JP3350065B2 - ノイズ縮退可調発振器 - Google Patents
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- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Description
器に、特に、低ノイズのマイクロ波発振器回路に関す
る。
ムは、低ノイズに適応する、発振回路を含む低ノイズ回
路を必要とすることが知られている。そのような低ノイ
ズ適応例には、宇宙通信、軍事的電子妨害技術、及び近
代的レーダー技術がある。マイクロ波発振器において
は、周波数変調(FM)ノイズが、発振器内の構成要素
のノイズ特性のため問題となる。多くの用途において、
発振器のFMノイズ特性を低減することは有益である。
素子としてガリウムひ素電界効果トランジスタ(FE
T)を有する増幅器を含む単一共振器フィードバック発
振器のFMノイズを低減するための1つの公知技術は、
O.Ishihara,T.Mori,H.Sawan
o,そしてM.Nakatani等による論文「A H
ighlyStabilized GaAs FET
Oscillator Usinga Dielect
ric Resonator Feedback Ci
rcuit in 9−14 GHz」IEEE Tr
ansactions on Microwave T
heory and Techniques,vol.
M.TT−28,No.8,8月,1980年、817
−824頁に説明されているように、フィードバック回
路内に高いQ要素を使用することである。しかしなが
ら、そのFMノイズは、低減されるけれどもまだ比較的
に高い。
は、1985年11月26日に発行された米国特許第
4,555,678号「Microwave Osci
llator」(この特許は本願と同じ譲受人に譲渡さ
れている)に説明されているように、単一共振器(可調
又は固定周波数)マイクロ波発振器内の能動素子として
ガリウムひ素FETを使用している。この特許において
は、FETのゲート・ソース間の静電容量がゲート・ソ
ース間の電圧に依存するので、FET増幅器のゲートバ
イアスポートが発振器の同調ポートとして使用可能であ
ることが記載されている。従って、ゲート・ソース端子
間に加えられた信号は、FETにより増幅される信号の
位相を変調するゲート・ソース間の静電容量の値を変化
させることになる。フィードバック回路内の共振器の分
散性位相応答は、増幅された信号の位相変調を発振器の
出力において周波数変調された信号に変換する。このよ
うにして、発振器の周波数は、発振器の同調ポートとし
て働くゲートバイアスポートに加えられた信号により変
調される。
おいて有用であるが、発振器の同調ポートとしてFET
増幅器のゲートバイアスポートを使用することには幾つ
かの欠点がある。例えば、ゲート・ソース間静電容量対
電圧の関係は正確に予測するのは困難である、なぜなら
ば、その関係は、発振器が安定状態に到達し、そして増
幅器のゲート電圧に対する位相シフト特性が必ずしも単
調ではない大信号条件の関数であるからである。その関
係はまた、FETパラメータがFETによって変動する
ため、FET毎に変化するので、発振器の正確な変調感
度を予測することは非常に難しい。変調感度は重要な周
波数ロックループ設計における微妙なパラメータである
ので、全発振器の変調感度を個々に測定されなければな
らず、そして各々の対応周波数ロックループのパラメー
タは周波数ロックループの所望の性能を得るために適宜
に調整されなければならない。さらに、この発振器周波
数同調の方法は、発振器回路での能動素子としての1ポ
ート装置(例えば、ガンダイオード或はインパットダイ
オード))の使用にはあまり適していない。最後に、発
振器の電源が最初に投入される時、ゲートバイアスポー
トに供給される周波数ロックループ出力電圧は過大とな
り、有効ゲートDCバイアス電圧が正となり、トランジ
スタを破損する大ゲート電流を引き起こす可能性があ
