JPH11239012A

JPH11239012A - 共振回路および発振回路

Info

Publication number: JPH11239012A
Application number: JP4201898A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sakamoto; 孝一坂本; Sadao Yamashita; 貞夫山下; Takatoshi Kato; 貴敏加藤; Yasuo Fujii; 康生藤井; Kenichi Iio; 憲一飯尾
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 1999-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】可変容量素子の位相角変化量を増すことな
く、共振周波数可変幅の広い共振回路および発振周波数
可変幅の広い発振回路を提供する。【解決手段】誘電体共振器に対して可変インピーダン
ス回路を接続した線路を結合させ、その可変インピーダ
ンス回路のインピーダンスによって共振周波数を可変す
るようにした回路において、一端を接地した容量素子６
を線路２に接続し、一端を接地した可変容量素子４と線
路２との間にインダクタンス素子としての伝送線路５′
を設ける。このことにより可変容量素子４の容量値変化
によるＬＣ並列共振回路のサセプタンス変化を大きくし
て、共振周波数の変化幅を広げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は高周波帯、特にミ
リ波領域で使用される共振器および発振器に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高周波帯域で使用される電圧
制御発振器（以下ＶＣＯと言う。）やフィルタ等におい
ては、その位相雑音特性および周波数安定度を高めるた
めに、誘電体共振器が用いられている。

【０００３】このような誘電体共振器を用いた装置にお
いては、誘電体共振器の共振周波数を制御信号によって
変化させる場合、静電容量（以下単に容量と言う。）を
装荷した線路を誘電体共振器に結合させ、その容量を変
えることによって行っている。

【０００４】ここで従来のＶＣＯの構成例を図１１に示
す。図１１において１は誘電体共振器であり、この誘電
体共振器１に結合する２つの結合線路２，３を配置して
いる。結合線路３は帯域反射用結合線路（以下「主線
路」という。）であり、一方の端部に終端抵抗８を接続
している。他端には負性抵抗回路を接続する。結合線路
２は周波数調整用結合線路（以下「副線路」という。）
であり、一方の端部を開放し、他端に可変容量素子４を
接続している。

【０００５】上記ＶＣＯは、主線路３に接続した負性抵
抗回路から主線路３に対する誘電体共振器１の結合位置
までの距離、負性抵抗回路の反射位相、および共振回路
の反射位相に応じて定まる発振条件を満足する発振周波
数で発振する。また共振回路の反射位相は誘電体共振器
１に結合する副線路２の装荷容量によって変化し、その
装荷容量は可変容量素子４の容量値によって変化するの
で、この可変容量素子４の容量値を電圧制御することに
よって発振周波数を制御している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように可変容量素
子を用いたＶＣＯの周波数可変幅は、可変容量素子４の
位相角変化量、副線路２のインピーダンスおよび副線路
２と誘電体共振器１との結合量に比例する。したがって
周波数可変幅の広いＶＣＯを得るには、位相角変化量の
大きな可変容量素子４を用いるか、副線路と誘電体共振
器との結合度を大きくすればよい。しかし、副線路２と
誘電体共振器との結合量は結合構造により制限を受け、
副線路２のインピーダンスもその線路の形状により制限
を受ける。そのため、周波数可変幅を増すには、位相角
変化量の大きな可変容量素子を使用することが必須であ
った。

【０００７】ところが、可変容量素子の位相角変化量
は、可変容量素子の特性（物性値）および可変容量素子
のパッケージによる寄生成分（直列寄生インダクタンス
および並列寄生キャパシタンス）によって制限され、特
にミリ波帯においては可変容量素子の位相角変化量を大
きくすることが困難であった。

【０００８】すなわち、一般に、可変容量素子の位相角
φは次式で表される。

【０００９】ｔａｎφ＝２ωＣ／（ω²Ｃ²−１）ただし、ω＝２πｆで、ｆは周波数、Ｃは可変容量素子
の容量である。したがって、可変容量素子の容量値Ｃが
大きくなると、その位相角φは１８０°に近づき、容量
変化が大きくなっても位相角の変化は小さくなってしま
う。一方、周波数が高くなるほど可変容量素子のサセプ
タンスが大きくなり、サセプタンス変化の割に位相角変
化が小さくなってしまう。したがって周波数が高くなる
ほど、容量値の小さな可変容量素子が必要となるが、実
現できる容量値には限度がある。さらに、可変容量素子
を誘電体板上に実装する際、可変容量素子と接地電極と
の間に寄生インダクタンスが生じるが、この寄生インダ
クタンスも位相角変化を小さくする方向に作用する。

