(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号を出力する発振器と、
前記発振器の出力信号の一部を第１の注入波と第２の注入波とに分配する分配器と、
前記第１の注入波の周波数を逓倍する第１の周波数変換器と、
前記第２の注入波の周波数を、前記第１の周波数変換器が逓倍した前記第１の注入波の周波数と異なる周波数に逓倍する第２の周波数変換器と、
前記分配器が分配した前記第１の注入波の位相を遅延させる遅延線路と、
前記第１の周波数変換器が逓倍した前記第１の注入波と、前記第２の周波数変換器が逓倍した前記第２の注入波との差周波を前記発振器に出力する混合器と
を備えた自己注入同期発振器。
【請求項２】
前記混合器が出力した前記差周波を増幅する増幅器を備えた請求項１に記載の自己注入同期発振器。
【請求項３】
前記発振器の前記出力信号の位相と、前記発振器に出力される前記差周波の位相とを一致させる移相器を備えた請求項１または請求項２に記載の自己注入同期発振器。
【請求項４】
前記発振器の出力信号の周波数Ｓ１と、前記混合器が出力する前記差周波の周波数Ｓ２との関係が、Ｓ１＝Ｌ・Ｓ１＋Ｍ・Ｓ２（Ｌ及びＭは整数）を満たす請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の自己注入同期発振器。
【請求項５】
高調波及び基本波を含む信号を出力する発振器と、
前記発振器が出力した前記基本波の一部の周波数を、前記高調波と異なる周波数に逓倍する周波数変換器と、
前記発振器が出力した前記基本波の一部の位相を遅延させる遅延線路と、
前記発振器が出力した前記基本波の一部と、前記発振器が出力した前記高調波との差周波を前記発振器に出力する混合器と
を備えた自己注入同期発振器。
【請求項６】
高調波及び基本波を含む信号を出力する発振器と、
前記発振器が出力した前記高調波の位相を遅延させる遅延線路と、
前記発振器が出力した前記基本波の一部と、前記発振器が出力した前記高調波との差周波を前記発振器に出力する混合器と
を備えた自己注入同期発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯またはミリ波帯の送受信装置に適用される自己注入同期発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）は、無線通信の品質を左右する部品の一つである。ＶＣＯの位相雑音特性は、信号品質を決定するため、重要な特性である。そのため、ＶＣＯには、位相雑音が低いことが要求される。低位相雑音を有するＶＣＯとして、自己注入同期発振器がある。従来の自己注入同期発振器として、非特許文献１に示される発振器が知られている。
【０００３】
自己注入同期発振器とは、ＶＣＯの出力信号の一部を、遅延線路を介してＶＣＯ自身に注入する構成の発振器である。自己注入同期発振器では、ＶＣＯ自身の出力信号を用いて帰還ループが形成されるので、ＶＣＯ自身の信号によってＶＣＯの発振周波数がロックされ、低位相雑音化が図れる。
【０００４】
自己注入同期発振器における位相雑音は、式（１）により表される。
【０００５】
【数１】
0006344257.tif 000002
ここで、PN0は自励発振時の位相雑音、ρは注入波電力（Ainj）と発振電力（A0）の比（Ainj/A0）、ω3dBは位相雑音の３ｄＢ帯域幅、Ｔは遅延線路で生じる遅延時間である。
【０００６】
式（１）から、Ｔが大きくなるほど、位相雑音PNは低下することが分かる。したがって、低位相雑音化を図るためには遅延線路を長くする必要がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｈｅｎｇ-Ｃｈｉａ Ｃｈａｎｇ，”Ｐｈａｓｅ Ｎｏｉｓｅ ｉｎ Ｓｅｌｆ-Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ−Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ”, ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ  ＴＨＥＯＲＹ  ＡＮＤ  ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ, ＶＯＬ. ５１, ＮＯ. ９, ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ ２００３．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の自己注入同期発振器では、遅延線路の長さと位相雑音とがトレードオフの関係にあるため、遅延線路を長くせずに、位相雑音を低減することができないという課題があった。このため、低位相雑音を維持しつつ、自己注入同期発振器を小型化することが難しかった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、遅延線路を長くせずに、位相雑音を低減できる自己注入同期発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】
