JP4033960B2 - 無線周波数信号ミクサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線周波数信号ミクサに関するものであり、とりわけ、ミクサの中間周波数ポートに信号を結合するための共振器を備えた無線周波数信号ミクサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
無線周波数（ＲＦ）ミクサは、ＲＦスペクトル解析器の入力セクションにおいて加えられるＲＦ信号を中間周波数（ＩＦ）信号に変換するために用いられる。ミクサ歪みが小さいほど、また、ミクサに加えられる局部発振器（ＬＯ）信号とミクサによって生じるＩＦ信号との間における分離が大きいほど、スペクトル解析器は、加えられるＲＦ信号のスペクトル成分をより正確に表すことができる。Hewlett-Packard CompanyのモデルHP8566スペクトル解析器に用いられているようなＲＦミクサには、ＬＯ信号をミクサに結合し、ＬＯ信号とＩＦ信号を分離するための、半波長平衡不平衡変成器構造が組み込まれている。しかし、平衡不平衡変成器の波長依存性及び物理的サイズによって、このタイプのミクサの低周波性能は制限される。ＲＦスペクトル解析器に用いられる他のタイプのＲＦミクサは、歪みを減少させるために４つのミクシング・ダイオードを利用しているが、ダイオードの接地方式が精巧な機械的アセンブリに頼るものであり、このため、このタイプのミクサを製造することは困難である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明は、製造が容易であり、スペクトル解析器に使用して入力ＲＦ信号のスペクトルを従来よりも正確に解析することができるＲＦミクサを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の望ましい実施例によれば、ＲＦミクサは、短い伝送線路部分と終端抵抗器を利用して、ミクサ内におけるインピーダンスを整合させ、ミクサの歪みを最小限に抑える。ダンベル形状の共振器が、短い伝送線路部分からのＩＦ信号をミクサのＩＦ出力ポートにおいて出力伝送線路に効率よく結合させる。このダンベル共振器を含むＲＦミクサは、プリント回路基板上に組み立てられ、製造コストが低くて済む。本発明の代替実施例によれば、１対の出力伝送線路によって、逆位相をなす１対のＩＦ信号が得られる。
【０００５】
【実施例】
図１には、本発明の望ましい実施例に従って構成されたＲＦミクサ１０が示されている。ＲＦ信号は、ＲＦ入力１においてＲＦミクサ１０に加えられる。この例の場合、ＲＦ入力１に加えられるＲＦ信号は、ＤＣ〜１．５ＧＨｚの周波数範囲である。ＬＯ信号は、局部発振器（ＬＯ）によって、ＲＦミクサ１０のＬＯポート２に加えられる。ＬＯ信号とＲＦ信号の周波数差が２．４ＧＨｚになるように、ＬＯ信号には、２．４ＧＨｚ〜３．９ＧＨｚの周波数範囲にわたって周波数の調整が施される。ＲＦミクサ１０によってＲＦ信号及びＬＯ信号から生じる周波数差信号、すなわち中間周波数（ＩＦ）信号は２．４ＧＨｚの周波数を備えており、ＩＦポート９においてＲＦミクサ１０から供給される。一方で、周波数がＬＯ信号とＲＦ信号の周波数の和である信号のような、ＲＦミクサ１０によって生じるもう１つの結合結果が、ＩＦポート９においてＩＦ信号として得られる。
【０００６】
