JP2009302958A - 高調波発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能な高周波発振器を提供する。
【解決手段】第１ポート１３及び第２ポート１４を有する２ポート型のＳＡＷ共振子１２と、増幅器１５と、基板１６上に形成され、前記増幅器１５の入出力間に前記ＳＡＷ共振子１２を接続する信号線と、を備え、前記ＳＡＷ共振子１２、前記増幅器１５、及び前記信号線により帰還型発振回路が形成され、前記第１ポート１３から出力される信号と前記第２ポート１４から出力される信号とを合成し、高調波を出力する合成出力回路２１を備えてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型化に適した高調波発振器の技術に関する。

高調波発振器は、例えば光ケーブルと連動して高周波回線網の発振源として、あるいは測定器の発振源として利用される。

特許文献１においては、２つの発振器の出力を合成してなる高調波発振器であって、基板の一主面に設けられて出力端が対峙した一組の発振用増幅器と、前記発振用増幅器の入出力端に接続して発振閉ループを形成するととともに基板の一主面に設けられて一部領域にて隣接する一組の信号線と、前記基板の他主面に設けられて前記信号線とともにマイクロストリップラインを形成する接地導体と、前記一部領域の設置導体を除去して前記隣接する信号線を横断してコプレーナラインとする開口部を有する構成が開示されている。

特許文献２においては、一対の発振用増幅器の入出力間を高周波伝送路で接続し、前記一対の発振用増幅器の入力間と出力間に電磁結合体を設けて、互いに逆相発振となる２つの発振閉ループを形成してなる高調波発振器において、前記電磁結合体が誘電体共振器である構成が開示されている。

特許文献３においては、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）共振子の互いに逆相となる２つのＩＤＴ電極それぞれを入力側として接続した２つのコルピッツ型の発振器を用い、その出力を合成して高周波の出力が得られる１ポート型の高調波発振器が開示されている。
特開２００４−１５３５１０号公報 特開２００５―２１７６８４号公報 特開平６−１７７６４４号公報

しかし、特許文献１の発明においては、周波数選択素子がマイクロストリップライン若しくは、コプレーナラインであるため、回路全体のＱ値が小さく、良好な位相ノイズ特性が得ることができない。

また、特許文献２の発明においては、共振子に誘電体を用いることでＱ値の高い発振器となり、位相ノイズ特性が向上するが、誘電体共振器を用いると、発振器全体を金属シールドしなければならず、小型化には不利である。

そして、特許文献３の発明においては、周波数選択素子に圧電体を用いることで低位相ノイズを満足することができるが、１ポート型の共振子はＧＨｚ以上の高周波になると、等価回路における直列アームに並列に接続されるＣ０成分が大きいため、回路側の負性抵抗が得難く、発振が困難である。さらに特許文献３の回路構成では、出力を演算するミキサ等の乗算器が必要となり、小型化が困難である。

そこで、本発明は上記問題点を解決するため、小型化が可能で容易に高周波が得られる高調波発振器を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］第１ポート及び第２ポートを有する２ポート型のＳＡＷ共振子と、増幅器と、基板上に形成され、前記増幅器の入出力間に前記ＳＡＷ共振子を接続する信号線と、を備え、前記ＳＡＷ共振子、前記増幅器、及び前記信号線により帰還型発振回路が形成され、前記第１ポートから出力される信号と前記第２ポートから出力される信号とを合成し、高調波を出力する合成出力回路を備えることを特徴とする高調波発振器。

上記構成において、第１ポートと第２ポートは互いに逆相の関係にあるため、容易に１８０度の位相差を持った信号を得ることができる。そして増幅器により発振信号が増幅されるが、第１ポートから得られる第１の信号と、第２ポートから得られる第２の信号の振幅はほぼ等しくなるので、第１の信号及び第２の信号を合成出力回路で合成すると基本波は相殺され、高調波のみを生成することができる。そして、周波数選択素子にＱ値が高く、高周波においてＣ０成分が小さい２ポート型のＳＡＷ共振子を用いることで、低位相ノイズ特性を持ち、また発振周波数偏差も微小に抑え、小型化、低コスト化が可能な高調波発振器を構成することができる。また本適用例はＰｕｓｈ−Ｐｕｓｈ型の発振となるため、スプリアスを小さくすることができる。

