(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号とローカル発振器からのローカル信号をミキサ回路で混合した後、アンプで増幅して出力信号を導出する高周波回路において、上記ミキサ回路からの出力を分配する電力分配回路と、該電力分配回路で分配した信号の電力レベルを検出する電力検出回路と、上記ミキサ回路の前段に配置され、上記電力検出回路で検出した電力レベルに応じて上記ミキサ回路への入力信号の電力レベルを調整する電力調整回路を設け、上記ミキサ回路と電力分配回路と電力検出回路を一体のモノリシックマイクロ波集積回路で構成し、
上記モノリシックマイクロ波集積回路のミキサ回路を構成する非線形素子と上記電力検出回路の電力センサとして用いる電力検波素子をダイオードで構成し、
上記高周波回路を送信側のアップコンバータとして用いたことを特徴とする高周波通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロウエーブ  モノリシック集積回路（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  、以下ＭＭＩＣという）化された高周波回路に係り，特にミリ波帯のような超高周波帯において、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ）機能を実現するのに適したＭＭＩＣ化された高周波回路及び通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通信装置、特に無線通信装置においては、送信される信号の電力を所望の範囲に調整する機能が、極めて重要である。送信電力が過大になると、アンプ回路等の飽和現象によって、信号が歪み、劣化する。また、無線通信装置の場合は、電波法で定められた空中線電力の規定を超える惧があり、最悪の場合には、他の通信機器への電波干渉や、電磁波照射による人体への悪影響まで生じる。逆に、送信電力が過小になると、熱雑音によって信号のＳＮ比が悪化し易くなり、通信可能伝送距離が著しく短くなる。
【０００３】
上記のような送信電力の調整機能は、一般的には、ＡＬＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｌｅｖｅｌ    Ｃｏｎｔｒｏｌ）機能、ＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）機能、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）機能等の名称で呼ばれているが、以下の説明ではＡＰＣ機能に用語を統一する。
【０００４】
ここで、高周波回路のＡＰＣ機能について従来技術を説明する。図４は、ＡＰＣ機能を持たない従来の無線通信技術の代表的なブロック図である。図４において、１は入力端子、２はローカル発振器、３はミキサ回路、４はバンドパスフイルタ、５は固定利得アンプ、６はアンテナである。このような単純な回路の場合、例えば入力端子１から入る低い周波数の信号の電力が何らかの原因で変動すると、アンテナ６から送信される電力も変動する。そのため、送信電力が所望の適正な範囲に収まっていることを保証する手段がないという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５は、ＡＰＣ機能を持つ従来技術の一例のブロック図である。同図において、図４と同一部分には同一符号を付し、説明を省略する。図５において、７はカプラ等の電力分配回路、８は電力センサ回路、９は可変利得アンプ等の電力調整回路である。この電力調整回路９については、以下の説明では可変利得アンプを例に説明を行うが、可変利得アンプに限定されるものではなく、可変減衰器でもよい。送信される高周波電力の一部は、電力分配回路７で分岐され、電力センサ回路８に入力される。電力センサ回路８は、入力された高周波信号の電力に応じて、直流電圧を出力する。
【０００６】
電力センサ回路８から出力された直流電圧は、必要ならば適当なレベル調整を行った後に、可変利得アンプ９に入力される。可変利得アンプ９は、入力された直流電圧に応じて利得を調整する。可変利得アンプ９の利得が調整された結果、可変利得アンプ９から出力される電力が調整されることになる。この結果、アンテナ６から送信される高周波信号に対し、電力が所望の適正な範囲に収まっていることを保証することができる。
