JP2563256B2 - マイクロ波帯周波数シンセサイザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、たとえば衛星通信における送信機、あるい
は受信機に用いられる局部発振器としてのマイクロ波帯
周波数シンセサイザに関するものである。

従来の技術 最近、マイクロ波帯における周波数シンセサイザは、
衛星通信の送信機の発振器として、あるいはその受信機
の局発源として、さらにはマイクロ波デバイス評価用の
信号源として盛んに利用されるようになってきた。

以下、第２図を参照しながら従来のマイクロ波帯の周
波数シンセサイザについて、その基本原理を説明する。

まず、位相比較器１は基準発振器２の信号を分周器３
で分周し、それを基準信号とする。電圧制御発振器６の
信号を可変分周器５で分周し、概ね基準信号と同じ周波
数となった信号と比較して、その位相の誤差に信号を出
力する。ループフィルタ４により位相の誤差に応じて位
相比較器１からの不要周波数成分を除去し、比較してい
る周波数と位相が合うように直流電圧を周波数制御電圧
として電圧制御発振器６に印加することによって、位相
の同期がとれる。その発振出力信号を混合器７に送出す
る。混合器７ではその発振信号と、逓倍器８を介して入
力される基準発振器２との信号とを減算し、逓倍器９に
送出し、逓倍される。

なお、具体的に端子Ａから6550MHzから7050MHzで1MHz
幅の可変設定の出力を得るためには、基準発振器２の周
波数を5MHz、電圧制御発振器６の周波数を747.5MHzから
772.5MHz、逓倍器８を84倍に、逓倍器９を20倍とし、分
周器３の分周数を100、可変分周器５の分周数を14950か
ら15450とすることが考えられる。

発明が解決しようとする問題点 しかし以上のような構成では、位相雑音が逓倍する毎
に劣化し、たとえばＮ逓倍した場合には逓倍前に比べて
201ogNdBの位相雑音劣化が生じる。具体的にＮ＝20では
26dB劣化し、当初−100dB/Hzのものは−74dB/Hzまで劣
化する。

また、位相比較するための分周数が従来例のように15
000程度と大きくなる構成では、分周器、PLL・ICから発
生する雑音のフロアーが上昇し、多チャンネルとするた
めに広帯域にして可変設定の周波数幅を小さくし、かつ
低雑音にしようとするループの比較周波数がシンセサイ
ザ出力に漏洩するという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するもので、位相雑音劣化
の少ない、低雑音のマイクロ波帯周波数シンセザイザを
提供するものである。

問題点を解決するための手段 本発明は、出来るだけ逓倍数および分周数を減らし
て、広帯域のマイクロ波帯周波数シンセサイザを構成す
るものである。

特に低雑音、高安定のために、低雑音の電圧制御水晶
発振器はたとえば恒温槽にて安定化された水晶発振器で
温度特性的に安定化し、これを基準発振器として２つの
可変の位相同期ループと１つの固定位相同期ループを構
成する。そのうち１つの可変周波数ループの位相比較周
波数は、必要とされる可変設定の周波数幅によって決ま
る。位相同期ループ内で固定分周を行なったり、ループ
の出力以降からシンセサイザ出力までに信号の逓倍を行
なったりすると、さらに固定分周数と逓倍数の積だけ可
変設定周波数幅が大きくなってしまうため、その分だけ
比較周波数を低くしておかなければならなくなる。

その結果、ループの固有周波数を高くできなくなるの
で低雑音に出来なくなる。ループフィルタの遮断周波数
を上げてループの固有周波数を高くし、電圧制御発振器
の雑音特性よりも位相同期した基準発振器の雑音特性で
動作する範囲を広くして低雑音にしようとすると、位相
比較の基準信号の周波数成分が実用上支障がある程漏洩
することが多い。

それを改善するため、その１つの可変周波数ループか
らの周波数変換した信号を基準とする、さらにもう１つ
の位相同期ループを構成する。そこで周波数変換するこ
とにより固定分周数が小さく設定でき、入力周波数に対
応して位相比較周波数が変化しながら、出力設定周波数
に位相同期する。これによって、位相比較の基準信号成
分の漏洩が改善される。そして出来る限り逓倍数および
分周数を少なくしてループの位相比較で発生する雑音を
少なくし、かつループの固有周波数を高くして電圧制御
発振器の雑音の影響を小さくするものである。さらに、
高安定な基準発振器を基準とする低雑音の位相同期ルー
プを１つ設け、その位相同期ループからの信号を用いて
混合加算することにより、必要なマイクロ波帯の周波数
に対して２つの可変周波数ループの周波数を低くでき、
可変位相同期ループの逓倍数や分周数を小さくすること
ができて、低雑音に構成しやすくなる。

