JP4884322B2 - High frequency oscillation source - Google Patents
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Description
この発明は、例えばマイクロ波帯やミリ波帯の高周波信号を発振する低位相雑音の高周波発振源に関するものである。 The present invention relates to a low-phase noise high-frequency oscillation source that oscillates a high-frequency signal in, for example, a microwave band or a millimeter wave band.
従来の高周波発振源として、信号源の出力波が等分配され、分配された一方がディレイラインで一定の遅延時間を与えられ、さらに移相器を通過した後、これら等分配された2波が再び周波数変換器でミキシングされることで、低位相雑音発信源を実現する高周波発振源があった(例えば下記特許文献1参照)。
As a conventional high-frequency oscillation source, the output wave of the signal source is equally distributed, one of the distributed waves is given a fixed delay time by a delay line, and after passing through the phase shifter, these two equally distributed waves are There is a high-frequency oscillation source that realizes a low phase noise source by mixing again with a frequency converter (see, for example,
動作原理は、分配された2信号のうち、ディレイラインで遅延された信号は移相器で位相を変化させられる。移相器で変化させられた信号はミクサで元の信号とミキシングされ、出力される。このとき、元の信号と移相器で出力された信号の位相が、同位相となるように移相器の位相変化量を決定する。これにより、遅延時間の整数倍の周期を持つ周波数の位相ノイズ成分が相殺される。 The principle of operation is that the phase of a signal delayed by a delay line among the two distributed signals is changed by a phase shifter. The signal changed by the phase shifter is mixed with the original signal by the mixer and output. At this time, the phase shift amount of the phase shifter is determined so that the phases of the original signal and the signal output from the phase shifter are the same. Thereby, the phase noise component of the frequency having a cycle that is an integral multiple of the delay time is canceled.
従来の高周波発振源では、遅延時間の整数倍の周期を持つ周波数の位相ノイズ成分が相殺されることから、信号の周波数近傍の位相雑音を低減したい場合には、非常に長いディレイラインが必要となる。このため回路のサイズが非常に大きくなるという課題があった。 The conventional high-frequency oscillation source cancels out the phase noise component with a frequency that is an integral multiple of the delay time. Therefore, if you want to reduce the phase noise near the signal frequency, you need a very long delay line. Become. For this reason, there has been a problem that the size of the circuit becomes very large.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、長いディレイラインを用いることなく、信号波の位相雑音を低減することができる高周波発振源を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a high-frequency oscillation source capable of reducing the phase noise of a signal wave without using a long delay line.
この発明は、周波数変換器と、中心周波数2f 0 の帯域通過フィルタと、2分周器とを直列接続したものを1段の基本構成として、前記基本構成を(N−1)段(N:2以上の整数)直列接続し、前記第1段目の周波数変換器における第1の入力端子及び前記第1段目から第(N−1)段目の周波数変換器における第2の入力端子に接続されてそれぞれに設けられた発振周波数f0の発振器を備えたことを特徴とする高周波発振源、等である。 In the present invention, a frequency converter, a band-pass filter having a center frequency of 2f 0 , and a frequency divider of 2 are connected in series, and the basic configuration is defined as (N-1) stages (N: Two or more integers) connected in series to the first input terminal of the first stage frequency converter and the second input terminal of the first to (N-1) th stage frequency converter. A high-frequency oscillation source characterized by including an oscillator having an oscillation frequency f 0 connected to each other.
この発明によれば、発振器と周波数変換器と分周器とを多段に接続したことで、その段数に応じて、発振器単体の場合と比べて、出力波の低位相雑音化を図ることができるという効果を奏する。 According to the present invention, since the oscillator, the frequency converter, and the frequency divider are connected in multiple stages, the phase of the output wave can be reduced according to the number of stages as compared with the case of the oscillator alone. There is an effect.
以下この発明を、各実施の形態に従って説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による高周波発振源の構成を示すブロック図である。図1に示すように、実施の形態1による高周波発振源は、周波数変換器2と帯域通過フィルタ3と2分周器4と、周波数変換器2の第2の入力端子に接続された(第1の)発振器1とを1ユニットとして、該ユニットを複数段接続し、1ユニット目の周波数変換器2における第1の入力端子にも(第2の)発振器1aを接続した構成を有する。なお、直列接続された周波数変換器2、帯域通過フィルタ3、2分周器4が基本構成を構成する。
Hereinafter, the present invention will be described according to each embodiment.
