(57)【要約】【課題】  リング共振器の共振周波数を、小型でかつ安定的に可変する技術と、発振周波数範囲が広く、小型でかつ安定した可変高周波発振器を提供すること。【解決手段】  可変リング共振器を用いて直列帰還形の可変高周波発振器１０を提供する。線路の電気長が１波長であるマイクロストリップ線路リング共振器１１を用い、高周波信号の入力側端１２を線路上に設ける一方、入力側端１２から電気長で半波長の位置にある点１４をＦＥＴの入力伝送線路に接続し、さらに入力側端１２から電気長で１／４波長の位置にある点に所定の特性インピーダンスのスタブ部１７を設けて構成する。該スタブ部は、可変キャパシタを介して接地する。可変キャパシタの容量の変更により、リング共振器の共振周波数や、高周波発振器の発振周波数を変化させる。【選択図】 図２
2006080697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線路の電気長が１波長であるマイクロストリップ線路リング共振器であって、
高周波信号の入力端子を、該マイクロストリップ線路上に設ける一方、
該入力端子から電気長で半波長の位置にある点を該半導体増幅素子の入力伝送線路に接続し、
さらに該入力端子から電気長で１／４波長の位置にある点に所定の特性インピーダンスのスタブ部を設け、該スタブ部は可変キャパシタを介して接地し、
該可変キャパシタの容量を変化させることで共振周波数を変更可能とした
ことを特徴とするリング共振器。
【請求項２】
前記可変キャパシタが、バラクタダイオードであって、
該バラクタダイオードへの印加電圧を調整することにより共振周波数を変更可能とした
請求項１に記載のリング共振器。
【請求項３】
発振周波数が可変であって、半導体増幅素子を用いた直列帰還形の高周波発振器において、
線路の電気長が１波長であるマイクロストリップ線路リング共振器を用い、
高周波信号の入力端子を、該マイクロストリップ線路上に設ける一方、
該入力端子から電気長で半波長の位置にある点を該半導体増幅素子の入力伝送線路に接続し、
さらに該入力端子から電気長で１／４波長の位置にある点に所定の特性インピーダンスのスタブ部を設け、該スタブ部は可変キャパシタを介して接地し、
該可変キャパシタの容量を変化させることで発振周波数を変更可能とした
ことを特徴とする可変高周波発振器。
【請求項４】
前記可変キャパシタが、バラクタダイオードであって、
該バラクタダイオードへの印加電圧を調整することにより発振周波数を変更可能とした
ことを特徴とする請求項３に記載の可変高周波発振器。
【請求項５】
前記可変高周波発振器において、半導体増幅素子がＦＥＴであって、
前記リング共振器をゲート回路に接続し、ソース回路からは発振信号を出力し、ドレイン回路には開放スタブを設けた
請求項３又は４に記載の可変高周波発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波又はマイクロ波等の高周波で用いるためのリング共振器と、それを用いた可変高周波発振器に関し、特に所望の共振周波数又は発振周波数を自在に得ることができる技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られているリング共振器として、特許文献１に開示されるリング共振器がある。
該技術によれば、ストリップ線路リング共振器において、線路長を等間隔に４分割した各点と結合回路を介して接続した４つの端子を設ける。そして、当該線路上の第１の点と線路長の１／２離れた位置にある第２の点との間に共振容量を接続し、かつ第１の点と線路長の１／４離れた位置にある第３の点と該第３の点と線路長１／２離れた位置にある第４の点との間に共振容量を接続する。
【０００３】
これにより、共振周波数を任意に設定できる直交する共振モードが利用できると共に、共振容量の容量値により周波数調整を容易に実現することができる等のメリットを有している。
しかしながら、該方法は、共振容量を接続する必要があり、より簡便に共振周波数を設定可能とすることで、小型化や共振周波数の安定化を図る必要がある。
【０００４】
【特許文献１】特許第3309454号
【０００５】
また、従来から高周波の発振回路として、トランジスタを用いた直列帰還発振器が知られている。該発振器で用いられる共振器としては、誘電体共振器やＹＩＧ共振器などがあり、前者が広く使われている。
