JP4654943B2

JP4654943B2 - 偶高調波ミキサ

Info

Publication number: JP4654943B2
Application number: JP2006052611A
Authority: JP
Inventors: 靖和田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007235368A

Description

本発明は、アンチパラレルダイオードペアを用いた偶高調波ミキサ回路に関する。

２つのダイオードを夫々の極性を逆にして並列に接続して成るアンチパラレルダイオードペアを用いた偶高調波ミキサ回路は、局部発振周波数（ｆ_ＬＯ）の２倍の周波数と中間周波数（ｆ_ＩＦ；ｆ_ＬＯ≫ｆ_ＩＦ）を混合することにより、無線周波数（ｆ_ＲＦ）として、
ｆ_ＲＦ＝２ｆ_ＬＯ±ｆ_ＩＦ
を取り出す構成とすることができ、局部発振器を低い発振周波数の回路構成とすることが出来ることから、無線通信装置を安価に構成する技術としてマイクロ波、ミリ波帯等で広く用いられている（特許文献１〜４参照）。

図６は、アンチパラレルダイオードを用いた一般的なマイクロ波、ミリ波帯の偶高調波ミキサ回路を示しており、アンチパラレルダイオード３は、順方向電圧Ｖｆが同一値の２つのダイオードを逆方向に並列接続させ、一方の端子に局部発振器１から局部発振周波数（ｆ_ＬＯ）を入力し、他方の端子に中間周波数（ｆ_ＩＦ）を入力するとともに、該他方の端子から局部発振周波数（ｆ_ＬＯ）の２倍の周波数と中間周波数（ｆ_ＩＦ）とを混合した無線周波数（ｆ_ＲＦ）を出力する構成となっている。そのため静特性は各ダイオードの特性に従い、図７に示すように２つのダイオードの順方向電圧−電流特性が原点に対して点対称な特性となる。

図６において、局部発振器１の信号は増幅器２を通して、アンチパラレルダイオード３の一方の端子へ入力される。このアンチパラレルダイオード３の一方の端子には、変換損失を改善させるために局部発振周波数（ｆ_ＬＯ）に対して１／４波長のショートスタブ４が接続され、他方の端子には局部発振周波数（ｆ_ＬＯ）に対して１／４波長のオープンスタブ５がそれぞれ接続されている。また中間周波数（ｆ_ＩＦ）の信号は、低域通過フィルタ６を通して、アンチパラレルダイオード３へ入力されて局部発振周波数（ｆ_ＬＯ）と混合され、該他方の端子７から無線周波数信号（ｆ_ＲＦ＝２ｆ_ＬＯ±ｆ_ＩＦ）が出力される。

ショートスタブ４は、局部発振周波数（ｆ_ＬＯ）から見ると開放となるが、送信高周波信号（無線周波数ｆ_ＲＦ≒２ｆ_ＬＯ）からみると１／２波長のショートスタブとなるため短絡となり、オープンスタブ５は局部発振周波数（ｆ_ＬＯ）から見ると短絡となるが、送信高周波信号（無線周波数ｆ_ＲＦ≒２ｆ_ＬＯ）からみると１／２波長のオープンスタブとなるため開放となる。従って、アンチパラレルダイオードペア３の局部発振信号入力側では、局部発振周波数信号ｆ_ＬＯは通過するが、送信高周波信号（無線周波数ｆ_ＲＦ）は全反射する。一方、アンチパラレルダイオードペア３の送信出力側では、送信高周波信号（無線周波数ｆ_ＲＦ）は通過するが、局部発振周波数信号ｆ_ＬＯは全反射する。このような構成とすることにより、変換周波数出力端子７から、送信高周波信号（無線周波数ｆ_ＲＦ）のみを出力することが可能となる。

特許第２７９５９７２号特開２００１−３０８６４７号公報特開２００４−１６６２６０号公報特開２００５−２９５０９７号公報特開２００３−１７４３７８号公報和田靖他「Ｋ帯低歪単平衡偶高調波ミキサＭＭＩＣ」電子情報通信学会ソサイエティ大会（２００２年９月２１日）講演論文集エレクトロニクス部門C-2-1

