JP6409664B2

JP6409664B2 - 高周波共振器及び高周波発振器

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Publication number: JP6409664B2
Application number: JP2015078247A
Authority: JP
Inventors: 津留　正臣; 正臣津留; 谷口　英司; 英司谷口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2035-04-07
Also published as: JP2016201584A

Description

本発明は、高周波共振器及び高周波発振器に関するものである。

従来の高周波共振器として、特許文献１に示されるインターディジタル型結合共振器があり、帯域通過フィルタに用いられている。本結合共振器は、非結合時の共振周波数で１／４波長となる２つの伝送線路で構成され、当該伝送線路はそれぞれ一端が短絡、他端が開放である。これらの伝送線路は、短絡点が互い違いとなるように平行に配置される。このような共振器をインターディジタル型共振器という。高周波入力端子は、一方の伝送線路にタップ結合され、高周波出力端子は、他方の伝送線路にタップ結合され、これらのタップ結合点は回転対称軸を有する結合共振器の回転対称軸に対して互いに回転対称となる位置に配置される。

次に、従来の高周波共振器の動作について説明する。
インターディジタル型に配置された伝送線路の間隔（以下、ｇａｐと呼ぶ）を狭くすることで伝送線路は結合が強くなり、インターディジタル型結合共振器の共振周波数は２つになる。一方の共振周波数は、非結合時の共振周波数よりも低い共振周波数であり、他方の共振周波数は、非結合時の共振周波数よりも高い共振周波数である。従来の高周波共振器は、結合線路間の容量が共振モードに依存することを利用して、ｇａｐを小さくすることで共振モードに対する容量の変化を大きくし、より低い周波数の共振とより高い周波数の共振が得られるようにしていた。以上のように、従来の高周波共振器は、高い周波数の共振を十分に高くして、低い周波数の共振を用いることで、小型の共振器及び帯域通過フィルタを得ていた。

特開２００７−６０６１８号公報

従来の高周波共振器においては、伝送線路間の結合はｇａｐに依存し、製造精度の制限から強結合が難しい場合、低域側と高域側の共振周波数を十分に分離できなかった。このため、低域側の共振を用いて回路を動作させようとしても、高域側の不要共振が回路特性に悪影響を及ぼすという問題があった。とりわけ、その共振器を用いた発振器においては、高域側の不要共振による不要発振の問題が生じることがあった。

本発明は、以上のような問題を解消するためになされたものであり、結合の強弱に関わらず高域側の共振を抑圧できる効果を奏する高周波共振器及びこれを用いた高周波発振器を提供することを目的とする。

本発明の高周波共振器は、一端が短絡された第１の伝送線路と、第１の伝送線路に対して平行に配置され、第１の伝送線路と電磁界結合し、第１の伝送線路の短絡端に対して逆側の一端が短絡された第２の伝送線路と、第１の伝送線路の中点に一端が接続された第１のリアクタンス回路と、第２の伝送線路の中点に一端が接続され、他端が第１のリアクタンス回路の他端と接続された第２のリアクタンス回路と、第１のリアクタンス回路と第２のリアクタンス回路との接続点に一端が接続され、他端が接地された抵抗とを備える。

本発明によれば、高周波共振器における伝送線路間の結合の強弱に関わらず、低域側の共振に影響を与えずに、高域側の共振を抑圧できる効果がある。

実施の形態１に係る高周波共振器の一構成例を示す図である。実施の形態１に係る高周波共振器の共振周波数を示す図である。実施の形態１に係る高周波共振器における偶モードの回路図である。伝送線路の偶モードにおける電圧分布を示す図である。実施の形態１に係る高周波共振器における奇モードの回路図である。伝送線路の奇モードにおける電圧分布を示す図である。実施の形態１に係る高周波共振器の他の構成例を示す図である。図７の共振器における共振周波数の変化を説明する図である。本発明の実施の形態１に係る高周波共振器の構成例を示すレイアウト図である。端子が一つである場合の高周波共振器の構成例を示す図である。実施の形態２に係る高周波共振器の一構成例を示す図である。実施の形態２に係る高周波共振器の他の構成例を示す図である。実施の形態３に係る高周波発振器の構成例を示す図である。実施の形態４に係る高周波発振器の一構成例を示す図である。実施の形態４に係る高周波発振器の他の構成例を示す図である。実施の形態５に係る高周波発振器の構成例を示す図である。実施の形態５に係る高周波発振器の他の構成例である。

