JP5018288B2 - ミキサ回路とレーダー用送受信装置 - Google Patents
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Description
例えば自動車用レーダーの送信装置においては、局部発振器から38GHzの発振信号を生成し、増幅器で増幅したのち逓倍器を通して76GHzに逓倍し、送信アンテナから送信する。
例えば、自動車用レーダーの受信装置におけるミキサでは、例えばLO信号の周波数fLOが38GHzの場合、RF信号の周波数fRFは約76GHzであるので、受信ミキサにおいてはfRF−2fLOのミキシング成分をIF信号とする。即ちこの例ではRF信号の周波数fRFの1/2の周波数であるLO信号にて周波数fIFのIF信号にダウンコンバートしている。この場合、送信用アンテナと受信用アンテナの2本が必要になる。
またスイッチやサーキュレータを使用する場合、送信と受信とを同時並行的に行うことができないという問題も発生する。
この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、第1の目的は簡単な構成で、ミキサ回路に局部発振信号の偶数倍波を生成する機能を付加し、局部発振信号の偶数倍波を生成するとともに、局部発振信号の偶数倍波の近傍の周波数を有する高周波信号から中間周波信号を生成し、局部発振信号の偶数倍波と中間周波数信号とを同時並行的に使用することができるミキサ回路を提供することである。
実施の形態1.
なお各図において、同じ符号は同じものかまたは同等のものであることを示す。
図1において、ミキサ回路10は、電力分配回路としてのラットレース回路12、第1の結合回路としての結合線路14,第1のダイオード素子としてのダイオード16,第2の結合回路としての結合線路18,第2のダイオード素子としてのダイオード20、フィルタ回路としてのIFフィルタ回路22を備えている。
4端子のラットレース回路12は、伝送線路としての閉曲線状のリング回路12aからなり、リング回路12aに時計回りに第1の接続端としての第1端子12b、第2の接続端としての第2端子12c、第3の接続端としての第3端子12d、第4の接続端としての第4端子12eが設けられている。
結合線路14にはLO端子14aが設けられこのLO端子14aから局部発振器(図示せず)からのLO信号が入力される。結合線路14はLO信号の1/4波長の電気長をもつ結合線路である。結合線路14はRF信号の高インピーダンス回路としてのオープン回路24を介してリング回路12aの第1端子12bに接続されている。
ダイオード16はカソードを接地端に向け、接地端と第2端子12cとの間に接続されている。
結合線路18にはRF端子18aが設けられ、このRF端子18からRF信号が入出力される。結合線路18はRF信号の1/4波長の電気長を有する結合線路である。この結合線路18は第3端子12dに接続されている。
IFフィルタ回路22にはIF端子22aが設けられ、RF信号とLO信号により規定されるIF信号が入出力される。IFフィルタ回路22はDCカットのキャパシタ22bを介して接地されたRF信号の1/4波長の電気長を有するショートスタブ22cとから構成されている。IFフィルタ回路22は、この実施の形態では、第3端子12dに接続されている。
ダイオード20はカソードを接地端に向け、接地端と第4端子12eとの間に接続されている。
LO信号の周波数fLOは、nを自然数としたときRF信号の周波数fRFの1/(2n)つまりfRF/(2n)に規定される。
例えば自動車用レーダー装置の場合fRFは76GHzであるのでfLOは38GHzである。
図2において、LO信号の波長をλLOとすると、第1端子12bと第2端子12cとの経路長、第2端子12cと第3端子12dとの経路長、および第3端子12dと第4端子12eとの経路長は、各々λLO/4で、第4端子12eと第1端子12bとの経路長は3λLO/4である。
ラットレース回路12においては、ある端子から別のある端子へ行く信号の経路は、時計回りと反時計回りの二つがある。第1端子12bから第2端子12cへ行く場合時計回りの経路長はλLO/4で、反時計回りの経路は5λLO/4でその経路差はλLOである。従って第1端子12bから入力されたLO信号は同相で合成される。
同様に第1端子12bから第4端子12eへ行くLO信号の経路差は0であるので、第4端子12eにおいて同相合成される。
第1端子12bから第3端子12dへゆくLO信号の経路差はλLO/2であるので、第3端子12dでは逆相合成される。従って第1端子12bに入力されたLO信号は第3端子12dへは出力されない。
即ち第1端子12bに入力されたLO信号は第2端子12cと第4端子12eへ位相差180°で等配分される。