【０００７】
ＡＰＣ機能付きの無線通信装置の従来技術には、図５で示した以外にも幾つかの変形がある。即ち、回路中において、電力分配回路７、電力センサ回路８、電力調整回路９の配置位置について、幾つかの選択枝がある。図５に示す従来技術は、登録実用新案第３００６６３７号等に見られる構成であり、電力分配回路７と電力センサ回路８はミキサ回路３以降の高い周波数の回路部に、また、電力調整回路９はミキサ回路３以前の低い周波数の回路部に配置されている。
【０００８】
図６に示す従来技術は、特開平７−２５４８６４号等にも見られる構成であり、電力調整回路９がローカル発振器部に置かれている。また、図７に示す従来技術は、特開平１０−０２２７５６号等にも見られる構成であり、電力分配回路７と電力センサ回路８と電力調整回路９の全てが、ミキサ回路３以降の高い周波数の回路部に設けられている。更に、また、図８に示す従来技術では、電力分配回路７と電力センサ回路８と電力調整回路９の全てがミキサ回路３以前の低い周波数の回路部に設けられている。
【０００９】
近年、需要の伸びが著しいミリ波帯のような超高周波帯の高周波通信回路等に用いられる高周波回路では、特に超広帯域通信システムの場合、上記図５乃至図８に示す従来技術のＡＰＣ回路構成においては以下に示すような問題がある。第１に、図８に示す従来技術では、製造上不可避な回路のバラツキに対して極めて弱いという問題がある。
【００１０】
第２に、図８に示す従来技術では、更に、帯域幅を広く取ることができないと云う問題もある。第３に、図６および図７に示すような従来技術においては、マイクロ波帯に比べてまだ技術的に未成熟なミリ波帯では、現実には回路が実現できないと言う問題があった。第４に、図５乃至７に示す従来技術では、ＭＭＩＣ化には不利な構成であるという問題があった。
【００１１】
以下に、上述する各問題点を具体的に説明する。従来技術の第１の問題である、回路のバラツキについて説明する。この問題は、特に図８に示す従来技術において顕著に生じる。電子回路を製造する際には、電子部品の特性そのもののバラツキと、電子部品と電子部品とを接続する際の実装時のバラツキと言う２つのバラツキが避けられない。これらの２つのバラツキによって無線通信機の出力電力の大きさも変動することがある。
【００１２】
たとえ、無線通信機にＡＰＣ回路を附加したとしても、ＡＰＣ回路以降の回路で発生するバラツキによる電力変動までは防止することができない。即ち、ＡＰＣ回路以降の回路ブロックが大きければ大きいほど、バラツキの影響は顕著になる。図８に示す構成では、ＡＰＣ回路がミキサ回路３以前の低い周波数の回路部に置かれているため、他の構成と比べて、ミキサ回路３とローカル発信部２のバラツキの影響を余計に被ってしまう。現状のミリ波回路の技術が未成熟であり、中でも特にローカル発振器２の技術は未成熟で出力も不安定なことを考慮すれば、バラツキの影響は深刻である。
【００１３】
次に、従来技術の第２の問題点である帯域幅を広く取れない点について説明する。この問題は、図８に示すような従来技術において生じる。近年、学会等で提案されているミリ波帯無線通信システムの中には、広帯域・多チャンネル伝送を特徴とするものが増えてきている。例えば、このような文献としては、“Ａ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｖｉｄｅｏ  Ｈｏｍｅ−Ｌｉｎｋ  Ｕｓｉｎｇ  ６０ＧＨｚ  Ｂａｎｄ  Ｃｏｎｃｅｐｔ  ｏｆ  Ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ  Ｓｙｓｔｅｍ”、Ｐｒｏｃ．  Ｏｆ    Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ，  ｖｏｌ．１，ｐｐ２９３￣  ２９６．２０００等がある。これらの文献に示されたシステムでは、１〜３ＧＨｚもの帯域幅の中に、数〜数十チャンネルもの信号を配置して同時伝送する。
【００１４】
