JP5577924B2

JP5577924B2 - 混合器および周波数変換装置

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Publication number: JP5577924B2
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Inventors: 裕二柿沼; 良一近藤
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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（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）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（特許文献１参照）。

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

特開２００９−２４６６１５号公報（第４−８、第１図）

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、この混合器では、磁気抵抗効果素子に接続される伝送路（信号ライン）のインピーダンスが低いとき（例えば、特性インピーダンスが５０Ωの伝送路に磁気抵抗効果素子を直接接続したとき）には、磁気抵抗効果素子の２乗検波出力（混合器における乗算信号の信号レベル）が著しく低下するという現象が発生することを発見した。

このため、本願出願人は、この現象を回避するため、磁気抵抗効果素子に入力されて混合される２つの信号の伝送路（以下では、「入力伝送路」ともいう）と磁気抵抗効果素子との間にインピーダンス変換回路を配設すると共に、磁気抵抗効果素子によって生成されたこの２つの信号についての乗算信号の出力伝送路と磁気抵抗効果素子との間に他のインピーダンス変換回路を配設する構成の混合器を提案している（特願２００９−１２８６１５）。この出願では、入力伝送路側に配設されるインピーダンス変換回路として、パッシブ素子で構成されたものと、アクティブ素子で構成されたものとを提案しているが、出力伝送路側に配設されるインピーダンス変換回路としては、アクティブ素子である演算増幅器を用いて構成されたものを提案している。

しかしながら、アクティブ素子である演算増幅器の入力インピーダンスは、５０Ωの出力伝送路と比較して十分に高いために、磁気抵抗効果素子の２乗検波出力（混合器における乗算信号の信号レベル）の大幅な低下は回避されている。その一方、演算増幅器の入力インピーダンスが演算増幅器に固有のものであることから、磁気抵抗効果素子のインピーダンス（磁気抵抗効果素子に固有のインピーダンス）と整合（インピーダンス整合）がとれた状態になっているとは限らない。したがって、磁気抵抗効果素子と出力伝送路との間に演算増幅器で構成されたインピーダンス変換回路を配設する混合器では、磁気抵抗効果素子のインピーダンスと演算増幅器で構成されたインピーダンス変換回路との間で不整合が発生する可能性が高いことに起因して、出力伝送路に出力される乗算信号に歪みが発生するという解決すべき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、磁気抵抗効果素子から伝送路に出力される乗算信号の歪みを確実に低減し得る混合器、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、第１高周波信号、およびローカル用の第２高周波信号を入力すると共に、当該両高周波信号を加算して加算信号として出力する加算部と、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、前記加算信号を入力したときに当該加算信号に含まれている前記第１高周波信号および前記第２高周波信号を磁気抵抗効果によって乗算して乗算信号を生成する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、前記磁気抵抗効果素子から出力される前記乗算信号を入力すると共に、入力インピーダンスよりも低いインピーダンスに変換して出力する受動型の第１インピーダンス変換部とを備えている。

また、本発明に係る混合器は、前記第１インピーダンス変換部は、トランス型インピーダンス変換回路および抵抗型インピーダンス変換回路のうちのいずれかを備えて構成されている。

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、上記の混合器と、前記第１高周波信号および前記第２高周波信号のうちの高い方の周波数をｆ１とし低い方の周波数を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を通過させるフィルタとを備えている。

また、本発明に係る周波数変換装置は、前記第２高周波信号を生成する信号生成部を備え、当該信号生成部は、磁化固定層、磁化自由層、および当該磁化固定層と当該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他の磁気抵抗効果素子と、当該他の磁気抵抗効果素子の当該磁化自由層に磁場を印加する他の磁場印加部と、当該他の磁気抵抗効果素子に直流電流を供給する電流供給部とを備え、当該他の磁気抵抗効果素子によるスピン注入自励発振によって前記第２高周波信号を生成する。

