JP2005286706A

JP2005286706A - 逓倍発振器およびそれを用いた送受信モジュール

Info

Publication number: JP2005286706A
Application number: JP2004097959A
Authority: JP
Inventors: Kazusuke Yanagisawa; 和介柳沢; Fusao Sekiguchi; 房雄関口
Original assignee: Yokowo Co Ltd; Yokowo Mfg Co Ltd
Current assignee: Yokowo Co Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】誘電体共振器を用いた消費電力の小さいトランジスタを利用して、２０ＧＨｚ以上の高周波数帯を安定して発振させることができる安価な逓倍発振器およびそれを用いた送受信モジュールを提供する。
【解決手段】誘電体共振器１１の共振周波数である第１周波数ｆ₁で発振するように、トランジスタＱが誘電体共振器１１の近傍に形成されることによりトランジスタ発振器１が形成され、そのトランジスタ発振器１の出力部Ｃに、第１周波数ｆ₁の整数倍である第２周波数ｆ₂で直列共振する第１の共振器２が直列に接続され、トランジスタ発振器１の出力部Ｃとアースとの間に第２周波数ｆ₂で並列共振する第２の共振器３が電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、２０ＧＨｚ以上のマイクロ波帯やミリ波帯などにおいて、測距装置やドップラーレーダなどに用いられる逓倍発振器およびそれを用いたマイクロ波やミリ波帯の送受信モジュールに関する。さらに詳しくは、小型で安価に得られながら、発振周波数が安定した高周波数帯が得られる逓倍発振器およびそれを用いた送受信モジュールに関する。

マイクロ波を用いた測距装置やスピード検出などのためのドップラーレーダは、１０.５ＧＨｚ程度と２４.１５ＧＨｚ程度の周波数帯が用いられている。従来のマイクロ波の発生技術として、１０.５ＧＨｚ帯程度の発振器としては、バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタなどのトランジスタ発振器が用いられている。このトランジスタ発振器は、誘電体共振器の共振周波数で共振するように形成されるため、非常に安定した発振周波数で発振するという利点がある。一方、２４.１５ＧＨｚ帯を用いた測距装置やスピード検出などの発振器としてはガンダイオード発振器が一般的に用いられている。これはつぎの理由による。すなわち、誘電体共振器を用いて余り高い周波数で基本発振周波数の発振器を形成することは、誘電体共振器、電子部品や回路構成などが非常に小さくなり、所望の発振器を形成することが容易でないこと、トランジスタ自身も高い周波数で発振させるにはトランジスタの選択肢が狭まることや、高出力が得られなくなること、などの問題があるのに対して、ガンダイオード発振器は２４.１５ＧＨｚ帯の発振器でも、容易に高出力の発振器が得られるからである。

しかし、ガンダイオード発振器は、キャビティ（構造物）を用いた共振器を利用するため、温度変化によりキャビティの容積が変化し、発振周波数が温度に依存して不安定になる。これを改善するため、温度補償型キャビティを形成することで安定した発振周波数が得られるが、温度補償型キャビティを形成するには、キャビティの一部に温度係数の小さなインバー合金材などを用いることが必要で、高価な発振器になるという問題がある。

一方、従来から低い周波数で発振した発振器の周波数を逓倍により高くして高い発振周波数を得る方法は行われている。この逓倍発振器は、一般には、発振器の出力に増幅器またはダイオードを接続し、その非線形になる部分を用いて高調波を発生させ、その高調波成分から必要な周波数成分を取り出すという方式が用いられている。

前述のように、１０ＧＨｚ帯程度の周波数では、誘電体共振器を用いたトランジスタ発振器が一般に安価で小型化されたものとして用いられているが、２０ＧＨｚ帯以上ではガンダイオード発振器が用いられている。しかし、ガンダイオード発振器では、前述のように温度補償型キャビティを用いないと安定した周波数が得られず、非常に高価になると共に、消費電力も大きくなるという問題がある。従来の業務用通信機器や業務用測距装置や業務用ドップラーレーダなどに用いる場合には、少々高くても性能の優れたガンダイオード発振器が用いられている。しかし、近年の傾向では測距装置や移動体の検出や速度の検出をするためのドップラーレーダなどにおいても、距離情報の分解能向上や電波の直進性に優れた電波であること、小型化できることなどの理由で、電波の周波数が２０ＧＨｚ以上の高い周波数になる傾向にあり、これらの高い周波数においても、安価で、低消費電流で、しかも安定した高い周波数帯の発振器が要望されている。

