JP2008537428A - 高周波電磁波受信器及び広帯域導波管ミキサ - Google Patents
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Abstract
本発明は、略V形状の溝をその内面に有する導波管と、V溝内に結合する広帯域アンテナと、広帯域アンテナによって受信される信号を混合するための混合手段とを備える広帯域導波管ミキサを提供する。また、本発明は、上記広帯域導波管ミキサを備える高周波電磁波受信器を提供する。広帯域導波管ミキサ及び高周波電磁波受信器は、単一モード動作周波数が広く、損失が低いとともに、ノイズが低いという利点を有し、低コストで容易に製造して組み立てることができる。
Description
本発明は、高周波電磁波受信器、特に広帯域導波管ミキサに関する。
ミリメートル波(30GHz〜300GHz)技術及びサブミリ波(300GHz〜3THz)技術の発展に伴い、上記周波数帯域をパーソナル無線広帯域通信及び屋内マルチメディア無線アクセス技術に適用できる可能性が非常に高くなっている。また、ミリメートル波の大気減衰及び逆分散は赤外線のそれよりも小さいため、ミリメートル波の帯域は、ひどい天候状態(煙や塵埃等の浮遊粒子の存在下)での送信及び通信に適しており、そのため、自動車電子機器及び交通ナビゲーション等のいくつかの複雑な環境における通信手段としても使用することができる。従って、日々増大する要求を満たすため、広い帯域幅及び低いノイズを有し且つ上記周波数帯域で動作可能な広帯域ミキサが非常に望まれる。しかしながら、従来の解決策は、高コスト、重大な構造的損失、多モード干渉等のそれらの欠点に起因して、低ノイズ及び低コストでの広帯域受信の課題を解決することができない。
既存のタイプのミリメートル波ミキサは、主に、導波管ミキサ、集積回路ミキサ、準光学的ミキサ等を含む。
導波管ミキサは、一般的に、矩形導波管構造、又は、高さが低い矩形導波管構造を採用する。このタイプのミキサの周波数帯域は、矩形導波管の帯域幅によって制限される。特に、ミリメートル波帯域内において単一モードで動作可能な矩形導波管のサイズは非常に小さい。従って、それにより、処理及び組み立てが難しくなり、製造コストが増大する。サイズ問題を解決するために特大の矩形導波管を採用することができるが、特大の矩形導波管によりもたらされる多モード干渉は、広帯域ミキサの設計にとって不都合である。一方、表皮効果に起因して、ミリメートル波帯域で動作する矩形導波管の送信ロスは極めて高く、これはミキサのノイズを低減するのに不利である。
集積回路ミキサは、誘電体パッチ上に形成される。パッチは、ミリメートル波信号の送信中に誘電損失を確実に増大させる。特に、動作周波数が100GHzを超えると、損失は極めて激しくなる。第2に、重大な寄生パラメータ干渉も集積回路ミキサの最高動作周波数を制限する。従って、既存の集積回路タイプは、ミリメートル波帯域で動作するミキサの実施に適していない。
準光学的導波管によって形成される準光学的ミキサは、一般に、光ゲート、レンズ、反射ミラー、ホルダ等のようないくつかの光学機器を必要とする。そのような種類のミキサは、構造的に複雑であり、大き過ぎるとともに、光学的なアライメントを必要とする。従って、それにより、ミキサの処理困難性及び製造コストが増大する。
要するに、ミリメートル波帯域で動作可能で、良好な広帯域性能及び低いヒートノイズを与えることが可能であるとともに、容易に製造して組み立てられるミキサは、現在の技術の使用によっては提供することができない。
本発明によって解決されるべき技術的課題は、良好な広帯域性能及び低いヒートノイズを有するミリメートル波帯域で動作するミキサをどのように製造するか、並びに、より容易な製造及び組み立てについてである。
本発明は、略V形状の溝をその内面に有する導波管と、V溝内に結合する広帯域アンテナと、広帯域アンテナによって受信される信号を混合するための混合手段とを備える広帯域導波管ミキサを提供する。
また、本発明は、上記広帯域導波管ミキサを備える高周波電磁波受信器も提供する。
