JP4975100B2 - 偶高調波ミクサ - Google Patents

Description

この発明は、通信装置やレーダ装置等に用いられる偶高調波ミクサに関するものである。

従来のミクサとして、ＡＰＤＰ（Anti-Parallel Diode Pair）を用いたスタブ分波形ミクサがある。このミクサは、ＲＦ（Radio Frequency）信号とＬＯ（Local Oscillator Frequency）信号を入力し、互いに逆並列に接続されたダイオードを用いることにより、（ＲＦ信号周波数−２×ＬＯ信号周波数）の成分を取り出すミクサである（例えば、非特許文献１及び２参照）。

また、オープンスタブとショートスタブを用いた一般的なミクサが開示されている（例えば、特許文献１及び２参照）。また、ミクサに用いられる線路変換器として、導体が導波管の地導体に接続された構成の導波管／マイクロストリップ線路変換器が開示されている（例えば、特許文献３及び４参照）。さらに、ＡＰＤＰに印加される電圧を分圧する抵抗を設けることで、ＲＦ信号のＯＮ時の出力電力とＯＦＦ時の出力電力の比を大きく取るようにしたものが開示されている（例えば、特許文献５参照）。

"8.4.2 Microstrip SHP Mixer", Microwave Mixers Second Edition, Stephen A. Maas, p. 311 電子情報通信学会編「モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）」第１２０−１２２頁 特許第２９８００３３号公報 特許第３１４７８５２号公報 特許第３６７２２４１号公報 特許第３８２８４３８号公報 ＷＯ２００５／０４３７４４Ａ１

しかしながら、従来のミクサは、そのミクサ単独での機能および性能を満たすことを主眼に設計されていたが、特に、ミリ波帯ではモジュールに実装した状態でのミクサ回路構成の最適化による低コスト化および小型化が課題であった。

この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、導波管から入力されるＲＦ信号を、マイクロストリップ線路の導体が導波管の地導体に接続された導波管／マイクロストリップ変換器を介して入力し、ＩＦ信号の短絡とダイオードの直流短絡とを前記変換器で兼ねる構造の低コスト化および小型化の偶高調波ミクサを得ることを目的とする。

この発明に係る偶高調波ミクサは、マイクロストリップ線路の導体が導波管の地導体に接続された構成でなり、導波管モードで伝送されたＲＦ信号をマイクロストリップ線路の伝送モードに変換する変換器と、前記変換器のマイクロストリップ線路側に縦続接続され、半導体基板上に形成されたアンチパラレルダイオードペアと、ＬＯ信号とＩＦ信号とを分波するための分波回路と、前記変換器と前記アンチパラレルダイオードペアとの間に設けられて、ＲＦ信号の周波数で約１／２波長の線路長を有する先端開放スタブと、前記アンチパラレルダイオードペアと前記分波回路との間に設けられて、ＲＦ信号の周波数で約１／４波長の線路長を有する先端開放スタブ、または前記アンチパラレルダイオードペアと前記分波回路との間にＩＦ信号を遮断するためのキャパシタを介して設けられて、ＲＦ信号の周波数で約１／２波長の線路長を有する先端開放スタブとを備えたものである。

この発明によれば、導波管から入力されるＲＦ信号を、マイクロストリップ線路の導体が導波管の地導体に接続された導波管／マイクロストリップ変換器を介して入力し、ＩＦ信号の短絡とダイオードの直流短絡とを前記変換器で兼ねる構造の低コスト化および小型化の偶高調波ミクサが得られる。

この発明の実施の形態１に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態３に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態４に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態５に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態６に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。図１に示す偶高調波ミクサは、ＲＦ信号を入力するＲＦ端子１とＲＦ信号の約１／２の周波数のＬＯ信号を入力するＬＯ端子２との間に、マイクロストリップ線路の導体が導波管の地導体に接続された構成でなり、導波管モードで伝送されたＲＦ信号をマイクロストリップ線路の伝送モードに変換する導波管／マイクロストリップ（ＷＧ／ＭＳＴＬ）変換器４と、変換器４のマイクロストリップ線路側に縦続接続され、ダイオードを逆並列に接続して半導体基板１１上に形成されたアンチパラレルダイオードペア５と、ＩＦ信号を通過させてそれ以上の周波数の信号を遮断するためのインダクタ８及びＩＦ信号を遮断するためのキャパシタ９を有し、ＬＯ信号とＩＦ信号とを分波するための分波回路１０とを備えている。

