位相変調器及びルビジウム原子発振器

【課題】クワッドレチャ・ハイブリッドを使用して、進相端子と遅相端子に可変リアクタ
ンス素子を接続することにより、所望する位相に変調すると共に、出力レベルの変動を最
小限に抑えた位相変調器を提供する。
【解決手段】この位相変調器１１は、発振信号ＶＩを発振する発振源２４と、発振源２４
から発振された発振信号ＶＩを入力する入力端子ａと、発振信号ＶＩの位相に対して位相
が進む進相端子ｃと、発振信号ＶＩの位相に対して位相が遅れる遅相端子ｂと、進相端子
ｃに現れる位相と遅相端子ｂに現れる位相とを合成して出力する出力端子ｄと、を有する
クワッドレチャ・ハイブリッド３０と、可変容量素子Ｃ３と、可変容量素子Ｃ４と、出力
端子ｄと、を備えて構成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相変調器及びルビジウム原子発振器に関し、さらに詳しくは、位相変調器
の移相量の直線性を改善し、且つ出力レベル変動を抑制する回路構成に関するものである
。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信網や放送網等のディジタルネットワーク化が進み、これに伴い、伝送装置の
クロック信号や放送局の基準周波数の生成に使用されるクロック源等として、高精度・高
安定な発振器が必要不可欠なものとなっている。そのような要請を満たす発振器として、
発振周波数の精度・安定度が高いルビジウム原子発振器が多く用いられている。このルビ
ジウム原子発振器には、ルビジウム原子共鳴周波数にロックをかけるために、共鳴周波数
がずれているか一致しているかを検出するために、マイクロ波の位相を低周波により変調
する位相変調器が使用されている。
【０００３】
図４は従来の位相変調器の一例を示す回路図である。
この位相変調器１００は、トランジスタＴＲ１のコレクタに接続したインダクタンスＬ
に並列にバラクタ回路を接続し、抵抗Ｒ４でバラクタダイオードＲＣ１のカソード直流バ
イアス電圧を固定しておき、Ｒ９とＲＸ１の抵抗分圧によって決まるアノード直流バイア
ス電圧にＣ７を経由して変調波１１１Ｈｚを重畳して位相変調をかけ、変調波のレベルを
ＲＶ１で調整することによって変調度を調整する回路である。
【０００４】
図５は位相変調器１００の振幅、位相特性を示す図である。縦軸に振幅、位相を示し、
横軸に周波数を示す。この図では、位相特性を符号５０で示し、Ｐａｓｓ特性を符号５１
で示す。例えば、バラクタダイオードＲＣ１のカソード電圧を３．５Ｖ〜４．５Ｖまで変
化させたとき、１０ＭＨｚでの位相変化幅は＋８度〜−１２度（ａ、ｂ間）まで変化し、
そのときの振幅変動分は４８０ｍＶ〜４４０ｍＶ（約０．８ｄＢ）（ｃ、ｄ間）変動する
のがわかる。
【０００５】
また、従来技術として特許文献１には、入力信号及び変調信号を２分配し、それぞれ２
つの位相変調回路で変調した後、電力合成する位相変調器について開示されている。
【特許文献１】特開平８−２２２９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図４に示す従来の変調器による位相変調信号は、タンク回路の同調点か
らずれることによるレベル変動（ｃ、ｄ間）の影響が振幅変調成分として残留し、この振
幅変調成分を取り除くためのリミッタ回路などが後段に必要となる。また、回路の調整を
必要とし、調整コストが必要となるといった問題がある。
【０００７】
また、特許文献１に開示されている従来技術は、２つの位相変調回路で変調した後、電
力合成する際に、それぞれの位相変調回路で発生する振幅変調成分を相殺して位相変調特
性を得るようにしているので、２つの位相変調回路と合成回路が必要となり、回路構成が
複雑となるために、回路規模が大きくなり部品コストが高くなるといった問題がある。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑み、クワッドレチャ・ハイブリッドを使用して、進相端子と
