JP3731535B2 - 線路結合構造、ミキサ、および送受信装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ミリ波帯などの信号を伝搬する誘電体線路とサスペンデッドラインとの線路結合構造、その構造を備えたミキサ、およびそのミキサを備えた送受信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非放射性誘電体線路（以下「ＮＲＤガイド」という。）におけるダイオードマウント構造と、それを用いたミキサとして、黒木，米山：「ビームリードダイオードを用いた非放射性誘電体線路回路素子」電子情報通信学会論文誌 C-I,Vol J73-C-I No.2 pp71-76 1989年 2月が開示されている。
【０００３】
このミキサは、ＮＲＤガイドでカプラを構成するとともに、ダイオードをマウントした回路基板を誘電体ストリップに垂直に挟み込んで、ダイオードとＮＲＤガイドとを結合させることによって構成したものである。
【０００４】
ところが、上記文献に示されている構造では、ダイオードをマウントした回路基板を誘電体ストリップの長手方向に垂直な方向に配置するものであるため、回路基板を装置内に固定しにくく、傾きやすいため実装性に欠ける。整合をとるためにＮＲＤガイド中に高誘電率薄板を挿入したり空隙を設けるなど、設計および製作が容易ではない。ＮＲＤガイドのカプラは電力分配比が等しくなる周波数からずれる程、その電力分配比のバランスが崩れやすい。といった種々の問題があった。
【０００５】
そこで、本願出願人は特開平１０−７５１０９号にて誘電体線路とサスペンデッドラインとの線路結合構造を備えたミキサを開示した。その一例を図６に示す。この図６は、誘電体線路装置の、上部の導電体板を取り除いた状態での平面図である。この図６には表れていない、平行な２つの導電体平面をなす導電体板の間に回路基板４および誘電体ストリップを配置している。図中の３ｂは回路基板４の上部の誘電体ストリップである。回路基板４の下部には誘電体ストリップ３ｂに対向するもう一方の誘電体ストリップを配置している。回路基板４には、６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂで示す、それぞれ略λ／４のオープンスタブを有する導電体パターン５を形成している。また、この導電体パターン５には、直列にビームリード形状のダイオード８をマウントしている。誘電体ストリップ３ｂは、導電体パターン５に対して直角方向に、その端部から所定距離の位置で交差するように配置している。これにより、導電体パターン５と上下の導電体板によるサスペンデッドラインと、誘電体ストリップ（３ｂ）と上下の導電体板によるＮＲＤガイドとの線路結合構造を構成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の誘電体線路装置は、その構造上、誘電体線路を伝搬するＬＳＭモードとサスペンデッドラインを伝搬するＴＥＭモードの磁界方向が同一なため、両線は容易に強く結合する。このため、ミキサを構成した場合の変換損失を従来に比べて低減できる。全体の構造を簡素化したことにより容易に製造することができる。といった種々の効果を奏する。
【０００７】
ところが、本願発明の発明者らの実験および考察により、誘電体線路とサスペンデッドラインとの線路結合部において伝送損失をさらに低減可能であることを見出した。
【０００８】
この発明の目的は、誘電体線路とサスペンデッドラインとの間の伝送損失を低減した線路結合構造、その構造を備えたミキサ、およびそのミキサを備えた送受信装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の線路結合構造は、略平行な２つの導電体平面の間に誘電体ストリップとともに回路基板を配して、導電体平面と誘電体ストリップとで誘電体線路を構成し、導電体平面と回路基板上の導電体パターンとでサスペンデッドラインを構成するとともに、誘電体ストリップに対して交差する向きに導電体パターンを配置し、
導電体パターンの、誘電体ストリップに交差する位置に、誘電体ストリップの延びる方向に突出する凸状導電体パターンを設けた構造とする。
【００１０】
