JP4849422B2 - イメージリジェクションミクサ及び無線装置 - Google Patents

Description

この発明は、イメージリジェクションミクサ及びイメージリジェクションミクサを用いた通信装置やレーダ装置等の無線装置に関する。

従来の技術として、無線周波数（Radio Frequency：以下、ＲＦと称す）信号を９０°ハイブリッド回路で分配し、局部発振（Local Oscillator：以下、ＬＯと称す）電力はウィルキンソン型電力分配器で同相分配するイメージリジェクションミクサがある。また、互いに逆極性で接続されたアンチパラレルダイオードペアを用いて、中間周波数（Intermediate Frequency：以下、ＩＦと称す）信号及びＲＦ信号成分を取り出すハーモニックミクサがある（非特許文献１参照）。

相川正義、大平孝、徳満恒雄、広田哲夫、村口正弘共著「モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）」電子情報通信学会編、平成９年１月２５日初版、第１１８−１１９頁及び第１２０−１２２頁

従来のイメージリジェクションミクサは、イメージ信号の抑圧を主目的にしているが、高調波ミクサの場合には所望波であるＲＦ周波数の近傍には多くの不要波成分が存在するという課題があった。

この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、４次高調波ミクサを想定し、高出力電力の不要波成分を抑圧することができるイメージリジェクションミクサ及び通信装置を得ることを課題とする。

この発明に係るイメージリジェクションミクサは、ＬＯ端子と、ＩＦ端子及びＲＦ端子とを有し、入力されるＬＯ信号の周波数の４次の成分とＩＦの１次の成分との混合波であるＲＦ、または入力されるＬＯ信号の周波数の偶数次の成分とＲＦの１次の成分との混合波であるＩＦを、所望波として出力する第１及び第２の４次高調波ミクサと、第１の端子から入力される信号を第２と第３の端子から９０度の位相差をもって分配出力し、または第２の端子から入力される信号の位相を９０度遅らせて第３の端子から入力される信号と合成して前記第１の端子から出力するＩＦ用９０度合成分配器と、第１の端子から入力される信号を第２と第３の端子から９０度の位相差をもって分配出力するＬＯ用９０度分配器と、第１の端子から入力される信号を第２と第３の端子から９０度の位相差をもって分配出力し、前記第２の端子から出力される位相に対して９０度の位相遅れを有する信号を第３の端子から出力、または第２の端子から入力される信号の位相を９０度進ませて第３の端子から入力される信号と合成して第１の端子から出力するＲＦ用９０度合成分配器とを備え、前記ＩＦ用９０度合成分配器の第２の端子と前記第１の４次高調波ミクサのＩＦ端子とを接続し、前記ＩＦ用９０度合成分配器の第３の端子と前記第２の４次高調波ミクサのＩＦ端子とを接続し、前記ＬＯ用９０度分配器の第２の端子と前記第１の４次高調波ミクサのＬＯ端子とを接続し、前記ＬＯ用９０度分配器の第３の端子と前記第２の４次高調波ミクサのＬＯ端子とを接続し、前記ＲＦ用９０度合成分配器の第２の端子と前記第１の４次高調波ミクサのＲＦ端子とを接続し、前記ＲＦ用９０度合成分配器の第３の端子と前記第２の４次高調波ミクサのＲＦ端子とを接続したものである。

また、この発明に係る通信装置は、上記構成のイメージリジェクションミクサを用いたものである。

この発明によれば、従来のイメージリジェクションミクサの構成におけるＬＯ用分配器に代わりに、９０度位相差をもつＬＯ用９０度分配器を用いることで、高出力電力の不要波成分を抑圧することができる。