遅相端子に可変リアクタンス素子を接続することにより、所望する位相に変調すると共に
、出力レベルの変動を最小限に抑えた位相変調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】
【０００９】
本発明はかかる課題を解決するために、所定周波数を有した発振信号の位相を変調する
位相変調器であって、前記発振信号を入力する入力端子と、前記発振信号の位相に対して
位相が進む進相端子と、前記発振信号の位相に対して位相が遅れる遅相端子と、前記進相
端子に現れる位相と前記遅相端子に現れる位相とを合成して出力する出力端子と、を有す
るクワッドレチャ・ハイブリッドを備え、前記入力端子に前記発振信号を入力し、前記進
相端子と前記遅相端子に夫々可変リアクタンス素子を接続することにより、前記出力端子
に出力される前記発振信号の位相を変調することを特徴とする。
【００１０】
クワッドレチャ・ハイブリッドは、マイクロ波帯で用いられるマジックＴやブランチド
・ハイブリッドと同じ動作を与えるもので、４つのポートを備えている。この性質は、入
力端子から信号を入力すると、電力は進相端子と遅相端子に現れる。このとき２つの端子
の位相が進相端子では進み、遅相端子では遅れ、両端子間では９０度の位相差となる。そ
して、出力端子には何の出力も現れない。本発明ではこの性質を利用して、進相端子と遅
相端子に可変リアクタンス素子を接続して、出力端子に位相が異なる信号を出力するもの
である。これにより、簡単な回路構成により、出力レベルの変動を抑制した位相変調器を
提供することができる。
【００１１】
また、前記可変リアクタンス素子に可変容量素子を用い、該可変容量素子の端子電圧を
制御することにより、前記出力端子に出力される前記発振信号の位相を変調することを特
徴とする。
可変リアクタンス素子にはいろいろ考えられるが、制御のし易さから考えた場合、可変
容量素子が最適である。可変容量素子は端子間の電位差により容量値が変化する素子であ
り、外部からの制御電圧により容量を所定範囲で変化させることができる。これにより、
外部から制御電圧を変化させることにより、容易に信号の位相を変調することができる。
【００１２】
また、ルビジウム原子の共鳴周波数に共振するよう調整されたマイクロ波共振器内にマ
イクロ波を放射する放射用アンテナを有する光マイクロ波ユニットと、該光マイクロ波ユ
ニットに現れる低周波振幅変調信号の位相を弁別する位相弁別器と、請求項１又は２に記
載の位相変調器と、前記位相弁別器の電圧に基づいて所定の周波数を発振する電圧制御発
振器と、該電圧制御発振器の発振信号をマイクロ波に逓倍する周波数逓倍部と、逓倍され
た発振信号に変調をかけ、ルビジウム原子の共鳴周波数と同一の周波数信号を生成する混
変調部と、を備えたことを特徴とする。
ルビジウム原子発振器には、ルビジウム原子共鳴周波数にロックをかけるために、共鳴
周波数がずれているか一致しているかを検出するために、マイクロ波の位相を低周波によ
り変調する位相変調器が必要となる。本発明のルビジウム原子発振器では、位相変調器に
本発明の位相変調器を使用するものである。これにより、所望する位相に変調すると共に
、出力レベルの変動を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１４】
図１は本発明の位相変調器の一例を示す回路図である。この位相変調器１１は、１０Ｍ
Ｈｚの発振信号ＶＩを発振する発振源２４と、発振源２４から発振された発振信号ＶＩを
入力する入力端子ａと、発振信号ＶＩの位相に対して位相が進む進相端子ｃと、発振信号
ＶＩの位相に対して位相が遅れる遅相端子ｂと、進相端子ｃに現れる位相と遅相端子ｂに
現れる位相とを合成して出力する出力端子ｄと、を有するクワッドレチャ・ハイブリッド
