JP5116714B2 - 高周波ミキサ - Google Patents

Description

本発明は高周波ミキサ、特に高周波帯にて使用されるセンサやレーダ等の受信器に使用されるもので、安定した動作を確保するための回路構成に関する。

一般に、マイクロ波帯又はミリ波帯で用いられるセンサやレーダシステム等では、その受信回路に、高周波ミキサが使用されており、この高周波ミキサにおいては、送信信号の一部を局発信号（ＬＯ信号）とし、受信信号（ＲＦ信号）とのミキシングにより、その周波数差成分である中間周波数信号（ＩＦ信号）が形成される。この高周波ミキサとして、例えばラットレース線路を用いた図８のシングルバランスドミキサが使用され、図９に示される回路が構成される。

図８及び図９において、シングルバランスドミキサは、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）からなる第１ダイオード（Ｄx1）５及び第２ダイオード（Ｄx2）６が、１．５λ線からなるラットレース線路７の第４ポートｄと第２ポートｂに接続されると共に、第１ポートａにＬＯ端８、第３ポートｃにＲＦ端９が接続され、上記第１ダイオード５と第２ダイオード６の出力側にＩＦ出力端１０が接続される。

このような高周波ミキサの構成によれば、ＬＯ端８から入力される局発信号を、Ｌ＝２ｃｏｓ（ω_Ｌｔ＋θ_Ｌ）、ＲＦ端９から入力される受信信号を、Ｒ＝２ｃｏｓ（ω_Ｒｔ＋θ_Ｒ）とすると、図８にも示されるように、第１ダイオード５と第２ダイオード６の入力端での信号（Ｄx1-ｉｎ，Ｄx2-ｉｎ）は、
Ｄx1-ｉｎ ：Ｌ＝ｃｏｓ（ω_Ｌｔ＋（θ_Ｌ＋（π／２））），
Ｒ＝ｃｏｓ（ω_Ｒｔ＋（θ_Ｒ−（π／２））） … （１）
Ｄx2-ｉｎ ：Ｌ＝ｃｏｓ（ω_Ｌｔ＋（θ_Ｌ−（π／２））），
Ｒ＝ｃｏｓ（ω_Ｒｔ＋（θ_Ｒ−（π／２））） … （２）
となり、
また、この第１ダイオード５と第２ダイオード６の出力（Ｄx1‐ｏｕｔ，Ｄx2‐ｏｕｔ）及びＩＦ出力端１０からの出力（ＩＦout）は、
Ｄx1-ｏｕｔ：−ｃｏｓ（(ω_Ｌ−ω_Ｒ)ｔ＋(θ_Ｌ−θ_Ｒ＋π)） … （３）
Ｄx2-ｏｕｔ：＋ｃｏｓ（(ω_Ｌ−ω_Ｒ)ｔ＋(θ_Ｌ−θ_Ｒ)） … （４）
ＩＦout ：Ｄx1-ｏｕｔ＋Ｄx2-ｏｕｔ
＝−cos（(ω_Ｌ−ω_Ｒ)ｔ＋(θ_Ｌ−θ_Ｒ＋π)）＋cos（(ω_Ｌ−ω_Ｒ)ｔ＋(θ_Ｌ−θ_Ｒ)）
＝cos（(ω_Ｌ−ω_Ｒ)ｔ＋(θ_Ｌ−θ_Ｒ)）＋cos（(ω_Ｌ−ω_Ｒ)ｔ＋(θ_Ｌ−θ_Ｒ)）
＝２×ｃｏｓ（(ω_Ｌ−ω_Ｒ)ｔ＋(θ_Ｌ−θ_Ｒ)） … （５）
となる。

そして、この高周波ミキサでは、上記第１ダイオード（Ｄx1）５及び第２ダイオード（Ｄx2）６の周辺回路に容量成分（コンデンサ）がないため、ＩＦ信号がＤＣ（直流）から動作し、また局発（ＬＯ）信号電力により十分に第１ダイオード５及び第２ダイオード６がバイアスされた際には、高周波ミキサとして良好な変換損失特性（ＲＦ端からの受信信号電力と中間周波数信号電力との比）が得られる。

