(57)【要約】  無線周波数の技術において、いわゆるサブハーモニック・ミキサは有効信号を無線周波数信号と混合するのに知られており、局部発振器は前記ミキサのために用いられ、前記局部発信器は前記混合信号の混合周波数だけ減少されるか、または増加された前記有効信号の前記有効周波数の整数分の１である局部発振器周波数を有する局部発信器信号を生成する。本発明の目的は、向上した混合効果を伴うサブハーモニック混合を可能にした電子ミキサを提供することである。本発明によれば、この目的は、局部発振器信号を有効信号と混合することによって混合信号を生成するための電子ミキサを提供することによって達成され、当該電子ミキサは、少なくとも１つのゲート、少なくとも１つのソース、および少なくとも１つのドレインを有する少なくとも１つの電界効果トランジスタと、有効周波数を伴う有効信号を給電するための有効信号入力と、局部発振器信号を給電するための局部発振器信号入力であって、このミキサが動作しているとき、それが、局部発振器周波数が混合信号の混合周波数を加えるか、または減じた有効信号の有効周波数の整数分の１である局部発振器信号を受け取るように設計された局部発振器信号入力と、このミキサが動作しているとき、混合信号が存在する信号出力とを包含し、それにおいてこのミキサは、このミキサが動作しているとき、ゲート‐ソース電圧および／またはドレイン‐ソース電圧を生成するために電界効果トランジスタの少なくとも１つのゲートおよび／またはドレインおよび／またはソースが有効信号入力から有効信号を受け取るように適合されており、このミキサが動作しているとき、ゲート‐ソース電圧を生成するために電界効果トランジスタの少なくとも１つのゲートが局部発振器信号入力から局部発振器信号を受け取るように適合されており、このミキサが動作しているとき、ドレイン‐ソース電圧を生成するために電界効果トランジスタのドレインまたはソースが局部発振器信号入力から局部発振器信号を受け取るように適合されており、かつこのミキサが動作しているとき、０°と３６０°の間の位相シフトが、電界効果トランジスタのゲートによって受け取られる局部発振器信号と電界効果トランジスタのドレインまたはソースによって受け取られる局部発振器信号の間に導入されるように適合されている。【選択図】図２
2013529027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
局部発振器信号（ＬＯ）を有効信号（ＲＦ）と混合することによって混合信号（ＩＦ）を生成するための電子ミキサであって、
少なくとも１つのゲート（Ｇ）、少なくとも１つのソース（Ｓ）、および少なくとも１つのドレイン（Ｄ）を有する少なくとも１つの電界効果トランジスタ（１，５０，５１）と、
有効周波数（ｖＲＦ）を伴う前記有効信号を給電するための有効信号入力（４，４’，４”）と、
前記局部発振器信号（ＬＯ）を給電するための局部発振器信号入力（１２）であって、前記ミキサが動作しているとき、それが、局部発振器周波数（ｖＬＯ）が、前記混合信号（ＩＦ）の混合周波数（ｖＩＦ）だけ減少されるか、または増加された前記有効信号の前記有効周波数（ｖＲＦ）の整数分の１である局部発振器信号（ＬＯ）を受け取るように設計された局部発振器信号入力と、
前記ミキサが動作しているとき、前記混合信号（ＩＦ）が存在する信号出力と、
を包含する電子ミキサにおいて、
前記ミキサが動作しているとき、ゲート‐ソース電圧（ＵＧＳ）および／またはドレイン‐ソース電圧を生成するために前記電界効果トランジスタ（１，５０，５１）の少なくとも１つのゲート（Ｇ）および／または前記ドレイン（Ｄ）および／または前記ソース（Ｓ）が前記有効信号入力（４，４’）から前記有効信号（ＲＦ）を受け取るように前記ミキサが適合されることと、
前記ミキサが動作しているとき、ゲート‐ソース電圧（ＵＧＳ）を生成するために前記電界効果トランジスタ（１，５０，５１）の少なくとも１つのゲート（Ｇ）が前記局部発振器信号入力（１２）から前記局部発振器信号（ＬＯ）を受け取るように前記ミキサが適合されることと、
前記ミキサが動作しているとき、ドレイン‐ソース電圧を生成するために前記電界効果トランジスタ（１，５０，５１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）が前記局部発振器信号入力（１２）から前記局部発振器信号（ＬＯ）を受け取るように前記ミキサが適合されることと、
前記ミキサが動作しているとき、０°と３６０°の間の位相シフトが、前記電界効果トランジスタ（１，５０，５１）の前記ゲート（Ｇ）によって受け取られる前記局部発振器信号（ＬＯ）と前記電界効果トランジスタ（１，５０，５１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）によって受け取られる前記局部発振器信号（ＬＯ）の間に導入されるように前記ミキサが適合されることと、
を特徴とする電子ミキサ。
【請求項２】
前記ミキサが動作しているとき、ゲート‐ソース電圧（ＵＧＳ）およびドレイン‐ソース電圧を生成するために、前記電界効果トランジスタ（１，５０，５１）の少なくとも１つのゲート（Ｇ）および前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）が前記有効信号入力（４，４’）から前記有効信号（ＲＦ）を受け取るように前記ミキサが適合され、それにおいて、前記ミキサが動作しているとき、０°と３６０°の間の位相シフト、好ましくは１８０°の位相シフトが、前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）によって受け取られる前記有効信号（ＲＦ）と前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）によって受け取られる前記有効信号（ＲＦ）の間に導入されるように、かつ０°と３６０°の間の位相シフト、好ましくは１８０°の位相シフトが、前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）によって受け取られる前記局部発振器信号（ＬＯ）と前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）によって受け取られる前記局部発振器信号（ＬＯ）の間にも導入されるように前記ミキサが適合されることを特徴とする、請求項１に記載のミキサ。
【請求項３】
前記ミキサが第１のスプリッタ（５）、第２のスプリッタ（９）、第１の位相シフト・エレメント（６）、第２の位相シフト・エレメント（１０）、第１のコンビネータ（７）、および第２のコンビネータ（８）を有し、それにおいて
前記ミキサが動作しているとき、前記第１のスプリッタ（５）が前記有効信号入力（４）から前記有効信号（ＲＦ）を受け取り、かつ前記ゲート（Ｇ）および前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）に対して前記有効信号（ＲＦ）を出力するようにそれが適合されることと、
前記ミキサが動作しているとき、前記第２のスプリッタ（９）が前記局部発振器信号入力（１２）から前記局部発振器信号（ＬＯ）を受け取り、かつ前記ゲート（Ｇ）および前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）に対して前記局部発振器信号（ＬＯ）を出力するようにそれが適合されることと、
前記第１の位相シフト・エレメント（６）が前記第１のスプリッタ（５）と前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）の間または前記第１のスプリッタ（５）と前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）の間にあり、それにおいて前記第１の位相シフト・エレメント（５）が位相シフトを、好ましくは１８０°の位相シフトを、前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）によって受け取られる前記有効信号（ＲＦ）と前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）によって受け取られる前記有効信号（ＲＦ）の間に導入するようにそれが適合されることと、
前記第２の位相シフト・エレメント（１０）が前記第２のスプリッタ（９）と前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）の間または前記第２のスプリッタ（９）と前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）の間にあり、それにおいて前記第２の位相シフト・エレメント（１０）が位相シフトを、好ましくは１８０°の位相シフトを、前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）によって受け取られる前記局部発振器信号（ＬＯ）と前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）によって受け取られる前記局部発振器信号（ＬＯ）の間に導入するようにそれが適合されることと、
