JP5251756B2 - 混合器および周波数変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いて乗算信号を生成する混合器、およびその混合器を備えた周波数変換装置に関するものである。

磁気抵抗効果素子として、磁化固定層と磁化自由層との間に非磁性材料で形成されたスペーサ層を介在させて構成されたＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子が知られている。このＴＭＲ素子では、電流を流したときにスピン偏極電子が流れて、磁化自由層内に蓄積されるスピン偏極電子の数に応じて磁化自由層の磁化の向き（電子スピンの向き）が変化する。一定の磁場内に配置された磁化自由層では、その磁化の向きを変更しようとしたときに、磁場によって拘束される安定な方向へ復元するように電子スピンに対してトルクが働き、特定の力で揺らされたときに、スピン歳差運動と呼ばれる振動が発生する。

近年、ＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子に対して高い周波数の交流電流を流した場合において、磁化自由層に流れる交流電流の周波数と磁化の向きに戻ろうとするスピン歳差運動の振動数とが一致したときに、強い共振が発生する現象（スピントルク強磁性共鳴）が発見された（非特許文献１参照）。また、磁気抵抗効果素子に外部から静磁界を印加し、かつこの静磁界の方向を磁化固定層の磁化の方向に対して層内で所定角度傾けた状態では、磁気抵抗効果素子は、ＲＦ電流（スピン歳差運動の振動数（共振周波数）と一致する周波数のＲＦ電流）が注入されたときに、注入されたＲＦ電流の振幅の２乗に比例する直流電圧をその両端に発生させる機能、つまり、２乗検波機能（スピントルクダイオード効果）を発揮することが知られている。また、この磁気抵抗効果素子の２乗検波出力は、所定の条件下において半導体ｐｎ接合ダイオードの２乗検波出力を上回ることが知られている（非特許文献２参照）。

しかしながら、上述のようなＴＭＲ素子の現象が知られつつも、このような現象を工業的に利用できる磁気デバイスは知られておらず、発見の応用が期待されていた。このため、本願出願人は、鋭意研究を重ねることにより、磁気抵抗効果素子の２乗検波機能に着目して、低いローカルパワーで作動可能な混合器への用途を検討し、既に提案している（特願２００８−８９５６９）。

Nature, Vol.438, 17 November, 2005, pp.339-342 まぐね, Vol.2, No.6, 2007, pp.282-290

ところで、本願出願人が提案した上記の混合器について継続して検討を行った結果、磁気抵抗効果素子に対して永久磁石を使用して静磁界を印加する構成を採用することで、電気的に静磁界を生成する構成と比較して、混合器全体としてのパワーを一層低減できることを見出した。しかしながら、永久磁石には温度変化に応じて残留磁束密度が変化するという特性があり、一方、磁気抵抗効果素子には印加される静磁界の強さによって共振周波数が変化するという特性がある。このため、永久磁石を使用した上記の混合器には、温度が変化したときに、磁気抵抗効果素子の共振周波数がＲＦ電流の所望の周波数とずれる結果、磁気抵抗効果素子の２乗検波出力が低下するという課題が存在している。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、永久磁石を使用しつつ低いローカルパワーで作動可能な混合器、およびその混合器を備えた周波数変換装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく本発明に係る混合器は、磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層を備えた磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層に磁場を印加する磁場印加部とを備えて、第１高周波信号およびローカル用の第２高周波信号を入力したときに前記磁気抵抗効果素子によって当該両高周波信号を乗算して乗算信号を生成可能に構成され、前記磁場印加部は、温度係数が異なり、かつ残留磁束密度の温度変化量が同等の２種の永久磁石が磁化方向を互いに逆向きとした状態で前記磁場の方向に沿って直列に配設されて構成されている。

また、本発明に係る混合器は、磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層を備えた磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層に磁場を印加する磁場印加部とを備えて、第１高周波信号およびローカル用の第２高周波信号を入力したときに前記磁気抵抗効果素子によって当該両高周波信号を乗算して乗算信号を生成可能に構成され、前記磁場印加部は、前記磁場を発生させる永久磁石と、当該永久磁石に近接して配設された強磁性部材と、当該強磁性部材に連結されて周囲温度に応じて膨張または収縮することにより、前記周囲温度の上昇時には当該強磁性部材を前記永久磁石に接近させ、前記周囲温度の下降時には当該強磁性部材を前記永久磁石から離反させる熱伸縮部材とを備えて構成されている。

また、本発明に係る混合器は、前記磁場印加部が前記磁気抵抗効果素子を挟んで一対配設されている。

また、上記目的を達成すべく本発明に係る周波数変換装置は、上記いずれかの混合器と、前記両高周波信号の周波数のうちの高い方の周波数をｆ１として低い方の周波数をｆ２としたときに、前記乗算信号のうちから周波数が（ｆ１＋ｆ２）および（ｆ１−ｆ２）のうちのいずれか一方の乗算信号を通過させるフィルタとを備えている。

本発明に係る混合器および周波数変換装置では、温度係数が異なり、かつ残留磁束密度の温度変化量が同等の２種の永久磁石が磁化方向を互いに逆向きとした状態で磁場の方向に沿って直列に配設されて磁場印加部が構成されているため、周囲の温度が変化したとしても、磁場印加部が常に所定の強さ（一定の強さ）の磁場を磁気抵抗効果素子に印加し続けることができ、これによって磁気抵抗効果素子の共振周波数の変動を防止することができる。したがって、この混合器および周波数変換装置によれば、周囲温度が変化したときであっても、ローカル用の第２高周波信号の周波数と磁気抵抗効果素子の共振周波数とが一致する状態を常に維持できるため、共振状態の磁気抵抗効果素子が２乗検波機能（スピントルクダイオード効果）を常時発揮して第１高周波信号および第２高周波信号を乗算することにより、半導体ｐｎ接合ダイオードを使用した構成と比較して、少ない電力の第２高周波信号で第１高周波信号と第２高周波信号とを乗算して乗算信号を出力することができるため、周囲温度に拘わらず、第２高周波信号の電力を小さくすることができ、その分だけ省電力化を図ることができる。

