JP6542011B2 - 周波数シンセサイザ - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯以上の周波数の高周波信号を出力する周波数シンセサイザに関する。

周波数可変のサブハーモニック注入信号を発振波動場に入力し、発振波動場において同期発振させることにより周波数可変の高周波信号を生成する周波数シンセサイザが知られている。非特許文献１には、広帯域アクティブ分配合成回路で構成された正帰還型発振器に、分配合成回路を介してサブハーモニック注入信号を入力することにより、高周波信号を出力する周波数シンセサイザが開示されている。

図１４は、従来の周波数シンセサイザ８００の構成を示す図である。周波数シンセサイザ８００は、周波数可変の注入信号源８１０と、分配合成回路８２０と、正帰還型発振器８３０と、負荷８４０とを有する。注入信号源８１０から出力された周波数ｆ_０／ｍ（ｍは自然数）のサブハーモニック注入信号は、分配合成回路８２０を介して正帰還型発振器８３０に入力される。正帰還型発振器８３０は、サブハーモニック注入信号のｍ倍の周波数ｆ_０の発振信号を生成して、分配合成回路８２０を介して負荷８４０へと出力する。

鴨川、外２名、「１１ＧＨｚ帯サブハーモニック注入ロック発振器ＭＭＩＣ」、電子情報通信学会英文論文誌（エレクトロニクス）、１９９５年８月、第８号、ｐ．９２５−９３０

従来の周波数シンセサイザにより、サブハーモニック注入信号の整数倍の発振信号を生成することはできる。しかしながら、この周波数シンセサイザにおいては、正帰還ループ発振回路へサブハーモニック信号を注入して同期引き込みを行わせるために、引き込み帯域が狭いという問題があった。特に、サブハーモニック次数ｍが大きくなればなるほど同期幅が狭くなるとともに、大きな電力のサブハーモニック注入信号を入力する必要があった。したがって、サブハーモニック次数ｍを十分に大きくすることが困難であり、ミリ波、短ミリ波、テラヘルツ波のような超高周波帯に適用可能な注入同期形周波数シンセサイザを実現することができなかった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、注入同期信号の周波数に対する発振信号の周波数の比を大きくすることを目的とする。

本発明においては、負性抵抗回路を有し、周波数ｆ_０で発振する共振器と、周波数ｆ_０／ｍ（ｍは自然数）の周波数可変の発振信号を発生する発振信号源と、前記発振信号を前記共振器に注入する注入部と、前記共振器から周波数ｎｆ_０の高調波信号を抽出する抽出部と、を備える周波数シンセサイザを提供する。

前記注入部は、例えば、前記共振器が有する前記負性抵抗回路に前記発振信号を注入する。前記注入部は、デューティ比が５０％以下の前記発振信号を前記負性抵抗回路に注入してもよい。あるいは、前記注入部は、前記発振信号の周期の非正弦波形信号を前記負性抵抗回路に注入してもよい。

前記共振器が、複数の前記負性抵抗回路を有するスロットリング共振器であり、前記注入部は、前記複数の負性抵抗回路に、それぞれ周波数が同一で位相が異なる前記発振信号を注入してもよい。

前記注入部は、それぞれ２π／ｍずつ位相がシフトした複数の前記発振信号を前記複数の負性抵抗回路に注入してもよい。前記注入部は、例えば、前記発振信号源から入力された前記発振信号と同一の位相の第１発振信号と、前記第１発振信号の位相を反転させた第２発振信号とを前記共振器に注入する。

また、前記注入部は、前記発振信号源から入力された前記発振信号と同一の位相の第１発振信号と、前記第１発振信号と位相がπ／２異なる第２発振信号とを生成するπ／２ハイブリッドと、前記第１発振信号を互いに逆位相に平衡分岐した第３発振信号を生成する第１バランと、前記第２発振信号を互いに逆位相に平衡分岐した第４発振信号を生成する第２バランと、を有してもよい。

また、前記共振器が、周長が周波数ｎｆ_０の波長λに等しい閉ループのスロットラインと、前記スロットラインに設けられた複数の負性抵抗回路と、を有し、前記注入部は、前記複数の負性抵抗回路に、それぞれ周波数及び位相が同一の前記発振信号を注入してもよい。