［適用例２］適用例１に記載の高調波発振器であって、前記合成出力回路は、前記基板上に形成された合成出力線を備え、前記第１ポートに接続され前記基板上に形成された第１の信号線と前記第２ポートに接続され前記基板上に形成された第２の信号線とが、前記合成出力線を挟むようにして配置され、前記合成出力線と平行に配置されていることを特徴とする高調波発振器。

上記構成により、合成出力線において基本波成分の電位は常にゼロであるため、高調波発振器の外部に接続される回路による負荷変動に強い高調波発振器となる。また合成出力線は基板上に形成される信号線と同一材料を用いることができるので、製造プロセスが容易で、余分な部品を必要とせず、小型化が可能となる。

［適用例３］適用例１に記載の高調波発振器であって、前記合成出力回路は、前記基板上に第２合成出力線を備え、前記第２合成出力線は、前記第１ポートに接続され前記基板上に形成された第１の信号線及び前記第２ポートに接続され前記基板上に形成された第２の信号線のそれぞれと、キャパシタを介して接続されていることを特徴とする高調波発振器。

上記構成により、適用例２における信号の合成をキャパシタが行うことで、第２合成出力線の長さに関わらず高調波を合成可能で適用例２より歩留まりの高い高調波発振器を得ることができる。

［適用例４］適用例１に記載の高調波発振器であって、前記合成出力回路は、前記第１ポートに接続され前記基板上に形成された第１の信号線及び前記第２ポートに接続され前記基板上に形成された第２の信号線のそれぞれに、入力端子及び一対の分岐端子の一方が介装された２つのウィルキンソン型パワーデバイダと、前記２つのウィルキンソン型パワーデバイダの前記一対の分岐端子の他方のそれぞれに接続された第３出力合成線と、を備えることを特徴とする高調波発振器。

ウィルキンソン型パワーデバイダを用いるためＳＡＷ共振子の第１ポート側に接続されている回路と、ＳＡＷ共振子の第２ポート側に接続されている回路とのアイソレーションが高く、また負荷変動にも強い高調波発振器となる。

以下、本発明に係る高調波発振器を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

第１実施形態に係る高調波発振器を図１に示す。第１実施形態に係る高調波発振器１０は、ＳＡＷ共振子１２、増幅器１５、そして基板１６上に形成される第１回路１８、第２回路２０、合成出力回路２１である合成出力線２２とから構成される。本実施形態においては第１回路１８が増幅器を介装した帰還型回路である前提で述べる。ＳＡＷ共振子１２は、誘電体の基板１６上に搭載されたものであり、共振子ベース１２ａと、共振子ベース１２ａ上に配設されたＳＡＷ共振片２４、第１ポート１３（第１ポート出力端子１３ａ、第１ポート入力端子１３ｂ）、第２ポート１４（第２ポート出力端子１４ａ、第２ポート入力端子１４ｂ）から構成される。ＳＡＷ共振片２４は、弾性表面波を発振可能な、例えば水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電素板上に反射器２４ｅ、第１ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極２４ａ乃至第４ＩＤＴ電極２４ｄが形成されたものである。

ＳＡＷ共振片２４において、グレーティング型の反射器２４ｅは互いに対向するように、ＳＡＷ共振片２４の長手方向の両端側にそれぞれ配設されている。そして反射器２４ｅとの間に音響的に共振空洞が形成され、この空洞内に弾性表面波の定在波が発生する。この定在波と結合するように、櫛型の第１ＩＤＴ電極２４ａ、第２ＩＤＴ電極２４ｂ、第３ＩＤＴ電極２４ｃ、および第４ＩＤＴ電極２４ｄを配置するとＳＡＷ共振片２４となる。ここで第１ＩＤＴ電極２４ａと第２ＩＤＴ電極２４ｂはＳＡＷ共振片２４の長手方向に一列に並べられ、第３ＩＤＴ電極２４ｃ（第４ＩＤＴ電極２４ｄ）は第１ＩＤＴ電極２４ａ（第２ＩＤＴ電極２４ｂ）と互いに櫛を交えるように対向して配設されている。またＳＡＷ共振子１２の第１ポート出力端子１３ａ（第２ポート出力端子１４ａ）は第１ＩＤＴ電極２４ａ（第３ＩＤＴ電極２４ｃ）にワイアボンディング等により接続され、第１ポート入力端子１３ｂ（第２ポート入力端子１４ｂ）も同様に第２ＩＤＴ電極２４ｂ（第４ＩＤＴ電極２４ｄ）に接続されている。よって第１ポート１３及び第２ポート１４は平衡モードとなる。