この発明の実施の形態１に係るイメージリジェクションミクサの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１と比較するための従来のミクサを説明する出力スペクトラム図である。 この発明の実施の形態１に係るイメージリジェクションミクサと比較するためのもので、ＡＰＤＰを有する偶高調波ミクサを用いて構成した場合の従来例のイメージリジェクションミクサにおける出力スペクトラム図である。 この発明の実施の形態１に係るイメージリジェクションミクサの効果を説明する出力スペクトラム図である。 この発明の実施の形態２に係るイメージリジェクションミクサの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３に係るイメージリジェクションミクサの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係るイメージリジェクションミクサの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態５に係る通信装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るイメージリジェクションミクサの構成を示すブロック図である。図１に示すイメージリジェクションミクサは、入力されるＬＯ信号の周波数の４次の成分とＩＦの１次の成分との混合波であるＲＦ、または入力されるＬＯ信号の周波数の偶数次の成分とＲＦの１次の成分との混合波であるＩＦを、所望波として出力する第１及び第２の４次高調波ミクサ７ａ及び７ｂと、第１の端子から入力される信号を第２と第３の端子から９０度の位相差をもって分配出力し、または第２の端子から入力される信号の位相を９０度遅らせて第３の端子から入力される信号と合成して第１の端子から出力するＩＦ用９０度合成分配器４と、第１の端子から入力される信号を第２と第３の端子から９０度の位相差をもって分配出力するＬＯ用９０度分配器５と、第１の端子から入力される信号を第２と第３の端子から９０度の位相差をもって分配出力し、第２の端子から出力される位相に対して９０度の位相遅れを有する信号を第３の端子から出力、または第２の端子から入力される信号の位相を９０度進ませて第３の端子から入力される信号と合成して第１の端子から出力するＲＦ用９０度合成分配器６とを備えている。なお、図１において、１はＩＦ信号入出力端子、２はＬＯ信号入力端子、３はＲＦ信号入出力端子を示す。

ここで、ＩＦ用９０度合成分配器４の第２の端子と第１の４次高調波ミクサ７ａのＩＦ端子とを接続し、ＩＦ用９０度合成分配器４の第３の端子と第２の４次高調波ミクサ７ｂのＩＦ端子とを接続し、ＬＯ用９０度分配器５の第２の端子と第１の４次高調波ミクサ７ａのＬＯ端子とを接続し、ＬＯ用９０度分配器５の第３の端子と第２の４次高調波ミクサ７ｂのＬＯ端子とを接続し、ＲＦ用９０度合成分配器６の第２の端子と第１の４次高調波ミクサ７ａのＲＦ端子とを接続し、ＲＦ用９０度合成分配器６の第３の端子と第２の４次高調波ミクサ７ｂのＲＦ端子とを接続している。

次に動作について説明する。本願発明は、従来例と同様に、ＩＦ信号とＬＯ信号を入力し、互いに逆並列に接続されたアンチパラレルダイオードペア（以下ＡＰＤＰと称す）などの非線形素子を用いることにより、±ＩＦ＋４×ＬＯの周波数成分を取り出す第１及び第２の４次高調波ミクサ７ａ及び７ｂを有し、この接続の方法により不要波成分を抑圧するものである。

送信系を例に説明する。なお、送信系の場合、ＩＦ用９０度合成分配器４はＩＦ用９０度分配器として動作し、ＲＦ用９０度合成分配器６はＲＦ用９０度合成器として動作する。ＩＦ入出力端子１から入力された信号は、ＩＦ用９０度合成分配器４で９０度の位相差をもって分配され、２つのミクサ７ａ及び７ｂに入力される。このとき、第１のミクサ７ａに入力する信号の位相に対し第２のミクサ７ｂに入力する信号の位相は９０度進んでいるとする。

また、ＬＯ入力端子２から入力されるＬＯ信号はＬＯ用９０度分配器５で９０度の位相差をもって分配され、２つのミクサ７ａ及び７ｂに入力される。このとき、第１のミクサ７ａに入力するＬＯ信号の位相に対し第２のミクサ７ｂに入力するＬＯ信号の位相は９０度遅れているとする。

第１のミクサ７ａでは、入力されるＬＯ信号とＩＦ信号が混合され、ＬＯ信号の周波数のＡ倍とＩＦ信号の周波数のＢ倍の混合波が出力される。ここで、第１のミクサ７ａに入力されるＬＯ信号とＩＦ信号の位相をそれぞれ基準（０度）とすると、出力される信号成分（Ａ×ＬＯ＋Ｂ×ＩＦ）の位相は、
０度
である。

同様に、第２のミクサ７ｂにおいても、ＬＯ信号とＩＦ信号が混合され、ＬＯ信号の周波数のＡ倍とＩＦ信号の周波数のＢ倍の混合波が出力されるが、第１のミクサ７ａに対して第２のミクサ７ｂに入力されるＩＦ信号の位相は＋９０度、ＬＯ信号の位相は−９０度となっている。このため、出力される信号成分（Ａ×ＬＯ＋Ｂ×ＩＦ）の位相は、
Ａ×（−９０）＋Ｂ×９０度 （１）
となる。