特公昭５４−０２９２１８号公報

しかしながら、図８及び図９の従来の高周波ミキサでは、ＳＢＤからなる第１ダイオード５及び第２ダイオード６を非線形領域にバイアスするための局発信号電力が不足（低下）すると、高周波ミキサの変換損失が急激に悪化し、変換効率が低下するという不都合があり、この変換損失では局発信号電力に対する依存性が高い。

図１０には、従来の高周波ミキサにおける局発信号電力に対する変換損失の変化が示されており、図の特性５０１に示されるように、−２ｄＢｍ以下で局発信号電力が不足している範囲では、変換損失の値が低下していることが分かる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、局発信号電力が不足したときでも、変換効率が低下し難い安定した動作を行い、また周囲温度が変動した場合でも、安定した動作を確保することができる高周波ミキサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、受信信号入力端、局発信号入力端、第１ダイオードの陰極及び第２ダイオードの陽極がそれぞれ異なるポートに接続されたラットレース回路を有し、上記受信信号入力端が接続されたポートと上記第１ダイオードが接続されたポートとの間に、中間周波数信号出力端が接続される高周波ミキサにおいて、上記第１ダイオード及び第２ダイオードへバイアス電圧を与える外部正電源と、この外部正電源と上記第１ダイオードの陽極との間に接続された第１抵抗と、上記第１ダイオードの陽極と接地との間に接続された第２抵抗と、上記第２ダイオードの陰極と接地との間に接続され、上記第１抵抗と上記第２抵抗を並列接続した場合と同一の並列抵抗又は上記第１抵抗と上記第２抵抗を並列接続した抵抗成分と等しい第３抵抗と、を設けたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、受信信号入力端、局発信号入力端、第１ダイオードの陰極及び第２ダイオードの陽極がそれぞれ異なるポートに接続されたラットレース回路を有し、上記受信信号入力端が接続されたポートと上記第１ダイオードが接続されたポートとの間に、中間周波数信号出力端が接続される高周波ミキサにおいて、上記第１ダイオード及び第２ダイオードへバイアス電圧を与える外部正電源と、この外部正電源と上記第１ダイオードの陽極との間に接続された第１抵抗と、上記第１ダイオードの陽極と接地との間に接続された第１温度可変抵抗と、上記第２ダイオードの陰極と接地との間に接続され、上記第１抵抗の値と等しい第４抵抗と、この上記第４抵抗と並列に接続され、上記第１温度可変抵抗の値と等しい第４温度可変抵抗と、を設けたことを特徴とする。

請求項１の構成によれば、中間周波数（ＩＦ）信号がＤＣから動作すると共に、外部正電源（外部電源に負電源を必要としない電源）のみで、ショットキーバリアダイオードからなる第１ダイオード及び第２ダイオードを非線形領域にバイアスすること、即ちバイアス電流を強制的に与えることにより、局発信号電力が不足するときでも、高周波ミキサの変換効率の低下を小さくすることができる。即ち、外部正電源を設ける共に、第１ダイオードの陽極から見て外部正電源との間に第１抵抗を接続し、かつ接地との間に第２抵抗を接続することによって、局発信号電力が低下する場合でも、第１ダイオードの陽極−陰極間の電圧及び第２ダイオードの陽極−陰極間の電圧を高く維持することができ、この結果、変換効率が向上する。

一方、上記構成において、周囲温度が変化したとき、外部正電源の電圧が一定であっても、第１ダイオード及び第２ダイオードのバイアス電流が低温では低下し、高温では上昇することが生じる。

この問題を解決するために、請求項２の構成では、上記接地側の第２抵抗と上記並列抵抗の一方を第１と第４の温度可変抵抗に置き換えており、この第１及び第４温度可変抵抗の配置によって、周囲温度が変動したときでも、第１ダイオードと第２ダイオードのバイアス電流が一定に保たれる。即ち、接地側に配置された温度可変抵抗の抵抗値が低温では上昇し、高温では低下することで、第１及び第２ダイオードに対するバイアス電流が一定になり、周囲温度の変動に左右されない安定した動作が可能となる。

請求項１の発明によれば、ラットレース回路を用いた高周波ミキサ、例えばシングルバランスドミキサにおいて、局発信号電力が不足するときでも、高周波ミキサの変換効率の低下を小さくでき、変換損失の局発信号電力に対する依存性が低くなり、安定したミキサ動作を確保することができるという効果がある。
また、請求項２の発明によれば、ラットレース回路を用いた高周波ミキサにおいて、周囲温度が変動した場合でも、第１及び第４温度可変抵抗によりバイアス電流を一定に維持することで、高周波ミキサの変換損失の変動を抑制できるという効果がある。

