JP4391291B2

JP4391291B2 - 無線装置

Info

Publication number: JP4391291B2
Application number: JP2004105685A
Authority: JP
Inventors: 洋中野; 康剛平地
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: US7738844B2; EP1583226B1; US20050221786A1; EP1583226A2; JP2005295098A; EP1583226A3

Description

本発明は無線装置に関し、特に３０ＧＨｚ以上の高周波数帯に好適な送信技術に関する。

近年、３０ＧＨｚ以上の準ミリ波周波数帯やミリ波周波数帯を用いる通信技術の研究が活発化している。このような高周波数帯では、安定した局部発振周波数を生成するのが難しい。送信側及び受信側にそれぞれ安定した局部発振周波数を設けない限り、高品質な通信を実現することは困難である。

特許文献１には、局部発振周波数を持つ無変調キャリアを無線変調信号とともに送信する技術が開示されている。受信側では、受信した無変調キャリアを局部発振周波数として用い、無線変調信号を復調する。受信側に高精度な局部発振器を設ける必要がないので、受信装置の構成を簡単化することができる。また、無変調キャリアと無線変調キャリアが同じ環境要因（例えば温度変動など）の影響を受けている場合には、受信した無変調キャリアを用いて復調することで、その環境要因による影響（例えば、温度変動による揺らぎ）を相殺することができ、良好な通信品質を提供することができる。
特開２００１−５３６４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、空中線出力される無変調キャリアと同一の発振周波数を発生する局部発振器を用いているため、安定した無線変調キャリアを生成することができないという問題点を有する。３０ＧＨｚ以上の発振周波数を安定して発振することができる能力を持つ局部発振器は、現在の技術では解決しなければならない課題が多い。特に、最近注目されている６０ＧＨｚ帯のミリ波無線通信を実現するために必要な６０ＧＨｚの局部発振器を製作することは、極めて高度な技術を要し、しかも大変高価である。

従って、本発明は、安定した局部発振周波数を生成することが困難な３０ＧＨｚ以上の高周波数帯を用いた無線通信を安価かつ簡単な構成で実現することができる無線装置を提供することを目的とする。

本発明は、請求項１に記載のように、局部発振器と、該局部発振器の出力信号を増幅して局部発振周波数及びその高調波成分を出力する増幅器と、前記増幅器の出力及び情報信号が入力され、前記増幅器の出力のうち、前記高調波成分をスルーし、かつ、内部で前記局部発振周波数に基づく高調波成分で前記情報信号のアップコンバート信号を生成するハーモニックミキサとを有し、前記ハーモニックミキサはアンチパラレル・ダイオードを含み、その一端に前記増幅器の出力信号を与え、他端に前記情報信号を与え、前記他端から前記ハーモニックミキサの出力信号を取り出すとともに、前記アップコンバート信号の波長の１／４の長さのショートスタブを前記一端に接続し、前記局部発振周波数の波長の１／４の長さのオープンスタブを前記他端に接続した無線装置である。増幅器で高調波成分を発生させハーモニックミキサを通して出力することで、アップコンバート信号とともに、局部発振器の出力信号の高調波成分を送信することができる。局部発振器は低い周波数を発振できればよく、３０ＧＨｚ以上の高周波数帯を用いた無線通信を安価かつ簡単な構成で実現することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ショートスタブは、前記アップコンバート信号の少なくとも一方の側波帯の中心周波数に相当する波長の１／４の長さを有する無線装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の無線装置において、前記無線装置は更に、前記高調波を線形に増幅する増幅器を含む無線装置である。