２つのミクサ７ａ及び７ｂから出力される信号は、ＲＦ用９０度合成分配器６において合成されＲＦ端子３から出力される。ここで、第２のミクサ７ｂからの信号の位相が９０度遅れた状態で第１のミクサ７ａからの信号と合成されるとすると、合成された信号の位相φは、
φ＝−９０＋Ａ×（−９０）＋Ｂ×９０
＝９０×（Ｂ−Ａ−１） （２）
となる。これが「０度」あるいは「３６０度の倍数」になれば同相合成されて最大の電力が取り出せることができ、「１８０度＋３６０度の倍数」であれば逆相合成で抑圧されることになる。

＜４次高調波ミクサの場合＞
所望波のＲＦ信号成分は、Ａ＝４、Ｂ＝１であり、φ＝−３６０度となり、同相合成され、イメージ周波数は、Ａ＝４、Ｂ＝−１であり、φ＝−５４０度となり、逆相合成され、イメージリジェクションミクサとして動作していることがわかる。

さらに、所望波近傍に出力される高調波成分の一例として、２ＬＯ＋ＩＦ（＝−１８０度）、２ＬＯ−３ＩＦ（＝−５４０度）、３ＬＯ＋２ＩＦ（＝−１８０度）、３ＬＯ−２ＩＦ（＝−５４０度）、４ＬＯ＋３ＩＦ（＝−１８０度）、５ＬＯ（＝−５４０度）、５ＬＯ−４ＩＦ（−９００度）、６ＬＯ−３ＩＦ（＝−９００度）などの比較的低次で出力レベルの比較的高い成分も逆相合成され、原理的には抑圧可能である。

このように、この構成では、イメージリジェクション機能はそのままにして機能し、２ＬＯ＋ＩＦ、３ＬＯ＋２ＩＦ、５ＬＯなど、式（２）で表されるφ＝１８０＋３６０Ｎ（Ｎは整数）となるＬＯ信号の周波数とＩＦ信号の周波数の組み合わせで発生する不要波を原理的に抑圧できる効果がある。ＬＯ信号の４次を使うミクサであるため、ＬＯ信号で９０度差をつけても、２つのミクサにおける４ＬＯ信号成分の位相差は３６０度＝０度となり、所望波及びイメージ波には、従来と同様の動作が可能となるもので、４次高調波ミクサ特有の構成であると言える。

具体例として、表１にスプリアスの一覧を示す。

これは、ＬＯ信号の周波数を１３ＧＨｚ、ＩＦ信号の周波数を２ＧＨｚと仮定し、ＬＯ信号の次数を４、ＩＦ信号の次数が１のときの出力周波数である５４ＧＨｚを所望波とする４次高調波ミクサを考え、所望波近傍（±１０ＧＨｚ）に出現する混合波の成分を示している。ここでは、ＬＯ信号の次数及びＩＦ信号の次数は５次を上限としている。所望波を含めて１８個の周波数成分が存在する。

図２に従来のミクサの特性を示し、横軸を周波数（Frequency(GHz)）、縦軸を出力電力（Output Power)としたスペクトラムを示す。図３にＡＰＤＰを有する偶高調波ミクサを用いて構成した場合の従来のイメージリジェクションミクサにおける出力スペクトラムを示す。さらに、図４には第１及び第２の４次高調波ミクサ７ａ及び７ｂにＡＰＤＰを用いさらにＬＯ周波数用分配器に９０度の位相差を有する出力を分配するＬＯ用９０度分配器５を適用した実施の形態１で示す構成の場合の出力スペクトラムを示す。

図３に示す如く、ＡＰＤＰによりＬＯ信号の次数とＩＦ信号の次数の和が偶数のものは抑圧され、また、本構成により、図４に示す如く、式（２）が「１８０度＋３６０度の倍数」であれば逆相合成で抑圧されるので、所望波のごく近傍のスプリアス成分が抑圧される。ミクサ後段のフィルタへ要求されるスペックも軽減できる効果がある。

具体的には、図２の場合、所望の５４ＧＨｚ近傍にはたくさんの出力電力の高いスプリアスが存在し、ＡＰＤＰを用いた偶高調波ミクサとすることで、図３のように、ＬＯ信号の次数とＩＦ信号の次数の和が偶数のものは抑圧される。しかし、所望波（図３における成分ｉ）から３ＧＨｚあるいは４ＧＨｚ離れた成分ｌやｍは抑圧されていないため、これらを抑圧する急峻なフィルタが必要である。そこで、本実施の形態を適用することにより、図４に示すように、その成分が抑圧されるため、前記急峻なフィルタの要求仕様を緩和できる効果がある。

