JP2012517756A - オーム調節可能な発振周波数を有する発振器 - Google Patents

Abstract

調節可能な発振周波数を有する発振器は、端子で負性入力抵抗を示している能動素子、負性入力抵抗を示しているその能動素子の端子と連結した発振回路、および、その発振器の発振周波数が調節可能である調節可能なオーム抵抗を有する素子を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、オーム調節可能な発振周波数を有する発振器に関する。

共振器と呼ぶこともできる発振回路は、その動作がキャパシタンスおよびインダクタンスの等価回路図によって説明できるすべての周波数選択デバイスを用いて実現できる。この例としては、ディスクリートＬＣ発振回路、誘電体共振器、空洞共振器または線路共振器である。

一つの発振周波数だけを有する固定周波数発振器は別として、それらの発振周波数において変えることができる発振器もある。発振周波数は、発振回路の周波数決定デバイスを機械的または電気的に変化させることにより、変えることができる。機械的に可変なデバイスは、高速周波数変動が必要である多くのアプリケーションにおいては考慮できない。この種のアプリケーションのために、電圧制御型デバイスが発振器において使用される。電圧制御型デバイスが発振器において使用される場合、それは電圧制御発振器またはＶＣＯと呼ばれている。従来のＶＣＯ構想において、バラクタの電位依存性障壁層キャパシタンスまたはトランジスタの電圧制御型キャパシタンスは、共振器の実効キャパシタンスを変えるために、よって、発振器の発振周波数を変化させるために使用される。

モノリシック集積回路の一般的な課題は、特定の技術およびそのトランジスタ構造への依存状態である。それ故に、トランジスタは、ミリ波の範囲のための速度向けに最適化されるが、その範囲から、最適特性を有するバラクタは実現できない。それより上側で、バラクタによって作動しているモノリシック集積ＶＣＯは、平均発振周波数に関して５〜８％の帯域幅をしばしば有する。モノリシック集積バラクタを有する例えば１０％以上のより高い帯域幅は、さらなる労力および煩雑性を伴う。

本発明の目的は、高同調帯域幅（ｈｉｇｈ ｔｕｎｉｎｇ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を可能としている調節可能な発振周波数を有する発振器を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の発振器によって解決される。

本発明の実施形態は、発振器に調節可能な発振周波数を供給し、それは、端子で負性入力抵抗を示している能動素子、負性入力抵抗を示している能動素子の端子と連結した発振回路、および、発振器の発振周波数が調節できる、調節可能なオーム抵抗を有する素子を含む。

本発明の実施形態においては、発振回路のインピーダンスおよび／または能動素子が負性入力抵抗を生成するために接続される回路構造のインピーダンスは、調節可能なオーム抵抗を有する素子によって変化させることができる。実施形態において、発振回路を形成している共振器線路の有効長は、このことにより発振器の共振周波数を調節するために、調節可能なオーム抵抗を有する素子によって調節できる。本発明の実施形態において、調節可能なオーム抵抗を有する素子は、オーム抵抗をその制御電圧を介して調節できるトランジスタでありうる。本発明の実施形態において、発振器の発振周波数は、連続的に調節可能でありうる。

本発明の実施形態は、従来の方法によって得ることができるものと比べて、調節可能な発振周波数を有する発振器の高同調帯域幅を可能にする。このように、本発明は、モノリシック集積ＶＣＯおよび大きな同調帯域幅が必要である３０ＧＨｚから始まるミリおよびサブミリ波範囲において特に関心を引く。特にレーダシステムにおいて、帯域幅および空間分解能の直接の関係がある。

都合のよいことに、本発明概念は、チップに現存の送信／受信回路およびレーダ回路を有する発振器の集積化を可能にする。このことにより、組立の労力は削減でき、そして、完全系は、より小さく、より軽く、そして、より省エネルギーの方法で実施でき、さらに加えてコストを削減できる。