本発明の第１実施例に係る高周波ミキサの構成を示す回路図である。 第１実施例の高周波ミキサの局発信号電力に対する第１ダイオードの陽極−陰極間電圧の変化を示すグラフ図である。 第１実施例の高周波ミキサの変換損失特性（局発信号電力に対する変換損失の変化）を示すグラフ図である。 第１実施例の高周波ミキサにおいて周囲温度が変動したときの変換損失特性を示すグラフ図である。 一般的なダイオードで周囲温度が変動したときの電流特性（順方向電圧に対する順方向電流の変化）を示すグラフ図である。 第２実施例に係る高周波ミキサの構成を示す回路図である。 第２実施例の高周波ミキサにおいて周囲温度が変動したときの変換損失特性を示すグラフ図である。 従来の高周波ミキサ（シングルバランスドミキサ）の構成及び位相関係を示す図である。 従来の高周波ミキサの構成を示す回路図である。 従来の高周波ミキサの変換損失特性を示すグラフ図である。

図１には、本発明の第１実施例に係る高周波ミキサ（シングルバランスドミキサ）の構成が示されており、この第１実施例では、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）からなる第１ダイオード（Ｄx1）５及び第２ダイオード（Ｄx2）６、１．５λ線からなるラットレース線路７を有し、このラットレース線路７の第４ポートｄに第１ダイオード５、第４ポートｂに第２ダイオード６が接続される。また、ラットレース線路７の第１ポートａにＬＯ端（局発信号入力端）８、第３ポートｃにＲＦ端（受信信号入力端）９が接続される。

そして、第１ダイオード５及び第２ダイオード６へバイアス電圧（駆動電圧）Ｖopを与えるために、外部正電源１が設けられ、この外部正電源１と第１ダイオード５の陽極との間に、第１抵抗（抵抗値Ｒ_１）２が接続されると共に、第１ダイオード５の陽極と接地との間に、第２抵抗（抵抗値Ｒ_２）３が接続され、第２ダイオードの陰極と接地との間に、上記第１抵抗２と第２抵抗３を並列接続した抵抗成分［抵抗値Ｒ_３｛＝Ｒ_１・Ｒ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２）｝］と等しい第３抵抗４が接続される。なお、図１の括弧内で示されるように、第１抵抗２の抵抗値Ｒ_１と等しい抵抗２ｅと、第２抵抗３の抵抗値Ｒ_２と等しい抵抗３ｅを並列に接続してもよい。

また、第１実施例では、ラットレース線路７の第３ポートｃと第４ポートｄとの間の線路にＩＦ出力端１０が接続される。即ち、第１ダイオード５の陰極（ラットレース線路７）側が陽極側よりも電圧が高くなるので、ラットレース線路７側にＩＦ出力端１０を配置してＩＦ信号を効率よく出力できるようにしている。

第１実施例は以上の構成からなり、図１の高周波ミキサ回路では、外部正電源１からバイアス電圧Ｖopを印加することにより、第１ダイオード５及び第２ダイオード６に強制的にバイアス電流が与えられることで、第１ダイオード５及び第２ダイオード６は非線形領域にバイアスされ、局発信号電圧が不足したときでも、変換効率の低下を小さくすることができる。

図２には、局発信号電力に対する第１ダイオード５の陽極−陰極間電圧Ｖakの変化が示されており、従来の回路では、点線１０１のように、局発信号電力が不足するときには、陽極−陰極間電圧Ｖakが低くなる。これに対し、第１実施例では、外部正電源１と共に、第１抵抗２及び第２抵抗３を設けることで、実線１０２のように、局発信号電力が不足する場合でも、第１ダイオード５（及び第２ダイオード６）の陽極−陰極間電圧Ｖakが高く維持されることになり、これによって、変換効率が向上し、良好な振幅のＩＦ信号（中間周波数信号）が得られる。

