JPS6252970B2

JPS6252970B2 -

Info

Publication number: JPS6252970B2
Application number: JP54070852A
Authority: JP
Inventors: Takashi Otobe; Yasutoshi Komatsu; Yoshikazu Murakami
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-06-06
Filing date: 1979-06-06
Publication date: 1987-11-09
Also published as: JPS55162634A

Description

【発明の詳細な説明】マイクロ波発振器として３端子の能動素子、例
えばガリウム砒素電界効果トランジスタ（以下、
GaAs―FETという）を発振素子に用いるものが
知られている。このGaAs―FET等の能動素子を
用いた発振器は温度の変化あるいは時間の経過に
対し、発振周波数を一定に保つことが難かしい欠
点がある。

この発明は、このような３端子能動素子を発振
素子に用いたマイクロ波発振器に関し、特に、そ
の発振出力信号を周波数弁別し、この弁別出力に
よつて発振周波数を制御して、発振周波数を安定
化できるようにしたものを提供しようとするもの
である。

以下にこの種のマイクロ波発振器のいくつかの
例を、図を参照しながら説明しよう。

なお、図示しないが、各構成素子は、例えば裏
面側にアース側導体が所定のパターンで設けられ
たアルミナからなる誘電体基板上に設けられる。

第１図で、１はGaAs―FEHで、１Ｇはそのゲ
ート電極、１Ｓはそのソース電極、１Ｓはそのソ
ース電極、１Ｄはそのドレイン電極である。

２，３，４及び５は、誘電体基板の表面上に、
それぞれ一様な幅で直線状の導電層で形成された
マイクロストリツプラインで、ライン２の一方の
端部はGaAs―FET１のゲート電極１Ｇに、他方
の端部は抵抗６を介してアース側導体に、それぞ
れ接続され、またライン３の一方の端部はGaAs
―FET１のソース電極１Ｓに、他方の端部はア
ース側導電体に、それぞれ接続され、さらに、ラ
イン４の一方の端部はGaAs―FET１のドレイン
電極１Ｄに、他方の端部は直流阻止用のギヤツプ
容量７を介してマイクロストリツプライン５に接
続され、このライン５は高周波出力端子とされ
る。

基本的には、以上の構成で発振器が構成される
が、その等価回路は第２図で示すことができる。

すなわち、マイクロストリツプライン２により
インピーダンス素子８が構成され、またマイクロ
ストリツプライン３によりインピーダンス素子９
が構成され、さらにマイクロストリツプライン４
は負荷１０とされる。そして、これらインピーダ
ンス素子８，９及び負荷１０によつて直列帰還回
路１１が構成される。

そして、マイクロストリツプライン２，３及び
４はその長さが適宜選定されることにより、マイ
クロ波の波長との関係から容量性素子または誘電
性素子となり得るもので、これにより発振周波数
が決まる。この例の場合、発振周波数は_０とさ
れている。

そして、さらに、この例においては、共振周波
数_０で、円筒形の誘電体共振器１２がマイクロ
ストリツプライン２に結合されて設けられる。

このように、帰還回路１１を構成するマイクロ
ストリツプラインの一部に、発振周波数_０で共
振するような誘電体共振器１２が結合されて設け
られると、発振周波数付近で帰還回路のリアクタ
ンス分が大きく変化するので、発振周波数を温度
変化等に対して安定化させることができるもので
ある。

以上述べた誘電体共振器を有する安定な発振器
は、この発明の出願人が先に特願昭52―6159号
（特開昭53―90850号）として出願したものであ
る。

この例においては、さらにライン５の両側に、
このライン５に平行に一様な幅の導電層からなる
マイクロストリツプライン１３及び１４が形成さ
れる。

そして、ライン５とライン１３の間には、周波
数弁別用の誘電体共振器１５がこれらのライン５
及び１３に緩く結合されて設けられる。また、ラ
イン５とライン１４との間には、周波数弁別用の
誘電体共振器１６がこれらライン５及び１４に緩
く結合されて設けられる。

そして、マイクロストリツプライン１３の
GaAs―FET１側の端部は開放端とされ、反対側
の端部はマイクロストリツプライン５に対して直
角で、このライン５より遠ざかる方向に曲げら
れ、その端部はダイオード１７のカソードに接続
され、このダイオード１７のアノードはアース側
導体に接続される。そして、この端部より端子１
８が導出される。

