JP3723404B2 - マイクロ波電圧制御発振器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車レーダ等のような狭帯域変調用のマイクロ波電圧制御発振器に関するものであり、特に、周波数変調リニアリティの改善を実現可能なマイクロ波制御発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来のマイクロ波電圧制御発振器について説明する。図８は、一般的なマイクロ波電圧制御発振器の原理構成を示す図である。図８において、６１は負性抵抗素子（回路）であり、６２は共振器回路であり、６３は可変容量ダイオードであり、このマイクロ波電圧制御発振器は、一般的に最もよく知られる、可変容量ダイオードと負性抵抗とを組み合わせたものである。
【０００３】
具体的にいうと、このマイクロ波電圧制御発振器は、基準点Ａ−Ａ’からみた共振器回路６２側のインピーダンスをＺRとし、負性抵抗素子側のインピーダンスをＺNとすると、
下記の式（１）が成立する場合に安定的に発振する。
Ｒｅ｛ＺR＋ＺN｝＜０
Ｉｍ｛ＺR＋ＺN｝＝０ …（１）
ｄ｛ＺR＋ＺN｝／ｄω＞０
ただし、ωは角周波数である。
【０００４】
また、上記マイクロ波電圧制御発振器において、基準点Ｂ−Ｂ’からみた可変容量ダイオード６３（容量ＣV）のインピーダンスを１／ｊωＣVとし、共振器回路６２側のインピーダンスをＲT＋ｊωＬTとすると、この発振器の発振周波数ｆOSCは、式（２）のように表すことができる。
ｆOSC＝１／［２π（ＬTＣV）1/2］ …（２）
【０００５】
ここで、周波数の可変範囲が非常に狭く、すべての周波数可変範囲でＬTが一定とみなせる場合には、容量ＣVが制御電圧の２乗に反比例する場合に、制御電圧に比例した発信周波数を得ることができる。
【０００６】
しかしながら、容量ＣVが電圧制御に対して２乗に反比例する可変容量ダイオードは市場になく、また、マイクロ波以上の周波数で動作可能な特殊なダイオードについては、たとえ存在した場合においても入手が困難となる。そのため、ＬTが一定の条件下で上記のような線形電圧制御発振器は実現されていない。
【０００７】
図９は、上記従来のマイクロ波電圧制御発振器の回路構成を示す図であり、６４が前述した先端短絡高インピーダンス１／４波長線路である。この場合、その１／４波長線路は、発振周波数でインピーダンスが無限大となり、マイクロ波の動作には関与しない。したがって、可変容量ダイオードの電圧−容量特性が周波数変調の線形性（リニアリティ）を決定することになる。
【０００８】
図１０は、図９に示す従来のマイクロ波電圧制御発振器の可変周波数特性および周波数変調の線形性（％表示）を示す図である。詳細には、図１０（ａ）が発振周波数−制御電圧特性を表し、図１０（ｂ）が周波数変調の線形性を表す。
【０００９】
ここで、周波数変調の線形性（線形性指数）は、図１０（ａ）に示す発振周波数−制御電圧特性により規定され、たとえば、周波数変調幅Ｗの両端を結ぶ直線と図示の周波数との最大のずれをΔＷとすると、１００×ΔＷ／Ｗ（％）で表すことができる。具体的にいうと、図１０（ｂ）に示すように、線形性指数は２０％以上となる。
【００１０】
これは、通信用の固定周波数発振器には影響を与えないが、たとえば、衝突防止レーダのように、周波数変調された信号を送受信して車間距離を測定する機器においては、測定結果の精度を大幅に劣化させる値を示している。すなわち、何らかの周波数リニアライザーによって精度を向上させようとした場合においても、線形性指数が大きすぎて、その効果が得られない。ただし、衝突防止用レーダは、周波数変調幅が発振周波数に対して無視できるほどに小さく、ほぼ固定周波数と考えられる。
【００１１】
つぎに、従来の線形マイクロ波電圧制御発振器について具体例をあげて詳細に説明する。図１１は、特開平８−２８８７１５号公報に記載されたマイクロ波電圧制御発振器（高周波機器）の構成を示す図である。図１１において、３１は共振回路であり、３２は容量（キャパシタ）であり、３３は負性抵抗回路（増幅回路）である。
【００１２】
また、共振回路３１において、４７は主共振線路であり、４８は直流阻止容量であり、４９は電圧の２乗に反比例する可変容量ダイオードであり、５２は可変容量ダイオード４９の２乗特性を線形特性に補正するためのストリップ線路５０とキャパシタ５１との直列接続であり、５３はストリップ線路５０の補正効果をさらに向上させるためのストリップ線路であり、５４は端子であり、５５はキャパシタである。また、負性抵抗回路３３において、３４はトランジスタであり、３５，３６，３７，３８は抵抗であり、３９，４０，４１，４２，４３はキャパシタであり、４４はコイルであり、４５，４６は端子である。
【００１３】
上記のように構成されるマイクロ波電圧制御発振器では、たとえば、共振回路３１に分布定数線路としてストリップ線路を用いかつ周波数可変範囲が広いような場合に、ＬTが周波数に対して直線的に変化するため、容量ＣVが電圧の２乗に反比例する場合でも、発振周波数が制御電圧に比例しない。そのため、ここでは、可変容量ダイオード４９の容量が、印加される電圧に対して直線的に変化するように、補正回路（ストリップ線路５０，ストリップ線路５３に相当）を組み込んでいる。また、このマイクロ波電圧制御発振器は、広い周波数帯域で発振周波数を変調するため、ストリップ線路５０および５３の長さを、それぞれ１／１０波長〜１／２０波長、３／１６波長〜５／１６波長と定めている。
【００１４】
ここで、ストリップ線路５０について説明する。上記マイクロ波電圧制御発振器においては、このストリップ線路５０がない場合、制御電圧が低いところでは電圧を少し変化させるだけで上記可変容量が急峻に変化し、その結果として発振周波数が急激に変化する。そして、制御電圧が高いところでは、電圧の変化に対して発振周波数がゆるやかに変化する。
【００１５】
一方、このストリップ線路５０がある場合には、このストリップ線路５０がそのインピーダンスを急激に変化させてしまう結果、発振周波数がゆるやかにしか大きくならず、それに伴って、発振周波数が制御電圧の増加に対して直線的に変化することとなる。なお、上記「インピーダンスを急激に変化させてしまう結果」を満足するためには、異なる周波数で補正用回路のインピーダンスが大きな変化を持つことが重要であるため、ここでは特に、周波数に対して大きなインピーダンス変化を発生させる直列接続５２を可変容量ダイオード４９と並列に接続する。
【００１６】
このように、従来のマイクロ波電圧制御発振器では、可変容量ダイオード４９の容量が印加電圧に対して直線的に変化するように補正回路（ストリップ線路５０，ストリップ線路５３）を組み込み、さらに、ストリップ線路５０および５３の長さを、それぞれ１／１０波長〜１／２０波長、３／１６波長〜５／１６波長と定めることで、広い周波数帯域で発振周波数を線形に変調している。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、衝突防止用レーダにおいては、たとえば、３８ＧＨｚ帯で５０ＭＨｚ程度の周波数変調をおこない、これを２逓倍した７６ＧＨｚ帯の周波数変調波を送受信し、ターゲットとの距離を測定する。この場合、固定周波数と比較して大きな差がなくなるため、インピーダンスを急激に変化させるための周波数変化幅が存在せず、具体的にいうと、比帯域が０．３％程度の非常に狭い周波数帯域となり、前述した補正回路の機能が使えない、という問題があった。
【００１８】
また、上記固定周波数に近い動作において、可変容量ダイオードの容量ＣVの補正値ＣMを電圧に対して線形に変化させる従来のマイクロ波電圧制御発振器では、前述の式（２）から明らかなように（式（２）のＣVをＣMに置き換える）、ＬTがほぼ固定値であるから、発振周波数ｆOSCが電圧の−１／２乗に比例する可変周波数特性になる。この場合、変調リニアリティ値（一定変調幅での変調感度の変化量率において、変調リニアリティ値が０％に近いほど、発振周波数の電圧依存性が直線に近い）は、２０％以上になるため、衝突防止レーダ用の電圧制御発振器としては不適切となる、という問題があった。
【００１９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来技術と比較して変調リニアリティ値を改善することにより、衝突防止用レーダに適用可能なマイクロ波電圧制御発振器を得ることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器は、入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、第１の端子と、第２の端子と、１／１４波長以上で１／４波長より十分短い範囲に設定された長さを有し、当該第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、前記可変容量ダイオードの容量および前記ストリップ状線路の容量の合成容量が、制御電圧の１／２乗より十分大きく２乗未満の値に反比例することを特徴とする。
