JP7160212B2 - 位相同期回路及び同相分配回路 - Google Patents

Description

本発明は、位相同期回路及び同相分配回路に関するものである。

伝送路となるケーブルを介して信号を伝送すると、ケーブル周囲の温度変化やケーブルに対する振動によってと出力される信号の位相が変動してしまう問題がある。この時、ケーブルを伝送する前の信号とケーブルを伝送して伝送先で反射してきた信号すなわち反射信号との位相差が一定となるようにフィードバック制御を行うことでケーブルから出力される位相を安定化する位相同期回路がある（特許文献１）。

特開２０１４－１１５６１号公報

１つの基準信号源から分岐して複数のケーブルで信号を伝送する際に各ケーブルから出力される信号の位相を安定させるためにこのような位相同期回路を用いることが考えられる。この際、各ケーブルに位相同期回路を設けることにより、ケーブルを伝送した後のそれぞれの信号の位相と１つの基準信号から分岐した信号との位相差を安定化させておくことができる。
上述した位相同期回路では、ケーブルを伝送して伝送先で反射してきた往復信号を用いてケーブルを伝送する前の信号との位相差を２ｎπ（ｎはケーブル長やフィードバック制御による遅延量の組み合わせにより決定される整数）となるように制御すると、ケーブルを伝送して出力される信号の位相は、位相調整の影響が半分となるため、ケーブルに入力前の信号に対してｎπの位相差を持つことになる。このとき、それぞれのケーブルごとにｎの値が異なるので、それぞれのケーブルに位相をそろえた信号を入力し、上述の位相同期回路でケーブルの入力側と出力側の位相を安定化させたとしてもケーブル長やフィードバック制御による遅延量の組み合わせで決まるｎが奇数の場合と偶数の場合で位相がπ異なってしまい、複数の伝送先で同期信号の位相が異なる。

本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであり、複数の伝送路に同相の信号を入力した場合に、複数の伝送路から出力される同期信号の位相を揃える位相同期回路を得ることを目的とする。

本開示の位相同期回路は、信号を伝送する伝送路に送信信号を出力し、前記送信信号と前記送信信号が前記伝送路を折り返した折り返し信号との位相差に対応する制御信号に基づいて前記伝送路に出力する送信信号の位相を制御する位相制御部と、前記位相制御部から伝送路に出力された送信信号の一部を前記折り返し信号として前記伝送路に折り返す信号折り返し部と、前記信号折り返し部に折り返されずに前記伝送路から出力された送信信号の周波数を偶数倍して出力する周波数逓倍器とを備えたものである。

本開示によれば、伝送路から出力される信号の周波数を偶数倍する逓倍器を設けたので、１つの基準信号源から信号を分岐した場合にも複数の伝送路から出力される同期信号の位相が揃う。

実施の形態１に係る同相分配回路の構成を示す構成図である。 実施の形態１に係る位相同期回路の構成を示す構成図である。 実施の形態１に係る信号分離器に用いられる９０度ハイブリッドの構成図である。 実施の形態２に係る高周波信号発生回路の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る位相同期回路１ａ、１ｂ、１ｃを用いた同相分配回路の構成を示す構成図である。同相分配回路は、基準信号の送信源である基準信号発生回路７内において、基準信号源６から出力された基準信号を同相分配器９で複数に分配し、分配された信号を異なる複数のケーブル３ａ、３ｂ、３ｃで複数の送信先にある同期信号発生回路８ａ、８ｂ、８ｃに送信することで、複数の送信先に位相が揃った同期信号を出力するものである。

同相分配器９は、基準信号源６が出力した基準信号を位相のそろった複数の信号に分配し、基準信号として位相同期回路１ａ、１ｂ、１ｃの信号分離器２１ａ、１ｂ、１ｃに出力する。例えば、同相分配器９にはシリコンＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）から成るものが用いられる。
ここで、分配される信号とは電磁波であり、例えば電波やマイクロ波に適用することができる。基準信号発生回路７と同期信号発生回路８ａ、８ｂ、８ｃが離れてケーブル３ａ、３ｂ、３ｃが長い場合、伝送路であるケーブル３ａ、３ｂ、３ｃ周囲の温度変化やケーブル３ａ、３ｂ、３ｃに対する振動によって伝送される信号の位相に変動が生じ、それぞれの伝送先で得られる信号の間の位相がずれてしまう。この位相のずれを修正するために、各伝送路に位相同期回路１ａ、１ｂ、１ｃを設けている。