安定した局部発振周波数を生成することが困難な３０ＧＨｚ以上の高周波数帯を用いた無線通信を安価かつ簡単な構成で実現することができる無線装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る無線装置１００の構成を示すブロック図である。この無線装置１００は、ハーモニックミキサ２０、局部発振器２２、増幅器２４、電力増幅器２６及び外部接続端子２９を有する。局部発振器２２は、周波数ｆ_LOの局部発振信号を生成する。増幅器２４は、利得の線形領域と飽和領域の両方に局部発振器２２の発振出力信号の周波数帯域が位置する構成を有する。図２は、増幅器２４の入出力特性である。図の線形領域と飽和領域の両方を用いて、局部発振器２２の発振出力信号を増幅する。この発振出力は、図３（ａ）に示すように、線形増幅された信号Ｓ１に対し、歪んだ信号Ｓ２となる。この歪んだ信号Ｓ２は、図３（ｂ）のスペクトル図に示すように、周波数ｆ_LOの基本波の他に、第２高調波や第３高調波などの高調波成分を含む。以下、増幅器２４の出力信号の周波数成分をｎ・ｆ_LO（ｎは正の自然数）で表す。増幅器２４の出力信号はハーモニックミキサ２０の第１の端子に与えられる。ハーモニックミキサ２０の第２の端子には、周波数ｆ_IFの情報信号ＩＦが与えられる。ハーモニックミキサ２０は、増幅器２４の出力信号に含まれる周波数成分ｆ_LOのｎ倍波ｎ・ｆ_LOを発生して、この高調波成分と情報信号ＩＦとを合波するとともに、増幅器２４の出力信号に含まれる高調波成分ｎ・ｆ_LOをそのまま通過させる。

以下、説明を簡単にするために、増幅器２４の出力信号のうち周波数ｆ_LOの基本波（局部発振信号）と第２高調波（周波数２ｆ_LO）のみを考え、ハーモニックミキサ２０は基本波ｆ_LOの２倍波のみを発生する場合を考える。ハーモニックミキサ２０は、増幅器２４からの基本波ｆ_LOの２倍波２ｆ_LOを発生し、これを情報信号ＩＦとを合波してアップコンバートされた周波数２ｆ_LO±ｆ_IFを出力するとともに、増幅器２４からの第２高調波２ｆ_LOをそのまま通過させる。つまり、ハーモニックミキサ２０の出力信号は、周波数２ｆ_LOの信号と周波数２ｆ_LO±ｆ_IFの信号とが重ね合わさったものである。つまり、ハーモニックミキサ２０の出力は、周波数が２ｆ_LOの信号成分と、周波数が（２ｆ_LO±ｆ_IF）の信号成分とを含む。２をｎで置き換えて一般的な表記とすれば、ハーモニックミキサ２０の出力は、ｎ・ｆ_LOの周波数成分及び（ｎ・ｆ_LO±ｆ_IF）の周波数成分を含む。

図４に、ハーモニックミキサ２０の出力信号の周波数スペクトラムを示す。図の中心にある周波数ｎ・ｆ_LOの信号は増幅器２４からハーモニックミキサ２０をスルーした信号であり、右側の側波帯はその中心周波数がｎ・ｆ_LO＋ｆ_IFであり、左側の側波帯はそのその中心周波数がｎ・ｆ_LO−ｆ_IFである。今、ｆ_LO＝３０ＧＨｚ、ｆ_IF＝５ＧＨｚ、ｎ＝２とすれば、ハーモニックミキサ２０は６０ＧＨｚの信号と、６５ＧＨｚの無線変調信号と５５ＧＨｚの無線変調信号とを含む。この６０ＧＨｚの信号が空中線出力用の局部発振信号となり、２つの変調信号とともに、増幅器２６、外部接続端子２９及びアンテナ４０を介して空中に送信される。

なお、ハーモニックミキサ２０には、増幅器２４によって生成された高調波成分が入力される。ここで、ハーモニックミキサ２０内においては、この高調波成分がハーモニックミキサ２０の作用によって更に高次の周波数を生成し、これが情報信号ＩＦとミキシングされることが考えられる。しかし、実際にはハーモニックミキサ２０に入力される高調波成分の強度（パワー）は高次になるほど小さくなり、ハーモニックミキサ２０を十分に駆動できないため、これらの高次周波数が入力されることについて、実質的な影響はない。