【００２１】
これによって、上記構成を用い、さらに、ストリップ状線路の線路長を１／４波長〜１／１４波長とすることで、たとえば、ダイオードのみで周波数制御をおこなう場合と比較して、大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。
【００２２】
また、入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、第１の端子と、第２の端子と、１／１４波長〜１／１２波長の範囲に設定された長さを有し、前記第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、前記可変容量ダイオードの容量が制御電圧の１／２乗に反比例し、前記可変容量ダイオードに、等価的に前記ストリップ状線路から得られる負のアドミッタンスが接続されていることを利用し、前記可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の１／２乗より十分大きく２乗未満の値に反比例するように、前記ストリップ状線路の長さを決定することを特徴とする。
【００２３】
これによって、可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の１／２乗に反比例するようにストリップ状線路の長さを決定することで、従来の線形性指数を大幅に改善することができる。また、線形性指数の大幅な改善により、リニアライザーの適用を容易にすることができるため、衝突防止レーダ用発振器を効果的に実現することができる。
【００２４】
また、入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、第１の端子と、第２の端子と、１／２８波長〜１／２４波長の範囲に設定された長さを有し、前記第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、前記可変容量ダイオードの容量が制御電圧の１／２乗に反比例し、前記可変容量ダイオードに、等価的に前記ストリップ状線路から得られる負のアドミッタンスが接続されていることを利用し、前記可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の２乗に反比例するように、前記ストリップ状線路の長さを決定することを特徴とする。
【００２５】
このように、ストリップ状線路の線路長を１／２８波長〜１／２４波長の範囲に設定された長さとすることにより、可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の２乗に反比例する特性を、限られた電圧範囲で実現することができる。
【００２６】
また、入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、第１の端子と、第２の端子と、第３の端子と、１／４波長に固定された長さを有し、前記第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数が十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第３の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第３の容量とを備え、前記ストリップ状線路の前記第３の端子を当該ストリップ状線路の前記第１の端子からの長さが１／１４波長以上で１／４波長より十分短い範囲に設け、前記可変容量ダイオードの容量と前記ストリップ状線路の前記第１の端子から前記第３の端子間の容量との合成容量が制御電圧の１／２乗より十分大きく２乗未満に反比例することを特徴とする。
【００２７】
このように、前記ストリップ状線路の長さを１／４波長に固定し、使用する可変容量ダイオードの特性に応じた所定の位置で、前記ストリップ状線路を接地することによって、可変容量ダイオードの種類を限定することなく、かつ可変容量ダイオードのＣV特性のばらつきを吸収するように微調整をおこなうことができるため、さらに大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。
【００２８】
また、入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、第１の端子と、第２の端子と、１／１４波長以上で１／４波長より十分短い長さを有し、当該第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、前記可変容量ダイオードの容量が制御電圧に反比例し、前記可変容量ダイオードに、等価的に前記ストリップ状線路から得られる負のアドミッタンスが接続されていることを利用し、前記可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の２乗に反比例するように、前記ストリップ状線路の長さを決定することを特徴とする。
【００２９】
このように、ストリップ状線路の線路長を１／１４波長〜１／１２波長とすることにより、可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧に反比例する特性を実現することができる。
【００３０】
また、前記可変容量ダイオードとして、ショットキーダイオードまたはＦＥＴダイオードを用いることを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３２】
図１は、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の実施の形態１の構成を示す図である。図１において、１はストリップ状共振器であり、２は可変容量ダイオードであり、３はストリップ状線路であり、１’および４は容量（キャパシタ）であり、５は負性抵抗回路であり、６は発振器の出力端子であり、１１は可変容量ダイオードへの電圧印加端子である。
【００３３】
このマイクロ波電圧制御発振器は、ストリップ状共振器１の片方の端子に負性抵抗回路５を接続し、もう一方の端子に容量１’を介して可変容量ダイオード２のアノードを接続する。そして、可変容量ダイオードのカソードを接地し、かつ可変容量ダイオード２のアノードに高インピーダンスのストリップ状線路３を接続し、さらにストリップ状線路３のもう一方の端子を発振周波数に対して十分に低インピーダンスの容量４を介して接地する。また、ストリップ状線路３の長さを、１／４波長以下の範囲に設定する。
【００３４】
このように、本実施の形態では、可変容量ダイオード２とストリップ状線路３とが並列に接続され、それぞれが接地されているため、可変容量ダイオード２には、等価的に、ストリップ状線路３（長さｌ）から得られる負のアドミッタンス：−１／（ω0Ｚｔａｎβｌ）が接続される。なお、固定の発振角周波数をω0とし、ストリップ状線路３の特性インピーダンスをＺとし、位相定数をβとする。
【００３５】
したがって、容量１’を介してストリップ状共振器１に接続される容量ＣT（Ｖ）は、式（３）のように表すことができる。
ＣT＝ＣV−（１／ω0Ｚｔａｎβｌ） …（３）
この式は、後述する図電圧可変容量ＣV（縦軸）−電圧（横軸）曲線を下方にΔＣだけ平行移動させることを表す。
【００３６】
また、一般的に、可変容量ダイオード２の容量ＣV（Ｖ）は、式（４）のように表すことができる。
ＣV＝ａ／（１−Ｖ）K …（４）
ただし、Ｋは正の定数であり、ａは定数である。
【００３７】
したがって、上記式に基づいて容量ＣVを平行移動した場合には、ほぼすべての電圧において定数Ｋの値を大きくした場合と等価になる。本実施の形態においては、この効果を用いて、容量ＣTを制御電圧Ｖの２乗に反比例させること、またはそれに近い特性をストリップ状線路３により実現する。なお、狭い周波数帯域で周波数変調をおこなう場合、角周波数ω0は、一定としても差し支えなく、さらにすべての変調周波数において一定値の平行移動が成立するので、周波数補正の必要がない。
【００３８】
以下、ストリップ状線路３の長さを、たとえば、１／４波長から１／１４波長の範囲に設定した場合について説明する。たとえば、１／４波長の場合には、ΔＣ＝０となって、前述の平行移動が発生しないので、可変容量ダイオード２のＣV特性が制御電圧Ｖの２乗に反比例する場合に適用でき、一方、１／４波長より短い場合には、前述の平行移動が発生するので、可変容量ダイオード２のＣV特性が制御電圧Ｖのｋ乗（１／２＜ｋ＜２）に反比例する場合に適用できる。また、ストリップ状線路３の長さｌは、ＣV特性のｋ値に合わせて設定し、すべての制御電圧範囲において実効的にＣT特性のｋ値を大きくして周波数の線形性を改善する。
