KR100293248B1 - 발진회로 - Google Patents

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KR100293248B1 KR1019970053893A KR19970053893A KR100293248B1 KR 100293248 B1 KR100293248 B1 KR 100293248B1 KR 1019970053893 A KR1019970053893 A KR 1019970053893A KR 19970053893 A KR19970053893 A KR 19970053893A KR 100293248 B1 KR100293248 B1 KR 100293248B1
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시라가와 다쓰오
후지쓰 도와 에렉트론 가부시키가이샤
아끼구사 나오유끼
후지쯔 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 발진 회로에 관한 것으로, 소형, 저비용, 높은 C/N비를 가지며, 또한 넓은 주파수 가변폭을 갖는 발진 회로를 제공하는 것을 그 과제로 한다.
공진 주파수가 다른 제1 및 제2의 1포트 탄성 표면파 공지기를 사다리형으로 접속한 탄성 표면파 필터를 귀환 회로부에 이용하여 이루어는 것을 특징으로 한다.

Description

발진 회로
본 발명은 발진 회로에 관한 것으로써, 특히 탄성 표면파 디바이스를 이용한 위상 추이형(phase-shift) 발진 회로에 관한 것이다.
Q 값이 큰 공진기를 이용한 노이즈가 적은 발진 회로는 전자 산업의 다양한 분야에 이용된다. 발진 회로는 주파수를 고정하는 것과, 외부 전압에 의해 발진 주파수를 변경시키는 전압 제어형 발진 회로(이하, "VCO" :Voltage Controled Osci1lator 라고 칭한다)가 있다. 전압 제어형 발진 회로는 다양한 전가 기기로 사용되고 있지만, 근래, 특히 이동 통신이나 광통신 분야에서 주파수 가변폭을 크게 취할 수 있으며, C/N 비도 높은 전압 제어형 발진 회로가 요구되고 있다. 특히, 자동차 전화나 휴대 전화 등의 이동 통신 단말기에서 요구되는 전압 제어형 발진 회로는 더욱 소형이고 가격이 저렴한 것이 요구되고 있으며, 전압 제어형 발진 회로중 위상 추이형 발진 회로가 유망시되고 있다.
종래에, 이동 통신의 분야에서는 유전체 공진자를 이용한 발진 회로나, 마이크로 스트립 라인을 공진자로서 이용한 VCO가 사용되어 왔다. 그러나, 전자는 크기가 크고, 비용도 비싸기 때문에 이동 통신용 VCO로서는 적합하지 않다. 후자는 소형이고 가격도 저렴하여 주파수 가변폭도 충분히 크게 취할 수 있지만, Q 값이 낮기 때문에 C/N 비를 크게 취할 수 없다는 결점이 있다
또한, 탄성 표면파 공진자[SAW(Surface Acoustic Wave) 공진자]나, 탄성 표면파 필터(이하, SAW 필터라고 함)를 이용한 VCO도 보고되어 있다. SAW필터의 기판 재료에 수정을 이용한 발진 회로는 Q 값이 높고 C/N 비도 뛰어난 특성을 갖지만, 전압으로 제어할 수 있는 주파수 범위가 좁다.
이것을 극복하기 위해서, 또 높은 전기 기계결합 계수를 갖는 압전 단결정을 기판 재료에 이용하는 것이 제안되고 있다. 예컨대, LiTaO3를 이용한 발진 회로[管原光一가, 山本文治, 「광대역 가변의 탄성 표면파 발진 회로」, 전자 정보 통신 학회 기술 보고서US78-12, pp21-28]나, LiNbO3를 이용한 발진 회로[疋田光孝, 住岡渟司, 藤原行成, 「SAW 공진기를 이용한 이동 무선기용 전압 제어 발진 회로의 검토」, 전자 정보 통신 학회 기술 보고서 MW90-102, pp15-20]가 보고되어 있다.
그러나, 종래의 고전기 기계 결합 계수의 기판을 이용한 SAW 디바이스(SAW 필터 혹은 SAW 공진기)를 사용하는 VCO에는 다음과 같은 문제점이 있었다.
①LiNbO3기판상에 형성된 1 포트 SAW 공진기를 이용한 VCO.
도 21에 종래의 1 포트 SAW 공진기의 구성도를 나타낸다.
1 포트 SAW 공진기는 중앙 부분에 빗형 전극으로 이루어진 IDT(inter digital transducer)를 구비하여, 그 일 측에 반사기를 구비한 구성을 갖는다.
도 22는 이 1 포트 SAW 공진기의 임피던스 주파수 특성도이다. 여기서, 종축은 임피던스의 허수부를 나타내고 있고, fr은 공진 주파수, fa는 반공진 주파수이다.
도 23은 1 포트 SAW 공진기를 이용한 VCO의 회로도이다.
