JP2006345009A

JP2006345009A - 周波数逓倍器、信号発生器及び送受信回路

Info

Publication number: JP2006345009A
Application number: JP2005153940A
Authority: JP
Inventors: Norio Umemura; 典生梅村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】入力信号の基本波を奇数倍の周波数に変換し、出力振幅の安定化及びスプリアス特性の向上を図ることができる広帯域周波数逓倍器を提供する。
【解決手段】基本波信号と偶数倍波信号を含む入力信号を分配する信号分配器１と、信号分配器１で分配された一方の信号から偶数倍波信号の周波数成分の信号を抽出する第一の帯域通過形フィルタ２と、信号分配器１で分配された他方の信号から基本波信号の周波数成分の信号を抽出する低域通過形フィルタ３と、第一の帯域通過形フィルタ２で抽出された信号と低域通過形フィルタ３で抽出された信号を乗算して、基本波信号の奇数倍の周波数成分信号を出力する乗算器４と、乗算器４から出力される基本波信号の奇数倍の周波数成分信号を通過させる第二の帯域通過形フィルタ５とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、マイクロ波無線通信及び衛星通信における送信機または受信機の周波数変換器の局部発振回路に用いられる周波数逓倍器に係わり、特に入力信号の周波数を奇数倍に逓倍する周波数逓倍器に関する。また、この周波数逓倍器を用いたＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）システム等の局部発振回路に用いられる信号発生器に関する。また、この信号発生器を用いた送受信回路に関する。

入力信号を２倍に逓倍する従来の周波数逓倍器としては、例えば、特許文献１（特開平５−２７５９２８号公報）に示された広帯域周波数ダブラがある。特許文献１に示された広帯域周波数ダブラは、固定発振器の出力をローカル信号とし、入力周波数を第１のミクサ（乗算器）でローカル信号とミキシングし、該ミクサの出力を２分して、その一方は（ローカル周波数＋入力周波数）の周波数を通過させる第１のフィルタを通し、他方は（ローカル周波数−入力周波数）の周波数を通過させる第２のフィルタを通して、これら第１及び第２のフィルタの２つの出力信号を、それぞれ第２のミクサのローカルポート及びＲｆポートに入力し、該第２のミクサの出力として入力周波数の２倍の周波数を得るように構成されている。

特開平５−２７５９２８号公報（図１、段落０００７）

ミクサ（乗算器）を用いた従来の周波数逓倍器は、入力した信号の２倍の周波数を取り出す構成であり、奇数倍の周波数は得られない。入力した信号の奇数倍の周波数を得るためには、能動素子の非線形性を利用して高調波を発生させ、奇数倍波をフィルタにて取り出す方式が用いられている。その際、能動素子からは基本波と、基本波の２倍、３倍、４倍・・・・の周波数成分の信号が発生する。奇数倍の周波数の信号を選択する際、偶数倍波の信号（２倍、４倍・・・）を抑圧するためのフィルタが必要である。

例えば、３倍波の信号を取り出す場合、３倍波の信号は通過させ、２倍波及び４倍波の信号を抑圧する特性を有した帯域フィルタが必要である。しかし、周波数帯域を広くすると、偶数倍（２倍、４倍）波の信号も一部通過することになり、２倍波、４倍波がスプリアス（spurious：規定の周波数帯域以外の周波数成分）となり、スプリアスを十分抑圧できず、出力レベルも周波数により大きく異なるので、広帯域化が困難である。また、従来では、周波数逓倍器に入力信号として方形波信号または高調波の信号を入力する場合、入力側に基本波以外を抑圧させる帯域フィルタを挿入する必要がある。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、入力信号の基本波周波数を奇数倍の周波数に変換し、出力振幅の安定化及びスプリアス特性の向上を図ることができる周波数逓倍器及びこれを用いた信号発生器、送受信回路を提供することを目的とする。

この発明に係る周波数逓倍器は、基本波信号と偶数倍波信号を含む入力信号を分配する信号分配器と、上記信号分配器で分配された一方の信号から偶数倍波信号の周波数成分の信号を抽出する第一の帯域通過形フィルタと、上記信号分配器で分配された他方の信号から上記基本波信号の周波数成分の信号を抽出する低域通過形フィルタと、上記第一の帯域通過形フィルタで抽出された信号と上記低域通過形フィルタで抽出された信号を乗算して、上記基本波信号の奇数倍の周波数成分信号を出力する乗算器と、上記乗算器から出力される上記基本波信号の奇数倍の周波数成分信号を通過させる第二の帯域通過形フィルタとを備えたものである。

