JP2015146537A

JP2015146537A - ミリ波送信機用送信回路

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Publication number: JP2015146537A
Application number: JP2014018989A
Authority: JP
Inventors: 岡田　健一; Kenichi Okada; 健一岡田
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-02-04
Publication date: 2015-08-13

Abstract

【課題】広帯域化を実現可能なミリ波送信機用送信回路を提供する。【解決手段】ミリ波帯の信号を送信するためのミリ波送信機用の送信回路は、ミキサ回路１０とアンプ回路２０とからなる。ミキサ回路１０は、ベースバンド回路１からのベースバンド信号と、局部発振器２からの搬送波信号とを混合する。アンプ回路２０は、ミキサ回路１０の出力を増幅するものである。アンプ回路２０は、アンプ回路２０の出力から入力に帰還するフィードバック回路３０を有している。フィードバック回路３０は、少なくとも抵抗及びコンデンサを有し少なくとも所望の周波数以上の信号を通過させるフィルタ回路からなる。【選択図】図１

Description

本発明はミリ波送信機用送信回路に関し、特に、変調精度を改善したミリ波送信機用送信回路に関する。

ミリ波帯における無線通信システムにおいて、送信機側では低い周波数から無線通信用の所定の高い周波数へ変調するために、受信機側では所定の高い周波数から低い周波数へ復調するために、ミキサ回路が用いられている。ミキサ回路では、可能な限り低い雑音で且つ大きな変換利得で周波数を変換する必要がある。例えば特許文献１には、アンテナからの受信信号を、低雑音アンプとミキサ回路と局部発振器と差動増幅器を用いた無線通信受信回路が開示されている。

また、所謂ミキサファースト受信機の一例として、非特許文献１がある。これは、アンテナからの受信信号をまずパッシブミキサによりベースバンド帯に変換し、その後フィードバック回路を有するアンプ回路にて、ローパスフィルタリングして増幅するものである。即ち、ミキサ回路の入力側が高周波信号であり、出力側が低周波信号である。したがって、出力側のアンプ回路は低周波帯における増幅が必要となり、通常１ＧＨｚ程度の周波数帯の増幅を行うものである。これにより、ベースバンド帯において広帯域化が図れ、広い受信周波数帯域を実現できるものであった。

特開２００９−２０６８９０号公報

Ｍ．Ｃ．ＭＳｏｒｅら「Ａ０．２−ｔｏ−２．０ＧＨｚ６５ｎｍＣＭＯＳＲｅｃｅｉｖｅｒＷｉｔｈｏｕｔＬＮＡＡｃｈｉｅｖｉｎｇ＞１１ｄＢｍＩＩＰ３ａｎｄ＜６．５ｄｂＮＦ」ＩＳＳＣＣ２００９Ｆｅｂｒｕａｒｙ１０，２００９，ｐｐ．２２２−２２３

ここで、変調精度（ＥＶＭ特性）を改善するために、利得の平坦性が重要となってくる。ミリ波帯においては、９ＧＨｚ以上の帯域が利用可能であるため、送信回路においては、変調前、即ち低周波数では少なくとも４．５ＧＨｚ以上の帯域が必要となる。ベースバンド帯において４．５ＧＨｚ以上の利得平坦性を得るためには、これまでの回路技術では消費電力も回路面積も大きい分布乗数増幅器を用いる必要があった。

例えば非特許文献１の従来技術においては、受信回路において広帯域化を実現していたが、送信回路において広帯域化するものは無かった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、広帯域化を実現可能なミリ波送信機用送信回路を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明によるミリ波送信機用送信回路は、ベースバンド回路からのベースバンド信号と、局部発振器からの搬送波信号とを混合するミキサ回路と、ミキサ回路の出力を増幅するアンプ回路であって、アンプ回路の出力から入力に帰還するフィードバック回路を有し、該フィードバック回路が少なくとも抵抗及びコンデンサを有し少なくとも所望の周波数以上の信号を通過させるフィルタ回路からなる、アンプ回路と、を具備するものである。