この構造により、誘電体線路とサスペンデッドラインとの結合量を大きくすることができ、線路変換損失が小さくなり、誘電体線路とサスペンデッドライン間の伝送損失が低減される。
【００１１】
また、この発明は、前記凸状導電体パターンの先端を、前記誘電体線路を伝搬する信号の電界成分が最大になる箇所付近に配置する。例えばＮＲＤガイドでＬＳＭモードを利用する場合、誘電体ストリップの先端より誘電体ストリップ側に若干戻った部位で電界成分が最大となる。この電界最大点付近に凸状導電体パターンの先端を配置することにより、両線路の結合を最大にする。この構造により誘電体線路とサスペンデッドラインとの結合量を効率良く増大させる。
【００１２】
この発明のミキサは、前記線路結合構造において、サスペンデッドラインにＲＦ信号、Ｌｏ信号、またはＲＦ信号とＬｏ信号との混合信号が伝搬するように、誘電体ストリップと導電体パターンを配置し、導電体パターンにダイオードをマウントし、導電体パターンによりＩＦ信号を取り出すように構成する。この構造により、変換効率の高いミキサを得る。
【００１３】
この発明の送受信装置は、前記ミキサを、受信信号から中間周波信号への変換部に用いる。これにより、中間周波信号のＳＮ比を高め、微弱な受信信号であっても検出可能な中間周波信号が得られるようにし、出力電力当たりの利用可能距離を長くする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態に係る、バランス形ミキサの構成を図１〜図５を参照して次に説明する。
図１はバランス形ミキサの構造を示す図であり、（Ａ）は上部の導電体板を持ち上げた状態における斜視図、（Ｂ）はその断面図である。図１において、１，２は平行な２つの導電体平面を成す導電体板であり、この２つの導電体板１，２の間に、回路基板４を挟み込むように、その回路基板とともに誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂを配置している。導電体板１，２の内面には、それぞれ溝を形成していて、それらの溝に第１の誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂおよび第２の誘電体ストリップ３２ａ，３２ｂを嵌め込んでいる。また、回路基板４は、図外の周辺部の支持部で支持した状態で、上下の導電体板１，２の中央位置に導電体板１，２に対し平行に配置している。さらに、導電体板１，２は図外の周辺部で両者を組み合わせていて、誘電体線路部分においては、図に示すように平行な２つの導電体平面を構成している。
【００１５】
図１における誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは、樹脂やセラミックスなどの誘電体材料で構成していて、その長手方向に直角な横断面を略矩形状に形成している。誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ部分は、遮断状態を解消して、電磁波信号をこれら誘電体ストリップに沿って伝搬させる伝搬域を構成している。一方、誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの無い部分は、伝送すべき高周波信号の自由空間波長をλ０としたとき、導電体板１，２の間隔をλ０／２未満としていて、伝搬域の信号を遮断する遮断域を構成している。しかも、伝搬域においてＬＳＭ０１モードの遮断周波数がＬＳＥ０１モードの遮断周波数より低くなり、且つ遮断域においてＬＳＭ０１モードおよびＬＳＥ０１モードの電磁波を遮断するように、図１の（Ｂ）に示した遮断域と伝搬域の導電体板１，２の間隔ｈ１，ｈ２、回路基板４の厚さｔ、誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂおよび回路基板４の誘電率をそれぞれ定めている。これにより、第１の誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂと上下の導電体板１，２とによって、ＬＳＭ０１モードの単一モード伝送が可能な第１のＮＲＤガイドを構成している。同様に、第２の誘電体ストリップ３２ａ，３２ｂと上下の導電体板１，２とによって、ＬＳＭ０１モードの単一モード伝送が可能な第２のＮＲＤガイドを構成している。