【００１０】以上の各種要因により、高周波帯における
共振回路を構成しようとすると、可変容量素子の位相角
変化を大きくすることが困難になり、そのため共振周波
数の可変幅を大きくとることができない。

【００１１】この発明の目的は、可変容量素子の位相角
変化量を増すことなく、共振周波数可変幅の広い共振回
路を提供することにある。

【００１２】またこの発明の目的は、共振周波数変化量
の大きな共振回路を用いて、発振周波数可変幅の広い発
振回路を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、可変容量素
子の容量値（容量サセプタンス）の変化が小さくても、
そのサセプタンス変化による位相角の変化が大きく見え
るようにするために、可変インピーダンス回路部分に共
振系を導入する。請求項１に記載の発明では、誘電体共
振器と、該誘電体共振器に結合する線路と、該線路に接
続した可変インピーダンス回路とから成る共振回路にお
いて、前記可変インピーダンス回路を、一端が前記線路
に接続され他端が接地された容量素子と、一端が接地さ
れた可変容量素子と、この可変容量素子の他端と前記容
量素子の一端との間に接続されたインダクタンス素子と
から構成する。

【００１４】このことによって、可変容量素子とインダ
クタンス素子との組み合わせにより得られる、インダク
タンス素子のインダクタンスをＬ、可変容量素子のキャ
パシタンスをＣとするＬＣ並列共振回路が構成される。
そこで、このＬＣ並列共振回路の共振周波数付近でＬの
変化に対して可変インピーダンス回路部分のサセプタン
ス変化が大きくなるようにＣの値を設定する。そうすれ
ば、可変容量素子の容量値の僅かな変化が大きな位相角
変化となって現れる。

【００１５】前記インダクタンス素子としては、請求項
２に記載のとおり、誘電体基板上に形成した伝送線路で
構成することができる。

【００１６】また、前記新たに付加する容量素子として
は、請求項３に記載のとおり、一端が前記線路に接続さ
れ、他端が開放された線路（オープンスタブ）で構成し
てもよい。

【００１７】さらに前記の新たに付加すべき容量素子と
してバラクタダイオード等の可変容量素子を用いてもよ
い。

【００１８】また、この発明は可変インピーダンス回路
のサセプタンス変化が小さい場合に、位相角の変化が大
きく見えるようにするために、請求項５に記載のとお
り、誘電体共振器と、該誘電体共振器に結合する線路
と、該線路に接続した可変インピーダンス回路とから成
る共振回路において、前記可変インピーダンス回路を、
一端が前記線路に接続された容量素子と、一端が接地さ
れた可変容量素子と、この可変容量素子の他端と前記容
量素子の他端との間に接続された伝送線路とで構成す
る。

【００１９】この構成によって、主として可変容量素子
をＣ、インダクタンス素子をＬとするＬＣ直列共振回路
が構成される。そこで、このＬＣ直列共振回路の共振周
波数付近でＣの変化に対してリアクタンス変化が大きく
なるようにＬの値を設定する。そうすれば可変容量素子
の僅かな容量値の変化が大きな位相角変化となって現れ
る。

【００２０】このように可変容量素子の容量値によって
共振周波数が大幅に変化する共振回路が得られる。この
共振回路の共振周波数変化を利用した共振回路装置を構
成する場合、請求項６に記載のとおり、一端が接地され
他端を出力端とする、誘電体共振器に結合する別の線路
を設ければよい。

【００２１】さらに電圧制御発振器などを構成する場合
には、請求項７に記載のとおり、前記出力端に負性抵抗
回路を接続するとともに、その負性抵抗回路と共振回路
による発振信号を出力する出力部を設ける。

