JP5983160B2 - ハーモニックミキサ回路およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハーモニックミキサ回路およびその制御方法に関し、特に、受信回路に用いられるハーモニックミキサ回路およびその制御方法に関する。

高周波信号（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）から中間周波信号（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＩＦ）へ周波数変換する周波数コンバータには、例えばアンチパラレルダイオードを備えたハーモニックミキサ回路が用いられている。周波数コンバータの開発において、雑音指数（Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ：ＮＦ）を抑制することは、受信特性の中でも最も重要な項目の一つである。ハーモニックミキサ回路においては、局部発振信号（Ｌｏｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＬＯ）に含まれる雑音に起因して、ＮＦが劣化してしまう。これは、以下の理由による。

ハーモニックミキサ回路では、アンチパラレルダイオードのＬＯ入力端子に入力される局部発振信号（周波数ｆＬＯ）と、ＲＦ入力端子に入力される高周波信号（周波数ｆＲＦ）が混合されて、中間周波信号（周波数ｆＩＦ）が出力される。このとき、ＬＯ入力端子に入力される周波数ｆＬＯ±ｆＩＦの雑音信号が、ｆＬＯ−（ｆＬＯ−ｆＩＦ）または（ｆＬＯ＋ｆＩＦ）−ｆＬＯというコンビネーションによってＩＦ帯に変換される。この変換された雑音信号が、ＩＦ帯が本来持つ雑音に加算されることによって、ＮＦが劣化するというメカニズムが働くからである。

さらに、通常、アンチパラレルダイオードを動作させるには、十分なＬＯパワーが必要であるため、増幅器（Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＡＭＰ）が挿入される。そのためＡＭＰのゲインの分だけ、ｆＬＯ±ｆＩＦの雑音レベルが増大してしまう。ｆＬＯ±ｆＩＦの雑音レベルを下げるためにフィルタを挿入することとしても、ｆＬＯ≫ｆＩＦであることから、ｆＬＯ±ｆＩＦはｆＬＯにきわめて近接することになり、雑音レベルを下げるためには狭帯域なフィルタ特性が必要になる。しかし、これを実現するには回路構造が複雑になってしまう。

このような問題を解決するためのハーモニックミキサ回路の一例が、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載のハーモニックミキサ回路は、アンチパラレルダイオードを有し、受信信号入力端子に入力される受信信号と局部発振信号入力端子に入力される局部発振信号とを混合して出力信号を得て、出力信号を出力端子から出力する構成である。そして、アンチパラレルダイオードの局部発振信号が印加される側の信号から、偶数次の変換モードによる信号成分を検出する検出回路と、検出回路が検出する信号成分を減少させる方向の制御信号をアンチパラレルダイオードに印加する制御回路とを備える。検出回路は、局部発振信号の周波数の２倍の信号成分を通過させる高域通過フィルタと、高域通過フィルタを通過した信号を検波してその信号のレベルを示す電圧値を出力する検波回路とを含む。制御回路は、検波回路が出力する電圧値を最小にする値の制御電圧を制御信号としてアンチパラレルダイオードに印加する。この制御信号を用いて、アンチパラレルダイオードの動作点を、アンチパラレルダイオードの２つのダイオードの特性の差異を打ち消す位置に定めることによって、偶数次の変換モードを消滅させることができる。すなわち、受信ハーモニックミキサ回路に入力されるＬＯ信号に含まれる雑音成分ｆＬＯ±ｆＩＦによる、受信ハーモニックミキサ回路のＮＦ特性の劣化を抑えることができる、としている。

特開２０１０−１５４０４８号公報

特許文献１に記載された関連するハーモニックミキサ回路においては、偶数次の変換モードによる信号成分を検出するために高域通過フィルタを用いることとしている。そのため、装置が大型化し、高価になる、という問題があった。

このように、ハーモニックミキサ回路においては、受信特性の改善を図ると、装置が大型化し、高価になる、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題であるハーモニックミキサ回路においては、受信特性の改善を図ると、装置が大型化し、高価になる、という課題を解決するハーモニックミキサ回路およびその制御方法を提供することにある。