前記ミキサが動作しているとき、前記第１のコンビネータ（７）が前記第１のスプリッタ（５）から前記有効信号（ＲＦ）を、前記第２のスプリッタ（９）から前記局部発振器信号（ＬＯ）を受け取り、かつ前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）に対して前記有効信号（ＲＦ）および前記局部発振器信号（ＬＯ）を出力するようにそれが適合されることと、
前記ミキサが動作しているとき、前記第２のコンビネータ（８）が前記第１のスプリッタ（７）から前記有効信号（ＲＦ）を、前記第２のスプリッタ（８）から前記局部発振器信号（ＬＯ）を受け取り、かつ前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）に対して前記有効信号（ＲＦ）および前記局部発振器信号（ＬＯ）を出力するようにそれが適合されることと、
を特徴とする、請求項１または２に記載のミキサ。
【請求項４】
前記ミキサが正確に１つの位相シフト・エレメント（２２）を有し、それにおいて
前記ミキサが動作しているとき、前記位相シフト・エレメント（２２）が前記有効信号（ＲＦ）および前記局部発振器信号（ＬＯ）の両方を受け取り、かつ前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）または前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）に対して前記有効信号（ＲＦ）および前記局部発振器信号（ＬＯ）の両方を出力するようにそれが適合されることと、
前記ミキサが動作しているとき、前記位相シフト・エレメント（２２）が位相シフトを、好ましくは１８０°の位相シフトを、前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）によって受け取られる前記有効信号（ＲＦ）と前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）によって受け取られる前記有効信号（ＲＦ）の間、および前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）によって受け取られる前記局部発振器信号（ＬＯ）と前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）によって受け取られる前記局部発振器信号（ＬＯ）の間の両方に導入するようにそれが適合されることと、
を特徴とする、請求項１または２に記載のミキサ。
【請求項５】
前記位相シフト・エレメントは、少なくとも２つのコイル（６１，６２）を有するトランス（６０）であり、それにおいて前記コイルのうちの１つ（６１）が前記電界効果トランジスタ（１）の前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）に接続されること、および別のコイル（６２）が前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）に接続されること、
を特徴とする、請求項４に記載のミキサ。
【請求項６】
前記局部発振器信号（ＬＯ）を生成するために前記局部発振器信号入力（１２）が局部発振器（２）に接続され、それにおいて前記ミキサが動作しているとき、前記局部発振器（２）が、局部発振器周波数（ｖＬＯ）が、前記混合信号（ＩＦ）の混合周波数（ｖＩＦ）だけ減少されるか、または増加された前記有効信号（ＲＦ）の前記有効周波数（ｖＲＦ）の整数分の１、好ましくは奇数分の１である局部発振器信号（ＬＯ）を生成するようにそれが適合されること、
を特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載のミキサ。
【請求項７】
前記ミキサが第１および第２のスプリッタ（５２，５３）、２つの出力接続（４ａ’，４ａ”，４ｂ’，４ｂ”）を伴う第１の位相シフト・エレメント（４’，４”）、および第１および第２の電界効果トランジスタ（５０，５１）を有し、それにおいて
前記ミキサが動作しているとき、前記第１の位相シフト・エレメント（４’，４”）が前記有効信号（ＲＦ）および／または前記局部発振器信号（ＬＯ）を受け取り、かつそれの２つの出力接続（４ａ’，４ａ”，４ｂ’，４ｂ”）において好ましくは１８０°とする位相シフトを、前記有効信号（ＲＦ）の信号成分および／または前記局部発振器信号（ＬＯ）の信号成分の間に導入するようにそれがアレンジされ、かつ適合されることと、
前記ミキサが動作しているとき、前記第１のスプリッタ（５２）が前記有効信号（ＲＦ）および／または前記局部発振器信号（ＬＯ）を前記第１の位相シフト・エレメント（４’，４”）の前記出力接続（４ａ’，４ａ”）から受け取り、第１および第２の出力において前記有効信号（ＲＦ）および／または前記局部発振器信号（ＬＯ）を出力するようにそれがアレンジされることと、
前記ミキサが動作しているとき、前記第２のスプリッタ（５３）が前記有効信号（ＲＦ）および／または前記局部発振器信号（ＬＯ）を前記第１の位相シフト・エレメント（４’，４”）の前記出力接続（４ｂ’，４ｂ”）から受け取り、第１および第２の出力において前記有効信号（ＲＦ）および／または前記局部発振器信号（ＬＯ）を出力するようにそれがアレンジされることと、
前記ミキサが動作しているとき、前記第１の電界効果トランジスタ（５０）が、それのゲート（Ｇ）が前記第２のスプリッタ（５３）の前記第２の出力から前記有効信号（ＲＦ）および／または前記局部発振器信号（ＬＯ）を受け取り、かつそれのドレイン（Ｄ）またはそれのソース（Ｓ）が前記第１のスプリッタ（５２）の前記第１の出力から前記有効信号および／または前記局部発振器信号（ＬＯ）を受け取るようにアレンジされることと、
前記ミキサが動作しているとき、前記第２の電界効果トランジスタ（５１）が、それのゲート（Ｇ）が前記第１のスプリッタ（５２）の前記第２の出力から前記有効信号（ＲＦ）および／または前記局部発振器信号（ＬＯ）を受け取り、かつそれのドレイン（Ｄ）またはそれのソース（Ｓ）が前記第２のスプリッタ（５３）の前記第１の出力から前記有効信号（ＲＦ）および／または前記局部発振器信号（ＬＯ）を受け取るようにアレンジされることと、
を特徴とする、請求項１または２に記載のミキサ。
【請求項８】
前記第１の位相シフト・エレメントが差動アンテナ（４’，４”）によって形成されることを特徴とする、請求項７に記載のミキサ。
【請求項９】
前記アンテナ（４”）が前記有効信号入力として、および前記局部発振器入力として前記有効信号（ＲＦ）および前記局部発振器信号（ＬＯ）の両方を受け取り、かつ前記ミキサが動作しているとき、それがそれの２つの出力接続（４ａ”，４ｂ”）において１８０°の位相シフトを前記有効信号（ＲＦ）の信号成分の間、および前記局部発振器信号（ＬＯ）の信号成分の間に導入するようにそれがアレンジされ、かつ適合されることを特徴とする、請求項８に記載のミキサ。
【請求項１０】
前記ミキサが第１および第２の位相シフト・エレメントを有することと、それにおいて前記第１の位相シフト・エレメントが前記有効信号入力として差動アンテナによって形成されることと、第２の位相シフト・エレメントが前記局部発振器信号入力として差動アンテナによって形成されることと、
を特徴とする、請求項７に記載のミキサ。
【請求項１１】
前記第１の位相シフト・エレメントが差動アンテナ（４’）によって形成されることと、それにおいて前記アンテナ（４’）が電気接続ラインを経由して前記局部発振器（２）と接続されることと、
を特徴とする、請求項７に記載のミキサ。
【請求項１２】
前記位相シフト・エレメントが遅延セクション（２２）、電子遅延エレメント、または幾何学的位相シフタであることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載のミキサ。
【請求項１３】
前記ミキサがＤＣ電圧を生成するためのバイアス電圧源（３）を有することと、それにおいて前記ミキサが動作しているとき、前記ＤＣ電圧が前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）に存在することと、
を特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載のミキサ。
【請求項１４】
少なくとも１つのゲート（Ｇ）、少なくとも１つのソース（Ｓ）、および少なくとも１つのドレイン（Ｄ）を有する少なくとも１つの電界効果トランジスタ（１）内において局部発振器信号（ＬＯ）を有効信号（ＲＦ）と混合することによって混合信号（ＩＦ）を生成する方法であって、
局部発振器周波数（ｖＬＯ）を伴う前記局部発振器信号（ＬＯ）を生成するステップであって、前記局部発振器周波数（ｖＬＯ）が、前記混合信号（ＩＦ）の混合周波数（ｖＩＦ）だけ減少されるか、または増加された前記有効信号の前記有効周波数（ｖＲＦ）の整数分の１であるとするステップを包含し、
それにおいてさらに、
有効周波数（ｖＲＦ）を有する前記有効信号を、前記電界効果トランジスタ（１）の少なくとも１つのゲート（Ｇ）および／または前記ドレイン（Ｄ）および／または前記ソース（Ｓ）に給電するステップと、
前記局部発振器信号（ＬＯ）を、同じ前記電界効果トランジスタ（１）の少なくとも１つのゲート（Ｇ）および前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）に給電するステップと、