この発明に係る信号発生器は、上記の周波数逓倍器と、この周波数逓倍器の出力信号の周波数を２分の１に分周し出力する分周器と、この分周信号を入力とし同相成分と逆相成分の２信号を出力する１８０°分配器とを備えたものである。

この発明に係る送受信回路は、源発振器から出力された源信号を入力とし同相及び逆相の２局部発信信号を出力する上記の信号発生器と、変調信号を生成する変調器、この変調信号と上記信号発生器からの同相信号を乗算しＲＦ送信信号を出力するミキサを有する送信系と、ＲＦ受信信号と上記信号発生器からの逆相信号を乗算しＩＦ受信信号を出力するミキサ、このＩＦ受信信号から復調信号を復調する復調器を有する受信系とを備えたものである。

本発明の周波数逓倍器によれば、入力信号の基本波周波数を奇数倍の周波数に変換し、出力振幅の安定化及びスプリアス特性の向上を図ることができる周波数逓倍器を実現できる。

本発明の信号発生器によれば、入力信号の基本波周波数を奇数倍の周波数に変換し生成する周波数逓倍器を用いているので、出力振幅の安定化及びスプリアス特性の向上を図ることができる信号発生器を実現できる。

本発明の送受信回路によれば、入力信号の基本波周波数を奇数倍の周波数に変換し生成する周波数逓倍器を用い、同相・逆相の局部発信信号を生成する局部発信回路を構成しているので、送信系と受信系のアイソレーションを十分に確保できる送受信回路を実現できる。

実施の形態１．
以下、図面に基づいて本発明の一実施の形態である周波数逓倍器について、実施例を用いて説明する。なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当のものを表す。

実施例１．
図１は、実施の形態１の実施例１による周波数逓倍器の構成を示すブロック図である。図において、１は入力信号を２分配する信号分配器（ＨＹＢ：ＨＹＢＲＩＤの略）、２は信号分配器（ＨＹＢ）により分配された信号の偶数倍の周波数成分を通過させる第一の帯域通過形フィルタ、３は信号分配器（ＨＹＢ）により分配された信号の基本波の周波数成分ｆｉｎを通過させる低域通過形フィルタである。また、４は帯域通過形フィルタ２と低域通過形フィルタ３を通過した信号を乗算する乗算器、５は奇数倍の周波数を通過させる第二の帯域通過形フィルタである。ここで、入力信号は、方形波または基本波の他に偶数次の高調波を含む信号とする。

次に動作について説明する。まず、入力した入力信号ｆｉｎを信号分配器１によって２つの信号に分配する。そして、分配された一方の信号は、第一の帯域通過形フィルタ２に入力し、第一の帯域通過形フィルタ２は、偶数倍（周波数２・ｎ・ｆｉｎ，ｎ＝１，２，３，・・・）の信号を抽出して出力する。また、分配された他方の信号は、低域通過形フィルタ３に入力し、低域通過形フィルタ３は、基本波（周波数ｆｉｎの成分）の信号を抽出して出力する。乗算器４には、第一の帯域通過形フィルタ２の出力信号（即ち、偶数次の周波数成分）及び低域通過形フィルタ３の出力信号（即ち、基本波の周波数成分）が入力され、乗算器４に入力されされた２つの信号を乗算する。

乗算器４の出力信号は、
２ｎｆｉｎ＋ｆｉｎ＝（２ｎ＋１）ｆｉｎと
２ｎｆｉｎ−ｆｉｎ＝（２ｎ−１）ｆｉｎ
の２つの奇数倍波の周波数成分が得られる。この信号を奇数倍波を通過させる第二の帯域通過形フィルタ５に通過させることにより奇数倍波（２ｎ＋１）ｆｉｎ信号を合成できる。

なお、図１は、ｎ＝１の場合を示しており、乗算器４の出力は、
２ｆｉｎ＋ｆｉｎ＝３ｆｉｎと
２ｆｉｎ−ｆｉｎ＝１ｆｉｎ
の２つの奇数倍波の周波数成分が得られる。この信号を奇数倍波を通過させる第二の帯域通過形フィルタ５に通過させることにより奇数倍波３ｆｉｎ信号を合成できる。

