SNAP Application Report 43

地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ TV 放送の受信性能を向上する UHF 帯混合器の設計と解析（所定 ch 群を受信する２つのｱﾝﾃﾅ受信出力を、HPF／LPF でｼｬｰﾌﾟに切り分け、低損失で混合［合波］する 2 Input−1 Output 混合器）

May 21, 2007
Mr. Endo

１．序文(1) 最初に、UHF 帯混合器を構成する基本要素である、HPF/LPF を設計する手順を簡潔に説明する。
(2) ２つの入力信号の通過を制御する各々のﾌｨﾙﾀ出力を、１出力に混合する、干渉ﾄﾗﾝｽの作用と効果について解説する。
(3) ﾌｨﾙﾀを構成する L、C の回路定数の偏差に対する、混合器出力の特性のﾊﾞﾗﾂｷについて、その解析法の要点と、解析結果について紹介する。
(4) LPF/HPF に BPF を組合せたり、或いは通過特性遷移領域の周波数特性を特定 ch 信号のﾚﾍﾞﾙ調整に利用する方法など、２つの代表的な混合器の事例について、回路構成並びにその特性を紹介する。
(5) 最後に、ﾌﾟﾘﾝﾄ基板に部品を実装して UHF 帯混合器を試作評価し、改良すべき課題とその解決手法について、要点を説明する。SNAP の回路解析結果と実際の混合器の特性［実測値］を対比して、SNAP 回路解析の優れた実用性を証明したい。
２．UHF 帯混合器の設計手順およびﾌｨﾙﾀ特性の干渉対策①SNAP Design を活用して、UHF 帯混合器の基本構成となるHPF や LPF の回路構成［回路構成＝ﾌｨﾙﾀの次数や形式（π型／T型）］と各定数を導く。
②設計された LPF の1

各定数を適用できる部品定数［E24 系列（精度 5%）などに丸める］に設定する際に、通過特性等のﾌｨﾙﾀ性能が最適になるように、幾つかの定数を若干変更することも必要になる。
③この２つのﾌｨﾙﾀ出力、即ちLPF 出力と HPF 出力を直結すると、両ﾌｨﾙﾀの通過領域が重なるか、隣接する場合には Fig.3 に示
すように、両ﾌｨﾙﾀの特性が近接する付近で、両者の特性に干渉を生じる。
③この干渉を軽減･解消するために、２つのﾌｨﾙﾀ出力を結合する際に、緩衝ﾄﾗﾝｽを適用する。その結果、両ﾌｨﾙﾀの特性が近接する付近で、両者の干渉は、Fig.4 に示すように大幅に低減される。しかしながら、緩衝ﾄﾗﾝｽの分配損失 3dB が混合器の出力に生じることは避けられない。従って、要求条件等に応じて、この緩衝ﾄﾗﾝｽの適用を使い分けることが大切である。この緩衝ﾄﾗﾝｽに適した広帯域ﾄﾗﾝｽ NT201 の仕様を Fig.5 に紹介する。
３．混合器特性のﾊﾞﾗﾂｷ解析(1)混合器を量産するに際して、使用する回路部品のﾊﾞﾗﾂｷに伴う混合器製品の特性分布［特性偏差］を、設計時点で分析しておくことは、生産性［歩留まりや調整必要性の有無、調整のｸﾘﾁｶ
ﾙ･ﾎﾟｲﾝﾄなど］向上の観点から大切であり、製品開発のｽﾋﾟｰﾄﾞ向上にも繋がる。

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(2) 緩 衝 ﾄ ﾗ ﾝ ｽ を 使 用 し な い
LPF/HPF の直結型の混合器［構成が比較的に単純］を事例に取って、ﾊﾞﾗﾂｷ解析の要領を簡単に説明する。①回路素子（ｺｲﾙおよびｺﾝﾃﾞﾝｻ）5 種類をその規定誤差で変化させる検証回路［Fig.6］を作成し、小信号 S ﾊﾟﾗﾒｰﾀ解析にて、定義された 5 素子の値を Repeat 機能を用いて 25＝32 通りでﾗﾝﾀﾞﾑに変化させる。②規定誤差 1%、3%、5%、10%について、それらを解析した結果を Fig.7 に示す。
(3)ﾊﾞﾗﾂｷ解析結果を、生産性の観点で分析した要点は以下の通りである。
①量産時における製品性能が確率的に、どの程度変動［分布］するか机上解析したもので、量産品の調整の難しさ及び歩留まり［量産率］を示唆する。②回路構成が複雑［素子数が多く］になればなる程、各素子の誤差が小さくても、製品の性能が大きく変化する。
③無調整回路を実現するためには、回路素子の誤差を 1%程度に収めることが大切である。
４．代表的な混合器の設計事例[1]LPF/HPF の通過特性(肩傾斜)をｼｬｰﾌﾟにした混合器① LPF/HPF 夫々の出力3端に、並列共振ﾄﾗｯﾌﾟと直列共振ﾄﾗｯﾌﾟを接続する［Fig.8］ことで、LPF と HPF の交差［遷移］領域を通常 LC ﾌｨﾙﾀの約 1/3の、10MHz に狭めて両ﾌｨﾙﾀの選択特性を大幅に向上させる。
② 両ﾌｨﾙﾀの特性を最適に調整するには、熟練が必要なので、その調整要領を Fig.9 に示す。
[2]LPH と HPF の交差領域において、所定 ch［24ch、25ch］を一定量減衰して通過させる混合器① 中電界強度の受信信号［24ch、25ch］を約 20dB 減衰して通過させる共に、LPF/HPF 選択特性によって、受信障害を引き起こす高電界の受信波群を阻止し、弱電界の受信波群を通過させることにより最適な受信状態を形成する。
② LPF の LC ﾄﾗｯﾌﾟ回路 2 段で、所定 ch を一定量減衰させる中腹平坦 A を形成し、λ/4 結合直列共振ﾄﾗｯﾌﾟ（誘電体共振器を使用した直列共振回路を縦列接続）回路を挿入して、HPF の肩特性を直立壁面に近い傾斜 B に整形する。