ＲＦ信号及びＬＯ信号は、対をなす伝送線路部分６ａ及び６ｂを介して結合し、重ね合わせられて、両方とも、ミクサ・ダイオードＤ１及びＤ２の間に位置する接合ノード７に生じるようになっている。接合ノード７からＲＦ入力１を見たときのインピーダンスＺINは、２．４ＧＨｚ〜３．９ＧＨｚのＬＯ周波数範囲、及び、ミクシング・ダイオードＤ１及びＤ２によって発生するＬＯ信号の高調波の周波数範囲を包含する広い周波数範囲にわたって、システムの５０Ωの特性インピーダンスとの整合がとられる。インピーダンスＺINは、減衰器３または他の既知のインピーダンス整合構造を利用して整合させることが可能である。インピーダンスＺINの整合をとった結果として、ＲＦ入力１と接合ノード７の間におけるＬＯ信号及びその高調波の反射が最小限に抑えられる。
【０００７】
一般に、ＬＯ信号の電力は、各ダイオードＤ１及びＤ２に方形波に近似した電流伝導波形を形成するのに十分である。この方形波は、ダイオードＤ１及びＤ２のそれぞれの「オフ状態」すなわち非導通状態と「オン状態」すなわち導通状態との間を迅速に移行し、ダイオードが低電流レベルで動作する時の、ダイオードＤ１及びＤ２の非線形インピーダンス変動によって生じる歪みを大幅に低減する。ＬＯ信号によってダイオードＤ１が駆動されると、ダイオードＤ１は導通（低抵抗）状態になるが、ダイオードＤ２は不導通（高抵抗）状態のままであり、代わって、ダイオードＤ２が駆動されると、ダイオードＤ２は導通状態になるが、ダイオードＤ１は不導通状態のままである。整合のとられたインピーダンスＺINは、方形波に現れるＬＯ信号の高調波がインピーダンスＺINから反射することと、加えられるＬＯ信号がさまざまな振幅及び位相において該高調波と結合してダイオードＤ１及びＤ２の電流伝導波形に歪みが生じることを阻止する。従って、インピーダンスＺINの整合がとれることによって、ＲＦミクサ１０の歪みが低減する。
【０００８】
伝送線路６ａは、接合ノード７においてＲＦミクサ１０の２つの信号枝路に接続する。第１の枝路において、ダイオードＤ１は、接合ノード７と伝送線路ＴＬ１の間に接続される。伝送線路ＴＬ１は、ダイオードＤ１と終端抵抗器Ｒ１の間に直列に接続される。Ｒ１は、グラウンドＧにも接続される。第１の枝路と同様に、第２の枝路は、ダイオードＤ２、伝送線路ＴＬ２、及び、終端抵抗器Ｒ２を含んでおり、第１の枝路と並列に接合ノード７に接続する。ダイオードＤ１及びＤ２は、導通状態において整合した抵抗と、ＲＦミクサ１０の２つの信号枝路のそれぞれにおける信号を平衡化する他の整合した性能パラメータを有している。
【０００９】
ダイオードＤ１及びＤ２は、逆極性をなすように接合ノード７に接続し、接合ノード７に生じるＬＯ信号の波形の極性に従って交互に導通する。どちらかのダイオードが、導通状態にある場合、接合ノード７におけるインピーダンスは通常４０Ωである。この抵抗値は、ダイオードＤ１とＤ２のどちらが導通状態にあるかによって決まる、終端抵抗器Ｒ１とＲ２のいずれかと、この場合約２０Ωである、導通状態にあるダイオード抵抗との和に等しい。この例の場合、伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２は、それぞれ、ＩＦ周波数（２．４ＧＨｚ）における波長の１／２０の長さであり、それぞれ、２０Ωの特性インピーダンスを有する。ダイオードＤ１及びＤ２の交番導通によって生じる偶数調波が、伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２を循環し、抵抗器Ｒ１及びＲ２において終端される。ＩＦポート９におけるＩＦ信号電力とＲＦポート１に加えられるＲＦ信号電力の比である変換効率は一般に、Ｒ１及びＲ２の値が増すにつれて低下するが、歪み性能は一般に、Ｒ１及びＲ２の値が増すにつれて向上する。抵抗器Ｒ１及びＲ２の２０Ωの値は、ＲＦスペクトル解析器に適用されるＲＦミクサ１０に関して、その歪み性能と変換効率の間の所望のトレード・オフをもたらす。変換効率は、抵抗器Ｒ１及びＲ２の値を小さくするか、あるいは抵抗器Ｒ１及びＲ２をグラウンドＧに対する短い回路接続に置き換えることによって、歪み性能を犠牲にして向上させることが可能である。伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２の長さ及び特性インピーダンスも調整可能である。