【００１６】
図１において回路基板４の上面には誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂに対して垂直に交差する向きに第１の導電体パターン５１を設けていて、この第１の導電体パターン５１と上下の導電体板１，２とによって第１のサスペンデッドラインを構成している。第１の導電体パターン５１には、第１の誘電体ストリップ部分を挟む位置に第１・第２のフィルタ回路６，７を構成して、この第１・第２のフィルタ回路間のサスペンデッドラインを第１の共振回路としている。この第１の共振回路内にショットキーバリアダイオードである２つのビームリード型ダイオード８１，８２が直列に接続されるようにマウントしている。また、第１・第２のフィルタ回路６，７の中央から第１の誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂの長手方向に第２の導電体パターン５２を引き出していて、この第２の導電体パターン５２と上下の導電体板１，２とによって第２のサスペンデッドラインを構成している。第２の導電体パターンの途中には第３のフィルタ回路９を設けて、第２の導電体パターン５２を伝搬する信号がフィルタ回路９より外側に出ない構成にし、この第２の導電体パターン５２に、第２の誘電体ストリップ３２ａ，３２ｂおよび上下の導電体板１，２からなる第２のＮＲＤガイドを磁界結合させている。
【００１７】
図２はバランス形ミキサの、上部の導電体板を取り除いた状態での平面図である。６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，９ａ，９ｂはそれぞれ略λ／４のオープンスタブであり、６ａ−６ｂの間隔、７ａ−７ｂの間隔、および９ａ−９ｂの間隔もそれぞれ略λ／４としている。このようにλ／４のオープンスタブをλ／４の間隔を隔てて設けたことにより、波長λの周波数信号を阻止する帯域阻止フィルタ（ＢＥＦ）として作用する。なお、これらλ／４長は、いずれも線路の実効誘電率を考慮したものである。
【００１８】
第１・第２のフィルタ回路６，７の中央から第１・第２のフィルタ回路までの間隔Ｌ１１，Ｌ１２の電気長をそれぞれ、第１のＮＲＤガイドを伝搬するミリ波の周波数ｆ１における略１／２波長の整数倍としている。このことにより、この部分（フィルタ回路６−７間のサスペンデッドライン）が、両端ショートの共振回路として作用する。また、第１・第２のフィルタ回路６，７の中央からオープンスタブ９ａまでの間隔Ｌ２の電気長を、第２の誘電体ストリップ３２ａ，３２ｂによる第２のＮＲＤガイドを伝搬するミリ波の周波数ｆ２における略１／２波長の整数倍となる関係としている。通常ｆ１とｆ２は近接しており、上記Ｌ１１，Ｌ１２の電気長は、略１／２波長であるから、第１・第２のフィルタ回路の中央は等価的にショートである。従って、この部分（フィルタ回路６−７の中央位置とフィルタ９間のサスペンデッドライン）も両端ショートの共振回路として作用する。
【００１９】
第１・第２のフィルタ回路６，７による第１の共振回路内には、導電体パターン５１に対して直列に２つのビームリード型ダイオード８１，８２をマウントしている。第１の誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂおよび上下の導電体板からなる第１のＮＲＤガイドを伝搬するＬＳＭ０１モードの信号は、第１の共振回路を構成するサスペンデッドラインのＴＥＭモードと容易に結合する。また、所望の周波数（例えばｆ１）にて第１のＮＲＤガイド端からの反射損失が最小になるように、またはミキサの変換損失が最小になるように、両線路間の位置関係、ダイオード９１，８２の位置、フィルタ回路６，７の位置などを選定している。
【００２０】
一方、第２の導電体パターン５２は、第２の誘電体ストリップ３２ａ，３２ｂと上下の導電体板からなる第２のＮＲＤガイドと磁界結合するため、この第２のＮＲＤガイドから第１のＲＦ信号（例えば受信信号ＲＸ）または第２のＲＦ信号（例えばローカル信号Ｌｏ）が入力されることにより、その信号がサスペンデッドラインのモードに変換されて、２つのダイオード８１，８２に対して逆相で加わることになる。
【００２１】
