JP2010057099A - 高周波送受信回路 - Google Patents

Abstract

【課題】回路網の小型化を図ると共に、第１ダイオード出力と第２ダイオード出力の結合・配線を分布定数回路と同一面において行うことができ、またダイオード端又は入出力端が不整合となった場合でも、入出力端又はダイオード端の整合の劣化を少なくする。
【解決手段】送受信回路１０を、λ／４線路２１ｐの８個分の長さを有する環状線路２１と、この環状線路２１に設けられた２つの入出力ポート２，３と、この入出力ポート２，３のそれぞれから信号を入力したとき、両信号が出力される環状線路２１の２つのポート１，４に配置された第１ダイオード１７及び第２ダイオード１８と、上記環状線路２１に入力した２つの信号のいずれか一方の信号が出力されるポート５，６に配置された終端回路２２ａ，２２ｂとから構成し、上記２つの入出力ポート２，３を介して信号を送受信すると共に、シングルバランスドミキサとして機能させる。
【選択図】図１

Description

本発明は高周波送受信回路、特に高周波帯にて使用されるセンサやレーダ等の送受信器に使用され、信号の送受信とミキシングを行う回路の構成に関する。

一般的に、マイクロ波帯又はミリ波帯で用いられるセンサやレーダシステム等では、高周波送受信回路が使用されており、この高周波送受信回路においては、アンテナを用いて信号の送受信を行うと共に、例えばシングルバランスドミキサを用いたミキシングが行われる。

図８には、従来の高周波送受信回路の構成が示されており、図示の送受信回路１０は、発振器１２とアンテナ１３との間に配置され、この送受信回路１０内には、２つウィルキンソン型電力分配器１４ａ，１４ｂと、これら電力分配器１４ａ，１４ｂに挟まれるように、シングルバランスドミキサ（ラットレースミキサ）１５が配置される。このシングルバランスドミキサ１５は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）からなる第１ダイオード（Ｄx1）１７及び第２ダイオード（Ｄx2）１８、λ／４波長線６個分の長さの１．５λ線（Ｚ≒√２×Ｚ_０、Ｚ_０：システムの特性インピーダンス）からなるラットレース線路１９を有してなり、このラットレース線路１９において、第１ポートａに局発信号（ＬＯ信号）、第３ポートｃに受信信号（ＲＦ信号）を供給し、第２ポートｂに第１ダイオード１７、第４ポートｄに第２ダイオード１８を接続し、この第１ダイオード１７と第２ダイオード１８にＩＦ出力端を接続するように構成される。

このような高周波送受信回路の構成によれば、発振器１２からの信号がウィルキンソン型電力分配器１４ａにて送信用信号と受信用シングルバランスドミキサの局発信号に２分され、上記送信用信号は更にウィルキンソン型電力分配器１４ｂを通過してアンテナ１３から送信される。この送信された信号は、目標物等により反射されて受信信号（ＲＦ信号）となり、上記アンテナ１３からウィルキンソン型電力分配器１４ｂを経由してシングルバランスドミキサ１５へ入力される。そして、このシングルバランスドミキサ１５では、上記局発信号（ＬＯ信号）と受信信号がミキシングされ、その周波数差成分である中間周波数のＩＦ信号が第１ダイオード１７及び第２ダイオード１８から出力される。

図９には、図８の回路の各点における電力レベルと位相の関係が示されており、この図には、発振器１２からの信号を、Ａ∠θ_Ｌ（Ａ：振幅）、受信信号をＢ∠θ_Ｒ（Ｂ：振幅）とし、各部の信号を極座標表示にて示している。図９から理解されるように、発振器１２からの信号電力は振幅が１／４（−６ｄＢ）となって送信される。

また、２つの第１ダイオード（Ｄx1）１７及び第２ダイオード（Ｄx2）１８には、次式の位相の信号が入力される。
Ｄx1−ｉｎ：（Ａ／４）∠（θ_Ｌ−π）及び（Ｂ／４）∠（θ_Ｒ−π） … （１）
Ｄx2−ｉｎ：（Ａ／４）∠（θ_Ｌ−２π）及び（Ｂ／４）∠（θ_Ｒ−π） … （２）
即ち、上記Ｄx1−ｉｎに示されるように、第１ダイオード１７への入力、即ちラットレース線路１９の第２ポートｂからの出力において、局発信号と受信信号の位相差が０となり、また上記Ｄx2−ｉｎに示されるように、第２ダイオード１８への入力、即ちラットレース線路１９の第４ポートｄからの出力において、局発信号と受信信号の位相差がπとなることで、シングルバランスドミキサ１５として動作が確保される。
マイクロウェーブ技術 入門技術［基礎編］−ＣＱ出版、220頁、333〜370頁

