JP7723552B2

JP7723552B2 - 周波数変換回路

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Publication number: JP7723552B2
Application number: JP2021153505A
Authority: JP
Inventors: 保彰旭
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2021-09-21
Publication date: 2025-08-14
Anticipated expiration: 2041-09-21
Also published as: JP2023045227A

Description

実施形態は、周波数変換回路に関する。

マイクロ波の広帯域受信に用いられる周波数変換回路は、ローカル周波数を広範囲に変化させるミキサを含む。このため、周波数変換回路の出力周波数帯域内には、ミキサで発生する不要なスプリアスが含まれることがある。

特開平６－１２０８２２号公報

実施形態は、スプリアスを抑制できる周波数変換回路を提供する。

実施形態に係る周波数変換回路は、第１ミキサと、前記第１ミキサに接続された周波数可変の第１発振器と、前記第１ミキサの出力側に接続されたスイッチと、前記スイッチに接続された第１バンドパスフィルタと、前記第１バンドパスフィルタと並列に前記スイッチに接続された第２バンドパスフィルタと、前記第１バンドパスフィルタおよび前記第２バンドパスフィルタの出力側に接続された第２ミキサと、前記第２ミキサに接続された第２発振器と、前記第１発振器および前記スイッチを制御するコントローラと、を備え、前記第１ミキサの入力波に対応し、一定の周波数を有する出力波を、前記第２ミキサから出力する周波数変換回路であって、前記第１バンドパスフィルタの通過帯域は、前記第２発振器の発振周波数と前記一定の周波数の和に等しい中心周波数を有し、前記第２バンドパスフィルタの通過帯域は、前記第２発振器の前記発振周波数から前記一定の周波数を減じた中心周波数を有し、前記コントローラは、前記第１発振器の発振周波数を掃引し、前記第１ミキサの出力が前記第１バンドパスフィルタに入力されるＡモードと前記第１ミキサの出力が前記第２バンドパスフィルタに入力されるＢモードとを選択するように前記スイッチの切り替えを制御し、前記Ａモードにおいては、前記第１ミキサから前記第１バンドパスフィルタへの入力の周波数は、前記第１発振器の発振周波数から前記入力波の周波数を減じた周波数であり、前記Ｂモードにおいては、前記第１発振器から前記第２バンドパスフィルタへの入力の周波数は、前記第１発振器の発振周波数から前記入力波の周波数および前記一定の周波数の２倍を減じた周波数であり、前記コントローラは、前記Ａモードにおける前記掃引の過程において前記出力波がスプリアスを含む場合は前記Ａモードから前記Ｂモードに、かつ、前記Ｂモードにおける前記掃引の過程において前記出力波がスプリアスを含む場合は前記Ｂモードから前記Ａモードに、それぞれ前記スイッチの切り替えを制御する。

実施形態に係る周波数変換回路を示すブロック図である。実施形態に係る周波数変換回路を示す別のブロック図である。実施形態の変形例に係る周波数変換回路を示すブロック図である。実施形態の変形例に係る周波数変換回路の特性を示すグラフである。実施形態の変形例に係る周波数変換回路の別の特性を示すグラフである。実施形態の変形例に係る周波数変換回路の出力特性を示すグラフである。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

図１は、実施形態に係る周波数変換回路１を示すブロック図である。周波数変換回路１は、広帯域のマイクロ波を一定の周波数を有する出力波に変換し、例えば、Ａ／Ｄ変換回路を介して、デジタル信号処理回路（図示しない）に入力するように構成される。

図１に示すように、周波数変換回路１は、第１発振器１０と、第１ミキサ２０と、スイッチ３０Ａと、スイッチ３０Ｂと、コントローラ４０と、第１バンドパスフィルタ５０Ａと、第２バンドパスフィルタ５０Ｂと、第２ミキサ６０と、第２発振器７０と、を備える。

第１発振器１０は、第１ミキサ２０に接続され、第１ローカル信号を供給する。第１発振器１０は、発振周波数を掃引できる可変発振器である。スイッチ３０Ａは、第１ミキサ２０の出力側に接続される。コントローラ４０は、第１発振器１０の発振周波数を制御し、スイッチ３０Ａの切り替えを制御する。

