JP5495747B2

JP5495747B2 - 高周波発振源

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Publication number: JP5495747B2
Application number: JP2009279126A
Authority: JP
Inventors: 正臣津留; 亮司林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: JP2011124671A

Description

この発明は高周波発振源に関し、特に、周波数変換を用いて低位相雑音化を図る高周波発振源の不要波抑制に関するものである。

従来の高周波発振源として、ミクサのＩＦ端子とＬＯ端子に同一の周波数を出力する発振器を接続し、２倍の周波数をＲＦ端子から出力する構成の高周波発振源がある（例えば、特許文献１参照）。

この高周波発振源では、独立した発振器の位相雑音がミクサにより無相関に合成されるため、位相雑音を３ｄＢ低減する効果がある。

その動作を以下に示す。ミクサのＩＦ端子とＬＯ端子に入力された発振器からの出力波ｆ_１，ｆ_２は、ミクサの非線形性により、混合波ｆ_１＋ｆ_２となる。入力された２つの信号は同一（ｆ_１＝ｆ_２）であるため、ミクサのＲＦ端子からの出力波は、入力周波数の２倍波となる。このとき、２つの波の位相雑音は無相関のため電力加算となり、１つの波を逓倍器により逓倍した場合の電圧加算と比較して、位相変動は半分となる。したがって，位相雑音が３ｄＢ低減した２倍波を出力することができる。

特開２００９−１７０９６号公報

従来の高周波発振器においては、同一の周波数を出力する発振器を広帯域に周波数掃引する場合、発振器の出力が低周波数のときの３倍波と高周波数のときの２倍波が同じ周波数となってしまい、フィルタでは分別できないという問題点があった。例えば、発振器が１ＧＨｚから１．５ＧＨｚまで掃引できるとすると、１ＧＨｚの３倍波である３ＧＨｚをフィルタで抑圧し、１．５ＧＨｚの２倍波である３ＧＨｚを通過させることができない。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、同一の周波数を出力する２つの発振器に０度または１８０度の位相差を与えてミクサに入力することで、３倍波を位相関係により抑圧して２倍波を出力することを可能にした高周波発振源を得ることを目的とする。

この発明は、２つの入力端子を第１および第２の入力端子として備え、当該第１および第２の入力端子から同一の周波数を入力することが可能で、かつ、第１および第２の単位ミクサを備え、前記第１の入力端子からの入力波は０度（第１の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第１および第２の単位ミクサに入力され、前記第２の入力端子からの入力波は０度（第２の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第２および第１の単位ミクサに入力され、前記第１および第２の単位ミクサの出力の合成により、前記第１の入力端子からの入力波周波数と前記第２の入力端子からの入力波周波数との和の周波数を同相で合成して出力する周波数変換器と、前記周波数変換器の前記第１および第２の入力端子にそれぞれ接続され、同一の周波数を出力する第１および第２の発振器と、前記第１および第２の発振器の位相が同相または逆相となるように制御する位相制御手段とを備えた高周波発振源である。

この発明は、２つの入力端子を第１および第２の入力端子として備え、当該第１および第２の入力端子から同一の周波数を入力することが可能で、かつ、第１および第２の単位ミクサを備え、前記第１の入力端子からの入力波は０度（第１の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第１および第２の単位ミクサに入力され、前記第２の入力端子からの入力波は０度（第２の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第２および第１の単位ミクサに入力され、前記第１および第２の単位ミクサの出力の合成により、前記第１の入力端子からの入力波周波数と前記第２の入力端子からの入力波周波数との和の周波数を同相で合成して出力する周波数変換器と、前記周波数変換器の前記第１および第２の入力端子にそれぞれ接続され、同一の周波数を出力する第１および第２の発振器と、前記第１および第２の発振器の位相が同相または逆相となるように制御する位相制御手段とを備えた高周波発振源であるので、同一の周波数を出力する２つの発振器に０度または１８０度の位相差を与えて周波数変換器に入力することで、３倍波を位相関係により抑圧して２倍波を出力することを可能にする。

