JP2008085958A - 共振器の結合回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の共振器では、共振周波数の微調整が困難であるという問題点があり、製造工程を煩雑にすることなく、共振器１とカップリングコンデンサ２との間の伝送路Ｌの長さを可変として共振器のＱ値及び発振周波数を微調節することができる共振器の結合回路を提供する。
【解決手段】 共振器１とカップリングコンデンサ２とを接続する伝送線路の伝達方向に沿った長さを可変とした結合回路であり、例えば、共振器１と発振器とを接続する伝送線路３を、複数の隙間によって離散的に形成された複数の伝送路パターン３１ａ〜３１ｄで形成し、当該複数の隙間の内、所望の周波数特性及びＱ値となる位置に対応する隙間にカップリングコンデンサ２が搭載され、他の隙間には伝送路パターンを電気的に接続する導通素子４が搭載される共振器の結合回路としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ波・ミリ波等の高周波を出力するＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator；電圧制御発振器）に用いられる共振器の結合回路に係り、特に発振周波数の微調整を容易に行うことができる共振器の結合回路に関する。

従来、共振器とカップリングコンデンサを含む結合線路から成る共振系回路と、能動回路とから構成される発振器がある。
このような構成の発振器における発振周波数を調整するには、誘電体共振器など共振器そのものを変更したり、又は共振器そのものを加工する方法があった。
また、共振器と外部回路の結合の強さ（結合度）を変化させるカップリングコンデンサの容量を調整して、共振周波数ｆ0及びＱ値を制御する方法もある。

発振器の発振周波数は、共振系のＱ値の変化によって大きく変動する。特に、共振器と能動回路の間のカップリングコンデンサの容量値を変更した場合、共振周波数が高周波になるほどその影響が大きくなり、周波数の調整が困難となる。
例えば、数ＧＨｚ以上の高周波においては、カップリングコンデンサの容量が数ｐＦ変化しただけで発振周波数が数１００ＭＨｚも変化してしまうこともある。

尚、発振器において、Ｑ値や発振周波数を調整する先行技術としては、平成９年１月１７日公開の特開平９−１８２３２号「マイクロ波発振器」（出願人：富士通株式会社、発明者：小松史良）がある（特許文献１）。
この先行技術は、発振回路に接続した出力スタブのオープン端から所望発振周波数のｎ倍におけるλ／４長となる位置より出力信号を取り出すものであり、好ましくは、出力信号をカップリングコンデンサを介して取り出し、カップリングコンデンサの位置を変えることで出力信号の信号レベルを調整できるものである。

また、高周波回路の別の先行技術として、特開２０００−１８３６１０号公報がある（特許文献２）。
この先行技術は、スタブを形成するマイクロストリップライン上に、部品を搭載するための複数の部品パッドを設けるか、もしくは、部品が自在に任意に配置できるように拡大した搭載領域を設け、部品パッドにカップリング用のコンデンサを実装し、コンデンサの実装位置により解放スタブの電気的特性を調整し、基板製造時のばらつきを吸収して高周波信号の不要な周波数成分を除去する高周波回路である。

また、別の先行技術として、特開２００５−１５１３７０号公報（特許文献３）があり、これは、マイクロストリップライン共振器をＵ字状パターンに形成しておき、Ｕ字状パターンの対向部分を電気的に短絡可能な複数のパターンＰ２をマイクロストリップラインの上層部に設けておき、適宜短絡することにより、発振周波数を調整する発振回路が記載されている。

また、別の関連する先行技術として、特開２００１−１６７１３９号公報がある（特許文献４）。
特許文献４には、電源回路において、デカップリングコンデンサの位置・回路パターンの長さを変更することで高周波電流低減比を調整する電源デカップリング設計方法及び設計支援システムが記載されている。

更にまた、別の先行技術として、特開平１１−２０５０３９号公報（特許文献５）があり、誘電体共振器にマイクロストリップラインを接続し、マイクロストリップラインの他端にコンデンサを接続した構成において、マイクロストリップラインの一端の一側にスタブを形成し、スタブの長さを適宜に設定して周波数を調整するマイクロ波発振器が記載されている。

特開平０９−０１８２３２号公報 特開２０００−１８３６１０号公報 特開２００５−１５１３７０号公報 特開２００１−１６７１３９号公報 特開平１１−２０５０３９号公報

しかしながら、従来の発振器では、カップリングコンデンサの容量を変えて出力信号の調整を行う場合、少しの容量変化で出力周波数が大きく変化してしまうので、調整は非常に困難であるという問題点があった。

また、上記特許文献１の発振器では、オープンスタブにおいて所望周波数のλ／４長となる位置に取り付けたカップリングコンデンサから信号を取り出すことのみを目的としており、上述したＬを制御して出力周波数の微調整を図る発想はなかった。