そして、変換器４とアンチパラレルダイオードペア５との間には、ＲＦ信号の周波数で約１／２波長の線路長を有する先端開放スタブ６ａが設けられ、アンチパラレルダイオードペア５と分波回路１０との間には、ＲＦ信号の周波数で約１／４波長の線路長を有する先端開放スタブ６ｂが設けられている。なお。３はＩＦ端子を示す。

次に動作を説明する。実施の形態１に係る偶高調波ミクサは、従来例と同様に、ＲＦ信号とＬＯ信号を入力し、互いに逆並列に接続されたダイオードペア５を用いることにより、（ＲＦ信号周波数−２×ＬＯ信号周波数）の成分を取り出すミクサである。ＬＯ信号に対しては、ダイオードペア５のＲＦ端子１側の先端開放スタブ６ａは短絡に見える。ダイオードペアが互いに逆向きになっていることに注意すれば、各ダイオードから見ればＬＯ信号周波数の成分は互いに逆向きに印加されている。

一方、ＬＯ信号周波数のほぼ２倍にあたるＲＦ信号に対しては、ダイオードペア５のＬＯ端子２側の先端開放スタブ６ｂは短絡に見え、ＲＦ端子１側の先端開放スタブ６ａは開放に見えるので、ＲＦ信号は逆相で印加される。従って、ＩＦ信号である（ＲＦ信号周波数−２×ＬＯ信号周波数）の成分は互いに逆相となるので、互いに逆極性で接続されたダイオードペア５から足しあわされて取り出すことができる。

このとき、導波管／マイクロストリップ変換器４は、導波管の通過域より低い周波数では短絡の特性を有したものを用いると、ＩＦ信号の短絡およびダイオードの直流短絡はこの導波管／マイクロストリップ変換器４で兼ねることができる。したがって、発生したＩＦ信号成分は、ダイオードペア５のＬＯ端子２側に出力され、分波回路１０を介してＩＦ端子３に出力される。また、発生した（２×ＬＯ信号周波数）の成分は、先端開放スタブ６ｂにより短絡され、ＲＦ端子１側において互いに逆相であるからＲＦ端子１には漏れ出さない。

導波管／マイクロストリップ変換器４において、ＬＯ信号周波数は遮断域であるためＬＯ信号波は全反射となり、従来の構成ではこのＬＯ信号波の反射による定在波が発生し、ミクサ特性を劣化させていたが、本構成では、短絡点である先端開放スタブ６ａと導波管／マイクロストリップ変換器４との距離を近づけることにより、１つの短絡点とみなすことができ、ミクサ特性に影響を及ぼさない利点がある。

また、ミクサを構成する要素の中で、最も高価なＧａＡｓ基板などで形成する、ダイオードが内蔵された半導体基板１１のチップ面積を小さくすることにより、低コスト化が期待できる。

また、従来では、ＩＦ信号の短絡およびダイオードの直流短絡に関し、ＲＦ信号短絡用のＲＦ周波数で１／２波長の電気長を有する先端短絡スタブを用い手構成したが、本構成では、その短絡用のビアホールが不要になることで低コスト化が図れ、さらにスタブ長もＲＦ周波数で１／４波長でよいため、小型化が図れる利点がある。

さらに、ミリ波帯における実装においては、半導体基板１１と母基板等外部回路との接続をフリップチップ実装することにより、従来のワイヤ接続に比べてばらつきの少ないミクサを実現可能となる。

以上の説明では、周波数ダウンコンバータの動作説明を記述したものであるが、実施の形態１に係るミクサはダイオードミクサであるので、アップコンバータとしても同様に動作させることができる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。図２に示す実施の形態２に係る構成において、図１に示す実施の形態１と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。図２に示す実施の形態２に係る構成において、図１に示す実施の形態１と異なる点は、半導体基板１１上に、ダイオードペア５の他にも、２つの先端開放スタブ６ａ，６ｂの全部（または一部）を形成している点である。

前述した実施の形態１では、ダイオードペア５とそれぞれのスタブ６ａ，６ｂとの間に、半導体基板１１上の接続線路、ワイヤまたはフリップチップ実装時のバンプ、母基板上の接続線路を介することになり、その位相分に応じてミクサ特性の劣化が生じてしまう。これに対して、図３に示す実施の形態２に係る構成では、ダイオードペア５の極近傍にスタブ６ａ，６ｂを形成することができるため、特性劣化を最小限にできる利点がある。また、２つの先端開放スタブ６ａ，６ｂの一部をこの半導体基板１１の外、つまり母基板側に形成しても同様の効果が得られる。その他の効果については、実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。図３に示す実施の形態３に係る構成において、図２に示す実施の形態２と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。図３に示す実施の形態３に係る構成において、図２に示す実施の形態２と異なる点は、半導体基板１１上に、ダイオードペア５、２つの先端開放スタブ６ａ，６ｂの全部（または一部）の他に、分波回路１０に用いるキャパシタ９をさらに形成している点である。

