(57)【要約】【課題】  高周波発振器においてその発振周波数を定量的に設計可能とし、小型で発振周波数の安定した高周波発振器の技術を提供すること。【解決手段】  直列帰還形の高周波発振器１０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。【選択図】 図２
2006080696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
該高周波発振器における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て構成される
ことを特徴とする高周波発振器。
【請求項２】
前記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１に記載の高周波発振器。
【請求項３】
前記スタブ部が、
電気長で１／４波長の開放スタブである
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波発振器。
【請求項４】
前記スタブ部が、
電気長で半波長のスタブであって、他端が接地される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波発振器。
【請求項５】
前記リング共振器における半波長の線路のうち、前記スタブ部が接続されていない側の線路のインピーダンスをＺ1、前記入力端子から前記スタブ部までの１／４波長の線路のインピーダンスをＺ2、前記スタブ部のインピーダンスをＺ3とした時に、次式により該リング共振器の減衰極周波数fを定めて所望の発振周波数を得る請求項１ないし４のいずれかに記載の高周波発振器。
（式）tan2θp=2(1+Z1/Z2) ×Z3/Z2
f=θp°／90°×f0 (GHz)   （f0は中心周波数）
【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発振器に関し、特にマイクロストリップ線路を用いた高周波発振器の構成に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
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１が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開2003-283247号公報
【０００４】
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。
【０００５】
特許文献１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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、高周波発振器においてその発振周波数を定量的に設計可能とし、小型で発振周波数の安定した高周波発振器の技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような高周波発振器の構成を提供する。
すなわち、請求項１に記載の高周波発振器は、半導体増幅素子を用いた直列帰還形の高周波発振器である。該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、該高周波発振器における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、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て構成する。
【０００８】
また、請求項２に記載の高周波発振器は、上記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たことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記スタブ部が、電気長で１／４波長の開放スタブとしてもよい。また、前記スタブ部が、電気長で半波長のスタブであって、他端が接地される構成でもよい。
【００１０】
請求項５に記載の発明では、前記リング共振器における半波長の線路のうち、前記スタブ部が接続されていない側の線路のインピーダンスをＺ1、前記入力端子から前記スタブ部までの１／４波長の線路のインピーダンスをＺ2、前記スタブ部のインピーダンスをＺ3とした時に、次式により該リング共振器の減衰極周波数fを定めて所望の発振周波数を得ることを特徴とする。
（式）tan2θp=2(1+Z1/Z2) ×Z3/Z2
f=θp°／90°×f0 (GHz)   （f0は中心周波数）
【発明の効果】
【００１１】
本発明の以上の構成によれば、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発振周波数を設定することができ、また誘電体共振器を用いる構成よりもシンプルでかつ小型化が実現することができる。
特に、発振器の製造コストの抑制と、発振周波数の安定に寄与した技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
まず本発明に用いる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。
【００１３】
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の長さの開放スタブ（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。
【００１４】
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）
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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】
2006080696.tif 000003
【００１８】
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】
2006080696.tif 000004
【００１９】
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】
2006080696.tif 000005
【００２０】
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。またΓ及びΓLの周波数・位相特性を図８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。
これらの周波数は、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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】
2006080696.tif 000006
【００２３】
リング共振器は以上のような特徴を有するものであり、本発明はこのリング共振器を高周波発振器に用いることを提案する。
すなわち図２は本発明における高周波発振器（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。
【００２４】
リング共振器には図１の構成の通り、電気長で１／４波長の開放スタブ（１７）を設けており、上述したとおり、この特性インピーダンス及びリング共振器の各特性インピーダンスの値を設定することによって発振周波数を、定式化し、設計することができる。
【００２５】
ＦＥＴ（１５）のソース回路（１８）からは発振信号を出力（１９）し、ドレイン回路（２０）には開放スタブ（２１）を設けている。
【００２６】
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、設定周波数を８．９６ＧＨｚとしたときに、実測値として８．９３ＧＨｚの発振を得た。
本発明はこのように急峻でかつ高精度な高周波発振器を提供できる技術である。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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】
【００３０】
【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】本発明の高周波発振器の構成図である。
【図３】本発明の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。
【符号の説明】
【００３１】
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    開放スタブ
１８    ソース回路
１９    発振出力
２０    ドレイン回路
２１    開放スタブ
【図１】
2006080696.tif 000007
【図２】
2006080696.tif 000008
【図３】
2006080696.tif 000009
【図４】
2006080696.tif 000010
【図５】
2006080696.tif 000011
【図６】
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【図７】
2006080696.tif 000013
【図８】
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【図９】
2006080696.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
2006080696.tif 000017
【図１２】
2006080696.tif 000018
【図１３】
2006080696.tif 000019