JP2012209878A - バランス型ミキサ、直交変復調装置、および、レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路サイズを小さくするとともに、パルス信号の良好な通過特性を有するバランス型ミキサを提供すること。
【解決手段】ハイブリッド回路および２つのダイオードを有するバランス型ミキサにおいて、ハイブリッド回路は、高周波信号が入力される高周波信号入力端子１１１と、局部発振信号が入力される局部発振信号入力端子１１２と、２つのダイオード１５，１６の一方のダイオードのアノードと他方のダイオードのカソードがそれぞれ接続される２つのダイオード接続端子１０２，１０３と、を備える環状線路１０１を有し、当該環状線路の中空部にＤＣリターン回路１３０が形成され、当該ＤＣリターン回路は、ダイオード接続端子１０２，１０３の近傍にそれぞれの一端が接続され、他端が接地されている２つの線路１１３，１１４を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バランス型ミキサ、直交変復調装置、および、レーダ装置に関するものである。

従来、マイクロ波帯以上で使用するバランス型ミキサとしては、例えば、特許文献１の図８等に示すものが知られている。

特開平８−１４８９３９号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、ＩＦ（ＤＣ）リターン回路１０８が局発信号端子１０２に設けられている。このように、局発信号端子１０２の周辺にＤＣリターン回路１０８を設ける場合、ＤＣリターン回路１０８の配置スペースを確保することが必要となり、回路のサイズが大きくなるという問題点がある。また、特許文献１に開示された技術では、パルス信号を入力したときに、信号の立ち上がりと立ち下がり波形が鈍るという問題点もある。

そこで、本発明は回路サイズを小さくするとともに、パルス信号の良好な通過特性を有するバランス型ミキサ、直交変復調装置、および、レーダ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、ハイブリッド回路および２つのダイオードを有するバランス型ミキサにおいて、前記ハイブリッド回路は、高周波信号が入力される高周波信号入力端子と、局部発振信号が入力される局部発振信号入力端子と、前記２つのダイオードの一方のダイオードのアノードと他方のダイオードのカソードがそれぞれ接続される２つのダイオード接続端子と、を備える環状線路を有し、当該環状線路の中空部にＤＣリターン回路が形成され、当該ＤＣリターン回路は、前記ダイオード接続端子の近傍にそれぞれの一端が接続され、他端が接地されている２つの線路を有する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、回路サイズを小さくするとともに、パルス信号の良好な通過特性を有するバランス型ミキサを提供することができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記ＤＣリターン回路は、前記ダイオード接続端子の近傍にそれぞれの一端が接続され、他端が一点で接地されている２つの線路を有する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、回路サイズを小さくするとともに、２つの線路の接地電圧にずれが生じることを防止できる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記ＤＣリターン回路の前記線路のそれぞれは前記局部発振信号および前記高周波信号の１／４波長の長さを有していることを特徴とする。
このような構成によれば、アイソレーション特性を改善することができる。

また、本発明は、前記バランス型ミキサを２つ有し、前記高周波信号および前記局部発振信号が分配器によって分配されて各バランス型ミキサの前記高周波信号入力端子と、前記局部発振信号入力端子にそれぞれ入力されることを特徴とする。
このような構成によれば、回路サイズを小さくするとともに、変換損失等の特性が良好な直交変復調装置を提供することができる。

また、本発明は、前記直交変復調装置を含むことを特徴とするレーダ装置である。
このような構成によれば、回路サイズを小さくするとともに、パルス信号の良好な通過特性を有するレーダ装置を提供することができる。

本発明によれば、本発明は回路サイズを小さくするとともに、パルス信号の良好な通過特性を有するバランス型ミキサ、直交変復調装置、および、レーダ装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係るバランス型ミキサの構成例を示す図である。 図１に示すバランス型ミキサの等価回路を示すブロック図である。 従来のバランス型ミキサの構成を示す図である。 図１と図３のバランス型ミキサの変換損失の周波数特性を示す図である。 Ｐ１，Ｐ４のアイソレーション特性である。 Ｐ２，Ｐ３のアイソレーション特性である。 ＤＣリターン回路をダイオードに近づけた場合と、離した場合における中間周波信号の時間軸における立ち上がりを示す図である。 ＤＣリターン回路をダイオードに近づけた場合と、離した場合における中間周波信号立ち上がりを示す図である。 図１に示すバランス型ミキサを用いた直交変復調装置の構成例である。 図３に示すバランス型ミキサを用いた直交変復調装置の構成例である。 図９に示す回路の特性を示す図である。 図１０に示す回路の特性を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）実施形態の構成の説明
図１は、本発明の実施形態に係るバランス型ミキサの構成例を示す図である。図１に示すバランス型ミキサ１００は、例えば、誘電体基板上に形成され、環状線路１０１、ダイオード１５，１６、ＬＰＦ（Low Pass Filter）１２１，１２２、および、ＤＣリターン回路１３０を主要な構成要素としている。