このように、本発明の実施形態は、周波数決定デバイスとしてオーム調節可能な素子または電圧制御型抵抗器を使用している電圧制御発振器（ＶＣＯ）を供給する。実施形態において、並列接続されたトランジスタは、周波数決定デバイスとして使用される。実施形態において、その素子は、オーム抵抗を変えることによって高周波線路の有効な電気的な長さまたはインピーダンスを変えるために調節可能なオーム抵抗と接続される。通常、調節可能なオーム抵抗を有する素子は、トランジスタのいかなる給電ラインにおいても使用でき、そして、それによりトランジスタの動作に影響を及ぼし、その結果発振器の共振周波数がオーム抵抗を変えることによって変化する。実施形態において、発振器は、２つの極値間で調節可能なオーム抵抗を有する素子を切り替えることによって、２つの別々の発振周波数だけを有することができる。この切り替えによって、実施形態において、切り替えは、高周波線路の調節可能な電気的な長さまたはインピーダンスの２つの極値間で実行できる。

本発明の実施形態について添付図面を参照して後述する。ここで、同じまたは等しい素子は同じ参照番号によって指定される。

図１は、発明の発振器の第１の実施形態を示す。 図２は、発明の発振器の第２の実施形態を示す。 図３は、発明の発振器の第３の実施形態を示す。

図１に示された実施形態において、発振器は、電界効果トランジスタ１０の形で能動素子を含む。電界効果トランジスタ１０のソース端子Ｓは、不安定性を生成するための素子１２を介して、基準電位、例えばグラウンドに接続される。電界効果トランジスタ１０のドレイン端子Ｄは、インピーダンスマッチングネットワーク１４によって発振器の出力１６と接続される。

不安定性を生成するための素子１２は、電界効果トランジスタ１０のゲート端子Ｇで負性入力抵抗を供給するために実装される。

共振器線路部分１８ａおよび１８ｂを有する線路共振器は、電界効果トランジスタ１０のゲート端子Ｇと接続される。線路共振器は、ゲート端子Ｇと連結した発振回路を示す。

線路共振器は、定在波が形成されるように、高周波エネルギーが反射される端で短絡した又は開いた高周波線路により実装できる。それに関して、発振器の共振周波数は、共振器線路の長さに依存する。長い線路はより低い発振周波数、そして、短い線路はより高い発振周波数を生じさせる。対応して、本発明の実施形態において、線路共振器または共振器線路部分は、短絡した又は開いた高周波線路として実装できる。

更に、発振器は、調節可能なオームのインピーダンスを有する素子を示している更なる電界効果トランジスタ２０を含む。より詳しくは、トランジスタ２０のドレイン端子およびソース端子間のオーム抵抗は、制御端子２２を介してトランジスタ２０のゲート端子Ｇで電圧を変化させることによって調節できる。

トランジスタ２０によって形成されるオーム可変素子は、共振器線路部分１８ａおよび１８ｂ間のタップ２４と基準電位、例えばグラウンドとの間に接続される。このように、この素子２２は、並列接続されたトランジスタ、いわゆるシャントトランジスタを示す。

制御端子２２の制御電圧に応じて、トランジスタ２０は、基準電位の方へタップ２４からの可変的な電流の流れを可能にする。このことにより、トランジスタ１０のゲートと接続された線路共振器の有効長およびインピーダンスは、トランジスタ２０の制御電圧を介して変えることができる。

極端なケースにおいて、トランジスタ２２が導通するときに、共振器線路の信号線はタップ２４の位置で短絡され、そして、共振器線路部分１８ａの低減された共振器長は有効である。逆の極端なケースにおいて、トランジスタ２０が開かれた状態にあるとき、共振器線路の全長、すなわち、共振器線路部分１８ａおよび１８ｂの合わせた長さは有効である。

動作の間、図１の発振器は、例えば、マッチングネットワーク１４を介して給電されることができる。そこにおいて、発振周波数を有する発振器出力信号は出力１６で生成される。電力供給は、例えば、チョークコイルを介して供給可能性を有する電界効果トランジスタ１０のドレイン端子の接続によって実行できる。出力信号の発振周波数は、トランジスタ２０の制御電圧を変えることにより調節できる。例えば、トランジスタ２０をオン／オフすることによって、２つの振動周波数間の切り替えは実行できる。あるいは、発振周波数の微調整は、各中間の値にトランジスタの抵抗を制御することによって実行できる。