本発明は、ミリメートル波及びサブミリ波の送信に適するV溝導波管構造を採用するため、本発明に係る広帯域導波管ミキサ及び高周波(HF)電磁波受信器は、単一モード動作周波数帯域が広く、損失が低く、ノイズが低いとともに、製造及び組み立てが容易であるという利点を有している。また、広帯域アンテナに属するボウタイ(bowtie)ダイポールアンテナによりサポートされる広帯域受信機能により、本発明に係る広帯域導波管ミキサ及びHF電磁波受信器は、通常、更に広い周波数範囲において動作可能である。
添付図面と併せて本発明の実施の形態の詳細な説明を読むと、本発明の他の特徴及び利点が更に明らかになる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳しく説明する。
図1は、本発明の実施の一形態に係るV溝導波管ミキサの外部構造を示す図である。図1において、参照符号101及び参照符号102は、V溝を有する二つの金属プレートを表し、参照符号103はHF誘電体パッチを表し、参照符号104はボウタイダイポールアンテナを表し、参照符号105はダイオードを表し、参照符号106は、金属プレート102上の穴であって、その内面が金属特性を有している穴を表し、参照符号107は、穴106内に位置し且つその一端がダイオード105に接続される導体を表し、参照符号108は、その上に平面回路が形成される誘電体パッチを表し、参照符号109、110、111、112は、それぞれ、インピーダンス変換素子、フィルタ素子、金属プレート素子、中間周波数(IF)伝送ラインを表し、参照符号113は同軸コネクタを表している。以下、上記参照符号に対応する構成要素の接続及び機能について詳しく説明する。
図1に示されるように、金属プレート101及び金属プレート102は、平行に配置されるとともに、所定の距離をもって離間されている。無論、金属プレート101及び金属プレート102を非金属プレートに置き換えることもできるが、それらの二つの非金属プレートの二つの対向面は、それらが金属特性を有し得るように処理され(例えば、金属膜で電気メッキされ)なければならない。二つのそれぞれのV溝は、金属プレート101、102の内面上の対応する位置に対向して形成される。パッチ103は、金属プレート101、102のV溝内に配置される誘電体パッチであり、金属プレート101、102に対して垂直に位置される。パッチ103上には例えばエッチングによって平面回路が形成される。平面回路は、ボウタイダイポールアンテナ104やダイオード105等を備えている(詳しい構成要素及び接続については図2及び図3を参照して後述する)。パッチ108は、金属プレート102の外面上に取り付けられた誘電体パッチであり、このパッチ上には例えばエッチングによって平面回路が形成される(詳細な機能部分及び接続については、以下で詳しく説明する)。また、金属プレート102は、平面回路の接地プレートとしても機能する。誘電体パッチ108の平面回路の端部には同軸コネクタ113があり、このコネクタはミキサのIF出力として機能する。
図1は、両方の金属プレート101、102の内面にV溝が形成されている状態を示しているが、一方の金属プレートの内面にだけV溝が形成されることも考えられる。V溝導波管の周波数帯域幅は、従来の矩形導波管のそれよりも大きい。本発明に係るミキサの広帯域性能は、V溝導波管の特定の構造から利益を得る。
また、V溝導波管では、マスターモードの電磁場がV溝に集中し、それにより、金属壁における電流が比較的弱くなる。従って、矩形導波管と比べると、金属壁における非理想導体のインピーダンスによって引き起こされる減衰は比較的低い。低い減衰は、ミキサの雑音指数にとって有益である。
また、V溝導波管のサイズは、同じ周波数帯域で動作する矩形導波管よりも大きい。そのため、V溝導波管の公差は矩形導波管ほど厳しくはなく、従って、それにより費用が節約される。
ボウタイダイポールアンテナ104は、他の形状のうちの一つでは、広帯域アンテナとなり得る。ボウタイダイポールアンテナ104の角度は、本発明に対して何ら制限を与えない。例えば、角度は1°乃至90°の範囲をとることができる。
ミキシングのためのダイオード105は、異なる形態の非線形素子であってもよい。異なる形態の異なる非線形素子は、本発明に対して何ら制限を与えない。
