(57)【要約】【課題】位相雑音特性を劣化させることなく出力電力を増大可能な高周波発振器を得る。【解決手段】発振用の能動素子として用いられるバイポーラトランジスタ１と、バイポーラトランジスタ１のベース端子またはゲート端子に一端が接続されるとともに、他端が接地され、所定の発振周波数において誘導性を有するインダクタ２と、バイポーラトランジスタ１のコレクタ端子またはドレイン端子に一端が接続されるとともに、他端が接地され、発振周波数において誘導性を有するインダクタ３と、バイポーラトランジスタ１のエミッタ端子またはソース端子に一端が接続されるとともに、他端が接地され、発振周波数において容量性を有するキャパシタ４と、を備えた直列帰還型の高周波発振器であって、ベース端子またはゲート端子と、コレクタ端子またはドレイン端子との間に直列接続され、入力された信号の位相を変化させる移相回路５をさらに備えたものである。【選択図】図１
2011029753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振用の能動素子として用いられるトランジスタと、
前記トランジスタのベース端子またはゲート端子に一端が接続されるとともに、他端が接地され、所定の発振周波数において誘導性を有する第１のリアクタンス部と、
前記トランジスタのコレクタ端子またはドレイン端子に一端が接続されるとともに、他端が接地され、前記発振周波数において誘導性を有する第２のリアクタンス部と、
前記トランジスタのエミッタ端子またはソース端子に一端が接続されるとともに、他端が接地され、前記発振周波数において容量性を有する第３のリアクタンス部と、を備えた直列帰還型の高周波発振器であって、
前記ベース端子またはゲート端子と、前記コレクタ端子またはドレイン端子との間に直列接続され、入力された信号の位相を変化させる移相手段をさらに備えた
ことを特徴とする高周波発振器。
【請求項２】
前記移相手段は、伝送線路である
ことを特徴とする請求項１に記載の高周波発振器。
【請求項３】
前記伝送線路は、前記発振周波数に対してほぼ１／２波長の長さを有する
ことを特徴とする請求項２に記載の高周波発振器。
【請求項４】
前記移相手段は、外部から印加される制御電圧に応じて移相量が可変設定される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波発振器。
【請求項５】
前記第１のリアクタンス部、前記第２のリアクタンス部および前記第３のリアクタンス部のうち、少なくとも１つが共振回路である
ことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の高周波発振器。
【請求項６】
前記第１のリアクタンス部、前記第２のリアクタンス部および前記第３のリアクタンス部のうち、少なくとも１つが可変のリアクタンス素子を含む
ことを特徴とする請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の高周波発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主にマイクロ波帯またはミリ波帯で動作する高周波発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高周波発振器は、第１および第２の直列共振回路が並列に接続された並列共振回路と、並列共振回路と発振出力端子との間に挿入され、負性抵抗を有する能動素子とを備えている。第１の直列共振回路は、直列に接続されたインダクタおよびキャパシタから構成され、第２の直列共振回路は、直列に接続されたインダクタ、キャパシタおよびバラクタダイオードから構成される。なお、第２の直列共振回路において、バラクタダイオードに印加されるＤＣ電圧の大きさに応じて、共振周波数が可変設定される（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
上記の高周波発振器において、第１の直列共振回路の直列共振周波数を発振周波数よりも高く設定し、並列共振回路の並列共振周波数が発振周波数となるように、第２の直列共振回路の直列共振周波数を発振周波数よりも低く設定する。このとき、直列共振周波数と直列共振周波数とを互いに近づけることにより、発振周波数近傍における並列共振回路の位相の傾きを大きくすることができる。
したがって、発振周波数の近傍における並列共振回路の外部Ｑを顕著に増大させることができ、低位相雑音特性の高周波発振器を得ることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】川上憲司、外４名、“低位相雑音発振器に用いる２周波共振回路のＱ値解析”、２００６年１０月、電子情報通信学会、信学技報ＭＷ２００６−１１７、ｐ．５７−６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来の高周波発振器では、並列共振回路の外部Ｑを増大させることにより、位相雑音を低減している。ここで、並列共振回路の外部Ｑを高くすると、共振回路の損失が大きくなるのでループ利得が小さくなり、能動素子の利得抑圧量が小さくなる。