０°と３６０°の間の位相シフトを、前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）における前記局部発振器信号（ＬＯ）と前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）における前記局部発振器信号（ＬＯ）の間に導入するステップと、
を包含することを特徴とする、混合信号（ＩＦ）を生成する方法。
【請求項１５】
有効周波数（ｖＲＦ）を有する前記有効信号が前記電界効果トランジスタ（１）の少なくとも１つのゲート（Ｇ）および前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）に給電されることと、０°と３６０°の間の位相シフトが前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）における前記有効信号と前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）における前記有効信号の間、および前記電界効果トランジスタ（１）の前記ゲート（Ｇ）における前記局部発振器信号（ＬＯ）と前記ドレイン（Ｄ）または前記ソース（Ｓ）における前記局部発振器信号（ＬＯ）の間の両方に導入されることと、
を特徴とする、請求項１４に記載の混合信号（ＩＦ）を生成する方法。
【請求項１６】
前記位相シフトが１８０°であることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の混合信号（ＩＦ）を生成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、局部発振器信号を有効信号と混合することによって混合信号を生成するための電子ミキサであって、少なくとも１つのゲート、少なくとも１つのソース、および少なくとも１つのドレインを有する少なくとも１つの電界効果トランジスタと、有効周波数を伴う有効信号を給電するための有効信号入力と、局部発振器信号を給電するための局部発振器信号入力と、このミキサが動作しているときに混合信号が存在する信号出力とを包含し、それにおいて局部発振器信号入力が、このミキサが動作しているとき、局部発振器周波数が、混合信号の混合周波数だけ減少されるか、または増加された有効信号の有効周波数の整数分の１である局部発振器信号を受け取るように設計されている電子ミキサに関する。
【０００２】
本発明は、さらに、少なくとも１つのゲート、少なくとも１つのソース、および少なくとも１つのドレインを有する少なくとも１つの電界効果トランジスタ内において局部発振器信号を有効信号と混合することによって混合信号を生成する方法であって、局部発振器周波数を伴う局部発振器信号を生成するステップを包含し、それにおいて局部発振器周波数が、混合周波数だけ減少されるか、または増加された有効周波数の整数分の１に等しいとする方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電磁信号を効率よく獲得するために、長年にわたってビート受信機、特にヘテロダイン受信機が使用されてきており、それにおいては、獲得されるべき電磁信号、すなわち以下において有効信号と呼んでいる電磁信号が、局部的に、すなわちミキサ自体において、またはそれの中で発生される信号、すなわち以下において局部発振器信号と呼んでいる信号と混合される。混合後の信号、すなわち混合信号は、その場合に、有効信号の周波数、すなわち以下において有効周波数と呼ぶ周波数と、局部発振器信号の周波数、すなわち以下において局部発振器周波数と呼ぶ周波数の差に等しい混合周波数を有する。混合信号の振幅は、有効信号の振幅に関する測度になる。この出願においてミキサの出力としての混合周波数を伴った混合信号として識別される信号は、文献の中では中間周波数を伴う中間周波信号とも呼ばれている。
【０００４】
１００ギガヘルツ（ＧＨｚ）と１０テラヘルツ（ＴＨｚ）の間であるとして大まかに定義されるテラヘルツ周波数レンジまたはサブミリ波レンジは、電磁スペクトルにおける最後の『陽が当てられていない』領域の１つである。
【０００５】
その周波数レンジにおいては、技術的に利用可能な検出器が商業的に入手可能でないか、低い周波数においてのみ商業的に入手可能である。特に、有効信号を局部発振器信号と混合するために頻繁に使用されている電界効果トランジスタの混合効率は、より高い有効周波数に向かうほど激しく低下する。
【０００６】
しかしながら、その点に関して述べれば、ミキサの効率は局部発振器信号の利用可能な電力にも依存する。強力な局部発振源は、高いテラヘルツ周波数において利用可能でないか、または技術的複雑化および財務的支出の高いレベルにおいてのみそれが利用可能である。したがって先端技術から周知となっていることは、局部発振器周波数が、混合周波数だけ増加または減少される有効周波数の整数分の１に等しい局部発振器信号を発生する局部発振器を使用することである。その種の混合方法は、サブハーモニック混合と呼ばれている。
【０００７】
サブハーモニック混合においては、電界効果トランジスタの場合もそうであるが、ミキサ構成要素の非線形特性が利用される。混合される生成物は、局部発振器周波数の整数倍と有効周波数の差を伴って生成される。
【０００８】
しかしながら気付かれるであろうが、サブハーモニック混合の効率は、同一電力を伴う基本波をミキサ構成要素に、特に電界効果トランジスタに結合したときの混合効率より顕著に低くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、向上した混合効率を伴うサブハーモニック混合を可能にする電子ミキサを提供することとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、この目的は、局部発振器信号を有効信号と混合することによって混合信号を生成するための電子ミキサを提供することによって達成され、当該電子ミキサは、少なくとも１つのゲート、少なくとも１つのソース、および少なくとも１つのドレインを有する少なくとも１つの電界効果トランジスタと、有効周波数を伴う有効信号を給電するための有効信号入力と、局部発振器信号を給電するための局部発振器信号入力であって、このミキサが動作しているとき、それが、局部発振器周波数が混合信号の混合周波数を加えるか、または減じた有効信号の有効周波数の整数分の１である局部発振器信号を受け取るように設計された局部発振器信号入力と、このミキサが動作しているとき、混合信号が存在する信号出力とを包含し、それにおいてこのミキサは、このミキサが動作しているとき、ゲート‐ソース電圧および／またはドレイン‐ソース電圧を生成するために電界効果トランジスタの少なくとも１つのゲートおよび／またはドレインおよび／またはソースが有効信号入力から有効信号を受け取るように適合されており、このミキサが動作しているとき、ゲート‐ソース電圧を生成するために電界効果トランジスタの少なくとも１つのゲートが局部発振器信号入力から局部発振器信号を受け取るように適合されており、このミキサが動作しているとき、ドレイン‐ソース電圧を生成するために電界効果トランジスタのドレインまたはソースが局部発振器信号入力から局部発振器信号を受け取るように適合されており、かつこのミキサが動作しているとき、０°と３６０°の間の位相シフトが、電界効果トランジスタのゲートによって受け取られる局部発振器信号と電界効果トランジスタのドレインまたはソースによって受け取られる局部発振器信号の間に導入されるように適合されている。
【００１１】
電界効果トランジスタ‐ベースのミキサを改善するための決定的なアイディアは、本発明によれば、局部発振器信号が電界効果トランジスタのゲートおよびドレインの両方に同時に結合されるか、または電界効果トランジスタのゲートおよびソースの両方に同時に結合されることである。この方法においては局部発振器信号がゲート‐ソース電圧およびソース‐ドレイン電圧に寄与する。
【００１２】
しかしながら、この種のゲートおよびドレインへの局部発振器信号の同時結合は、混合効率の増加という点で充分ではない。むしろ、０°から３６０°までの間の位相シフトが、ゲートおよびドレインまたはソースのそれぞれに存在する局部発振器信号の信号成分の間に導入されなければならない。
【００１３】
この出願によれば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）への言及が行なわれるとき、当業者にとってのその用語が包含するとおり、それが、すべての電圧制御ユニポーラ・トランジスタを意味することが意図されている。それに関して言えば、殆どの電界効果トランジスタは、ソースおよびドレインに関して対称の特性を有しており、その結果、ソースおよびドレインの指定は、エレメントの回路設計のみに専ら依存する。その点において、有効信号および／または局部発振器信号がトランジスタのソースに結合されるか、あるいはドレインに結合されるかということは、本発明によるところの回路にとって重要でない。以下の記述の中で信号がドレインに結合されると述べられている場合には、それは説明を簡素化し、より良好な説明の理解を与えるという目的であることに外ならない。ドレインへの結合の代替として、適切な回路設計を用いればトランジスタのソースへの信号の結合もまた可能である。