この場合、図3に示される様に、ラットレース回路12においては、第1端子12bと第2端子12cとの経路長、第2端子12cと第3端子12dとの経路長、および第3端子12dと第4端子12eとの経路長は、各々ほぼλRF/2で、第4端子12eと第1端子12bとの経路長はほぼ3λRF/2である。
このために第3端子12dに入力されたRF信号は第2端子12cにて経路差2λRFで同相合成され、第4端子12eにおいても経路差2λRFで同相合成される。従って第3端子12dに入力されたRF信号は第2端子12cおよび第4端子12eに位相差0°で等配分され、第2端子12cおよび第4端子12eにおいてIF信号を発生させるようにすると、fRF―2fLO=fIFの周波数をもつIF信号が第3端子12dで同相合成されIFフィルタ回路22を介して出力される。また、第2端子12cと第4端子12eとにおいてLO高調波成分を発生させるようにするとLO信号の2倍波成分(周波数は2fLO)が第3端子12dで合成されて、送信信号として出力される。
なおこの実施の形態では、第1端子12bにRF信号のオープン回路24が設けられ、このオープン回路24を介してLO端子14aが設けられている。第1端子12bではRF信号、IF信号が等価開放になっている。
ラットレース回路12側からLO端子14aを見た時、RF信号の周波数fRF(≒2fLO)にて等価開放になるために、送受信信号を半減することなく出力することができる。
このミキサ回路10に示されるように、結合線路14およびRF信号のオープン回路24を介して第1端子12bにLO端子14aを接続し、カソードを接地したダイオード16およびダイオード20を第2端子12cおよび第4端子12eに個別に接続し、結合線路18を介して第3端子12dにRF端子18aを接続し、IFフィルタ回路22を介して第3端子12dにIF端子22aを接続することにより、第3端子12dにRF信号を入力し、RF信号の1/2の周波数をもつLO信号を第1端子12bへ入力すると、IF端子22aに(fRF―2fLO)成分を有するIF信号が出力され、同時並行的にRF端子18aから2fLO成分を有するLO信号の2倍波が出力される。
図4に於いて横軸は局部発振信号の周波数で、縦軸は変換利得である。曲線aは送信変換利得であり、曲線bは受信変換利得である。
例えばfLO=38GHzにおいて、受信変換利得つまりRF信号からIF信号への変換利得は約−14dB、送信変換利得つまりLO信号からLO信号の2倍波への変換利得は約−13dBが得られていることが分かる。
なおこの実施の形態では、ダイオード16およびダイオード20のカソードを接地しているが、ともにアノードを接地する構成としてもかまわない。また結合線路14,18をそれぞれLOフィルタ回路、RFフィルタ回路として用いているが、キャパシタやインダクタを用いてフィルタを構成してもかまわない。
またこの実施の形態では、IF端子22aおよびRF端子18aが第3端子12dに接続され、LO端子14aが第1端子12bに接続されているが、IF端子22aおよびRF端子18aを第1端子12bに接続し、LO端子14aを第3端子12dに接続してもかまわない。ただしこの時はダイオード16またはダイオード20のいずれか一方をアノードを接地する構成とすることが必要となる。
ラットレース回路26ではリング回路26の一部を結合線路26aとしたものである。ラットレース回路26の第1端子12bと第2端子12cとの経路長、第2端子12cと第3端子12dとの経路長、および第3端子12dと第4端子12eとの経路長は、各々λLO/4で、第4端子12eと第1端子12bとの間に電気長がλLO/4の結合線路を配設したものである。
ラットレース回路26の第1端子12b、第2端子12c、第3端子12d、及び第4端子12eへの回路要素の接続やLO端子14a、RF端子18aおよびRF端子18aの接続は、ラットレース回路12の場合と同じである。
このラットレース回路26を用いることにより、使用する信号の帯域幅を広くすることができる。
図6においてミキサ回路30は、電力分配回路としての5端子のラットレース回路34が使用されている。このミキサ回路が、結合線路14,ダイオード16,結合線路18,ダイオード20、IFフィルタ回路22を備えていることは、これらを接続する端子が少し相違していることを除けばミキサ回路10と同様である。
ラットレース回路34は、リング回路12aに第4端子12eから更に時計回りに第5の接続端としての第5端子12fが設けられている。リング回路12aにおける第4端子12eと第5端子12fとの経路長はLO信号の1/4波長の電気長である。従って第5端子12fと第1端子12bとの経路長はLO信号の2/4波長の電気長である。
ラットレース回路34において、結合線路14がRF信号のオープン回路24を介してリング回路12aの第1端子12bに、またダイオード16がカソードを接地端に向け、接地端と第2端子12cとの間に、さらにダイオード20がカソードを接地端に向け、接地端と第4端子12eとの間に、それぞれ接続されていることは、ラットレース回路12と同様である。
