JP5047307B2 - 周波数変換装置及びこれを用いた送信機 - Google Patents

Description

この発明は、通信装置やレーダ装置等に用いられる、偶高調波ミクサを含む周波数変換装置及びこれを用いた送信機に関する。

従来のこの種の技術として、例えば下記非特許文献１にハーモニックミクサが開示されている。

相川正義他著、「モノリシックマイクロ波集積回路(ＭＭＩＣ)」、社団法人電子情報通信学会編、１９９７年１月２５日発行、118〜122頁

上記従来のハーモニックミクサでは、非線形素子として２つのダイオードを逆並列に接続したアンチパラレルダイオードペア(以下ＡＰＤＰとする)を用いることにより偶数次の混合波を抑圧できる。しかしながら、上記のハーモニックミクサでは、次数が高次になるにつれて、所望波(得ようとしている波)であるＲＦ周波数(無線周波数)の近傍には多くの不要波成分が存在し、送信機のミクサ後段でフィルタなどによる除去が必要であるという課題があった。

この発明は、２つのミクサを用い、ＲＦ(無線周波数)、ＬＯ(局部発振周波数)、ＩＦ(中間周波数)の３つの周波数の分配及び合成位相により、不要なスプリアス成分を抑圧する機能を有する周波数変換装置を提供することを目的とする。

この発明は、それぞれに、入力された局部発振周波数波の高調波の偶数次の成分と入力された中間周波数信号の高調波の１次の成分との混合波である無線周波数の信号を所望波として出力する、又は入力された局部発振周波数波の高調波の偶数次の成分と無線周波数信号の高調波の１次の成分との混合波である中間周波数の信号を所望波として出力する、局部発振周波数端子と中間周波数端子と無線周波数端子を有する、第１及び第２の偶高調波ミクサと、第１端子から入力された信号を第２及び第３端子から同相で出力し、又は第２及び第３端子から入力された信号を同相合成して第１端子に出力する中間周波数用同相合成／分配器と、入力端子と第１出力端子と前記第１出力端子から出力される信号の位相と１８０／ｎ度(但しｎは２以上の整数)の位相差で信号を出力する第２出力端子とを有する局部発振周波数用位相差分配器と、第１端子から入力された信号を第２及び第３端子から同相で出力し、又は第２及び第３端子から入力された信号を同相合成して第１端子に出力する無線周波数用同相合成／分配器と、を備え、前記中間周波数用同相合成／分配器の前記第２端子及び第３端子が、前記第１の偶高調波ミクサの中間周波数端子、前記第２の偶高調波ミクサの中間周波数端子にそれぞれ接続され、前記第１端子が中間周波数信号入出力端子に接続され、前記局部発振周波数用位相差分配器の前記第１出力端子及び第２出力端子が、前記第１の偶高調波ミクサの局部発振周波数端子、前記第２の偶高調波ミクサの局部発振周波数端子にそれぞれ接続され、前記入力端子が局部発振周波数波入力端子に接続され、前記無線周波数用同相合成／分配器の前記第２端子及び第３端子が、前記第１の偶高調波ミクサの無線周波数端子、前記第２の偶高調波ミクサの無線周波数端子にそれぞれ接続され、前記第１端子が無線周波数信号入出力端子に接続され、前記第１及び第２の偶高調波ミクサの次数を２ｎ次とし、前記局部発振周波数用位相差分配器が、２つの出力の位相差を１８０／ｎ度とする局部発振周波数用１８０／ｎ度分配器からなる、ことを特徴とする周波数変換装置にある。

