JP6526360B2 - 高周波分波器及びこれを用いた高周波回路 - Google Patents

Description

本発明は、複数の入力周波数の電波を分波する高周波分波器及びこれを用いた高周波回路に関するものである。

従来の高周波分波器として、複数のバンドパスフィルタを用いた構成があった（例えば、特許文献１参照）。この高周波分波器は、２倍波、３倍波、４倍波を通過帯域とするバンドパスフィルタを並列接続した構成である。この高周波分波器では、高調波を含む電波が高周波分波器に入力されると別々の端子からバンドパスフィルタの通過周波数帯域に応じた周波数が出力される。

特開平８−６５０５０号公報

しかしながら、従来の高周波分波器では、複数のフィルタを要するため、サイズが大きくなってしまい、小型化の要求を満たすものではなかった。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、小型化を図ることのできる高周波分波器を提供することを目的とする。

この発明に係る高周波分波器は、第１から第４の端子を備え、第１の端子を入力端子としたとき、第２の端子はアイソレーション端子、第３の端子は０°出力端子、第４の端子は−９０°出力端子となる関係にある９０°ハイブリッド回路と、入力される電波のうち、第１の周波数に関して、第１の端子に与える電波よりも９０°位相を遅らせた電波を第２の端子に与え、第２の周波数に関して、第１の端子に与える電波よりも９０°位相を進めた電波を第２の端子に与える移相回路とを備えたものである。

この発明に係る高周波分波器は、第１の周波数と第２の周波数の電波が入力される第１及び第２の端子を有する９０°ハイブリッド回路を備え、第２の端子に入力される第１の周波数の電波は第１の端子に入力される第１の周波数の電波よりも９０°位相が遅れ、第２の端子に入力される第２の周波数の電波は第１の端子に入力される第２の周波数の電波よりも９０°位相が進んでいるようにしたものである。これにより、複数のフィルタを用いずに第１の周波数と第２の周波数の電波を分波することができ、小型化を図ることができる。

この発明の実施の形態１の高周波分波器の構成図である。 この発明の実施の形態１の高周波分波器の第４の端子にオープンスタブを備えた場合の構成図である。 この発明の実施の形態１の高周波分波器の第４の端子を開放とした場合の構成図である。 この発明の実施の形態１の高周波分波器の入力端子にショートスタブを備えた場合の構成図である。 この発明の実施の形態１の高周波分波器の入力端子にショートスタブと抵抗を備えた場合の構成図である。 この発明の実施の形態２の高周波回路を示す構成図である。 この発明の実施の形態３の高周波回路を示す構成図である。 この発明の実施の形態４の高周波回路を示す構成図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態による高周波分波器の構成図である。
本実施の形態による高周波分波器は、図１に示すように、入力端子１００と、入力端子１００から入力された高周波電力を等分配し、位相差を与える移相回路３と、第１から第４の端子２１、２２、２３、２４を備えた９０°ハイブリッド回路２を備える。移相回路３は、入力端子１００に入力された高周波を同相分配器３１にて等分配して、一方の出力を９０°ハイブリッド回路２の第１の端子２１に与え、他方の出力を基本波で１／４波長となる伝送線路３２を介して９０°ハイブリッド回路２の第２の端子２２に与える。ここで、９０°ハイブリッド回路２の第１の端子２１を入力（ＩＮ）端子としたとき、第２の端子２２はアイソレーション（ＩＳＯ）端子、第３の端子２３は０°出力端子、第４の端子２４は−９０°出力端子となる関係にある。９０°ハイブリッド回路２としては、例えば、ランゲカプラなどで構成する。