【００１０】
本発明の自己注入同期発振器は、信号を出力する発振器と、発振器の出力信号の一部を第１の注入波と第２の注入波とに分配する分配器と、第１の注入波の周波数を逓倍する第１の周波数変換器と、第２の注入波の周波数を、第１の周波数変換器が逓倍した第１の注入波の周波数と異なる周波数に逓倍する第２の周波数変換器と、分配器が分配した第１の注入波の位相を遅延させる遅延線路と、第１の周波数変換器が逓倍した第１の注入波と、第２の周波数変換器が逓倍した第２の注入波との差周波を発振器に出力する混合器とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＶＣＯの出力信号の一部を注入波として取り出し、注入波を逓倍し、逓倍した注入波に対して位相を遅延させた後、ミクサで再びＶＣＯの出力信号の周波数に周波数変換し、周波数変換した信号をＶＣＯに注入することで、遅延線路を長くしなくても、位相雑音を低減できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
【図２】実施の形態１に係る自己注入同期発振器の他の構成例を示す構成図である。
【図３】実施の形態２に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
【図４】実施の形態３に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
【図５】実施の形態４に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
【図６】自己注入同期発振器における電圧周波数特性を示す図である。
【図７】実施の形態４に係る自己注入同期発振器の他の構成例を示す構成図である。
【図８】実施の形態５に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１
図 1は、実施の形態１に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
本自己注入同期発振器は、ＶＣＯ１、分配器２、出力端子３、分配器４、逓倍器５（第１の周波数変換器の一例）、逓倍器６（第２の周波数変換器の一例）、遅延線路７、ミクサ８（混合器）、増幅器９を備える。
【００１４】
ＶＣＯ１は、自身のもつ電圧周波数特性（Ｖ−Ｆ特性）に基づき発振し、信号を出力する電圧制御発振器であり、出力端子と注入波を入力する注入端子とを備える。ＶＣＯ１は、基本発振周波数（ｆ０）で発振する。ＶＣＯ１の出力端子は、分配器２に接続される。ＶＣＯ１にはトランジスタを用いたクロスカップル型発振器や差動コルピッツ型発振器などの差動発振器、単相のコルピッツ発振器、負性抵抗型発振器などが用いられる。
【００１５】
分配器２は、ＶＣＯ１が出力した高周波信号を出力波と注入波とに分配する分配器である。ここで、出力波は、後述する出力端子３から出力される信号であり、注入波は、最終的にＶＣＯ１に注入される信号である。分配器２は、出力端子３と分配器４に接続される。分配器２には、ウィルキンソン分配器、方向性結合器などが用いられる。また、分配器２は、伝送線路を２分岐した回路であっても良い。出力波と注入波とに分配できるものであれば、どのような構成の分配器であっても良い。
【００１６】
出力端子３は、分配器２で分配された出力波が出力される端子である。ＶＣＯ１の出力信号は、分配器２を介して、出力端子３から外部回路に出力される。
【００１７】
分配器４は、分配器２で分配された注入波をＲＦ波（第１の注入波の一例）とＬＯ波（第２の注入波の一例）に分配する分配器である。ここでは、分配器４で分配される信号のうち、後述するミクサ８のＲＦ端子に入力される信号をＲＦ波と言い、ミクサ８のＬＯ端子に入力される信号をＬＯ波と言う。分配器４の出力端子は、逓倍器５と逓倍器６に接続される。分配器４には、ウィルキンソン分配器、方向性結合器などが用いられる。また、分配器４は、伝送線路を２分岐した回路であっても良い。信号を分配できるものであれば、どのような構成の分配器であっても良い。
【００１８】
逓倍器５は、分配器４で分配されたＲＦ波の周波数をｎ倍に逓倍する逓倍器である。ここで、ｎは自然数である。逓倍器５の出力端子は遅延線路７に接続される。
【００１９】
逓倍器６は、分配器４で分配されたＬＯ波の周波数をｎ−１倍に逓倍する逓倍器である。逓倍器６の出力端子は、ミクサ８に接続される。