図2は、図1に示される実施の形態のV溝導波管ミキサを部分的に示す断面図である。図3は、図1に示される実施の形態のV溝導波管ミキサにおける誘電体パッチ103の背面を示す図である。図2及び図3における記号A、Bは、誘電体パッチ103に形成されたボウタイダイポールアンテナの二つの給電点を表し、図3の参照符号114は、誘電体パッチ103の背面上のインダクタンスコイルを表し、参照符号115は、誘電体パッチ103の背面上に設けられた、給電点Bから金属プレート102への背面配線を表している。また、図1における要素と同じ図2及び図3の要素には同じ参照符号が付されており、従って、本明細書ではそれらの説明を省略する。
図2に示されるように、誘電体パッチ103は、金属プレート101、102のV溝内に組み込まれている。誘電体パッチ103の前面には、例えばエッチングによってボウタイダイポールアンテナ104が形成されている。給電点A、Bはそれぞれ、ボウタイダイポールアンテナ104の二つの分岐部の二つの給電点である。ダイオード105の一端は、誘電体パッチ103上の水平に延在する金属ストリップにより給電点Aと接続され、また、他端は、水平に延在する他の金属ストリップと金属プレート102の穴106内の金属導体107とによって連続的にインピーダンス変換部109の前端に接続されている。この場合、インピーダンス変換部109は、誘電体パッチ108上の平面回路に属している。
図3に示されるように、誘電体パッチ103の背面上には、例えばエッチングによってインダクタンスコイル114が設けられている。図2の給電点A、Bは、金属化穴106を通じて誘電体パッチ103の背面へとつながっているとともに、インダクタンスコイル114によって互いに接続されている。同時に、給電点Bは、背面配線115によって金属プレート102に接続されている。インダクタンスコイル114及び金属配線115は、互いに絶縁されている。
図1乃至図3に矢印で示されるように、RF信号及び局部発振器(LO)信号がV溝の方向に沿ってV溝導波管ミキサへと入る。これらの信号が誘電体パッチ103のボウタイダイポールアンテナ104に達すると、アンテナ104の給電点A、BでRF及びLOの合成信号が励起される。この信号は、誘電体パッチ103上のダイオード105により混合された後、金属プレート102の穴106を通過し、導体107を通じてV溝導波管の外側へ出力されることにより、誘電体パッチ108の平面回路に属するインピーダンス変換部109の前端へ出力される。誘電体パッチ108の平面回路の主な機能は、ダイオード105の出力信号をフィルタ処理すること、及び、バイアス電圧をダイオード105に対して供給することである。インピーダンス変換部109は、穴106と導体107とによって形成される同軸インピーダンスを、50ohmのマイクロストリップラインインピーダンスへと変換することができる。より大きなキャパシタンスが金属チップ111と接地された金属プレート102との間に形成される。動作の際には、ダイオード105のDCバイアス電圧のアノードが、金属チップ111によりインピーダンス変換部109を介してダイオードの一端に印加される。DCバイアス電圧のカソードは、金属プレート102に対して印加されるとともに、背面配線115と給電点Bとインダクタンスコイル114と給電点Aとを連続的に介してダイオード105の他端に接続される。この場合、インダクタンスコイル114が非常に大きなリアクタンスをRF信号及びLO信号に対して与えるのに対し、IF信号及びDC信号はインダクタンスコイルをスムーズに通過できる。このように、金属チップ111と金属プレート102との間にDCバイアス電源を印加することにより、V溝導波管に設けられたダイオード105のためのバイアス電圧を容易に供給することができる。更に、金属チップ111はIFを短絡するキャパシタとみなすことができ、また、金属チップは、λ/4(λは中間周波数信号の波長)の中間周波数伝送ライン112を用いてインピーダンス変換部109の後端に接続される。フィルタ部110は、IF成分をフィルタ処理する帯域通過フィルタである。同時に、フィルタ部110はDC電圧を絶縁することもできる。混合された信号がフィルタ部110によってIFフィルタ処理され、その後、同軸コネクタ113が最終的な混合信号を出力する。
