JPH11501469A

JPH11501469A - 共振器の共振周波数チューニング

Info

Publication number: JPH11501469A
Application number: JP8519546A
Authority: JP
Inventors: ヘリヤンツネン; アイモツルネン
Original assignee: エイディーシーソリトラオーワイ
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1999-02-02
Also published as: FI97754B; AU4262596A; EP0799505B1; FI945985A0; FI97754C; WO1996019842A1; FI945985A; DE69528199D1; AU689685B2; DE69528199T2; EP0799505A1; ES2181804T3; US5923233A

Abstract

(57)【要約】本発明では、例えば、ダイオード（Ｄ１）に基づく制御可能なスイッチを含み、共振器に並列に接続されるチューニング回路は、四分の一波長共振器の中心導体（１１）のローインピーダンス端とグランドとの間に配置され、共振器のインダクタンスの変化に主に基づいて共振周波数がチューニングされる。本発明に従って具現化されるチューニング回路に影響する電圧及びパワーは、共振器の容量性負荷が共振器のハイインピーダンス端に位置する同様のチューニング回路によりチューニングされる回路より、本質的に小さい。

Description

【発明の詳細な説明】共振器の共振周波数チューニング本発明は共振器の共振周波数をチューニングするための回路に関する。共振器は、本来、一端が接地され、他端がオープンにされた四分の一波長中心導体（qu arter wavelength center conductor）からなる。導電性シールドは、中心導体を間隔をあけて囲んでいる。回路は、コントロール信号を受けると、中心導体と並列にチューニング回路を接続する少なくとも一つのコントロール可能なスイッチを含むチューニング回路を含んでいる。電気的にチューニング可能な共振器は、フィルタ及び電圧制御発振器（ＶＣＯ）の一部として高周波技術に応用される。フィルタでは、共振器の共振周波数のチューニングは、フィルタの通過帯域または阻止帯域の中心周波数に影響し、例えば、チューニング可能なフィルタを、固定された中心周波数を有するいくつかのフィルタに代用できる。フィルタのバンド幅を電気的にチューニングしてもよい。チューニング可能なフィルタは、いくつかのデータ伝送チャンネルで動作し、小さく製造コストの低いプリント回路板を組み込んだ無線装置に有益である。チューニング可能なフィルタを応用した好適な例は、現代の小型携帯電話である。電圧制御発振器（ＶＣＯ）では、共振器のチューニングは、発振器の出力周波数に影響する。携帯電話は、電圧制御発振器の最も重要な適用例である。時分割技術に基づくデジタル電話のバーストモード伝送、及びＶＣＯが広周波数帯域で動作する電話の無線周波数部分のシステム解析では、雑音抵抗に関して共振器に厳しい要求がなされ、周波数のチューニング範囲が関係する。伝送線共振器（transmission line resonator）の共振周波数を電気的にチューニングするための周知の手順は、共振器の接地されていないハイインピーダンス端で容量負荷をチューニングすることに主に基づいている。チューニング回路は、電圧制御チューニング回路からなり、例えば、ハイインピーダンス端とグランドとの間で共振器の中心導体と並列に直流的に（galvanically）接続される一つ又はそれ以上の容量ダイオードからなる。容量ダイオードはチューニング可能なキャパシタンスとして機能する。例えば、同軸共振器（coaxial resonator）では、容量ダイオードを、共振器の負荷端またはホール（hole）の上端と接地された上面との間におくことができる。同様のチューニング回路がすべての伝送線共振器で機能する。広いチューニング範囲がキャパシタンスをチューニングすることにより達成される。しかしながら、キャパシタンスのチューニングと関係する問題がある。チューニング回路は共振器のロスを増加させる。このため、例えば、共振器から作られるフィルタにおいて、通過帯域の望まない減少を招く。さらに、回路で共用される部品、特に容量ダイオードは、共振器のオープン端での強い電界により発生される高電圧及びパワーに耐えることができない。部品への過負荷は、不安定な共振器の動作として検出される。例えば、電界の強さが零に近い共振器のホールに容量ダイオードを配置することによって、同軸共振器のチューニング回路の部品により作られる問題を除去しようとする試みがなされた。