JP6611441B2 - 周波数変換ユニット、計測システム及び計測方法 - Google Patents

周波数変換ユニット、計測システム及び計測方法 Download PDF

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Description

本発明は、周波数変換器、計測システム及び計測方法に関する。
現在、無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）の高速化の国際規格として検討されているＩＥＥＥ８０２．１１ａｄでは、キャリア周波数が約６０ＧＨｚであり、ミリ波の電波が使用される予定である。ここで、周波数３０〜３００ＧＨｚの電波（電磁波）はミリ波と呼ばれ、また、３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの電波はセンチメートル波と呼ばれ、ともに、周波数３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電波を指すマイクロ波に含まれている。
また、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄでは、変調帯域が、１チャンネルあたり２．１６ＧＨｚとなり、従来の帯域の１０〜１００倍程度となる予定である。このような規格に適合したデバイスの開発を行うにあたっては、次のような手法でデバイスの特性評価が行われている。すなわち、従来の周波数帯域（例えばセンチメートル波帯）に対応する計測機器と、周波数変換器とを組み合わせることでデバイスの特性評価が行われている。ここで、周波数変換器は、例えば、ミリ波の信号をセンチメートル波にダウンコンバートしたり、センチメートル波の信号をミリ波にアップコンバートしたりする装置である。
特開２０１２−０６３３３６号公報 特開２０００−０２８７１１号公報 特開平１１−１２７４７６号公報
馬 岳林、山尾 泰、赤岩 芳彦、「入力信号帯域幅に制限された情報を基に補償を行うプリディストーション非線形補償の効果」電子情報通信学会、2013-03 Yuelin MA, Yasushi YAMAO, Yoshihiko AKAIWA, "An Algorithm for Obtaining the Inverse for a Given Polynomial in Baseband," Ieice TRANS. FUNDAMENTALS, VOL.E96-A, NO.3 MARCH 2013. 秋田 米生、羽生 広、柴垣 信彦、「ミリ波通信機器の60GHｚ帯における周波数特性補正法の検討」電子情報通信学会、短距離無線通信時限研究専門委員会、短距離無線通信研究会技術研究報告、SRW2012-32, December 10, 2012
上記のようにミリ波に対応したデバイスを評価する際には、周波数変換器を用いる場合に、次のようなことが課題となる。すなわち、上述した１チャンネルの帯域が２．１６ＧＨｚとなるような変調信号を入力又は出力する周波数変換器は、非常に高価である。また、測定を行う為のセットアップが複雑であり、機器の接続間違いが発生しやすかったり、調整に時間を要したりすることがある。これらの課題が生じる原因の一つに、周波数変換器に含まれているミキサ（すなわち混合器）の構成がある。
図７は、ミリ波で使用される周波数変換器が備えるミキサの構成の一例を示している。
一般的に、ミリ波で超広帯域の変調信号を取り扱える、周波数特性が平坦な周波数変換器を製造する事は困難である。また、平坦な周波数特性を維持しての、センチメートル波からミリ波信号の直接的な生成およびミリ波からセンチメートル波信号の直接的な変換は困難である。そのため、図７に示すようなダブル・スーパー・ヘテロダイン方式の周波数変換器２００を採用することが一般的である。図７に示した周波数変換器２００は、異なる２種類の周波数ｆＬＯ１及びｆＬＯ２を局部発振信号として入力する２個のミキサ２０１及び２０２を備えている。周波数変換器２００は、アップコンバータとして使用される場合、周波数ｆＩＦ１の変調信号をミキサ２０１へ入力し、周波数ｆＩＦ１と周波数ｆＬＯ１の和の値の中間周波数ｆＩＦ２を持つ信号に変換される。さらに、周波数ｆＩＦ２の信号をミキサ２０２へ入力し、周波数ｆＩＦ２と周波数ｆＬＯ２の和の値の周波数ｆＲＦの高周波信号に変換される。一方、ダウンコンバータとして使用される場合、周波数変換器２００は、周波数ｆＲＦの高周波信号をミキサ２０２へ入力し、周波数ｆＲＦと周波数ｆＬＯ２の差の値の中間周波数ｆＩＦ２を持つ信号に変換される。さらに、周波数ｆＩＦ２の信号をミキサ２０１へ入力し、周波数ｆＩＦ２と周波数ｆＬＯ１の差の値の周波数ｆＩＦ１の変調信号に変換される。
