(57)【要約】【課題】接続されたトランジスタからの所望周波数の信号は高効率で反射し、所望の周波数以外の周波数の信号は減衰させて反射を抑制するバイアス回路を構成する。【解決手段】発振器の増幅回路２のトランジスタＴｒのコレクタに、電気長が共振回路１の共振周波数の略１／４波長に等しい第１のマイクロストリップ線路Ｌ２１を接続し、この第１のマイクロストリップ線路Ｌ２１の前記コレクタに対向する側に、所定電気長の第２のマイクロストリップ線路Ｌ２２を接続するとともに、この接続点（Ａ点）に第１の先端開放スタブＳｔ２を接続する。さらに、第２のマイクロストリップ線路Ｌ２２のＡ点に対向する端部に、制御電圧端子（Ｖｃｃ）５１に導通するマイクロストリップ線路Ｌ２３を接続するとともに、抵抗素子Ｒ４を介して所定電気長の第２の先端開放スタブＳｔ３を接続する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波回路の能動素子に所定の直流電圧を供給する高周波用バイアス回路において、
前記能動素子と該能動素子に前記直流電圧を供給する電圧供給端子との間に、前記能動素子に流れる所望周波数の高周波信号で略１／４波長の電気長を有する第１のマイクロストリップ線路と、該第１のマイクロストリップ線路とは別の第２のマイクロストリップ線路とを前記能動素子側から順に直列接続し、
前記所望周波数の高周波信号で略１／４波長の電気長を有する第１の先端開放スタブを、第１のマイクロストリップ線路と第２のマイクロストリップ線路との接続点に接続し、
前記電圧供給端子と第２のマイクロストリップ線路との接続点に、抵抗素子および第２の先端開放スタブからなる直列回路を接続したことを特徴とする高周波用バイアス回路。
【請求項２】
請求項１に記載の高周波用バイアス回路と、該高周波用バイアス回路から前記直流電圧を供給する前記能動素子と、該能動素子に接続した共振回路とを備えた高周波発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高周波用バイアス回路、特に、能動素子に直流電圧を供給する回路に用いる高周波用バイアス回路、およびこれを備えた高周波発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波等の高周波回路に利用するＰＬＬ回路等には、一般に電圧制御発振器が備えられている。この電圧制御発振器は、図４に示すように、共振器ＲＬ１と可変容量ダイオードＶＤとを含む共振回路１と、トランジスタＴｒを含む増幅回路２とからなる。ここで、増幅回路２のトランジスタＴｒを動作させるためには、このトランジスタＴｒに直流電圧を印加しなければならず、そのためのバイアス回路２０がトランジスタＴｒのコレクタに接続されている。
【０００３】
図４は従来のバイアス回路を備えた高周波発振器の構成を示すブロック図であり、後述の本発明の実施形態に係る高周波発振器と同じ部分には、同じ符号を付し説明は省略する。
【０００４】
このバイアス回路２０は、一般的にマクロストリップ線路により構成されており、図４に示すように、トランジスタＴｒのコレクタと電圧供給端子（Ｖｃｃ）５１との間に配置される、電圧制御発振器の発振周波数の１／４波長の電気長を有するマイクロストリップ線路Ｌ２１と、このマイクロストリップ線路Ｌ２１の電圧供給端子（Ｖｃｃ）５１側に接続された、一方端が開放され、前記１／４波長の電気長を有する先端開放スタブＳｔ２を備えている。
【０００５】
図５は、バイアス回路２０のマイクロストリップ線路Ｌ２１と先端開放スタブＳｔ２とからなる部分の構造例を示す斜視図である。
所望周波数の高周波信号について、このバイアス回路２０の先端開放スタブＳｔ２の接続点（図５のＡ点）は等価的に短絡、マイクロストリップ線路Ｌ２１のコレクタ側の端部（図５のＢ点）は等価的に開放となる。そのため、Ｂ点から電圧供給端子側を見たインピーダンスは無限大、すなわち反射係数の振幅が１で位相が０となるので、トランジスタＴｒに流れる高周波信号を減衰させることがない。このようにしてトランジスタＴｒを伝送する高周波信号に影響を与えずに直流の駆動用電圧をトランジスタＴｒに供給できるので、所望の発振特性を得ることができる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００６】
