JP2017169078A

JP2017169078A - 混合器

Info

Publication number: JP2017169078A
Application number: JP2016053304A
Authority: JP
Inventors: 正大海田; Masahiro Kaida; 豊栄山崎; Toyoe Yamazaki
Original assignee: NEC Space Technologies Ltd
Current assignee: NEC Space Technologies Ltd
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-09-21

Abstract

【課題】相互変調によるスプリアスの発生を抑えた、低妨害波の高性能な混合器を実現すること。【解決手段】RF信号とLO信号とを受けてIF信号を出力する混合器は、RF信号とLO信号とを合波して、合波した信号を出力する合波手段と、合波した信号を、第１および第２の分配信号に分配する分配手段と、第１の分配信号に含まれるRF信号とLO信号とを混合して、第１の混合した信号を出力する第１の周波数混合素子と、第２の分配信号に含まれるRF信号とLO信号とを混合して、第２の混合した信号を出力する第２の周波数混合素子と、第１の混合した信号と第２の混合した信号とを合成して、合成した信号を出力する合成手段と、合成した信号からIF信号のみを抽出する帯域通過フィルタと、を備える。第１および第２の周波数混合素子の各々は、トランジスタから成る。【選択図】図２

Description

本発明は、混合器に関し、特に、衛星搭載用の混合器に関する。

この技術分野において周知のように、混合器とは、アナログ乗算器であり、２つの異なる周波数成分の電圧信号を入力し、両信号に対して乗算の演算を行い、その乗算結果を出力する回路である。乗算器（混合器）の乗算演算は、その乗算結果として、ヘテロダインの原理により、その和と差の周波数成分の信号電圧を出力する。混合器は、周波数変換回路とも呼ばれる。

混合器は、ダイオードを用いる受動型（パッシブ・ミキサ）と、トランジスタを用いる能動型（アクティブ・ミキサ）とに分類できる。また、混合器は、２つの入力ポートの単層・差動の種類によって、２端子ミキサと、シングルバランスミキサと、ダブルバランスミキサとに分類することもできる。

衛星搭載用の混合器には、低スプリアス性能が常に求められている。その理由は、衛星搭載用の混合器で発生する相互変調波は、通信回線内の不要波（雑音）となり、通信品質を劣化させるからである。

衛星通信の特徴として、無線周波数信号（以下、「RF信号」とも呼ぶ）の無線周波数と中間周波数信号（以下、「IF信号」とも呼ぶ）の中間周波数とが近いため、局部発振周波数（以下、「LO」とも呼ぶ）が低くなってしまう。これは、無線周波数からベースバンドに変換している一般的な通信方式とは大きく異なる。衛星通信においては、LOが低い事が原因で、相互変調波が通信回線内に多く発生してスプリアスとなってしまう。

公知の衛星搭載用の混合器は、ダイオードを用いて実現している。しかしながら、公知の衛星搭載用の混合器は、ダイオードをスイッチングさせて周波数変換を行う方式であるので、動作時に局部発振器から出力されるLO信号が矩形波となるために、高調波歪みが強く発生する。

そこで、公知の衛星搭載用の混合器では、その高周波歪みのレベルを下げるために、差動化回路を積極的に用いている。しかしながら、差動化回路を用いた公知の衛星搭載用の混合器においても、周波数変換回路で強く発生する歪み波や、高調波の次数によって差動化できない歪み波が発生してしまうので、通信品質を劣化させている。

ダイオードを用いた衛星搭載用の混合器としては、非特許文献１の論文に記載された技術が知られている。非特許文献１の論文は、ダイオードを用いた衛星搭載用のダブルバランスミキサ、トリプルバランスミキサを記載している。

また、混合器（周波数変換回路）が、種々知られている。

例えば、特許文献１は、周波数変換素子としてデュアルゲートＦＥＴ（Field Effect Transistor）を使用して良好な相互変調特性を有する「周波数変換回路」を開示している。特許文献１に開示された周波数変換回路は、受信信号と局部発振信号とを受けて、周波数変換された中間周波数信号を生成する回路である。特許文献１に開示された周波数変換回路は、小信号入力用の第１ゲートに局部発振信号が入力され、大信号入力用の第２ゲートに受信信号が入力されるデュアルゲートＦＥＴを周波数混合素子として備えている。