【００３９】
また、本実施の形態においては、ストリップ状線路３の接地を容量４を介して接続することで、可変容量ダイオード２に対して無損失かつ安定的に電圧を供給する。
【００４０】
図２は、１／４波長〜１／１４波長の先端短絡高インピーダンス線路（ストリップ状線路３）を可変容量ダイオード２に並列接続した場合の容量−電圧特性を示す図である。太い実線で示した曲線７は、可変容量ダイオード２の容量−電圧特性（ＣV特性）であり、容量ＣVは、前述の式（４）のように表すことができる（１／２＜ｋ＜２）。すなわち、電圧（絶対値）を大きくすると、低電圧域で容量が大きく減少し、高電圧域で容量がゆるやかに減少する。
【００４１】
点線で示した曲線８は、ストリップ状線路３の容量−電圧特性（ＣT特性）であり、前述の式（３）により、曲線７を、ストリップ状線路３による実効的な負の容量９だけ平行移動したものである。この曲線８は、細い実線で示す曲線１０に、ほとんどすべての電圧で一致する。なお、曲線１０は、式（５）のように表すことができる。
ＣV＝ａ／（１−Ｖ）k+m …（５）
ただし、ｍは正の整数である。
【００４２】
この式（５）は、たとえば、ｋ＝１／２の容量を、ストリップ状線路３によりｋ＝１の容量に変換できることを意味している。すなわち、ｋが１／２より大きくなるにしたがって、適宜ストリップ状線路３の長さを長くしていき、たとえば、容量シフト量９だけ小さくした場合にｋ＝１の容量に変換される。また、容量のシフト量を大きく（ストリップ状線路３を短く）維持した場合には、ｋ＝２の容量と等価にすることもできる。
【００４３】
このように、本実施の形態においては、図１に示す構成を用い、さらに、ストリップ状線路３の線路長ｌを１／４波長〜１／１４波長とすることで、ダイオードのみで周波数制御をおこなう場合と比較して、大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。なお、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２としてショットキーダイオードを用いることとして説明したが、これに限らず、たとえば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のショットキー接合容量を周波数変調に利用することもできる。
【００４４】
図３および図４は、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器における実施の形態２の処理を示す図である。ここでは、１０ＧＨｚ帯の動作周波数かつｋ＝１／２の場合における可変容量ダイオード２の周波数変調の線形性を改善する。なお、本実施の形態においては、図１に示すマイクロ波電圧制御発振器の構成と同一であるため、その説明を省略する。ここでは、可変容量ダイオードの容量−電圧特性を規定する。
【００４５】
図３において、ひし形を通る曲線は、一般的な可変容量ダイオードのＣV特性の測定値を表しているが、これは、たとえば、下記の式（６）に示す白丸を通る曲線と非常に高精度に一致している。
ＣV＝２／（１−Ｖ）1/2 …（６）
【００４６】
また、式（６）に基づいて、下記の式（７）および式（８）の曲線を求め、その結果をＣV特性の表に重ねてみる。図４は、式（６）〜式（８）を重ねあわせた状態を表した図である。
ＣV＝２／（１−Ｖ）1 …（７）
ＣV＝２／（１−Ｖ）2 …（８）
【００４７】
図４において、１２は上記一般的な可変容量ダイオード（ショットキーダイオード）のＣV特性を表す式（６）の曲線であり、１３は式（７）の曲線であり、１４は式（８）の曲線であり、１５は曲線１２を曲線１３にほぼ一致するまで下方にシフトした曲線であり、１５’は曲線１２を曲線１４にほぼ一致するまでさらに下方にシフトした曲線である。なお、ここでは、ΔＣを０．５ｐＦとする。
【００４８】
図示のとおり、曲線１５は曲線１３と広い電圧範囲で一致し、曲線１５’は曲線１４と限られた電圧範囲で一致する。このように、ストリップ状線路３による容量シフト効果は、図４に示すとおり、次数の高い、すなわち、理想に近いＣV特性を実現するために大変有効となる。
【００４９】
そこで、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２に、等価的にストリップ状線路３（長さｌ）から得られる負のアドミッタンス：−１／（ω0Ｚｔａｎβｌ）が接続されていることを利用し、可変容量ダイオード２の容量と前記アドミッタンスとの和が、制御電圧にほぼ反比例するように、ストリップ状線路３の長さｌを選定する。すなわち、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２のＣV特性が制御電圧Ｖの１／２乗に反比例する場合に、たとえば、１／１２波長程度のストリップ状線路３を用いることで、前述の容量ＣT特性が、制御電圧Ｖに反比例する可変容量特性を実現する。
【００５０】
たとえば、容量シフト量ΔＣと線路長ｌとの間には、前述の式（３）に基づいて、式（９）で表す関係が成立する。
ΔＣ＝１／｛ω0Ｚｔａｎ（２πｌ／λｇ）｝
Ｚｔａｎ（２πｌ／λｇ）＝１／ω0ΔＣ …（９）
ただし、λｇは波長を表す。また、ω0ΔＣは、周波数が高くなるにつれてＣVが小さく設定されるため、所望のＣV特性を実現する場合には周波数によらずほぼ一定となる。
【００５１】
したがって、図４において、たとえば、曲線１２から曲線１３へのシフト量ΔＣを０．５ｐＦとし、抵抗値Ｚを（実用的に基板厚１５０μｍ〜２５０μｍおよび線路幅５０μｍとする）７０Ω〜８０Ωとし、動作周波数を１０ＧＨｚとした場合、前記Ｚｔａｎ（２πｌ／λｇ）は、式（１０）のように求めることができる。
Ｚｔａｎ（２πｌ／λｇ）＝１００／π＝３１．８ …（１０）
【００５２】
このとき、前述のＺの範囲において、ｔａｎ（２πｌ／λｇ）は、０．４〜０．４６（２５°〜３０°）となり、さらに線路長ｌは、１／１４波長〜１／１２波長となる。すなわち、線路長ｌを１／１４波長〜１／１２波長とすることで、電圧に反比例するＣV特性を実現することができる。また、シフト量ΔＣを１ｐＦとし、線路長ｌを１／２８波長〜１／２４波長程度にすることで、電圧の２乗に反比例するＣV特性を、限られた電圧範囲で実現することができる。
【００５３】
図５は、図１０に示す従来の周波数変調の線形性を本実施の形態におけるストリップ状線路３の長さの決定方法により改善したこと、を示す図である。このように、本実施の形態においては、上記のようにストリップ状線路３の長さを決定することで、従来２０％以上であった線形性指数を、１０％程度まで改善することができる。また、これにより、リニアライザーの適用を容易にすることができるため、衝突防止レーダ用発振器を効果的に実現することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２としてショットキーダイオードを用いた場合について説明したが、これに限らず、たとえば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のショットキー接合容量を周波数変調に利用することもできる。
【００５５】
図６は、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器における実施の形態３の処理を示す図である。ここでは、１０ＧＨｚ帯の動作周波数かつｋ＝１の場合における可変容量ダイオード２の周波数変調の線形性を改善する。なお、本実施の形態においては、図１に示すマイクロ波電圧制御発振器の構成と同一であるため、その説明を省略する。
【００５６】
図６において、１３は前述の式（７）の曲線であり、１４は前述の式（８）の曲線であり、１６は曲線１３を曲線１４にほぼ一致するまで下方にシフトした曲線である。なお、ここでは、ΔＣを０．５ｐＦとする。図示のとおり、曲線１６と曲線１４とは、前述した実施の形態２よりも（曲線１５’と曲線１４）、さらに広い電圧範囲で一致する。
【００５７】
そこで、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２に、等価的にストリップ状線路３（長さｌ）から得られる負のアドミッタンス：−１／（ω0Ｚｔａｎβｌ）が接続されていることを利用し、可変容量ダイオード２の容量と前記アドミッタンスとの和が、制御電圧の１乗〜２乗に反比例するように、ストリップ状線路３の長さｌを選定する。すなわち、可変容量ダイオード２のＣV特性が制御電圧Ｖのｋ乗（１≦ｋ＜２）の場合には、１／４波長〜１／１４波長の範囲のストリップ状線路３を用いることで、前述の容量ＣT特性が、制御電圧Ｖの１乗〜２乗の範囲になるように設定する。