本発明に係る混合器および周波数変換装置では、磁場を発生させる永久磁石と、永久磁石に近接して配設された強磁性部材と、強磁性部材に連結されて周囲温度に応じて膨張または収縮することにより、周囲温度の上昇時には強磁性部材を永久磁石に接近させ、周囲温度の下降時には強磁性部材を永久磁石から離反させる熱伸縮部材とを備えて磁場印加部が構成されているため、周囲の温度が変化したとしても、磁場印加部が常に所定の強さ（一定の強さ）の磁場を磁気抵抗効果素子に印加し続けることができ、これによって磁気抵抗効果素子の共振周波数の変動を防止することができる。したがって、この混合器および周波数変換装置によれば、周囲温度が変化したときであっても、ローカル用の第２高周波信号の周波数と磁気抵抗効果素子の共振周波数とが一致する状態を常に維持できるため、共振状態の磁気抵抗効果素子が２乗検波機能（スピントルクダイオード効果）を常時発揮して第１高周波信号および第２高周波信号を乗算することにより、半導体ｐｎ接合ダイオードを使用した構成と比較して、少ない電力の第２高周波信号で第１高周波信号と第２高周波信号とを乗算して乗算信号を出力することができるため、周囲温度に拘わらず、第２高周波信号の電力を小さくすることができ、その分だけ省電力化を図ることができる。

また、本発明に係る混合器および周波数変換装置では、磁気抵抗効果素子を挟んで磁場印加部が一対配設されているため、磁気抵抗効果素子に対して平行磁場に近い磁場が印加される状態となっている。したがって、この混合器および周波数変換装置によれば、磁気抵抗効果素子の磁化自由層における容易磁化軸の向きと、磁場印加部から印加される磁場の向きとを、磁化自由層において磁化の向きの共振が発生し易い角度に正確に規定することができるため、ローカル用の第２高周波信号の電力を確実に小さくすることができる。

また、本発明に係る周波数変換装置によれば、両高周波信号の周波数のうちの高い方の周波数をｆ１として低い方の周波数をｆ２としたときに、乗算信号のうちから周波数が（ｆ１＋ｆ２）および（ｆ１−ｆ２）のうちのいずれか一方の乗算信号を通過させるフィルタを備えたことにより、所望の周波数の乗算信号のみを生成することができる。

周波数変換装置１００の構成を示す構成図である。 混合器１の等価回路図である。 磁気抵抗効果素子２（ＴＭＲ素子）および一対の磁場印加部３ａ，３ｂの斜視図である。 磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１近傍の斜視図である。 磁気抵抗効果素子２に印加する磁場Ｈを一定としたときの周波数ｆと磁気抵抗効果素子２の共振状態との関係図である。 磁気抵抗効果素子２（ＴＭＲ素子）および他の一対の磁場印加部６ａ，６ｂの構成を示す構成図である。 磁気抵抗効果素子２（ＴＭＲ素子）およびさらに他の一対の磁場印加部６ａ，６ｂの構成を示す構成図である。

以下、混合器および周波数変換装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、混合器１、および混合器１を含む周波数変換装置１００の構成について、図面を参照して説明する。なお、一例として周波数変換装置１００を受信装置ＲＸに適用した例を挙げて説明する。

図１に示す周波数変換装置１００は、アンテナ１０１と共に受信装置ＲＸを構成する。周波数変換装置１００は、アンテナ１０１から出力されるＲＦ信号Ｓ_ＲＦを受信する受信装置ＲＸの高周波段に配置されて、ＲＦ信号Ｓ_ＲＦの周波数ｆ１を乗算信号Ｓ３の周波数ｆｍに変換する機能を有している。一例として周波数変換装置１００は、混合器１と共に、アンプ１１、信号生成部１２、フィルタ１３および出力端子１４ａ，１４ｂ（以下、特に区別しないときには出力端子１４ともいう）を備えている。アンプ１１は、ＲＦ信号Ｓ_ＲＦを入力すると共に増幅して、信号Ｓ１（第１高周波信号）として出力する。信号生成部１２は、いわゆる局部発振器として機能して、周波数がｆ２のローカル信号（第２高周波信号）Ｓ２を生成する。信号生成部１２は、一例として、−１５ｄＢｍ±５ｄＢｍのローカル信号Ｓ２を生成して出力する。また、このようにして出力された信号Ｓ１およびローカル信号Ｓ２は、特性インピーダンスが５０Ωに規定された信号伝送路（例えばマイクロストリップライン。以下、「伝送路」ともいう）Ｌ１を介してインピーダンス回路４に伝送される。

混合器１は、磁気抵抗効果素子２、一対の磁場印加部３ａ，３ｂ（特に区別しないときには「磁場印加部３」ともいう）、インピーダンス回路４およびインピーダンス変換回路５を備え、アンプ１１から出力された信号Ｓ１（周波数ｆ１）と、信号生成部１２によって生成されるローカル信号Ｓ２（周波数ｆ２）とを乗算して、乗算信号としての出力信号Ｓ５を出力する。この場合、出力信号Ｓ５には、周波数ｆ１，ｆ２の信号、および周波数（ｆ１＋ｆ２），（ｆ１−ｆ２），２×ｆ１，２×ｆ２，３×ｆ１，３×ｆ２，・・・などの各乗算信号が含まれている。なお、信号生成部１２については、周波数変換装置１００にとって必須の構成ではなく、ＲＦ信号Ｓ_ＲＦと共に周波数変換装置１００の外部から入力する構成とすることもできる。また、図１に示す混合器１は、図２に示すような等価回路で表される。