第１の導電体パターン５１には、Ｌｂ，Ｒｂ，Ｖｂで示すバイアス電圧供給回路を接続するとともに、この導電体パターン５１の端部をコンデンサＣｇで交流的に接地している。上記Ｌｂはバイアス電源供給回路に対するＩＦ信号の漏れを阻止する。抵抗Ｒｂは、変換損失が小さくなるように、ダイオードに対するバイアス電流を設定する。
【００２２】
この構造により、第２のＮＲＤガイドから入射された第１または第２のＲＦ信号は１８０°の位相差をもって２つのダイオード８１，８２に印加され、第１のＮＲＤガイドから入射された第２または第１のＲＦ信号との差の周波数成分は互いに逆相となる。ここで、２つのダイオードの向きがＩＦ端から見て互いに逆向きとなっているので、上記差の周波数成分は同相で合成されて、コンデンサＣｉを介してＩＦ信号として取り出すことができる。
【００２３】
図２において、１１は第１の導電体パターン５１の、誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂに交差する位置に、該誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂの延びる方向にｘだけ突出する凸状導電体パターンである。また、１０は第２の導電体パターン５２の、誘電体ストリップ３２ａ，３２ｂに交差する位置に、該誘電体ストリップ３２ａ，３２ｂの延びる方向にｘだけ突出する凸状導電体パターンである。
【００２４】
このようなＮＲＤガイドの主要伝搬モードの電界成分の高い位置に凸状導電体パターンを設けることによって、サスペンデッドラインと誘電体線路との結合量が増大するものと考えられる。
【００２５】
次に、図２に示した第２の導電体パターン５２と、誘電体ストリップ３２ａ，３２ｂを含むＮＲＤガイドとの線路変換部の特性を求めるための寸法例を図３に示す。また、その構造による線路変換部の透過減衰量の特性を図４に示す。
図３に示すように、比誘電率εｒ＝２．０４の誘電体ストリップ３２ａ，３２ｂを用い、この誘電体ストリップの先端を開放し、この誘電体ストリップと上下の導電体板によるＮＲＤガイドの遮断域の幅方向の空間を定める。同様に、サスペンデッドラインの幅方向の広がりを定める。
【００２６】
図４は、図３に示す凸状導電体パターンの突出量ｘを変化させ、ＬＳＭ０１モードにおけるＮＲＤガイド端（ポート＃１）と、ＴＥＭモードにおけるサスペンデッドライン端（ポート＃２）間での透過減衰量（ＳパラメータＳ２１）をＦＥＭ計算した結果である。
【００２７】
このように、凸状導電体パターンの突出両ｘを０から増していくと、結合度が増し、線路変換損失が少なくなる。また、ｘがある値で結合度が最大となる。
【００２８】
このように、ＮＲＤガイドを先端開放にした場合、その先端から若干線路内部に入った位置に電界最大の点が存在する。一方、サスペンデッドラインの開放端は電圧分布の電圧が最大となる。したがって、ＮＲＤガイドの電界最大点付近にサスペンデッドラインの開放端がある場合に最も強い結合が得られる。
【００２９】
上記の例は、３端子構造について示したが、図２の第１の導電体パターン５１と、誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂを含むＮＲＤガイドとの、４端子構造の線路変換部の特性についても、同様に作用し、同様の効果を奏する。
【００３０】
このように、凸状導電体パターンを設けることにより、ＮＲＤガイドとサスペンデッドライン間の線路変換損失が低減できる。そのため、バランス型ミキサにした場合、ミキサ変換損失の低減化および広帯域化が図れる。
【００３１】
なお、以上に示した例は、バランス形ミキサについてであったが、同様にしてシングル形ミキサを構成することができる。すなわち、図１及び図２において、第２の導電体パターン５２および第２の誘電体ストリップ３２ａ，３２ｂ、ダイオード８２を設けずに（ダイオード８２部のパターンギャップを無くし）、第１の誘電体ストリップ３１ａ，３１ｂによるＮＲＤガイドから第１のＲＦ信号と第２のＲＦ信号との混合信号を入力し、導電体パターン５１からＩＦ信号を出力する構成とすればよい。
【００３２】
次に、送受信装置の実施形態としてミリ波レーダモジュールの構成例を図５に示す。