第１バンドパスフィルタ５０Ａおよび第２バンドパスフィルタ５０Ｂは、スイッチ３０Ａおよび３０Ｂに並列に接続される。第１ミキサ２０の出力は、スイッチ３０Ａを介して、第１バンドパスフィルタ５０Ａおよび第２バンドパスフィルタ５０Ｂのいずれかに入力される。第１バンドパスフィルタ５０Ａおよび第２バンドパスフィルタ５０Ｂの出力は、スイッチ３０Ｂを介して、第２ミキサ６０に入力される。コントローラ４０は、スイッチ３０Ａおよび３０Ｂを同時に制御し、スイッチ３０Ａにより選択された第１バンドパスフィルタ５０Ａまたは第２バンドパスフィルタ５０Ｂの出力を第２ミキサ６０に入力する。

第２ミキサ６０は、スイッチ３０Ｂを介して、第１バンドパスフィルタ５０Ａおよび第２バンドパスフィルタ５０Ｂの出力側に接続される。第２発振器７０は、第２ミキサ６０に接続され、第２ローカル信号を供給する。第２発振器７０の発振周波数は固定される。

周波数変換回路１は、第１ミキサ２０の入力波に対応する信号を第２ミキサ６０から出力する。周波数変換回路１は、第２ミキサ６０の出力が一定の周波数ｆ_ＯＵＴを有するように構成される。

コントローラ４０は、第１発振器１０の発振周波数を掃引すると共にスイッチ３０Ａおよび３０Ｂを切り替える。コントローラ４０は、第１発振器１０を、例えば、２つのモード、Ａモード（周波数シフト無し）およびＢモード（周波数シフト有り）にて動作させる。第１発振器１０は、Ａモードにおいて、所定の周波数範囲内で発振するように制御される。また、第１発振器１０は、Ｂモードにおいて、Ａモードの発振周波数から出力波の周波数ｆ_ＯＵＴの２倍を差し引いた周波数で発振するように制御される。

第１発振器１０から第１ミキサ２０に入力される第１ローカル信号の周波数（以下、第１ローカル周波数ｆ_ＬＩ）は、Ａモードの周波数範囲内で掃引される。コントローラ４０は、その範囲内の特定の周波数において、発振器１０がＢモードで動作するように制御する。スイッチ３０Ａは、第１発振器１０がＡモードで動作している間、第１バンドパスフィルタ５０Ａに第１ミキサ２０の出力を入力するように制御される。また、スイッチ３０Ａは、特定の周波数において、第１ミキサ２０の出力を、第２バンドパスフィルタ５０Ｂに入力するように制御される。

第１ミキサ２０は、第１発振器１０のＡモードにおいて、第１ローカル周波数ｆ_ＬＩから入力波の周波数ｆ_ＩＮを差し引いた周波数（ｆ_ＬＩ－ｆ_ＩＮ）を有する出力を、第１バンドパスフィルタ５０Ａに入力する。

また、第１ミキサ２０は、第１発振器１０のＢモードにおいて、第１ローカル周波数ｆ_ＬＩから入力波の周波数ｆ_ＩＮおよび出力波の周波数ｆ_ＯＵＴの２倍を差し引いた周波数（ｆ_ＬＩ－ｆ_ＩＮ－２×ｆ_ＯＵＴ）を有する出力を、スイッチ３０Ａを介して、第２バンドパスフィルタ５０Ｂに入力する。

第１バンドパスフィルタ５０Ａの通過帯域は、第２発振器７０から第２ミキサ６０に出力される第２ローカル信号の周波数（以下、第２ローカル周波数ｆ_ＬＯ）と、出力波の周波数ｆ_ＯＵＴの和に等しい中心周波数を有する。また、第２バンドパスフィルタ５０Ｂの通過帯域は、第２ローカル周波数ｆ_ＬＯから周波数ｆ_ＯＵＴを差し引いた中心周波数を有する。

例えば、入力波の周波数帯域をｍｉｎｆ_ＩＮ≦ｆ_ＩＮ≦ｍａｘｆ_ＩＮとすれば、第１バンドパスフィルタ５０Ａは、ｆ_ＬＩ－ｍａｘｆ_ＩＮからｆ_ＬＩ－ｍｉｎｆ_ＩＮまで周波数が変化する第１ミキサ２０の出力のうちの周波数ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＯＵＴを有する信号を出力する。第２バンドパスフィルタ５０Ｂは、ｆ_ＬＩ－ｍａｘｆ_ＩＮ－２×ｆ_ＯＵＴからｆ_ＬＩ－ｍｉｎｆ_ＩＮ－２×ｆ_ＯＵＴまで周波数が変化する第１ミキサ２０の出力のうちの周波数ｆ_ＬＯ－ｆ_ＯＵＴを有する信号を出力する。

