JP4476941B2 - 注入同期発振器 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波またはミリ波帯の無線通信システム、レーダシステムまたは光通信システムの送受信装置に用いられる注入同期発振器に関するものである。

従来のサブハーモニック注入同期発振器においては、注入端子から注入された基準信号の高調波を同期させる構成になっている（例えば、非特許文献１参照）。

「第２高調波出力発振器のサブハーモニック注入同期発振器」 ２００３年 電子情報通信学会、Ｃ−２−１６、Ｐ．４８

従来のサブハーモニック注入同期発振器は、注入される基準信号の高調波に対して同期を確立するために、発振素子として動作するトランジスタで生成される高調波のレベルを高める必要があり、そのため、高いレベルの基準信号が必要となるという問題があった。

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、同期確立可能な注入電力を低減することができる注入同期発振器を得ることを目的とするものである。

この発明に係る注入同期発振器は、（１／ｎ）ｆ_０（ｎは２以上の整数、ｆ_０は所定の周波数）の基準信号が注入される注入端に接続された周波数ｆ_０の共振回路と、周波数ｆ_０近傍で負性抵抗を有するようにソース端とグランドとの間に線路が接続され、ゲート端に前記共振回路を介して前記基準信号が注入され、注入された基準信号の高調波及びその高調波に同期した発振波を生成する発振素子と、前記発振素子のドレイン端と出力周波数がｆ_０またはｆ_０の高調波の信号を出力する出力端との間に設けられて前記発振素子からの出力を前記発振素子に帰還する帰還回路とを備えた注入同期発振器において、前記発振素子のソース端に（１／ｎ）ｆ_０で短絡点となるインピーダンス回路を接続したことを特徴とする。

この発明によれば、（１／ｎ）ｆ_０で短絡点となるインピーダンス回路を接続することにより、基準信号として注入するサブハーモニック波から高調波へ変換される効率を高めることができ、発振器が同期を確立するのに必要なサブハーモニック波の入力レベルを低減することが可能である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る注入同期発振器を示す回路図である。図１に示される注入同期発振器は、所望の発振周波数ｆ_０の１／ｎ（ｎは２以上の整数）の周波数である基準信号を注入する注入端子１に接続され、長さが発振周波数で１／４波長の先端開放スタブ２と、先端開放スタブ２と共に周波数ｆ_０の共振回路を構成するもので、先端開放スタブ２に接続され、発振周波数において発振条件を満足させるよう信号の位相を調整する伝送線路３と、この伝送線路３を介して先端開放スタブ２と接続され、注入された基準信号の高調波およびその高調波に同期した発振波を生成する発振素子４と、発振素子４からの出力を発振素子４に帰還させる帰還回路であり、図示しない負荷に対し出力信号として発振波を出力する出力端子６に並列に接続され、長さが発振周波数で１／４波長の先端開放スタブ５とを備えている。

ここで、発振素子４は、ゲート端子が伝送線路３を介して先端開放スタブ２と接続された能動素子として使用される電界効果トランジスタ４ａと、電界効果トランジスタ４ａが発振素子として機能するために設けられ、電界効果トランジスタ４ａのソース端子とグランド間に接続され、概ね発振周波数で１／４波長の長さを有するマイクロストリップ線路４ｂと、マイクロストリップ線路４ｂと並列に接続され、注入された基準信号の周波数で１／４波長の長さを有する先端開放スタブ４ｃとから構成されている。

次に、このように構成された注入同期発振器の発振動作を、周波数が発振周波数の１／２である１／２サブハーモニック波を基準信号として注入した場合について説明する。
注入端子１から注入された１／２サブハーモニック波は、伝送線路３を介して電界効果トランジスタ４ａのゲート端子に入力される。電界効果トランジスタ４ａは、この入力された基準信号の第２高調波を生成しドレイン端子から出力する。

