JP6344257B2 - Self-injection synchronous oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波帯またはミリ波帯の送受信装置に適用される自己注入同期発振器に関する。 The present invention relates to a self-injection synchronous oscillator applied to a microwave band or millimeter wave band transceiver.
電圧制御発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)は、無線通信の品質を左右する部品の一つである。VCOの位相雑音特性は、信号品質を決定するため、重要な特性である。そのため、VCOには、位相雑音が低いことが要求される。低位相雑音を有するVCOとして、自己注入同期発振器がある。従来の自己注入同期発振器として、非特許文献1に示される発振器が知られている。
A voltage controlled oscillator (VCO) is one of the components that influence the quality of wireless communication. The phase noise characteristic of the VCO is an important characteristic because it determines the signal quality. Therefore, the VCO is required to have low phase noise. As a VCO having low phase noise, there is a self-injection synchronous oscillator. As a conventional self-injection synchronous oscillator, an oscillator shown in Non-Patent
自己注入同期発振器とは、VCOの出力信号の一部を、遅延線路を介してVCO自身に注入する構成の発振器である。自己注入同期発振器では、VCO自身の出力信号を用いて帰還ループが形成されるので、VCO自身の信号によってVCOの発振周波数がロックされ、低位相雑音化が図れる。 The self-injection synchronous oscillator is an oscillator configured to inject a part of the output signal of the VCO into the VCO itself via a delay line. In the self-injection synchronous oscillator, a feedback loop is formed by using the output signal of the VCO itself. Therefore, the oscillation frequency of the VCO is locked by the signal of the VCO itself, and the phase noise can be reduced.
自己注入同期発振器における位相雑音は、式(1)により表される。 The phase noise in the self-injection locked oscillator is expressed by equation (1).
式(1)から、Tが大きくなるほど、位相雑音PNは低下することが分かる。したがって、低位相雑音化を図るためには遅延線路を長くする必要がある。 From equation (1), it can be seen that the larger the T, the lower the phase noise PN. Therefore, it is necessary to lengthen the delay line in order to reduce the phase noise.
従来の自己注入同期発振器では、遅延線路の長さと位相雑音とがトレードオフの関係にあるため、遅延線路を長くせずに、位相雑音を低減することができないという課題があった。このため、低位相雑音を維持しつつ、自己注入同期発振器を小型化することが難しかった。 In the conventional self-injection synchronous oscillator, the length of the delay line and the phase noise are in a trade-off relationship. Therefore, there is a problem that the phase noise cannot be reduced without lengthening the delay line. For this reason, it has been difficult to reduce the size of the self-injection synchronous oscillator while maintaining low phase noise.
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、遅延線路を長くせずに、位相雑音を低減できる自己注入同期発振器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a self-injection synchronous oscillator capable of reducing phase noise without lengthening a delay line.
本発明の自己注入同期発振器は、信号を出力する発振器と、発振器の出力信号の一部を第1の注入波と第2の注入波とに分配する分配器と、第1の注入波の周波数を逓倍する第1の周波数変換器と、第2の注入波の周波数を、第1の周波数変換器が逓倍した第1の注入波の周波数と異なる周波数に逓倍する第2の周波数変換器と、分配器が分配した第1の注入波の位相を遅延させる遅延線路と、第1の周波数変換器が逓倍した第1の注入波と、第2の周波数変換器が逓倍した第2の注入波との差周波を発振器に出力する混合器とを備える。 A self-injection synchronous oscillator according to the present invention includes an oscillator that outputs a signal, a distributor that distributes a part of the output signal of the oscillator to a first injection wave and a second injection wave, and a frequency of the first injection wave. a first frequency converter for multiplying a frequency of the second injection wave, a second frequency converter first frequency converter multiplies the frequency different from the frequency of the first injection wave multiplication, A delay line for delaying the phase of the first injection wave distributed by the distributor, a first injection wave multiplied by the first frequency converter, and a second injection wave multiplied by the second frequency converter; And a mixer for outputting the difference frequency of the above to the oscillator.
本発明によれば、VCOの出力信号の一部を注入波として取り出し、注入波を逓倍し、逓倍した注入波に対して位相を遅延させた後、ミクサで再びVCOの出力信号の周波数に周波数変換し、周波数変換した信号をVCOに注入することで、遅延線路を長くしなくても、位相雑音を低減できる効果がある。 According to the present invention, a part of the output signal of the VCO is extracted as an injection wave, the injection wave is multiplied, the phase is delayed with respect to the multiplied injection wave, and then the frequency is again set to the frequency of the output signal of the VCO by the mixer. By injecting the converted and frequency converted signal into the VCO, the phase noise can be reduced without lengthening the delay line.
実施の形態1
図 1は、実施の形態1に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
本自己注入同期発振器は、VCO1、分配器2、出力端子3、分配器4、逓倍器5(第1の周波数変換器の一例)、逓倍器6(第2の周波数変換器の一例)、遅延線路7、ミクサ8(混合器)、増幅器9を備える。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration example of the self-injection synchronous oscillator according to the first embodiment.