図２は、トランジスタ２０が並列接続されるトランジスタとしては接続されないが、２つの共振器線路部分１８ａおよび１８ｂとの間に直列に接続される別の実施形態を示す。ここで、端子２２で制御電圧を変化させることによって、共振器線路の有効長またはインピーダンス、および、発振周波数はまた、調整できる。トランジスタのインピーダンスは、開かれた状態および導電状態との間で再び可変的である。トランジスタ２０の開かれた状態において、共振器線路部分１８ａの長さだけは有効である。その一方で、導電状態において、共振器線路部分１８ａおよび１８ｂの長さは有効である。このように、図２に図示した実施形態においてさえ、出力１６の発振器信号の発振周波数は、トランジスタ２０の抵抗を制御することによって調節できる。

図１および図２に図示した実施形態において、調節可能なオーム抵抗を有する素子は、発振器の発振回路のインピーダンスを変化させるために供給される。図３は、さらにトランジスタ２０によって形成された、調節可能なオーム抵抗を有する素子が、能動素子１０の負性入力抵抗を生成する役割を果たす回路構造のインピーダンスを変化させるために供給されることを特徴とした別の実施形態を示す。このことにより、出力１６の発振器信号の発振周波数はまた、調節できる。

図３に図示した実施形態において、線路共振器１８は、能動素子１０のゲート端子と接続される。ドレイン端子Ｄは、再びマッチングネットワーク１４を介して出力１６と接続される。ソース端子は、線路部分１２ａおよび１２ｂを含んでいる高周波線路を介して、基準電位、例えばグラウンドと接続される。

調節可能なオーム抵抗を有する素子２０は、線路部分１２ａおよび１２ｂ間のタップ３０と基準電位、例えばグラウンドとの間に接続される。制御端子２２で制御電圧を変えることによって、再びタップ３０および基準電位との間に適用されるオームのインピーダンスは調節可能である。そうすると、このことにより、トランジスタ１０のソース端子と基準電位との間に接続される回路構造のインピーダンスは調節できる。このことにより、再び出力１６の発振器信号の発振周波数は調節できる。

本発明の実施形態の前記説明において、線路部分１８ａ、１８ｂまたは１２ａおよび１２ｂを参照した。これらの線路部分は、分離した高周波線路により、または、適した位置、例えば、中央に各タップを有する単一周波線により形成できる。本発明の実施形態において、共振器線路または共振器線路部分は、例えば、マイクロストリップ線路またはコプレーナ線路によって形成できる。

ミリ波範囲３０〜３００ＧＨｚのためのモノリシック集積化発振器のために、線路共振器は有利にキャパシタンスおよびインダクタンスの発振回路の代わりに使用される。というのも、特にインダクタンスはこの周波数範囲に関してほとんど実現できないからである。他の実施形態において、発振回路は、ディスクリート容量性および誘導性素子によって実行もできる。このような場合、また、調節可能なオーム抵抗、例えばトランジスタを有する一つまたはいくつかの素子は、発振器信号の発振周波数を調節するために発振回路のインピーダンスを変えるのに使用できる。例えば、実施形態において、トランジスタスイッチは、発振回路内および外でキャパシタンスまたはインダクタンスを切り替えて、こうして発振回路のインピーダンスを変化させるために使用できる。

前記実施形態に関して、調節可能なオーム抵抗を有する１つの素子のみ説明された。当業者にとって、例えば２つよりもっと多くの有効な共振器線路間で切り替わるために、いくつかの各素子を供給できることは明らかである。更に、別の実施形態において、素子は調節可能なオーム抵抗で供給できる。それによって、発振回路のインピーダンスおよび負性入力抵抗を生成するために供給された切り替え構造のインピーダンスは変えることができる。