この出力された第２高調波の一部は、先端開放スタブ５により反射され、電界効果トランジスタ４ａのドレイン端子に帰還される。電界効果トランジスタ４ａのソース端子にはマイクロストリップ線路４ｂが接続されているため、この帰還された高調波はドレイン−ゲート間を通過し、先端開放スタブ２に伝達される。先端開放スタブ２は、第２高調波の周波数で１／４波長の長さのため短絡点として機能するので、第２高調波の殆どは反射される。

先端開放スタブ２で反射された第２高調波は、伝送線路３により位相が調整され、再び電界効果トランジスタ４ａのゲート端子に入力される。この高調波は、電界効果トランジスタ４ａにより増幅された後ドレイン端子から出力され、その一部は先端開放スタブ５により再びドレイン端子に帰還され、残りは出力端子６より出力される。

以上のように、電界効果トランジスタ４ａは、注入された基準信号の第２高調波を繰り返し増幅することにより、前記第２高調波に同期した発振波を発振し、その一部を出力端子６から出力することになる。

次に、電界効果トランジスタ４ａのソース端子にマイクロストリップ線路４ｂと並列接続する先端開放スタブ４ｃの効果について説明する。図２に、電界効果トランジスタ４ａの等価回路を示す。図２に示す等価回路において、７はゲート・ソース間容量であり、入力電圧はＶｇｓとしてこの部分に印加される。８は等価的な電圧制御電流源であり、前述の入力電圧Ｖｇｓに比例したｇｍ・Ｖｇｓの電流を流す。９はトランジスタのソース端に接続された電気長Ｌをもつ線路である。

前述の注入する１／２サブハーモニック波の電力は、図２の入力電力Ｖｇｓに対応するものであり、ソース端子に電気長Ｌをもつ線路９が挿入されていると、入力された電力は、ゲート・ソース間容量７と電気長Ｌをもつ線路９に等価的なリアクタンス成分とで分圧されるため、ゲート・ソース間容量７に係る電圧Ｖｇｓは小さくなる。さらに、電界効果トランジスタ４ａで非線形性により、１／２サブハーモニック波から第２高調波に変換される効率は、電圧Ｖｇｓに比例する。このため、１／２サブハーモニック波１／２ｆ_０から第２高調波ｆ_０への変換効率を示す図３に示されるように、電気長Ｌが０でソース端子が短絡点の時に効率が最も高くなり、電気長Ｌが４分の１波長でソース端子が開放端の時効率が最も低くなる。

発振素子が発振周波数で負性抵抗をもつためには、ソース端子に接続されたマイクロストリップ線路４ｂが概ね１／４波長であることが必要であり、このため、注入する１／２サブハーモニック波の周波数でもソース端子にある電気長の線路が挿入された状態である。これは、図２に示す線路９がある電気長さＬを有することを意味し、図３でのａ点に対応する。そこで、電界効果トランジスタ４ａのソース端子に、注入する１／２サブハーモニック波の周波数で１／４波長となる先端開放スタブ４ｃを並列接続することで、注入するサブハーモニック波の周波数でソース端が短絡点となり、電界効果トランジスタ４ａの非線形性により、第２高調波に変換される効率が最も高くなる。これは、図３でａ点をｂ点に移動させることに対応する。

以上のように、実施の形態１に係る注入同期発振器は、発振素子４の電界効果トランジスタ４ａのソース端子に注入サブハーモニック波の周波数で１／４波長となる先端開放スタブ４ｃを並列接続することで、電界効果トランジスタ４ａの非線形性で注入サブハーモニック波が第２高調波に変換される効率を高め、高調波に対して同期を確立するのに必要な注入端子１からの基準信号のレベルを低減できる効果を奏する。

