JP2001189627A - 電圧制御発振器、通信装置および発振周波数調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無調整で済む確率が高く、周波数調整に要す
る時間が短く、フェイズノイズの劣化を抑えた電圧制御
発振器と、それを用いた通信装置を得る。また、電圧制
御発振器の発振周波数調整方法を改善する。 【解決手段】 共振回路のストリップラインの一方の端
部付近に先端を開放したスタブＳ１を設け、スタブＳ１
のＡ部分のトリミングによって発振周波数を上昇方向に
調整し、ストリップラインＬ１のＢ部分のトリミングに
よって発振周波数を低下方向に調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、通信装置などに
用いられる電圧制御発振器、それを用いた通信装置およ
び電圧制御発振器の周波数調整方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば、携帯電話などの移動体通信シス
テムの端末やトランシーバなどの通信機において、局部
発振回路に電圧制御発振器を含むＰＬＬ回路が構成され
ている。

【０００３】ここで、従来の電圧制御発振器の例を図８
に示す。図８において、トランジスタＱ１と、それに接
続されている抵抗、コンデンサ、ストリップラインＬ１
および電圧可変リアクタンス素子である可変容量ダイオ
ードＶＤなどによる並列共振回路を含む発振回路を構成
している。その発振信号はトランジスタＱ２によるバッ
ファ段からコンデンサＣ２を介して出力される。発振周
波数は、コントロール端子に与えられる制御電圧に応じ
て可変容量ダイオードＶＤの静電容量が変化することに
より変化する。

【０００４】ところで、上記可変容量ダイオードＶＤの
容量可変幅は限られていて、この可変容量ダイオードに
対する制御電圧の変化幅に応じて、発振周波数が所定の
周波数範囲で変化するような特性が要求される。しか
し、発振回路の発振周波数を決定する共振回路の各素子
の（特にコンデンサＣ１０とストリップラインＬ１のイ
ンピーダンス）の値のばらつきによって、上記可変容量
ダイオードに対する制御電圧の変化範囲と発振周波数の
変化範囲との関係は必ずしも設計通りにはならない。そ
こで、図８においてＬ１で示したストリップラインの一
部をレーザトリミング等により削除することによって、
そのインダクタンス成分を変化させ、共振回路の共振周
波数を調整し、このことによって発振周波数を調整する
ようにしていた。

【０００５】例えば、図９に示すように、ストリップラ
インの先端をスルーホールを介して接地し、このストリ
ップラインの他方の端部（コンデンサＣ１０，Ｃ８等を
接続する側の根本部）の線幅を細くする方向にトリミン
グする。これにより、ストリップラインのインダクタン
ス成分が増大し、発振周波数は低下方向に変位する。

【０００６】ここで、ＬＣ並列共振回路の各素子の値の
ばらつきと、そのばらつきによるトリミング前の初期の
発振周波数のばらつきとの関係を図１０に示す。図１０
の横軸はＬＣ並列共振回路の共振周波数を決定する容量
成分とインダクタンス成分による値であり、例えば１／
√（ＬＣ）に相当する値である。この値は、上記共振回
路を構成するコンデンサの静電容量（以下、単に「容
量」という。）とストリップラインのインピーダンスの
ばらつきによって定まる。縦軸は可変容量ダイオードＶ
Ｄに対する制御電圧を一定とした状態での、トリミング
前の初期の発振周波数である。

【０００７】図９に示したように、ストリップラインの
トリミングによってそのインダクタンス成分を増大させ
る方向に調整する方法では、発振周波数を低下する方向
にしか調整ができないので、上記コンデンサの容量やス
トリップラインの寸法のばらつきによってとり得る初期
周波数が、目標とする周波数範囲（図１０に示す「調整
目標の上限」から「調整目標の下限」までの周波数範
囲）より高くなるように、各コンデンサの値およびスト
リップラインＬ１の初期パターンを定めている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
従来の電圧調整発振器の周波数調整方法では、発振周波
数を低下方向にしか調整できないので、調整前の初期の
発振周波数のばらつき範囲の中心を、目標とする周波数
範囲の中心よりも高く設定せざるを得ず、トリミングに
よる周波数調整を必要とする確率が大きくなり、しかも
その調整量も全体に大きなものとなってしまう。図１０
に示した例では、ハッチングで示す範囲の容量を有する
コンデンサを用いた場合にトリミングが必要となり、コ
ンデンサの容量が小さいものである程、調整量が増大し
てしまう。また、トリミングを長時間行うと、ストリッ
プラインが炭化してストリップラインのＱが劣化し、フ
ェイズノイズ（位相雑音）が劣化するので、電圧制御発
振器として不良品になる場合も生じる。そのため、全体
の良品率が低下するという問題があった。