例えば誘電体共振器の構造については特許文献２が開示されている。
【０００６】
【特許文献２】特開2003-283247号公報
【０００７】
誘電体共振器を用いた高周波発振器では、図１２に示すようにＦＥＴ（４０）の入力伝送線路（４１）の適当な位置に、ある程度の距離を離して誘電体共振器（４２）を配し、調整をしながら所望の発振周波数を決めている。
調整においては図１３に示すように、誘電体共振器（４２）を高周波回路基板（４３）より高い位置に置き、さらに発振器ジグ（４４）と誘電体共振器（４２）との間隔を導電性ネジで調整して発振周波数を調整する。
【０００８】
特許文献２にも開示されている通り、温度や圧力によっても共振周波数が変動するため、このような調整は経験と勘に頼らざるを得ないものである。図１２及び図１３におけるＸ、Ｙ、ｈ、ｄで示されるそれぞれの位置は、定量的に決められるものではなく、製造の困難性、高コスト化の原因となっていた。
【０００９】
さらに、図１４には高周波発振器の発振周波数を可能にする技術として、誘電体共振器（５０）と、λ／４のマイクロストリップ伝送線路（５１）とバラクタダイオード（５２）とを用いる電圧制御発振器の構成を示している。該技術では、誘電体共振器（５０）と半導体増幅素子（５３）の入力伝送線路（５４）の反対側に、伝送線路（５１）及びバラクタダイオード（５２）を取り付けている。そして、バラクタダイオード（５２）への印加電圧を調整することにより、発振周波数を可変に構成している。
【００１０】
しかしながら、本構成でも、上記のように誘電体共振器（５０）の位置調整により発振周波数を調整しなければならず、一定の発振周波数範囲を実現するためには経験と勘に頼らざるを得ない問題がある。また、発振周波数範囲を十分に広く取ることができなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて創出されたものであり、リング共振器の共振周波数を、小型でかつ安定的に可変する技術と、発振周波数範囲が広く、小型でかつ安定した可変高周波発振器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のようなリング共振器の構成を提供する。
すなわち、請求項１に記載の発明は、線路の電気長が１波長であるマイクロストリップ線路リング共振器であって、高周波信号の入力端子を、該マイクロストリップ線路上に設ける一方、該入力端子から電気長で半波長の位置にある点を該半導体増幅素子の入力伝送線路に接続し、さらに該入力端子から電気長で１／４波長の位置にある点に所定の特性インピーダンスのスタブ部を設け、該スタブ部は可変キャパシタを介して接地する。
これにより、可変キャパシタの容量を変化させることで共振周波数を変更可能としたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、上記において可変キャパシタが、バラクタダイオードであって、バラクタダイオードへの印加電圧を調整することにより共振周波数を変更可能としたリング共振器を提供するものである。
【００１４】
本発明は、可変高周波発振器を提供することもできる。すなわち、請求項３に記載の発明は、発振周波数が可変であって、半導体増幅素子を用いた直列帰還形の高周波発振器において、線路の電気長が１波長であるマイクロストリップ線路リング共振器を用い、高周波信号の入力端子を、該マイクロストリップ線路上に設ける一方、該入力端子から電気長で半波長の位置にある点を該半導体増幅素子の入力伝送線路に接続し、さらに該入力端子から電気長で１／４波長の位置にある点に所定の特性インピーダンスのスタブ部を設け、該スタブ部は可変キャパシタを介して接地することを特徴とする。