実施の形態１
図１は、実施の形態１に係る高周波共振器の一構成例を示す図である。
図１において、高周波共振器１は、伝送線路１０３（第１の伝送線路の一例）、伝送線路１０４（第２の伝送線路の一例）と、キャパシタ１０５（第１のリアクタンス回路の一例）、キャパシタ１０６（第２のリアクタンス回路の一例）と、抵抗１０７（抵抗の一例）とを備える。また、高周波共振器１には、端子１０１（端子の一例）、端子１０２（端子の一例）が接続されている。図１において、＠は、＠以下が周波数であることを意味し、例えば、λ／８＠ｆ_０は、周波数ｆ_０において電気長がλ／８であることを意味する。

端子１０１は、信号が入力または出力される端子であり、伝送線路１０３にタップ結合により、伝送線路１０３の短絡端から電気長αだけ離れた位置に接続される端子である。ここで、タップ結合とは、共振器（ここでは伝送線路）の短絡端以外の部分に、信号が入力または出力される端子を接続することである。
端子１０２は、信号が入力または出力される端子であり、伝送線路１０４にタップ結合により、伝送線路１０４の短絡端から電気長αだけ離れた位置に接続される端子である。

伝送線路１０３、１０４は、それぞれ一端開放一端短絡であり、非結合時の共振周波数ｆ_０で１／４波長の電気長を有し、短絡端が互いに反対方向であって、互いに平行に配置される伝送線路である。伝送線路１０３、１０４は、例えば、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、スロット線路、コプレナ線路などで構成される。

キャパシタ１０５は、一端が伝送線路１０３の中点に接続され、他端がキャパシタ１０６と抵抗１０７とに接続されるキャパシタである。ここで、中点とは、伝送線路１０３の長さ方向の中心であり、伝送線路１０３の開放端と短絡端との電気長的中心である。
キャパシタ１０６は、一端が伝送線路１０４の中点に接続され、他端がキャパシタ１０５と抵抗１０７とに接続されるキャパシタである。ここで、中点とは、伝送線路１０４の長さ方向の中心であり、伝送線路１０４の開放端と短絡端との電気長的中心である。

抵抗１０７は、一端がキャパシタ１０５及びキャパシタ１０６に接続され、他端が接地された抵抗である。つまり、抵抗１０７は、キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６の接続点に接続されている。

次に、実施の形態１に係る高周波共振器の動作について説明する。
平行に配置された伝送線路１０３と伝送線路１０４との間隔（ｇａｐ）が狭くなると、伝送線路１０３と伝送線路１０４との結合は強くなり、線路間の容量が共振周波数に影響し始め、ｆ_０に対して低域側（ｆ_Ｌ）と高域側（ｆ_Ｈ）で共振するようになる。このとき、ｆ_Ｌは奇モードで動作し、ｆ_Ｈは偶モードで動作する。

図２は、実施の形態１に係る高周波共振器の共振周波数を示す図である。
図２において、縦軸は、Ｚ（インピーダンス）またはＹ（アドミッタンス）であり、共振の強弱または有無の指標である。横軸は周波数である。点線は、ｇａｐが無限大のとき、つまり非結合の場合の共振周波数ｆ_０を表す。実線は、伝送線路１０３と伝送線路１０４とが結合しているときの共振周波数を表す。ｇａｐが小さくなると、伝送線路１０３と伝送線路１０４とが電磁界結合し、共振周波数は２つに分離する。ｆ_０に対して低域側の共振周波数ｆ_Ｌが奇モードの共振周波数であり、ｆ_０に対して高域側の共振周波数ｆ_Ｈが偶モードの共振周波数である。

図３は、実施の形態１に係る高周波共振器における偶モードの回路図である。
図３において、伝送線路１０３、１０４内の矢印は、電圧が高くなる方向を示している。図３に示すように、ｆ_Ｈは偶モードで動作するため、キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６を介して抵抗１０７が見えており、抵抗１０７に高周波電流が流れて損失が生じる。以下、その理由を説明する。

図４は、伝送線路の偶モードにおける電圧分布を示す図である。
図４において、縦軸は、伝送線路１０３及び１０４の電圧Ｖであり、横軸は、短絡端からの電気長Ｌである。αは、伝送線路１０３及び１０４のタップ結合されている位置である。短絡端において電圧は０であり、開放端に向けて電圧は大きくなる。

キャパシタ１０５、キャパシタ１０６及び抵抗１０７からなる回路の偶モードにおける動作を説明する。図３において、キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６は、伝送線路１０３または伝送線路１０４の中点に接続されている。つまり、短絡端からλ／８の位置に、キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６は接続されている。そのため、キャパシタ１０５が接続されている点における電圧と、キャパシタ１０６が接続されている点における電圧とは、同じ値になる。キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６の接続点は、同電圧となるので、キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６を介して伝送線路１０３から伝送線路１０４に電流は流れず、電流は、一端が接地された抵抗１０７に流れる。偶モードにおいては、抵抗１０７に電流が流れるので、本共振器では、ｆ_Ｈにおいて損失は大きくなる。