基準信号源６は、基準信号を同相分配器９に出力する信号源である。例えば、正確な周波数を出力できる水晶発振器などが用いられる。この基準信号源６からの基準信号が同相分配器９に入力され、同相分配器９から各位相同期回路１ａ、１ｂ、１ｃに同相の基準信号が供給される。

図１に示した同相分配回路の各伝送路には同じ構成の位相同期回路１ａ、１ｂ、１ｃが設けられている。図２は、本実施の形態１に係る位相同期回路１の詳細の構成を示す構成図であるが、位相同期回路１ａ、１ｂ、１ｃも同様の構成である。
位相同期回路１は、信号を伝送する伝送路であるケーブル３に送信信号を出力し、送信信号と送信信号がケーブル３を折り返した折り返し信号との位相差に対応する制御信号に基づいてケーブル３に出力する信号の位相を制御する位相制御部２と、位相制御部２からケーブル３に出力された送信信号の一部を折り返し信号としてケーブル３に折り返す信号折り返し部４と、信号折り返し部４に折り返されずにケーブル３から出力された送信信号の周波数を偶数倍する周波数逓倍器５とを有して構成されている。

位相制御部２は、信号分離器２１、位相比較器２２及び位相制御器２３から構成され、信号を伝送する伝送路であるケーブル３に出力する送信信号と送信信号がケーブル３を折り返した折り返し信号との位相差に対応する制御信号に基づいてケーブル３に出力する送信信号の位相を制御する。

信号分離器２１は、基準信号源６が出力し同相分配器９で分配された基準信号を入力する。そして、信号分離器２１は基準信号を２つに分離し、分離した一方の基準信号を基準信号として位相比較器２２に出力し、分離した他方の基準信号を送信信号として位相制御器２３に出力するとともに、送信信号がケーブル３を折り返した折り返し信号を位相制御器２３から入力して信号分離器を介して位相比較器２２に出力する。ここで、折り返し信号とは、信号分離器２１で分離した他方の基準信号が送信信号として位相制御器２３に出力され、位相制御器２３からケーブル３に送信されて信号折り返し部４で折り返され、ケーブル３を往復して戻ってきた信号である。

なお、信号分離器２１は、信号を入出力する複数の端子を有し、それぞれの端子間における信号伝達を所定の関係で行うようなもので構成することができる。この信号分離器２１は、例えば、上記のような端子間の信号伝達を行うように構成した、結合線路あるいは集中定数素子から成る９０度ハイブリッドで構成することができる。以後、信号分離器２１に９０度ハイブリッドを用いた場合を説明する。図３は、実施の形態１に係る信号分離器２１に用いられる９０度ハイブリッドの構成図である。この９０度ハイブリッドは、第１の端子、第２の端子、第３の端子、第４の端子を備えている。第１の端子と第２の端子は相互に通過可能であり、信号が通過する際に位相を９０度変化させる。また、第１の端子と第４の端子、第２の端子と第３の端子が相互に通過可能であり、通過する際に位相を１８０度変化させる。また、信号分離器２１の第１の端子に基準信号が入力されると、信号分離器２１は信号を分離して第２の端子から送信信号を、第４の端子から基準信号を出力する。さらに、信号分離器２１の第２の端子に折り返し信号が入力されると、第３の端子から折り返し信号を出力する。

位相比較器２２は、信号分離器２１が出力した基準信号の位相と、位相制御器２３を通過して信号折り返し部４によりケーブル３を折り返し再び位相制御器２３を通過した信号との位相差を比較し、その位相差に応じた制御信号を位相制御器２３に出力する。
本実施の形態では、位相比較器２２は、第１の端子、第２の端子、及び、第３の端子を有して構成されている。信号分離器２１の第４の端子から位相比較器２２の第１の端子へ基準信号、信号分離器２１の第３の端子から位相比較器２２の第２の端子に折り返し信号が入力される。そして、位相比較器２２の第３の端子から、入力された２つの信号の位相差制御信号を位相制御器２３の第３の端子に出力する。この制御信号は、位相制御器２３からケーブル３に出力する信号の位相を２つの信号の位相差が０となる方向に変化させる制御を位相制御器２３に行わせる信号である。このように、位相比較器２２は２つの入力信号の位相を比較して制御信号を出力するものであればよく、例えばシリコンＩＣから成るものが用いられる。