る。
は入出力を有する増幅器と、その増幅器の入出力間に配
置されたフィードバック回路を包含する。フィードバッ
ク回路は共振器、そしてその共振器と直列に配置された
電圧制御移相器を包含する。発振器は電圧制御移相器と
共振器からの信号に応答して、増幅器内の低周波数ノイ
ズを縮退させるための電圧制御移相器のコントロールポ
ートにコントロール信号を提供するための手段を更に包
含する。この特別配置によって、発振器の同調ポートと
して電圧制御移相器のコントロールポートを利用して、
発振器毎に予測可能発振器変調感度と、非常に高い信号
レベルに到達するまで発振器フィードバックループ内の
信号レベルに対して独立的である変調感度とを有する発
振器を提供する。さらに、周波数同調能力はガンダイオ
ード増幅器やインパットダイオード増幅器などの単一ポ
ート増幅器を利用する発振器のために提供される。
能動素子として電界効果トランジスタを含み入出力を有
する増幅器と、増幅器の入出力間に配置されたフィード
バック回路内のパラレルフィードバック素子として伝送
モードで使用される第1ポートと第2ポートを有する共
振器を包含する。発振器は、それに供給される信号の移
相を制御するためのコントロールポート(コントロール
信号に応答する)を有し、フィードバックループ内に共
振器と直列に配置される電圧制御移相器をさらに包含す
る。発振器はフィードバックループからの信号を少なく
とも第1パス、第2パスと、そして第1ポート、第2ポ
ート、及び第3ポートを有するサーキュレータとに分割
するための手段を更に包含し、サーキュレータの第1ポ
ートは第1パス内の信号が供給され、そしてサーキュレ
ータの第2ポートは共振器の第1ポートに接続されてい
る。発振器は、更に、第1入力ポートにサーキュレータ
の第3ポートからの信号が供給されるように配置された
第1及び第2入力ポートと出力ポートを有する位相検出
器を含んでいる。入力ポートと出力ポートを有する90
度移相器は、90度移相器の入力ポートに分割手段の第
2パスからの信号が供給され、そして90度移相器の出
力ポートが位相検出器の第2入力ポートに接続されるよ
うに配置される。発振器はまた電圧制御移相器にコント
ロール信号を提供するため、位相検出器の出力ポートに
応答する手段を包含する。この特定の配置によって、発
振器毎の変調感度は、非常に高い信号レベルに到達しな
いならば、発振器フィードバックループ内の信号レベル
と無関係となり、そしてその発振器がフィードバックル
ープ内の高Qを有する共振器のみを有する発振器よりも
良好なFMノイズ性能を有する。
11と、その増幅器11の周辺に配置されたフィードバ
ック回路29を包含する発振器10が示されている。増
幅器11はその能動素子としてガリウムひ素MESFE
T或は他のタイプの電界効果又はバイポーラトランジス
タを包含するのが望ましいが、ガンダイオード又はイン
パットダイオード増幅器を含む他のタイプの増幅器のも
のであっも良い。フィードバック回路29は、第1ポー
トと増幅器11の入力に結合された第2ポートとコント
ロールポート13aとを有する共振器13を包含する。
共振器13はコントロールポート13aに供給されるコ
ントロール信号により決定される共振周波数を有する。
フィードバック回路29は、増幅器11の出力に結合さ
れた入力ポートとパワーデイバイダ17の入力ポートに
結合された出力ポートを有する電圧制御移相器27を更
に包含する。電圧制御移相器27は、後述される方法で
フィードバック回路29を伝搬する信号の位相を調整す
るライン25aに沿うコントロール信号が供給されるコ
ントロールポート27aと、同じように後述される方法
でライン12bに沿う粗コントロール信号が供給される
粗コントロールポート27bを包含する。パワーデイバ
イダ(電力分割器)17は、サーキュレータ15の第1
ポートに結合される第1出力ポートと、発振器10から
出力を提供するために使用される第3出力ポートを有す
る。サーキュレータ15は第2ポートと第3ポートを有