【０００９】上記構成の電圧制御発振器において、複数
のサンプルについて、初期の発振周波数を目標周波数範
囲に収めるまでに要した時間と、その周波数調整量およ
びフェイズノイズの劣化について測定した結果を次に示
す。

【００１０】 〔表１〕 ───────────────────────────────── 周波数帯 調整時間 周波数調整量 フェイズノイズ劣化 ───────────────────────────────── ２ＧＨｚ帯 ４秒 ７０ＭＨｚ ２〜３ｄＢ ４ＧＨｚ帯 ４秒 １４０ＭＨｚ ３〜５ｄＢ ───────────────────────────────── この発明の目的は、上述の問題を解消して、無調整で済
む確率を高め、周波数調整に要する時間を短縮化し、フ
ェイズノイズの劣化を抑えた電圧制御発振器とそれを用
いた通信装置および電圧制御発振器の発振周波数調整方
法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明の電圧制御発振
器は、ストリップラインを含む共振回路を備えた電圧制
御発振器において、前記ストリップラインの一方の端部
付近に、先端を開放したスタブを設ける。このように先
端開放のスタブをストリップラインの一方の端部付近に
設けたことにより、スタブが主としてキャパシタとして
作用し、ストリップラインは主としてインダクタとして
作用する。

【００１２】例えば、前記ストリップラインの前記スタ
ブの設けていない端部を接地して、前記共振回路を、コ
ンデンサと前記ストリップラインのインダクタンスとを
含むＬＣ並列共振回路とする。

【００１３】また、前記発振回路をコンデンサと前記ス
トリップラインのインダクタンスとを含むＬＣ直列共振
回路とする。

【００１４】上記ストリップラインのトリミングによっ
てインダクタンスを増大させれば、共振回路の共振周波
数が低下し、このことにより発振周波数を低下方向に調
整でき、スタブの開放端をトリミングすることによって
そのキャパシタンスを低下させれば、共振回路の共振周
波数が上昇し、このことにより発振周波数を上昇方向に
調整できるようになる。

【００１５】上記の共振回路がＬＣ並列共振回路であっ
ても、ＬＣ直列共振回路であっても、ストリップライン
のトリミングによって、そのインダクタンスを増大方向
に変化させ、またスタブのトリミングによってそのキャ
パシタンスを減少方向に調整できるので、発振周波数を
上昇・下降両方向に調整可能となる。

【００１６】この発明の電圧制御発振器は、前記共振回
路の共振周波数を１．３〜１０ＧＨｚの範囲とする。こ
の周波数帯では、電圧制御発振器を構成する面積が小さ
くても、発振周波数のばらつきを抑えるだけの調整量が
得られるスタブを設けることができる。

【００１７】この発明の通信装置は、上記の構成を備え
た電圧制御発振器を用いて、例えば局部発振回路のＰＬ
Ｌ回路を設けることなどにより構成する。

【００１８】この発明の発振周波数調整方法は、上記の
電圧制御発振器において、前記共振回路のコンデンサの
静電容量のばらつきによる発振周波数のばらつきの範囲
内に、目標とする発振周波数の範囲が入るように、前記
コンデンサの静電容量の代表値と前記ストリップライン
およびスタブの初期寸法を定め、発振周波数が所定値よ
り低いとき、前記ストリップラインをトリミングし、発
振周波数が所定値より高いとき、前記スタブの開放端部
をトリミングする。