本実施例による周波数逓倍器の場合、入力信号に含まれる基本波と偶数次周波数成分の信号をそれぞれフィルタにて抽出して合成することにより、奇数倍波の信号を得ることができる。乗算器４から出力される信号の周波数は、理論的には偶数次の周波数は存在しないため、広帯域で、かつ帯域フィルタの減衰量が多く得られ、スプリアス特性が向上する。例えば、ｎ＝１の場合、２倍波と４倍波は存在せず、第二の帯域フィルタ５が抑圧するのは、基本波と５倍波になる。従って、偶数波が存在しないため、使用帯域が広く取れる。また、第二の帯域フィルタ５は、基本波と５倍波を抑圧すればよく、基本波と５倍波は第二の帯域フィルタ５の中心周波数から離れるので、減衰量を多く取ることができ、スプリアス特性が向上する。

なお、能動素子を用いた従来方式では、入力信号として方形波信号を直接入力すると、不要波の出力レベルが高くなるため、入力側にフィルタを挿入して不要波を抑圧する必要があった。しかし、本実施の形態では、基本波周波数成分と基本波の偶数倍周波数成分の信号を乗算器にて乗算することにより、基本波の奇数倍の周波数成分の信号を合成している。従って、本実施例では、基本波、偶数倍及び奇数倍の周波数成分の信号を含んでいる方形波信号を入力信号として直接入力することができる。

以上説明したように、本実施例による周波数逓倍器は、基本波信号と偶数倍波信号を含む入力信号を分配する信号分配器１と、該信号分配器１で分配された一方の信号から偶数倍波信号の周波数成分の信号を抽出する第一の帯域通過形フィルタ２と、該信号分配器１で分配された他方の信号から基本波信号の周波数成分の信号を抽出する低域通過形フィルタ３と、第一の帯域通過形フィルタ２で抽出された信号と低域通過形フィルタ３で抽出された信号を乗算して、基本波信号の奇数倍の周波数成分信号を出力する乗算器４と、乗算器４から出力される基本波信号の奇数倍の周波数成分信号を通過させる第二の帯域通過形フィルタ５とを備えている。これにより、入力信号の基本波周波数を奇数倍の周波数に変換できるとともに、出力振幅の安定化、及びスプリアス特性の向上を図ることができる。

実施例２．
図２は、実施の形態１の実施例２による周波数逓倍器の構成を示すブロック図であり、図１と同様に、ｎ＝１の場合を示している。本実施の形態による周波数逓倍器は、図１に示した実施の形態１による周波数逓倍器において、低域通過形フィルタ３と乗算器４の間に位相器６を挿入し、第一の帯域通過形フィルタ２で抽出され乗算器４に入力する偶数倍波信号の周波数成分の信号と低域通過形フィルタ３で抽出され乗算器４に入力する基本波信号の周波数成分の信号との間の位相を調整できるように構成している。

本実施例では、このような構成によって、乗算器４に入力する偶数倍波信号と基本波信号の位相を最適に調整することが可能となり、出力振幅の安定化及び乗算器４から漏れる偶数次周波数成分の低減が更に図れ、スプリアス性能を向上させることができる。なお、位相器６を、第一の帯域通過形フィルタ２と乗算器４の間に挿入しても、同様の効果を得ることは言うまでもない。

実施例３．
図３は、実施の形態１の実施例３による周波数逓倍器の構成を示すブロック図であり、図１と同様に、ｎ＝１の場合を示している。本実施の形態による周波数逓倍器は、図２に示した実施の形態２による周波数逓倍器において、信号分配器１の前段に波形整形器７を配置し、入力信号が正弦波のような基本波成分しかない信号の場合でも、波形整形器７によって入力信号の波形を方形波にするように構成したことを特徴とする。

本実施例では、この波形整形器７によって、基本波、偶数倍及び奇数倍の周波数成分の信号を含んでいる方形波信号を入力信号として得ることができるので、実施の形態２で説明した動作が可能となる。また、波形整形器７によって、振幅制限を行い波形を方形波にしているので、出力振幅及びスプリアス特性は、入力信号の振幅変動による影響を受けにくいという効果もある。

なお、上述の説明では、実施例２における周波数逓倍器において、信号分配器１の前段に波形整形器７を配置した場合について説明したが、実施の形態１における周波数逓倍器において、信号分配器１の前段に波形整形器７を配置してもよく、同様の効果を得ることは言うまでもない。

実施の形態２．
以下、図面に基づいて本発明の一実施の形態である信号発生器について、実施例を用いて説明する。なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当のものを表す。