1 is a block diagram showing a configuration of a high-frequency oscillation source according to
ここでは、周波数変換器2と帯域通過フィルタ3と2分周器4と、周波数変換器の第2の入力端子に接続された発振器1とで構成されるユニットを(N−1)(Nは2以上の整数)段接続し、1ユニット目の周波数変換器2における第1の入力端子にも発振器1aを接続する。発振器1,1aの位相雑音はすべて同程度を想定している。帯域通過フィルタ3は、チップキャパシタ及びチップインダクタによるフィルタや、パターン線路によるフィルタ等からなる。
Here, a unit composed of the
次に動作について説明する。発振器1aから出力される周波数f0のマイクロ波は、最初の周波数変換器2で、別の発振器1からの出力波とミキシングされ、周波数2f0の出力波として、帯域通過フィルタ3に入力される。帯域通過フィルタ3では周波数2f0の成分のみが濾波され通過し、2分周器4に入力される。2分周器4では、入力されたマイクロ波は周波数が半分のf0となり次段の周波数変換器2に入力される。
Next, the operation will be described. The microwave with the frequency f 0 output from the
ここで、上記1段あたりの動作において、位相雑音低減の効果について説明する。発振器1における、ある離調周波数での雑音電圧密度をV n [V/Hz]、これに対応する位相雑音をPN[dBc/Hz]とする。周波数変換器2では、位相雑音はインコヒーレントに加算されるため電力加算となり、周波数2f0の出力波の位相雑音は(PN+3)[dBc/Hz]となる。この出力波が2分周器4で分周される時は、コヒーレント動作であり電圧加算となり、位相雑音は6dB低減し(PN‐3)[dBc/Hz]となる。結果として、元の発振器1の位相雑音と比較して位相雑音が3dB低減する。
Here, the effect of phase noise reduction in the operation per stage will be described. The noise voltage density at a certain detuning frequency in the
雑音電圧密度V n を用いて、ミキシング及び分周後の雑音電圧密度Vと、位相雑音の低減分△PNを表すと次式となる。 Using the noise voltage density V n , the noise voltage density V after mixing and frequency division and the phase noise reduction ΔPN are expressed as follows.
V={√(Vn 2+Vn 2)}/2 (1)
ΔPN=20・log(V/Vn) (2)
V = {√ (V n 2 + V n 2 )} / 2 (1)
ΔPN = 20 · log (V / V n ) (2)
次段では、位相雑音が(PN―3)[dBc/Hz]及びPN[dBc/Hz]のマイクロ波のミキシングの出力を2分周するので、分周後の位相雑音はさらに低減する。上述の動作を各段で繰り返すことにより、第k段目の2分周器4における出力波の雑音電圧密度Vk及び位相雑音の低減分ΔPNは次式となる。
In the next stage, the output of the microwave mixing with the phase noise of (PN-3) [dBc / Hz] and PN [dBc / Hz] is divided by 2, so that the phase noise after the frequency division is further reduced. By repeating the above operations at each stage, reducing component ΔPN output wave of the noise voltage density V k and phase noise in the two
Vk={√(Vk−1 2+Vn 2)}/2 (3)
ΔPN=20・log(Vk/Vn) (4)
V k = {√ (V k−1 2 + V n 2 )} / 2 (3)
ΔPN = 20 · log (V k / V n ) (4)
ただし、式(3)において、k=1の時Vk−1=V0=Vnである。式(3)(4)より、出力波の位相雑音は、発振器1aの位相雑音より約4.77dB低減した値に漸近する。
However, in the equation (3), when k = 1, V k−1 = V 0 = V n . From the equations (3) and (4), the phase noise of the output wave gradually approaches a value reduced by about 4.77 dB from the phase noise of the
図2に、発振器1の個数Nと位相雑音低減の効果の関係を表す。
FIG. 2 shows the relationship between the number N of the
以上のように、この実施の形態1によれば、周波数変換器2と帯域通過フィルタ3と2分周器4と、周波数変換器2の第2の入力端子に接続された発振器1とを1ユニットとして、該ユニットを複数段接続し、1ユニット目の周波数変換器2における第1の入力端子にも発振器1aが接続した構成とすることで、各段の周波数変換器2において位相雑音PNが電力加算される一方、分周動作は電圧加算であるため、元の発振器1aより位相雑音を低減した周波数f0の出力波が得られ、高周波信号源の低位相雑音化を図ることができる。また、最終段の2分周器4を通さずに出力波を取り出すことで、位相雑音を低減した周波数2f0の出力波を得ることもできる。
As described above, according to the first embodiment, the
実施の形態2.