This self-injection synchronous oscillator includes a
VCO1は、自身のもつ電圧周波数特性(V−F特性)に基づき発振し、信号を出力する電圧制御発振器であり、出力端子と注入波を入力する注入端子とを備える。VCO1は、基本発振周波数(f0)で発振する。VCO1の出力端子は、分配器2に接続される。VCO1にはトランジスタを用いたクロスカップル型発振器や差動コルピッツ型発振器などの差動発振器、単相のコルピッツ発振器、負性抵抗型発振器などが用いられる。
The
分配器2は、VCO1が出力した高周波信号を出力波と注入波とに分配する分配器である。ここで、出力波は、後述する出力端子3から出力される信号であり、注入波は、最終的にVCO1に注入される信号である。分配器2は、出力端子3と分配器4に接続される。分配器2には、ウィルキンソン分配器、方向性結合器などが用いられる。また、分配器2は、伝送線路を2分岐した回路であっても良い。出力波と注入波とに分配できるものであれば、どのような構成の分配器であっても良い。
The
出力端子3は、分配器2で分配された出力波が出力される端子である。VCO1の出力信号は、分配器2を介して、出力端子3から外部回路に出力される。
The
分配器4は、分配器2で分配された注入波をRF波(第1の注入波の一例)とLO波(第2の注入波の一例)に分配する分配器である。ここでは、分配器4で分配される信号のうち、後述するミクサ8のRF端子に入力される信号をRF波と言い、ミクサ8のLO端子に入力される信号をLO波と言う。分配器4の出力端子は、逓倍器5と逓倍器6に接続される。分配器4には、ウィルキンソン分配器、方向性結合器などが用いられる。また、分配器4は、伝送線路を2分岐した回路であっても良い。信号を分配できるものであれば、どのような構成の分配器であっても良い。
The
逓倍器5は、分配器4で分配されたRF波の周波数をn倍に逓倍する逓倍器である。ここで、nは自然数である。逓倍器5の出力端子は遅延線路7に接続される。
The
逓倍器6は、分配器4で分配されたLO波の周波数をn−1倍に逓倍する逓倍器である。逓倍器6の出力端子は、ミクサ8に接続される。
The
遅延線路7は、逓倍器5で逓倍されたRF波の位相を遅らせる回路である。遅延回路7の出力端子はミクサ8に接続される。遅延線路7には、高周波帯を通過させる同軸ケーブル、導波管、マイクロストリップ線路やCPW(CoPlanar Waveguide)などの平面マイクロ波伝送線路、多段に接続した増幅器、LC共振回路、フィルタ回路が用いられる。多段に接続した増幅器やフィルタ回路は、伝送線路と比べて、少ない面積で大きな移相量が得られるという利点がある。遅延線路7の移相量は、基本発振周波数においてφ1である。
The
ミクサ8は、遅延線路7で遅延されたRF波と逓倍器6で逓倍されたLO波とを混合し、RF波とLO波との差周波を、増幅器9を介してVCO1に注入波として出力するミクサである。ミクサ8は、RF端子、LO端子、IF端子を備える。ミクサ8のRF端子は、遅延線路7に接続され、LO端子は逓倍器6に接続され、IF端子は、増幅器9に接続される。ミクサ8には、ギルバートセルミクサ、ドレインミクサなどのダブルバランス型ミクサ、ダイオードを用いたダブルバランス型ミクサ、シングルエンド型ミクサ、シングルバランス型ミクサなどが用いられる。
The
増幅器9は、ミクサ8から出力される注入波を増幅し、VCO1に出力する増幅器である。増幅器9は、バッファ増幅器としても動作し、VCO1からミクサ8に信号が逆流することを防止する。また、増幅器9は、そのON/OFFが切り替えられることにより、VCO1に注入波を注入するか否かを制御する。
The
次に、実施の形態1に係る自己注入同期発振器の動作について説明する。
VCO1は、基本発振周波数において発振し、信号を分配器2に出力する。VCO1の出力信号をsin(ωt+φ0)とする。ここで、ωは、VCO1の基本発振周波数f0の角周波数であり、ω=2πf0である。φ0は、ωにおける初期位相である。
Next, the operation of the self-injection synchronous oscillator according to the first embodiment will be described.
The
分配器2は、VCO1の出力信号を2分岐し、出力波と注入波とに分配する。出力波は、出力端子3に出力され、出力端子3から外部回路に出力される。注入波は、分配器4に出力される。
The
分配器4は、注入波を2分岐し、RF波とLO波とに分配する。RF波は、逓倍器5に出力され、LO波は逓倍器6に出力される。
逓倍器5は、RF波をn倍に逓倍する。n倍に逓倍されたRF波は、遅延線路7に出力される。遅延線路7に出力される信号は、sin n(ωt+φ0)となる。
The
遅延線路7は、逓倍されたRF波の位相を遅らせ、遅延させた信号をミクサ8のRF端子に出力する。遅延線路7は、ωに対してφ1の移相量を与えるので、nωに対してはnφ1の移相量を与える。したがって、遅延線路7からミクサ8に出力される信号は、sin n(ωt+φ0+φ1)となる。このように、逓倍されたRF波に対して、遅延線路7を設け、位相を遅延させることで、RF波を逓倍させずに位相を遅延させた場合に比べて、n倍の遅延位相を得ることができる。
The
逓倍器6は、LO波をn−1倍に逓倍し、ミクサ8のLO端子に出力する。逓倍器6からミクサ8に出力される信号は、sin (n-1)(ωt+φ0+φ1)となる。
The
ミクサ8は、遅延線路7が出力するRF波と、逓倍器6が出力するLO波とを混合し、その差周波を増幅器9に出力する。差周波は、sin (ωt+φ0+nφ1)となる。
The
増幅器9は、ミクサ8が出力した差周波を増幅して、VCO1に注入する。VCO1に注入される信号は、sin (ωt+φ0+nφ1)である。
The
VCO1は、増幅器9を介して注入波が注入される。注入される信号はsin (ωt+φ0+nφ1)であるのに対して、従来の自己注入同期発振器の注入信号は、sin (ωt+φ0+φ1)であるので、本自己注入同期発振器では、従来に比べて、n倍の遅延位相が得られる。遅延時間Tと遅延位相φとは、ωT=φで関係づけられるので、n倍の遅延位相が得られるということは、n倍の遅延時間が得られることを意味する。このため、本自己注入同期発振器では、遅延線路を長くしなくても、遅延時間を大きくできる。
An injection wave is injected into the
式(1)に示されるように、遅延時間が大きくなるほど、発振器の位相雑音は低下する。したがって、本自己注入同期発振器では、従来の自己注入同期発振器に比べて、低位相雑音化が図れる。本自己注入同期発振器は、遅延線路を長くしなくても、低位相雑音化が図れるので、従来に比べて小型に構成できる。例えば、従来の自己注入同期発振器で、100mmの遅延線路が必要だったとすると、本自己注入同期発振器では、n=3の場合を考えると、33mmの遅延線路を用いて、同等の位相雑音特性が得られる。 As shown in Equation (1), the phase noise of the oscillator decreases as the delay time increases. Therefore, the present self-injection synchronous oscillator can reduce the phase noise as compared with the conventional self-injection synchronous oscillator. Since the self-injected synchronous oscillator can reduce the phase noise without lengthening the delay line, it can be configured smaller than the conventional one. For example, if a conventional self-injection synchronous oscillator requires a delay line of 100 mm, the present self-injection synchronous oscillator has a phase noise characteristic equivalent to that of a 33-mm delay line when n = 3. can get.
