JP4344574B2 - ミリ波ミキサー - Google Patents

Description

本発明は、非放射性誘電体線路を用いたミリ波集積回路，ミリ波レーダーモジュール等に組み込まれるミリ波ミキサーに関するものである。

従来から、非放射性誘電体線路（NonRadiative Dielectric Waveguide、以下、ＮＲＤガイドともいう。）を用いたミリ波ミキサーに関する技術が提案されている。その主なものとして、例えば非特許文献１に開示された技術が知られている。

非特許文献１に開示されているミリ波ミキサーについて、図５乃至図７を用いて説明する。図５はＮＲＤガイドの基本的構成を示す部分破断斜視図、図６はＮＲＤガイドを用いた従来のミリ波ミキサーの一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はミリ波ミキサーの構成要素であるミリ波検波部を示す（ａ）のＢ部の斜視図、図７は図５に示す従来のミリ波ミキサーを構成する配線基板の一例を示す平面図である。なお、図６において平行平板導体は省略されている。

ミリ波ミキサーを構成するＮＲＤガイドの基本的構成は、図５に示すように、所定の間隔ａをもって平行に配置された平行平板導体21，22間に、断面が矩形状の誘電体線路23を、間隔ａをミリ波信号の波長λに対してａ≦λ／２として配置したものである。これにより、外部から誘電体線路23へのノイズの侵入をなくし、かつ外部への高周波信号の放射をなくして、誘電体線路23中によりミリ波信号をほとんど損失なく伝搬させることができる。なお、波長λは使用周波数における空気中（自由空間）でのミリ波信号の波長である。

図６に示す従来のミリ波ミキサーの一例において、30はミリ波信号（電磁波）を伝搬させる四フッ化エチレン，ポリスチレン等から成る誘電体線路で、この誘電体線路30の一端面には、所定の空隙をあけて、四フッ化エチレン，ポリスチレン等から成る他の誘電体線路31が配置され、さらに誘電体線路30，31とは誘電率の異なるアルミナセラミックス等から成る誘電体シート32が配置されている。そして、誘電体シート32の後方には、図７に示すように、Ｃｕ箔等から成るチョーク型バイアス供給線路33が印刷法等によって形成され、チョーク型バイアス供給線路33の途中の途切れた部分にミリ波検波用素子であるショットキーバリアダイオード（Schottky Barrier Diodeで、以下、ＳＢＤともいう。）34が実装されたミリ波検波部を成す配線基板35が配置される。また、配線基板35の後方には、四フッ化エチレン，ポリスチレン等から成るさらに他の誘電体線路36が配置されて、１つのミリ波検波部が構成される。同様にもう１つのミリ波検波部が、誘電体線路40，41、誘電体シート42、ＳＢＤ44、配線基板45および誘電体線路46で構成され、配線基板45にはチョーク型バイアス供給線路35と同様のパターンが形成されている。そして、ミリ波検波部を備えた２つの誘電体線路30と誘電体線路40とのそれぞれの中途が電磁結合するように近接配置されてミリ波ミキサーが構成されている。

このミリ波ミキサーによれば、配線基板35および配線基板45のそれぞれに接続されたＳＢＤ34およびＳＢＤ44にバイアス電圧が印加され、誘電体線路30および誘電体線路40に入射したミリ波信号がＳＢＤ34およびＳＢＤ44のそれぞれで検波されるとともにそれらの検波出力が誘電体線路30および誘電体線路40の中途の電磁結合した部分で混合（ミキシング）されて、出力端子からミキサー出力として取り出される。

このようなＮＲＤガイド型のミリ波ミキサーにおいては、ミリ波検波用素子と誘電体線路とのインピーダンス整合をとることが重要であり、そのための構成として、チョーク型バイアス供給線路のミリ波検波用素子が接続される電極間の隙間を狭くし、電極のインピーダンスをミリ波検波用素子と同程度に低く設定する構成が提案されている（例えば、非特許文献２を参照。）。また、ミリ波検波用素子を実装した配線基板のチョーク型バイアス供給線路の終端部に整合用の反射線路を接続し、さらにその終端面に反射部材を貼り合わせた構成も提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
黒木太司、米山務，「ビームリードダイオードを用いた非放射性誘電体線路回路素子」，電子通信学会論文誌Ｃ−Ｉ，社団法人電子情報通信学会，1989年２月，Vol.Ｊ73−Ｃ−Ｉ，No.２，p.71−76 黒木太司、向井友幸、米山務，「ＮＲＤガイドビームリードダイオード回路素子の広帯域化と低損失化」，1998年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会講演論文集，社団法人電子情報通信学会，1998年９月７日，Vol.１，Ｃ−２−25，p.51 特開平８−181511号公報

しかしながら、従来のＮＲＤガイド用のミリ波ミキサーでは、所望の周波数で動作させるために、誘電体線路30，31間の空隙と、誘電体線路31，36の長さと、誘電体シート32の厚みとでインピーダンス整合をとっており、それらの位置ずれや加工精度が低いと、動作周波数がずれてしまい、所望の周波数でのコンバージョンロスが劣化してしまうという問題があった。すなわち、それらの加工精度および位置決め精度の維持管理が難しく、また組立ての再現性が低いため、製造の作業性が悪くなり、信頼性の高いものとすることが困難であり、効率よい量産にも向かないという問題点があった。