本発明に係る混合器および周波数変換装置では、磁気抵抗効果素子から出力される乗算信号を磁気抵抗効果素子のインピーダンスに等しい入力インピーダンスで入力すると共に、この乗算信号を後段の回路との間に配設された伝送路の特性インピーダンス（磁気抵抗効果素子のインピーダンスよりも低い後段の回路の入力インピーダンスに等しいインピーダンス）と整合するインピーダンスに変換して出力する受動型のインピーダンス変換部を備えている。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インピーダンスと上記の伝送路の特性インピーダンスとが相違する場合であっても、磁気抵抗効果素子と伝送路の不整合に起因した歪みの発生を確実に回避して、磁気抵抗効果素子から出力される乗算信号を伝送路に出力することができる。また、受動型のインピーダンス変換部は、能動型のインピーダンス変換部と比較して、インピーダンス変換部自体において発生する歪みが極めて少ないため、より一層歪みの少ない状態で磁気抵抗効果素子から出力される乗算信号を伝送路に出力することができる。

本発明に係る混合器および周波数変換装置によれば、受動部品としてのトランス型インピーダンス変換回路のみで構成された受動型のインピーダンス変換部を備えて構成されている。したがって、この混合器および周波数変換装置によれば、抵抗を使用したインピーダンス変換部と比較して、インピーダンス変換部での乗算信号の減衰を最小限に抑えることができると共に、乗算信号に含まれている直流成分を除去して伝送路に出力することができる。

本発明に係る周波数変換装置によれば、上記の混合器と、第１高周波信号および第２高周波信号のうちの高い方の周波数をｆ１とし低い方の周波数を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を通過させるフィルタとを備えたことにより、周波数（ｆ１＋ｆ２）を通過させるフィルタを採用することによって周波数変換装置をアップコンバート装置として機能させることができ、一方、周波数（ｆ１−ｆ２）を通過させるフィルタを採用することによって周波数変換装置をダウンコンバート装置として機能させることもできる。

本発明に係る周波数変換装置によれば、磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子に磁場を印加する磁場印加部と、磁気抵抗効果素子に直流電流を供給する電流供給部とを備えて信号生成部を構成したことにより、信号生成部から出力される用の第２高周波信号のインピーダンスを、インピーダンス変換部を使用することなく（混合器にインピーダンス変換部を配設することなく）、混合器を構成する磁気抵抗効果素子のインピーダンスに整合させることができる。

周波数変換装置１００の構成を示す構成図である。信号生成部１１の構成を示す構成図である。磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）２（４１）近傍の斜視図である。磁気抵抗効果素子２（４１）の磁化自由層２１近傍の斜視図である。図１，２におけるＷ−Ｗ線断面図である。磁気抵抗効果素子２（４１）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（４１）の共振状態との関係図である。インピーダンス変換部７の他の例についての回路図である。

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（第１高周波信号）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、信号生成部１１、アンプ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。

信号生成部１１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。この信号生成部１１は、上記のローカル信号Ｓ２を出力し得るものであれば、任意の構成を採用することができる。上記した非特許文献２（まぐね）に記載されているように、磁気抵抗効果素子は、直流電流と外部磁場とを同時に加えることにより、高い周波数（磁気抵抗効果素子における歳差運動の周波数）で自励発振することが知られている。本例では磁気抵抗効果素子のこの特性を使用して、信号生成部１１は、磁気抵抗効果素子を用いて構成されている。

具体的には、信号生成部１１は、図２に示すように、磁気抵抗効果素子（他の磁気抵抗効果素子）４１、磁場印加部（他の磁場印加部）４２、電流供給部４３、コイル４４およびコンデンサ４５を備えている。

磁気抵抗効果素子４１は、一例として、図３，５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４１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、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、図２に示すように、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４１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４１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４２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４１と磁場印加部４２との位置関係が予め規定されている。

磁場印加部４２は、図２，５に示すように、磁場発生用配線３１、磁気ヨーク３２および電流供給部３３を備えている。磁場発生用配線３１は、図５に示すように、上部電極２５を介して磁気抵抗効果素子４１の上方に配設されている。磁気ヨーク３２は、頂部磁性体３２ａ、側面部磁性体３２ｂ，３２ｃ、下部磁性体３２ｄ，３２ｅ、および底部磁性体３２ｆ，３２ｇを備えている。この場合、頂部磁性体３２ａは、磁場発生用配線３１の上方に配設されている。側面部磁性体３２ｂは、磁場発生用配線３１の一方の側方（一例として、図５では右側方）に配設されて、頂部磁性体３２ａに接続されている。また、側面部磁性体３２ｃは、磁場発生用配線３１の他方の側方（一例として、図５では左側方）に配設されて、頂部磁性体３２ａに接続されている。下部磁性体３２ｄは、磁気抵抗効果素子４１の一方の側方（一例として、図５では右側方）に配設されて、側面部磁性体３２ｂに接続されている。また、下部磁性体３２ｅは、磁気抵抗効果素子４１の他方の側方（一例として、図５では左側方）に配設されて、側面部磁性体３２ｃに接続されている。この構成により、下部磁性体３２ｅ、側面部磁性体３２ｃ、頂部磁性体３２ａ、側面部磁性体３２ｂおよび下部磁性体３２ｄは、この順に連結されて全体として短冊状に形成され、かつ図１に示すように磁場発生用配線３１を跨ぐようにして磁気抵抗効果素子４１の上方に配設されている。