【００１４】
以下の記述の中で、また特許請求の範囲の中において、ゲートおよびドレインまたはソースへの結合がもたらされると言及するとき、それは、ゲートへの結合およびドレインまたはソースへの結合の両方がもたらされることを意味する。
【００１５】
実施態様においては、混合されるべき信号、すなわち有効信号および局部発振器信号が、ともに、電界効果トランジスタのゲートのうちの少なくとも１つに結合され、かつドレインにも結合される。それに関して言えば、その種の実施態様においては、０°から３６０°までの間の位相シフトが、ゲートおよびドレインのそれぞれに存在する有効信号および局部発振器信号両方の信号成分の間に導入されると有利であるが、是が非でもそれが必要というわけではない。
【００１６】
ある実施態様においては、電界効果トランジスタがマルチゲート電界効果トランジスタ、すなわち複数のゲートを有する電界効果トランジスタとなる。その種の実施態様においては、ゲートのうちの少なくとも１つに有効信号が供給されること、およびゲートのうちの少なくとも１つに局部発振器信号が供給されることが充分に可能となる。それに関して言えば、実施態様においては、マルチゲート電界効果トランジスタのゲートのうちの少なくとも１つに有効信号および局部発振器信号の両方が供給されることが、ただ１つのゲートを伴う電界効果トランジスタに関する場合と同様に可能である。
【００１７】
それに関して言えば、特に、１を超える数の有効信号および１を超える数の局部発振器信号がミキサに結合される実施態様、または１を超える数の有効信号入力および１を超える数の局部発振器信号入力が存在する実施態様が可能である。
【００１８】
ミキサの１つの実施態様においては、有効信号入力および／または局部発振器信号入力がアンテナによって形成される。
【００１９】
本発明によるところのミキサの追加の実施態様においては、局部発振器信号入力が局部発振器信号を生成するための局部発振器に接続され、それにおいてその局部発振器は、ミキサが動作しているとき、混合信号の混合周波数だけ減少されるか、または増加された有効信号の有効周波数の整数分の１に局部発振器周波数が等しい局部発振器信号をそれが生成するように適合される。
【００２０】
ゲートおよびドレインの有効信号および局部発振器信号の信号成分のそれぞれの間に位相シフトを導入するために、実施態様のミキサは少なくとも１つの位相シフト・エレメントを有する。
【００２１】
位相シフト・エレメントは、先端技術から広汎多様な構成のものが周知になっている。したがって、たとえば、遷移時間差を、したがって位相シフトを２つの信号パスの間に導入する遅延セクションによって位相シフトを実装することが可能である。それに代えて電子構成要素を使用することが可能であるが、それだけでなく、いわゆる幾何学的位相シフトを使用することも可能であり、これは、その位相幾何学的特性から信号の位相ポジションを変更する能力を有する。
【００２２】
本発明によるところの位相シフト・エレメントという表現は、それらの入力および出力における信号の間に位相シフトを導入するか、または互いに関して相対的な位相シフトを有する２つの異なる出力信号成分を提供するあらゆる類のエレメントを意味するものとして使用される。これには、一般的に位相シフト・エレメントと呼ばれるもののほかに、特に、インバータおよび乗算器が含まれる。接続ポイントにおいてプッシュ‐プル関係の信号を提供する差動アンテナもまた、本発明によるところの位相シフト・エレメントを提供する。電界効果トランジスタ自体もまた、ある実施態様においては、たとえばプラズモン信号伝播を使用して位相シフト・エレメントの機能を実行することが可能である。
【００２３】
本発明によるところのサブハーモニック・ミキサという用語は、局部発振器信号が、混合周波数だけ減少されるか、または増加された有効周波数の整数分の１である局部発振器周波数を有する混合プロセスを意味する。本発明によるところのサブハーモニック混合動作の場合を数学的に表現すれば、利用可能な局部発振器信号の局部発振器周波数ｖＬＯが次式によって計算される。
ｖＬＯ＝（ｖＲＦ±ｖＩＦ）／ｎ
【００２４】
これにおいてｖＲＦは有効信号ＲＦの有効周波数であり、ｖＩＦは、ミキサの出力生成物として考察される混合信号ＩＦの周波数である。この式において、ｎは整数であり、周波数ｖＩＦにおいて混合後の生成物を提供するためにミキサ内において生成されなければならない局部発振器信号のハーモニックを示す。
【００２５】
本発明の実施態様においては、有効信号の有効周波数ｖＲＦがいわゆるテラヘルツ周波数レンジ内となり、言い換えると、本発明によれば、それが１００ＧＨｚと１０ＴＨｚの間の周波数レンジ内にある。
【００２６】
たとえば、３００ＧＨｚのテラヘルツ信号が有効信号として受信されることになる場合に、混合信号が、処理が簡単な１００ＭＨｚの混合周波数ＶＩＦを有するものとすれば、局部発振器信号が、１００ＭＨｚによって変位された４次サブハーモニックに局部発振器周波数を有することが望ましく、すなわちそれを式で表わすと次のとおりとなる。
ｖＬＯ＝（３００ＧＨｚ−１００ＭＨｚ）／４
【００２７】
混合周波数ｖＩＦは、ＤＣから１００ＧＨｚまでの範囲内にあることが望ましく、好ましくは１ＭＨｚから１ＧＨｚまでの範囲内とする。
【００２８】
すでに、ゲートおよびドレインにおける有効信号または局部発振器信号のいずれかの信号成分の間だけに位相シフトが導入されるときの効率の増加が提供されているが、ある実施態様においては、ゲートおよびドレインにおける有効信号および局部発振器信号の両方の信号成分の間に位相シフトが導入されると好都合である。
【００２９】
その場合、ある実施態様においては、ゲートおよびドレインにおける有効信号および／または局部発振器信号の信号成分の間に導入される位相シフトが１８０°、すなわちπである。１８０°の位相シフトは、混合効率において最大の増加を生じさせる。その点において、混合周波数の変化は２π周期である。言い換えると、１８０°によるそれぞれの位相シフトは、５４０°による相対位相シフトと同じ結果を導く。
【００３０】
先端技術から、テラヘルツ周波数レンジ内の有効周波数を伴う有効信号と局部発振器信号を混合するために、有効信号を電界効果トランジスタのドレインに給電し、局部発振器信号をゲートに給電することは周知である。その種のアレンジメントを図１に示す。この種の古典的な状況もまた、低い価格で利用可能な周波数において局部発振器周波数を運用するために、概して局部発振器周波数として有効周波数のサブハーモニックを使用している。
【００３１】
局部発振器信号および有効信号をゲートおよびドレインに対して５０：５０で分割すること、ゲートおよびドレインにおける有効信号および局部発振器信号それぞれの信号成分の間の位相シフトを１８０°とすることを仮定すると、混合効率に、２次高調波に関して２．４７５、３次高調波に関して３．７５、４次高調波に関して５．４８の増加がある。
【００３２】
言い換えると、本発明によればゲートおよびドレインにおけるそれぞれの信号成分の間の位相シフトによる効率の向上があるために、相応じて低減したレベルの電力を伴う局部発振器信号が局部発振器周波数ｖＬＯにおいて提供される。
【００３３】
本発明の実施態様においては、電界効果トランジスタが非クラシック・モードで、すなわちそれのトランジスタ限界周波数を超えていわゆるプラズマ電界効果トランジスタとして動作する。言い換えると、有効信号の有効周波数ｖＲＦがトランジスタ限界周波数より高い。
【００３４】
トランジスタ限界周波数を超える動作においては、電界効果トランジスタが増幅器として作用することがなくなり、その結果、この場合においては、本発明によるところのミキサおよび混合方法が、混合効率におけるもっとも著しい増加を提供する。しかしながら、気付かれるであろうが、これは、ＤＣバイアス電圧の印加による混合効率における追加の増加を排除しない。またプラズモン効果が、そのモードにおいて混合効率の増加を導くことも可能である。遷移時間効果は、位相影響部分を演ずる。
【００３５】
本発明の実施態様においては、ミキサが少なくとも１つのスプリッタおよび少なくとも１つのコンビネータを有し、これらのスプリッタおよびコンビネータは、ミキサが動作しているとき、電界効果トランジスタのゲートおよび電界効果トランジスタのドレインが有効信号および局部発振器信号の両方を受け取るようにアレンジされる。
【００３６】
その点に関して、本発明によれば、スプリッタという用語は、１つの信号入力を少なくとも２つの信号出力に分配する能力を有する構成要素を意味する。それとは逆に、コンビネータという用語は、少なくとも２つの信号入力を１つの信号出力にまとめる能力を有する構成要素を意味する。
【００３７】
しかしながら、もっとも単純なケースにおいては、スプリッタおよびコンビネータを回路内のポイント、すなわち少なくとも２つのラインが到来し、結合して単一のラインを形成するポイントによって形成することが可能である。その種のポイントがスプリッタとなるか、コンビネータとなるかは、信号の方向に依存して決定される。
【００３８】
ある実施態様においては、少なくとも２つの入力接続および少なくとも２つの出力接続を有する単一エレメント（いわゆる２×２カプラ）によってスプリッタおよびコンビネータを形成することも可能である。
【００３９】
