JP5515151B2

JP5515151B2 - 発振器アレー

Info

Publication number: JP5515151B2
Application number: JP2010117171A
Authority: JP
Inventors: 正義相川; 高行田中; 英輔西山; 健吾川崎; 尚典宇田
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-05-21
Also published as: JP2011244382A

Description

本発明は、複数のプッシュプッシュ発振器をアレー状に接続した発振器アレーに関するものであり、特に各プッシュプッシュ発振器の出力する周波数と各信号間の位相差が同期された発振器アレーである。

従来のフェーズドアレーアンテナでは、発振器を１つのみ用いる場合、発振器の出力する信号をアンテナ数に分配するため、多くの移相器や増幅器が必要である。また、発振器から各アンテナ素子までの伝送路の長さを等しくする必要もあり、これを実現するのはスペース的に容易ではない。

そこで、周波数が同期された複数の発振器がアレー状に接続された発振器アレーが特許文献１、２で提案されている。特許文献１では、直列接続された複数の発振器間に、帯域阻止フィルタを設けた発振器アレーが示されている。また、特許文献２では、複数の発振器をリング共振器で接続し、リング共振器の線路に励振方向を一定に固定する励振方向固定装置を挿入した発振器アレーが示されている。

また、高周波用の発振器として、従来よりプッシュプッシュ発振器が知られている（特許文献３）。プッシュプッシュ発振器は、奇数波周波数において、互いに逆相な発振出力を合成してキャンセルし、偶数波周波数において、互いに同相な発振出力を同相合成することで、偶数倍の周波数の信号を出力する構成である。

特開２００５−２１０４０１特開２００９−８８６７３特許第４０１１５５４号

しかし、上記発振器アレーでは、信号の位相差を一定に同期するためには、発振器間に移相器を設ける必要がある。しかし、高周波用の移相器は大型で高価であるため、発振器アレーも大型で高価となってしまう。

そこで本発明の目的は、発振器間の周波数、位相差が同期された発振器アレーにおいて、構成の簡素化、低コスト化を実現することである。

第１の発明は、基本周波数の偶数倍の周波数の信号を出力する、アレー状に接続された複数のプッシュプッシュ発振器と、プッシュプッシュ発振器間に接続され、一方のプッシュプッシュ発振器から入力される基本周波数の信号の大部分を、一定の反射係数で一方のプッシュプッシュ発振器に反射するとともに、信号の一部分を他方のプッシュプッシュ発振器へ透過して周波数同期させ、他方のプッシュプッシュ発振器から入力される基本周波数の信号を、反射係数を一定量変化させて他方のプッシュプッシュ発振器に反射する非対称結合回路と、非対称結合回路の一方のプッシュプッシュ発振器側からの信号入力に対する共振周波数は変化させず、他方のプッシュプッシュ発振器側からの信号入力に対する共振周波数は変化させることで、他方のプッシュプッシュ発振器に反射する信号の反射係数の変化量を制御する位相制御器と、を有する発振器アレーである。

アレーは１次元状に限るものではなく、２次元状などに配列して接続された構成のものであってもよい。

また、上記信号の大部分とは、その信号出力の５０％より多く１００％より少ない割合である。より望ましくは６０〜９５％であり、さらに望ましくは８０〜９５％である。

第２の発明は、第１の発明において、非対称結合回路は、誘電体基板と、誘電体基板の一方の表面に設けられ、中央部にスロットを有した第１導体板と、誘電体基板の一方の表面であって、スロットの内側の領域に設けられた第２導体板と、を有し、位相制御器は、第１導体板と第２導体板とを接続する可変リアクタンス素子であり、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を制御することで信号の反射係数の変化量を制御する、ことを特徴とする発振器アレーである。

第３の発明は、第２の発明において、可変リアクタンス素子はバラクタダイオードである、ことを特徴とする発振器アレーである。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、位相制御器により、各プッシュプッシュ発振器が出力する各信号間の位相差が一定とするよう同期制御する、ことを特徴とする発振器アレーである。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、プッシュプッシュ発振器の出力する信号は、マイクロ波またはミリ波であることを特徴とする発振器アレーである。