し、サーキュレータ15の第2ポートは共振器13の第
1ポートに結合される。サーキュレータ15の第3ポー
トと電力分割器17の第2ポートとは、後述される電圧
制御移相器27にコントロール信号を提供する弁別回路
30に信号を供給するために使用される。
る共振器であっても良いが、好適形態においては、それ
はイットリュームアイアンガーネット(YIG)同調バ
ンドパスフィルタなどの磁気的同調共振回路である。発
振器10はここでXバンドの周波数のために最適化され
ているので、YIG同調バンドパスフィルタは発振器1
0の位相と周波数特性を安定化させるための共振器13
として使用される。YIG同調バンドパスフィルタは1
988年7月19日発行の米国特許第4758800号
「Low Noise Magnetically T
uned Resonant Circuit(この特
許は本願と同じ譲受人に譲渡されている)に説明されて
いるように使用することができる。フィードバック回路
29を通して伝搬する信号に対して、共振器13は伝送
モードで動作する。共振器13は高いQを有し、FMノ
イズを低減して、フィードバック回路29内で正フィー
ドバック信号を提供する。共振器13の第2ポートから
の信号は増幅器11の入力ポートに供給され、そこで増
幅される。増幅器11の出力ポートにおける信号は電圧
制御移相器27の入力ポートに供給される。電圧制御移
相器27は入力ポートからの信号を電圧制御移相器27
の出力ポートに結合し、しかも、選択可能微分移相を前
記信号に与えることが出来(後に詳述される)、その量
は電圧制御移相器27のコントロールポート27a,2
7bに加えられたコントロール信号により選択される。
周波数foにおける発振器10の振動開始の条件は、も
し増幅器11の利得がフィードバック回路29の総損失
を越え、そしてフィードバック回路29と増幅器11を
通じての総移相が周波数foにおいて2ラジアンの整数
倍であるならば満足される。
的に「メインアーム」として図1で言及されるブランチ
に沿って供給されているサーキュレータ15の第3ポー
トから前記信号の1つとともに1対の信号が供給される
弁別回路30を包含する。第2信号は90度移相器21
に供給され、そして「基準アーム」として言及されるブ
ランチに沿って位相検出器19の第2入力に供給され
る。位相検出器19の出力はループ増幅器23と整形フ
ィルタ25(ここではローパスフィルタ)に供給され、
ライン25aに沿ってコントロール信号を提供する。
3の第1ポートに加えられた信号は臨界結合される。臨
界結合は従来型のS型弁別曲線の形で弁別回路30の伝
達関数を提供する。共振器13の共振周波数foが変化
する時、S曲線の交点は同時に変化する。そのような弁
別曲線の傾斜は共振器13の第1ポートでの結合の程度
により制御され、そして臨界結合では、共振器13の負
荷時のQと正比例する。臨界結合は、共振器13の第1
ポートからfoにおいて反射ゼロを提供するために共振
器13の入力結合ループ(図示せず)の部分を調整する
ことによりYIGタイプの共振器13で達成しても良
い。
レータ15とメインアーム33を通じて位相検出器19
の第1入力ポートに供給される。電力分割器17の第2
出力ポートから来る信号は、90度移相器21と基準ア
ーム35を通じて位相検出器19のための基準信号を提
供する位相検出器19の第2入力ポートに適用される。
90度移相器21は、基準信号と位相検出器19の第1
と第2入力ポートにおいて共振器13から反射される信
号との間の直角位相関係を提供する。90度移相器21
は固定又は電圧制御移相器である。もし90度移相器が
コントロールポート21aを有する電圧制御移相器であ
るならば、コントロールポートは位相検出器19の入力
ポートにおける信号間の直角関係を維持するために共振
器13と一体となって同調される。共振器13を同調さ
せる時、「メインアーム」と「基準アーム」内のパス遅
延は、遅延時間が完全に釣合っていない場合、互いに変
化する。この場合、電圧制御移相器が遅延差を除去し、