이 VCO는 도 22에 도시된 바와 같이 1 개의 공진기의 공진 주파수(fr)로부터 반공진 주파수(fa) 사이에 국한하여 원리적으로는 주파수를 가변할 수 없다. 이 주파수차(fa-fr)는 공진기의 용량비(γ)로 결정되고, SAW 공진기의 기판 재료(압전단결정)의 전기 기계 결합 계수로 거의 결정되는 값이다. 즉, 전기 기계 결합 계수가 클수록 fa-fr은 커지며, VCO로서의 주파수 가변폭도 커진다.
따라서, 종래는 전기 기계 결합 계수가 큰 LiNbO3기판을 이용하여, 비대역폭에서 2.5%정도의 주파수 가변폭을 실현하고 있다. 그러나, 이동 통신, 특히 휴대전화나 무선 LAN의 분야에서는 비대역폭 3~3.5%의 주파수 가변폭이 요구되고 있으며, 이러한 분야에서는 사용할 수 없었다.
②LiTaO3기판상에 형성된 트랜스버셜 SAW 필터를 이용한 VCO.
도 24에 종래의 트랜스버셜 SAW 필터를 이용한 VCO의 회로도를 나타낸다.
이 VCO는 도면에 도시된 바와 같이 LiTaO3기판상에 트랜스버셜 SAW 필터를 형성하고, 이것을 위상 추이형 발진 회로의 귀환 회로부에 배치하여 발진시키는 것이다. 이 경우, 트랜스버셜 필터의 전극 대수를 삭감하여, 입출력 전극간의 지연거리를 짧게 함으로써 원리적으로는 주파수 가변폭을 넓히는 것이 가능하다.
그러나, TTE파(Triple Transit Echo, 입출력 전극간에서 SAW 필터가 3회 반사함으로써 생기는 지연파)에 의한 대역내 리플을 피할 수 없으며, 그것이 안정된 발진 조건을 방해한다는 문제점이 있다. 또한, 이 예에 있어서도 사이드 로프 억압의 관점에서 삭감되는 전극 대수에는 한계가 있으며, 얻어진 주파수 가변폭은 비대역폭 2,5%정도 밖에 실현할 수 없다.
따라서, 본 발명은 이상과 같은 사정을 고려하여 행해진 것으로서, 소형이고 비용이 저렴하며, C/N이 높은 발진 회로로서 종래보다 넓은 주파수 가변폭을 갖는 발진 회로를 제공하는 것을 과제로 한다.
도 1은 본 발명의 사다리형 SAW 필터의 구성도(기본 구간 구성).
도 2는 본 발명의 사다리형 SAW 필터의 구성도(다단 접속 구성).
도 3은 본 발명의 사다리형 SAW 필터의 특성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 위상 추이형의 발신 회로의 개략 구성도.
도 5는 본 발명에 이용하는 가변 이상기의 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예인 사다리형 SAW 필터의 통과 및 위상 특성도.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 사다리형 SAW 필터의 통과 및 위 상특성도.
도 8은 본 발명의 일 실시예인 사다리형 SAW 필터의 통과 및 위상 특성도.
도 9는 본 발명의 일 실시예인 사다리형 SAW 필터의 외관 구성도.
도 10은 도 9의 각 SAW 공진기의 구성 요소의 수치를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시예인 사다리형 SAW 필터의 통과 특성도.
도 12는 도 11에 도시한 사다리형 SAW 필터의 반전 다단 접속 방법의 설명도(n=2).
도 13은 본 발명의 일 실시예인 사다리형 SAW 필터의 통과 특성도.
도 14는 도 13에 도시한 사다리형 SAW 필터의 반전 다단 접속 방법의 설명도(n=4).
도 15는 본 발명의 일 실시예에 있어서의 Cop/Cos와 n에 대한 위상 변화폭의 관계도.
도 16은 본 발명의 일 실시예인 제어 전압Vt과 발진 주파수 및 발진 출력 전력과의 관계도
도 17은 본 발명의 일 실시예인 발진 스펙트럼도(제어 전압Vt=10v).
도 18은 본 발명의 정상적인 다단 접속 방법의 설명도.
도 19는 본 발명의 정상적인 다단 접속 방법의 설명도.
도 20은 본 발명의 정상적인 다단 접속 방법의 설명도.
도 21은 종래의 1 포트 탄성 표면과 공진기의 구성도.
도 22는 종래의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 임피던스 특성도.
도 23은 종래의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 이용한 Vco의 회로도.