【００５８】
このように、本実施の形態においては、実施の形態２と同様の効果が得られるとともに、さらに、制御電圧の１／２乗に反比例する可変容量ダイオード２を用いる実施の形態２と比較して、２倍の線路長が使用できる。また、ストリップ状線路３の線路長ｌが短くなりすぎることによる設計性および再現性の低下を防止することができる。なお、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２を用いた場合について説明したが、これに限らず、たとえば、ショットキーダイオードまたは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を周波数変調に利用することもできる。
【００５９】
図７は、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の実施の形態４の構成を示す図である。なお、前述の実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。図７において、３ａはストリップ状線路であり、４’は容量（キャパシタ）であり、１１’はストリップ状線路３ａを任意の位置で接地に接続するための端子である。
【００６０】
このマイクロ波電圧制御発振器は、ストリップ状共振器１の片方の端子に負性抵抗回路５を接続し、もう一方の端子に容量１’を介して可変容量ダイオード２のアノードを接続する。そして、可変容量ダイオードのカソードを接地し、かつ可変容量ダイオード２のアノードに高インピーダンスのストリップ状線路３ａを接続し、さらにストリップ状線路ａのもう一方の端子を発振周波数に対して十分に低インピーダンスの容量４を介して接地する。また、ストリップ状線路３ａの長さを１／４波長に設定する。
【００６１】
さらに、本実施の形態においては、一定の長さのストリップ状線路３ａを用いて実施の形態１の動作を実現する方法として、たとえば、長さ１／４波長のストリップ状線路３ａを用い、使用する可変容量ダイオード２のＣV特性に応じた所定の位置で、ストリップ状線路３ａを、発振周波数に対して十分に低インピーダンスの容量４’を介して接地する。すなわち、ストリップ状線路３ａにおける短絡点を任意に設定できる。
【００６２】
このように、本実施の形態においては、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、ストリップ状線路３の線路長ｌを１／４波長に固定し、さらに、ストリップ状線路３を任意の位置で接地する構成とすることで、可変容量ダイオード２の種類を限定することなく、かつ可変容量ダイオード２のＣV特性のばらつきを吸収するように微調整をおこなうことができるため、さらに大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上、説明したとおり、本発明によれば、ストリップ状線路の線路長を１／４波長〜１／１４波長とすることで、たとえば、ダイオードのみで周波数制御をおこなう場合と比較して、大幅に周波数変調の線形性を改善することが可能なマイクロ波電圧制御発振器を得ることができる。
【００６４】
また、可変容量ダイオードの容量とアドミッタンスとの和が制御電圧の１乗〜２乗に反比例するようにストリップ状線路の長さを決定することで、従来の線形性指数を大幅に改善することが可能なマイクロ波電圧制御発振器を得ることができる、という効果を奏する。また、線形性指数の大幅な改善により、リニアライザーの適用を容易にすることができるため、衝突防止レーダ用発振器を効果的に実現が可能となる。
【００６５】
また、ストリップ状線路の線路長を１／４波長に固定し、さらに、ストリップ状線路を任意の位置で接地する構成とすることで、可変容量ダイオードの種類を限定することなく、かつ可変容量ダイオードのＣV特性のばらつきを吸収するように微調整をおこなうことができるため、さらに大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。
【００６６】
また、ショットキーダイオードまたはＦＥＴダイオードを用いた場合においても、従来と比較して、大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の実施の形態１の構成を示す図である。
【図２】 １／４波長〜１／１４波長のストリップ状線路を可変容量ダイオードに並列接続した場合の容量−電圧特性を示す図である。
【図３】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器における実施の形態２の処理を示す図である。
【図４】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器における実施の形態２の処理を示す図である。
【図５】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の周波数変調の線形性を示す図である。
【図６】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器における実施の形態３の処理を示す図である。
【図７】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の実施の形態４の構成を示す図である。
【図８】 一般的なマイクロ波電圧制御発振器の原理構成を示す図である。
【図９】 従来のマイクロ波電圧制御発振器の回路構成を示す図である。
【図１０】 図９に示す従来のマイクロ波電圧制御発振器の可変周波数特性および周波数変調の線形性を示す図である。
【図１１】 特開平８−２８８７１５号公報に記載されたマイクロ波電圧制御発振器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ストリップ状共振器
１’，４，４’ 容量（キャパシタ）
２ 可変容量ダイオード
３，３ａ ストリップ状線路
５ 負性抵抗回路
６，１１，１１’ 端子
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車レーダ等のような狭帯域変調用のマイクロ波電圧制御発振器に関するものであり、特に、周波数変調リニアリティの改善を実現可能なマイクロ波制御発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来のマイクロ波電圧制御発振器について説明する。図８は、一般的なマイクロ波電圧制御発振器の原理構成を示す図である。図８において、６１は負性抵抗素子（回路）であり、６２は共振器回路であり、６３は可変容量ダイオードであり、このマイクロ波電圧制御発振器は、一般的に最もよく知られる、可変容量ダイオードと負性抵抗とを組み合わせたものである。
【０００３】
具体的にいうと、このマイクロ波電圧制御発振器は、基準点Ａ−Ａ’からみた共振器回路６２側のインピーダンスをＺRとし、負性抵抗素子側のインピーダンスをＺNとすると、
下記の式（１）が成立する場合に安定的に発振する。
Ｒｅ｛ＺR＋ＺN｝＜０
Ｉｍ｛ＺR＋ＺN｝＝０ …（１）
ｄ｛ＺR＋ＺN｝／ｄω＞０
ただし、ωは角周波数である。
【０００４】
また、上記マイクロ波電圧制御発振器において、基準点Ｂ−Ｂ’からみた可変容量ダイオード６３（容量ＣV）のインピーダンスを１／ｊωＣVとし、共振器回路６２側のインピーダンスをＲT＋ｊωＬTとすると、この発振器の発振周波数ｆOSCは、式（２）のように表すことができる。
ｆOSC＝１／［２π（ＬTＣV）1/2］ …（２）
【０００５】
ここで、周波数の可変範囲が非常に狭く、すべての周波数可変範囲でＬTが一定とみなせる場合には、容量ＣVが制御電圧の２乗に反比例する場合に、制御電圧に比例した発信周波数を得ることができる。
【０００６】
しかしながら、容量ＣVが電圧制御に対して２乗に反比例する可変容量ダイオードは市場になく、また、マイクロ波以上の周波数で動作可能な特殊なダイオードについては、たとえ存在した場合においても入手が困難となる。そのため、ＬTが一定の条件下で上記のような線形電圧制御発振器は実現されていない。
【０００７】
図９は、上記従来のマイクロ波電圧制御発振器の回路構成を示す図であり、６４が前述した先端短絡高インピーダンス１／４波長線路である。この場合、その１／４波長線路は、発振周波数でインピーダンスが無限大となり、マイクロ波の動作には関与しない。したがって、可変容量ダイオードの電圧−容量特性が周波数変調の線形性（リニアリティ）を決定することになる。
【０００８】
図１０は、図９に示す従来のマイクロ波電圧制御発振器の可変周波数特性および周波数変調の線形性（％表示）を示す図である。詳細には、図１０（ａ）が発振周波数−制御電圧特性を表し、図１０（ｂ）が周波数変調の線形性を表す。