そして位相検出器19の入力ポートにおける信号間の9
0度位相差を維持するために移相器21に使用されても
良い。位相検出器19からの出力信号は発振器10内の
FMノイズ量に関する信号を提供する。弁別器30の出
力からの信号は、そのような信号が増幅されるループ増
幅器23に加えられる。ループ増幅器23からの信号
は、そのような信号がろ波され、そして電圧制御移相器
27のコントロールポートに供給される整形フィルタ2
5に供給される。D.C.オフセット電圧は、電圧制御
移相器27のバイアスを満足させるためにループ増幅器
23の第2入力ポートに加算される。
器23、整形フィルタ25、そして電圧制御移相器27
から構成されるノイズ縮退ループ31は、発振器10内
のFMノイズを、位相検出器19内のダイオード(図示
せず)のノイズにより典型的に設定される弁別器のノイ
ズフロアーのレベルまで縮退させるために提供される。
発振器10からの出力信号は電力分割器17の第3出力
ポートを通じて得られる。ノイズ縮退ループ31はま
た、移相器27がフィードバック信号として電圧制御移
相器27のコントロールポートに供給されたコントロー
ル信号により正しくバイアスされる時、電圧制御移相器
27からの信号の周波数を共振器13の通過帯域の中心
周波数、foに名目上ロックさせる周波数ロックループ
(FLL)でもあることが解る。フィードバック回路2
9内の周波数の好ましくない変化は弁別器30からの出
力信号の変化となる。後者は電圧制御移相器27のコン
トロールポートに供給されるコントロール信号の変化と
なるので、発振器の周波数、foの変化を最小にするこ
とが出来る。
ず)からの周波選択信号に応答して、ライン12aに沿
ってコントロールポート13aにおける共振器13にコ
ントロール信号を提供する周波数決定回路12をも包含
する。コントロールポート13aにおけるコントロール
信号は、周波数決定回路12に供給された周波数選択信
号に関連させて、共振器13の中心周波数、foを決定
するために使用される。フィードバック回路29の周波
数が共振器13の中心周波数を変更することにより変化
させられると、S曲線の交差周波数は変化し、そして発
振器10はノイズ縮退ループ31により新周波数にロッ
クされることが解る。電圧制御移相器が90度移相器の
ために使用される時、周波数決定回路12はまた90度
移相器21のコントロールポート21aにコントロール
信号を提供する。後者は、周波数、foが変更される
と、位相検出器19の入力ポートにおける入力信号間の
90度位相差は維持されることを保証する。
ルポート27bにおける電圧制御移相器27にライン1
2bに沿ってコントロール信号を提供する。そのような
コントロール信号は電圧制御移相器の粗コントロールポ
ート27bをバイアスし、正しい移相を提供し、周波数
決定回路12に供給される周波数選択信号に関連させ
て、周波数、foでの発振を確保するために使用され
る。
用され、そして9.6GHzで動作するために最適化さ
れた電圧制御移相器27(以後移相器27とも称する)
のマイクロストリップ回路の実施例(誘電性材料(ここ
ではアルミナ)のスラブ53上に配置されたマイクロス
トリップ回路構成を意味し、前記スラブ53は導電材料
のシート55上に配置されている)が示されている。移
相器27は連続的に変更できるタイプのものが望ましい
が、2つ以上の段、その1つはデジタル的に可変のもの
から構成されても良い。移相器27は移相器27に供給
されるR.F.信号に与えられる移相の変化を提供する
ために、D.C.バイアス電圧の変化に応じて静電容量
が変化するバラクタダイオード42を包含する。
移相器27の入力ポート52、そしてD.C.ブロック
54(ここでは20pFのコンデンサ)を通じて供給さ
れる。第1ポート62、第2ポート64、第3ポート6
6、そして第4ポート68を有する90度ハイブリッド
結合器60は第1ポート62におけるD.C.ブロック
54からのR.F.信号により供給される。90度ハイ
ブリッド結合器60の第1ポート62に加えられるR.