도 24는 종래의 트랜스버셜 SAW 필터(transversal saw filter)를 이용한 Vco의 회로도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 사다리형 SAW 필터 2 : 가변 이상기
3 : 증폭기 4 : 버퍼 앰프
RS1: 직렬 아암 SAW 공진기 RP1: 병렬 아암 SAW 공진기
Dv: 버랙터 다이오드
fas : 직렬 아암 SAW 공진기의 반공진 주파수
fap : 병렬 아암 SAW 공진기의 반공진 주파수
frs : 직렬 아암 SAW 공진기의 공진 주파수
frp : 병렬 아암 SAW 공진기의 공진 주파수
본 발명은 공진 주파수가 다른 제1 및 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 사다리형으로 접속한 탄성 표면파 필터를 귀환 회로부에 이용한 위상 추이형 발진 회로를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 탄성 표면과 필터가 상기 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 병렬 아암에, 상기 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 직렬 아암에, 각각 복수개 배치하여 구성되고, 상기 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기가 소정의 공진 주파수(frp) 와 반공진 주파수(fap)를 가지며, 상기 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기가 상기 반공진 주파수(fap)에 대략 일치하는 공진 주파수(frs)를 갖고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 소형이고 비용이 저렴하고, 또한 C/N 비가 높으며 주파수 가변폭이 넓은 발진 회로를 제공할 수 있다.
본 발명의 탄성 표면파 필터에 있어서, 상기 직렬 아암의 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 공진 주파수(frs)가 상기 병렬 아암의 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 반공진 주파수(fap)보다도 고주파측에 위치하고, 그 차 △f=frs-fap를 상기 공진 주파수(frs)에서 규격화한 값이 0보다도 크며, 또한 다음과 같은 식으로 얻어진 α보다 작게 하여도 좋다.
[수학식 1]
Figure kpo00001
여기서, Cop는 병렬 아암의 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 정전 용량이고, Cos는 직렬 아암의 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 정전 용량이며, γ은 용량비를 나타낸다.
또한, 상기 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기와 상기 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기가 다음과 같은 식을 충족시키도록 설계하여도 좋다.
[수학식 2]
Cop/Cos < -0.32+2.82/n
여기서, n은 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기와 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 한 쌍으로 하여, 이들을 캐스케이드 접속한 경우의 단수를 나타낸다.
또한, 상기 한쌍의 제1 및 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 Cop/Cos의 값이 각 단에서 다른 경우, 각단의 Cop/Cos를 산술 평균한 것이 -0.32+2.82/n보다도 작게 하여도 좋다.
또, 본 발명은 상기 탄성 표면파 필터가 통과 대역내의 위상 특성의 위상 변화가 0도에서 160도가 되도록 하여도 좋다.
또한, 상기 탄성 표면파 필터는 LiTaO3, LiNbO3또는 KNbO3중 어느 하나의 압전 단결정 기판상에 형성되는 것이 높은 주파수 가변 폭을 얻기에는 바람직하다.
본 발명에서 이용하는 탄성 표면파 필터는 일본 특허 공개 공보 평성 제05-183380호 또는 일본 특허 공개 공보 평성 제06-069750호에 나타낸 바와 같이, 1 포트 탄성 표면파 공진기를 사다리형으로 접속한 필터이다. 이하, 이 탄성 표면파 필터를 사다리형 SAW 필터라 부른다.
도 1, 도 2에 본 발명의 사다리형 SAW 필터의 구성도를 나타낸다.
도 1은 사다리형 SAW 필터의 기본 구간의 구성을 나타내고 있다. 여기서, 직렬 아암의 1 포트 탄성 표면파 공진기(RP1)(이하, 직렬 아암 SAW 공진기라고 부른다)는 신호의 입출력 전기 단자의 한쪽 측에 직렬로 배치된다. 병렬 아암의 1 포트 탄성 표면파 공진기(RP1)(이하, 병렬 아암 SAW 공진기라고 부른다)는 신호의 입출력 전기 단자간을 연결하는 위치에 병렬로 배치된다. 직렬 아암 SAW 공진기(RS1)의 정전 용량을 Cos, 병렬 아암 SAW 공진기(RP1)의 정전 용량을 Cop로 한다.
도 2는 도 1의 기본 구간의 구성을 3단(n=3)에 접속한 구성을 나타내고 있다.
직렬 아암 SAW 공진기(RS1,RS2, RS3)는 직렬로 접속되고, 병렬 아암 SAW 공진기(RP1, RP2,RP3)는 병렬로 접속된다.
이 구성이 필터 특성을 나타내는 원리에 대해서는 본 발명자에 의한 일본 특허 공개 공보 평성 제05-183380호에 상세히 기술되어 있으므로 여기서는 생략한다.