第１の発明の発振器アレーによれば、プッシュプッシュ発振器間に非対称結合回路を接続するという簡易な構成によって、各プッシュプッシュ発振器の出力する信号間の周波数、位相差を同期することができる。これは、非対称結合回路からの位相が変わらない反射によって注入される信号による注入同期、および、非対称結合回路を透過してくる隣のプッシュプッシュ発振器からの信号と、非対称結合回路によって位相が変化して反射された信号とによる注入同期、によるものである。また、発振器としてプッシュプッシュ発振器を用いており、出力される信号は基本周波数の偶数倍であるため、位相差も偶数倍に拡大されるので、位相差を容易に大きく変化させることができる。また、本発明の発振器アレーでは、非対称結合回路の反射特性と透過特性によって発振周波数を変化させることなく、プッシュプッシュ発振器の出力する信号間の位相差を変化させることができる。また、本発明の発振器アレーは、高価な移相器を用いずに簡易に構成されるので、低コストである。

また、第２の発明によると、非対称結合回路を簡易に構成することができ、第３の発明のように可変リアクタンス素子としてバラクタダイオードを用いることで、さらに簡易に構成することができる。

また、第４の発明のように、本発明の発振器アレーでは、各プッシュプッシュ発振器の出力する信号間の位相差を一定とすることができるので、フェイズドアレーアンテナに好適に用いることができる。

また、第５の発明のように、出力信号がマイクロ波またはミリ波の発振器アレーとして好適である。

実施例１の発振器アレーの構成を示した図。プッシュプッシュ発振器１の構成を示した図。非対称結合回路２の構成を示した図。非対称結合回路２の端子Ａ側から信号を入力した場合の位相特性を示したグラフ。非対称結合回路２の端子Ｂ側から信号を入力した場合の位相特性を示したグラフ。バラクタダイオード２１のバイアス電圧と出力信号の位相差の関係を示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の発振器アレーの構成を示した図である。発振器アレーは、１次元アレー状に接続されたＮ個（Ｎは２以上の自然数）のプッシュプッシュ発振器１と、プッシュプッシュ発振器１間にそれぞれ挿入された（Ｎ−１）個の非対称結合回路２と、によって構成されている。以下、一方の端（図１において左端）から順にプッシュプッシュ発振器１−１、１−２、・・・、１−Ｎとし、同じく図１において左端から順に非対称結合回路２−１、２−２、・・・、２−（Ｎ−１）とする。

図２は、プッシュプッシュ発振器１の構成を示した図である。プッシュプッシュ発振器１は、基本周波数ｆ₀で互いに逆相で発振する副発振器１０、１１と、共通共振器１２と、によって構成されている。共通共振器１２は、誘電体基板（図示しない）上に形成された円形のリング状の導体パターンであり、１周の長さは基本周波数ｆ₀の１波長である。基本周波数ｆ₀は７．３７ＧＨｚである。

副発振器１０、１１は、図２に示すように、同一構成であり、それぞれＦＥＴ１３ａ、ｂを有している。ＦＥＴ１３ａ、ｂのゲートはリング状の共通共振器１２の周長を２分する位置に接続し、ソースは接地されている。副発振器１０、１１のＦＥＴ１３ａ、ｂのドレインは、非対称結合回路２に接続されている。

このプッシュプッシュ発振器１では、副発振器１０、１１から互いに逆相で出力された基本周波数および奇数波信号は、共通共振器１２において逆相で合成され、キャンセルし、共通共振器１２の出力ポートから基本周波数ｆ₀の偶数倍の信号が出力される。通常は基本周波数ｆ₀の２倍の周波数の信号が出力最大となり、それを出力とする。出力ポートには、たとえばアンテナ素子が接続され、実施例１の発振器アレーとアンテナ素子によってフェイズドアレイアンテナが構成される。

図３は、非対称結合回路２の構成を示した図である。非対称結合回路２は、図３のように、誘電体基板（図示しない）表面上に設けられ、中央部にスロット２２を有した正方形状の第１導体板２０と、誘電体基板表面上であって、スロット２２内部領域に設けられた第２導体板２３と、スロット２２に設けられたバラクタダイオード２１と、によって構成され、２つの端子Ａ、Ｂを有している。端子Ａは、隣接する一方のプッシュプッシュ発振器１の副発振器１１のＦＥＴ１３ｂのゲートに接続されており、端子Ｂは、隣接する他方のプッシュプッシュ発振器１の副発振器１０のＦＥＴ１３ａのゲートに接続されている。バラクタダイオード２１は第１導体板２０と、第２導体板２３間に接続している。また、第２導体板２３は接地されている。また、端子Ａ、Ｂと第１導体板２０との間にはギャップ２４が設けられており、これによりプッシュプッシュ発振器１間の結合度を調整している。