図５はミリ波レーダモジュールのブロック図である。図５において、ＶＣＯは、ガンダイオードとバラクタダイオード等を用いた電圧制御発振器、ＩＳＯはアイソレータであり、反射信号がＶＣＯに戻るのを抑制する。ＣＰＬはカプラであり、送信信号の一部をローカル信号Ｌｏとして取り出すＮＲＤガイドからなる方向性結合器である。ＣＩＲはサーキュレータであり、送信信号をスキャンユニットへ与え、また受信信号をミキサＭＩＸ側へ伝送する。ミキサＭＩＸは、図１および図２に示したミキサであり、受信信号ＲＸと上記ローカル信号Ｌｏとを混合して中間周波信号ＩＦを出力する。
【００３３】
このミリ波レーダモジュールと共に、上記変調信号を与え、上記ＩＦ信号から物標の相対距離および相対速度を求める制御部を設けることによってミリ波レーダ装置を構成する。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によれば、導電体パターンの、誘電体ストリップに交差する位置に、誘電体ストリップの延びる方向に突出する凸状導電体パターンを設けたことにより、誘電体線路とサスペンデッドラインとの結合量を大きくすることができ、線路変換損失が小さくなり、誘電体線路とサスペンデッドライン間の伝送損失が低減される。
【００３５】
また、この発明によれば、凸状導電体パターンの先端を、前記誘電体線路を伝搬する信号の電界成分が最大になる箇所付近に配置することにより、誘電体線路とサスペンデッドラインとの結合を最大にすることができる。
【００３６】
また、この発明によれば、変換効率の高いミキサが得られる。
また、この発明によれば、中間周波信号のＳＮ比が高まり、微弱な受信信号であっても検出可能な中間周波信号が得られ、出力電力当たりの送受信利用可能距離が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るバランス型ミキサの構造を示す分解斜視図および断面図
【図２】同バランス型ミキサの上部の導電体板を取り除いた状態での上面図
【図３】同バランス型ミキサに構成した線路変換部の寸法例を示す図
【図４】同線路変換部における透過減衰量の周波数特性を示す図
【図５】実施形態に係るミリ波レーダモジュールの構成を示すブロック図
【図６】従来の誘電体線路とサスペンデッドラインとの線路変換構造を備えた誘電体線路装置の構成を示す図
【符号の説明】
１，２−導電体板
４−回路基板
５−導電体パターン
６−第１のフィルタ回路
７−第２のフィルタ回路
９−第３のフィルタ回路
６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，９ａ，９ｂ−オープンスタブ
１０，１１−凸状導電体パターン
３１ａ，３１ｂ−第１の誘電体ストリップ
３２ａ，３２ｂ−第２の誘電体ストリップ
５１−第１の導電体パターン
５２−第２の導電体パターン
８，８１，８２−ビームリードダイオード（ショットキーバリアダイオード）

Claims (4)

1. 略平行な２つの導電体平面の間に誘電体ストリップとともに回路基板を配して、前記導電体平面と前記誘電体ストリップとで誘電体線路を構成し、前記導電体平面と前記回路基板上の導電体パターンとでサスペンデッドラインを構成するとともに、前記誘電体ストリップに対して交差する向きに前記導電体パターンを配置した線路結合構造において、
   前記導電体パターンの、前記誘電体ストリップに交差する位置に、該誘電体ストリップの延びる方向に突出する凸状導電体パターンを設けたことを特徴とする、誘電体線路とサスペンデッドラインとの線路結合構造。
2. 前記凸状導電体パターンの先端を、前記誘電体線路を伝搬する信号の電界成分が最大になる箇所付近に配置した、請求項１に記載の線路結合構造。
3. 請求項１または２に記載の線路結合構造において、
   前記サスペンデッドラインに第１のＲＦ信号、第２のＲＦ信号、または第１のＲＦ信号と第２のＲＦ信号との混合信号が伝搬するように、前記誘電体ストリップと前記導電体パターンを配置し、前記導電体パターンにダイオードをマウントし、前記導電体パターンによりＩＦ信号を取り出すようにしたミキサ。
4. 請求項３に記載のミキサを、受信信号から中間周波信号への変換部に用いた送受信装置。

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