도 3의 (a)에 본 발명에 있어서의 사다리형 구성을 형성하고 있는 병렬 아암 SAW 공진기의 임피던스 특성과 직렬 아암 SAW 공진기의 임피던스 특성의 관계를 나타낸다. 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 병렬 아암 SAW 공진기의 반공진 주파수(fap)와 직렬 아암 SAW 공진기의 공진 주파수(frs)를 거의 일치시키는 것을 특징으로 한다. 또는, 반공진 주파수(fap)보다 약간 고주파수 측에 공진 주파수(frs)가 오도록 설계하여도 좋다.
이러한 주파수의 관계를 구비하면, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 병렬 아암 SAW 공진기의 공진 주파수(frp)에 가까운 주파수로부터 직렬 아암 SAW 공진기의 반공진 주파수(fas)에 가까운 주파수까지 넓은 주파수 범위이며 필터로서의 통과 특성을 얻을 수 있다. 즉, 보다 넓은 주파수 가변폭을 갖는 사다리형 SAW 필터를 구성할 수 있다.
단, △f=frs-fap의 값을 지나치게 크게 하면, 사다리형 SAW 필터의 통과 특성이 떨어진다. 즉, 필터의 통과 대역의 중심 주파수 부근의 손실이 커지기 시작한다. 중심 주파수 부근의 손실이 커지면, 후술하는 바와 같은 「발진을 위한 진폭 조건」을 충족시키지 못하게 되어 발진은 정지하게 된다. 따라서, 이 손실이 크게 되지 않을 정도까지 밖에 △f는 크게 할 수 없다. 그 허용치 α는 △f/frs로서 규격화한 값으로서 다음식으로 부여된다.
[수학식 3]
Figure kpo00002
여기에, Cop는 병렬 아암 SAW 공진기의 정전 용량, Cos는 직렬 아암 SAW 공진기의 정전 용량, γ은 기판 재료로 결정되는 공진기의 용량비[=Cop/Clp=Cos/Cls, 여기서 Clp, Cls는 각 공진기의 등가 직렬 용량(motional capacitance)]를 표시한다. γ의 값은 36도~42도 Y컷 X 전파 LiTaO3이며, 15정도이다.
또, 이 허용치 α의 근거에 대해서는 일본 특허 공개 공보 평성 제05-183380호에 상세히 기술되어 있다.
다음에, 이 사다리형 SAW 필터를 사용하여 발진 회로를 얻는 조건에 대해서 기술한다.
사다리형 SAW필터는 도 1에서 도시한 바와 같이, 2개의 전기 단자 쌍을 갖는 2 포트 소자이다. 따라서, 사다리형 SAW 필터를 이용하여 발진 회로를 구성하는 경우에는 도 4에 도시된 바와 같은 위상 추이형 발진 회로로 하는 것이 가장 적합하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 위상 추이형 발진 회로의 개략 구성도이다. 이하에, 동 도면을 이용하여 발진 원리를 설명한다. 도 4에 있어서, 발진 회로는 사다리형 SAW 필터(1), 가변 이상기(2), 증포기(3), 버퍼 앰프(4)로 구성된다. 여기서, 특히, 사다리형 SAW 필터(1), 가변 이상기(2), 증포기(3)는 발진 회로중 귀환 회로부를 구성하여, 여기서 원하는 주파수의 발진 신호가 생성된다.
도 24에 도시된 종래의 VCO에서는 트랜스버셜형 SAW 필터를 귀환 회로부에 이용하고 있지만, 도 4에 도시한 본 발명의 발진 회로에서는 귀환 회로부에 사다리 형의 SAW 필터를 이용하는 점이 다르다.
가변 이상기(2)는 외부로부터 제어 전압(Vt)을 입력하고, 발진 신호의 위상변화를 결정하는 부분이다. 또한, 가변 이상기(2)는 후술하는 바와 같이, 버랙터 다이오드, 인덕터, 저항 등을 이용하여 구성할 수 있다.
사다리형 SAW 필터(1)는 소정의 통과 대역내의 주파수를 갖는 발신 신호만을 통과시키는 역할을 다한다
발진 신호는 사다리형 SAW 필터(1)의 통과 대역내를 통과한 후, 가변 이상기(2)를 통과하여, 트랜지스터 등의 능동 소자로 구성된 증폭기(3)로 전력 증폭되고, 다시 사다리형 SAW 필터(1)로 복귀한다. 이와 같이 발진 신호는 루프형으로 순회되어, 그 귀환 회로부의 일부로부터 버퍼 앰프(4)를 통해서 외부로 취출된다.
이러한 이상 추이형 발진 회로가 안정되게 발진하는 조건은 발진 신호의 진폭과 위상에 대하여, 아래와 같은 관계를 충족시킬 필요가 있다.
[수학식 4]
Figure kpo00003
여기서는, 사다리형 SAW 필터(1)의 손실을 LF(단위는 dB), 가변 이상기(2)의 손실을 LV, 증폭기(3)의 이득을 G(단위는 dB), 사다리형 SAW 필터(1)의 위상 변화를
Figure kpo00004
F(위상의 단위는 라디안), 가변 이상기(2)의 위상 변화를
Figure kpo00005
V, 증폭기(3)의 위상 변화를
Figure kpo00006
A, n을 임의의 정수로 한다.