そのため、能動素子の出力電力が低い状態で共振回路の損失と能動素子の利得とが平衡することとなるので、発振電力が低くなるという問題があった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、位相雑音を劣化させることなく出力電力を増大させることができ、低位相雑音の発振器においても位相雑音特性を保ったまま高出力の高周波発振器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る高周波発振器は、発振用の能動素子として用いられるトランジスタと、トランジスタのベース端子またはゲート端子に一端が接続されるとともに、他端が接地され、所定の発振周波数において誘導性を有する第１のリアクタンス部と、トランジスタのコレクタ端子またはドレイン端子に一端が接続されるとともに、他端が接地され、発振周波数において誘導性を有する第２のリアクタンス部と、トランジスタのエミッタ端子またはソース端子に一端が接続されるとともに、他端が接地され、発振周波数において容量性を有する第３のリアクタンス部と、を備えた直列帰還型の高周波発振器であって、ベース端子またはゲート端子と、コレクタ端子またはドレイン端子との間に直列接続され、入力された信号の位相を変化させる移相手段をさらに備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る高周波発振器によれば、ベース端子またはゲート端子と、コレクタ端子またはドレイン端子との間に直列接続された移相手段は、入力された信号の位相を変化させる。これにより、コレクタ端子またはドレイン端子から出力された信号の一部を移相および帰還させることで、ベース端子またはゲート端子の電圧を増加させることができる。
そのため、位相雑音を劣化させることなく出力電力を増大させることができ、低位相雑音の発振器においても位相雑音特性を保ったまま高出力の高周波発振器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る高周波発振器を示す回路図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る高周波発振器の動作を示す説明図である。
【図３】一般的な直列帰還型発振器の等価回路図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る高周波発振器の別の移相回路を示す回路図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る高周波発振器のさらに別の移相回路を示す回路図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る高周波発振器を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の高周波発振器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
なお、以下の実施の形態では、トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いて説明するが、電界効果トランジスタを用いても同様のことがいえる。この場合には、バイポーラトランジスタのベース端子、コレクタ端子およびエミッタ端子と、電界効果トランジスタのゲート端子、ドレイン端子およびソース端子とを、それぞれ置き換えて解釈することができる。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る高周波発振器を示す回路図である。
図１において、この高周波発振器は、直列帰還型の高周波発振器であり、バイポーラトランジスタ１、インダクタ２（第１のリアクタンス部）、インダクタ３（第２のリアクタンス部）、キャパシタ４（第３のリアクタンス部）および移相回路５（移相手段）を備えている。なお、移相回路５は、ＤＣ電流を遮断するキャパシタ（図示せず）を含む構成となっている。
【００１２】
バイポーラトランジスタ１は、発振用の能動素子として用いられる。また、バイポーラトランジスタ１のベース端子は、インダクタ２を介して接地されている。また、バイポーラトランジスタ１のコレクタ端子は、インダクタ３を介して接地されている。また、バイポーラトランジスタ１のエミッタ端子は、キャパシタ４を介して接地されている。
このとき、インダクタ２、３は、所定の発振周波数において誘導性を有し、キャパシタ４は、所定の発振周波数において容量性を有する。
【００１３】
移相回路５は、ベース端子とコレクタ端子との間に直列接続され、入力された信号の位相を変化させる。具体的には、移相回路５は、例えば図２に示すように、発振周波数に対してほぼ１／２波長（λ／２）の長さを有するマイクロストリップ線路５１（伝送線路）で構成されている。
【００１４】
ここで、一般的な直列帰還型発振器について考える。図３は、一般的な直列帰還型発振器の概略の等価回路図である。
図３において、発振状態でのバイポーラトランジスタのベース端子のＲＦ電圧Ｖｂと、コレクタ端子のＲＦ電圧Ｖｃとの関係は、次式（１）で表される。
【００１５】
【数１】
2011029753.tif 000003
【００１６】
式（１）において、ベース・コレクタ間容量Ｃｂｃおよびエミッタ容量Ｃｅは、十分に小さいので、上記式（１）は、次式（２）のように近似することができる。
【００１７】
【数２】
2011029753.tif 000004
【００１８】
式（２）より、発振状態において、バイポーラトランジスタのベース端子のＲＦ電圧Ｖｂとコレクタ端子のＲＦ電圧Ｖｃとは、互いにほぼ逆相の関係になっていることが分かる。
そこで、コレクタ端子のＲＦ電圧の一部をほぼ１８０°移相させ、ベース端子のＲＦ電圧と同相にして合成することにより、ベース端子でのＲＦ電圧を増加させ、コレクタ端子から取り出される出力電力を増加させることができる。