作用 本発明は、上記構成で低雑音かつ高安定な基準発振器
を構成し、基準発振器の逓倍出力との周波数変換によ
り、小さい可変分周比で前記可変周波数ループの可変周
波数設定の周波数幅を小さくする。ループの固有周波数
を高くして低雑音化し、さらに前記可変周波数ループ
の、前記周波数変換後の出力を基準とし、位相比較の基
準周波数が変化する位相同期ループを設けて位相比較周
波数成分の漏洩を改善する。また高安定な基準発振器を
基準とする低雑音の固定の位相同期ループを用いること
によって、前記可変ループ以後の逓倍数を小さくし、可
変ループの固有周波数を高く選べ、かつ可変ループの出
力周波数を低くすることができ、逓倍数および分周数の
小さい、低雑音なマイクロ波帯周波数シンセサイザを提
供するものである。

実施例 以下、本実施例の一実施例について説明する。

第１図は本発明の一実施例におけるマイクロ波帯周波
数シンセサイザの回路図である。

本発明のマイクロ波帯周波数シンセサイザは、主に次
の４つのループ回路から構成される。

第１に、電圧制御水晶発振器10、基準水晶発振器11、
分周器12、13、位相比較器14、ループフィルタ15より第
１の位相同期ループが構成され、このループは基準発振
器として高安定な基準信号を作る。

第２に、電圧制御発振器16、分周器17、混合器19、分
周器20、位相比較器21、ループフィルタ22より第２の位
相同期ループが構成され、このループでは第１の位相同
期ループからの基準信号を用いて可変周波数信号を作
る。

第３に、電圧制御発振器23、分周器24、混合器25、分
周器26、位相比較器27、ループフィルタ28より第３の位
相同期ループが構成され、このループでは第２の位相同
期ループからの可変周波数信号から不要信号成分を除去
する。

第４に、分周器30と33、逓倍器31と36と38、混合器32
と37、位相比較器34、ループフィルタ35よりマイクロ波
信号出力手段が構成され、この手段で可変周波数信号を
周波数変換してシンセサイザ出力としての出力信号を得
る。

まず、第１の位相同期ループにおいて基準信号を作
る。基準信号は電圧制御水晶発振器10の出力を基準水晶
発振器11で安定化することにより作ることができる。こ
の基準水晶発振器11は例えば恒温槽に入れられ温度制御
された高安定な発振器で、例えば10MHzのものを用いる
とする。電圧制御水晶発振器10は例えば100MHzのもの
で、基準水晶発振器11ほどの安定度がなくても構わな
い。キャリアからの離調周波数が大きいところでの位相
雑音は基準水晶発振器11の雑音よりも小さきいめ、この
第１の位相同期ループではループの固有周波数を選ぶこ
とにより、２つの発振器がループ出力の位相雑音へ寄与
する離調周波数の範囲を分けることができる。これによ
り低雑音で、かつ高安定な基準信号を作ることができ
る。なお、場合によっては、この高安定な基準信号とし
て、水晶発振器の出力信号を直接用いても良い。

次に、第２の位相同期ループにおいて可変周波数信号
を作る。電圧制御発振器16の発振周波数は、例えば0.33
33…MHz幅で900MHzから1066.6…MHzに可変設定可能であ
るとし、この出力信号は混合器19へ入力される。混合器
19は、電圧制御発振器16の出力信号と、電圧制御水晶発
振器10からの基準信号を逓倍器18で８逓倍した800MHzの
信号とを入力し、周波数混合減算した信号を出力する。
その信号は、分周器20と第３の位相同期ループへ入力さ
れる。分周器20は可変分周器であり、ここで分周数を変
えることにより電圧制御発振器16の発振周波数を変化さ
せることができる。分周器20に入力された信号は分周さ
れて比較信号となり、位相比較器21へ送出される。位相
比較器21は、分周器20からの比較信号と、電圧制御水晶
発振器10からの100MHzの基準信号を分周器17で例えば30
0分の１に分周された0.3333…MHzの信号とを入力し、位
相比較を行って制御信号を出力する。この制御信号はル
ープフイルタ20を介して電圧制御発振器16に入力され
る。電圧制御発振器16はこの制御信号により位相同期で
安定化され、発振周波数が設定される。発振周波数を前
記範囲にするには、分周器20の分周数が300から800で済
む。