以上のように、実施の形態1によれば、VCO1の出力信号の一部を注入波として取り出し、注入波を逓倍し、逓倍した注入波に対して位相を遅延させ、ミクサで再びVCO1の出力信号の周波数に周波数変換し、周波数変換した信号をVCO1に注入する。これにより、遅延線路7を長くしなくても、遅延位相を大きくすることができ、位相雑音を低減できる効果がある。
As described above, according to the first embodiment, a part of the output signal of
なお、ここでは、逓倍器5とミクサ8との間に遅延線路7を設けた例について説明したが、分配器4とミクサ8との間であれば、遅延線路7はどこに設けても良い。
図2は、実施の形態1に係る自己注入同期発振器の他の構成例を示す構成図である。
図2(a)は、逓倍器6とミクサ8との間に遅延線路7を設けた例である。図2(a)の構成でも、注入波を逓倍し、逓倍した注入波の位相を遅延させ、遅延させた注入波をミクサ8でVCO1の出力信号の周波数に変換しているので、上記で説明した効果を奏する。
Here, an example in which the
FIG. 2 is a configuration diagram showing another configuration example of the self-injection synchronous oscillator according to the first embodiment.
FIG. 2A shows an example in which a
図2(b)は、分配器4と逓倍器5との間に遅延線路7を設けた例である。
図2(b)では、注入波の位相を遅らせた後で、逓倍器5により注入波を逓倍しているが、逓倍器5で信号を逓倍すると、信号の位相も逓倍されるので、図1の場合と同じ遅延位相を得ることができる。図2(b)において、遅延線路7が出力する信号をsin (ωt+φ0+φ1)とすると、逓倍器5が出力する信号は、sin n(ωt+φ0+φ1)となり、この信号がミクサ8に入力される。図2のミクサ8に入力される信号の位相と図1のミクサ8に入力される信号の位相とは一致するので、図2の構成は、図1の構成と同じ効果が得られる。
FIG. 2B shows an example in which a
In FIG. 2B, after the phase of the injection wave is delayed, the injection wave is multiplied by the
また、図2(b)では、逓倍器5により注入波の周波数を高くする前に、遅延線路7により注入波に遅延位相を与えている。そのため、遅延線路7を通過する信号の周波数を低くでき、遅延線路7による損失を小さくできる。
In FIG. 2B, the
図2(c)は、注入波をn−1倍に逓倍する逓倍器6の代わりに、注入波をn−2倍に逓倍する逓倍器10を用いた場合の構成例である。この構成でも、注入波を逓倍した後に遅延線路7を設けているので、遅延位相を大きくすることができる。
FIG. 2C shows a configuration example when a
図2(c)の構成では、ミクサ8が出力する信号は、sin (2ωt+2φ0+nφ1)となり、VCO1の出力する信号に対して2倍の高調波が、VCO1に注入されることになる。VCO1に注入される信号が、VCO1の出力信号の周波数と異なっても、以下に示す理由により、位相雑音を低減できる。
In the configuration of FIG. 2C, the signal output from the
VCO1内の動作を考える。VCO1は、信号を出力するトランジスタと、その信号をトランジスタに帰還させる帰還回路とを備えている。VCO1は、トランジスタに信号を帰還させることによって発振し、その信号を出力している。したがって、VCO1内のトランジスタには、VCO1の出力信号と同じ周波数の信号が入力されている。また、VCO1には、ミクサ8から注入信号が注入されるため、その注入信号もVCO1内のトランジスタに入力される。VCO1内でトランジスタは非線形動作するため、2つの信号が入力されると、その混合波をトランジスタは生成する。その混合波は、混合波=L・S1+M・S2(S1は出力信号の周波数、S2は注入信号の周波数、L及びMは整数)で表される。混合波の周波数がVCO1の出力信号の周波数と等しいと、その混合波を介してVCO1の発振がロックされるので、VCO1の位相雑音は低減される。
Consider the operation within VCO1. The
混合波がVCO1の出力信号と等しいという条件は、S1=L・S1+M・S2で表され、この式を満たすとき、VCO1の位相雑音は低減される。左辺がVCO1の出力信号、右辺が混合波を表している。ここで、S1=L・S1+M・S2を満たすとは、この式を満たすL及びMが存在することを言う。
The condition that the mixed wave is equal to the output signal of the VCO 1 is expressed by S 1 = L · S 1 + M · S 2. When this equation is satisfied, the phase noise of the
図2(d)は、注入波をn−1倍に逓倍する逓倍器6の代わりに、注入波を2分周する逓倍器11を用いた場合の構成例である。この構成でも、注入波を逓倍した後に遅延線路7を設けているので、遅延位相を大きくすることができる。
図2(d)の構成では、ミクサ8が出力する信号は、sin ((2n−1)/2)(ωt+φ0)+nφ1)となる。上記の式S1=L・S1+M・S2を考えると、ω=L・ω+M・(2n−1)・ω/2となり、n=1の場合、L=0、M=2のとき、上記の式を満たす。また、n=2の場合、L=4、M=−2のとき、上記の式を満たす。したがって、図2(d)の構成でも、位相雑音を低減できる。
FIG. 2D shows a configuration example in which a multiplier 11 that divides the injection wave by 2 is used instead of the
In the configuration of FIG. 2D, the signal output from the
実施の形態2.