また、前記共振器が、直線状の第１スロットラインと、前記第１スロットラインに設けられた負性抵抗回路と、周波数ｎｆ_０の波長をλとした場合に、前記負性抵抗回路の両端から前記第１スロットラインに沿ってλ／４離れた２つの位置において前記第１スロットラインと交差する第２スロットラインと、を有し、前記注入部は、前記負性抵抗回路に前記発振信号を注入してもよい。

前記共振器が、前記第１スロットラインに設けられた第１負性抵抗回路及び第２負性抵抗回路と、前記第１負性抵抗回路の一端から前記第１スロットラインに沿ってλ／４離れた位置、及び前記第２負性抵抗回路の一端から前記第１スロットラインに沿ってλ／４離れた位置において前記第１スロットラインと交差する第２スロットラインと、を有し、前記注入部は、前記第１負性抵抗回路及び前記第２負性抵抗回路に、それぞれ周波数及び位相が同一の前記発振信号を注入してもよい。

本発明によれば、注入同期信号の周波数に対する発振信号の周波数の比を大きくすることができるという効果を奏する。

第１〜第３の実施形態に係る周波数シンセサイザの構成の概要を示す模式図である。 第１の実施形態に係る周波数シンセサイザの構成を示す図である。 第２の実施形態に係る周波数シンセサイザの構成を示す図である。 第３の実施形態に係る周波数シンセサイザの構成を示す図である。 第３の実施形態の変形例としての周波数シンセサイザの構成を示す図である。 第３の実施形態の変形例としての周波数シンセサイザの構成を示す図である。 第３の実施形態の変形例としての周波数シンセサイザの構成を示す図である。 第４〜第６の実施形態に係る周波数シンセサイザの構成の概要を示す模式図である。 並列移相処理回路の構成を示す図である。 位相が異なる複数の発振信号を共振回路に注入する場合の構成を示す模式図である。 第４の実施形態に係る周波数シンセサイザの構成を示す図である。 第５の実施形態に係る周波数シンセサイザの構成を示す図である。 第６の実施形態に係る周波数シンセサイザの構成を示す図である。 従来の周波数シンセサイザの構成を示す図である。

＜第１〜第３の実施形態の概要＞
図１は、第１〜第３の実施形態に係る周波数シンセサイザ１００の構成の概要を示す模式図である。周波数シンセサイザ１００は、発振信号源１０と、注入信号処理回路２０と、負性抵抗素子あるいは負性抵抗回路を装荷した共振回路３０と、出力部４０と、出力ポート５０（出力ポート５０−１、出力ポート５０−２）とを備える。

発振信号源１０は、周波数可変の発振信号を発生する。発振信号源１０は、例えば、周波数シンセサイザ１００が出力する高調波信号の周波数ｎｆ_０（ｎは自然数）の１／ｍｎ倍の周波数ｆ_０／ｍ（ｍは自然数）の発振信号を発生する周波数シンセサイザである。発振信号源１０は、発生した発振信号を注入信号処理回路２０へと出力する。

注入信号処理回路２０は、共振回路３０が有する負性抵抗回路３２及び負性抵抗回路３３に発振信号を注入する。具体的には、注入信号処理回路２０は、発振信号源１０が発生した発振信号のデューティ比を５０％以下に形成し、形成後の発振信号を注入する。注入信号処理回路２０が、発振信号のデューティ比を例えば１／２ｍに調整することにより、負性抵抗回路３２及び負性抵抗回路３３に注入する発振信号に含まれる共振回路３０の発振周波数ｆ_０の成分を大きくすることができる。あるいは、注入信号処理回路２０が、例えば共鳴トンネルダイオードなどの高速高周波デバイスを用いた非線形信号処理で生成したｆ_０／ｍ周期の非正弦波信号を注入信号としても同じ効果が期待できる。

共振回路３０は、注入信号処理回路２０から注入された発振信号のｍ倍の周波数ｆ_０で選択的に共振して発振波動場を発生する。共振回路３０は、スロットライン３１と、負性抵抗回路３２及び負性抵抗回路３３など複数の負性抵抗回路とを有する。スロットライン３１は、例えば、周長が周波数ｆ_０の波長λに等しいスロットラインにより構成される。各負性抵抗回路は、負性抵抗を有するガンダイオード等の２端子素子、又はＨＥＭＴ等の３端子素子から構成される負性抵抗回路・ＩＣである。各負性抵抗回路がスロットライン３１と交差するように並列装荷されていることにより、共振回路３０は周波数ｆ_０の発振波動場を発生する。

