(57)【要約】【課題】  マイクロストリップラインから成る平面型の共振器を有する電圧制御発振器において、ＤＣカット回路にキャパシタ、所望の周波数にて１／４波長の線路長を有する結合線路等を用いた場合、キャパシタの製造及び実装ばらつきにより電圧制御発振器の発振周波数のばらつきが大きくなる、またはサイズが大きくなる等の問題があった。【解決手段】  マイクロストリップラインから成る平面型の共振器の長手方向に沿ってスリットを設けることで、バラクタダイオードに印加する制御電圧と能動素子に印加するバイアス電圧を分離するＤＣカット回路を形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同じ長さの複数のマイクロストリップラインをそれぞれ並列に配置してなるマイクロストリップライン共振器と、
上記マイクロストリップライン共振器の一つの線路に接続された可変容量素子を有する並列共振回路と、
上記マイクロストリップライン共振器の他の一つの線路に接続された入出力端子と、
を備え、
上記マイクロストリップライン共振器は、それぞれの線路の間に、当該共振器の共振周波数の波長の８分の１よりも狭い隙間を長手方向に沿って形成した共振回路。
【請求項２】
上記マイクロストリップライン共振器は、同じ長さの２つのマイクロストリップラインを並列に配置して、上記２つのマイクロストリップ線路の間に、当該共振器の共振周波数の波長の８分の１よりも狭い隙間を長手方向に沿って形成した請求項１に記載の共振回路。
【請求項３】
上記マイクロストリップライン共振器は所望の共振周波数において２分の１波長の電気長を有する両端開放の共振器であることを特徴とする請求項１または２に記載の共振回路。
【請求項４】
上記並列共振回路は、バラクタダイオードと、
上記バラクタダイオードと直接に接続されて直列共振器を構成するインダクタと、
上記バラクタダイオードとインダクタからなる直列共振器を、上記マイクロストリップライン共振器の一つの線路に接続する９０°インバータと、
により構成されたことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の共振回路。
【請求項５】
上記インダクタは、マイクロストリップ線路で形成されることを特徴とする請求項４に記載の共振回路。
【請求項６】
上記請求項１から５の何れかに記載の共振回路を備えたことを特徴とする電圧制御発振器。
【請求項７】
上記請求項１から５の何れかに記載の共振回路と、
反射利得を有した能動素子または能動回路と、
上記共振回路の入出力端子と上記能動素子または能動回路とを接続するループ位相調整用線路とを備えたことを特徴とする電圧制御発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイクロストリップラインから成る平面型の共振器を有する共振回路、およびその共振回路を備えた電圧制御発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロストリップラインから成る平面型の共振器を有した電圧制御発振器は、小型化が可能であることから、通信装置、レーダ装置等に広く利用されている（例えば、非特許文献１参照）。当該電圧制御発振器は、バラクタダイオードと能動素子が導体により接続されている。このバラクタダイオードに印加する制御電圧と能動素子に印加するバイアス電圧を分離するため、両者の間にＤＣカット回路が配置されている。また、当該電圧制御発振器は、バラクタダイオードと能動素子の間に、９０°インバータを有した同調回路とループ位相調整用の線路が配置される。この９０°インバータ上またはループ位相調整用の線路上に、上記のＤＣカット回路が配置される。ループ位相調整用の線路はループ位相が所望の周波数にて０°となる線路長とし、９０°インバータは所望の周波数において１／４波長の線路長として、バラクタダイオードとインダクタにより構成される直列共振器を並列共振器に変換するように構成される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】西田、水谷、津留、川上、檜枝、“デュアルタップ結合型線路共振器を用いた低雑音ＶＣＯ”、信学技報、ｖｏｌ．１０８、ｎｏ．１３、ＭＷ２００８−２９、ｐｐ．８３―８６、２００８年５月．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般にＤＣカット回路としては、キャパシタ、または所望の周波数にて１／４波長の線路長を有する結合線路等が用いられる。しかしながら、キャパシタには製造ばらつきや実装ばらつきが大きいという問題がある。これらのばらつきがループ位相の誤差となり、電圧制御発振器の発振周波数のばらつきに繋がる。また、キャパシタの代わりにばらつきの小さい結合線路を用いると電気長として１／４波長の線路を用いるためサイズが大きくなる問題が生じる。