特許文献２は、２つのミキサを用い、ＲＦ（無線周波数）、ＬＯ（局部発振周波数）、ＩＦ（中間周波数）の３つの周波数の分配及び合成位相により、不要なスプリアス成分を抑圧する機能を有する「周波数変換装置」を開示している。この特許文献２は、周波数変換装置を使用した送信機を開示している。周波数変換装置にはIF信号とLO信号とが入力され、RF信号を出力している。RF信号は、帯域通過フィルタによりスプリアス成分が抑圧され、次に、増幅器にて所望の電力値まで増幅されてアンテナから放射される。

特開２００３−３３２８４７号公報国際公開第２００９／０６３５６０号

"Double and Triple Balanced Wideband Mixers Integrated in GaAs Technology"（IEEE）

衛星搭載用の混合器は、衛星システムの妨害波性能を直接決める回路であるので、従来から相互変調波の出力を抑える開発が進められてきた。そのため、非特許文献１に開示されているような、ダイオードを用いたダブルバランスミキサ、トリプルバランスミキサを用いる事で、相互変調波を逆相で打ち消し合い抑圧するという手法を用いている。

しかしながら、このような関連技術には、以下に述べるような課題がある。

（１）ダイオードのスイッチ動作で周波数の変換を実現しているので、局部発振器の局部発振周波数の高調波が強く発生し、入力信号（無線周波数信号）との相互変調波が強く出力されてしまう。

（２）ダブルバランスミキサ、トリプルバランスミキサを用いても、逆相でキャンセルできない位相関係の結合波が強く発生してしまう。ここでの結合波とは、入力周波数（無線周波数）の奇数時の入力波と、局部発振器の局部発振周波数の奇数次の高調波との結合波である。

一方で、特許文献１に開示されているような、トランジスタを能動素子として用いた混合器は、ダイオードを用いたスイッチ型の混合器と比較して、飽和出力が低いという課題がある。

特許文献２は、単に、送信機に用いられる、２つのミクサを用いた周波数変換装置を開示しているにすぎない。

本発明の目的は、上述した課題を解決する、混合器を提供することにある。

本発明の混合器は、無線周波数を持つ無線周波数信号と局部発振周波数を持つ局部発振周波数信号とを受けて、前記無線周波数と前記局部発振周波数との差に等しい中間周波数を持つ中間周波数信号を出力する混合器であって、前記無線周波数信号と前記局部発振周波数信号とを合波して、合波した信号を出力する合波手段と、該合波した信号を、第１および第２の分配信号に分配する分配手段と、前記第１の分配信号に含まれる前記無線周波数信号と前記局部発振周波数信号とを混合して、第１の混合した信号を出力する第１の周波数混合素子と、前記第２の分配信号に含まれる前記無線周波数信号と前記局部発振周波数信号とを混合して、第２の混合した信号を出力する第２の周波数混合素子と、前記第１の混合した信号と前記第２の混合した信号とを合成して、合成した信号を出力する合成手段と、前記合成した信号から前記中間周波数信号のみを抽出する帯域通過フィルタと、を備え、前記第１および第２の周波数混合素子の各々は、トランジスタから成る、ことを特徴とする。

本発明によれば、妨害波の出力が低い高性能な混合器を提供することができる。

関連の混合器を示す回路図である。本発明の一実施の形態に係る混合器を示す回路図である。

［関連技術］
本発明の理解を容易にするために、非特許文献１等に使用されている、関連の混合器について説明する。

図１は関連の混合器１００を示す回路図である。図示の混合器１００は、公知のダイオード型ダブルバランスミキサ（Double Balanced Mixer）を示している。

混合器１００は、RF信号が供給される第１の入力ポート１００ａと、LO信号が供給される第２の入力ポート１００ｂと、IF信号を出力する出力ポート１００ｃとを持つ。第１の入力ポート１００ａはRF端子とも呼ばれ、第２の入力ポート１００ｂはLO端子とも呼ばれ、出力ポート１００ｃはIF端子とも呼ばれる。

