(57)【要約】【課題】小型でしかもＱ値を向上させることが可能な周波数可変共振器を提供すること。【解決手段】本発明一例の周波数可変共振器は、交流電源に一端を接続された第１のインダクタと、前記交流電源の他端にカソード端子を接続され、所定の直流電圧を印加される可変容量ダイオードと、この可変容量ダイオードのアノード端子に一端を接続され、他端を前記第１のインダクタの他端に接続され前記可変容量ダイオードに印加される逆バイアス電圧をカットする第１のコンデンサとからなる直列共振回路と、並列接続された第２のインダクタ及び第２のコンデンサからなり、前記第１のインダクタと第１のコンデンサとの接続点に一端を接続され、他端を前記可変容量ダイオードのカソード端子に接続され、前記直列共振回路の共振周波数とほぼ同じ共振周波数を有する並列共振回路と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に一端を接続された第１のインダクタと、前記交流電源の他端にカソード端子を接続され、所定の直流電圧を印加される可変容量ダイオードと、この可変容量ダイオードのアノード端子に一端を接続され、他端を前記第１のインダクタの他端に接続され前記可変容量ダイオードに印加される逆バイアス電圧をカットする第１のコンデンサとからなる直列共振回路と、
並列接続された第２のインダクタ及び第２のコンデンサからなり、前記第１のインダクタと第１のコンデンサとの接続点に一端を接続され、他端を前記可変容量ダイオードのカソード端子に接続され、前記直列共振回路の共振周波数とほぼ同じ共振周波数を有する並列共振回路と、
を有することを特徴とする周波数可変共振器。
【請求項２】
前記並列共振回路は、誘電体共振器であることを特徴とする請求項１記載の周波数可変共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧制御発振器などに用いられる周波数可変共振器のＱ値改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧を制御して周波数選択性を可変するためには、バリキャップ (variable capacitance diode)、またはバラクタ (varactor diode)と呼ばれる可変容量ダイオードがよく用いられる。この可変容量ダイオードは、電圧を逆方向に印加した場合にPN接合の空乏層の厚みが変化することにより、静電容量（接合容量）を変化させることができる。可変容量ダイオードは機械的な部分がないため信頼性が高く電圧制御発振器（VCO : Voltage Controlled Oscillator）や電圧可変フィルタに広く用いられており、テレビ受像器や携帯電話などには欠かせない部品である。
【０００３】
従来の周波数可変共振器の回路構成の一例を図４に示す。図４において、インダクタＬ１とコンデンサＣ１と可変容量ダイオードＤ１とが直列に接続されており、これらに信号源Ｖ１の交流電圧が印加される。また、コンデンサＣ１と可変容量ダイオードＤ１の接続点には、可変容量ダイオードＤ１の容量を電圧によって可変するための制御電圧源Ｖ２が抵抗Ｒ１を介して接続される。コンデンサＣ１は制御電圧源Ｖ２のバイアスをカットする目的で配置される。
【０００４】
インダクタＬ１とバイアスカットコンデンサＣ１との接続点を測定点ＭＰとし、この測定点の共振特性をシミュレーションした特性を図５に示す。このときのインダクタＬ１の値は３３０μＨ、バイアスカットコンデンサＣ１の値は１μＦ、バイアス抵抗Ｒ１は１００ＭΩとした。可変容量ダイオードＤ１には、例えば東芝製可変容量ダイオード１ＳＶ１４９を用い、制御電圧源Ｖ２から制御電圧として４．６７Ｖの逆バイアス電圧ＶＲを印加する。逆バイアス電圧ＶＲが４．６７Ｖの時、代表的な１ＳＶ１４９では、約７６．８ｐＦの容量を有する。
【０００５】
図６は、可変容量ダイオードＤ１（１Ｓ１４９）に印加する逆バイアス電圧ＶＲと、容量の関係を示した図である（非特許文献１より抜粋）。図６に示すように、この可変容量ダイオード１Ｓ１４９は、逆バイアス電圧ＶＲを１Ｖから８Ｖまで変化すると、おおよそ５００ｐＦから２５ｐＦまで容量を変化させることが可能である。
【０００６】
可変容量ダイオードの逆バイアス電圧ＶＲが４．６７Ｖの時の共振特性を図５に示す。縦軸は、信号源Ｖ１に対する測定点ＭＰの電圧比をＡＣ解析しデシベルで表示したものであり実線の曲線で示す。横軸は周波数を表している。このときのＱ値（Quality Factor）は、およそ１５００でありＡＭチューナ等の同調用では十分な特性が得られる。また、点線で示す曲線は位相特性を示し、右側の副軸により角度を表示する。
【０００７】
Ｑ値は媒質の吸収によるエネルギーの減少を表す指標値である。このＱ値は、一周期の振動の間に系に蓄えられるエネルギーを系から散逸するエネルギーで割ったもので、この値が大きいほど振動が安定であることを意味する。Ｑ値は具体的には、次式で定義される無次元数である。
【０００８】
Ｑ＝ω0 ／（ω2−ω1）