【０００５】
この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、マイクロストリップラインから成る平面型の共振器を有した電圧制御発振器において、キャパシタのようにループ位相のばらつきを大きくすることなく、また結合線路のようにサイズを大きくすることなく、ＤＣカット回路を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明による共振回路は、バラクタダイオードと、上記バラクタダイオードと直接に接続されて直列共振器を構成するインダクタと、同じ長さの複数のマイクロストリップラインをそれぞれ並列に配置してなるマイクロストリップライン共振器と、上記バラクタダイオードとインダクタからなる直列共振器を、上記マイクロストリップライン共振器の一つの線路に接続する９０°インバータと、上記マイクロストリップライン共振器の他の一つの線路に接続された入出力端子と、を備え、上記マイクロストリップライン共振器は、それぞれの線路の間に、当該共振器の共振周波数の波長の８分の１よりも狭い隙間を長手方向に沿って形成したものである。
【０００７】
また、この発明による電圧制御発振器は、上記共振回路と、反射利得を有した能動素子または能動回路と、上記共振回路の入出力端子と上記能動素子または能動回路を接続するループ位相調整用線路とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、キャパシタのようにループ位相のばらつきを大きくすることなく、また所望の周波数にて１／４波長の線路長を有する結合線路のようにサイズを大きくすることなく、ＤＣカット回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１による共振回路を有した電圧制御発振器の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１による共振回路の有するマイクロストリップライン共振器の構造を示す斜視図である。
【図３】実施の形態２による共振回路を有した電圧制御発振器の構成を示す図である
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による共振回路を有した電圧制御発振器の構成を示す図である。図１において、並列共振回路７０は、可変容量素子としてのバラクタダイオード１、インダクタ２、バラクタダイオード制御電圧端子３、チョークコイル４、９０°インバータ５からなる。バラクタダイオード１は他の可変容量素子であっても良い。共振回路５０は、並列共振回路７０、スリット付きのマイクロストリップライン共振器６、入出力端子３０を備えている。また、実施の形態１による電圧制御発振器は、共振回路５０、共振回路５０の入出力端子３０に接続されるループ位相調整用線路７、能動回路９、チョークコイル４０、チョークコイル６０、キャパシタンス４５ａ，４５ｂ、能動素子バイアス電圧端子８ａ，８ｂ、出力端子２０から構成される。能動回路９は、チョークコイル４０を介して能動素子バイアス電圧端子８ａに接続され、チョークコイル６０を介して能動素子バイアス電圧端子８ｂに接続されている。能動回路９は、能動素子を備えており能動素子バイアス電圧端子８ａ，８ｂからＤＣ電圧が供給されて駆動し、反射利得を有する。バラクタダイオード１、インダクタ２、バラクタダイオード制御電圧端子３、チョークコイル４、９０°インバータ５は同調回路を構成し、共振周波数または発振周波数を制御する。共振回路５０と能動回路９はループ位相調整用線路７により接続されて電圧制御発振器を構成する。
【００１１】