図７に示したダブルスーパーヘテロダイン方式の周波数変換器２００は、ミキサを２個備えている。そのため、２種類の局部発振信号を用意しなければならない。また、ミキサ間の配線も必要となる。これらの構成上の問題が、高価格化や、測定を行う際のセットアップの複雑化、機器の接続間違いの可能性増大、調整の長時間化の一因となっている。
本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、簡単化した構成を有する周波数変換ユニット、計測システム及び計測方法を提供する。
上記の課題を解決するため、本発明の計測システムは、所定の入力信号と、所定の局部発振信号とを入力し、前記入力信号と、前記局部発振信号の周波数をｎ倍した高調波信号とを混合した信号を出力信号として出力する周波数変換器を用いた計測システムであって、補正を施した波形を有する信号を発生して、第１の周波数変換器へ出力する信号発生器と、前記第１の周波数変換器から出力された信号を受信した第２の周波数変換器が出力した信号を計測する信号計測器と、前記信号計測器の計測結果に対して、前記補正を施す補正処理部とを備え、前記第１の周波数変換器及び前記第２の周波数変換器の各々が、半導体素子の非線形特性を利用して前記高調波信号と前記入力信号とを混合するハーモニック・ミキサであり、前記入力信号又は前記出力信号が、当該周波数変換器への入力前に又は当該周波数変換器からの出力後に、予め計測された当該周波数変換器の振幅及び位相の周波数特性に基づき前記補正が施される前記周波数変換器であることを特徴とする。
また、本発明の他の計測システムは、前記逓倍器が出力段に可変利得アンプまたは飽和機能を有する手段を有していることを特徴とする。
また、本発明の他の計測システムは、さらに前記局部発振信号の周波数をｋ倍逓倍し、その信号を前記ハーモニック・ミキサへ入力する逓倍器を備えている、ことを特徴とする。
また、本発明の他の計測システムは、前記計測が、ベクトル・ネットワーク・アナライザを用いて行われるものであり、前記ベクトル・ネットワーク・アナライザが、前記周波数変換器へ入力される前記入力信号を生成して出力し、前記周波数変換器から出力された前記出力信号を入力して計測することで、前記周波数変換器の振幅及び位相の周波数特性を計測するものであり、かつ、前記入力信号が、前記ベクトル・ネットワーク・アナライザから、アイソレータ又はアッテネータを介して、前記周波数変換器へ入力される、ことを特徴とする。
また、本発明の計測方法は、所定の入力信号と、所定の局部発振信号とを入力し、前記入力信号と、前記局部発振信号の周波数をｎ倍した高調波信号とを混合した信号を出力信号として出力する周波数変換器を用いた計測システムによる計測方法であって、補正を施した波形を有する信号を発生して、第１の周波数変換器へ出力する信号発生器と、前記第１の周波数変換器から出力された信号を受信した第２の周波数変換器が出力した信号を計測する信号計測器と、前記信号計測器の計測結果に対して、前記補正を施す補正処理部とを備え、前記第１の周波数変換器及び前記第２の周波数変換器の各々が、半導体素子の非線形特性を利用して前記高調波信号と前記入力信号とを混合するハーモニック・ミキサであり、前記入力信号又は前記出力信号が、当該周波数変換器への入力前に又は当該周波数変換器からの出力後に、予め計測された当該周波数変換器の振幅及び位相の周波数特性に基づき前記補正が施される前記周波数変換器である計測システムを用いて、前記第１の周波数変換器と、前記第２の周波数変換器との間に試験品を挿入し、前記試験品の高周波特性を計測する。
また、上記の課題を解決するため、本発明の周波数変換ユニットは、所定の入力信号と、所定の局部発振信号とを入力し、前記入力信号と、前記局部発振信号の周波数をｎ倍した高調波信号とを混合した信号を出力信号として出力する周波数変換ユニットであって、前記入力信号と、前記高調波信号とを混合する回路が、半導体素子の非線形特性を利用して前記高調波信号と 前記入力信号とを混合する、ハーモニック・ミキサであり、前記入力信号又は前記出力信号が、周波数変換器への入力前に又は当該周波数変換器からの出力後に、予め計測された当該周波数変換器の振幅及び位相の周波数特性に基づき補正が施される、入力信号補正部又は出力信号補正部を有することを特徴とする。
また、本発明の他の周波数変換ユニットは、前記逓倍器が出力段に可変利得アンプまたは飽和機能を有する手段を有していることを特徴とする。
また、本発明の他の周波数変換ユニットは、さらに前記局部発振信号の周波数をｋ倍逓倍し、その信号を前記ハーモニック・ミキサへ入力する逓倍器を備えている、ことを特徴とする。