ところで、図８の従来の送受信回路１０では、発振器１２からの信号を送信すると共に、この発振器１２からの局発信号と受信信号をミキシングする機能を有するが、受信のためのシングルバランスドミキサ以外に、発振器１２からの信号と局発信号及び受信信号を分配するためにウィルキンソン型電力分配器が２つ必要であり、回路規模が大きくなるという問題がある。また、高周波になるにつれて、シングルバランスドミキサ１５−ウィルキンソン型電力分配器１４ａ，１４ｂ間の接続伝送線路の損失が無視できなくなる。

図１０には、ある条件（周波数、基板誘電率等）における分布定数パターンが示されており、２つのウィルキンソン型電力分配器１４ａ，１４ｂの存在により全体が大きくなっている。従って、従来では、回路網の小型化が望まれている（第１課題）。

また、図８の送受信回路１０は、第１ダイオード１７のＤx1出力と第２ダイオード１８のＤx2出力を結合することで、シングルバランスドミキサとして動作するが、図１０のジャンパー部で示されるように、ウィルキンソン型電力分配器１４ｂとラットレース線路１９を結ぶ高周波線路に阻まれ、上記のＤx1出力とＤx2出力とを容易に結合することができない。これを解決する手法としては、ａ)多層基板化し、他の層の配線により結合したり、ｂ)空中配線にて結合したりするが、前者はコスト高となり、後者は機械的な信頼性がなく、高周波になるに従って伝送路間の相互干渉及び共振等が顕著となるし、配線による手間も生じるという問題がある。従って、Ｄx1出力とＤx2出力の結合・配線は、分布定数回路と同一面において行うことが求められる（第２課題）。

更に、従来の送受信回路１０では、第１ダイオード１７及び第２ダイオード１８の端部の不整合により、２つの入出力端（送受信端）の整合が劣化するという問題がある。
図１１には、ダイオード端に生じる不整合（反射損失）状態が示され、図１２には、図１１の状態での反射損失ＲＬ（Return Loss）が示されており、第１及び第２のダイオード（ＳＢＤ）１７，１８の入力インピーダンスが周囲温度の影響等により、特性インピーダンスに対し同様量の不整合となった場合、例えば図１１のように、反射損失ＲＬが約１０ｄＢのときには、図１２の実線に示されるように、送受信回路１０の２つの入出力端（ポートＬ及びポートＲ）のＲＬが約１６ｄＢとなり、不整合状態となる。従って、ダイオード（ＳＢＤ）端が不整合となった場合でも、２つの入出力端（ポートＲ，Ｌ）の整合劣化を少なくすることが要請される（第３課題）。

また、従来の送受信回路１０では、送受信回路の入出力端（ポートＬ及びポートＲ）の不整合により、第１ダイオード１７及び第２ダイオード１８の端部の整合が劣化するという問題がある。
図１３には、入出力端に生じる不整合状態が示され、図１４には、図１３の状態での反射損失ＲＬ（リターンロス）が示されており、２つの入出力端（ポートＬ及びポートＲ）から見た外部回路の入力インピーダンスが特性インピーダンスに対し不整合となった場合、例えば図１３のように、ＲＬが約１０ｄＢのときには、図１４に示されるように、第１ダイオード（Ｄx1）１７の端部のＲＬが約１４ｄＢ、第２ダイオード１８（Ｄx2）の端部のＲＬが約１７ｄＢとなり、不整合状態となる。従って、入出力端が不整合となった場合でも、第１ダイオード１７及び第２ダイオード１８の端部の整合劣化を少なくすることが要請される（第４課題）。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路網の小型化を図ると共に、第１ダイオード出力と第２ダイオード出力の結合・配線を分布定数回路と同一面において行うことができ、またダイオード端が不整合となった場合でも、２つの入出力端の整合の劣化を少なくし、逆に入出力端が不整合となった場合でも、２つのダイオード端の整合の劣化を少なくすることができる高周波送受信回路を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る高周波送受信回路は、λ／４（λ：波長）線路８個分の長さを有し、インピーダンスが略特性インピーダンスＺ_０となる環状分布定数線路と、この環状分布定数線路に設けられた２つの入出力ポートと、この２つの入出力ポートのそれぞれから信号を入力したとき、これら両信号が出力される上記環状分布定数線路の２つのポートのそれぞれに配置された第１ダイオード及び第２ダイオードと、上記環状分布定数線路に入力された２つの信号のいずれか一方の信号が出力されるポートに配置された終端回路と、からなり、上記２つの入出力ポートを介して信号を送受信すると共に、シングルバランスドミキサとして機能することを特徴とする。
請求項２の発明は、上記第１及び第２ダイオードからそれぞれの出力信号を伝送するための伝送線路が、上記２つの入出力ポートとそれぞれの入出力部とを結ぶ伝送線路と交差しない配置として、それぞれの伝送線路を同一基板上に形成することを特徴とする。