昨今の通信装置は通信容量の大容量化と周波数効率の向上を目的とした多値ＱＡＭの変調方式が主流となっており、送受信ミキサにも、低い歪み特性が要求されている。一般的に低い歪み特性の偶高調波ミキサを実現するためには、３次のインターセプトポイント（ＩＰ３）を向上させる必要がある。なお、３次のインターセプトポイント（ＩＰ３）の技術的意味については、例えば特許文献５等に記載されている。

しかし、歪みの観点からみた場合、偶高調波ミキサの３次のインターセプトポイント（ＩＰ３）は、ダイオードを用いた基本波ミキサよりも低く、送信器システム全体の歪みを悪化させる要因の一つとなっている。

この３次のインターセプトポイントは、ミキサに使用するダイオードの順方向電圧（Ｖｆ）に依存することから、偶高調波ミキサに低い歪み特性が要求される場合に、アンチパラレルダイオードペアを構成する各ダイオードを、それぞれ直列に複数接続したダイオードによって構成することにより、要求される歪み特性を達成させて３次のインターセプトポイントを向上させる技術が、非特許文献１において提案されている。しかしこのダイオードを直列に複数接続する構成は、部品（ダイオード）点数が増えてしまい、通信装置の価格が向上してしまうという欠点がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、比較的低コストで偶高調波ミキサの３次のインターセプトポイントを向上させることを可能にする手段を提供することにある。

本発明は、２つのダイオードを互いに逆並列接続したアンチパラレルダイオードペアを用いた偶高調波ミキサにおいて、前記アンチパラレルダイオードペアを構成する各ダイオードにそれぞれ所定の逆方向バイアス電圧を印加するバイアス回路を設けたことを特徴としている。

前記バイアス回路は、負極が動作周波数に対し十分大きなインピーダンスの第１および第２のインダクタを介して前記アンチパラレルダイオードペアを構成する一方および他方のダイオードのアノードにそれぞれ接続され、正極が動作周波数に対し十分大きなインピーダンスの第３および第４のインダクタを介して前記アンチパラレルダイオードペアを構成する一方および他方のダイオードのカソードにそれぞれ接続された直流電圧源と、前記第１のインダクタと前記一方のダイオードのアノードを接続する接続点と前記第４のインダクタと前記他方のダイオードのカソードを接続する接続点との間および前記第２のインダクタと前記他方のダイオードのアノードを接続する接続点と前記第３のインダクタと前記一方のダイオードのカソードを接続する接続点との間にそれぞれ接続された動作周波数に対し十分小さいインピーダンスの第１および第２のコンデンサとによって構成することができる。

また前記バイアス回路の他の実施例として、負極が動作周波数に対し十分大きなインピーダンスの第１のインダクタを介して前記アンチパラレルダイオードペアを構成する一方のダイオードのアノードに接続され、正極が動作周波数に対し十分大きなインピーダンスの第２のインダクタを介して前記アンチパラレルダイオードペアを構成する他方のダイオードのカソードに接続された直流電圧源と、前記第１のインダクタと前記一方のダイオードのアノードを接続する接続点と前記第２のインダクタと前記他方のダイオードのカソードを接続する接続点との間に接続された動作周波数に対し十分小さいインピーダンスのコンデンサとによって構成することができる。

また、前記直流電圧源は、前記ダイオードに加える逆バイアス電圧を調整可能に構成されており、要求された歪み特性に応じて直流電圧源の電圧を調整することによりダイオードの順方向特性を適宜変更することができる。

本発明によれば、アンチパラレルダイオードペアを用いた偶高調波ミキサにおける２つのダイオードに対して、逆方向にそれぞれ所定のバイアスを加えているので順方向電圧を大きくすることができ、比較的大きな入力に対しても出力が飽和しなくなるので、偶高調波ミキサの３次のインターセプトポイントを向上させることができる。そのため要求された低い歪み特性をクリアすることが可能となる。

また、アンチパラレルダイオードペアを構成するダイオードを多段接続させることなく、３次のインターセプトポイントの高い偶高調波ミキサを実現することができるので、低コスト化を図ることができるとともに、要求された低い歪み特性に応じて直流電圧源の電圧を調整することによりダイオードの順方向特性を適宜変更することができるので、要求された低い歪み特性を容易に実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す偶高調波ミキサの回路図である。

