JP2006148809A - Image cancel mixer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はミキサ(Mixer)に関し、特に、ガリウムひ素(GaAs)等の半導体基板に能動・受動素子、機能回路等を一体的に製作したマイクロ波・ミリ波帯の高周波回路(MMIC)でなるイメージキャンセルミキサに関する。 The present invention relates to a mixer, and in particular, an image formed by a microwave / millimeter wave high frequency circuit (MMIC) in which active / passive elements, functional circuits, and the like are integrally manufactured on a semiconductor substrate such as gallium arsenide (GaAs). Regarding cancellation mixer.
マイクロ波帯、ミリ波帯の無線通信装置は、数GHzから60GHz位まで周波数は多岐にわたっており、生産台数、あるいは市場の需要台数は周波数により異なるが、生産台数にして年間数十台から数百台の装置も少なくない。この程度の生産台数の装置にMMICを使用する場合、MMICの生産数量が問題となってくる。 Microwave and millimeter-wave wireless communication devices have a wide range of frequencies from several GHz to 60 GHz, and the number of units produced or market demand varies depending on the frequency. There are not a few stand devices. When an MMIC is used for an apparatus with such a production quantity, the production quantity of the MMIC becomes a problem.
MMICを製造する場合、通常その最小ロットはwafer1枚となる。マイクロ波、ミリ波帯で現在多く使用されているGaAsの場合、主流は4inchwaferであるが、例えば1.8mm×0.5mmのミキサでは4inchwafer1枚で理論収量約7000個(p)である。 When manufacturing an MMIC, the minimum lot is usually one wafer. In the case of GaAs, which is currently widely used in the microwave and millimeter wave bands, the mainstream is 4 inchwafer. For example, a 1.8 mm × 0.5 mm mixer has a theoretical yield of about 7000 (p) with one 4 inchwafer.
従って、周波数の異なる3種類のミキサを1枚のwaferから同数製作した場合、理想的には各々約2300pが製造可能である。この場合、3種類のミキサの所要量が均等であれば問題ないが、前述の通り周波数によって需要が異なるため、一般には各ミキサの所要量は同じにはならない。つまり、他の2種類のミキサが余っていても1種類のミキサが品切れになった場合、また3種類のミキサが製造されることになる。こうなると余剰在庫が増えてしまう。 Therefore, when the same number of three types of mixers having different frequencies are manufactured from one wafer, about 2300p can be manufactured ideally. In this case, there is no problem as long as the required amounts of the three types of mixers are equal. However, since the demand varies depending on the frequency as described above, generally, the required amount of each mixer is not the same. That is, even if the other two types of mixers remain, if one type of mixer runs out of stock, three types of mixers are manufactured. If this happens, excess inventory will increase.
1枚のwaferで1種類のMMICを製造するという方法も考えられるが、1回に製造される数量が多いため、多くの余剰在庫を抱える可能性が出てくる。またMMICの製造期間も通常約2ヶ月と長いため、在庫管理は更に難しくなる。 A method of manufacturing one type of MMIC with one wafer is also conceivable. However, since the quantity manufactured at one time is large, there is a possibility of having a lot of excess inventory. Also, since the MMIC manufacturing period is usually as long as about two months, inventory management becomes more difficult.
このように、周波数ごとに異なるMMICを使用していてはMMICの種類が増え、入手性、在庫管理等に支障が生じ、納期、価格に悪影響を与えてしまう。 In this way, if different MMICs are used for each frequency, the types of MMICs increase, resulting in problems in availability, inventory management, etc., and adversely affecting delivery times and prices.
従来のMMICのイメージキャンセルミキサでは、その帯域は広くても1オクターブ程度であり、周波数が倍以上違うと、同じチップ部品を使用することが出来なかった。 In the conventional MMIC image canceling mixer, the band is about one octave at most, and the same chip component cannot be used if the frequency is more than doubled.