4５．LPF／HPF 型混合器の試作評価と SNAP ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析評価の比較検証(1) 両面基板[FR-4]を使用して試作した、LPF/HPF 構成の混合器の基板実装をFig.11 に、初期の回路構成を Fig.12、特性上の課題［各部の反射低減／整合性改善など］を解決した最終回路を Fig.13 に示す。
Trap-A は LPF と HPF の交差領域における LPF の肩傾斜を急峻に、Trap-B
は HPF の肩傾斜を急峻に形成する。また入出力端子／LPF／Trap-A／Trap-B／HPF のそれぞれは、75Ωの MSL[Micro-Strip Line]で接続されており、混合器の通過特性が UHF TV 帯全体で平坦になるように考慮されている。
(2) 試作混合器の最終特性(実測値)は Fig.14に示すように、LPFと HPF の交差領域が25dB 減 衰 の 範 囲 で10MHz 以内に収まっている。LPF と HPFの交差特性を急峻にするために、挿入した1/4 波長結合 Trap 回路の損失および緩衝ﾄﾗﾝｽの分配損失などの影響で、LPF の通過帯域の損失は約 10dB に達しており、今後改良の余地が残されていると思われる。

(3) 最終特性に対する実測値［Fig.14］と Fig.13 の SNAP 回路の小信号 S ﾊﾟﾗﾒｰﾀ解析値［Fig.15］を比較してみると、HPF の通過帯域内の平坦性［凹凸偏差が実測値で約 3dB存在する］に対する差異を除いて、実測値と SNAP 解析値は極めて良好に一致していることが分かる。これは SNAP の実用性が高いことを顕著に表している、素晴らしい事例であると言えよう。

5(4)参考までに、２つのﾌｨﾙﾀ出力を混合する、出力混合部の構成を Fig.16 に紹介する。前述のように、この緩衝ﾄﾗﾝｽ
NT201 は約 100MHz−3GHzの範囲で、ﾌﾗｯﾄな混合･整合特性を示す。この混合器を構成している LPF/HP および、Trap-A/Trap-B は、それぞれの通過帯域に於いては、その入出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが 75Ω付近となり 、 結 合 線 路 ［ 75 Ω MSL（MSL：ﾏｲｸﾛｽﾄﾘｯﾌﾟ線路)］と整合する。阻止帯域においては、それらの入出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが短絡／開放状態になるため、各ﾌｨﾙﾀと結合線路間に不整合を生じ、混合器出力の通過平坦部上の幾つかの周波数ﾎﾟｲﾝﾄにて、反射による凹凸を生じる。
(5)この対策内容［その主要部を Fig.16 に示す］の詳細は Fig.13 の回路図に示している。
尚、
この反射対策後の実測値[Network Analyzer]と、SNAP 解析値（S ﾊﾟﾗﾒｰﾀ解析）は Fig.14、Fig.15 に示すように良好な対照を示していると同時に、初期回路（反射対策前）における実測値と SNAP 解析結果も良好な相関［Fig.17］を示している。
６．本ﾚﾎﾟｰﾄの纏めと考察(1)地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ TV 放送の受信性能向上に有効に機能する、［受信 ch を高選択する］通過特性がｼｬｰﾌﾟな UHF
TV 帯混合器を、SNAP の高度な設計･解析機能を活用することによって、的確に、且つ高精度に開発設計できることを示した。
(2)SNAP の解析は回路を構成する部品･素子のﾊﾞﾗﾂｷを反映した、回路特性の解析を高精度に、かつ容易に実施できるので、製品設計における歩留まり向上や調整の必要性有無など、生産性を考慮した製品開発を可能にする。これは製品ｺｽﾄを低減する基本的な、解析･分析･考察手法と考えられる。
(3)混合器の試作評価で確認･検証したように、部品の実装状況や基板ﾊﾟﾀｰﾝなど実際の回路内容を反映した、実践的な回路設計とその特性の解析を精確･円滑に果たすことが出来る。
ここに SNAP 解析機能の優れた実用性を、事例を用いて実証することができた。

−以上−

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