JP2020109912A - 周波数混合器 - Google Patents

Abstract

【課題】アップコンバージョン周波数混合器として高い周波数帯域の信号を扱う場合であっても、入力信号と出力信号との間の線形性を向上させることができる周波数混合器を提供する。【解決手段】ミキサ１は、差動信号である局部発振信号の一方の信号（ＬＯ＋信号）とベースバンド信号（ＢＢ信号）とを入力し、差動信号である中間周波数信号の一方の信号（ＩＦ＋信号）を出力する第１のトランジスタ１０と、局部発振信号の他方の信号（ＬＯ−信号）とＢＢ信号とを入力し、中間周波数信号の他方の信号（ＩＦ−信号）を出力する第２のトランジスタ１１と、を備える。また、第１のトランジスタ１０から出力されるＩＦ＋信号を、キャパシタ１２ａを介して第２のトランジスタ１１のゲートに入力し、第２のトランジスタ１１から出力されるＩＦ−信号を、キャパシタ１３ａを介して第１のトランジスタ１０のゲートに入力する。【選択図】図１

Description

本発明は、周波数混合器に関する。

無線送信機において出力信号を生成するための、トランジスタを用いた周波数混合器が種々開発されている（例えば、特許文献１）。このような周波数混合器では、入力されるベースバンド信号と出力される中間周波数信号との間に線形性が求められる。

特開２００６−２６２２５１号公報

特許文献１の周波数混合器では、線形性を低下させる寄生容量の影響を低減するために、ミキサ回路負荷のＬＣ同調回路の同調周波数をずらすための回路を追加する。したがって、周波数混合器全体の回路構成が複雑化する。

また、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いた周波数混合器では、取り扱う信号の周波数が高くなると、トランジスタのゲート−ドレイン間に存在する寄生容量である非線形キャパシタンスの影響が大きくなり、入力信号と出力信号との間の線形性が劣化する。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、周波数混合器として高い周波数帯域の信号を扱う場合であっても、簡単な構造で、入力信号と出力信号との間の線形性を向上させることができる周波数混合器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明に係る周波数混合器は、
差動信号である局部発振信号の一方の信号とベースバンド信号とを入力し、差動信号である中間周波数信号の一方の信号を出力する第１のトランジスタと、
前記局部発振信号の他方の信号とベースバンド信号とを入力し、前記中間周波数信号の他方の信号を出力する第２のトランジスタと、を備え、
前記第１のトランジスタから出力される前記中間周波数信号の一方の信号を、キャパシタを介して前記第２のトランジスタのゲートに入力し、
前記第２のトランジスタから出力される前記中間周波数信号の他方の信号を、キャパシタを介して前記第１のトランジスタのゲートに入力する。

また、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタは、
前記局部発振信号をゲートから入力し、前記ベースバンド信号をソースから入力する、
こととしてもよい。

また、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタは、
前記局部発振信号と前記ベースバンド信号とをゲートから入力する、
こととしてもよい。

また、前記キャパシタの容量は、以下の式
Ｃ＝Ｃgd（１＋ｒ_ｇ／ｒ_ｓ）
ただし、Ｃgdは寄生容量、ｒ_ｇは電界効果トランジスタの小信号パラメータとしてのゲート抵抗、ｒ_ｓは入力ポートの抵抗
で表される、
こととしてもよい。

本発明の周波数混合器によれば、クロスカップリング構造の負性容量帰還を用いて、寄生容量の影響を低減することができるので、簡単な構造で入力信号と出力信号との間の線形性を向上させることが可能である。

本発明の実施の形態に係るミキサの回路図である。 実施の形態に係る整合回路の例を示す回路図である。 実施の形態に係る整合回路の変形例を示す回路図である。 実施の形態に係る周波数混合器における線形性の例を示すグラフである。 寄生容量の影響の抑制原理を示す図であり、（Ａ）は、ＬＯ信号をゲートに入力し、ＢＢ信号をソースに入力した場合の概念図、（Ｂ）は、ＬＯ信号とＢＢ信号とをゲートに入力した場合の概念図である。

