JP4308279B2 - 高周波用電圧制御発振回路 - Google Patents

Description

本発明は、高周波用電圧制御発振回路に係り、特に、異常発振を抑制し、位相雑音を改善する高周波用電圧制御発振回路に関する。

従来の高周波用電圧制御発振回路は、発振用増幅回路と、誘導性リアクタンス素子、容量性可変リアクタンス素子で形成される移相回路とから成り、３次のπ型可変ハイパスフィルタに容量性可変リアクタンス素子を直列に接続して移相回路を構成していた。

従来の高周波用電圧制御発振回路について図９を参照しながら説明する。図９は、従来の高周波用電圧制御発振回路の簡易回路を示す図である。
従来の高周波用電圧制御発振回路は、図９に示すように、発振用増幅回路のトランジスタＱのコレクタとベースを帰還ループで接続し、当該帰還ループに可変容量のダイオードＤ2 、Ｄ3 、Ｄ1 が直列に接続され、ダイオードＤ1 とダイオードＤ3 との間の点が誘導性リアクタンス素子であるコイルＬ1 の一方に端子に接続し、他方の端子が接地し、ダイオードＤ2 とダイオードＤ3 との間の点が誘導性リアクタンス素子であるコイルＬ2 の一方に端子に接続し、他方の端子が接地されている。
ここで、ダイオードＤ3 とコイルＬ1 ，Ｌ2 で３次のπ型可変ハイパスフィルタ（ＨＰＦ：High Pass Filter）を形成している。

図１０に従来回路の発振ループゲインの周波数特性を示す。図１０は、従来の高周波用電圧制御発振回路における発振ループゲインの周波数特性を示す図である。図１０において、横軸が周波数で、縦軸がゲインを表している。
発振周波数は、図１０においては、７００ＭＨｚとなっており、そのため、移相回路がハイパスフィルタの場合、７００ＭＨｚ以上の周波数において発振ループゲインが０ｄＢ以上となって、発振周波数以上の周波数において意図しない発振が発生することが懸念される。

また、従来技術を用いた場合の発振ループ内における発振スペクトラムについて図１１を参照しながら、また、高調波成分のレベルについて図１２を参照しながら説明する。図１１は、従来の発振ループ内の発振スペクトラムを示す図であり、図１２は、高調波成分のレベルを示す図である。
図１１において、横軸の「１」は所望の発振周波数、「２」以降は高次高調波の次数を示しており、図１１、図１２から、高次高調波のレベルが所望の発振周波数に対して近いものがあることが確認できる。

高調波成分のレベルは、基本波（１次）との差分を算出したものであり、更に、各次の歪み率（＝１００＊１０＾（差分／２０））を算出して、２次から９次までの歪み率を合計したのが歪み率計（％）である。

尚、関連する先行技術として、米国特許出願公開 US2005/0242896A1号公報（特許文献１）、特開平１１−１５４８２４号公報（特許文献２）、特開２００６−２７９１５８号公報（特許文献３）、特開２０００−２２８６０２号公報（特許文献４）、特開２００５−０８６３６６号公報（特許文献５）がある。

特許文献１には、その図２に具体的回路構成が示されているが、その回路図を簡略化すると、図９に示した構成と同様のものになるものである。図９におけるダイオードＤ1 、Ｄ2 、Ｄ3 、コイルＬ1 、Ｌ2 は、特許文献１の図２では、ダイオードＤ3 、Ｄ2 、Ｄ4 −Ｄ7 、コイルＴＬ1,ＴＬ3 、コイルＴＬ2,ＴＬ4 が相当している。

特許文献２には、温度補償型発振器において、増幅素子の出力容量性リアクタンス回路に温度補償コンデンサを用いることで入出力帰還部誘導性リアクタンス回路の温度変動を補償することが記載されている。
特許文献３には、振幅変調器において、インダクタＬ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 、キャパシタＣ2 、可変容量ダイオードＶＤからなる低域通過フィルタを構成したものが記載されている。

特許文献４には、共振線路において、複数のマイクロストリップラインの一端とグランドとの間のリアクタンスが等価的に誘導性となる長さに設定されると共に一端同士を互いに接続したものが記載されている。
特許文献５は、広帯域化高周波電力増幅回路において、直列インピーダンス機能インダクタンスとしてマイクロストリップラインを使用し、当該直列インピーダンス機能インダクタンスをコの字形のパターンに形成することが記載されている。