磁気抵抗効果素子２は、一例として、図３に示すように磁化自由層２１を含むＴＭＲ素子で構成されている。具体的には、磁気抵抗効果素子２は、磁化自由層２１、スペーサ層２２、磁化固定層２３および反強磁性層２４を備え、この順に積層された状態で、図１に示すように、上部電極２５と下部電極２６との間に、磁化自由層２１が上部電極２５に接続され、かつ反強磁性層２４が下部電極２６に接続された状態で配設されている。この場合、磁化自由層２１は、強磁性材料で感磁層として構成されている。スペーサ層２２は、非磁性スペーサ層であって、絶縁性を有する非磁性材料で構成されて、トンネルバリア層として機能する。なお、スペーサ層２２は、通常１ｎｍ以下の厚みで形成される。また、下部電極２６はグランドに接続されている。

磁化固定層２３は、一例として、図３に示すように、磁化方向が固定された強磁性層（第２磁性層）２３ａ、Ｒｕなどの金属からなる非磁性層２３ｂ、および磁化方向が強磁性層２３ａと逆向きとなるように固定された他の強磁性層（第１磁性層）２３ｃとを備え、強磁性層２３ｃが反強磁性層２４の上部に位置するように各層がこの順に積層されて構成されている。この場合、一対の強磁性層２３ａ，２３ｃは、その磁化方向が磁気抵抗効果素子２の厚み方向（Ｚ軸方向）と垂直に設定されている。また、反強磁性層２４は、下側の強磁性層２３ｃに交換結合されている。

また、磁気抵抗効果素子２は、磁化自由層２１において磁化の向きの共振が発生し易いように、図４に示すように、磁化自由層２１における容易磁化軸Ｆの向きと、後述する磁場印加部３から印加される磁場Ｈの向きとが、Ｘ−Ｙ平面内において、所定の角度θ（好ましくは５°〜１７５°の範囲の任意の角度、より好ましくは９０°）で交差するように、磁気抵抗効果素子２と磁場印加部３との位置関係が予め規定されている。

磁場印加部３ａ，３ｂは、図１，３に示すように、温度係数の異なる２種の永久磁石３１，３２が組み合わされてそれぞれ構成されている。この場合、永久磁石３１は、一例として、常温（２０℃）のときの残留磁束密度が０．１（Ｔ）で、かつ温度係数が−０．１８（％／℃）のストロンチウムフェライト磁石で構成されている。一方、永久磁石３２は、一例として、常温（２０℃）のときの残留磁束密度が０．６（Ｔ）で、かつ温度係数が−０．０３（％／℃）のサマリウムコバルト磁石で構成されている。永久磁石の残留磁束密度の温度変化量（常温での残留磁束密度からの残留磁束密度の変化量）は、（残留磁束密度）×（温度係数）×（常温からの温度変化量）で算出されるが、上記した永久磁石３１，３２では、それぞれの（残留磁束密度）×（温度係数）が同一値（−０．０１８）に規定されている。このため、永久磁石３１，３２の各残留磁束密度の温度変化量は常に同じ値となる。一例として、温度が２０℃から１００℃に変化したときの残留磁束密度の温度変化量を各永久磁石３１，３２について算出すると、永久磁石３１の残留磁束密度の温度変化量は、−１．４４（Ｔ）（＝０．１×（−０．１８）×（１００−２０））となり、永久磁石３２の残留磁束密度の温度変化量は、−１．４４（Ｔ）（＝０．６×（−０．０３）×（１００−２０））となって、同じ値（同等の一例）となる。なお、一例として、ストロンチウムフェライト磁石およびサマリウムコバルト磁石を用いたが、残留磁束密度の温度変化量が同等となる異種の磁石の組であれば、これ以外の種々の磁石（ネオジウム・鉄・ホウ素磁石、サマリウム・鉄・窒素磁石、アルニコ磁石など）を使用することができる。

磁場印加部３ａは、この２種の永久磁石３１，３２を図１，３に示すように、互いの磁化方向（矢印で示す方向）が磁場Ｈに沿って互いに逆向きの状態となるように、具体的には、一例として、残留磁束密度の大きな永久磁石３２の磁化方向が磁場Ｈの向きに一致すると共に、残留磁束密度の小さな永久磁石３１の磁化方向が磁場Ｈの向きと逆向きとなり、かつ永久磁石３２が永久磁石３１と磁気抵抗効果素子２との間に位置するように直列に配設されて構成されている。一方、磁場印加部３ｂは、磁気抵抗効果素子２を挟んで磁場印加部３ａと反対側に配設されている。また、磁場印加部３ｂは、上記した２種の永久磁石３１，３２を同各図に示すように、互いの磁化方向（矢印で示す方向）が磁場Ｈに沿って互いに逆向きの状態となるように、具体的には、一例として、残留磁束密度の大きな永久磁石３２の磁化方向が磁場Ｈの向きに一致すると共に、残留磁束密度の小さな永久磁石３１の磁化方向が磁場Ｈの向きと逆向きとなり、かつ永久磁石３２が永久磁石３１と磁気抵抗効果素子２との間に位置するように直列に配設されて構成されている。この構成と、上記した永久磁石３１，３２の各残留磁束密度の温度変化量が常に同じ値となるという構成とを採用したことにより、磁場印加部３ａおよび磁場印加部３ｂのいずれにおいても、永久磁石３１，３２全体としての残留磁束密度（永久磁石３１，３２の各残留磁束密度の差分）は、温度変化によらず一定の値（０．５（Ｔ）（＝０．６−０．１））となり、この結果として、磁気抵抗効果素子２に印加される磁場Ｈの強さも温度変化によらず一定の強さとなる。つまり、磁場印加部３ａ，３ｂは、その残留磁束密度、ひいては磁場Ｈの強さに関して温度補償された状態となって、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１に所定の強さの磁場Ｈを印加する。