ある実施態様においては、ミキサが第１のスプリッタ、第２のスプリッタ、第１の位相シフト・エレメント、第２の位相シフト・エレメント、第１のコンビネータ、および第２のコンビネータを有し、それにおいて、第１のスプリッタは、このミキサが動作しているとき、それが有効信号入力から有効信号を受け取り、かつゲートおよびドレインに対してその有効信号を出力するように適合されており、第２のスプリッタは、このミキサが動作しているとき、それが局部発振器信号入力から局部発振器信号を受け取り、かつゲートおよびドレインに対してその局部発振器信号を出力するように適合されており、第１の位相シフト・エレメントは、第１のスプリッタと電界効果トランジスタのゲートの間または第１のスプリッタと電界効果トランジスタのドレインの間にあり、それにおいて第１の位相シフト・エレメントは、それが位相シフトを、好ましくは１８０°の位相シフトを、電界効果トランジスタのゲートによって受け取られる有効信号と電界効果トランジスタのドレインによって受け取られる有効信号の間に導入するように適合されており、第２の位相シフト・エレメントは、第２のスプリッタと電界効果トランジスタのゲートの間または第１のスプリッタと電界効果トランジスタのドレインの間にあり、それにおいて第２の位相シフト・エレメントは、それが位相シフトを、好ましくは１８０°の位相シフトを、電界効果トランジスタのゲートによって受け取られる局部発振器信号と電界効果トランジスタのドレインによって受け取られる局部発振器信号の間に導入するように適合されており、第１のコンビネータは、このミキサが動作しているとき、それが第１のスプリッタから有効信号を、第２のスプリッタから局部発振器信号を受け取り、かつ電界効果トランジスタのドレインに対して有効信号および局部発振器信号を出力するように適合されており、かつ第２のコンビネータは、このミキサが動作しているとき、それが第１のスプリッタから有効信号を、第２のスプリッタから局部発振器信号を受け取り、かつ電界効果トランジスタのドレインに対して有効信号および局部発振器信号を出力するように適合されている。
【００４０】
その種のアレンジメントは、第１および第２の位相シフト・エレメントがそれぞれ、有効信号または局部発振器信号のいずれかだけが流れる回路の部分にアレンジされ、その結果、それぞれ局部発振器周波数に対して、または有効周波数に対して位相シフト・エレメントを最適化することが可能となり、かつ２つの位相シフト・エレメントがそれぞれの他方の信号に影響を与えないという利点を有する。
【００４１】
代替実施態様においては、ミキサが正確に１つの位相シフト・エレメントを有し、それにおいて位相シフト・エレメントは、このミキサが動作しているとき、それが有効信号および局部発振器信号の両方を受け取り、かつ電界効果トランジスタのゲートまたはドレインに対して有効信号および局部発振器信号の両方を出力するように適合されており、かつ当該位相シフト・エレメントは、このミキサが動作しているとき、それが位相シフトを、好ましくは１８０°の位相シフトを、電界効果トランジスタのゲートによって受け取られる有効信号と電界効果トランジスタのドレインによって受け取られる有効信号の間、および電界効果トランジスタのゲートによって受け取られる局部発振器信号と電界効果トランジスタのドレインによって受け取られる局部発振器信号の間の両方に導入するように適合されている。
【００４２】
有効信号および局部発振器信号がコンビネータにおいて最初に重合され、その後ゲートおよびドレインへの給電のために２つの相互に独立したラインに対して分割されるこの種のアレンジメントは、それがただ１つの位相シフト・エレメントだけを用いて処理を行なうという利点を有する。
【００４３】
有効周波数ｖＲＦおよび局部発振器周波数ｖＬＯをランダムに選択する場合に、これら２つの信号が単一の位相シフト・エレメントによって異なる位相シフトを経験することがおそらくは欠点となることが明らかになった。
【００４４】
したがって、本発明の実施態様においては、ミキサが、混合周波数だけ減少されるかまたは増加された有効信号の有効周波数の奇数分の１である局部発振器周波数の局部発振器信号を受け取るときには、位相シフト・エレメントのために遅延セクションが選択される。その場合においては、遅延セクションが位相シフト・エレメントとして、有効周波数ｖＲＦについて、効率の増加のために最適とされるとおりに正確に１８０°の位相シフトを導入するように選択されるとすると、位相が、奇数のサブハーモニックについても約１８０°だけシフトされる。
【００４５】
ある実施態様においては、好ましくは単一の位相シフト・エレメントが少なくとも２つのコイルを有するトランスになる。その場合においては、これらのコイルのうちの１つ、すなわち実施態様においてはプライマリ・コイルが電界効果トランジスタのドレインに接続され、別のコイル、すなわち実施態様においてはセカンダリ・コイルが電界効果トランジスタのゲートに接続される。それに加えて、コイルのうちの１つが、有効信号および局部発振器信号のための信号入力に接続される。トランスの本質的な特性から、スプリッタとして電界効果トランジスタのゲートおよびドレインに対して有効信号および局部発振器信号の分割を提供するだけでなく、本発明によれば、ゲートおよびドレインにおける有効信号の信号成分の間、およびゲートおよびドレインにおける局部発振器信号の信号成分の間の位相シフトも提供する。
【００４６】
ある実施態様においては、トランスがインピーダンス整合のための機能も提供する。その目的のためにトランスにプライマリ・コイルおよび２つのセカンダリ・コイルが備えられる。プライマリ・コイルは有効信号および局部発振器信号のための信号入力に接続され、第１のセカンダリ・コイルは電界効果トランジスタのゲートに接続され、第２のセカンダリ・コイルは電界効果トランジスタのドレインに接続される。
【００４７】
追加の代替実施態様においては、このミキサが第１および第２のスプリッタ、２つの出力接続を伴う第１の位相シフト・エレメント、および第１および第２の電界効果トランジスタを有し、それにおいて第１の位相シフト・エレメントは、このミキサが動作しているとき、有効信号および／または局部発振器信号を受け取り、かつそれの２つの出力接続において好ましくは１８０°とする位相シフトを、有効信号および／または局部発振器信号の信号成分の間に導入するようにアレンジされ、かつ適合されており、第１のスプリッタは、このミキサが動作しているとき、有効信号および／または局部発振器信号を第１の位相シフト・エレメントの出力接続から受け取り、第１および第２の出力において有効信号および／または局部発振器信号を出力するようにアレンジされており、第２のスプリッタは、このミキサが動作しているとき、有効信号および／または局部発振器信号を第１の位相シフト・エレメントの出力接続から受け取り、第１および第２の出力において有効信号および／または局部発振器信号を出力するようにアレンジされており、第１の電界効果トランジスタは、このミキサが動作しているとき、それのゲートが第２のスプリッタの第２の出力から有効信号および／または局部発振器信号を受け取り、かつそれのドレインが第１のスプリッタの第１の出力から有効信号および／または局部発振器信号を受け取るようにアレンジされており、第２の電界効果トランジスタは、このミキサが動作しているとき、それのゲートが第１のスプリッタの第２の出力から有効信号および／または局部発振器信号を受け取り、かつそれのドレインが第２のスプリッタの第１の出力から有効信号および／または局部発振器信号を受け取るようにアレンジされている。
【００４８】
この種の実施態様においては、差動アンテナによって第１の位相シフト・エレメントが形成されると望ましい。これは、それが有効信号および／または局部発振器信号を受け取るときに有効信号入力および／または局部発振器入力としての機能を同時に提供する。
【００４９】
ある実施態様においては、第１の位相シフト・エレメントが、有効信号および局部発振器信号の両方を受け取る差動アンテナである。その後、互いに関してそれぞれ１８０°で位相シフトされた有効信号および局部発振器信号両方の信号成分が、２つの出力接続に生じる。
【００５０】
その種の差動アンテナの例は、特に、半波長フォールデッド・ダイポール・アンテナ、ループ・アンテナ、およびパッチ・アンテナである。指定のアンテナ・タイプは、アンテナのフット・ポイントまたは接続ポイントにおいて、受け取られた有効信号がプッシュ‐プル関係で、すなわち１８０°の位相シフトを伴って出力されるアンテナである。
【００５１】
その種の差動アンテナの各出力接続から信号成分が分岐され、クロス‐オーバ関係でそれが２つの電界効果トランジスタのうちの１つのゲートに印加され、第２の信号成分がそれぞれの他方の電界効果トランジスタのドレインに印加されるとすれば、互いに関して１８０°で位相シフトされた有効信号および／または局部発振器信号が、２つの電界効果トランジスタのそれぞれのゲートおよびドレインに生じる。
【００５２】
追加の実施態様においては、本発明によるところのミキサが、第１および第２の位相シフト・エレメントを有し、それにおいて第１の位相シフト・エレメントが有効信号入力として差動アンテナによって形成され、第２の位相シフト・エレメントが局部発振器信号入力として差動アンテナによって形成される。
【００５３】