これにより、可変キャパシタの容量を変化させることで発振周波数を変更可能に構成することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、可変キャパシタが、バラクタダイオードであって、バラクタダイオードへの印加電圧を調整することにより発振周波数を変更可能とする。このように構成された可変高周波発振器は、電圧制御発振器として提供することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、前記の可変高周波発振器において、半導体増幅素子がＦＥＴであって、リング共振器をゲート回路に接続し、ソース回路からは発振信号を出力し、ドレイン回路には開放スタブを設けて可変高周波発振器を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１又は２の構成によれば、リング共振器の各特性インピーダンスの設定により定量的に共振周波数を設定することができ、特に可変キャパシタの容量を変更する簡便な構成により小型でかつ安定した共振器を提供することができる。特に請求項２の構成では電圧制御により、自在に共振周波数を変更することができる。
【００１８】
また、請求項３ないし５の構成によれば、上記のリング共振器を高周波発振器に適用することにより、小型で安定した可変高周波発振器の実現に寄与するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は下記に限定されるものではない。
まず本発明における共振周波数が可変なリング共振器の構造について説述する。リング共振器の第１の実施態様としては、図１に示すようマイクロストリップ線路で実現されたリング共振器（１）を挙げることができる。
【００２０】
該リング共振器（１）において、リングは通過周波数での電気長が１波長（λ）のマイクロストリップ線路であり、線路上には共振器の入力側端（２）と出力側端（３）が、電気長でλ／２離れた位置に設けられる。さらに、リング周上で入力側端（２）から電気長でλ／４離れた位置（４）に電気長でλ／４の長さのスタブ部（５）が接続されている。なお、以下の記載では線路長の記述においては、すべて電気長を意味するものとして説述する。
【００２１】
本発明では、スタブ部（５）には印加電圧により容量を可変可能な可変キャパシタとしてバラクタダイオード（９）の一端が連結されており、他端は接地されている。本構成により後述するように電圧により共振周波数を変更させることができるが、可変キャパシタとしてはバラクタダイオード（９）以外の周知のデバイスを用いることができる。
【００２２】
本構成によれば、通過帯城で２等分点の片側回路を切り離すことができ、伝送線路の間に通過周波数でλ／２長の伝送線路を形成できる。
図１において、このリング共振器（１）の上側リング部の特性インピーダンスをＺ1、下側リング部の特性インピーダンスをＺ2、開放スタブ（５）の特性インピーダンスをＺ3とすると、減衰極周波数ｆは次の数１によって求められる。
（数１）tan2θp=2(1+Z1/Z2) ×Z3/Z2
f=θp°／90°×f0 (GHz)   （f0は中心周波数）
【００２３】
例えば、リング共振器（１）を比誘電率３．５、基板厚１．６７ｍｍ、導体厚３５μｍ、誘電損失０．０２５の高周波回路基板において作成する。リングの実効半径は１５ｍｍで、開放スタブの長さは約２０ｍｍである。このときの各特性インピーダンスは、Ｚ1＝５０Ω、Ｚ2＝１３１．８Ω、Ｚ3＝２４．６Ωとした場合の周波数特性を測定した。
【００２４】
このときのリング共振器の高周波特性は図４に示す通りである。図において上側が通過特性で、下側が群遅延特性を示している。２ＧＨｚ帯における通過損失は、約０．２８ｄＢ、減衰極周波数は、約８００ＭＨｚと約３２００ＭＨｚであり、上記数２により求めた理論値（７９２ＭＨｚ、３２０８ＭＨｚ）とよく一致していることが分かる。また、比帯域は１００％を超えており、群遅延特性も、２ＧＨｚ±０．４ＧＨｚで１ｎｓ程度（一定）、ほぼ伝送線路の値である。
このように、リング共振器では急峻な減衰特性が得られる他、平坦な群遅延特性、平坦でロスの少ない通過帯域の周波数特性が特徴であり、従来の誘電体共振器に比して優れた特性を有する。
【００２５】
次に、リング共振器の各特性インピーダンスに係る減衰極周波数の解析について説述する。図５は、本リング共振器（１）におけるＳマトリクスを説明する図である。各ポート＃１〜＃３を図のように定めると、このときのＳマトリクスは数２で表される。
【数２】
2006080697.tif 000003
【００２６】
そして、図６のように該共振回路の入力側端と出力側端との間で２ポートのデバイスとして扱い、スタブ部の反射係数をΓとすると、このときのＳマトリクスは数３で表される。