この発明の実施の形態１に係る高周波発振器の構成を示した構成図である。この発明の実施の形態１に係る高周波発振器における周波数変換器の構成の一例を示した構成図である。この発明の実施の形態１に係る高周波発振器における周波数変換器の構成の他の例を示した構成図である。この発明の実施の形態１に係る高周波発振器における位相制御手段の構成の一例を示した構成図である。この発明の実施の形態１に係る高周波発振器における位相制御手段の構成の他の例を示した構成図である。この発明の実施の形態１に係る高周波発振器における位相制御手段の構成の別の例を示した構成図である。この発明の実施の形態１に係る高周波発振器における位相制御手段の構成のさらなる別の例を示した構成図である。

以下、この発明の実施の形態について説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る高周波発振器の構成を示した構成図である。図において、１１，１２は電圧制御発振器（ＶＣＯ）、２１はダブルバランスミクサ、３１は位相制御手段である。図１に示すように、この発明の実施の形態１に係る高周波発振器においては、電圧制御発振器１１，１２に、それらの発振器の位相を制御するための位相制御手段３１が接続されており、電圧制御発振器１１，１２からの出力はダブルバランスミクサ２１に接続されている。

次に、この発明の実施の形態１に係る高周波発振器の動作について説明する。
周波数変換器としてのダブルバランスミクサ２１には、入力端子として、第１および第２の端子が設けられている。このとき、当該ダブルバランスミクサ２１の第１の端子（ＩＦ端子）に電圧制御発振器１１から出力される周波数ｆ_１の波が入力され、第２の端子（ＬＯ端子）に電圧制御発振器１２から出力される周波数ｆ_２の波が入力されると、ダブルバランスミクサ２１の非線形性のために高調波および混合波を生じる。

例えば、図２のようにダブルバランスミクサ２１が構成されているとすると、入力波の位相に関わらず、２次の高調波は逆相合成により抑圧され、混合による２倍波が同相合成により出力される。

なお、図２のダブルバランスミクサ２１の構成について説明すると、ダブルバランスミクサ２１は、２つの９０度ハイブリッド回路（以下、９０度ハイブリッド１および９０度ハイブリッド２とする。）と、２つの単位ミクサ（以下、単位ミクサ１および単位ミクサ２とする。）とから構成されている。ダブルバランスミクサ２１の第１の端子（ＩＦ端子）としての入力１が９０度ハイブリッド１に接続され、ダブルバランスミクサ２１の第２の端子（ＬＯ端子）としての入力２が９０度ハイブリッド２に接続されている。また、単位ミクサ１および２にはそれぞれ２つの入力端子が設けられており、それらの入力端子には、それぞれ、９０度ハイブリッド１および２からの出力が接続されている。

このとき、入力１を介して９０度ハイブリッド１に電圧制御発振器１１から出力される周波数ｆ_１の波が入力されると、９０度ハイブリッド１の２つの出力端子から９０度位相差をもった周波数ｆ_１の波が出力され、一方の出力（例えば０度）が単位ミクサ１の第１の入力端子に入力され、他方の出力（例えば９０度）が単位ミクサ２の第２の入力端子に入力される。また、入力２を介して９０度ハイブリッド２に電圧制御発振器１２から出力される周波数ｆ_２の波が入力されると、９０度ハイブリッド２の２つの出力端子から９０度位相差をもった周波数ｆ_２の波が出力され、一方の出力（例えば０度）が単位ミクサ２の第１の入力端子に入力され、他方の出力（例えば９０度）が単位ミクサ１の第２の入力端子に入力される。これらにより、単位ミクサ１では０度のｆ_１と９０度のｆ_２がミキシングされ、単位ミクサ２では９０度のｆ_１と０度のｆ_２がミキシングされる。したがって、単位ミクサ１および単位ミクサ２において高調波２ｆ_１，２ｆ_２および混合波（ｆ_１＋ｆ_２）が生じ、単位ミクサ１と単位ミクサ２で生じる高調波２ｆ_１，２ｆ_２は逆相であるため、ダブルバランスミクサ２１の出力端子（ＲＦ端子）から出力されず、単位ミクサ１と単位ミクサ２で生じる混合波（ｆ_１＋ｆ_２）は同相であるため、ダブルバランスミクサ２１の出力端子（ＲＦ端子）から出力される。