また、上記特許文献２の高周波回路では、コンデンサの実装位置によって有効な伝送線路の長さが変化し、それによって電気的な特性が変化してしまうため、微調整が難しいという問題点があった。

また、上記特許文献３の発振回路では、マイクロストリップライン共振器そのものの長さを調整し、発振周波数を変化させるものであり、回路間の結合の度合いを調整するものではなく、微調整は困難であった。

更に、上記特許文献４の電源デカップリング設計方法及び設計支援システムは、電源回路であるため、共振系のＱ値を調整するものではなかった。

更に、上記特許文献５のマイクロ波発振器は、スタブによって周波数を調整するものであり、周波数は調整可能であるがＱ値及び周波数可変幅を変化させることはできず、微調整が困難であった。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、製造工程を煩雑にすることなく、容易に出力信号の微調整を行うことができる共振器の結合回路を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、共振器と能動回路との間にカップリングコンデンサを備えた発振器において、共振器と能動回路とを接続する伝送線路によって形成される結合回路であって、共振器とカップリングコンデンサとを接続する伝送線路の伝達方向に沿った長さを可変としたことを特徴としている。

また、本発明は、共振器と能動回路との間にカップリングコンデンサを備えた発振器において、共振器と能動回路とを接続する伝送線路によって形成される結合回路であって、伝送線路が、複数の隙間によって離散的に形成された複数の伝送路パターンから成り、隙間のいずれかにカップリングコンデンサが搭載されると共に、他の隙間に伝送路パターン同士を電気的に接続する導通チップが搭載されることを特徴としている。

また、本発明は、上記結合回路において、カップリングコンデンサが搭載される隙間の位置は、共振器とカップリングコンデンサとの間の伝送線路の長さを、所望の発振周波数が得られる長さとする位置であることを特徴としている。

また、本発明は、上記結合回路において、導通チップは、ゼロΩ抵抗の素子であることを特徴としている。

また、本発明は、上記結合回路において、複数のカップリングコンデンサが、それぞれ異なる隙間に搭載されることを特徴としている。

また、本発明は、発振器において、上記いずれかの結合回路を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、共振器と能動回路との間にカップリングコンデンサを備えた発振器において、共振器と能動回路とを接続する伝送線路によって形成される結合回路であって、共振器とカップリングコンデンサとを接続する伝送線路の伝達方向に沿った長さを可変とした共振器の結合回路としているので、伝送線路の長さの調整によって共振器のＱ値を微調整でき、それに伴って発振器の発振周波数を容易に微調整することができる効果がある。

本発明によれば、共振器と発振器との間にカップリングコンデンサを備えた発振器回路において、共振器と発振器とを接続する伝送線路によって形成される共振器の結合回路であって、伝送線路が、複数の隙間によって離散的に形成された複数の伝送路パターンから成り、当該隙間のいずれかにカップリングコンデンサが搭載されると共に、他の隙間に伝送路パターン同士を電気的に接続する導通チップが搭載される共振器の結合回路としているので、予め作成しておいた伝送線路上の、どの隙間にカップリングコンデンサを搭載するかによって、カップリングコンデンサと共振器との間の伝送線路の長さを調整することができ、製造工程を煩雑にすることなく発振器の発振周波数の微調整を容易に行うことができる効果がある。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る共振器の結合回路は、共振器と能動回路とを接続する伝送線路上にカップリングコンデンサを備えた結合回路であって、共振器とカップリングコンデンサとの間の伝送路の長さＬを可変としたものであり、共振器と能動回路との結合度を変化させて共振器のＱ値を可変とすることにより、発振周波数の微調整を可能とし、更に発振周波数の可変量を微調整できるものである。

また、本発明の実施の形態に係る共振器の結合回路は、共振器と能動回路との間に、複数のパターンを直列に配列し、各パターンの間に、カップリングコンデンサ又は導通素子を搭載可能な隙間を設け、当該隙間にカップリングコンデンサ又は導通素子を搭載してパターン間を接続するものであり、所望の周波数に応じて最適なＱ値が得られる位置に対応する隙間にカップリングコンデンサを搭載し、他の隙間には導通素子を搭載することにより、カップリングコンデンサと共振器との間の伝送路の長さＬを可変とし、共振器と能動回路との結合の強さを調整して発振周波数の微調整を容易に行うことができるものであり、また、回路パターンは予め形成できるため製造工程の煩雑化を防ぐことができるものである。

本発明の実施の形態に係る結合回路が用いられる発振器について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る結合回路が用いられる発振器の概略構成図である。
図４に示すように、発振器７は、共振器１と、カップリングコンデンサ２と、伝送線路３によって構成される共振系回路６と、能動回路５とから構成されており、特定周波数を出力するものである。