一方、従来の逓倍発振器で、２０ＧＨｚ以上の高周波数帯の発振器を製造しようとすると、逓倍回路による複雑な回路構成になり、部品点数や回路面積の増大化により小型化ができない。また、増大化することにより高価な製品になるという問題があり、実現することが難しい。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、誘電体共振器を用いた消費電力の小さいトランジスタを利用して、２０ＧＨｚ以上の高周波数帯を安定して発振させることができる安価な逓倍発振器およびそれを用いた送受信モジュールを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、測距装置やドップラーレーダなどに用いることができる送受信モジュールを提供することにある。

本発明による逓倍発振器は、誘電体共振器、および該誘電体共振器の共振周波数である第１周波数で発振するように前記誘電体共振器の近傍に形成されたトランジスタからなるトランジスタ発振器と、該トランジスタ発振器の出力部に直列に接続され、前記第１周波数の整数倍である第２周波数で直列共振する第１の共振器と、前記トランジスタ発振器の出力部とアースとの間に電気的に接続され、前記第２周波数で並列共振する第２の共振器とからなっている。ここに電気的に接続とは、直接出力部に接続される場合の他にたとえばＤＣカット用のキャパシタなどを介して接続される場合も含む意味である。

本発明による送受信モジュールは、請求項１記載の逓倍発振器の出力部とアースとの間に検波用ダイオードが接続され、該出力部がアンテナ接続端子とされている。

この構成にすることにより、トランジスタは誘電体共振器の共振周波数で発振するため、非常に安定した周波数で発振をし、そのトランジスタで発振した第１周波数の出力は、第２周波数の直列共振器とアースとの間に接続された第２の並列共振器で第１周波数は２つの共振回路の不整合により全反射してトランジスタに戻る。トランジスタに戻った出力は、トランジスタのコレクタ容量（コレクタ・エミッタ間の非線形抵抗）により高調波を生成し、その高調波が出力される。出力された高調波のうち、第２周波数と一致する高調波は、第２周波数の直列共振回路を通過し、出力としてアンテナ接続端子に供給される。第２周波数以外の高調波または発振したままの第１周波数の出力は、前述と同様に第２周波数の直列共振回路で全反射してトランジスタ側に戻り、同じことを繰り返し、第２周波数の出力のみが出力される。その結果、第２周波数の安定した発振器となる。

本発明では、誘電体共振器とバイポーラまたは電界効果型のトランジスタとにより安定した発振周波数の発振器を構成することができ、非常に安価で消費電力の少ない発振器が得られる。そして、その出力に分布定数によるコイルとキャパシタにより直列共振器と並列共振器を構成するだけで、所望の第２周波数の信号を得ることができる。現在、１０ＧＨｚ程度の誘電体共振器は得られており、その整数倍に逓倍することができるため、２０ＧＨｚ以上の高周波に対しても、非常に簡単な構成で安価に得ることができる。その結果、簡単な測距装置やドップラーレーダなどを構成するための送受信モジュールを２０ＧＨｚ以上の高周波で安価に得ることができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の逓倍発振器およびそれを用いた送受信モジュールについて説明をする。本発明による逓倍発振器は、その一実施形態の等価回路図が図１に示されるように、誘電体共振器１１の共振周波数である第１周波数ｆ₁で発振するように、トランジスタＱが誘電体共振器１１の近傍に形成されることによりトランジスタ発振器１が形成され、そのトランジスタ発振器１の出力部Ｃに、第１周波数ｆ₁の整数倍である第２周波数ｆ₂で直列共振する第１の共振器２が直列に接続され、トランジスタ発振器１の出力部Ｃとアースとの間に第２周波数ｆ₂で並列共振する第２の共振器３が電気的に接続されている。