本実施形態では、図６に示すマイクロ波、ミリ波帯の一般的な偶高調波ミキサにおいて、アンチパラレルダイオードペアを構成する２つのダイオード３１、３２に対して、それぞれ所定の逆バイアスを加える可変の直流電圧源１６を接続する。この直流電圧源１６の正極は接地され、負極は、動作周波数に対し十分大きなインピーダンスのインダクタ８、１０を通してダイオード３１，３２のアノード側へそれぞれ接続されている。一方、ダイオード３１，３２のカソード側は動作周波数に対し十分大きなインピーダンスのインダクタ９、１１を介して接地されている。

またそれぞれのダイオードのアノードに加えられる負のバイアス電圧が、他のダイオードのカソード側に接続されたインダクタ９、１１により直流的に接地（短絡）されないように、インダクタ８とインダクタ１１の間、およびインダクタ１０とインダクタ９の間に、コンデンサ１２、および１３が接続される。このコンデンサ１２および１３によりダイオード３１と３２に加えられる直流電圧通路は互いに遮断され、それぞれのダイオードに加えるバイアス電圧に影響を与えることはない。このコンデンサ１２、１３の容量は十分大きいものであり、ミキサの動作周波数に対しては十分小さなインピーダンスになる。このため、これらのコンデンサ１２、１３は周波数変換器の動作周波数に影響を与えることはない。

図２は、順方向電圧がＶｆのダイオードを用いたアンチパラレルダイオードペアに対して、逆バイアスを与えない場合と−ΔＶの逆バイアスを与えた場合の各特性を示しており、図１に示す本実施形態の偶高調波ミキサ回路において、直流電圧源１６により各ダイオード３１、３２に対して−ΔＶの逆バイアスを加えることにより、特性２で示すように順方向電圧が（Ｖｆ＋ΔＶ）と同等のアンチパラレルダイオードを使用した偶高調波ミキサとなる。

図３は、本実施形態の偶高調波ミキサの入力電力に対する出力電力特性（特性２）を、従来例（逆バイアス電圧を与えない場合の特性１）と対比して示しており、アンチパラレルダイオードの順方向電圧が（Ｖｆ＋ΔＶ）に上がるので、それに伴ってミキサの飽和出力を上げることができる。その結果、偶高調波ミキサの３次のインターセプトポイント（ＩＰ３）も上昇し、低歪み特性を実現することができる。

図４は、本実施形態の偶高調波ミキサ回路を、局部発振周波数（ｆ_ＬＯ）を１１ＧＨｚ、中間周波数（ｆ_ＩＦ）を１ＧＨｚ、無線周波数（ｆ_ＲＦ＝２×ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＩＦ）を２３ＧＨｚとし、直流電圧源１６の逆バイアス電圧をパラメータとして解析を行った結果を示している。なお、解析では一般的にマイクロ波、ミリ波帯で使用されるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）素材のマイクロストリップラインを用いており、図１のショートスタブ４、オープンスタブ５の長さは、２．６ｍｍとなる。またインダクタ８〜１１は５ｎＨ、コンデンサ１２、１３は１０ｐＦとし、ダイオード３１，３２はＧａＡｓのショットキーバリアダイオードを用いる。

解析手法はハーモニックバランス法を用い、ダイオードは飽和出力が高いほど歪み特性が改善され、この両者は相関関係であることからダイオードのバイアス点による飽和出力の解析を行った。図４の特性１は、直流電圧源１６によるバイアス電圧が０Ｖの状態であり、図４の特性２は、直流電圧源１６からそれぞれのダイオードに−２００ｍＶのバイアスを加えた結果である。−２００ｍＶのバイアスを加えたときダイオードの飽和出力は、２．８ｄＢ高くなっている。また図４の特性３は、直流電圧源１６からそれぞれのダイオードに−１Ｖを加え結果である。このときには、飽和出力は５．６ｄＢ高くなっている。

本実施形態によれば、アンチパラレルダイオードペアに対して、逆バイアス電圧を与える直流電圧源１６の電圧を、要求される低い歪み特性を従って適宜調整して与えることができるので、所望の歪特性を満たす偶高調波ミキサ回路を、容易に実現することができる。また、この直流電圧源１６の電圧はダイオードに対して逆バイアス電圧として供給されるので、このバイアス回路による電力消費も僅かで済む。