位相制御器２３は、位相比較器２２が出力した制御信号に従って、信号分離器２１が出力した送信信号が入力されると位相を変化させてケーブル３に出力するとともに、信号折り返し部４からケーブル３を伝送して折り返し信号が入力されると位相を変化させて信号分離器２１に出力する。位相制御器２３は、入力される制御信号に従って入力される信号の位相を変化させて出力するものであればよい。
本実施の形態では、位相制御器２３は、第１の端子、第２の端子、第３の端子を有して構成されている。第１の端子から入力した信号を第３の端子から入力される制御信号に従って通過位相を変化させて第２の端子から出力するとともに、第２の端子から入力した信号を第３の端子から入力される制御信号に従って第１の端子から出力する。例えば位相比較器２２が出力した制御電圧に従って、位相の変化量が連続的に変化するアナログ移相器が用いられる。

ケーブル３は、位相制御部２と信号折り返し部４とを信号の伝送路としてつなぎ、位相制御部２が出力した送信信号を信号折り返し部４に伝送するとともに、信号折り返し部４から折り返された折り返し信号を位相制御部２に伝送する。例えば、ケーブル３には同軸ケーブルやツイストペアケーブルが用いられる。

信号折り返し部４は、位相制御部２から入力された送信信号の一部をケーブル３に折り返す。本実施の形態では、この信号折り返し部４として、信号分離器２１と同様の９０度ハイブリッドを用いた場合について説明する。信号折り返し部４は、位相制御器２３からケーブル３を伝送した送信信号が第１の端子に入力されると、第２の端子へ位相を９０度変化させて出力する。そして、第２の端子から出力される送信信号を２つに分離して一方を第４の端子へ入力することで、第１の端子から入力された送信信号の位相を２７０度変化させ第１の端子から折り返し信号として出力し、送信信号を分離したもう一方を同期信号として周波数逓倍器５に出力する。第３の端子は抵抗で終端する。

周波数逓倍器５は、信号折り返し部４に折り返されずにケーブル３から出力された送信信号を、周波数を２倍にして同期信号として出力する。本実施の形態では、信号折り返し部４である９０度ハイブリッドの第２の端子の出力を分離して第４の端子へ入力されなかった送信信号が周波数逓倍器５に入力され、送信信号の周波数が２倍となった送信信号が同期信号として出力される。周波数逓倍器５は、入力信号を偶数倍できるものであればよく、例えばシリコンＩＣからなるものが用いられる。

次に、本発明の実施の形態１に係る同相分配回路の動作について説明する。
基準信号源６は、同相分配器９に基準信号を入力する。同相分配器９は、基準信号源６から基準信号が入力されると、入力された基準信号を複数に分配して同相の基準信号をそれぞれの位相同期回路１ａ、１ｂ、１ｃに入力する。位相同期回路１ａ、１ｂ、１ｃは、基準信号が入力されるとそれぞれの位相同期回路１ａ、１ｂ、１ｃから同期信号を出力する。

位相同期回路１の詳細の動作は下記の通りである。
信号分離器２１は、信号分離器２１の第１の端子に基準信号が入力されると、基準信号を分離して第２及び第４の端子から出力する。信号分離器２１は第１の端子から第２の端子へ基準信号を出力する際に基準信号の位相を９０度変化させて送信信号として位相制御器２３の第１の端子へ出力する。また、第１の端子から第４の端子へ基準信号を出力する際に基準信号の位相を１８０度変化させて位相比較器２２の第１の端子に出力する。

位相比較器２２は、信号分離器２１の第３の端子から出力され位相比較器２２の第２の端子に入力される折り返し信号、及び、信号分離器２１の第４の端子から出力され位相比較器２２の第１の端子に入力される基準信号の信号の位相を比較する。位相比較器２２は、比較した位相差が０となるような制御信号を位相比較器２２の第３の端子から位相制御器２３の第３の端子に出力する。

位相制御器２３は、位相制御器２３の第１の端子から入力される送信信号の位相を、位相比較器２２から入力される制御信号に従って変化させて第２の端子からケーブル３へ出力する。また、位相制御器２３の第２の端子から折り返し信号が入力されると、位相比較器２２から入力される制御信号に従って位相を変化させて第１の端子から信号分離器２１の第２の端子へ出力する。位相制御器２３から信号分離器２１に折り返し信号が入力されると、信号分離器２１は折り返し信号の位相を１８０度変化させて第３の端子から位相比較器２２へ出力する。

