JP4305841B2

JP4305841B2 - 注入同期高周波発振器

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Publication number: JP4305841B2
Application number: JP2004020808A
Authority: JP
Inventors: 正義相川; 高行田中; 文雄浅村; 武雄追田
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY; Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY; Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005217691A; US7145404B2; US20050184816A1

Description

本発明はミリ波やマイクロ波帯等の所謂Push-Push発振による２倍波や４倍波等の偶数次倍調波を出力とした注入同期型の倍調波発振器を技術分野とし、特に注入同期による位相雑音の向上及び周波数引き込みに関する。

（発明の背景）Push-Push発振による倍調波発振器は、基本波ｆ0に対して２倍以上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、さらに注入同期により周波数安定度を高めて例えば２倍波を得た特許文献１で示される倍調波発振器がある（以下、２倍波発振器とする）。

（従来技術の一例）第９図は一従来例を説明する注入同期を用いた２倍波発振器の平面図である。２倍波発振器は、基本的に、一対の発振用増幅器３（ａｂ）、高周波伝送路としてのマイクロストリップライン（以下、発振用ＭＳＬとする）１及び逆相発振とするスロットライン（以下、結合用ＳＬとする）２からなる。

一対の発振用増幅器３（ａｂ）はそれぞれＦＥＴ等からなり、誘電体基板５上に入力側を対向して配置する。発振用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（ａｂ）の入出力間を接続する。ここでは例えば矩形状とする。

結合用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、矩形状とした発振用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（ａｂ）の入力間を接続する発振用ＭＳＬ１の中央部（図の下側）には結合用ＳＬ２と重畳した出力線４が接続する。

また、出力間を接続する中央部（図の上側）には結合用ＳＬ２と重畳した注入同期用の注入線７が接続する。そして、例えば水晶発振器による外部信号源から後述の基本波ｆ0に対して１／ｎ（但し、ｎは整数）とした高安定な同期信号が注入される。

このようなものでは、発振用ＭＳＬ１と結合用ＳＬ２とが電磁結合して２系統（左右）の発振系を形成する。この場合、発振用ＭＳＬ１の不平衡伝播モードから結合用ＳＬ２の平衡伝播モードに変換される。そして、結合用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、結合用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。但し、各発振系での発振周波数（基本波ｆ0）は、概ね、各発振系の移相量に依存し、同一発振周波数に設計される。

したがって、一対の発振用増幅器３（ａｂ）の入力間を接続する出力線４の接続した発振用ＭＳＬ１の中点では、発振周波数の基本波ｆ0及び奇数次倍調波は逆相で０電位になる。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。

そして、ここでは注入線７から基本波ｆ0に対して１／ｎとした同期信号が出力間の中点から同相で各発振系に注入される。したがって、例えばｎ＝１とすると、各発振系の基本波ｆ0は１／ｆ0毎に位相が揃えられ、周波数安定度が同期信号源に追従して高められる。

なお、結合用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を効率よく結合用ＳＬ２に正帰還する。したがって、各発振系の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あって厳格な意味でのλ／４ではない。
特願２００２−２６３３００号

（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成による２倍波発振器では、同期信号源の発振周波数が低く、通常ではｎ＝２以上としたｆ0／ｎで２／ｆ0以上ごとの注入同期となる。この場合、ｎ＝１とした１／ｆ0ごとの注入同期に比較して、例えば注入同期されない部分での位相がずれて周波数安定度に欠けることから、注入レベルを大きくしてｆ0成分を高める必要があった。

なお、同期信号の注入レベルが高いと、発振周波数（基本波ｆ0）の位相雑音もこれに伴い改善される。また、発振周波数が同期信号に引き込まれやすくなるので、発振周波数を同期信号源の周波数に応じて可変できる。換言すると、発振周波数の引き込み範囲が広くなる。

このことから、一般的な注入同期では、例えばｎ＝１０以上としたｆ0／ｎの同期信号をステップリカバリー回路１１等を用いて、発振周波数ｆ0に接近した高調波成分のレベルを高める。これにより、発振周波数ｆ0に接近した高調波成分を含む注入同期とし、発振周波数ｆ0の周波数安定度を高める。