しかしながら、この解決法は、製造上の問題をもたらし、実際には、同軸共振器のみに適するものである。共振器の電気的なチューニングを実現する一つの方法は、チューニングされる共振器またはメイン共振器の次に他の共振器またはサイド共振器を配置することであり、サイド共振器は、メイン共振器の共振周波数より高い又はより低い適切な共振周波数を有する。サイド共振器の一端は、共振器をグランドに短絡できる制御可能なスイッチを有する。制御可能なスイッチは、例えば、容量ダイオードであってもよい。サイド共振器によるメイン共振器の共振周波数のチューニングは、共振器間の接続に基づくものである。その原理は、スイッチがオープンのとき、サイド共振器が半波共振器（half wave resonator）として機能し、その共振周波数がメイン共振器の共振周波数から離れているため、共振器間でのチューニングの影響が出ないというものである。スイッチがクローズされると、サイド共振器は、メイン共振器の共振周波数に影響を与える四分の一波長共振器となる。このチューニング方法は、チューニング回路、特に容量ダイオードでの大電圧及び無線周波数パワーの影響を除去する。この方法は、誘電体共振器（dielectric resonator）、特に誘電体の表面で実現されるストリップ線路共振器（strip line resonator ）のチューニングに主に適している。巻き線共振器（helix resonator）の共振周波数をチューニングする一つの方法は、共振器のコイルの巻き線をＰＩＮダイオードで短絡することであり、例えば、共振器の共振周波数を増加させることである。同様に、ＰＩＮダイオードを非導電性にして短絡しないようにすることにより、共振周波数が減少する。チューニング範囲は、巻き線コイルの短絡の数により決定される。短絡された巻き線の電圧差に比例してダイオードを通じて流れる電流は、容量チューニングと関連する共振器のオープン端とグランドとの間に流れる電流より小さい。この構成は、チューニング回路のパワー及び電圧に耐える能力と関係する問題を除去する。このチューニング方法の問題は、その具現化と関係する。共振器が小さくなると、共振器のコイルをはんだで短絡することが困難になる。このチューニング方法は、巻き線アンテナ（helix antennas）に最適である。本発明の目的は、チューニング回路のパワー及び電圧に耐える能力、または回路の具現化に関係する上記の問題がない、四分の一波長伝送線共振器（quarter wave transmission line resonator）の簡略な共振周波数チューニング回路を提供することである。本発明に従うチューニング回路は、ストリップ線路共振器の共振周波数のチューニングに特に適している。共振器の共振周波数をチューニングする回路であって、共振器は、一端が接地され、他端がオープンにされた四分の一波長の中心導体と、中心導体から間隔をあけて配置される導電性シールドとを本質的に含み、回路は、制御信号を受けると、中心導体と並列にチューニング回路を接続する少なくとも一つの制御可能なスイッチを含むチューニング回路を含み、チューニング回路は、中心導体の接地端からの距離が中心導体の全長の半分より短い接続点で中心導体に直流的に接続されることを特徴とする。チューニング回路は、中心導体の全長の六分の一から三分の一だけ中心導体の接地端から離間された接続点で中心導体と接続されることが好ましい。チューニング回路は、制御可能なスイッチが接続点と中心導体の接地端との間で中心導体に生成されるインダクタンスと並列に接続するインダクタンスを生成する。一つの好ましい実施例では、チューニング回路はまた、インダクタンスと共に周知の誘導性リアクタンスを有する直列共振回路を形成するキャパシタンスを含む。このキャパシタンスは、チューニング可能なものであってもよく、好ましい具現化では、チューニング回路は、スイッチ及びチューニング可能なキャパシタンスとして機能する容量ダイオードを含む。本発明では、共振周波数のチューニングは、共振器のインダクタンスの変化に主に基づく。共振器の中心導体の全長の物理的な中間点の下流にチューニング回路を接続することにより、ローインピーダンス端で、共振器を、二つの部分、本質的に容量性の上部と本質的に誘導性の下部とに分割したと仮定することができる。共振器の全インダクタンスは、下部とチューニング回路との並列接続により主に生成される。上記のインダクタンスは、共振器の元のインダクタンスより小さい。従って、共振器の周波数は、並列接続の結果として増加する。無段階チューニングは、チューニング回路にチューニング可能な容量性素子を付加することにより実現される。このように、チューニング回路のキャパシタンス及びインダクタンスは、その誘導性リアクタンスが中心導体の下部に並列に接続される直列共振回路を形成する。