ところで、ＡＰＣ機能実現のために必要な回路素子の中には、帯域幅が狭いものがある。カプラ等の電力分配回路７の比帯域幅は、一般的に数十％程度である。また、電力センサ回路８については、最も低コストなダイオード型センサを用いた場合、一般的には数％程度の比帯域幅しかない。ダイオード型センサに対して広帯域なインピーダンス整合を取る回路設計方法も知られてはいるが、その場合は、トレードオフとして、電力の検出感度が劣化してしまうと言う別な問題が生じる。このトレードオフ問題に関しては、米国Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  社の  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏｔｅ  ９６３に記されている。
【００１５】
比帯域幅が狭い部分は、バンドパスフイルタの働きをしてしまう。この影響を、図９に示す周波数スペクトル模式図を用いて説明する。３チャンネルＣｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ３の信号を同時伝送する広帯域無線通信システムにおいて、チャンネルＣｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ３の信号間の電力にバラツキがあったとする。図９（ａ）（ｂ）においては、３チャンネルＣｈ１，Ｃｈ２，Ｃｈ３の信号の総電力は全く等しいが、ただしチャンネル間の電力バラツキの具合が異なっているものとする。このときに、比帯域幅が狭い電力センサ回路が、図９（ａ），（ｂ）の破線で示すようなフイルタ特性を持っていたとすると、図９（ａ），（ｂ）の２つのスペクトルは、総電力が等しいと仮定したにも関わらず、バンドパスフイルタ効果のために、見かけ上は異なる電力として感知されてしまう。これは、電力センサの感知精度が著しく低いことを意味する。
【００１６】
以上より、超広帯域通信システム、特に多チャンネル伝送システムにおいては、ＡＰＣ用部品の比帯域幅は重要である。しかしながら、図８に示す従来技術においては、電力感知をミキサ回路３以前の低い周波数の回路部で行っているため、感知すべき信号の比帯域幅が大きくなり、電力分配回路７と電力センサ回路８の  比帯域幅を超えてしまう惧が高い。そのため、図８で説明したように、  正確な電力感知ができないという問題がある。
【００１７】
次に、従来技術の第３の問題である、現状の未成熟なミリ波帯技術では回路の実現が困難である点について説明する。この問題は、図６及び図７に示すような従来技術において生じる。
【００１８】
一般に半導体素子の増幅能力は、周波数が高くなるにつれて、単純に低下する。周波数が比較的低いマイクロ波帯では、３０〜４０ｄＢものゲインと２〜３Ｗもの飽和出力を有する増幅器も珍しくない。しかし、周波数が極めて高いミリ波帯においては、高いゲインと飽和出力を有する増幅器は現在もなお実現困難である。一般的な固定利得増幅器でさえ実現困難であることから、電力調整回路８として使用するような可変利得増幅器であれば更に実現困難である。そのため、電力  調整回路９がミキサ回路３以降のミリ波回路部に来るような図６及び図７に示す構成は実現困難である。
【００１９】
次に、従来技術の第４の問題である、ＭＭＩＣ化に不利である問題について説明する。この問題は、図５〜図７の従来技術において生じる。ミリ波帯のような超高周波帯では、ＭＭＩＣを中心に回路を構成する方法が有利である。ＭＭＩＣとは、複数の回路素子を同一の半導体チップ上に一体的に形成する技術であり、これによって部品間の接続に関わる諸問題，即ち、電気信号の劣化や、接続不良や，アッセンブリコストの増加等が大幅に緩和される。
【００２０】
ＭＭＩＣ化によって部品間の接続個所を削減するメリットを出すためには、ある程度広い範囲の回路を１チップ化することが望ましい。しかしながら、従来技術の図５〜図７に示す構成では、ダイオード型の電力センサ回路８を中心にＭＭＩＣ化を考えた場合、同一チップ上に一体集積化するために適した回路範囲は、せいぜい各図中の破線部分までに限られてしまう。その理由は、トランジスタやＦＥＴとダイオードでは、高性能を実現する最適な半導体製造プロセスが若干異なるためである。ダイオード型の電力センサ回路８と、トランジスタやＦＥＴからなるアンプ５等をＭＭＩＣ上で共存させた場合、例えば、先ず、ダイオード素子を形成し、次にその上をレジストでカバーして保護し、次のトランジスタ素子或  いはＦＥＴ素子を形成し、最後にダイオードの上のレジストを除去するというような多数の工程を経る必要が生じる場合もあり、コストが増加するという問題があった。
【００２１】