図５は、本発明の第２の実施形態を示す偶高調波ミキサの回路図である。

本実施形態では、アンチパラレルダイオードペアを構成する一方のダイオード３１のアノード側には、インダクタ８を介して逆バイアス電圧を供給するために直流電圧源１６の負極を接続し、他方のダイオード３２のカソード側は、インダクタ１１を介して接地することにより、直流電圧源１６からの逆バイアス電圧を、ダイオード３１とダイオード３２に分圧して供給する構成となっている。従って直流電圧源１６から供給される電圧は、第１の実施形態の場合の略２倍の電圧に設定される。

また、ダイオード３１のアノードとダイオード３２のカソードの間には直流電圧を遮断するための短絡防止用のコンデンサ１２が接続される。インダクタ８と１１は、動作周波数に対し十分大きなインピーダンスとなるように設定され、コンデンサ１２は、動作周波数に対し十分小さなインピーダンスとなるように設定される。このためこれらのインダクタ及びコンデンサがミキサの動作周波数に影響を与えることはない。

本実施形態においても、直流電圧源１６からの逆バイアス電圧を、ダイオード３１とダイオード３２に供給することができるので、偶高調波ミキサのインターセプトポイントを向上させることができる。また、本実施形態では、インダクタおよびコンデンサの数を第１の実施形態よりも減らすことができるので、回路の小型化、一層の低コスト化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態を示す偶高調波ミキサの回路図である。本実施形態の動作を説明するための特性図である。本実施形態の動作を説明するための特性図である。本実施形態の動作を説明するための特性図である。本発明の第１の実施形態を示す偶高調波ミキサの回路図である。従来の偶高調波ミキサの回路図である。従来の動作を説明するための特性図である。

符号の説明

１局部発振器
２増幅器
３アンチパラレルダイオードペア
４ショートスタブ
５オープンスタブ
６低域通過フィルタ
７変換周波数出力端子
８〜１１インダクタ
１２〜１５コンデンサ
１６直流電圧源
３１、３２ダイオード

Claims

２つのダイオードを互いに逆並列接続したアンチパラレルダイオードペアを用いた偶高調波ミキサにおいて、
前記アンチパラレルダイオードペアを構成する各ダイオードにそれぞれ所定の逆方向バイアス電圧を印加するバイアス回路を設けたことを特徴とする偶高調波ミキサ。
前記バイアス回路は、負極が動作周波数に対し十分大きなインピーダンスの第１および第２のインダクタを介して前記アンチパラレルダイオードペアを構成する一方および他方のダイオードのアノードにそれぞれ接続され、正極が接地された直流電圧源と、前記アンチパラレルダイオードペアを構成する一方および他方のダイオードのカソードは動作周波数に対し十分大きなインピーダンスの第３および第４のインダクタを介して接地され、前記第１のインダクタと前記一方のダイオードのアノードを接続する接続点と前記第４のインダクタと前記他方のダイオードのカソードを接続する接続点との間および前記第２のインダクタと前記他方のダイオードのアノードを接続する接続点と前記第３のインダクタと前記一方のダイオードのカソードを接続する接続点との間にそれぞれ接続された動作周波数に対し十分小さいインピーダンスの第１および第２のコンデンサとによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の偶高調波ミキサ。
前記バイアス回路は、負極が動作周波数に対し十分大きなインピーダンスの第１のインダクタを介して前記アンチパラレルダイオードペアを構成する一方のダイオードのアノードに接続され、正極が接地された直流電圧源と、前記アンチパラレルダイオードペアを構成する他方のダイオードのカソードは動作周波数に対し十分大きなインピーダンスの第２のインダクタを介して接地され、前記第１のインダクタと前記一方のダイオードのアノードを接続する接続点と前記第２のインダクタと前記他方のダイオードのカソードを接続する接続点との間に接続された動作周波数に対し十分小さいインピーダンスのコンデンサとによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の偶高調波ミキサ。
前記直流電圧源は、前記ダイオードに加える逆バイアス電圧を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の偶高調波ミキサ。