이 관계에 있어서, 가변 이상기(2)의 위상(
Figure kpo00007
V)을 외부 전압(Vt)에 의해 변화시켰을 경우, (2)식을 충족시키지 않게 된다. 이 때, 사다리형 SAW 필터에서는 그 발진 주파수가 도 3의 (b)의 위상 특성의 관계에 따라서 변화하여 자동적으로 위상
Figure kpo00008
F가 변하고, (2)식의 조건을 충족시키게 된다. 이 때, 그 발진 주파수에 있어서의 진폭 특성도 (1)의 관계를 충족시킬 필요가 있기 때문에, 필터의 손실 LF도 도 3의 (b)의 진폭 특성에 나타낸 바와 같이, 요구되는 주파수 가변 영역(frp~fas)에 대하여 저손실로 너무 변화하지 않은 것이 요구된다. 따라서, 위상
Figure kpo00009
F의 변화폭 △
Figure kpo00010
F를 가능한한 작게 하여 손실의 변화가 적은 주파수 가변폭을 얻도록 해야만 한다. 이들의 결과, 출력 전력을 그다지 변화시키지 않고, 발진 주파수만을 크게 변화시킬 수 있다. 이상이 위상 추이형 발진 회로의 기본 원리이다.
다음에 실제로 발신 회로로서 제어 전압(Vt)을 변경시킴으로써 가변 이상기(2)의 위상
Figure kpo00011
V를 변경시키고, 보다 넓은 주파수 가변폭을 얻는 방법에 대해서 기술한다. 원리적으로
Figure kpo00012
F의 변화가 사다리형 SAW 필터의 통과 대역내에서 2π(360도)이하이면, 통과 대역내에서 발진하는 주파수 조건이 하나이고, 안정된 발진을 얻을 수 있다. 그러나, 가변 이상기(2)의 위상(
Figure kpo00013
V)의 가변 폭을 2π까지 얻는 것은 일반적으로는 어렵기 때문에, 사다리형 SAW 필터의 위상 변화폭 △
Figure kpo00014
F가 2π 근처까지 변화하면, 통과 대역을 충분히 이용될 수 없다.
여기서, 가변 이상기의 가변폭 △
Figure kpo00015
V에 현재 필요한 평가가 제공된다. 가변 이상기(2)는 도 5에 도시된 바와 같이 2개의 버랙터 다이오드(Dv) , 1개의 인덕턴스 L, 및 2개의 저항(R)에 의해 구성되는 것이 보통이다. 버랙터 다이오드는 바이어스 전압(Vt)에 의해 그 정전 용량(C)이 변화하는 것이지만, 현재 사용되고 있는 것으로는 바이어스 전압 Vt를 0~20V정도 변화시켰을 때, 정전 용량(C)을 0.5pF에서 4.5pP정도까지 변경시킬 수 있다. 이 정전 용량의 변화폭이 크면 그만큼 위상의 가변폭 △
Figure kpo00016
V를 크게 할 수 있다. 그러나, 발신 회로도 저전압 구동화되는 경향이 있기 때문에, 작은 전압 변화폭 △Vt로 충분한 용량 번화폭, 위상 가변폭 △
Figure kpo00017
V를 갖는 것이 요구되고 있지만, 현상에서는 전기와 같은 번화 특성의 것이 일반적이다.
이 예에서 가변 이상기(2)의 위상 가변폭 △
Figure kpo00018
V를 계산하면, 휴대 전화로 자주 사용되는 주파수대인 900MHz 부근에서는, △Vt를 20V로 한 경우에 △
Figure kpo00019
V=140 도 정도(L=5nH일 때), 무선 LAN으로 사용되는 2450MHz대에서는 △
Figure kpo00020
V=160도 정도(L=3nH일 때)가 된다. 실제로는 더욱 저전압화도 필요하기 때문에, 이것 보다 작아지는 경우도 많다. 따라서 사다리형 SAW 필터(1)의 통과 대역내의 위상 변화폭 △
Figure kpo00021
F도 150~160도 이하로 설계할 필요가 있다.
다음에, 사다리형 SAW 필터의 위상 변화폭 △
Figure kpo00022
F를 작게 하는 방법에 대해 실시예와 함께 기술한다.