【００２０】
遅延線路７は、逓倍器５で逓倍されたＲＦ波の位相を遅らせる回路である。遅延回路７の出力端子はミクサ８に接続される。遅延線路７には、高周波帯を通過させる同軸ケーブル、導波管、マイクロストリップ線路やＣＰＷ（ＣｏＰｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）などの平面マイクロ波伝送線路、多段に接続した増幅器、ＬＣ共振回路、フィルタ回路が用いられる。多段に接続した増幅器やフィルタ回路は、伝送線路と比べて、少ない面積で大きな移相量が得られるという利点がある。遅延線路７の移相量は、基本発振周波数においてφ1である。
【００２１】
ミクサ８は、遅延線路７で遅延されたＲＦ波と逓倍器６で逓倍されたＬＯ波とを混合し、ＲＦ波とＬＯ波との差周波を、増幅器９を介してＶＣＯ１に注入波として出力するミクサである。ミクサ８は、ＲＦ端子、ＬＯ端子、ＩＦ端子を備える。ミクサ８のＲＦ端子は、遅延線路７に接続され、ＬＯ端子は逓倍器６に接続され、ＩＦ端子は、増幅器９に接続される。ミクサ８には、ギルバートセルミクサ、ドレインミクサなどのダブルバランス型ミクサ、ダイオードを用いたダブルバランス型ミクサ、シングルエンド型ミクサ、シングルバランス型ミクサなどが用いられる。
【００２２】
増幅器９は、ミクサ８から出力される注入波を増幅し、ＶＣＯ１に出力する増幅器である。増幅器９は、バッファ増幅器としても動作し、ＶＣＯ１からミクサ８に信号が逆流することを防止する。また、増幅器９は、そのＯＮ／ＯＦＦが切り替えられることにより、ＶＣＯ１に注入波を注入するか否かを制御する。
【００２３】
次に、実施の形態１に係る自己注入同期発振器の動作について説明する。
ＶＣＯ１は、基本発振周波数において発振し、信号を分配器２に出力する。ＶＣＯ１の出力信号をsin(ωt+φ0)とする。ここで、ωは、ＶＣＯ１の基本発振周波数ｆ０の角周波数であり、ω＝２πｆ０である。φ０は、ωにおける初期位相である。
【００２４】
分配器２は、ＶＣＯ１の出力信号を２分岐し、出力波と注入波とに分配する。出力波は、出力端子３に出力され、出力端子３から外部回路に出力される。注入波は、分配器４に出力される。
【００２５】
分配器４は、注入波を２分岐し、ＲＦ波とＬＯ波とに分配する。ＲＦ波は、逓倍器５に出力され、ＬＯ波は逓倍器６に出力される。
【００２６】
逓倍器５は、ＲＦ波をｎ倍に逓倍する。ｎ倍に逓倍されたＲＦ波は、遅延線路７に出力される。遅延線路７に出力される信号は、sin n(ωt+φ0)となる。
【００２７】
遅延線路７は、逓倍されたＲＦ波の位相を遅らせ、遅延させた信号をミクサ８のＲＦ端子に出力する。遅延線路７は、ωに対してφ１の移相量を与えるので、ｎωに対してはｎφ１の移相量を与える。したがって、遅延線路７からミクサ８に出力される信号は、sin n(ωt+φ0+φ１)となる。このように、逓倍されたＲＦ波に対して、遅延線路７を設け、位相を遅延させることで、ＲＦ波を逓倍させずに位相を遅延させた場合に比べて、ｎ倍の遅延位相を得ることができる。
【００２８】
逓倍器６は、ＬＯ波をｎ−１倍に逓倍し、ミクサ８のＬＯ端子に出力する。逓倍器６からミクサ８に出力される信号は、sin (n-1)(ωt+φ0+φ１)となる。
【００２９】
ミクサ８は、遅延線路７が出力するＲＦ波と、逓倍器６が出力するＬＯ波とを混合し、その差周波を増幅器９に出力する。差周波は、sin (ωt+φ0+nφ１)となる。
【００３０】
増幅器９は、ミクサ８が出力した差周波を増幅して、ＶＣＯ１に注入する。ＶＣＯ１に注入される信号は、sin (ωt+φ0+nφ１)である。
【００３１】
ＶＣＯ１は、増幅器９を介して注入波が注入される。注入される信号はsin (ωt+φ0+nφ１)であるのに対して、従来の自己注入同期発振器の注入信号は、sin (ωt+φ0+φ１)であるので、本自己注入同期発振器では、従来に比べて、n倍の遅延位相が得られる。遅延時間Ｔと遅延位相φとは、ωＴ＝φで関係づけられるので、ｎ倍の遅延位相が得られるということは、ｎ倍の遅延時間が得られることを意味する。このため、本自己注入同期発振器では、遅延線路を長くしなくても、遅延時間を大きくできる。
【００３２】
式（１）に示されるように、遅延時間が大きくなるほど、発振器の位相雑音は低下する。したがって、本自己注入同期発振器では、従来の自己注入同期発振器に比べて、低位相雑音化が図れる。本自己注入同期発振器は、遅延線路を長くしなくても、低位相雑音化が図れるので、従来に比べて小型に構成できる。例えば、従来の自己注入同期発振器で、１００ｍｍの遅延線路が必要だったとすると、本自己注入同期発振器では、ｎ＝３の場合を考えると、３３ｍｍの遅延線路を用いて、同等の位相雑音特性が得られる。
【００３３】