本発明のハーモニックミキサ回路は、互いに逆極性となるよう接続された２つのダイオードを備え、局部発振信号と高周波信号を入力するアンチパラレルダイオードと、アンチパラレルダイオードから出力される局部発振信号と高周波信号との混合信号のうち、偶数次の信号成分と結合するカップラーと、信号成分の時間平均電圧を検出する検波回路と、時間平均電圧を最小にする直流バイアス電圧をアンチパラレルダイオードに印加する可変直流電源とを有する。

また、本発明のハーモニックミキサ回路の制御方法は、アンチパラレルダイオードを備えたハーモニックミキサ回路によって局部発振信号と高周波信号が混合された信号のうち、偶数次の信号成分と電磁的に結合することにより前記信号成分を検出し、信号成分の時間平均電圧を検出し、アンチパラレルダイオードに直流バイアス電圧を印加し、時間平均電圧が最小になるように直流バイアス電圧を制御する。

本発明のハーモニックミキサ回路およびその制御方法によれば、受信特性が改善され、しかも、小型かつ安価なハーモニックミキサ回路およびその制御方法を得ることができる。

本発明の実施形態に係るハーモニックミキサ回路の構成を示す回路図である。 ハーモニックミキサ回路に用いられる理想的なアンチパラレルダイオードの電流−電圧特性を示す図である。 ハーモニックミキサ回路に実際に用いられるアンチパラレルダイオードの電流−電圧特性を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るハーモニックミキサ回路の構成を示す回路図である。ハーモニックミキサ回路は、互いに逆極性となるよう接続された２つのダイオード１１、１２から構成され、局部発振信号（ＬＯ）と高周波信号（ＲＦ）を入力するアンチパラレルダイオード１０を有する。さらに、アンチパラレルダイオード１０から出力される局部発振信号（ＬＯ）と高周波信号（ＲＦ）との混合信号のうち、偶数次の信号成分と結合するカップラー２０と、信号成分の時間平均電圧を検出する検波回路３０と、時間平均電圧を最小にする直流バイアス電圧をアンチパラレルダイオード１０に印加する可変直流電源４０とを有する。

これにより、偶数次の混合信号成分を簡易な構成で検出でき、この混合信号成分を用いることにより、ハーモニックミキサ回路の受信特性の改善を図ることができる。

次に、本実施形態によるハーモニックミキサ回路の構成について、さらに詳細に説明する。アンチパラレルダイオード１０の一端には、周波数ｆＬＯの局部発振信号（ＬＯ）が入力されるＬＯ入力端子１が接続される。他端には周波数ｆＲＦの高周波信号（ＲＦ）が入力されるＲＦ入力端子２が接続される。さらに、周波数ｆＩＦの中間周波信号（ＩＦ）が取り出される出力端子３が接続される。

各々の端子１、２、３には、直流（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＤＣ）成分をカットするキャパシタ５１，５２、５３がシリーズに接続された構成とすることができる。出力端子３に接続されているキャパシタ５３と、ＲＦ入力端子２に接続されているキャパシタ５２の間に、コイル６０を接続し、バイアスフィードを構成する。そして、コイル６０とキャパシタ５３の間に、直流バイアス電圧を印加する可変直流電源４０が接続されている。

カップラー２０は伝送線路を用いて構成することができる。この伝送線路の線路長は、偶数次の混合信号成分の波長の４分の１であり、出力端子３から出力する混合信号成分と電磁的に結合している。

検波回路３０はカップラー２０に接続しており、カップラー２０により取り出された信号成分を半波整流するショットキーバリアダイオード３１を含む構成とすることができる。ショットキーバリアダイオード３１の前段に、キャパシタ３２と抵抗３３から成るマッチング回路を配置してもよい。

可変直流電源４０は、アンチパラレルダイオード１０を構成する２つのダイオード１１、１２のしきい電圧値Ｖ１、Ｖ２の差｜Ｖ１｜−｜Ｖ２｜＝ｄＶの半分の電圧ｄＶ／２を含む直流バイアス電圧を出力することが可能である。これにより、２つのダイオード１１，１２のしきい電圧の差を補正することができる。