次に、実施の形態１の高周波分波器の動作を説明する。
入力端子１００から入力された第１の周波数である基本波と第２の周波数である３倍波は移相回路３において同相分配器３１によりそれぞれ等振幅で２分配される。同相分配器３１の一方の出力は９０°ハイブリッド回路２の第１の端子２１に入力され、同相分配器３１の他方の出力は基本波で１／４波長となる伝送線路３２を介して９０°ハイブリッド回路２の第２の端子２２に入力される。このとき、９０°ハイブリッド回路２の第２の端子２２に入力される基本波は第１の端子２１に入力される基本波よりも９０°位相が遅れており、第２の端子２２に入力される３倍波は第１の端子２１に入力される３倍波よりも９０°位相が進んでいる。

９０°ハイブリッド回路２は、第１の端子２１に入力された高周波をθ移相して第３の端子２３から出力し、θ−９０°移相して第４の端子２４から出力する。同様に、第２の端子２２に入力された高周波をθ移相して第４の端子２４から出力し、θ−９０°移相して第３の端子２３から出力する。ここでは説明を簡単にするため、θを０°とする。

９０°ハイブリッド回路２の第１の端子２１に入力された基本波と第２の端子２２に入力された９０°遅れた基本波は、第３の端子２３では逆相合成となり出力されず、第４の端子２４では同相合成となり出力されることになる。一方、第１の端子２１に入力された３倍波と第２の端子２２に入力された９０°進んだ３倍波は、第４の端子２４では逆相合成となり出力されず、第３の端子２３では同相合成となり、出力されることになる。
従って、入力端子１００に入力された基本波と３倍波は分波され、それぞれ第４の端子２４と第３の端子２３から出力される。

上記の説明では、第１の周波数を基本波、第２の周波数を３倍波としたが、他の周波数でも同様に、移相回路３によって、９０°ハイブリッド回路２の第２の端子２２に入力される第１の周波数の電波の位相を第１の端子２１に入力される第１の周波数の電波よりも９０°遅らせ、第２の端子２２に入力される第２の周波数の電波の位相を第１の端子２１に入力される第２の周波数の電波よりも９０°位相を進ませることで、分波することができる。

また、図２に示すように、９０°ハイブリッド回路２の第４の端子２４に基本波で１／４波長のオープンスタブ４０を備えることで、第３の端子２３で分波された３倍波には影響を与えずに、基本波を入力端子１００に反射して戻すことができる。また、図３に示すように、９０°ハイブリッド回路２の第４の端子２４を開放としても同様に分波された３倍波には影響を与えずに、基本波を入力端子１００に反射して戻すことができる。このように、基本波を入力端子１００に反射して戻すことにより、例えば高周波分波器を発振器の帰還回路の一つとして適用した場合、ループ利得の向上が図れ、出力周波数の高周波化を図ることができるという効果がある。

さらに、図４に示すように、入力端子１００に基本波で１／４波長のショートスタブ４１を備えても良い。これにより、基本波と３倍波に影響を与えずに２倍波を反射させ、２倍波の入力を抑え、分離することができる。例えば、高周波分波器を発振器に適用した場合、発振器からは基本波、２倍波及び３倍波が出力される。ここで、基本波と３倍波を取り出したい場合、２倍波の出力は不要であるため、入力としてこれを抑えることができ、不要波の放射を抑えることができる。

また、図５に示すように、入力端子１００に基本波で１／４波長のショートスタブ４１と抵抗４２を備えても良い。抵抗４２は、基本波が開放となるショートスタブ４１の一端に接続される。これにより、基本波と３倍波に影響を与えずに２倍波を減衰させ、２倍波の入力を抑えることができ、不要波の放射を抑えることができる。

以上説明したように、実施の形態１の高周波分波器によれば、第１から第４の端子を備え、第１の端子を入力端子としたとき、第２の端子はアイソレーション端子、第３の端子は０°出力端子、第４の端子は−９０°出力端子となる関係にある９０°ハイブリッド回路と、入力される電波のうち、第１の周波数に関して、第１の端子に与える電波よりも９０°位相を遅らせた電波を第２の端子に与え、第２の周波数に関して、第１の端子に与える電波よりも９０°位相を進めた電波を第２の端子に与える移相回路とを備えたので、複数のフィルタを用いずに第１の周波数と第２の周波数の電波を分波することができ、小型化を図ることができる。