ここで、環状線路１０１は、ハイブリッド回路を構成し、高周波信号の誘電体基板上における波長をλとした場合に、３／２λの周長を有するリング形状の線路（例えば、銅箔等）によって構成される。環状線路１０１の任意の位置には、局部発振信号が入力される局部発振信号入力端子１１２が設けられている。また、局部発振信号入力端子１１２から任意の方向にλ／２だけ周方向に移動した位置には、高周波信号が入力される高周波信号入力端子１１１が設けられている。局部発振信号入力端子１１２と高周波信号入力端子１１１の中間位置であって、局部発振信号入力端子１１２と高周波信号入力端子１１１からそれぞれλ／４だけ周方向に移動した位置には、ダイオード１５が接続されるダイオード接続端子１０２が設けられている。環状線路１０１の中心を挟んで局部発振信号入力端子１１２と対向する位置であって、高周波信号入力端子１１１からλ／４だけ周方向に移動した位置には、ダイオード１６が接続されるダイオード接続端子１０３が設けられている。なお、ダイオード１５，１６は逆極性になるように接続される。

なお、局部発振信号入力端子１１２に入力された局部発振信号は、位相が９０度遅れてダイオード接続端子１０２に出力され、２７０度遅れてダイオード接続端子１０３に出力される。なお、局部発振信号入力端子１１２に入力された信号は、ダイオード接続端子１０２側を経由する信号と、ダイオード接続端子１０３側を経由する信号の位相が１８０度ずれていることからこれらが相互に相殺することにより、高周波信号入力端子１１１には出力されない。一方、高周波信号入力端子１１１に入力された高周波信号は、位相が９０度遅れてダイオード接続端子１０２に出力され、同じく９０度遅れてダイオード接続端子１０３に出力される。なお、高周波信号入力端子１１１に入力された信号は、ダイオード接続端子１０２側を経由する信号と、ダイオード接続端子１０３側を経由する信号の位相が１８０度ずれていることからこれらが相互に相殺することにより、局部発振信号入力端子１１２には出力されない。

環状線路１０１の中空部分（線路が存在しない部分）には、ＤＣリターン回路１３０が設けられている。ここで、ＤＣリターン回路１３０は、線路１１３，１１４、接続部１１５、および、ビアホール（Via Hole）１１６を有している。ここで、線路１１３は環状線路１０１のダイオード接続端子１０２の近傍に一端が接続され、他端が接続部１１５に接続されている。線路１１３は環状線路１０１のダイオード接続端子１０３の近傍に一端が接続され、他端が接続部１１５に接続されている。接続部１１５は、線路１１３および線路１１４の他端同士を接続し、これらをビアホール１１６を介してグランドに接続する。ビアホール１１６は、グランドパターンが形成されているプリント基板の層と、接続部１１５とを電気的に接続する。なお、線路１１３，１１４は、同じ長さＬを有し、この長さＬは、後述するように略λ／４の長さに設定されている。

ダイオード１５，１６は、一端を逆接続でダイオード接続端子１０２，１０３に接続され、前記ダイオード１５，１６の他端をＬＰＦ１２１および１２２に接続されている。ＬＰＦ１２１およびＬＰＦ１２２の出力端子同士は線路１２３によって接続されている。線路１２３には中間周波信号出力端子１２４が接続されている。

（Ｂ）実施形態の概略動作の説明
図２は、図１に示す回路を等価的なブロック図として示した図である。この図において、高周波信号入力端子１１１に入力された高周波信号は、ハイブリッド回路１０１において位相が９０度遅れて端子Ａ（ダイオード接続端子１０２に対応）と、端子Ｂ（ダイオード接続端子１０３に対応）からそれぞれ出力される。局部発振信号入力端子１１２に入力された局部発振信号は、ハイブリッド回路１０１において位相が９０度遅れて端子Ａから出力され、２７０度遅れて端子Ｂから出力される。

ハイブリッド回路１０１から出力された局部発振（Ｌｏ）信号および高周波（ＲＦ）信号は、ＤＣリターン回路１３０を構成する線路１１３および線路１１４に印加される。線路１１３および線路１１４の接続点はグランドに接地されているので、ハイブリッド回路１０１から出力された信号は、グランドを中心とする平衡信号となる。ダイオード１５，１６は、ＤＣリターン回路１３０に印加される局部発振信号および高周波信号の周波数差成分を生成し、これを中間周波（ＩＦ）信号として出力する。