位相制御器２３から出力された送信信号はケーブル３を伝送して信号折り返し部４の第１の端子に入力される。信号折り返し部４は、入力された送信信号の位相を９０度変化させて第２の端子から出力する。第２の端子から出力された送信信号は２つに分岐され、一方は周波数逓倍器５へ、もう一方は信号折り返し部４の第４の端子に入力される。信号折り返し部４の第４の端子に入力された送信信号は、位相を１８０度変化させて折り返し信号として信号折り返し部４の第１の端子からケーブル３へ出力され、位相制御器２３に入力される。

信号折り返し部４の第２の端子から出力され、周波数逓倍器５に入力された送信信号は、周波数が２倍になって位相同期回路１の同期信号として出力される。

ここで、位相制御器２３の動作の詳細について説明する。

以下、数式を用いて位相同期回路１から出力される位相について説明する。
信号折り返し部４の第２の端子から出力される同期信号の位相θ_３は、数式（１）で示される。ここで、位相同期装置に入力される基準信号の初期位相をθ_０、位相制御器２３の通過位相をθ_ｔｕｎｅ、ケーブル３の通過位相をθ_{ｃａｂｌｅ}とする。

（数１）
θ_３＝θ_０＋π＋θ_ｔｕｎｅ＋θ_{ｃａｂｌｅ} ・・・（１）

また、信号分離器２１の第４の端子から出力される基準信号の位相θ１は、式（２）で示される。

（数２）
θ_１＝θ_０＋π ・・・（２）

信号折り返し部４によりケーブル３に折り返され、信号分離器２１の第３の端子から出力される送信信号の位相θ_２は、式（３）で示される。

（数３）
θ_２＝θ_０＋３π＋２θ_ｔｕｎｅ＋２θ_{ｃａｂｌｅ} ・・・（３）

位相比較器２２は、信号分離器２１の第４の端子から出力された基準信号の位相θ_１と第３の端子から出力された送信信号の位相θ_２の位相差が０となるように位相制御器２３に制御信号を出力するので、この制御でもたらされる定常状態においては、θ_２＝θ_１＋２ｎπということができる。よって、式（２）と式（３）から、以下の式（４）を得る。

（数４）
θ_ｔｕｎｅ＋θ_{ｃａｂｌｅ}＝（ｎ－１）π ・・・（４）

ここで得られた式（４）を式（１）に代入すると、以下の式（５）が得られる。

（数５）
θ_３＝θ_０＋ｎπ

式（５）からわかるように、信号折り返し部４から出力される送信信号の位相θ_３は、θ_{ｃａｂｌｅ}によらない値となるので、ケーブル３周囲の温度変化やケーブル３に対する振動の変動によらずθ_３を安定化させることができる。しかし、式（４）に示されるように、ケーブル３長やフィードバック制御による遅延量の組み合わせによってｎの値は複数の可能性があり、ｎの値が奇数となるか偶数となるかは不明である。

ここで、基準信号を複数に分配して複数のケーブル３で信号を伝送する場合を考える。式（５）に示されるθ_３の値はケーブル３長やフィードバック制御による遅延量の組み合わせによりｎの値が不明であるため、複数の伝送路から出力される信号の位相がπ異なる可能性がある。

そこで、本開示の位相同期回路１は、ケーブル３から出力される信号の周波数を２倍する。信号折り返し部４の第２の端子から出力された送信信号θ_３は、周波数逓倍器５に入力され、周波数が２倍となるので、位相同期回路１から出力される位相θ_ｏｕｔは式（６）で示される。

（数６）
θ_ｏｕｔ＝２θ_３＝２θ_０＋２ｎπ＝２θ_０

このように、本発明の位相同期回路１は、信号折り返し部４の第２の端子から出力された送信信号θ_３の位相を周波数逓倍器５で偶数倍するので、式（６）に示すように位相同期回路１の同期信号の位相θ_ｏｕｔがｎに依存しない数式で表される状態、すなわちケーブル３長やフィードバック制御による遅延量の組み合わせによらない位相になる。従って、図１に示したような基準信号を複数に分配して複数のケーブル３で信号を伝送する同相分配回路を構成した場合に本位相同期回路１を用いることにより、複数の伝送路から出力される同期信号の位相を揃えることができる。

