JP4011553B2 - 誘電体共振器を用いた高周波発振器 - Google Patents

Description

本発明はミリ波やマイクロ波帯等の高周波発振器を産業上の技術分野とし、特に互いに逆相発振として合成し、発振周波数の基本波ｆ0を相殺して２倍波を得た高周波発振器（所謂Push-Push発振器、以下２倍波発振器とする）に関する。

（発明の背景）２倍波発振器は基本波ｆ0に対して２倍の出力周波数を得られることから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有用される。このようなものの一つに、本出願人による小型化を促進して設計を容易にしたものがある（特許文献１、非特許文献１）。

（従来技術の一例）第７図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）は２倍波発振器の平面図、同図（ｂ）は断面図である。
２倍波発振器は、一対の発振用増幅器、高周波伝送路としてのマイクロストリップライン（以下、ＭＳＬとする）１及びスロットライン（以下、ＳＬとする）２からなる。一対の発振用増幅器３（ａ，ｂ）はそれぞれＦＥＴ等からなり、基板５上に入力側を対向して配置する。

ＭＳＬ１は誘電体基板５の一主面に信号線を他主面に接地導体６を有し、一対の発振用増幅器３（ａ，ｂ）の入出力間を接続する。例えば矩形状とした閉ループとし、便宜的に発振用ＭＳＬ１とする。ＳＬ２は基板５の他主面の接地導体６に開口線路を設けてなり、矩形状としたＭＳＬ１の中央部を上下方向に横断する。そして、後述する発振周波数（基本波ｆ0）に対して概ねλ／４分突出して横断する。一対の発振用増幅器３（ａ，ｂ）の入力間を接続するＭＳＬ１ｂの中央部にはＳＬ２と重畳した出力線（ＭＳＬ）４が接続する。

このようなものでは、発振用ＭＳＬ１とＳＬ２とが電磁結合して２系統（左右）の発振閉ループを形成する。各発振系での発振周波数（基本波ｆ0）は、概ね、閉ループの長さに依存する。この場合、発振用ＭＳＬ１の不平衡伝播モードからＳＬ２の平衡伝播モードに変換される。そして、ＳＬ２の平衡伝播モードは開口線路の両端側では逆相となる伝播なので、２つの発振系は互いに逆相発振となる。要するに、ＳＬ２は２つの発振系を互いに逆相とする電磁結合体として機能する。

したがって、一対の発振用増幅器３（ａ，ｂ）の入力間を接続する発振用ＭＳＬ１ｂの中点では、発振周波数の基本波ｆ0及び奇数次倍調波は互いに逆相で０電位なので出力されない。そして、２倍波以上の偶数次倍調波は合成され、４倍以上の倍調波は２倍波に対して相対的にレベルが小さい。したがって、基本波及びその他の倍調波を抑圧して、出力線４には２倍波が得られる。

なお、ＳＬ２を発振用ＭＳＬ１の上下から基本波ｆ0に対してλ／４分突出させたので、接続点から見て電気的開放端となって基本波ｆ0をＳＬ２に効率良く正帰還できて、発振系のＱを高める。ここでのλ／４は電気的開放端とする程度の長さで厳格な意味でのλ／４ではない。

（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の２倍波発振器では、各発振系は閉ループの長さに依存して発振周波数（基本波ｆ0）が決定されるものの、基本的にＱが小さい。したがって、周波数安定度に劣る問題があった。この場合、例えば注入同期によって周波数安定度を高められるが（第８図）、同期信号源等を要して回路を複雑にする問題があった。

（発明の目的）本発明は周波数安定度を高めた特に２倍波発振器を提供することを目的とする。

本発明では、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、一対の発振用増幅器の入力間及び出力間を第１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とを結合する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周波発振器において、前記電磁結合体は少なくとも誘電体共振器を有し、前記誘電体共振器は前記一対の発振用増幅器の入力間及び出力間の前記第１高周波伝送路又は前記第１高周波伝送路と電磁結合した第２高周波伝送路と重畳し、前記誘電体共振器と前記第１又は第２高周波伝送路との前記一対の発振用増幅器の入力間側における重畳点から出力を得た構成とする。

また、請求項２では、前記第１高周波伝送路は基板の一主面に信号線を他主面に接地導体を有するＭＳＬとする。

また、請求項３では、前記第１高周波伝送路は基板の一主面に信号線を他主面に接地導体を有するマイクロストリップラインであって、前記電磁結合体は前記マイクロストリップラインを横断した前記第２高周波伝送路としてのスロットラインと、前記スロットラインと電磁結合した前記誘電体共振器とする。