さらに、従来のミリ波ミキサーでは、図５のようにＳＢＤ34が実装された配線基板35を誘電体シート32と誘電体線路36とで挟む構成になっており、このため組立作業時にＳＢＤ34に誘電体線路36が接触することがあり、それによってＳＢＤ34を破損してしまうという問題点があった。

また、インピーダンス整合を良好に行なうための構成である非特許文献２に提案された構成では、チョーク型バイアス供給線路33のインピーダンスにおいてリアクタンス成分の可変範囲が狭く、特に誘導性リアクタンスを調整することはできるが、容量性リアクタンスを調整することが困難であるという問題点があり、その結果、ＳＢＤ34が誘導性リアクタンスを主に有するため、ＳＢＤ34と誘電体線路30，31とのインピーダンス整合を十分に行なうことができず、ミリ波信号をＳＢＤ34で十分に検波することができないという問題点があった。なお、この問題点は、ＳＢＤ44を構成要素とするもう１つのミリ波検波部についても同様である。

また、インピーダンス整合を良好に行なうための構成である特許文献１に提案された構成では、整合できる周波数範囲が狭く、広い帯域のミリ波信号を使用する用途に適用できないという問題点があり、また、わずかな周波数変動に対し整合特性が急激に変化するといった問題点があった。さらに、周波数に対応させて反射線路の長さを調整する必要があり、製作の作業性が悪いという問題点もあった。

このような従来のミリ波ミキサーでは、ミリ波検波が不十分なものとなり、ミリ波信号のミキシング特性が低下し、ミリ波レーダ等に適用した際に正確な探知が困難になるという問題点があった。

本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は、様々なインピーダンスを有するミリ波検波用素子に対し、所望の動作周波数で広帯域にインピーダンス整合を行なうことができ、またそれを用いることによってミリ波レーダ等の製作の再現性および量産性を向上させることができる、ＮＲＤガイド用のミリ波ミキサーを提供することにある。

本発明のミリ波ミキサーは、ミリ波信号の波長の２分の１以下の間隔で配置した平行平板導体間に配置された２つの誘電体線路の各々の中途を電磁結合するように近接させるかまたは接合させ、前記２つの誘電体線路を伝搬してきた各々のミリ波信号を混合して中間周波信号を発生するミリ波ミキサーであって、前記２つの誘電体線路の各々は、その誘電体線路の途中に挿入されるかまたは一端に設置された、基板上に幅の広い線路と幅の狭い線路とを交互に形成して成るチョーク型バイアス供給線路の途中に前記ミリ波信号に対して検波作用のあるミリ波検波用素子を接続用導体を介して接続したミリ波検波部を備えており、前記接続用導体と前記チョーク型バイアス供給線路の前記幅の広い線路との間に、前記接続用導体および前記幅の狭い線路よりも幅が広く前記幅の広い線路よりも幅が狭い幅Ｗを有する線路導体が、前記幅Ｗの部位で直接、前記幅の広い線路に接続されていることを特徴とするものである。

本発明のミリ波ミキサーにおいて、好ましくは、前記誘電体線路の端面と前記ミリ波検波用素子との間に前記誘電体線路よりも誘電率の低い誘電体部材が設けられていることを特徴とする。

本発明のミリ波ミキサーにおいて、好ましくは、前記線路導体は、その幅が前記接続用導体の幅の５倍以下であることを特徴とする。

本発明のミリ波ミキサーにおいて、好ましくは、前記線路導体は、その長さが前記ミリ波信号の波長のｎ／４倍（ｎは自然数）であることを特徴とする。

本発明のミリ波ミキサーにおいて、好ましくは、前記線路導体は、その長さが前記ミリ波信号の波長のｍ／４倍（ｍは２以上の自然数）であり、その長さ方向の前記接続用導体から前記ミリ波信号の波長の１／４倍の部位に前記線路導体よりも幅広のスタブが形成されていることを特徴とする。

本発明のミリ波ミキサーにおいて、好ましくは、前記ミリ波検波用素子がショットキーバリアダイオードであることを特徴とする。

本発明のミリ波ミキサーによれば、ミリ波信号の波長の２分の１以下の間隔で配置した平行平板導体間に配置された２つの誘電体線路の各々の中途を電磁結合するように近接させるかまたは接合させ、２つの誘電体線路を伝搬してきた各々のミリ波信号を混合して中間周波信号を発生するミリ波ミキサーであって、２つの誘電体線路の各々は、その誘電体線路の各々の途中に挿入されるかまたは一端に設置された、基板上に幅の広い線路と幅の狭い線路とを交互に形成して成るチョーク型バイアス供給線路の途中にミリ波信号に対して検波作用のあるミリ波検波用素子を接続用導体を介して接続したミリ波検波部を備えており、接続用導体は、チョーク型バイアス供給線路の幅の広い線路に接続された、接続用導体よりも幅が広く、幅の広い線路よりも幅が狭い線路導体に接続されていることから、線路導体の幅によりミリ波検波用素子と接続用導体との合成インピーダンスが誘電体線路のインピーダンスに対して整合するように調整され、このとき線路導体はその幅の調整範囲でミリ波検波用素子が容量性リアクタンスを有する場合に加えて誘導性リアクタンスを有する場合にもその容量性または誘導性リアクタンスを打ち消すように働くので、様々なインピーダンスを有するミリ波検波用素子に対し、所望の動作周波数で広帯域にインピーダンス整合が行なえるものとなる。その結果、ミリ波検波用素子とチョーク型バイアス供給線路との接続部において、ミリ波信号の反射損失等が小さくなり、伝送特性が向上することとなる。このことは、本発明者らの実験によって確かめられたものである。