この発明では、不要なスプリアス成分が抑圧されるので後段でのフィルタ処理が軽減される。

この発明の実施の形態１による周波数変換装置の構成を示す図である。 周波数変換装置の出力電力に関するスプリアス成分の一例を示す図である。 従来の周波数変換装置の出力電力に関する出力スペクトラム図である。 ＡＰＤＰ搭載ミクサを使用した周波数変換装置の出力スペクトラム図である。 ＡＰＤＰ搭載ミクサとこの発明の構成を使用した周波数変換装置の出力スペクトラム図である。 この発明の実施の形態２による周波数変換装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による送信機の構成を示す図である。 この発明で使用される偶高周波ミクサの構成の一例を示す図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による周波数変換装置の構成を示す図である。図１の周波数変換装置１００は、中間周波数(以下ＩＦ)信号入出力端子１から入力されたＩＦ信号を無線周波数(以下ＲＦ)信号に変換してＲＦ信号入出力端子３から出力する送信系、及び、逆にＲＦ信号入出力端子３から入力されたＲＦ信号をＩＦ信号に変換してＩＦ信号入出力端子１から出力する受信系に使用可能である。

周波数変換装置は、ＩＦ信号入出力端子１、局部発振周波数(以下ＬＯ)のＬＯ波を入力するＬＯ波入力端子２、ＲＦ信号入出力端子３、ＩＦ用同相合成／分配器４、ＬＯ用位相差分配器であるＬＯ用１８０度分配器５、ＲＦ用同相合成／分配器６、および第１及び第２の偶高調波ミクサ７１，７２を備える。第１及び第２の偶高調波ミクサ７１，７２は共に、入力されたＬＯ波の偶数次の成分とＩＦ周波数の信号の１次の成分との混合波であるＲＦ周波数の信号を所望波とする、あるいは入力されたＬＯ波の偶数次の成分とＲＦ周波数の信号の１次の成分との混合波であるＩＦ周波数の信号を所望波とする。なお、ＬＯ波は情報を持たない例えば正弦波からなる波なので、以下、ＬＯ信号ではなくＬＯ波とする。

第１の偶高調波ミクサ７１は、ＬＯ端子７１ａ、ＩＦ端子７１ｂ、ＲＦ端子７１ｃを有する。同様に第２の偶高調波ミクサ７２は、ＬＯ端子７２ａ、ＩＦ端子７２ｂ、ＲＦ端子７２ｃを有する。ＩＦ用同相合成／分配器４は、分配器としては第１端子４ａから入力された波すなわち信号(以下同様)を第２及び第３端子４ｂ，４ｃから同相で出力し、合成器としては第２及び第３端子４ｂ，４ｃから入力された信号を同相合成して第１端子４ａに出力する。

ＬＯ用１８０度分配器５は、入力端子５ａと、第１出力端子５ｂと、この第１出力端子５ｂから出力される信号の位相に対して１８０度の位相差をもつ信号を出力する第２出力端子５ｃとを有する。ＲＦ用同相合成／分配器６は、分配器としては第１端子６ａから入力された信号を第２及び第３端子６ｂ，６ｃから同相で出力し、合成器としては第２及び第３端子６ｂ，６ｃから入力された信号を同相合成して第１端子６ａに出力する。

ＩＦ用同相合成／分配器４の第１端子４ａはＩＦ信号入出力端子１に接続、第２端子４ｂは第１の偶高調波ミクサ７１のＩＦ端子７１ｂに接続され、第３端子４ｃは第２の偶高調波ミクサ７２のＩＦ端子７２ｂに接続されている。また、ＬＯ用１８０度分配器５の入力端子５ａはＬＯ波入力端子２に接続され、第１出力端子５ｂは第１の偶高調波ミクサ７１のＬＯ端子７１ａに接続され、第２出力端子５ｃは第２の偶高調波ミクサ７２のＬＯ端子７２ａに接続されている。さらにＲＦ用同相合成／分配器６の第１端子６ａはＲＦ信号入出力端子３に接続され、第２端子６ｂは第１の偶高調波ミクサ７１のＲＦ端子７１ｃに接続され、第３端子６ｃは第２の偶高調波ミクサ７２のＲＦ端子７２ｃに接続されている。