また、本発明の他の周波数変換ユニットは、前記計測が、ベクトル・ネットワーク・アナライザを用いて行われるものであり、前記ベクトル・ネットワーク・アナライザが、前記周波数変換器へ入力される前記入力信号を生成して出力し、前記周波数変換器から出力された前記出力信号を入力して計測することで、前記周波数変換器の振幅及び位相の周波数特性を計測するものであり、かつ、前記入力信号が、前記ベクトル・ネットワーク・アナライザから、アイソレータ又はアッテネータを介して、前記周波数変換器へ入力される、ことを特徴とする。
本発明によれば、周波数変換器が備えるミキサを、１個のハーモニック・ミキサで構成することができる。よって、構成を簡単化することができる。
本発明の実施形態の周波数変換器が備えるハーモニック・ミキサの基本構成を説明するための図である。 本発明の一実施形態としての周波数変換器１０の構成例を示したブロック図である。 本発明の他の実施形態としての周波数変換器２０の構成例を示したブロック図である。 本発明の一実施形態としての計測システム１の構成例を示したシステム図である。 図４の計測システム１による計測処理の流れの一例を示したフローチャートである。 図４の計測システム１における補正の有無の比較結果の一例を示した図である。 本発明の背景技術を説明するための図である。
以下、図面を参照して発明の実施の形態について説明する。まず、図１を参照して、本発明の実施形態としての周波数変換器が備えるハーモニック・ミキサの基本構成について説明する。図１は、本発明の実施形態としての周波数変換器が備えるハーモニック・ミキサ１００の構成例を示した図である。また、本発明の実施形態は、ミリ波である超広帯域の変調信号、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａｄの規格に対応する周波数帯域の信号の測定に、周波数特性が平坦な周波数変換器としてのハーモニックミキサに関するものである。また、本実施形態は、このハーモニックミキサを用いて、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄの規格に対応するように、ミリ波である超広帯域の変調信号を、汎用なデジタルオシロスコープを用いて簡易に測定できる測定系に関するものである。
図１に示したハーモニック・ミキサ１００は、入力された局部発振信号を歪ませてその高調波を生成する回路を内部に有するミキサである。ハーモニック・ミキサ１００は、周波数ｆＬＯ１の局部発振信号を入力し、ミキサ内部で局部発振信号を歪ませることでのｎ倍の周波数ｎ×ｆＬＯ１の高調波を生成して、その周波数ｎ×ｆＬＯ１の高調波を周波数ｆＲＦの入力信号（ダウンコンバータの場合）又は周波数ｆＩＦ１の入力信号（アップコンバータの場合）と混合する。
ハーモニック・ミキサ１００をダウンコンバータとして用いる場合、局部発振信号を適切に選択することで、ある局部発振信号（ｆＬＯ１）の高調波（ｎ×ｆＬＯ１）と入力周波数（ｆＲＦ）が混合され適当な中間周波数（ｆＩＦ１）の出力信号が得られる。その関係を次式で示す。ｎはハーモニック数と呼ばれる２以上の整数であり、高調波の次数を表す。なお、図７を参照して説明したような通常のミキサでは、高調波を用いずに周波数変換を行うのでｎ＝１である。
ｆＩＦ１＝ｆＲＦ−ｎ×ｆＬＯ１
一方、ハーモニック・ミキサ１００をアップコンバータとして用いる場合、局部発振信号を適切に選択することで、ある局部発振信号の高調波（ｎ×ｆＬＯ１）と入力周波数（ｆＩＦ１）が混合され適当な出力周波数（ｆＲＦ）の出力信号が得られる。その関係を次式で示す。
ｆＲＦ＝ｆＩＦ１＋ｎ×ｆＬＯ１
次に、図２を参照して、本発明の一実施形態としての周波数変換器１０の構成例について説明する。図２に示した周波数変換器１０は、アップコンバータとして構成されている。図２に示した周波数変換器１０は、ハーモニック・ミキサ１１と、ハイ・パス・フィルタ１２と、パワー・アンプ（ＰＡ）１３と、アイソレータ１４と、逓倍器１５とを備えている。
逓倍器１５は、例えば、逓倍数ｋ＝２の逓倍器であり、周波数ｆＬＯ１の局部発振信号を入力して周波数を２倍（すなわちｋ倍）し、周波数が２×ｆＬＯ１（すなわちｋ×ｆＬＯ１）の高周波信号を生成して出力信号として出力する。この逓倍器１５は、本実施形態において、局部発振信号の周波数ｆＬＯ１を例えば２倍とするため、アクティブダブラー（入力された信号の周波数を２倍して出力する能動的逓倍器）が用いられている。通常の逓倍器においては、出力される逓倍後の局部発振信号の電力が、逓倍する周波数によって変動する。この結果、後述するように、ハーモニック・ミキサ１１の振幅および位相の周波数特性Ｓパラメータを測定して、周波数変換器１０が出力する出力信号の補正処理を行う場合、逓倍器１５の出力する局部発振信号の信号レベルが不安定のため、周波数変換器１０が出力する出力信号に対して精度の高い補正ができず、正しい測定結果を得ることができない。