次に、本実施形態に係るハーモニックミキサ回路の動作について詳細に説明する。

まず、ミキサの受信時において、各周波数成分の周波数の関係は次式で表される。

ｆＩＦ＝ｍｆＲＦ＋ｎｆＬＯ （１）
ここで、ｆＩＦは中間周波信号周波数、ｆＲＦは高周波信号周波数、ｆＬＯは局部発振信号周波数、ｍ、ｎは整数である。

理想的なハーモニックミキサ回路の場合は、アンチパラレルダイオードの電圧−電流特性が奇関数であることから、｜ｍ｜＋｜ｎ｜が奇数の成分のみが表れる。ハーモニックミキサ回路に用いられる理想的なアンチパラレルダイオードの電流−電圧特性を図２に示す。電圧０Ｖを対称点として回転対称な電圧−電流特性を示す。すなわち、２つのダイオードのしきい電圧が同じ値である。

しかし、実際には、アンチパラレルダイオード１０を構成する２つのダイオード１１、１２のしきい電圧値には差が存在し、アンチパラレルダイオード１０の電流−電圧特性は奇関数ではなくなる。ハーモニックミキサ回路に実際に用いられるアンチパラレルダイオードの電流−電圧特性を図３に示す。電圧０Ｖが対称点とならない電流−電圧特性となっている。このようなアンチパラレルダイオード１０に、周波数ｆＬＯの局部発振信号（ＬＯ）および周波数ｆＲＦの高周波信号（ＲＦ）が入力されると、出力端子３に｜ｍ｜＋｜ｎ｜が偶数の混合信号成分が出現する。このとき、局部発振信号（ＬＯ）に含まれるｆＬＯ±ｆＩＦの雑音信号が、局部発振信号（ＬＯ）自身と混合すると以下の周波数関係が成立する。

ｆＩＦ＝ｍ（ｆＬＯ±ｆＩＦ）＋ｎｆＬＯ
この周波数関係式は、（ｍ，ｎ）＝（１，−１）もしくは（−１，１）、すなわち、｜ｍ｜＋｜ｎ｜が２のときに右辺がｆＩＦのみとなり、取り出される中間周波信号（ＩＦ）に上述した雑音信号が加算されることになる。

このような雑音信号の発生を防止するためには、アンチパラレルダイオード１０の電流−電圧特性を理想的な奇関数にするような直流バイアス電圧をアンチパラレルダイオード１０に印加すればよい。具体的には、可変直流電源４０を用いて、アンチパラレルダイオード１０の２つのダイオード１１、１２のしきい電圧の差を補正する。直流バイアス電圧の値は、以下のようにして決定することができる。

アンチパラレルダイオードを用いたハーモニックミキサ回路では、一般的に３次の項としてｆＩＦ＝ｆＲＦ−２ｆＬＯ（（１）式でｍ＝１、ｎ＝−２）またはｆＩＦ＝２ｆＬＯ−ｆＲＦ（（１）式でｍ＝−１、ｎ＝２）を積極的に利用する。しかしながら、｜ｍ｜＋｜ｎ｜が２となる場合には、出力されるｆＩＦには、２ｆＬＯ（（１）式でｍ＝０、ん＝２）という成分が発生する。すなわち、２ｆＬＯが出力端子３にリークしてくるということは、アンチパラレルダイオード１０の電流−電圧特性が奇関数ではなくなっているということを示す。このとき、２ｆＬＯの信号成分は、所望のｆＩＦ近傍に位置する雑音信号となる。

そこで、この２ｆＬＯ成分を信号成分として検波回路３０によって検出し、この２ｆＬＯの信号成分が発生しないようにバイアス電圧を印加すればよい。具体的には、以下のように行うことができる。

まず、アンチパラレルダイオード１０から出力される局部発振信号（ＬＯ）と高周波信号（ＲＦ）との混合信号のうち、２ｆＬＯの信号成分を効率よく検波回路３０に導入する。そのために、伝送線路の線路長が２ｆＬＯの信号成分の波長の４分の１であるカップラー２０を用いる。これにより、２ｆＬＯの信号成分が伝送線路と電磁的に結合するので、簡易な構成で２ｆＬＯの信号成分を検出することができる。

カップラー２０によって取り出された２ｆＬＯの信号成分は、検波回路３０が有するショットキーバリアダイオード３１で半波整流され、出力として時間平均電圧ＤＥＴＶが得られる。この時間平均電圧をモニターし、この時間平均電圧を最小にする直流バイアス電圧を、可変直流電源４０によってアンチパラレルダイオード１０に印加する。