次に動作について、ＩＦ信号入出力端子１から入力されたＩＦ信号をＲＦ信号に変換してＲＦ信号入出力端子３から出力する送信系を例に説明する。ＩＦ信号とＬＯ波を入力し、ＡＰＤＰ等の非線形素子を用いることによりｎを０以外の整数として”ＩＦ周波数＋２ｎ×ＬＯ周波数”の成分を取り出すミクサが２つあり、この接続の方法により不要波信号成分を抑圧するものである。ＩＦ信号入出力端子１から入力された信号はＩＦ用同相合成／分配器４で分配され、第１及び第２の偶高調波ミクサ７１，７２のそれぞれのＩＦ端子７１ｂ、７２ｂに入力される。この時、第１の偶高調波ミクサ７１に入力する信号の位相と第２の偶高調波ミクサ７２に入力する信号の位相は同相である。

また、ＬＯ波入力端子２から入力されたＬＯ波はＬＯ用１８０度分配器５で１８０度の位相差をもって分配され、第１及び第２の偶高調波ミクサ７１，７２のそれぞれのＬＯ端子７１ａ、７２ａに入力される。

第１の偶高調波ミクサ７１では入力されたＬＯ波とＩＦ周波数の信号が混合され、ＬＯ周波数のＡ倍とＩＦ周波数のＢ倍との混合波の信号がＲＦ端子７１ｃから出力される。ここで、第１の偶高調波ミクサ７１に入力されたＬＯ信号とＩＦ信号の位相をそれぞれ基準(０度)とすると、出力される信号成分(Ａ×ＬＯ＋Ｂ×ＩＦ)の位相は「０度」である。

同様に第２の偶高調波ミクサ７２においてもＬＯ波とＩＦ周波数の信号が混合され、ＬＯ周波数のＡ倍とＩＦ周波数のＢ倍との混合波の信号がＲＦ端子７２ｃから出力される。しかしながら第１の偶高調波ミクサ７１と異なり、第２の偶高調波ミクサ７２に入力されるＩＦ信号の位相は０度、ＬＯ信号は１８０度となっている。
従って、出力される信号成分(Ａ×ＬＯ＋Ｂ×ＩＦ)の位相は
Ａ×(１８０)度 (１)
となる。

２つの偶高調波ミクサ７１，７２から出力される信号は、ＲＦ用同相合成／分配器６の第２及び第３端子からそれぞれ入力されて合成され、第３端子６ａから出力されてＲＦ信号入出力端子３に導かれる。ここで、合成された波の位相φは
φ＝Ａ×(１８０) (２)
となる。これが「０度」又は「３６０度の倍数」になれば同相合成されて最大の電力が取り出せ、「１８０度＋３６０度の倍数」であれば逆相合成で抑圧されることになる。

つまり、(２)式はＢに依存しないため、ＩＦ周波数の次数には依存せず、ＬＯ波の奇数次の成分に関わる高調波スプリアス成分はすべて逆相合成されて抑圧されることになる。

また、上述のＡＰＤＰを用いた偶高調波ミクサでは、偶数次の混合波は抑圧されて原理的には出力されない構成となるため、これらをあわせると、
「Ａ＋Ｂが偶数」
「Ｂが奇数」
の成分の抑圧が可能となる。一方、所望波である２ｎ×ＬＯ＋ＩＦの成分はこれに該当せず、本来の出力電力が得られる。

具体例として、図２に出力電力に関するスプリアスの一覧表を示す。これはＬＯ周波数を１０ＧＨｚ、ＩＦ周波数を４ＧＨｚと仮定し、ＬＯ周波数の次数を４、ＩＦ周波数の次数が１のときの出力周波数である４４ＧＨｚを所望波とする４次高調波ミクサを考え、所望波近傍(±１０ＧＨｚ)に出現する混合波の成分を示している。ここではＬＯ周波数の次数及びＩＦ周波数の次数は５次を上限としている。所望波を含めて１８個の周波数成分が存在する。図３に出力電力の上記スプリアスに関する出力スペクトラムを示す。図３において横軸を周波数、縦軸を出力電力とする。図４にはＡＰＤＰを用いた偶高調波ミクサを適用した場合の出力スペクトラム、さらに図５にはＡＰＤＰを用いた偶高調波ミクサとさらにこの実施の形態で示した周波数変換装置の構成とを適用した場合の出力スペクトラムを示す。