トランジスタ発振器１は、図１に示される例では、バイポーラトランジスタＱと誘電体共振器１１とから形成されている。しかし、トランジスタＱは、バイポーラトランジスタでなくても、ＭＯＳ（電界効果）型トランジスタでも同様に形成することができる。バイポーラトランジスタＱは、トランジスタ発振器１の出力部となるコレクタＣにチョークコイルＣＨ₁を介して電源電圧Ｖ_Bに接続され、アースに接続されるエミッタＥとの間に電圧が印加される。トランジスタＱのベースＢは、トランジスタＱのコレクタＣとアースとの間に接続されるバイアス抵抗である第１および第２の抵抗Ｒ₁、Ｒ₂の接続点に接続され、バイアス電圧が印加されるように接続されている。このトランジスタＱの近傍に誘電体共振器１１が設けられ、トランジスタＱが誘電体共振器１１の共振周波数で発振するように配置されている。

なお、チョークコいるＣＨ₁は、発振した高周波出力が電源側に漏れないようにするもので、電源側の交流ノイズがトランジスタＱに入り込まないように、電源端子側にキャパシタＣ₀がアースとの間に接続されている。誘電体共振器１１は、一般的な国内外で使用される衛星放送受信用ローノイズダウンコンバータの局部発振器内に用いられる安価な誘電体共振器の共振周波数を所望な周波数に変更した共振器を用いることができる。たとえば２４.５ＧＨｚ程度の発振をさせる場合には、１２.２５ＧＨｚで共振する誘電体共振器が用いられる。

第１共振器２は、コイルＬ₁とキャパシタＣ₁とが直列に接続され、誘電体共振器１１の共振周波数ｆ₁の整数倍、たとえば２倍の周波数ｆ₂（たとえば２４.５ＧＨｚ）で直列共振するように、コイルＬ₁とキャパシタＣ₁のインダクタンスおよびキャパシタンスが設定され、直列に接続されることにより形成されている。この直列共振回路からなる第１の共振器２がトランジスタ発振器１の出力部Ｃに直列に接続されている。図１に示される例では、トランジスタ発振器１の出力部Ｃに直流カット用のキャパシタＣ₃を介して接続され、その出力側は接続されるアンテナが直流的に接続されている場合があるために、直流カット用にキャパシタＣ₄を介してアンテナ８に接続されている。なお、７は接続端子である。その結果、この第１の共振器２は、第２周波数ｆ₂は通過させるが、他の周波数に対しては反射させて通過させない。

第２の共振器３は、コイルＬ₂とキャパシタＣ₂とが並列に接続され、前述の第２周波数ｆ₂（たとえば２４.５ＧＨｚ）で並列共振するように、コイルＬ₂とキャパシタＣ₂のインダクタンスおよびキャパシタンスが設定され、トランジスタ発振器１の出力部Ｃとアースとの間に電気的に接続されている。図１に示される例では、前述のようにトランジスタ発振器１の出力側に直流カット用のキャパシタＣ₃を介して接続されている。この並列共振回路がアースとの間に接続されることにより、第２周波数の発振出力がアース側に漏れることがなく、全て出力側のアンテナ接続端子７側に送られる。

図１に示される例では、送受信モジュールの例が示されており、逓倍発振器の出力部、すなわち第１の共振器２の出力側にコイルＬ₄とダイオードＤがコイルＬ₃およびキャパシタＣ₅を介してアースとの間に接続されている。このコイルＬ₄は、ダイオードＤの直流的なアースをするためのものである。また、コイルＬ₃とキャパシタＣ₅は、高周波信号を阻止して出力端子ＯＵＴに取り出すために設けられている。コイルＬ₃とキャパシタＣ₅との接続部は抵抗Ｒ₃を介してアースに接続されている。ることにより、受信ダイオード部６が形成されている。この抵抗Ｒ₃は、ダイオードに流れる直流電流を制御するために用いられることにより、受信ダイオード部６が形成されている。出力端子ＯＵＴから取り出した出力が、図示しない受信回路に供給され、たとえば送信信号と受信信号との位相差などを検出することにより、対象物のスピードなどを検出するものである。