出力部４０は、共振回路３０が発生した周波数ｆ_０の共振波動場から、周波数ｎｆ_０の高調波信号を抽出し、抽出した高調波信号を出力ポート５０へと出力する。出力部４０は、共振回路３０の発振波動場に基づいた任意の形態を有してよい。具体的な形態については、以下の実施形態に係る図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
図２は、第１の実施形態に係る周波数シンセサイザ２００の構成を示す図である。周波数シンセサイザ２００は、発振信号源１０と、注入信号処理回路２０と、スロットライン３１１と、負性抵抗回路３２１と、負性抵抗回路３３１と、マイクロストリップライン２１（以下、マイクロストリップラインをＭＳＬという）と、ＭＳＬ２２と、ＭＳＬ４１と、ＭＳＬ４２とを有する。スロットライン３１１は、周長が高調波信号の周波数ｆ_０の波長λに等しい円形のスロットラインであり、基板の裏面に形成されている。周波数シンセサイザ２００においては、スロットライン３１１と、スロットライン３１１と交差して電磁結合した負性抵抗回路３２１及び負性抵抗回路３３１とにより、Push-Push型のスロットリング発振器が構成されている。

注入信号処理回路２０と負性抵抗回路３２１とは、基板の表面に形成されたＭＳＬ２１により接続されている。また、注入信号処理回路２０と負性抵抗回路３３１とは、基板の表面に形成されたＭＳＬ２２により接続されている。

注入信号処理回路２０は、発振信号源１０から入力された発振信号のデューティ比を調整するとともに、負性抵抗回路３２１及び負性抵抗回路３３１に対して、それぞれ異なる位相の発振信号を出力する。具体的には、この回路では周波数ｆ_０でPush-Push発振するので、注入信号処理回路２０は、周波数ｆ_０／ｍにおいて、負性抵抗回路３２１に注入する発振信号の位相と負性抵抗回路３３１に注入する発振信号の位相とが逆位相になるようにする。

ＭＳＬ４１及びＭＳＬ４２は、スロットライン３１１と交差するように、基板の表面に形成されている。また、ＭＳＬ４１及びＭＳＬ４２は、互いに交差するように形成されている。スロットライン３１１、負性抵抗回路３２１、負性抵抗回路３３１、ＭＳＬ４１及びＭＳＬ４２により、Push-Push発振器が構成され、ＭＳＬ４１とＭＳＬ４２との交点から、ｆ_０の４倍の周波数を取り出すことができる。

例えばｆ_０＝２０ＧＨｚ、ｍ＝４と設定した場合、発振信号源１０が出力する発振信号の周波数は、５ＧＨｚである。注入信号処理回路２０において短パルス化などの波形処理をした２つの５ＧＨｚ帯周期信号の位相差は、Δθ＝２π／ｍ＝π／２である。そして、周波数シンセサイザ２００は、４ｆ_０＝８０ＧＨｚの高調波信号を出力する。

以上のとおり、第１の実施形態に係る周波数シンセサイザ２００においては、汎用の５ＧＨｚの周波数シンセサイザを用いて、その１６倍の周波数の高調波信号を出力することができる。このようにして、周波数シンセサイザ２００は、簡易な構成で、従来よりも高次の高調波に対して広い同期幅を確保することができる。

＜第２の実施形態＞
図３は、第２の実施形態に係る周波数シンセサイザ３００の構成を示す図である。周波数シンセサイザ３００は、発振信号源１０と、注入信号処理回路２０と、スロットライン３１２と、ガンダイオード３２２と、ガンダイオード３３２と、スロットライン４３とを備える。注入信号処理回路２０とガンダイオード３２２とはＭＳＬ２３により電磁結合接続されており、注入信号処理回路２０とガンダイオード３３２とはＭＳＬ２４により電磁結合されている。

ガンダイオード３２２及びガンダイオード３３２は、スロットライン３１２と交差するように設けられている。本実施形態における注入信号処理回路２０は、ＭＳＬ２３及びＭＳＬ２４を介して、ガンダイオード３２２及びガンダイオード３３２に、それぞれ位相が同一であり、かつデューティ比が５０％よりも小さい（例えば、１／２ｍ）発振信号を注入する。あるいは、超高速高周波素子を用いた波形生成技術によって高調波成分を含む周期性非正弦信号を注入信号としてもよい。あるいは、注入信号処理回路２０は信号分岐機能のみとして、波形処理をしていない正弦波信号をガンダイオード３２２及びガンダイオード３３２へ注入してもよい。