【０００９】
ここで、周波数変調の線形性（線形性指数）は、図１０（ａ）に示す発振周波数−制御電圧特性により規定され、たとえば、周波数変調幅Ｗの両端を結ぶ直線と図示の周波数との最大のずれをΔＷとすると、１００×ΔＷ／Ｗ（％）で表すことができる。具体的にいうと、図１０（ｂ）に示すように、線形性指数は２０％以上となる。
【００１０】
これは、通信用の固定周波数発振器には影響を与えないが、たとえば、衝突防止レーダのように、周波数変調された信号を送受信して車間距離を測定する機器においては、測定結果の精度を大幅に劣化させる値を示している。すなわち、何らかの周波数リニアライザーによって精度を向上させようとした場合においても、線形性指数が大きすぎて、その効果が得られない。ただし、衝突防止用レーダは、周波数変調幅が発振周波数に対して無視できるほどに小さく、ほぼ固定周波数と考えられる。
【００１１】
つぎに、従来の線形マイクロ波電圧制御発振器について具体例をあげて詳細に説明する。図１１は、特開平８−２８８７１５号公報に記載されたマイクロ波電圧制御発振器（高周波機器）の構成を示す図である。図１１において、３１は共振回路であり、３２は容量（キャパシタ）であり、３３は負性抵抗回路（増幅回路）である。
【００１２】
また、共振回路３１において、４７は主共振線路であり、４８は直流阻止容量であり、４９は電圧の２乗に反比例する可変容量ダイオードであり、５２は可変容量ダイオード４９の２乗特性を線形特性に補正するためのストリップ線路５０とキャパシタ５１との直列接続であり、５３はストリップ線路５０の補正効果をさらに向上させるためのストリップ線路であり、５４は端子であり、５５はキャパシタである。また、負性抵抗回路３３において、３４はトランジスタであり、３５，３６，３７，３８は抵抗であり、３９，４０，４１，４２，４３はキャパシタであり、４４はコイルであり、４５，４６は端子である。
【００１３】
上記のように構成されるマイクロ波電圧制御発振器では、たとえば、共振回路３１に分布定数線路としてストリップ線路を用いかつ周波数可変範囲が広いような場合に、ＬTが周波数に対して直線的に変化するため、容量ＣVが電圧の２乗に反比例する場合でも、発振周波数が制御電圧に比例しない。そのため、ここでは、可変容量ダイオード４９の容量が、印加される電圧に対して直線的に変化するように、補正回路（ストリップ線路５０，ストリップ線路５３に相当）を組み込んでいる。また、このマイクロ波電圧制御発振器は、広い周波数帯域で発振周波数を変調するため、ストリップ線路５０および５３の長さを、それぞれ１／１０波長〜１／２０波長、３／１６波長〜５／１６波長と定めている。
【００１４】
ここで、ストリップ線路５０について説明する。上記マイクロ波電圧制御発振器においては、このストリップ線路５０がない場合、制御電圧が低いところでは電圧を少し変化させるだけで上記可変容量が急峻に変化し、その結果として発振周波数が急激に変化する。そして、制御電圧が高いところでは、電圧の変化に対して発振周波数がゆるやかに変化する。
【００１５】
一方、このストリップ線路５０がある場合には、このストリップ線路５０がそのインピーダンスを急激に変化させてしまう結果、発振周波数がゆるやかにしか大きくならず、それに伴って、発振周波数が制御電圧の増加に対して直線的に変化することとなる。なお、上記「インピーダンスを急激に変化させてしまう結果」を満足するためには、異なる周波数で補正用回路のインピーダンスが大きな変化を持つことが重要であるため、ここでは特に、周波数に対して大きなインピーダンス変化を発生させる直列接続５２を可変容量ダイオード４９と並列に接続する。
【００１６】
このように、従来のマイクロ波電圧制御発振器では、可変容量ダイオード４９の容量が印加電圧に対して直線的に変化するように補正回路（ストリップ線路５０，ストリップ線路５３）を組み込み、さらに、ストリップ線路５０および５３の長さを、それぞれ１／１０波長〜１／２０波長、３／１６波長〜５／１６波長と定めることで、広い周波数帯域で発振周波数を線形に変調している。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、衝突防止用レーダにおいては、たとえば、３８ＧＨｚ帯で５０ＭＨｚ程度の周波数変調をおこない、これを２逓倍した７６ＧＨｚ帯の周波数変調波を送受信し、ターゲットとの距離を測定する。この場合、固定周波数と比較して大きな差がなくなるため、インピーダンスを急激に変化させるための周波数変化幅が存在せず、具体的にいうと、比帯域が０．３％程度の非常に狭い周波数帯域となり、前述した補正回路の機能が使えない、という問題があった。
【００１８】
また、上記固定周波数に近い動作において、可変容量ダイオードの容量ＣVの補正値ＣMを電圧に対して線形に変化させる従来のマイクロ波電圧制御発振器では、前述の式（２）から明らかなように（式（２）のＣVをＣMに置き換える）、ＬTがほぼ固定値であるから、発振周波数ｆOSCが電圧の−１／２乗に比例する可変周波数特性になる。この場合、変調リニアリティ値（一定変調幅での変調感度の変化量率において、変調リニアリティ値が０％に近いほど、発振周波数の電圧依存性が直線に近い）は、２０％以上になるため、衝突防止レーダ用の電圧制御発振器としては不適切となる、という問題があった。
【００１９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来技術と比較して変調リニアリティ値を改善することにより、衝突防止用レーダに適用可能なマイクロ波電圧制御発振器を得ることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器は、入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、第１の端子と、第２の端子と、１／１４波長以上で１／４波長より十分短い範囲に設定された長さを有し、当該第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、前記可変容量ダイオードの容量および前記ストリップ状線路の容量の合成容量が、制御電圧の１／２乗より十分大きく２乗未満の値に反比例することを特徴とする。
【００２１】
これによって、上記構成を用い、さらに、ストリップ状線路の線路長を１／４波長〜１／１４波長とすることで、たとえば、ダイオードのみで周波数制御をおこなう場合と比較して、大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。
【００２２】
また、入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、第１の端子と、第２の端子と、１／１４波長〜１／１２波長の範囲に設定された長さを有し、前記第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、前記可変容量ダイオードの容量が制御電圧の１／２乗に反比例し、前記可変容量ダイオードに、等価的に前記ストリップ状線路から得られる負のアドミッタンスが接続されていることを利用し、前記可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の１／２乗より十分大きく２乗未満の値に反比例するように、前記ストリップ状線路の長さを決定することを特徴とする。
【００２３】
これによって、可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の１／２乗に反比例するようにストリップ状線路の長さを決定することで、従来の線形性指数を大幅に改善することができる。また、線形性指数の大幅な改善により、リニアライザーの適用を容易にすることができるため、衝突防止レーダ用発振器を効果的に実現することができる。
【００２４】
また、入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、第１の端子と、第２の端子と、１／２８波長〜１／２４波長の範囲に設定された長さを有し、前記第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、前記可変容量ダイオードの容量が制御電圧の１／２乗に反比例し、前記可変容量ダイオードに、等価的に前記ストリップ状線路から得られる負のアドミッタンスが接続されていることを利用し、前記可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の２乗に反比例するように、前記ストリップ状線路の長さを決定することを特徴とする。
【００２５】