また、実施の形態１の高周波分波器によれば、第１の周波数は基本波、第２の周波数は３倍波であり、移相回路は、基本波及び３倍波を、第１の端子と第２の端子とに同相かつ等振幅で分配する同相分配器と、同相分配器と第２の端子との間に設けられ、同相分配器と第１の端子との間の電気長よりも基本波で１／４波長長い伝送線路とを備えたので、基本波と３倍波の電波を分波して出力することができる。

また、実施の形態１の高周波分波器によれば、第４の端子に第１の周波数で１／４波長となるオープンスタブを備えたので、分波された３倍波には影響を与えずに、基本波を当該高周波分波器の入力端子に反射して戻すことができる。

また、実施の形態１の高周波分波器によれば、当該高周波分波器または移相回路の入力端子に第１の周波数で１／４波長となるショートスタブを備えたので、基本波と３倍波に影響を与えずに２倍波を反射させ、２倍波の入力を抑え、分離することができる。

また、実施の形態１の高周波分波器によれば、ショートスタブの第１の周波数で開放となる先端に抵抗を備えたので、基本波と３倍波に影響を与えずに２倍波を減衰させ、２倍波の入力を抑えることができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２の高周波回路として、実施の形態１の高周波分波器を用いた高周波増幅器を示す構成図である。
図６において、高周波分波器１ａは実施の形態１の図４に示す高周波分波器であり、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。高周波分波器１ａにおける入力端子１００には増幅器５の出力が与えられるよう構成され、高周波分波器１ａにおける９０°ハイブリッド回路２の第３の端子２３には３倍波で１／４波長のオープンスタブ４３を備えている。

次に、実施の形態２の動作について説明する。
高周波分波器１ａの動作は実施の形態１と同様である。ただし、図６に示す高周波分波器１ａにおいては、基本波及び３倍波と独立にショートスタブ４１で２倍波を短絡して反射させ、基本波及び２倍波と独立にオープンスタブ４３により３倍波を反射させて、入力端子１００に戻すことができる。このため、増幅器５からショートスタブ４１までの電気長で２倍波の位相を、増幅器５からオープンスタブ４３までの電気長で３倍波の位相を独立に設計することができる。

このように、実施の形態２の高周波回路では、基本波、２倍波、３倍波の位相を独立して設計できるため、高調波処理が容易となる。すなわち、高調波処理では、基本波と２倍波、３倍波などの高調波を合成し、所望の波形を形成する。そのとき、これらの位相関係が重要である。例えば、基本波と３倍波を同相で合成すると矩形に近づくが、２倍波の位相を設計するときに基本波、３倍波の位相が変化して同相関係から乖離すると良好な合成ができず波形が崩れてしまう。従って、基本波及び高調波の位相を独立に設計できることにより、高調波処理または波形形成が容易となる。

以上説明したように、実施の形態２の高周波回路によれば、実施の形態１の高周波分波器または移相回路の入力端子に増幅器を接続すると共に、第３の端子に第２の周波数で１／４波長となるオープンスタブを備えたので、高調波処理が容易に行え、増幅器の消費電力を改善することができる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３の高周波回路として、実施の形態１の高周波分波器を用いた高周波発振器を示す構成図である。
図７において、高周波分波器１は図１に示す高周波分波器であり、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。高周波分波器１における入力端子１００にはトランジスタ６０のドレイン端子が接続され、高周波分波器１における第４の端子２４は開放となっている。トランジスタ６０はそのソース端子とゲート端子にそれぞれ帰還回路６１と帰還回路６２を備えている。