【００２２】

【発明の実施の形態】この発明の第１の実施形態に係る
共振回路の構成を図１〜図５を参照して説明する。

【００２３】図１は共振回路の構造を示す図であり、
（Ａ）はその主要部の斜視図、（Ｂ）は分解断面図であ
る。この図において１０は誘電体板であり、その両主面
にそれぞれ円形の電極開口部１３，１４を有する電極１
１，１２を設けている。この構造により電極開口部１
３，１４部分がＴＥ０１０モードの誘電体共振器として
作用する。このような誘電体共振器を構成した誘電体板
１０の図における上面には結合線路などを設けた誘電体
シート状の回路基板１５を積層している。電極１１は回
路基板１５の接地電極としても用いている。

【００２４】図１の（Ａ）において１は誘電体共振器で
ある。２，３がこの誘電体共振器１とそれぞれ結合する
結合線路であり、ここでは２が副線路、３が主線路であ
る。主線路３の一方の端部には終端抵抗８を接続してい
る。副線路２には、可変容量素子４、容量素子６および
インダクタンス素子からなる可変インピーダンス回路２
０を構成している。

【００２５】図２は上記可変インピーダンス回路部分の
構成を示す平面図である。この図において４が可変容量
素子であり、接地電極１１にスルーホールを通して接続
された接地電極７と副線路２の一端との間に接続してい
る。また、副線路２の所定位置と接地電極７との間に容
量素子６を接続している。上記可変容量素子４はたとえ
ばチップ状のバラクタダイオードであり、これを副線路
２の端部と接地電極７との間に実装している。また、上
記容量素子６はたとえばチップキャパシタであり、副線
路２と接地電極７との間に実装している。なお、このチ
ップキャパシタの代わりにインターディジタルキャパシ
タやマイクロストリップ線路で構成したキャパシタを用
いてもよい。

【００２６】上記共振回路の等価回路を図４に示す。図
４において５′は副線路２に対する容量素子６の接続点
から可変容量素子４までの伝送線路である。主線路３の
一端１８は出力端子として用いる。

【００２７】図３は可変容量素子の容量変化による位相
角変化をアドミッタンススミスチャート上に示したもの
である。

【００２８】前記誘電体板１０の比誘電率を２４、誘電
体板１０の厚さを０．７６ｍｍ、電極開口部の直径を
３．０ｍｍとすれば、ほぼ３０ＧＨｚでＴＥ０１０モー
ドの共振が生じる誘電体共振器が得られる。回路基板１
５としては、比誘電率３．５の誘電体シートを用いるこ
とができる。図２に示したように、副線路２に対する容
量素子６の接続点Ａから可変容量素子４までの伝送線路
５′はインダクタンス素子として用いる。ここでは、こ
の伝送線路５′の長さを１．２ｍｍのマイクロストリッ
プ線路とし、可変容量素子４の容量変化を０．２ｐＦ〜
２．０ｐＦとする。このとき、可変容量素子におけるア
ドミッタンスは図３においてＡ〜Ｂに変化する。これは
位相角で−１２４〜−１７４°の変化に相当する。ま
た、可変容量素子４の寄生成分と、接続される伝送線路
５′の回路定数により、Ａ点から可変容量素子側を見た
回路のアドミッタンスは図３においてＣ点〜Ｄ点に変化
する。これは位相角で１７０〜１２０°の変化となる。
図３のＣ点のサセプタンス軸の目盛は−１１、Ｄ点は−
１．７５である。ここでは、チャートの中心を１／５０
Ωすなわち２０ｍＳとしているので、Ａ点から可変容量
素子側を見た回路のサセプタンスは−１１＊２０ｍＳ＝
−２２０ｍＳから−１．７５＊２０ｍＳ＝−３５ｍＳま
で変化する。

【００２９】図２に示したＡ点に並列に接続する容量素
子６の容量を０．１ｐＦとすれば、可変インピーダンス
回路全体のアドミッタンスは、図３のＣ点，Ｄ点をそれ
ぞれ０．１ｐＦ分だけ等コンダクタンス曲線上を時計方
向に移動させた点、すなわち図３のＥ点，Ｆ点に変化す
る。これはサセプタンスで−２００ｍＳから−１６ｍＳ
までの変化、位相角で１６９〜７６°の変化に相当し、
容量素子６を設けない場合の元の位相角変化−１２４〜
−１７４°に比べて変化幅が大きくなったことが判る。
すなわちこれによって共振回路の共振周波数可変幅が増
大したことになる。