図1乃至図3に矢印で示されるように、整合負荷がV溝導波管ミキサの他端と接続される。整合負荷は、ボウタイダイポールアンテナ104によって吸収できないRF信号及びLO信号のエネルギの総てを吸収することができ、これにより、ミキサの広帯域性能が保証される。整合負荷は、グラファイト等の何等かの吸収材料によって形成することができる。
また、本実施の形態では、外部信号が誘電体パッチ108の平面回路内に入って何等かの望ましくない障害を引き起こさないように、ミキサが動作しているときに金属プレート102の外壁上の誘電体パッチ108の平面回路に金属遮蔽筐体(図示せず)が設けられなければならない。
図4は、図1に示される実施の形態のV溝導波管ミキサを示す等価回路図である。電源RF及び電源LOは、RF入力信号及びLO入力信号をそれぞれ表し、また、ZRF及びZLOは、これらの二つの電源に対する固有入力インピーダンスを表している。VBは、バイアス電圧をダイオードDに対して供給するDC電源であり、また、ROはその固有インピーダンスを表している。ZIFはミキサのIF負荷を表している。回路ノードA、Bはボウタイダイポールアンテナ104の二つの給電点に対応している。ノードAとノードBとの間のインダクタンスコイルLは、図3に示される誘電体パッチ103の背面上のインダクタンスコイル114に相当している。HRリターンパスキャパシタCbは、図3に示される誘電体パッチ108上の平面回路のインピーダンス変換部109に相当している。IF負荷ZIFと直列に接続される共振回路LCiは、図1に示される誘電体パッチ108上の平面回路のフィルタ部110に相当している。LIFCは、図1に示される誘電体パッチ108上のλ/4のIF伝送ライン112に相当している。DC電圧VBは、LIFCを介してダイオードDの一端に印加されるとともに、DCバイアス回路に沿ってIFが漏れることを防止する。
図5は、本発明の他の実施の形態に係るV溝導波管ミキサを部分的に示す断面図である。図1における要素と同じ図5の要素には同じ参照符号が付されており、従って、本明細書ではそれらの説明を省略する。参照符号500は、混合IFをフィルタ処理して出力する出力及びバイアス部を表しており、ダイオード105に対してバイアス電圧を供給する。出力及びバイアス部500は、例えばネジ構造によって金属プレート102上に強固に固定することができる。
図6は、図5に示される実施の形態のV溝導波管ミキサを示すA−A線に沿う断面図である。図5の出力及びバイアス部500の構造が図6に詳しく示されている。
図5及び図6に示される実施の形態において、V溝導波管(ボウタイダイポールアンテナ104を含む)は図1乃至図4に示される実施の形態のそれと同じである。以下では、出力及びバイアス部500のみについて詳しく説明する。図6に示されるように、参照符号501が付された金属導体及び参照符号504が付された金属導体は同軸導体を形成している。内側導体501及び外側導体504は、何等かの誘電体からなるガスケット502によって互いに離隔されている。フィルタ部1において、内側導体501は、厚い部分と薄い部分とを交互に有する中実金属棒であり、一方、DC絶縁部2において、内側導体501は、中空の円筒体であり、その内側に他の導体コア503を備えている。図6に部分拡大図で示されるように、導体コア503の挿入端の直径は、内側導体501の内径よりもわずかに小さい。従って、参照符号507で示されるガスケットを使用することにより、内側導体501と導体コア503との間に小さな隙間を形成することができ、また、この隙間により二つの導体は互いに接触することができず、そのため、これらの導体はキャパシタを形成する。外側導体504の他端には、例えばほぞ構造を使用することにより、導体505が取り付けられている。参照符号506は、外側導体504と導体505との結合部にある貫通穴である。