実施の形態1では、2つの逓倍器を用いた構成について示したが、実施の形態2では、1つの逓倍器を削減した構成の自己注入同期発振器について説明する。
In the first embodiment, a configuration using two multipliers has been described. In the second embodiment, a self-injection synchronous oscillator having a configuration in which one multiplier is reduced will be described.
図3は、実施の形態2に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
なお、図3中、図1と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。実施の形態1の構成と比べて、実施の形態2の自己注入同期発振器は、逓倍器6を削除し、VCO1の代わりに、基本波及びn−1倍波を出力するVCO12と、増幅器14とを備えている。VCO12は、増幅器14を介してn−1倍波をミクサ8に出力し、分配器2、逓倍器5及び遅延線路7を介して基本波の一部をミクサ8に出力している。
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a configuration example of the self-injection synchronous oscillator according to the second embodiment.
In FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts, and the description thereof is omitted. Compared to the configuration of the first embodiment, the self-injection synchronous oscillator of the second embodiment eliminates the
VCO12は、基本波とn−1倍波を出力する発振器であり、基本波を出力する基本波出力端子、n−1倍波を出力する高調波出力端子と注入波を入力する注入端子とを備える。例えば、VCO12は、出力信号として基本波及び高調波を出力する発振器において、出力信号に対して高調波が通過するフィルタと基本波が通過するフィルタとを設け、それぞれのフィルタを通すことで基本波と高調波とを分離し、出力するように構成する。VCO12は、基本発振周波数(f0)で発振する。VCO12の基本波出力端子は、分配器2に接続され、VCO12の高調波出力端子は、増幅器14に接続される。VCO12にはトランジスタを用いたクロスカップル型発振器や差動コルピッツ型発振器などの差動発振器、単相のコルピッツ発振器、負性抵抗型発振器などが用いられる。
The
増幅器14は、VCO12が出力するn−1倍波を増幅する増幅器である。増幅器14の出力端子は、ミクサ8のLO端子に接続される。一般に、基本波に比べて高調波の電力は小さいので、増幅14により、高調波の電力を増幅している。
The
次に、実施の形態2に係る自己注入同期発振器の動作について説明する。
VCO12は、基本発振周波数において発振し、基本波信号を分配器2に出力する。また、VCO12は、高調波信号を増幅器14に出力する。VCO12の基本波信号をsin(ωt+φ0)とし、高調波出力信号をsin(n−1)(ωt+φ0)とする。
Next, the operation of the self-injection synchronous oscillator according to the second embodiment will be described.
The
増幅器14は、VCO12が出力した高調波信号を増幅し、LO波として、ミクサ8のLO端子に出力する。
The
分配器2は、VCO12の基本波信号を、出力波とRF波とに分配する。出力波は、出力端子3に出力され、出力端子3から外部回路に出力される。RF波は、逓倍器5に出力される。
The
逓倍器5は、分配器2から出力されるRF波をn倍に逓倍する。n倍に逓倍されたRF波は、遅延線路7に出力される。遅延線路7に出力される信号は、sin n(ωt+φ0)となる。
The
遅延線路7は、逓倍されたRF波の位相を遅らせ、遅延させた信号をミクサ8のRF端子に出力する。遅延線路7は、ωに対してφ1の移相量を与えるので、nωに対してはnφ1の移相量を与える。したがって、遅延線路7からミクサ8に出力される信号は、sin n(ωt+φ0+φ1)となる。このように、逓倍されたRF波に対して、遅延線路7を設け、位相を遅延させることで、RF波を逓倍させずに位相を遅延させた場合に比べて、n倍の遅延位相を得ることができる。
The
ミクサ8は、遅延線路7が出力するRF波と、増幅器14が出力するLO波とを混合し、その差周波を増幅器9に出力する。差周波は、sin (ωt+φ0+nφ1)となる。
The
増幅器9は、ミクサ8が出力した差周波を増幅して、VCO12に注入する。VCO12に注入される信号は、sin (ωt+φ0+nφ1)である。
The
VCO12は、増幅器9を介して注入波が注入される。注入される信号はsin (ωt+φ0+nφ1)であるのに対して、従来の自己注入同期発振器の注入信号は、sin (ωt+φ0+φ1)であるので、本自己注入同期発振器では、従来に比べて、n倍の遅延位相が得られる。遅延時間Tと遅延位相φとは、ωT=φで関係づけられるので、n倍の遅延位相が得られるということは、n倍の遅延時間が得られることを意味する。本自己注入同期発振器では、遅延線路を長くしなくても、遅延時間を大きくできる。
An injection wave is injected into the
式(1)に示されるように、遅延時間が大きくなるほど、発振器の位相雑音は低下する。したがって、本自己注入同期発振器では、従来の自己注入同期発振器に比べて、低位相雑音化が図れる。本自己注入同期発振器は、遅延線路を長くしなくても、低位相雑音化が図れるので、従来に比べて小型に構成できる。例えば、従来の自己注入同期発振器で、100mmの遅延線路が必要だったとすると、本自己注入同期発振器では、n=3の場合を考えると、33mmの遅延線路を用いて、同等の位相雑音特性が得られる。 As shown in Equation (1), the phase noise of the oscillator decreases as the delay time increases. Therefore, the present self-injection synchronous oscillator can reduce the phase noise as compared with the conventional self-injection synchronous oscillator. Since the self-injected synchronous oscillator can reduce the phase noise without lengthening the delay line, it can be configured smaller than the conventional one. For example, if a conventional self-injection synchronous oscillator requires a delay line of 100 mm, the present self-injection synchronous oscillator has a phase noise characteristic equivalent to that of a 33-mm delay line when n = 3. can get.