しかし、上記構成の２倍波発振器の場合には、同期信号ｆ0／ｎ（ｎは２以上）の高調波成分を大きくすると、発振周波数f0に対して低調波ｍｆ0／ｎ（ｍは１以上）となる同期信号の高調波成分が２つの発振系を経て同様のPush-Push機構によって出力される。このため、２倍波発振器の出力である２倍波２ｆ0に対するスプリアスが多くなる問題があった。

（発明の目的）本発明はスプリアスを抑圧して周波数安定度を高め、位相雑音を少なくして引き込み範囲を広くした注入同期の倍調波発振器を提供することを目的とする。

本発明の特許請求の範囲（請求項１）では、入力側を対向して配置された一対の発振用増幅器の入出力間をマイクロストリップラインで接続し、前記一対の発振用増幅器の入力間と出力間となる前記マイクロストリップラインを横断して電磁結合するスロットラインを設け、前記スロットラインを共通として前記マイクロストリップラインとともに基本波ｆ0に対して互いに逆相発振となる２つの発振系を形成し、前記基本波ｆ0の偶数次倍調波を得るとともに前記２つの発振系にｆ0／ｎ（但し、ｎは整数）となる同期信号を注入してなる注入同期高周波発振器において、前記同期信号は高調波成分を高める非線形回路を経た後、前記２つの発振系に電磁結合して前記同期信号ｆ0／ｎの高調波成分ｆ0又は２ｆ0が通過するフィルタを経て注入された構成とする。

同請求項２では前記高周波成分ｆ0は前記２つの発振系に逆相で注入され、同請求項３では前記高周波成分２ｆ0は前記２つの発振系に同相で注入される。同請求項４では非線形回路をステップリカバリー回路とする。

本発明（請求項１）では同期信号の高周波成分ｆ0又は２ｆ0を２つの発振系に電磁結合したフィルタによって注入する。したがって、以下の実施例で説明するように、高調波成分ｆ0を各発振系に注入した場合はこれを互いに逆相として、また２ｆ0として各発振系に同相として注入すれば、各発振系の基本波ｆ0を１／ｆ0ごとに同期できる。これらにより、目的に合致した効果を得る。

同請求項２では高調波成分ｆ0を互いに逆相として、同請求項３では高調波成分２ｆ0を互いに同相として各発振系に注入するので、いずれの場合でも各発振系の基本波ｆ0を１／ｆ0ごとに同期できる。また、同請求項４では非線形回路をステップリカバリー回路１１とするので、さらに請求項１の発明を具体的にする。

第１図は本発明の一実施例を説明する２倍波発振器の平面図である。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（ａｂ）、出力線４を有する発振用ＭＳＬ１、及び逆相発振とする電磁結合体としての結合用ＳＬ２を有する。

そして、この実施例では、各発振用増幅器３（ａｂ）の出力間を接続して結合用ＳＬ２を横断する発振用ＭＳＬ１にフィルタ用ＭＳＬ８を平行に近接して接続する。フィルタ用ＭＳＬ８は結合用ＳＬ２から各両側に基本波ｆ0に対して概ねλ／４の長さとする。但し、ここでの発振用ＭＳＬ１は結合用ＳＬ２内で分断（開放）される。

そして、注入同期用の注入線７は線路及びビアホールによって他主面の結合用ＳＬ２内に延出した線路で、非線形回路例えばステップリカバリー回路１１に接続する。ステップリカバリー回路１１は、図示しないバイアス回路、マッチング回路、ドライブ回路及びステップリカバリーダイオードからなり、結合用ＳＬ２に設置される。

このような構成であれば、外部信号源から注入された基本波を例えばｆ0／10（以下、注入同期基本波ｆ0とする）とした同期信号は、ステップリカバリー回路１１によって高調波成分を発生してそのレベル高める。そして、結合用ＳＬ２内に伝播し、結合用ＳＬ２を横断したフィルタ用ＭＳＬ８と電磁結合する。

この場合、フィルタ用ＭＳＬ８は各発振系の基本波ｆ0（以下、発振基本波ｆ0とする）に対して概ねλ／４であるので、注入同期基本波ｆ0／10の高周波成分のうち10倍となるｆ0が通過する。ここでは、結合用ＳＬ２とフィルタ用ＭＳとの電磁結合なので、結合用ＳＬ２の両側では互いに逆相となる。