コントローラ４０は、第１発振器１０の発振周波数を、例えば、次式（１）に示す周波数範囲において掃引する。

第２ミキサ６０は、第１バンドパスフィルタ５０Ａの出力の周波数（ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＯＵＴ）から第２ローカル周波数ｆ_ＬＯを差し引いた周波数ｆ_ＯＵＴを有する信号を出力する。また、第２ミキサ６０は、第２ローカル周波数ｆ_ＬＯから第１バンドパスフィルタ５０Ａの出力の周波数（ｆ_ＬＯ－ｆ_ＯＵＴ）を差し引いた周波数ｆ_ＯＵＴを有する信号を出力する。このように、第１バンドパスフィルタ５０Ａおよび第２バンドパスフィルタ５０Ｂは、第２ミキサ６０から一定の周波数ｆ_ＯＵＴを有する信号が出力されるように構成される。

コントローラ４０は、第１発振器１０の発振周波数を式（１）に示す周波数範囲において掃引することにより、入力波の周波数帯域内における信号強度の変化に対応した出力波を第２ミキサ６０から出力させる。

図２は、実施形態に係る周波数変換回路１を示す別のブロック図である。図２は、周波数変換回路１の１つの具体例を表している。

この例では、第１ミキサ２０の入力波は、２～１０ＧＨｚの周波数帯域を有する。第１発振器１０は、発振周波数２３～３１ＧＨｚのＡモード、および、発振周波数２１～２９ＧＨｚのＢモードで動作する。

第１バンドパスフィルタ５０Ａの通過帯域の中心周波数は、２１ＧＨｚである。第２バンドパスフィルタ５０Ｂの通過帯域の中心周波数は、１９ＧＨｚである。第２ローカル周波数ｆ_ＬＯは、２０ＧＨｚである。第２ミキサ６０の出力の周波数ｆ_ＯＵＴは、１ＧＨｚである。周波数変換回路１は、例えば、２～１０ＧＨｚのマイクロ波帯域における信号強度の変化を、周波数１ＧＨｚの信号に変換して出力する。

図３は、実施形態の変形例に係る周波数変換回路２を示すブロック図である。周波数変換回路２では、第１ミキサ２０と第１発振器８０との間に逓倍器９０が設けられる。

第１発振器８０は、可変発振器である。逓倍器９０は、第１発振器８０から出力される第１ローカル信号の周波数ｆ_ＯＢを、例えば、２倍の第１ローカル周波数ｆ_ＬＩに変換して、第１ミキサ２０に入力する。

第１発振器８０は、１１．５～１５．５ＧＨの周波数範囲で掃引されるＡモードと、１０．５～１４．５ＧＨの周波数範囲で動作するＢモードと、を有する。コントローラ４０は、特定の周波数において、Ａモードの発振周波数から周波数ｆ_ＯＵＴを減じた周波数で発振するように、第１発振器８０を制御する。

この例では、周波数変換回路１と同じ第１ローカル周波数ｆ_ＬＩを有する逓倍器９０の出力が第１ミキサ２０に入力される。周波数変換回路２では、第１発振器８０が高周波動作とならないように、第１ミキサ２０の直前に逓倍器９０を挿入する。

図４（ａ）および（ｂ）は、実施形態の変形例に係る周波数変換回路２の特性を示すグラフである。図４（ａ）および（ｂ）は、第１ミキサ２０の出力が第１バンドパスフィルタ５０Ａに入力されるように、スイッチ３０Ａを制御した場合の特性を表している。

例えば、第１ミキサ２０に第１ローカル信号を入力すると、その漏れやその高調波成分も合成され、所謂スプリアスが第１ミキサ２０から出力される。また、２倍の逓倍器９０を用いた場合、１倍波や３倍波以上の高調波成分も第１ミキサ２０で合成され出力される。

図４（ａ）は、表１に示すとおり、Ｂモードにおける特性を示すグラフである。横軸は、入力波の周波数ｆ_ＩＮである。縦軸は、出力波の周波数ｆ_ＯＵＴである。図中の符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、出現する各スプリアスSP_A、SP_B、SP_C、SP_Dを表している。