以上のように構成した実施の形態2の自己注入同期発振器であっても、実施の形態1と同様の効果を奏する。加えて、実施の形態2の自己注入同期発振器は、VCO12の高調波をミクサ8のLO波として用いているので、実施の形態1において必要だった逓倍器6を削減でき、回路の簡素化、小型化を図ることができる。
Even the self-injection synchronous oscillator according to the second embodiment configured as described above has the same effects as those of the first embodiment. In addition, since the self-injection synchronous oscillator of the second embodiment uses the harmonic of the
実施の形態3.
実施の形態2では1つの逓倍器を用いた構成について示したが、実施の形態3では、逓倍器を用いない構成の自己注入同期発振器について説明する。
In the second embodiment, a configuration using one multiplier is shown. In the third embodiment, a self-injection synchronous oscillator having a configuration without using a multiplier will be described.
図4は、実施の形態3に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
なお、図4中、図1と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。実施の形態1の構成と比べて、実施の形態3の自己注入同期発振器は、逓倍器5及び逓倍器6を削除し、VCO1の代わりに、基本波及び2倍波を出力するVCO13を備えている。VCO13は、遅延線路7を介して2倍波をミクサ8に出力し、分配器2を介して基本波の一部をミクサ8に出力している。
FIG. 4 is a configuration diagram showing a configuration example of the self-injection synchronous oscillator according to the third embodiment.
4, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts, and the description thereof is omitted. Compared to the configuration of the first embodiment, the self-injection synchronous oscillator of the third embodiment includes the
次に、実施の形態3に係る自己注入同期発振器の動作について説明する。
VCO13は、基本発振周波数において発振し、基本波信号を分配器2に出力する。また、VCO13は、2倍波信号をRF波として遅延線路7に出力する。VCO13の基本波信号をsin(ωt+φ0)とし、高調波出力信号をsin 2(ωt+φ0)とする。
Next, the operation of the self-injection synchronous oscillator according to the third embodiment will be described.
The
分配器2は、VCO12の基本波信号を、出力波とLO波とに分配する。出力波は、出力端子3に出力され、出力端子3から外部回路に出力される。LO波は、ミクサ8のLO端子に出力される。
The
遅延線路7は、VCO13がRF波として出力した高調波の位相を遅らせ、遅延させたRF波をミクサ8のRF端子に出力する。遅延線路7は、ωに対してφ1の移相量を与えるので、2ωに対しては2φ1の移相量を与える。したがって、遅延線路7からミクサ8に出力される信号は、sin 2(ωt+φ0+φ1)となる。このように、高調波に対して、遅延線路7を設け、位相を遅延させることで、基本波に対して位相を遅延させた場合に比べて、2倍の遅延位相を得ることができる。
The
ミクサ8は、遅延線路7が出力するRF波と、分配器2が出力するLO波とを混合し、その差周波を増幅器9に出力する。差周波は、sin (ωt+φ0+2φ1)となる。
The
増幅器9は、ミクサ8が出力した差周波を増幅して、VCO13に注入する。VCO13に注入される信号は、sin (ωt+φ0+2φ1)である。
The
VCO13は、増幅器9を介して注入波が注入される。注入される信号はsin (ωt+φ0+2φ1)であるのに対して、従来の自己注入同期発振器の注入信号は、sin (ωt+φ0+φ1)であるので、本自己注入同期発振器では、従来に比べて、2倍の遅延位相が得られる。遅延時間Tと遅延位相φとは、ωT=φで関係づけられるので、2倍の遅延位相が得られるということは、2倍の遅延時間が得られることを意味する。本自己注入同期発振器では、遅延線路を長くしなくても、遅延時間を大きくできる。
An injection wave is injected into the
式(1)に示されるように、遅延時間が大きくなるほど、発振器の位相雑音は低下する。したがって、本自己注入同期発振器では、従来の自己注入同期発振器に比べて、低位相雑音化が図れる。本自己注入同期発振器は、遅延線路を長くしなくても、低位相雑音化が図れるので、従来に比べて小型に構成できる。例えば、従来の自己注入同期発振器で、100mmの遅延線路が必要だったとすると、本自己注入同期発振器では、50mmの遅延線路を用いて、同等の位相雑音特性が得られる。 As shown in Equation (1), the phase noise of the oscillator decreases as the delay time increases. Therefore, the present self-injection synchronous oscillator can reduce the phase noise as compared with the conventional self-injection synchronous oscillator. Since the self-injected synchronous oscillator can reduce the phase noise without lengthening the delay line, it can be configured smaller than the conventional one. For example, if a conventional self-injection synchronous oscillator requires a delay line of 100 mm, this self-injection synchronous oscillator can obtain an equivalent phase noise characteristic using a delay line of 50 mm.