また、先端開放スタブ５を長さが発振周波数で１／４波長の先端開放スタブにしても良い。このように構成された注入同期発振器においては、発振素子４で生成された発振波の殆どが発振素子４へ帰還され、先端開放スタブ２を経由して再び発振素子４へ伝達される。帰還される発振波の電力が大きくなるため、発振素子４はこの発振波の増幅波および高調波を生成し出力する。生成された増幅波と高調波のうち、増幅波の殆どは帰還回路５の作用により発振素子４に帰還され、高調波は出力端子６から負荷へと出力される。従って、注入端子１に基準信号を注入することにより、発振波の高調波と同周波数の信号を得ることができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る注入同期発振器を示す回路図である。図４において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図４に示す実施の形態２に係る注入同期発振器の構成が、図１に示す実施の形態１と異なる点は、先端開放スタブ４ｃの代わりに、集中定数素子のインダクタ及びキャパシタで構成した、注入する１／２サブハーモニックで共振する直列共振回路４ｄを設けた点である。このように構成された注入同期発振器においても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る注入同期発振器を示す回路図である。図５において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図５に示す実施の形態３に係る注入同期発振器の構成が、図１に示す実施の形態１と異なる点は、帰還回路となる先端開放スタブ５と出力端子６との間に、注入する１／２サブハーモニック波の反射回路１０と、マイクロストリップ線路１１とを設けた点である。

すなわち、この実施の形態３は、実施の形態１および実施の形態２において、先端開放スタブ５と出力端子６との間に、注入する１／２サブハーモニック波の周波数は反射させ、発振周波数およびその第２高調子波の出力は通過させる反射回路を追加した構成である。反射回路１０の具体的な回路としては、バンドパスフィルタまたはハイパスフィルタ、注入基準信号の周波数で１／４波長先端開放スタブなどが考えられる。

次に動作について説明する。注入端子１から注入された１／２サブハーモニック波は、一部は電界効果トランジスタ４ａの非線形性により、入力された１／２サブハーモニック波の高調波を生成されるが、一部は電界効果トランジスタ４ａを通過して１／２サブハーモニック波反射回路１０で反射され、電界効果トランジスタ４ａのドレイン端子に戻り、さらにその一部は電界効果トランジスタ４ａを通過して、ゲート端子側に到達する。この時、注入端子１から注入され電界効果トランジスタ４ａのゲート側に到達した１／２サブハーモニック波と同相で合成されるように、マイクロストリップ線路１１が設定されていると、電界効果トランジスタ４ａの非線形性により、入力された１／２サブハーモニック波から第２高調波への変換効率が最も高くなる。

以上のように、この実施の形態３に係る注入同期発振器は、発振素子の出力に注入基準信号の反射回路を追加することで、基準信号からその第２高調波への変換効率を高め、高調波に対して同期を確立するのに必要な注入端子１からの基準信号のレベルを低減できる効果を奏する。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４に係る注入同期発振器を示す回路図である。図６において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図６に示す実施の形態４に係る注入同期発振器の構成が、図１に示す実施の形態１と異なる点は、電界効果トランジスタ４ａのソース端子とマイクロストリップ線路４ｂとの間に抵抗素子４ｅを追加した点である。

上述した実施の形態１から実施の形態３において、電界効果トランジスタ４ａのソース端子に並列接続した２つの線路、マイクロストリップ線路４ｂおよび先端開放スタブ４ｃ、または、マイクロストリップ線路４ｂおよび直列共振回路４ｄは並列接続されているために、特定の周波数で並列共振を起こして開放端となり、所望の発振帯域外で発振する可能性がある。

そこで、この実施の形態４では、マイクロストリップ線路４ｂと電界効果トランジスタ４ａのソース端子の間に抵抗素子４ｅを追加する。マイクロストリップ線路４ｂは、電界効果トランジスタ４ａが発振素子として機能するためのものであるが、発振周波数近傍ではほぼ開放端となっており、その先端に抵抗素子４ｅを追加しても影響しない。また、先端開放スタブ４ｃについても注入する１／２サブハーモニック波の周波数では短絡点となっているため、抵抗素子４ｅの影響はない。線路が並列共振する周波数において、この抵抗素子４ｅを追加することで、回路に損失を持たせ、不要な発振を抑制することができる。