次に、実施の形態３の動作について説明する。
高周波分波器１の動作は実施の形態１の図１に示した構成の動作と同様である。ただし、図７に示す高周波分波器１は、発振器の帰還回路の一つとして動作しており、９０°ハイブリッド回路２の第４の端子２４で反射した基本波は入力端子１００に戻り、トランジスタ６０に入力される。実施の形態３の高周波発振器では、基本波を直列帰還している。トランジスタ６０のゲート端子に入力される高周波（最初は雑音）はトランジスタ６０で増幅されてドレイン端子に出力され、ドレイン端子側回路（ここでは高周波分波器１）で反射された当該高周波はトランジスタ６０のドレイン・ソース間を介して帰還回路６１に入力されて反射する。さらにトランジスタ６０のゲート・ソース間を介して帰還回路６２に入力されて反射して、トランジスタ６０のゲート端子に同相となるように帰還する。この高周波が発振周波数となる。

発振器が発振動作を行うには、トランジスタとそのトランジスタの各端子に接続された帰還回路とを一巡して得られる利得が正である必要があり、大きい方が発振動作をしやすい。図７に示す高周波発振器は、発振動作を行う基本波を外部の負荷に出力せずにトランジスタ６０に帰還しているため、発振器のループ利得が向上し、発振器が発振動作をしやすくなる。さらに、９０°ハイブリッド回路２の第３の端子２３から発振動作で得られる３倍波が出力される。
なお、ここでは高周波分波器を帰還回路の一つとしてドレイン端子に接続した例を示したが、ゲート端子またはソース端子に当該高周波分波器を備えた場合でも良い。

以上説明したように、実施の形態３の高周波回路によれば、トランジスタの端子のうち少なくとも一つに、帰還回路として構成される実施の形態１の高周波分波器の入力端子が接続され、発振動作を行うようにしたので、高周波分波器で発振動作を行う基本波を帰還させ、その高調波である３倍波を出力することができるため、発振動作を容易に実現することができる。また、直接３倍波に相当する周波数で発振器を構成するよりも、性能の良いトランジスタや共振器を使用できることから、位相雑音を改善することができる。これは、低い周波数を扱う方が損失が低く、寄生成分が小さいためである。

また、実施の形態３の高周波回路によれば、第４の端子を開放としたので、分波された３倍波には影響を与えずに、基本波を当該高周波分波器の入力端子に反射して戻すことができる。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４の高周波回路として、実施の形態１の高周波分波器を用いたＰＬＬシンセサイザを示す構成図である。
図８において、高周波分波器１は図１に示す高周波分波器であり、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。高周波分波器１における入力端子１００には位相同期回路（ＰＬＬ）の電圧制御発振器（ＶＣＯ）７０を接続し、９０°ハイブリッド回路２の第４の端子２４から出力される基本波をＰＬＬ回路部７１に入力して、ＰＬＬ回路部７１の出力を電圧制御発振器７０に与えて負帰還制御を行う構成である。ここで、ＰＬＬ回路部７１は、位相比較器、基準発振器、ループフィルタ及びプリスケーラ等で構成される回路であり、電圧制御発振器７０とＰＬＬ回路部７１で、公知の位相同期回路を構成している。

次に、実施の形態４の動作について説明する。
高周波分波器１の動作は実施の形態１と同様である。電圧制御発振器７０は電圧を制御することで発振周波数が変化する回路であり、基本波で発振動作を行っている。電圧制御発振器７０から出力された基本波は高周波分波器１を介して９０°ハイブリッド回路２の第４の端子２４から出力される。第４の端子２４から出力された基本波はＰＬＬ回路部７１において基準発振器から出力される基準周波数と位相比較され、ＰＬＬ回路部７１はその位相誤差に応じた電圧を電圧制御発振器７０に与える。電圧制御発振器７０では与えられた電圧に応じて発振周波数を補正する。この発振動作で生じる３倍波は、９０°ハイブリッド回路２の第４の端子２４からは出力されず、第３の端子２３から出力される。