図８にＡＰＤＰを用いた偶高調波ミクサ(アンチパラレルダイオードミクサ)の回路の一例を示す。逆並列接続された一対のダイオードＤ１，Ｄ２からなるＡＰＤＰの一端には、ローパスフィルタＬＰＦを介してＩＦ端子が、コンデンサＣ１を介してＲＦ端子が、そして分岐線Ｓ１がそれぞれ接続されている。分岐線Ｓ１の終端は開放されている。またＡＰＤＰの他端には、コンデンサＣ２を介してＬＯ端子が、そして分岐線Ｓ２がそれぞれ接続されている。分岐線Ｓ２の終端は接地されている。

ＡＰＤＰによりＬＯ周波数の次数とＩＦ周波数の次数の和が偶数のものは抑圧され、また、本構成により、ＬＯ周波数の次数が奇数次のものは抑圧されるので、所望波以外のスプリアス成分は３個(図２〜５の１８個の周波数成分のうちの周波数成分(４)，(７)，(１７))となり、本構成により原理的なスプリアス抑圧が可能であり、ミクサ後段のフィルタへ要求されるスペックも軽減できる効果がある。

具体的には、図３の場合、所望の４４ＧＨｚ近傍にはたくさんの出力電力の高いスプリアスが存在し、ＡＰＤＰを用いた偶高調波ミクサを適用することで図４のようにＬＯの次数とＩＦの次数の和が偶数のものは抑圧される(図２，図４参照)。しかし、所望波から２ＧＨｚあるいは４ＧＨｚ離れた周波数成分(１０)(１３)(７)等は抑圧されていないため、これらを抑圧する急峻なフィルタが必要である。そこで、本実施の形態の構成を適用することにより、図５に示すようにＬＯ周波数の奇数次に関わる成分が抑圧されるため、前記急峻なフィルタの要求仕様を緩和できる効果がある。

以上、送信系の場合について説明を行ったが、ＲＦ信号入出力端子３から入力されたＲＦ信号をＩＦ信号に変換してＩＦ信号入出力端子１から出力する受信系の場合も同様の効果がある。

実施の形態２．
図６はこの発明の別の実施の形態による周波数変換装置の構成を示す図である。上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。この実施の形態の周波数変換装置１００では、ＬＯ用位相差分配器であるＬＯ用１８０度分配器５の代わりにＬＯ用１８０／ｎ度分配器５０を備える。また、第１及び第２の偶高調波ミクサ７１，７２の代わりに第１及び第２の２ｎ次高調波ミクサ７１０，７２０を備える。ＬＯ用１８０／ｎ度分配器５０は１８０／ｎ度、位相をずらした分配を行う。第１及び第２の２ｎ次高調波ミクサ７１０，７２０は共に、入力されたＬＯ波の２ｎ次の成分とＩＦ周波数の信号の１次の成分との混合波であるＲＦ周波数の信号を所望波とする、又はＬＯ波の２ｎ次の成分とＲＦ周波数の信号の１次の成分との混合波であるＩＦ周波数の信号を所望波とする。

上述の実施の形態と同様に、送信系を例に動作を説明する。動作は、実施の形態１に示したものと同様であり、ＲＦ用同相合成／分配器６で合成された波の位相φは
φ＝Ａ×(１８０／ｎ) (３)
となる。これが「０度」又は「３６０度の倍数」になれば同相合成されて最大の電力が取り出せ、「１８０度＋３６０度の倍数」であれば逆相合成で抑圧されることになる。また所望波である２ｎ次のＬＯと１次のＩＦとの混合波の場合、(３)式は
φ＝２ｎ×(１８０／ｎ)＝３６０
となり、同相合成されるため、本来の出力電力が得られる。