スロットライン３１２は、周波数ｎｆ_０における波長をλ_ｎとした時にλ_ｎと等しい周長を有している。基本発振周波数がｆ_０であるガンダイオード３２２及びガンダイオード３３２は非線形性が強いので、周波数ｎｆ_０成分を抽出することができる。

スロットライン４３は、スロットライン３１２において、偶数倍波の高調波、すなわち周波数２ｋ×ｎｆ_０（ｋは自然数）の高調波信号の電流が最大となる位置の近傍に形成されている。スロットライン４３とスロットライン３１２とは磁界結合しており、スロットライン４３からは、周波数２ｋ×ｎｆ_０の高次高調波信号が出力される。

以上のとおり、第２の実施形態に係る周波数シンセサイザ３００は、注入信号処理回路２０が、ガンダイオード３２２及びガンダイオード３３２に、それぞれ位相が同一であり、かつデューティ比が５０％よりも小さい発振信号あるいは高次高調波成分を含む周期性非正弦波信号、あるいは正弦波信号を注入する。したがって、周波数シンセサイザ３００は、第１の実施例（図2）とは異なり、移相処理不要の簡易な構成により、高次の高調波信号を出力することができる。

＜第３の実施形態＞
図４は、第３の実施形態に係る周波数シンセサイザ４００の構成を示す図である。周波数シンセサイザ４００は、発振信号源１０と、注入信号処理回路２０と、スロットライン３１３と、ガンダイオード３２３と、ガンダイオード３３３と、スロットライン４４と、スロットライン４５とを備える。注入信号処理回路２０とガンダイオード３２３とは、ＭＳＬ２５により電磁結合されている。また、注入信号処理回路２０とガンダイオード３３３とは、ＭＳＬ２６により電磁結合されている。

スロットライン３１３は、周波数ｎｆ_０における波長をλ_ｎとした時の長さが３λ_ｎ／２である。ＭＳＬ２５は、スロットライン３１３の一端からλ_ｎ／２の位置に設けられており、ＭＳＬ２６は、スロットライン３１３の他端からλ_ｎ／２の位置に設けられている。

スロットライン３４は、スロットライン３１３の両端からλ_ｎ／４の位置を通るように形成されている。スロットライン３４とスロットライン３１３とで囲まれた領域にバイアス電圧を印加することによりガンダイオード３２３及びガンダイオード３３３が動作し、スロットライン３１３に周波数ｎｆ_０の高調波信号が発生する。図４における矢印は、所定のタイミングで発振電界が最大になる位置を示している。

スロットライン４４及びスロットライン４５は、それぞれスロットライン３１３の異なる端部の近傍に形成されている。スロットライン３１３とスロットライン４４との間にはギャップが設けられており、スロットライン３１３とスロットライン４４とが磁界結合することで、スロットライン４４は、周波数ｎｆ_０の高調波信号を出力する。同様に、スロットライン３１３とスロットライン４５との間にはギャップが設けられており、スロットライン３１３とスロットライン４５は磁界結合しており、スロットライン４５は、周波数ｎｆ_０の高調波同期信号を出力する。

図５は、第３の実施形態の変形例としての周波数シンセサイザ５００の構成を示す図である。周波数シンセサイザ５００は、図４に示した周波数シンセサイザ４００におけるスロットライン４４及びスロットライン４５の代わりに、ＭＳＬ４６及びＭＳＬ４７を有する。ＭＳＬ４６及びＭＳＬ４７は、スロットライン３１３における電界が最大となる位置、すなわちガンダイオード３２３及びガンダイオード３３３からλ_ｎ／４の位置において、スロットライン３１３が形成されている面と反対側の面に形成されている。ＭＳＬ４６及びＭＳＬ４７は、基板の反対側の面において、スロットライン３４の少なくとも一部と重なるように形成されている。ＭＳＬ４６及びＭＳＬ４７は、スロットライン３４と電界結合することにより、周波数ｎｆ_０の同期した高調波信号を出力することができる。