しかし第5端子12fが設けられたことにより、第3端子12dには結合線路18を介してRF端子18のみが接続され、IF端子22aはIFフィルタ回路22を介して第5端子12fに接続されている。
同様に第1端子12bから第4端子12eへ行くLO信号の経路差は0であるので、第4端子12eにおいて同相合成される。
第1端子12bから第3端子12dへ行くLO信号の経路差はλLO/2であるので、第3端子12dでは逆相合成される。従って第1端子12bに入力されたLO信号は第3端子12dへは出力されない。同様に第5端子12fでも逆相合成されるため第5端子12fへも出力されない。
即ち第1端子12bに入力されたLO信号は第2端子12cと第4端子12eへ等配分される。
この場合、ラットレース回路34においては、第1端子12bと第2端子12cとの経路長、第2端子12cと第3端子12dとの経路長、第3端子12dと第4端子12eとの経路長、および第4端子12eと第5端子との経路長は、各々ほぼλRF/2で、第5端子と第1端子12bとの経路長はほぼλRFである。
従って第3端子12dに入力されたRF信号は第2端子12cおよび第4端子12eに等分配され、第2端子12cおよび第4端子12eにおいてIF信号を発生させるようにすると、fRF―2fLO=fIFの周波数をもつIF信号が第5端子12fで同相合成され、IFフィルタ回路22を介して出力される。また、第2端子12cと第4端子12eとにおいてLO高調波成分を発生させるようとすると、LO信号の2倍波成分(周波数は2fLO)が第3端子12dで合成されて、送信信号として出力される。
このようにラットレース回路34を用いたミキサ回路30の動作は、ラットレース回路12を用いたミキサ回路10と同様である。
実施の形態2.
図7に於いてミキサ回路40は、3端子結合回路としてのバラン42とパラレルペアとして接続された第1のダイオード素子としてのダイオード44及び第2のダイオード素子としてのダイオード46、4端子結合回路としてのランゲカップラ48、及びフィルタ回路としてのIFフィルタ回路22を備えている。さらにミキサ回路40はダイオード44およびダイオード46のDC/IF遮断のキャパシタ41a、41b、オープンスタブ43a、43b、ショートスタブ45a、45b、及び位相調整回路としての位相調整線路47を備えている。
オープンスタブ43a、43bはLO信号の1/4波長、すなわちのλLO/4の電気長を有し、LO信号を等価的に短絡させる。なおオープンスタブ43a、43bはRF信号の1/2波長、すなわちλRF/2の電気長を有しているので、RF信号に対しては等価開放となる。
またショートスタブ45a、45bはRF信号の1/2波長、すなわちλRF/2の電気長を有しているので、RF信号を短絡させる。なおショートスタブ45a、45bはLO信号の1/4波長、すなわちのλLO/4の電気長を有しているため、LO信号に対しては等価開放となる。
バラン42の入力端としてのLO端子14aを有する結合線路はLO信号の1/2波長、すなわちのλLO/2の電気長を有し、第1出力端42aと第2出力端42bから位相差がπのLO信号が出力される。この第1出力端42aにダイオード44のカソードが接続され、第2出力端42bにダイオード46のカソードが接続されている。ミキサ回路40内にRF信号及びLO信号の短絡点が必要であり、ダイオード44およびダイオード46のカソードにショートスタブ45a、45bが接続されていて、これによりRF信号が短絡される。
結合線路48cに並行して設けられた第2の線路としての結合線路48dは第3の接続端としての第3端子48eおよび第4の接続端としての第4端子48fを備え、第3端子48eはキャパシタ41aを介してダイオード44のアノードに接続され、第4端子48fは位相調整線路47と位相調整線路47よりダイオードに近接するキャパシタ41bとを介してダイオード46のアノードとに接続されている。IFフィルタ回路22はダイオード44およびダイオード46のアノードに接続されており、またIF端子22aが接続されている。ダイオード44およびダイオード46のアノードにはLO信号の1/4波長、すなわちのλLO/4の電気長を有するオープンスタブ43a、43bが接続されていて、ここでLO信号が短絡される。
ランゲカプラ48の第3端子48eと第4端子48fとの間の位相差は90°であるが、位相調整線路47がRF信号の1/4波長、すなわちλRF/4の電気長を有しているので、第4端子48fから出力された信号の位相が90°戻される。このためRF信号は0°の位相差でダイオード44およびダイオード46に入力される。従って実施の形態1において説明したミキサ回路と同様の効果を有する。
なおこの実施の形態では、ダイオード44、ダイオード46のカソードがそれぞれバラン42の第1出力端42a、第2出力端42bと接続されているが、ダイオード44、ダイオード46のアノードがそれぞれバラン42の第1出力端42a、第2出力端42bと接続されていてもよい。