また、本発明のミリ波ミキサーによれば、誘電体線路の端面とミリ波検波用素子との間に誘電体線路よりも誘電率の低い誘電体部材が設けられているときには、基板側の条件によって線路導体により大きな容量性リアクタンスを持たせることができ、線路導体は、ミリ波検波用素子が有する、より大きな誘導性リアクタンスをも打ち消すように働くので、誘電体線路とミリ波検波用素子との間のインピーダンス整合をより良好に行なうことができる。

また、本発明のミリ波ミキサーによれば、線路導体はその幅が接続用導体の幅の５倍以下であるときには、線路導体はより大きな容量性リアクタンスを有することとなり、線路導体は、ミリ波検波用素子が有する、より大きな誘導性リアクタンスをも打ち消すように働くので、線路導体に適当な誘導性または容量性リアクタンスを持たせることができ、より大きな誘導性リアクタンスを持つミリ波検波用素子に対しても良好にインピーダンス整合を行なうことができる。また、線路導体のインピーダンスにおいて、誘導性リアクタンスが容量性リアクタンスよりも大きくなりすぎるのを抑えて、誘導性リアクタンスおよび容量性リアクタンスによってバランスよく良好にインピーダンス整合を行なうことができる。

また、本発明のミリ波ミキサーによれば、線路導体はその長さがミリ波信号の波長のｎ／４倍（ｎは自然数、すなわち１以上の整数）であるときには、ミリ波検波用素子の接続部から見た線路導体およびチョーク型バイアス供給線路のインピーダンスは容量性となり、誘電性のインピーダンスを有するミリ波検波用素子との整合をより好適に行なうことができる。また、線路導体からチョーク型バイアス供給線路に入り込もうとする高周波信号を防ぐことができ、線路導体をチョーク型バイアス供給線路の一部として機能させることができる。

また、本発明のミリ波ミキサーによれば、線路導体はその長さがミリ波信号の波長のｍ／４（ｍは２以上の自然数）であり、その長さ方向の接続用導体からミリ波信号の波長の１／４倍の部位に線路導体よりも幅広のスタブが形成されているときには、線路導体においてミリ波信号を共振させるとともにスタブでインピーダンスを変えることができるので、ミリ波検波用素子の接続部から見た線路導体およびチョーク型バイアス供給線路のインピーダンスはさらに大きな容量性を有することとなり、誘導性のインピーダンスを有するミリ波検波用素子との整合を好適に行なうことができる。また、スタブでインピーダンスを整合することによって、線路導体からチョーク型バイアス供給線路に入り込もうとする高周波信号をより確実に防いで遮断することができる。

また、本発明のミリ波ミキサーによれば、ミリ波検波用素子がショットキーバリアダイオードであるときには、例えばパルス化されたミリ波信号等の急峻な信号強度変化を伴うミリ波信号に対しても確実に応答する良好なミリ波ミキシングを行なうことができる。

本発明のミリ波ミキサーについて、その実施の形態の一例であるＮＲＤガイドを用いたミリ波ミキサーＭ１を例にとって、以下に詳細に説明する。

図１は本発明のミリ波ミキサーの実施の形態の一例であるミリ波ミキサーＭ１について、その構成を模式的に示したものであり、（ａ）はミリ波ミキサーＭ１の平面図、（ｂ）はミリ波ミキサーＭ１の構成要素であるミリ波検波部（（ａ）のＡ部）の斜視図である。なお、図１において平行平板導体は省略されている。

また、図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれミリ波ミキサーＭ１に用いられる、ミリ波検波用素子が接続されて実装される基板についての実施の形態の例を示した平面図である。さらに、図３は本発明のミリ波ミキサーＭ１におけるミリ波検波部およびそれにバイアスを印加するためのバイアス回路の基本的構成の例を示したものであり、（ａ）は一般的なバイアス回路の回路図、（ｂ）はミリ検波用素子の一般的な等価回路図、（ｃ）はミリ波検波部の模式的な等価回路図である。そして、図４はミリ波ミキサーＭ１のコンバージョンゲイン特性の一例を示すグラフである。

本発明のミリ波ミキサーＭ１は、ミリ波信号の波長の２分の１以下の間隔で配置した平行平板導体間に配置された２つの誘電体線路1および誘電体線路11の各々の中途を電磁結合するように近接させるかまたは接合させ、誘電体線路１，２または誘電体線路11，12を伝搬してきた各々のミリ波信号を混合（ミキシング）して中間周波信号を発生するものである。

誘電体線路１と一体に接続された誘電体線路２および同様に誘電体線路11と一体に接続された誘電体線路12は、誘電体線路２および誘電体線路12のそれぞれの一端に設置された、基板４および基板14上に幅の広い線路５ｂと幅の狭い線路５ａとを交互に形成して成るチョーク型バイアス供給線路５の途中の途切れた部位にミリ波信号に対して検波作用のあるミリ波検波用素子であるＳＢＤ３を接続用導体（図示せず）を介して接続したミリ波検波部を備えている。そして、本発明のミリ波ミキサーＭ１においては、このミリ波検波部は、接続用導体が、チョーク型バイアス供給線路５の幅の広い線路５ｂに接続された、接続用導体よりも幅が広く幅の広い線路５ｂよりも幅が狭い直線状の線路導体６（６ａ，６ｂ）に接続されている。