図６は、第３の実施形態の変形例としての周波数シンセサイザ６００の構成を示す図である。周波数シンセサイザ６００は、図５に示した周波数シンセサイザ５００におけるＭＳＬ４６及びＭＳＬ４７の代わりに、スロットライン４８及びスロットライン４９を有する。スロットライン４８及びスロットライン４９は、２倍波の電流が最大となる位置、すなわちガンダイオード３２３及びガンダイオード３３３からλ_ｎ／４の位置において、スロットライン３１３の近傍に形成されている。スロットライン４８及びスロットライン４９は、スロットライン３１３と磁界結合することにより、周波数２ｎｆ_０の高次高調波信号を出力することができる。

図７は、第３の実施形態の変形例としての周波数シンセサイザ７００の構成を示す図である。周波数シンセサイザ７００は、長さがλ_ｎのスロットライン３１４を有しており、スロットライン３１４と交差するように１個のガンダイオード３２４が設けられている点で、図６に示した周波数シンセサイザ６００と異なる。スロットライン４８及びスロットライン４９は、ガンダイオード３２４からλ_ｎ／４の位置に設けられており、周波数２ｎｆ_０の高調波信号を出力することができる。

以上のとおり、第３の実施形態に係る周波数シンセサイザ４００、５００、６００、７００においては、直線状のスロットラインにガンダイオードを設けた簡易な構成により、高次の高調波信号を出力することができる。

＜第４〜第６の実施形態の概要＞
図８は、第４〜第６の実施形態に共通する周波数シンセサイザ１０００の構成の概要を示す模式図である。周波数シンセサイザ１０００は、発振信号源１０と、並列移相処理回路を含んで構成される注入信号処理回路７０と、負性抵抗素子又は負性抵抗回路６１〜６４（以下、「負性抵抗素子６１〜６４」という）を装荷した共振回路３０と、出力部４０とを備える。注入信号処理回路７０は、発振信号源１０から入力された発振信号に基づいて、それぞれ位相がΔθ=２π／ｍずつ異なる複数の同期信号を出力する点で、図１に示した注入信号処理回路２０と異なる。

図９は、注入信号処理回路７０の構成を示す図である。図９（ａ）に示すように、注入信号処理回路７０は、並列移相処理部７１と、波形処理部７２とを有する。

図９（ｂ）は、並列移相処理部７１が出力する、それぞれ位相が異なる発振信号である。図９（ｂ）に示す発振信号の周期Ｔは、Ｔ＝ｍ／ｆ_０であり、それぞれの発振信号は、互いに１／ｆ_０ずつシフトしており、位相差Δθは、Δθ＝２π／ｍである。図９（ｃ）は、波形処理部７２が短パルス化処理をして得られた発振信号である。図９（ｃ）に示すような発振信号が、図８に示す負性抵抗素子６１〜６４のそれぞれに注入される。

負性抵抗素子６１〜６４のそれぞれに、Δθ＝２π／ｍずつ位相がずれて同期した発振信号が注入される場合、注入されるそれぞれの発振信号に含まれる共振回路３０の発振周波数ｆ_０の成分の位相が同一である。したがって、共振回路３０は、注入信号処理回路７０から注入された発振信号のｍ倍の周波数ｆ_０で選択的に共振して発振波動場を発生することができる。なお、このｍ値と注入ポート数Ｍは必ずしも一致させる必要はない。また、波形処理は行わず、並列移相処理のみの正弦波信号を、直接、共振回路３０へ注入してもよい。

図１０は、位相が異なる複数の発振信号を共振回路３０に注入する場合の構成を示す模式図である。図１０（ａ）は、互いに逆位相の２つの発振信号を共振回路３０に注入する場合の構成を示している。発振信号源１０から出力された発振信号は、第１の系（＃１）においては、そのまま共振回路３０に注入され、第２の系（＃２）においては、位相反転器において位相が反転されてから共振回路３０に注入される。この場合、ｍ＝２となり、２つの発振信号の位相差Δθは、πとなる。なお、位相反転器の代わりに、バランを使用することもできる。

図１０（ｂ）は、それぞれ位相がπ／２ずつずれた４つの発振信号を共振回路３０に注入する場合の構成を示している。π／２ハイブリッド７４は、発振信号源１０から出力された発振信号に基づいて、π／２だけ位相がずれた２つの発振信号を生成し、π／２ハイブリッド７４が生成したそれぞれの発振信号は、２つのバラン７３に入力される。このようにすることで、２つのバラン７３から、それぞれ位相がπ／２ずつずれた４つの発振信号が出力される。
以下、第４〜第６の実施形態について説明する。