【数３】
2006080697.tif 000004
【００２７】
そして、共振条件Ｓ21R＝０となるのはΓ＝ΓLであり、出力側整合ΓLは、数４で表される。
【数４】
2006080697.tif 000005
【００２８】
ここで、各特性インピーダンスがＺ1＝６２．３Ω、Ｚ2＝９０Ω、Ｚ3＝５０Ωであり、中心周波数６．５ＧＨｚを入力した場合の通過特性を測定した。この結果を図７に示す。
図７において、反射特性Ｓ11と通過特性Ｓ21を示しており、減衰極周波数は３．９ＧＨｚ及び９．１ＧＨｚとなっている。
【００２９】
またΓ及びΓLの周波数・位相特性を図８に示す。図８に見るように、減衰極周波数の値は、図８におけるΓ及びΓLの交点（Γ＝ΓL）における周波数であり、Γによって定まることが分かる。
このような特性を利用して、本発明ではスタブ部（５）にバラクタダイオード（９）を配設し、Γの特性を変化させるように構成した。
【００３０】
すなわち、可変キャパシタの容量Ｃ＝０ｐＦの場合には、上述のようにグラフ（３０）の特性を示し、減衰極周波数が３．９ＧＨｚ、９．１ＧＨｚとなるが、容量Ｃを変化させることで、グラフが移動し、Γ及びΓLの交点も変化する。
例えば、Ｃ＝０．２ｐＦの時には、３．３ＧＨｚ及び８．３ＧＨｚ、Ｃ＝０．５ｐＦの時には、２．９ＧＨｚ及び７．６ＧＨｚに変化する。
このように、本発明によればバラクタダイオード（９）への印加電圧を変化させることで、減衰極周波数が変化するように構成した。
【００３１】
次に、本リング共振器のＱ値について考察する。
一般的に、誘電体共振器は、そのＱ値が高いことから、誘電体共振器で安定化した発振器からの出力波形は、信号純度が高い特徴がある。従って、信号純度の指標の１つである位相雑音特性に優れている。このため、誘電体共振器安定化電圧制御発振器は、基準信号を作成する装置等に用いられることがある。
【００３２】
本発明に係るリング共振器のＱ値は数５によって表すことができる。数５に示されるように、Ｑ値は各特性インピーダンスによって決まり、本数式に基づくシミュレーション及び実証実験により、リング共振器のＱ値が十分に高いことが示されている。
【数５】
2006080697.tif 000006
【００３３】
以上の構成により、リング共振器の特性が変化するので、これを帯域フィルタとして利用すれば、例えば電圧制御により阻止帯域又は通過帯域の変化するフィルタを提供することができる。
その他、本発明に係るリング共振器は任意のデバイスに対して適用することができる。以下、可変高周波発振器として用いる場合につき説述する。
【００３４】
すなわち図２は本発明における可変高周波発振器（１０）であり、マイクロストリップ線路長が１波長のリング共振器（１１）を用いている。リング共振器（１１）の入力側端（１２）は５０Ω（１３）で終端し、出力側端（１４）は半導体増幅素子としてＦＥＴ（１５）のゲート回路（１６）に接続する。
【００３５】
リング共振器には図１の構成の通り、電気長で１／４波長のスタブ（１７）を設けており、上述したとおり、バラクタダイオード（１８）により共振周波数を変更可能としている。バラクタダイオード（１８）には図示しないＤＣ電源により印加電圧を入力する。
ＦＥＴ（１５）のソース回路（１９）からは発振信号を出力（２０）し、ドレイン回路（２１）には開放スタブ（２２）を設けている。
【００３６】
以上のように、本発明の高周波発振器は、従来の誘電体共振器を用いた構成では位置の決定が経験と勘に頼らざるを得ず、設計が困難かつ不安定であった問題点を解消し、各特性インピーダンスを定めることで定式的に設計が行えるようになった。
図３は、図２に示した高周波発振器（１０）による発振周波数特性を示す測定結果であり、設計値で９．２４ＧＨｚ〜９．３７ＧＨｚの周波数範囲とし、実測値として９．２６ＧＨｚ〜９．３５ＧＨｚの高周波発振を得た。
本発明は、このように十分な周波数範囲で、安定に高周波発振が可能な可変高周波発振器を提供することができる。またバラクタダイオードを設けるだけの構成であり、小型化、低コスト化にも寄与する。
【００３７】
上記で用いたリング共振器の他、図９及び図１０に示すようなリング共振器を用いることもできる。図９は図１で示した円形のリングに代えて矩形のリングを用いたリング共振器を示している。