動作の間、ダイオード105の出力は、出力及びバイアス部500における同軸フィルタの内側導体501と接続される。非線形素子によって混合された信号は、内側導体501及び外側導体504によって形成されるフィルタ部1によりフィルタ処理され、また、それに応じて、所望のIF信号が得られる。IF信号は、DC絶縁部2を通過して、最終的に導体503の端部において出力される。本実施の形態の構造では、ダイオード105に対してDCバイアス電圧を供給することが容易である。例えば、DC電源の一端を外部導体504に対して印加する(電源を導体505又は金属プレート102に対して印加することに相当する)ことができるとともに、DC電力がダイオード105に対して供給されるように貫通穴506を通じて電源の他端を内側導体501に対して印加することができる。貫通穴506は、IF信号に対するカットオフ円形導波管としての機能を果たし、IF信号が貫通孔506を介して出力及びバイアス部500の外側に漏れることを防止することができる。DC絶縁部2、即ち、内側導体501と導体503とによって形成されるキャパシタは、IF出力端即ち導体コア503及び導体505によってDCバイアス電圧がIF増幅器に印加されてIF増幅器の損失がもたらされることを防止することができる。
図5に矢印で示されるように、同様に、整合負荷がV溝導波管ミキサの他端と接続される。整合負荷は、ボウタイダイポールアンテナ104によって吸収されないRF信号及びLO信号のエネルギを吸収することができ、これにより、ミキサの広帯域性能が保証される。整合負荷は、グラファイト等の何等かの吸収材料によって形成することができる。
図7は、図5に示される実施の形態のV溝導波管ミキサを示す等価回路図である。電源RF及び電源LO並びにそれらの固有インピーダンスZRF、ZLO、DC電源VB及びその固有インピーダンスR0、IF負荷ZIF、回路ノードA及びB、インダクタンスコイルL及びダイオードDは、図4に示される第1の実施の形態の等価回路における意味及び機能と同じ意味及び機能を有しているため、本明細書では、これらの説明を省略する。キャパシタCbは、図6に示される内側導体501及び外側導体504によって形成されるフィルタ部1に相当し、RF信号及びLO信号を短絡させて混合IF信号が短絡されることを防止することができる。IF負荷ZIFと直列に接続されるキャパシタC1は、図6に示される内側導体501及び導体コア503によって形成されるDC絶縁部2に相当し、DCバイアス電圧がIF出力端に印加されることを防止することができる。上述したように、本発明の二つの実施の形態はいずれも、ボウタイダイポールアンテナ104を備えるV溝導波管構造を採用している。二つの実施の形態の違いは、混合後のIF信号の出力形態、及び、ダイオード105に対するDCバイアス電圧の供給形態である。広帯域導波管ミキサの出力及びバイアス部によって採用される形態は、本発明の範囲に対して何等制限を与えない。当業者は、本発明に基づいて、その実用的要件を満たすことができる様々な出力及びバイアス部を設計して製造することができる。
以上、本発明に係る広帯域導波管ミキサのいくつかの実施の形態が図1乃至図7に関連して説明されている。当業者は、HF電磁波受信器に対して広帯域導波管ミキサを容易に適用して、本発明に係るHF電磁波受信器を得ることができる。
一般に、本発明に係るHF電磁波受信器は、IF処理ユニット及びいくつかの他の要素の他に、広帯域導波管ミキサを備える。広帯域導波管ミキサは、その内面にV溝が設けられた導波管と、V溝内に設けられた広帯域アンテナと、広帯域アンテナと接続され且つIF信号を出力するために使用される出力及びバイアス部とを備える。
本発明に係るHF電磁波受信器において使用される広帯域導波管ミキサに関する説明については、図1乃至図7に関する対応する説明を引用することができるため、本明細書ではその説明を省く。
本発明に係るHF電磁波受信器及び広帯域導波管ミキサは、いくつかのタイプの無線通信装置、例えばスペクトラムアナライザや電波望遠鏡等に適用することができる。また、本発明に係るHF電磁波受信器及び広帯域導波管ミキサは、指向性受信特性を有しているため、屋内短距離通信システムでの使用にも適している。図8に示されるように、送信装置(例えば、無線ルータ)20は指向性送信アンテナ201を有し、一方、指向性アンテナ201から送信されるHF電磁信号を指向性をもって受信するため、受信端末10には本発明に係るHF電磁波受信器又は広帯域導波管ミキサが設けられている。屋内短距離通信システムでの指向性送信/受信特性の使用は、送信効率を向上させるとともに、人体に対する電磁波放射を低減するという利点をもたらすことができる。