【００１９】このことにより、トリミング前の初期状態
で発振周波数が目標とする範囲内に入っている確率が高
くなり、また調整が必要となる程コンデンサの容量値が
代表値より大きくずれている場合でも、ストリップライ
ンまたはスタブのわずかなトリミングによって発振周波
数が目標範囲内に入るので、調整に要する時間が短縮化
される。さらに、このトリミング時間の短縮化によって
ストリップラインのＱの劣化がなく、フェイズノイズの
劣化による特性不良が生じる確率も低下する。

【００２０】

【発明の実施の形態】第１の実施形態である電圧制御発
振器の構成を図１〜図３を参照して説明する。図１は電
圧制御発振器の回路図である。図１において発振段は、
コルピッツ型発振回路の変形による発振回路であり、コ
ンデンサＣ６，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９，Ｃ１０と可変容量ダ
イオードＶＤ、ストリップラインＬ１、スタブＳ１およ
びトランジスタＱ２により発振回路の主要部を構成して
いる。トランジスタＱ１はバッファ段としてのトランジ
スタであり、トランジスタＱ１のコレクタにストリップ
ラインＬ３を介して電源電圧を印加し、トランジスタＱ
２のエミッタからの出力信号をコンデンサＣ５を介して
トランジスタＱ１のベースに入力している。

【００２１】抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３はトランジスタＱ
１，Ｑ２のベースバイアス回路を構成している。Ｃ４は
バイパスコンデンサであり、トランジスタＱ２のコレク
タを高周波的に接地することにより、コンデンサＣ６を
トランジスタＱ２のコレクタ−エミッタ間に等価的に接
続している。可変容量ダイオードＶＤには、ストリップ
ラインＬ２を介して、コントロール端子から制御電圧が
印加される。この制御電圧に応じて静電容量が変化し、
このことにより発振周波数が変化する。なお、Ｃ１，Ｃ
１１は高周波バイパス用コンデンサである。

【００２２】図１に示したように、ストリップラインＬ
１の一端は接地し、他端にスタブＳ１を設けている。ス
トリップラインＬ１は、そのインダクタンス成分を利用
し、スタブＳ１は接地との間に生じるキャパシタンスを
利用する。

【００２３】この例では、コンデンサＣ１０、コンデン
サＣ９と可変容量ダイオードＶＤとの直列回路、および
スタブＳ１と接地との間に生じる静電容量が、ＬＣ並列
共振回路のキャパシタンス成分として作用し、ストリッ
プラインＬ１のインダクタンス成分が、ＬＣ並列共振回
路のＬとして作用する。したがってストリップラインＬ
１のトリミングによって、そのインダクタンス成分が増
すことにより共振周波数が低下し、発振周波数が低下す
ることになる。またスタブＳ１のトリミングによって共
振周波数が上昇し、発振周波数が上昇することになる。

【００２４】図２は上記ストリップラインとスタブ部分
の構成を示す電極パターンの例である。ストリップライ
ンＬ１の一方の端部には、スルーホールを介して接地し
て（基板の裏面側の接地電極に導通させて）いる。ま
た、このストリップラインの他方の端部付近には先端開
放のスタブＳ１を突出させている。

【００２５】Ａで示す範囲内で矢印で示す方向にトリミ
ングラインを入れる（レーザ光のスポットをスキャンさ
せる）ことによってスタブの開放端を除去すれば、上述
した通り、スタブのキャパシタンス成分が減少し、発振
周波数が上昇する。またＢで示す範囲内の矢印方向にト
リミングして、ストリップラインの線路幅を狭くすれ
ば、ストリップラインのインダクタンス成分が増大し、
これにより発振周波数が低下する。

【００２６】ここで、ストリップラインＬ１の長さを３
ｍｍ、幅を１ｍｍとし、スタブＳ１の長さを２ｍｍ、幅
を１．５ｍｍとし、スタブＳ１を全て削除すると、周波
数が６５ＭＨｚだけ高くなり、ストリップラインＬ１の
Ｂ部分を最大量削除すると、周波数が８０ＭＨｚだけ低
くなるようにしている。