代替実施態様においては、アンテナが、自由放射関係で有効信号を受け取り、かつ電気接続ラインを経由して局部発振器から局部発振器信号を受け取り、それをアンテナに通してアンテナの接続ポイントまたはフット・ポイントを経由して出力する形の構成となる。この方法でミキサに給電される局部発振器信号は、位相関係で差動アンテナの接続ポイントにおいて出力される。その意味において、その場合の差動アンテナは、局部発振器信号のためのスプリッタとして作用する。ミキサへの局部発振器信号の給電が差動アンテナに対称にもたらされる場合には、局部発振器信号が同相関係で、言い換えると位相シフトなしに、アンテナの出力接続に生じる。非対称の給電の場合には、２つの出力接続において信号成分の間に位相シフトを達成することが可能になる。
【００５４】
本発明のある実施態様においては、ＤＣ電圧を用いて電界効果トランジスタのゲートがバイアスされる。その場合においてはこのミキサがバイアス電圧源を好ましく有し、ある実施態様においてはそれが、バイアス・ティーを経由して電界効果トランジスタのゲートに接続される。
【００５５】
また、上に示した目的は、少なくとも１つのゲート、少なくとも１つのソース、および少なくとも１つのドレインを有する少なくとも１つの電界効果トランジスタ内において局部発振器信号を有効信号と混合することによって混合信号を生成する方法によっても達成され、当該方法は、局部発振器周波数を伴う局部発振器信号を生成するステップであって、局部発振器周波数が混合信号の混合周波数を加えるか、または減じた有効信号の有効周波数の整数分の１であるとするステップと、電界効果トランジスタの少なくとも１つのゲートおよび／またはドレインに有効周波数を有する有効信号を給電するステップと、同じ電界効果トランジスタの少なくとも１つのゲートおよびドレインに局部発振器信号を給電するステップと、電界効果トランジスタのゲートにおける局部発振器信号とドレインにおける局部発振器信号の間に０°と３６０°の間の位相シフトを導入するステップと、を包含する。
【００５６】
本発明によるところの方法の実施態様においては、有効信号が電界効果トランジスタの少なくとも１つのゲートに給電され、かつそのドレインにも給電される。それに関して言えば、電界効果トランジスタのゲートにおける有効信号とドレインにおける有効信号の間、および電界効果トランジスタのゲートにおける局部発振器信号とドレインにおける局部発振器信号の間の両方に位相シフトが導入されることが有利であるが、それが必須ではない。そのようにすれば、サブハーモニック混合における混合効率の最適増加を達成することが可能である。
【００５７】
追加の実施態様においては、位相シフトが１８０°になる。１８０°の位相シフトを用いれば、有効信号の信号成分の間または局部発振器信号の信号成分の間の位相シフトの最適化が考慮されるかに関わりなく、混合プロセスの効率における増加に関して最適条件が存在する。
【００５８】
本発明のさらなる利点、特徴、および可能性のある用途は、以下の説明、実施態様、および添付図面から明確に理解されることになろう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】先端技術の電子ミキサを示したブロック図である。
【図２】電子ミキサの第１の実施態様を示したブロック図である。
【図３】混合効率における増加を電界効果トランジスタのゲートおよびドレインにおける局部発振器信号の信号成分の間の位相シフトに対してプロットしたグラフである。
【図４】混合効率における増加を電界効果トランジスタのゲートおよびドレインにおける有効信号の信号成分の間の位相シフトに対してプロットしたグラフである。
【図５】混合効率における増加を電界効果トランジスタのゲートおよびドレインにおける有効信号および局部発振器信号の信号成分の間の位相シフトに対してプロットしたグラフである。
【図６】混合効率における増加を電界効果トランジスタのゲートおよびドレインに対する局部発振器信号の電力の分配率でプロットしたグラフである。
【図７】混合効率における増加を電界効果トランジスタのゲートおよびドレインに対する混合信号の電力の分配率でプロットしたグラフである。
【図８】本発明による電子ミキサの第２の実施態様を示したブロック図である。
【図９】本発明による電子ミキサの追加の実施態様を示したブロック図である。
【図１０】図９からの差動アンテナの例を示した平面図である。
【図１１】図９の本発明によるミキサの変形を示したブロック図である。
【図１２】図８の本発明によるミキサの変形を示したブロック図である。
【図１３】図１２の本発明によるミキサの実施態様のためのデュアル周波数アンテナを示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
図１は、先端技術からのミキサの回路を示している。このミキサの核となる部分は、電界効果トランジスタ１であり、ゲートＧ、ドレインＤ、およびソースＳを包含する。この電界効果トランジスタ１内において、信号電圧ＵＲＦを伴う高周波信号ＲＦと局部発振器電圧ＵＬＯを伴う局部発振器信号ＬＯが混合され、信号電圧ＵＩＦを伴う混合信号ＩＦが生成される。電界効果トランジスタの混合特性から、混合周波数ｖＩＦは、高周波信号ＲＦの有効周波数ｖＲＦと局部発振器信号ＬＯの局部発振器周波数ｖＬＯの間の差に等しい。この明細書および特許請求の範囲によれば、高周波信号ＲＦが有効信号であり、言い換えるとそれは、先端技術のための図１および本発明によるところのその先の図面内に示されているとおり、この検出デバイスによって検出されるべき信号の振幅である。
【００６１】
図１の電界効果トランジスタ１をミキサとして動作させるために、高周波信号ＲＦが電界効果トランジスタ１のドレインＤに印加され、その結果、高周波信号がドレイン‐ソース電圧ＵＤＳを生成する。これに対して、局部発振器２によって生成される局部発振器信号ＬＯは、電界効果トランジスタ１のゲートＧに印加され、その結果それが、電界効果トランジスタ１内においてゲート‐ソース電圧ＵＧＳを生じさせる。ドレイン‐ソース電圧ＵＤＳは、次式により与えられる。
ＵＤＳ＝ＵＲＦ・ｓｉｎ（ωＲＦ・ｔ）
これにおいてωＲＦは有効周波数ｖＲＦと関連付けされる角周波数である。それに対してゲート‐ソース電圧ＵＧＳは、次式により与えられる。
ＵＧＳ＝ＵＬＯ・ｓｉｎ（ωＬＯ・ｔ）
これにおいてωＬＯは局部発振器周波数ｖＬＯと関連付けされる角周波数である。
【００６２】
ここで考察している典型的な有効周波数における局部発振器が、テラヘルツ周波数レンジ、すなわち１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの間の周波数レンジ内において充分な電力を伴って利用可能でないことから、混合周波数ｖＩＦだけ増加されるか、または減少された有効周波数ｖＲＦの整数分の１に等しい局部発振器周波数ｖＬＯとしてその周波数が選択される。したがって、混合周波数ｖＩＦによるシフトを別にすれば、局部発振器周波数ｖＬＯは、有効周波数ｖＲＦのサブハーモニックである。
【００６３】
小信号近似は、異なるハーモニックの混合信号について次に示す振幅を伴う。
【００６４】
【表１】
2013529027.tif 000003
【００６５】
以下においては、本発明によるところのミキサを用いて生成される混合信号の振幅がこれらの混合信号の振幅に対して標準化され、標準化パラメータを混合周波数における増加と呼ぶ。
【００６６】
最適動作ポイントにおいて電界効果トランジスタ１を動作させることを可能にするために、バイアス・ティーを経由して局部発振器２からゲートＧへの給電ラインに接続されるバイアス電圧源３によるＤＣ電圧によってゲートがバイアスされる。
【００６７】
以下においては、簡明のために、まったく同じエレメント、言い換えるとまったく同じ機能を伴うエレメントが、まったく同じ参照を用いて示されている。
【００６８】
図２は、ゲートＧ、ドレインＤ、およびソースＳを包含する電界効果トランジスタ１内において有効信号ＲＦを局部信号発振器ＬＯと混合するための電子ミキサを示している。局部発振器周波数ｖＬＯにおいて局部発振器信号ＬＯを生成するためには、ミキサの構成要素部分である局部発振器２を利用することができる。
【００６９】
電圧振幅ＵＲＦの有効信号ＲＦが、図２においては図式的に示されているアンテナ４によって受け取られ、当該アンテナによってミキサに給電される。
【００７０】
例示の手段として図解されている実施態様においては、３００ＧＨｚの有効周波数の有効信号ＲＦが考慮される。混合信号ＩＦは、１５０ＭＨｚの混合周波数ｖＩＦにおけるものが生成されることとする。その目的のため、局部発振器２が、混合周波数だけ減じた有効周波数の４次ハーモニックにおいて局部発振器周波数を提供する。数学的にこの局部発振器周波数は、次式のとおりに計算される。
ｖＬＯ＝（ｖＲＦ−ｖＩＦ）／４
【００７１】
図２に示されている本発明によるところのミキサ回路のねらいは、この場合に、有効信号ＲＦおよび局部発振器信号ＬＯの両方を、ゲートＧに、またドレインＤにも給電することである。同時に、電界効果トランジスタ１のゲートＧおよびドレインＤにおける有効信号ＲＦの信号成分の間、および電界効果トランジスタ１のゲートおよびドレインにおける局部発振器信号ＬＯの信号成分の間に位相シフトが導入されることになる。
【００７２】