誘電体線路１，２および誘電体線路11，12は、四フッ化エチレン，ポリスチレン，コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）セラミックス，ガラスセラミックス等から成る。基板４および基板14は、四フッ化エチレン，ポリスチレン，ガラスセラミックス，ガラスエポキシ樹脂，エポキシ樹脂等から成り、この基板４，14の一主面に、アルミニウム（Ａｌ），金（Ａｕ），銅（Ｃｕ）等のストリップ導体から成るチョーク型バイアス供給線路５および線路導体６が形成されて、ミリ波検波部の配線基板が構成される。

チョーク型バイアス供給線路５は、一般に知られるマイクロストリップ線路等の分布定数線路で用いられるローパスフィルタと同様に、（図３（ａ）のChoke１またはChoke２に相当する）幅の狭い線路５ａと幅の広い線路５ｂとで構成され、幅の狭い線路５ａの幅および長さならびに幅の広い線路５ｂの幅および長さが、ミリ波信号の漏洩を阻止するとともに、ＳＢＤ３に直流バイアス電圧を印加し、検波出力を透過するように決められる。すなわち、幅の狭い線路５ａの幅は幅の広い線路５ｂの幅よりも狭く設定されるとともに幅の狭い線路５ａの長さおよび幅の広い線路５ｂの長さはインピーダンスが反転するλ／４（λはミリ波信号の波長）に設定される。これにより、幅の狭い線路５ａがインダクタンスとして、幅の広い線路５ｂがキャパシタンスとしてそれぞれ働き、全体でＬＣローパスフィルタとして動作し、ＳＢＤ３の検波出力を阻止するとともにＳＢＤ３に直流バイアス電圧を印加するように動作する。このとき、ＳＢＤ３の検波出力を阻止するための阻止周波数帯域は、幅の狭い線路５ａの幅および長さならびに幅の広い線路５ｂの幅および長さを適宜調整することによって調整すればよい。このとき、幅の狭い線路５ａの長さおよび幅の広い線路５ｂの長さをそれぞれλ／４とすれば、それぞれに最も大きなインダクタンスおよびキャパシタンスを与えることができ、チョーク型バイアス供給線路５の大きさを小さくできるので好ましい。

ＳＢＤ３，13は、それぞれ基板４，14上のチョーク型バイアス供給線路５の途中に、線路導体６の一端に導体バンプが接続される接続パッド等の接続用導体を介して接続され、ミリ波信号７のＬＳＭモードの電磁波の電界方向Ｅとほぼ同一の方向にバイアス電流が流れるように配置される。

そして、ミリ波ミキサーＭ１においては、図３（ａ）に回路図で示すようなバイアス回路で、基板４，14のそれぞれに接続されたＳＢＤ３，13にバイアス電圧が印加され、誘電体線路１，11に入射したミリ波信号７がそれぞれＳＢＤ３，13で検波されるとともにそれらの検波出力がミキシングされて、出力端子（図示せず）から中間周波信号であるミキサー出力Ｐ_ＭＩＸとして取り出される。

この本発明のミリ波ミキサーＭ１においては、接続用導体とチョーク型バイアス供給線路５との間に、幅の広い線路５ｂに接続された、接続用導体よりも幅が広く幅の広い線路５ｂよりも幅が狭い通常は直線状の線路導体６（６ａ，６ｂ）が形成され、この線路導体６に接続用導体が接続されていることから、線路導体６（６ａ，６ｂ）の幅によりミリ波検波用素子（ＳＢＤ３，13）と線路導体６（６ａ，６ｂ）との合成インピーダンスが誘電体線路１，２，11，12のインピーダンスに対して整合するように調整され、このとき線路導体６（６ａ，６ｂ）はその幅の調整範囲でミリ波検波用素子（ＳＢＤ３，13）が容量性リアクタンスを有する場合に加えて誘導性リアクタンスを有する場合にもその容量性または誘導性リアクタンスを打ち消すように働くので、様々なインピーダンスを有するミリ波検波用素子に対し、所望の動作周波数で広帯域にインピーダンス整合が行なえるものとなる。その結果、ミリ波検波用素子（ＳＢＤ３，13）とチョーク型バイアス供給線路５との接続部においてミリ波信号の反射損失等を小さくすることができ、ミリ波ミキシング特性を向上させることができる。

以下に、その理由を詳細に説明する。なお、以下の説明において、ＳＢＤ３およびそれを用いて構成されるミリ波検波部についての説明は、ＳＢＤ13およびそれを用いて構成されるミリ波検波部についても同様である。

まず、第一に、良好なミリ波ミキシング特性を得る上で重要な点は、入力されたミリ波信号７をできる限り損失を少なくしつつミキサー出力Ｐ_ＭＩＸに変換することであり、それには、その程度を表す次に述べるコンバージョンゲインＧ_ｃを大きくすることが重要であるのは言うまでもない。