図５は、実施の形態１に係る高周波共振器における奇モードの回路図である。
図５において、伝送線路１０３、１０４内の矢印は、電圧が高くなる方向を示している。図３に示すように、ｆ_Ｌは奇モードで動作するため、伝送線路１０３と１０４とは逆相動作となり、キャパシタ１０５とキャパシタ１０６との接続点で仮想短絡となる。このため、抵抗１０７が見えておらず、抵抗１００に高周波電流が流れずに損失が生じない。以下、その理由を説明する。

図６は、伝送線路の奇モードにおける電圧分布を示す図である。
図６において、縦軸は、伝送線路１０３及び１０４の電圧Ｖであり、横軸は、短絡端からの電気長Ｌである。αは、伝送線路１０３及び１０４のタップ結合されている位置である。伝送線路１０３の短絡端において電圧は０であり、開放端に向けて電圧は大きくなる。一方で、伝送線路１０４では、短絡端において電圧は０であるが、開放端に向けて電圧は小さくなる。伝送線路１０３及び伝送線路１０４は奇モードで動作するからである。

キャパシタ１０５、キャパシタ１０６及び抵抗１０７からなる回路の奇モードにおける動作を説明する。図５において、キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６は、伝送線路１０３または伝送線路１０４の中点に接続されている。つまり、短絡端からλ／８の位置に、キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６は接続されている。そのため、キャパシタ１０５が接続されている点における電圧と、キャパシタ１０６が接続されている点における電圧とは、絶対値は同じで、正負が逆の値になる。キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６の接続点は逆電圧となるので、キャパシタ１０５とキャパシタ１０６との接続点に仮想短絡が形成される。この場合、キャパシタ１０５とキャパシタ１０６との接続点にグラウンドが接続されていることと等価と考えられるので、抵抗１０７に電流は流れない。したがって、本共振器では、ｆ_Ｌにおいて損失が生じない。

なお、本高周波共振器では、端子１０１のタップ結合位置及び端子１０２のタップ結合位置は、
それぞれ伝送線路１０３及び１０４において、短絡端から同じ電気長である。したがって、図４及び図６に示されているように、αにおける電圧振幅は、同じ値となるので、端子１０１と端子１０２とは、伝送線路１０３および１０４に同じ結合度で接続される。したがって、端子１０１と端子１０２とを設けても、本高周波共振器は電気的な対称性が維持され、偶モードまたは奇モード以外の不要なモードの共振を抑圧できるとともに、不要なモードの共振による損失を低減できる。

仮に、端子１０１の短絡端からの電気長と端子１０２の短絡端からの電気長とが異なる場合、端子１０１の結合度と端子１０２の結合度とが異なる。そのため、高周波共振器は、電気的な対称性が維持できず、例えばｆ_Ｌ、ｆ_Ｈにおいて偶モード及び奇モードが混合した混合モードで共振する。その結果、混合モードにおける偶モード成分により抵抗１０７で損失が生じるので、ｆ_Ｌにおいて損失が増加する。また、ｆ_Ｈにおいて、混合モードにおける奇モード成分は、抵抗１０７により損失が生じないので、ｆ_Ｈにおける損失が小さくなり、共振の抑圧量が小さくなる。

以上のように、実施の形態１によれば、高周波共振器１は、キャパシタ１０５の一端が伝送線路１０３の中点に接続され、キャパシタ１０６の一端が伝送線路１０４の中点に接続されていることにより、電磁界結合の強弱に関わらず高域側の共振が抑圧され、低域側の共振を有することができる。

さらに、端子１０１及び端子１０２は、本高周波共振器にタップ結合されているので、タップ結合の位置を変更することで、本高周波共振器に対する結合度を容易に変化させることができる。これにより、本高周波共振器を用いて発振器、フィルタ等を実現する場合、タップ位置により特性を変更できるので、設計がしやすいという利点がある。

また、本高周波共振器は、従来の結合線路を用いた高周波共振器に比べて、急峻な周波数特性を得ることができる。これにより、本高周波共振器を発振器に用いた場合、発振器の低位相雑音化を図れる。また、本高周波共振器をフィルタとして用いた場合、不要な周波数の信号に対する減衰量を大きくできる。
以下、本高周波共振器において急峻な周波数特性を得ることができる理由を説明する。一般的に、共振器の無負荷Ｑ（Ｑ_ｕ０）は、次式で表わされる。Ｑ_ｕ０は、ｆ_０における無負荷Ｑである。