また、本例では、一対の磁場印加部３ａ，３ｂは、図１，３に示すように磁気抵抗効果素子２を挟んで（詳細には図３，４に示すように磁化自由層２１を挟んで）配設されている。具体的には、一対の磁場印加部３ａ，３ｂのほぼ中央に磁気抵抗効果素子２が配設されているため、磁化自由層２１を通過する磁場Ｈは平行磁場に近い状態に維持されている。なお、磁気抵抗効果素子２を挟んで磁場印加部３ａ，３ｂを一対配設する構成に代えて、磁場印加部３ａ，３ｂのうちのいずれか一方のみを配設する簡易的な構成を採用することもでき、この構成においても、磁場Ｈの強さを温度変化によらず一定の強さとすることができる。

インピーダンス回路４は、後述する電圧信号（乗算信号）Ｓ４に対するインピーダンス（入出力間のインピーダンス）が信号Ｓ１，Ｓ２に対するインピーダンス（入出力間のインピーダンス）よりも高く、かつ上記した特性インピーダンスが５０Ωに規定された伝送路（入力伝送路）Ｌ１と、磁気抵抗効果素子２に接続されて特性インピーダンスが５０Ωに規定された伝送路Ｌｍとの間に形成された僅かな長さのギャップを跨ぐようにして両伝送路Ｌ１，Ｌｍ間に配設されている。この場合、インピーダンス回路４は、伝送路Ｌ１を介して伝送された信号Ｓ１，Ｓ２に対するインピーダンスが伝送路Ｌ１の特性インピーダンス（５０Ω）よりも低く、その低いインピーダンスを介して伝送路Ｌ１から伝送路Ｌｍに信号Ｓ１，Ｓ２を出力する。つまり、インピーダンス回路４は、信号Ｓ１，Ｓ２を含む周波数帯域の信号に対しては、入出力間のインピーダンスが低いインピーダンス素子として機能して、これらの信号Ｓ１，Ｓ２を、その振幅をできる限り減衰させないようにして通過させる。また、インピーダンス回路４は、磁気抵抗効果素子２において発生する２乗検波出力（乗算信号であって、周波数（ｆ１±ｆ２）の電圧信号Ｓ４）の信号に対しては、磁気抵抗効果素子２側から見たインピーダンス（入出力間のインピーダンス）が伝送路Ｌ１，Ｌｍの特性インピーダンス（５０Ω）よりも高いインピーダンス（好ましくは、５００Ω以上のインピーダンス）となるように規定されている。

混合器１では、後述するように、磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ０をローカル信号Ｓ２の周波数ｆ２に一致させ、かつ信号Ｓ１の周波数ｆ１は、通常は周波数ｆ２の近傍の周波数に設定される。したがって、インピーダンス回路４は、一例として、後述するインピーダンス特性を備えた帯域通過型フィルタ（バンドパスフィルタ）で構成することができる。この場合、この帯域通過型フィルタは、磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ０（ローカル信号Ｓ２の周波数ｆ２）、および信号Ｓ１の周波数ｆ１を通過帯域に含み、かつ磁気抵抗効果素子２で発生する２乗検波出力としての乗算信号の各周波数（ｆ１＋ｆ２），（ｆ１−ｆ２），２×ｆ１，２×ｆ２，３×ｆ１，３×ｆ２，・・・を減衰帯域に含むインピーダンス特性に規定されている。また、インピーダンス回路４は、例えば、カップリングコンデンサを有して構成されて、磁気抵抗効果素子２において発生する２乗検波出力の直流成分のアンプ１１側や信号生成部１２への漏れ出しを阻止する機能も備えている。

この場合、コンデンサは、等価直列インダクタンスを含んでいるため、図示はしないが、自己共振周波数ｆｓを基準として低周波数側がコンデンサとして機能する領域（コンデンサ領域、つまりインピーダンスが周波数の増加に伴って減少する領域）となり、自己共振周波数ｆｓを基準として高周波数側がインダクタとして機能する領域（インダクタンス領域、つまりインピーダンスが周波数の増加に伴って増加する領域）となり、自己共振周波数ｆｓを含むその前後の狭い領域は自己共振周波数ｆｓに向けてインピーダンスが急激に減少する領域となるインピーダンス特性を有している。このため、コンデンサは、簡易的な帯域通過型フィルタとして機能し得るインピーダンス特性を有している。したがって、自己共振周波数ｆｓを含むインピーダンスの低い帯域（自己共振周波数帯域）を通過帯域として利用することにより、１つのコンデンサでインピーダンス回路４（第１フィルタ）を構成することもできる。本例では、図１，２に示すように、インピーダンス回路４を１つのコンデンサ４ａ（容量性素子。一例として１００５形状の低容量チップコンデンサ）で構成することで、装置構成の簡略化を図っている。なお、コンデンサ４ａは、カップリングコンデンサとして機能するため、磁気抵抗効果素子２において発生する２乗検波出力の直流成分のアンプ１１側や信号生成部１２への漏れ出しを阻止する機能も備えている。

インピーダンス変換回路５は、一例として演算増幅器５ａを用いて構成されている。本例では、演算増幅器５ａは、その一方の入力端子が上部電極２５に接続され、他方の入力端子がグランドに接続されて、差動増幅器として機能する。これにより、演算増幅器５ａは、コンデンサ４ａを介して信号Ｓ１およびローカル信号Ｓ２が入力されることに起因して磁気抵抗効果素子２の両端間に発生する電圧信号Ｓ４を入力し、その電圧信号Ｓ４を増幅して出力信号Ｓ５として出力伝送路Ｌ２（以下では、「伝送路Ｌ２」ともいう。例えば、マイクロストリップライン）に出力する。また、演算増幅器５ａは、一般的に入力インピーダンスは極めて高く、また出力インピーダンスは十分に低いという特性を有している。したがって、この構成により、演算増幅器５ａは、磁気抵抗効果素子２の両端間に発生する電圧信号Ｓ４を、出力インピーダンスよりも高い入力インピーダンスで入力し、入力した電圧信号Ｓ４を出力信号Ｓ５に増幅して、低インピーダンスで出力するため、インピーダンス変換部として機能する。この場合、演算増幅器５ａは、伝送路Ｌ２の特性インピーダンスと整合する出力インピーダンスで出力信号Ｓ５を出力する。フィルタ１３は、一例として帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ：第２フィルタ）で構成されると共に伝送路Ｌ２に配設されて、出力信号Ｓ５から所望の周波数の信号のみを通過させることで、乗算信号Ｓ３として出力端子１４に出力する。具体的には、フィルタ１３は、後述するように、周波数ｆｍとして各周波数（ｆ１−ｆ２），（ｆ１＋ｆ２）のうちのいずれかの周波数（所望の周波数）の信号を通過させる。