以上、送信系の場合について説明を行ったが、受信系の場合も同様の効果がある。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係るイメージリジェクションミクサの構成を示すブロック図である。図５において、図１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図５に示す実施の形態２が、図１に示す実施の形態１と異なる点は、実施の形態１におけるＬＯ用９０度分配器５が、第２の端子から出力される位相に対して９０度の位相遅れを有する信号を第３の端子から出力しているのに対し、実施の形態２におけるＬＯ用９０度分配器５は、第３の端子から出力される位相に対して９０度の位相遅れを有する信号を第２の端子から出力するようにしている点である。

実施の形態２に係るイメージリジェクションミクサの動作は実施の形態１と同様であり、ＲＦ用９０度合成分配器６において、２つのミクサ７ａ，７ｂからの信号が合成されると、合成された波の位相φは、
φ＝−９０＋Ａ×（９０）＋Ｂ×９０
＝９０×（Ａ＋Ｂ−１） （３）
となる。これが「０度」あるいは「３６０度の倍数」になれば同相合成されて最大の電力が取り出せ、「１８０度＋３６０度の倍数」であれば逆相合成で抑圧されることになる。

＜４次高調波ミクサの場合＞
所望波のＲＦ信号成分は、Ａ＝４、Ｂ＝１であり、φ＝３６０度となり、同相合成、イメージ周波数は、Ａ＝４、Ｂ＝−１であり、φ＝１８０度となり、逆相合成され、イメージリジェクションミクサとして動作していることがわかる。

さらに、所望波近傍に出力される高調波成分の一例として、２ＬＯ＋ＩＦ（＝１８０度）、２ＬＯ−３ＩＦ（＝１８０度）、３ＬＯ＋４ＩＦ（＝５４０度）、３ＬＯ−４ＩＦ（＝−１８０度）、４ＬＯ＋３ＩＦ（＝５４０度）、５ＬＯ＋２ＩＦ（５４０度）などの比較的低次で出力レベルの比較的高い成分も逆相合成され、原理的に抑圧可能である。

また、効果についても実施の形態１と同様である。所望波近傍に出現するスプリアス成分は、ＬＯ信号の周波数とＩＦ信号の周波数の選択のしかたに依存するため、抑圧したいスプリアス成分に応じて、実施の形態１あるいは実施の形態２を選択すれば、より効果を得ることができる。

以上、送信系の場合について説明を行ったが、受信系の場合も同様の効果がある。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係るイメージリジェクションミクサの構成を示すブロック図である。図６において、図１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図６に示す実施の形態３が、図１に示す実施の形態１と異なる点は、第１及び第２の４次高調波ミクサが、入力されるＬＯ信号の周波数の４ｎ（ｎは０以外の整数）次の成分とＩＦの１次の成分との混合波であるＲＦを出力する４ｎ次高調波ミクサ９ａ及び９ｂでなる点である。

実施の形態３に係るイメージリジェクションミクサの動作は、実施の形態１および２に示したものと同様であり、実施の形態１に沿って説明をすると、ＲＦ用９０度合成分配器６で合成された波の位相φは、
φ＝−９０＋Ａ×（−９０）＋Ｂ×９０
＝９０×（Ｂ−Ａ−１） （４）
となる。これが「０度」あるいは「３６０度の倍数」になれば同相合成されて最大の電力が取り出せ、「１８０度＋３６０度の倍数」であれば逆相合成で抑圧されることになる。

このように、この構成では、４次の倍数であれば、イメージリジェクション機能はそのままに、式（４）で表されるφ＝１８０＋３６０ｎとなるＬＯ周波数とＩＦ周波数の組み合わせで発生する不要波を原理的に抑圧できる効果がある。ＬＯの４ｎ次を使うミクサであるため、ＬＯで９０度差をつけても、２つのミクサにおける４ｎ次のＬＯ成分の位相差は３６０×ｎ度＝０度となり、所望波及びイメージ波には、従来と同様の動作が可能となる。

以上、送信系の場合について説明を行ったが、受信系の場合も同様の効果がある。

実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４に係るイメージリジェクションミクサの構成を示すブロック図である。図７において、図６と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図７に示す実施の形態４が、図６に示す実施の形態３と異なる点は、ＬＯ用９０度分配器として、９０／ｎ（ｎは０以外の整数）度分配器８を用いている点である。