またIFフィルタ回路22がダイオード44およびダイオード46のアノードに接続されているが、DC/IF遮断のキャパシタ41a、41bがダイオード44およびダイオード46のカソードとバラン42との間に接続されていれば、IFフィルタ回路22もダイオード44およびダイオード46のカソードに接続されてもよい。
図8においてミキサ回路60は、第1の4端子結合回路としてのランゲカップラ48、パラレルペアとして接続された第1のダイオード素子としてのダイオード44及び第2のダイオード素子としてのダイオード46、位相調整回路としての伝送線路62、DCショートのインダクタ64a、64b、フィルタ回路66、および第2の4端子結合回路としての結合回路61を備えている。伝送線路62はLO信号の1/4波長の電気長、すなわちλLO/4の電気長を有している。
結合線路48cに並行して設けられた第2の線路としての結合線路48dは第3の接続端としての第3端子48eおよび第4の接続端としての第4端子48fを備え、第3端子48eは結合回路61を介してダイオード44のカソードとインダクタ64aとに接続され、第4端子48fは伝送線路62を介してダイオード46のカソードとインダクタ64bとに接続されている。
結合回路61の第1の接続端としての第1端子61aはランゲカプラ48の第3端子48eに接続され、第2の接続端としての第2端子61bは接地されている。両端に第1端子61aと第2端子61bとを有する第1の線路としての結合線路61cはRF信号の1/4波長、すなわちλRF/4の電気長を有している。
結合線路61cに並行して設けられた第2の線路としての結合線路61dは第3の接続端としての第3端子61eおよび第4の接続端としての第4端子61fを備え、第3端子61eは接地され、第4端子61fはダイオード44のカソードとインダクタ64aとに接続されている。
またランゲカプラ48に接続されたLO端子14aとRF端子18aとのアイソレーションを高くするために、LO信号の1/4波長の電気長、すなわちλLO/4の電気長を有しているオープンスタブ63aがRF端子18aに接続され、LO信号の1/4波長の電気長、すなわちλLO/4の電気長を有しているショートスタブ63bがLO端子14aに接続されている。
このフィルタ回路66において第1伝送線路66aのQ点で接続されていないもう一方の端点が第1の接続端としての第1回路端子66dで、この第1回路端子66dはダイオード44のアノードと接続され、第2伝送線路66bのQ点で接続されていないもう一方の端点が第2の接続端としての第2回路端子66fで、この第2回路端子66fがダイオード46のアノードと接続されている。第3伝送線路66cのQ点で接続されていないもう一方の端点はキャパシタ66gを介して接地されるとともにIF端子22aに接続されている。
第3伝送線路66cはキャパシタ66gを介して接地されているので、LO信号に対してはQ点において等価開放である。第1伝送線路66aおよび第2伝送線路66bはLO信号の1/4波長の電気長、すなわちλLO/4の電気長を有するのでダイオード44及びダイオード46のそれぞれのアノードにおいてLO信号は等価短絡である。
またλLO≒2λRFであるであるため、第1伝送線路66a,第2伝送線路66b及び第3伝送線路66cはRF信号の1/2波長、すなわちλRF/2の電気長を有している。このためRF信号もダイオード44及びダイオード46のそれぞれのアノードにおいて等価短絡となる。
このようにミキサ回路40およびミキサ回路60においては、実施の形態1の場合と同様の動作が可能で、RF端子18aにRF信号を入力し、RF信号の1/2の周波数をもつLO信号をLO端子14aに入力することにより、IF端子22aに(fRF―2fLO)成分を有するIF信号が出力され、同時並行的にRF端子18aから2fLO成分を有するLO信号の2倍波が出力される。
またランゲカプラ48の第3端子48eと第4端子48fとの間の位相差は90°であるが、伝送線路62及び結合回路61によりLO信号は位相差180°、RF信号は位相差0°でダイオード44及びダイオード46に入力される。さらにLO信号においてもRF信号においても電力を等配分することができる。従って実施の形態1で説明したミキサ回路と同様の効果を有する。
図9において横軸は局部発振信号の周波数で、縦軸は変換利得である。曲線aは送信変換利得であり、曲線bは受信変換利得である。
例えばfLO=38GHzにおいて、受信変換利得は約−13dB、送信変換利得は約−13dBが得られていることが分かる。
なおこの実施の形態では、ダイオード44及びダイオード46のカソードがランゲカプラ48側を向いている構成であるが、アノードがランゲカプラ48側を向いている構成であってもかまわない。また結合回路61は3本以上の線路を用いたランゲカップラであってもかまわない。
実施の形態3.