次に、混合器１の混合動作および周波数変換装置１００の周波数変換動作について説明する。一例として、アンテナ１０１を介して受信したＲＦ信号Ｓ_ＲＦ（周波数ｆ１）が入力され、信号生成部１２はローカル信号Ｓ２（周波数ｆ２（＜ｆ１））を生成するものとする。また、インピーダンス回路４を構成するコンデンサ４ａとして、その自己共振周波数ｆｓを含む自己共振周波数帯域（通過帯域）内に、両信号Ｓ１，Ｓ２の周波数ｆ１，ｆ２が含まれているものとする。また、磁気抵抗効果素子２の共振特性は、図５に示すようにローカル信号Ｓ２の周波数ｆ２においてピークを示すのが好ましい。このため、一対の磁場印加部３ａ，３ｂは、共振周波数ｆ０をローカル信号Ｓ２の周波数ｆ２に一致させる磁場Ｈを磁気抵抗効果素子２に印加するように構成されているものとする。また、ローカル信号Ｓ２は、磁気抵抗効果素子２に対して共振を発生させ得る電流を供給可能な電力（例えば−１５ｄＢｍ±５ｄＢｍ）に規定されているものとする。また、混合器１による混合動作によってインピーダンス変換回路５から出力される出力信号Ｓ５には、各信号Ｓ１，Ｓ２の周波数成分（ｆ１，ｆ２）、および各乗算信号の周波数成分（（ｆ１＋ｆ２），（ｆ１−ｆ２），２×ｆ１，２×ｆ２，３×ｆ１，３×ｆ２，・・・）が含まれているが、これらの周波数成分のうちの所望の周波数成分（周波数成分（ｆ１＋ｆ２）または周波数成分（ｆ１−ｆ２）。本例では一例として低域の周波数成分（ｆ１−ｆ２））を通過させ、これ以外の周波数の信号の通過を阻止し得るようにフィルタ１３が構成されているものとする。この場合、フィルタ１３は、帯域通過型フィルタで構成されているが、低域通過型フィルタであってもよい。

この周波数変換装置１００では、一対の磁場印加部３ａ，３ｂから磁気抵抗効果素子２に所定の強さの磁場Ｈが印加されている状態において、信号生成部１２から混合器１にローカル信号Ｓ２（周波数ｆ２）が入力されている。インピーダンス回路４（コンデンサ４ａ）のインピーダンスはローカル信号Ｓ２の周波数ｆ２において十分に小さな値（自己共振時のインピーダンス）になっているため、ローカル信号Ｓ２は、極めて減衰の少ない状態でインピーダンス回路４を通過して磁気抵抗効果素子２に出力される。また、この状態では、ローカル信号Ｓ２はその周波数ｆ２が磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ０と一致し、かつその電力が磁気抵抗効果素子２に対して共振を発生させ得るように規定されている。このため、強い共振（スピントルク強磁性共鳴）が磁気抵抗効果素子２に発生する。この共振状態において、アンテナ１０１からアンプ１１にＲＦ信号Ｓ_ＲＦ（周波数ｆ１）が入力され、アンプ１１が信号Ｓ１の出力を開始すると、磁気抵抗効果素子２は、２つの信号Ｓ１，Ｓ２に対して２乗検波動作を実行する。この際に、インピーダンス回路４（コンデンサ４ａ）のインピーダンスは、信号Ｓ１の周波数ｆ１においても十分に小さな値（自己共振時のインピーダンス）になっているため、信号Ｓ１は、ローカル信号Ｓ２と同様にして、反射することなく極めて減衰の少ない状態でコンデンサ４ａを通過して磁気抵抗効果素子２に出力される。

この場合、磁気抵抗効果素子２は、共振状態において半導体ｐｎ接合ダイオードと比較して僅かな順方向電圧で２乗検波動作（整流作用）を発揮する。このため、磁気抵抗効果素子２は、この順方向電圧を磁気抵抗効果素子２に発生させるためのローカル信号Ｓ２の電力が半導体ｐｎ接合ダイオードを使用したときに必要とされる電力（例えば１０ｄＢｍ）よりも少ない状態であっても２乗検波動作を実行して、信号Ｓ１およびローカル信号Ｓ２を乗算して、その両端間に電圧信号Ｓ４を発生させる。この際に、磁気抵抗効果素子２において直流電圧が生成されたとしても、コンデンサ４ａが、その直流電圧のアンテナや信号生成部１２への漏れ出しを阻止して（直流をカットして）、磁気抵抗効果素子２を保護すると共にアンテナや信号生成部１２を保護する。

また、磁気抵抗効果素子２による２乗検波動作（混合動作）によって生成される電圧信号Ｓ４は、上記したように２つの周波数成分（ｆ１＋ｆ２，ｆ１−ｆ２）を含む種々の周波数成分で構成されているが、これらの周波数成分はコンデンサ４ａの通過帯域を外れた減衰帯域に含まれる周波数成分である。このため、これら周波数成分（ｆ１＋ｆ２，ｆ１−ｆ２）についてのコンデンサ４ａ（つまり、インピーダンス回路４）のインピーダンスは、信号Ｓ１（周波数ｆ１）およびローカル信号Ｓ２（周波数ｆ２）についてのコンデンサ４ａのインピーダンスよりも大きな値となる。特に、本例の周波数変換装置１００において出力される乗算信号Ｓ３と同じ周波数（ｆ１−ｆ２）の周波数成分についてのコンデンサ４ａのインピーダンスは高い値となる。また、上記したように、磁気抵抗効果素子２に接続されているインピーダンス変換回路５を構成する演算増幅器５ａの入力インピーダンスも極めて高い値（通常は、数百ＫΩ以上）となっている。したがって、磁気抵抗効果素子２によって電圧信号Ｓ４が出力される伝送路Ｌｍのインピーダンスが高い値であるため、磁気抵抗効果素子２は、上記したように、レベルの大きな電圧信号Ｓ４を発生して伝送路Ｌｍに出力する。