このように、ストリップ状線路の線路長を１／２８波長〜１／２４波長の範囲に設定された長さとすることにより、可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の２乗に反比例する特性を、限られた電圧範囲で実現することができる。
【００２６】
また、入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、第１の端子と、第２の端子と、第３の端子と、１／４波長に固定された長さを有し、前記第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数が十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第３の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第３の容量とを備え、前記ストリップ状線路の前記第３の端子を当該ストリップ状線路の前記第１の端子からの長さが１／１４波長以上で１／４波長より十分短い範囲に設け、前記可変容量ダイオードの容量と前記ストリップ状線路の前記第１の端子から前記第３の端子間の容量との合成容量が制御電圧の１／２乗より十分大きく２乗未満に反比例することを特徴とする。
【００２７】
このように、前記ストリップ状線路の長さを１／４波長に固定し、使用する可変容量ダイオードの特性に応じた所定の位置で、前記ストリップ状線路を接地することによって、可変容量ダイオードの種類を限定することなく、かつ可変容量ダイオードのＣV特性のばらつきを吸収するように微調整をおこなうことができるため、さらに大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。
【００２８】
また、入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、第１の端子と、第２の端子と、１／１４波長以上で１／４波長より十分短い長さを有し、当該第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、前記可変容量ダイオードの容量が制御電圧に反比例し、前記可変容量ダイオードに、等価的に前記ストリップ状線路から得られる負のアドミッタンスが接続されていることを利用し、前記可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の２乗に反比例するように、前記ストリップ状線路の長さを決定することを特徴とする。
【００２９】
このように、ストリップ状線路の線路長を１／１４波長〜１／１２波長とすることにより、可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧に反比例する特性を実現することができる。
【００３０】
また、前記可変容量ダイオードとして、ショットキーダイオードまたはＦＥＴダイオードを用いることを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３２】
図１は、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の実施の形態１の構成を示す図である。図１において、１はストリップ状共振器であり、２は可変容量ダイオードであり、３はストリップ状線路であり、１’および４は容量（キャパシタ）であり、５は負性抵抗回路であり、６は発振器の出力端子であり、１１は可変容量ダイオードへの電圧印加端子である。
【００３３】
このマイクロ波電圧制御発振器は、ストリップ状共振器１の片方の端子に負性抵抗回路５を接続し、もう一方の端子に容量１’を介して可変容量ダイオード２のアノードを接続する。そして、可変容量ダイオードのカソードを接地し、かつ可変容量ダイオード２のアノードに高インピーダンスのストリップ状線路３を接続し、さらにストリップ状線路３のもう一方の端子を発振周波数に対して十分に低インピーダンスの容量４を介して接地する。また、ストリップ状線路３の長さを、１／４波長以下の範囲に設定する。
【００３４】
このように、本実施の形態では、可変容量ダイオード２とストリップ状線路３とが並列に接続され、それぞれが接地されているため、可変容量ダイオード２には、等価的に、ストリップ状線路３（長さｌ）から得られる負のアドミッタンス：−１／（ω0Ｚｔａｎβｌ）が接続される。なお、固定の発振角周波数をω0とし、ストリップ状線路３の特性インピーダンスをＺとし、位相定数をβとする。
【００３５】
したがって、容量１’を介してストリップ状共振器１に接続される容量ＣT（Ｖ）は、式（３）のように表すことができる。
ＣT＝ＣV−（１／ω0Ｚｔａｎβｌ） …（３）
この式は、後述する図電圧可変容量ＣV（縦軸）−電圧（横軸）曲線を下方にΔＣだけ平行移動させることを表す。
【００３６】
また、一般的に、可変容量ダイオード２の容量ＣV（Ｖ）は、式（４）のように表すことができる。
ＣV＝ａ／（１−Ｖ）K …（４）
ただし、Ｋは正の定数であり、ａは定数である。
【００３７】
したがって、上記式に基づいて容量ＣVを平行移動した場合には、ほぼすべての電圧において定数Ｋの値を大きくした場合と等価になる。本実施の形態においては、この効果を用いて、容量ＣTを制御電圧Ｖの２乗に反比例させること、またはそれに近い特性をストリップ状線路３により実現する。なお、狭い周波数帯域で周波数変調をおこなう場合、角周波数ω0は、一定としても差し支えなく、さらにすべての変調周波数において一定値の平行移動が成立するので、周波数補正の必要がない。
【００３８】
以下、ストリップ状線路３の長さを、たとえば、１／４波長から１／１４波長の範囲に設定した場合について説明する。たとえば、１／４波長の場合には、ΔＣ＝０となって、前述の平行移動が発生しないので、可変容量ダイオード２のＣV特性が制御電圧Ｖの２乗に反比例する場合に適用でき、一方、１／４波長より短い場合には、前述の平行移動が発生するので、可変容量ダイオード２のＣV特性が制御電圧Ｖのｋ乗（１／２＜ｋ＜２）に反比例する場合に適用できる。また、ストリップ状線路３の長さｌは、ＣV特性のｋ値に合わせて設定し、すべての制御電圧範囲において実効的にＣT特性のｋ値を大きくして周波数の線形性を改善する。
【００３９】
また、本実施の形態においては、ストリップ状線路３の接地を容量４を介して接続することで、可変容量ダイオード２に対して無損失かつ安定的に電圧を供給する。
【００４０】
図２は、１／４波長〜１／１４波長の先端短絡高インピーダンス線路（ストリップ状線路３）を可変容量ダイオード２に並列接続した場合の容量−電圧特性を示す図である。太い実線で示した曲線７は、可変容量ダイオード２の容量−電圧特性（ＣV特性）であり、容量ＣVは、前述の式（４）のように表すことができる（１／２＜ｋ＜２）。すなわち、電圧（絶対値）を大きくすると、低電圧域で容量が大きく減少し、高電圧域で容量がゆるやかに減少する。
【００４１】
点線で示した曲線８は、ストリップ状線路３の容量−電圧特性（ＣT特性）であり、前述の式（３）により、曲線７を、ストリップ状線路３による実効的な負の容量９だけ平行移動したものである。この曲線８は、細い実線で示す曲線１０に、ほとんどすべての電圧で一致する。なお、曲線１０は、式（５）のように表すことができる。
ＣV＝ａ／（１−Ｖ）k+m …（５）
ただし、ｍは正の整数である。
【００４２】
この式（５）は、たとえば、ｋ＝１／２の容量を、ストリップ状線路３によりｋ＝１の容量に変換できることを意味している。すなわち、ｋが１／２より大きくなるにしたがって、適宜ストリップ状線路３の長さを長くしていき、たとえば、容量シフト量９だけ小さくした場合にｋ＝１の容量に変換される。また、容量のシフト量を大きく（ストリップ状線路３を短く）維持した場合には、ｋ＝２の容量と等価にすることもできる。
【００４３】
このように、本実施の形態においては、図１に示す構成を用い、さらに、ストリップ状線路３の線路長ｌを１／４波長〜１／１４波長とすることで、ダイオードのみで周波数制御をおこなう場合と比較して、大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。なお、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２としてショットキーダイオードを用いることとして説明したが、これに限らず、たとえば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のショットキー接合容量を周波数変調に利用することもできる。
【００４４】