図１において、バラクタダイオード１の一端部はグランドに接地され、他端部はインダクタ２の一端部に接続される。チョークコイル４の一端部はバラクタダイオード制御電圧端子３に接続され、チョークコイル４の他端部は９０°インバータ５の一端部に接続される。インダクタ２の他端部はチョークコイル４の他端部に接続されて、チョークコイル４の他端部と並列に９０°インバータ５の一端部に接続される。ここでは、バイアス回路をチョークコイル４で構成しているが、所望周波数における波長の４分の１の電気長を有した線路を用いて構成しても良く、また電流の小さい場合は高抵抗で構成しても良い。また、直列共振器を構成するインダクタ２は、マイクロストリップ線路で形成されても良い。
【００１２】
９０°インバータ５の他端部は、マイクロストリップライン共振器６の一つの線路６ａに接続される。ここで、９０°インバータ５の他端部は、マイクロストリップライン共振器６の基本波周波数ｆ０におけるショート点となる中間位置からθ２の位置において、タップ結合で一つの線路６ａに接続されている。また、入出力端子３０はマイクロストリップライン共振器６の他の線路６ｎにタップ結合で接続されている。
【００１３】
ループ位相調整用線路７の一端部は、入出力端子３０を介して、マイクロストリップライン共振器６の他の線路６ｎに接続される。ここで、ループ位相調整用線路７の一端部は、マイクロストリップライン共振器６の基本波周波数ｆ０におけるショート点となる中間位置からθ１の位置において、タップ結合で他の線路６ｎに接続されている。ループ位相調整用線路７の他端部は能動回路９の一端部に接続され、能動回路９の他端部は出力端子２０に接続される。チョークコイル４０の一端部は、ループ位相調整用線路７の他端部に接続されて、ループ位相調整用線路７の他端部と並列に能動回路９の一端部に接続される。チョークコイル４０の他端部は能動素子バイアス電圧端子８ａとキャパシタンス４５ａに並列に接続される。キャパシタンス４５aの他端部はグラウンドに接地されている。チョークコイル６０の一端部は、能動回路９の他端部に接続される。チョークコイル６０の他端部は能動素子バイアス電圧端子８ｂとキャパシタンス４５ｂに並列に接続される。キャパシタンス４５ｂの他端部はグラウンドに接地されている。ここでは、バイアス回路をチョークコイル４０とチョークコイル６０で構成しているが、所望周波数における波長の４分の１の電気長を有した線路を用いて構成しても良く、また電流の小さい場合は高抵抗で構成しても良い。
【００１４】
ここで、能動回路９は、ループ位相調整用線路７を介してマイクロストリップライン共振器６の基本波周波数ｆ０におけるショート位置から所定の位相雑音に基づいて選定された波長分θ１隔てた位置でマイクロストリップライン共振器６に接続され、バラクタダイオード１とインダクタ２により構成される直列共振器は、９０°インバータ５を介してマイクロストリップライン共振器６の基本波周波数ｆ０におけるショート位置から所定の周波数同調範囲に基づいて選定された波長分θ２隔てた位置でマイクロストリップライン共振器６に接続される。これにより、θ１とθ２を別々に設定することができるので、位相雑音と周波数同調範囲の設定の自由度を高めた電圧制御発振器を得られる効果がある。
【００１５】
バラクタダイオード１は、可変容量として作用し、直列に接続されたインダクタ２と共に直列共振器を構成する。また、バラクタダイオード１は、バラクタダイオード制御電圧端子３からチョークコイル４を介して供給されるバラクタダイオード制御電圧に応じてその容量値が増減する。これによりバラクタダイオード１とインダクタ２により構成される直列共振器の共振周波数が変化することを利用して、電圧制御発振器の発振周波数を制御することができる。インダクタ２は、直列に接続されたバラクタダオード１と共に直列共振器を構成する。バラクタダイオード制御電圧端子３からチョークコイル４にバラクタダイオード１の制御電圧が印加される。チョークコイル４は、高周波成分がバラクタダイオード制御電圧端子３に流入することを防ぐＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の遮断カット回路（ＲＦカット）として作用する。９０°インバータ５は、バラクタダイオード１とインダクタ２により構成される直列共振器を、並列共振状態でマイクロストリップライン共振器６に接続するものである。マイクロストリップライン共振器６は、線路型の共振器の役割を果たす。また、マイクロストリップライン共振器６の共振周波数はその位相長により決定され、９０°インバータ５を介して接続されたバラクタダイオード１とインダクタ２により構成される直列共振器との周波数関係により、電圧制御発振器の発振周波数を決定する。詳細は後述する。