以上のように、実施の形態１によれば、ＶＣＯ１の出力信号の一部を注入波として取り出し、注入波を逓倍し、逓倍した注入波に対して位相を遅延させ、ミクサで再びＶＣＯ１の出力信号の周波数に周波数変換し、周波数変換した信号をＶＣＯ１に注入する。これにより、遅延線路７を長くしなくても、遅延位相を大きくすることができ、位相雑音を低減できる効果がある。
【００３４】
なお、ここでは、逓倍器５とミクサ８との間に遅延線路７を設けた例について説明したが、分配器４とミクサ８との間であれば、遅延線路７はどこに設けても良い。
図２は、実施の形態１に係る自己注入同期発振器の他の構成例を示す構成図である。
図２（ａ）は、逓倍器６とミクサ８との間に遅延線路７を設けた例である。図２（ａ）の構成でも、注入波を逓倍し、逓倍した注入波の位相を遅延させ、遅延させた注入波をミクサ８でＶＣＯ１の出力信号の周波数に変換しているので、上記で説明した効果を奏する。
【００３５】
図２（ｂ）は、分配器４と逓倍器５との間に遅延線路７を設けた例である。
図２（ｂ）では、注入波の位相を遅らせた後で、逓倍器５により注入波を逓倍しているが、逓倍器５で信号を逓倍すると、信号の位相も逓倍されるので、図１の場合と同じ遅延位相を得ることができる。図２（ｂ）において、遅延線路７が出力する信号をsin (ωt+φ0+φ１)とすると、逓倍器５が出力する信号は、sin ｎ(ωt+φ0+φ１)となり、この信号がミクサ８に入力される。図２のミクサ８に入力される信号の位相と図１のミクサ８に入力される信号の位相とは一致するので、図２の構成は、図１の構成と同じ効果が得られる。
【００３６】
また、図２（ｂ）では、逓倍器５により注入波の周波数を高くする前に、遅延線路７により注入波に遅延位相を与えている。そのため、遅延線路７を通過する信号の周波数を低くでき、遅延線路７による損失を小さくできる。
【００３７】
図２（ｃ）は、注入波をｎ−１倍に逓倍する逓倍器６の代わりに、注入波をｎ−２倍に逓倍する逓倍器１０を用いた場合の構成例である。この構成でも、注入波を逓倍した後に遅延線路７を設けているので、遅延位相を大きくすることができる。
【００３８】
図２（ｃ）の構成では、ミクサ８が出力する信号は、sin (２ωt+２φ0+ｎφ１)となり、ＶＣＯ１の出力する信号に対して２倍の高調波が、ＶＣＯ１に注入されることになる。ＶＣＯ１に注入される信号が、ＶＣＯ１の出力信号の周波数と異なっても、以下に示す理由により、位相雑音を低減できる。
【００３９】
ＶＣＯ１内の動作を考える。ＶＣＯ１は、信号を出力するトランジスタと、その信号をトランジスタに帰還させる帰還回路とを備えている。ＶＣＯ１は、トランジスタに信号を帰還させることによって発振し、その信号を出力している。したがって、ＶＣＯ１内のトランジスタには、ＶＣＯ１の出力信号と同じ周波数の信号が入力されている。また、ＶＣＯ１には、ミクサ８から注入信号が注入されるため、その注入信号もＶＣＯ１内のトランジスタに入力される。ＶＣＯ１内でトランジスタは非線形動作するため、２つの信号が入力されると、その混合波をトランジスタは生成する。その混合波は、混合波＝Ｌ・Ｓ１＋Ｍ・Ｓ２（Ｓ１は出力信号の周波数、Ｓ２は注入信号の周波数、Ｌ及びＭは整数）で表される。混合波の周波数がＶＣＯ１の出力信号の周波数と等しいと、その混合波を介してＶＣＯ１の発振がロックされるので、ＶＣＯ１の位相雑音は低減される。
【００４０】
混合波がＶＣＯ１の出力信号と等しいという条件は、Ｓ１＝Ｌ・Ｓ１＋Ｍ・Ｓ２で表され、この式を満たすとき、ＶＣＯ１の位相雑音は低減される。左辺がＶＣＯ１の出力信号、右辺が混合波を表している。ここで、Ｓ１＝Ｌ・Ｓ１＋Ｍ・Ｓ２を満たすとは、この式を満たすＬ及びＭが存在することを言う。
【００４１】
図２（ｄ）は、注入波をｎ−１倍に逓倍する逓倍器６の代わりに、注入波を２分周する逓倍器１１を用いた場合の構成例である。この構成でも、注入波を逓倍した後に遅延線路７を設けているので、遅延位相を大きくすることができる。
図２（ｄ）の構成では、ミクサ８が出力する信号は、sin (（２ｎ−１）/２）（ωt+φ0)＋ｎφ１)となる。上記の式Ｓ１＝Ｌ・Ｓ１＋Ｍ・Ｓ２を考えると、ω＝Ｌ・ω＋Ｍ・（２ｎ−１）・ω/２となり、ｎ＝１の場合、Ｌ＝０、Ｍ＝２のとき、上記の式を満たす。また、ｎ＝２の場合、Ｌ＝４、Ｍ＝−２のとき、上記の式を満たす。したがって、図２（ｄ）の構成でも、位相雑音を低減できる。
【００４２】
実施の形態２．
実施の形態１では、２つの逓倍器を用いた構成について示したが、実施の形態２では、１つの逓倍器を削減した構成の自己注入同期発振器について説明する。
【００４３】
図３は、実施の形態２に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