ここで、周波数ｆ_ＯＵＴは、次式（２）で表される。ｆ_ＯＢは、第１発振器８０の発振周波数である。

各スプリアスSP_A、SP_B、SP_C、SP_Dは、式（３）で表される。

図４（ａ）に示すように、出力周波数帯域を横切るように、各スプリアスが出現する。スプリアスが出現する周波数は、入力波の周波数ｆ_ＩＮに依存する。

図４（ｂ）は、入力波の周波数ｆ_ＩＮに対するスプリアスの有無を表す模式図である。横軸は、入力波の周波数ｆ_ＩＮである。ここで、出力波の周波数ｆ_ＯＵＴは、１ＧＨｚである。図４（ｂ）に示すように、ｆ_ＩＮの周波数帯域２～１０ＧＨｚの間に、８回のスプリアスが現れる。

図５（ａ）および（ｂ）は、実施形態の変形例に係る周波数変換回路２の別の特性を示すグラフである。図５（ａ）および（ｂ）は、第１ミキサ２０の出力が第２バンドパスフィルタ５０Ｂに入力されるように、スイッチ３０Ａを制御した場合の特性を表している。

図５（ａ）は、表２に示すとおり、Ａモードにおける特性を示すグラフである。横軸は、入力波の周波数ｆ_ＩＮである。縦軸は、出力波の周波数ｆ_ＯＵＴである。図中の符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、各スプリアスSP_A、SP_B、SP_C、SP_Dをそれぞれ表している。

図５（ａ）に示すように、出力周波数帯域を横切るように、各スプリアスが出現する。図４（ａ）と同様に、スプリアスが出現する出現する入力波の周波数ｆ_ＩＮに依存する。

図５（ｂ）は、入力波の周波数ｆ_ＩＮに対するスプリアスの有無を表すグラフである。横軸は、入力波の周波数ｆ_ＩＮである。ここで、出力波の周波数ｆ_ＯＵＴは、１ＧＨｚである。

この例でも、入力波の周波数ｆ_ＩＮの周波数帯域２～１０ＧＨｚの間に、８回のスプリアスが現れる。スプリアスが出現する入力波の周波数ｆ_ＩＮは、図４（ｂ）に示す例とは異なる。すなわち、第１ミキサ２０の出力を第１バンドパスフィルタ５０Ａに入力する場合にスプリアスが出現する周波数ｆ_ＩＮは、第１ミキサ２０の出力を第２バンドパスフィルタ５０Ｂに入力する場合にスプリアスが出現する周波数ｆ_ＩＮとは異なる。

図６は、実施形態の変形例に係る周波数変換回路２の出力特性を示すグラフである。横軸は、入力波の周波数ｆ_ＩＮであり、縦軸は、スプリアスの有無を表している。ここで、出力波の周波数ｆ_ＯＵＴは、１ＧＨｚである。

周波数変換回路２において、コントローラ４０（図３参照）は、第１ミキサ２０の出力を第１バンドパスフィルタ５０Ａに入力するようにスイッチ３０Ａを制御し、第１発振器８０をＡモードで動作させる。すなわち、第１発振器８０の発振周波数ｆ_ＯＢを１１．５ＧＨｚから１５．５ＧＨｚへ掃引する。

コントローラ４０は、第１発振器８０の発振周波数ｆ_ＯＢを掃引している間において、２×ｆ_ＯＢ－ｆ_ＬＯ－ｆ_ＯＵＴの値と、図４（ｂ）中に示すスプリアス有の周波数ｆ_ＩＮと、が一致する特定の周波数となった時、第１発振器８０の動作をＢモードに切り替え、第１ミキサ２０の出力が第２バンドパスフィルタ５０Ｂに入力されるようにスイッチ３０Ａを制御する。

続いて、コントローラ４０は、２×ｆ_ＯＢ－ｆ_ＬＯ－ｆ_ＯＵＴの値が、図４（ｂ）中に示すスプリアス無しの周波数ｆ_ＩＮと一致する時、第１発振器８０の動作をＡモードに切り替え、第１ミキサ２０の出力が第１バンドパスフィルタ５０Ａに入力されるようにスイッチ３０Ａを制御する。