このためMMICのイメージキャンセルミキサにおいては周波数毎に異なる種類のMMICが必要となり前述のようなマイクロ波帯、ミリ波帯の無線通信装置の問題が顕在化する。 For this reason, the MMIC image cancellation mixer requires different types of MMICs for each frequency, and the above-described problems of the radio communication apparatus in the microwave band and the millimeter wave band become obvious.
もし、イメージキャンセルミキサの使用周波数が異なっていても、共通の部品で対応できるようになれば、生産も在庫管理も1種類で済み、前述のような問題は解決される。 Even if the frequency of use of the image cancellation mixer is different, if it is possible to cope with common parts, only one kind of production and inventory management is required, and the above-mentioned problems are solved.
(目的)
本発明の主な目的は、前述の課題を解決するものであり、使用周波数が異なっていても共通の部品で対応できるようにしたイメージキャンセルミキサを提供することにある。
本発明の他の目的は、より広い帯域で使用可能なイメージキャンセルミキサを提供することにある。
本発明の他の目的は、装置の設計が容易で融通性のあるイメージキャンセルミキサを提供することにある。
(the purpose)
SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide an image cancellation mixer which can cope with common components even if the used frequency is different.
Another object of the present invention is to provide an image cancellation mixer that can be used in a wider band.
Another object of the present invention is to provide an image cancellation mixer that is easy to design and flexible.
本発明は、マイクロ波帯、ミリ波帯におけるMMICのイメージキャンセルミキサとして、同一チップ上に周波数帯域の異なる複数のハイブリッドを有することを特徴とする。同一のMMICチップ内に、周波数帯域の違うハイブリッドを複数個内蔵し、使用周波数(出力周波数)に適したハイブリッドをチップ内ボンディングにより選択することにより、従来にない広い周波数帯を1種類のMMICで対応できるようにする。つまり、
本発明のイメージキャンセルミキサは、マイクロ波帯、ミリ波帯におけるMMICのイメージキャンセルミキサであって、同一チップ上に周波数帯域の異なる複数のハイブリッド(例えば図1の15、16)を有することを特徴とし、更に、使用周波数(出力周波数)に応じて前記複数のハイブリッドの何れかに選択的に接続可能なミキサを有すること、又は前記複数のハイブリッドにそれぞれ接続した複数のミキサを有することを特徴とする。
The present invention is characterized by having a plurality of hybrids having different frequency bands on the same chip as an image canceling mixer of the MMIC in the microwave band and the millimeter wave band. Multiple hybrids with different frequency bands are built in the same MMIC chip, and a hybrid suitable for the used frequency (output frequency) is selected by bonding within the chip. Make it available. That means
The image cancellation mixer of the present invention is an MMIC image cancellation mixer in the microwave band and the millimeter wave band, and has a plurality of hybrids (for example, 15 and 16 in FIG. 1) having different frequency bands on the same chip. And having a mixer that can be selectively connected to any of the plurality of hybrids according to a use frequency (output frequency), or having a plurality of mixers respectively connected to the plurality of hybrids. To do.
また、前記ミキサは、非線形素子と該非線形素子に接続された2つの入出力のパッド(例えば図1の7、9、9’)と1つの入力用のパッド(例えば図1の1)を有する一対のミキサ回路で構成され、前記複数のハイブリッド(例えば図1の15、16)は、3つの入出力用のパッド(例えば図1の11,13、12,14)を有することを特徴とし、各ミキサ回路の1つの入出力用のパッド(例えば図1の7)と前記複数のハイブリッドの1つの入出力用のパッド(例えば図1の11、12)は、それぞれ近接して配置されていることを特徴とする。 The mixer includes a nonlinear element, two input / output pads (for example, 7, 9, 9 ′ in FIG. 1) connected to the nonlinear element, and one input pad (for example, 1 in FIG. 1). It is composed of a pair of mixer circuits, and the plurality of hybrids (for example, 15 and 16 in FIG. 1) have three input / output pads (for example, 11, 13, 12, and 14 in FIG. 1), One input / output pad (for example, 7 in FIG. 1) of each mixer circuit and one input / output pad (for example, 11 and 12 in FIG. 1) of the plurality of hybrids are arranged close to each other. It is characterized by that.