これらのことから、左右２つの発振系には注入同期基本波ｆ0／10の10倍となる高調波ｆ0が注入される。したがって、第２図に示したように、各発振系における互いに逆相の発振基本波ｆ0はそれぞれ１／ｆ0ごとに注入同期して周波数安定度が高くなる。これにより、出力線４に得られる２倍波ｆ0の周波数安定度も高くなる。したがって、出力には２倍波２ｆ0が支配的になって、これに対するスプリアスを抑圧できる。そして、位相雑音も小さく、しかも引き込み範囲も広くなる。

なお、この例では２倍波発振器として説明したが、例えば第３図に示したように４倍波発振器とすることもできる。すなわち、出力線４を横断して２倍波２ｆ0対してλ／４としたフィルタ用ＭＳＬ１２を両側に設ける。また、結合用ＳＬ２との接続点から内側方向に同様のフィルタ用ＭＳＬ１３を設ける。

このようにすれば、出力線４の接続点から見てフィルタ用ＭＳＬ１２、１３は２倍波２ｆ0に対して電気的短絡端となるので、出力端には出力されない。したがって、偶数次倍調のうち、２倍波を除いて最もレベルの高い４倍波４ｆ0が出力として得られる。そして、４倍波４ｆ0等のフィルタをも併設すれば６倍波６ｆ0以上の高周波を得ることができる。

また、この例では結合用ＳＬ２にフィルタ用ＭＳＬ８を横断（交差）して互いに逆相となる高調波ｆ0を得て各発振系に注入したが、次のようにしてもよい。すなわち、例えば第４図に示したように、ステップリカバリー回路１１にバラン（Balun）１４を接続して互いに逆相となる同期信号（注入同期基本波ｆ0／ｎ）を得る。但し、バランを用いることなくステップリカバリー回路を平衡出力としても互いに逆相の同期信号を得られる。

そして、各発振系の発振用ＭＳＬ１に外方から電磁結合して発振用基本波ｆ0に対して概ねλ／４としたフィルタ用ＭＳＬ１５に供給する。これにより、互いに逆相とした同期信号の高周波成分ｆ0を各発振系に注入する。なお、各発振用ＭＳＬ１に発振用基本波ｆ0に対してλ／４としたフィルタ用ＭＳＬ８の内方からも接続し、発振用基本波ｆ0のみを通過させる。

また、第５図に示したように、基本波ｆ0において一方を他方よりλ／２分長くして遅延線とした分岐ＭＳＬ１６をステップリカバリー回路１１に接続する。そして、分岐ＭＳＬの先端側から互いに逆相の高周波成分ｆ0を各発振系の発振用ＭＳＬ１に注入する。ここでは、各分岐ＭＳＬの先端側と発振用ＭＳＬ１に高周波成分ｆ0に対してλ／４となるＬ字状ＭＳＬ１７を接続して、フィルタを２段接続とする。

さらに、第６図に示したように、発振用ＭＳＬ１の下左端から結合用ＳＬ２を横断して右端に延出し、基本波ｆ0に対してλ／４となる例えば内側に折曲したＭＳＬ１８を設ける。そして、結合用ＳＬ２の横断点にステップリカバリー回路１１からの同期信号（注入同期基本波ｆ0／ｎ）を供給する。

この場合でも、ＭＳＬの両端側で逆相となって、注入同期基本波ｆ0／ｎの高周波成分ｆ0が各発振系に注入される。なお、発振用ＭＳＬ１の中点からは結合スロット内に発振用基本波ｆ0に対してλ／４としたＭＳＬ１９を延出して、０電位点とする。

第７図は本発明の第２実施例を説明する２倍波発振器の平面図である。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実施例は発振基本波ｆ0に対して２倍波２ｆ0を同相で各発振系に注入する例である。ここでは、２倍波２ｆ0に対してλ／４としたフィルタ用ＭＳＬ１６を結合用ＳＬ２から両側にそれぞれ延出して発振用ＭＳＬ１に平行に設ける。ここでの発振用ＭＳＬ１は結合用ＳＬ２を横断して連続する。フィルタ用ＭＳＬ１６の接続点に信号線（ＭＳＬ）が接続して結合用ＳＬ２を経て外部に延出する。

そして、信号線には結合用ＳＬ２の外側で、基本波ｆ0に対してλ／４としたフィルタ用ＭＳＬ１７が両側に設けられ、同期信号が印加されるステップリカバリー回路１１に接続する。同期信号は発振系の基本波ｆ0に対して前述同様にｆ0／１０（注入同期基本波）とする。