本発明は、このようなリングの形状は問わず、電気長及びインピーダンスが同じであれば、どのように構成してもよい。
なお、入力端子及び出力端子に接続されているマイクロストリップ線路６及び７は信号の反射を抑えるために設けられているものであり、その特性インピーダンスＺ0は、数１からも分かるように、減衰極周波数には影響しない。
【００３８】
図１０はリング共振器の別実施例を示す模式図である。図１の構成と異なる点は、入力側端（２）からλ／４離れた位置（４）に接続されるスタブ部（５）の長さがλ／２であり、かつ、先端が接地されていることである。
図１における開放スタブ付リング共振器は、減衰極の周波数間隔を広くできるが、周波数がゼロのときに減衰が起きないのに対し、本短絡スタブ付リング共振器は、減衰極の周波数間隔を開放スタプの場合ほど広くできないが、周波数がゼロ（と通渦中心周波数の２倍の周波数）のとき、信号を通過させないという特徴がある。
【００３９】
図１１は、図１０のリングフィルタにおいて、Ｚ1＝５０Ω、Ｚ2＝１３１．８Ω、Ｚ3＝７０．７Ωにしたときの特性図（上側が通過特性で、下側が反射特性）である。通過中心周波数が２ＧＨｚのとき、減裳裾周波数が約１．４ＧＨｚと２．６ＧＨｚであり、開放スタブの場合（８００ＭＨｚと３．２ＧＨｚ）よりも間隔が狭いが、周波数ゼロの場合と４ＧＨｚ（通過中心周波数町置倍の周波数）においても減衰していることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係るリング共振器の１実施例の模式図である。
【図２】本発明の可変高周波発振器の構成図である。
【図３】本発明の可変高周波発振器による周波数特性図である。
【図４】リング共振器の高周波特性図である。
【図５】リング共振器のＳマトリクスを説明するための図である。
【図６】リング共振器のＳマトリクスを説明するための図である。
【図７】リング共振器の通過特性を示す図である。
【図８】Γ及びΓLの周波数・位相特性を示す図である。
【図９】本発明に係るリング共振器の別実施例１の模式図である。
【図１０】本発明に係るリング共振器の別実施例２の模式図である。
【図１１】本発明に係るリング共振器の別実施例２による周波数特性図である。
【図１２】従来の誘電体共振器の構成を説明する図である。
【図１３】従来の誘電体共振器の構成を説明する図である。
【図１４】従来の電圧制御可能な誘電体共振器の構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０    高周波発振器
１１    リング共振器
１２    入力側端
１３    ５０Ω終端
１４    出力側端
１５    ＦＥＴ
１６    ゲート回路
１７    スタブ部
１８    バラクタダイオード
１９    ソース回路
２０    発振出力
２１    ドレイン回路
２２    開放スタブ
【図１】
2006080697.tif 000007
【図２】
2006080697.tif 000008
【図３】
2006080697.tif 000009
【図４】
2006080697.tif 000010
【図５】
2006080697.tif 000011
【図６】
2006080697.tif 000012
【図７】
2006080697.tif 000013
【図８】
2006080697.tif 000014
【図９】
2006080697.tif 000015
【図１０】
2006080697.tif 000016
【図１１】
2006080697.tif 000017
【図１２】
2006080697.tif 000018
【図１３】
2006080697.tif 000019
【図１４】
2006080697.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月22日(2004.9.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2006080697.tif 000021
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2006080697.tif 000022