図3は、この発明の実施の形態2による高周波発振源の構成を示すブロック図である。図3において、図1と同一又はそれに相当する構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。図3に示すように、実施の形態2による高周波発振源では、上記実施の形態1で各段に配置されていた2分周器4がなく、最終段の帯域通過フィルタ3の出力にN分周器5を接続している。なお、直列接続された周波数変換器2と帯域通過フィルタ3が基本構成を構成する。
3 is a block diagram showing a configuration of a high-frequency oscillation source according to
次に動作について説明する。発振器1aから出力される周波数f0のマイクロ波は、最初の周波数変換器2で、別のマイクロ波の発振器1からの出力波とミキシングされ、周波数2f0の出力波となり、帯域通過フィルタ3を通過して、次段の周波数変換器2に入力される。次段の周波数変換器2でも、別のマイクロ波の発振器1からの出力とミキシングされ周波数3f0の出力となる。これを(N−1)段、繰り返すことで出力波の周波数はN・f0となる。この時の位相雑音は、各段の発振器1の位相雑音がインコヒーレントに加算されるため電力加算となり、(PN+10LogN)[dBc/Hz]となる。雑音電圧密度VNを用いると、m個の発振器1の多段接続による出力波の雑音電圧密度Vm及び位相雑音の低減分ΔPNは次式となる。
Next, the operation will be described. The microwave having the frequency f 0 output from the
Vm={√(m・Vn 2)}/m (5)
ΔPN=20・log(Vm/Vn) (6)
V m = {√ (m · V n 2 )} / m (5)
ΔPN = 20 · log (V m / V n ) (6)
図4に、発振器1の個数Nと位相雑音低減の効果の関係を表す。
FIG. 4 shows the relationship between the number N of the
以上のように、この実施の形態2によれば、周波数変換器2と帯域通過フィルタ3と、周波数変換器2の第2の入力端子に接続された発振器1とを1ユニットとして、該ユニットを複数段接続し、1ユニット目の周波数変換器2における第1の入力端子にも発振器1aが接続され、N−1ユニット目の帯域通過フィルタ3における出力端子にN分周器5を接続した構成とすることで、各段の周波数変換器2において位相雑音PNが電力加算される一方、最終段のN分周では電圧加算であるため、元の発振器1aより位相雑音を低減した周波数f0の出力波が得られ、高周波信号源の低位相雑音化を図ることができる。
As described above, according to the second embodiment, the
また、最終段のN分周器を通さずに出力波を取り出すことで、位相雑音を低減した周波数N・f0の出力波を得ることもできる。さらに、最終段のN分周器の分周数を変えることで、周波数(N/M)・f0(M:整数)の出力波を得ることもできる。 In addition, an output wave having a frequency N · f 0 with reduced phase noise can be obtained by taking out the output wave without passing through the final N divider. Furthermore, an output wave having a frequency (N / M) · f 0 (M: integer) can be obtained by changing the frequency dividing number of the N frequency divider in the final stage.
実施の形態3.
図5は、この発明の実施の形態3による高周波発振源の構成を示すブロック図である。図5において、図3と同一又はそれに相当する構成要素には同一符号を付しており、その説明を省略する。図5に示すように、実施の形態3では実施の形態2による高周波発振源において、最終段(最終ユニット)の発振器1を電圧制御発振器6aに置き換え、位相比較器6bと、基準信号源6cと、低域通過フィルタ6dとを組合せて、位相同期発振器6とした構成である。電圧制御発振器6aは、共振回路に可変リアクタンス素子を用いており、外部から制御端子に印加される制御電圧によって、自励発振周波数を可変できる発振器である。可変リアクタンス素子は、バラクタダイオードを用いた可変容量素子等からなる。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a high-frequency oscillation source according to
各段の発振器1をPLL(フェーズ・ロック・ループ)などの周波数安定度を高める構成としていない場合、実施の形態2の構成では、最終段の出力波の周波数安定度は低い。位相同期発振器6を備えることで、周波数安定度が高くなり、また、キャリア近傍の位相雑音を基準信号源6cと同じレベルまで低減することができる。基準信号源6cには水晶発振器など周波数安定度が非常に優れた素子を使用することができるため、位相同期発振器6の周波数安定度を非常に高くすることができる。
When the
実施の形態4.