更に、前記ミキサは、少なくとも非線形素子が異なるハイブリッドの間又は外側に配置され、前記非線形素子は、アンチパラレルダイオード、又はシングルダイオードで構成され、前記ハイブリッドは、終端抵抗が接続されたランゲカプラで構成したことを特徴とする。 Further, the mixer is disposed between or outside at least hybrids having different nonlinear elements, the nonlinear elements are configured by anti-parallel diodes or single diodes, and the hybrid is configured by a Lange coupler to which a terminating resistor is connected. It is characterized by that.
本発明においては、同一のMMICチップ内に周波数帯域の違うハイブリッドを複数個内蔵させることにより、非常に広帯域なミキサを実現することが可能である。 In the present invention, it is possible to realize a very wide band mixer by incorporating a plurality of hybrids having different frequency bands in the same MMIC chip.
従来では同一の部品を使用出来なかった広い周波数範囲に渡って部品の共通化が可能になり、部品の手配及び在庫管理等が容易である。 Parts can be shared over a wide frequency range where the same parts could not be used in the past, and parts arrangement and inventory management are easy.
更に、装置の組み立て時にイメージキャンセルミキサのボンディングパッド間又はボンディングパッドと外部回路間の接続を選択することにより使用周波数に対応可能であるから装置の設計等が容易となる。 Furthermore, since it is possible to cope with the operating frequency by selecting the connection between the bonding pads of the image cancellation mixer or the bonding pad and the external circuit at the time of assembling the apparatus, the design of the apparatus becomes easy.
本発明のイメージキャンセルミキサの一実施の形態について詳細に説明する。
(構成の説明)
図1は本発明のイメージキャンセルミキサの一実施の形態の構成を示す図である。
1はボンディングパッド(「パッド」という。)であって、ローカル周波数(LO周波数)の信号(LO信号)を入力する入力用のパッド、2,4,6,10はキャパシタ、3はパッド、5は非線形素子としてのアンチパラレルダイオード、8はマイクロストリップライン、7,9,9’,11,12,13,14は入出力用のパッドであって、9、9’は中間周波(IF周波数)の信号(IF信号)を入出力する入出力用のパッド、13,14は高周波(RF周波数)の信号(RF信号)の入出力用のパッド、15,16は3dBハイブリッド、そして17,18は3dBハイブリッドの4つの入出力ポートの内の1入出力ポートに接続したハイブリッドの終端抵抗、19はグラウンドである。
An embodiment of the image cancellation mixer of the present invention will be described in detail.
(Description of configuration)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of an image cancellation mixer of the present invention.
図2は本実施の形態のイメージキャンセルミキサの等価回路を示す図である。
本実施の形態のイメージキャンセルミキサは、1〜10で構成されるミキサ回路の一対でなるミキサ、周波数帯域f0〜2×f0のハイブリッド15、周波数帯域2×f0〜4×f0のハイブリッド16とで構成されている。ミキサ回路は周波数f0〜4×f0で良好な特性が得られるようにキャパシタ2,4,6,10の値、及びマイクロストリップライン8の長さと幅を選択してある。
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the image cancellation mixer of the present embodiment.
