JP2003023320A

JP2003023320A - 電圧制御発振器

Info

Publication number: JP2003023320A
Application number: JP2001208442A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Taniguchi; 智彦谷口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2003-01-24

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、周波数帯域の切り換え時に、発振
出力の特性に差が生じにくく、常に安定した発振状態を
得ることができ、且つ高周波化に対応できる電圧制御発
振器を提供する。【解決手段】本発明は、ストリップ線路４と誘導性で動
作する可変容量ダイオード３とコンデンサ５とから成る
共振回路を含む共振回路部Xと、負性抵抗回路部Ｙと、
増幅回路部Ｚとから成る電圧制御発振器手ある。前記可
変容量ダイオード３のアノードに、第2のストリップ線
路６、前記第2のストリップ線路６に並列的に共振周波
数帯域を切り換える制御信号が供給されるスイッチング
ダイオード８を配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、デュアル／トリプ
ルモード型携帯電話などの移動体通信機器に用いられ、
発振周波数の切り換え機能を有する電圧制御発振器に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】移動帯通信機器は、端末の小型・軽量
化、薄型化、低電圧化の要求が高まっており、その中に
搭載される電圧制御発振回路を備えた電圧制御発振器
も、軽薄短小化、低コスト対応の要求が高まっている。

【０００３】また、通信システムの多様化に伴い、異な
る２つの発振周波数帯域を出力する電圧制御発振器にお
いても、回路規模を小さくし、部品点数を少なくする回
路構成が提案されている。

【０００４】また、移動体通信機器メーカーはその問題
を解決しようと検討を行っており、その一つの解決法と
して主流になりつつあるのが、ダイレクトコンバージョ
ン方式である。

【０００５】これは、移動体通信機器の通信方式におい
て、従来、スーパーヘテロダイン方式と呼ばれ受信回路
において、受信波を一旦中間周波数に落としてから音声
信号に変換を行う方式に対して、受信波から直接音声信
号に変換を行う方式である。これは、ベースバンドICの
発達によりその方式が可能となった。これにより部品削
減が可能となる。また、この方式はマルチシステム対応
の回路には大きな効果を示す。このダイレクトコンバー
ジョン方式は、電圧制御発振器に関しては送受信用発振
器が一つで賄えるためより効果的である。マルチシステ
ムの場合、ダイレクトコンバージョン方式で採用される
電圧制御発振器は、3GHz帯の電圧制御発振器が主流にな
りつつある。

【０００６】しかしこの電圧制御発振器の特徴は周波数
が高いということに加えて、周波数範囲が非常に広く40
0MHz必要としている。これはデュアルシステム対応を例
にした場合で、これがトリプルまたそれ以上となった場
合は、周波数範囲は更に広がることになる。さらに、電
圧制御発振器の発振周波数を制御する制御電圧感度が高
くなりつつある。

【０００７】この制御電圧感度が高くなると周波数をロ
ックさせる電圧制御発振器周辺のPLL回路の設計が非常
に困難となってくる。感度が非常に高いため周波数をロ
ックさせるのに非常に時間を有してしまい、その結果、
信端末上問題が生じるため、また、PLL‐ＩＣにて対応
する制御電圧感度の範囲に限界があるため、改善が出来
ない。

【０００８】このように周波数範囲をカバーしつつ、安
定したＰＬＬ回路を構成するためには、周波数制御感度
を低く設定するため、周波数シフト機能を有した電圧制
御発振器が必要である。

【０００９】電圧制御発振器は、図２に示す一部ブロッ
ク回路図に示すように、ストリップ線路と可変容量ダイ
オードとコンデンサとから成る共振回路を含み、前記可
変容量ダイオードに外部電圧を供給して共振周波数を制
御する共振回路部Ｘと、共振回路部の共振周波数に基づ
いて発振信号を出力する発振用トランジスタを含む負性
抵抗回路部Yと、発振信号を増幅する増幅用トランジス
タを含む増幅回路部Zとから構成されている。

【００１０】そして、図４に示す共振回路部Ｘには、所
定共振周波数帯域に切り換えることができるようにして
いた。具体的には、２つの共振周波数を考慮して、スト
リップ線路を２線路４５、４６に分割して、その分割点
とグランド電位との間にスイッチングダイオード５０を
接続し、このスイッチングダイオード５０をON／OFF制
御していた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の電圧制御発振器
のＬＣ共振回路のインダクタンス成分は、ストリップ線
路４５、４６で構成され、容量成分は、直流制限コンデ
ンサ４４、可変容量ダイオード４３の直列容量成分とコ
ンデンサ４６の容量成分との合成容量成分で構成されて
いた。