このＳＡＷ共振子１２の中心周波数をｆ_０その波長をλ_０、弾性表面波の速度をＶとすると、λ_０＝Ｖ／ｆ_０となる。ここで１波長λ_０で２πラジアンの位相差（つまり位相差なし）がつく。このため、反射器のグレーティング間隔はλ_０／２、各ＩＤＴ電極の櫛の間隔はλ_０としている。さらに第１ＩＤＴ電極２４ａ（第３ＩＤＴ電極２４ｃ）と第２ＩＤＴ電極２４ｂ（第４ＩＤＴ電極２４ｄ）との間隔はλ_０である。よって第１ＩＤＴ電極２４ａ（第３ＩＤＴ電極２４ｃ）と第２ＩＤＴ電極２４ｂ（第４ＩＤＴ電極２４ｄ）との位相差はない。また第３ＩＤＴ電極２４ｃ（第４ＩＤＴ電極２４ｄ）の櫛は第１ＩＤＴ電極２４ａ（第２ＩＤＴ電極２４ｂ）の櫛の間の中央に配置されるため、第３ＩＤＴ電極２４ｃ（第４ＩＤＴ電極２４ｄ）と第１ＩＤＴ電極２４ａ（第２ＩＤＴ電極２４ｂ）とλ_０／２ずれた位置に来るため、位相差はπラジアンとなる。よって第１ＩＤＴ電極２４ａ及び第２ＩＤＴ電極２４ｂから取り出せる第１の信号２６と、第３ＩＤＴ電極２４ｃ及び第４ＩＤＴ電極２４ｄから取り出せる第２の信号２８とは弾性表面波の基本波については互いに逆相の関係になる。

第１回路１８は誘電体の基板上に例えば矩形状に形成されたストリップライン、マクロストリップライン、コプレーナライン等の第１の信号線１８ａと、第１の信号線１８ａに介装された増幅器１５によって構成されている。なお、本実施形態の第１の信号線１８ａのインピーダンスは５０Ωに設定されている。第１回路１８の増幅器１５の入力側はＳＡＷ共振子１２の第１ポート出力端子１３ａに接続され、増幅器１５の出力側はＳＡＷ共振子１２の第１ポート入力端子１３ｂに接続されている。すなわち、増幅器１５の入出力間にＳＡＷ共振子１２が第１の信号線１８ａにより接続されている。よって第１回路１８はＳＡＷ共振子１２、第１の信号線１８ａおよび増幅器１５により図中の矢印で示された方向に第１発振信号２６を流す閉ループを形成している。

第２回路２０は第１回路１８同様に基板上に形成された第２の信号線２０ａによって構成され、第２の信号線２０ａは第１回路１８の第１の信号線１８ａ、及び合成出力線２２と長手方向を並沿して配設されている。すなわち、第２の信号線２０ａの一部と第１の信号線１８ａの一部とが、合成出力線２２を挟むようにして配置され、且つ合成出力線２２に平行に配置されている。第２の信号線２０ａの一端はＳＡＷ共振子１２の第２ポート出力端子１４ａに接続されている。そして第２の信号線２０ａの他端は基本波の反射波の発生を防止するため第２の信号線２０ａと同一インピーダンス（本実施形態では５０Ω）の終端抵抗２０ｂを介して接地されている。なお第２ポート入力端子１４ｂは接地されている。接地は基板にビアホール（不図示）を形成して基板裏面にある接地導体（不図示）と接続すればよい。よって第２回路２０の第２の信号線２０ａには第２の信号２８が第２ポート出力端子１４ａから終端抵抗２０ｂの方向に向かって流れることになる。

合成出力回路２１である合成出力線２２は、第１回路１８及び第２回路２０と同様に基板上に形成された信号線であって、第１回路１８の第１の信号線１８ａ、及び第２回路２０の第２の信号線２０ａに長手方向が並沿して配設されている。本実施形態は基本波の高調波のうち２倍波（波長λ_０／２）を用いるため、合成出力線２２の並沿する長さはλ_０／２・１／４＝λ_０／８以下とする。これにより合成出力線２２は、第１回路１８及び第２回路２０と電磁結合することができる。ここで電磁結合の強度が、第１回路側及び第２回路側で同一となるように第１の信号線１８ａ、合成出力線２２、第２の信号線２０ａは等間隔に配設されている。これにより基本波と奇数次の高調波は相殺される。なお２倍波の取り出し位置は合成出力線２２のＳＡＷ共振子１２側の端部２２ａとなり、さらに具体的には端部２２ａと基板１６の前記端部２２ａの位置にビアホール（不図示）を形成して、ビアホール（不図示）から２倍波を取り出せばよく、以下に登場する端部からの２倍波の取り出しも同様とする。