実施例１．
図４は、実施の形態２の実施例１による信号発生器の構成を示すブロック図である。図において、２０は３逓倍器であり、内部構成は図１から図３のいずれの構成でも構わない。３逓倍器は入力信号周波数ｆｉｎの３倍周波数の３ｆｉｎの信号を出力する。２１は２分周器であり入力信号周波数の１／２倍の周波数（２倍周期）の信号を生成し出力する。２２は１８０°分配器（ＨＹＢ）であり、入力信号と同相及び逆相（同相成分に対し、１８０度位相が進んでいる）の２信号を出力する。３１は基本波成分を抽出し波形整形（例えば、矩形波を正弦波に整形）するための帯域通過型フィルタである。

この構成の信号発生器により、入力信号周波数の３／２倍の周波数を有する同相及び逆相の２信号を生成することができる。このような信号発生器は、例えばＲＦＩＤリーダ・ライタ等の送受信回路の局部信号発生器への適用がある。本発明の信号発生器は、入力信号の基本波周波数を奇数倍の周波数に変換し、出力振幅の安定化及びスプリアス特性の向上を図ることができる周波数逓倍器を用いて構成されているので、出力信号の純度が向上するとともに、低スプリアス化が可能となる。

なお、上記説明では、３逓倍器２０と２分周器２１との組み合わせを取り上げたが、（２ｎ＋１）逓倍器と２^ｍ分周器（２分周器をｍ台直列に接続して構成）との組み合わせ（ｎ、ｍ＝１，２，３・・・）により、入力信号周波数の（２ｎ＋１）／２^ｍ倍の周波数を有する同相及び逆相の２信号を生成することもできる。

実施例２．
図５は、他の信号発生器の構成を示すブロック図である。図において、図４における２分周器２１、１８０°分配器２２の代わりに、フリップ・フロップ２３を用いて２分周及び同相／逆相信号を生成している。フリップ・フロップの出力Ｑと反転出力Ｑを使用することで１８０°位相差の２信号が得ることができる。図５の構成においては、２分周器と１８０°分配器をフリップ・フロップ１台に集約できるので、部品数を削減できる。また、デジタル素子であるフリップ・フロップにて構成できるため、ＩＣ化および無調整化が可能になる。

なお、上記説明では、３逓倍器とフリップ・フロップ１台の組み合わせを取り上げたが、（２ｎ＋１）逓倍器とフリップ・フロップｍ台（フリップ・フロップをｍ台直列に接続して構成）との組み合わせ（ｎ、ｍ＝１，２，３・・・）により、入力信号周波数の（２ｎ＋１）／２^ｍ倍の周波数を有する同相及び逆相の２信号を生成することもできる。

実施の形態３．
以下、図面に基づいて本発明の一実施の形態である送受信回路について、実施例を用いて説明する。なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当のものを表す。

実施例１．
図６は、実施の形態３の実施例１による送受信回路の構成を示すブロック図である。図において、３２は信号発生器１００の入力信号となる源信号を発生する源発振器である。図では、源信号として、水晶発振器からの種信号を３逓倍し、シンセサイザにより安定化した信号を用いている。１００は図４または図５のいずれかの構成を有する信号発生器である。３１は基本波成分を抽出し波形整形するための帯域通過型フィルタであり、同相及び逆相の局部発振信号Ｌｏ１、Ｌｏ２を生成する。

４１は中間周波段で変調信号を生成する変調器である。４２は同相の局部発振信号Ｌｏ１と上記変調信号とを乗算しＲＦ送信信号を生成するミキサである。ＲＦ送信信号は帯域通過型フィルタ４３を経由し、電力増幅器である送信増幅器４４により所定の電力まで増幅された後、サーキュレータ４５を経由してアンテナ４６から送信される。アンテナ４６で受信したＲＦ受信信号はサーキュレータ４５を経由し、低雑音増幅器である受信増幅器４７で所定のレベルまで増幅され、帯域通過型フィルタ４８により帯域制限される。４９は逆相の局部発振信号Ｌｏ２と上記ＲＦ受信信号とを乗算しＩＦ受信信号を生成するミキサである。このＩＦ受信信号は復調器５１で復調され、復調信号が生成される。

この構成の送受信回路では、源信号周波数の３／２倍の周波数でかつ１８０°位相差を有する同相及び逆相の２つの局部発信信号を生成することができる。このような送受信回路は、例えばＩＣタグとの間でタグ情報の送受を行うＲＦＩＤリーダ・ライタ等への適用がある。ＲＦＩＤのような送信−受信が同一周波数のシステムでは、局部発振器に基本波を使用すると送信系から受信系への各回路間に漏れこみがあると、復調出力に影響をあたえるため、局部発信信号の周波数を基本波の３/２倍（奇数/偶数）等に選ぶのが望ましい。特に、システムの高密度実装、ＩＣ化においては、回路内のアイソレーションが確保できないため有利となる。本発明の送受信回路は、入力信号の基本波周波数を奇数倍の周波数に変換し、出力振幅の安定化及びスプリアス特性の向上を図ることができる周波数逓倍器を用いて同相及び逆相の２つの局部発信信号を生成するよう構成されているので、ＲＦ送信信号、ＩＦ受信信号の純度が向上するとともに、低スプリアス化が可能となる。