【非特許文献１】
小西良弘，「マイクロ波回路の基礎とその応用」，総合電子出版，１９９０年８月２０日，ｐ３１８−ｐ３１９
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述の従来技術のバイアス回路では、所望周波数以外の不要周波数の高周波信号に対しては、図４、図５のＢ点でトランジスタＴｒ（能動素子）に対して反射係数の振幅が１であっても、位相が０ではないインピーダンスとなってしまう。
【０００８】
一方、高周波発振器に用いるトランジスタＴｒには、所望の周波数を含む所定の周波数帯域で負性抵抗を示すものが通常用いられている。この場合、ノイズのような負性抵抗を示す周波数帯域内の不要周波数の高周波信号がトランジスタＴｒに入力されると、トランジスタＴｒから電圧供給端子側のバイアス回路を見た反射係数が大きくなり、且つトランジスタＴｒが負性抵抗を持つため、不要周波数で発振してしまい、高周波発振器として異常発振を生じてしまう。
【０００９】
この発明の目的は、トランジスタから入射する不要周波数の高周波信号を減衰させて反射を抑制するバイアス回路と、このバイアス回路を用いて不要周波数での発振を防止した高周波発振器することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、高周波回路の能動素子に所定の直流電圧を供給する高周波用バイアス回路において、能動素子と該能動素子に直流電圧を供給する電圧供給端子との間に、能動素子に流れる所望周波数の高周波信号で略１／４波長の電気長を有する第１のマイクロストリップ線路と、該第１のマイクロストリップ線路とは別の第２のマイクロストリップ線路とを能動素子側から順に直列接続するとともに、所望周波数の高周波信号で略１／４波長の電気長を有する第１の先端開放スタブを、第１のマイクロストリップ線路と第２のマイクロストリップ線路との接続点に接続し、さらに、電圧供給端子と第２のマイクロストリップ線路との接続点に、抵抗素子および第２の先端開放スタブからなる直列回路を接続したことを特徴としている。
【００１１】
また、この発明の高周波発振器は、前記高周波用バイアス回路と、該高周波用バイアス回路から直流電圧を供給する能動素子と、該能動素子に接続した共振回路とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
この構成では、所望周波数の高周波信号の場合、第１のマイクロストリップ線路と第１の先端開放スタブとの接続点で高周波信号に対して等価的に短絡となり、これに接続する第２のマイクロストリップ線路や第２の先端開放スタブと抵抗との直列回路には高周波信号が伝搬しない。そして、能動素子から電圧供給端子側を見た高周波用バイアス回路の反射係数、すなわち第１のマイクロストリップ線路の能動素子側の端部での反射係数の振幅が１で位相が０となる。これにより、所望周波数の高周波信号において、高周波用バイアス回路側がインピーダンス無限大となり、開放となる。このため、能動素子に流れる高周波信号は、高周波用バイアス回路および電圧供給端子に接続される電源回路の影響を受けず、高周波発振器は所定の特性通りに発振する。
【００１３】