このため、本実施形態においては、所定の周波数帯域において一定の電力の局部発振信号が出力されるように、逓倍した後の信号レベルを一定とするため、逓倍器１５の出力段に出力する局部発振信号の信号レベルを一定とするＡＧＣ（automatic gain control）のアンプ機能または、出力する局部発振信号の信号レベルを飽和させる電力飽和機能を有する手段が付加されており、所定の周波数帯域内における周波数のいずれにおいても信号レベル変化させずに一定の電力でハーモニック・ミキサ１１に対し、逓倍した局部発振信号を出力する。
上述した逓倍器１５を用いることで、局部発振信号をハーモニック・ミキサ１１に供給する際の電力レベルを、広い周波数帯域において安定させ、ハーモニック・ミキサ１１における変調精度及び信号レベルの再現性の各々を向上させる。これにより、周波数変換器１０の振幅および位相の周波数特性（Ｓパラメータ）を予め測定しておき、周波数変換器１０が出力する信号の補正処理を上記周波数特性により行う際、逓倍器１５の出力する局部発振信号の信号レベルが周波数によらず一定のため、所定の周波数帯域における周波数のいずれにおいても周波数変換器１０が出力する信号に対して精度の高い補正ができ、正しい測定結果を得ることができる。ここで、逓倍器１５は、ハーモニック・ミキサ１１のハーモニック数と組合わせて変更するため、任意に逓倍数を変更できる構成となっている。
ハーモニック・ミキサ１１は、ハーモニック数ｎ＝２のハーモニック・ミキサであり、周波数ｆＩＦ１の変調信号を入力信号として入力するとともに、逓倍器１５が出力した周波数が２×ｆＬＯ１の高周波信号を入力する。ハーモニック・ミキサ１１は、入力した周波数（２×ｆＬＯ１）の高周波信号の２倍の周波数（２×２×ｆＬＯ１＝４×ｆＬＯ１）の高調波信号を内部で生成し、周波数ｆＩＦ１の入力信号と混合する。ハーモニック・ミキサ１１は、生成した周波数４×ｆＬＯ１の高調波信号と周波数ｆＩＦ１の入力信号とを混合することで、周波数ｆＩＦ１＋４×ｆＬＯ１の高周波信号を生成して出力する。ハーモニック・ミキサ１１の出力は、ハイ・パス・フィルタ１２へ入力される。ハイ・パス・フィルタ１２は、入力信号の低周波成分を減衰させて出力する。ハイ・パス・フィルタ１２から出力された信号は、パワー・アンプ１３で増幅され、アイソレータ１４へと入力される。アイソレータ１４は、高周波電力を１方向にだけ通すデバイスであり、パワー・アンプ１３の出力への反射波の入力を抑制する。そして、アイソレータ１４から周波数ｆＲＦ＝ｆＩＦ１＋４×ｆＬＯ１の出力信号が出力される。なお、図２に示した例では逓倍数ｋとハーモニック数ｎとをどちらも２としたが、これに限らず個々に任意の値とすることができる。
ここで例えばｆＩＦ１＝３ＧＨｚ、ｆＬＯ１＝１４．２５ＧＨｚ、逓倍数ｋ＝２、ハーモニック数ｎ＝２とすれば、出力信号の周波数ｆＲＦはｆＲＦ＝ｆＩＦ１＋ｋ×ｎ×ｆＬＯ１＝３＋２×２×１４．２５＝６０ＧＨｚとなる。この場合、周波数変換器１０は、入力信号の周波数ｆＩＦ１＝３ＧＨｚを、周波数ｆＲＦ＝６０ＧＨｚにアップコンバートする。
なお、アップコンバータとして構成する場合の周波数変換器１０の構成は、図２に示したものに限定されず、適宜変更が可能である。例えば、ハイ・パス・フィルタ１２をバンド・パス・フィルタに変更したり、各部に適宜、ロー・パス・フィルタやバンド・パス・フィルタを追加（挿入）したり、あるいはパワー・アンプ１３やアイソレータ１４を省略したりすることができる。また、アイソレータ１４に代えてアッテネータ（高周波用減衰器）を用いることもできる。また、上記の構成では、逓倍器１５を設けているので、ハーモニック・ミキサ１１のハーモニック数ｎを逓倍数ｋの値に応じて小さくすることができる。ただし、逓倍器１５は省略することもできる。
次に、図３を参照して、本発明の一実施形態としての周波数変換器２０の構成例について説明する。図３に示した周波数変換器２０は、ダウンコンバータとして構成されている。図３に示した周波数変換器２０は、アイソレータ２１と、ロー・ノイズ・アンプ（ＬＮＡ）２２と、ハーモニック・ミキサ２３と、ロー・パス・フィルタ２４と、逓倍器２５と、アッテネータ（ＡＴＴ）２６、プリアンプ（ＡＣＧ：可変利得アンプ）２７を備えている。