底部磁性体３２ｆは、図２，５に示すように、下部磁性体３２ｄに接続された状態で下部磁性体３２ｄの下方に配設されている。また、底部磁性体３２ｆは、その磁気抵抗効果素子４１方向の端部側が、磁気抵抗効果素子４１の上部電極２５および下部電極２６間にこれらと絶縁された状態で進入すると共に、磁気抵抗効果素子４１の磁化自由層２１における一方の側面近傍に達している。底部磁性体３２ｇは、下部磁性体３２ｅに接続された状態で下部磁性体３２ｅの下方に配設されている。また、底部磁性体３２ｇも、その磁気抵抗効果素子４１の方向の端部側が、上部電極２５および下部電極２６間にこれらと絶縁された状態で進入すると共に、磁気抵抗効果素子４１の磁化自由層２１における他方の側面近傍に達している。

磁気ヨーク３２は、上記の構成により、磁場発生用配線３１に電流Ｉが流れたときに磁場発生用配線３１の周囲に発生する磁界に対する閉磁路を形成して、図４に示すように、この閉磁路のギャップとなる部位（一対の底部磁性体３２ｆ，３２ｇ間の隙間）に配設された磁気抵抗効果素子４１の磁化自由層２１に対して磁場Ｈを印加する。また、本例では、一例として、上述した磁場印加部４２の磁場発生用配線３１および磁気ヨーク３２は、磁気抵抗効果素子４１と共に、公知の半導体製造プロセスを利用して、シリコンウェハ上に形成されて、ＩＣ化されている。

磁場印加部４２を構成する電流供給部３３は、頂部磁性体３２ａの両側から延出する磁場発生用配線３１の各端部に接続されて、磁場発生用配線３１に電流Ｉを供給する。また、電流供給部３３は、この電流Ｉの電流値を変更可能に構成されている。したがって、磁場印加部４２は、電流供給部３３から出力される電流Ｉの電流値を変更することにより、磁気抵抗効果素子４１に印加する磁場Ｈの強さを変更することで、磁気抵抗効果素子４１の共振周波数ｆ０を変更可能となっている。なお、本例では、磁気ヨーク３２内を通過する磁場発生用配線３１の数は１つに形成されているが、磁場発生用配線３１をコイル状に形成して、磁気ヨーク３２内を通過する磁場発生用配線３１の数を複数とする構成を採用することにより、磁場Ｈの強さを強めることもできる。

電流供給部４３は、直流電流Ｉ１を生成すると共に、生成した直流電流Ｉ１をコイル４４を介して上部電極２５と下部電極２６との間に供給する。これにより、直流電流Ｉ１が、磁気抵抗効果素子４１に供給されて、積層状態の磁化自由層２１、スペーサ層２２、磁化固定層２３および反強磁性層２４を貫通して流れる。また、図２に示すように、上部電極２５には、コンデンサ４５の一端が接続されている。

この構成により、信号生成部１１では、磁気抵抗効果素子４１は、磁場印加部４２から磁場Ｈが供給（印加）され、かつ電流供給部４３から直流電流Ｉ１が供給されている状態において、周波数ｆ２で自励発振する。したがって、信号生成部１１は、受信装置ＲＸにおいて、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を生成し、生成したローカル信号Ｓ２をコンデンサ４５を介して出力する。コイル４４は、このようにして生成されたローカル信号Ｓ２に対する電流供給部４３側のインピーダンスを高めることで、ローカル信号Ｓ２の電流供給部４３への漏れ込みを低減する機能を備えている。