【００２７】この実施形態の電圧制御発振器は、試作に
より、コンデンサ（特にＣ１０）の容量のばらつきによ
り、１４０ＭＨｚの範囲でばらつくことが分かってい
る。上記の例では、６５＋８０＝１４５ＭＨｚの調整幅
があるので、この調整量で周波数ばらつきの１４０ＭＨ
ｚをカバーでき、量産する上で十分な良品が確保でき
る。

【００２８】図３は図１に示したＬＣ並列共振回路の共
振周波数を決定する各コンデンサの容量とストリップラ
インＳ１のインピーダンスのばらつきによる、トリミン
グ前の初期の発振周波数のばらつき範囲と、調整目標と
する周波数範囲との関係を示す図である。図１０に示し
たものと同様に、その横軸はＬＣ並列共振回路の共振周
波数を決定する容量成分とインダクタンス成分による値
であり、縦軸は可変容量ダイオードＶＤに対する制御電
圧を一定とした状態での、トリミング前の初期の発振周
波数である。

【００２９】上述のように、周波数の下降方向の調整幅
は８０ＭＨｚ、上昇方向の調整幅は６５ＭＨｚであるの
で、周波数調整前の周波数の分布の中心が、調整目標で
ある１．８ＧＨｚに対して８０−６５＝１５ＭＨｚだけ
高い１８１５ＭＨｚになるように、共振回路の各コンデ
ンサと可変容量ダイオードＶＤの容量、ストリップライ
ンＬ１およびスタブＳ１のパターンを予め設計してお
く。

【００３０】このように共振回路の各コンデンサの容量
のばらつき、およびストリップラインＬ１のインピーダ
ンスのばらつきによる初期発振周波数のばらつき範囲内
に調整目標の範囲が入るように、各コンデンサの代表値
とストリップラインＬ１およびスタブＳ１の寸法を定め
ることにより、各コンデンサの容量のばらつき範囲の広
い範囲にわたって、無調整で発振周波数が調整目標範囲
内に入ることになり、調整工数が著しく削減できる。し
かも発振周波数が調整目標範囲から外れている場合で
も、その調整量は僅かで済む。例えばコンデンサＣ２の
容量が代表値より大きく離れて高い値であり、（ａ）で
示すハッチングのように初期の発振周波数が調整目標の
下限を下回っている時でも、図２に示したスタブのＡ部
分のトリミングによって発振周波数をわずかに上昇させ
るだけで、初期の発振周波数を調整目標の範囲内に収め
ることができる。また（ｂ）で示すハッチングのように
初期の発振周波数が調整目標の上限を上回っている時に
は、図２に示したストリップラインのＡ部分のトリミン
グによって発振周波数をわずかに低下させるだけで、初
期の発振周波数を調整目標の範囲内に収めることができ
る。

【００３１】上記構成の電圧制御発振器において、複数
のサンプルについて、初期の発振周波数を目標周波数範
囲に収めるまでに要した時間と、周波数調整の不要な割
合およびフェイズノイズの劣化について測定した結果を
次に示す。

【００３２】 図４は第２の実施形態に係る電圧制御発振器におけるス
トリップラインおよびスタブ部分の電極パターンの例を
示す図である。図２に示した例ではストリップライン部
分のトリミング方向とスタブ部分のトリミング方向とが
異なっていたが、この図４に示すように、ストリップラ
インのＢで示す部分のトリミング方向とスタブのＡで示
す部分のトリミング方向とを同一方向となるようにスト
リップラインのパターンを定めておくことによって、ト
リミング調整機による調整が容易となる。

【００３３】次に、第３の実施形態に係る電圧制御発振
器の構成を図５および図６を参照して説明する。この電
圧制御発振器は、その共振回路部分をＬＣ直列共振回路
で構成している。すなわち、図５においてコンデンサＣ
１０，Ｃ９および可変容量ダイオードＶＤのキャパシタ
ンスとストリップラインＬ１のインダクタンスとによっ
てＬＣ直列共振回路を構成している。スタブＳ１は等価
的に接地との間にキャパシタンスを構成するため、その
値によってＬＣ直列共振回路のＣ成分を変化させること
になる。図５におけるその他の回路部分は図１に示した
ものと同様である。