ＬＰＦ１２１，１２２は、ダイオード１５，１６から出力される信号の中から、中間周波信号を通過させ、他の信号を減衰させる。

以上の動作により、本実施形態のバランス型ミキサ１００では、局部発振信号および高周波信号の周波数差成分を生成し、中間周波信号として出力する。

（Ｃ）実施形態の詳細な動作の説明
つぎに、本実施形態の詳細な動作について、図を参照して説明する。図３は、本実施形態の比較対象となる構成を示す図である。この図３に示すバランス型ミキサ１００Ａでは、図１の場合と比較すると、ＤＣリターン回路１３０が環状線路１０１の中空部から高周波信号入力端子１１１に移動され、ＬＰＦが付加されてＤＣリターン回路１３０Ａとされている。それ以外の構成は、図１の場合と同様である。

図４は、高周波信号を周波数スイープ（掃引）した場合における変換損失を示している。なお、変換損失とは、高周波信号入力端子１１１への入力信号電力と、中間周波信号出力端子１２４からの出力信号電力の比をいう。ここで、図４（Ａ）は、図１に示す実施形態のシミュレーション結果を示し、図４（Ｂ）は、図３に示す比較回路のシミュレーション結果を示す。これらの図の比較から、図４（Ａ）に示す本実施形態のシミュレーション結果においては、図４（Ｂ）の場合に比較して、周波数特性が平坦であることが分かる。すなわち、本実施形態の方が、比較回路に比較して変換特性が広帯域であることが分かる。

本実施形態では、ＤＣリターン回路１３０を構成する線路１１３，１１４の長さＬをλ／４の長さとなるように設定している。この点について、図５，６を参照して説明する。図５は、高周波信号入力端子１１１をポート１（Ｐ１）とし、ダイオード接続端子１０３をポート２（Ｐ２）とし、ダイオード接続端子１０２をポート３（Ｐ３）とし、局部発信信号入力端子１１２をポート４（Ｐ４）とした場合に、Ｐ１，Ｐ４のアイソレーション特性と反射特性のシミュレーション結果であり、図６はＰ２，Ｐ３のアイソレーション特性と反射特性のシミュレーション結果である。より詳細に説明する。図５は、図１に示す線路１１３，１１４の双方の長さＬを変化させた場合におけるＰ１，Ｐ４のアイソレーション特性と反射特性であり、実線はＰ１入力、Ｐ１出力の場合の反射特性を示し、破線はＰ４入力、Ｐ４出力の場合の反射特性を示し、一点鎖線はＰ４入力、Ｐ１出力の場合のアイソレーション特性を示している。また、図５（Ａ）は線路１１３，１１４の双方の長さＬが１／４波長の長さの８７．６％の場合（Ｌ＝λ／４×０．８７６の場合）の特性を示し、図５（Ｂ）はＬが９２．７％の場合の特性を示し、図５（Ｃ）はＬが１００％の場合の特性を示し、図５（Ｄ）はＬが１０８％の場合の特性を示している。なお、本実施形態では、周波数は準ミリ波またはミリ波帯域であり、波長短縮率が０．６３である。なお、前述した例では、説明を簡略化するために、線路１１３，１１４自体の流さをＬとして説明したが、より正確には、このＬには接続部１１５の形状およびビアホール１１６の長さも含める必要がある。図５（Ａ）〜（Ｄ）の比較から、略λ／４に相当する図５（Ｃ）の場合に、実線、破線、および、一点鎖線が使用周波数において略極小値となっている。つまり、Ｌ＝λ／４に設定することで、Ｐ１，Ｐ４のアイソレーションが使用周波数において十分に確保されるとともに、反射特性を低く保つことができる。

図６は、図１に示す線路１１３，１１４の双方の長さＬを変化させた場合におけるＰ２，Ｐ３のアイソレーション特性と反射特性であり、実線はＰ２入力、Ｐ２出力の場合の反射特性を示し、破線はＰ３入力、Ｐ３出力の場合の反射特性を示し、一点鎖線はＰ２入力、Ｐ３出力の場合のアイソレーション特性を示している。また、図６（Ａ）は線路１１３，１１４の双方の長さＬが１／４波長の長さの８７．６％の場合の特性を示し、図６（Ｂ）はＬが９２．７％の場合の特性を示し、図６（Ｃ）はＬが１００％の場合の特性を示し、図６（Ｄ）はＬが１０８％の場合の特性を示している。なお、図６（Ｃ）の場合が略λ／４の長さに相当することは前述の場合と同様である。図６（Ａ）〜（Ｄ）の比較から、略λ／４に相当する図６（Ｃ）の場合に、実線、破線、および、一点鎖線が使用周波数において略極小値となっている。つまり、Ｌ＝λ／４に設定することで、Ｐ２，Ｐ３のアイソレーションが使用周波数において十分に確保されるとともに、反射特性を低く保つことができる。