ここで、アンプ回路のフィルタ回路は、ハイパスフィルタ回路又はバンドパスフィルタ回路であれば良い。

さらに、ミキサ回路とアンプ回路との間に、インピーダンス整合回路を具備しても良い。

また、アンプ回路は、差動アンプ回路からなり、フィードバック回路は、差動アンプ回路の正出力から正入力に帰還する正フィードバック回路と、負出力から負入力に帰還する負フィードバック回路とからなるものであっても良い。

また、アンプ回路は、差動アンプ回路からなり、フィードバック回路は、差動アンプ回路の正出力から負入力に帰還する第１フィードバック回路と、負出力から正入力に帰還する第２フィードバック回路とからなるものであっても良い。

また、ミキサ回路は、シングルバランスドミキサ又はダブルバランスドミキサからなるものであれば良い。

本発明のミリ波送信機用送信回路には、広帯域化を実現可能であるという利点がある。

図１は、図１は、本発明のミリ波帯の信号を送信するためのミリ波送信機用の送信回路を説明するための概略構成図である。図２は、本発明のミリ波送信機用送信回路の他の例を説明するための概略構成図である。図３は、本発明のミリ波送信機用送信回路のさらに他の例を説明するための概略構成図である。図４は、本発明のミリ波送信機用送信回路のアンプ回路のフィードバック回路の種々の例を説明するための回路図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明のミリ波帯の信号を送信するためのミリ波送信機用の送信回路を説明するための概略構成図である。図示の通り、本発明のミリ波送信機に用いられる送信回路は、ベースバンド回路１からのベースバンド信号を局部発振器２を用いてアップコンバージョンして送信用アンテナ３から放射されるものである。本発明のミリ波送信機用送信回路は、ミキサ回路１０と、アンプ回路２０とから主に構成される。

ミキサ回路１０は、ベースバンド回路１からのベースバンド信号と、局部発振器２からの搬送波信号とを混合するものである。ミキサ回路１０より搬送波信号にベースバンド信号を重畳する。ミキサ回路１０は、受動ミキサ回路であり、より具体的には例えばＣＭＯＳトランジスタを用いたスイッチであれば良い。ミキサ回路１０において、高周波側のインピーダンスをダウンコンバートできる。局部発振器２としては、例えば６０ＧＨｚの出力信号が得られる注入同期型周波数逓倍器（ＱＩＬＯ）を用いたもの等が利用可能である。

アンプ回路２０は、ミキサ回路１０の出力を増幅するものである。アンプ回路２０は、例えば高周波増幅器であり、例えばオペアンプにより構成されれば良い。本発明のミリ波送信機用送信回路は、入力が低周波帯であり出力が高周波帯である。したがって、出力側のアンプ回路は高周波帯、例えば２ＧＨｚ帯を増幅可能なものである。そして、アンプ回路２０は、フィードバック回路３０を有している。フィードバック回路３０は、アンプ回路２０の出力から入力に帰還する回路である。そして、フィードバック回路３０は、少なくとも所望の周波数以上の信号を通過させるフィルタ回路となるように構成される。例えば、低域遮断周波数は１ＧＨｚ以上であれば良い。フィルタ回路としては、抵抗とコンデンサを有するものである。具体的には、抵抗とコンデンサの直列回路がアンプ回路２０の出力から入力に接続されることで、ハイパスフィルタ回路が構成される。また、バンドパスフィルタ回路として構成されても良い。なお、フィードバック回路３０には、さらにコイルや伝送線路が含まれても良い。アンプ回路２０の入力インピーダンスは、ベースバンド帯にダウンコンバートされる。そして、アンプ回路２０のフィードバック回路３０により、インピーダンスの平坦性が広帯域にわたって得られるようになる。

このように、本発明のミリ波送信機用送信回路は、抵抗フィードバック型アンプ回路を用い、これをミキサ回路と組み合わせることで、変調後の高い周波数帯での利得平坦性を得るように構成したものである。即ち、ミキサ回路によりインピーダンス変換を行うことで、ベースバンド帯での広帯域特性を消費電力０で実現できるようになる。