また、マイクロストリツプライン１４のGaAs
―FET１側の端部はライン５に対して直角で、
このライン５より遠ざかる方向に曲げられ、その
端部はダイオード１９のアノードに接続され、こ
のダイオード１９のカソードはアース側導体に接
続される。そして、この端部より端子２０が導出
される。また、このライン１４の他方の端部は開
放端とされる。

この場合、誘電体共振器１５及び１６の共振周
波数は、それぞれ_１，_２とされ、発振周波数
_０に対して_１＜_０＜_２なる関係に選ばれ
る。したがつて、端子１８及び２０よりは誘電体
共振器１５及び１６の共振特性に応じて、それぞ
れ第３図の曲線２１及び２２で示すような直流出
力Ｖ_D1及びＶ_D2が得られる。なお、端子１８には
正極性の出力が、端子２０には負極性の出力が、
それぞれ得られるもので、第３図は出力を絶対値
として示したものである。

こうして得られた出力Ｖ_D1及びＶ_D2は、それぞ
れ抵抗２３及び２４を介して合成されてオペレー
シヨナルアンプ２５の負側入力端子に共供給され
る。この場合、第３図に示すように、出力Ｖ_D1及
びＶ_D2は周波数_０で等しいレベルとなるように
選定されており、その合成出力は周波数_０では
零レベルとなるようになつている。一方アンプ２
５の正側入力端子はアース側導体に接続される。
この場合、アンプ２５の電源は正負の２電源とさ
れる。したがつて、このアンプ２５よりはオフセ
ツト分を除くと第４図に示すような逆Ｓ字形の特
性の周波数弁別出力V₀オフセツト電圧分を含む
が得られる。そして、この出力V₀がインダクタ
ンス素子２６を介してライン２、したがつて
GaAs―FET１のゲート電極に供給される。な
お、アンプ２５の出力端とインダクタンス素子２
６の接続点はコンデンサ２７を介してアース側導
体に接続される。

このように、アンプ２５の出力電圧がGaAs―
FET１のゲート電極に供給されれば、発振周波
数はこの電圧に依存するので、この周波数弁別出
V₀により発振周波数が制御されて、発振周波数
は_０でさらに安定となるようになされるもので
ある。第５図は、マイクロ波発振器の他の例で、
誘電体共振器を周波数安定用と周波数弁別用とに
兼用させることにより誘電体共振器を１個減らす
ことができるようにしたものである。この第５図
で、第４図の例と同一部分については同一符号を
付して、その説明は省略する。

この例においては、マイクロストリツプライン
２の両側に第１及び第２の誘電体共振器２８及び
２９が結合されて設けられる。

この場合、２個の誘電体共振器２８及び２９
は、ライン２の延長方向に離れた位置に配される
が、その間隔ｌ（共振器がライン２に接している
場合には、接点間の距離、共振器がライン２に対
して離れている場合には、誘電体共振器の中心か
ら、ライン２に垂線をたてたときの各垂線間の距
離）は、発振周波数_０のときの波長をλとした
とき、λ／４の奇数倍に選定される。

そして、これら誘電体共振器２８及び２９のそ
れぞれの共振周波数₀₁及び₀₂は発振周波数
_０に対して₀₁＜_０＜₀₂に選ばれる。

このように構成すれば、第１図の例のように誘
電体共振器１２を１個設けた場合に比べてさらに
安定化された発振器を実現できる。

以下、その理由を述べる。

今、伝送線路に誘電体共振器が結合されたとき
の等価回路は第６図に示すように表わされる。こ
こで、発振器として特に重要なのは、この等価回
路で表わしたときのＳ―パラメータ（S₁₁，S₁₂，
S₂₁，S₂₂）のうちの反射特性S₁₁またはS₂₂である。

すなわち、発振器として高安定化を実現するた
めには、反射特性S₁₁の振幅が目的とする発振周
波数から離れるに従い、急激に小さくなること
と、位相特性が周波数に対してやはり急激に変化
することが重要である。

誘電体共振器２８及び２９が長さｌすなわちλ／４の奇数倍だけ離れてマイクロストリツプライン２
に結合されると、誘電体共振器が１個の場合に比
べてS₁₁またまS₂₂の振幅及び位相が上述した望ま
しいものとなるものである。