図３および図４は、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器における実施の形態２の処理を示す図である。ここでは、１０ＧＨｚ帯の動作周波数かつｋ＝１／２の場合における可変容量ダイオード２の周波数変調の線形性を改善する。なお、本実施の形態においては、図１に示すマイクロ波電圧制御発振器の構成と同一であるため、その説明を省略する。ここでは、可変容量ダイオードの容量−電圧特性を規定する。
【００４５】
図３において、ひし形を通る曲線は、一般的な可変容量ダイオードのＣV特性の測定値を表しているが、これは、たとえば、下記の式（６）に示す白丸を通る曲線と非常に高精度に一致している。
ＣV＝２／（１−Ｖ）1/2 …（６）
【００４６】
また、式（６）に基づいて、下記の式（７）および式（８）の曲線を求め、その結果をＣV特性の表に重ねてみる。図４は、式（６）〜式（８）を重ねあわせた状態を表した図である。
ＣV＝２／（１−Ｖ）1 …（７）
ＣV＝２／（１−Ｖ）2 …（８）
【００４７】
図４において、１２は上記一般的な可変容量ダイオード（ショットキーダイオード）のＣV特性を表す式（６）の曲線であり、１３は式（７）の曲線であり、１４は式（８）の曲線であり、１５は曲線１２を曲線１３にほぼ一致するまで下方にシフトした曲線であり、１５’は曲線１２を曲線１４にほぼ一致するまでさらに下方にシフトした曲線である。なお、ここでは、ΔＣを０．５ｐＦとする。
【００４８】
図示のとおり、曲線１５は曲線１３と広い電圧範囲で一致し、曲線１５’は曲線１４と限られた電圧範囲で一致する。このように、ストリップ状線路３による容量シフト効果は、図４に示すとおり、次数の高い、すなわち、理想に近いＣV特性を実現するために大変有効となる。
【００４９】
そこで、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２に、等価的にストリップ状線路３（長さｌ）から得られる負のアドミッタンス：−１／（ω0Ｚｔａｎβｌ）が接続されていることを利用し、可変容量ダイオード２の容量と前記アドミッタンスとの和が、制御電圧にほぼ反比例するように、ストリップ状線路３の長さｌを選定する。すなわち、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２のＣV特性が制御電圧Ｖの１／２乗に反比例する場合に、たとえば、１／１２波長程度のストリップ状線路３を用いることで、前述の容量ＣT特性が、制御電圧Ｖに反比例する可変容量特性を実現する。
【００５０】
たとえば、容量シフト量ΔＣと線路長ｌとの間には、前述の式（３）に基づいて、式（９）で表す関係が成立する。
ΔＣ＝１／｛ω0Ｚｔａｎ（２πｌ／λｇ）｝
Ｚｔａｎ（２πｌ／λｇ）＝１／ω0ΔＣ …（９）
ただし、λｇは波長を表す。また、ω0ΔＣは、周波数が高くなるにつれてＣVが小さく設定されるため、所望のＣV特性を実現する場合には周波数によらずほぼ一定となる。
【００５１】
したがって、図４において、たとえば、曲線１２から曲線１３へのシフト量ΔＣを０．５ｐＦとし、抵抗値Ｚを（実用的に基板厚１５０μｍ〜２５０μｍおよび線路幅５０μｍとする）７０Ω〜８０Ωとし、動作周波数を１０ＧＨｚとした場合、前記Ｚｔａｎ（２πｌ／λｇ）は、式（１０）のように求めることができる。
Ｚｔａｎ（２πｌ／λｇ）＝１００／π＝３１．８ …（１０）
【００５２】
このとき、前述のＺの範囲において、ｔａｎ（２πｌ／λｇ）は、０．４〜０．４６（２５°〜３０°）となり、さらに線路長ｌは、１／１４波長〜１／１２波長となる。すなわち、線路長ｌを１／１４波長〜１／１２波長とすることで、電圧に反比例するＣV特性を実現することができる。また、シフト量ΔＣを１ｐＦとし、線路長ｌを１／２８波長〜１／２４波長程度にすることで、電圧の２乗に反比例するＣV特性を、限られた電圧範囲で実現することができる。
【００５３】
図５は、図１０に示す従来の周波数変調の線形性を本実施の形態におけるストリップ状線路３の長さの決定方法により改善したこと、を示す図である。このように、本実施の形態においては、上記のようにストリップ状線路３の長さを決定することで、従来２０％以上であった線形性指数を、１０％程度まで改善することができる。また、これにより、リニアライザーの適用を容易にすることができるため、衝突防止レーダ用発振器を効果的に実現することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２としてショットキーダイオードを用いた場合について説明したが、これに限らず、たとえば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のショットキー接合容量を周波数変調に利用することもできる。
【００５５】
図６は、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器における実施の形態３の処理を示す図である。ここでは、１０ＧＨｚ帯の動作周波数かつｋ＝１の場合における可変容量ダイオード２の周波数変調の線形性を改善する。なお、本実施の形態においては、図１に示すマイクロ波電圧制御発振器の構成と同一であるため、その説明を省略する。
【００５６】
図６において、１３は前述の式（７）の曲線であり、１４は前述の式（８）の曲線であり、１６は曲線１３を曲線１４にほぼ一致するまで下方にシフトした曲線である。なお、ここでは、ΔＣを０．５ｐＦとする。図示のとおり、曲線１６と曲線１４とは、前述した実施の形態２よりも（曲線１５’と曲線１４）、さらに広い電圧範囲で一致する。
【００５７】
そこで、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２に、等価的にストリップ状線路３（長さｌ）から得られる負のアドミッタンス：−１／（ω0Ｚｔａｎβｌ）が接続されていることを利用し、可変容量ダイオード２の容量と前記アドミッタンスとの和が、制御電圧の１乗〜２乗に反比例するように、ストリップ状線路３の長さｌを選定する。すなわち、可変容量ダイオード２のＣV特性が制御電圧Ｖのｋ乗（１≦ｋ＜２）の場合には、１／４波長〜１／１４波長の範囲のストリップ状線路３を用いることで、前述の容量ＣT特性が、制御電圧Ｖの１乗〜２乗の範囲になるように設定する。
【００５８】
このように、本実施の形態においては、実施の形態２と同様の効果が得られるとともに、さらに、制御電圧の１／２乗に反比例する可変容量ダイオード２を用いる実施の形態２と比較して、２倍の線路長が使用できる。また、ストリップ状線路３の線路長ｌが短くなりすぎることによる設計性および再現性の低下を防止することができる。なお、本実施の形態においては、可変容量ダイオード２を用いた場合について説明したが、これに限らず、たとえば、ショットキーダイオードまたは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を周波数変調に利用することもできる。
【００５９】
図７は、本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の実施の形態４の構成を示す図である。なお、前述の実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。図７において、３ａはストリップ状線路であり、４’は容量（キャパシタ）であり、１１’はストリップ状線路３ａを任意の位置で接地に接続するための端子である。
【００６０】
このマイクロ波電圧制御発振器は、ストリップ状共振器１の片方の端子に負性抵抗回路５を接続し、もう一方の端子に容量１’を介して可変容量ダイオード２のアノードを接続する。そして、可変容量ダイオードのカソードを接地し、かつ可変容量ダイオード２のアノードに高インピーダンスのストリップ状線路３ａを接続し、さらにストリップ状線路ａのもう一方の端子を発振周波数に対して十分に低インピーダンスの容量４を介して接地する。また、ストリップ状線路３ａの長さを１／４波長に設定する。
【００６１】
さらに、本実施の形態においては、一定の長さのストリップ状線路３ａを用いて実施の形態１の動作を実現する方法として、たとえば、長さ１／４波長のストリップ状線路３ａを用い、使用する可変容量ダイオード２のＣV特性に応じた所定の位置で、ストリップ状線路３ａを、発振周波数に対して十分に低インピーダンスの容量４’を介して接地する。すなわち、ストリップ状線路３ａにおける短絡点を任意に設定できる。
【００６２】
このように、本実施の形態においては、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、ストリップ状線路３の線路長ｌを１／４波長に固定し、さらに、ストリップ状線路３を任意の位置で接地する構成とすることで、可変容量ダイオード２の種類を限定することなく、かつ可変容量ダイオード２のＣV特性のばらつきを吸収するように微調整をおこなうことができるため、さらに大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上、説明したとおり、本発明によれば、ストリップ状線路の線路長を１／４波長〜１／１４波長とすることで、たとえば、ダイオードのみで周波数制御をおこなう場合と比較して、大幅に周波数変調の線形性を改善することが可能なマイクロ波電圧制御発振器を得ることができる。