混合器１は、図１に示すように、磁気抵抗効果素子２、磁場印加部３、インピーダンス変換部４，５、加算部６およびインピーダンス変換部７を備えている。インピーダンス変換部（第２インピーダンス変換部）４は、受動部品のみで構成された（能動素子を含まない）受動型のインピーダンス変換部として構成されている。また、インピーダンス変換部４は、アンテナ１０１と加算部６の一方の入力端子との間に配設されて、アンテナ１０１の出力インピーダンス（一例として５０Ω）を加算部６の一方の入力端子に接続されている伝送路Ｌ１（一例としてマイクロストリップライン）の特性インピーダンス（加算部６の一方の入力端子の入力インピーダンス（３００Ω））に整合させる。つまり、インピーダンス変換部４は、入力した信号を、入力のインピーダンスよりも高いインピーダンス（５０Ωより高いインピーダンス、望ましくは３００Ω以上のインピーダンス）に変換して出力する。本例では一例として、インピーダンス変換部４は、トランス型インピーダンス変換回路（具体的には、一例として１つのバラントランス）で構成されて、上記のインピーダンス整合を行うと共に、アンテナ１０１から平衡信号として出力されるＲＦ信号Ｓ_ＲＦを不平衡信号としてのＲＦ信号Ｓ１に変換して伝送路Ｌ１に出力する。

インピーダンス変換部（第３インピーダンス変換部）５は、受動部品のみで構成された（能動素子を含まない）受動型のインピーダンス変換部として構成されている。また、インピーダンス変換部５は、信号生成部１１と加算部６の他方の入力端子に接続されている伝送路Ｌ２（一例としてマイクロストリップライン）との間に配設されて、信号生成部１１の出力インピーダンスと伝送路Ｌ２のインピーダンス（加算部６の他方の入力端子の入力インピーダンス（３００Ω））に整合させる。つまり、インピーダンス変換部５は、入力した信号を、入力のインピーダンスよりも高いインピーダンス（５０Ωより高いインピーダンス、望ましくは３００Ω以上のインピーダンス）に変換して出力する。したがって、信号生成部１１の出力インピーダンスが伝送路Ｌ２の特性インピーダンス（３００Ω）と異なる値であるときには、信号生成部１１と伝送路Ｌ２との間にインピーダンス変換部５が配設されて、信号生成部１１と伝送路Ｌ２とのインピーダンスを整合させる。一方、信号生成部１１の出力インピーダンスが伝送路Ｌ２の特性インピーダンス（３００Ω）と同じ値か、ほぼ等しい値であるときには、信号生成部１１と伝送路Ｌ２とを直接接続することができるため、インピーダンス変換部５は省略される。

本例では、信号生成部１１は、上記したように、磁気抵抗効果素子４１を使用する構成を採用しているため、その出力インピーダンスが約３００Ωに規定されている。したがって、本例の混合器１では、インピーダンス変換部５は省略されて、信号生成部１１（具体的には、出力段に配設されているコンデンサ４５）が伝送路Ｌ２（特性インピーダンス：３００Ω）に直接接続される構成となっている。これにより、信号生成部１１から出力されたローカル信号Ｓ２は、伝送路Ｌ２を経由して加算部６に直接入力される。

加算部６は、一例として、パワー・スプリッタまたはパワー・ディバイダをパワー・コンバイナとして使用することで構成されている。この構成により、加算部６は、２つの入力端子から入力された２つのＲＦ信号Ｓ１とローカル信号Ｓ２とを加算して１つの信号（加算信号）Ｓ１２に結合すると共に、この信号Ｓ１２を出力端子から伝送路Ｌ３（一例としてマイクロストリップライン）に出力する。信号Ｓ１２は、この伝送路Ｌ３を経由して、磁気抵抗効果素子２に接続されている上部電極２５に供給される。このため、伝送路Ｌ３の特性インピーダンスは、磁気抵抗効果素子２とインピーダンスに等しい３００Ωに規定されている。

混合器１の磁気抵抗効果素子２は、信号生成部１１の磁気抵抗効果素子４１とは別の素子ではあるが、本例では一例として、磁気抵抗効果素子４１と同一の構成要素を備えて同一に構成されている。したがって、磁気抵抗効果素子２の構成については、磁気抵抗効果素子４１の説明に際して使用した図面を参照しつつ、同一の構成要素については同一の符号を付して、主たる構成要素についてのみ説明する。