ここで、ミキサー出力Ｐ_ＭＩＸ，誘電体線路１および誘電体線路11に入力させるミリ波信号７をそれぞれＰ_ＬＯおよびＰ_ＲＦ、また、Ｐ_ＬＯとＰ_ＲＦとの位相差をδとすれば、
Ｐ_ＭＩＸ＝（Ｐ_ＲＦ・Ｐ_ＬＯ・ｓｉｎδ・Ｇ_ｃ）^１／２
ただし、Ｇ_ｃはミキサーのコンバージョンゲインを表している。

で表される。

コンバージョンゲインＧ_ｃを決定づける要素としてはミリ波検波部において２つあり、１つはＳＢＤ３の遮断周波数ｆ_ｃであり、もう１つはＳＢＤ３と誘電体線路１とのインピーダンス整合である（ＳＢＤ13を用いて構成されるミリ波検波部についても同様である。）。これらがともにＳＢＤ３（ＳＢＤ13）自身の電気的特性に依存し、コンバージョンゲインＧ_ｃの特性を決定づけているものである。

次に、ＳＢＤ３の電気的な等価回路は図３（ｂ）に回路図で示す通りであり、このＳＢＤ３の順方向バイアス時のインピーダンスＺ_ｄ１は、
Ｚ_ｄ１＝Ｒ_ｓ＋Ｒ_ｊ＋ｊω・Ｌ_ｂ
で表される。

ただし、Ｒ_ｓは半導体基板（通常はｎ＋ドープ層である。）の抵抗とエピタキシャル層（ｎ層）の抵抗とバックコンタクトの抵抗とが直列に接続された合成抵抗、Ｒ_ｊはショットキー接合部の非線形抵抗、Ｌ_ｂはショットキー接合部へのコンタクト配線であるリードのインダクタンスである。

また、図３（ｂ）に示すようにＳＢＤ３の無バイアス時のインピーダンスＺ_ｄ０は、
Ｚ_ｄ０＝Ｒ_ｊ／（１＋ｊω・Ｒ_ｊ・Ｃ_ｊ）＋Ｒ_ｓ＋ｊω・Ｌ_ｂ
で表される。

ただし、Ｃ_ｊはショットキー接合部の電気的な容量（キャパシタンス）である。

また、ＳＢＤ３の遮断周波数ｆ_ｃは、
ｆ_ｃ＝１／（２π・Ｃ_ｊ・Ｒ_ｓ）
で表される。

これらＳＢＤ３の特性を決めるパラメータのうち、動作周波数を決める遮断周波数ｆ_ｃが最も重要なので、通常、それが初めに決められる。一般的に、遮断周波数ｆ_ｃを大きくするためにはＣ_ｊ，Ｒ_ｓともに小さくすることが要求される。このうちＲ_ｓは、キャリア密度とキャリアの移動度とによって決まる値であるが、移動度は半導体材料に固有の値で決まっており、通常の設計では、キャリア密度しか変える余地がない。ところが、キャリア密度はＣ_ｊにも影響を与える値であって、Ｒ_ｓが小さくなるようにキャリア密度を設定すると逆にＣ_ｊが大きくなってしまう傾向にある。そのため、動作周波数を高くするとき、Ｃ_ｊを小さくするような設計が行なわれるのが一般的である。

ミリ波ミキサーＭ１では、ＳＢＤ３をミリ波で動作させるので、特にＣ_ｊを小さくすることが肝要である。そのため、ミリ波ミキサーＭ１に用いられるＳＢＤ３では、エピタキシャル層上の絶縁層に設けた小径のコンタクトホールを通して、非常に狭い領域のエピタキシャル層上に金属層を点接触させることによりショットキー接合が形成される。この金属層への配線は先の細いリードで行なわれるため、リードのインダクタンスＬ_ｂによってＺ_ｄ１の誘導性リアクタンスが大きくなる傾向にある。

例えば、Ｌ_ｂ＝0.2ｎＨを有する一般的なＳＢＤ３に順方向バイアス電圧をかけ、75ＧＨｚのミリ波信号を入射させたとき、Ｚ_ｄ１のリアクタンス成分Ｉｍ｛Ｚ_ｄ１｝は約94Ωの誘導性リアクタンスとなる。Ｉｍ｛Ｚ_ｄ１｝は、キャパシタ等の容量性リアクタンスによって、インピーダンスが整合するように補正され得るが、ＳＢＤ３自体でそれを実現することは、素子サイズの制限上十分な容量を得ることが難しいため、また量産性や信頼性の観点からも困難が伴う。

これに対して、本発明者らは、図３（ｃ）にミリ波検波部の等価回路を模式図で示すように、誘電体線路１，２（インピーダンスＺ_ＮＲＤ）とＳＢＤ３（インピーダンスＺ_ｄ）との間に設けられた基板４による配線基板（インピーダンスＺ_Ｌ）が容量性リアクタンスを持つようにすると、容易かつ確実に良好なインピーダンス整合が行なえることを見い出した。

すなわち、ミリ波信号７を中間周波信号に損失を少なくしつつ変換して十分なミキサー出力Ｐ_ＭＩＸを得るためには、ＳＢＤ３の遮断周波数ｆ_ｃをミリ波信号７の検波に適合するように設計した結果、誘導性のインピーダンスを持つ傾向にあるＳＢＤ３と良好にインピーダンス整合するように容量性リアクタンスを持つ、基板４に形成した線路導体６を介してＳＢＤ３を誘電体線路１，２に電気的に接続し、コンバージョンゲインＧ_ｃを大きくすればよい。