【００３４】図６は上記ストリップラインとスタブ部分
の電極パターンの例を示す図である。スタブＳ１のＡで
示す開放端部分をトリミングすることにより、ＬＣ直列
共振回路のＣ成分が減少し、これにより発振周波数を上
昇方向に調整できる。またストリップラインＬ１のＢで
示す部分をトリミングすることによって、ＬＣ直列共振
回路のＬ成分が増大し、これにより発振周波数を低下方
向に調整できる。

【００３５】ここで、ストリップラインＬ１の長さを
１．３５ｍｍ、幅を０．５ｍｍとし、スタブＳ１の長さ
を１．２ｍｍ、幅を０．５ｍｍとし、スタブＳ１を全て
削除すると、周波数が１３０ＭＨｚだけ高くなり、スト
リップラインＬ１のＢ部分を最大量削除すると、周波数
が１５０ＭＨｚだけ低くなるようにしている。

【００３６】この実施形態の電圧制御発振器は、試作に
より、コンデンサ（特にＣ１０）の容量のばらつきによ
り、２７０ＭＨｚの範囲でばらつくことが分かってい
る。上記の例では、１３０＋１５０＝２８０ＭＨｚの調
整幅があるので、この調整量で周波数ばらつきの２７０
ＭＨｚをカバーでき、量産する上で十分な良品が確保で
きる。

【００３７】上述のように、周波数の下降方向の調整幅
は１５０ＭＨｚ、上昇方向の調整幅は１３０ＭＨｚであ
るので、周波数調整前の周波数の分布の中心が、調整目
標である４．０ＧＨｚに対して１５０−１３０＝２０Ｍ
Ｈｚだけ高い４０２０ＭＨｚになるように、共振回路の
各コンデンサと可変容量ダイオードＶＤの容量、ストリ
ップラインＬ１およびスタブＳ１のパターンを予め設計
しておく。

【００３８】このように共振回路のコンデンサの容量の
ばらつき、およびストリップラインＬ１のインピーダン
スのばらつきによる初期発振周波数のばらつき範囲内に
調整目標の範囲が入るように、各コンデンサの代表値と
ストリップラインＬ１およびスタブＳ１の寸法を定める
ことにより、各コンデンサの容量のばらつき範囲の広い
範囲にわたって、無調整で発振周波数が調整目標範囲内
に入ることになり、調整工数が著しく削減できる。しか
も初期の発振周波数が調整目標範囲から外れている場合
でも、その調整量は僅かで済む。

【００３９】上記構成の電圧制御発振器において、複数
のサンプルについて、初期の発振周波数を目標周波数範
囲に収めるまでに要した時間と、周波数調整の不要な割
合およびフェイズノイズの劣化について測定した結果を
次に示す。

【００４０】 次に、通信装置の構成例をブロック図として図７に示
す。図７においてＶＣＯは電圧制御発振器である。ＰＬ
Ｌ−ＩＣはＰＬＬ制御用回路であり、ＶＣＯの出力信号
を入力し、温度補償水晶発振回路ＴＣＸＯの発振信号と
位相比較し、所定の周波数および位相となるように制御
信号を出力する。ＶＣＯはローパスフィルタＬＰＦを介
して制御電圧をコントロール端子で受けて、その制御電
圧に応じた周波数で発振する。この発振出力信号はミキ
サＭＩＸａおよびＭＩＸｂにそれぞれ局部発振信号とし
て与えられる。ミキサ回路ＭＩＸａは送信回路Ｔｘから
出力される中間周波信号と局部発振信号とを混合して送
信周波数信号に周波数変換する。この信号は増幅回路Ａ
ＭＰａで電力増幅されてデュプレクサＤＰＸを介しアン
テナＡＮＴから放射される。アンテナＡＮＴからの受信
信号はデュプレクサＤＰＸを介して増幅回路ＡＭＰｂで
増幅される。ミキサ回路ＭＩＸｂは、増幅回路ＡＭＰｂ
の出力信号と上記局部発振信号とを混合して中間周波信
号に変換する。受信回路Ｒｘはこれを信号処理すること
により受信信号を得る。