より具体的には、例えばミリ波では９ＧＨｚ以上の帯域を利用することが可能であり、変調前では少なくとも４．５ＧＨｚ以上の帯域が必要となる。従来技術においては、４．５ＧＨｚ以上の利得平坦性を得るために、消費電力も面積も大きい分布乗数増幅器を用いていた。しかしながら、本発明のミリ波送信機用送信回路では、変調前のベースバンド帯で４．５ＧＨｚの利得平坦性を出すよりも、６０ＧＨｚ帯で９ＧＨｚの利得平坦性を簡単に確保することが可能となっている。低周波側では寄生抵抗により広帯域な送信回路を構成するのは困難であったが、高周波側では、１０ＧＨｚ程度のインピーダンス及び利得の平坦性を容易に得ることが可能である。

また、ミキサ回路１０とアンプ回路２０との間に、インピーダンス整合回路４０を具備しても良い。インピーダンス整合回路４０は、低インピーダンスであり例えば５０Ω伝送路となるように設計されている。この例では、ベースバンドの入力インピーダンスは、ミキサ回路１０により直接維持されている。

次に、図２を用いて本発明のミリ波送信機用送信回路の他の例について説明する。図２は、本発明のミリ波送信機用送信回路の他の例を説明するための概略構成図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。この例では、アンプ回路２１として、差動アンプを用いている。ベースバンド回路１からは、正負それぞれのベースバンド信号（ｉｎ＋，ｉｎ−）が２つのミキサ回路１１にそれぞれ入力される。ミキサ回路１１は、所謂シングルバランスドミキサ回路からなるものである。なお、図示例ではミキサ回路１１をスイッチとしてそれぞれ示した。ミキサ回路１１には、局部発振器２からの信号（ＬＯ＋，ＬＯ−）が差動で入力され、ベースバンド回路１からの信号が差動で入力される。そして、ミキサ回路１１からの出力が、差動アンプ回路２１に入力される。アンプ回路２１は、正フィードバック回路３１と負フィードバック回路３２とを有する。正フィードバック回路３１は、差動アンプ回路２１の正出力から正入力に帰還するものであり、少なくとも抵抗及びコンデンサを有し、少なくとも所望の周波数以上の信号を通過させるフィルタ回路となっている。また、負フィードバック回路３２は、差動アンプ回路２１の負出力から負入力に帰還するものであり、同じく少なくとも抵抗及びコンデンサを有し、少なくとも所望の周波数以上の信号を通過させるフィルタ回路となっている。このように差動で信号を入力することにより、端子間のアイソレーションが改善されたり、信号ロスが減る。なお、図示例では、フィードバック回路が正出力から正入力に、負出力から負入力に、それぞれ帰還する例を示したが、本発明はこれに限定されず、正出力から負入力に、負出力から正入力に、それぞれ交差して帰還するようにフィードバック回路を構成しても良い。

さらに、図３に示されるように、ダブルバランスドミキサ回路を用いる構成であっても良い。図３は、本発明のミリ波送信機用送信回路のさらに他の例を説明するための概略構成図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示例は、ミキサ回路１２として、所謂ダブルバランスドミキサ回路を用いたものである。なお、図示例ではミキサ回路１２をスイッチとしてそれぞれ示した。ベースバンド回路１から、正負それぞれのベースバンド信号（ｉｎ＋，ｉｎ−）が、各ミキサ回路１２に入力される。また、ミキサ回路１２には、局部発振器２からの信号（ＬＯ＋，ＬＯ−）が差動でそれぞれ入力される。そして、図示例では、局部発振器２のＬＯ−信号が入力されたミキサ回路１２の出力が束ねられて差動アンプ回路２１の正入力とされている。また、ＬＯ＋信号が入力されたミキサ回路１２の出力が束ねられて差動アンプ回路２１の負入力とされている。なお、本発明はこれに限定されず、局部発振器のＬＯ−信号が入力されたミキサ回路の出力を差動アンプ回路の負入力に接続し、ＬＯ＋信号が入力されたミキサ回路の出力を差動アンプ回路の正入力に接続する構成であっても良い。