사다리형 SAW 필터의 통과 특성은 인접하는 병렬 아암는 SAW 공진기의 정전 용량 Cop와 직렬 아암 SAW 공진기의 정전 용량 Cos와의 비 Cop/Cos의 값, 및 도 1에 도시된 직렬 아암 SAW 공진기를 1 단위로 생각 할 때, 그것을 캐스케이드에 연결하는 단수 n 등의 값에 의해 제어할 수 있다. 일반적으로 Cop/Cos의 값 및 n의 값에 따라서 사다리형 SAW 필터의 삽입 손실은 커지지만, 저지 영역에서의 손실이 커짐으로써 대역 외부 가압은 크게 개선된다.
도 6, 도 7, 도 8에, n=3으로 고정했을 때 Cop/Cos에 대한 통과 특성의 진폭 및 위상 특성의 변화의 상태를 나타낸다. 이 경우의 3단의 캐스케이드 접속 구성은 도 2에 도시된 바와 같다. 도 2에서는, 다단화하는 경우, 손실 등의 개선을 위해 각 단이 대칭이 되도록 각 단마다 반전하여 접속하고 있다. 이것에 대해서는 상기 일본 특허 공개 공보 평성 제05-183380호에 상세히 기술되어 있다.
도 6, 도 7, 도8에 있어서, 사다리형 SAW 필터는 LiTaO3기판상에 형성하고, 중심 주파수는 932MHz로 설정하였다. 또한, 도 6은 Cop/Cos=0.33, 도 7은 Cop/Cos=0.58, 도 8은 Cop/Cos=0.91이다.
도 9는 본 실시예의 사다리형 SAW 필터의 외관 구성도이다.
사다리형 SAW 필터는 세라믹 패키지에 실장되고, 가변 이상기(2) 등과 조합되어 도 4에 도시된 바와 같은 발진 회로가 구성된다.
도 10에는 도 9에 도시된 사다리형 SAW 필터의 각 SAW 공진기의 각 구성 요소에 대한 구체적 수치예를 나타낸다. 여기서, RS1, RS2, RS3은 직렬 아암의 SAW 공진기이며, RP1, RP2, RP3은 병렬 아암의 SAW 공진기이다.
이들 도면을 비교하면 알 수 있는 바와 같이, Cop/Cos가 커질수록 삽입 손실이 커지면 대역 외부 억압도는 개선된다. 위상 특성에 관해서는 Cop/Cos가 반대로 작아질수록, 사다리형 SAW 필터의 위상 변화폭 △
Figure kpo00023
F도 작아지는 것을 알 수 있다. 도 7의 Cop/Cos=0.58인 경우에, 통과 대역 35MHz(비대역폭 3.7%)를 커버할 수 있는 위상 변화가 약 158도가 된다. 따라서 그 이하의 Cop/Cos라면, 가변 주파수폭이 충분히 큰 발진 회로를 설계할 수 있다.
도 11은 Cop/Cos=0.58에 고정하여, n=2인 경우의 사다리형 SAW 필터의 통과 특성이며, 도 12는 이 사다리형 SAW 필터의 회로 구성도이다. 도 13은 Cop/Cos=0.58, n=4인 경우의 사다리형 SAW 필터의 통과 특성이며, 도 14는 이 사다리형 SAW 필터의 회로 구성도이다.
Cop/Cos의 경우와 동일하게, n의 값이 커질수록 삽입 손실은 커지는 반면, 대역외부 억압도는 개선된다. 위상 특성에 관해서는, n의 값이 작을수록, 위상 변화폭 △
Figure kpo00024
F도 작아지고, 발진 회로에 있어서는 적합하다.
구체적으로는 도 11, 도 7, 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, n=3 이하이면, △
Figure kpo00025
F가 158도 이하가 된다. 이상으로부터 사다리형 SAW 필터의 통과 대역내에 대하여, 위상 변화폭 △
Figure kpo00026
F를 160도 이하로 유지하기 위해서는 Cop/Cos<0.58, 혹은 n<3으로 하는 것이 조건이 된다.
도 15에, 다른 Cop/Cos, n에 대한 위상 변화폭 △
Figure kpo00027
F의 측정 결과를 나타낸다. 도 15에 있어서, 종축은 Cop/Cos, 횡축은 n이다. 도면중의 각 점은 사다리형 SAW 필터의 통과 특성의 비대역폭이 3.7%정도가 된다 △
Figure kpo00028
F의 값을 나타낸 것이다. 여기서, n=1,5,2,5,3,5,4,5… 라는 상태로 0.5씩의 반정수가 있는 것은 정수단의 캐스케이드 접속에 다시 직렬 아암 SAW 공진기 또는 병렬 아암 SAW 공진기 중 어느 하나가 접속되어 있는 상태를 뜻하고 있다. 단지 n=0.5는 대역 필터가 되지 않으므로 의미는 없다. 예컨대, Cop/Cos=1.5, n=2일 때, △
Figure kpo00029
F=190도인 것을 나타내고 있다.