以上から、ＤＣリターン回路１３０の線路１１３，１１４の双方の長さ（正確には接続部１１５の形状およびビアホール１１６の形状も考慮した長さ）Ｌ＝λ／４に設定することで、アイソレーションを使用周波数において高く保つとともに、リターンロスを低く保つことができる。

本実施形態では、ＤＣリターン回路１３０を構成する線路１１３，１１４をダイオード１５，１６の近傍に配置している。この点について、図７，８を参照して説明する。図７は、パルス幅１ｎｓでパルス変調された高周波信号を入力した場合において、ＤＣリターン回路を配置する位置をダイオードに近づけた場合と、離した場合における中間周波信号の時間軸における立ち上がりを示す図である。図７（Ａ）はＤＣリターン回路をダイオードに近づけて配置した場合の中間周波信号の時間軸における立ち上がりを示し、図７（Ｂ）はＤＣリターン回路をダイオードから遠ざけて配置した場合の中間周波信号立ち上がりを示す。なお、具体的な測定方法としては、図７（Ａ）は、後述する図９に示す回路において、ＤＣリターン回路をハイブリッド回路の近傍（高周波信号入力端子）に配置した場合の特性を示し、図７（Ｂ）は、同じく図９に示す回路において、ＤＣリターン回路を９０度ハイブリッド回路２００に配置した場合の特性を示している。なお、図の上部に記載されている太線は、波形の包絡線を示している。これらの図の比較から、ＤＣリターン回路をダイオードに近づけて配置した方が、パルス波形の立ち上がりおよび立ち下がりが急峻となり、また、パルスの頂上付近の波形が平坦になっている。

図８はＤＣリターン回路とダイオードとの距離を変化させた場合において、１ｎｓのパルスがＤＣリターン回路を通過させた際の波形の変化を示している。図８（Ａ）は、ダイオードとＤＣリターン回路の距離が５．２ｍｍの場合において１ｎｓのパルスを通過させた場合の測定結果であり、図８（Ｂ）は、ダイオードとＤＣリターン回路の距離が１８ｍｍの場合において１ｎｓのパルスを通過させた場合の測定結果である。ＤＣリターン回路によってグランド電位が保たれている場合には、測定電圧は常に０Ｖとなるが、測定結果ではパルスの立ち上がりと立ち下がりにおいて、インダクタンス成分の作用によって、グランド電位が保てずに波形が鈍っている。図８（Ａ），（Ｂ）を比較すると、線路が長い図８（Ｂ）の方が波形がより広くなっている。つまり、線路が長い方が影響を大きく受けている。

以上の図７，８の結果から、ＤＣリターン回路は、本実施形態のように、ダイオードの近傍に設けるとともに、ダイオードに対して個別に設けることが望ましいことが分かる。

以上に説明したように、本実施形態では、バランス型ミキサ１００の環状線路１０１の中空部分にＤＣリターン回路１３０を設けるようにしたので、回路のスペースを縮小することが可能になる。

また、本実施形態では、ＤＣリターン回路１３０を構成する線路１１３，１１４をダイオード１５，１６に接続したので、パルス波形に対する応答特性を向上させることができる。

また、本実施形態では、ＤＣリターン回路１３０を構成する線路１１３，１１４の長さをλ／４としたので、アイソレーション特性を高めるとともに、特性を広帯域化することができる。