【００６４】
また、可変容量ダイオードの容量とアドミッタンスとの和が制御電圧の１乗〜２乗に反比例するようにストリップ状線路の長さを決定することで、従来の線形性指数を大幅に改善することが可能なマイクロ波電圧制御発振器を得ることができる、という効果を奏する。また、線形性指数の大幅な改善により、リニアライザーの適用を容易にすることができるため、衝突防止レーダ用発振器を効果的に実現が可能となる。
【００６５】
また、ストリップ状線路の線路長を１／４波長に固定し、さらに、ストリップ状線路を任意の位置で接地する構成とすることで、可変容量ダイオードの種類を限定することなく、かつ可変容量ダイオードのＣV特性のばらつきを吸収するように微調整をおこなうことができるため、さらに大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。
【００６６】
また、ショットキーダイオードまたはＦＥＴダイオードを用いた場合においても、従来と比較して、大幅に周波数変調の線形性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の実施の形態１の構成を示す図である。
【図２】 １／４波長〜１／１４波長のストリップ状線路を可変容量ダイオードに並列接続した場合の容量−電圧特性を示す図である。
【図３】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器における実施の形態２の処理を示す図である。
【図４】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器における実施の形態２の処理を示す図である。
【図５】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の周波数変調の線形性を示す図である。
【図６】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器における実施の形態３の処理を示す図である。
【図７】 本発明にかかるマイクロ波電圧制御発振器の実施の形態４の構成を示す図である。
【図８】 一般的なマイクロ波電圧制御発振器の原理構成を示す図である。
【図９】 従来のマイクロ波電圧制御発振器の回路構成を示す図である。
【図１０】 図９に示す従来のマイクロ波電圧制御発振器の可変周波数特性および周波数変調の線形性を示す図である。
【図１１】 特開平８−２８８７１５号公報に記載されたマイクロ波電圧制御発振器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ストリップ状共振器
１’，４，４’ 容量（キャパシタ）
２ 可変容量ダイオード
３，３ａ ストリップ状線路
５ 負性抵抗回路
６，１１，１１’ 端子
Claims (6)
- 入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、
アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、
第１の端子と、第２の端子と、１／１４波長以上で１／４波長より十分短い範囲に設定された長さを有し、当該第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、
前記可変容量ダイオードの容量および前記ストリップ状線路の容量の合成容量が、制御電圧の１／２乗より十分大きく２乗未満の値に反比例することを特徴とするマイクロ波電圧制御発振器。 - 入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、
アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、
第１の端子と、第２の端子と、１／１４波長〜１／１２波長の範囲に設定された長さを有し、前記第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、
前記可変容量ダイオードの容量が制御電圧の１／２乗に反比例し、前記可変容量ダイオードに、等価的に前記ストリップ状線路から得られる負のアドミッタンスが接続されていることを利用し、前記可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の１／２乗より十分大きく２乗未満の値に反比例するように、前記ストリップ状線路の長さを決定することを特徴とするマイクロ波電圧制御発振器。 - 入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、
アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、
第１の端子と、第２の端子と、１／２８波長〜１／２４波長の範囲に設定された長さを有し、前記第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、
前記可変容量ダイオードの容量が制御電圧の１／２乗に反比例し、前記可変容量ダイオードに、等価的に前記ストリップ状線路から得られる負のアドミッタンスが接続されていることを利用し、前記可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の２乗に反比例するように、前記ストリップ状線路の長さを決定することを特徴とするマイクロ波電圧制御発振器。 - 入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、
アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、
第１の端子と、第２の端子と、第３の端子と、１／４波長に固定された長さを有し、前記第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数が十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第３の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第３の容量とを備え、
前記ストリップ状線路の前記第３の端子を当該ストリップ状線路の前記第１の端子からの長さが１／１４波長以上で１／４波長より十分短い範囲に設け、前記可変容量ダイオードの容量と前記ストリップ状線路の前記第１の端子から前記第３の端子間の容量との合成容量が制御電圧の１／２乗より十分大きく２乗未満に反比例することを特徴とするマイクロ波電圧制御発振器。 - 入力端子と、出力端子を有する負性抵抗回路と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記負性抵抗回路の前記入力端子に接続されるストリップ状共振器と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、当該第１の端子が前記ストリップ状共振器の前記第２の端子に接続される第１の容量と、
アノードとカソードとを備え、前記アノードが前記第１の容量の前記第２の端子に接続され、前記カソードが接地される可変容量ダイオードと、
第１の端子と、第２の端子と、１／１４波長以上で１／４波長より十分短い長さを有し、当該第１の端子が前記可変容量ダイオードのアノードに接続される、高インピーダンスのストリップ状線路と、
第１の端子と、第２の端子とを有し、発振周波数に対して十分に低インピーダンスであり、一方の第１の端子が前記ストリップ状線路の前記第２の端子に接続され、他方の第２の端子が接地される第２の容量とを備え、
前記可変容量ダイオードの容量が制御電圧に反比例し、前記可変容量ダイオードに、等価的に前記ストリップ状線路から得られる負のアドミッタンスが接続されていることを利用し、前記可変容量ダイオードの容量と前記アドミッタンスとの和が制御電圧の２乗に反比例するように、前記ストリップ状線路の長さを決定することを特徴とするマイクロ波電圧制御発振器。 - 前記可変容量ダイオードとして、ショットキーダイオードまたはＦＥＴダイオードを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のマイクロ波電圧制御発振器。
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