【００３０】前記伝送線路５′の代わりに、たとえば２
５０ｐＨのインダクタンスを有するインダクタンス素子
を直列に接続した場合、可変容量素子の０．２ｐＦ〜
２．０ｐＦの変化は位相角変化で１６４〜９６°の変化
に相当する。このようにインダクタンス素子部分は伝送
線路であってもインダクタであってもほぼ同様の効果が
得られる。

【００３１】次に第２の実施形態に係る共振回路の主要
部の構成を図５に示す。図２に示した例では、副線路２
の所定位置と接地電極７との間に容量素子６を接続した
が、図５に示す例では、このような一端を接地した容量
素子の代わりに、一端を開放した所定長の線路によるオ
ープンスタブ９を副線路２の所定位置に設ける。線路上
の波長をλとすれば、通常λ／４より短いオープンスタ
ブであれば容量性を示すので、その範囲で所定の等価的
な容量値となるように線路９の線路長を定める。たとえ
ば比誘電率３．５、厚さ０．３ｍｍの回路基板を用い
て、線路９の長さを０．９ｍｍに設定した場合、その容
量値は約０．１ｐＦとなり、上記実施形態の場合と同様
の効果が得られる。

【００３２】図６は第３の実施形態に係る共振回路の主
要部の構成を示す図である。構造上は図２に示したもの
と同様であるが、ここでは、副線路２の所定位置と接地
電極７との間に可変容量素子６′を接続している。ここ
では可変容量素子４を第１の可変容量素子、可変容量素
子６′を第２の可変容量素子という。

【００３３】図６において、第１の可変容量素子４が低
容量値（ＣＳ）〜高容量値（ＣＬ）に変化することによ
り、Ａ点から第１の可変容量素子４側を見た回路のサセ
プタンスはＢ_CS〜Ｂ_CLの間で変化し、Ｂ_CS＜Ｂ_CL（但し
Ｂ_CS，Ｂ_CL＜０）の関係となる。また、第２の可変容量
素子６′は副線路に直接接続されているため、容量性の
サセプタンス（Ｂ_CS2，Ｂ_CL2＞０）となっていて、第
２の可変容量素子６′が低容量値（ＣＳ）〜高容量値
（ＣＬ）に変化することにより、そのサセプタンスは、
Ｂ_CS2〜Ｂ_CL2（Ｂ_CS2＜Ｂ_CL2）の間で変化する。

【００３４】第１・第２の両者を考慮にいれたサセプタ
ンスは低容量側、高容量側でそれぞれ（Ｂ_CS＋
Ｂ_CS2）、（Ｂ_CL＋Ｂ_CL2）となるが、第２の可変容量
素子５′が低容量値であるときには、この第２の可変容
量素子５′を並列接続したことによる可変インピーダン
ス回路のサセプタンス変化は小さく、第２の可変容量素
子５′が高容量値であるときには、この第２の可変容量
素子５′を並列接続したことによる可変インピーダンス
回路のサセプタンス変化は大きくなる。

【００３５】すなわち上記Ｂ_CSは図３においてＣ点に対
応し、Ｂ_CLはＤ点に対応する。一方、第２の可変容量素
子６′のすぐ隣の位置（図６のＡ点）を基準点としてい
るので、第２の可変容量素子６′のサセプタンス変化Ｂ
_CS2〜Ｂ_CL2は、図２に示した第１の実施形態におい
て、バラクタダイオード４のアドミッタンス（サセプタ
ンス）変化に等しく、Ｂ_CS2は図３のＡ点に対応し、Ｂ
_CL2は図３のＢ点に対応する。