添付図面と併せて本発明の実施の形態が説明されているが、当業者は、添付の請求項の範囲内で様々な改良及び変形をなすことができる。
Claims (14)
- 略V形状の溝をその内面に有する導波管と、
前記V溝内に結合する広帯域アンテナと、
前記広帯域アンテナによって受信される信号を混合するための混合手段と、
を備えることを特徴とする広帯域導波管ミキサ。 - 前記混合手段は、混合用の非線形素子を備えることを特徴とする請求項1に記載の広帯域導波管ミキサ。
- 前記V溝内に設けられた誘電体パッチを更に備え、前記広帯域アンテナは、前記誘電体パッチ上に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の広帯域導波管ミキサ。
- 前記非線形素子は、混合のためのダイオードであることを特徴とする請求項2に記載の広帯域導波管ミキサ。
- 前記混合手段は、
前記非線形素子から出力される混合信号を整合するためのインピーダンス変換手段と、
前記インピーダンス変換手段によって出力された信号をフィルタ処理して、対応するIF信号を出力するためのフィルタ手段と、
前記非線形素子に対してバイアス電圧を供給するためのバイアス手段と、
を備えることを特徴とする請求項2に記載の広帯域導波管ミキサ。 - 前記混合手段は、
外側導体と、
前記外側導体内に収まるとともに、第1の部分と第2の部分とを備え、前記非線形素子が前記第1の部分と接続され、前記外側導体及び前記第1の部分がIF信号をフィルタ処理するためのフィルタ手段を形成する、内側導体と、
前記内側導体の前記第2の部分内に収まるコア導体であって、前記コア導体及び前記第2の部分が、バイアス電圧を絶縁してフィルタ処理されたIF信号を出力するためのDC絶縁手段を形成する、コア導体と、
を備えることを特徴とする請求項2に記載の広帯域導波管ミキサ。 - 前記導波管は、所定の距離だけ離間される第1のプレート及び第2のプレートを備え、前記V溝は、前記第1のプレート及び前記第2のプレートのうちの少なくとも一方の内面に設けられ、前記第1のプレート及び前記第2のプレートの内面が金属特性を有することを特徴とする請求項1に記載の広帯域導波管ミキサ。
- 前記広帯域アンテナは、前記第1のプレート及び前記第2のプレートの内面に対して略垂直であることを特徴とする請求項7に記載の広帯域導波管ミキサ。
- 前記広帯域アンテナは、ダイポールアンテナであることを特徴とする請求項1に記載の広帯域導波管ミキサ。
- 略V形状の溝がその内面に設けられた導波管と、
前記V溝内に設けられた広帯域アンテナと、
前記広帯域アンテナによって受信される信号を混合するための混合手段と、
を備える広帯域導波管ミキサと、
混合された信号を更に処理するための中間周波数処理手段と、
を備えることを特徴とする高周波電磁波受信器。 - 前記広帯域導波管ミキサは、前記V溝内に設けられた誘電体パッチを更に備え、前記広帯域アンテナは、前記誘電体パッチ上に形成されていることを特徴とする請求項10に記載の高周波電磁波受信器。
- 前記導波管は、所定の距離だけ離間される第1のプレート及び第2のプレートを備え、前記V溝は、前記第1のプレート及び前記第2のプレートのうちの少なくとも一方の内面に設けられ、前記第1のプレート及び前記第2のプレートの内面が金属特性を有することを特徴とする請求項11に記載の高周波電磁波受信器。
- 前記広帯域アンテナは、前記第1のプレート及び前記第2のプレートの内面に対して略垂直であることを特徴とする請求項12に記載の高周波電磁波受信器。
- 前記広帯域アンテナは、ダイポールアンテナであることを特徴とする請求項10に記載の高周波電磁波受信器。
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