【００４１】上記通信装置における電圧制御発振器ＶＣ
Ｏは、そのフェイズノイズ特性が優れたものであるた
め、隣接チャンネル選択度、相互変調特性といった通信
装置の重要性能項目の特性が向上する。

【００４２】

【発明の効果】請求項１に記載の電圧制御発振器によれ
ば、ストリップラインとスタブのトリミングによって、
発振周波数を上昇・下降の両方向に調整可能となるた
め、発振周波数を調整目標周波数の範囲内に速やかに調
整できるようになり、生産性が向上する。

【００４３】請求項２に記載の電圧制御発振器によれ
ば、ストリップラインとスタブの長さが長くなくても、
発振周波数のばらつきを抑えるだけの量を調整すること
ができ、良品率を容易に高めることができる。

【００４４】請求項３に記載の通信装置によれば、フェ
イズノイズの少ない電圧制御発振器を局部発振器に用い
ることにより、隣接チャンネル選択度、相互変調特性と
いった通信装置の重要性能項目の特性が向上する。

【００４５】請求項４に記載の電圧制御発振器によれ
ば、トリミング前の初期状態で発振周波数が目標とする
範囲内に入っている確率が高くなり、また調整が必要と
なる程コンデンサの容量値が代表値より大きくずれてい
る場合でも、ストリップラインまたはスタブのわずかな
トリミングによって発振周波数が目標範囲内に入るの
で、調整に要する時間が短縮化される。さらに、このト
リミング時間の短縮化によってストリップラインのＱの
劣化がなく、フェイズノイズの劣化による特性不良が生
じる確率も低下する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る電圧制御発振器の回路図

【図２】同電圧制御発振器におけるストリップラインお
よびスタブ部分の電極パターンの例を示す図

【図３】同電圧制御発振器におけるコンデンサ容量等の
ばらつきのよる初期発振周波数のばらつき範囲と調整目
標の範囲との関係を示す図

【図４】第２の実施形態に係る電圧制御発振器における
ストリップラインおよびスタブ部分の電極パターンの例
を示す図

【図５】第３の実施形態に係る電圧制御発振器の回路図

【図６】同電圧制御発振器におけるストリップラインお
よびスタブ部分の電極パターンの例を示す図

【図７】第４の実施形態に係る通信装置の構成を示すブ
ロック図

【図８】従来の電圧制御発振器の回路図

【図９】同電圧制御発振器におけるストリップラインの
パターンおよびそのトリミングの例を示す図

【図１０】同電圧制御発振器におけるコンデンサ容量等
のばらつきのよる初期発振周波数のばらつき範囲と調整
目標の範囲との関係を示す図

【符号の説明】

ＶＤ−可変容量ダイオード ＡＮＴ−アンテナ ＤＰＸ−デュプレクサ ＶＣＯ−電圧制御発振器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ストリップラインを含む共振回路を備え
   た電圧制御発振器において、 前記ストリップラインの一方の端部付近に、先端を開放
   したスタブを設けて成る電圧制御発振器。
2. 【請求項２】 前記共振回路の共振周波数を１．３〜１
   ０ＧＨｚの範囲とした請求項１に記載の電圧制御発振
   器。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の電圧制御発振
   器を設けた通信装置。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載の電圧制御発振
   器において、前記共振回路の各コンデンサの静電容量と
   前記ストリップラインおよびスタブの寸法のばらつきに
   よる発振周波数のばらつきの範囲内に、目標とする発振
   周波数の範囲が入るように、前記コンデンサの静電容量
   の代表値と前記ストリップラインおよびスタブの初期寸
   法を定め、発振周波数が所定値より低いとき、前記スト
   リップラインをトリミングし、発振周波数が所定値より
   高いとき、前記スタブの開放端部をトリミングする発振
   周波数調整方法。