本発明に従うチューニング回路に影響する電圧及びパワーは、共振器の容量性負荷がハイインピーダンス端でチューニングされる回路より本質的に小さい。部品の選択は、チューニング回路を通して流れる電流量およびそれによる回路の部品のパワーロスに効果がある。大電流に耐えるように基本的に設計されているので、共振器の下部を通る共振器の電流の大部分をそらせることが好ましい。本発明について、添付した図を参照して以下に詳細に説明する。図１ａ及び図１ｂは、本発明に従う第一のチューニング回路及び対応する等価回路を表す。図２ａ及び図２ｂは、本発明に従う第二のチューニング回路及び対応する等価回路を表す。図３は、図１ａに示すチューニング回路により発生される周波数レベルにおける共振周波数の変化を示す。図４は、ある周波数レベルで図２ａに示すチューニング回路により発生される共振周波数の変化を示す。図５は、図１ａに示す共振器の実現可能な例の概略斜視図である。本発明に従うチューニング回路は、図１ａ及び図１ｂに従い、共振器１１のローインピーダンス端で点ＡにスイッチングコンデンサＣ１を介して直流的に接続され、デュアルポジションスイッチＳ１として機能するＰＩＮダイオードＤ１を用いて実現することができる。チューニング回路は、共振周波数を二つのチューニングポジション間で切り換えることができる。本発明に従えば、共振器１１の共振周波数は、制御電圧Ｖ_cによりダイオードＤ１を導通することにより増加することができ、これは、スイッチＳ１が閉じられていることに対応する。同様に、共振周波数は、ダイオードＤ１を非導通にすることにより元の値に戻すことができる。これは、スイッチＳ１が開かれていることに対応する。コンデンサが無線周波数でまっすぐな導体として機能するが、制御電圧Ｖ_cが共振器１１に達しないように、図１ａのＣ１の容量が選択される。同様に、コイルＬ_cは、無線周波数パワーが制御電圧Ｖ_cを発生する回路部分に入らないようにしている。概念を説明するために、共振器は、図１ｂに示す等価回路の点Ａで二つの部分、すなわち、長さｌ₁の上部及び長さｌ₂の下部に分割される。共振器の全長ｌは、ｌ₁及びｌ₂の部分の合計であり、四分の一波長ｌ／４にほぼ等しい。本発明に従えば、接続点Ａは、共振器のローインピーダンス端にあり、ｌ₂＜ｌ₁ である。同様に、上部及び下部のインダクタンスはＬ₁、Ｌ₂であり、伝送線共振器では、通常、Ｌ₂はＬ₁より大きい。図１ｂからわかるように、スイッチＳ１が閉じられると、スイッチ部品及び回路の配線により主に形成されるチューニング回路のインダクタンスＬ_pは、共振器の下部のインダクタンスＬ₂と並列に接続される。共振器の全インダクタンスＬは、以下の式から得られる。全インダクタンスＬ及びそれによる共振器のチューニング範囲は、接続点Ａの位置により影響される。接続点Ａが共振器の接地されたローインピーダンス端に近いと、式（１）に基づき、チューニング範囲が狭くなる。共振器の共振周波数ｆが以下の式により決定されることが知られている。ここで、Ｌは共振器の全インピーダンス、Ｃは共振器の全キャパシタンスである。１５ＭＨｚ以上のチューニング範囲は、本発明に従うチューニング回路を用いてテスト状態で４５０ＭＨｚに達した。この場合、接続点Ａは、共振器の接地端から共振器の物理的中間点に近く、それにもかかわらず、中間点以下またはほぼ八分の一波長１／８である。スイッチングコンデンサの値は、１ｎＦであり、これは、４５０ＭＨｚの無線周波数でまっすぐな導体に対応する。同様に、例えば、インダクタンスの値Ｌ_cは、１５０ｎＨでもよい。達成されたチューニング範囲は、例えば無線電話での上記周波数範囲でのほとんどの共振器への適用に十分な範囲である。適切な接続点Ａを選択することにより、共振器のチューニング範囲は、チューニング回路の部品の値を変更しないでも影響される。実際、チューニング範囲は、共振器の部品の製造時に選択され、多くの場合、有利な接続点は、中心導体の接地端からの距離の六分の一から三分の一である。共振器２１の共振周波数の無段階チューニングは、図２ａのチューニング回路を用いて実現することができる。この回路は、キャパシタンスに関する限り、図１ａのチューニング回路と異なる。キャパシタンスＣ２の値は、それが共振器の周波数範囲で容量性素子として機能するように選択される。この場合、図２ｂの等価回路におけるスイッチＳ２が閉じられると、チューニング回路は、周知のリアクティブインダクタンス（reactive inductance）Ｌ_xを有する共振器２１と並列に接続される直列共振回路として機能する。全インダクタンスは、Ｌ_pを誘導性リアクタンスＬ_xに置き換えることにより式（１）により決定される。キャパシタンスＣ_pは、チューニング可能な適切な容量性手段を用いて実現され、誘導性リアクタンスＬ_x及びそれによる共振周波数ｆは、例えば制御電圧により容易に変更することができる。