また、増幅器２４によって生成された高調波成分はハーモニックミキサ２０をスルーするが、２倍波の周波数はハーモニックミキサ２０から出力されるミキシング周波数（目的とする周波数）と近接しているため、最終的に外部にまで出力される。一方、３倍波以上の周波数は強度がもともと小さい上、後段の回路の許容周波数外でもあるため、動作上はやはり実質的な影響が生じない。

本実施例によれば、１つの局部発振器２２を用いているにもかかわらず、その発振周波数ｆ_LOのｎ倍の周波数ｎ・ｆ_LOを持つ空中線送信用局部発振信号を生成・出力することができる。換言すれば、所望の空中線出力用局部発振周波数の１／ｎの発振周波数を持つ局部発振器２２を用意すればよい。上述した例の場合には、３０ＧＨｚの局部発振器２２を用意すればよい。従って、３０ＧＨｚ以上の高周波数帯に好適な無線通信１００を安価かつ簡単に実現することができる。また、空中線出力用局部発振信号と無線変調信号のいずれもがハーモニックミキサ２０を通るので、ハーモニックミキサ２０での揺らぎの影響を同じように受ける。従って、空中線出力用局部発振周波数を用いた受信側での復調処理により、ハーモニックミキサ２０で発生した揺らぎを相殺することができる。

なお、上記説明から分かるように、電力増幅器２６は発振周波数ｆ_LOのｎ倍の周波数ｎ・ｆ_LOを生成する動作に関与するものではないので、必要に応じて省略することができる。

図５は、ハーモニックミキサ２０の一構成例を示す回路図である。図示する回路は図を分かりやすくするために、理想線路を用いて回路部品間を接続した様子を示す。ハーモニックミキサ２０はアンチパラレル・ダイオード（以下ＡＰＤＰと略す）２０２を有する。ＡＰＤＰ２０２は２つのダイオードＤ１とＤ２を逆方向に並列に接続した構成を有する。ＡＰＤＰ２０２は、図６に示すような電流・電圧特性を持つ。この電流・電圧特性の非線形な部分を利用することで、入力信号の高調波を発生する。ＡＰＤＰ２０２の一端には、外部接続端子２１４を介して増幅器２４の出力信号が与えられる。以下、説明を簡単にするために、３０ＧＨｚの基本波ｎ・ｆ_LO（ｎ＝１）と６０ＧＨｚの第２高調波ｎ・ｆ_LO（ｎ＝２）のみを考える。ＡＰＤＰ２０２の他端には、外部接続端子２１０、デカップリング・キャパシタＣ３及びローパスフィルタ２０８を介して、情報信号ＩＦが与えられる。一例として、情報信号ＩＦの周波数は±５ＧＨｚとする。ローパスフィルタ２０８は、２つのキャパシタＣ１、Ｃ２とインダクタＬ１とを有する。オープンスタブ２０４及びショートスタブ２０６は、信号損失を抑制して効率を高めるために設けられているもので、必要に応じて設けられるものである。

今、オープンスタブ２０４及びショートスタブ２０６が接続されていない状態の動作を説明する。ＡＰＤＰ２０２は、図６に示す入出力特性の非線形部分を利用して、一端に与えられた３０ＧＨｚの局部発振周波数の第２高調波６０ＧＨｚを生成する。ＡＰＤＰ２０２の他端において、この６０ＧＨｚに情報信号ＩＦの±５ＧＨｚが混合され、６５ＧＨｚの無線変調信号と５５ＧＨｚの無線変調信号とが外部接続端子２９を介して外部に出力される。また、増幅器２４からの第２高調波である６０ＧＨｚの信号はＡＰＤＰ２０２を素通りし、外部出力端子２９に与えられる。この結果、出力端子２９には、６０ＧＨｚの信号と、６５ＧＨｚの信号と５５ＧＨｚの信号が出力される。６０ＧＨｚの信号が空中線出力用局部発振信号として、５５ＧＨｚと６５ＧＨｚの無線変調信号とともに、アンテナ４０（図１）を介して空中に出力される。