【００１０】
ダンベル共振器１１は、短い伝送線路部分ＴＬ１及びＴＬ２から出力伝送線路ＴＬ３へ固定ＩＦ周波数（この例の場合、２．４ＧＨｚ）の信号を結合する。出力伝送線路ＴＬ３によって、ＲＦミクサ１０のＩＦポート９にＩＦ信号が供給される。ダンベル共振器１１がなければ、ＩＦポート９における物理的に短い伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２と出力伝送線路ＴＬ３との結合は不十分になる。この例の場合、ダンベル共振器１１と出力伝送線路ＴＬ３は、４層プリント回路（ＰＣ）基板の内部層にプリントされている。伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２は、プリント回路（ＰＣ）基板の外部層にプリントされており、接地面が、ＰＣ基板の外部下層に形成されている。ダンベル共振器１１は、伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２の間や、接合ノード７の辺りに中心がくる高インピーダンス・ライン１３を備えている。高インピーダンス・ライン１３の各端部には、低インピーダンスの伝送線路１５が設けられている。その結果、ダンベル共振器１１は、ＩＦ信号と出力伝送線路ＴＬ３の効率のよい結合を可能にし、一方で、ＩＦ信号の周波数範囲を超える信号の結合を抑制し、望ましくない結合結果とＩＦ信号の周波数範囲外におけるＬＯ信号の高調波との結合を抑制する。ダンベル共振器１１の長さは、ＩＦ周波数の信号とＩＦポート９を選択的に結合するように、実験に基づいて決定することができる。所望の結合特性に従って、低インピーダンス伝送線路１５を省略して、図２に示すように単純に高インピーダンス伝送線路１３からダンベル共振器１１を形成することも可能である。代替案では、ダンベル共振器１１の物理的サイズと周波数選択度を変化させるため、ダンベル共振器１１の各端部とグラウンドＧの間に、図３に示すシャント・コンデンサＣが接続される。
【００１１】
伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２はそれぞれ、ダンベル共振器１１の高インピーダンス線部分１３と並列をなしている。出力伝送線路ＴＬ３もやはり、高インピーダンス線部分１３と並列であり、ＲＦミクサ１０のＩＦポート９にＩＦ信号を供給する。伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２と、出力ラインＴＬ３は、この例の場合、平面グラウンドＧの上方に導体をプリントすることによって形成される。
【００１２】
図４に示す本発明の望ましい代替実施例によれば、１対の出力伝送線路２３ａ、２３ｂがグラウンドに接続されている。各伝送線路２３ａ、２３ｂの隣接する、つまり、向かい合った端部によって、ＩＦポート１９ａ及び１９ｂに、振幅が等しく、逆位相をなす１対のＩＦ信号が供給される。出力伝送線路２３ａ、２３ｂの隣接する端部は、図示のように、グラウンドＧに接続されている。これら２つのＩＦ信号によって、ＲＦスペクトル解析器または他のシステム内において他の回路要素の駆動に利用可能な「同相」及び「異相」信号が得られる。
【００１３】
〔実施態様〕
なお、本発明の実施態様の例を以下に示す。
【００１４】
〔実施態様１〕
無線周波数信号を受信する第１のポート（１）と、
局部発振器信号を受信する第２のポート（２）と、
第１と第２のポート（１、２）に結合されて、無線周波数信号と局部発振器信号を結合する信号結合器（６ａ、６ｂ）と、