以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る周波数混合器について説明する。

本実施の形態では、差動信号である局部発振信号（以下、ＬＯ信号という）と、シングルエンド信号であるベースバンド信号（以下、ＢＢ信号という）とを混合して、差動信号である中間周波数信号（以下、ＩＦ信号という）を生成するアップコンバージョン周波数混合器を例として説明する。本実施の形態に係るアップコンバージョン周波数混合器であるミキサ１は、図１の回路図に示すように、第１のトランジスタ１０と、第２のトランジスタ１１と、第１の帰還路１２と、第２の帰還路１３と、第１の整合回路２１と、第２の整合回路２２とを備える。

第１のトランジスタ１０及び第２のトランジスタ１１は、入力されたＬＯ信号とＢＢ信号とを混合し、ＩＦ信号を出力する素子であり、例えば電界効果トランジスタである。

第１のトランジスタ１０は、差動信号であるＬＯ信号の一方の信号（以下、ＬＯ＋信号という）をゲートから入力するとともに、ＢＢ信号をソースから入力し、ＩＦ信号の一方の信号（以下、ＩＦ＋信号という）をドレインから出力する。

第２のトランジスタ１１は、ＬＯ信号の他方の信号（以下、ＬＯ−信号という）をゲートから入力するとともに、ＢＢ信号をソースから入力し、ＩＦ信号の一方の信号（以下、ＩＦ−信号という）をドレインから出力する。第２のトランジスタ１１に入力されるＢＢ信号は、第１のトランジスタ１０に入力されるＢＢ信号と同じ位相の信号である。

第１の帰還路１２は、図１に示すように、第１のトランジスタ１０の出力端子であるドレインと、第２のトランジスタ１１の入力端子であるゲートとを接続するものであり、負性容量となるキャパシタ１２ａを備える。これにより、第１のトランジスタ１０から出力されるＩＦ＋信号を、キャパシタ１２ａを介して第２のトランジスタ１１のゲートに入力する。

第２の帰還路１３は、第２のトランジスタ１１の出力端子であるドレインと、第１のトランジスタ１０の入力端子であるゲートとを接続するものであり、負性容量となるキャパシタ１３ａを備える。これにより、第２のトランジスタ１１から出力されるＩＦ−信号を、キャパシタ１３ａを介して第１のトランジスタ１０のゲートに入力する。

第１の帰還路１２と第２の帰還路１３とにより、第１のトランジスタ１０と第２のトランジスタ１１とはクロスカップル接続されている。これにより、第１のトランジスタ１０及び第２のトランジスタ１１のゲート−ドレイン間に生じる寄生容量である非線形キャパシタンスＣgdの影響は、負性容量を構成するキャパシタ１２ａ、１３ａで打ち消される。したがって、入力信号であるＬＯ信号と出力信号であるＩＦ信号との間の線形性を向上させることができる。

より具体的には、電界効果トランジスタの寄生容量はMiller効果により、寄生容量Ｃgd、電界効果トランジスタの小信号パラメータとしてのゲート抵抗ｒ_ｇ、入力ポートの抵抗ｒ_ｓを用いて、Ｃgd（１＋ｒ_ｇ／ｒ_ｓ）と表すことができる。したがって、キャパシタ１２ａ、１３ａの容量をこれと同じ容量に設定することにより、非線形キャパシタンスＣgdの影響を打ち消すことができる。

第１の整合回路２１は、第１のトランジスタ１０、第２のトランジスタ１１の上流側、すなわち図示しないＬＯ信号の生成回路と、第１のトランジスタ１０及び第２のトランジスタ１１のゲートとの間に配置された整合回路である。

第２の整合回路２２は、第１のトランジスタ１０、第２のトランジスタ１１の下流側、すなわち第１のトランジスタ１０及び第２のトランジスタ１１のドレインとＩＦ信号の出力端子との間に配置された整合回路である。

図２の回路図は、本実施の形態に係る第１の整合回路２１及び第２の整合回路２２の構成例を示している。図２に示すように、第１の整合回路２１は、第１のトランジスタ１０にＬＯ＋信号を入力する伝送線路及び第２のトランジスタ１１にＬＯ−信号を入力する伝送線路に、それぞれショートスタブ２１ａと、キャパシタ２１ｂとを備える。