本発明の構成によれば、λ／４線路（１／４波長線路）の８個分の長さの環状分布定数線路において、例えばλ／４線路単位で６つのポート１〜６が設けられ、この中のポート２と３を入出力ポートとしたとき、ポート１と４に、第１ダイオードと第２ダイオードを接続し、ポート５と６に終端回路を接続することにより、送受信回路が構成される。そして、発振器からの信号をポート２から入力し、ポート３から出力することで、従来の電力分配器を配置することなく、発振器からの送信信号をアンテナから送信することができ、また環状分布定数線路のポート２から発振器から局発信号を入力し、ポート３から受信信号を入力することで、シングルバランスドミキサとして機能させ、第１ダイオード及び第２ダイオードからＩＦ信号を得ることが可能になる。

本発明の高周波送受信回路によれば、従来の２つのウィルキンソン型電力分配器を不要にして、回路網の小型化が図られると共に、シングルバランスドミキサ−ウィルキンソン型電力分配器間において、高周波になるにつれて無視できなくなる接続伝送線路の損失をなくすことができる。また、第１ダイオード出力と第２ダイオード出力の結合のための配線を分布定数回路と同一面において行うことが可能となり、低コスト化、回路形成の容易化を図ることができる。更に、ダイオード端が不整合となった場合でも、２つの入出力端の整合の劣化が少なくなり、逆に入出力端が不整合となった場合でも、２つのダイオード端の整合の劣化が少なくなり、安定した動作が確保できるという効果がある。

図１には、本発明の実施例に係る高周波送受信回路の構成が示されており、図１に示されるように、送受信回路２０は発振器１２とアンテナ１３との間に配置される。この送受信回路２０には、λ／４（λ：波長）線路２１ｐの８個分を環状に配置してなり、インピーダンスＺがほぼ特性インピーダンスＺ_０（Ｚ≒Ｚ_０）となる環状線路（環状分布定数線路）２１が設けられており、この環状線路２１のλ／４線路（１／４波長線路）２１ｐの単位（間隔）で、ポート１〜６が配置される。

この環状線路２１において、ポート２，３が入出力ポートとして用いられ、ポート２に発振器１２が接続され、ポート３にアンテナ１３が接続される。また、ポート１に、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の第１ダイオード（Ｄx1）１７が接続され、ポート４に、ショットキーバリアダイオードの第２ダイオード（Ｄx2）１８が接続され、ポート５に終端回路２２ａ、ポート６に終端回路２２ｂが接続される。従って、実施例の送受信回路２０では、入出力ポート２は送信信号の入力ポートであると共に、局発信号（ＬＯ信号）の入力ポートとなり、入出力ポート３は送信信号の出力ポートであると共に、受信信号の入力ポートとなる。

即ち、λ／４線路２１ｐの８個分の長さとされた環状線路２１では、入出力ポート２から信号を入力したとき（黒矢印）、この信号がポート１，３，４，６に現れ、入出力ポート３から信号を入力したとき（白矢印）、この信号がポート１，２，４，５に現れることになり、ポート１と４に、入出力ポート２，３から入力された両方の信号が現れる。そこで、このポート１と４に、第１ダイオード１７と第２ダイオード１８を接続し、入出力ポート３からの信号（白矢印）のみが現れるポート５と、入出力ポート２からの信号（黒矢印）のみが現れるポート６には、特性インピーダンスの整合を図るための終端回路２２ａと２２ｂを接続するようにしたものである。