次に、本発明のミリ波送信機用送信回路のアンプ回路のフィードバック回路の種々のバリエーションについて説明する。図４は、本発明のミリ波送信機用送信回路のアンプ回路のフィードバック回路の種々の例を説明するための回路図である。図４（ａ）は上述の図示例で示した抵抗及びコンデンサを直列接続したフィードバック回路３０である。本発明では、バンドパス又はハイパスフィルタ回路となるようなフィードバック回路を有するアンプ回路であれば良い。例えば、図４（ｂ）に示されるように、抵抗を介してフィードバックすると共に、アンプ回路出力にコンデンサが接続されるようにしても良い。また、図４（ｃ）に示されるように、抵抗を介してフィードバックすると共に、アンプ回路入力にコンデンサが接続されるようにしても良い。また、図４（ｄ）に示されるように、抵抗を介してフィードバックすると共に、アンプ回路入力にコンデンサが接続され、さらにアンプ回路入力にバイアス回路を接続しても良い。さらに、図４（ｅ）に示されるように、図４（ｄ）の回路の入力側にさらにコンデンサを直列接続しても良い。また、図４（ｆ）に示されるように、抵抗とコンデンサの直列回路を介してフィードバックすると共に、さらにアンプ回路入力にバイアス回路を接続し、入力側にコンデンサを直列接続しても良い。また、図４（ｇ）に示されるように、抵抗とコンデンサの直列回路を介してフィードバックすると共に、フィードバック回路内にさらにコンデンサを直列接続しても良い。

このように、本発明のミリ波送信機用送信回路は、種々の回路構成で実現可能である。

なお、本発明のミリ波送信機用送信回路は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ベースバンド回路
２局部発振器
３送信用アンテナ
１０，１１，１２ミキサ回路
２０，２１アンプ回路
３０フィードバック回路
４０インピーダンス整合回路

Claims

ミリ波帯の信号を送信するためのミリ波送信機用の送信回路であって、該ミリ波送信機用送信回路は、
ベースバンド回路からのベースバンド信号と、局部発振器からの搬送波信号とを混合するミキサ回路と、
前記ミキサ回路の出力を増幅するアンプ回路であって、アンプ回路の出力から入力に帰還するフィードバック回路を有し、該フィードバック回路が少なくとも抵抗及びコンデンサを有し少なくとも所望の周波数以上の信号を通過させるフィルタ回路からなる、アンプ回路と、
を具備することを特徴とするミリ波送信機用送信回路。
請求項１に記載のミリ波送信機用送信回路において、前記アンプ回路のフィルタ回路は、ハイパスフィルタ回路又はバンドパスフィルタ回路であることを特徴とするミリ波送信機用送信回路。
請求項１又は請求項２に記載のミリ波送信機用送信回路であって、さらに、前記ミキサ回路とアンプ回路との間に、インピーダンス整合回路を具備することを特徴とするミリ波送信機用送信回路。
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のミリ波送信機用送信回路において、前記アンプ回路は、差動アンプ回路からなり、
前記フィードバック回路は、差動アンプ回路の正出力から正入力に帰還する正フィードバック回路と、負出力から負入力に帰還する負フィードバック回路とからなることを特徴とするミリ波送信機用送信回路。
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のミリ波送信機用送信回路において、前記アンプ回路は、差動アンプ回路からなり、
前記フィードバック回路は、差動アンプ回路の正出力から負入力に帰還する第１フィードバック回路と、負出力から正入力に帰還する第２フィードバック回路とからなることを特徴とするミリ波送信機用送信回路。
請求項４又は請求項５に記載のミリ波送信機用送信回路において、前記ミキサ回路は、シングルバランスドミキサ又はダブルバランスドミキサからなることを特徴とするミリ波送信機用送信回路。