The image cancellation mixer according to the present embodiment includes a mixer composed of a pair of mixer circuits composed of 1 to 10, a
本実施の形態のイメージキャンセルミキサの回路配置としては、チップの略外周を取り囲むようにコの字状の3dBハイブリッド15と直線状の3dBハイブリッド16とがそれぞれの終端抵抗17及び18、入出力用のパッド13及び14がそれぞれ接近する方向に配置し、ミキサを構成する一対のミキサ回路1〜10は、キャパシタ10とIF信号の入出力用のパッド9、9’を除いて、3dBハイブリッド16と3dBハイブリッド15で囲まれた領域に、入力用のパッド1が互いに近接するように配置するとともに、各一対のミキサ回路1〜10の各入出力用のパッド7は、3dBハイブリッド15、16のそれぞれの各入出力用のパッド11、12と接近するように配置される。このような配置によりハイブリッドの結合線路の線路長の直線部分の形成と、その両端、ボンディングパッド間の接続及びミキサの配置のための領域の確保と設計の容易化を図っている。
As the circuit arrangement of the image cancellation mixer of the present embodiment, the
なお、イメージキャンセルミキサの回路配置の構成は前記構成に限られるものではなく、図1に示す一対のミキサ回路1〜10と直線状の3dBハイブリッド16とを上下に入れ替え、3dBハイブリッド15と16が隣接し、ミキサ回路1〜10が3dBハイブリッド15、16の外側になるように配置する等、各種の配置変更によっても同様の領域の確保と設計の容易化を図ることが可能である。
The configuration of the circuit arrangement of the image cancellation mixer is not limited to the above configuration, and the pair of
イメージキャンセルミキサはチップ製造段階ではミキサとハイブリッドとは未接続状態とし、イメージキャンセルミキサの組み立て時に、使用周波数が周波数f0〜2×f0の時は入出力用のパッド7と11を接続し、周波数2×f0〜4×f0の時は入出力用のパッド7と12をボンディングワイヤで接続して、ミキサとハイブリッドを接続して使用することが可能である。
本実施の形態の構成により1チップで周波数f0〜4×f0と2オクターブの帯域をカバーすることができる。
In the image cancellation mixer, the mixer and the hybrid are not connected at the chip manufacturing stage. When the image cancellation mixer is assembled, the input and
With the configuration of the present embodiment, the frequency f0 to 4 × f0 and the band of 2 octaves can be covered with one chip.
(動作の説明)
図2に示す等価回路を用いて、一例として、アップコンバータの場合の動作について説明する。LO周波数をfLO、IF周波数をfIF、RF周波数をfRFとする。
(Description of operation)
As an example, the operation in the case of an up-converter will be described using the equivalent circuit shown in FIG. The LO frequency is fLO, the IF frequency is fIF, and the RF frequency is fRF.
アップコンバータの場合、入力用のパッド1から入力されたLO信号と、入出力用のパッド9及び9’から入力されたIF信号はアンチパラレルダイオード5の非線形特性により周波数変換される。入出力用のパッド9及び9’から入力されるIF信号は同じパワーで位相が90°ずれたものである。この時アンチパラレルダイオード5で生じ入出力用のパッド7に出力される周波数成分は理想的には(m×fLO+n×fIF)(m,nは整数、かつm+nは奇数)となる。
In the case of the up-converter, the LO signal input from the
図3は端子7での周波数関係を示す図である。この場合、m=2、n=±1の信号が所望の信号になる。使用する周波数がハイブリッド15の帯域内の場合、入出力用のパッド7と11をボンディングワイヤにより接続する。
FIG. 3 is a diagram showing the frequency relationship at the
この時、入出力用のパッド13から出力される信号は上側波帯(USB)の場合、周波数(2×fLO−fIF)の信号はキャンセルされ、fRF=(2×fLO+fIF)の信号が得られることになる。
At this time, when the signal output from the input /
所望の周波数がハイブリッド15の周波数帯域よりも高く、ハイブリッド16の周波数帯域内の場合、入出力用のパッド7と入出力用のパッド12をボンディングワイヤで接続することにより、入出力用のパッド14から所望の周波数の信号が得られる。
When the desired frequency is higher than the frequency band of the hybrid 15 and is within the frequency band of the hybrid 16, the input /
以上説明したイメージキャンセルミキサの動作は、ミキサ回路については入力用のパッド1をLO信号の入力とし、入出力用のパッド9、9’をIF信号の入力とし、入出力用のパッド7をその出力とし、ハイブリッド15、16については入出力用のパッド11、12を入力(入出力用のパッド7からの入力)とし、入出力用のパッド13、14をRF信号の出力とするアップコンバータの動作であるが、同じイメージキャンセルミキサで、ハイブリッド15、16については入出力用のパッド13、14をRF信号の入力とし、入出力用のパッド11、12をその出力とし、ミキサ回路については入力用のパッド1をLO信号の入力とし、入出力用のパッド7は入力(入出力用のパッド11、12からの入力)とし、入出力用のパッド9、9’をIF信号の出力とすることでダウンコンバータとしての動作が可能である。