次いで、インピーダンス変換回路５を構成する演算増幅器５ａが、電圧信号Ｓ４を増幅して出力信号Ｓ５として伝送路Ｌ２に出力する。次に、フィルタ１３が、出力信号Ｓ５に含まれている２つの周波数成分（ｆ１＋ｆ２，ｆ１−ｆ２）のうちの一方の周波数成分（中間周波数：ｆ１−ｆ２）を通過させ、乗算信号Ｓ３として出力端子１４に出力する。これにより、周波数変換装置１００が、信号Ｓ１（周波数ｆ１）とローカル信号Ｓ２（周波数ｆ２）とを乗算した電圧信号（乗算信号）Ｓ４から抽出した所望の乗算信号Ｓ３（周波数（ｆ１−ｆ２））を出力する。

このように、この混合器１および周波数変換装置１００では、周囲の温度が変化したとしても、一対の磁場印加部３ａ，３ｂが常に所定の強さ（一定の強さ）の磁場Ｈを磁気抵抗効果素子２に印加し続けることができ、これによって磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ０の変動を防止することができる。したがって、この混合器１および周波数変換装置１００によれば、周囲温度が変化したときであっても、ローカル信号Ｓ２の周波数ｆ２と磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ０とが一致する状態を常に維持できるため、共振状態の磁気抵抗効果素子２が２乗検波機能（スピントルクダイオード効果）を常時発揮して信号Ｓ１およびローカル信号Ｓ２を混合（乗算）することにより、半導体ｐｎ接合ダイオードを使用した構成と比較して、少ない電力のローカル信号Ｓ２で信号Ｓ１とローカル信号Ｓ２とを混合（乗算）して乗算信号Ｓ３（周波数成分（ｆ１−ｆ２））を出力することができるため、周囲温度に拘わらず、ローカル信号Ｓ２の電力を小さくすることができ、その分だけ省電力化を図ることができる。

また、この混合器１および周波数変換装置１００では、磁気抵抗効果素子２を挟んで磁場印加部３ａ，３ｂが一対配設されているため、磁気抵抗効果素子２に対して平行磁場に近い磁場Ｈが印加される状態となっている。したがって、この混合器１および周波数変換装置１００によれば、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１における容易磁化軸Ｆの向きと、磁場印加部３から印加される磁場Ｈの向きとを、磁化自由層２１において磁化の向きの共振が発生し易い角度に正確に規定することができるため、ローカル信号Ｓ２の電力を確実に小さくすることができる。

なお、上記の構成に限定されず、種々の構成を採用することもできる。例えば、図示はしないが、１つの増幅器（例えば演算増幅器）でインピーダンス変換回路５およびフィルタ１３を構成することもできる。この構成では、この増幅器の増幅動作についての上限周波数を乗算信号Ｓ３の周波数（ｆ１−ｆ２）とローカル信号Ｓ２の周波数ｆ２との間に規定する。この構成により、この増幅器が、磁気抵抗効果素子２において信号Ｓ１とローカル信号Ｓ２とを混合（乗算）することによって生成される電圧信号Ｓ４を高いインピーダンスで入力すると共に、電圧信号Ｓ４に含まれている周波数成分（ｆ１−ｆ２，ｆ２，ｆ１，ｆ１＋ｆ２，２×ｆ１，２×ｆ２，３×ｆ１，３×ｆ２，・・・）のうちの高域側の周波数成分（ｆ２，ｆ１，ｆ１＋ｆ２，２×ｆ１，２×ｆ２，３×ｆ１，３×ｆ２，・・・）を減衰させ、かつ低域側の周波数成分（ｆ１−ｆ２）だけを増幅（またはバッファ）しつつ通過させて、乗算信号Ｓ３として出力することができる結果、混合器１および周波数変換装置１００の構成の一層の簡略化を図ることができる。

また、永久磁石には、鉄などの強磁性部材を近づけた場合、近づける前よりもパーミアンス係数が大きくなるため、残留磁束密度が増加するという特性を有することが知られている。このため、この特性を利用することにより、図６に示す磁場印加部６ａ，６ｂのように、１種の永久磁石４１を備えた構成であっても、磁場Ｈについて温度補償された構成とすることができ、磁場印加部６ａ，６ｂが磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１に所定の強さの磁場Ｈを印加可能な構成にすることができる。以下、この磁場印加部６ａ，６ｂを備えた混合器１Ａについて説明する。なお、混合器１Ａは、磁場印加部６ａ，６ｂを除く他の構成は図２に示すように混合器１と同一である。また、この混合器１Ａを使用した周波数変換装置１００Ａについても、同図に示すように、混合器１を使用した周波数変換装置１００とは、混合器１が混合器１Ａに変更された以外は同一である。したがって、相違する構成である磁場印加部６ａ，６ｂについてのみ説明し、混合器１Ａ全体および周波数変換装置１００Ａ全体については、同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。