ここで、３次の高調波および混合による３倍波の位相関係は、周波数ｆ_１の位相をθ_１、周波数ｆ_２の位相をθ_２とすると、次式のようになる。

単位ミクサ１の出力波：
３ｆ_１；３θ_１
３ｆ_２；３θ_２＋２７０度
２ｆ_１＋ｆ_２；２θ_１＋θ_２＋９０度
ｆ_１＋２ｆ_２；θ_１＋２θ_２＋１８０度

単位ミクサ２の出力波：
３ｆ_１；３θ_１＋２７０度
３ｆ_２；３θ_２
２ｆ_１＋ｆ_２；２θ_１＋θ_２＋１８０度
ｆ_１＋２ｆ_２；θ_１＋２θ_２＋９０度

したがって、θ_２＝θ_１のとき、次式のようになる。

単位ミクサ１の出力波：
３ｆ_１；３θ_１
３ｆ_２；３θ_１＋２７０度
２ｆ_１＋ｆ_２；３θ_１＋９０度
ｆ_１＋２ｆ_２；３θ_１＋１８０度

単位ミクサ２の出力波：
３ｆ_１；３θ_１＋２７０度
３ｆ_２；３θ_１
２ｆ_１＋ｆ_２；３θ_１＋１８０度
ｆ_１＋２ｆ_２；３θ_１＋９０度

また、θ_２＝θ_１＋１８０度のとき、次式のようになる。

単位ミクサ１の出力波：
３ｆ_１；３θ_１
３ｆ_２；３θ_１＋９０度
２ｆ_１＋ｆ_２；３θ_１＋２７０度
ｆ_１＋２ｆ_２；３θ_１＋１８０度

単位ミクサ２の出力波：
３ｆ_１；３θ_１＋２７０度
３ｆ_２；３θ_１＋１８０度
２ｆ_１＋ｆ_２；３θ_１
ｆ_１＋２ｆ_２；３θ_１＋９０度

以上から、ｆ_１＝ｆ_２＝ｆ_０であれば、３次の出力波（３次成分）はキャンセルされることが分かる。

また、入力周波数が同一のため、周波数変換器は、図３に示すような他の構成でもよい。図３の周波数変換器は、１つの９０度ハイブリッド回路（以下、９０度ハイブリッドとする。）と、２つの単位ミクサ（以下、単位ミクサ１および単位ミクサ２とする。）とから構成されている。周波数変換器の第１の端子（ＩＦ端子）としての入力１および周波数変換器の第２の端子（ＬＯ端子）としての入力２が、ともに、９０度ハイブリッドに接続されている。また、単位ミクサ１および２の入力端子には、ともに、９０度ハイブリッドからの出力が接続されている。なお、単位ミクサ１および２内には、ＬＰＦとＢＰＦとが設けられている。

このとき、図３の構成において、入力１を介して９０度ハイブリッドに電圧制御発振器１１から出力される周波数ｆ_１の波が入力されると、９０度ハイブリッドの２つの出力端子から９０度位相差をもった周波数f₁の波が出力され、第１の出力端子からの出力が例えば位相０度で単位ミクサ１の第１の入力端子に入力され、第２の出力端子からの出力が例えば位相９０度で単位ミクサ２の第２の入力端子に入力される。また、入力２を介して９０度ハイブリッドに電圧制御発振器１２から出力される周波数ｆ_２の波が入力されると、９０度ハイブリッドの２つの出力端子から９０度位相差をもった周波数ｆ_２の波が出力され、第２の出力端子からの出力が例えば位相０度で単位ミクサ２の第１の入力端子に入力され、第１の出力端子からの出力が例えば位相９０度で単位ミクサ１の第２の入力端子に入力される。これらにより、単位ミクサ１では０度のｆ_１と９０度のｆ_２がミキシングされ、単位ミクサ２では９０度のｆ_１と０度のｆ_２がミキシングされる。したがって、単位ミクサ１および単位ミクサ２において高調波２ｆ_１，２ｆ_２および混合波（ｆ_１＋ｆ_２）が生じ、単位ミクサ１と単位ミクサ２で生じる高調波２ｆ_１，２ｆ_２は逆相であるため、周波数変換器の出力端子（ＲＦ端子）から出力されず、単位ミクサ１と単位ミクサ２で生じる混合波（ｆ_１＋ｆ_２）は同相であるため、周波数変換器の出力端子（ＲＦ端子）から出力される。ただし、単位ミクサの第１の入力端子と第２の入力端子は同じ端子であっても良い。