【００１２】しかし、例えば、３ＧＨｚを越える高周波
電圧制御発振器では、この可変容量ダイオード３が誘導
性で動作することから、安定した発振を行なうＬＣ共振
回路が構成できなくなる。これは、従来の回路方式で
は、可変容量ダイオードＤＶとコンデンサ４４が直列共
振を起こす。また、ストリップ線路４５とコンデンサ４
６が並列共振を起こす。このことから、共振回路として
は共振するものの、不安定となる。また、上述のスイッ
チングダイオード５０には、高周波特性に優れているPI
Nダイオードを用いることが多い。そして、このPINダイ
オードのスイッチングダイオード５０に電圧を加えて、
オープン（ＯＦＦ）、ショート（ＯＮ）の状態を利用し
て、共振周波数をシフトさせていた。

【００１３】しかし、スイッチングダイオード５０の特
性上、電圧を加えてショートさせた状態は、ＯＮ抵抗を
持ってしまい、共振回路のQ値劣化が発生してしまう。
また、オープン状態では、端子間容量が共振周波数に影
響を与える。このため、端子間容量が小さい方が望まし
い。即ち、スイッチングダイオード５０は、ＯＮ抵抗及
び端子間容量がともに小さいことが望ましい。しかし、
PINダイオードの構造上、スイッチングダイオード５０
の端子間容量とON抵抗は反比例の状態にあるため、ショ
ート、オープン状態で特性偏差を生じてしまう。

【００１４】即ち、発振周波数をシフトさせるにあた
り、各周波数帯での特性の偏差が発生してしまうことで
ある。両周波数帯で同等となる特性が望ましいが、共振
回路部で共振周波数をシフトさせる回路部の影響によ
り、シフト前後の発振周波数帯域で発振特性が変動（シ
フト切替の前後で、約５dBm程度の変動量が生じてしま
う。

【００１５】即ち、３ＧＨｚを越える高周波数におい
て、共振周波数を２つの帯域に切り換え可能なシフト型
電圧制御発振器が達成できなかった。

【００１６】本発明は、上述の問題点に鑑みて案出され
たものであり、その目的は、周波数帯域切り替え時に、
発振出力の特性に差が生じにくく、常に安定した発振状
態を得ることができ、且つ高周波化に対応できる電圧制
御発振器を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ストリップ線
路と発振周波数で誘導性で動作する可変容量ダイオード
とコンデンサとから成る共振回路を含み、前記可変容量
ダイオードに外部電圧を供給して共振周波数を制御する
共振回路部と、共振回路部の共振周波数に基づいて発振
信号を出力する発振用トランジスタを含む負性抵抗回路
部と、発振信号を増幅する増幅用トランジスタを含む増
幅回路部とから成る電圧制御発振器において、前記可変
容量ダイオードのアノードとグランド電位との間に第2
のストリップ線路を接続するとともに、前記第２のスト
リップ線路と並列接続され、且つ外部シフト電圧信号に
より共振周波数帯域を切り換えるスイッチングダイオー
ドを配置したことを特徴とする電圧制御発振器である。

【００１８】前記第２のストリップ線路の一端は、直流
制限用コンデンサを介してスイッチングダイオードのア
ノード及び共振周波数帯域を切り換える外部シフト電圧
信号が供給されるシフト端子に接続されているととも
に、前記第２のストリップ線路の他端及びスイッチング
ダイオードのカソードが夫々グランド電位に接続されて
いる。

【００１９】前記可変容量ダイオードのカソードは、前
記ストリップ線路、結合用コンデンサを介して負性抵抗
回路部に接続されているとともに、前記ストリップ線路
と結合用コンデンサとの接続点とグランド電位との間に
共振回路用コンデンサを配置した。

【作用】本発明では、共振回路部に設ける共振周波数切
り換え回路（以下、シフト回路Ｓ）を、誘導性で動作す
る可変容量ダイオードに接続されている。そして、シフ
ト回路を構成する第２のストリップ線路は、可変容量ダ
イオードのアノードとグランド電位のとの間に配置さ
れ、され、この第２のストリップ線路と並列によるスイ
ッチングダイオードが配置されている。

