The Realization of Next-Generation Integrated Millimeter-Wave Systems Based On Ultra-Low-Noise Frequency Synthesis Techniques

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周波数シンセサイザとして様々な応用で必須になる位相同期回路 (Phase-Locked-Loop: PLL)、特にその中でも容易に低位相雑音を達成できる高調波ミキサに基づいたフラクショナル型位相同期回路に取り組んだ。当初の予定では既存の構造をミリ波帯に拡張することを目標としていたが、考察を進める中で性能向上を可能とする新規な構造やこれらを上手く活かした応用が挙がったためミリ波帯にこだわらずに研究を進め、特に今年度はリング発振器に基づくPLLの研究に取り組んだ。従来のPLLで用いられるのはインダクタを用いたLC型発振器がほとんどであるが、インダクタの大きな面積によるコストの上昇や磁気的カップリングによる性能劣化などの課題がある。一方リング型発振器はこれらの問題の多くを解決できる一方でLC型発振器と比べてノイズが大きいため多くの場合用いることは容易でない。そこで本研究では高調波ミキサ型の構造を補助PLLを用いたフィルタリング効果と組み合わせることで発振器のノイズを非常に効果的に抑えられる構造を実現し、リング発振器を用いても十分低いノイズを達成できることを示した。こちらの成果は国際学会にて発表済みである。また、高調波ミキサ型のPLLはここ数年注目され始めた構造であるため未だに設計手法や気をつけるべき点がはっきりしておらず場当たり的な設計が行われることが多い。よって高調波ミキサ型のPLLに関する解析とそれに基づいた最適設計手法を提案することを当初より目標としてきたが、こちらを今年度論文としてまとめた。高調波ミキサはサンプル・ホールド回路に基づくため性能劣化につながりうるトーンが発生してしまう場合があり、これらを抑えるために適切なフィルタを設計する必要がある。論文ではこれらのトーンが発生するメカニズムを解析により説明付け、それに基づいてフィルタの設計指針とケーススタディを示した。