以上のように構成した実施の形態3の自己注入同期発振器であっても、実施の形態1と同様の効果を奏する。加えて、実施の形態3の自己注入同期発振器は、VCO13が出力する基本波の一部をミクサ8のLO波として用いるとともに、VCO13が出力する高調波をRF波として用いて、RF波に対して位相を遅延させているので、実施の形態1において必要だった逓倍器5及び逓倍器6を削減でき、回路の簡素化、小型化を図ることができる。
Even the self-injection synchronous oscillator of the third embodiment configured as described above has the same effect as that of the first embodiment. In addition, the self-injection synchronous oscillator according to the third embodiment uses a part of the fundamental wave output from the
実施の形態4.
実施の形態4では、実施の形態1の自己注入同期発振器と比べて、発振周波数が連続的に変化する範囲を大きくできる自己注入同期発振器について説明する。
In the fourth embodiment, a self-injection synchronous oscillator capable of increasing the range in which the oscillation frequency continuously changes as compared with the self-injection synchronous oscillator of the first embodiment will be described.
図5は、実施の形態4に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
なお、図5中、図1と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。実施の形態1の構成と比べて、遅延線路7と逓倍器5との間に移相器15を設けている点が異なる。
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a configuration example of the self-injection synchronous oscillator according to the fourth embodiment.
In FIG. 5, the same reference numerals as those in FIG. Compared to the configuration of the first embodiment, a difference is that a
移相器15は、分配器4が出力するRF波に移相量を与え、VCO1が出力する信号の位相とVCO1に注入される信号の位相とを合わせる移相器である。その移相量は、電圧もしくは電流により制御される。移相器15の入力端子は、逓倍器5に接続され、移相器15の出力端子は、遅延線路7に接続される。
The
次に、実施の形態4に係る自己注入同期発振器の動作について説明する。
VCO1、分配器2、出力端子3、分配器4、逓倍器5及び逓倍器6の動作は、実施の形態1と同じであるため、説明を省略する。
Next, the operation of the self-injection synchronous oscillator according to the fourth embodiment will be described.
Since the operations of the
移相器15は、逓倍器5が出力したRF波に移相量を与える。その移相量は、ωに対してΔφとする。そうすると、逓倍器5が出力するRF波の周波数はnωであるので、移相器15は、RF波に対して、nΔφの移相量を与える。したがって、移相器15の出力信号は、sin n(ωt+φ0+Δφ)である。
The
遅延線路7は、移相器15が出力したRF波の位相を遅らせ、遅延させた信号をミクサ8のRF端子に出力する。遅延線路7は、ωに対してφ1の移相量を与えるので、nωに対してはnφ1の移相量を与える。したがって、遅延線路7からミクサ8に出力される信号は、sin n(ωt+φ0+φ1+Δφ)となる。このように、逓倍されたRF波に対して、遅延線路7を設け、位相を遅延させることで、RF波を逓倍させずに位相を遅延させた場合に比べて、n倍の遅延位相を得ることができる。
The
ミクサ8は、遅延線路7が出力するRF波と、逓倍器6が出力するLO波とを混合し、その差周波を増幅器9に出力する。差周波は、sin (ωt+φ0+n(φ1+Δφ))となる。
The
増幅器9は、ミクサ8が出力した差周波を増幅して、VCO1に注入する。VCO1に注入される信号は、sin (ωt+φ0+n(φ1+Δφ))である。
The
VCO1は、増幅器9を介して注入波が注入される。従来に比べて、n倍の遅延位相をもつ注入波がVCO1に注入されるので、実施の形態1で説明したように、VCO1の位相雑音は改善される。
VCO1に注入される信号は、sin (ωt+φ0+n(φ1+Δφ))であり、VCO1の出力信号はsin (ωt+φ0)であるので、一般に、注入される信号の位相と出力信号の位相は異なっている。
An injection wave is injected into the
Since the signal injected into the
ここで、移相器15は、VCO1の出力信号の位相と、VCO1に注入される信号の位相とが一致するように、Δφを制御する。つまり、移相器15は、n(φ1+Δφ)=2kπ(kは整数)の条件を満たすように、Δφを制御する。これにより、VCO1の出力信号と、VCO1に注入される信号とは、周波数及び位相が一致することになる。
Here, the
注入される信号と出力される信号との位相が一致していない場合、以下に示すように、自己注入同期発振器の制御電圧に対する発振周波数の変化範囲が小さくなる。 When the phase of the injected signal and the output signal do not match, as shown below, the variation range of the oscillation frequency with respect to the control voltage of the self-injection synchronous oscillator becomes small.
図6は、自己注入同期発振器における電圧周波数特性を示す図である。実線が、注入信号と出力信号との位相が一致している場合の電圧周波数特性を示す。点線が、注入信号と出力信号との位相が一致していない場合の電圧周波数特性を示す。
注入信号と出力信号との位相が一致していない場合、制御電圧を変化させると、周波数が不連続になることが分かる。自己注入同期発振器は、基本的に、注入信号と出力信号との位相が一致するように発振する。したがって、自己注入同期発振器は、位相があっていない場合、発振周波数を変化させて、注入信号と出力信号との位相を合わせるように動作する。注入信号と出力信号との位相差が大きくなると、発振周波数を大きく変化させる必要があるため、発振周波数が不連続に変化することになる。このため、制御電圧に対して、発振周波数が連続的に変化する範囲が狭まってしまう。
FIG. 6 is a diagram showing voltage frequency characteristics in the self-injection synchronous oscillator. The solid line shows the voltage frequency characteristic when the phase of the injection signal and the output signal match. The dotted line indicates the voltage frequency characteristic when the phase of the injection signal and the output signal do not match.