ここで、Ｇ_ｒ、Ｃ_ｒ、Ｌ_ｒは、それぞれ、伝送線路を形成する基板の誘電体および伝送線路の導体による等価コンダクタンス、等価キャパシタンス、等価インダクタンスである。ω_０は共振角周波数である。本共振器では、この等価キャパシタンスＣ_ｒに、キャパシタ１０５、１０６による容量が加わるため、低域側の共振周波数における無負荷Ｑ（Ｑ_ｕＬ）はさらに大きくなる。Ｑ値が高いと周波数特性は急峻であるため、急峻な周波数特性が得られる。

なお、実施の形態１に係る高周波共振器は、以下の構成であっても良い。
図７は、実施の形態１に係る高周波共振器の他の構成例を示す図である。
図７（ａ）は、キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６を可変容量としたときの構成図である。
本構成であっても、上記で述べた効果を奏する。さらに、本構成では、キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６の容量値を変化させられるので、低域側の共振周波数ｆ_Ｌを変化させることができる。これにより、本高周波共振器を発振器に用いた場合、発振器の発振周波数を変化させることができ、発振周波数の異なる複数の発振器を一つの発振器で実現できる。また、本高周波共振器をフィルタとして用いた場合、通過周波数または遮断周波数を可変にでき、周波数帯域の異なる複数のフィルタを一つのフィルタで実現できる。

図７（ｂ）は、伝送線路の開放端に可変容量を設けたときの構成図である。
図７（ｂ）に示すように、伝送線路１０３及び伝送線路１０４の開放端に、一端が接地された可変容量１０５、１０６をそれぞれ備えても、各伝送線路の容量成分を変化することができるため、共振周波数を変化させることができる。また、キャパシタ１０５とキャパシタ１０６を可変容量として図７（ａ）と図７（ｂ）とを組み合わせた構成としても良い。これは、他の実施例でも同様である。

図８は、図７の共振器における共振周波数の変化を説明する図である。
図８において、縦軸は、Ｚ（インピーダンス）またはＹ（アドミッタンス）であり、共振の強弱または有無の指標である。横軸は周波数である。点線は、ｇａｐが無限大のとき、つまり非結合の場合の共振周波数ｆ_０を表す。実線は、伝送線路１０３と伝送線路１０４とが結合しているときの共振周波数を表す。キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６の容量を変化させることで、ｆ_Ｈを変化させずに、ｆ_Ｌを変化させることができる。

以下、実施の形態１に係る高周波共振器を誘電体基板上に作成する場合のレイアウト構成について説明する。
図９は、実施の形態１に係る高周波共振器の構成例を示すレイアウト図である。
図９（ａ）は、同一の誘電体基板に伝送線路１０３、伝送線路１０４を配置した場合のレイアウト図である。
図９（ｂ）は、異なる積層誘電体基板にそれぞれ伝送線路１０３、伝送線路１０４を配置した場合のレイアウト図である。
図９（ｃ）は、異なる積層誘電体基板にそれぞれ伝送線路１０３、伝送線路１０４を配置し、伝送線路１０３と伝送線路１０４とをオーバラップさせた構成のレイアウト図である。
図９（ｄ）は、異なる積層誘電体基板にそれぞれ伝送線路１０３、伝送線路１０４を配置し、伝送線路１０３の一部と伝送線路１０４の一部とをオーバラップさせた構成のレイアウト図である。
図９（ａ）に示すように、伝送線路１０３と伝送線路１０４は誘電体基板の同一レイヤ層に配置されていても良い。また、図９（ｂ）に示すように、異なるレイヤ層に配置されていても良い。図９（ｂ）に示すように、異なるレイヤ層に伝送線路１０３及び伝送線路１０４を設けることにより、レイヤ層間の距離によっても、伝送線路１０３と伝送線路１０４との電磁界結合の強度を変化させることができるので、本高周波共振器の設計の自由度を大きくできる。
また、図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、異なるレイヤ層に配置してオーバラップを生じていても良い。ここで、オーバラップとは、伝送線路の上下対向に対する重なりをいう。図９（ｃ）、（ｄ）に示すような構造の場合、伝送線路１０３と伝送線路１０４とのオーバラップを大きくすることにより、伝送線路１０３と伝送線路１０４との電磁界結合の強度を変化させることができるので、本高周波共振器の設計の自由度を大きくできる。図９に示した構成例は、他の実施の形態においても適用できる。