【００３６】上記サセプタンスの和（Ｂ_CS＋Ｂ_CS2）は
図３における（Ｃ点のサセプタンス）＋（Ａ点のサセプ
タンス）であり、負の大きなサセプタンス（図３では−
１０）と正の小さなサセプタンス（図３では＋２）の和
であるため、その値は−８となって、Ｃ点から動く量は
僅かである。一方、上記サセプタンスの和（Ｂ_CL＋Ｂ
_CL2）は図３における（Ｄ点のサセプタンス）＋（Ｂ点
のサセプタンス）であり、負の小さなサセプタンス（−
１．８）と正の大きなサセプタンス（＋２０）の和であ
るため、その値はほぼ１８となって、足し合わせの結果
は正となる。このことは、図３に示したＦ点がさらに時
計回りに回転し、上半分の領域を超えて下半分の領域の
Ｂ点付近にまで回り込むことを意味する。したがって、
図６に示した例では、図３のＥ点〜Ｆ点の変化よりさら
に大きな変化が得られる。

【００３７】次に第４の実施形態として、発振回路の構
成例を図７および図８を参照して説明する。

【００３８】図７は発振回路の等価回路図である。この
発振回路は、図４に示した共振回路の出力端子１８に負
性抵抗回路を接続して、全体として発振回路を構成した
ものである。すなわち図７において１６はたとえばＧａ
ＡｓＨＥＭＴ構造のＦＥＴであり、これを負性抵抗回路
として用い、主線路３の一端に接続することによって帯
域反射型発振回路を構成している。その発振周波数は誘
電体共振器１の共振周波数、誘電体共振器１と主線路３
との結合位置から負性抵抗回路までの距離、および可変
インピーダンス回路とによって定まり、発振信号が出力
端子１７から取り出される。

【００３９】図７に示した発振回路において可変容量素
子４に与える制御電圧と発振周波数との関係を図８に示
す。同図においてＮは容量素子６を接続しない場合、Ａ
は接続した場合についてそれぞれ示している。このよう
に副線路の所定位置に容量素子を接続したことにより、
周波数可変幅が約２倍に広がる。

【００４０】次に第５の実施形態に係る共振回路に用い
る可変インピーダンス回路の構成を図９に示す。先に示
した各実施形態では、副線路２の所定位置と接地電極と
の間に容量素子を設けたが、この図９に示す例では、副
線路２の一端に容量素子６を接続し、可変容量素子４の
一端を接地するとともに、この可変容量素子４の他端と
容量素子６の他端との間を伝送線路５′で接続してい
る。すなわち、副線路２に直列に容量素子６を接続した
ものと言い換えることができる。

【００４１】図９において可変容量素子４の容量変化を
０．２ｐＦ〜２．０ｐＦとすれば、これは位相角で−１
２４〜−１７４°の変化に対応する。伝送線路５′の長
さを１．６ｍｍとし、可変容量素子４の容量値変化によ
りＡ点から見た回路の位相角が６〜５０°に変化するも
のとすると、これはリアクタンスとして１０００〜９５
Ωの変化に対応する。そしてＡ点に直列に０．１ｐＦの
容量素子６を接続したことにより、可変インピーダンス
回路のリアクタンスは９５０〜４２Ωの範囲で変化する
ことになる。これは位相角で６〜１００°の変化に対応
し、もとの位相角変化−１２４〜−１７４°から比べて
変化幅が大きくなることがわかる。その結果、共振周波
数の可変幅を広げることができる。

【００４２】図９に示した共振回路を用いた発振回路の
等価回路図を図１０に示す。このように、誘電体共振器
１に対して、副線路２とともに主線路３を結合させ、主
線路３の一端を終端抵抗８により終端させ、他端にＦＥ
Ｔ１６による負性抵抗回路を接続することによって発振
回路を構成することができる。

【００４３】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、主として
可変容量素子のキャパシタンスをＣ、インダクタンス素
子のインダクタンスをＬとするＬＣ並列共振回路の共振
周波数付近で、Ｃの変化に対して可変インピーダンス回
路部分のサセプタンス変化が大きくなるようにＬの値を
設定すれば、可変容量素子の容量値の僅かな変化で大き
な位相角変化が得られる。