この目的のために、アンテナ４が第１のスプリッタ５に接続されており、それが、有効信号ＲＦを２つの信号成分に分割し、それらのうちの１つは、第１の位相シフタ６および第１のコンビネータ７を経由して電界効果トランジスタ１のドレインＤに接続される。第１のスプリッタ５の第２の出力は、第２のコンビネータ８を経由して電界効果トランジスタ１のゲートＧに接続される。
【００７３】
局部発振器２は、第２のスプリッタ９に接続されており、それもまた、局部発振器信号ＬＯを２つに分割する。スプリッタ９の１つの出力は、第２の位相シフタ１０を経由して第１のコンビネータ７に接続され、その結果、有効信号ＲＦと局部発振器信号ＬＯが第１のコンビネータ７において重合されて、コンパレータ７の共通出力において電界効果トランジスタ１のドレインＤに提供される。
【００７４】
第２のスプリッタ９の第２の出力は、第２のコンビネータ８に接続されており、その結果、ここでもまた有効信号ＲＦと局部発振器信号ＬＯが互いに重合されて、電界効果トランジスタ１のゲートＧに提供される。
【００７５】
最適動作ポイントにおいて電界効果トランジスタ１を動作させることを可能にするために、前述と同様に、バイアス・ティー１１を経由して電界効果トランジスタ１のゲートＧにＤＣ電圧を供給するバイアス電圧源３が備えられている。
【００７６】
図２の本発明によるところのミキサ・アレンジメントについてのゲート‐ソースＡＣ電圧は、式：
【数１】
2013529027.tif 000004
に従って計算され、ドレイン‐ソース電圧は、式：
【数２】
2013529027.tif 000005
に従って生じる。
【００７７】
それに関して、ｒはゲートに印加される局部発振器信号電力の成分を示し、したがって１−ｒはドレインにおける局部発振器信号電力となる。それにおいてｓは、ゲートに印加される有効信号電力の成分を示し、したがって１−ｓはドレインにおける有効信号電力となる。それに加えて、φＬＯは第２の位相シフタ１０によって導入される、ゲートおよびドレインにおける局部発振器信号の信号成分内の位相シフトを示し、φＲＦは、ゲートおよびドレインに印加される有効信号ＲＦの信号成分の間の位相シフトを示す。
【００７８】
ｒ＝１およびｓ＝０を伴う数学的な極値の事例は、図１に示されているとおりの先端技術におけるアレンジメントを記述する。
【００７９】
図３は、混合効率の増加を電界効果トランジスタのゲートおよびドレインにおける局部発振器信号の信号成分の間の位相シフトφＬＯに関してプロットしたグラフである。それにおいては、位相シフトがπ、すなわち１８０°のときに最適混合効率が達成されることが明らかである。
【００８０】
図４は、それとの比較において、混合効率の増加を電界効果トランジスタのゲートおよびドレインにおける有効信号の信号成分の間の位相シフトφＲＦに関してプロットしたグラフである。この場合においてもまた、π、すなわち１８０°に混合効率の最大の増加がある。
【００８１】
図５は、混合効率の増加を、トランジスタのゲートおよびドレインにおける有効信号ＲＦの信号成分の間および局部発振器信号ＬＯの信号成分の間の両方の位相シフトに対してプロットしたグラフであり、それにおいてはφＲＦ＝φＬＯである。この場合もまた、有効信号ＲＦの信号成分の間および局部発振器信号ＬＯの信号成分の間の両方において、π、すなわち１８０°の位相シフトをそれぞれ導入すると有利であることが理解できる。
【００８２】
図６および７は、それぞれ、混合効率における増加を係数ｒおよびｓの変化に関して示している。これらから理解されるであろうが、最適混合効率は、最初に予測されたとおり、局部発振器信号（図６）および有効信号ＲＦ（図７）それぞれの利用可能な電力の等分の分配を伴って生じていない。
【００８３】
考察した有効信号ＲＦのサブハーモニック１乃至４のすべてについての最適位相シフトは等しいが、パラメータｒおよびｓにおける最適状態は、有効信号のサブハーモニックのうちのいずれが局部発振器信号として使用されるかに応じて変化している。使用される局部発振器信号が１次サブハーモニックにおける局部発振器周波数である場合には、最適のパラメータがｒ＝ｓ＝０．７２４であり、２次サブハーモニックの場合にはｒ＝ｓ＝０．６０９であり、３次サブハーモニックの場合にはｒ＝ｓ＝０．５５５であり、４次サブハーモニックの場合にはｒ＝ｓ＝０．５２９である。サブハーモニックの次数を無限大にすることが可能であれば、最適状態についてｒ＝ｓ＝０．５となる。しかしながら、有効信号ＲＦおよび局部発振器信号ＬＯの電力のゲートおよびドレインに対する等分の分配、すなわちｒ＝ｓ＝０．５に伴う最適状態からの逸脱が、１次乃至４次サブハーモニックにおける場合でさえ、深刻ではない。
【００８４】
図８は、ミキサ回路の代替実施態様を示しており、この回路は、図２の実施態様とは異なり、単一のコンビネータ２０、単一のスプリッタ２１、および単一の位相シフト・エレメント２２を用いて処理を行なう。
【００８５】
前述と同様に有効信号ＲＦがアンテナ４によって提供され、局部発振器信号ＬＯが局部発振器２によって生成される。これら２つの信号ＲＦおよびＬＯが一緒にコンビネータ２０に入れられて相互に重合され、重合された信号がスプリッタによって２つのパスに向けて分割され、そのそれぞれが有効信号ＲＦおよび局部発振器信号ＬＯの信号成分を含む。スプリッタ２１の第１の出力は電界効果トランジスタ１のドレインに接続され、スプリッタ２１の第２の出力は電界効果トランジスタ１のゲートに接続される。電界効果トランジスタ１のゲートＧおよびドレインＤにおける有効信号ＲＦの信号成分の間、および電界効果トランジスタ１のゲートＧおよびドレインＤにおける局部発振器信号ＬＯの信号成分の間の両方に位相シフトを導入するために、位相シフト・エレメントとして遅延セクション２２がスプリッタ２１とドレインＤの間に提供されている。この遅延セクションが、０から２πまでの間の位相シフトを導入するように有効信号について調整されていれば、同じ遅延セクションが、局部発振器信号ＬＯのための０から２πまでの間の位相シフトももたらすことになる。しかしながら、両方の位相シフトがそれぞれπ、すなわち１８０°である場合には、電界効果トランジスタ１のゲートＧにおける有効信号の信号成分に関して位相シフトが１８０°となるように遅延セクション２２が正確に設定されなければならない。ここでたとえば、局部発振器周波数ｖＬＯが、混合周波数ｖＩＦだけ減少させた有効周波数ｖＲＦの奇数分の１であるように選択されていれば、遅延セクション２２はまた、局部発振器信号ＬＯについてもそれぞれπおよび１８０°の位相シフトを有する。
【００８６】
図１２は、本発明によるところのミキサの実施態様を示しており、これは図８の実施態様と同様に、コンビネータを１つだけ用いて処理を行なう。単一のスプリッタは、トランス６０によって形成されている。簡素化目的のため、図１２にはコンビネータが示されていないが、局部発振器２およびアンテナ４が、単一の供給源２、４として図式的に示されている。
【００８７】
図１２に示されている回路の技術的な実装においては、図１３に示されているとおりのアンテナ４’’’が使用される。これが、コンビネータおよびアンテナを形成し、図１２の有効信号ＲＦおよび局部発振器信号ＬＯについての図式的な供給源２、４に置き換わる。図１３のアンテナ４’’’は、グラウンド平面としての金属層、誘電体、および誘電体上の金属パッチ７０を包含するデュアル周波数アンテナである。金属パッチ７０は、有効信号ＲＦのためのパッチ・アンテナを形成する。４つの方形の開口７１、７２、７３、７４が金属パッチ７０内に構造化されており、言い換えると、誘電体上のこれらの領域には金属層がない。開口７１、７２、７３、７４は、局部発振器信号のための４つのスロット・アンテナを金属層内に形成し、有効信号ＲＦと局部発振器信号ＬＯの間の関係ではポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３、およびＰ４においてそれらの重合をそれぞれ引き出し、図１２の回路に給電することができる。
【００８８】
有効信号ＲＦと局部発振器信号ＬＯの重合は、トランス６０によって、高周波信号ＲＦおよび局部発振器信号ＬＯが電界効果トランジスタ１のゲートＧおよびドレインＤの両方において印加されるように分割される。それに関して言えば、トランス６０のプライマリ・コイル６１がコンビネータと電界効果トランジスタ１のドレインの間に接続されており、セカンダリ・コイル６２がゲート・バイアス電圧Ｕｇと電界効果トランジスタ１のゲートＧの間に接続されている。プライマリ・コイル６１とセカンダリ・コイル６２の間には電磁結合が存在する。
【００８９】
トランス６０の本質的な特性から、それがスプリッタとして電界効果トランジスタ１のゲートＧおよびドレインＤに対する有効信号ＲＦおよび局部発振器信号ＬＯの分割を提供するだけでなく、ゲートＧおよびドレインＤにおける有効信号ＲＦの信号成分の間、およびゲートＧおよびドレインＤにおける局部発振器信号ＬＯの信号成分の間に本発明による位相シフトも提供する。
【００９０】
図９は、差動アンテナ４’の特性に基づいた追加の代替実施態様を示している。
【００９１】