＜第４の実施形態＞
図１１は、第４の実施形態に係る周波数シンセサイザ１１００の構成を示す図である。周波数シンセサイザ１１００は、発振信号源１１１０と、バラン１１２０と、スロットライン１１３０と、スロットライン１１４０と、ガンダイオード１１５０と、ガンダイオード１１６０と、を有する。

スロットライン１１３０は、図３におけるスロットライン３１２に対応しており、周波数ｎｆ_０における波長をλ_ｎとした時にλ_ｎと等しい周長を有している。スロットライン１１４０は、スロットライン１１３０において、偶数倍波の高調波、すなわち周波数２ｋ×ｎｆ_０（ｋは自然数）の高調波信号の電流が最大となる位置の近傍に形成されている。

発振信号源１１１０から出力された周波数ｆ_０／２の発振信号は、バラン１１２０において、位相０の第１発振信号と位相πの第２発振信号とに変換される。第１発振信号はガンダイオード１１５０に注入され、第２発振信号はガンダイオード１１６０に注入される。ガンダイオード１１５０及びガンダイオード１１６０は、基本発振周波数がnｆ_０であり、スロットライン１１３０からは、周波数２ｎｆ_０の高次高調波信号が出力される。

例えば、出力周波数として２ｎｆ_０＝８０ＧＨｚの発振信号を出力させたい場合、ｎ＝２とすると、ｆ_０＝２０ＧＨｚとなる。さらにｍ＝２とすると、ｆ_０／ｍ＝１０ＧＨｚとなる。すなわち、周波数シンセサイザ１１００は、１０ＧＨｚ帯の発振信号を出力する発振信号源１１１０を用いて、８０ＧＨｚ帯の発振信号を出力することができる。

＜第５の実施形態＞
図１２は、第５の実施形態に係る周波数シンセサイザ１２００の構成を示す図である。周波数シンセサイザ１２００は、発振信号源１２１０と、π／２ハイブリッド１２２０と、バラン１２３０と、バラン１２４０と、スロットライン１２５０と、スロットライン１２６０と、ガンダイオード１２７０〜１２７４とを有する。

スロットライン１２５０は、周波数ｆ_０における波長をλとしたときに、５λ／４の周長を有している。スロットライン１２６０は、スロットライン１２５０において、偶数倍波の高調波の電流が最小となる位置の近傍に形成されており、スロットライン１２６０とスロットライン１２５０とは磁界結合する。

発振信号源１２１０から出力された周波数ｆ_０／４の発振信号は、π／２ハイブリッド１２２０において、位相π／２の第１発振信号と位相０の第２発振信号とに変換される。第１発振信号はバラン１２３０に入力され、バラン１２３０からは、位相π／２の第１発振信号と、位相３π／２の第３発振信号とが出力される。第２発振信号はバラン１２４０に入力され、バラン１２４０からは、位相０の第２発振信号と、位相πの第４発振信号とが出力される。これら４つの信号は、スロットライン１２５０上の２ｆ_０波動場へ注入される。このような構成により、スロットライン１２６０上の２ｆ_０波動場から、その２倍周波数４ｆ_０の高次高調波信号が出力される。

例えば、出力周波数として４ｆ_０＝８０ＧＨｚの発振信号を出力させたい場合、ｆ_０＝２０ＧＨｚとなる。さらにｍ＝４とすると、ｆ_０／ｍ＝５ＧＨｚとなる。すなわち、周波数シンセサイザ１２００は、５ＧＨｚ帯の発振信号を出力する発振信号源１２１０を用いて、８０ＧＨｚ帯の発振信号を出力することができる。

＜第６の実施形態＞
図１３は、第６の実施形態に係る周波数シンセサイザ１３００の構成を示す図である。周波数シンセサイザ１３００は、発振信号源１３１０と、π／２ハイブリッド１３２０と、バラン１３３０と、バラン１３４０と、スロットライン１３５０と、スロットライン１３６０と、ガンダイオード１３７１〜１３７４とを有する。

スロットライン１３５０は、周波数ｆ_０における波長をλとしたときに、λの周長を有している。スロットライン１３６０は、スロットライン１３５０において、偶数倍波の高調波の電流が最大となる位置の近傍に形成されており、スロットライン１３６０とスロットライン１３５０とは磁界結合する。