このように基板４に形成した線路導体６に容量性リアクタンスを持たせるには、基板４上にＳＢＤ３の左右に形成した直線状の線路導体６（６ａ，６ｂ）の幅を、接続用導体よりも広く、かつ幅の広い線路５ｂよりも狭くすればよい。線路導体６（６ａ，６ｂ）の幅を狭くして面積を小さくするほど、ＳＢＤ３部から見たミリ波検波部のインピーダンスをＺ_Ｌとすれば、Ｚ_Ｌのリアクタンス成分Ｉｍ｛Ｚ_Ｌ｝の容量性リアクタンスが大きくなるように作用し、より大きな誘導性リアクタンスを有するＳＢＤ３と誘電体線路１，２とのインピーダンス整合を良好にとることができる。

また、基板４側の条件によって線路導体６に容量性リアクタンスを持たせるようにするには、基板４を構成する誘電体基板の誘電率を誘電体線路１，２よりも低くしてもよい。基板４の誘電体基板の誘電率を誘電体線路１，２よりも低くするほど、Ｉｍ｛Ｚ_Ｌ｝の容量性リアクタンスが大きくなるように作用し、誘導性リアクタンスを有するＳＢＤ３と誘電体線路１，２とのインピーダンス整合を良好にとることができる。

また、基板４の誘電体基板の誘電率を誘電体線路１，２よりも低くする代わりに、基板４と誘電体線路２との間に空隙を設ける構成としてもよく、または基板４と誘電体線路２との間にそれらよりも低い誘電率の誘電体部材を挿入する構成としてもよく、またはこれらの構成を組み合わせることもできる。これらの場合にもＩｍ｛Ｚ_Ｌ｝の容量性リアクタンスを大きくすることができる。

この構成においては、基板４の誘電体基板の誘電率または基板４と誘電体線路１，２との間の間隔を制御することにより、ＳＢＤ３のリアクタンス成分が広い範囲で変化しても、それに追従して適切なインピーダンスを設定することができ、良好なインピーダンス整合を行なうことができる。

また、基板４およびＳＢＤ３でインピーダンス整合ができるので、誘電体線路１，２の終端部においてインピーダンス整合を行なって、ミリ波信号７の波長λを中心に広い帯域で良好なインピーダンス整合を行なうことができる。そのうえ、誘電体線路１，２側の誘電率や幅等の調整は不要であり、誘電体線路１，２と基板４との配置も容易になる。

また、従来のミリ波ミキサーでは、線路導体６（６ａ，６ｂ）の幅Ｗに相当する部分の幅が1.2〜1.4ｍｍ程度であり、ＳＢＤ３を線路導体６（６ａ，６ｂ）に相当する部分に接続する接続用導体の幅の10倍以上であったが、本発明のミリ波ミキサーＭ１では、線路導体６（６ａ，６ｂ）の幅Ｗを接続用導体の幅の５倍以下としておくことがよく、より好ましくは、幅Ｗを接続用導体の幅と同じか、または接続用導体が接続されるＳＢＤ３の電極の幅と同じとしておくことがよい。このように、線路導体６（６ａ，６ｂ）の幅Ｗを接続用導体の幅の５倍以下とすることにより、Ｉｍ｛Ｚ_Ｌ｝が−50Ω（リアクタンスが負であるのは容量性であることを示している。）程度まで設定でき、誘導性または容量性リアクタンスのいずれでも設定でき、−100Ω〜＋200Ω程度（Ｌ_ｂ＝0.1ｎＨを整合する程度）までの範囲のリアクタンスを有するＳＢＤ３に対して、良好にインピーダンス整合を行なうことができる。

線路導体６（６ａ，６ｂ）の幅Ｗが接続用導体の幅の５倍よりも大きいと、適当な容量性または誘電性リアクタンスを持たせることが困難となり、大きな誘電性または容量性リアクタンスを持つＳＢＤ３に整合させることができなる場合がある。また、線路導体６（６ａ，６ｂ）の幅Ｗが接続用導体の幅より小さくなると、接続用導体を接続してＳＢＤ３の実装を行なうのに十分な接合面積を確保することが困難となり、ＳＢＤ３を基板４に十分な強度で固定することが困難となって、ミリ波ミキサーＭ１の信頼性が低下する傾向にある。また、ＳＢＤ３の実装自体が困難となる。

また、さらに、線路導体６（６ａ，６ｂ）の長さＬ、およびそれらの間隔Ｄを制御しても、Ｉｍ｛Ｚ_Ｌ｝を調整することができ、従来よりも調整範囲が広くなる。すなわち、線路導体６（６ａ，６ｂ）は、その長さＬがミリ波信号７の波長λのｎ／４倍（ｎは自然数）であることがよい。この場合、Ｉｍ｛Ｚ_Ｌ｝は容量性となり、誘導性のＩｍ｛Ｚ_ｄ１｝の整合により好適である。より好ましくは、Ｌ＝λ／４（ｎ＝１）とするのがよく、このときには、基板４の長さを最小にできるとともにミリ波信号７の損失を最小にできる。