When the phase of the injection signal and the output signal do not match, it can be seen that the frequency becomes discontinuous when the control voltage is changed. The self-injection synchronous oscillator basically oscillates so that the phases of the injection signal and the output signal match. Therefore, when there is no phase, the self-injection synchronous oscillator operates so as to change the oscillation frequency and match the phases of the injection signal and the output signal. When the phase difference between the injection signal and the output signal becomes large, the oscillation frequency needs to be changed greatly, so that the oscillation frequency changes discontinuously. For this reason, the range in which the oscillation frequency continuously changes with respect to the control voltage is narrowed.
これに対して、注入信号の位相と出力信号の位相とが一致している場合、自己注入同期発振器は、発振周波数を変化させる必要がないので、発振周波数が不連続に変化することはなく、図6に示すように、制御電圧に対して連続的に発振周波数が変化する特性が得られる。 On the other hand, when the phase of the injection signal matches the phase of the output signal, the self-injection synchronous oscillator does not need to change the oscillation frequency, so the oscillation frequency does not change discontinuously, As shown in FIG. 6, the characteristic that the oscillation frequency continuously changes with respect to the control voltage is obtained.
以上のように構成した実施の形態4の自己注入同期発振器であっても、実施の形態1と同様の効果を奏する。加えて、実施の形態4の自己注入同期発振器は、移相器15を用いて、VCO1の出力信号の位相とVCO1に注入される信号の位相とを一致させられるので、発振周波数が連続的に変化する範囲を大きくできる。したがって、実施の形態4の自己注入同期発振器は、広帯域な信号を出力できる。
Even the self-injection synchronous oscillator of the fourth embodiment configured as described above has the same effects as those of the first embodiment. In addition, since the self-injection synchronous oscillator according to the fourth embodiment uses the
なお、ここでは、移相器15が、逓倍器5と遅延線路7との間に設けた例を示したが、分配器2から増幅器9を介してVCO1までの注入波に対するループ内であれば、どこに移相器15を設けても良い。注入波のループ内に移相器15があれば、注入波の位相を変えられるからである。
Here, an example in which the
図7は、実施の形態4に係る自己注入同期発振器の他の構成例を示す構成図である。
図7(a)は、分配器4と逓倍器5との間に移相器15を設けた例である。逓倍器5の前に、移相器15を設けることにより、逓倍する前の低い周波数で移相器15は動作するので、注入波に対する移相器15の損失を小さくできる。
FIG. 7 is a configuration diagram showing another configuration example of the self-injection synchronous oscillator according to the fourth embodiment.
FIG. 7A shows an example in which a
図7(b)は、分配器2と分配器4との間に移相器15を設けた例である。この位置に移相器15を設けても、注入波の位相を変化させられるので、注入波の位相と出力信号の位相とを合わせることができる。また、図7(a)の場合と同様に、逓倍する前の低い周波数で移相器15は動作するので、注入波に対する移相器15の損失を小さくできる。
FIG. 7B is an example in which a
図7(b)は、分配器2と分配器4との間に移相器15を設けた例である。図7(c)は、ミクサ8と増幅器9との間に移相器15を設けた例である。これらの位置に移相器15を設けても、注入波の位相を変化させられるので、注入波の位相と出力信号の位相とを合わせることができる。
FIG. 7B is an example in which a
実施の形態5.
実施の形態5では、高調波を出力する発振器を用いずに、1つの逓倍器を削減できる自己注入同期発振器の構成について説明する。
In the fifth embodiment, a configuration of a self-injection synchronous oscillator capable of reducing one multiplier without using an oscillator that outputs harmonics will be described.
図8は、実施の形態5に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
なお、図8中、図1と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。実施の形態1の構成と比べて、逓倍器6を削除し、ミクサ8の代わりに、ハーモニックミクサ81を設けている点が異なる。
FIG. 8 is a configuration diagram showing a configuration example of the self-injection synchronous oscillator according to the fifth embodiment.
In FIG. 8, the same reference numerals as those in FIG. The difference from the configuration of the first embodiment is that the
ハーモニックミクサ81は、LO波の高調波とRF波とを混合するハーモニックミクサである。ハーモニックミクサ81は、RF端子、LO端子、IF端子を備える。ハーモニックミクサ81のRF端子は、遅延線路7に接続され、LO端子は分配器4に接続され、IF端子は、増幅器9に接続される。ハーモニックミクサ81は、延線路7で遅延されたRF波と分配器4が出力したLO波の高調波とを混合し、RF波とLO波との差周波を、増幅器9を介してVCO1に注入波として出力する。例えば、ハーモニックミクサ81には、コモンミクサやアンチパラレルダイオードペアミクサが用いられる。
The harmonic mixer 81 is a harmonic mixer that mixes LO harmonics and RF waves. The harmonic mixer 81 includes an RF terminal, an LO terminal, and an IF terminal. The RF terminal of the harmonic mixer 81 is connected to the
次に、実施の形態5に係る自己注入同期発振器の動作について説明する。
VCO1、分配器2、出力端子3、分配器4及び逓倍器5の動作は、実施の形態1と同じであるため、説明を省略する。
Next, the operation of the self-injection synchronous oscillator according to the fifth embodiment will be described.