信号結合器（６ａ、６ｂ）に結合されて、無線周波数信号と局部発振器信号を結合した信号を受信するノード（７）と、
それぞれ導通状態にある時には低い抵抗値を示し、それぞれ不導通状態にある時には高い抵抗値を示し、それぞれ第１の端子と第２の端子を備えたダイオード対（Ｄ１、Ｄ２）であり、第１のダイオード（Ｄ１）の第１の端子と第２のダイオード（Ｄ２）の第２の端子が前記ノードにおいて接続されており、無線周波数信号と局部発振器信号を結合した結果を生成するダイオード対（Ｄ１、Ｄ２）と、
第１の端部と第２の端部を備え、第１の端部が、第１のダイオード（Ｄ１）の第２の端子に接続されている第１の伝送線路（ＴＬ１）と、
第１の伝送線路（ＴＬ１）の第２の端部とグラウンド（Ｇ）の間に接続された第１の抵抗器（Ｒ１）と、
第１の端部と第２の端部を備え、第１の端部が、第２のダイオード（Ｄ２）の第１の端子に接続されている第２の伝送線路（ＴＬ２）と、
第２の伝送線路（ＴＬ２）の第２の端部とグラウンド（Ｇ）の間に接続された第２の抵抗器（Ｒ２）と、
第１と第２の伝送線路（ＴＬ１、ＴＬ２）に結合され、中央伝送線路部分（１３）及び１対の端部伝送線路部分（１５）を備えており、端部伝送線路部分（１５）がそれぞれ、中央伝送線路部分（１３）の両端部につながっている共振器（１１）と、
共振器に結合され、第１の端部及び第２の端部を備えており、第１の端部がグラウンド（Ｇ）に接続されている、出力伝送線路（ＴＬ３）と、
出力伝送線路（ＴＬ３）の第２の端部に接続され、結合した結果の周波数に等しい周波数を有する出力信号を送り出す第３のポート（９）と
を設けて成る無線周波数信号ミクサ（１０）。
【００１５】
〔実施態様２〕
各端部伝送線路部分（１５）の特性インピーダンスが、中央伝送線路部分（１３）の特性インピーダンスより低いことを特徴とする、実施態様１に記載の無線周波数信号ミクサ（１０）。
【００１６】
〔実施態様３〕
それぞれが端部伝送線路部分（１５）の一方とグラウンド（Ｇ）の間に結合された１対のコンデンサ（Ｃ）をさらに含むことを特徴とする、実施態様１または実施態様２に記載の無線周波数信号ミクサ（１０）。
【００１７】
〔実施態様４〕
第１と第２の伝送線路（ＴＬ１、ＴＬ２）が、共振器（１１）の中央伝送線路部分（１３）と出力伝送線路（ＴＬ３）に対して並列に配置されることを特徴とする、実施態様１ないし実施態様３のいずれか一項に記載の無線周波数信号ミクサ（１０）。
【００１８】
〔実施態様５〕
第１の伝送線路（ＴＬ１）、第２の伝送線路（ＴＬ２）、共振器（１１）、及び、出力伝送線路（ＴＬ３）が、プリント回路基板上にプリントされることを特徴とする、実施態様１ないし実施態様４のいずれか一項に記載の無線周波数信号ミクサ（１０）。
【００１９】
〔実施態様６〕
無線周波数信号を受信する第１のポート（１）と、
局部発振器信号を受信する第２のポート（２）と、
第１と第２のポート（１、２）に接続されて、無線周波数信号と局部発振器信号を結合する信号結合器（６ａ、６ｂ）と、
信号結合器（６ａ、６ｂ）に接続されて、無線周波数信号と局部発振器信号を結合した信号を受信するノード（７）と、
それぞれ導通状態にある時には低い抵抗値を示し、それぞれ不導通状態にある時には高い抵抗値を示し、それぞれ第１の端子と第２の端子を備えたダイオード対（Ｄ１、Ｄ２）であり、第１のダイオード（Ｄ１）の第１の端子と第２のダイオード（Ｄ２）の第２の端子が前記ノードにおいて接続されており、無線周波数信号と局部発振器信号を結合した結果を生成するダイオード対（Ｄ１、Ｄ２）と、
第１の端部と第２の端部を備え、第１の端部が、第１のダイオード（Ｄ１）の第２の端子に接続され、第２の端部がグラウンド（Ｇ）に接続されている第１の伝送線路（ＴＬ１）と、