この第２の位相同期ループでは、可変周波数の設定ス
テップ幅によって比較基準周波数が決まる。位相比較周
波数成分の漏洩を少なくするためにはループフィルタ22
の遮断周波数を下げ、ループの固有周波数を低くする必
要があったが、本発明においてはこの第２の位相同期ル
ープの固有周波数を高くすることができる。これは、第
２の位相同期ループが位相比較周波数成分の漏洩を有す
る信号を出力しても、次の第３の位相同期ループでは、
第２の位相同期ループからの信号を基準信号として用い
るだけとなるためである。すなわち、位相比較周波数成
分の漏洩を改善できることになるので、第２の位相同期
ループの固有周波数を高く、電圧制御発振器16の雑音特
性よりも位相同期した基準発振器の雑音特性で動作する
範囲を広くして、電圧制御発振器16の雑音の影響を小さ
くできる。

次に、第３の位相同期ループにおいて不要信号成分を
除去する。電圧制御発振器23の発振周波数は、電圧制御
発振器16と同じ周波数範囲に設定する。すなわちここで
は900MHzから1066.6…MHzとされ、この出力信号は混合
器25へ入力されるとともに、ループの出力信号となる。
混合器25は、電圧制御発振器23の出力信号と、電圧制御
水晶発振器10からの基準信号を逓倍器18で８逓倍した80
0MHzの信号とを入力し、周波数混合減算した信号を出力
する。この信号は、分周器26へ入力され、分周されて比
較信号となり、位相比較器27へ送出される。分周器26は
固定分周器である。位相比較器27は、分周器26からの比
較信号と、第２の位相同期ループの混合器19の出力信号
を分周器24で分周した信号とを入力し、位相比較を行っ
て制御信号を出力する。分周器24の分周数は、分周器26
と同じ分周数に設定する。制御信号はループフィルタ28
の介して電圧制御発振器23に入力される。電圧信号発振
器23はこの制御信号により位相同期で安定化され、発振
周波数が設定される。このように分周器24と26の分周数
を固定すると、比較基準周波数は変化し、 第３の位相同期ループの比較基準周波数＝ 第２の位相同期ループの比較基準周波数×可変分周器20
の分周数／固定分周器24の分周数 となる。固定分周器24と26の分周数は可変分周器20の分
周数の範囲よりも低い値に選べるので、第３の位相同期
ループの比較基準周波数も高く設定することができ、電
圧制御発振器26の発振周波数は900MHzから1066.6…MHz
まで0.3333…MHzの可変設定周波数幅で変化することに
なる。

次に、マイクロ波信号出力手段においてシンセサイザ
出力を作る。マイクロ波信号出力手段は、主に電圧制御
発振器29、混合器32、分周器33、位相比較器34、ループ
フィルタ35からなる第４の位相同期ループを含んでい
る。電圧制御発振器29は、例えば1666.6…MHzの固定周
波数とし、混合器32へ入力されるとともにループの出力
信号として逓倍器36へ入力される。混合器32は、電圧制
御発振器29の出力信号と、電圧制御水晶発振器10からの
基準信号を逓倍器18及び逓倍器31によって16逓倍した16
00MHzの信号を入力し、周波数変換した信号を出力す
る。この信号は分周器33へ入力され、分周されて比較信
号となり、位相比較器34へ送出される。分周器33は固定
分周器である。位相比較器34は、分周器33からの比較信
号と、電圧制御水晶発振器10からの基準信号を分周器30
で例えば120分の１に分周された信号とを入力し、位相
比較を行って制御信号を出力する。この制御信号はルー
プフィルタ35を介して電圧制御発信器29に入力される。
電圧制御発振器29はこの制御信号により位相同期で安定
化され、その出力はループの出力信号として逓倍器36で
例えば２逓倍されて、混合器37へ入力される。この電圧
制御発振器29は、例えば1666.6…MHzと固定の周波数の
ため、可変周波数幅の少ない発振器を用い、例えば共振
器として誘電体材料で形成されたものを用いる。このよ
うに、第４の位相同期ループは、ループの固有周波数を
高くできるので、電圧制御発振器29の雑音の影響を小さ
くすることができる。逓倍器36で２逓倍された信号は、
例えば3333.3…MHzとなる。混合器37は、第３の位相同
期ループの電圧制御発振器23の出力信号と、逓倍器36の
出力信号とを入力し、周波数変換した信号を出力する。
電圧制御発振器23の出力信号が900MHzから1066.6…MHz
で、逓倍器36の出力信号が3333.3…MHzであるので、混
合器37の出力信号は0.3333…MHz幅で4.23…GHzから4.4G
Hzとなり、逓倍器38で例えば３逓倍され、増幅器39を介
することにより、例えば12.7GHzから13.2GHzで1MHzの可
変設定周波数幅のマイクロ波出力5mW以上のマイクロ波
帯周波数シンセサイザを得ることができる。