なお、図３中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。実施の形態１の構成と比べて、実施の形態２の自己注入同期発振器は、逓倍器６を削除し、ＶＣＯ１の代わりに、基本波及びｎ−１倍波を出力するＶＣＯ１２と、増幅器１４とを備えている。ＶＣＯ１２は、増幅器１４を介してｎ−１倍波をミクサ８に出力し、分配器２、逓倍器５及び遅延線路７を介して基本波の一部をミクサ８に出力している。
【００４４】
ＶＣＯ１２は、基本波とｎ−１倍波を出力する発振器であり、基本波を出力する基本波出力端子、ｎ−１倍波を出力する高調波出力端子と注入波を入力する注入端子とを備える。例えば、ＶＣＯ１２は、出力信号として基本波及び高調波を出力する発振器において、出力信号に対して高調波が通過するフィルタと基本波が通過するフィルタとを設け、それぞれのフィルタを通すことで基本波と高調波とを分離し、出力するように構成する。ＶＣＯ１２は、基本発振周波数（ｆ０）で発振する。ＶＣＯ１２の基本波出力端子は、分配器２に接続され、ＶＣＯ１２の高調波出力端子は、増幅器１４に接続される。ＶＣＯ１２にはトランジスタを用いたクロスカップル型発振器や差動コルピッツ型発振器などの差動発振器、単相のコルピッツ発振器、負性抵抗型発振器などが用いられる。
【００４５】
増幅器１４は、ＶＣＯ１２が出力するｎ−１倍波を増幅する増幅器である。増幅器１４の出力端子は、ミクサ８のＬＯ端子に接続される。一般に、基本波に比べて高調波の電力は小さいので、増幅１４により、高調波の電力を増幅している。
【００４６】
次に、実施の形態２に係る自己注入同期発振器の動作について説明する。
ＶＣＯ１２は、基本発振周波数において発振し、基本波信号を分配器２に出力する。また、ＶＣＯ１２は、高調波信号を増幅器１４に出力する。ＶＣＯ１２の基本波信号をsin(ωt+φ0)とし、高調波出力信号をsin（ｎ−１）（ωt+φ0)とする。
【００４７】
増幅器１４は、ＶＣＯ１２が出力した高調波信号を増幅し、ＬＯ波として、ミクサ８のＬＯ端子に出力する。
【００４８】
分配器２は、ＶＣＯ１２の基本波信号を、出力波とＲＦ波とに分配する。出力波は、出力端子３に出力され、出力端子３から外部回路に出力される。ＲＦ波は、逓倍器５に出力される。
【００４９】
逓倍器５は、分配器２から出力されるＲＦ波をｎ倍に逓倍する。ｎ倍に逓倍されたＲＦ波は、遅延線路７に出力される。遅延線路７に出力される信号は、sin n(ωt+φ0)となる。
【００５０】
遅延線路７は、逓倍されたＲＦ波の位相を遅らせ、遅延させた信号をミクサ８のＲＦ端子に出力する。遅延線路７は、ωに対してφ１の移相量を与えるので、ｎωに対してはｎφ１の移相量を与える。したがって、遅延線路７からミクサ８に出力される信号は、sin n(ωt+φ0+φ１)となる。このように、逓倍されたＲＦ波に対して、遅延線路７を設け、位相を遅延させることで、ＲＦ波を逓倍させずに位相を遅延させた場合に比べて、ｎ倍の遅延位相を得ることができる。
【００５１】
ミクサ８は、遅延線路７が出力するＲＦ波と、増幅器１４が出力するＬＯ波とを混合し、その差周波を増幅器９に出力する。差周波は、sin (ωt+φ0+nφ１)となる。
【００５２】
増幅器９は、ミクサ８が出力した差周波を増幅して、ＶＣＯ１２に注入する。ＶＣＯ１２に注入される信号は、sin (ωt+φ0+nφ１)である。
【００５３】
ＶＣＯ１２は、増幅器９を介して注入波が注入される。注入される信号はsin (ωt+φ0+nφ１)であるのに対して、従来の自己注入同期発振器の注入信号は、sin (ωt+φ0+φ１)であるので、本自己注入同期発振器では、従来に比べて、n倍の遅延位相が得られる。遅延時間Ｔと遅延位相φとは、ωＴ＝φで関係づけられるので、ｎ倍の遅延位相が得られるということは、ｎ倍の遅延時間が得られることを意味する。本自己注入同期発振器では、遅延線路を長くしなくても、遅延時間を大きくできる。
【００５４】
式（１）に示されるように、遅延時間が大きくなるほど、発振器の位相雑音は低下する。したがって、本自己注入同期発振器では、従来の自己注入同期発振器に比べて、低位相雑音化が図れる。本自己注入同期発振器は、遅延線路を長くしなくても、低位相雑音化が図れるので、従来に比べて小型に構成できる。例えば、従来の自己注入同期発振器で、１００ｍｍの遅延線路が必要だったとすると、本自己注入同期発振器では、ｎ＝３の場合を考えると、３３ｍｍの遅延線路を用いて、同等の位相雑音特性が得られる。
【００５５】
以上のように構成した実施の形態２の自己注入同期発振器であっても、実施の形態１と同様の効果を奏する。加えて、実施の形態２の自己注入同期発振器は、ＶＣＯ１２の高調波をミクサ８のＬＯ波として用いているので、実施の形態１において必要だった逓倍器６を削減でき、回路の簡素化、小型化を図ることができる。
【００５６】
実施の形態３．