この磁気抵抗効果素子２は、一例として、図３，５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、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。なお、この上部電極２５および下部電極２６についても、信号生成部１１の磁気抵抗効果素子４１に接続されている上部電極２５および下部電極２６とは別のものであるが、同じ図面を使用して説明するため、同一の符号を付すものとする。

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。

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３は、信号生成部１１の磁場印加部４２と別のものではあるが、図１，５に示すように、磁場発生用配線３１、磁気ヨーク３２および電流供給部３３を備えて、磁場印加部４２と同一に構成されている。具体的には、磁場印加部３の磁場発生用配線３１は、図５に示すように、上部電極２５を介して磁気抵抗効果素子２の上方に配設されている。磁気ヨーク３２は、頂部磁性体３２ａ、側面部磁性体３２ｂ，３２ｃ、下部磁性体３２ｄ，３２ｅ、および底部磁性体３２ｆ，３２ｇを備えている。

磁場印加部３の磁気ヨーク３２は、上記の構成により、磁場発生用配線３１に電流Ｉが流れたときに磁場発生用配線３１の周囲に発生する磁界に対する閉磁路を形成して、図４に示すように、この閉磁路のギャップとなる部位（一対の底部磁性体３２ｆ，３２ｇ間の隙間）に配設された磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１に対して磁場Ｈを印加する。また、本例では、一例として、上述した磁場印加部３の磁場発生用配線３１および磁気ヨーク３２は、磁気抵抗効果素子２と共に、公知の半導体製造プロセスを利用して、シリコンウェハ上に形成されて、ＩＣ化されている。

磁場印加部３の電流供給部３３は、頂部磁性体３２ａの両側から延出する磁場発生用配線３１の各端部に接続されて、磁場発生用配線３１に電流Ｉを供給する。また、電流供給部３３は、この電流Ｉの電流値を変更可能に構成されている。したがって、磁場印加部３は、電流供給部３３から出力される電流Ｉの電流値を変更することにより、磁気抵抗効果素子２に印加する磁場Ｈの強さを変更することで、磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ０を変更可能となっている。なお、本例では、磁気ヨーク３２内を通過する磁場発生用配線３１の数は１つに形成されているが、磁場発生用配線３１をコイル状に形成して、磁気ヨーク３２内を通過する磁場発生用配線３１の数を複数とする構成を採用することにより、磁場Ｈの強さを強めることもできる。

この構成により、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ＲＦ信号Ｓ１の周波数ｆ１を周波数ｆ２の近傍の周波数に設定することにより、磁気抵抗効果素子２は、加算部６から出力される信号Ｓ１２に含まれているＲＦ信号Ｓ１とローカル信号Ｓ２とに対して２乗検波動作を実行して、乗算信号（電圧信号）Ｓ４を生成して出力する。この２乗検波出力としての乗算信号Ｓ４は、直流成分、および各周波数（交流）成分（（ｆ１＋ｆ２），（ｆ１−ｆ２），２×ｆ１，２×ｆ２，３×ｆ１，３×ｆ２，・・・）を含んで構成されている。

この場合、２乗検波動作によって磁気抵抗効果素子２に発生する直流成分のアンテナ１０１への漏れ出しについては、トランス型インピーダンス変換回路で構成されたインピーダンス変換部４によって阻止され、またこの直流成分の信号生成部１１への漏れ出しについては、信号生成部１１の出力段に配設されているコンデンサ４５によって阻止される。

インピーダンス変換部（第１インピーダンス変換部）７は、受動部品のみで構成された（能動素子を含まない）受動型のインピーダンス変換部として構成されている。本例では一例として、インピーダンス変換部７は、トランス型インピーダンス変換回路を用いて構成されている。また、インピーダンス変換部７は、磁気抵抗効果素子２と伝送路Ｌ４（一例としてマイクロストリップライン）を介して接続されると共に、伝送路Ｌ５（一例としてマイクロストリップライン）を介してアンプ１２と接続されることにより、磁気抵抗効果素子２とアンプ１２との間に配設されて、磁気抵抗効果素子２の出力インピーダンス（３００Ω）と同じ特性インピーダンスに規定された伝送路Ｌ４と、アンプ１２の入力インピーダンス（一例として５０Ω）と同じ特性インピーダンスに規定された伝送路Ｌ５との間のインピーダンスを整合する。つまり、インピーダンス変換部７は、入力した信号を、入力のインピーダンスよりも低いインピーダンスに変換して出力する。