また、図２（ｂ）に示すように、線路導体６（６ａ，６ｂ）は、その長さがミリ波信号７の波長のｍ／４倍（ｍは２以上の自然数）であり、その長さ方向の接続用導体からミリ波信号の波長の１／４倍の部位にミリ波信号を遮断するための線路導体６（６ａ，６ｂ）よりも幅広のスタブ８が形成されていることが好ましい。この場合、線路導体６（６ａ，６ｂ）においてミリ波信号７を共振させるとともにスタブ８でインピーダンスを変えることができ、これによってＩｍ｛Ｚ_Ｌ｝はさらに大きな容量性を有することとなり、誘導性のＩｍ｛Ｚ_ｄ１｝の整合に好適なものとなる。

このようなスタブ８は、線路導体６（６ａ，６ｂ）の長さ方向の接続用導体からミリ波信号の波長の１／４倍の部位に形成されていればよいが、これとともに線路導体６（６ａ，６ｂ）の長さに応じて、さらに波長の２／４倍，３／４倍等のｋ／４倍（ｋはｍより小さい自然数）の部位にも形成しておいても構わない。このように複数の部位にスタブ８を形成したときは、より大きな容量性または誘導性リアクタンスを持たせることができ、より大きな誘導性または容量性リアクタンスを持つミリ波検波用素子に対しても良好にインピーダンス整合を行なうことができるものとなる。

また、スタブ８を形成するに当たって、その線路導体６（６ａ，６ｂ）からの高さｈによって、誘導性から容量性に変わるため、ミリ波検波用素子のインピーダンスに整合するようにｈを決める。例えば大きな容量性を持たせるためには、ｈ＝λ／４とすればよい。線路導体６（６ａ，６ｂ）の長さ方向の幅ｔは、特に制限はなく、例えば幅の狭い線路５ａと同じ幅とすればよい。なお、図２（ｂ）に示すように、スタブ８を形成する場合における線路導体６（６ａ，６ｂ）の長さＬは、図２（ａ）の場合と同様に決めればよい。

本発明のミリ波ミキサーＭ１において、ミリ波検波用素子はＳＢＤ３，13であることがよく、ＳＢＤ３，13に印加するバイアス電圧を制御することによりミリ波信号７の検波を低損失で行なうことができ、これによってミリ波ミキサーＭ１のコンバージョンゲイン特性が向上し、良好なミリ波ミキシングを行なうことができる。

また、ミリ波検波用素子としては、ＳＢＤ３，13以外にピン（ＰＩＮ）ダイオードやバラクタダイオード等であってもよい。

かくして、本発明のミリ波ミキサーＭ１によれば、様々なインピーダンスを有するミリ波検波用素子（ＳＢＤ３，13）に対し、所望の動作周波数で広帯域にインピーダンス整合を行なうことができ、また製作の再現性および量産性を向上させることができるものとなる。

本発明のミリ波ミキサーの具体例を以下に説明する。

図１に示すミリ波ミキサーＭ１を以下のようにして構成した。平行平板導体として厚さ６ｍｍの２枚のアルミニウム板を1.8ｍｍの間隔ａで配置し、それらの間に、断面形状が1.8ｍｍ（高さ）×0.8ｍｍ（幅）の矩形状であり、比誘電率が4.8のコージェライトセラミックスから成る誘電体線路１を配置した。さらに、その一端側に、断面形状が1.8ｍｍ（高さ）×0.8ｍｍ（幅）の矩形状で長さが3.6ｍｍであり、比誘電率が4.8のガラスセラミックスから成る誘電体線路２を接続させて配置した。また、誘電体線路11，12についても同様に配置した。

そして、誘電体線路２の誘電体線路１と反対側の端面に、厚さ0.2ｍｍの低誘電率の熱可塑性樹脂から成る有機樹脂基板（比誘電率ε_r＝3.0）から成る基板４を用いたミリ波検波部を配置した。ミリ波検波部の一主面（誘電体線路２と反対側の面）には、幅の広い線路５ｂと幅の狭い線路５ａとを交互に形成して成る銅から成るチョーク型バイアス供給線路５が形成されており、幅の広い線路５ｂの長さはλ_１／４＝0.7ｍｍ（ミリ波信号の周波数76.5ＧＨｚの波長約４ｍｍに対してλ_１は2.8ｍｍであり、誘電体基板において短波長化されている。）、幅の狭い線路５ａの長さはλ_１／４＝0.7ｍｍであり、幅の広い線路５ｂの幅は1.5ｍｍ、幅の狭い線路５ａの幅は0.2ｍｍとした。また、同様に、誘電体線路12の誘電体線路11と反対側の端面に、厚さ0.2ｍｍの低誘電率の熱可塑性樹脂から成る有機樹脂基板（比誘電率ε_r＝3.0）から成る基板14を用いた同様のミリ波検波部を配置し、誘電体線路１の中途と誘電体線路11の中途とを電磁結合するように近接させて配置した。

線路導体６（６ａ，６ｂ）は、銅から成り、チョーク型バイアス供給線路５の幅の広い線路５ｂに接続されており、線路導体６（６ａ，６ｂ）の中央に上下方向の幅が1.5ｍｍのスタブ８が設けられた、Ｌ＝λ／４＝0.7ｍｍの線路導体６（６ａ，６ｂ）として形成した。また、線路導体６（６ａ，６ｂ）間の間隔Ｄは0.2ｍｍ、線路導体６（６ａ，６ｂ）の幅Ｗは0.8ｍｍとした。