以上、本実施例によれば、第１の位相同期ループで得
られた高安定（例えば10^-8）で低雑音（例えば位相雑音
として、信号から1kHz離れたところで−120dBc/Hz）の
信号源を基準とし、マイクロ波帯の信号出力としても論
理的劣化を除く劣化ができるだけ少なくなるようにルー
プの固有周波数を高くし、逓倍数、分周数がそれぞれ最
大でも16、800と小さい構成でありながら高安定で低雑
音化がはかれた可変周波数信号を得ることができ、かつ
マイクロ波帯のＫバンド程度までの広帯域なマイクロ波
帯周波数シンセサイザが実現できる。

発明の効果 以上のように本発明は、マイクロ波帯でも純度の良い
多チャンネルで広帯域で高安定な信号源を得ることがで
き、マイクロ波帯周波数シンセサイザとして低雑音化が
でき、その効果は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるマイクロ波帯周波数
シンセサイザのブロック接続図、第２図は従来のマイク
ロ波帯周波数シンセサイザのブロック接続図である。 10……電圧制御水晶発振器、11……基準水晶発振器、1
6、23、29……電圧制御発振器、18、31、36、38……逓
倍器、12、13、17、20、24、26、30、33……分周器、1
9、25、32、37……混合器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 貞彦 川崎市多摩区東三田３丁目10番１号 松 下技研株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−12129（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−170229（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−54356（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−154211（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−111742（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高安定度の水晶発振器、前記水晶発振器か
   らの信号を固定分周する第１の分周器、一定周波数に位
   相同期安定化されて基準信号を発生する低雑音の電圧制
   御水晶発振器、前記電圧制御水晶発振器からの基準信号
   を固定分周する第２の分周器、前記第１の分周器からの
   信号と前記第２の分周器からの信号とを位相比較して前
   記電圧制御水晶発振器の基準信号出力を一定周波数に位
   相同期安定化させる第１の位相比較器、前記第１の位相
   比較器の出力から不要周波数成分を除去して直流制御電
   圧を出力する第１のループフィルタを有する第１の位相
   同期ループと、 前記電圧制御水晶発振器からの基準信号を逓倍する逓倍
   器と、 前記電圧制御水晶発振器からの基準信号を固定分周する
   第３の分周器、発振周波数が可変設定されて位相同期安
   定化される第１の電圧制御発振器、前記第１の逓倍器の
   出力と前記第１の電圧制御発振器からの信号とを入力し
   て周波数変換する第１の混合器、前記第１の混合器から
   の信号を可変分周して前記第１の電圧制御発振器の発振
   周波数を可変設定する第４の分周器、前記第３の分周器
   からの信号と前記第４の分周器からの信号とを位相比較
   して前記第１の電圧制御発振器の出力を一定周波数に位
   相同期安定化させる第２の位相比較器、前記第２の位相
   比較器の出力から不要周波数成分を除去して直流制御電
   圧を出力する第２のループフィルタを有する第２の位相
   同期ループと、 前記第１の混合器からの信号を固定分周する第５の分周
   器、発振周波数が可変設定されて位相同期安定化される
   第２の電圧制御発振器、前記第１の逓倍器の出力と前記
   第２の電圧制御発振器からの信号とを入力して周波数変
   換する第２の混合器、前記第２の混合器からの信号を固
   定分周する第６の分周器、前記第５の分周器からの信号
   と前記第６の分周器からの信号とを位相比較して前記第
   ２の電圧制御発振器の出力を一定周波数に位相同期安定
   化させる第３の位相比較器、前記第３の位相比較器の出
   力から不要周波数成分を除去して直流制御電圧を出力す
   る第３のループフィルタを有する第３の位相同期ループ
   と、 前記電圧制御水晶発振器からの基準信号を固定分周する
   第７の分周器、一定周波数に位相同期安定化される第３
   の電圧制御発振器、前記第１の逓倍器の出力を更に逓倍
   する第２の逓倍器、前記第２の逓倍器の出力と前記第３
   の電圧制御発振器からの信号とを入力して周波数変換す
   る第３の混合器、前記第３の混合器からの信号を固定分
   周する第８の分周器、前記第７の分周器からの信号と前
   記第８の分周器からの信号とを位相比較して前記第３の
   電圧制御発振器の出力を一定周波数に位相同期安定化さ
   せる第４の位相比較器、前記第４の位相比較器の出力か
   ら不要周波数成分を除去して直流制御電圧を出力する第
   ４のループフィルタ、前記第３の電圧制御発振器からの
   信号を逓倍する第３の逓倍器、前記第３の逓倍器の出力
   と前記第２の電圧制御発振器からの信号を入力して周波
   数変換する第４の混合器を有するマイクロ波信号出力手
   段とを具備するマイクロ波帯周波数シンセサイザ。