説明された実施形態において、調節可能なオーム抵抗を有する素子はトランジスタによって形成される。あるいは、いかなるオーム可変素子も、調節可能なオーム抵抗、例えばダイオードまたは一般的に電位依存的抵抗を有する素子として使用できる。

前記実施形態は、電界効果トランジスタに関して説明された。当業者にとって、電界効果トランジスタの代わりに、バイポーラトランジスタも使用できることは明らかである。そこにおいて、ソース、ドレインおよびゲート端子は、エミッタ、コレクタおよびベース端子と対応して置き換えられることとなる。

前記実施形態において、発振回路は、トランジスタの制御端子（ゲート端子またはベース端子）と接続される。当業者にとって明らかであるように、使用された構成に応じて、振動系が結果として生じるようにその他の端子が接続される限り、発振回路は負性入力抵抗を示しているトランジスタのいかなる端子（ドレイン端子またはソース端子と、コレクタ端子またはエミッタ端子それぞれ）とも接続できる。

例えば５０オームの線路とのマッチングを供給するための、および、発振器の電力供給を可能にするための、マッチングネットワーク１４のための実施例は、当業者にとって明らかであり、更なる説明も本願明細書において全く必要としない。同様に、共振器と接続された端子の能動素子が負性抵抗を供給する発振器の理論は、当業者に知られている。負抵抗を供給するためにインダクタンス、キャパシタンスおよび／または高周波線路などの不安定性を生成するための素子を有する電界効果トランジスタまたはバイポーラトランジスタなどの能動素子の適切な接続は、当業者にとって明らかであり、更なる説明も全く必要としない。

このように、本発明の実施形態は、従来の方法と比較してより高同調帯域幅が実現できることを特徴とする、ＶＣＯという発振周波数を変化させるための新規なアプローチを提供する。更に、本発明は、完全系が、より小さく、より軽く、ほとんど労力を要しない、より省エネルギーの方法で実施できるように、現存の回路構想を有した優れた集積化オプションを、例えば送信／受信回路およびレーダ回路をチップに供給する。

Claims (8)

1. 電圧制御型の方法で調節可能な発振周波数を有する発振器であって、
   端子（Ｇ）で負性入力抵抗を示している能動素子（１０）、
   前記負性入力抵抗を示している前記能動素子（１０）の前記端子（Ｇ）と連結した発振回路（１８ａ、１８ｂ；１８）、および、
   電圧制御型の方法で調節可能なオーム抵抗を有する素子（２０）であって、それにより前記発振器の前記発振周波数を連続的に調節できる素子、を含むこと、を特徴とする、発振器。
2. 前記発振回路（１８ａ、１８ｂ）の前記インピーダンスを、調節可能なオーム抵抗（２０）を有する前記素子によって調節できること、を特徴とする、請求項１に記載の発振器。
3. 前記発振回路（１８ａ、１８ｂ）が、共振器線路を含み、振動生成のために有効な前記共振器線路（１８ａ、１８ｂ）の長さは、調節可能なオーム抵抗を有する前記素子（２０）によって調節可能であること、を特徴とする、請求項１または請求項２に記載の発振器。
4. 調節可能なオーム抵抗を有する前記素子（２０）が、前記共振器線路（１８ａ、１８ｂ）のタップ（２４）と基準電位との間に接続されること、を特徴とする、請求項３に記載の発振器。
5. 調節可能なオーム抵抗を有する前記素子（２０）が、前記共振器線路の部分（１８ａ、１８ｂ）の間に直列に接続されること、を特徴とする、請求項３に記載の発振器。
6. 前記負性入力抵抗を示すために前記能動素子（１０）と連結した、回路構造（１２ａ、１２ｂ）の前記インピーダンスは、調節可能なオーム抵抗を有する前記素子（２０）によって調節可能であること、を特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発振器。
7. 調節可能なオーム抵抗を有する前記素子（２０）がトランジスタを含むこと、を特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の発振器。
8. 調節可能なオーム抵抗を有する前記素子（２０）がそれらの間で切り換えることができる２つの状態を含むこと、を特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の発振器。

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