アイソレータ２１は、周波数ｆＲＦの高周波信号を入力信号として入力し、出力をロー・ノイズ・アンプ２２へ入力する。アイソレータ２１は、入力信号の反射波の発生を抑制する。ロー・ノイズ・アンプ２２は、入力信号を増幅して、ハーモニック・ミキサ２３へ出力する。逓倍器２５は、逓倍数ｋ＝２の逓倍器であり、周波数ｆＬＯ１の局部発振信号を入力して周波数を２倍し、周波数が２×ｆＬＯ１の高周波信号を生成して出力する。ハーモニック・ミキサ２３は、ハーモニック数ｎ＝２のハーモニック・ミキサであり、ロー・ノイズ・アンプ２２が出力した周波数ｆＲＦの高周波信号を入力するとともに、逓倍器２５が出力した周波数が２×ｆＬＯ１の高周波信号を入力する。ハーモニック・ミキサ２３は、入力した周波数（２×ｆＬＯ１）の高周波信号の２倍の周波数（２×２×ｆＬＯ１＝４×ｆＬＯ１）の高調波信号を内部で生成し、周波数ｆＲＦの入力信号と混合する。ハーモニック・ミキサ２３は、生成した周波数４×ｆＬＯ１の高調波信号と周波数ｆＲＦの入力信号とを混合することで、周波数ｆＲＦ−４×ｆＬＯ１の高周波信号を生成して出力する。ハーモニック・ミキサ２３の出力は、ロー・パス・フィルタ２４へ入力される。ロー・パス・フィルタ２４は、入力信号の高周波成分を減衰させる。この場合、ロー・パス・フィルタ２４からは、周波数ｆＩＦ１＝ｆＲＦ−４×ｆＬＯ１の高周波信号（変調信号）が出力される。なお、図３に示した例では逓倍数ｋとハーモニック数ｎとをどちらも２としたが、これに限らず個々に任意の値とすることができる。
ここで例えばｆＲＦ＝６０ＧＨｚ、ｆＬＯ１＝１４．２５ＧＨｚ、ｋ＝２、ｎ＝２とすれば、出力信号の周波数ｆＩＦ１＝ｆＲＦ−ｋ×ｎ×ｆＬＯ１＝６０−２×２×１４．２５＝３ＧＨｚとなる。この場合、周波数変換器２０は、入力信号の周波数ｆＲＦ＝６０ＧＨｚを、周波数ｆＩＦ１＝３ＧＨｚにダウンコンバートする。
なお、ダウンコンバータとして構成する場合の周波数変換器２０の構成は、図３に示したものに限定されず、適宜変更が可能である。例えば、ロー・パス・フィルタ２４をバンド・パス・フィルタに変更したり、各部に適宜、ハイ・パス・フィルタやバンド・パス・フィルタを追加（挿入）したり、あるいはロー・ノイズ・アンプ２２やアイソレータ２１を省略したりすることができる。また、アイソレータ２１に代えてアッテネータを用いることもできる。また、上記の構成では、逓倍器２５を設けているので、ハーモニック・ミキサ２３のハーモニック数ｎを逓倍数ｋの値に応じて小さくすることができる。ただし、逓倍器２５は省略することもできる。
アッテネータ２６は、プリアンプ２７の入力端子から反射する信号の信号レベルを減衰させ、ハーモニック・ミキサ２３の出力端子において、プリアンプ２７から反射されて戻ってくる信号による出力信号に対する影響を抑制する。このアッテネータ２６は、ローパスフィルタ２４とプリアンプ２７との間に介挿されている。
プリアンプ２７は、後段のデジタル・オシロスコープ（後述するデジタル・オシロスコープ８）に対し、ローパスフィルタ２４からの出力信号の信号レベルを増幅して出力する。これにより、周波数変換器２０からの出力信号を測定するデジタル・オシロスコープの入力の感度が低い場合でも、周波数変換器２０から出力される出力信号を任意の信号レベルに増幅することができる。このため、出力信号の計測を行うデジタル・オシロスコープのダイナミックレンジに合わせて、周波数変換器２０からの出力信号の信号レベルを適切に調整することが可能となる。
また、周波数変換器２０から出力される出力信号の信号レベルをデジタル・オシロスコープ８の感度に合わせるため、増幅器を周波数変換器２０及びオシロスコープ８間に介挿した場合、この増幅器の特性が未知のため、出力信号の正しい測定結果を得ることができない。しかしながら、本実施形態のように周波数変換器２０内部に対して、出力信号の信号レベルを調整するプリアンプ２７を予め設けることにより、このプリアンプ２７の周波数特性も、周波数変換器２０の周波数特性に含めることができるため、周波数変換器２０を用いることで、デジタル・オシロスコープの入力の感度に合わせて、高い精度で出力信号を測定できる測定系を簡易に構成することができる。
逓倍器２５は、逓倍器１５と同様に、本実施形態において局部発振信号の周波数ｆＬＯ１を例えば２倍とするため、アクティブダブラーが用いられている。通常の逓倍器においては、出力される逓倍後の局部発振信号の電力が、逓倍する周波数によって変動する。この結果、後述するように周波数変換器２０の振幅および位相の周波数特性（Ｓパラメータ）を測定して、周波数変換器２０の出力する出力信号の補正処理を行う場合、逓倍器１５の出力する局部発振信号の信号レベルが不安定のため、周波数変換器２０が出力する出力信号に対して精度の高い補正ができず、正しい測定結果を得ることができない。このため、本実施形態においては、所定の周波数帯域において一定の電力の局部発振信号が出力されるように、逓倍した後の信号レベルを一定とするため、出力部にＡＧＣのアンプ機能が付加されており、所定の周波数帯域における周波数のいずれにおいても信号レベルを変化させずに一定の電力でハーモニック・ミキサ２３に対し、逓倍した局部発振信号を出力する。