一方、所望周波数以外の不要周波数の高周波信号の場合、高周波用バイアス回路の第１のマイクロストリップ線路の能動素子側の端部では等価的に開放とならず、この端部から高周波用バイアス回路側を見た入力インピーダンスは無限大とならない。また、高周波用バイアス回路の第１の先端開放スタブの接続点は短絡状態でなくなるので、能動素子を流れる高周波信号が電圧供給端子側へ伝搬する。ここで、伝搬した高周波信号は、第２のマイクロストリップ線路と第２の先端開放スタブとの間に接続された抵抗により減衰されるので、能動素子から高周波用バイアス回路側を見た反射係数の振幅が１未満になる。このため、能動素子に流れる不要周波数の高周波信号は、高周波用バイアス回路に入射されて高周波用バイアス回路の抵抗により減衰されるので、高周波用バイアス回路から能動素子への反射が抑制される。これにより、能動素子が負性抵抗を持っていても高周波発振器は不要周波数で発振することはない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る高周波用バイアス回路（以下、単に「バイアス回路」という。）を備えた高周波発振器について、各図を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るバイアス回路を備えた高周波発振器の構成を示すブロック図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態に係る高周波発振器は、その全体がマイクロストリップ線路で構成されており、共振回路１と増幅回路２とからなる。
共振回路１には、コントロール電圧端子（Ｖｃｔ）５０と接地との間に、マイクロストリップ線路Ｌ１１、可変容量ダイオードＶＤ、およびマイクロストリップ線路Ｌ１２の直列回路を設けている。また、平行に形成された二つのマイクロストリップ線路からなる結合線路ＲＬ１の一端を、可変容量ダイオードＶＤとマイクロストリップ線路Ｌ１１との接続点に接続している。さらに、コントロール電圧端子５０と接地との間に高周波バイパス用の容量素子Ｃ１を設けている。
【００１６】
増幅回路２には、駆動電圧供給端子（Ｖｃｃ）５１と接地との間に、バイアス回路２、トランジスタＴｒ，抵抗素子Ｒ３、インダクタンス素子Ｌ０の直列回路を設けている。トランジスタＴｒのベースには、共振回路１の結合線路ＲＬ１の他端を接続している。トランジスタＴｒのエミッタと抵抗素子Ｒ３との接続点と出力端子５２との間には、平行に形成された二つのマイクロストリップ線路からなる結合線路ＲＬ２を設けている。
【００１７】
後述するバイアス回路２１の所定点と接地との間に抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の直列回路を設け、その抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の接続点をトランジスタＴｒのベースに接続している。
【００１８】
また、トランジスタＴｒのコレクタとバイアス回路２１との接続点（図におけるＢ点）には、所望周波数信号の共振周波数の１／４波長の電気長を有する先端開放スタブＳｔ１を設けている。さらに、トランジスタＴｒのエミッタと共振器ＲＬ２との接続点にも、容量素子として働く先端開放スタブＳｔ４を設けている。
【００１９】
バイアス回路２１において、トランジスタＴｒのコレクタ（Ｂ点）と駆動電圧供給端子（Ｖｃｃ）５１との間には、所望周波数信号の１／４波長の電気長を有する第１のマイクロストリップ線路Ｌ２１、この第１のマイクロストリップ線路Ｌ２１とは別の第２のマイクロストリップ線路Ｌ２２、さらに別のマイクロストリップ線路Ｌ２３を直列に接続している。また、所望周波数の高周波信号で略１／４波長の電気長を有する第１の先端開放スタブＳｔ２を、第１のマイクロストリップ線路Ｌ２１と第２のマイクロストリップ線路Ｌ２２との接続点（Ａ点）に接続している。さらに、第２のマイクロストリップ線路Ｌ２２の駆動電圧供給側（マイクロストリップ線路Ｌ２３との接続点）に、抵抗素子Ｒ４および第２の先端開放スタブＳｔ３からなる直列回路を接続している。
【００２０】
駆動電圧供給端子５１と接地との間には高周波バイパス用の容量素子Ｃ２を設けている。
【００２１】
このような高周波発振器の共振回路１では、可変容量ダイオードＶＤに印加される電圧値に応じて可変容量ダイオードＶＤの容量値が変化することを利用して、共振回路１の共振周波数を制御する。すなわち、コントロール電圧端子（Ｖｃｔ）５０に供給する電圧値を所定値に設定することで装荷容量を定め、結合線路ＲＬ１を含む共振回路１の共振周波数を定める。この共振回路１で得られる共振周波数の信号は、結合線路ＲＬ１から、増幅回路２のトランジスタＴｒのベースに入力する。