実施の形態４に係るイメージリジェクションミクサの動作は、実施の形態１ないし３に示したものと同様であり、実施の形態１に沿って説明するとＲＦ用９０度合成分配器６で合成された波の位相φは、
φ＝−９０＋Ａ×（−９０／ｎ）＋Ｂ×９０
＝９０×（Ｂ−Ａ／ｎ−１） （５）
となる。これが「０度」あるいは「３６０度の倍数」になれば同相合成されて最大の電力が取り出せ、「１８０度＋３６０度の倍数」であれば逆相合成で抑圧されることになる。

以上、送信系の場合について説明を行ったが、受信系の場合も同様の効果がある。

実施の形態５．
図８は、この発明の実施の形態５に係る無線装置の構成を示すブロック図である。図８に示す無線装置は、実施の形態１から４で示したイメージリジェクションミクサ１０を用いて通信装置やレーダ装置の送信機を構成する場合の一例を示す。ミクサ１０の後段には、帯域通過フィルタ１１により、ミクサ１０から出力されるスプリアス成分を抑圧し、増幅器１２にて所望の電力まで増幅し、アンテナ１３から放射する。なお、１４はＬＯ源を示す。このとき、帯域通過フィルタ１１が急峻であると、帯域内の損失が増加し、その分増幅器１２へ要求される利得が高くなる。実施の形態１ないし４で示したミクサを用いることにより、この帯域通過フィルタ１１の要求仕様が緩和でき、損失が減ることで、増幅器１２への要求をも緩和できる利点がある。

Claims (6)

1. ＬＯ端子と、ＩＦ端子及びＲＦ端子とを有し、入力されるＬＯ信号の周波数の４次の成分とＩＦの１次の成分との混合波であるＲＦ、または入力されるＬＯ信号の周波数の偶数次の成分とＲＦの１次の成分との混合波であるＩＦを、所望波として出力する第１及び第２の４次高調波ミクサと、
   第１の端子から入力される信号を第２と第３の端子から９０度の位相差をもって分配出力し、または第２の端子から入力される信号の位相を９０度遅らせて第３の端子から入力される信号と合成して前記第１の端子から出力するＩＦ用９０度合成分配器と、
   第１の端子から入力される信号を第２と第３の端子から９０度の位相差をもって分配出力するＬＯ用９０度分配器と、
   第１の端子から入力される信号を第２と第３の端子から９０度の位相差をもって分配出力し、前記第２の端子から出力される位相に対して９０度の位相遅れを有する信号を第３の端子から出力、または第２の端子から入力される信号の位相を９０度進ませて第３の端子から入力される信号と合成して第１の端子から出力するＲＦ用９０度合成分配器と
   を備え、
   前記ＩＦ用９０度合成分配器の第２の端子と前記第１の４次高調波ミクサのＩＦ端子とを接続し、
   前記ＩＦ用９０度合成分配器の第３の端子と前記第２の４次高調波ミクサのＩＦ端子とを接続し、
   前記ＬＯ用９０度分配器の第２の端子と前記第１の４次高調波ミクサのＬＯ端子とを接続し、
   前記ＬＯ用９０度分配器の第３の端子と前記第２の４次高調波ミクサのＬＯ端子とを接続し、
   前記ＲＦ用９０度合成分配器の第２の端子と前記第１の４次高調波ミクサのＲＦ端子とを接続し、
   前記ＲＦ用９０度合成分配器の第３の端子と前記第２の４次高調波ミクサのＲＦ端子とを接続したイメージリジェクションミクサ。
2. 請求項１に記載のイメージリジェクションミクサにおいて、
   前記ＬＯ用９０度分配器は、前記第２の端子から出力される位相に対して９０度の位相遅れを有する信号を第３の端子から出力する
   ことを特徴とするイメージリジェクションミクサ。
3. 請求項１に記載のイメージリジェクションミクサにおいて、
   前記ＬＯ用９０度分配器は、前記第３の端子から出力される位相に対して９０度の位相遅れを有する信号を第２の端子から出力する
   ことを特徴とするイメージリジェクションミクサ。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載のイメージリジェクションミクサにおいて、
   前記第１及び第２の４次高調波ミクサは、入力されるＬＯ信号の周波数の４ｎ（ｎは０以外の整数）次の成分とＩＦの１次の成分との混合波であるＲＦを出力する４ｎ次高調波ミクサでなる
   ことを特徴とするイメージリジェクションミクサ。
5. 請求項４に記載のイメージリジェクションミクサにおいて、
   前記ＬＯ用９０度分配器は、９０／ｎ（ｎは０以外の整数）度分配器を用いる
   ことを特徴とするイメージリジェクションミクサ。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のイメージリジェクションミクサを用いた無線装置。

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