このような構成の送受信回路２０では、発振器１２から出力された信号を、入出力ポート２から環状線路２１に入力し、１個のλ／４線路２１ｐを介して入出力ポート３から出力することで、１個のλ／４線路２１ｐが発振器１２から出力された送信信号をアンテナ１３から外部へ送信する線路としての役目をする。

また、送受信回路２０は、入出力ポート２から入力した局発信号と入出力ポート３から入力した受信信号からＩＦ信号を出力するシングルバランスドミキサとしての役目をしており、このことを図２により説明する。図２には、発振器１２からの信号を、Ａ∠（θ_Ｌ−（π／２））［Ａ：振幅］、受信信号をＢ∠θ_Ｒ（Ｂ：振幅）とし、各部の信号を極座標表示にて示しており、この図２から理解されるように、発振器１２からの信号電力は、振幅が１／４（−６ｄＢ）となってアンテナ１３から送信される。

また、２つの第１ダイオード（Ｄx1）１７及び第２ダイオード（Ｄx2）１８には、次式の位相の信号が入力される。
Ｄx1−ｉｎ：（Ａ／４）∠（θ_Ｌ−π）及び（Ｂ／４）∠（θ_Ｒ−π） … （１）
Ｄx2−ｉｎ：（Ａ／４）∠（θ_Ｌ＋（π／２））
及び（Ｂ／４）∠（θ_Ｒ−（π／２）） … （２）
即ち、上記Ｄx1−ｉｎに示されるように、第１ダイオード１７への入力、即ち環状線路２１のポート１からの出力において、局発信号（ＬＯ信号）と受信信号（ＲＦ信号）の位相差が０となり、また上記Ｄx2−ｉｎに示されるように、第２ダイオード１８への入力、即ち環状線路２１のポート４からの出力において、局発信号と受信信号の位相差がπとなっており、これによって、送受信回路２０はシングルバランスドミキサとして機能することになる。

実施例は以上の構成からなり、図１の高周波送受信回路では、発振器１２から出力された信号を、入出力ポート２から環状線路２１に入力すると、この信号は１個のλ／４線路２１ｐを通って入出力ポート３から出力され、送信信号としてアンテナ１３から外部へ送信される。一方、上記アンテナ１３で受信した受信信号は、入出力ポート３から環状線路２１に入力されており、上記入出力ポート２から入力された局発（ＬＯ）信号と受信（ＲＦ）信号とのミキシングによってＩＦ信号が第１ダイオード１７と第２ダイオード１８から出力される。

図３には、実施例において、ある条件（周波数、基板誘電率等）における分布定数パターンが示されており、実施例の構成によれば、８個分のλ／４波長線からなる環状線路（Ｚ≒Ｚ_０）２１、２個の第１及び第２のダイオード１７，１８及び２個の高周波終端回路２２ａ，２２ｂから構成されるので、従来回路で使用していた２個のウィルキンソン型電力分配器が不要となり、回路規模を小さくすることができる。しかも、従来（図１０）のように、シングルバランスドミキサとウィルキンソン型電力分配器間の接続伝送線路が存在しないため、信号の損失が最低限となり、高周波回路として優れたものとなる。

また、従来回路において、第１ダイオード（Ｄx1）１７の出力と第２ダイオード（Ｄx2）の出力を結合するには、多層基板化して配線したり、空中配線にて結合したりしていたが、実施例では、図３に示されるように、分布定数回路と同一面での配線が実現できる。従って、配線の手間が省かれて低コスト化が図られ、伝送路間の相互干渉及び共振等も低減して信頼性が向上するという利点がある。

図４には、ダイオード端に生じる不整合状態が示され、図５には、図４の状態での反射損失ＲＬ（リターンロス）が示されており、第１及び第２のダイオード（ＳＢＤ）１７，１８の入力インピーダンスが周囲温度の影響等により、特性インピーダンスに対し同様量の不整合となった場合、例えば図４のように、反射損失ＲＬが約１０ｄＢのときには、図５の実線のＲＬに示されるように、送受信回路１０の２つの入出力端（ポートＬ及びポートＲ）では２個のダイオード端の不整合による影響は殆ど現れていない。従って、２つの入出力端（ポートＬ及びポートＲ）の整合は良好であり、安定した送受信回路が実現されている。