そして、本発明の実施の形態に係る結合回路は、共振器１とカップリングコンデンサ２との間の伝送線路の長さＬを調整することで共振系回路と外部との結合の強さを変えて共振器の負荷Ｑ値を調整し、それによって発振器の発振周波数を微調整することを目的としたものである。

Ｌを調整することにより共振周波数が変化することについて図５を用いて説明する。図５（ａ）はＬ＝１．０mmの場合の共振周波数及び反共振周波数のシミュレーション結果を示す説明図であり、（ｂ）は、Ｌ＝２．０mmの場合の共振周波数及び反共振周波数のシミュレーション結果を示す説明図である。
図５（ａ）に示すように、Ｌ＝１．０mmにおける共振周波数は３．００７GHzであるのに対し、（ｂ）に示すように、Ｌ＝２．０mmでは２．９５５GHzである。
また、反共振周波数は、（ａ）に示すようにＬ＝１．０mmでは２．８３１GHzであるのに対し、（ｂ）に示すようにＬ＝２．０mmでは、２．７７５GHzとなる。

このように、伝送線路の伝達方向に沿った長さＬをわずかに変えることにより共振周波数及び反共振周波数を変化させることができるものである。そして、共振周波数及び反共振周波数を変化させることで発振器の発振周波数を調整できるものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る共振器の結合回路（本回路）の模式説明図である。図１に示すように、本回路は、図４に示した共振器１と、カップリングコンデンサ２との間の伝送線路３の回路パターンが特徴となっている。
本回路の伝送線路は、共振器と能動回路との間の線路が、誘電体上に設けられた伝送路パターン３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ等の直列に配列された複数の回路パターンで形成され、各伝送路パターン３１同士の間には隙間が設けられており、更に、当該隙間の上にカップリングコンデンサ２又は導通チップ４が搭載されて、伝送路パターン３１同士を接続するように形成されている。

図１の例では、伝送路パターン３１ａと３１ｂの間にカップリングコンデンサ２が搭載されている。カップリングコンデンサ２は、チップ型のコンデンサである。
カップリングコンデンサの搭載例について図２を用いて説明する。図２は、カップリングコンデンサ２の搭載例を示す断面説明図である。
図２に示すように、本回路では、誘電体上に、銅薄体等の金属から成る伝送路パターン３１が形成されており、伝送路パターン３１ａ及び３１ｂを接続するようにカップリングコンデンサ２が搭載されている。

また、伝送路パターン３１ｂと３１ｃの間、及び伝送路パターン３１ｃと３１ｄの間には導通チップ４が搭載されて、伝送線路を導通させている。
導通チップ４の搭載例について図３を用いて説明する。図３は、導通チップ４の搭載例を示す断面説明図である。
図３に示すように、導体チップ４は、誘電体上に設けられた伝送路パターン３１同士を接続するように搭載される。導通チップ４は抵抗ゼロ（ゼロΩ抵抗）の金属チップ等で形成されており、伝送路パターン３１と同様の素材であっても構わない。

このように、本装置では、予め形成された複数の伝送路パターン３１を隔てる隙間の内、回路の特性に応じて所望の周波数特性が得られるＬとなるような位置にある隙間にカップリングコンデンサ２を搭載し、他の隙間に導通チップ４を搭載した構成であり、カップリングコンデンサ２を搭載する位置によって共振器と能動回路との結合のインピーダンス及びＱ値が変わるため、発振器の発振周波数を容易に調整することが可能となるものである。

例えば、図１のように伝送路パターン３１ａと３１ｂの間にカップリングコンデンサ２を設けた場合には、Ｌは伝送路パターン３１ａの長さとほぼ等しくなり、また、図示は省略するが、伝送路パターン３１ｂと３１ｃの間にカップリングコンデンサを設けた場合には、Ｌは伝送路パターン３１ａ及び３１ｂとその間の隙間を加算した長さとなる。

尚、上述した特許文献２でも、カップリングコンデンサの位置を調整することが記載されているが、特許文献２では、カップリングコンデンサの位置によってスタブの長さが変わってしまい、他の電気的特性も変化するため、周波数の微調整は困難となるものである。これに対して本回路では、伝送路の伝達方向に沿ってカップリングコンデンサ２の位置を可変としているので、カップリングコンデンサ２及び導通チップ４をどの位置に搭載しても、伝送路パターン全体の長さは変わらないため、発振周波数の調整を容易に行うことができるものである。

本発明の実施の形態に係る共振器の結合回路によれば、共振器１と能動回路５とを接続する伝送線路上にカップリングコンデンサ２を備えた結合回路であって、共振器１とカップリングコンデンサ２との間の伝送路３の長さＬを可変としているので、共振器１と能動回路５との結合度を変化させて共振器１のＱ値を可変とすることができ、カップリングコンデンサ２の容量を変更する場合に比べて発振周波数の微調整を容易に行うことができる効果がある。