本発明の請求項１では、第１高周波伝送路との電磁結合体に少なくとも誘電体共振器を有するので、２つの発振系のＱを大きくして周波数安定度を高められる。

同請求項２では第１高周波伝送路をＭＳＬとするので請求項１の発明を具現化できる。

同請求項３では電磁結合体はＭＳＬを横断した第２高周波伝送路としてのＳＬに誘電体共振器と電磁結合するので、ＭＳＬを横断して突出するＳＬの長さをλ／４にすることよって接続点（横断点）からみて電気的開放端にできる。

第１図は本発明の第１実施例を説明する図で、同図（ａ）は２倍波発振器の平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

２倍波発振器は、前述同様に基板５上に設けられた一対の発振用増幅器３（ａ，ｂ）、出力線４を有する発振用ＭＳＬ１を有する。そして、この実施例では、発振用増幅器３（ａ，ｂ）の間であって発振用ＭＳＬ１の中央領域に誘電体共振器７を配置する。誘電体共振器７は例えば円柱状としたセラミックからなり、外周が例えば発振用ＭＳＬ１の上下にて当接する。

このような構成であれば、発振用ＭＳＬ１と誘電体共振器７とは上下端にて電磁結合し、従来例と同様に２系統（左右）の発振系を得る。この場合、上下端での電磁結合即ち誘電体共振器７からの磁界によって発振用ＭＳＬ１には誘導電流が励起される。

誘導電流は発振用ＭＳＬ１の上下端間では逆向きに、上端及び下端ではそれぞれ同方向になる。したがって、上下端から見て左右の誘導電流は互いに逆相となり、２つの発振系は互いに逆相の発振となる。この場合、誘電体共振器７は互いに逆相とする電磁結合体として機能する。

このことから、一対の発振用増幅器間３（ａ，ｂ）の中点では、ＳＬを用いた場合と同様に、基本波及び奇数次倍調波は互いに逆相で０電位になって、偶数次倍調波は合成される。そして、偶数次倍調波のうちレベルの最も高い２倍波２ｆ0が出力線に得られる。しかも、電磁結合体としての誘電体共振器７を共通として各発振系に挿入されるので、誘電体共振器７の高いＱ値によって周波数安定度を高められる。

第２図は本発明の第２実施例を説明する図で、同図（ａ）は２倍波発振器の平面図、同図（ｂ）は断面図である。なお、これ以降の各実施例では前実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。

第２実施例では、一対の発振用増幅器３（ａ，ｂ）の入出力間であって発振用ＭＳＬ１の上下で個々に横断する一組のＳＬ２（ａ，ｂ）を設ける。そして、発振用ＭＳＬ１内の一組の対向するＳＬ２（ａ，ｂ）の先端側に誘電体共振器７の上下端を当接して配置する。各ＳＬ２（ａ，ｂ）の発振用ＭＳＬ１の上下からの突出長は前述のように概ねλ／４とする。

このような構成であれば、発振用ＭＳＬ１の上下で横断するＳＬ２（ａ，ｂ）と誘電体共振器７とが電磁結合体として機能し、２つの発振系を互いに逆相発振とする。この場合、上下のＳＬ２（ａ，ｂ）は発振用ＭＳＬ１を横断して、従来同様に平衡伝播モードに変換され、左右の発振系を互いに逆相発振とする。但し、誘電体共振器７に接続している上下間では逆向きの誘導電流が誘起され、両者間（上下のＳＬ間）では逆向きの電界方向となって高周波電流が伝播される。

したがって、第１実施例と同様に、基本波ｆ0及び奇数次倍調波を相殺して偶数次倍調波のうち最もレベルの高い２倍波２ｆ0を出力線４に得る。そして、誘電体共振器７を用いるので、周波数安定度を高める。さらに、ここでは、上下のＳＬ２（ａ，ｂ）を発振用ＭＳＬ１から基本波ｆ0に対して概ねλ／４分突出するので、各発振系での基本波ｆ0での発振効率を高める。

なお、この実施例においては、例えば第３図に示したように、出力線４を設けた発振用ＭＳＬ１ｂの上側にのみＳＬ２を設けて誘電体共振器７と結合し、発振用ＭＳＬ１ａの下側では誘電体共振器７と直接的に結合してもよい。この場合でも、前述と同様の効果を奏する。

第４図は本発明の第３実施例を説明する２倍波発振器の平面図である。第３実施例は発振用ＭＳＬ１を三角形として構成した例である。すなわち、ここでは、一対の発振用増幅器３（ａ，ｂ）の入力間及び出力間を接続する発振用ＭＳＬ１を三角形とする。そして、円柱状とした誘電体共振器７の外周３点を発振用ＭＳＬ１に当接して配置する。