【００２０】誘導性で動作する可変容量ダイオードから
みた時の特性インピーダンスは、シフト端子にスイッチ
ングダイオードがＯＦＦとなる電圧（信号）を供給した
時、スイッチングダイオードには、端子間容量による容
量成分となる。そして、その端子容量と直流制限用コン
デンサ（直列的に接続されている）の合成容量と、第２
のストリップ線路との合成インピーダンスは、スイッチ
ングダイオードの端子間容量が微小であるため、高周波
領域（例えば、３GHz帯）でのインピーダンスは誘導性
として振る舞うことになる。

【００２１】また、シフト端子にスイッチングダイオー
ドがＯＮとなる電圧（信号）を供給した時、スイッチン
グダイオードの単体のインピーダンスは、高周波領域
（例えば、３GHz帯）で誘導性である。よって、第２の
ストリップ線路とスイッチングダイオードと直流制限用
コンデンサとの合成インピーダンスは、高周波領域では
誘導性である。

【００２２】このスイッチングダイオードのON ／ＯＦ
Ｆのインピーダンスの変化を利用して、周波数帯域を切
り替えることが可能であり、その変化量は、即ち、本発
明のインピーダンスは、第２のストリップ線路のインピ
ーダンスと、可変容量ダイオードＤＶのインピーダンス
となり、可変容量ダイオードＤＶのインピーダンス単体
の可変をそのまま使用することができ、従来の可変幅を
大きくとることができる。

【００２３】そして、ＰＩＮダイオードであるスイッチ
ングダイオードのインピーダンス、直流制限コンデン
サ、第2のストリップ線路にて任意に設計することが可
能である。

【００２４】特に、第２のストリップ線路とスイッチン
グダイオードとが互いに並列接続されているため、スト
リップ線路の抵抗成分との合成抵抗により、シスト回路
部における抵抗成分（インピーダンス成分）は、小さく
見える。

【００２５】よって、シフト端子に供給するシフト電圧
信号のＯＮ、ＯＦＦ時における発振出力特性の偏差は小
さくなる。

【００２６】これにより、共振回路部の特性差が生じな
く、安定した発振出力を得られることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の電圧制御発振器を
図面に基づいて詳説する。

【００２８】図１は、本発明の電圧制御発振回路を組み
込んだ高周波部品、例えば電圧制御発振器である。即
ち、高周波部品は、電圧制御発振回路以外に、その回
路、例えば通信回路の受信回路と一体的に多層回路基板
に形成される。図１において、多層基板１０の表面に
は、所定表面配線パターン１１以外に、電圧制御発振器
や他の回路を構成するスイッチングダイオード、バリキ
ャップダイオード、抵抗などの回路構成部品１２が形成
され、多層基板内には内部配線パターン以外に、各種コ
ンデンサを構成する容量電極やインダクタ導体となるス
トリップ線路、グランド電位導体膜が形成されている。
また、多層基板１０の表面に、インダクタ導体となるス
トリップ線路などを形成しても構わない。

【００２９】このような多層基板１０の端面には、各種
回路の端子となる端子電極１３が形成されている。

【００３０】このような多層回路基板１０に形成された
電圧制御発振回路は、図２に示すような一部ブロック回
路図に示す構成となっている。図２中のブロック回路部
である共振回路部Ｘは、図３に示す回路構成となってい
る。尚、本発明の電圧制御発振回路は、受信回路の制御
ICにダイレクコンバージョンタイプICが対応できとる高
周波電圧制御発振回路である。そして、幅広い周波数の
変化が可能なように、発振出力は、中心周波数で例え
は、３．６ＧＨｚ、３．７ＧＨｚの2つ共振周波数をシ
フトさせ、さらに、夫々の周波数帯域の一部が互いにオ
ーバーラップさせる。例えば、1つの共振周波数の中心
周波数から例えば±２００ＭＨｚで可変できるようにす
れば、全体として、３．４ＧＨｚ〜３．９ＧＨｚまでの
発振周波数が可能となる。