実施の形態２では１つの逓倍器を用いた構成について示したが、実施の形態３では、逓倍器を用いない構成の自己注入同期発振器について説明する。
【００５７】
図４は、実施の形態３に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
なお、図４中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。実施の形態１の構成と比べて、実施の形態３の自己注入同期発振器は、逓倍器５及び逓倍器６を削除し、ＶＣＯ１の代わりに、基本波及び２倍波を出力するＶＣＯ１３を備えている。ＶＣＯ１３は、遅延線路７を介して２倍波をミクサ８に出力し、分配器２を介して基本波の一部をミクサ８に出力している。
【００５８】
次に、実施の形態３に係る自己注入同期発振器の動作について説明する。
ＶＣＯ１３は、基本発振周波数において発振し、基本波信号を分配器２に出力する。また、ＶＣＯ１３は、２倍波信号をＲＦ波として遅延線路７に出力する。ＶＣＯ１３の基本波信号をsin(ωt+φ0)とし、高調波出力信号をsin ２(ωt+φ0)とする。
【００５９】
分配器２は、ＶＣＯ１２の基本波信号を、出力波とＬＯ波とに分配する。出力波は、出力端子３に出力され、出力端子３から外部回路に出力される。ＬＯ波は、ミクサ８のＬＯ端子に出力される。
【００６０】
遅延線路７は、ＶＣＯ１３がＲＦ波として出力した高調波の位相を遅らせ、遅延させたＲＦ波をミクサ８のＲＦ端子に出力する。遅延線路７は、ωに対してφ１の移相量を与えるので、２ωに対しては２φ１の移相量を与える。したがって、遅延線路７からミクサ８に出力される信号は、sin ２(ωt+φ0+φ１)となる。このように、高調波に対して、遅延線路７を設け、位相を遅延させることで、基本波に対して位相を遅延させた場合に比べて、２倍の遅延位相を得ることができる。
【００６１】
ミクサ８は、遅延線路７が出力するＲＦ波と、分配器２が出力するＬＯ波とを混合し、その差周波を増幅器９に出力する。差周波は、sin (ωt+φ0+２φ１)となる。
【００６２】
増幅器９は、ミクサ８が出力した差周波を増幅して、ＶＣＯ１３に注入する。ＶＣＯ１３に注入される信号は、sin (ωt+φ0+２φ１)である。
【００６３】
ＶＣＯ１３は、増幅器９を介して注入波が注入される。注入される信号はsin (ωt+φ0+２φ１)であるのに対して、従来の自己注入同期発振器の注入信号は、sin (ωt+φ0+φ１)であるので、本自己注入同期発振器では、従来に比べて、２倍の遅延位相が得られる。遅延時間Ｔと遅延位相φとは、ωＴ＝φで関係づけられるので、２倍の遅延位相が得られるということは、２倍の遅延時間が得られることを意味する。本自己注入同期発振器では、遅延線路を長くしなくても、遅延時間を大きくできる。
【００６４】
式（１）に示されるように、遅延時間が大きくなるほど、発振器の位相雑音は低下する。したがって、本自己注入同期発振器では、従来の自己注入同期発振器に比べて、低位相雑音化が図れる。本自己注入同期発振器は、遅延線路を長くしなくても、低位相雑音化が図れるので、従来に比べて小型に構成できる。例えば、従来の自己注入同期発振器で、１００ｍｍの遅延線路が必要だったとすると、本自己注入同期発振器では、５０ｍｍの遅延線路を用いて、同等の位相雑音特性が得られる。
【００６５】
以上のように構成した実施の形態３の自己注入同期発振器であっても、実施の形態１と同様の効果を奏する。加えて、実施の形態３の自己注入同期発振器は、ＶＣＯ１３が出力する基本波の一部をミクサ８のＬＯ波として用いるとともに、ＶＣＯ１３が出力する高調波をＲＦ波として用いて、ＲＦ波に対して位相を遅延させているので、実施の形態１において必要だった逓倍器５及び逓倍器６を削減でき、回路の簡素化、小型化を図ることができる。
【００６６】
実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態１の自己注入同期発振器と比べて、発振周波数が連続的に変化する範囲を大きくできる自己注入同期発振器について説明する。
【００６７】
図５は、実施の形態４に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
なお、図５中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。実施の形態１の構成と比べて、遅延線路７と逓倍器５との間に移相器１５を設けている点が異なる。
【００６８】
移相器１５は、分配器４が出力するＲＦ波に移相量を与え、ＶＣＯ１が出力する信号の位相とＶＣＯ１に注入される信号の位相とを合わせる移相器である。その移相量は、電圧もしくは電流により制御される。移相器１５の入力端子は、逓倍器５に接続され、移相器１５の出力端子は、遅延線路７に接続される。