発振信号源１３１０から出力された周波数ｆ_０／４の発振信号は、π／２ハイブリッド１３２０において、位相π／２の第１発振信号と位相０の第２発振信号とに変換される。第１発振信号はバラン１３３０に入力され、バラン１３３０からは、位相π／２の第１発振信号と、位相３π／２の第３発振信号とが出力される。第２発振信号はバラン１３４０に入力され、バラン１３４０からは、位相０の第２発振信号と、位相πの第４発振信号とが出力される。第１発振信号はガンダイオード１３７１に注入され、第２発振信号はガンダイオード１３７２に注入され、第３発振信号はガンダイオード１３７３に注入され、第４発振信号はガンダイオード１３７４に注入される。このような構成により、スロットライン１３６０上の２ｆ_０波動場から、その２倍周波数４ｆ_０の高次高調波信号が出力される。

例えば、出力周波数として４ｆ_０＝８０ＧＨｚの発振信号を出力させたい場合、ｆ_０＝２０ＧＨｚとなる。さらにｍ＝４とすると、ｆ_０／ｍ＝５ＧＨｚとなる。すなわち、周波数シンセサイザ１３００は、５ＧＨｚ帯の発振信号を出力する発振信号源１３１０を用いて、８０ＧＨｚ帯の発振信号を出力することができる。

［本実施形態における効果］
以上説明したとおり、本実施形態に係る周波数シンセサイザは、信号処理したサブハーモニック信号を、共振波動場を形成する負性抵抗回路あるいは負性抵抗素子に直接注入し、共振波動場からその高調波信号を選択的に抽出する。このようにすることで、周波数シンセサイザは、低周波数帯（例えば、数ＧＨｚ帯）の可変周波数信号源を用いてミリ波、短ミリ波、テラヘルツ波等の超高周波帯の高次高調波信号を出力することができる。

本実施形態に係る周波数シンセサイザは、高次高調波発振をするとともに、比較的低Ｑの共振系に装荷した負性抵抗を直接励振して注入同期するので、広帯域の同期引き込み特性を有しており、同時に良好な不要波抑圧性能と安定性を有する。

また、本実施形態に係る周波数シンセサイザは、サブハーモニック信号を注入することにより多素子が同期して発振するので、低雑音特性を有するとともに、比較的大きな高調波信号電力を出力することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・・発振信号源
２０・・・注入信号処理回路
２１、２２、２３、４１、４２、・・・マイクロストリップライン（ＭＳＬ）
３０・・・共振回路
３１、３４、４３、４４、４５、４８、４９・・・スロットライン
３２、３３・・・負性抵抗回路
４０・・・出力部
５０・・・出力ポート
６１〜６４・・・負性抵抗素子
７０・・・注入信号処理回路
７１・・・並列移相処理部
７２・・・波形処理部
７３・・・バラン
１００、２００、３００・・・周波数シンセサイザ
３１１、３１２、３１３、３１４・・・スロットライン
３２１・・・負性抵抗回路
３２２、３２３、３２４・・・ガンダイオード
３３１・・・負性抵抗回路
３３２、３３３・・・ガンダイオード
４００、５００、６００、７００・・・周波数シンセサイザ
８１０・・・注入信号源
８２０・・・分配合成回路
８３０・・・正帰還型発振器
８４０・・・負荷
１０００、１１００、１２００、１３００・・・周波数シンセサイザ
１１１０、１２１０、１３１０・・・発振信号源
１１２０、１２３０、１２４０、１３３０、１３４０・・・バラン
１２２０、１３２０・・・π／２ハイブリッド
１１３０、１１４０、１２５０、１２６０、１３５０、１３６０・・・スロットライン
１１５０、１１６０、１２７０〜１２７４、１３７１〜１３７４・・・ガンダイオード

Claims (10)