非対称結合回路２は、端子Ａからの信号入力に対する反射特性と、端子Ｂからの信号入力に対する反射特性とが異なる非対称な特性を有した複共振結合回路である。端子Ａから入力される信号は、その信号の大部分を一定の反射係数で反射され、残りの一部分は透過して、端子Ｂを介して周波数同期を行う。一方、端子Ｂから入力される信号は、反射係数が一定量変化されて反射され、端子Ｂから出力される。この反射係数の変化量は、バラクタダイオード２１のバイアス電圧によって変えることができる。これは、バラクタダイオード２１の容量を変えることで、端子Ｂから見た共振周波数が変化するためである。一方、端子Ａから見た共振周波数は、非対称結合回路２が非対称な回路構造であるために、バラクタダイオード２１のバイアス電圧を変えても変化せず、その結果、反射係数は一定に設計することができる。

図４は、非対称結合回路２の端子Ａ側から信号を入力した場合の反射（位相）特性を示したグラフであり、図５は、非対称結合回路２の端子Ｂ側から信号を入力した場合の反射（位相）特性を示したグラフである。いずれも、バラクタダイオード２１のバイアス電圧は０、１０、１５、２０Ｖと変化させている。図４のように、非対称結合回路２の端子Ａ側の反射では、バラクタダイオード２１のバイアス電圧を変化させても位相は変化していないことがわかる。一方、端子Ｂ側の反射では、基本周波数７．３７ＧＨｚ近傍において、バラクタダイオード２１のバイアス電圧を変化させることで反射位相を大きく変化させることができることがわかる。

次に、実施例１の発振器アレーの動作について、左端からｉ番目（２≦ｉ≦Ｎ−１）のプッシュプッシュ発振器１−ｉを基準とした、（ｉ＋１）番目のプッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の動作を例に説明する。

プッシュプッシュ発振器１−ｉの副発振器１０の出力する信号の位相を０として基準とすると、プッシュプッシュ発振器１−ｉの副発振器１１の出力する信号の位相は１８０°であり、共通共振器１２の出力ポートから出力される信号は、基本周波数ｆ₀の２倍の周波数で、位相のずれも２倍の１８０°である。このとき、プッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の副発振器１０には、プッシュプッシュ発振器１−ｉの副発振器１１から出力され、非対称結合回路２−ｉを透過した信号と、プッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の副発振器１０から出力され、非対称結合回路２−ｉによって反射されて戻ってきた信号とが入力される。プッシュプッシュ発振器１−ｉの副発振器１１から非対称結合回路２−ｉに入力される信号の位相は１８０°であり、非対称結合回路２−ｉにおいて位相がαずれて出力される。一方、プッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の副発振器１０から出力され非対称結合回路２−ｉによって反射されて戻ってきた信号の位相は、端子Ｂ側の反射であるため、位相が一定量βずれる。この２つの信号が合成されてプッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の副発振器１０に入力されることで、プッシュプッシュ発振器１−ｉの副発振器１１と、プッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の副発振器１０は、基本周波数ｆ₀、位相差がある一定の値θで同期される。

一方、プッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の副発振器１１には、副発振器１１から出力され非対称結合回路２−（ｉ＋１）によって反射されて戻ってきた信号が入力される。この信号は、端子Ａ側の反射であるため、位相は変化しない。プッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の副発振器１１は、反射されて戻ってきた信号によって同期され、プッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の副発振器１０の出力とは位相が１８０°異なる位相となる。

プッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の副発振器１０の出力する信号と、副発振器１１の出力する信号は、共通共振器１２において同相で合成され、共通共振器１２の出力ポートからは基本周波数ｆ₀の偶数倍の周波数の信号が得られる。ここで、プッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の副発振器１０、１１の出力する信号の位相が、プッシュプッシュ発振器１−ｉの副発振器１０、１１の出力する信号の位相に対してθずれているため、基本周波数ｆ₀の２倍の周波数の信号は、位相がθの偶数倍ずれることとなり、位相差が拡大される。