【００１９】
図２に戻って、上述したように、マイクロストリップ線路５１は、発振周波数に対してほぼλ／２の長さを有するので、バイポーラトランジスタ１のコレクタ端子から出力された信号の一部をほぼ１８０°移相させて、この信号をベース端子に出力する。
この結果、ベース端子の信号電圧とコレクタ端子の信号電圧とが同相合成され、バイポーラトランジスタ１への高周波入力電圧が増加して、高周波発振器の出力電力が増大する。なお、このとき、移相回路５（マイクロストリップ線路５１）は、移相量に周波数特性を有し、周波数に対するループ位相の傾きが大きくなる傾向を与えるので、移相回路５を装荷することによって位相雑音特性が劣化することはない。
【００２０】
以上のように、実施の形態１によれば、ベース端子とコレクタ端子との間に直列接続された移相手段は、入力された信号の位相を変化させる。これにより、コレクタ端子から出力された信号の一部を移相および帰還させることで、ベース端子の電圧を増加させることができる。また、移相手段は、所定の発振周波数に対してほぼλ／２の長さを有する伝送線路で構成されている。
そのため、位相雑音を劣化させることなく出力電力を増大させることができ、低位相雑音の発振器においても位相雑音特性を保ったまま高出力の高周波発振器を得ることができる。
【００２１】
なお、上記実施の形態１では、移相手段として、所定の発振周波数に対してほぼλ／２の長さを有するマイクロストリップ線路５１を例に挙げて説明したが、これに限定されない。マイクロストリップ線路５１の代わりに、図４に示すような移相回路６０（移相手段）を用いて、入力された信号の位相を変化させてもよい。
【００２２】
図４は、この発明の実施の形態１に係る高周波発振器の別の移相回路６０を示す回路図である。
図４において、移相回路６０は、マイクロストリップ線路で構成された９０°ハイブリッド６１、バラクタダイオード６２、６３および高周波阻止チョークコイル６４、６５を有している。また、高周波阻止チョークコイル６４、６５のバラクタダイオード６２、６３と反対側には、外部から制御電圧Ｖθが印加される。また、９０°ハイブリッド６１には、第１端子７１、第２端子７２、第３端子７３および第４端子７４が設けられている。
【００２３】
９０°ハイブリッド６１の第１端子７１に入力された信号（マイクロ波）は、第２端子７２と第３端子７３とに、互いに９０°の位相差をもって分配され、これらの信号は、バラクタダイオード６２、６３でそれぞれ反射されて第４端子７４から同相で出力される。ここで、移相回路６０の移相量は、バラクタダイオード６２、６３の容量の関数となり、外部からの制御電圧Ｖθを変化させることによって、移相量を連続的に変化させることができる。
この場合には、発振周波数の変化に応じて移相量を変化させることにより、全発振帯域にわたってベース端子の信号電圧とコレクタ端子の信号電圧との同相合成が可能となる。
【００２４】
また、図２に示したマイクロストリップ線路５１に代えて、図５に示すような電界効果トランジスタ８０を移相回路として用いて、入力された信号の位相を変化させてもよい。
図５は、この発明の実施の形態１に係る高周波発振器のさらに別の移相回路（電界効果トランジスタ８０）を示す回路図である。
【００２５】
図５において、電界効果トランジスタ８０は、ドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間に遅延（移相）特性を有しており、ゲート（Ｇ）に印加するゲートバイアス電圧Ｖｇを変化させることによって、ドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間のチャネル長が変わり、移相量を連続的に変化させることができる。
この場合も、発振周波数の変化に応じて移相量を変化させることにより、全発振帯域にわたってベース端子の信号電圧とコレクタ端子の信号電圧との同相合成が可能となる。
【００２６】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る高周波発振器を示す回路図である。
図６において、バイポーラトランジスタ１のベース端子は、図１に示したインダクタ２に代えて、共振回路６（第１のリアクタンス部）が接続されている。ここで、共振回路６は、例えばマイクロストリップ線路で構成されている。なお、その他の構成は、図１と同様なので、説明を省略する。
【００２７】
以上のように、実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、第１のリアクタンス部、第２のリアクタンス部および第３のリアクタンス部のうち、少なくとも１つを共振回路とすることにより、位相雑音を低減することができる。
【００２８】
なお、共振回路６を、バラクタダイオード（可変のリアクタンス素子）を含む構成とすることにより、この高周波発振器を電圧制御発振器として用いてもよい。
この場合も、上記実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  バイポーラトランジスタ、２、３  インダクタ、４  キャパシタ、５  移相回路（移相手段）、６  共振回路、５１  マイクロストリップ線路（伝送線路）、６０  移相回路（移相手段）、６１  ９０°ハイブリッド（伝送線路）、８０  電界効果トランジスタ（移相手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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