本発明は、上記従来の問題点を解決することを目的とするものである。また、本発明は上記従来の４つの問題点をすべて同時に解決することを目的とするものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため高周波通信装置は、入力信号とローカル発振器からのローカル信号をミキサ回路で混合した後、アンプで増幅して出力信号を導出する高周波回路において、上記ミキサ回路からの出力を分配する電力分配回路と、該電力分配回路で分配した信号の電力レベルを検出する電力検出回路と、上記ミキサ回路の前段に配置され、上記電力検出回路で検出した電力レベルに応じて上記ミキサ回路への入力信号の電力レベルを調整する電力調整回路を設け、上記ミキサ回路と電力分配回路と電力検出回路を一体のモノリシックマイクロ波集積回路で構成し、
上記モノリシックマイクロ波集積回路のミキサ回路を構成する非線形素子と上記電力検出回路の電力センサとして用いる電力検波素子をダイオードで構成し、
上記高周波回路を送信側のアップコンバータとして用いたことを特徴とする。
【００２３】
従って、ミキサ回路に入力する入力信号は、ローカル発振器からのローカル信号と混合されて高い周波数に変換された後、電力分配回路で分配される。この電力分配回路で分配された一方の信号は、上記ミキサ回路の出力信号として導出され、他方の信号は電力センサ回路に供給されてその電力レベルが検出される。この電力センサ回路で検出した電力レベルに応じて上記ミキサ回路の前段に設けた電力調整回路のゲイン調整を行い、外部から供給される入力信号の電力レベルを上記電力調整回路で調整して、上記ミキサ回路に所定の電力の入力信号を供給する。
【００２５】
また、ミキサ回路の非線形素子として電力センサ回路の電力検波素子を共にダイオードで構成するので、ミキサ回路と電力分配回路をＭＭＩＣで一体的に構成し易くなり、製造コストの低減を図ることができる。また、上記高周波回路をアップコンバータとして用いるので、ミリ波帯のような超高周波帯においてもＡＰＣ機能付きのアップコンバータを備えた高周波通信回路を容易に構成することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、ＡＰＣ機能を付加したミキサＭＭＩＣを用いる本発明の高周波回路のブロック図である。図１において、１は入力端子、２はローカル発振器、３１はミキサ回路、４はバンドパスフイルタ、５は固定利得アンプ、６はアンテナ、７１はカプラ等の電力分配回路、８１は電力センサ回路、９は可変利得アンプ等の電力調整回路であり、上記ミキサ回路３１、電力分配回路７１及び電力センサ回路３１より成る破線で囲まれた回路は１個のＭＭＩＣ３２上に集積化される。
【００２７】
図２は、ミキサ回路部を構成する上記ＭＭＩＣ３２の一実施例の模式図であり、図３はその等価回路図である。図２はマイクロストリップ線路型のＭＭＩＣを用いた例を示しているが、本発明はコプレナ線路型のＭＭＩＣを用いても同様に実施することができる。図２において、２７はＧａＡｓ等の材料からなる半導体基板であり、その基板裏面側には半導体材料でグランドパターン２８が形成されており、その基板表面側にはやはり半導体材料で回路パターンが形成されている。また、基板表面側の回路をグランドに短絡したい地点では、ＶＩＡホール２６が形成されている。
【００２８】
図３において、破線で示す部分はダイオード型のミキサ回路部１４を示している。ダイオード型のミキサ回路としては多数の構成があるが、図２と図３においては、特に多用されているアンチパラレルダイオードペア型の例を示した。図２，３において、１０はローカル端子、１１はＩＦ端子、１６はダイオード、２２はＤＣ阻止用キャパシタ、２３はＲＦ阻止用インダクタ、２４は先端短絡スタブ、２５は先端開放スタブである。
【００２９】
このようなアンチパラレルダイオードペア型ミキサ回路については、電子情報通信学会編「モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）」（初版）ｐ１２０や特許第２７９５９７２号に開示されているので、動作原理の詳細な説明は省略する。図２のＭＭＩＣ形態においては、キャパシタ２２は公知のＭＭＩＣキャパシタ技術で、インダクタ２３は公知のパラレルインダクタ技術で形成される。
【００３０】
ミキサ回路部１４の出力であるＲＦ信号は、カプラ１８によって２分され、一方はＲＦ端子１２に送られ、もう一方はダイオード型電力センサ回路部１５へ送られる。１９は、カプラ１８の終端抵抗である。図２と図３のカプラ１８は、図１のブロック図における電力分配回路７１を具体化したものである。電力分配回路７１はカプラ回路に限定されるものではなく、例えばウイルキンソン型電力分配器のような類似機能の回路を用いても良い。