図６には、入出力端に生じる不整合状態が示され、図７には、図６の状態での反射損失ＲＬが示されており、２つの入出力端（ポートＬ及びポートＲ）から見た外部回路の入力インピーダンスが特性インピーダンスに対し不整合となり、例えば図６のように、ＲＬが約１０ｄＢのときには、図７の実線のＲＬに示されるように、第１ダイオード（Ｄx1）１７の端部及び第２ダイオード１８（Ｄx2）の端部では、２つの入出力端の不整合の影響は殆ど現れていない。従って、第１ダイオード１７及び第２ダイオード１８の端部の整合は良好であり、安定した送受信回路が実現されている。

即ち、実施例では、図２に示されるように、環状線路２１のポート２について考えると、ポート２−ポート１（第１ダイオード１７）間の往復で、π（λ／２）の位相がずれ、ポート２−ポート４（第２ダイオード１８）間の往復で、２π（λ）の位相がずれ、その差がπとなる関係、即ちインピーダンスがずれた場合でも、反射波が位相相殺される関係に各ポートが置かれている。一方、ポート３については、ポート３−ポート１間の往復で、２π（λ）の位相がずれ、ポート３−ポート４間の往復で、π（λ／２）の位相がずれ、その差がπとなり、このような関係によって、ダイオード端又は入出力端の不整合でインピーダンスがずれた場合でも、反射波が位相相殺され、不整合が解消された状態となる。

なお、上記実施例では、ポート２，３を入出力ポートとし、ポート１，４にダイオードを接続するようにしたが、この構成に限らず、入出力ポートから入力した２つの信号が共に出力される２つのポートにダイオードを接続するという関係を維持するようにして、他の組合せのポート構成を採用することが可能である。

本発明の実施例に係る高周波送受信回路の構成を示す回路図である。 実施例の高周波送受信回路における送信・受信電力のレベル及び位相を示す図である。 実施例の高周波送受信回路の実際の分布定数パターンを示す図である。 実施例の高周波送受信回路のダイオード端に不整合状態が生じたときの状態を示す図である。 図４の不整合状態における入出力端での反射損失（ＲＬ：リターンロス）特性を示す図である。 実施例の高周波送受信回路の入出力端に不整合状態が生じたときの状態を示す図である。 図６の不整合状態におけるダイオード端での反射損失（ＲＬ）特性を示す図である。 従来の高周波送受信回路の構成を示す図である。 従来の高周波送受信回路における送信・受信電力のレベル及び位相を示す図である。 従来の高周波送受信回路の実際の分布定数パターンを示す図である。 従来の高周波送受信回路のダイオード端に不整合状態が生じたときの状態を示す図である。 図１１の不整合状態における入出力端での反射損失（ＲＬ：リターンロス）特性を示す図である。 従来の高周波送受信回路の入出力端に不整合状態が生じたときの状態を示す図である。 図１３の不整合状態におけるダイオード端での反射損失（ＲＬ）特性を示す図である。

符号の説明

１〜５…ポート、 １０，２０…送受信回路、
１２…発振器、 １３…アンテナ、
１７…第１ダイオード、 １８…第２ダイオード、
１９…ラットレース線路、 ２１…環状線路、
２１ｐ…λ／４線路、 ２２ａ，２２ｂ…終端回路。

Claims (2)

1. λ／４線路８個分の長さを有し、インピーダンスが略特性インピーダンスＺ_０となる環状分布定数線路と、
   この環状分布定数線路に設けられた２つの入出力ポートと、
   この２つの入出力ポートのそれぞれから信号を入力したとき、これら両信号が出力される上記環状分布定数線路の２つのポートのそれぞれに配置された第１ダイオード及び第２ダイオードと、
   上記環状分布定数線路に入力された２つの信号のいずれか一方の信号が出力されるポートに配置された終端回路と、からなり、
   上記２つの入出力ポートを介して信号を送受信すると共に、シングルバランスドミキサとして機能する高周波送受信回路。
2. 上記第１及び第２ダイオードからそれぞれの出力信号を伝送するための伝送線路が、上記２つの入出力ポートとそれぞれの入出力部とを結ぶ伝送線路と交差しない配置として、それぞれの伝送線路を同一基板上に形成することを特徴とする請求項１記載の高周波送受信回路。

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