上述した逓倍器２５を用いることで、局部発振信号をハーモニック・ミキサ２３に供給する際の電力レベルを、広い周波数帯域において安定させ、ハーモニック・ミキサ２３における変調精度及び電力レベルの再現性の各々を向上させる。これにより、周波数変換器２０の振幅および位相の周波数特性（Ｓパラメータ）を予め測定しておき、周波数変換器２０から出力される信号の補正処理を上記周波数特性により行う際、逓倍器２３の出力する局部発振信号が一定のため、所定の周波数帯域における周波数のいずれにおいても周波数変換器２０が出力する信号に対して精度の高い補正ができ、正しい測定結果を得ることができる。ここで、逓倍器２５は、ハーモニック・ミキサ２３のハーモニック数と組合わせて変更するため、任意に逓倍数を変更できる構成となっている。
また、図１〜図３に示したハーモニック・ミキサ１００、１１及び２３の各々は、ハーモニック数ｎが４に限らず、２、６等でもよい。さらに、ｎの値は偶数に限らず、奇数としてもよい。ハーモニック・ミキサ１００、１１及び２３の各々は、逓倍器１５の逓倍数と組合わせて、ハーモニック数ｎの値を任意に切り替えられるように構成してもよい。
すなわち、使用するハーモニックミキサの種類によっては、その回路特性などを起因として、周波数変換を行う周波数や周波数帯域幅などにより、ハーモニック数によっては、スプリアスが発生する場合もある。このため、周波数及び周波数帯域に対応した測定や実験等を行い、ハーモニックミキサのハーモニック数を、使用するハーモニックミキサの特性に合わせて、逓倍器１５の倍数との組合せも含めて、適時良好な数値として設定する必要がある。
次に、図４を参照して、本発明の一実施形態としての計測システム１について説明する。図４は、本発明の一実施形態としての計測システム１の構成例を示したシステム図である。なお、図４において、図２及び図３に示した構成と同一のものには同一の符号を付けている。図４に示した計測システム１は、補正用データ取得部２と、計測部３とを備えている。
計測部３は、制御部５と、任意信号発生器６と、周波数変換器１０と、周波数変換器２０と、デジタル・オシロスコープ８と、局部発振器４０とを備えている。また、計測対象のサンプルである高周波デバイス等の試験品７は、計測時において、周波数変換器１０と周波数変換器２０との間に挿入される。試験品７は、例えば、アンテナ、ロー・ノイズ・アンプ等のデバイスである。これらの構成のうち、少なくとも、任意信号発生器６と、デジタル・オシロスコープ８とは、市販されている校正された計測機器であるとする。
制御部５は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータを用いて構成されている。制御部５は、プリ・ディストーション処理部５１と、補正データ記憶部５２と、イコライゼーション処理部５３と、解析部５４とを備えている。ここで、プリ・ディストーション処理部５１と、イコライゼーション処理部５３と、解析部５４とは、制御部５を構成するコンピュータ上で、当該コンピュータのハードウェア資源を利用して実行されるソフトウェアとして構成されている。また、補正データ記憶部５２は、制御部５が有する記憶装置内の所定の記憶領域として構成されている。
補正データ記憶部５２は、補正用データ取得部２で取得した、周波数変換器１０及び周波数変換器２０の入出力信号間の振幅及び位相の変化の周波数特性（すなわち伝送特性を表す２ポートＳパラメータＳ２１）を示すデータを記録する。ただし、周波数特性を記録することに代えてあるいは記録することとともに、例えば、どのように波形を補正するかということを示すデータを記録することもできる。
プリ・ディストーション処理部５１は、補正データ記憶部５２に記憶されている、周波数変換器１０及び周波数変換器２０の振幅及び位相の周波数特性を示すデータに基づき、任意信号発生器６が発生する信号波形を補正するための処理を行う。例えば、プリ・ディストーション処理部５１は、アップコンバータである周波数変換器１０の振幅及び位相の周波数特性を示すデータに基づき、周波数変換器１０による振幅特性のバラツキと位相特性のバラツキとを打ち消すように（すなわち周波数特性が平坦となるように）、任意信号発生器６が発生する波形の振幅値と位相値とを周波数に応じて変化させる。プリ・ディストーション処理部５１は、例えば、周波数変換器１０の出力信号の振幅値が他の周波数帯域と比較してある周波数帯域で減衰したような場合、その減衰分を打ち消すようにその周波数帯域で振幅値を増幅する補正を行う。また、プリ・ディストーション処理部５１は、例えば、周波数変換器１０の出力信号の位相が他の周波数帯域と比較してある周波数帯域で遅れたような場合、その遅れ分を打ち消すようにその周波数帯域で位相を進める補正を行う。