第１の端部と第２の端部を備え、第１の端部が、第２のダイオード（Ｄ２）の第１の端子に接続され、第２の端部がグラウンド（Ｇ）に接続されている第２の伝送線路（ＴＬ２）と、
第１と第２の伝送線路（ＴＬ１、ＴＬ２）に結合され、中央伝送線路部分（１３）及び１対の端部伝送線路部分（１５）を備えており、端部伝送線路部分（１５）がそれぞれ、中央伝送線路部分（１３）の両端部につながっている共振器（１１）と、
共振器（１１）に結合され、第１の端部及び第２の端部を備えており、第１の端部がグラウンド（Ｇ）に接続されている、出力伝送線路（ＴＬ３）と、
出力伝送線路（ＴＬ３）の第２の端部に接続され、結合した結果の周波数に等しい周波数を有する出力信号を送り出す第３のポート（９）と
を設けて成る無線周波数信号ミクサ（１０）。
【００２０】
〔実施態様７〕
各端部伝送線路部分（１５）の特性インピーダンスが、中央伝送線路部分（１３）の特性インピーダンスより低いことを特徴とする、実施態様６に記載の無線周波数信号ミクサ（１０）。
【００２１】
〔実施態様８〕
それぞれが端部伝送線路部分（１５）の一方とグラウンド（Ｇ）の間に結合された１対のコンデンサ（Ｃ）がさらに含まれていることを特徴とする、実施態様６または実施態様７に記載の無線周波数信号ミクサ（１０）。
【００２２】
〔実施態様９〕
第１の伝送線路（ＴＬ１）の特性インピーダンスと第２の伝送線路（ＴＬ２）の特性インピーダンスが等しいことを特徴とする、実施態様６ないし実施態様８のいずれか一項に記載の無線周波数信号ミクサ（１０）。
【００２３】
〔実施態様１０〕
無線周波数信号を受信する第１のポート（１）と、
局部発振器信号を受信する第２のポート（２）と、
第１と第２のポート（１、２）に結合されて、無線周波数信号と局部発振器信号を結合する信号結合器（６ａ、６ｂ）と、
信号結合器（６ａ、６ｂ）に結合されて、無線周波数信号と局部発振器信号を結合した信号を受信するノード（７）と、
それぞれ導通状態にある時には低い抵抗値を示し、それぞれ不導通状態にある時には高い抵抗値を示し、それぞれ第１の端子と第２の端子を備えたダイオード対（Ｄ１、Ｄ２）であり、第１のダイオード（Ｄ１）の第１の端子と第２のダイオード（Ｄ２）の第２の端子が前記ノードにおいて接続されており、無線周波数信号と局部発振器信号を結合した結果を生成するダイオード対（Ｄ１、Ｄ２）と、
第１の端部と第２の端部を備え、第１の端部が、第１のダイオード（Ｄ１）の第２の端子に接続されている第１の伝送線路（ＴＬ１）と、
第１の伝送線路（ＴＬ１）の第２の端部とグラウンド（Ｇ）の間に接続された第１の抵抗器（Ｒ１）と、
第１の端部と第２の端部を備え、第１の端部が、第２のダイオード（Ｄ２）の第１の端子に接続されている第２の伝送線路（ＴＬ２）と、
第２の伝送線路（ＴＬ２）の第２の端部とグラウンド（Ｇ）の間に接続された第２の抵抗器（Ｒ２）と、
第１と第２の伝送線路（ＴＬ１、ＴＬ２）に結合され、中央伝送線路部分（１３）及び１対の端部伝送線路部分（１５）を備えており、端部伝送線路部分（１５）がそれぞれ、中央伝送線路部分（１３）の両端部につながっている共振器（１１）と、
共振器（１１）に結合され、それぞれが第１の端部と第２の端部を備え、それぞれの第１の端部がグラウンド（Ｇ）に接続されている１対の出力伝送線路（２３ａ、２３ｂ）と、
前記１対の出力伝送線路のうち第１のライン（２３ａ）の第２の端部に接続され、結合した結果の周波数に等しい周波数を備えた第１の出力信号を送り出す第１の出力ポート（１９ａ）と、
１対の出力伝送線路のうち第２のライン（２３ｂ）の第２の端部に接続され、周波数及び振幅が第１の出力信号と等しく、位相が第１の出力信号の位相とは逆である第２の出力信号を送り出す第２の出力ポート（１９ｂ）と