磁場印加部６ａは、図６に示すように、永久磁石４１、強磁性部材の一例である鉄片４２、熱伸縮部材４３およびベース部４４を備えている。永久磁石４１は、一方の磁極（本例では一例としてＮ極）が磁気抵抗効果素子２に近接して配設されることで、磁場Ｈを磁気抵抗効果素子２に印加可能に構成されている。鉄片４２は、永久磁石４１の他方の磁極側（同図では一例としてＳ極側）に、この他方の磁極との間に隙間が形成された状態で近接して配設されている。また、鉄片４２は、後述するようにして熱伸縮部材４３で支持されている。熱伸縮部材４３は、温度に応じて膨張または収縮する部材を用いて、一例として膨張または収縮する方向（同図中の矢印方向）が長手方向となる柱状体に形成されている。また、熱伸縮部材４３は、鉄片４２を挟んで永久磁石４１と反対側に配設されて、長手方向の一端（同図中の右端）に鉄片４２が連結され、長手方向の他端はベース部４４に固定されている。また、熱伸縮部材４３は、一例として、温度上昇時には膨張（伸長）し、温度下降時には収縮（縮長）する部材（正の熱膨張係数を有する部材（正性膨張材））で構成されている。この種の部材としては、一般的な金属で形成された柱状体（一例として１０ｍｍの柱状体で、１℃の上昇により０．１〜０．２μｍ程度伸びるもの）や、プラスチック（ポリプロピレン、アクリル樹脂、パラフィン樹脂などの合成樹脂材料）で形成された柱状体（一例として１０ｍｍの柱状体で、１℃の上昇により２〜３μｍ程度伸びるもの）を使用することができる。この構成により、熱伸縮部材４３は、温度上昇時には膨張して鉄片４２を永久磁石４１に接近させ、温度下降時には収縮して鉄片４２を永久磁石４１から離反させる。一方、永久磁石の残留磁束密度の温度係数は負の値であるため、永久磁石は、温度上昇に伴い残留磁束密度が減少し、温度低下に伴い残留磁束密度が増加する。したがって、熱伸縮部材４３が、温度上昇時には、永久磁石４１に鉄片４２を接近させてパーミアンス係数を大きくすることで、残留磁束密度の減少を回避し、温度低下時には、永久磁石４１から鉄片４２を離反させてパーミアンス係数を小さくすることで、残留磁束密度の増加を回避する。したがって、この磁場印加部６ａについても、上記した磁場印加部３ａと同様にして、その残留磁束密度、ひいては磁場Ｈの強さに関して温度補償された状態となっている。

一方、磁場印加部６ｂは、図６に示すように、永久磁石４１、鉄片４２、熱伸縮部材４３およびベース部４４を備え、永久磁石４１等の各部材が、磁気抵抗効果素子２を挟んで、磁場印加部６ａにおける永久磁石４１等の各部材と面対称となるように配置されて構成されて、磁場印加部６ａと同様にして磁場Ｈの強さに関して温度補償された状態となっている。なお、磁場印加部６ｂでは、永久磁石４１は、磁気抵抗効果素子２側の磁極が磁場印加部６ａの永久磁石４１における磁気抵抗効果素子２側の磁極と異なる極性となるように配設されている。この構成により、一対の永久磁石４１が、磁気抵抗効果素子２を挟んで互いの磁化方向が同一方向となるように配置されるため、磁気抵抗効果素子２（具体的にはその磁化自由層２１）を通過する磁場Ｈは平行磁場に近い状態に維持されている。なお、磁気抵抗効果素子２を挟んで磁場印加部６ａ，６ｂを一対配設する構成に代えて、磁場印加部６ａ，６ｂのうちのいずれか一方のみを配設する簡易的な構成を採用することもできる。

このように、この混合器１Ａ、およびこの混合器１Ａを使用した周波数変換装置１００Ａにおいても、周囲の温度変化によらず、一対の磁場印加部６ａ，６ｂが常に一定の強さの磁場Ｈを磁気抵抗効果素子２に印加し続けることができ、これによって磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ０の変動を防止することができる。したがって、この混合器１Ａおよび周波数変換装置１００Ａによっても、混合器１および周波数変換装置１００と同様にして、周囲温度に拘わらず、ローカル信号Ｓ２の電力を小さくすることができ、その分だけ省電力化を図ることができる。

また、上記の例では、正の熱膨張係数を有する部材を使用して熱伸縮部材４３を構成したが、図７に示す混合器１Ｂのように、負の熱膨張係数を有する部材（負性膨張材）を使用して熱伸縮部材４３Ａを構成して、温度上昇時には熱伸縮部材４３Ａが収縮して鉄片４２を永久磁石４１に接近させることでパーミアンス係数を大きくさせ、温度下降時には熱伸縮部材４３Ａが膨張して鉄片４２を永久磁石４１から離反させることでパーミアンス係数を小さくさせる構成にすることもできる。以下、この混合器１Ｂについて説明する。なお、混合器１Ａと同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。

混合器１Ｂの磁場印加部６ａは、、図７に示すように、永久磁石４１、強磁性部材の一例である鉄片４２および熱伸縮部材４３Ａを備えている。永久磁石４１は、一方の磁極（本例では一例としてＮ極）が磁気抵抗効果素子２に近接して配設されることで、磁場Ｈを磁気抵抗効果素子２に印加可能に構成されている。鉄片４２は、熱伸縮部材４３Ａを介在させた状態で永久磁石４１の他方の磁極側（同図では一例としてＳ極側）に取り付けられている。この熱伸縮部材４３Ａは、温度上昇時には収縮（縮長）し、温度下降時には膨張（伸長）する部材（負性膨張材）で構成されている。この種の部材としては、一例として、タングステン酸ジルコニウムや、マンガン窒化物などを使用することができる。例えば、マンガン窒化物は、一例として１０ｍｍの柱状体に形成した場合、１℃の上昇により０．１〜０．２μｍ程度縮む特性を有している。この構成により、熱伸縮部材４３Ａは、温度上昇時には収縮して鉄片４２を永久磁石４１に接近させ、温度下降時には膨張して鉄片４２を永久磁石４１から離反させる。一方、永久磁石の残留磁束密度の温度係数は負の値であるため、永久磁石は、温度上昇に伴い残留磁束密度が減少し、温度低下に伴い残留磁束密度が増加する。したがって、熱伸縮部材４３Ａが、温度上昇時には、永久磁石４１に鉄片４２を接近させてパーミアンス係数を大きくすることで、残留磁束密度の減少を回避し、温度低下時には、永久磁石４１から鉄片４２を離反させてパーミアンス係数を小さくすることで、残留磁束密度の増加を回避する。したがって、この磁場印加部６ａについても、上記した磁場印加部３ａと同様にして、その残留磁束密度、ひいては磁場Ｈの強さに関して温度補償された状態となっている。