도 15에서 △
Figure kpo00030
F=160도를 충족시키기 위한 Cop/Cos와 n의 관계를 구할 수 있고 그것을 도면중에 곡선으로 나타낸다. 이 곡선보다도 아래측에 있어서의 Cop/Cos, n이 △
Figure kpo00031
F<160도가 되는 범위로, 광대역인 주파수 가변폭을 갖는 발진 회로를 설계할 수 있는 조건이 된다. 이 조건은 구체적으로 다음과 같은 수식으로 표시된다.
[수학식 5]
Cop/Cos<-0.32+2.82/n‥(3)
이 (3)식의 조건을 충족시키도록, LiTaO3기판상에 사다리형 SAW 필터를 형성했을 경우, 현재 사용되고 있는 가변 이상기를 이용하여도, 비대역폭 3.7%이라는 광대역 주파수 가변폭을 갖는 발진 회로를 실현할 수 있다.
다음에 이 (3)식에 관해서, 주파수 등을 변경했을 경우의 실시예에 대해서 기술한다. 우선 중심 주파수의 의존성에 대해서 나타낸다. (3)식의 조건은 기판재료가 결정되면, 중심 주파수에 상관없이 성립하는 규칙이라고 할 수 있다.
이것을 구체적으로 나타내기 위해서, 동일한 LiTaO3기판상에 형성된 중심 주파수 2430MHz, Cop/Cos=0.3, n=3의 사다리형 SAW 필터를 이용한 발진 회로를 작성하였다.
도 16은 이 발진 회로의 제어 전압(Vt)과 발진 주파수의 관계 및 그 때의 발진 출력 전력과의 관계를 나타낸다. 동 도면에서 출력 전력이 -3dB로 떨어질 때 까지의 주파수 가변폭으로서 88MHz(2470-2382), 비대역폭으로 약 3.7%(88/2430)가 실현되고 있는 것을 알 수 있다.
도 17은 이 발진 회로의 제어 전압 Vt=10V일 때의 발진 스펙트럼을 나타낸다. 이것에 의해, 이조(離調) 50KHz, 분해 주파수 1KHz일 때의 C/N비로서, 70dB이상의 양호한 특성이 얻어지고 있다. 이것에 의해, (3)식의 설계 조건은 중심 주파수 의존성이 없는 것을 알 수 있다.
다음에, 접속 방법의 차이에 대해서 기술한다. 도 15에서는 다단화의 접속 방법으로서 도 12, 도 14와 같이 각단에서 반전하여 접속한 것을 이용하였지만, 도 18과 같은 반전하지 않는 정규 접속 방법을 이용하여도 좋다. 이 경우도 동일하게, (3)식을 충족시키도록 발진 회로를 구성할 수 있다.
또 도 2에 도시된 바와 같이 반전 접속한 것을 각 병렬 아암 및 각 직렬 아암에서 2개의 공진기를 1개로 합치게 되면 정규 접속 방법과 동일해진다. 이것에 대해서도 일본 특허 공개 공보 평성 05-183380호에 상세히 기술되어 있다.
예컨대 도 19에서는, 인접한 직렬 아암 공진기의 정전 용량의 비 Cop/Cos가 외관상 2배로 보인다. 그래서 이 경우는 도 2에 도시된 바와 같이 원래의 반전 접속으로 고친 상태의 Cop/Cos가 (3)식의 조건을 충족시키도록 설계할 필요가 있다.
또, 도 20과 같이 각 단에서 Cop나 Cos의 값이 일정하지 않은 경우도 있을 수 있지만, 이 경우는 각 단의 Cop/Cos의 산술 평균을 (3)식을 충족시키도록 설계하면 위상 특성이 크게 다른 경우는 없다. 즉, 단수를 n, 각 단 i에서의 Cop/Cos를 Copi/Cosi로 하면, 산술 평균한 Cop/Cos는 다음식으로 제공된다.
[수학식 6]
Figure kpo00032
또한, (3)식의 조건은 기판 재료를 변경시켜도 보편적으로 성립하는 것이다. 그래서, (3)식의 조건을 충족시켜, LiTaO3보다도 더욱 전기 기계 결합 계수가 큰 재료인 LiNbO3나 KNbO3를 이용하여 사다리형 SAW 필터를 형성하면, 더욱 큰 주파수 가변폭을 쉽게 얻을 수 있다.
예컨대, 36도~42도 Ycut LiTaO3로는 전기 기계 결합 계수가 약 5%, 64도 Ycut LiNbO3로는 11%, 41도 Ycut LiNbO3로는 17%이다. 주파수 가변폭은 이 전기 기계 결합 계수에 거의 비례하여 확대된다. 왜냐하면, 상기한 바와 같이 전기 기계 결합 계수에 비례하여, 반공진 주파수(fa)-공진 주파수(fr)가 증가하기 때문이다.