その種の差動アンテナ４’の実施態様を例示の手段として図１０に示す。図解されている半波長フォールデッド・ダイポール・アンテナ４’は、有効周波数ｖＲＦにおいてアンテナ４’に入射する有効信号に共振するように選択される。その場合においては、接続ポイント４ａ’および接続ポイント４ｂ’における信号成分の間にπの位相シフトを伴う有効信号ＲＦが接続ポイント４ａ’および４ｂ’に生じる。言い換えると、差動アンテナ４’は２ワイヤ出力を有する。
【００９２】
図２および８の実施態様とは異なり、図９のミキサ回路は、２つの電界効果トランジスタ５０および５１を有する。第１の電界効果トランジスタ５０のゲートＧには、差動アンテナ４’の接続ポイント４ｂ’によって出力される有効信号の信号成分が供給され、第２の電界効果トランジスタ５１のゲートＧには、差動アンテナ４’の第１の出力４ａ’における有効信号の信号成分が供給される。２つの電界効果トランジスタ５０および５１のドレインＤに対する供給は、有効信号の信号成分を用いて正確にこれの逆の態様で実装される。アンテナの第１の出力４ａ’が第１の電界効果トランジスタ５０のドレインに接続され、差動アンテナ４’の第２の出力４ｂ’が第２の電界効果トランジスタ５１のドレインに接続される。
【００９３】
それを達成するため、このアレンジメントは第１のスプリッタ５２を有し、それが差動アンテナの第１の接続ポイント４ａ’に接続されており、アンテナの第１の接続ポイント４ａ’が第１の電界効果トランジスタ５０のドレインおよび第２の電界効果トランジスタ５１のゲートの両方に接続されるように信号を分割する。同じ態様で第２の出力４ｂ’が第２のスプリッタ５３に接続されており、それもまた、差動アンテナ４’の第２の出力４ｂ’を第１の電界効果トランジスタ５０のゲートおよび第２の電界効果トランジスタ５１のドレインに接続する。この方法においては、第１の電界効果トランジスタ５０のゲートとドレインの間、および第２の電界効果トランジスタ５１のゲートとドレインの間の両方に有効信号のための１８０°の位相シフトが存在する。
【００９４】
図９に示されているとおり、局部発振器２によって生成された局部発振器信号ＬＯがアンテナ４’の対称ポイント４ｃ’においてそれに供給される場合には、アンテナ４’が局部発振器信号ＬＯのためのスプリッタとして作用し、アンテナ４’の出力接続４ａ’および４ｂ’において、２つの信号成分の間に位相シフトを伴うことなく局部発振器信号を生じる。
【００９５】
それに代えて、アンテナ４’の出力接続４ａ’および４ｂ’における信号成分が、異なる局部発振器信号遷移時間によって互いに関してあらかじめ位相シフトを有するように、好ましくは１８０°の位相シフトを有するように、差動アンテナ４’への局部発振器による局部発振器信号ＬＯの給電を非対称に実装することが可能である。
【００９６】
図９の実施態様においては、差動アンテナ４’が、有効信号のための、または有効信号および局部発振器信号のための位相シフト・エレメントとして、かつ有効信号および局部発振器信号のためのコンビネータとして作用する。
【００９７】
図９の回路のドレインの上流に備えられているキャパシタ５４、５５は、ドレインからバイアス電圧源３のゲート・バイアス電圧を減結合するためのハイ‐パス・フィルタとしての機能を提供する。
【００９８】
図１１は、本発明によるところのミキサの追加の実施態様を示している。図１１のミキサの構造は、図９のミキサのそれと実質的に対応する。前述と同様に、まったく同じ要素は、まったく同じ参照を用いて示されている。しかしながら、有効信号および局部発振器信号の両方が自由放射関係で差動アンテナ４”を経由してミキサに結合されることが理解されるであろう。その目的のために、差動アンテナ４”が、有効信号および局部発振器信号の両方に共振する。
【００９９】
この実施態様においては、差動アンテナ４”が、それ自体の中に次に挙げる機能を結合している。これは、有効信号入力および局部発振器入力になる。これは、有効信号および局部発振器信号を一緒にまとめるコンビネータになる。さらにこれは、有効信号および局部発振器信号のための位相シフト・エレメントになる。
【０１００】
アンテナ４”の接続ポイント４ａ”および４ｂ”において、有効信号ＲＦおよび局部発振器信号ＬＯの両方が、信号成分の間に位相シフトπを伴って接続ポイント４ａ”および接続ポイント４ｂ”に生じる。
【０１０１】
前述の図９の回路における場合と同様に、図１１のミキサ回路もまた、２つの電界効果トランジスタ５０および５１を有している。第１の電界効果トランジスタ５０のゲートＧにはアンテナ４”の接続ポイント４ｂ”によって出力される有効信号および局部発振器信号の信号成分が供給され、一方、第２の電界効果トランジスタ５１のゲートＧにはアンテナ４”の第１の出力４ａ”に生じる有効信号および局部発振器信号の信号成分が供給される。これら２つの電界効果トランジスタ５０および５１のドレインＤに対する供給は、有効信号および局部発振器信号の信号成分をまったくこれの逆の態様で用いて実装される。このアンテナの第１の出力４ａ”は第１の電界効果トランジスタ５０のドレインに接続され、一方、差動アンテナ４”の第２の出力４ｂ”は、第２の電界効果トランジスタ５１のドレインに接続される。
【０１０２】
それを達成するために、このアレンジメントは、第１のスプリッタ５２を有しており、それが差動アンテナの第１の接続ポイント４ａ”に接続され、かつアンテナの第１の接続ポイント４ａ”が第１の電界効果トランジスタ５０のドレインおよび第２の電界効果トランジスタ５１のゲートの両方に接続されるように信号を分割する。同じ態様において第２の出力４ｂ”が第２のスプリッタ５３に接続され、それもまた、差動アンテナ４”の第２の出力４ｂ”を第１の電界効果トランジスタ５０のゲートおよび第２の電界効果トランジスタ５１のドレインに接続する。この方法によれば、有効信号および局部発振器についての１８０°の位相シフトが、第１の電界効果トランジスタ５０のゲートとドレインの間、および第２の電界効果トランジスタ５１のゲートとドレインの間の両方に存在する。
【０１０３】
オリジナルの開示の目的について言えば、この説明、図面、および特許請求の範囲から当業者が理解できるとおりのあらゆる特徴は、それらがそのほかの特徴に関してのみ特定の用語で記述されている場合であってさえも、個別に組み合わせること、およびここに開示されているほかの特徴または特徴のグループとの任意の組み合わせにおいて組み合わせることが両方ともに、それが明示的に除外されているか、または技術的な要因がその種の組み合わせを不可能または無意味としない限りにおいて可能である。企図し得るすべての特徴の組み合わせの包括的かつ明示的な表現は、説明の簡潔および読みやすさのために省略されている。
【０１０４】
これまで図面および以上の説明の中で本発明を詳細に図解し、かつ説明してきたが、図解および説明は例示のための手段に過ぎず、特許請求の範囲によって定義されるとおりの保護の範囲を限定するものと見なされることはない。本発明はここに開示されている実施態様によって限定されない。
【０１０５】
ここに開示されている実施態様における修正は、図面、説明、および付随する特許請求の範囲から当業者に明らかであろう。特許請求の範囲においては、用語「有する」がほかの要素またはステップを排除することはなく、また、数を指定しないことまたは「ある」による形容は複数であることを排除しない。特定の特徴が異なる請求項の中で請求されているという単なる事実は、それらの組み合わせを排除しない。請求項の中における参照が保護の範囲に対する限定と見なされることはない。
【符号の説明】
【０１０６】
１      電界効果トランジスタ
２      局部発振器
３      バイアス電圧源
４      アンテナ
４’、４”      差動アンテナ
４ａ’、４ａ”  接続ポイント
４ｂ’、４ｂ”  接続ポイント
４ｃ’  対称ポイント
４’’’デュアル周波数アンテナ
５      第１のスプリッタ
６      位相シフタ
７      第１のコンビネータ
８      第２のコンビネータ
９      第２のスプリッタ
１０    位相シフタ
１１    バイアス・ティー
１２    局部発振器入力
２０    コンビネータ
２１    スプリッタ
２２    遅延セクション
５０    第１の電界効果トランジスタ
５１    第２の電界効果トランジスタ
５２    第１のスプリッタ
５３    第２のスプリッタ
５４    キャパシタ
５５    キャパシタ
６０    トランス
６１    プライマリ・コイル
６２    セカンダリ・コイル
７０    金属パッチ
７１乃至４７  開口
Ｐ１乃至Ｐ４  引き出しポイント
Ｇ      ゲート
Ｄ      ドレイン
Ｓ      ソース
ＬＯ    局部発振器信号
ＵＬＯ  局部発振器電圧
ＲＦ    高周波信号
ＵＲＦ  有効信号電圧
ＩＦ    中間周波数信号
ＵＩＦ  中間周波数信号についての信号出力
ＲＦ    混合信号
ｖＩＦ  混合周波数
ｖＲＦ  有効周波数
ｖＬＯ  局部発振器周波数
ＵＤＳ  ドレイン‐ソース電圧
ＵＧＳ  ゲート‐ソース電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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2013529027.tif 000020
2013529027.tif 000021
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