【００６９】
次に、実施の形態４に係る自己注入同期発振器の動作について説明する。
ＶＣＯ１、分配器２、出力端子３、分配器４、逓倍器５及び逓倍器６の動作は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。
【００７０】
移相器１５は、逓倍器５が出力したＲＦ波に移相量を与える。その移相量は、ωに対してΔφとする。そうすると、逓倍器５が出力するＲＦ波の周波数はｎωであるので、移相器１５は、ＲＦ波に対して、ｎΔφの移相量を与える。したがって、移相器１５の出力信号は、sin ｎ(ωt+φ0+Δφ)である。
【００７１】
遅延線路７は、移相器１５が出力したＲＦ波の位相を遅らせ、遅延させた信号をミクサ８のＲＦ端子に出力する。遅延線路７は、ωに対してφ１の移相量を与えるので、ｎωに対してはｎφ１の移相量を与える。したがって、遅延線路７からミクサ８に出力される信号は、sin n(ωt+φ0+φ１+Δφ)となる。このように、逓倍されたＲＦ波に対して、遅延線路７を設け、位相を遅延させることで、ＲＦ波を逓倍させずに位相を遅延させた場合に比べて、ｎ倍の遅延位相を得ることができる。
【００７２】
ミクサ８は、遅延線路７が出力するＲＦ波と、逓倍器６が出力するＬＯ波とを混合し、その差周波を増幅器９に出力する。差周波は、sin (ωt+φ0+n（φ１+Δφ）)となる。
【００７３】
増幅器９は、ミクサ８が出力した差周波を増幅して、ＶＣＯ１に注入する。ＶＣＯ１に注入される信号は、sin (ωt+φ0+n（φ１+Δφ）)である。
【００７４】
ＶＣＯ１は、増幅器９を介して注入波が注入される。従来に比べて、ｎ倍の遅延位相をもつ注入波がＶＣＯ１に注入されるので、実施の形態１で説明したように、ＶＣＯ１の位相雑音は改善される。
ＶＣＯ１に注入される信号は、sin (ωt+φ0+n（φ１+Δφ）)であり、ＶＣＯ１の出力信号はsin (ωt+φ0)であるので、一般に、注入される信号の位相と出力信号の位相は異なっている。
【００７５】
ここで、移相器１５は、ＶＣＯ１の出力信号の位相と、ＶＣＯ１に注入される信号の位相とが一致するように、Δφを制御する。つまり、移相器１５は、n（φ１+Δφ）＝２ｋπ（ｋは整数）の条件を満たすように、Δφを制御する。これにより、ＶＣＯ１の出力信号と、ＶＣＯ１に注入される信号とは、周波数及び位相が一致することになる。
【００７６】
注入される信号と出力される信号との位相が一致していない場合、以下に示すように、自己注入同期発振器の制御電圧に対する発振周波数の変化範囲が小さくなる。
【００７７】
図６は、自己注入同期発振器における電圧周波数特性を示す図である。実線が、注入信号と出力信号との位相が一致している場合の電圧周波数特性を示す。点線が、注入信号と出力信号との位相が一致していない場合の電圧周波数特性を示す。
注入信号と出力信号との位相が一致していない場合、制御電圧を変化させると、周波数が不連続になることが分かる。自己注入同期発振器は、基本的に、注入信号と出力信号との位相が一致するように発振する。したがって、自己注入同期発振器は、位相があっていない場合、発振周波数を変化させて、注入信号と出力信号との位相を合わせるように動作する。注入信号と出力信号との位相差が大きくなると、発振周波数を大きく変化させる必要があるため、発振周波数が不連続に変化することになる。このため、制御電圧に対して、発振周波数が連続的に変化する範囲が狭まってしまう。
【００７８】
これに対して、注入信号の位相と出力信号の位相とが一致している場合、自己注入同期発振器は、発振周波数を変化させる必要がないので、発振周波数が不連続に変化することはなく、図６に示すように、制御電圧に対して連続的に発振周波数が変化する特性が得られる。
【００７９】
以上のように構成した実施の形態４の自己注入同期発振器であっても、実施の形態１と同様の効果を奏する。加えて、実施の形態４の自己注入同期発振器は、移相器１５を用いて、ＶＣＯ１の出力信号の位相とＶＣＯ１に注入される信号の位相とを一致させられるので、発振周波数が連続的に変化する範囲を大きくできる。したがって、実施の形態４の自己注入同期発振器は、広帯域な信号を出力できる。
【００８０】
なお、ここでは、移相器１５が、逓倍器５と遅延線路７との間に設けた例を示したが、分配器２から増幅器９を介してＶＣＯ１までの注入波に対するループ内であれば、どこに移相器１５を設けても良い。注入波のループ内に移相器１５があれば、注入波の位相を変えられるからである。
【００８１】
図７は、実施の形態４に係る自己注入同期発振器の他の構成例を示す構成図である。
図７（ａ）は、分配器４と逓倍器５との間に移相器１５を設けた例である。逓倍器５の前に、移相器１５を設けることにより、逓倍する前の低い周波数で移相器１５は動作するので、注入波に対する移相器１５の損失を小さくできる。
