(57)【要約】【課題】高周波信号の入力パワーに対して効率よく出力信号を生成すること。【解決手段】高調波ミキサ１は、ＬＯ信号とＩＦ信号とを基に、ＬＯ信号の高調波とＩＦ信号とを乗算した合波信号を生成する高調波ミキサ１であって、ＬＯ信号を分岐して、互いの位相差がπの２つの分岐ＬＯ信号を生成する１８０度分配器５と、２つの分岐ＬＯ信号のそれぞれに対してＩＦ信号が重畳された重畳信号を受けて、２つの中間信号をそれぞれ生成する一対の非線形素子７Ａ，７Ｂと、２つの中間信号を同相合成して合波信号を出力する同相合成器９とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
局部発振信号と中間周波数信号とを基に、前記局部発振信号の高調波と前記中間周波数信号とを乗算した合波信号を生成する高調波ミキサであって、
前記局部発振信号を分岐して、互いの位相差がπの２つの分岐局部発振信号を生成する分岐回路と、
前記２つの分岐局部発振信号のそれぞれに対して前記中間周波数信号が重畳された重畳信号を受けて、２つの中間信号をそれぞれ生成する一対のトランジスタと、
前記２つの中間信号を同相合成して前記合波信号を出力する合成回路と、
を備える高調波ミキサ。
【請求項２】
前記分岐回路は、マーチャントバランである、
請求項１記載の高調波ミキサ。
【請求項３】
前記合成回路は、前記一対のトランジスタのそれぞれの出力端子に共通に接続されたインピーダンス素子を含む、
請求項１又は２に記載の高調波ミキサ。
【請求項４】
前記一対のトランジスタのそれぞれの前記重畳信号を受ける端子と、前記分岐回路の出力端子との間に設けられたインピーダンス整合用の整合回路をさらに備える、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の高調波ミキサ。
【請求項５】
前記合成回路の出力に接続されたインピーダンス整合用の整合回路をさらに備える、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の高調波ミキサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、局部発振信号の高調波と中間周波数信号とを乗算する高調波ミキサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波帯、ミリ波帯の無線通信装置等には、高調波ミキサが用いられている。例えば、下記特許文献１に記載の周波数変換回路は、直流バイアスされた第１及び第２ＦＥＴのゲート電極には所定の位相差を有する局部発振信号が入力され、直流バイアスされた第３ＦＥＴのゲート電極には小振幅の高周波信号を入力され、第４ＦＥＴにより、第１及び第２ＦＥＴの共通のドレイン電極に現れた高調波成分と第３ＦＥＴのドレイン電極に生ずる高周波信号とが乗算される。
【０００３】
また、下記特許文献２に記載の高調波ミキサは、第１及び第２ＦＥＴの各ソース電極が短絡して接地され、第３ＦＥＴのソース電極は第１及び第２ＦＥＴの各ドレイン電極を短絡した端子に接続された構成を有する。この高調波ミキサは第１ＦＥＴのゲート電極に第１信号の正相が入力され、第２ＦＥＴのゲート電極に第１信号の逆相が入力され、第３ＦＥＴのゲート電極に第２信号が入力される。このような構成により、第１信号の２逓倍と第２信号との乗算処理を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３６０２７号公報