以上説明したように、実施の形態４の高周波回路によれば、実施の形態１の高周波分波器の第４の端子の出力を基準周波数と位相比較する電波として入力する位相同期回路を備え、位相同期回路の電圧制御発振器の出力を当該高周波分波器の入力端子に接続したので、次のような効果がある。すなわち、発振器の出力に接続した高周波分波器で発振動作を行う基本波とその３倍波を分波し、基本波を位相同期回路への入力波、３倍波を外部への出力波とすることで、位相同期回路に用いられるプリスケーラの削減または分周数を小さくでき、ＰＬＬシンセサイザの小型化や位相雑音の改善効果を奏する。また、実施の形態３と同様に、直接３倍波に相当する周波数で発振器を構成するよりも、性能の良いトランジスタや共振器を使用できるため、発振器の位相雑音の改善効果を奏する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係る高周波分波器及び高周波回路は、複数の入力周波数の電波を分波する高周波分波器と、この高周波分波器を用いた高周波回路の構成に関するものであり、高周波増幅器、高周波発振器及びＰＬＬシンセサイザ等に用いるのに適している。

１，１ａ 高周波分波器、２ ９０°ハイブリッド回路、３ 移相回路、５ 増幅器、２１ 第１の端子、２２ 第２の端子、２３ 第３の端子、２４ 第４の端子、３１ 同相分配器、３２ 伝送線路、４０，４３ オープンスタブ、４１ ショートスタブ、４２ 抵抗、６０ トランジスタ、６１，６２ 帰還回路、７０ 電圧制御発振器、７１ ＰＬＬ回路部、１００ 入力端子。

Claims (9)

1. 第１から第４の端子を備え、前記第１の端子を入力端子としたとき、前記第２の端子はアイソレーション端子、前記第３の端子は０°出力端子、前記第４の端子は−９０°出力端子となる関係にある９０°ハイブリッド回路と、
   入力される電波のうち、第１の周波数に関して、前記第１の端子に与える電波よりも９０°位相を遅らせた電波を前記第２の端子に与え、第２の周波数に関して、前記第１の端子に与える電波よりも９０°位相を進めた電波を前記第２の端子に与える移相回路とを備えたことを特徴とする高周波分波器。
2. 前記第１の周波数は基本波、前記第２の周波数は３倍波であり、
   前記移相回路は、前記基本波及び前記３倍波を、前記第１の端子と前記第２の端子とに同相かつ等振幅で分配する同相分配器と、
   前記同相分配器と前記第２の端子との間に設けられ、前記同相分配器と前記第１の端子との間の電気長よりも前記基本波で１／４波長長い伝送線路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の高周波分波器。
3. 前記第４の端子に前記第１の周波数で１／４波長となるオープンスタブを備えたことを特徴とする請求項１記載の高周波分波器。
4. 前記移相回路の入力端子に前記第１の周波数で１／４波長となるショートスタブを備えたことを特徴とする請求項１記載の高周波分波器。
5. 前記ショートスタブの前記第１の周波数で開放となる先端に抵抗を備えたことを特徴とする請求項４記載の高周波分波器。
6. 請求項４の高周波分波器を用い、前記移相回路の入力端子に増幅器を接続すると共に、前記第３の端子に前記第２の周波数で１／４波長となるオープンスタブを備えたことを特徴とする高周波回路。
7. トランジスタの端子のうち少なくとも一つに、帰還回路として構成される請求項１記載の高周波分波器の入力端子が接続され、発振動作を行うことを特徴とする高周波回路。
8. 前記第４の端子を開放としたことを特徴とする請求項７記載の高周波回路。
9. 請求項１記載の高周波分波器を用いると共に、当該高周波分波器の前記第４の端子の出力を基準周波数の電波と位相比較する電波として入力する位相同期回路を備え、前記位相同期回路の電圧制御発振器の出力を当該高周波分波器の入力端子に接続したことを特徴とする高周波回路。

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