なお、ここまで、高周波共振器において端子が２つある場合を説明してきたが、端子は一つであっても良い。
図１０は、端子が一つである場合の高周波共振器の構成例を示す図である。
図１と比べて、端子１０２が削除されている。この構成であっても、伝送線路１０３と伝送線路１０４とは、偶モード及び奇モードで電磁界結合するので、上記で説明したように、ｆ_Ｌの共振周波数に影響を与えずに、ｆ_Ｈの共振周波数を抑圧することができる。図１０の場合、信号は端子１０１から入力されるが、ｆ_Ｌにおいて信号は高周波共振器１で反射し、端子１０１から出力される。ｆ_Ｈの信号は、抵抗１０７で吸収される。

実施の形態２．
図１１は、実施の形態２に係る高周波共振器の一構成例を示す図である。
なお、図１１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２に係る高周波共振器は、高周波共振器１に並列共振回路２が接続された構成とすることにより、低域側の共振周波ｆ_Ｌ以外の不要共振を抑え、ｆ_Ｌの共振周波数を利用できるようにするものである。

並列共振回路２は、互いに並列に接続されるインダクタ２０１とキャパシタ２０２とを備え、伝送線路１０４にタップ結合し、低域側の共振周波数ｆ_Ｌにおいて並列共振する並列共振回路である。並列共振回路２の一端は接地され、他端は端子１０２に接続される。並列共振回路２は、伝送線路１０３または伝送線路１０４の少なくとも一方にタップ結合していれば良い。

次に、実施の形態２に係る高周波共振器の動作について説明する。
高周波共振器１の内部動作は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。
端子１０１から信号が高周波共振器１に入力される。ｆ_Ｈにおいて高周波共振器１は偶モードで動作するため、ｆ_Ｈの信号は、キャパシタ１０５及びキャパシタ１０６を介して抵抗１０７で吸収される。

一方、ｆ_Ｌでは、高周波共振器１は奇モードで動作する。そのため、キャパシタ１０５とキャパシタ１０６との接続点に仮想短絡が形成されるので、抵抗１０７に信号は流れず、損失は生じない。したがって、端子１０１から入力された信号は、奇モードで電磁界結合する伝送線路１０３と伝送線路１０４とを介して、端子１０２から並列共振回路２に出力される。

並列共振回路２は、低域側の共振周波数ｆ_Ｌで共振するため、そのインピーダンスは開放となる。したがって、端子１０２から出力された信号は、ｆ_Ｌにおいて全反射する。並列共振回路２で全反射した信号は、端子１０２から高周波共振器１に入力される。その反射信号は、入力されたときと同様に、奇モードで電磁界結合する伝送線路１０３と伝送線路１０４とを介して、端子１０１から出力される。つまり、本構成では、端子１０１から入力された信号は、ｆ_Ｌにおいて全反射し、端子１０１から出力される。

低域側の共振周波数ｆ_Ｌ以外の信号に対して、並列共振回路２は、有限のインピーダンスをもつ。そうすると、伝送線路１０４には有限のインピーダンスが接続されることになり、伝送線路１０３と、伝送線路１０４との間の対称性が崩れる。したがって、伝送線路１０３と伝送線路１０４とは、奇モードまたは偶モードという単一モードで共振せず、偶モード及び奇モードの混合モードで共振する。そのうち、偶モードは、抵抗１０７により損失が生じる。よって、ｆ_Ｌ以外の信号に対して、高周波共振器１は損失を与え、信号を減衰させる。減衰した信号は端子１０１から出力される。

以上のように、実施の形態２によれば、低域側の共振周波ｆ_Ｌ以外の不要共振を抑え、ｆ_Ｌの共振周波数を利用できる効果を奏する。

ここでは、キャパシタ２０１とインダクタ２０２とを並列に接続した並列共振回路を用いた例について説明したが、次のように並列共振回路を構成しても良い。
図１２は、実施の形態２に係る高周波共振器の他の構成例を示す図である。
並列共振回路２は、λ／４の伝送線路２０３と、直列共振回路２０４とを備える。伝送線路２０３は、ｆ_Ｌにおいてλ／４の長さをもつ伝送線路である。直列共振回路２０４は、ｆ_Ｌにおいて共振する一端が接地された直列共振回路である。直列共振回路２０４と伝送線路２０３とが直列に接続され、伝送線路２０３が端子１０２に接続されている。なお、伝送線路２０３は、例えば、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、スロット線路、コプレナ線路などで構成される。

並列共振回路２のインピーダンスについて説明する。直列共振回路２０４は、ｆ_Ｌにおいて直列共振し、インピーダンスは短絡となる。λ／４の伝送線路２０３は、インピーダンスインバータとして動作するので、直列共振回路２０４のインピーダンスは反転する。よって、端子１０２から直列共振回路２０４側を見たインピーダンスは、短絡の反対の開放となる。
以上のように、伝送線路２０３と、直列共振回路２０４とを直列接続した構成でも、並列共振回路として動作する。これは、他の実施の形態においても同様である。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、高周波共振器について説明したが、以下実施の形態３から５では、その共振器を用いた発振器について説明する。
図１３は、実施の形態３に係る高周波発振器の構成例を示す図である。
なお、図１３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。
本高周波発振器は、高周波共振器１と、能動回路３とを備える。高周波共振器１は、能動回路３に並列に接続される。