図２ａは、チューニング可能な容量がもし必要ならばスイッチとしても機能する容量ダイオードＤ２により実現される有利なチューニング回路を表している。キャパシタンスＣ２と容量ダイオードＤ２のキャパシタンスとの関係が、周知の制御電圧による共振周波数のチューニングの方向に影響する。簡略のため、チューニング回路によりもたらされる抵抗は、図１ｂ及び図２ｂの等価回路では無視している。図５は、図１ａに従う共振器の可能な具現化の例を概略的に例示している。図３は、デュアルポジションスイッチに基づくこのチューニング回路の共振周波数の変化の例を示している。図５の共振器は、ストリップ線路共振器であり、適切な材料からなる絶縁基板１は、ローインピーダンス端１１ｂにより基板の縁及び底を覆う接地板２に接続される中心導体１１を有する。中心導体のハイインピーダンス端は、参照番号１１ａで示される。接地板２及び上記接地板に接続される導電性ケーシング３はともに、共振器のシールドを形成する。ケーシングは、図５に一部のみが示されている。図１ａの回路に従えば、コンデンサＣ１は、そのローインピーダンス端に近い共振器の点Ａに直流的に接続される。ＰＩＮダイオードＤ１は、上記コンデンサから接地板２と接続される導体エリア５に接続される。コンデンサＣ１及びダイオードＤ１の間の点から、コイルＬ_cは、制御電圧Ｖ_cに接続される制御コネクタ６に電流制限抵抗７を介して接続される。図３に示す共振周波数を変化させるチューニング回路の部品の値は、コンデンサＣ１が９ｐＦ、インダクタンスＬ_cが２２０ｎＨ、制御電圧Ｖ_cが５Ｖ、抵抗７が３９０オームである。スイッチＤ１は、ＰＩＮダイオードＢＡ６８２を用いて実現される。ダイオードＤ１が導通し、または、スイッチが閉じられると、図３に示すように、共振周波数が、ｆ₁からｆ₂に増加し、これは、４２５ＭＨｚの周波数範囲で約５ＭＨｚの変化に相当する（１マスは約５ＭＨｚに等しい）。チューニング回路の接続点Ａは、共振器の接地端から約４．５ｍｍの位置にある。この回路では、キャパシタンスＣ１の値は大変小さいので、それは上記４２５ＭＨｚの周波数範囲で容量性素子として機能し、チューニング回路は、図２ｂの等価回路の直列共振回路に相当する。チューニング範囲の大きさは、キャパシタンスＣ１の値を変更することにより影響される。例えば、キャパシタンスＣ１の値が１８ｐＦの場合、チューニング範囲は１５ＭＨｚになる。チューニング前の共振周波数ｆ₁とチューニング後の共振周波数ｆ₂とで共振器のＱ値を比較すると、値に変化はない。図４は、周波数に関して帯域阻止コンデンサ（band stop capacitor）で図２ａに従う共振器の共振周波数をチューニングする効果を示している。チューニング回路のキャパシタンス値は、１４ｐＦである。１５０キロオームの抵抗が、正しいレベルに電流を制限するために制御電圧ラインに加えられた。スイッチは、容量ダイオードＳＭＶ１２０４−９９を用いて実現される。０Ｖ〜４Ｖの範囲で制御電圧Ｖ_cを変化させると、共振周波数が図４に従いｆ₁からｆ₂に増加し、これは、４２５ＭＨｚの周波数範囲で約２．５ＭＨｚの変化に相当する（１マスは約５ＭＨｚに等しい）。共振周波数のチューニングは、本発明に従う回路を用いて実現することができ、共振器のオープン端での容量負荷をチューニングする従来のチューニング回路のように共振器のパワーロスを発生させない。電界が共振器の接地端の近傍で弱いことが知られているため、大電圧もこのチューニング回路に影響を与えない。従って、このチューニング回路の部品には、チューニングの安定性または部品寿命に影響する過負荷が課されない。さらに、本発明に従うチューニングは、チューニングの結果としてＱ値を通常悪化させる従来のチューニング方法と異なり、共振器のＱ値に影響を与えないことがテストで示された。これは、ＶＣＯへの適用に特に効果がある。本発明に従うチューニング回路は、特にストリップ線路共振器に、例えば、そのローインピーダンス端に近い共振器の適切な位置にチューニング回路を接続することにより、容易に実施される。原理的には、チューニング回路はまた、他の伝送線共振器に応用することができる。例えば、巻き線共振器のチューニング回路は、本発明に従えば、従来の技術に従って短絡することよりも、容易に製造することができる。なぜなら、本発明に従えば、共振器のコイルの接続は、一点のみで済むからである。チューニング回路の部品の選択は、チューニングの精度、スピード、及び部分的には範囲に影響する。ラフなチューニング範囲は、接続点Ａの位置により決定される。チューニング範囲は、本発明により達成され、共振周波数のわずか約１０％である。このような範囲は、実際の無線電話への応用及び他のほとんどの共振器への応用に十分である。本発明は、上記の例に限定されず、むしろ記載されたチューニング回路は、添付した請求の範囲に許容される範囲で応用することができる。