３０と、遅相端子ｂとグランド間に接続された可変容量素子（可変リアクタンス素子）Ｃ
３と、進相端子ｃとグランド間に接続された可変容量素子（可変リアクタンス素子）Ｃ４
と、出力端子ｄと、を備えて構成されている。尚、クワッドレチャ・ハイブリッド３０は
、コア３１に同位相で巻かれた２つのインダクタンスＬ１、Ｌ２と、インダクタンスＬ１
、Ｌ２の一方の端子２５、２７間に接続されたコンデンサＣ１と、インダクタンスＬ１、
Ｌ２の他方の端子２６、２８間に接続されたコンデンサＣ２により構成され、端子２５は
入力端子ａと接続され、端子２７は進相端子ｃと接続され、端子２６は遅相端子ｂと接続
され、端子２８は出力端子ｄと接続されている。そして入力端子ａに発振信号ＶＩを入力
し、進相端子ｃと遅相端子ｂに夫々可変容量素子Ｃ４、Ｃ３を接続することにより、出力
端子ｄに出力される発振信号の位相を変調するものである。
【００１５】
ここで、クワッドレチャ・ハイブリッドの動作については公知であるが、概要について
説明しておく。クワッドレチャ・ハイブリッド（別名９０度ハイブリッドとも呼ぶ）マイ
クロ波帯で用いられるマジックＴやブランチド・ハイブリッドと同じ動作を与えるもので
、４つのポートを備えている。この性質は、入力端子ａから信号を入力すると、電力は進
相端子ｃと遅相端子ｂに現れる。このとき２つの端子の位相が進相端子ｃでは４５度進み
、遅相端子ｂでは４５度遅れ、両端子間では９０度の位相差となる。基本的には入力端子
ａに対して±４５度の位相差となる。そして、出力端子ｄには何の出力も現れない。本発
明ではこの性質を利用して、進相端子ｃと遅相端子ｂに可変容量素子Ｃ４、Ｃ３を接続し
て、出力端子ｄに位相が異なる信号を出力するものである。これにより、簡単な回路構成
により、出力レベルの変動を抑制した位相変調器を提供することができる。
【００１６】
本願発明は、可変容量素子Ｃ４、Ｃ３の端子電圧を制御することにより、容量を変化さ
せて出力端子ｄに出力される発振信号の位相を変調するものである。即ち、可変リアクタ
ンス素子にはいろいろ考えられるが、制御のし易さから考えた場合、可変容量素子が最適
である。可変容量素子は端子間の電位差により容量値が変化する素子であり、外部からの
制御電圧により容量を所定範囲で変化させることができる。これにより、外部から制御電
圧を変化させることにより、容易に信号の位相を変調することができる。なお、可変容量
素子はバラクタダイオードを用いるのが好ましい。
【００１７】
図２は本発明の位相変調器の可変容量素子にバラクタダイオードを接続した場合の位相
変調特性のシミュレーション結果の図である。縦軸（左）は移相量（位相変化幅）（ｄｅ
ｇ）を表し、縦軸（右）は出力端子ｄの出力レベル（ｍＶ）を表し、横軸はバラクタダイ
オードの制御電圧（Ｖ）を表している。また、線分２１は移相量であり、線分２２は出力
レベルを表している。この図から分かるとおり、移相量２１は制御電圧を１Ｖから６Ｖま
で変化させた場合、略リニアに変化しているのが分かる。そのときの出力レベル２２は、
５００（ｍＶ）を中心として略フラットであり、レベルの変動が殆どないことが分かる。
即ち、実使用域Ａ−Ｂ間では、移相量２１は、非常に良い直線性を示しており、そのとき
の出力レベル２２は、５００（ｍＶ）を中心として殆ど変動していないことが分かる。
【００１８】
図３は本発明のルビジウム原子発振器の概略構成を示すブロック図である。このルビジ
ウム原子発振器５０は、ルビジウムランプ（以下、Ｒｂランプと記す）５を点灯するラン
プ励振部１と、ルビジウムガスセル（以下、Ｒｂガスセルと記す）６中のルビジウム原子
を励起するＲｂランプ５と、ルビジウム原子を封入したＲｂガスセル６と、Ｒｂガスセル
６中のルビジウム原子の共鳴周波数に共振するよう調整されたマイクロ波共振器３と、マ
イクロ波共振器３にマイクロ波を放射する放射用アンテナ４と、Ｒｂガスセル６を透過し