を設けて成る無線周波数信号ミクサ（１０）。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、ＲＦ信号ミクサにおいて、出力信号の歪みを低減することができ、スペクトル解析器に使用して入力ＲＦ信号のスペクトルを従来よりも正確に解析することができるようになる。また、その製造方法が容易であるので製造コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の望ましい実施例に従って構成された、共振器を含むＲＦミクサを示す図である。
【図２】図１に含まれる共振器の代替構成を示す図である。
【図３】図１に含まれる共振器の代替構成を示す図である。
【図４】本発明の望ましい代替実施例に従って構成された、１対の出力伝送線路を備えたＲＦミクサを示す図である。
【符号の説明】
１ ＲＦ入力
２ ＬＯポート
３ 減衰器
６ａ 伝送線路部分
６ｂ 伝送線路部分
７ 接合ノード
９ ＩＦポート
１０ ＲＦミクサ
１１ ダンベル共振器
１３ 高インピーダンス伝送線路
１５ 低インピーダンス伝送線路
１９ａ ＩＦポート
１９ｂ ＩＦポート
２３ａ 出力伝送線路
２３ｂ 出力伝送線路
Ｃ 分路コンデンサ
Ｄ１ ミクサ・ダイオード
Ｄ２ ミクサ・ダイオード
Ｇ グラウンド
Ｒ１ 終端抵抗器
Ｒ２ 終端抵抗器
ＴＬ１ 伝送線路
ＴＬ２ 伝送線路
ＴＬ３ 伝送線路

Claims (3)

1. 無線周波数信号を受信する第１のポートと、
   局部発振器信号を受信する第２のポートと、
   前記第１のポートと前記第２のポートに結合されて、前記無線周波数信号と前記局部発振器信号を重ね合わせる信号結合器と、
   前記信号結合器に結合されて、前記無線周波数信号と前記局部発振器信号を重ね合わせた信号を受信するノードと、
   それぞれ導通状態にある時には低い抵抗値を示し、それぞれ不導通状態にある時には高い抵抗値を示し、それぞれ第１の端子と第２の端子を備えるダイオードの対であって、第１のダイオードの第１の端子と第２のダイオードの第２の端子が前記ノードにおいて接続されており、前記無線周波数信号と前記局部発振器信号との混合積を生成するダイオード対と、
   第１の端部と第２の端部を備え、該第１の端部が前記第１のダイオードの前記第２の端子に接続されている第１の伝送線路と、
   前記第１の伝送線路の前記第２の端部とグラウンドとの間に接続された第１の抵抗器と、
   第１の端部と第２の端部を備え、該第１の端部が前記第２のダイオードの前記第１の端子に接続されている第２の伝送線路と、
   前記第２の伝送線路の前記第２の端部と前記グラウンドとの間に接続された第２の抵抗器と、
   伝送線路を備え、前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路に結合される共振器と、
   前記共振器に結合され、第１の端部及び第２の端部を備えており、該第１の端部が前記グラウンドに接続されている出力伝送線路と、
   前記出力伝送線路の前記第２の端部に接続され、混合積の周波数に等しい周波数を有する出力信号を送り出す第３のポートと、
   を設けて成る無線周波数信号ミクサ。
2. 前記共振器の伝送線路の端部のそれぞれが、前記共振器の伝送線路の中央部分の特性インピーダンスより低い特性インピーダンスを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線周波数信号ミクサ。
3. 前記共振器の伝送線路の端部のそれぞれとグラウンドとの間に、それぞれ結合されるコンデンサをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線周波数信号ミクサ。

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