【００３１】
ダイオード型の電力センサ回路部１５において、１７はダイオード、２０は抵抗、２１はキャパシタである。ダイオードを用いた電力センサ回路部１５の構成としては、図３に示す等価回路の構成が最も多用されているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。その他の回路構成としては、米国  Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社のＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏｔｅ９６３等の文献において開示されている。図２のＭＭＩＣ形態においては、キャパシタ２１は公知のＭＩＭキャパシタ技術で、抵抗２０及び１９は公知のエピ抵抗技術等で形成される。ダイオード型の電力センサ回路部１５は、入力されたＲＦ電力の大きさに応じて、センサ端子１３に出力される直流電圧を変化させる。
【００３２】
図２に示すようなＭＭＩＣを製造する半導体製造プロセスとしては、従来ダイオード型ミキサＭＭＩＣを製造するのと、全く同じ製造プロセスで良い。その理由は、図３に示す等価回路で明示したように、ＭＭＩＣ上に集積化される半導体素子が、全てダイオードであり共通であるためである。また、ミキサ回路部１４用に製造されたダイオード１６は、電力センサ回路部１５用のダイオード１７にも適しているためである。従って、製造コスト増を招くことなく図１に示す点線部分の全てを１個のＭＭＩＣ３２として１チップ化することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ミリ波帯のような超高周波帯においても、ＡＰＣ機能を備えたアップコンバータ回路を容易に構成することができる。その際、アップコンバート後の、比帯域幅が狭くなった信号に対して電力感知を行うため、安価なダイオード型の電力センサ回路を用いることができる。
【００３４】
また、その際、ミキサ回路部、カプラ等の電力分配回路部及び電力センサ回路部の３つの回路素子がＭＭＩＣ上に一体形成されているため、部品間の接続部に起因する電気信号の劣化や信頼性の劣化を最小限に抑えることができると共にアセンブリ作業に起因するコスト増も最小限に抑えることができる。
【００３５】
また、ＭＭＩＣ上の非線形半導体素子は全てダイオードであり、共通のプロセスで一括形成できるため、ＭＭＩＣの製造コストも低く抑えることができる。また、ローカル発振器やミキサ回路の性能バラツキに影響されることなく、正確な電力制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における要部の構成の模式図である。
【図３】図２の等価回路図である。
【図４】従来技術におけるＡＰＣ機能を持たない高周波回路のブロック図である。
【図５】従来技術におけるＡＰＣ機能を持った高周波回路の一例を示すブロック図である。
【図６】従来技術におけるＡＰＣ機能を持った高周波回路の他の例を示すブロック図である。
【図７】従来技術におけるＡＰＣ機能を持った高周波回路の更に他の例を示すブロック図である。
【図８】従来技術におけるＡＰＣ機能を持った高周波回路の更に他の例を示すブロック図である。
【図９】広い帯域・多チャンネル信号の周波数スペクトルの模式図である。
【符号の説明】
１    入力端子
２    ローカル発振器
４    バンドパスフイルタ
５    固定利得アンプ
６    アンテナ
１４  ミキサ回路部
１５  電力センサ回路部
１８    カプラ
３１  ミキサ回路
３２  ＭＭＩＣ
７１    電力分配回路
８１    電力センサ回路
【図１】
0003630112.tif 000002
【図２】
0003630112.tif 000003
【図３】
0003630112.tif 000004
【図４】
0003630112.tif 000005
【図５】
0003630112.tif 000006
【図６】
0003630112.tif 000007
【図７】
0003630112.tif 000008
【図８】
0003630112.tif 000009
【図９】
0003630112.tif 000010