つぎに、この構成の逓倍発振器の動作について説明をする。図１に示される構成で、電源Ｖ_BによりトランジスタＱに電源を印加すると、印加される初期状態では、トランジスタＱの動作は不安定であり、そのときのコレクタＣに出力された信号が誘電体共振器７を介してベースＢに正帰還され不安定な発振信号がコレクタＣに出力される。トランジスタＱの動作が安定すると安定な状態に近づき、さらに誘電体共振器１１を介してベースＢに帰還される。この繰り返しで安定した発振動作になる。また、誘電体共振器１１の固有な周波数で永遠な正帰還であるため、その共振周波数（たとえば１２.２５ＧＨｚ）で安定した発振が得られる。トランジスタＱで発振した出力は、そのコレクタＣから出力され、第１および第２の共振器２、３側に進む。第１の共振器２は、ｆ₂の周波数で共振する直列共振器であるため、伝送してくる電波の周波数が第２周波数でなければ透過することができず、反射されてしまう。また、第２の共振器３は第２周波数ｆ₂で並列共振をし、第２周波数ｆ₂を反射させる回路であるが、ｆ₂以外の周波数に対しては完全な反射にはならない。しかしアースに接続されており、一部が漏洩するだけで、大部分は反射される。

トランジスタＱでは、戻った第１周波数ｆ₁の電力がトランジスタＱのコレクタ容量のバラクタ効果（非線形容量）により高調波を発生させる。そして、たとえば２倍の第２周波数ｆ₂の電力は、第２の共振器３では反射され、第１の共振器２を透過して受信用ダイオードＤに一部が供給され、第２周波数ｆ₂の電力の大部分はアンテナ接続端子７に供給され、アンテナ接続端子７に接続されるアンテナ８から放射される。

すなわち、トランジスタ発振器１で発振した第１周波数ｆ₁の電力は第１の共振器２で反射してトランジスタＱに戻り、そのトランジスタＱのコレクタ容量の非線形により高調波を発生させ、高調波のうち、所望の第２周波数ｆ₂の電力のみが第１の共振器２を透過して利用され、それ以外の周波数の電力はトランジスタＱに戻って高調波を生成するという同様のプロセスを繰り返し、第２周波数ｆ₂の電力のみが取り出される。その結果、非常に安定した第２周波数ｆ₂の発振器として動作する。なお、この第２周波数ｆ₂は、２倍の周波数に限定されるものではなく、３倍、４倍など他の周波数でも第１および第２の共振器をその周波数で共振するようにインダクタンスおよびキャパシタンスを調整すればよい。また、第１周波数ｆ₁も、前述の１０.２５ＧＨｚに限定されず、所望の発振周波数の整数分の１の共振周波数となる誘電体共振器を用いることができる。

アンテナ８から放射された第２周波数ｆ₂の電力は、対象物により反射して再度アンテナ８により受信され、受信用ダイオードＤにより検出される。受信用ダイオードＤでは、ホモダイン検波が行われ、トランジスタ発振器１の出力の一部と受信信号の一部とが同時に受信され、両者の位相比較などが行われて、受信信号の情報が検出される。

この構成にすることにより、簡単な回路構成によりトランジスタ逓倍発振器を構成することができると共に、実用的な感度を達成することができ、なお、かつ、安価で非常に安定な送受信モジュールを構成することができる。

本発明は、マイクロ波やミリ波を利用した測距装置、ドップラーレーダなど、安価に近距離の測定を行う場合とか、移動物体の検出、速度の測定など簡単な計測装置に用いることができる。

本発明による逓倍発振器およびそれを用いた送受信モジュールの一実施形態の回路図でである。

符号の説明

１トランジスタ発振器
２第１の共振器
３第２の共振器
６受信ダイオード部
７アンテナ接続端子
８アンテナ
１１誘電体共振器

Claims

誘電体共振器、および該誘電体共振器の共振周波数である第１周波数で発振するように前記誘電体共振器の近傍に形成されたトランジスタからなるトランジスタ発振器と、該トランジスタ発振器の出力部に直列に接続され、前記第１周波数の整数倍である第２周波数で直列共振する第１の共振器と、前記トランジスタ発振器の出力部とアースとの間に電気的に接続され、前記第２周波数で並列共振する第２の共振器とからなる逓倍発振器。
請求項１記載の逓倍発振器の出力部とアースとの間に検波用ダイオードが接続され、該出力部がアンテナ接続端子とされてなる送受信モジュール。