（Ｄ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、バランス型ミキサ１００を単体として使用する場合を例に挙げて説明したが、例えば、図９に示すように、２つの単位ミキサ１００−１，１００−２を組み合わせて直交変復調装置を構成することも可能である。すなわち、図９の例では、図１に示す２つの単位ミキサ１００−１，１００−２が配置され、各局部発振信号入力端子１１２が９０度ハイブリッド回路２００の出力端に接続され、各高周波信号入力端子１１１が電力分配回路２０１の出力端に接続されている。また、単位ミキサ１００−１がＩ信号形成部として動作し、その中間周波信号出力端子１２４がＩ信号出力端子となる。一方、単位ミキサ１００−２がＱ信号形成部として動作し、その中間周波信号出力端子１２４がＱ信号出力端子となる。一方、図１０は、図３に示す単位ミキサ１００Ａを用いて、図９と同様の直交変復調装置を構成した場合を示す図である。図１１は図９の実施形態のシミュレーション結果を示す図であり、図１２は図１０の回路のシミュレーション結果を示す図である。図１１（Ａ）および図１２（Ａ）は、高周波信号を周波数スイープ（掃引）した場合の変換損失を示す図であり、実線がＩ信号の損失を示し、破線がＱ信号の損失を示している。これらの比較から、図１０に示す実施形態の方が周波数特性が平坦であることが分かる。図１１（Ｂ）および図１２（Ｂ）は、高周波信号を周波数スイープした場合のＩＱ信号の振幅バランスを示す図である。これらの比較から、図１０に示す実施形態の方が振幅バランスが平坦であることが分かる。図１１（Ｃ）および図１２（Ｃ）は、高周波信号を周波数スイープした場合のＩＱ信号の位相バランスを示す図である。これらの比較から、図１０に示す実施形態の方が位相バランスが平坦であることが分かる。このように、本実施形態の単位ミキサ１００を用いれば、変換損失、振幅バランス、および、位相バランス性能が広帯域にわたり良好な直交変復調装置を得ることができる。

また、以上の各実施形態に示すダイオードの接続状態は、一例であって、このような場合のみに本願が限定されるものではない。例えば、ダイオード１５，１６のそれぞれの接続方向を図に示す場合とは逆方向としてもよい。また、ダイオード１５，１６のそれぞれに対して１つずつ新たなダイオードを逆接続するようにしてアンチパラレルダイオード（逆向きの２つのダイオード）としてもよい。

また、以上の各実施形態では、端子１１１を高周波信号入力端子とし、端子１１２を局部発振信号入力端子としたが、端子１１１を局部発振信号入力端子とし、端子１１２を高周波信号入力端子としてもよい。

また、本実施形態をレーダシステムに適用することも可能である。具体的には、局部発振信号を、図１に示す局部発振信号入力端子１１２に入力し、また、受信信号を高周波信号として高周波信号入力端子１１１に入力する。その結果として、中間周波信号出力端子１２４からは送受信の周波数差成分である中間周波信号が出力されるので、これを後段のＩＦ処理回路に出力するようにすればよい。このような構成によれば、対象を精度良く検出することができる。

また、以上の実施形態では、線路１１３，１１４は直線形状としたが、直線形状以外の形状（例えば、曲線部分を含む形状等）であってもよい。また、接続部１１５は円形形状としたが、これ以外の形状（例えば、矩形形状等）であってもよい。また、環状線路１０１についても円形形状以外の形状（例えば、六角形状）であってもよい。また、以上の実施形態では、ＬＰＦ１２１，１２２を２つ設けるようにしたが、これらを１つの構成としてもよい。

１００ バランス型ミキサ
１０１ 環状線路
１０２，１０３ ダイオード接続端子
１１１ 高周波信号入力端子
１１２ 局部発振信号入力端子
１１３，１１４ 線路
１１５ 接続部
１１６ ビアホール
１２１，１２２ ＬＰＦ
１２１ａ，１２２ａ 入力端子
１２３ 線路
１２４ 中間周波信号出力端子
２００ ９０度ハイブリッド回路
２０１ 電力分配回路

Claims (5)

1. ハイブリッド回路および２つのダイオードを有するバランス型ミキサにおいて、
   前記ハイブリッド回路は、高周波信号が入力される高周波信号入力端子と、局部発振信号が入力される局部発振信号入力端子と、前記２つのダイオードの一方のダイオードのアノードと他方のダイオードのカソードがそれぞれ接続される２つのダイオード接続端子と、を備える環状線路を有し、当該環状線路の中空部にＤＣリターン回路が形成され、当該ＤＣリターン回路は、前記ダイオード接続端子の近傍にそれぞれの一端が接続され、他端が接地されている２つの線路を有する、
   ことを特徴とするバランス型ミキサ。
2. 前記ＤＣリターン回路は、前記ダイオード接続端子の近傍にそれぞれの一端が接続され、他端が一点で接地されている２つの線路を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のバランス型ミキサ。
3. 前記ＤＣリターン回路の前記線路のそれぞれは前記局部発振信号および前記高周波信号の１／４波長の長さを有していることを特徴とする請求項１または２に記載のバランス型ミキサ。
4. 前記請求項１乃至３のいずれか１項に記載の前記バランス型ミキサを２つ有し、前記高周波信号および前記局部発振信号が分配器によって分配されて各バランス型ミキサの前記高周波信号入力端子と、前記局部発振信号入力端子にそれぞれ入力されることを特徴とする直交変復調装置。
5. 前記請求項４に記載の直交変復調装置を含むことを特徴とするレーダ装置。

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