外周３点は発振用増幅器３（ａ，ｂ）の入力間の入力側１点及び出力間の等距離とした出力側２点とする。但し、出力側２点から延長した頂点までの距離は基本波ｆ0に対して概ねλ／４とする。

このような構成であれば、発振用ＭＳＬ１と誘電体共振器７は入力側１点と出力側２点とで電磁結合する。この場合、出力側２点で互いに逆位相の誘導電流を生じて、発振用増幅器３（ａｂ）へ帰還される。

そして、ここでは、出力側２点から概ねλ／４延出した頂点は０電位点になるので、出力点からは無限大のインピーダンスとなる。したがって、前実施例と同様に、出力線４には基本波ｆ0は出力されず、２倍波２ｆ0が出力される。

第５図は本発明の第４実施例を説明する注入同期を採用した２倍波発振器の平面図である。この例では、前第１実施例での２倍波発振器の発振用ＭＳＬ１に注入同期用のＭＳＬ（以下、注入用ＭＳＬとする）８を電磁結合させる。

すなわち、注入用ＭＳＬ８は２つの発振系を形成する発振用ＭＳＬ１の左右側に併設されて電磁結合する。そして、注入用ＭＳＬ８の右側を左側よりもλ／２分長くして遅延させ、入力端から同期信号を注入する。同期信号は高安定な外部信号源から発振周波数ｆ0に対して１／ｎ（但し、ｎは１以上の整数）とする。

このようにすれば、ｆ0換算で２つの発振系には互いに逆相となる同期信号が入力される。したがって、ｆ0の１／ｆ0毎に同期するので周波数安定度をさらに高められる。

なお、ここでは互いに逆相となる同期信号を注入したが、例えば第６図に示したようにしてもよい。すなわち、例えば第２実施例での２倍波発振器の下側のＳＬ２ｂに注入用ＭＳＬ８を横断して設け、非線形回路を介してｆ0成分を発生させてｆ0／ｎとした同期信号を注入する。この場合でも同様に周波数安定度を高められる。

（他の事項）上記実施例では基板５上に発振回路を形成して誘電体共振器を配置したが、発振回路をＭＭＩＣにて小型に製作し、その上に誘電体共振器を配置してもよい。

本発明の第１実施例を説明する図で、同図（ａ）は２倍波発振器の平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 本発明の第２実施例を説明する図で、同図（ａ）は２倍波発振器の平面図、同図（ｂ）は断面図である。 本発明の第２実施例の他の実施例を説明する図で、同図（ａ）は２倍波発振器の平面図、同図（ｂ）は断面図である。 本発明の第３実施例を説明する２倍波発振器の平面図である。 本発明の第４実施例を説明する注入同期を採用した２倍波発振器の平面図である。 本発明の第４実施例の他の実施例を説明する２倍波発振器の平面図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は２倍波発振器の平面図、同図（ｂ）は断面図である。 従来例を説明する図で２倍波発振器の平面図である。

符号の説明

１ マイクロストリップライン、２ スロットライン、３ 発振用増幅器、４ 出力線、５ 基板、６ 接地導体、７ 誘電体共振器、８ 注入同期用マイクロストリップライン、９ 非線形回路。

Claims (4)

1. 一対の発振用増幅器の入力間及び出力間を第１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とを結合する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周波発振器において、前記電磁結合体は少なくとも誘電体共振器を有し、前記誘電体共振器は前記一対の発振用増幅器の入力間及び出力間の前記第１高周波伝送路又は前記第１高周波伝送路と電磁結合した第２高周波伝送路と重畳し、前記誘電体共振器と前記第１又は第２高周波伝送路との前記一対の発振用増幅器の入力間側における重畳点から出力を得たことを特徴とする誘電体共振器を用いた高周波発振器。
2. 前記第１高周波伝送路は基板の一主面に信号線を他主面に接地導体を有するマイクロストリップラインである請求項１の誘電体共振器を用いた高周波発振器。
3. 前記第１高周波伝送路は基板の一主面に信号線を他主面に接地導体を有するマイクロストリップラインであって、前記電磁結合体は前記マイクロストリップラインを横断した前記第２高周波伝送路としてのスロットラインと、前記スロットラインと電磁結合した前記誘電体共振器である請求項１の誘電体共振器を用いた高周波発振器。
4. 前記２つの発振閉ループに電磁結合して互いに逆相とするマイクロストリップラインを設けて、前記発振閉ループによる発振周波数ｆ0に対してｆ0／ｎとなる同期信号を注入した請求項１の誘電体共振器を用いた高周波発振器。

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