図10に於いて、送受信装置70のミキサ回路72のRF端子18aには送受信兼用アンテナ73が接続され、LO端子14aには増幅器74を介して局部発振回路としての発振器76が接続され、IF端子には中間周波処理回路としてのIF処理装置78が接続されている。
ここではRF信号の周波数fRFをW帯、LO信号の周波数fLOをfRF/2とする。この場合周波数fLOはKa帯となる。
送信時は、発振器76で生成したLO信号をKa帯アンプである増幅器74で増幅し、ミキサ回路10によりW帯に逓倍し、RF端子18aから送受信兼用アンテナ73に送り送受信兼用アンテナ73から送信する。
受信時は送受信兼用アンテナ73で受信したW帯のRF信号をRF端子18aからミキサ回路10に取り込み、RF信号と発振器76で生成したKa帯のLO信号とからダウンコンバートしてIF信号を生成し、このIF信号をIF端子を介してIF処理装置78に送る。
従ってKa帯の信号からW帯の信号を生成でき、Ka帯のデバイスでW帯の送受信装置を構成することができる。
またスイッチやサーキュレータなしに送受信兼用アンテナを使用でき、レーダー装置を小型化することができる。さらに受信動作と送信動作を同時並行的に行うことができるので、レーダー動作の断絶がない。
これらの構成により、この発明の一実施の形態に係るレーダー用送受信装置においては、高周波信号を受信し中間周波数信号を取り出しながら同時並行的に局部発振信号の偶数倍波を発振でき、受信動作と送信動作を同時並行的に行うことができるので、レーダー動作の断絶がない。またスイッチやサーキュレータなしに送受信兼用アンテナを使用でき、レーダー装置を小型化することができる。
Claims (3)
- 閉曲線状の伝送線路とこの伝送線路に配設された第1の接続端とこの第1の接続端から上記伝送線路の同じ方向回りに各々第1の電気長の経路長を置いて上記伝送線路に順次配設された第2、第3,第4の接続端とを有し、第4の接続端と第1の接続端との経路長が第2の電気長を有する電力分配回路と、
上記第1の接続端に接続され、第1の周波数を有する局部発振信号が入力される第1の結合回路と、
上記第2の接続端と接地端との間に配設され、陽極或いは陰極の一方のみを接地端側に向けて接続された第1のダイオード素子と、
上記第3の接続端に接続され、上記第1の周波数の偶数倍の周波数を有する出力信号および上記第1の周波数の偶数倍の周波数と同等である第2の周波数を有する高周波の入力信号が並行して伝播される第2の結合回路と、
第4の接続端と接地端との間に配設され、上記第1のダイオード素子と同じ極性の方向のみに接続された第2のダイオード素子と、
上記第1の接続端から上記伝送線路に沿い上記第1の電気長の2倍の経路長を有する位置に配設された上記第3の接続端に接続され、第2の周波数と第1の周波数を上記偶数倍した周波数との差の周波数により規定される中間周波信号が伝播されるフィルタ回路と、を備えるとともに、
上記第1の電気長が局部発振信号の1/4波長の長さで、第2の電気長が局部発振信号の3/4波長の長さとしたことを特徴とするミキサ回路。 - 上記第2の周波数を有する高周波の入力信号に対し開放もしくは300Ω以上の高インピーダンス回路を更に備え、この高インピーダンス回路を介して第1の結合回路が電力分配回路に接続されたことを特徴とする請求項1記載のミキサ回路。
- 請求項1または2に記載のミキサ回路と、
このミキサ回路の第1の結合回路に接続された局部発振回路とを備え、
上記ミキサ回路の第2の結合回路に送受信兼用アンテナが接続され、上記ミキサ回路のフィルタ回路に中間周波信号処理回路が接続されることを特徴としたレーダー装置用送受信装置。
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