64도 Ycut LiNbO3를 이용하면, 비대역이 8.1%정도, 41도 Ycut LiNbO3를 이용하면, 12.6%의 발진 회로를 실현할 수 있다. 또, 근래 보고된 KNbO3[예컨대 야마노우치가즈히코등의 보고, 1997년 전자정보 통신학회 종합대회, A-11-8, p283]에서는 Y컷 X전파로 전기 기계 결합 계수가 53%가 된다고 일컫어지고 있다. 이것을 사용하면 비대역 약 40% 초광대역 발진 회로가 실현된다.
본 발명의 따르면, 사다리형으로 접속한 탄성 표면파 필터를 위상 추이형 발진 회로의 귀환 회로부에 이용하기 때문에, 넓은 주파수 가변폭을 갖는 발진 회로를 구성할 수 있다.
특히, 병렬 아암의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 반공진 주파수(fap)와, 직렬 아암의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 공진 주파수(frs)를 거의 일치시킴으로써, C/N이 높고, 넓은 주파수 가변폭을 갑는 발진 회로를 제공할 수 있다. 또한, 탄성 표면파 필터의 기판 재료로서 높은 전기 기계 결합 계수를 갖는 LiTaO3, LiNbO3, KNbO3를 이용하면, 비대역폭 3~40%이라는 종래에 없이 매우 넓은 주파수 가변폭을 갖는 발진 회로를 실현할 수 있다.

Claims (7)

  1. 공진 주파수가 상이한 제1 및 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 사다리형으로 접속한 탄성 표면파 필터를 귀환 회로부에 배치한 위상 추이형 발진 회로로써,
    상기 탄성 표면파 필터는 병렬 아암에 배치되면 미리 결정된 공진 주파수(frp)와 반공진 주파수(fap)를 각각 갖는 복수개의 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기와, 직렬 아암에 배치되며 반공진 주파수(fas)에 대략 일치하는 공진 주파수(frs)를 각각 갖는 복수개의 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 포함하고,
    상기 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기 및 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기는 수학식
    Cop/Cos<-0.32+2.82/n
    (상기 수학식에서, Cop는 상기 병렬 아암에서 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 정전 용량을 나타내고, Cos는 직렬 아암에서 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 정전 용량을 나타내며, n은 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기 및 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 한 쌍으로 하여 이들을 캐스케이드 접속한 경우의 단수를 나타냄)을 만족시키도록 설계된 것을 특징으로 하는 발진 회로.
  2. 공진 주파수가 상이한 제1 및 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 사다리형으로 접속한 탄성 표면파 필터를 귀환 회로부에 배치한 위상 추이형 발진 회로로써,
    상기 탄성 표면파 필터는 병렬 아암에 배치된 복수개의 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기와, 직렬 아암에 배치된 복수개의 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 포함하고,
    상기 직렬 아암에 배치된 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 공진 주파수(frs)는 상기 병렬 아암에 배치된 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 반공진 주파수(fap)보다 고주파수이고, 상기 공진 주파수(frs)와의 차 △f=fts-fap를 구격화한 값은 0보다 크고, 수학식
    Figure kpo00033
    (상기 수학식에서, Cop는 병렬 아암에서 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 정전 용량을 나타내고, Cos는 직렬 아암에서 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 정전 용량을 나타내고, γ는 용량비를 나타냄)에 의해 구해지는 α보다 작으며,
    상기 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기 및 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기는 수학식
    Cop/Cos<-0.32+2.82/n
    (상기 수학식에서, Cop는 상기 병렬 아암에서 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 정전 용량을 나타내고, Cos는 직렬 아암에서 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 정전 용량을 나타내며, n은 제1의 1 포트 탄성 표면파 공진기 및 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기를 한 쌍으로 하여 이들을 캐스케이드 접속한 경우의 단수를 나타냄)을 만족시키도록 설계된 것을 특징으로 하는 발진 회로.
  3. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 한 쌍의 제1및 제2의 1 포트 탄성 표면파 공진기의 Cop/Cos의 값이 각 단에 따라 다른 경우, 각 단의 Cop/Cos를 산술 평균한 값은 -0.32+2.82/n보다 작은 것을 특징으로 하는 발진 회로.
  4. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 탄성 표면파 필터는 통과 대역내의 위상 특성의 위상 변화가 0도내지 160도의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 발진 회로.
  5. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 탄성 표면파 필터는, LiTaO3, LiNbO3및 KNbO3으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 압전 단결정 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 발진 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 표면 탄성파 필터는 LiTaO3, LiNbO3및 KNbO3로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 압전 단결정 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 발진회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 표면 탄성파 필터는 LiTaO3, LiNbO3및 KNbO3로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 압전 단결정 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 발진회로.
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