The operation of the image cancel mixer described above is as follows. For the mixer circuit, the
(実施の形態2)
図4は本発明のイメージキャンセルミキサの他の実施の形態を示す図である。本例では、1つのハイブリッド回路に対しミキサを1つ設けるように構成したものである。本実施の形態2の場合の利点はチップ内ボンディングでミキサとハイブリッドを接続する手間がなくなることと、ミキサを共通化した実施の形態1の場合に比べミキサの周波数帯域を狭くできるので、実施の形態1より効率の良いミキサを構成できることにある。本実施の形態2の場合、実施の形態1に比べチップ面積が大きくなるが、その割合は2割程度に抑えられるので、価格よりも性能を重視する場合、実施の形態2の方法をとることが可能である。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a diagram showing another embodiment of the image cancellation mixer of the present invention. In this example, one mixer is provided for one hybrid circuit. The advantage of the second embodiment is that there is no need to connect the mixer and the hybrid by in-chip bonding, and the frequency band of the mixer can be made narrower than in the first embodiment in which the mixer is shared. It is to be able to configure a mixer that is more efficient than the first mode. In the case of the second embodiment, the chip area is larger than that in the first embodiment, but the ratio is suppressed to about 20%. Therefore, when the performance is more important than the price, the method of the second embodiment is adopted. Is possible.
1,51はLO信号を入力する入出力用のパッド、2,52,4,54,6,56,10,60はキャパシタ、3,53はパッド、5,55は非線形素子としてのアンチパラレルダイオード、8,58はマイクロストリップライン、9、59、9’,59’はIF信号を入出力する入出力用のパッド、13,14はRF信号を入出力する入出力用のパッド、15,16は3dBハイブリッド、そして17,18は3dBハイブリッドの4つの入出力ポートの内の1入出力ポートに接続したハイブリッドの終端抵抗、19はグラウンドである。 1, 51 are input / output pads for inputting an LO signal, 2, 52, 4, 54, 6, 56, 10, 60 are capacitors, 3, 53 are pads, and 5, 55 are anti-parallel diodes as nonlinear elements. 8, 58 are microstrip lines, 9, 59, 9 ′, 59 ′ are I / O pads for inputting / outputting IF signals, 13, 14 are I / O pads for inputting / outputting RF signals, and 15, 16 Is a 3 dB hybrid, 17 and 18 are termination resistors of the hybrid connected to one of the 4 I / O ports of the 3 dB hybrid, and 19 is a ground.
本実施の形態2のイメージキャンセルミキサは、1〜6、8、10で構成される第1の一対のミキサ回路(第1のミキサ)と所定の周波数帯域(例えばf0〜2×f0)のハイブリッド16、及び、51〜56、58、60で構成される第2の一対のミキサ回路(第2のミキサ)と所定の周波数帯域(例えば2×f0〜4×f0)のハイブリッド15により構成されている。ここで第1及び第2のミキサは、それぞれの周波数で良好な特性が得られるように各キャパシタの値及びマイクロストリップラインの長さと幅を選択してある。 The image cancellation mixer according to the second embodiment is a hybrid of a first pair of mixer circuits (first mixer) composed of 1 to 6, 8, and 10 and a predetermined frequency band (for example, f0 to 2 × f0). 16 and 51 to 56, 58, 60, and a second pair of mixer circuits (second mixer) and a hybrid 15 of a predetermined frequency band (for example, 2 × f0 to 4 × f0). Yes. Here, in the first and second mixers, the value of each capacitor and the length and width of the microstrip line are selected so that good characteristics can be obtained at the respective frequencies.