次に、本発明に係るハーモニックミキサ回路の制御方法について説明する。

まず、アンチパラレルダイオード１０を備えたハーモニックミキサ回路によって局部発振信号（ＬＯ）と高周波信号（ＲＦ）が混合された信号のうち、偶数次の信号成分と電磁的に結合することにより、その偶数次の信号成分を検出する。

次に、その信号成分の時間平均電圧を検出する。

最後に、アンチパラレルダイオード１０に直流バイアス電圧を印加し、検出した時間平均電圧が最小になるように直流バイアス電圧の制御を行う。

直流バイアスの制御には、アンチパラレルダイオード１０を構成する前記２つのダイオード１１，１２のしきい電圧値の差の半分の電圧を前記直流バイアス電圧とすることを含むことができる。これにより、２つのダイオード１１，１２のしきい電圧の差を補正することができる。

以上述べたように、本実施形態によるハーモニックミキサ回路および制御方法においては、検波回路３０で信号を検出する際に、カップラー２０と電磁的に信号成分を結合させる構成としている。そのため、受信特性が改善され、しかも、小型かつ安価なハーモニックミキサ回路およびその制御方法を得ることができる。

また、カップラー２０の伝送線路の線路長が、偶数次の信号成分の波長の４分の１である構成とすることにより、偶数次の信号成分をより効率よく検出することが可能である。そのため、不要な信号成分を除去するフィルタを用いる必要がないので、小型かつ安価なハーモニックミキサ回路およびその制御方法を得ることができる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

１ ＬＯ（局部発振信号）入力端子
２ ＲＦ（高周波信号）入力端子
３ 出力端子
１０ アンチパラレルダイオード
１１、１２ ダイオード
２０ カップラー
３０ 検波回路
３１ ショットキーバリアダイオード
３２、５１，５２、５３ キャパシタ
３３ 抵抗
４０ 可変直流電源
６０ コイル

Claims (10)

1. 互いに逆極性となるよう接続された２つのダイオードを備え、局部発振信号と高周波信号を入力するアンチパラレルダイオードと、
   前記アンチパラレルダイオードから出力される前記局部発振信号と前記高周波信号との混合信号のうち、偶数次の信号成分と結合するカップラーと、
   前記信号成分の時間平均電圧を検出する検波回路と、
   前記時間平均電圧を最小にする直流バイアス電圧を前記アンチパラレルダイオードに印加する可変直流電源
   とを有するハーモニックミキサ回路。
2. 前記カップラーは、伝送線路からなり、前記伝送線路の線路長が、前記信号成分の波長の４分の１である請求項１に記載のハーモニックミキサ回路。
3. 前記信号成分は、前記局部発振信号の２倍の周波数を有する
   請求項１または２に記載したハーモニックミキサ回路。
4. 前記検波回路は、前記信号成分を半波整流するショットキーバリアダイオードを有する請求項１から３のいずれか一項に記載したハーモニックミキサ回路。
5. 前記可変直流電源は、前記アンチパラレルダイオードを構成する前記２つのダイオードのしきい電圧値の差の半分の電圧を含む前記直流バイアス電圧を出力する請求項１から４のいずれか一項に記載したハーモニックミキサ回路。
6. アンチパラレルダイオードを備えたハーモニックミキサ回路によって局部発振信号と高周波信号が混合された信号のうち、偶数次の信号成分と電磁的に結合することにより前記信号成分を検出し、
   前記信号成分の時間平均電圧を検出し、
   前記アンチパラレルダイオードに直流バイアス電圧を印加し、前記時間平均電圧が最小になるように前記直流バイアス電圧を制御する、
   ハーモニックミキサ回路の制御方法。
7. 前記信号成分の検出は、線路長が前記信号成分の波長の４分の１である伝送線路と前記信号成分とを電磁的に結合することにより行う請求項６に記載したハーモニックミキサ回路の制御方法。
8. 前記信号成分は、前記局部発振信号の２倍の周波数を有する
   請求項６または７に記載したハーモニックミキサ回路の制御方法。
9. 前記時間平均電圧の検出は、前記信号成分を半波整流することを含む
   請求項６から８のいずれか一項に記載したハーモニックミキサ回路の制御方法。
10. 前記直流バイアスの制御には、前記アンチパラレルダイオードを構成する前記２つのダイオードのしきい電圧値の差の半分の電圧を前記直流バイアス電圧とすることを含む
    請求項６から９のいずれか一項に記載したハーモニックミキサ回路の制御方法。

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