以上の結果、プッシュプッシュ発振器１−ｉとプッシュプッシュ発振器１−（ｉ＋１）の出力する信号の周波数および位相差を同期することができる。なお、この同期動作は、Ｎ個すべてのプッシュプッシュ発振器１で同様に生じるため、Ｎ個すべてのプッシュプッシュ発振器１の出力信号の周波数、位相差が同期される。また、位相差θは、非対称結合回路２のバラクタダイオード２１のバイアス電圧の制御によって、同期周波数を変動させることなく、変更することができる。これは、バラクタダイオード２１のバイアス電圧を変えても、端子Ａ側の反射で反射係数は変化せず、端子Ｂ側の反射係数のみが変化するためである。また、実施例１の発振器アレーは、移相器を用いない簡易な構成であり、小型化、低コスト化を実現することができる。

図６は、バラクタダイオード２１のバイアス電圧と、隣接するプッシュプッシュ発振器１の出力する、基本周波数ｆ₀の２倍の周波数（１４．７４ＧＨｚ）の信号間の位相差２θとの関係を示したグラフである。バラクタダイオード２１のバイアス電圧が１０Ｖを越えると容量が変化し、バイアス電圧の変化に対してほぼ線形に位相差２θが変化していることがわかる。

なお、プッシュプッシュ発振器１の構成は実施例１に示した構造に限るものではなく、従来より知られる任意の構造のものを用いることができる。また、非対称結合回路２の構成は、一方のプッシュプッシュ発振器から入力される基本周波数の信号の大部分を、一方のプッシュプッシュ発振器に反射し、残りの一部分を他方のプッシュプッシュ発振器へ透過し、他方のプッシュプッシュ発振器から入力される基本周波数の信号に対して反射係数を一定量変化させて他方のプッシュプッシュ発振器に反射する構成であれば、任意の構成のものを用いることができる。また、実施例１の発振器アレーは、１次元構造の発振アレーであったが、プッシュプッシュ発振器の多ポート出力の特性を生かして２次元状に配列された発振器アレーを構成することも容易に可能である。

本発明の発振器アレーは、各プッシュプッシュ発振器間の周波数、および位相差が同期されており、低コストで簡易な構成であるため、フェーズドアレーアンテナに好適である。

１：プッシュプッシュ発振器
２：非対称結合回路
１０、１１：副発振器
１２：リング共振器
１３：ＦＥＴ
２０：第１導体板
２１：バラクタダイオード
２２：スロット
２３：第２導体板

Claims

基本周波数の偶数倍の周波数の信号を出力する、アレー状に接続された複数のプッシュプッシュ発振器と、
前記プッシュプッシュ発振器間に接続され、一方のプッシュプッシュ発振器から入力される基本周波数の信号の大部分を、一定の反射係数で一方のプッシュプッシュ発振器に反射するとともに、前記信号の一部分を他方のプッシュプッシュ発振器へ透過して周波数同期させ、他方のプッシュプッシュ発振器から入力される基本周波数の信号を、反射係数を一定量変化させて他方のプッシュプッシュ発振器に反射する非対称結合回路と、
前記非対称結合回路の一方のプッシュプッシュ発振器側からの信号入力に対する共振周波数は変化させず、他方のプッシュプッシュ発振器側からの信号入力に対する共振周波数は変化させることで、他方のプッシュプッシュ発振器に反射する前記信号の反射係数の変化量を制御する位相制御器と、
を有する発振器アレー。
前記非対称結合回路は、誘電体基板と、誘電体基板の一方の表面に設けられ、中央部にスロットを有した第１導体板と、誘電体基板の一方の表面であって、前記スロットの内側の領域に設けられた第２導体板と、を有し、
前記位相制御器は、前記第１導体板と前記第２導体板とを接続する可変リアクタンス素子であり、前記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を制御することで前記信号の反射係数の変化量を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の発振器アレー。
前記可変リアクタンス素子はバラクタダイオードである、ことを特徴とする請求項２に記載の発振器アレー。
前記位相制御器により、各前記プッシュプッシュ発振器が出力する各信号間の位相差が一定とするよう同期制御する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発振器アレー。
前記プッシュプッシュ発振器の出力する信号は、マイクロ波またはミリ波であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発振器アレー。