このように、第１発振器８０およびスイッチ３０Ａおよび３０Ｂを制御することにより、出力波に含まれるスプリアスの周波数を動かすことができる。例えば、出力の周波数帯域内に可能な限りスプリアスが混入しないように、ＡモードまたはＢモードを選択する。これにより、入力波の周波数ｆ_ＩＮの帯域２～１０ＧＨｚの間に現れるスプリアスの回数を、例えば、５回（図６参照）に抑制できる。

実施形態に係る周波数変換回路１および２では、第１発振器１０および８０をＡモードおよびＢモードで動作させ、それぞれのモードに対応して、第１ミキサ２０の出力を第１バンドパスフィルタ５０Ａまたは第２バンドパスフィルタ５０Ｂに入力することにより、出力波中に含まれるスプリアスを抑制する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２…周波数変換回路、１０、８０…第１発振器、２０…第１ミキサ、３０Ａ、３０Ｂ…スイッチ、４０…コントローラ、５０Ａ…第１バンドパスフィルタ、５０Ｂ…第２バンドパスフィルタ、６０…第２ミキサ、７０…第２発振器、９０…逓倍器

Claims

第１ミキサと、
前記第１ミキサに接続された周波数可変の第１発振器と、
前記第１ミキサの出力側に接続されたスイッチと、
前記スイッチに接続された第１バンドパスフィルタと、
前記第１バンドパスフィルタと並列に前記スイッチに接続された第２バンドパスフィルタと、
前記第１バンドパスフィルタおよび前記第２バンドパスフィルタの出力側に接続された第２ミキサと、
前記第２ミキサに接続された第２発振器と、
前記第１発振器および前記スイッチを制御するコントローラと、
を備え、
前記第１ミキサの入力波に対応し、一定の周波数を有する出力波を、前記第２ミキサから出力する周波数変換回路であって、
前記第１バンドパスフィルタの通過帯域は、前記第２発振器の発振周波数と前記一定の周波数の和に等しい中心周波数を有し、
前記第２バンドパスフィルタの通過帯域は、前記第２発振器の前記発振周波数から前記一定の周波数を減じた中心周波数を有し、
前記コントローラは、前記第１発振器の発振周波数を掃引し、前記第１ミキサの出力が前記第１バンドパスフィルタに入力されるＡモードと前記第１ミキサの出力が前記第２バンドパスフィルタに入力されるＢモードとを選択するように前記スイッチの切り替えを制御し、
前記Ａモードにおいては、前記第１ミキサから前記第１バンドパスフィルタへの入力の周波数は、前記第１発振器の発振周波数から前記入力波の周波数を減じた周波数であり、
前記Ｂモードにおいては、前記第１発振器から前記第２バンドパスフィルタへの入力の周波数は、前記第１発振器の発振周波数から前記入力波の周波数および前記一定の周波数の２倍を減じた周波数であり、
前記コントローラは、前記Ａモードにおける前記掃引の過程において前記出力波がスプリアスを含む場合は前記Ａモードから前記Ｂモードに、かつ、前記Ｂモードにおける前記掃引の過程において前記出力波がスプリアスを含む場合は前記Ｂモードから前記Ａモードに、それぞれ前記スイッチの切り替えを制御する、周波数変換回路。
前記入力波は、第１周波数と、前記第１周波数よりも高い第２周波数と、の間の帯域を有し、
前記第１発振器は、前記第１周波数に前記第２発振器の前記発振周波数と前記一定の周波数との和を加えた下限周波数と、前記第２周波数に前記第２発振器の前記発振周波数と前記一定の周波数との和を加えた上限周波数と、の間で掃引される請求項１記載の周波数変換回路。
前記第１ミキサは、前記第１発振器から入力されるローカル信号の周波数から前記入力波の周波数を減じた周波数を有する出力を、前記スイッチを介して前記第１バンドパスフィルタまたは前記第２バンドパスフィルタに入力するように設けられる請求項１または２に記載の周波数変換回路。
前記第１バンドパスフィルタまたは前記第２バンドパスフィルタの出力の周波数から前記第２発振器の前記発振周波数を減じた周波数を有する前記一定の周波数の前記出力波が前記第２ミキサから出力される請求項１乃至３のいずれか１つに記載の周波数変換回路。
前記第１発振器と前記第１ミキサとの間に設けられた逓倍器をさらに備えた請求項１乃至４のいずれか１つに記載の周波数変換回路。