US2005/0242896A1号公報 特開平１１−１５４８２４号公報 特開２００６−２７９１５８号公報 特開２０００−２２８６０２号公報 特開２００５−０８６３６６号公報

しかしながら、上記従来の高周波電圧制御発振回路において、移相回路がハイパスフィルタの場合、発振ループのゲインが発振周波数より高い周波数においても１以上が維持されることになるため、回路の浮遊容量等による寄生成分が発振周波数以上では、そのリアクタンス成分が無視できなくなり、意図しない高い周波数において発振の位相条件を満足してしまうことが起こり、これにより、発振周波数以上の意図しない周波数において異常発振してしまうおそれがあるという問題点があった。

更に、移相回路をハイパスフィルタにすることで、発振ループ中の高次高調波のレベルが比較的高くなり、高次高調波同士のミキシングによって発生する雑音成分が発振周波数の信号に付加され、位相雑音の劣化を招くという問題点があった。

また、３次のπ型のハイパスフィルタでは、誘導性リアクタンス素子が２つ（図９においてコイルＬ1 ，Ｌ2 ）必要であり、かつその素子のＱを高めるために、実際の製品では基板に形成された伝送線路を２本適用していたため、製品の小型化が制約されるという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、異常発振を抑制し、位相雑音を改善すると共に回路を小型化できる高周波用電圧制御発振回路を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、発振用増幅回路を備える高周波用電圧制御発振回路において、発振用増幅回路の帰還ループに、３次以上の奇数のπ型ローパスフィルタと、当該ローパスフィルタの出力側に直列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第１のダイオードと当該ローパスフィルタの入力側に直列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第２のダイオードとを有する移相回路を設け、ローパスフィルタが、帰還ループに直列に接続する誘導性リアクタンス素子のコイルと、当該誘導性リアクタンス素子の出力側に並列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第４のダイオードと当該誘導性リアクタンス素子の入力側に並列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第５のダイオードとを備えることを特徴とする。

本発明は、上記高周波用電圧制御発振回路において、移相回路における容量性可変リアクタンス素子をバリキャップとしたことを特徴とする。

本発明は、上記高周波用電圧制御発振回路において、ローパスフィルタにおける容量性可変リアクタンス素子をバリキャップとしたことを特徴とする。

本発明は、上記高周波用電圧制御発振回路において、ローパスフィルタにおける誘導性リアクタンス素子をマイクロストリップラインで形成したことを特徴とする。

本発明は、上記高周波用電圧制御発振回路において、マイクロストリップラインの形状を、馬蹄形状、ドーナッツ形状、４５度のベント処理されたコの字形状としたことを特徴とする。

本発明によれば、発振用増幅回路の帰還ループに、３次以上の奇数のπ型ローパスフィルタと、当該ローパスフィルタの出力側に直列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第１のダイオードと当該ローパスフィルタの入力側に直列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第２のダイオードとを有する移相回路を設け、ローパスフィルタが、帰還ループに直列に接続する誘導性リアクタンス素子のコイルと、当該誘導性リアクタンス素子の出力側に並列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第４のダイオードと当該誘導性リアクタンス素子の入力側に並列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第５のダイオードとを備える高周波用電圧制御発振回路としているので、容量性可変リアクタンス素子での容量の制御によりバンドパスフィルタのような特性にできて、異常発振を抑制し、位相雑音を改善できると共に、簡易な構成で調整が容易な回路を実現できる効果がある。

本発明によれば、ローパスフィルタにおける誘導性リアクタンス素子をマイクロストリップラインで形成した上記高周波用電圧制御発振回路としているので、位相雑音を劣化させることなく、製品の小型化を図ることができる効果がある。

本発明によれば、マイクロストリップラインの形状を、馬蹄形状、ドーナッツ形状、４５度のベント処理されたコの字形状とした上記高周波用電圧制御発振回路としているので、位相雑音を劣化させることなく、更なる製品の小型化を図ることができる効果がある。