次に、この発明の図１に示した高周波発振源における位相制御手段３１の構成例について以下に説明する。

図４は、図１に示した高周波発振源における位相制御手段３１の構成の一例を示した図である。図４において、４１は基準源、５１，５２は位相同期回路（ＰＬＬ)、６１，６２はカプラ、７１，７２は分周器、８１，８２は位相比較器、９１，９２はループフィルタである。符号１１，１２，２１については、図１に示した各構成に相当する。

図４の構成例においては、位相制御手段３１が、基準源４１と位相同期回路５１，５２とから構成されている。また、位相同期回路５１は、カプラ６１と、分周器７１と、位相比較器８１と、ループフィルタ９１とから構成され、同様に、位相同期回路５２は、カプラ６２と、分周器７２と、位相比較器８２と、ループフィルタ９２とから構成されている。分周器７１，７２は、それぞれ、出力端子として、逆相端子と同相端子の２つを有している。例えば、分周器７１は同相端子を位相比較器８１の入力端子に接続し、分周器７２は分周器７１と同じ位相となる同相端子を位相比較器８２の入力端子に接続する。

動作について説明する。
図４に示すように、電圧制御発振器１１から出力された波はダブルバランスミクサ２１の第１の入力端子に入力されるとともに、電力の一部がカプラ６１を介して分周器７１に入力される。分周器７１に入力された波はN分周されて位相比較器８１の第１の入力端子に入力され、基準源４１の出力波が位相比較器８１の第２の入力端子に入力される。入力された２つの波は位相比較器８１において位相を比較され、その差異に応じて位相比較器８１から電圧（または電流）が出力される。位相比較器８１から出力された電圧はループフィルタ９１により高周波成分が取り除かれ、電圧制御発振器１１の制御電圧に入力される。これにより、電圧制御発振器１１の出力周波数および位相は基準源４１の周波数と位相に同期する。これは電圧制御発振器１２と位相同期回路５２に関しても同様である。ここで、位相同期回路５１を構成している分周器７１の出力端子を同相端子とするとともに、位相同期回路５２を構成している分周器７２の出力端子も同相端子として、一つの基準源４１で、２つの電圧制御発振器１１，１２に位相同期をかけることで、電圧制御発振器１１，１２の位相はともに基準源４１の位相のＮ倍となり、ダブルバランスミクサ２１への入力を同相とすることができる。

すなわち、図４の構成例においては、同一の周波数を出力する２つの電圧制御発振器１１，１２に０度の位相差を与えてダブルバランスミクサ２１に入力してアップコンバートすることで、位相雑音全体を低減するに際し、ダブルバランスミクサ２１で生成される３倍波（３次成分）を位相関係により抑圧（キャンセル）し、２倍波を出力している。

図５は、図１に示した高周波発振源における位相制御手段３１の他の例を示した図である。図４と図５の構成の違いは、図４においては、位相同期回路５１を構成している分周器７１の出力端子を同相端子としたが、図５においては、分周器７１の出力端子を逆相端子とした点である。他の構成は、図４と同じであるため、ここでは、同一符号を付して示し、それらについての説明は省略する。