上記構成において、第１回路１８側のみ増幅器１５が配設されているため、第１回路１８を流れる第１の信号２６のみが増幅されるとも思われる。しかし増幅器１５で増幅された第１の信号２６は再びＳＡＷ共振子１２に戻されて表面弾性波となり、全てのＩＤＴ電極に表面弾性波のエネルギーが均等に分配されるので、結果的に合成出力線２２と並沿する第１ポート出力端子１３ａから出力される第１の信号２６と、第２ポート出力端子１４ａから出力される第２の信号２８の振幅は等しく、若しくはほぼ等しくなる。したがって合成出力線２２において第１の信号２６及び第２の信号２８の基本波は互いに相殺され、高調波である２倍波が取り出し可能となる。

第２実施形態における高調波発振器３０を図２（ａ）、（ｂ）に示す。図２（ａ）に示すように、第２実施形態における高調波発振器３０は基本的には第１実施形態と類似するが、第２回路３２がＳＡＷ共振子１２を挟んで第１回路１８と鏡面対称な構成を有している。すなわち第２回路３２は第１回路１８と同様に第２の信号線３２ａと増幅器３４によって構成されているが、閉ループの進行方向は第１回路１８とは逆である。よって第２回路３２の増幅器３４の入力側は第２ポート出力端子１４ａに接続され、増幅器３４の出力側は第２ポート入力端子１４ｂに接続されている。このように増幅器を２つ用いることにより第１実施形態よりも振幅の大きな高調波を得ることができる。

また両者の増幅率を同一にした場合には図２（ｂ）に示すように合成出力回路３５である合成出力線３６を第１ポート入力端子１３ｂに接続する第１回路１８の第１の信号線１８ａと、第２ポート入力端子１４ｂに接続する第２回路３２の第２の信号線３２ａに長手方向を並沿した構成とすることができる。この場合も並沿する長さは第１実施形態と同様にλ_０／８とする。ただし出力の取り出しはＳＡＷ共振子１２とは反対側の端部３６ａであるため、端部３６ａは並沿する部分からはみ出して形成されても良い。第１実施形態及び第２実施形態においては電磁結合により高調波を取り出すため、チップ部品を必要とはせず小型化が可能となる。

第３実施形態に係る高調波発振器４０を図３（ａ）、（ｂ）に示す。図３（ａ）に示すように、第３実施形態に係る高周波発振器は第２実施形態と類似するが、合成出力回路４１である第２合成出力線４２は第１回路１８及び第２回路３２との間で電磁結合を行うための並沿をせず、第１回路１８及び第２回路３２とキャパシタ４４を介して接続されている。ここで第２合成出力線４２は合成出力線２２、３６と同一材料で形成されている。この構成により第２合成出力線４２の配置位置の自由度が向上するとともに、第２合成出力線４２の長さに関わらず高調波を合成可能となる。またキャパシタ４４はそれぞれ第１回路１８（第２回路３２）の増幅器１５の入力側（増幅器３４の入力側）に同一容量のものが接続されているが、それぞれ図３（ｂ）に示すように第１ポート入力端子１３ｂ側（第２ポート入力端子１４ｂ側）に接続し、各入力端子側に配設された合成出力線４１である第２合成出力線４６と接続してもよい。

第４実施形態に係る高調波発振器５０を図４（ａ）、（ｂ）、及び図５（部分詳細図）に示す。図４（ａ）に示すように、第４実施形態に係る高調波発振器５０は第２実施形態、及び第３実施形態と類似するが、合成出力回路５５は、第１回路５２、及び第２回路５４にそれぞれ入力側が介装された２つのウィルキンソン型パワーデバイダ５６、５８と、前記２つのウィルキンソン型パワーデバイダ５６、５８の一対の分岐端子の一方にそれぞれ接続した第３合成出力線６０から構成されている。ここで第３合成出力線６０は合成出力線２２、３６及び第２合成出力線４２、４６と同一材料で形成されている。図５に示すようにウィルキンソン型パワーデバイダ５６（ウィルキンソン型パワーデバイダ５８）は、入力端子５６ａ（入力端子５８ａ）、分岐端子５６ｂ（分岐端子５８ｂ）、及び分岐端子５６ｃ（分岐端子５８ｃ）を有する。入力端子５６ａ（入力端子５８ａ）は第１回路５２（第２回路５４）の第１ポート出力端子１３ａ（第２ポート出力端子１４ａ）に接続される第１の信号線５２ａ（第２の信号線５４ａ）と接続し、分岐端子５６ｂ（分岐端子５８ｂ）は増幅器５２ｃ側（増幅器５４ｃ側）の第１の信号線５２ｂ（第２の信号線５４ｂ）と接続し、分岐端子５６ｃ（分岐端子５８ｃ）は第３合成信号線６０に接続される。
上記構成により第１回路５２及び第２回路５４とのアイソレーションが高く、また負荷変動にも強い高調波発振器５０となる。