一方、磁場印加部６ｂは、図７に示すように、永久磁石４１、鉄片４２および熱伸縮部材４３Ａを備え、永久磁石４１等の各部材が、磁気抵抗効果素子２を挟んで、磁場印加部６ａにおける永久磁石４１等の各部材と面対称となるように配置されて構成されて、磁場印加部６ａと同様にして磁場Ｈの強さに関して温度補償された状態となっている。なお、磁場印加部６ｂでは、永久磁石４１は、磁気抵抗効果素子２側の磁極が磁場印加部６ａの永久磁石４１における磁気抵抗効果素子２側の磁極と異なる極性となるように配設されている。この構成により、一対の永久磁石４１が、磁気抵抗効果素子２を挟んで互いの磁化方向が同一方向となるように配置されるため、磁気抵抗効果素子２（具体的にはその磁化自由層２１）を通過する磁場Ｈは平行磁場に近い状態に維持されている。なお、磁気抵抗効果素子２を挟んで磁場印加部６ａ，６ｂを一対配設する構成に代えて、磁場印加部６ａ，６ｂのうちのいずれか一方のみを配設する簡易的な構成を採用することもできる。

このように、この混合器１Ｂ、およびこの混合器１Ｂを使用した周波数変換装置１００Ｂ（図２参照）においても、周囲の温度変化によらず、一対の磁場印加部６ａ，６ｂが常に一定の強さの磁場Ｈを磁気抵抗効果素子２に印加し続けることができ、これによって磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ０の変動を防止することができる。したがって、この混合器１Ｂおよび周波数変換装置１００Ｂによっても、混合器１および周波数変換装置１００と同様にして、周囲温度に拘わらず、ローカル信号Ｓ２の電力を小さくすることができ、その分だけ省電力化を図ることができる。

なお、図示はしないが、熱収縮部材としてバイメタルや形状記憶合金（例えば、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系形状記憶合金）を使用し、これらの温度変化による張り・延伸を利用して鉄片４２を駆動することで、永久磁石４１に対して接離動させる構成を採用することもできる。

なお、上記の構成に限定されず、種々の構成を採用することもできる。例えば、磁気抵抗効果素子２としてＭｇｏ−ＴＭＲ素子などのＴＭＲ素子を使用した例について上記したが、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などの他の磁気抵抗効果素子を使用することもできる。また、混合器１，１Ａによる混合動作によってインピーダンス変換回路５から出力される出力信号Ｓ５に含まれる所望の２つの周波数成分（ｆ１＋ｆ２，ｆ１−ｆ２）のうちの低域側の周波数成分（ｆ１−ｆ２）を低域通過型フィルタまたは帯域通過型フィルタで通過させる例について上記したが、高域側の周波数成分（ｆ１＋ｆ２）を通過させて乗算信号Ｓ３として出力する場合にはフィルタ１３を帯域通過型フィルタまたは高域通過型フィルタとして構成することもできる。

また、インピーダンス回路４をコンデンサなどの受動素子だけで構成されたパッシブフィルタを用いて構成したが、演算増幅器を用いたアクティブフィルタを用いて構成することもできる。また、ローカル信号Ｓ２の周波数ｆ２と磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ０とが一致している構成を採用しているが、周波数ｆ２の周波数が共振周波数ｆ０の近傍の周波数であってもよいのは勿論である。

１，１Ａ，１Ｂ 混合器
２ 磁気抵抗効果素子
３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ 磁場印加部
４ インピーダンス回路
５ インピーダンス変換回路
１３ フィルタ
２１ 磁化自由層
２２ スペーサ層
２３ 磁化固定層
１００，１００Ａ，１００Ｂ 周波数変換装置
Ｈ 磁場
Ｓ_ＲＦ ＲＦ信号
Ｓ１ 信号
Ｓ２ ローカル信号
Ｓ３ 乗算信号

Claims (4)

1. 磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層を備えた磁気抵抗効果素子と、
   前記磁化自由層に磁場を印加する磁場印加部とを備えて、第１高周波信号およびローカル用の第２高周波信号を入力したときに前記磁気抵抗効果素子によって当該両高周波信号を乗算して乗算信号を生成可能に構成され、
   前記磁場印加部は、温度係数が異なり、かつ残留磁束密度の温度変化量が同等の２種の永久磁石が磁化方向を互いに逆向きとした状態で前記磁場の方向に沿って直列に配設されて構成されている混合器。
2. 磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層を備えた磁気抵抗効果素子と、
   前記磁化自由層に磁場を印加する磁場印加部とを備えて、第１高周波信号およびローカル用の第２高周波信号を入力したときに前記磁気抵抗効果素子によって当該両高周波信号を乗算して乗算信号を生成可能に構成され、
   前記磁場印加部は、前記磁場を発生させる永久磁石と、当該永久磁石に近接して配設された強磁性部材と、当該強磁性部材に連結されて周囲温度に応じて膨張または収縮することにより、前記周囲温度の上昇時には当該強磁性部材を前記永久磁石に接近させ、前記周囲温度の下降時には当該強磁性部材を前記永久磁石から離反させる熱伸縮部材とを備えて構成されている混合器。
3. 前記磁場印加部は、前記磁気抵抗効果素子を挟んで一対配設されている請求項１または２記載の混合器。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の混合器と、前記両高周波信号の周波数のうちの高い方の周波数をｆ１として低い方の周波数をｆ２としたときに、前記乗算信号のうちから周波数が（ｆ１＋ｆ２）および（ｆ１−ｆ２）のうちのいずれか一方の乗算信号を通過させるフィルタとを備えている周波数変換装置。

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