この例においては、図５に示すように、位相同期回路５１を構成している分周器７１の出力端子を逆相端子とし、一方、位相同期回路５２を構成している分周器７２の出力端子を同相端子として、一つの基準源４１で２つの電圧制御発振器１１、１２に位相同期をかけることで、ダブルバランスミクサ２１の入力を同相または逆相とすることができる。これは、基準源４１の位相をθとすると、電圧制御発振器１１の位相は（θ＋１８０）Ｎとなり、電圧制御発振器１２の位相はθＮとなることから、その差は１８０度×Ｎであることから分かる。したがって、分周数Ｎが偶数のときは同相、奇数のときは逆相となる。

すなわち、図５の構成例においては、同一の周波数を出力する２つの電圧制御発振器１１，１２に０度または１８０度の位相差を与えてダブルバランスミクサ２１に入力してアップコンバートすることで、位相雑音全体を低減するに際し、ダブルバランスミクサ２１で生成される３倍波（３次成分）を位相関係により抑圧（キャンセル）し、２倍波を出力している。

また、図６は、図１に示した高周波発振源における位相制御手段３１の別の例を示した図である。図４と図６との構成の違いは、図６においては、図４の構成に対して、電圧制御発振器１１とダブルバランスミクサ２１との間に移相器１０１が追加されている点である。他の構成は、図４と同じであるため、ここでは、同一符号を付して示し、それらについての説明は省略する。

図６に示すように、電圧制御発振器１１の後段に、１８０度または３６０度の整数倍の移相量をもつ移相器１０１を装荷し、一つの基準源４１で２つの電圧制御発振器１１，１２を位相同期かけることで、ダブルバランスミクサ２１の入力を同相または逆相とすることができる。

なお、上記の説明においては、電圧制御発振器１１の後段に移相器１０１を設ける例について説明したが、その場合に限らず、電圧制御発振器１２の後段に移相器１０１を設けるようにしてもよい。すなわち、電圧制御発振器１１，１２のいずれか一方の後段に移相器１０１を設ければ、同様に動作して同様の効果が得られることはいうまでもない。

また、図７は、図１に示した高周波発振源における位相制御手段３１のさらなる別の例を示した図である。図４と図７との構成の違いは、図７においては、図４の構成において、電圧制御発振器１１を差動で動作するＰｕｓｈ−ＰｕｓｈＶＣＯとし、電圧制御発振器１１の一方の出力を、ダブルバランスミクサ２１に入力し，電圧制御発振器１１の他方の出力を位相同期回路５１を構成している分周器７１に入力するようにした点である。他の構成は、図４と同じであるため、ここでは、同一符号を付して示し、それらについての説明は省略する。

図７に示すように、電圧制御発振器１１を、差動発振器であるＰｕｓｈ−ＰｕｓｈＶＣＯで構成し、差動で動作する発振波の一方を位相同期回路５１（の分周器７１）への入力とし、他方をダブルバランスミクサ２１への入力とする。このようにして、一つの基準源４１で２つの電圧制御発振器１１，１２に位相同期をかけることで、ダブルバランスミクサ２１の入力を同相または逆相とすることができる。

なお、上記の説明においては、差動発振器としてＰｕｓｈ−ＰｕｓｈＶＣＯを用いる例について説明したが、その場合に限らず、差動発振器としては例えばＣｒｏｓｓ−ＣｏｕｐｌｅｄＶＣＯ、Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ＶＣＯなどを用いるようにしても良い。

以上のように、本実施の形態においては、２つの入力端子を第１および第２の入力端子として備え、当該第１および第２の入力端子から同一の周波数を入力することが可能なダブルバランスミクサ２１と、ダブルバランスミクサ２１の第１および第２の入力端子にそれぞれ接続され、同一の周波数を出力する電圧制御発振器１１，１２と、電圧制御発振器１１，１２の位相が同相または逆相となるように制御する位相制御手段３１とを備えるようにして、同一の周波数を出力する２つの電圧制御発振器１１，１２に０度または１８０度の位相差を与えてダブルバランスミクサ２１に入力することで、３倍波を位相関係により抑圧（キャンセル）して、２倍波を出力することが可能となる。

１１，１２電圧制御発振器（ＶＣＯ）、２１ダブルバランスミクサ、３１位相制御手段、４１基準源、５１，５２位相同期回路（ＰＬＬ）、６１，６２カプラ、７１，７２分周器、８１，８２位相比較器、９１，９２ループフィルタ、１０１移相器。