一例として、インピーダンス変換部７は、互いに磁気結合する一対の巻線７ａ，７ｂを備え、各巻線７ａ，７ｂの一端がグランドにそれぞれ接地され、一方の巻線７ａの他端が伝送路Ｌ４を介して磁気抵抗効果素子２用の上部電極２５に接続され、他方の巻線７ｂの他端が伝送路Ｌ５を介してアンプ１２に接続されている。この構成により、インピーダンス変換部７は、伝送路４を介して入力した磁気抵抗効果素子２からの乗算信号Ｓ４を、インピーダンス変換して出力すると共に、この乗算信号Ｓ４に含まれている直流成分については除去し、かつ交流成分については殆ど歪みを発生させることなく、伝送路Ｌ５に乗算信号Ｓ５として出力する。なお、上記の巻線７ａ，７ｂは、線材を用いて構成することもできるし、また１つの基板に２つのスパイラル状のコイルを配線パターンで近接して形成することによっても構成することもできる。

アンプ１２は、一例として演算増幅器を用いて構成されて、伝送路Ｌ５を介して入力した乗算信号Ｓ５を予め規定された増幅率で増幅して、伝送路Ｌ６（一例として、特性インピーダンスが５０Ωのマイクロストリップライン）に出力信号Ｓ６として出力する。この場合、アンプ１２の出力インピーダンスは、伝送路Ｌ６の特性インピーダンスと整合する値に規定されている。フィルタ１３は、一例として帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ）で構成されると共に伝送路Ｌ６に配設されて、出力信号Ｓ６から所望の周波数の信号のみを通過させることで、最終的な乗算信号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、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ｆｍ）の信号を乗算信号Ｓ３として通過させる。

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＝４．５ＧＨｚ）が入力され、信号生成部１１は、磁気抵抗効果素子４１の共振周波数ｆ０（図６参照）が周波数ｆ２（＝４．４ＧＨｚ（＜ｆ１））に設定されることにより、この周波数ｆ２のローカル信号Ｓ２を生成するものとする。また、磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ０（図６参照）は、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、混合器１の電流供給部３３から磁場発生用配線３１に供給する電流Ｉの電流値は、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に印加し得る値に規定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部７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高域の周波数成分（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、周波数（ｆ１＋ｆ２）を周波数帯域に含む帯域通過型フィルタで構成されている。

この周波数変換装置１００では、信号生成部１１は、磁気抵抗効果素子４１に対して、磁場印加部４２から磁場Ｈが供給（印加）され、かつ電流供給部４３から直流電流Ｉ１が供給されることにより、周波数ｆ２のローカル信号Ｓ２を生成して出力する。また、このローカル信号Ｓ２が、電流供給部３３から電流Ｉが供給されている状態（磁気抵抗効果素子２に磁場Ｈが印加されている状態）の混合器１に出力されている。

本例では、上記したように、磁気抵抗効果素子４１を使用する構成の採用によって信号生成部１１の出力インピーダンスが、加算部６の他方の入力端子の入力インピーダンス（３００Ω）と同じ値に規定されると共に、信号生成部１１と加算部６の他方の入力端子とを接続する伝送路Ｌ２の特性インピーダンスが信号生成部１１の出力インピーダンスおよび加算部６の他方の入力端子の入力インピーダンスにインピーダンス整合されている。また、加算部６の出力インピーダンスが３００Ωに規定されると共に、加算部６と磁気抵抗効果素子２とを接続する伝送路Ｌ３のインピーダンスが、磁気抵抗効果素子２のインピーダンスに整合されている。このため、信号生成部１１から出力されたローカル信号Ｓ２は、極めて歪みの少ない状態で加算部６に入力され、さらにこの加算部６から信号Ｓ１２に含まれた状態で混合器１の磁気抵抗効果素子２に伝送路Ｌ３を介して出力されている。また、上記したように、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。したがって、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に発生している。