能動回路３は、ｆ_Ｌにおいて利得を有する能動回路である。能動回路３は、トランジスタ、整合回路を備える。能動回路３と、高周波共振器１とは並列に接続される。能動回路３の通過位相と、高周波共振器１の通過位相との和は、ｆ_Ｌにおいて３６０°の整数倍（０を含む）である。また、通過利得の和（ループ利得）が０ｄＢ以上である。つまり、能動回路３に対して、高周波共振器１は発振条件を満足する正帰還を形成している。

次に、実施の形態３に係る高周波発振器の動作について説明する。
回路内に存在する共振周波数ｆ_Ｌ近傍の高周波雑音が、能動回路３の端子３０１に入力される。次に、能動回路３は、その電力を増幅し、高周波共振器１の端子１０１に出力する。高周波共振器１の端子１０１に入力された電力は、共振周波数ｆ_Ｌにおいて、他の周波数よりも低損失で通過する。高周波共振器１を通過した電力は、端子１０２を介して、再び能動回路３の端子３０１に入力される。能動回路３と高周波共振器１とは正帰還となるように構成されているため、元の高周波雑音は益々増幅し、最終的に発振に至る。

実施の形態１で説明したように、高周波共振器１は、キャパシタ１０５の一端が伝送線路１０３の中点に接続され、キャパシタ１０６の一端が伝送線路１０４の中点に接続されているため、奇モード及び偶モードに対してそれぞれ対称性を保持している。偶モードで動作する高域側の共振周波数ｆ_Ｈは抵抗１００による損失が生じて抑圧されているために、発振条件のループ利得を満足できず、ｆ_Ｈ近傍の高周波雑音は発振に至らず、不要発振が抑圧される。

以上のように、実施の形態３によれば、高周波共振器の高域側の共振を抑圧し、低域側の共振を有する高周波共振器１を用いているので、発振器において高域側の不要発振を抑圧でき、低域側での発振を得る効果を奏する。また、非結合時の共振周波数ｆ_０において１／４波長の電気長をもつ伝送線路１０３、１０４を用いて、ｆ_Ｌにおいて発振させることができるため、小型化の効果を奏する。加えて、高周波共振器１のＱ値は高いため、高周波発振器の低位相雑音化を図ることができる。

実施の形態４．
図１４は、実施の形態４に係る高周波発振器の一構成例を示す図である。
なお、図１４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。
本高周波発振器は、高周波共振器１と、能動回路４と、能動回路５とを備える。

能動回路４、５は、ｆ_Ｌにおいて反射利得を有する能動回路である。能動回路４と、高周波共振器１と、能動回路５とは、直列に接続されている。能動回路４の反射位相と、能動回路５の反射位相と高周波共振器１の通過位相との和（ループ位相）が共振周波数ｆ_Ｌで３６０°の整数倍（０を含む）となり、能動回路４の反射利得と、能動回路５の反射利得と、高周波共振器１の通過損失との和（ループ利得）が０ｄＢ以上である。つまり、能動回路４と、能動回路５と高周波共振器１とは、発振条件を満足する正帰還を形成している。

次に、実施の形態４に係る高周波発振器の動作について説明する。
共振周波数ｆ_Ｌ近傍の高周波雑音が、高周波共振器１の端子１０１が接続された能動回路４の端子４０１に入力され、その反射電力が増幅されて高周波共振器１の端子１０１に入力される。その電力は、高周波共振器１を通過して端子１０２に接続された能動回路５の端子５０１に入力され、能動回路５で増幅されて反射し、高周波共振器１の端子１０２に入力されて再び高周波共振器１を通過し、端子１０１から能動回路４の端子４０１に入力される。このループにおいて正帰還となるように構成されているため、元の高周波雑音は益々増幅し、最終的に発振に至る。このとき、高周波共振器１は、共振周波数ｆ_Ｌにおいて、奇モードで動作しているため、能動回路４と能動回路５とは逆相で動作し、能動回路４の端子４０２と能動回路５の端子５０２とから、互いに逆相の発振波が得られる。