【００２２】
一方、増幅回路２のトランジスタＴｒには駆動電圧供給端子５１から直流電圧が供給されていて、トランジスタＴｒのベースおよびコレクタにそれぞれ所定のバイアス電圧が供給されている。これによりトランジスタＴｒは、その負性抵抗性により、共振回路１との間で信号を入出力して、共振回路１の共振周波数で共振回路１と共に発振動作する。この発振信号はトランジスタＴｒのエミッタから取り出し、発振信号を結合線路ＲＬ２を介して出力端子５２から出力する。その際、共振器ＲＬ２はスプリアス成分を抑圧する。
【００２３】
ここで、バイアス回路２１には第１のマイクロストリップ線路Ｌ２１のトランジスタＴｒ側の端部と対向する端部に第１の先端開放スタブＳｔ２が設けられているので、所望周波数の信号に対して、第１のマイクロストリップ線路Ｌ２１と第１の先端開放スタブＳｔ２との接続点（Ａ点）は等価的に短絡となり、第１のマイクロストリップ線路Ｌ２１とトランジスタＴｒとの接続点（Ｂ点）は等価的に開放となる。このようにＡ点が短絡となることで、所望周波数の信号に対してＡ点が接地状態となり、第２のマイクロストリップ線路Ｌ２２から駆動電圧端子５１間の回路は機能しない。また、Ｂ点が開放となることで、この点からバイアス回路側を見た反射係数は振幅が１で、位相が０となるので、トランジスタＴｒからバイアス回路２１を見たインピーダンスは無限大となり、所望周波数の信号がバイアス回路２１側に入力しない。これにより、所望周波数の信号がバイアス回路２１に入力してトランジスタＴｒで増幅される信号が損失することを抑制できる。また、トランジスタＴｒのコレクタに先端開放スタブＳｔ１を形成したことにより、先端開放スタブＳｔ１が、所望周波数を含む所定周波数帯域でトランジスタＴｒのコレクタを接地する接地回路として機能するため、バイアス回路２１に入射する信号をさらに抑制することができる。これにより、トランジスタＴｒは、所望周波数の信号をさらに高効率に信号を増幅して発振させることができる。
【００２４】
一方、ノイズのような所望周波数以外の周波数の信号の場合、バイアス回路２１のＡ点は短絡状態でなくなるため、第１のマイクロストリップ線路Ｌ２１から第２のマイクロストリップ線路Ｌ２２側に信号が伝搬する。これにより、トランジスタＴｒからバイアス回路２１側を見た反射係数の位相が０でなくなる。ここで、前述のように、第２のマイクロストリップ線路Ｌ２２のＡ点と対向する側には、抵抗Ｒ４を介して第２の先端開放スタブＳｔ３を接続しているので、抵抗素子Ｒ４を１０Ω程度に比較的低い抵抗値にすることで、マイクロストリップ線路Ｌ２２を通過した信号は抵抗素子Ｒ４を伝搬する。抵抗素子Ｒ４に入力された信号は周波数に関係なく消費されて減衰する。すなわち、トランジスタＴｒからバイアス回路２１側をみた反射係数の振幅が１よりも小さくなり、トランジスタＴｒからバイアス回路２１に入射した所望周波数以外の周波数の信号は消費、減衰されて、トランジスタＴｒに反射する信号を抑制される。これにより、トランジスタＴｒにおける所望周波数以外の周波数での発振が防止できる。
【００２５】
次に、前述の構成と従来の構成とでシミュレーションした結果を図２、図３に示す。
図２（ａ）は本実施形態の構成のバイアス回路２１をトランジスタＴｒ側から見たインピーダンスを示すスミスチャートであり、（ｂ）はその反射特性Ｓ１１を示した図である。
また、図３（ａ）は従来の構成のバイアス回路２０をトランジスタＴｒ側から見たインピーダンスを示すスミスチャートであり、（ｂ）はその反射特性Ｓ１１を示した図である。
なお、本シミュレーションでは、所望周波数を２０ＧＨｚとして、回路（トランジスタＴｒ側回路）の特性インピーダンスを５０Ωとした。また、本実施形態の構成においては、図１（本実施形態）に示す第２のマイクロストリップ線路Ｌ２２と第２の先端開放スタブＳｔ３との電気長を、所望周波数の略１／４波長とし、マイクロストリップ線路Ｌ２３、容量素子Ｃ２、および駆動電圧供給端子（Ｖｃｃ）５１は省略している。