【００４４】請求項２に係る発明によれば、前記インダ
クタンス素子を、誘電体基板上に形成した伝送線路で容
易に構成することができる。

【００４５】請求項３に係る発明によれば、前記新たに
付加する容量素子を、誘電体基板上に形成した伝送線路
で容易に構成することができる。

【００４６】請求項４に係る発明によれば、共振周波数
可変幅をより広くすることができる。

【００４７】請求項５に係る発明によれば、主として可
変容量素子をＣ、インダクタンス素子をＬとするＬＣ直
列共振回路の共振周波数付近でＣの変化に対してリアク
タンス変化が大きくなるようにＬの値を設定すれば、可
変容量素子の僅かな容量値の変化で大きな位相角変化が
得られる。

【００４８】請求項６に係る発明によれば、可変容量素
子の容量値によって共振周波数が大幅に変化する共振回
路を利用した共振回路装置が得られる。

【００４９】請求項７に係る発明によれば、前記出力端
に負性抵抗回路を接続するとともに、その負性抵抗回路
と共振回路による発振信号を出力する出力部を設けるこ
とによって、発振周波数可変幅の広い発振回路が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る共振回路の構成を示す斜
視図および分解断面図

【図２】同共振回路における可変インピーダンス回路部
分の構成を示す図

【図３】容量素子の付加によるアドミッタンス変化の例
を示す図

【図４】共振回路の等価回路図

【図５】第２の実施形態に係る共振回路における可変イ
ンピーダンス回路部分の構成図

【図６】第３の実施形態に係る共振回路における可変イ
ンピーダンス回路部分の構成図

【図７】第４の実施形態に係る発振回路の等価回路図

【図８】同発振回路の制御電圧に対する発振周波数変化
の例を示す図

【図９】第５の実施形態に係る共振回路における可変イ
ンピーダンス回路部分の構成図

【図１０】同共振回路を用いた発振回路の等価回路図

【図１１】従来の発振回路の等価回路図

【符号の説明】

１−誘電体共振器２−結合線路（副線路）３−結合線路（主線路）４−可変容量素子（バラクタダイオード）５−インダクタンス素子５′−伝送線路６−容量素子６′−可変容量素子７−接地電極８−終端抵抗９−線路（オープンスタブ）１０−誘電体板１１，１２−電極１３，１４−電極開口部１５−回路基板１６−ＦＥＴ１７，１８−出力端子２０−可変インピーダンス回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤井康生京都府長岡京市天神二丁目26番10号株式会社村田製作所内 (72)発明者飯尾憲一京都府長岡京市天神二丁目26番10号株式会社村田製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体共振器と、該誘電体共振器に結合
する線路と、該線路に接続した可変インピーダンス回路
とから成る共振回路において、前記可変インピーダンス回路は、一端を前記線路に接続
し、他端を接地した容量素子と、一端を接地した可変容
量素子と、この可変容量素子の他端と前記容量素子の一
端との間に接続したインダクタンス素子とから構成され
たことを特徴とする共振回路。
【請求項２】前記インダクタンス素子を、誘電体基板
上に形成した伝送線路で構成したことを特徴とする請求
項１に記載の共振回路。
【請求項３】前記容量素子を一端が前記線路に接続さ
れ、他端が開放された線路で構成したことを特徴とする
請求項１または２に記載の共振回路。
【請求項４】前記容量素子を可変容量素子で構成した
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の共振
回路。
【請求項５】誘電体共振器と、該誘電体共振器に結合
する線路と、該線路に接続した可変インピーダンス回路
とから成る共振回路において、前記可変インピーダンス回路は、一端を前記線路に接続
した容量素子と、一端を接地した可変容量素子と、この
可変容量素子の他端と前記容量素子の他端との間に接続
した伝送線路とで構成したことを特徴とする共振回路。
【請求項６】一端を接地し、他端を出力端とし、前記
誘電体共振器に結合する前記線路とは別の線路を、請求
項１〜５のうちいずれかに記載の共振回路に設けたこと
を特徴とする共振回路。
【請求項７】請求項６に記載の出力端に負性抵抗回路
を接続するとともに、該負性抵抗回路と前記共振回路に
よる発振信号を出力する出力部を設けたことを特徴とす
る発振回路。