混合器（ダイオード型ダブルバランスミキサ）１００は、第１のバラン（高周波トランス）Ｔ１と、第２のバラン（高周波トランス）Ｔ２と、第１乃至第４のダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、およびＤ４とから成る。バランＴ１およびＴ２の各々は、位相分配器とも呼ばれる。

RF信号は無線周波数（RF）ｆ_ＲＦを持ち、LO信号は局部発振周波数（LO）ｆ_ＬＯを持つ。IF信号は、無線周波数（RF）ｆ_ＲＦと局部発振周波数（LO）ｆ_ＬＯとの間の差（ｆ_ＲＦ−ｆ_ＬＯ）に等しい中間周波数（IF）ｆ_ＩＦを持つ。

このように、関連の混合器１００は、ダイオードＤ１〜Ｄ４をスイッチングさせて周波数変換を行う方式であるので、動作時にLO信号が矩形波となるために高周波歪みが強く発生するという問題がある。

［実施の形態］
次に、発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施の形態に係る混合器２００を示す回路図である。

図示の混合器２００は、衛星搭載用の混合器である。混合器２００は、RF信号が供給される第１の入力ポート２００ａと、LO信号が供給される第２の入力ポート２００ｂと、IF信号を出力する出力ポート２００ｃとを持つ。第１の入力ポート２００ａはRF端子とも呼ばれ、第２の入力ポート２００ｂはLO端子とも呼ばれ、出力ポート２００ｃはIF端子とも呼ばれる。

第１の入力ポート（RF端子）２００ａには、地上局から送信され、衛星に備えられたアンテナ（図示せず）で受信され、受信部の増幅器（図示せず）で増幅された、無線周波数（RF）ｆ_ＲＦを持つRF信号が供給される。第２の入力ポート（LO端子）２００ｂには、衛星の受信部に備えられる局部発振器（図示せず）から、局部発振周波数（LO）ｆ_ＬＯを持つLO信号が供給される。

混合器２００は、第１の周波数混合素子２１０と、第２の周波数混合素子２２０と、ダイプレクサ回路２４０と、第１の分配器（ＤＩＶ回路）２６０と、第２の分配器（ＤＩＶ回路）２７０と、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）２９０とから成る。

ダイプレクサ回路２４０は、第１の入力ポート（RF端子）２００ａと第２の入力ポート（LO端子）２００ｂとに接続されている。ダイプレクサ回路２４０は、RF信号とLO信号とを合波して、合波した信号を出力する。図示の例では、ダイプレクサ回路２４０は、図示はしないが、オーブンスタブと結合ラインとのみから成る。これにより、ダイプレクサ回路２４０を、小型且つ簡単な回路で実現できる。これは、衛星通信の特徴である、RF信号の無線周波数とLO信号の局部発振周波数とが離れている事を利用して、上記ダイプレクサ回路２４０を実現している。このように、ダイプレクサ回路２４０は、RF信号とLO信号とを合波して、合波した信号を出力する合波手段として働く。

第１の分配器（ＤＩＶ回路）２６０は、ダイプレクサ回路２４０の出力ポートに接続されて、ダイプレクサ回路２４０から合波した信号を受ける。第１の分配器（ＤＩＶ回路）２６０は、合波した信号を、第１および第２の分配信号に分配する。このように、第１の分配器（ＤＩＶ回路）２６０は、合波した信号を、第１および第２の分配信号に分配する分配手段として働く。

第１の周波数混合素子２１０は、第１の分配器（ＤＩＶ回路）２６０の第１の出力ポートに接続されて、第１の分配信号を受ける。同様に、第２の周波数混合素子２２０は、第１の分配器（ＤＩＶ回路）２６０の第２の出力ポートに接続されて、第２の分配信号を受ける。

第１の周波数混合素子２１０は、第１の分配信号に含まれるRF信号とLO信号とを混合して、第１の混合した信号を出力する。第２の周波数混合素子２２０は、第２の分配信号に含まれるRF信号とLO信号とを混合して、第２の混合した信号を出力する。