以上のように、実施の形態４によれば、高周波共振器の高域側の共振を抑圧し、低域側の共振を有する高周波共振器１を用いているので、発振器において高域側の不要発振を抑圧でき、低域側での発振を得る効果を奏する。また、非結合時の共振周波数ｆ_０において１／４波長の電気長をもつ伝送線路１０３、１０４を用いて、ｆ_Ｌにおいて発振させることができるため、小型化の効果を奏する。加えて、高周波共振器１のＱ値は高いため、高周波発振器の低位相雑音化を図ることができる。さらに、本構成では、コモンノイズによる外乱に対して耐性が強い逆相信号を得ることができる。

ここでは、能動回路４及び能動回路５から逆相信号を取り出す構成例について説明したが、次のように構成して、信号を取り出しても良い。
図１５は、実施の形態４に係る高周波発振器の他の構成例を示す図である。
図１５に示すように、能動回路４の端子４０２と合成回路６の端子６０１とが接続され、能動回路５の端子５０２と合成回路６の端子６０２とが接続され、合成回路６は、能動回路４の発振出力と能動回路５の発振出力とを等電気長で電力合成する。これにより、逆相であるｆ_Ｌの信号は相殺されるが、ｆ_Ｌの偶数次高調波は同相合成となるため、ｆ_Ｌの偶数次高調波が合成回路６の端子６０３から出力される。このような発振器をＰｕｓｈ−Ｐｕｓｈ発振器という。これにより、ｆ_Ｌで発振させつつ、偶数次高調波を出力できるので、高い周波数で低位相雑音の発振波を得ることができる。

実施の形態５．
図１６は、実施の形態５に係る高周波発振器の構成例を示す図である。
なお、図１６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。
図１６において、高周波発振器は、共振周波数ｆ_Ｌにおいて反射利得を有する能動回路４と、高周波共振器１とを備える。能動回路４の反射位相と高周波共振器１の反射位相との和（ループ位相）が共振周波数ｆ_Ｌにおいて３６０°の整数倍（０を含む）であり、能動回路４の反射利得と高周波共振器１の反射損失との和（ループ利得）が０ｄＢ以上である。つまり、能動回路４と高周波共振器１とは、発振条件を満足する正帰還を形成している。

次に、実施の形態６に係る発振器の動作について説明する。
共振周波数ｆ_Ｌ近傍の高周波雑音が、高周波共振器１の端子１０１が接続された能動回路４の端子４０１に入力され、その反射電力が増幅されて高周波共振器１の端子１０１に入力される。その電力は高周波共振器１で反射されて、再び端子１０１から能動回路４の端子４０１に入力される。このループは正帰還となるように構成されているため、元の高周波雑音は益々増幅し、最終的に発振に至る。発振により生じた電力は、能動回路４の端子４０２から負荷に出力される。

実施の形態１で示されるように高周波共振器１は、キャパシタ１０５の一端が伝送線路１０３の中点に接続され、キャパシタ１０６の一端が伝送線路１０４の中点に接続されているため、奇モード及び偶モードに対してそれぞれ対称性を保持している。偶モードで動作する高域側の共振周波数ｆ_Ｈは抵抗１００による損失が生じて抑圧されているために、発振条件のループ利得を満足できず、ｆ_Ｈ近傍の高周波雑音は発振に至らず、不要発振が抑圧される。

以上のように、実施の形態５によれば、高周波共振器の高域側の共振を抑圧し、低域側の共振を有する高周波共振器１を用いているので、発振器において高域側の不要発振を抑圧でき、低域側での発振を得る効果を奏する。また、非結合時の共振周波数ｆ_０において１／４波長の電気長をもつ伝送線路１０３、１０４を用いて、ｆ_Ｌにおいて発振させることができるため、小型化の効果を奏する。加えて、高周波共振器１のＱ値は高いため、高周波発振器の低位相雑音化を図ることができる。さらに、実施の形態４のように、能動回路を２つ要しないため、より小型な高周波発振器が得られる。

なお、実施の形態５に係る高周波発振器は以下のように構成しても良い。
図１７は、実施の形態５に係る高周波発振器の他の構成例である。
図１７（ａ）は、高周波共振器１に並列共振回路２及び能動回路４が接続された高周波発振器である。
図１７（ａ）に示すように、本構成では、高周波共振器１の端子１０２に一端を接地した並列共振回路２を備え、端子１０８のタップ結合位置βに能動回路４の端子４０１をタップ結合している。ここで、α≠βである。並列共振回路２はｆ_Ｌで並列共振しているため、高インピーダンスであり、ｆ_Ｌにおいて図１７（ａ）と図１６とは等価であると見なせるので、本構成では、不要発振を抑えつつ、タップ結合位置を、端子１０２のタップ結合位置と独立に選択することができる。これにより、本構成では、端子に対する設計の自由度を大きくできる。ここで、並列共振回路２は、図１２において説明したように、伝送線路２０３及び直列共振回路２０４からなる並列共振回路を用いても良い。