また、この第１実施例においても、第１ダイオード５及び第２ダイオード６の周辺回路に容量成分（コンデンサ）がないため、ＩＦ信号は従来回路と同様にＤＣ（直流）から動作する。更に、外部正電源１の入力インピーダンスは、低いため、ＩＦ信号に対してはインピーダンスが接地と等価となり、また第１ダイオード５と外部正電源１との間に第１抵抗２及び第２抵抗３を設けることに対応して、第２ダイオード６と接地との間にも、第１抵抗２及び第２抵抗３と同一の第３抵抗４（又は並列抵抗２ｅ，３ｅ）を設けたので、ＩＦ信号においては第１ダイオード５の陰極から陽極側を見たときのインピーダンスと、第２ダイオード６の陰極から陽極側を見たときのインピーダンスとは等しくなる。従って、インピーダンスのバランスが保たれることから、第１ダイオード５及び第２ダイオード６から発生するノイズがキャンセルされる高周波シングルバランスドミキサとして良好に動作する。

図３には、第１実施例の変換損失特性が示されており、図３の特性２０１のように、局発信号電力が不足している範囲でも、図１０の従来回路の特性５０１と比較すると、変換損失の悪化（損失値の低下）が少なく、局発信号電力の変動に対して依存性の小さい安定した特性が得られている。

なお、局発信号電力が十分な場合に従来回路と比較して変換損失値の僅かな低下があるが、この低下は、ＩＦ信号電力が第２抵抗３及び第３抵抗４の抵抗分に僅かに吸収されることから生じる。しかし、局発信号電力の変動に対して変換損失値が大きく変化せず、安定した特性が得られる本発明の効果は、上記デメリットを上回ることになる。

ところで、このような第１実施例の構成において、周囲温度が大きく変動した場合、変換損失における局発信号電力の依存性が変化するという不都合があり、これを解消するために、次に説明する第２実施例の構成を採用することができる。

図４には、図１の構成において周囲温度が変動した場合の変換損失特性が示されており、常温（＋２５℃）での特性２０１に対し、例えば特性２０２に示されるように、周囲温度（Ｔ）が−５０℃と低いときは、局発信号電力が不足しているときに変換損失（局発信号電力の依存性）が悪化し、局発信号電力が十分な場合には変換損失が向上する（変換損失の絶対値が低下する）。逆に、特性２０３に示されるように、周囲温度（Ｔ）が＋８５℃と高いときは、上記と逆の振る舞いをする。

上述のように周囲温度が変動するときで、局発信号電力が不足している場合の変換損失の振る舞いは、外部正電源１の電圧Ｖopが一定（第１ダイオード５の陽極端に加わる電圧が一定）であっても、第１ダイオード５及び第２ダイオード６のバイアス電流が低温では常温より低下し、高温では逆に上昇することが原因である。図５には、一般的なダイオードで周囲温度が変動したときの電流特性（順方向電圧Ｖｆに対する順方向電流Ｉｆの変化）が示されており、この図５の周囲温度が常温（＋２５℃）の特性３０１に対する低温時（−５０℃）の特性３０２と高温時（＋８５℃）の特性３０３の振る舞いからも、上記高周波ミキサでの変換損失の振る舞いが理解される。一方、局発信号電力が十分な場合の上記の変換損失の振る舞いは、低温ではミキサ（ＳＢＤ）の周波数変換効率が上昇し、逆に高温では周波数変換効率が低下することにある。

図６には、第２実施例の構成が示されており、この第２実施例の基本的な構成は図１と同様で、第１ダイオード（Ｄx1）５の陽極に、この第１ダイオード５と第２ダイオード（Ｄx2）６へバイアス電圧（Ｖop）を与えるための外部正電源１が設けられる。そして、この外部正電源１と第１ダイオード５の陽極との間に、第１抵抗（抵抗値Ｒ_１）１１が接続され、かつ第１ダイオード５の陽極と接地との間に、第１温度可変抵抗（抵抗値ＲＴ_１）１２が接続され、また第２ダイオード６の陰極と接地との間に、第１抵抗１１と等しい抵抗値Ｒ_１を持つ第４抵抗１３と第１温度可変抵抗１２と等しい抵抗値ＲＴ_１を持つ第４温度可変抵抗１４が並列に接続される。