【００１６】
ループ位相調整用線路７は、電圧制御発振器の発振周波数が所望の周波数と一致するよう、電圧制御発振器のループ位相を調整する。能動素子バイアス電圧端子８からチョークコイル４０とチョークコイル６０に能動回路９の制御電圧が印加される。チョークコイル４０とチョークコイル６０は、チョークコイル４と同様に、高周波成分が能動素子バイアス電圧端子８に流入することを防ぐＲＦカットとして作用する。キャパシタンス４５ａとキャパシタンス４５ｂも同様にＲＦカットとして作用する。能動回路９は、電圧制御発振器が発振状態となるために必要なループ利得を確保する。
【００１７】
マイクロストリップライン共振器６は、所望の共振周波数において２分の１波長の電気長を有する両端開放の共振器である。マイクロストリップライン共振器６は、長手方向が平行になるように並列に配置されたｎ個（ｎは２以上の整数）の線路６ａ、線路６ｂ、・・・、線路６ｎからなる。それぞれの線路６ａ、線路６ｂ、・・・、線路６ｎは、隣接する線路の相互の対向する長辺が、短手方向（幅方向）に一定長の微小間隔（微小幅ｄ）を空けて配置されて、導体が溝形状に除去されたスリット１０をそれぞれ形成している。すなわち、マイクロストリップライン共振器６は、線路の長手方向に沿って微小幅ｄのスリット１０がそれぞれ形成されている。このスリット１０は、バラクタダイオード制御電圧端子３からバラクタダイオード１に印加する制御電圧と、能動素子バイアス電圧端子８ａから能動回路９に印加するバイアス電圧との間で、ＤＣカットとして機能する。言い換えると、スリット１０により二つに分断されたマイクロストリップライン共振器６は平行板コンデンサとなる。スリット１０の幅ｄを狭くすることで平行板コンデンサの容量は大きくなり、次式１の関係よりインピーダンスは零に近づくため、高周波においてスリット１０の存在は無視することができる。
【００１８】
なお、微小幅ｄは、例えば共振器の共振周波数の波長λの８分の１よりも小さい間隔とするのが良い。所望周波数１０ＧＨｚ、θ１,θ２＝３０°とし、マイクロストリップライン共振器６がアルミナ基板（誘電率９．８，厚さ０．６３５ｍｍ）上に形成されている条件下において、λ／８で約半分の電力がマイクロストリップライン共振器６を通過し、電力の結合を維持できることとなる。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
図２は、実施の形態１による電圧制御発振器の有するマイクロストリップライン共振器６の構造を示す拡大斜視図である。図２において、マイクロストリップライン共振器６はＴＥＭモードで共振する。マイクロストリップライン共振器６は、誘電体１４の上面にストリップ導体からなる一つの線路６ａおよび他の線路６ｂが形成されている。マイクロストリップライン共振器６は、誘電体１４の下面に地導体１５が形成されている。一つの線路６ａおよび他の線路６ｂから地導体１５に電界１１が発生し、一つの線路６ａおよび他の線路６ｂの周囲には磁界１２が発生する。ここで、一つの線路６ａおよび他の線路６ｂに流れる電流１３は、電界１１と磁界１２が存在する平面と垂直方向、すなわちマイクロストリップライン共振器６の長手方向に流れる。このため、マイクロストリップライン共振器６の共振周波数は長手方向の長さにより決定される。マイクロストリップライン共振器６の長手方向に沿って設けられたスリット１０は、その長手方向（溝の長さ方向）が電流１３と同方向であり、電流１３の伝送を阻害しない。そのため、スリット１０の幅を微小とした場合、スリット１０の有無によってマイクロストリップライン共振器６の共振周波数は変化しない。
【００２１】