なお、上記説明では、局部信号発生手段として、３逓倍器と２分周期との組み合わせによる信号発生器を取り上げたが、（２ｎ＋１）逓倍器と２^ｍ分周器（２分周器をｍ台直列に接続して構成）との組み合わせ（ｎ、ｍ＝１，２，３・・・）により、入力信号周波数の（２ｎ＋１）／２^ｍ倍の周波数を有する同相及び逆相の２つの局部発信信号を生成することもできる。また、上記説明では、送受分離のためにサーキュレータ４５を用いたが、スイッチ回路、アンテナ共有器を用いても構わない。また、アンテナ４６を送受共用としたが、別個のアンテナを用いても構わない。

この発明は、入力信号の基本波周波数を奇数倍の周波数に変換し、出力振幅の安定化及びスプリアス特性の向上を図ることができる周波数逓倍器及びこれを用いた信号発生器、送受信回路の実現に有用である。

実施の形態１の実施例１による周波数逓倍器の構成を示すブロック図である。実施の形態１の実施例２による周波数逓倍器の構成を示すブロック図である。実施の形態１の実施例３による周波数逓倍器の構成を示すブロック図である。実施の形態２の実施例１による信号発生器の構成を示すブロック図である。実施の形態２の実施例２による他の信号発生器の構成を示すブロック図である。実施の形態３の実施例１による送受信回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１信号分配器、２第一の帯域通過形フィルタ、３低域通過形フィルタ、４乗算器、５第二の帯域通過形フィルタ、６位相器、７波形整形器、１０周波数逓倍器、２０３逓倍器、２１２分周器、２２１８０°分配器、２３フリップ・フロップ、３１帯域通過形フィルタ、３２発振器、４１変調器、４２，４９ミキサ、４３，４８帯域通過型フィルタ、４４送信増幅器、４５サーキュレータ、４６アンテナ、４７受信増幅器、５１復調器、１００信号発生器。

Claims

基本波信号と偶数倍波信号を含む入力信号を分配する信号分配器と、上記信号分配器で分配された一方の信号から偶数倍波信号の周波数成分の信号を抽出する第一の帯域通過形フィルタと、上記信号分配器で分配された他方の信号から上記基本波信号の周波数成分の信号を抽出する低域通過形フィルタと、上記第一の帯域通過形フィルタで抽出された信号と上記低域通過形フィルタで抽出された信号を乗算して、上記基本波信号の奇数倍の周波数成分信号を出力する乗算器と、上記乗算器から出力される上記基本波信号の奇数倍の周波数成分信号を通過させる第二の帯域通過形フィルタとを備えたことを特徴とする周波数逓倍器。
上記第一の帯域通過形フィルタと上記乗算器の間、あるいは上記低域通過形フィルタと上記乗算器の間のいずれかに位相器を挿入し、上記偶数倍波信号の周波数成分の信号と上記基本波信号の周波数成分の信号の間の位相調整を可能としたことを特徴する請求項１に記載の周波数逓倍器。
上記信号分配器の前段に入力信号の振幅を制限する波形整形器を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の周波数逓倍器。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の周波数逓倍器と、この周波数逓倍器の出力信号の周波数を２分の１に分周し出力する分周器と、この分周信号を入力とし同相成分と逆相成分の２信号を出力する１８０°分配器とを備えたことを特徴とする信号発生器。
上記分周器と１８０°分配器の代わりに、フリップ・フロップを用いて上記周波数逓倍器の出力信号の周波数を２分の１に分周し、この分周信号の同相成分と逆相成分の２信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の信号発生器。
源発振器から出力された源信号を入力とし同相及び逆相の２局部発信信号を出力する請求項４または５に記載の信号発生器と、変調信号を生成する変調器、この変調信号と上記信号発生器からの同相信号を乗算しＲＦ送信信号を出力するミキサを有する送信系と、ＲＦ受信信号と上記信号発生器からの逆相信号を乗算しＩＦ受信信号を出力するミキサ、このＩＦ受信信号から復調信号を復調する復調器を有する受信系とを備えたことを特徴とする送受信回路。