イコライゼーション処理部５３は、デジタル・オシロスコープ８が計測及び記録した計測データに対して、補正データ記憶部５２に記憶されている、周波数変換器１０及び周波数変換器２０の振幅及び位相の周波数特性を示すデータに基づき、補正を施す処理を行う。例えば、イコライゼーション処理部５３は、ダウンコンバータである周波数変換器２０の振幅及び位相の周波数特性を示すデータに基づき、周波数変換器２０による振幅特性のバラツキと位相特性のバラツキとを打ち消すように（すなわち周波数特性が平坦となるように）、計測データの振幅値と位相値とを周波数に応じて変化させる。イコライゼーション処理部５３は、例えば、周波数変換器２０の出力信号の振幅値が他の周波数帯域と比較してある周波数帯域で減衰したような場合、その減衰分を打ち消すようにその周波数帯域で振幅値を増幅する補正を行う。また、イコライゼーション処理部５３は、例えば、周波数変換器２０の出力信号の位相が他の周波数帯域と比較してある周波数帯域で遅れたような場合、その遅れ分を打ち消すようにその周波数帯域で位相を進める補正を行う。
解析部５４は、イコライゼーション処理部５３が補正した計測データに基づき、試験品７の所定の高周波特性を解析する処理を行う。
任意信号発生器６は、任意信号発生器６が有する操作子を用いた所定の設定操作や制御部５から入力された制御信号に基づき任意の形状の波形を発生して、周波数変換器１０に入力する。以下の説明では、任意信号発生器６が、中心周波数ｆＩＦ１の所定の帯域幅を有する変調信号を出力するものとする。
周波数変換器１０は、図２に示したようにアップコンバータとして構成されていて、任意信号発生器６が出力した周波数ｆＩＦ１の信号を入力信号、局部発振器４０が出力した周波数ｆＬＯ１の信号を局部発振信号として入力する。そして、周波数変換器１０は、周波数ｆＩＦ１の入力信号と周波数ｆＬＯ１の局部発振信号のｋ×ｎ倍の高調波信号とを混合し、出力信号として周波数ｆＲＦの高周波信号を出力する。
周波数変換器２０は、図３に示したようにダウンコンバータとして構成されていて、周波数変換器１０が出力した周波数ｆＲＦの信号を例えば試験品７を介して入力信号として入力するとともに、局部発振器４０が出力した周波数ｆＬＯ１の信号を局部発振信号として入力する。そして、周波数変換器２０は、周波数ｆＲＦの入力信号と周波数ｆＬＯ１の局部発振信号のｋ×ｎ倍の高調波信号とを混合し、出力信号として周波数ｆＩＦ１の信号を出力する。
デジタル・オシロスコープ８は、周波数変換器２０の出力信号を所定のサンプリング間隔で取り込み、内部の所定の記憶装置に記録する。
局部発振器４０は、周波数ｆＬＯ１の局部発振信号を発生し、例えば図示していない分配器を用いて分配し、周波数変換器１０及び周波数変換器２０へ入力する。
一方、補正用データ取得部２は、図２及び図３を参照して説明した周波数変換器１０及び周波数変換器２０の伝送特性（すなわち伝送特性を表す２ポートＳパラメータＳ２１）を試験品７の計測に先立ち、予め取得するための構成である。すなわち、補正用データ取得部２は、計測部３による試験品７の高周波特性の計測前に予め周波数変換器１０及び周波数変換器２０の振幅及び位相の周波数特性を計測する。
図４に示した例では、補正用データ取得部２が、ミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４を備えて構成されている。ミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４は、試験品のミリ波帯のＳパラメータ等の高周波特性を計測する計測機器であり、この場合、市販の校正された装置であるとする。補正用データ取得部２では、ミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４に、アイソレータ３０と、周波数変換器１０又は２０と、局部発振器７０からなる回路が接続される。局部発振器７０は、例えば局部発振器４０と同じ周波数の局部発振信号を発生し、周波数変換器１０又は２０に対して局部発振信号として入力する。ただし、この局部発振信号はミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４から与えてもよい。周波数変換器１０と周波数変換器２０とは、いずれか一方ずつミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４に接続され、個々に入力信号と出力信号との間の振幅と位相の変化（すなわち伝送特性）の周波特性が計測される。