【００３１】図２において、Ｘは共振回路部であり、Ｙ
は負性抵抗回路部であり、Ｚは増幅回路部である。

【００３２】そして、共振回路部Ｘは、図３に示すよう
に、ストリップ線路４と、誘導性で動作する可変容量ダ
イオード３と、コンデンサ１、５、７、1０、インダク
タ素子２、第２のストリップ線路６、ＰＩＮダイオード
からなるスイッチングダイオード８、バイアス電圧抵抗
９とから構成され、さらに、可変容量ダイオード３に供
給される外部の制御電圧が入力される制御電圧端子Ｖ
Ｔ、スイッチングダイオード８に供給されるシフト電圧
が入力されるシフト端子Ｖｓを有する。便宜上、夫々の
電圧も端子と同一の符号を付す。尚、図３中、点線で囲
んだ第２のストリップ線路６、直流制限コンデンサ７、
バイアス電圧抵抗９、スイッチングダイオード８とでシ
フト回路Sを構成されている。

【００３３】負性抵抗回路部Ｙは、発振用トランジスタ
Ｔｒ１、各種コンデンサＣ５〜Ｃ７、各種抵抗Ｒ１〜Ｒ
３とから構成されている。

【００３４】また、増幅回路部Ｚは増幅用トランジスタ
Ｔｒ２、各種コンデンサＣ８〜Ｃ１１、各種抵抗Ｒ４、
インダクタンス素子Ｌ２とから構成されている。

【００３５】このような発振回路では、負性抵抗回路部
Ｙの発振用トランジスタＴｒ１のコレクタを高周波的に
接地すれば、ベースから見たインピーダンスは負性とな
り、そして、発振用トランジスタＴｒ１のべ一スに共振
回路部Ｘを、結合コンデンサ１０を介して接続し、他端
を接地すれば、この回路は共振回路部Ｘの振幅特性とト
ランジスタの負性利得が１以上で共振回路とトランジス
タの負性の位相角の和が２ｎπ（ｎは整数）となる条件
を溝たす周波数にて発振する。そして、この発振信号は
増幅用トランジスタＴｒ２に供給され、ここで増幅され
て出力瑞子ＯＵＴより発振出力される。

【００３６】上述の図３に示す共振回路部Ｘにおいて、
ＬＣ共振回路のインダクタンス成分は、結合用コンデン
サ１０からみて、ストリップ線路４、誘導性を動作する
可変容量ダイオード３、第２ストリップ線路６を含むシ
フト回路Ｓのインダクタンス成分の合成インダクタンス
となり、容量成分は、コンデンサ５となる。

【００３７】また、制御電圧端子から制御電圧ＶＴが供
給されると、誘導性で可変容量ダイオード３のインピー
ダンスが変化する。

【００３８】また、シフト回路Ｓは、可変容量ダイオー
ドのアノード端A(接続点Ａという)とクランド電位に、
第２のストリップ線路６が配置されている。また、接続
点Ａから、直流制限コンデンサ７、バイアス抵抗９を介
してシフト端子ＶＳが設けられている。

【００３９】また、このコンデンサ７と抵抗９との間
と、グランド電位との間には、第２のストリップ線路６
と並列にスイッチングダイオード８が配置されている。
尚、スイッチングダイオード８のアノードは、バイアス
抵抗９を介してシフト端子ＶＳに接続されている。ま
た、スイッチングダイオード８のカソードは、グランド
電位に接続されている。

【００４０】ここで、シフト端子にシフト電圧ＶＳを与
えることにより、スイッチングダイオード８がON状態と
なる。また、シフト電圧を供給した場合には、スイッチ
ングダイオード８はＯＦＦとなる。

【００４１】そして、スイッチングダイオード８がＯＦ
Ｆの時には、微小の端子間容量により容量性を有する。
また、スイッチングダイオード８がＯＮの時には、誘導
性で動作する。

【００４２】そして、シフト回路Ｓ全体からすると、ス
イッチングダイオード８がＯＦＦの時には、スイッチン
グダイオード８の容量と固定的な直流制限用コンデンサ
７の容量が直列的に合成されることになる。従って、ス
イッチングダイオード８のＯＦＦ状態においては、微小
の容量成分の発生は無視できる。

【００４３】また、スイッチングダイオード８がＯＮ時
には、上述のように誘導性となり、このインダクタンス
成分と並列関係の第２のストリップ線路６のインダクタ
ンス成分とが合成される。

【００４４】即ち、スイッチングダイオード８のオン時
のインダクタタンス成分が、ＬＣ共振回路のインダクタ
ンス成分、特に、第２のストリップ線路６に加算され、
スイッチングダイオード8のＯＮ−ＯＦＦでの共振周波
数の切り替えが可能となる。