Since the operations of the
ハーモニックミクサ81には、遅延線路7からRF波が入力され、分配器4からLO波が入力される。RF波はsin n(ωt+φ0+φ1)であり、LO波はsin (ωt+φ0)である。ハーモニックミクサ81は、LO波のn−1倍高調波を利用して、LO波のn−1倍高調波とRF波とを混合し、その差周波を増幅器9に出力する。ここで、nは逓倍器5の逓倍数を表す。LO波のn−1倍高調波は、sin (n-1)(ωt+φ0)であるので、LO波のn−1倍高調波とRF波との差周波は、sin (ωt+φ0+nφ1)となる。
The harmonic mixer 81 receives an RF wave from the
増幅器9及びVCO1の動作は、実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
Since the operations of the
以上のように構成した実施の形態5の自己注入同期発振器であっても、VCO1に注入される信号はsin (ωt+φ0+nφ1)であるので、実施の形態1と同様の効果を奏する。加えて、実施の形態5の自己注入同期発振器は、ハーモニックミクサ81を用いて、LO波の高調波とRF波を混合しているので、実施の形態1において必要だった逓倍器6を削減でき、回路の簡素化、小型化を図ることができる。
Even in the self-injection synchronous oscillator of the fifth embodiment configured as described above, the signal injected into the VCO 1 is sin (ωt + φ 0 + nφ 1 ), and thus the same effect as that of the first embodiment is obtained. Play. In addition, since the self-injection locked oscillator according to the fifth embodiment uses the harmonic mixer 81 to mix the harmonics of the LO wave and the RF wave, the
なお、上記では、ハーモニックミクサ81がLO波のn−1倍高調波を用いる場合を示したが、ハーモニックミクサ81はLO波のn+1倍高調波を用いても良い。この場合、LO波のn+1倍高調波とRF波との差周波は、−sin (ωt+φ0−nφ1)であり、ωに対して−n倍の遅延位相が得られる。遅延位相は絶対値に意味があるので、−nφ1であってもnφ1と同じ効果が得られる。したがって、n+1倍高調波を用いても、n−1倍高調波を用いる場合と同様の効果がある。 In the above description, the harmonic mixer 81 uses the n-1 harmonic of the LO wave. However, the harmonic mixer 81 may use the n + 1 harmonic of the LO wave. In this case, the difference frequency between the n + 1 harmonic of the LO wave and the RF wave is −sin (ωt + φ 0 −nφ 1 ), and a delay phase that is −n times that of ω is obtained. The delay phase is meaningful in absolute value, the same effect as Enufai 1 is obtained even -nφ 1. Therefore, using n + 1 harmonics has the same effect as using n-1 harmonics.
さらに、ハーモニックミクサ81がn+1倍高調波を用いる場合であって、n=1の場合、つまり、ハーモニックミクサ81がLO波の2倍高調波を用いて混合を行う場合、逓倍器5の逓倍数は1となるので、逓倍器5を削減できる。この場合、逓倍器5及び逓倍器6を削減できるので、さらに回路の簡素化、小型化を図ることができる。
Furthermore, when the harmonic mixer 81 uses n + 1 harmonics and n = 1, that is, when the harmonic mixer 81 performs mixing using the second harmonic of the LO wave, the multiplication factor of the
1 12 13 VCO、 2 4 分配器、 3 出力端子、 5 6 10 逓倍器、7 遅延線路、8 ミクサ、 9 14 増幅器、11 分周器、15 移相器、 81 ハーモニックミクサ。 1 12 13 VCO, 2 4 distributor, 3 output terminal, 5 6 10 multiplier, 7 delay line, 8 mixer, 9 14 amplifier, 11 frequency divider, 15 phase shifter, 81 harmonic mixer.
Claims (6)
前記発振器の出力信号の一部を第1の注入波と第2の注入波とに分配する分配器と、
前記第1の注入波の周波数を逓倍する第1の周波数変換器と、
前記第2の注入波の周波数を、前記第1の周波数変換器が逓倍した前記第1の注入波の周波数と異なる周波数に逓倍する第2の周波数変換器と、
前記分配器が分配した前記第1の注入波の位相を遅延させる遅延線路と、
前記第1の周波数変換器が逓倍した前記第1の注入波と、前記第2の周波数変換器が逓倍した前記第2の注入波との差周波を前記発振器に出力する混合器と
を備えた自己注入同期発振器。 An oscillator that outputs a signal;
A distributor for distributing a part of an output signal of the oscillator to a first injection wave and a second injection wave;
A first frequency converter for multiplying the frequency of the first injection wave;
A second frequency converter that multiplies the frequency of the second injection wave to a frequency different from the frequency of the first injection wave multiplied by the first frequency converter;
A delay line for delaying the phase of the first injection wave distributed by the distributor;
A mixer that outputs a difference frequency between the first injection wave multiplied by the first frequency converter and the second injection wave multiplied by the second frequency converter to the oscillator; Self-injection synchronous oscillator.
前記発振器が出力した前記基本波の一部の周波数を、前記高調波と異なる周波数に逓倍する周波数変換器と、
前記発振器が出力した前記基本波の一部の位相を遅延させる遅延線路と、
前記発振器が出力した前記基本波の一部と、前記発振器が出力した前記高調波との差周波を前記発振器に出力する混合器と
を備えた自己注入同期発振器。 An oscillator that outputs signals including harmonics and fundamental waves;
A frequency converter that multiplies a frequency of a part of the fundamental wave output from the oscillator to a frequency different from the harmonic;
A delay line for delaying the phase of a part of the fundamental wave output from the oscillator;
A self-injection synchronous oscillator comprising a mixer that outputs a difference frequency between a part of the fundamental wave output from the oscillator and the harmonic output from the oscillator to the oscillator.
前記発振器が出力した前記高調波の位相を遅延させる遅延線路と、
前記発振器が出力した前記基本波の一部と、前記発振器が出力した前記高調波との差周波を前記発振器に出力する混合器と
を備えた自己注入同期発振器。 An oscillator that outputs signals including harmonics and fundamental waves;
A delay line that delays the phase of the harmonics output by the oscillator;
A self-injection synchronous oscillator comprising a mixer that outputs a difference frequency between a part of the fundamental wave output from the oscillator and the harmonic output from the oscillator to the oscillator.
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