ここで、ω0はそれぞれ共振ピークでの共振周波数、ω1は共振ピークの左側において振動エネルギーが共振ピークの半値となる周波数、ω2は共振ピークの右側において振動エネルギーが半値となる周波数である。ここでω2−ω1は半値幅と呼ばれる。
【０００９】
図７は、可変容量ダイオードＤ１（１Ｓ１４９）に印加する逆バイアス電圧ＶＲとＱ値の関係を示したものである。図７によれば、制御電圧源Ｖ２の逆バイアス電圧ＶＲが１Ｖから８Ｖの変化に対して、得られるＱ値は４００から３０００程度まで大きく変化することがわかる。これは、可変容量ダイオードＤ１の内部抵抗によりＱ値の低下をもたらすためである。
【００１０】
共振器のＱ値の低下は発振器に使用した場合、位相雑音特性を悪化させるという問題がある。したがって、例えば計測用や通信用に使用される共振器の性能は、Ｑ値が高く、位相雑音が低いことが要求される。
【００１１】
図８は、制御電圧源Ｖ２の逆バイアス電圧ＶＲが２Ｖから８Ｖのときの周波数可変特性を示している。図８によれば、逆バイアス電圧ＶＲを２Ｖから８Ｖに変化させることにより、共振周波数を約０．５ＭＨｚから１．９ＭＨｚまで変化させることが可能であることが理解される。
【００１２】
良好な位相雑音を得るために、例えば可変容量ダイオードのバイアス供給点に電気長の異なる２つの先端オープンストリップライン共振器を並列接続したものが知られている。（特許文献１参照）
しかしながら、特許文献１開示の技術では、マイクロストリップ上に形成したオープンスタブを利用した共振器を利用しており、オープンスタブの大きさは波長λの４分の１程度の大きさが必要となる。したがって、使用する周波数が低い場合には共振器のサイズが大きくなってしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−２７７９３８号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】「東芝可変容量ダイオード  シリコンエピタキシャルプレーナ形（１ＳＶ１４９）」データシート、２００２−０１−１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、小型でしかもＱ値を向上させることが可能な周波数可変共振器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】
【００１６】
本発明の一態様によれば、交流電源に一端を接続された第１のインダクタと、前記交流電源の他端にカソード端子を接続され、所定の直流電圧を印加される可変容量ダイオードと、この可変容量ダイオードのアノード端子に一端を接続され、他端を前記第１のインダクタの他端に接続され前記可変容量ダイオードに印加される逆バイアス電圧をカットする第１のコンデンサとからなる直列共振回路と、並列接続された第２のインダクタ及び第２のコンデンサからなり、前記第１のインダクタと第１のコンデンサとの接続点に一端を接続され、他端を前記可変容量ダイオードのカソード端子に接続され、前記直列共振回路の共振周波数とほぼ同じ共振周波数を有する並列共振回路と、を有することを特徴とする周波数可変共振器を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、Ｑ値を向上させることが可能な周波数可変共振器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る周波数可変共振器の回路図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る周波数可変共振器の共振特性である。
【図３】本発明の一実施形態に係る周波数可変特性である。
【図４】従来の周波数可変共振器の回路図である。
【図５】従来の周波数可変共振器の共振特性である。
【図６】可変容量ダイオード（１Ｓ１４９）の逆バイアス電圧に対する容量の関係を示す図である。
【図７】従来の周波数可変共振器の制御電圧（逆バイアス電圧）に対するＱ値の変化を示す例である。
【図８】従来の周波数可変共振器の周波数可変特性である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る周波数可変共振器の回路図である。図１において、この周波数可変共振器は、直列共振回路ＳＲと並列共振回路ＰＲからなる。
【００２０】
直列共振回路ＳＲは、交流電源ＡＣに一端を接続された第１のインダクタＬ１と、交流電源ＡＣの他端にカソード端子を接続され、所定の直流電圧を印加される可変容量ダイオードＤ１と、第１のインダクタＬ１の他端と可変容量ダイオードＤ１のアノード端子に接続され可変容量ダイオードＤ１に印加されるバイアス電圧をカットする第１のコンデンサＣ１とからなる。
【００２１】
一方、並列共振回路ＰＲは、並列接続された第２のインダクタＬ２及び第２のコンデンサＣ２とからなり、この並列共振回路の一端は、第１のインダクタＬ１と第１のコンデンサＣ１との接続点に接続され、他端は可変容量ダイオードＤ１のカソード端子に接続されている。