好ましくは、図５に示すように、オープンスタブ２０４及びショートスタブ２０６を設ける。オープンスタブ２０４は、ＡＰＤＰ２０２の出力側に接続されており、局部発振器２２の局部発振周波数ｆ_LOに相当する波長の１／４の長さを持つ。従って、局部発振周波数ｆ_LO（今説明している例では、３０ＧＨｚ）の信号に対して、オープンスタブ２０４の開放端はグランドとして機能する。これにより、ＡＰＤＰ２０２の両端間に３０ＧＨｚの信号が効率よく印加される。６０ＧＨｚの信号に対してオープンスタブ２０４は見えない。ショートスタブ２０６はＡＰＤＰ２０２の入力側に接続されており、無線変調信号２ｆ_LO±ｆ_IF（上記の例では、５５ＧＨｚと６５ＧＨｚ）のいずれかの周波数に相当する波長の１／４の長さを持つ。例えば、ショートスタブ２０６が６５ＧＨｚの無線変調信号の波長の１／４の長さを持つ場合、ＡＰＤＰ２０２の入力側端とグランドとの間に６５ＧＨｚの無線変調信号が効率よく印加されるので、６５ＧＨｚの無線変調信号をＡＰＤＰ２０２側に折り返すことができる。勿論、ショートスタブ２０６は５５ＧＨｚの無線変調信号の波長の１／４ｎ長さを持つ構成であってもよい。無線変調信号は、両側波を送信することもできるし、片方のみを送信することもできる。片方のみを送信する場合には、ショートスタブ２０６は１つでよい。両方送信する場合には、図７に示すように、更にショートスタブ２０８を設け、５５ＭＨｚと６５ＭＨｚの両無線変調信号に対応することが好ましい。

このように、図５に示すハーモニックミキサ２０は、空中線出力用の局部発振周波数をスルーさせることができるとともに、無線変調信号を効率よく発生することができる。

なお、必要に応じて、図８（ａ）に示すように、バンドパスフィルタ２８をハーモニックミキサ２０の後段に設けてもよい。バンドパスフィルタ２８により、不要な周波数成分を取り除くことができる。また、増幅器２４が出力する高調波成分、特に第２高調波成分のレベルが不足する場合には、第２高調波を線形で増幅する増幅器２４Ａを増幅器２４の後段に接続してもよい。更に、増幅器２４Ａの利得は可変できる構成であってもよい。また、増幅器２４の後段にバンドパスフィルタを設け、局部発振周波数ｆ_LOと第２高調波２・ｆ_LOのみをハーモニックミキサ２０に供給する構成としてもよい。

図９は、本発明の実施例２に係る無線装置２００のブロック図である。図中、前述した構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。無線装置２００は、ハーモニックミキサ２０、局部発振器２２、増幅器２４、バンドパスフィルタ２８、電力増幅器２６及び外部接続端子２９を有する。局部発振器２２の出力信号はハーモニックミキサ２０に直接供給されるとともに、分岐して増幅器２４にも供給される。ハーモニックミキサ２０は、増幅器２４の出力信号に含まれる周波数成分ｎ・ｆ_LOのｎ倍波を発生して、このｎ倍波と情報信号ＩＦとを合波する。従って、図１のハーモニックミキサ２０とは異なり、図９のハーモニックミキサ２０の出力周波数は、ｎ・ｆ_LO±ｆ_IFである。この出力信号は、バンドパスフィルタ２８を通り、電力増幅器２６に与えられる。増幅器２４は利得の線形領域と飽和領域の両方に局部発振器２２の発振出力信号の周波数帯域が位置する構成を有し、その出力信号はｎ・ｆ_LO（ｎ＝１、２、・・・）の周波数成分を持つ。つまり、増幅器２４の出力信号は、局部発振周波数ｆ_LOとその高調波成分ｎ・ｆ_LOを含む。増幅器２４の出力信号はバンドパスフィルタ２８を通ってくるハーモニックミキサ２０の出力信号と合波される。従って、電力増幅器２６は、周波数ｎ・ｆ_LOの信号と周波数ｎ・ｆ_LO±ｆ_IFの信号を電力増幅し、その出力信号を外部接続端子２９に接続されたアンテナ４０を介して送信する。