実施の形態５．
上述した実施の形態１から実施の形態４においては、発振素子として電界効果トランジスタ２ａを用いたが、これに代わり、バイポーラトランジスタを用いた構成にしても良い。この場合、電界効果トランジスタのゲート端子、ドレイン端子、ソース端子はそれぞれバイポーラトランジスタのベース端子、コレクタ端子、エミッタ端子に置き換えることにより、同様の効果が得られる。

この発明の実施の形態１に係る注入同期発振器を示す回路図ある。 図１に示す電界効果トランジスタの等価回路図である。 図１に示す電界効果トランジスタの非線形性により、注入信号から２倍高調波への変換効率を示したグラフである。 この発明の実施の形態２に係る注入同期発振器を示す回路図であり、ソース端子に負性抵抗を得るためのショートスタブと並列接続されるインピーダンス回路として直列共振回路を用いた注入同期発振器の回路図である。 この発明の実施の形態３に係る注入同期発振器を示す回路図であり、発振器の後段に注入基準波信号の反射回路を追加した注入同期発振器の回路図である。 この発明の実施の形態４に係る注入同期発振器を示す回路図であり、ソース端子に負性抵抗を得るため接続されたショートスタブの先端に抵抗素子を追加した注入同期発振器の回路図である。

符号の説明

１ 注入端子、２ 発振周波数で１／４波長の先端開放スタブ、３ 伝送線路、４ 発振素子、４ａ 電界効果トランジスタ、４ｂ マイクロストリップ線路、４ｃ 注入した基準信号の周波数で１／４波長の先端開放スタブ、４ｄ キャパシタとインダクタの直列共振回路、４ｅ 抵抗素子、５ 発振周波数で１／４波長の先端開放スタブ、６ 出力端子、７ ゲート−ソース間容量、８ 電圧制御電流源、９ 電気長Ｌをもつ線路、１０ 注入信号反射回路、１１ マイクロストリップ線路。

Claims (6)

1. （１／ｎ）ｆ_０（ｎは２以上の整数、ｆ_０は所定の周波数）の基準信号が注入される注入端に接続された周波数ｆ_０の共振回路と、
   周波数ｆ_０近傍で負性抵抗を有するようにソース端とグランドとの間に線路が接続され、ゲート端に前記共振回路を介して前記基準信号が注入され、注入された基準信号の高調波及びその高調波に同期した発振波を生成する発振素子と、
   前記発振素子のドレイン端と出力周波数がｆ_０またはｆ_０の高調波の信号を出力する出力端との間に設けられて前記発振素子からの出力を前記発振素子に帰還させる帰還回路と
   を備えた注入同期発振器において、
   前記発振素子のソース端に（１／ｎ）ｆ_０で短絡点となるインピーダンス回路を接続した
   ことを特徴とする注入同期発振器。
2. 請求項１に記載の注入同期発振器において、
   前記インピーダンス回路は、（１／ｎ）ｆ_０の１／４波長の先端開放スタブでなる
   ことを特徴とする注入同期発振器。
3. 請求項１に記載の注入同期発振器において、
   前記インピーダンス回路は、集中定数素子のインダクタ及びキャパシタで構成され、（１／ｎ）ｆ_０で共振する直列共振回路でなる
   ことを特徴とする注入同期発振器。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の注入同期発振器において、
   前記帰還回路と前記出力端との間に、(１／ｎ）ｆ_０の基準信号を反射する反射回路をさらに設けた
   ことを特徴とする注入同期発振器。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の注入同期発振器において、
   前記発振素子のソース端とグランドとの間に接続された線路のソース端側に抵抗素子を挿入した
   ことを特徴とする注入同期発振器。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の注入同期発振器において、
   前記発振素子として、電界効果トランジスタまたはバイポーラトランジスタのいずれかを用いた
   ことを特徴とする注入同期発振器。

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