【００２２】
すなわち、第１のインダクタＬ１と第１のコンデンサＣ１と可変容量ダイオードＤ１とが直列に接続されており、これらの直列回路に信号源Ｖ１による交流電圧が印加されている。また可変容量ダイオードＤ１には、ダイオードＤ１の容量を直流電圧によって可変するための制御電圧源Ｖ２が抵抗Ｒ１を介して接続される。
【００２３】
第１のコンデンサＣ１は制御電圧源Ｖ２のバイアスをカットするために設けられており、第１のインダクタＬ１と第１のコンデンサＣ１との接続点を測定点ＭＰ２とする。この測定点ＭＰ２とグランドとの間に、第２のインダクタＬ２と第２のコンデンサＣ２からなる並列共振回路ＰＲが接続されている。
【００２４】
それぞれの素子の値は、先に示した図５と特性の比較がしやすいように、同一素子に対しては同じ値を設定する。例えば、第１のインダクタＬ１の値を３３０μＨ、第１のコンデンサＣ１の値を１μＦ、バイアス抵抗Ｒ１の値を１００ＭΩとする。可変容量ダイオードＤ１には、例えば東芝製可変容量ダイオード１ＳＶ１４９を用いる。
【００２５】
図６に示すように、逆バイアス電圧ＶＲを１Ｖから８Ｖまで変化させると、この可変容量ダイオード１ＳＶ１４９は、おおよそ５００ｐＦから２５ｐＦまで容量を変化させることが可能である。図２では、制御電圧源Ｖ２からＶＲ＝４．６７（Ｖ）の逆バイアス電圧を印加する。代表的な１ＳＶ１４９では、このとき約７６．８ｐＦの容量を有する。
【００２６】
測定点ＭＰ２に並列に挿入する並列共振回路ＰＲのインダクタＬ２の値を３３μＦ、コンデンサＣ２の値を７６８ｐＦとする。このインダクタＬ２とコンデンサＣ２で構成される並列共振回路の共振周波数は、インダクタＬ１と可変容量ダイオードＤ１で構成される直列共振周波数とをほぼ一致させておく。これは、直列共振回路の設定周波数にてＱ値を向上させるためである。
【００２７】
本実施形態で行ったシミュレーションでは、共振周波数を約１ＭＨｚとなるように設定した。ここでは、第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＬ２の比をＬ１：Ｌ２＝１０：１としている（可変容量ダイオードＤ１の容量と第２のコンデンサＣ２の比Ｄ１：Ｃ２＝１：１０）。
【００２８】
図２は、上記のパラメータを設定した時の周波数可変共振器の共振特性である。ここで縦軸は、信号源Ｖ１に対する測定点ＭＰ２の電圧比をデシベルで表示したものであり、実線の曲線で示す。また横軸は周波数を表している。また、点線で示す曲線は位相特性を示しており、右の副軸により角度を表示する。
【００２９】
このように、並列共振回路を追加することにより、可変容量ダイオードＤ１の内部抵抗の影響を相対的に小さくすることができ、Ｑ値が大幅に向上することが理解される。
【００３０】
これは、共振周波数近傍の周波数点において、１周期の間に並列共振回路に蓄えられるエネルギーを直列共振回路に蓄えられるエネルギーより大きくすることができるからであり、回路全体の共振器としてのＱ値が向上する。
【００３１】
図３は制御電圧源Ｖ２の逆バイアス電圧ＶＲを２Ｖから８Ｖまで変化させたときの周波数可変特性を示している。図２に示したように、本実施形態の並列共振回路を付加することでＱ値の向上が得られ、更に図３で示すように、周波数可変幅は約０．９ＭＨｚから１．０５ＭＨｚまでと狭くなるが、周波数範囲を限定した用途で使用することができる。
【００３２】
なお、本実施形態では並列共振回路をコンデンサＣ２とインダクタＬ２とで構成した集中定数回路を用いたが誘電体共振器のような共振器を用いてもよい。
【００３３】
本実施形態によれば、Ｑ値の低下をもたらす可変容量ダイオードＤ１の内部抵抗の影響を低減し、周波数可変共振器のＱ値を向上させることが可能となる。
【００３４】
また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を構成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。本発明の技術思想を用いる限りこれらの変形例も本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００３５】
Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ、
Ｄ１…可変容量ダイオード、
Ｌ１、Ｌ２…インダクタ、
ＲＶ…可変抵抗、
Ｒ１…抵抗、
ＭＰ、ＭＰ２…測定点、
Ｖ１…信号源、
Ｖ２…制御電圧源。
【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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【図７】
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【図８】
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