［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明は、高周波用電圧制御発振回路において、発振用増幅回路の帰還ループに移相回路として、３次以上の奇数のπ型ローパスフィルタと、その入出力に直列に接続された容量性可変リアクタンス素子とで構成し、ローパスフィルタは帰還ループに直列に接続する誘導性リアクタンス素子と、その誘導性リアクタンス素子の入出力に並列に接続された容量性可変リアクタンス素子とで構成したものであり、ローパスフィルタの容量性可変リアクタンス素子の容量を制御することで利用する周波数を選択でき、更に帰還ループに直列に接続する容量性可変リアクタンス素子の容量を制御することで低い周波数のゲインを減衰させて、バンドパスフィルタのような特性にでき、異常発振を抑制し、位相雑音を改善できると共に、簡易な構成で調整が容易な回路を実現できるものである。

また、本発明は、上記高周波用電圧制御発振回路において、誘導性リアクタンス素子をマイクロストリップラインで構成し、更にその形状を馬蹄形、ドーナッツ形、４５度のベント処理されたコの字形としており、位相雑音を劣化させることなく、モジュール形状を小型化できるものである。

［実施の形態のポイント］
本発明の実施の形態における要点は、第１に、目的の発振周波数以外の周波数にて発振条件を満足させないこと、第２に、発振周波数以上の周波数における発振ループゲインを低下させることにより、発振ループ上に発生する高次高調波を低減させ、所望の発振周波数への雑音付加量を低減させることによる。

上記第２の要点を実現するためには、移相回路をローパスフィルタにすればよいが、第１の要点も同時に実現するためには、移相回路をバンドパスフィルタにする必要がある。
但し、通常のバンドパスフィルタでは、ローパスフィルタに比べて素子数が増え、同調が難しいため、本発明の実施の形態では、バンドパスフィルタを３次のπ型可変ローパスフィルタと、当該ローパスフィルタの入出力に直列に接続する容量性可変リアクタンス素子とから構成する移相回路としたものである。これにより、通常のバンドパスフィルタに比べて素子数を少なくし、コスト減及び小型化を実現している。

また、本発明の実施の形態に係る移相回路では、π型可変ローパスフィルタを用い、当該フィルタ中の誘導性リアクタンス素子は、素子Ｑ、コスト、バラツキの面で、伝送経路として、例えば、実装基板上に形成されたマイクロストリップラインを適用するのが望ましい。これにより、従来２本あった伝送線路を１本に削除することができ、製品の小型化を実現できる。

更に、マイクロストリップラインは、直線的なレイアウトでも、ドーナツ形状や４５度のベンド処理されたコの字形状でも、位相雑音としては大きく変化しないため、実装基板上では占有スペースの小さいドーナツ形状や４５度ベンド処理されたコの字形状を適用することで、製品の小型化、低コスト化が実現できる。

［本回路の簡易構成：図１］
次に、本発明の実施の形態に係る高周波用電圧制御発振回路について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る高周波用電圧制御発振回路の簡易回路を示す構成図である。
本発明の実施の形態に係る高周波用電圧制御発振回路（本回路）は、図１に示すように、発振用増幅回路のトランジスタＱと、３次のπ型可変ローパスフィルタと、当該ローパスフィルタの入出力に直列に接続された容量性可変リアクタンス素子とから基本的に構成されている。
尚、３次のπ型ローパスフィルタと、当該ローパスフィルタの入出力に直列に接続された容量性可変リアクタンス素子によって可変バンドパスフィルタ特性を実現するものとなる。

発振用増幅回路のトランジスタＱは、そのコレクタとベースを帰還ループで接続している。
３次のπ型可変ローパスフィルタは、帰還ループに設けられ、直列に接続された誘導性リアクタンス素子のコイルＬ3 と、そのコイルＬ3 の両端に並列に容量性可変リアクタンス素子のダイオードＤ4 、Ｄ5 が接続されている。
尚、ダイオードＤ4 、Ｄ5 のカソード側がコイルＬ3 の両端に接続し、ダイオードＤ4 、Ｄ5 のアノード側が接地している。
図１では、ローパスフィルタを３次のπ型可変ローパスフィルタとしたが、３次以上の奇数次のπ型可変ローパスフィルタであってもよい。

トランジスタＱのベースとローパスフィルタとの間には容量性可変リアクタンス素子のダイオードＤ1 が直列に接続している。
ダイオードＤ1 は、アノード側をトランジスタＱのベースに接続し、カソード側をローパスフィルタに接続している。
トランジスタＱのコレクタとローパスフィルタとの間には容量性可変リアクタンス素子のダイオードＤ2 が直列に接続している。
ダイオードＤ2 は、アノード側をトランジスタＱのコレクタに接続し、カソード側をローパスフィルタに接続している。