以下、順次説明するに、先ず、第６図の回路の
Ｓ―パラメータを求めてみよう。

すなわち、今、誘電体共振器のインピーダンス
をZ′とすると、第６図の等価回路は第７図のよう
に書き換えられる。したがつて、これからＳ―パ
ラメータを求める。

すなわち、第７図から、 V₁＝I₁Z′＋V₂ … I₁＝−I₂ … ここで、線路インピーダンスをZ₀とすると、 V₁＝v₁＋v₁′ … V₂＝v₂＋v₂′ … I₁＝１／Ｚ_０（v₁―v₁′） … I₂＝１／Ｚ_０（v₂―v₂′） … これら〜式から、求めるＳ―パラメータ
は、ここでｚ＝Ｚ′／Ｚ_０である。

次に、それぞれ所定のＳ―パラメータを有する
２つの回路（），（）を縦続接続した場合の総
合のＳ―パラメータS₁₁′，S₁₂′，S₂₁′，S₂₂′を求め
る。ここで、回路（）のＳ―パラメータには添
字を、回路（）のＳ―パラメータには添字
をそれぞれ付して示す。

一方、長さｌのストリツプラインのＳ―パラメ
ータは、で表わされる。

したがつて、ｌ＝λ／４×（奇数）のときには、ｌ＝λ／４×（隅数）のときには、となる。

次に、２つの誘電体共振器２８及び２９を長さ
ｌのマイクロストリツプラインを介して接続した
ときの、全体のＳ―パラメータを求めるための等
価回路は第８図に示すように書ける。

第８図で、３０は誘電体共振器２８を含む回
路、３１は長さｌのマイクロストリツプラインの
回路、３２は誘電体共振器２９を含む回路であ
る。

この場合にも、回路３０のＳ―パラメータに対
しては添字を、回路３２のＳ―パラメータには
添字を付して示す。

先ず、回路３０と回路３１の縦続接続回路のＳ
―パラメータS″を求めると、ｌ＝λ／４×（奇数）である場合には、式から、となる。

全体のＳ―パラメータＳ^Tは、このS″と、回路
３２のＳ―パラメータＳ〓となるが、簡単のため
にＳ〓≡Ｓ〓と仮定する。この仮定は、誘電体共
振器２８と２９として全く同じ特性のものを用い
れば成立する。したがつて、ここで、式から、Ｓ^Ｉ _１２＝Ｓ^Ｉ _２１，Ｓ^Ｉ _１１＝
Ｓ^Ｉ _２２であ
るので、となる。そこで、式の各値を代入すれば、Ｓ^Ｔ _１１＝Ｓ^Ｉ _１１（１―４／４＋４ｚ＋２ｚ^２）…
となる。

ここで、第６図の等価回路の、並列共振回路の
インピーダンスＺは、ここで、Ｑ＝Ｒ／ω_０Ｌ＝ω₀CRとすると、ただし、Ｒ＝Ｑ，Ｃ＝Ｌ＝Ｉ／ω_０とおく。

そして、ｚ＝Ｚ′／Ｚ_０＝ｋ_２Ｚ／Ｚ_０（ｋは結合係
数）であるからとなる。

以上のことから、反射特性S₁₁について、具体
的な数値を代入して検討しよう。

先ず、共振点ω＝ω_０における総合の反射特性
Ｓ^Ｔ _１１を求める。

例えば、k²＝0.6，Z₀＝50，Ｑ＝1000とすれ
ば、｜ｚ｜＝12となるから、Ｓ^Ｔ _１１＝0.988 Ｓ^Ｉ _１１ … である。したがつて、共振点においては、全体と
しての反射特性Ｓ^Ｔ _１１は、誘電体共振器１個の場合
の反射特性Ｓ^Ｉ _１１に比べて1.2％だけレベルが小さ
い。

次に、周波数が共振点からずれて、ω＝0.9ω
_０となつたときにはｚ〓ｊ・5.7×10^-2 となるからＳ^Ｔ _１１〓j0.057S^Ｉ _１１ …〓となり、全体としての反射特性Ｓ^Ｔ _１１の振幅特性
は、誘電体共振器が１個の場合に比べて24.9dB
の減衰となる。したがつて、前述したように、高
安定化発振器として非常に望ましい特性となる。