Claims

【特許請求の範囲】１．共振器の共振周波数をチューニングするための回路であって、前記共振器は、一端（１１ｂ）が接地され、他端（１１ａ）がオープンにされる四分の一波長中心導体（１１）と、前記中心導体から離間された導電性シールド（２、３）とを本質的に含み、前記回路は、チューニング回路を含み、前記チューニング回路は、制御信号（Ｖ_c）を受けると、中心導体（１１）と並列に前記チューニング回路を接続する少なくとも一つの制御可能なスイッチ（Ｓ１、Ｓ２）を含み、前記チューニング回路は、接続点（Ａ）で中心導体（１１）と直流的に接続され、前記中心導体（１１）の接地端からの前記接続点の距離（ｌ₂）は、中心導体の全長（ｌ₁＋ｌ₂）の半分より短いことを特徴とする回路。２．前記チューニング回路は、接続点（Ａ）で中心導体（１１）と接続され、前記中心導体（１１）の接地端からの前記接続点の距離（ｌ₂）は、前記中心導体の全長（ｌ₁＋ｌ₂）の六分の一から三分の一までであることを特徴とする請求項１記載の回路。３．前記チューニング回路は、制御可能なスイッチ（Ｓ１、Ｓ２）が前記中心導体（１１）の前記接続点（Ａ）と前記中心導体の接地端との間に形成されるインダクタンス（Ｌ₂）と並列に接続するインダクタンス（Ｌ_p）を形成することを特徴とする請求項１または２記載の回路。４．前記チューニング回路はまた、前記インダクタンス（Ｌ_p）とともに所定の誘導性リアクタンスを有する直列共振回路を形成するキャパシタンス（Ｃ_p）を含むことを特徴とする請求項３記載の回路。５．前記チューニング回路は、チューニング可能なキャパシタンス（Ｃ_p）を含むことを特徴とする請求項４記載の回路。６．前記チューニング回路は、スイッチ（Ｓ２）及びチューニング可能なキャパシタンス（Ｃ_p）として機能する容量ダイオード（Ｄ２）を含むことを特徴とする請求項５記載の回路。