そして、線路導体６（６ａ，６ｂ）の各端部に設けられた直径0.1ｍｍの接続用導体としての接続パッドに、フリップチップタイプのＳＢＤ３を金バンプで接続し実装した。ＳＢＤ３の金バンプが接続される電極および接続パッドの長さは0.13ｍｍであった。

このようにして作製したミリ波ミキサーＭ１について、ミリ波発振器，パワーメータ，およびスペクトラムアナライザを用いて76.1〜76.9ＧＨｚのコンバージョンゲイン特性を測定した。

図５はミリ波ミキサーＭ１のコンバージョンゲイン特性を測定した結果の一例を示すグラフであり、横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）を、縦軸はコンバージョンゲインＧ_ｃ（単位：ｄＢ）を表わしており、上記実施例によるものを黒四角および実線による特性曲線で、また従来技術によるものを黒丸および点線による特性曲線で示して比較したものである。

図５に示す結果から、従来技術によるミリ波ミキサーでは、コンバージョンゲインＧ_ｃが常に−10ｄＢを下回っており、最悪値が−18.2ｄＢであるのに対して、本発明の実施例のミリ波ミキサーでは常にコンバージョンゲインＧ_ｃが−10ｄＢ以上の良好な特性を有していることが分かる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に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で種々の変更を行なうことは何等差し支えない。例えば、基板のチョーク型バイアス供給線路が形成された面の反対面にも、線路導体と同様の材質の導体パターンを誘電体線路から適当な距離だけ離隔させて設けるようにしてもよく、この場合には、その導体パターンが形成された面においても、適切にキャパシタンスの調整ができるようになり、誘電体線路を伝搬するミリ波信号に対し、その伝搬方向にインピーダンスの変化を滑らかにすることができて、さらにミリ波検波部からのミリ波信号の反射が小さく、コンバージョンゲイン特性が良好なものとなる。

本発明のミリ波ミキサーの実施の形態の一例を示しており、（ａ）はミリ波ミキサーＭ１の平面図、（ｂ）はミリ波ミキサーＭ１のミリ波検波部を示す（ａ）のＡ部の斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明のミリ波ミキサーＭ１に用いられる、ミリ波検波用素子が接続されて実装される基板についての実施の形態の例を示した平面図である。 本発明のミリ波ミキサーＭ１におけるミリ波検波部およびそれにバイアスを印加するためのバイアス回路の基本的構成の例を示したものであり、（ａ）は一般的なバイアス回路の回路図、（ｂ）はミリ検波用素子の一般的な等価回路図、（ｃ）はミリ波検波部の模式的な等価回路図である。 ミリ波ミキサーＭ１のコンバージョンゲイン特性の一例を示すグラフである。 ＮＲＤガイドの基本的構成を示す内部を一部透視した部分破断斜視図である。 従来のミリ波ミキサーの一例を示しており、（ａ）はミリ波ミキサーの平面図、（ｂ）はミリ波ミキサーのミリ波検波部を示す（ａ）のＢ部の斜視図である。 従来のミリ波ミキサーを構成する配線基板の一例を示す平面図である。

符号の説明

１，11：誘電体線路
２，12：誘電体線路
３，13：ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）（ミリ波検波用素子）
４，14：基板
５：チョーク型バイアス供給線路
５ａ：幅の狭い線路
５ｂ：幅の広い線路
６，６ａ，６ｂ：線路導体
７：ミリ波信号
８：スタブ
Ｍ１：ミリ波ミキサー

Claims (6)

1. ミリ波信号の波長の２分の１以下の間隔で配置した平行平板導体間に配置された２つの誘電体線路の各々の中途を電磁結合するように近接させるかまたは接合させ、前記２つの誘電体線路を伝搬してきた各々のミリ波信号を混合して中間周波信号を発生するミリ波ミキサーであって、前記２つの誘電体線路の各々は、その誘電体線路の途中に挿入されるかまたは一端に設置された、基板上に幅の広い線路と幅の狭い線路とを交互に形成して成るチョーク型バイアス供給線路の途中に前記ミリ波信号に対して検波作用のあるミリ波検波用素子を接続用導体を介して接続したミリ波検波部を備えており、前記接続用導体と前記チョーク型バイアス供給線路の前記幅の広い線路との間に、前記接続用導体および前記幅の狭い線路よりも幅が広く前記幅の広い線路よりも幅が狭い幅Ｗを有する線路導体が、前記幅Ｗの部位で直接、前記幅の広い線路に接続されていることを特徴とするミリ波ミキサー。
2. 前記誘電体線路の端面と前記ミリ波検波用素子との間に前記誘電体線路よりも誘電率の低い誘電体部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載のミリ波ミキサー。
3. 前記線路導体は、その幅が前記接続用導体の幅の５倍以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のミリ波ミキサー。
4. 前記線路導体は、その長さが前記ミリ波信号の波長のｎ／４倍（ｎは自然数）であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のミリ波ミキサー。
5. 前記線路導体は、その長さが前記ミリ波信号の波長のｍ／４倍（ｍは２以上の自然数）であり、その長さ方向の前記接続用導体から前記ミリ波信号の波長の１／４倍の部位に前記線路導体よりも幅広のスタブが形成されていることを特徴とする請求項４記載のミリ波ミキサー。
6. 前記ミリ波検波用素子がショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のミリ波ミキサー。

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