1. それぞれが負性抵抗回路を有し、周波数ｆ_０で互いに同期して発振する３以上の共振器と、
   周波数ｆ_０／ｍ（ｍは３以上の自然数）の周波数可変の発振信号を発生する発振信号源と、
   前記発振信号に基づいて、周波数がｆ _０ ／ｍのｍ個の注入信号を生成し、生成した前記ｍ個の注入信号のうち３以上の注入信号を前記３以上の共振器に注入する注入部と、
   前記３以上の共振器から周波数ｎｆ_０の高調波信号を抽出する抽出部と、
   を備え、
   前記ｍ個の注入信号のそれぞれの信号間の位相差が２π／ｍの倍数である、周波数シンセサイザ。
2. 前記注入部は、前記３以上の共振器が有する３以上の前記負性抵抗回路に前記発振信号を注入する、
   請求項１に記載の周波数シンセサイザ。
3. 前記注入部は、デューティ比が５０％以下の前記３以上の注入信号を前記負性抵抗回路に注入する、
   請求項１又は２に記載の周波数シンセサイザ。
4. 前記注入部は、前記発振信号の周期の非正弦波形信号を前記注入信号として前記負性抵抗回路に注入する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の周波数シンセサイザ。
5. 前記共振器が、３以上の前記負性抵抗回路を有するスロットリング共振器であり、
   前記注入部は、前記３以上の負性抵抗回路に、それぞれ周波数が同一で位相が異なる前記３以上の注入信号を注入する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の周波数シンセサイザ。
6. 前記注入部は、前記発振信号源から入力された前記発振信号と同一の位相の第１注入信号と、前記第１注入信号の位相を反転させた第２注入信号とを含む前記３以上の注入信号を前記共振器に注入する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の周波数シンセサイザ。
7. 前記注入部は、
   前記発振信号源から入力された前記発振信号と同一の位相の第１注入信号と、前記第１注入信号と位相がπ／２異なる第２注入信号とを生成するπ／２ハイブリッドと、
   前記第１注入信号の位相を互いに逆位相に平衡分岐した第３注入信号を生成する第１バランと、
   前記第２注入信号の位相を互いに逆位相に平衡分岐した第４注入信号を生成する第２バランと、
   を有する、
   請求項６に記載の周波数シンセサイザ。
8. 負性抵抗回路を有し、周波数ｆ _０ で発振する共振器と、
   周波数ｆ _０ ／ｍ（ｍは自然数）の周波数可変の発振信号を発生する発振信号源と、
   前記発振信号を前記共振器に注入する注入部と、
   前記共振器から周波数ｎｆ _０ の高調波信号を抽出する抽出部と、
   を備え、
   前記共振器が、複数の前記負性抵抗回路を有するスロットリング共振器であり、
   前記注入部は、前記複数の負性抵抗回路に、それぞれ周波数が同一で２π／ｍずつ位相がシフトした複数の前記発振信号を注入するために設けられた、
   前記発振信号源から入力された前記発振信号と同一の位相の第１発振信号と、前記第１発振信号と位相がπ／２異なる第２発振信号とを生成するπ／２ハイブリッドと、
   前記第１発振信号の位相を互いに逆位相に平衡分岐した第３発振信号を生成する第１バランと、
   前記第２発振信号の位相を互いに逆位相に平衡分岐した第４発振信号を生成する第２バランと、
   を有する、
   周波数シンセサイザ。
9. 負性抵抗回路を有し、周波数ｆ _０ で発振する共振器と、
   周波数ｆ _０ ／ｍ（ｍは自然数）の周波数可変の発振信号を発生する発振信号源と、
   前記発振信号を前記共振器に注入する注入部と、
   前記共振器から周波数ｎｆ _０ の高調波信号を抽出する抽出部と、
   を備え、
   前記共振器が、
   直線状の第１スロットラインと、
   前記第１スロットラインに設けられた負性抵抗回路と、
   周波数ｎｆ_０の波長をλとした場合に、前記負性抵抗回路の両端から前記第１スロットラインに沿ってλ／４離れた２つの位置において前記第１スロットラインと交差する第２スロットラインと、
   を有し、
   前記注入部は、前記負性抵抗回路に前記発振信号を注入する、
   周波数シンセサイザ。
10. 前記共振器が、前記第１スロットラインに設けられた第１負性抵抗回路及び第２負性抵抗回路と、
    前記第１負性抵抗回路の一端から前記第１スロットラインに沿ってλ／４離れた位置、及び前記第２負性抵抗回路の一端から前記第１スロットラインに沿ってλ／４離れた位置において前記第１スロットラインと交差する第２スロットラインと、
    を有し、
    前記注入部は、前記第１負性抵抗回路及び前記第２負性抵抗回路に、それぞれ周波数及び位相が同一の前記発振信号を注入する、
    請求項９に記載の周波数シンセサイザ。
    

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