【特許文献２】特開２０１５−５３５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の従来の高調波ミキサにおいては、局部発振信号を基に生成された高調波と高周波信号とがＦＥＴによって混合される構成となっている。そのため、高周波信号のパワーが、局部発振信号の高調波と乗算された出力信号において反映されにくい傾向にあった。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、高周波信号の入力パワーに対して効率よく出力信号を生成することが可能な高調波ミキサ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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一側面に係る高調波ミキサは、局部発振信号と中間周波数信号とを基に、局部発振信号の高調波と中間周波数信号とを乗算した合波信号を生成する高調波ミキサであって、局部発振信号を分岐して、互いの位相差がπの２つの分岐局部発振信号を生成する分岐回路と、２つの分岐局部発振信号のそれぞれに対して中間周波数信号が重畳された重畳信号を受けて、２つの中間信号をそれぞれ生成する一対のトランジスタと、２つの中間信号を同相合成して合波信号を出力する合成回路と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高周波信号の入力パワーに対して効率よく出力信号を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る高調波ミキサの概略構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態に係る高調波ミキサの詳細構成を示す回路図である。
【図３】ＬＯ信号の周波数を掃引した際に高調波ミキサ１によって出力される合波信号の出力特性を測定したグラフである。
【図４】ＬＯ信号の周波数及び強度を固定し、ＩＦ信号の強度を変更した際に高調波ミキサ１によって出力される合波信号の出力特性を測定したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一側面に係る高調波ミキサは、局部発振信号と中間周波数信号とを基に、局部発振信号の高調波と中間周波数信号とを乗算した合波信号を生成する高調波ミキサであって、局部発振信号を分岐して、互いの位相差がπの２つの分岐局部発振信号を生成する分岐回路と、２つの分岐局部発振信号のそれぞれに対して中間周波数信号が重畳された重畳信号を受けて、２つの中間信号をそれぞれ生成する一対のトランジスタと、２つの中間信号を同相合成して合波信号を出力する合成回路と、を備える。
【００１１】
このような高調波ミキサによれば、局部発振信号が互いの位相差がπの２つの分岐局部発振信号に分岐され、分岐されたそれぞれの分岐局部発振信号に中間周波数信号が重畳された重畳信号が、一対のトランジスタによって非線形増幅された後に同相合成される。このように、互いの位相差がπの２つの局部発振信号に中間周波数信号が重畳された後に、重畳された信号が非線形増幅されるので、中間周波数信号の入力パワーが効率的に変換された合波信号を生成することができる。
【００１２】
上述した高調波ミキサにおいては、分岐回路がマーチャントバランである、ことが好適である。このような構成によれば、互いの位相差がπの２つの局部発振信号を簡易な回路で生成できる。
【００１３】
また、合成回路は、一対のトランジスタのそれぞれの出力端子に共通に接続されたインピーダンス素子を含む、ことも好適である。こうすれば、簡易な回路によって、一対のトランジスタのそれぞれによって生成された２つの中間信号を同相合成することができる。
【００１４】