Claims

２つの入力端子を第１および第２の入力端子として備え、当該第１および第２の入力端子から同一の周波数を入力することが可能で、かつ、第１および第２の単位ミクサを備え、前記第１の入力端子からの入力波は０度（第１の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第１および第２の単位ミクサに入力され、前記第２の入力端子からの入力波は０度（第２の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第２および第１の単位ミクサに入力され、前記第１および第２の単位ミクサの出力の合成により、前記第１の入力端子からの入力波周波数と前記第２の入力端子からの入力波周波数との和の周波数を同相で合成して出力する周波数変換器と、
前記周波数変換器の前記第１および第２の入力端子にそれぞれ接続され、同一の周波数を出力する第１および第２の発振器と、
前記第１および第２の発振器の位相が同相または逆相となるように制御する位相制御手段と
を備えたことを特徴とする高周波発振源。
２つの入力端子を第１および第２の入力端子として備え、当該第１および第２の入力端子から同一の周波数を入力することが可能で、かつ、第１および第２の単位ミクサを備え、前記第１の入力端子からの入力波は０度（第１の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第１および第２の単位ミクサに入力され、前記第２の入力端子からの入力波は０度（第２の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第２および第１の単位ミクサに入力され、前記第１および第２の単位ミクサの出力の合成により、前記第１の入力端子からの入力波周波数と前記第２の入力端子からの入力波周波数との和の周波数を同相で合成して出力する周波数変換器と、
前記周波数変換器の前記第１および第２の入力端子にそれぞれ接続され、同一の周波数を出力する第１および第２の発振器と、
前記第１および第２の発振器を、同一の基準源に位相同期させて、前記周波数変換器に対して同相で出力されるように制御する位相同期回路と
を備えたことを特徴とする高周波発振源。
２つの入力端子を第１および第２の入力端子として備え、当該第１および第２の入力端子から同一の周波数を入力することが可能で、かつ、第１および第２の単位ミクサを備え、前記第１の入力端子からの入力波は０度（第１の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第１および第２の単位ミクサに入力され、前記第２の入力端子からの入力波は０度（第２の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第２および第１の単位ミクサに入力され、前記第１および第２の単位ミクサの出力の合成により、前記第１の入力端子からの入力波周波数と前記第２の入力端子からの入力波周波数との和の周波数を同相で合成して出力する周波数変換器と、
前記周波数変換器の前記第１および第２の入力端子にそれぞれ接続され、同一の周波数を出力する第１および第２の発振器と、
前記第１および第２の発振器を、同一の基準源に位相同期させて、前記周波数変換器に対して同相または逆相で出力されるように制御する位相同期回路と
を備えたことを特徴とする高周波発振源。
２つの入力端子を第１および第２の入力端子として備え、当該第１および第２の入力端子から同一の周波数を入力することが可能で、かつ、第１および第２の単位ミクサを備え、前記第１の入力端子からの入力波は０度（第１の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第１および第２の単位ミクサに入力され、前記第２の入力端子からの入力波は０度（第２の基準位相）と９０度差をもって２分配されて、それぞれ前記第２および第１の単位ミクサに入力され、前記第１および第２の単位ミクサの出力の合成により、前記第１の入力端子からの入力波周波数と前記第２の入力端子からの入力波周波数との和の周波数を同相で合成して出力する周波数変換器と、
前記周波数変換器の前記第１の入力端子に対して、１８０度または３６０度の整数倍の移相量をもつ移相器を介して接続された第１の発振器と、
前記第１の発振器と同一の周波数を出力し、前記周波数変換器の前記第２の入力端子に接続された第２の発振器と、
前記第１および第２の発振器を、同一の基準源に位相同期させて、前記周波数変換器に対して同相または逆相で出力されるように制御する位相同期回路と
を備えたことを特徴とする高周波発振源。
前記第１または第２の発振器のうち少なくとも１つが、差動で動作する差動発振器であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高周波発振源。