更に、本回路によれば、Ｑ値を変化させることにより、制御電圧に対する周波数可変量を変化させることができる効果がある。例えば、Ｑ値を小さくする（結合を大きくする）と周波数可変量を大きくすることができるものである。

本発明の実施の形態に係る共振器の結合回路によれば、共振器と能動回路との間にカップリングコンデンサを備えた発振器において、共振器１と能動回路５とを接続する伝送線路３を、直列に配列された複数の伝送路パターン３１ａ〜３１ｄで形成し、伝送路パターン３１同士の間には、カップリングコンデンサ２又は導通チップ４を搭載可能な隙間を形成し、当該複数の隙間の内、所望の周波数特性及びＱ値を与えるＬとなる位置の隙間にカップリングコンデンサ２を搭載し、他の隙間には導通素子４を搭載した共振器の結合回路としているので、カップリングコンデンサ２を搭載する位置によって、共振器１とカップリングコンデンサ２との間の伝送路Ｌの長さを容易に変えることができ、カップリングコンデンサ２の容量を変更する場合に比べて発振器の発振周波数の微調整を容易に行うことができる効果がある。

また、本回路によれば、伝送路パターン３１ａ〜３１ｄは、予めシミュレーション等を行って所望の信号を得るのに適当な形状及び長さに形成しておけばよく、微調整はカップリングコンデンサ２を搭載する位置によって後から行うことができ、、回路の製造工程において調整のための煩雑な工程を行わずにすみ、優れた出力特性を備えた発振器を容易に製造することができる効果がある。

更に、伝送路パターン３１の長さを短くして、隙間を設ける間隔を狭くし、隙間の数を多くすれば、カップリングコンデンサ２の位置を微調整できるため、発振周波数の一層の微調整が可能となるものである。

また、ここではカップリングコンデンサ２を１つだけ搭載する場合について説明したが、２つ以上の複数のカップリングコンデンサ２を複数の隙間に搭載することも可能であり、カップリングコンデンサ２同士の間隔や共振器１からの距離を変えることでより微妙な調整を行うことができる効果がある。

また、伝送線路Ｌの長さを変える構成としては、他にも、伝送線路の長さを変えた回路パターンを何種類も作成したり、伝送線路を長めに形成しておき、トリミング等で短くする、といった構成が考えられる。

本発明は、発振器において、発振周波数の微調整を容易に行うことができる共振器の結合回路に適している。

本発明の実施の形態に係る共振器の結合回路（本回路）の模式説明図である。 カップリングコンデンサ２の搭載例を示す断面説明図である。 導通チップ４の搭載例を示す断面説明図である。 本発明の実施の形態に係る結合回路が用いられる発振器の概略構成図である。 （ａ）はＬ＝１．０mmの場合の共振周波数及び反共振周波数のシミュレーション結果を示す説明図であり、（ｂ）は、Ｌ＝２．０mmの場合の振周波数及び反共振周波数のシミュレーション結果を示す説明図である。

符号の説明

１…共振器、 ２…カップリングコンデンサ、 ３…伝送線路、 ４…導通チップ、 ３１…伝送路パターン、 ５…能動回路、 ６…共振系回路、 ７…発振器

Claims (6)

1. 共振器と能動回路との間にカップリングコンデンサを備えた発振器において、前記共振器と前記能動回路とを接続する伝送線路によって形成される結合回路であって、
   前記共振器と前記カップリングコンデンサとを接続する伝送線路の伝達方向に沿った長さを可変としたことを特徴とする共振器の結合回路。
2. 共振器と能動回路との間にカップリングコンデンサを備えた発振器において、前記共振器と前記能動回路とを接続する伝送線路によって形成される結合回路であって、
   前記伝送線路が、複数の隙間によって離散的に形成された複数の伝送路パターンから成り、
   前記隙間のいずれかにカップリングコンデンサが搭載されると共に、
   他の隙間に前記伝送路パターン同士を電気的に接続する導通チップが搭載されることを特徴とする共振器の結合回路。
3. カップリングコンデンサが搭載される隙間の位置は、共振器と前記カップリングコンデンサとの間の伝送線路の長さを、所望の発振周波数が得られる長さとする位置であることを特徴とする請求項２記載の共振器の結合回路。
4. 導通チップは、ゼロΩ抵抗の素子であることを特徴とする請求項２又は３記載の共振器の結合回路。
5. 複数のカップリングコンデンサが、それぞれ異なる隙間に搭載されることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか記載の共振器の結合回路。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか記載の結合回路を備えたことを特徴とする発振器。

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