さらに、一対のトランジスタのそれぞれの重畳信号を受ける端子と、分岐回路の出力端子との間に設けられたインピーダンス整合用の整合回路をさらに備える、ことも好適である。かかる構成を備えれば、分岐回路の出力インピーダンスと一対のトランジスタの入力インピーダンスとの間のインピーダンス整合を図ることができ、効率的な合波信号の生成が可能となる。
【００１５】
またさらに、合成回路の出力に接続されたインピーダンス整合用の整合回路をさらに備える、ことも好適である。この場合、高調波ミキサに接続される負荷の入力インピーダンスと一対のトランジスタの出力インピーダンスとの間のインピーダンス整合を図ることができ、所望の周波数帯の合波信号を負荷側に出力することができる。
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
［高調波ミキサの構成］
【００１７】
図１は、実施形態に係る高調波ミキサの構成を示すブロック図である。図１に示すように、高調波ミキサ１は、同相分配器３、１８０度分配器（分岐回路）５、一対の非線形素子７Ａ，７Ｂ、及び同相合成器（合成回路）９とを含んで構成されている。高調波ミキサ１は、例えば、マイクロ波帯あるいはミリ波帯の無線通信装置で使用される。
【００１８】
同相分配器３は、１つの入力端子１１及び２つの出力端子１３Ａ，１３Ｂを有し、入力端子１１から入力された中間周波数信号（以下、「ＩＦ信号」という。）ＩＦＩＮをそのまま２つに分岐させて出力端子１３Ａ，１３Ｂから出力する。この同相分配器３の２つの出力端子１３Ａ，１３Ｂは、１８０度分配器５の出力に接続された端子１５Ａ，１５Ｂに、それぞれ電気的に接続されている。
【００１９】
１８０度分配器５は、１つの入力端子１７及び２つの出力端子１９Ａ，１９Ｂを有し、入力端子１７から入力された局部発振信号（以下「ＬＯ信号」という。）ＬＯＩＮを分岐させるとともに、互いの位相差がπ（１８０度）の２つの分岐局部発振信号（以下「分岐ＬＯ信号」という。）を生成する。そして、１８０度分配器５は、生成した２つの分岐ＬＯ信号を、それぞれ、出力端子１９Ａ，１９Ｂから出力する。この１８０度分配器５の２つの出力端子１９Ａ，１９Ｂは、それぞれ、端子１５Ａ，１５Ｂに電気的に接続されている。
【００２０】
非線形素子７Ａは、入力端子２１Ａと出力端子２３Ａを有し、入力端子２１Ａは、端子１５Ａに電気的に接続されている。この非線形素子７Ａは、端子１５Ａにおいて２つの分岐ＬＯ信号のうちの一方の分岐ＬＯ信号とＩＦ信号ＩＦＩＮとが重畳された重畳信号を入力端子２１Ａに受けて、その重畳信号を非線形増幅して中間信号を生成し、その中間信号を出力端子２３Ａから出力する。非線形素子７Ａが生成する中間信号には、重畳信号に含まれる周波数成分の高調波成分も含まれる。
【００２１】
同様に、非線形素子７Ｂは、入力端子２１Ｂと出力端子２３Ｂを有し、入力端子２１Ｂは、端子１５Ｂに電気的に接続されている。この非線形素子７Ｂは、端子１５Ｂにおいて２つの分岐ＬＯ信号のうちの他方の分岐ＬＯ信号とＩＦ信号ＩＦＩＮとが重畳された重畳信号を入力端子２１Ｂに受けて、その重畳信号を非線形増幅して中間信号を生成し、その中間信号を出力端子２３Ｂから出力する。非線形素子７Ｂが生成する中間信号には、重畳信号に含まれる周波数成分の高調波成分も含まれる。
【００２２】
同相合成器９は、一対の非線形素子７Ａ，７Ｂから２つの中間信号の入力を受け、２つの中間信号を同相合成して合波信号ＲＦＯＵＴを生成し、生成した合波信号ＲＦＯＵＴを出力端子２５から出力する。この同相合成器９の出力端子２５は、合波信号ＲＦＯＵＴを外部に出力するための端子２７が電気的に接続されている。
【００２３】
図２を参照して、高調波ミキサ１の具体的な回路構成を説明する。図２は、実施形態に係る高調波ミキサ１の詳細構成を示す回路図である。