このような第２実施例によれば、低温時には第１及び第４温度可変抵抗１２，１４の抵抗値ＲＴ_１が上昇するので、第１ダイオード（Ｄx1）５の陽極に加わる電圧は、常温時（＋２５℃）に比べて上昇し、逆に高温時には第１及び第４温度可変抵抗１２，１４の抵抗値ＲＴ_１が低下するので、常温時に比べて低下する。これにより、図５に示した一般的なダイオードの順方向電圧に対する順方向電流特性の各周囲温度での振る舞いからも理解されるように、周囲温度が変動した場合でも、第１ダイオード５と第２ダイオード６のバイアス電流が一定に保たれ、局発信号電力が不足している場合の変換損失の悪化が改善される。

また、第２実施例の高周波ミキサでは、ＩＦ信号が第１実施例と同様に、第１ダイオード５の陽極と接地間の抵抗分及び第２ダイオードの陰極と接地間の抵抗分に微量に吸収され、その抵抗成分が増加すると変換損失値は上昇し、逆に抵抗成分が減少すると変換損失値は減少する。この減少に対して、第２実施例では、低温時には第１及び第４温度可変抵抗１２，１４が上昇するため変換損失値（変換効率）は低下し、高温時には逆に変換損失値が上昇する。従って、局発信号電力が十分な場合の周囲温度変動時の変換損失の振る舞い、即ち低温時で変換損失値が上昇し、高温時では変換損失値が低下するという現象（図４）が修正される。

図７には、第２実施例の変換損失特性が示されており、図７の４０１（常温時：＋２５℃），４０２（低温時：−５０℃），４０３（高温時：＋８５℃）の特性のように、局発信号電力が変動し、周囲温度が変わった場合でも、変換損失の低下・変動が少なく、図４と比較しても安定した特性が得られている。

なお、上記各実施例では、バランとして１８０°のラットレース線路７を用いたが、９０°の３ｄＢブランチラインカプラ等を使用しても、同様の効果を得ることができる。

１…外部正電源、 ２，１１…第１抵抗（Ｒ_１）、
２ｅ，３ｅ…並列抵抗、 ３…第２抵抗（Ｒ_２）、
４…第３抵抗（Ｒ_３）、 ５…第１ダイオード、
６…第２ダイオード、 ７…ラットレース線路、
８…ＬＯ（局発信号）端、 ９…ＲＦ（受信信号）端、
１０…ＩＦ（中間周波数信号）出力端、 １２…第１温度可変抵抗（ＲＴ_１）、
１３…第４抵抗（Ｒ_１）、 １４…第４温度可変抵抗（ＲＴ_１）。

Claims (2)

1. 受信信号入力端、局発信号入力端、第１ダイオードの陰極及び第２ダイオードの陽極がそれぞれ異なるポートに接続されたラットレース回路を有し、上記受信信号入力端が接続されたポートと上記第１ダイオードが接続されたポートとの間に、中間周波数信号出力端が接続される高周波ミキサにおいて、
   上記第１ダイオード及び第２ダイオードへバイアス電圧を与える外部正電源と、
   この外部正電源と上記第１ダイオードの陽極との間に接続された第１抵抗と、
   上記第１ダイオードの陽極と接地との間に接続された第２抵抗と、
   上記第２ダイオードの陰極と接地との間に接続され、上記第１抵抗と上記第２抵抗を並列接続した場合と同一の並列抵抗又は上記第１抵抗と上記第２抵抗を並列接続した抵抗成分と等しい第３抵抗と、を設けたことを特徴とする高周波ミキサ。
2. 受信信号入力端、局発信号入力端、第１ダイオードの陰極及び第２ダイオードの陽極がそれぞれ異なるポートに接続されたラットレース回路を有し、上記受信信号入力端が接続されたポートと上記第１ダイオードが接続されたポートとの間に、中間周波数信号出力端が接続される高周波ミキサにおいて、
   上記第１ダイオード及び第２ダイオードへバイアス電圧を与える外部正電源と、
   この外部正電源と上記第１ダイオードの陽極との間に接続された第１抵抗と、
   上記第１ダイオードの陽極と接地との間に接続された第１温度可変抵抗と、
   上記第２ダイオードの陰極と接地との間に接続され、上記第１抵抗の値と等しい第４抵抗と、
   この上記第４抵抗と並列に接続され、上記第１温度可変抵抗の値と等しい第４温度可変抵抗と、を設けたことを特徴とする高周波ミキサ。

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