この共振状態において、アンテナ１０１からインピーダンス変換部４へのＲＦ信号Ｓ_ＲＦ（周波数ｆ１）の出力が開始されると、バラントランスで構成されたインピーダンス変換部４は、平衡信号であるこのＲＦ信号Ｓ_ＲＦを不平衡信号としてのＲＦ信号Ｓ１に変換して、加算部６の一方の入力端子に伝送路Ｌ１を介して出力する。本例では、インピーダンス変換部４の出力インピーダンスは伝送路Ｌ１の特性インピーダンスに整合されているため、ＲＦ信号Ｓ１は、極めて歪みの少ない状態で加算部６に入力され、さらにこの加算部６から信号Ｓ１２に含まれた状態で混合器１の磁気抵抗効果素子２に伝送路Ｌ３を介して出力されている。

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、ＲＦ信号Ｓ１およびローカル信号Ｓ２を乗算して、その両端間に乗算信号Ｓ４を発生させる。

この際に、本例では、磁気抵抗効果素子２に接続される加算部６の出力インピーダンスおよびインピーダンス変換部７の入力インピーダンスが、磁気抵抗効果素子２のインピーダンス（３００Ω）に整合されているため、磁気抵抗効果素子２が５０Ωなどの特性インピーダンスの低い伝送路に直接接続されている構成と比較して、磁気抵抗効果素子２は、より大きな振幅で乗算信号Ｓ４を発生させる。

次いで、インピーダンス変換部７が、伝送路Ｌ４を介して乗算信号Ｓ４を入力すると共に、この乗算信号Ｓ４を伝送路Ｌ５の特性インピーダンスに整合させて歪みの少ない状態で乗算信号Ｓ５として出力する。この乗算信号Ｓ５は、伝送路Ｌ５を経由してアンプ１２に入力される。このようにして、インピーダンス変換部７により、磁気抵抗効果素子２側の伝送路Ｌ４の特性インピーダンスとアンプ１２側の伝送路Ｌ５の特性インピーダンスとが整合されているため、乗算信号Ｓ５は、極めて歪みの少ない状態で、具体的には、混合器１の性能評価の１つの基準となる３次高調波歪成分についても歪みの少ない状態でアンプ１２に入力される。

次いで、アンプ１２が、入力した乗算信号Ｓ５を増幅して、伝送路Ｌ６に出力信号Ｓ６として出力する。最後に、フィルタ１３が、出力信号Ｓ６に含まれている各周波数成分のうちの周波数が（ｆ１＋ｆ２）となる成分のみを通過させることで、最終的な乗算信号Ｓ３として出力端子１４に出力する。

このように、この混合器１および周波数変換装置１００は、混合器１の磁気抵抗効果素子２から出力される乗算信号Ｓ４を磁気抵抗効果素子２のインピーダンスに等しい入力インピーダンスで入力すると共に、この乗算信号Ｓ４を後段のアンプ１２との間に配設された伝送路Ｌ５の特性インピーダンス（磁気抵抗効果素子２のインピーダンスよりも低いアンプ１２の入力インピーダンスに等しいインピーダンス）と整合するインピーダンスに変換して乗算信号Ｓ５として出力する受動型のインピーダンス変換部７を備えている。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のインピーダンスと伝送路Ｌ５の特性インピーダンス（つまり、アンプ１２の入力インピーダンス）とが相違する場合であっても、磁気抵抗効果素子２と伝送路Ｌ５の不整合に起因した歪みの発生を確実に回避して、磁気抵抗効果素子２から出力される乗算信号Ｓ４を乗算信号Ｓ５として伝送路Ｌ５に出力することができる（つまり、アンプ１２に乗算信号Ｓ５として入力することができる）。また、能動型のインピーダンス変換部と比較して、インピーダンス変換部自体において発生する歪みが極めて少ないため、より一層歪みの少ない状態で乗算信号Ｓ４を乗算信号Ｓ５に変換してアンプ１２に入力することができる。

また、この混合器１および周波数変換装置１００は、受動部品としてのトランス型インピーダンス変換回路のみで構成された受動型のインピーダンス変換部７を備えて構成されている。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、抵抗を使用したインピーダンス変換部と比較して、インピーダンス変換部７での乗算信号Ｓ４の減衰を最小限に抑えることができると共に、乗算信号Ｓ４に含まれている直流成分を除去して伝送路Ｌ５に出力することができる。