【００２６】
図２（ｂ）に示すように、本実施形態のバイアス回路では、所望周波数（２０ＧＨｚ）で反射損失が約０．６ｄＢと少なく、所望周波数から５０％低い周波数（１０ＧＨｚ）で反射損失を約１．８ｄＢまで増加させ、所望周波数から５０％高い周波数（３０ＧＨｚ）で反射損失を約３．０ｄＢまで増加させることができる。
【００２７】
このように、本実施形態の構成では、所望周波数でバイアス回路に信号が入射されないため、トランジスタを流れる信号の損失を抑制することができる。また、所望周波数以外の周波数でバイアス回路に信号が入射して減衰されるので、トランジスタＴｒが負性抵抗となる周波数範囲でも発振しない。これにより、所望周波数以外の周波数の信号を発振することなく、所望周波数の信号のみを高効率に発振して出力することができる。
【００２８】
一方、図３（ｂ）に示すように、従来のバイアス回路では、所望周波数（２０ＧＨｚ）では本実施形態の構成と同様に反射損失が約０．６ｄＢとなるが、所望周波数から５０％低い周波数（１０ＧＨｚ）で反射損失が約０．３ｄＢ、所望周波数から５０％高い周波数（３０ＧＨｚ）で反射損失が約１．１ｄＢとなるように、所望周波数を含む所定の周波数帯域で反射損失が殆ど変化しない。
【００２９】
このように従来の構成では、所望周波数以外の周波数でもバイアス回路に信号が入射することなく殆ど反射する。このような反射損失が変化しない、すなわち信号が殆ど反射する周波数帯域がトランジスタＴｒが負性抵抗となる周波数帯域に一致することで、発振回路が発振してしまう。これにより、所望周波数以外に周波数の信号で異常発振することとなる。
【００３０】
なお、前述のシミュレーションでは、抵抗素子に接続する第２のマイクロストリップ線路と第２の先端開放スタブの電気長を所望周波数の１／４波長の長さとしたが、これら第２のマイクロストリップ線路と第２の先端開放スタブの長さを調整することにより、所望周波数以外の周波数帯域の信号の反射特性を調整することができる。例えば、第２の先端開放スタブの電気長を、減衰させたい所定周波数の１／４波長とすることで、この所定周波数の信号を大きく減衰させることができる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明によれば、所望周波数の高周波信号が流れる能動素子から見た入力インピーダンスが無限大となって反射損失を殆どなくし、所望周波数以外の周波数の高周波信号に対しては、この信号を入射して消費、減衰させることで反射損失を増加させるバイアス回路を構成することができる。
【００３２】
また、この発明によれば、前記バイアス回路を高周波発振器の能動素子の電圧供給回路に用いることで、所望周波数の高周波信号が効率良く発振し、所望周波数以外の不要周波数の高周波信号が発振しない高周波発振器を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るバイアス回路を備えた高周波発振器の構成を示すブロック図
【図２】本実施形態の構成のバイアス回路２１をトランジスタＴｒ側から見たインピーダンスを示すスミスチャート、およびその反射特性Ｓ１１を示した図
【図３】従来のバイアス回路２０をトランジスタＴｒ側から見たインピーダンスを示すスミスチャート、およびその反射特性Ｓ１１を示した図
【図４】従来のバイアス回路を備えた高周波発振器の構成を示すブロック図
【図５】図４に示したバイアス回路の一部の構造を示す斜視図
【符号の説明】
１−共振回路
２−増幅回路
２１−増幅回路２のバイアス回路
５０−コントロール電圧入力端子
５１−駆動電圧入力端子
５２−出力端子
Ｒ４−抵抗素子
Ｓｔ２−第１の先端開放スタブ
Ｓｔ３−第２の先端開放スタブ
Ｌ２１−第１のマイクロストリップ回路
Ｌ２２−第２のマイクロストリップ回路
【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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