図6は、この発明の実施の形態4による高周波発振源の構成を示すブロック図である。図6に示すように、実施の形態4による高周波発振源は、上記実施の形態1から3までの構成と異なり、発振器1と周波数変換器2と帯域通過フィルタ3とで構成されるユニットを多段にせず、1段で構成する。ただし、ユニット内の発振器の代わりに、注入同期発振器7を使用し、該注入同期発振器7の入力端子と2分周器4の出力とを接続する。
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a high-frequency oscillation source according to
次に動作について説明する。注入同期発振器7から出力される周波数f0のマイクロ波は、周波数変換器2でマイクロ波の発振器1からの出力波とミキシングされ、周波数2f0の出力波となり、帯域通過フィルタ3を通過して、2分周器4に入力される。2分周器4では、入力されたマイクロ波は周波数が半分のf0となる。
Next, the operation will be described. The microwave with the frequency f 0 output from the injection locked
このとき、周波数変換器2では、位相雑音はインコヒーレントに加算されるため電力加算となり、周波数2f0の出力波の位相雑音は(PN+3)[dBc/Hz]となる。この出力波が2分周器4で分周される時は、コヒーレント動作であり電圧加算となり、位相雑音は6dB低減し(PN―3)[dBc/Hz]となる。結果として、元の発振器1の位相雑音と比較して位相雑音が3dB低減する。
At this time, the
この出力波の一部を注入同期発振器7への入力として注入する。注入同期発振器7の位相雑音は注入される入力波の位相雑音に近づくという性質があるため、注入同期発振器7の出力波の位相雑音が改善する。この位相雑音が改善された出力が周波数変換器2で発振器1の出力波とミキシングされ、帯域通過フィルタ3を通過して、2分周器4で再び分周されることでさらに位相雑音が改善する。これらを繰り返すことで、実施の形態1と同様の効果が得られ、出力波の位相雑音は、発振器1の位相雑音より約4.77dB低減した値に漸近する。
A part of this output wave is injected as an input to the injection locked
以上のように、この実施の形態4によれば、注入同期発振器7を使用することで、発振器1、周波数変換器2、帯域通過フィルタ3を多段にすることなく、1段の構成で、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
As described above, according to the fourth embodiment, by using the injection locked
実施の形態5.
図7は、この発明の実施の形態5による高周波発振源の構成を示すブロック図である。図7に示すように、実施の形態5による高周波発振源では、上記実施の形態4において、発振器1をさらに(第2の)注入同期発振器7aに置換えた構成である。
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a high-frequency oscillation source according to
次に動作について説明する。注入同期発振器7aから出力される周波数f0のマイクロ波は、周波数変換器2で、別の注入同期発振器7からの出力波とミキシングされ、周波数2f0の出力となり、帯域通過フィルタ3を通過して、2分周器4に入力される。2分周器4では、入力されたマイクロ波は周波数が半分のf0となる。
Next, the operation will be described. The microwave with the frequency f 0 output from the injection-locked
このとき、周波数変換器2では、位相雑音はインコヒーレントに加算されるため電力加算となり、周波数2f0の出力波の位相雑音は(PN+3)[dBc/Hz]となる。この出力波が2分周器4で分周される時は、コヒーレント動作であり電圧加算となり、位相雑音は6dB低減し(PN―3)[dBc/Hz]となる。結果として、元の発振器1の位相雑音と比較して位相雑音が3dB低減する。
At this time, the
この出力波の一部をそれぞれの注入同期発振器7に注入する。注入同期発振器7は注入される入力波の位相雑音に近づくという性質があるため、注入同期発振器7の出力波の位相雑音が改善する。この位相雑音が改善された出力波が周波数変換器2に再び注入され、ミキシングされ、2分周器4で分周されることで、さらに位相雑音が改善する。これらを繰り返すことで、2分周器4の出力の位相雑音は改善され、最終的に非常に低位相雑音の出力波が得られる。
A part of this output wave is injected into each injection-locked
なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組合せを含むことは云うまでもない。 In addition, this invention is not limited to said each embodiment, It cannot be overemphasized that these possible combinations are included.
1,1a 発振器、2 周波数変換器、3 帯域通過フィルタ、4 2分周器、5 N分周器、6 位相同期発振器、6a 電圧制御発振器、6b 位相比較器、6c 基準信号源、6d 低域通過フィルタ、7,7a 注入同期発振器。 1, 1a oscillator, 2 frequency converter, 3 band pass filter, 4 2 frequency divider, 5 N frequency divider, 6 phase locked oscillator, 6a voltage controlled oscillator, 6b phase comparator, 6c reference signal source, 6d low frequency Pass filter, 7, 7a Injection-locked oscillator.
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