第９図は実験により求めた反射特性の振幅特性
を示すもので、図中、実線で示すものは誘電体共
振器が１個の場合の反射特性Ｓ^Ｉ _１１、点線で示すも
のは上述した全体としての反射特性Ｓ^Ｔ _１１である。
なお、この第８図の例は₀₁＝11.645GHz，₀₂
＝11.675GHz，_０＝11.66GHz，Ｑ＝300，ｋ＝
0.8，ｌ＝45.03mmに選定した場合である。

また、位相特性については、図示しないが、や
はり急激な変化となるものである。

これに対して、ストリツプラインの長さｌ＝λ／４ ×隅数のときは、Ｓ^Ｔ _１１＝Ｓ^Ｉ _１１｛１＋４／４―（４ｚ＋２ｚ^２）
^２）｝… となり、ｌ＝λ／４×奇数の場合の式に比べて｛｝内の第２項の符号が逆になり、以上述べた
ようなＳ^Ｔ _１１の急激な変化特性は得られない。

こうして、この例によれば、２個の誘電体共振
器をマイクロストリツプラインに対して結合させ
るとともに、２個の誘電体共振器の間隔ｌをλ／４の奇数倍に選ぶことにより高安定化された発振器が
実現されるものである。

そして、この例においては、さらに、この安定
化用の２個の誘電体共振器を周波数弁別用として
も用いるものである。

すなわち、マイクロストリツプライン２の両側
に、これと平行に一様な幅の導電層からなるマイ
クロストリツプライン３３及び３４が設けられ
る。そして、ライン３３は誘電体共振器２８に緩
く結合するようにされ、このライン３３のGaAs
―FET１側の端部は、ライン２に対して直交
し、これより遠ざかる方向に曲げられ、その先端
部がダイオード３５のアノードに接続され、その
カソードはアース側導体に接続されるとともにこ
の先端部より端子３６が導出される。

また、ライン３４は誘電体共振器２９に緩く結
合するようにされ、このライン３４のGaAs―
FET１側の端部は、ライン２に直交し、これよ
り遠ざかる方向に曲げられ、その先端部がダイオ
ード３７のカソードに接続され、そのアノードが
アース側導体に接続されるとともに、この先端部
より端子３８が導出される。

また、ライン３３及び３４のそれぞれの他方の
端部は開放端とされている。

この場合、前述したように、誘電体共振器２８
及び２９の共振周波数₀₁及び₀₂は、₀₁＜
_０＜₀₂となるように選定されているので、端子
３６及び３８には、第１図の例と同様に第３図に
示すような周波数弁別出力が得られる。

したがつて、この端子３６及び３８に得られる
出力を、抵抗２３及び２４をそれぞれ介してアン
プ２５の一方の入力端に供給するようにすれば、
第１図の例と全く同様にして発振周波数が制御さ
れて、安定化されるものである。

そして、この第５図の例によれば誘電体共振器
を第１図例に比べて１個減らすことができる。し
かし、この例でも誘電体共振器は２個必要であ
り、この誘電体共振器を設けるスペースの問題、
コスト、周波数調整等の点では好ましくなく、必
要な共振器の数をなるべく減らすことが望まれ
る。

この発明はこの点を改善したものである。

第１０図はこの発明によるマイクロ波発振器の
一実施例で、この例は誘電体共振器は１個のみ
で、これを安定用に用いるとともに、この１個の
誘電体共振器より取り出される出力電圧を周波数
弁別信号として利用できるようにしたものであ
る。

すなわち、この例においては、第１図の例と同
様にマイクロストリツプライン２に誘電体共振器
３９が結合される。そして、この例においては、
このライン２に対して平行に一様な幅の導電層か
らなるマイクロストリツプライン４０が設けら
れ、これに誘電体共振器３９が緩く結合するよう
にされる。

そして、このライン４０のGaAs―FET１側の
端部は、ライン２に対して直交する方向に曲げら
れ、その先端はダイオード４１のカソードに接続
され、このダイオード４１のアノードがアース側
導体に接続されるとともに、この先端より端子４
２が導出される。このライン４０の他方の端部は
開放端とされる。

したがつて、誘電体共振器３９の共振周波数を
_pとすればこの端子４２には第１１図に示すよ
うに、周波数_pのとき最大レベルとなる出力電
圧Ｖ_D3が得られる。

ところで、周波数弁別出力というのは、目的と
する周波数付近での周波数変化に対し、一方向の
電圧変化を生じることが必要である。すなわち、
ある特定の電圧に対しては、特定の周波数が対応
しなければならない。