【００４５】また、スイッチングダイオード８のＯＮ−
ＯＦＦによる抵抗成分を考える。スイッチングダイオー
ド８のＯＦＦ時のＬＣ共振回路のインピーダンス成分
は、互いに直列的に接続されたストリップ線路４、誘導
性で動作する可変容量ダイオード３、第２のストリップ
６のインピーダンスが相当する。ここで、ストリップ線
路４、誘導性で振る舞う可変容量ダイオード３のインピ
ーダンスは、共振周波数のシフト前後であっても変化し
ない。即ち、共振周波数のシフトによって変化するイン
ピーダンスは、第２のストリップ線路６を含むシフト回
路Ｓのインピーダンスだけである。しかし、本発明のシ
フト回路Ｓの構成では、第２のストリップ線路６とスイ
ッチングダイオード８とが互いに並列的に接続されてい
るため、インピーダンスの変化は実質的にないものであ
る。

【００４６】このシフト回路Ｓ部分でインピーダンスの
変化の有無を共振回路部Ｘ（結合用コンデンサ１０）で
の反射係数Γでみると、図５のようになる。即ち、共振
周波数のシフト前の周波数３．４ＧＨｚと、共振周波数
のシフト後の周波数３．９ＧＨｚにおいて、スミスチャ
ート上、略同一の軌跡をたどることが理解できる。

【００４７】これを実際の発振出力レベルでみると、図
６のようになる。即ち、本発明は、共振周波数帯の切り
換えにかかわらず，出力レベルが０〜１ｄＢｍと変動が
非常に小さい。

【００４８】尚、上述の実施例において、インダクタ導
体としてストリップ線路４、６を用いているが、多層基
板の内部にコイルパターンを形成してもよく、また、多
層基板の表面にマイクロストリップ線路やコイルパター
ンを形成しても構わない

【００４９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、周波数
帯域の切り換えを行なっても、発振出力の特性に特性差
がなく、常に安定した発振出力が得られるものとなる。
また、高周波対応で、且つ広い範囲での発振出力を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電圧制御発振器を含む多層回路基板の
外観斜視図である。

【図２】典型的な電圧制御発振器の部分ブロック回路図
である。

【図３】本発明の電圧制御発振器に用いる共振回路部の
回路図である。

【図４】従来の電圧制御発振器に用いる共振回路部の回
路図である。

【図５】本発明の電圧制御発振器における共振回路部の
反射特性を示す特性図である。

【図６】本発明の電圧制御発振器における発振出力の出
力レベルの差異を示す特性図である。

【符号の説明】

Ｘ共振回路部 Y 負性抵抗回路部Ｚ増幅回路部４ストリップ線路６第２のストリップ線路３可変容量ダイオード８スイッチングダイオード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ストリップ線路と可変容量ダイオードと
コンデンサとから成る共振回路を含み、前記可変容量ダ
イオードに外部電圧を供給して共振周波数を制御する共
振回路部と、共振回路部の共振周波数に基づいて発振信号を出力する
発振用トランジスタを含む負性抵抗回路部と、発振信号を増幅する増幅用トランジスタを含む増幅回路
部とから成る電圧制御発振器において、前記可変容量ダイオードのアノードとグランド電位との
間に第2のストリップ線路を接続するとともに、前記第
２のストリップ線路と並列接続され、且つ外部シフト電
圧信号により共振周波数帯域を切り換えるスイッチング
ダイオードを配置したことを特徴とする電圧制御発振
器。
【請求項２】前記第２のストリップ線路の一端は、直流
制限用コンデンサを介してスイッチングダイオードのア
ノード及び共振周波数帯域を切り換える外部シフト電圧
信号が供給されるシフト端子に接続されているととも
に、前記第２のストリップ線路の他端及びスイッチング
ダイオードのカソードが夫々グランド電位に接続されて
いることを特徴とする請求項１記載の電圧制御発振器。
【請求項３】前記可変容量ダイオードのカソードは、前
記ストリップ線路、結合用コンデンサを介して負性抵抗
回路部に接続されているとともに、前記ストリップ線路
と結合用コンデンサとの接続点とグランド電位との間に
共振回路用コンデンサを配置したことを特徴とする請求
項１記載の電圧制御発振器。