本実施の形態2では、ハイブリッドはチップの略外周を取り囲むようにコの字状の3dBハイブリッド15と直線状の3dBハイブリッド16とがそれぞれの終端抵抗17及び18、入出力用のパッド13及び14がそれぞれ接近する方向に配置されている。第1のミキサは、キャパシタ10と入出力用のパッド9、9’を除いて、3dBハイブリッド16と3dBハイブリッド15で囲まれた領域に配置され、そのミキサの出力ポートとなるキャパシタ6の電極が3dBハイブリッド16の入出力用のパッドに接続されている。また、第2のミキサはキャパシタ60、マイクロストリップライン58と入出力用のパッド59、59’を除いて、3dBハイブリッド16と3dBハイブリッド15で囲まれた領域に配置され、そのミキサ回路の出力ポートとなるキャパシタ56の電極が3dBハイブリッド16の入出力ポートに接続されている。
In the second embodiment, the U-shaped 3
本実施の形態2では、第1及び第2のミキサのそれぞれの1つの入力用のパッド1、51と、それぞれの2つの入出力用のパッド9,9’、59,59’についてボンディングワイヤ等による外部回路等との選択的な接続を行うことにより、使用周波数が異なっても1種類のMMICで対応することが可能となる。
In the second embodiment, one
(他の実施の形態)
以上の実施の形態ではイメージキャンセルミキサの非線形素子としてダイオードを逆並列接続したアンチパラレルダイオードを使用して構成する例を示したが、アンチパラレルダイオードに代えて単一のダイオードを使用するシングルダイオードを用い、基本波ミキサとしても構成することが可能である。
(Other embodiments)
In the above embodiment, an example in which an anti-parallel diode in which a diode is connected in antiparallel is used as a nonlinear element of an image cancel mixer has been described. However, a single diode that uses a single diode instead of an anti-parallel diode is used. It can also be configured as a fundamental mixer.
また、前述の実施の形態1、2においてハイブリッドの配置数としては、3つ以上とすることにより更なる広帯域化を行うことが可能であり、また、ハイブリッド構成としては、マイクロ波信号、ミリ波信号を結合する複数の導体よりなる結合線路に4つの入出力ポートが接続されたランゲカプラを使用すると好適である。 In the first and second embodiments described above, the number of hybrids can be increased to 3 or more by setting the number of hybrids to three or more. As a hybrid configuration, microwave signals, millimeter waves can be used. It is preferable to use a Lange coupler in which four input / output ports are connected to a coupled line composed of a plurality of conductors for coupling signals.
更に、実施の形態2ではハイブリッドとミキサとを同数とする例を示したが、ミキサの個数をハイブリッドの個数より少ない数としてミキサとハイブリッドの接続を実施の形態1と同様に選択的な接続を可能に構成できることは明らかである。 Further, in the second embodiment, an example in which the number of hybrids and mixers is the same is shown. However, the number of mixers is smaller than the number of hybrids, and the connection between the mixers and hybrids is selectively connected as in the first embodiment. It is obvious that it can be configured.
1 LO信号の入力用のパッド
2、4、6、10 キャパシタ
3 ボンディングパッド
7、11、12 入出力用のパッド
5 アンチパラレルダイオード
8 マイクロストリップライン
9 IF信号の入出力用のパッド
13、14 RF信号の入出力用のパッド
15、16 3dBハイブリッド
17、18 ハイブリッドの終端抵抗
19 グラウンド
1 LO
Claims (9)
同一チップ上に周波数帯域の異なる複数のハイブリッドを有することを特徴とするイメージキャンセルミキサ。 In the MMIC image cancellation mixer in the microwave band and the millimeter wave band,
An image cancel mixer comprising a plurality of hybrids having different frequency bands on the same chip.
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