【００２４】
高調波ミキサ１を構成する１８０度分配器５は、具体的には、４つの伝送線路３１，３２，３３，３４によって構成されている。４つの伝送線路のうちの２つの伝送線路３１，３３、及び２つの伝送線路３２，３４は、それぞれ、１／４波長の結合伝送線路を構成する。また、伝送線路３１と伝送線路３２とは直列に接続されており、伝送線路３１の伝送線路３２に対して反対側の端部は入力端子１７に電気的に接続されており、伝送線路３２の伝送線路３１に対して反対側の端部は開放されている。また、伝送線路３３，３４の一端は共に接地されており、伝送線路３３，３４の他端は、それぞれ、整合回路３５Ａ，３５Ｂを介して端子１５Ａ，１５Ｂに電気的に接続されている。このような１８０度分配器５は、４つの伝送線路３１〜３４によって構成されるマーチャントバランであり、互いに逆相（位相差がπ）で同振幅の平衡モード信号を分岐ＬＯ信号として出力する。
【００２５】
非線形素子７Ａ，７Ｂは、サイズが同一（例えば、ゲート幅が８０μｍ）の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field  Effect  Transistor）によって構成されており、それぞれの制御端子（ゲート端子）が入力端子２１Ａ，２１Ｂを構成し、それぞれの一方の電流端子（ドレイン端子）が出力端子２３Ａ，２３Ｂを構成する。また、非線形素子７Ａ，７Ｂの他方の電流端子（ソース端子）はともに接地され、非線形素子７Ａ，７Ｂの制御端子には、それぞれ、所定の抵抗値（例えば、２ｋΩ）の抵抗素子３７Ａ，３７Ｂを介して所定電圧（例えば、−０．１５Ｖ）の負バイアスが印加されている。これらの非線形素子７Ａ，７Ｂの出力端子２３Ａ，２３Ｂは、電気的に共通に出力端子２５が接続されている。
【００２６】
上記構成の非線形素子７Ａ，７Ｂの制御端子に重畳信号が入力されることになる。なお、非線形素子７Ａ，７Ｂを構成するＦＥＴに非線形動作をさせるために、ＬＯ信号ＬＯＩＮの入力パワーは、ＦＥＴを飽和させるために必要な値に設定される。
【００２７】
同相合成器９は、一本の伝送線路（インピーダンス素子）３９を含んで構成されている。この伝送線路３９は、所定のインピーダンス（例えば、１８０Ω）を有し、一端が出力端子２５に接続され、他端には所定電圧（例えば、６Ｖ）の正バイアスが印加されている。このような構成の同相合成器９は、一対の非線形素子７Ａ，７Ｂから出力された２つの中間信号、すなわち、それぞれの非線形素子７Ａ，７Ｂの電流端子間を流れる２つの電流信号を合成することによって、その合成した電流信号に基づいた電圧信号である合波信号ＲＦＯＵＴを生成する。この際、非線形素子７Ａ，７Ｂの非線形動作により、伝送線路３９を流れる２つのＦＥＴのドレイン電流の合成電流が変化し、その結果出力端子２５の電圧が変化する。なお、非線形素子７Ａ，７Ｂに印加されるバイアス電圧及び伝送線路３９のインピーダンス値は、高調波ミキサ１の出力電圧を上げるために、非線形素子７Ａ，７ＢのＦＥＴの動作条件に関して、ドレイン電圧を低く、かつ、ドレイン電流を大きくすることが望ましい。
【００２８】
加えて、高調波ミキサ１には、整合回路３５Ａ，３５Ｂ，４１が設けられている。
【００２９】
整合回路３５Ａは、非線形素子７Ａの入力端子２１Ａと、１８０度分配器５の出力端子１９Ａとの間に設けられたインピーダンス整合用の回路である。この整合回路３５Ａは、３本の伝送線路４３Ａ，４４Ａ，４５Ａと容量素子４６Ａとから構成されている。３本の伝送線路４３Ａ，４４Ａ，４５Ａは、一端が互いに電気的に接続されており、伝送線路４４Ａの他端は開放されており、伝送線路４３Ａの他端は容量素子４６Ａを介して出力端子１９Ａに電気的に接続され、伝送線路４５Ａの他端は端子１５Ａに電気的に接続されている。容量素子４６Ａの容量値は、例えば０．３ｐＦに設定されている。このような整合回路３５Ａは、ＬＯ信号の周波数帯域において、１８０度分配器５の出力インピーダンスと非線形素子７Ａの入力インピーダンスとのインピーダンス整合を行う。