このように、移相回路がバンドパスフィルタとなっているため、発振周波数近傍のみが発振ループゲインが０ｄＢ以上となり、発振周波数以下又はそれ以上の周波数で意図しない発振が起こりえない。

［発振スペクトラム：図２，スペクトラムレベル：図３］
次に、本回路における発振スペクトラムを図２に示し、その発振スペクトラムのレベルを従来（図１２）と比較して図３に示している。図２は、本回路の発振ループ内の発振スペクトラムを示す図であり、図３は、本回路の高調波成分のレベルを示す図である。
図２において、横軸の「１」は所望の発振周波数、「２」以降は高次高調波の次数を示しており、図２、図３から、従来技術と比較して、本回路は、明らかに高次高調波のレベルが低くなっており、歪み率が１４０％（従来）から２１％に改善されている。
これにより、高次高調波同士のミキシングによって発生する雑音成分が発振周波数の信号に付加されにくくなり、従来よりも良好な位相雑音特性を実現できる。

［具体的な回路：図４］
次に、本回路の具体的回路について図４を参照しながら説明する。図４は、本回路の具体的回路の構成図である。
本回路の具体的回路は、図４に示すように、発振用増幅回路（Amplifier）１と、バッファ増幅回路（Amplifier）２と、出力整合部（ＬＰＦ）３と、発振用増幅回路１の出力をその入力に帰還させる帰還ループの途中に設けられた誘導性リアクタンス素子（TLIN）４と、帰還ループにおいて発振用増幅回路１の出力側と誘導性リアクタンス素子４の入力側との間に設けられた容量性可変リアクタンス素子５と、帰還ループにおいて誘導性リアクタンス素子４の出力側と発振用増幅回路１の入力側との間に設けられた容量性可変リアクタンス素子６と、誘導性リアクタンス素子４の入力側と出力側の両端に設けられた容量性可変リアクタンス素子７，８とを備えている。

出力整合部３は、ローパスフィルタで構成されている。
容量性可変リアクタンス素子５〜８は、バリキャップのダイオードで構成されている。
容量性可変リアクタンス素子５のダイオードのアノードが発振用増幅回路１の出力側に接続し、カソードが誘導性リアクタンス素子４の入力側に接続している。
容量性可変リアクタンス素子６のダイオードのアノードが発振用増幅回路１の入力側に接続し、カソードが誘導性リアクタンス素子４の出力側に接続している。
容量性可変リアクタンス素子７，８のダイオードのアノードが接地され、カソードが誘導性リアクタンス素子４の入出力側に接続している。

誘導性リアクタンス素子４と容量性可変リアクタンス素子７，８で３次のπ型可変ローパスフィルタを構成し、当該ローパスフィルタと容量性可変リアクタンス素子５，６で移相回路を構成している。

容量性可変リアクタンス素子７，８のバリキャップのダイオードにおいて、容量を制御することで利用する周波数を任意に選択でき（ピークを自由に選択［設定］でき）、更に容量性可変リアクタンス素子５，６のバリキャップのダイオードにおいて、容量を制御することで低い周波数でのゲインを減衰させて、位相雑音特性を改善するよう調整できるものである。

また、誘導性リアクタンス素子４をマイクロストリップラインで構成しており、特に、その形状を馬蹄形、ドーナッツ形、４５度のベント処理されたコの字形とすることで、位相雑音を劣化させることなく、モジュール形状を小型化できるものである。

［誘導性リアクタンス素子４の具体的構成：図５，図６］
次に、誘導性リアクタンス素子４の具体的な第１、第２の構成例（第１，２の構成例）について図５、図６を参照しながら説明する。図５は、誘導性リアクタンス素子の第１の構成例を示す図であり、図６は、誘導性リアクタンス素子の第２の構成例を示す図である。
誘導性リアクタンス素子４の第１の構成例は、図５に示すように、マイクロストリップラインとしてドーナッツ形としており、誘導性リアクタンス素子４の第２の構成例は、図６に示すように、マイクロストリップラインとして４５度のベント処理されたコの字形としている。