以上、送信系の場合について説明を行ったが、受信系の場合も同様の効果がある。

実施の形態３．
図７には上記各実施の形態の周波数変換装置を使用したこの発明による送信機の構成の一例を示す。この送信機は通信装置やレーダ装置の送信機として使用される。上述した各実施の形態の周波数変換装置１００にはＩＦ信号と、ＬＯ源２００からのＬＯ波が入力される。そして周波数変換装置１００から出力されるＲＦ信号は、帯域通過フィルタ３００によりスプリアス成分が抑圧され、次に、増幅器４００にて所望の電力値まで増幅されてアンテナ５００から放射される。

このとき、帯域通過フィルタ３００が急峻な周波数特性を有すものであると、帯域内の損失が増加し、その分、増幅器４００へ要求される利得が高くなる。上記実施の形態１、２で示した周波数変換装置１００を用いることにより、この帯域通過フィルタ３００の要求仕様が緩和でき、損失が減ることで、増幅器４００への要求をも緩和できる利点がある。

産業上の利用の可能性

この発明による周波数変換装置は、多くの種類の通信装置やレーダ装置で利用することができる。

Claims (3)

1. それぞれに、入力された局部発振周波数波の高調波の偶数次の成分と入力された中間周波数信号の高調波の１次の成分との混合波である無線周波数の信号を所望波として出力する、又は入力された局部発振周波数波の高調波の偶数次の成分と無線周波数信号の高調波の１次の成分との混合波である中間周波数の信号を所望波として出力する、局部発振周波数端子と中間周波数端子と無線周波数端子を有する、第１及び第２の偶高調波ミクサと、
   第１端子から入力された信号を第２及び第３端子から同相で出力し、又は第２及び第３端子から入力された信号を同相合成して第１端子に出力する中間周波数用同相合成／分配器と、
   入力端子と第１出力端子と前記第１出力端子から出力される信号の位相と１８０／ｎ度(但しｎは２以上の整数)の位相差で信号を出力する第２出力端子とを有する局部発振周波数用位相差分配器と、
   第１端子から入力された信号を第２及び第３端子から同相で出力し、又は第２及び第３端子から入力された信号を同相合成して第１端子に出力する無線周波数用同相合成／分配器と、を備え、
   前記中間周波数用同相合成／分配器の前記第２端子及び第３端子が、前記第１の偶高調波ミクサの中間周波数端子、前記第２の偶高調波ミクサの中間周波数端子にそれぞれ接続され、前記第１端子が中間周波数信号入出力端子に接続され、
   前記局部発振周波数用位相差分配器の前記第１出力端子及び第２出力端子が、前記第１の偶高調波ミクサの局部発振周波数端子、前記第２の偶高調波ミクサの局部発振周波数端子にそれぞれ接続され、前記入力端子が局部発振周波数波入力端子に接続され、
   前記無線周波数用同相合成／分配器の前記第２端子及び第３端子が、前記第１の偶高調波ミクサの無線周波数端子、前記第２の偶高調波ミクサの無線周波数端子にそれぞれ接続され、前記第１端子が無線周波数信号入出力端子に接続され、
   前記第１及び第２の偶高調波ミクサの次数を２ｎ次とし、前記局部発振周波数用位相差分配器が、２つの出力の位相差を１８０／ｎ度とする局部発振周波数用１８０／ｎ度分配器からなる、
   ことを特徴とする周波数変換装置。
2. 前記第１及び第２の偶高調波ミクサが、偶数次の混合波を抑圧するための非線形素子としてアンチパラレルダイオードペアを含むことを特徴とする請求項１に記載の周波数変換装置。
3. 請求項１または２に記載の周波数変換装置と、前記周波数変換装置の出力信号にフィルタをかける帯域通過フィルタと、前記帯域通過フィルタの出力信号を所望の電力値まで増幅させる増幅器と、増幅された信号を放射するアンテナと、を備えたことを特徴とする送信機。

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