□ H15年12月期 A-07  Code:[HC0102] : マイクロ波を直接発振する素子の名称
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2022年
05/14 04月期問題頁掲載
01/11 12月期問題頁掲載
2021年
10/17 09月期問題頁掲載
H1512A07 Counter
無線工学 > 1アマ > H15年12月期 > A-07
A-07 次に挙げる発振器のうち、マイクロ波を直接発生するものとして、誤っているものを下の番号から選べ。
インパットダイオード発振器
ガンダイオード発振器
反射形クライストロン発振器
水晶発振器
マグネトロン発振器

 この問題はマイクロ波素子の問題です。正答が選べなくても、マイクロ波で使えることが確実に分かれば、答えは出ます。

[1]マイクロ波帯素子のいろいろ

 マイクロ波を発生・増幅させるデバイスはいろいろありますが、そのうちよく出てくる6つの特徴をまとめてみました。

デバイス 特徴
エサキ(トンネル)
ダイオード
不純物濃度を極めて高くしたPN接合ダイオードで、順バイアスをかけたときに負性抵抗を示す。電圧が上がろうすると、抵抗が増えて電流が減り、電圧が下がろうとすると抵抗が減って電流が増える、という振動がマイクロ波周波数で起こるので、これを発振源として利用する。
ガンダイオード
主に用いられているのがN形GaAsを用いたガンダイオード。負性抵抗を示すガン(Gunn)効果で数 [GHz]のマイクロ波を数100 [mW]のオーダーで発生させることができる。発信周波数は、主にGaAs基板の厚さで決まる。よく見かける例では、野球のスピードガン、速度取締り用レーダー等。
インパット
ダイオード
インパットはIMPATTと書く。ダイオードに高い逆電圧を掛けておき、電子雪崩(アバランシェ)現象を起こしておく。そこにある周波数の高周波を印加した時に、負性抵抗特性が出現することを利用して、発振器を構成する。数100 [mW]〜数 [W]の大電力が得られる。
ガリウム砒素
トランジスタ
シリコンではなく、3-5族の化合物半導体である砒(ひ)化ガリウム(GaAs:通称「ガリ砒素」)を用いたトランジスタ。トランジション周波数が数十[GHz]程度までの高速動作が可能。また、高温に強く低雑音なので、ハイパワーデバイスや高周波増幅段としても利用される。衛星放送受信の高周波段等はほとんどこれ。
クライストロン管
電子管(真空管)の一種。カソードから出た電子が、電界で加速されるが、負電圧のかかった反射電極(リペラー)で跳ね返えされ、後から進んできた電子と相互作用して、電子密度の濃淡ができる(集群作用)。この周波数がマイクロ波領域であるため、発振回路として動作する。応用例はレーダー等。
マグネトロン管
これも真空管の一種。円周上に多数の穴が開いた陽極を、穴に垂直で一様な磁場中に置く。中央の線状の陰極から電子を放射させると、円形の穴が空洞共振器として動作し、マイクロ波が発生する。大電力(〜数 [kW])を得ることができる。身近な応用例は、電子レンジ。

 上記の表の中で、下2つは真空管です。特殊な用途なので出ていませんが、マイクロ波の増幅には「進行波管」という真空管も用いられます。大出力が得られますが、最近ではデバイスの進歩とともに、固体素子化の流れがマイクロ波領域にも及んでいます。
 軍用や航空機用のレーダー等、大出力を高信頼性で得ようという用途には、まだここに挙げたような真空管が用いられているようです(詳しく調べたわけではないので、ウソかも知れません)が、アマチュア用の送受信機ではまずこの手の真空管は使いません。

それでは、解答に移ります。
 …インパットダイオードは直接マイクロ波を発振可能で正しい記述です
 …ガンダイオードは直接マイクロ波を発振可能で正しい記述です
 …クライストロン管は直接マイクロ波を発振可能で正しい記述です
 …水晶はマイクロ波帯では振動しませんので誤った記述です
 …マグネトロン管は直接マイクロ波を発振可能で正しい記述です
となりますから、正解(誤った記述)はと分かります。

 問題文の「マイクロ波を直接発生することができない発振器」という言葉に注意して下さい。水晶でも逓倍段を何段も通したり、周波数混合をすればGHzになりますから、そういうことはここでは考えずに、という意味です。
 水晶では、周波数の上限は、オーバートーンでも300 [MHz]は出ないと思います。水晶の発振は、「(水晶という)物が物理的に振動する」ことで起こるので、マイクロ波のような高い周波数の振動は起こりにくいからです。