［マイクロストリップラインの特性：図７，図８］
次に、マイクロストリップラインの特性について図７、図８を参照しながら説明する。図７は、上記第１，２の構成例に示したマイクロストリップラインの代表的なインピーダンスの大きさを示した図であり、図８は、上記第１，２の構成例に示したマイクロストリップラインの代表的なインピーダンスの位相を示した図である。図７において、横軸は周波数、縦軸はインピーダンスの大きさ、図８において、横軸は周波数、縦軸が位相を表している。
図７及び図８に示す実線が本回路におけるインピーダンス特性を示しており、点線は理想的なインダクタのインピーダンス特性を示している。
本回路において、マイクロストリップラインは発振周波数において等価的にインダクタとして機能しているのが特徴となっている。

［実施の形態の効果］
本回路によれば、発振用増幅回路の帰還ループに移相回路として、３次以上の奇数のπ型ローパスフィルタと、その入出力に直列に接続された容量性可変リアクタンス素子とで構成し、ローパスフィルタは帰還ループに直列に接続する誘導性リアクタンス素子と、その誘導性リアクタンス素子の入出力に並列に接続された容量性可変リアクタンス素子とで構成したものとしているので、ローパスフィルタの容量性可変リアクタンス素子の容量を制御することで利用する周波数を選択でき、更に帰還ループに直列に接続する容量性可変リアクタンス素子の容量を制御することで低い周波数のゲインを減衰させて、バンドパスフィルタのような特性にでき、異常発振を抑制し、位相雑音を改善できると共に、簡易な構成で調整が容易な回路を実現できる効果がある。

また、本回路によれば、誘導性リアクタンス素子をマイクロストリップラインで構成し、更にその形状を馬蹄形、ドーナッツ形、４５度のベント処理されたコの字形としているので、位相雑音を劣化させることなく、モジュール形状を小型化できる効果がある。

本発明は、異常発振を抑制し、位相雑音を改善すると共に回路を小型化できる高周波用電圧制御発振回路に好適である。

本発明の実施の形態に係る高周波用電圧制御発振回路の簡易回路を示す構成図である。 本回路の発振ループ内の発振スペクトラムを示す図である。 本回路の高調波成分のレベルを示す図である。 本回路の具体的回路の構成図である。 誘導性リアクタンス素子の第１の構成例を示す図である。 誘導性リアクタンス素子の第２の構成例を示す図である。 第１，２の構成例に示したマイクロストリップラインの代表的なインピーダンスの大きさを示した図でである。 第１，２の構成例に示したマイクロストリップラインの代表的なインピーダンスの位相を示した図である。 従来の高周波用電圧制御発振回路の簡易回路を示す図である。 従来の高周波用電圧制御発振回路における発振ループゲインの周波数特性を示す図である。 従来の発振ループ内の発振スペクトラムを示す図でである。 高調波成分のレベルを示す図である。

符号の説明

１…発振用増幅回路、 ２…バッファ増幅回路、 ３…出力整合部、 ４…誘導性リアクタンス素子、 ５…容量性可変リアクタンス素子、 ６…容量性可変リアクタンス素子、 ７…容量性可変リアクタンス素子、 ８…容量性可変リアクタンス素子

Claims (5)

1. 発振用増幅回路を備える高周波用電圧制御発振回路において、
   前記発振用増幅回路の帰還ループに、３次以上の奇数のπ型ローパスフィルタと、当該ローパスフィルタの出力側に直列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第１のダイオードと当該ローパスフィルタの入力側に直列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第２のダイオードとを有する移相回路を設け、
   前記ローパスフィルタは、前記帰還ループに直列に接続する誘導性リアクタンス素子のコイルと、当該誘導性リアクタンス素子の出力側に並列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第４のダイオードと当該誘導性リアクタンス素子の入力側に並列に接続された容量性可変リアクタンス素子の第５のダイオードとを備えることを特徴とする高周波用電圧制御発振回路。
2. 移相回路における容量性可変リアクタンス素子をバリキャップとしたことを特徴とする請求項１記載の高周波用電圧制御発振回路。
3. ローパスフィルタにおける容量性可変リアクタンス素子をバリキャップとしたことを特徴とする請求項１記載の高周波用電圧制御発振回路。
4. ローパスフィルタにおける誘導性リアクタンス素子をマイクロストリップラインで形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の高周波用電圧制御発振回路。
5. マイクロストリップラインの形状を、馬蹄形状、ドーナッツ形状、４５度のベント処理されたコの字形状としたことを特徴とする請求項４記載の高周波用電圧制御発振回路。

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