また、図１に示すように、同期信号発生回路８を複数の基板で構成とすることで、１枚の基板で構成する場合と比べて、基板サイズに制約されない任意の位置に同期信号発生回路８を配置することができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る高周波信号発生回路について説明する。図４は、実施の形態２に係る高周波信号発生回路の構成を示す構成図である。実施の形態２では、実施の形態１の同期信号発生回路８がそれぞれ周波数シンセサイザ１０を備えた点が実施の形態１と異なり、そのほかは実施の形態１と同様である。

同期信号発生回路８は、周波数逓倍器５から同期信号が出力される出力先に周波数シンセサイザ１０を備える。周波数シンセサイザ１０は、入力した信号に基づいて基準信号より高い周波数の信号を生成して出力する。周波数シンセサイザ１０は、水晶発振器などの基準信号源６では出力できない高い周波数の信号を出力することができる。また、周波数が固定の連続波（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）だけでなく、周波数が時間に対して線形に変化するチャープ信号などを出力することができる。例えば、周波数シンセサイザ１０には、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）を用いることができる。

次に、実施の形態２の動作について説明する。
周波数逓倍器５から出力された同期信号が周波数シンセサイザ１０に入力される。周波数シンセサイザ１０は、同期信号に基づいて基準信号より高い周波数の信号を生成して出力する。
このように構成することで、周波数シンセサイザ１０が高周波の連続波を出力する場合、すべての同期信号発生回路８から位相が揃った信号を出力することができる。また、チャープ信号を出力する場合においても同様に、すべての同期信号発生回路８は位相が揃った信号を出力することができる。複数の高周波を発生させる装置として、単一の周波数シンセサイザ１０から出力される高周波信号を同相分配器９で分配し、同じ長さの高周波ケーブル３を複数用いることも考えられるが、本実施の形態の方法であれば高価な高周波ケーブルをもちいることなく高周波信号発生回路を構成することができる。

１．位相同期回路
２．位相制御部
２１．信号分離器
２２．位相比較器
２３．位相制御器
３．ケーブル
４．信号折り返し部
５．周波数逓倍器
６．基準信号源
７．基準信号発生回路
８．同期信号発生回路
９．同相分配器
１０．周波数シンセサイザ

Claims (5)

1. 信号を伝送する伝送路に送信信号を出力し、前記送信信号と前記送信信号が前記伝送路を折り返した折り返し信号との位相差に対応する制御信号に基づいて前記伝送路に出力する送信信号の位相を制御する位相制御部と、
   前記位相制御部から伝送路に出力された送信信号の一部を前記折り返し信号として前記伝送路に折り返す信号折り返し部と、
   前記信号折り返し部に折り返されずに前記伝送路から出力された送信信号の周波数を偶数倍して出力する周波数逓倍器と
   を備えたことを特徴とする位相同期回路。
2. 前記位相制御部は、
   前記送信信号を２つに分離して出力する信号分離器と、
   前記信号分離器から出力された一方の送信信号が入力されると前記制御信号に基づいて入力された送信信号の位相を制御して前記伝送路に出力するとともに、前記信号折り返し部に折り返された信号を前記信号分離器に出力する位相制御器と、
   前記信号分離器が出力した他方の送信信号と前記位相制御器が信号分離器に出力した折り返し信号との位相差に対応した制御信号を前記位相制御器に出力する位相比較器と
   から構成されたことを特徴とする請求項１に記載の位相同期回路。
3. 前記信号分離器は、９０度ハイブリッドで構成されたことを特徴とする請求項２に記載の位相同期回路。
4. 前記信号折り返し部は、９０度ハイブリッドで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の位相同期回路。
5. 基準信号を発生する基準信号源と、
   前記基準信号を同相で複数に分配して送信信号として出力する同相分配器と、
   前記同相分配器から出力された送信信号がそれぞれ入力される複数の位相同期回路と
   を備え、
   前記複数の位相同期回路は、
   伝送する伝送路に出力する送信信号と前記送信信号が前記伝送路を折り返した折り返し信号との位相差に対応する制御信号に基づいて前記伝送路に出力する送信信号の位相を制御する位相制御部と、
   前記位相制御部から伝送路に出力された送信信号の一部を前記折り返し信号として前記伝送路に折り返す信号折り返し部と、
   前記信号折り返し部に折り返されずに前記伝送路から出力された送信信号の周波数を偶数倍して出力する周波数逓倍器と
   を備えたことを特徴とする同相分配回路。

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