前述した実施の形態１及び２では、分波回路１０に用いるＩＦ周波数遮断用のキャパシタを母基板側に形成することになるが、この実施の形態３では、分波回路１０に用いるキャパシタ９を半導体基板１１上におけるＭＩＭキャパシタで形成することにより、小型にＩＦ周波数の遮断が実現できる。その他の効果については、実施の形態１及び２と同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。図４に示す実施の形態４に係る構成において、図１に示す実施の形態１と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。図４に示す実施の形態４に係る構成において、図１に示す実施の形態１と異なる点は、ダイオードペア５と分波回路１０との間に、先端開放スタブ６ｂの代わりに、ＩＦ信号を遮断するためのキャパシタ８とＲＦ信号周波数で約１／２波長の線路長を有する先端短絡スタブ７との直列接続体を設けている点である。

実施の形態４に係る偶高調波ミクサの動作は実施の形態１と同様なのでその説明を省略する。図４に示す導波管／マイクロストリップ変換器４において、ＬＯ信号周波数は遮断域であるためＬＯ信号波は全反射となる。従来の構成ではこのＬＯ信号波の反射による定在波が発生し、ミクサ特性を劣化させていたが、本構成では、短絡点である先端開放スタブ６ａと導波管／マイクロストリップ変換器４との距離を近づけることにより、１つの短絡点とみなすことができ、ミクサ特性に影響を及ぼさないという実施の形態１と同様の利点がある。

また、ミクサを構成する要素の中で、最も高価なＧａＡｓ基板などで形成する、ダイオードペア５が内蔵された半導体基板１１のチップ面積を小さくすることにより、低コスト化が期待できる。

また、実施の形態１における、ＲＦ信号周波数で１／４波長の線路長を有する先端開放スタブ６を、ＲＦ信号周波数で１／２波長の線路長を有する先端短絡スタブ７に代替することにより、この先端短絡スタブ７はＬＯ信号波では開放に見え、ＬＯ信号波がダイオードに入力されたときのインピーダンス変化を小さくすることができる。

さらに、ミリ波帯における実装においては、半導体基板１１と母基板等外部回路との接続をフリップチップ実装することにより、従来のワイヤ接続に比べてばらつきの少ないミクサを実現可能となる。

以上の説明では、周波数ダウンコンバータの動作説明を記述したものであるが、実施の形態４に係るミクサはダイオードミクサであるので、アップコンバータとしても同様に動作させることができる。

実施の形態５．
図５は、この発明の実施の形態５に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。図５に示す実施の形態５に係る構成において、図４に示す実施の形態４と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。図５に示す実施の形態５に係る構成において、図４に示す実施の形態４と異なる点は、半導体基板１１上に、ダイオードペア５の他に、先端開放スタブ６の全部（または一部）、ＩＦ信号を遮断するためのキャパシタ８、先端短絡スタブ７の一部を形成している点である。

実施の形態５に係る偶高調波ミクサの動作については、実施の形態４と同様であり、その説明は省略する。

前述した実施の形態４では、ダイオードペア５とそれぞれのスタブ６，７との間に、半導体基板１１上の接続線路、ワイヤまたはフリップチップ実装時のバンプ、母基板上の接続線路を介することになり、その位相分に応じてミクサ特性の劣化が生じてしまう。これに対して、図５に示す実施の形態５に係る構成では、ダイオードペア５の極近傍にスタブ６，７を形成することができるため、特性劣化を最小限にできる利点がある。また、先端開放スタブ６の一部をこの半導体基板１１の外、つまり母基板側に形成しても同様の効果が得られ、半導体基板１１の面積を小さくする効果がある。その他の効果については、実施の形態４と同様の効果が得られる。

実施の形態６．
図６は、この発明の実施の形態６に係る偶高調波ミクサを示す回路ブロック図である。図６に示す実施の形態６に係る構成において、図５に示す実施の形態５と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。図６に示す実施の形態６に係る構成において、図５に示す実施の形態５と異なる点は、半導体基板１１上に、ダイオードペア５、先端開放スタブ６の全部（または一部）、ＩＦ信号を遮断するためのキャパシタ８、先端短絡スタブ７の一部の他に、分波回路１０に用いるキャパシタ９をさらに形成している点である。