た光の強度を検出するフォトセンサ７と、Ａｍｐ９に現れる低周波振幅変調信号の位相を
弁別する位相弁別器１０と、位相弁別器１０の電圧に基づいて所定の周波数を発振する電
圧制御発振器１３と、マイクロ波の位相を低周波により変調する位相変調器１１と、電圧
制御発振器１３の発振信号をマイクロ波に逓倍する周波数逓倍部１２と、逓倍された発振
信号に変調をかけ、ルビジウム原子の共鳴周波数と同一の周波数信号を生成する混変調部
１４と、を備えて構成されている。尚、Ｒｂランプ５、マイクロ波共振器３及びフォトセ
ンサ７により構成されるユニットを光マイクロ波ユニット８と呼ぶ。また、混変調部１４
の出力は放射用アンテナ４に接続されている。
【００１９】
次に、本発明のルビジウム原子発振器の動作については公知であるので、ここでは説明
を省略するが、本発明の主たる構成要素である位相変調器１１は図１の各部品により構成
される位相変調器である。即ち、ルビジウム原子発振器５０には、ルビジウム原子共鳴周
波数にロックをかけるために、共鳴周波数がずれているか一致しているかを検出するため
に、マイクロ波の位相を低周波により変調する位相変調器１１が必要となる。本発明のル
ビジウム原子発振器５０では、位相変調器１１に本発明の位相変調器を使用するものであ
る。これにより、所望する位相に変調すると共に、出力レベルの変動を最小限に抑えるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の位相変調器の一例を示す回路図である。
【図２】本発明の位相変調器にバラクタダイオードを接続した場合の位相変調特性のシミュレーション結果の図である。
【図３】本発明のルビジウム原子発振器の概略構成を示すブロック図である。
【図４】従来の位相変調器の一例を示す回路図である。
【図５】従来の位相変調器の振幅、位相特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１１位相変調器、２４発振源、３０クワッドレチャ・ハイブリッド、ａ入力端
子、ｂ遅相端子、ｃ進相端子、ｄ出力端子、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４抵抗、Ｃ１
、Ｃ２コンデンサ、Ｃ３、Ｃ４可変容量素子

【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数を有した発振信号の位相を変調する位相変調器であって、
前記発振信号を入力する入力端子と、前記発振信号の位相に対して位相が進む進相端子
と、前記発振信号の位相に対して位相が遅れる遅相端子と、前記進相端子に現れる位相と
前記遅相端子に現れる位相とを合成して出力する出力端子と、を有するクワッドレチャ・
ハイブリッドを備え、
前記入力端子に前記発振信号を入力し、前記進相端子と前記遅相端子に夫々可変リアク
タンス素子を接続することにより、前記出力端子に出力される前記発振信号の位相を変調
することを特徴とする位相変調器。
【請求項２】
前記可変リアクタンス素子に可変容量素子を用い、該可変容量素子の端子電圧を制御す
ることにより、前記出力端子に出力される前記発振信号の位相を変調することを特徴とす
る請求項１に記載の位相変調器。
【請求項３】
ルビジウム原子の共鳴周波数により共振するよう調整されたマイクロ波共振器内にマイ
クロ波を放射する放射用アンテナを有する光マイクロ波ユニットと、該光マイクロ波ユニ
ットに現れる低周波振幅変調信号の位相を弁別する位相弁別器と、請求項１又は２に記載
の位相変調器と、前記位相弁別器の電圧に基づいて所定の周波数を発振する電圧制御発振
器と、該電圧制御発振器の発振信号をマイクロ波に逓倍する周波数逓倍部と、逓倍させた
発振信号に変調をかけ、ルビジウム原子の共鳴周波数と同一の周波数信号を生成する混変
調部と、を備えたことを特徴とするルビジウム原子発振器。

【図１】