以上説明した通り、実施の形態１による共振回路５０は、バラクタダイオード１と、上記バラクタダイオード１と直接に接続されて直列共振器を構成するインダクタ２と、同じ長さの複数のマイクロストリップラインをそれぞれ並列に配置してなるマイクロストリップライン共振器６と、上記バラクタダイオード１とインダクタ２からなる直列共振器を、上記マイクロストリップライン共振器６の一つの線路に接続する９０°インバータ５と、上記マイクロストリップライン共振器６の他の一つの線路に接続された入出力端子３０と、を備え、上記マイクロストリップライン共振器６は、それぞれの線路の間に、当該共振器の共振周波数の波長λよりも十分狭く、例えば波長λの８分の１よりも狭い隙間を、長手方向に沿って形成したことを特徴とする。また、反射利得を有した能動素子を有した能動回路９と、上記共振回路５０の入出力端子３０と上記能動素子を有した能動回路９を接続するループ位相調整用線路７を備えたことを特徴とする。
さらに、上記バラクタダイオード１や能動回路９の能動素子にバイアス電圧を供給するためのバイアス回路を備えても良いことは自明である。
【００２２】
なお、マイクロストリップライン共振器６は、マイクロストリップラインを形成する一方の線路６ａおよび他方の線路６ｂの２つの線路を並列に配置して形成し、一方の線路６ａと他方の線路６ｂの間に、当該マイクロストリップライン共振器６の共振周波数の波長の８分の１よりも狭い隙間を、長手方向に沿って形成しても良い。
【００２３】
また、ここでは、同調回路をバラクタダイオード１とインダクタ２による直列共振器と９０°インバータ５で形成したが、上記に示したとおり同調回路は並列共振状態で用いられるため、その他の並列共振回路であっても良い。
【００２４】
これによって、ばらつきが配線精度に依存するため小さく、新たな要素素子として結合線路を備える必要がない。元々構成要素だったマイクロストリップライン共振器にスリットを設けたため、キャパシタのようにループ位相のばらつきを大きくすることなく、また所望の周波数にて１／４波長の線路長を有する結合線路をキャパシタの代わりに配置することによるサイズの大型化を招くことなく、同調回路と能動回路とのＤＣカット回路を実現することができる。
【００２５】
実施の形態２．
図３は、この発明に係る実施の形態２による電圧制御発振器の構成を示す図である。図３において、実施の形態２による電圧制御発振器は、共振回路５０と、ループ位相調整用線路７と、チョークコイル４０と、能動素子バイアス電圧端子８ａ，８ｂと、電界効果トランジスタ８５と、伝送線路８０と、キャパシタンス４５ａ，４５ｂと、反射利得調整用線路９０ａ，９０ｂを備えている。電界効果トランジスタ８５は、トランジスタでも良い。図３の電圧制御発振器は、図１のチョークコイル６０の代わりに、伝送線路８０を備えている。
【００２６】
伝送線路８０は、所望周波数における波長の４分の１の電気長を有した線路である。所望周波数における波長の４分の１の電気長を有するため、図３の接続点Ａは高周波的にオープン点となり、高周波成分が能動素子バイアス電圧端子８ａに流入することを防止するＲＦカットの役割を果たす。反射利得調整用線路９０ａ，９０ｂは、電界効果トランジスタの反射利得を調整する役割を持つ。反射利得調整用線路９０ａ，９０ｂの線路長は、電圧制御発振器のループ利得が所望周波数において発振条件を満たすよう設定する。なお、反射利得調整用線路９０ａ，９０ｂがなくても電圧制御発振器のループ利得が所望周波数において発振条件を満たす場合には、反射利得調整用線路９０ａ，９０ｂを排した構成としても良い。
【００２７】
このように構成することによって、実施の形態１の電圧制御発振器と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００２８】
１  バラクタダイオード、２  インダクタ、３  バラクタダイオード制御電圧端子、４  チョークコイル、５  ９０°インバータ、６  マイクロストリップライン共振器、７  ループ位相調整用線路、８，８ａ，８ｂ  能動素子バイアス電圧端子、９  能動回路、１０  スリット、１１  電界、１２  磁界、１３  電流、１４  誘電体、１５  地導体、２０  出力端子、３０  入出力端子、４０  チョークコイル、４５ａ，４５ｂ  キャパシタンス、５０  共振回路、６０  チョークコイル、７０  並列共振回路、８０  伝送線路、９０ａ，９０ｂ  反射利得調整用線路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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