実施の形態６に係る偶高調波ミクサの動作については、実施の形態４と同様であり、その説明は省略する。

ここでは、先端開放スタブ６の全部または一部と、キャパシタ８と、先端短絡スタブ７の一部と、さらに、分波回路１０に用いるキャパシタ９とを、半導体基板１１上に形成している。実施の形態４では、ダイオードペア５とそれぞれのスタブ６，７との間に、半導体基板１１上の接続線路、ワイヤまたはフリップチップ実装時のバンプ、母基板上の接続線路を介することになり、その位相分に応じてミクサ特性の劣化が生じてしまう。これに対して、図６に示す実施の形態６に係る構成では、ダイオードペア５の極近傍にスタブ６，７を形成することができるため、特性劣化を最小限にできる利点がある。また、先端開放スタブ６の一部をこの半導体基板１１の外、つまり母基板側に形成しても同様の効果が得られ、半導体基板１１の面積を小さくする効果がある。

また、実施の形態６では、母基板側に形成されるＩＦ周波数遮断用のキャパシタを、半導体基板１１上におけるＭＩＭキャパシタで形成することにより、小型にＩＦ周波数の遮断が実現できる。その他の効果については、実施の形態４と同様の効果が得られる。

この発明に係る偶高調波ミクサは、通信装置やレーダ装置等に広く用いることができる。

Claims (7)

1. マイクロストリップ線路の導体が導波管の地導体に接続された構成でなり、導波管モードで伝送されたＲＦ信号をマイクロストリップ線路の伝送モードに変換する変換器と、
   前記変換器のマイクロストリップ線路側に縦続接続され、半導体基板上に形成されたアンチパラレルダイオードペアと、
   ＬＯ信号とＩＦ信号とを分波するための分波回路と、
   前記変換器と前記アンチパラレルダイオードペアとの間に設けられて、ＲＦ信号周波数で約１／２波長の線路長を有する先端開放スタブと、
   前記アンチパラレルダイオードペアと前記分波回路との間に設けられて、ＲＦ信号周波数で約１／４波長の線路長を有する先端開放スタブと
   を備えた偶高調波ミクサ。
2. 請求項１に記載の偶高調波ミクサにおいて、
   前記半導体基板上に、２つの前記先端開放スタブの全部または一部を形成した
   ことを特徴とする偶高調波ミクサ。
3. 請求項２に記載の偶高調波ミクサにおいて、
   前記分波回路は、ＩＦ信号を通過させるためのインダクタとＩＦ信号を遮断するためのキャパシタを有し、
   前記半導体基板上に、前記分波回路に用いるキャパシタをさらに形成した
   ことを特徴とする偶高調波ミクサ。
4. マイクロストリップ線路の導体が導波管の地導体に接続された構成でなり、導波管モードで伝送されたＲＦ信号をマイクロストリップ線路の伝送モードに変換する変換器と、
   前記変換器のマイクロストリップ線路側に縦続接続され、半導体基板上に形成されたアンチパラレルダイオードペアと、
   ＬＯ信号とＩＦ信号とを分波するための分波回路と、
   前記変換器と前記アンチパラレルダイオードペアとの間に設けられて、ＲＦ信号周波数で約１／２波長の線路長を有する先端開放スタブと、
   前記アンチパラレルダイオードペアと前記分波回路との間にＩＦ信号を遮断するためのキャパシタを介して設けられて、ＲＦ信号周波数で約１／２波長の線路長を有する先端短絡スタブと
   を備えた偶高調波ミクサ。
5. 請求項４に記載の偶高調波ミクサにおいて、
   前記半導体基板上に、前記先端開放スタブの全部または一部と、前記キャパシタと、前記先端短絡スタブの一部とを形成した
   ことを特徴とする偶高調波ミクサ。
6. 請求項５に記載の偶高調波ミクサにおいて、
   前記分波回路は、ＩＦ信号を通過させるためのインダクタとＩＦ信号を遮断するためのキャパシタを有し、
   前記半導体基板上に、前記分波回路に用いるキャパシタをさらに形成した
   ことを特徴とする偶高調波ミクサ。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の偶高調波ミクサにおいて、
   前記半導体基板を母基板にフリップチップ実装した
   ことを特徴とする偶高調波ミクサ。

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