また、この周波数変換装置１００によれば、上記の混合器１と、乗算信号Ｓ６に含まれる各周波数成分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（上記の構成では、ｆ１＋ｆ２）を通過させるフィルタ１３とを備えたことにより、周波数変換装置１００をアップコンバート装置として機能させることができる。なお、周波数（ｆ１−ｆ２）の信号のみを通過させる帯域通過型フィルタ（ＢＰＦ）でフィルタ１３を構成することにより、周波数変換装置１００をダウンコンバート装置として機能させることもできる。

また、この周波数変換装置１００によれば、磁気抵抗効果素子４１と、磁気抵抗効果素子４１に磁場を印加する磁場印加部４２と、磁気抵抗効果素子４１に直流電流Ｉ１を供給する電流供給部４３とを備えて信号生成部１１を構成したことにより、信号生成部１１から出力されるローカル信号Ｓ２のインピーダンスを、インピーダンス変換部５を使用することなく、磁気抵抗効果素子２のインピーダンスに整合させることができる。

なお、インピーダンス変換部７については、トランス型インピーダンス変換回路に代えて、抵抗型インピーダンス変換回路を使用することもできる。この抵抗型インピーダンス変換回路について図７を参照して説明すると、抵抗型インピーダンス変換回路は、混合器１の上部電極２５と伝送路Ｌ４との間に直列に接続された抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ１における伝送路Ｌ４側の端子とグランドとの間に接続された抵抗Ｒ２とを備え、抵抗Ｒ１の抵抗値が２７３．９Ωに規定され、抵抗Ｒ２の抵抗値が５４．８Ωに規定して構成されている。この構成により、抵抗型インピーダンス変換回路で構成されたインピーダンス変換部７は、混合器１に対する入力インピーダンスが３００Ωとなり、特性インピーダンスが５０Ωの伝送路Ｌ４に対する出力インピーダンスが５０Ωに規定されている。したがって、トランス型インピーダンス変換回路と比較して乗算信号が減衰するものの、トランス型インピーダンス変換回路を採用した場合と同様にして、乗算信号Ｓ４を後段のアンプ１２の入力インピーダンスに等しいインピーダンスに変換して歪みの少ない乗算信号Ｓ５として出力することができる。この場合、抵抗Ｒ１，Ｒ２については、電子部品としての抵抗器で構成してもよいし、予め規定された特性インピーダンスで基板に形成されたマイクロストリップラインで構成することもできる。

１混合器
２磁気抵抗効果素子
３，４２磁場印加部
６加算部
７インピーダンス変換部
１３フィルタ
２１磁化自由層
２２スペーサ層
２３磁化固定層
４３電流供給部
１００周波数変換装置
Ｓ_ＲＦＲＦ信号
Ｓ１ＲＦ信号
Ｓ２ローカル信号
Ｓ３乗算信号

Claims

第１高周波信号、およびローカル用の第２高周波信号を入力すると共に、当該両高周波信号を加算して加算信号として出力する加算部と、
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、前記加算信号を入力したときに当該加算信号に含まれている前記第１高周波信号および前記第２高周波信号を磁気抵抗効果によって乗算して乗算信号を生成する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、
前記磁気抵抗効果素子から出力される前記乗算信号を入力すると共に、入力インピーダンスよりも低いインピーダンスに変換して出力する受動型の第１インピーダンス変換部とを備えている混合器。
前記第１インピーダンス変換部は、トランス型インピーダンス変換回路および抵抗型インピーダンス変換回路のうちのいずれかを備えて構成されている請求項１記載の混合器。
請求項１または２記載の混合器と、前記第１高周波信号および前記第２高周波信号のうちの高い方の周波数をｆ１とし低い方の周波数を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を通過させるフィルタとを備えている周波数変換装置。
前記第２高周波信号を生成する信号生成部を備え、
当該信号生成部は、磁化固定層、磁化自由層、および当該磁化固定層と当該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他の磁気抵抗効果素子と、当該他の磁気抵抗効果素子の当該磁化自由層に磁場を印加する他の磁場印加部と、当該他の磁気抵抗効果素子に直流電流を供給する電流供給部とを備え、当該他の磁気抵抗効果素子によるスピン注入自励発振によって前記第２高周波信号を生成する請求項３記載の周波数変換装置。