【００３０】
整合回路３５Ｂは、整合回路３５Ａと同様の構成を有する。すなわち、整合回路３５Ｂは、非線形素子７Ｂの入力端子２１Ｂと、１８０度分配器５の出力端子１９Ｂとの間に設けられたインピーダンス整合用の回路である。この整合回路３５Ｂは、３本の伝送線路４３Ｂ，４４Ｂ，４５Ｂと容量素子４６Ｂとから構成されている。このような整合回路３５Ｂは、ＬＯ信号の周波数帯域において、１８０度分配器５の出力インピーダンスと非線形素子７Ｂの入力インピーダンスとのインピーダンス整合を行う。
【００３１】
整合回路４１は、同相合成器９の出力端子２５と合波信号ＲＦＯＵＴを出力する端子２７との間に設けられたインピーダンス整合用の回路である。この整合回路４１は、３本の伝送線路４７，４８，４９と容量素子５０とから構成されている。３本の伝送線路４７，４８，４９は、一端が互いに電気的に接続されており、伝送線路４８の他端は開放されており、伝送線路４９の他端は容量素子５０を介して端子２７に電気的に接続され、伝送線路４７の他端は出力端子２５に電気的に接続されている。容量素子５０の容量値は、例えば０．２ｐＦに設定されている。このような整合回路３５Ａは、ＬＯ信号の２倍波の周波数帯域において、端子２７に接続される負荷の入力インピーダンスと一対の非線形素子７Ａ，７Ｂの出力インピーダンスとのインピーダンス整合を行う。
【００３２】
上記構成の高調波ミキサ１の動作について説明する。
【００３３】
入力端子１７から入力されたＬＯ信号ＬＯＩＮは１８０度分配器５によって互いに逆相（位相差がπ）の分岐ＬＯ信号に分配される。分配された２つの分岐ＬＯ信号のそれぞれは、同相のＩＦ信号ＩＦＩＮが重畳されて２つの重畳信号とされる。２つの重畳信号は、それぞれ、一対の非線形素子７Ａ，７Ｂによって非線形増幅されて２つの中間信号として出力される。そして、２つの中間信号が同相合成器９によって合成されて合波信号ＲＦＯＵＴとして出力される。
【００３４】
ここで、非線形素子７Ａ，７Ｂから出力される中間信号の周波数は、下記式；
Ｎ＊ｆＬＯ＋Ｍ＊ｆＩＦ
で計算される値となる。上記式中、Ｎ、Ｍは任意の整数であり、ｆＬＯはＬＯ信号ＬＯＩＮの周波数、ｆＩＦはＩＦ信号ＩＦＩＮの周波数である。ＬＯ信号の基本波の合成について考えると、一対の非線形素子７Ａ，７Ｂから出力される２つの中間信号における位相差は、一対の非線形素子７Ａ，７Ｂに入力される２つの分岐ＬＯ信号の一方の位相を０度とすると他方の位相は１８０度となる。そのため、同相合成後の合波信号ＲＦＯＵＴでは基本波の周波数成分は打ち消しあう。一方で、ＬＯ信号の２倍波の合成について考えると、一対の非線形素子７Ａ，７Ｂから出力される２つの中間信号における位相は、一対の非線形素子７Ａ，７Ｂに入力される２つの分岐ＬＯ信号の一方の位相を０度とすると、他方の位相は３６０度となる。そのため、同相合成後の合波信号ＲＦＯＵＴでは２倍波の成分は互いに強め合う。
【００３５】
さらに、同相合成器９の出力端子２５には整合回路４１が設けられている。この整合回路４１の働きにより、出力端子２５から端子２７には２倍波の周波数近傍の周波数成分のみが通過する。そのため、本実施形態の高調波ミキサ１によれば、基本波のミキシングが抑制され、ＬＯ信号の２倍波の周波数領域で動作するミキシング回路が実現される。
［高調波ミキサの作用効果］
【００３６】