このように、無線装置２００は局部発振器２２と、局部発振器の出力信号を増幅してその高調波成分を含む信号を出力する増幅器２４と、局部発振器２４の出力信号と情報信号ＩＦとを入力して混合して前記情報信号のアップコンバート信号とを出力するハーモニックミキサ２０とを設けた構成を持ち、前記実施例１と同様の効果を奏するものである。

図９の構成に代えて、図１０に示すように、増幅器２４の出力をアンテナ４０とは別のアンテナ５０を用いて送信する構成とすることができる。つまり、空中線送信用局部発振信号を無線変調とは別のアンテナを用いて送信する構成としてもよい。なお、アンテナ５０は外部接続端子３９に接続されている。

また図１１に示すように、局部発振器２２の出力を線形増幅する増幅器２４Ｂを介在させて、所望のレベルまで増幅してハーモニックミキサ２０に出力するように構成してもよい。この場合、増幅器２４Ｂの後段にバンドパスフィルタを設け、局部発振周波数ｆ_LOのみをハーモニックミキサ２０に供給するように構成してもよい。更に、図１２に示すように、増幅器２４の後段にバンドパスフィルタ３６を設け、不要波を取り除く構成とすることもできる。例えば、バンドパスフィルタ３６は２ｆ_LOのみを通過させるものである。

以上、本発明の２つの実施例及びその変形例を説明した。本発明はこれらに限定されるものではなく、他の実施例や変形例を含むものである。

本発明の実施例１に係る無線装置のブロック図である。図１に示す増幅器２４の入出力特性を示すグラフである。図１に示す増幅器２４の出力信号波形及び周波数スペクトラムを示す図である。図１に示すハーモニックミキサの出力信号の周波数スペクトラムを示す図である。図１に示すハーモニックミキサの一構成例を示す回路図である。図５の回路で用いられているアンチパラレル・ダイオード（ＡＰＤＡ）の電圧・電流特性を示すグラフである。図１に示すハーモニックミキサの別の構成例を示す回路図である。図１に示す回路構成の変形例を示す図である。本発明の実施例２に係る無線装置のブロック図である。図９に示す構成の変形例を示すブロック図である。図９に示す構成の別の変形例を示すブロック図である。図９に示す構成の更に別の変形例を示すブロック図である。

符号の説明

２０ハーモニックミキサ２２局部発振器
２４、２４Ａ、２４Ｂ増幅器２６電力増幅器
２１０、２１２、２１４外部接続端子２８バンドパスフィルタ
３２増幅器３６バンドパスフィルタ
１００、２００無線装置２０４オープンスタブ
２０６、２０８ショートスタブ

Claims

局部発振器と、該局部発振器の出力信号を増幅して局部発振周波数及びその高調波成分を出力する増幅器と、前記増幅器の出力及び情報信号が入力され、前記増幅器の出力のうち、前記高調波成分をスルーし、かつ、内部で前記局部発振周波数に基づく高調波成分で前記情報信号のアップコンバート信号を生成するハーモニックミキサとを有し、
前記ハーモニックミキサはアンチパラレル・ダイオードを含み、その一端に前記増幅器の出力信号を与え、他端に前記情報信号を与え、前記他端から前記ハーモニックミキサの出力信号を取り出すとともに、前記アップコンバート信号の波長の１／４の長さのショートスタブを前記一端に接続し、
前記局部発振周波数の波長の１／４の長さのオープンスタブを前記他端に接続したことを特徴とする無線装置。
前記ショートスタブは、前記アップコンバート信号の少なくとも一方の側波帯の中心周波数に相当する波長の１／４の長さを有することを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
前記無線装置は更に、前記高調波を線形に増幅する増幅器を含むことを特徴とする請求項１または２記載の無線装置。