第１および第２の周波数混合素子２１０および２２０の各々は、電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタなどのトランジスタから成る。図示の例では、第１および第２の周波数混合素子２１０および２２０の各々は、電界効果トランジスタの一種である、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor :HEMT）から成る。

第１の周波数混合素子２１０である高電子移動度トランジスタは、第１の分配信号が供給される第１のゲートと、第１の混合した信号を出力する第１のドレインと、接地された第１のソースとを持つ。

同様に、第２の周波数混合素子２２０である高電子移動度トランジスタは、第２の分配信号が供給される第２のゲートと、第２の混合した信号を出力する第２のドレインと、接地された第２のソースとを持つ。

尚、図示の例では、第１および第２の周波数混合素子２１０および２２０の各々を高電子移動度トランジスタで構成しているが、バイポーラトランジスタの一種である、シリコンゲルマニウム(以下SiGe)製バイポーラトランジスタで構成してもよい。

この場合、第１の周波数混合素子２１０であるSiGe製バイポーラトランジスタは、第１の分配信号が供給される第１のベースと、第１の混合した信号を出力する第１のコレクタと、接地された第１のエミッタとを持つ。

同様に、第２の周波数混合素子２２０であるSiGe製バイポーラトランジスタは、第２の分配信号が供給される第２のベースと、第２の混合した信号を出力する第２のコレクタと、接地された第２のエミッタとを持つ。

このように、本実施例では、第１および第２の周波数混合素子２１０および２２０として、高電子移動度トランジスタやSiGe製バイポーラトランジスタ等のトランジスタを使用しているので、混合器２００をリニア動作させて、相互変調波のレベルを下げ低妨害波性能を実現している。そして、トランジスタ２１０および２２０を並列に並べているので、ダイオード型の混合器と同等の飽和出力を実現している。

第２の分配器（ＤＩＶ回路）２７０は、第１の周波数混合素子２１０の第１のドレインと、第２の周波数混合素子２２０の第２のドレインとに接続され、第１の混合した信号と第２の混合した信号とを受ける。第２の分配器（ＤＩＶ回路）２７０は、第１の混合した信号と第２の混合した信号とを合成して、合成した信号を出力する。このように、第２の分配器（ＤＩＶ回路）２７０は、第１の混合した信号と第２の混合した信号とを合成して、合成した信号を出力する合成手段として働く。

このように、本実施例では、LO信号の入力部に第１の分配器（ＤＩＶ回路）２６０を設け、IF信号の出力部に第２の分配器（ＤＩＶ回路）２７０を設けているので、アイソレーションを取ることができる。

帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）２９０は、第２の分配器（ＤＩＶ回路）２７０の出力ポートに接続されて、合成した信号を受ける。帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）２９０は、合成した信号からIF信号のみを抽出する。この抽出されたIF信号は、出力ポート（IF端子）２００ｃから外部へ送出される。

次に、本発明の実施例の効果について説明する。

第１の効果は、衛星通信で通信品質を劣化させる相互変調による妨害波の出力が低い高性能な混合器２００を実現できることである。その理由は次の通りである。本実施例では、混合器２００の周波数変換を行う第１および第２の周波数混合素子２１０および２２０として、HEMTやSiGe製バイポーラトランジスタ等のトランジスタを使用している。そして、トランジスタのゲート又はベースに、RF信号とLO信号とを入力し、ドレインまたはコレクタからIF信号のみを強く取り出し、低相互変調特性を実現している。これにより、衛星通信の使用帯域内の不要波である入力周波数（無線周波数）（RF）の奇数時の入力波と、局部発振器の局部発振周波数（LO）の奇数時高調波の結合波（例えば-RF+15LO等）の発生が小さい、高性能な混合器２００を実現する事ができるからでる。これにより、混合器２００をリニア動作させて、相互変調波のレベルを下げ、低妨害波の高性能を実現している。

第２の効果は、ダイオード型と同等の飽和出力が得られることである。その理由は次の通りである。本実施例では、混合器２００の周波数変換を行う第１および第２の周波数混合素子２１０および２２０として、トランジスタを並列に並べている。このトランジスタの並列化の際に、LO信号入力部に第１のDIV回路２６０を用いてアイソレーションを取る事で、飽和出力を改善することができるからである。また、IF信号の出力部に第２のDIV回路２７０を用いる事で、IF信号の飽和出力を効率良く改善する事ができるからである。

