两偶合微带线33和33a之间，晶体管37的发射极通过微带线33接地，而晶体管37的基极通过带线33a接地。在图19的例中，YIG薄膜磁谐振元件35作为带通滤波器确定在不作为输出回路的反馈电路中，其中当YIG薄膜磁谐振元件35谐振时，加正反馈，确立｜γN｜＞1的条件。

特别是连接到基极和发射极带线中的一个特性阻抗ZO端接时，寄生振荡的可能性就变小了。

图20示出调谐振荡器电路实例，其中晶体管37发射极通过电抗X1接地，晶体管37基极通过电抗电路X3接地，晶体管37集电极通过YIG磁谐振元件35的微带线耦合的串联，阻抗区配电路38和负载45接地。这时YIG薄膜磁谐振元件作为带阻滤波器放置在输出端。在YIG谐振频率时信号一部分反馈到负阻电路，这样的调谐振荡器以自注入阻塞型振荡器工作。

图21示出一调谐振荡器实例，其中YIG薄膜磁谐振元件35片夹在微带耦合线33和33a之间，晶体管37的集电极通过微带线33a接地，输入端阻抗匹配电路38通过微带线33接地，而电路的其它部分类似图20的实例。这时，YIG薄膜磁谐振元件作为带通滤波器放置在输出端，如果YIG薄膜磁谐振元件不谐振，负载45短路，振荡的相位条件不成立。而当YIG薄膜磁谐振元件谐振时，负载45和阻抗匹配电路38可视为通过该YIG薄膜磁元件35，这样就满足了振荡条件。

图22示出调谐振荡器电路一实例，其中图5的调谐振荡器电路构成并联反馈振荡器。在图20和21中的调谐振荡器实例均能形成相应的并联反馈振荡器电路。

图23示出一调谐振荡器电路，其中YIG薄膜磁谐振元件35 微带耦合线33的一端通过两端有源元件37a接地，而微带线33的另一端通过阻匹配电路38和负载45的串联电路接地，相应从A端看进去γN和γr，建立了前述的振荡条件。这时，YIG薄膜磁谐振元件35作为带阻滤波器放置在输出带，在YIG谐振频率时信号的一部分反馈到两端有源元件37a，使这个调谐振荡器电路工作在所谓的自注入阻塞型振荡器下。

图24示出一调谐振荡器实例，其中YIG薄膜磁振元件35的微带耦合线33的一端接地，而这微带线的另一端通过2端有源元件37a接地和通过阻抗匹配电路38和负载45的串联电路接地。在图24中，在图4中的负阻电路43是2端有源元件37a。

图25示出一调谐振荡器实例，其中YIG薄膜磁振元件35是片夹在两个微带耦合线33和33a之间，两端有源元件37a一端接地，而另一端通过微带线33a接地，在阻抗匹配电路38的输入端通过微带线33接地，其它部分和图23相似。在这种情况下，YIG薄膜磁谐振元件作为带通滤波器放置在输出端，如果YIG薄膜磁谐振元件35不谐振，则负载45短路，因此振荡的相位条件不成立。如果YIG薄膜磁谐振元件35谐振了，则负载45和阻抗匹配电路38可视为通过YIG薄膜磁谐振元件35，这样建立了振荡条件。

利用本发明的振荡器电路并不局限上述的实施例，其它的振荡器电路当然也可以用在本发明上。在上述的实施例中，双极型晶体管作为三端有源元件使用，无须说场效应有源晶体管也可以作为三端有源元件使用。进而，也不需说本发明并不局限在上述的实施例而能包括不超出本发明范围的各种改型和变化。

发明的效果

依本发明，由于通过所谓的薄膜形成工艺、谐如液相外延生长技术，喷溅，化学液相生长工艺等形成YIG薄膜磁谐振元件被使用作为共振器，能充分有效利用YIG，并且球易损坏的缺点得到改进。

简洁描述插图

图1是依本发明调谐振荡器实施例的断面图;

图2是振荡器电路实际结构的平面图;

图3是沿图2线A-A的剖面图;

图4是阐述振荡电路的方框图;

图5是振荡器电路例方柜图;

图6是简述振荡原理的史密斯园图;

图7、8、9、12、13、14、15和17是分别简述本发明的图表;

图10、16是简述YIG薄膜磁振荡元件的方体图;

图11是图10的断面图;

图18至25是依本发明的各种振荡电路的实施例。

标号1表示铁轭，2表示空气隙，3表示振荡电路基片，4和5分别表示磁极，6表示线圈，33是微带线，35是YIG薄膜磁共振元件，37是晶体管，38是阻抗匹配电路。

工业应用范围