図１７（ｂ）は、高周波共振器１に並列共振回路２、７及び能動回路４が接続された高周波発振器である。
図１７（ｂ）に示すように、高周波共振器１の端子１０１、１０２に一端を接地した並列共振回路２、７をそれぞれ備え、能動回路４を伝送線路１０３に別途タップ結合した構成としても良い。並列共振回路２は、高周波共振器１の端子１０２に接続され、並列共振回路７は、高周波共振器１の端子１０１に接続されている。能動回路４の端子４０１は、高周波共振器１の端子１０８に接続されている。このとき、並列共振回路２及び７は、ｆ_Ｌにおいて並列共振しているため、高インピーダンスである。したがって、ｆ_Ｌにおいて、図１７（ｂ）と図１６とは等価である。よって、端子１０１及び１０２のタップ結合位置αと、能動回路４の端子４０１のタップ結合位置βとは独立して設定しても、図１６と同様に動作することが分かる。図１７（ａ）のときよりも、並列共振回路２及び７が電気的に対称に配置され、回路の電気的な対称性が維持できるため、共振周波数を変化させるとき、広帯域に変化させることができる。高周波共振器の共振周波数は、並列共振回路２、７のリアクタンスを可変とすることで、変化させることができる。並列共振回路２、７は、図１２において説明した、伝送線路２０３及び直列共振回路２０４からなる並列共振回路を用いても良い。

１高周波共振器、２７並列共振回路、３４５能動回路、６合成回路、１０１１０２端子、１０３１０４２０３伝送線路、１０５１０６２０２７０２キャパシタ、１０７抵抗、２０１７０１インダクタ２０３直列共振回路。

Claims

一端が短絡された第１の伝送線路と、
前記第１の伝送線路に対して平行に配置され、前記第１の伝送線路と電磁界結合し、前記第１の伝送線路の短絡端に対して逆側の一端が短絡された第２の伝送線路と、
前記第１の伝送線路の中点に一端が接続された第１のリアクタンス回路と、
前記第２の伝送線路の中点に一端が接続され、他端が前記第１のリアクタンス回路の他端と接続された第２のリアクタンス回路と、
前記第１のリアクタンス回路と前記第２のリアクタンス回路との接続点に一端が接続され、他端が接地された抵抗と
を備えた高周波共振器。
信号が入力または出力される端子を備え、
前記第１の伝送線路または前記第２の伝送線路の少なくとも一方に、前記端子がタップ結合した請求項１記載の高周波共振器。
前記端子を２つ備え、
前記端子の一方から前記第１の伝送線路の短絡端までの電気長と、前記端子の他方から前記第２の伝送線路の短絡端までの電気長とが同じである請求項２記載の高周波共振器。
前記第１の伝送線路または前記第２の伝送線路の少なくとも一方にタップ結合した並列共振回路とを備えた請求項１または請求項２に記載の高周波共振器。
一端が短絡された第１の伝送線路と、
前記第１の伝送線路に対して平行に配置され、前記第１の伝送線路と電磁界結合し、前記第１の伝送線路の短絡端に対して逆側の一端が短絡された第２の伝送線路と、
前記第１の伝送線路の中点に一端が接続された第１のリアクタンス回路と、
前記第２の伝送線路の中点に一端が接続され、他端が前記第１のリアクタンス回路の他端と接続された第２のリアクタンス回路と、
前記第１のリアクタンス回路と前記第２のリアクタンス回路との接続点に一端が接続され、他端が接地された抵抗と、
通過利得を有し、前記第１の伝送線路及び前記第２の伝送線路にタップ結合した能動回路と
を備えた高周波発振器。
一端が短絡された第１の伝送線路と、
前記第１の伝送線路に対して平行に配置され、前記第１の伝送線路と電磁界結合し、前記第１の伝送線路の短絡端に対して逆側の一端が短絡された第２の伝送線路と、
前記第１の伝送線路の中点に一端が接続された第１のリアクタンス回路と、
前記第２の伝送線路の中点に一端が接続され、他端が前記第１のリアクタンス回路の他端と接続された第２のリアクタンス回路と、
前記第１のリアクタンス回路と前記第２のリアクタンス回路との接続点に一端が接続され、他端が接地された抵抗と、
反射利得を有し、前記第１の伝送線路または前記第２の伝送線路の少なくとも一方にタップ結合した能動回路と
を備えた高周波発振器。
前記第１の伝送線路または前記第２の伝送線路の少なくとも一方にタップ結合した並列共振回路と
を備えた請求項５または請求項６に記載の高周波発振器。