第３の効果は、トランジスタ２１０、２２０のゲートないしはベースへ信号を給電する際に、互いに最大電界を給電する回路であるダイプレクサ回路２４０を、小型且つ簡単な回路を実現できることである。その理由は次の通りである。衛星通信用の混合器の特徴で0ある、RF信号の無線周波数とLO信号の局部発振周波数とが離れている事を利用する事で、ダイプレクサ回路２４０を、結合ラインとオープンスタブ回路とのみで、低価格で高性能に構成することができるからである。

以上、実施の形態（実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態（実施例）に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

本発明による混合器は、衛星搭載用の混合器や、周波数変換器、それを用いた衛星通信装置に利用可能である。

２００混合器
２００ａ第１の入力ポート（RF端子）
２００ｂ第２の入力ポート（LO端子）
２００ｃ出力ポート（IF端子）
２１０第１の周波数混合素子
２２０第２の周波数混合素子
２４０ダイプレクサ回路（合波手段）
２６０第１の分配器（ＤＩＶ回路；分配手段）
２７０第２の分配器（ＤＩＶ回路；合成手段）
２９０帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）

Claims

無線周波数を持つ無線周波数信号と局部発振周波数を持つ局部発振周波数信号とを受けて、前記無線周波数と前記局部発振周波数との差に等しい中間周波数を持つ中間周波数信号を出力する混合器であって、
前記無線周波数信号と前記局部発振周波数信号とを合波して、合波した信号を出力する合波手段と、
該合波した信号を、第１および第２の分配信号に分配する分配手段と、
前記第１の分配信号に含まれる前記無線周波数信号と前記局部発振周波数信号とを混合して、第１の混合した信号を出力する第１の周波数混合素子と、
前記第２の分配信号に含まれる前記無線周波数信号と前記局部発振周波数信号とを混合して、第２の混合した信号を出力する第２の周波数混合素子と、
前記第１の混合した信号と前記第２の混合した信号とを合成して、合成した信号を出力する合成手段と、
前記合成した信号から前記中間周波数信号のみを抽出する帯域通過フィルタと、
を備え、
前記第１および第２の周波数混合素子の各々は、トランジスタから成る、ことを特徴とする混合器。
前記トランジスタは電界効果トランジスタから成る、請求項１に記載の混合器。
前記電界効果トランジスタは高電子移動度トランジスタから成る、請求項２に記載の混合器。
前記第１の周波数混合素子は、前記第１の分配信号が供給される第１のゲートと、前記第１の混合した信号を出力する第１のドレインと、接地された第１のソースとを持つ、第１の電界効果トランジスタから成り、
前記第２の周波数混合素子は、前記第２の分配信号が供給される第２のゲートと、前記第２の混合した信号を出力する第２のドレインと、接地された第２のソースとを持つ、第２の電界効果トランジスタから成る、
請求項２又は３に記載の混合器。
前記トランジスタはバイポーラトランジスタから成る、請求項１に記載の混合器。
前記バイポーラトランジスタはシリコンゲルマニウム製バイポーラトランジスタから成る、請求項５に記載の混合器。
前記第１の周波数混合素子は、前記第１の分配信号が供給される第１のベースと、前記第１の混合した信号を出力する第１のコレクタと、接地された第１のエミッタとを持つ、第１のバイポーラトランジスタから成り、
前記第２の周波数混合素子は、前記第２の分配信号が供給される第２のベースと、前記第２の混合した信号を出力する第２のコレクタと、接地された第２のエミッタとを持つ、第２のバイポーラトランジスタから成る、
請求項５又は６に記載の混合器。
前記合波手段はダイプレクサ回路から成る、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の混合器。
前記ダイプレクサ回路は、オープンスタブ回路と結合ラインとのみから成る、請求項８に記載の混合器。
前記分配手段は第１の分配器から成り、前記合成手段は第２の分配器から成る、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の混合器。