ところが、発振器の目的周波数を誘電体共振器
３９の共振周波数_pに等しく設定すると、端子
４２に得られる電圧Ｖ_D3はこの周波数_pを境に
して同様の減衰特性となるので、１つの電圧に対
して２つの周波数が決まつてしまうことからこの
ままではこの出力Ｖ_D3を周波数弁別出力として用
いることはできない。

そこで、この例では、誘電体共振器３９以外の
要素により、発振器は周波数_s（≠_p）で発振
するように設定する。例えば、第１１図に示すよ
うに_p＜_sに選定すれば、発振周波数がこの周
波数_sより高くなれば、Ｖ_D3も高くなり、この
周波数_sより低くなればＶ_D3も低くなるような
弁別出力となる。

ところが、このように、１個の誘電体共振器を
介して得た出力Ｖ_D3をこのまま周波数弁別出力と
して用いようとする場合には、次のような不都合
が生じる。

すなわち、発振器では、発振周波数の変化に伴
い、出力電圧も変動し、したがつて、周波数変動
に伴つて、端子４２に得られる電圧も、第１１図
で破線で示すように変動する。すると、１つの電
圧に対して１つの周波数という関係が成立しなく
なり、電圧Ｖ_D3を弁別出力とすることはできない
のである。

そこで、この例では発振器の出力電圧の変動を
検出し、この検出出力を用いて上記の欠点を除去
できるようにしている。

すなわち、出力端とされるマイクロストリツプ
ライン５に平行に方向性結合器としての長さλ／
４のマイクロストリツプライン４３がライン５に
近接して設けられ、そのGaAs―FET１側の端部
はライン５に直行する方向に折り曲げられて、そ
の先端より端子４４が導出されるとともに、ダイ
オード４５のカソード―アノードを通じてアース
側導体に接続される。また、ライン４３の他方の
端部は抵抗４６を介してアース側導体に接続され
る。

このようにすれば、端子４４には周波数変化に
対してほぼ平担な特性で発振器出力に応じて電圧
Ｖ_Mが得られる。

そして、この端子４４に得られる電圧Ｖ_Mと、
端子４２に得られる電圧Ｖ_D3が割算器４７に供給
されて、Ｖ_D3／Ｖ_Mになる割算がされる。

この場合、電圧Ｖ_Mが周波数変動によりaV_Mと
なると、電圧Ｖ_D3はaV_D3となることから、割算出
力Ｄ＝Ｖ_D3／Ｖ_Mは、発振器の出力変動に無関係
となる。

したがつて、この出力Ｄにより、GaAs―FET
１を制御するようにすれば、発振周波数が制御さ
れて、発振器は、周波数_sで安定に発振するよ
うにされる。

以上のようにして、この発明によれば、誘電体
共振器を用いて、これにより発振周波数を安定化
し、さらに同じ共振器を用いて周波数弁別し、そ
の弁別出力により発振周波数を制御するようにし
たので、高安定化発振器が実現できるものであ
る。しかも、誘電体共振器は必要最小限の１個で
あり、スペース、コストの点で有利になるととも
に、周波数調整作業も簡単になる。

また、発振出力をモニタして弁別出力がこの発
振振幅の影響を受けないようにしたので、さらに
高安定化した発振器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はマイクロ波発振器の一例の構成を示す
図、第２図〜第４図はその説明のための図、第５
図はマイクロ波発振器の他の例の構成を示す図、
第６図〜第９図はその説明のための図、第１０図
はこの発明によるマイクロ波発振器の一実施例の
構成を示す図、第１１図はその説明のための図で
ある。１はGaAs―FET、２，３，４，５，１３，１
４，３３，３４，４０及び４３はマイクロストリ
ツプライン、１２，１５，１６，２８，２９及び
３９は誘電体共振器である。

Claims

【特許請求の範囲】１発振用能動素子に対して形成された帰還回路
に結合される１個の誘導体共振器と、この誘電体共振器と結合するマイクロストリツ
プラインに接続され、発振周波数のずれに対応し
た信号を取り出す検波器と、上記発振用能動素子の出力側から取り出された
発振出力振幅に対応した信号で、上記検波器から
の発振周波数のずれに対応した信号を割算する割
算回路とを備え、この割算回路からの割算出力信号が上記発振用
能動素子に帰還され、発振周波数が安定化される
ようにされたマイクロ波発振器。