図２に示すＬＯ＋信号の線路上の２つのショートスタブ２１ａのうち、第１のトランジスタ１０に近い方のショートスタブ２１ａ、及びＬＯ−信号の線路上の２つのショートスタブ２１ａのうち、第２のトランジスタ１１に近い方のショートスタブ２１ａは、ゲートバイアスの供給を兼ねることとしてもよい。

また、第２の整合回路２２は、第１のトランジスタ１０からＩＦ＋信号を出力する伝送線路及び第２のトランジスタ１１からＩＦ−信号を出力する伝送線路に、それぞれショートスタブ２２ａと、キャパシタ２２ｂとを備える。

具体的な、第１の整合回路２１及び第２の整合回路２２の設計方法としては、ＬＯ信号の周波数とＩＦ信号の周波数とが近似する場合、第１の整合回路２１と第２の整合回路２２とが同時共役整合を満たすように、又はＩＦ信号の出力電力が最大となるようにロードプルシミュレーションを行い決定すればよい。

ここで、ＬＯ信号の周波数とＩＦ信号の周波数とが近似する場合とは、例えば、ＬＯ信号が１４０ＧＨｚ、ＩＦ信号が１５０ＧＨｚのように、両信号の周波数の差が、各信号の周波数のおよそ１０％以下となる場合をいう。

図３は、ＬＯ信号の周波数とＩＦ信号の周波数との差が大きい場合、例えば周波数の差が各周波数の１０％を超える場合における第１の整合回路２１’及び第２の整合回路２２’の構成例である。第１の整合回路２１’は、上記の構成例に示した第１の整合回路２１に、伝送線路２１ｃとオープンスタブ２１ｄとを追加した構成である。

伝送線路２１ｃ及びオープンスタブ２１ｄは、ショートスタブ２１ａ及びキャパシタ２１ｂの下流側、かつ第１の帰還路１２及び第２の帰還路１３のゲート側接続点の上流側に配置されている。オープンスタブ２１ｄの線路長は、ＩＦ信号の周波数の４分の１波長に設定されている。これにより、ゲート側へ流れるＩＦ信号のリーク成分は、オープンスタブ２１ｄで位相反転された反射波と打ち消し合う。したがって、ＬＯ信号の入力端子側へのＩＦ信号のリークを防止することができる。

また、伝送線路２１ｃは、クロスカップリング構造のキャパシタ１２ａ、１３ａへ、第１の帰還路１２、第２の帰還路１３からのＩＦ信号を反射する。そして、伝送線路２１ｃにより、第１のトランジスタ１０及び第２のトランジスタ１１のドレイン側からゲート側を見たときのアドミッタンスの虚部がキャンセルされる。

また、第２の整合回路２２’は、上記の構成例に示した第２の整合回路２２に、伝送線路２２ｃとオープンスタブ２２ｄとを追加した構成である。

伝送線路２２ｃ及びオープンスタブ２２ｄは、第１の帰還路１２及び第２の帰還路１３のドレイン側接続点の下流側、かつショートスタブ２２ａ及びキャパシタ２２ｂの上流側に配置されている。オープンスタブ２２ｄの線路長は、ＬＯ信号の周波数の４分の１波長に設定されている。これにより、ドレイン側へ流れるＬＯ信号のリーク成分は、オープンスタブ２２ｄで位相反転された反射波と打ち消し合う。したがって、ＩＦ信号の出力端子側へのＬＯ信号のリークを防止することができる。