さらに、図４（ｂ）に示すように合成出力回路５５は、上述同様にＳＡＷ共振子１２の入力端子側に構成することが可能である。この場合、入力端子５６ａ（入力端子５８ａ）は、増幅器５２ｃ側（増幅器５４ｃ側）の第１の信号線５２ｄ（第２の信号線５４ｄ）と接続し、分岐端子５６ｂ（分岐端子５８ｂ）は第１ポート入力端子１３ｂ（第２ポート入力端子 １４ｂ）と接続する第１の信号線５２ｅ（第２の信号線５４ｅ）に接続され、分岐端子５６ｃ（分岐端子５８ｃ）は、第３合成出力線６０に接続される。図４に示すように、ウィルキンソン型パワーデバイダ５６、５８は集中定数回路によって構成されているが、マイクロストリップライン等の分布定数回路を用いて構成しても良い。

第1実施形態に係る高調波発振回路である。 第２実施形態に係る高調波発振回路である。 第３実施形態に係る高調波発振回路である。 第４実施形態に係る高調波発振回路である。 第４実施形態に係る高周波発振回路の部分詳細図である。

符号の説明

１０………高調波発振器、１２………ＳＡＷ共振子、１３………第１ポート、１４………第２ポート、１５………増幅器、１６………基板、１８………第１回路、２０………第２回路、２１………合成出力線、２２………合成信号線、２４………ＳＡＷ共振片、２６………第１の信号、２８………第２の信号、３０………高調波発振器、３２………第２回路、３４………増幅器、３６………合成出力線、４０………高調波発振器、４２………第２合成出力線、４４………キャパシタ、４６………第２合成出力線、５０………高調波発振器、５２………第１回路、５４………第２回路、５６………ウィルキンソン型パワーデバイダ、６０………第３合成信号線。

Claims (4)

1. 第１ポート及び第２ポートを有する２ポート型のＳＡＷ共振子と、
   増幅器と、
   基板上に形成され、前記増幅器の入出力間に前記ＳＡＷ共振子を接続する信号線と、
   を備え、
   前記ＳＡＷ共振子、前記増幅器、及び前記信号線により帰還型発振回路が形成され、
   前記第１ポートから出力される信号と前記第２ポートから出力される信号とを合成し、高調波を出力する合成出力回路を備えることを特徴とする高調波発振器。
2. 請求項１に記載の高調波発振器であって、
   前記合成出力回路は、前記基板上に形成された合成出力線を備え、
   前記第１ポートに接続され前記基板上に形成された第１の信号線と前記第２ポートに接続され前記基板上に形成された第２の信号線とが、前記合成出力線を挟むようにして配置され、前記合成出力線と平行に配置されていることを特徴とする高調波発振器。
3. 請求項１に記載の高調波発振器であって、
   前記合成出力回路は、前記基板上に第２合成出力線を備え、
   前記第２合成出力線は、前記第１ポートに接続され前記基板上に形成された第１の信号線及び前記第２ポートに接続され前記基板上に形成された第２の信号線のそれぞれと、キャパシタを介して接続されていることを特徴とする高調波発振器。
4. 請求項１に記載の高調波発振器であって、
   前記合成出力回路は、
   前記第１ポートに接続され前記基板上に形成された第１の信号線及び前記第２ポートに接続され前記基板上に形成された第２の信号線のそれぞれに、入力端子及び一対の分岐端子の一方が介装された２つのウィルキンソン型パワーデバイダと、
   前記２つのウィルキンソン型パワーデバイダの前記一対の分岐端子の他方のそれぞれに接続された第３出力合成線と、
   を備えることを特徴とする高調波発振器。

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