F.信号は90度ハイブリッド結合器60により第2ポ
ート64におけるR.F.信号の第1部分と第3ポート
66におけるR.F.信号の第2部分に等しく分割され
る。90度ハイブリッド結合器を出て行くR.F.信号
の第1部分はR.F.同調スタブ72を通過して、バラ
クタダイオード42に到達する。同調スタブ72は、ダ
イオード42に供給された電圧の範囲で挿入損失をほぼ
一定に保ちながら、R.F.信号に与えられる移相の範
囲を増加するために提供される。1/4波長オープンス
タブ76は、R.F.信号の第1部分にバックショート
を提供して、R.F.エネルギーの第1部分が90度ハ
イブリッド結合器60に向って反射されるようにする適
当な高逆バイアス電圧を有するD.C.バイアス信号の
バラクタダイオード42,44のためのバイアスを提供
するために端子27a,27bに適用される。R.F.
ブロック82,84、そして86は、R.F.信号が端
子27a,27bに向って逆流するのを防ぐために提供
されている。逆バイアス電圧は、バラクタダイオード4
2,44に順方向バイアスを与えることなく、コントロ
ールポート27a又は27bのいずれかに加えられたコ
ントロール信号にバラクタダイオード42,44のコン
トロール電圧を変更させることが出来るようなものであ
るべきである。
F.信号の第2部分は第2R.F.同調スタブ74を通
過して、バラクタダイオード44に到達する。R.F.
同調スタブ72のような同調スタブ74が、同調電圧範
囲で挿入損失をほぼ一定に保ちながら、移相器の範囲を
増加するために提供されている。1/4波長スタブ78
は、R.F.信号の第2部分にバックショートを提供し
て、前記第2部分が90度ハイブリッド結合器に向って
反射されるようにする。90度ハイブリッド結合器60
に向って反射されたR.F.信号の第1部分はポート6
4に入り、そして90度ハイブリッド結合器60に向っ
て反射されたR.F.信号の第2部分はポート66に入
る。R.F.エネルギの第1部分と第2部分は90度ハ
イブリッド結合器60のポート68において90度ハイ
ブリッド結合器60により組み合わされる。ポート68
からのR.F.信号はD.C.ブロック56(ここでは
20pFコンデンサ)を通過して、移相器27の出力ポ
ート58に現れる。電圧制御移相器27のそのような
R.F.信号は電力分割器17(図1)に供給される。
トロール信号は粗コントロールポート27bに適用さ
れ、周波数選択信号(図1)により選択された時の周波
数でフィードバック回路29(図1)における発振を開
始するために要求される移相を選択するためにD.C.
バイアス信号を変更する。コントロールポート27aに
加えられたコントロール信号はバラクタダイオード4
2,44の電圧を変更し、それに応じてバラクタダイオ
ードの静電容量を変化させる。後者はノイズ縮退ループ
31により検出された好ましくない周波数変化に応じ
て、伝搬R.F.信号部分に与えられた移相を変更す
る。コントロールポート27a,27bに加えられたコ
ントロール信号は、R.F.信号が移相器27を通過す
る時、移相器27に入るR.F.信号に与えられる移相
量を制御することは明白である。
器毎の変調感度の変動を低減する。さらに、このような
回路配置で、ガンダイオード増幅器又はインパットダイ
オード増幅器などの単一ポート素子増幅器は、発振器1
0内の周波数変動が電圧制御移相器27により制御され
るので、増幅器11として交代的に使用可能である。電
圧制御移相器27を使用することにより、フィードバッ
クループ29とノイズ縮退ループ31の両方において、
発振器10は広範囲の周波数帯域幅で同調可能である。
上記形態の素子は本発明に影響を及ぼすことなく再構成
が可能であることも又明白である。例えば、電圧制御移
相器27は、増幅器11とパワーデイバイダ17間の代
りに、共振器13と増幅器11間に接続することが可能
である。
念を取り入れた他の形態が使用可能であることは当業者
には明白であろう。それ故に、これらの形態は開示され
た形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲及び