このような構成であれば、ステップリカバリー回路１１からのレベルを高めた高調波成分は、先ず、基本波ｆ0に対してλ／４としたフィルタ用ＭＳＬ８によって、同期信号ｆ0／１０の１０倍となる高調波ｆ0が除去される。

次に、２倍波２ｆ0に対してλ／４としたフィルタ用ＭＳＬ１６によって、同期信号ｆ0／１０の２０倍となる高調波２ｆ0が通過する。そして、発振用ＭＳＬ１に電磁結合する。この場合、両側のフィルタ用ＭＳＬ１６と発振用ＭＳＬ１とは、第１実施例とは逆に、同相での電磁結合となる。

なお、第１実施例では両側のフィルタ用ＭＳＬ８と発振用ＭＳＬ１とは逆相での電磁結合となるので発振用ＭＳＬ１は分断（開放）し、第２実施例では同相での電磁結合となるので連続（短絡）する。

これらにより、左右の各発振系には基本波ｆ0に対して２倍波２ｆ0が同相で注入される。この場合は、第８図に示したように、左右の発振系による互いに逆相とした基本波ｆ0に対して１／ｆ0ごとに同期する。

以上から、第２実施例においても、２倍波２ｆ0の周波数安定度を高めるとともに、注入同期信号の２f0以外の高調波はフィルタ用ＭＳＬ８でレベルが小さくなってスプリアスを抑圧できる。そして、そして、位相雑音も小さく、しかも引き込み範囲も広くなる。

なお、この実施例においても、２倍波２ｆ0に対してλ／４となるフィルタ用ＭＳＬ８を出力線４に接続することによって４倍波４ｆ0を得られる。同様に４倍波４ｆ0のフィルタ用ＭＳＬを併設すれば８倍波８ｆ0をも得ることができる。

（他の事項、参考）上記実施例では注入同期信号をｆ0／１０としたが、ｆ0／ｎ（ｎは２以上）でもよい。また、互いに逆相とする発振用ＭＳＬ１との電磁結合体は結合用ＳＬ２としたが、例えば誘電体共振器を発振用ＭＳＬ１の上下で電磁結合してもよい。この場合は、上下での発振用ＭＳＬ１の誘導電流が同一方向（上下間では逆向き）なので、誘電体共振器の接続点から見ると互いに逆相になる。また、非線形回路はステップリカバリー回路としたが、高調波成分を高める素子であればよい。

本発明の第１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１実施例の作用を説明する出力波形図である。本発明の第１実施例の他例を説明する２倍波発振器の平面図である。本発明の第１実施例のさらに他例を説明する２倍波発振器の平面図である。本発明の第１実施例のさらに他例を説明する２倍波発振器の平面図である。本発明の第１実施例のさらに他例を説明する２倍波発振器の平面図である。本発明の第２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２実施例の作用を説明する出力波形図である。従来例を説明する２倍波発振器の図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。

符号の説明

１発振用ＭＳＬ、２結合用ＳＬ、３増幅器、４出力線、５基板、６接地導体、７注入線、８、１２、１３、１５、１６、１７、１８フィルタ用ＭＳＬ、９ビアホール、１０信号線、１１ステップリカバリー回路、１４バラン。

Claims

入力側を対向して配置された一対の発振用増幅器の入出力間をマイクロストリップラインで接続し、前記一対の発振用増幅器の入力間と出力間となる前記マイクロストリップラインを横断して電磁結合するスロットラインを設け、前記スロットラインを共通として前記マイクロストリップラインとともに基本波ｆ0に対して互いに逆相発振となる２つの発振系を形成し、前記基本波ｆ0の偶数次倍調波を得るとともに前記２つの発振系にｆ0／ｎ（但し、ｎは整数）となる同期信号を注入してなる注入同期高周波発振器において、前記同期信号は高調波成分を高める非線形回路を経た後、前記２つの発振系に電磁結合して前記同期信号ｆ0／ｎの高調波成分ｆ0又は２ｆ0が通過するフィルタを経て注入されたことを特徴とする高周波発振器。
前記高周波成分ｆ0は前記２つの発振系に逆相で注入された請求項１の高周波発振器。
前記高周波成分２ｆ0は前記２つの発振系に同相で注入された請求項１の高周波発振器。
前記非線形回路はステップリカバリー回路である請求項１の高周波発振器。