以上説明した本実施形態の高調波ミキサ１によれば、入力されたＬＯ信号ＬＯＩＮが互いの位相差がπの２つの分岐ＬＯ信号に分岐され、分岐されたそれぞれの分岐ＬＯ信号にＩＦ信号ＩＦＩＮが重畳された重畳信号が、一対のトランジスタによって非線形増幅された後に同相合成される。このように、互いの位相差がπの２つのＬＯ信号にＩＦ信号が重畳された後に、重畳された信号が非線形増幅されるので、ＩＦ信号の入力パワーが効率的に変換された合波信号ＲＦＯＵＴを生成することができる。すなわち、従来の高調波ミキサではＬＯ信号の入力パワーに対してＩＦ信号の入力パワーが出力合波信号において落ちる傾向にあった。本実施形態では、そのようなパワーの低下が抑制できる。
【００３７】
上述した高調波ミキサ１においては、１８０度分配器５がマーチャントバランの構成を有している。このような構成によれば、互いの位相差がπの２つのＬＯ信号を簡易な回路で生成できる。
【００３８】
また、同相合成器９は、一対の非線形素子７Ａ，７Ｂのそれぞれの出力端子２３Ａ，２３Ｂに共通に接続された伝送線路３９を含んでいる。こうすれば、簡易な回路によって、一対の非線形素子７Ａ，７Ｂのそれぞれによって生成された２つの中間信号を同相合成することができる。
【００３９】
さらに、高調波ミキサ１はインピーダンス整合用の整合回路３５Ａ，３５Ｂを備えているので、ＬＯ信号ＬＯＩＮの入力パワーを効率的に利用した合波信号ＲＦＯＵＴの生成が可能となる。加えて、高調波ミキサ１にはインピーダンス整合用の整合回路４１がさら設けられている。これにより、ＬＯ信号の２倍波の周波数成分の合波信号ＲＦＯＵＴを負荷側に出力することができる。
【００４０】
図３には、ＬＯ信号の周波数を掃引した際に高調波ミキサ１によって出力される合波信号の出力特性を測定したグラフである。ここでは、ＩＦ信号の周波数を２ＧＨｚ、ＩＦ信号の入力パワーを−２０ｄＢｍで一定に設定し、ＬＯ信号の周波数を３４ＧＨｚ〜５４ＧＨｚで掃引した際に、ＩＦ信号の変換利得（ｄＢ）を測定した。変換利得は、ＬＯ信号の２倍波の周波数成分における値であり、０ｄＢが−２０ｄＢｍに相当する。この結果より、周波数が４４〜５２ＧＨｚの範囲で変換利得が約−２ｄＢと得られ、効率的な合波信号の生成が可能であることがわかる。
【００４１】
図４には、ＬＯ信号の周波数及び強度を固定し、ＩＦ信号の強度を変更した際に高調波ミキサ１によって出力される合波信号の出力特性を測定したグラフである。ここでは、ＬＯ信号の周波数を４６ＧＨｚ、ＬＯ信号の入力パワーを１６ｄＢｍで一定に設定し、ＩＦ信号の周波数を２ＧＨｚと設定して、その入力パワーを−２４〜−２ｄＢｍで変更した際に、合波信号の出力パワー（ｄＢｍ）を測定した。出力パワーは、ＬＯ信号の２倍波の周波数成分における値である。この結果からも、ＩＦ信号の入力パワーの広い範囲で入力パワーの出力における低下が約２ｄＢと得られ、効率的な合波信号の生成が可能であることがわかる。
【００４２】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００４３】
ＬＯＩＮ…ＬＯ信号（局部発振信号）、ＩＦＩＮ…中間周波数信号（ＩＦ信号）、ＲＦＯＵＴ…合波信号、１…高調波ミキサ、３…同相分配器、５…１８０度分配器（分岐回路）、７Ａ，７Ｂ…非線形素子（トランジスタ）、９…同相合成器（合成回路）、１９Ａ，１９Ｂ…出力端子、２１Ａ，２１Ｂ…入力端子、２３Ａ，２３Ｂ…出力端子、２５…出力端子、３５Ａ，３５Ｂ，４１…整合回路、３９…伝送線路（インピーダンス素子）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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