その精神によってのみ限定されるべきものである。
る。
圧制御移相器の平面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】増幅器(11)と、前記増幅器(11)の
入力と出力との間に設けられる正フィードバック回路
(29)とを備えた発振器であって、前記フィードバッ
ク回路(29)が、直列に、共振器(13)と、電圧制
御ループ移相器(27)と、該フィードバック回路(2
9)からの信号を結合する手段(15,17)とを含
み、前記発振器は、更に前記フィードバック回路(2
9)から結合された信号に応答してその結合された信号
を90度移相するとともにその90度移相された信号を
位相検出器(19)の1つの入力ポートに供給する90
度移相手段(21)を含み、前記結合手段(15,1
7)が前記フィードバック回路(29)からの信号を前
記位相検出器(19)の他の入力ポートに結合し、前記
発振器は、更に前記位相検出器(19)の出力ポートに
結合され前記電圧制御ループ移相器(27)の精細同調
制御ポート(27a)に加えられる精細同調制御信号を
発生して前記発振器内の低周波数ノイズを縮退させる手
段(23,25)を含み、前記共振器が、共振器周波数
制御信号のための制御ポート(13a)を有する同調可
能共振器(13)であり、前記結合手段が、前記フィー
ドバック回路からの信号を少なくとも第1パス及び第2
パスに分割する手段(17)と、第1ポート、第2ポー
ト、及び第3ポートを有し、第1ポートが前記第1パス
の信号に応答し、第2ポートが前記共振器(13)に結
合され、第3ポートが信号を前記位相検出器(19)の
他の入力ポートに供給するように構成されるサーキュレ
ータ(15)と、を備え、前記90度移相手段(21)
が前記第2パスからの信号に応答する、発振器におい
て、 前記90度移相手段が同調制御信号に応答して同調可能
であり、前記電圧制御ループ移相器(27)が該移相器
(27)を同調させ発振器周波数において選択された移
相を生じさせる粗制御信号のための粗同調制御ポート
(27b)を有し、前記共振器周波数制御信号、前記同
調制御信号、及び前記粗制御信号を供給する手段(1
2)を設け、同調可能90度移相手段が電圧制御移相器
(21)である、ことを特徴とする発振器。 - 【請求項2】 請求項1に記載の発振器において、前記
分割手段(17)が前記フィードバック回路(29)か
らの信号を発振器の出力に分割するように適応されてい
ることを特徴とする発振器。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の発振器におい
て、前記精細同調制御信号を発生する手段が、前記位相
検出器(19)の出力ポートからの信号に応答するルー
プ増幅器(23)と、該ループ増幅器(23)からの信
号に応答する入力及び前記電圧制御ループ移相器(2
7)の精細同調制御ポート(27a)に結合される出力
を有する整形フィルタ(25)と、を含むことを特徴と
する発振器。 - 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかに記載の発振
器において、前記増幅器(11)が能動素子として電界
効果トランジスタを有することを特徴とする発振器。 - 【請求項5】 請求項4に記載の発振器において、前
記電界効果トランジスタがGaAs MESFETであ
り、前記共振器(13)が高いQを有しFMノイズを低
減させるとともに前記増幅器(11)に接続されるイッ
トリウム・アイアン・ガーネット(YIG)フィルタか
ら構成されることを特徴とする発振器。 - 【請求項6】 請求項1乃至5のいずれかに記載の発振
器において、前記電圧制御ループ移相器(27)が、直
流バイアス電圧の変化に応答して容量を変化させて、前
記移相器(27)に供給されるRF信号に与えられる移
相を変化させる複数のバラクタダイオード(42,4
4)を含むことを特徴とする発振器。
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