また、伝送線路２２ｃにより、第１のトランジスタ１０及び第２のトランジスタ１１のゲート側からドレイン側を見たときのアドミッタンスの虚部がキャンセルされる。

図４は、本実施の形態に係るミキサ１、すなわち図２に示すミキサ１と、従来のミキサ、すなわち負性容量帰還を用いない周波数混合器との線形性シミュレーションの結果を示している。具体的なシミュレーション条件としては、４０ｎｍプロセスＣＭＯＳを用い、第１のトランジスタ１０及び第２のトランジスタ１１であるＭＯＳＦＥＴのサイズはＷ／Ｌ＝３２μｍ／４０ｎｍ、キャパシタ１２ａ、１３ａの容量は１０ｆＦ、ＬＯ信号の周波数は１５０ＧＨｚ、ＢＢ信号の周波数は１ＧＨｚ、ＩＦ信号の周波数は１５１ＧＨｚ、ＬＯ電力は５ｄＢｍとした。図４に示すように、ミキサ１を用いることにより、入力信号であるＢＢ信号と出力信号であるＩＦ信号との間の線形性が約３ｄＢ改善されていることがわかる。

本実施の形態では、図５（Ａ）の概念図に示すように、ＬＯ信号をゲートから入力し、ＢＢ信号をソースから入力することとしたがこれに限られない。例えば、図５（Ｂ）の概念図のように、ＬＯ信号とＢＢ信号とをゲートに入力することとしてもよい。この場合、ソースを接地し、ドレインからＩＦ信号を出力することとすればよい。これにより、第１のトランジスタ１０及び第２のトランジスタ１１のソースを接地することができるので、利得を大きくすることができる。

また、本実施の形態では、ＢＢ信号はシングルエンド信号であることとしたが、これに限られず、ＢＢ信号は差動信号であることとしてもよい。この場合、２つのミキサ１を並列に構成し、一方のミキサ１にＢＢ信号の一方の信号（ＢＢ＋信号）を入力し、他方のミキサ１にＢＢ信号の他方の信号（ＢＢ−信号）を入力する。そして、各々のミキサ１から出力されるＩＦ＋信号同士、ＩＦ−信号同士を合成して、差動信号のＩＦ信号を出力することとすればよい。

以上説明したように、本実施の形態に係るミキサ１では、クロスカップリング構造の負性容量帰還を用いて、寄生容量の影響を低減することができるので、簡単な構造で、入力信号と出力信号との間の線形性を向上させることができる。

本発明は、入力信号と出力信号との間に高い線形性が求められる無線送信機におけるアップコンバージョン周波数混合器に好適である。特に、テラヘルツ波等の高周波信号を用いて通信を行う無線送信機に好適である。

１ ミキサ、１０ 第１のトランジスタ、１１ 第２のトランジスタ、１２ 第１の帰還路、１３ 第２の帰還路、１２ａ，１３ａ キャパシタ、２１，２１’ 第１の整合回路、２２，２２’ 第２の整合回路、２１ａ，２２ａ ショートスタブ、２１ｂ，２２ｂ キャパシタ、２１ｃ，２２ｃ 伝送線路、２１ｄ，２２ｄ オープンスタブ

Claims (4)

1. 差動信号である局部発振信号の一方の信号とベースバンド信号とを入力し、差動信号である中間周波数信号の一方の信号を出力する第１のトランジスタと、
   前記局部発振信号の他方の信号とベースバンド信号とを入力し、前記中間周波数信号の他方の信号を出力する第２のトランジスタと、を備え、
   前記第１のトランジスタから出力される前記中間周波数信号の一方の信号を、キャパシタを介して前記第２のトランジスタのゲートに入力し、
   前記第２のトランジスタから出力される前記中間周波数信号の他方の信号を、キャパシタを介して前記第１のトランジスタのゲートに入力する、
   ことを特徴とする周波数混合器。
2. 前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタは、
   前記局部発振信号をゲートから入力し、前記ベースバンド信号をソースから入力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の周波数混合器。
3. 前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタは、
   前記局部発振信号と前記ベースバンド信号とをゲートから入力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の周波数混合器。
4. 前記キャパシタの容量は、以下の式
   Ｃ＝Ｃgd（１＋ｒ_ｇ／ｒ_ｓ）
   ただし、Ｃgdは寄生容量、ｒ_ｇは電界効果トランジスタの小信号パラメータとしてのゲート抵抗、ｒ_ｓは入力ポートの抵抗
   で表される、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の周波数混合器。