【００８２】
図７（ｂ）は、分配器２と分配器４との間に移相器１５を設けた例である。この位置に移相器１５を設けても、注入波の位相を変化させられるので、注入波の位相と出力信号の位相とを合わせることができる。また、図７（ａ）の場合と同様に、逓倍する前の低い周波数で移相器１５は動作するので、注入波に対する移相器１５の損失を小さくできる。
【００８３】
図７（ｂ）は、分配器２と分配器４との間に移相器１５を設けた例である。図７（ｃ）は、ミクサ８と増幅器９との間に移相器１５を設けた例である。これらの位置に移相器１５を設けても、注入波の位相を変化させられるので、注入波の位相と出力信号の位相とを合わせることができる。
【００８４】
実施の形態５．
実施の形態５では、高調波を出力する発振器を用いずに、１つの逓倍器を削減できる自己注入同期発振器の構成について説明する。
【００８５】
図８は、実施の形態５に係る自己注入同期発振器の一構成例を示す構成図である。
なお、図８中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。実施の形態１の構成と比べて、逓倍器６を削除し、ミクサ８の代わりに、ハーモニックミクサ８１を設けている点が異なる。
【００８６】
ハーモニックミクサ８１は、ＬＯ波の高調波とＲＦ波とを混合するハーモニックミクサである。ハーモニックミクサ８１は、ＲＦ端子、ＬＯ端子、ＩＦ端子を備える。ハーモニックミクサ８１のＲＦ端子は、遅延線路７に接続され、ＬＯ端子は分配器４に接続され、ＩＦ端子は、増幅器９に接続される。ハーモニックミクサ８１は、延線路７で遅延されたＲＦ波と分配器４が出力したＬＯ波の高調波とを混合し、ＲＦ波とＬＯ波との差周波を、増幅器９を介してＶＣＯ１に注入波として出力する。例えば、ハーモニックミクサ８１には、コモンミクサやアンチパラレルダイオードペアミクサが用いられる。
【００８７】
次に、実施の形態５に係る自己注入同期発振器の動作について説明する。
ＶＣＯ１、分配器２、出力端子３、分配器４及び逓倍器５の動作は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。
【００８８】
ハーモニックミクサ８１には、遅延線路７からＲＦ波が入力され、分配器４からＬＯ波が入力される。ＲＦ波はsin n(ωt+φ0+φ１)であり、ＬＯ波はsin (ωt+φ0)である。ハーモニックミクサ８１は、ＬＯ波のｎ−１倍高調波を利用して、ＬＯ波のｎ−１倍高調波とＲＦ波とを混合し、その差周波を増幅器９に出力する。ここで、ｎは逓倍器５の逓倍数を表す。ＬＯ波のｎ−１倍高調波は、sin (n-1)(ωt+φ0)であるので、ＬＯ波のｎ−１倍高調波とＲＦ波との差周波は、sin (ωt+φ0+nφ１)となる。
【００８９】
増幅器９及びＶＣＯ１の動作は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００９０】
以上のように構成した実施の形態５の自己注入同期発振器であっても、ＶＣＯ１に注入される信号はsin (ωt+φ0+nφ１)であるので、実施の形態１と同様の効果を奏する。加えて、実施の形態５の自己注入同期発振器は、ハーモニックミクサ８１を用いて、ＬＯ波の高調波とＲＦ波を混合しているので、実施の形態１において必要だった逓倍器６を削減でき、回路の簡素化、小型化を図ることができる。
【００９１】
なお、上記では、ハーモニックミクサ８１がＬＯ波のｎ−１倍高調波を用いる場合を示したが、ハーモニックミクサ８１はＬＯ波のｎ＋１倍高調波を用いても良い。この場合、ＬＯ波のｎ＋１倍高調波とＲＦ波との差周波は、−sin (ωt+φ0−nφ１)であり、ωに対して−ｎ倍の遅延位相が得られる。遅延位相は絶対値に意味があるので、−ｎφ１であってもｎφ１と同じ効果が得られる。したがって、ｎ＋１倍高調波を用いても、ｎ−１倍高調波を用いる場合と同様の効果がある。
【００９２】
さらに、ハーモニックミクサ８１がｎ＋１倍高調波を用いる場合であって、ｎ＝１の場合、つまり、ハーモニックミクサ８１がＬＯ波の２倍高調波を用いて混合を行う場合、逓倍器５の逓倍数は１となるので、逓倍器５を削減できる。この場合、逓倍器５及び逓倍器６を削減できるので、さらに回路の簡素化、小型化を図ることができる。
【符号の説明】
【００９３】
１  １２  １３  ＶＣＯ、  ２  ４  分配器、  ３  出力端子、  ５  ６  １０  逓倍器、７  遅延線路、８  ミクサ、  ９  １４  増幅器、１１  分周器、１５  移相器、  ８１  ハーモニックミクサ。
【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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