アイソレータ３０は、ミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４の信号出力端子と、周波数変換器１０又は２０の信号入力端子との間に挿入されている。このアイソレータ３０は、ミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４から出力されて周波数変換器１０又は２０へ入力された信号が、ミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４へ反射することを抑制する。なお、アイソレータ３０に代えて、アッテネータを用いてもよい。出願人においては、このアイソレータ３０等を設けることで、プリ・ディストーション処理部５１とイコライゼーション処理部５３とが行う波形補正の効果が向上することを確認している。
なお、周波数変換器１０及び２０の周波数特性を計測する際の周波数掃引の範囲は、試験品７に入力される高周波信号ｆＲＦや変調信号の帯域幅に応じて設定することができる。例えば、試験品７が、所定の無線通信に適用されるデバイスであれば、当該無線通信で使用される各チャンネルのキャリア周波数と、各チャンネルの変調信号の帯域幅とから決まる周波数範囲をカバーするように設定することができる。
ミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４を使用して計測した結果、すなわち周波数変換器１０及び周波数変換器２０の振幅及び位相の周波数特性（すなわち伝送特性を表す２ポートＳパラメータＳ２１）は、所定の記録媒体や所定の通信線を介して制御部５に読み込ませ、補正データ記憶部５２に格納する。
次に、図４及び図５を参照して、計測システム１によって試験品７の高周波特性を計測する際の処理の流れについて説明する。
まず、ユーザが、ミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４を使用して周波数変換器１０及び２０の振幅および位相の周波数特性（ＳパラメータＳ２１）を取得する（ステップＳ１０１）。すなわち、ハーモニックミキサを含む周波数変換器１０及び２０のＳパラメータをミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ４により予め測定する。ただし、この計測は、例えば制御部５の制御下で自動的又は半自動的に行うこともできる。
次に、ユーザによる制御部５等に対する所定の指示操作に従って、ステップＳ１０１で取得した振幅および位相の周波数特性（ＳパラメータＳ２１）が補正データ記憶部５２に格納される（ステップＳ１０２）。
次に、ユーザによる制御部５に対する所定の指示操作に従って、プリ・ディストーション処理部５１が、補正データ記憶部５２に格納されている振幅および位相の周波数特性（ＳパラメータＳ２１）に基づき、任意信号発生器６で生成する波形（基準信号とする）に施すプリ・ディストーションを設定する（ステップＳ１０３）。
次に、ユーザが、周波数変換器（アップコンバータ）１０と周波数変換器（ダウンコンバータ）２０とを直接（すなわち最短の導波管等を介して）接続し、ユーザが、直接あるいは制御部５を介して所定の指示操作を行うことで、任意信号発生器６で発生した補正された基準信号を周波数変換器（アップコンバータ）１０へ入力し、周波数変換器（ダウンコンバータ）２０の出力をデジタル・オシロスコープ８で計測して記録する（ステップＳ１０４）。この周波数変換器（アップコンバータ）１０の出力端子（例えば導波管の挿入口として形成されている）と、周波数変換器（ダウンコンバータ）２０の入力端子（例えば導波管の挿入口として形成されている）とが、試験品７のミリ波帯の高周波特性を計測する際の基準面（ミリ波基準面とする）となる。また、ミリ波基準面を基準として図に向かって左側が送信側（すなわちアップコンバーション動作）であり、ミリ波基準面を基準として図に向かって右側が受信側（すなわちダウンコンバーション動作）である。
次に、ユーザが、周波数変換器（アップコンバータ）１０と周波数変換器（ダウンコンバータ）２０との間に試験品７を挿入し、ユーザが、直接あるいは制御部５を介して所定の指示操作を行うことで、任意信号発生器６で発生した補正された基準信号を周波数変換器（アップコンバータ）１０へ入力し、周波数変換器（ダウンコンバータ）２０の出力をデジタル・オシロスコープ８が測定して記録する（ステップＳ１０５）。
次に、ユーザによる制御部５に対する所定の指示操作に従って、イコライゼーション処理部５３が、デジタル・オシロスコープ８で記録されたデータに対して、補正データ記憶部５２に格納されている振幅および位相の周波数特性（ＳパラメータＳ２１）に基づき補正処理（すなわちイコライゼーション処理）を施す（ステップＳ１０６）。ここでは、例えばステップＳ１０４で記録された計測値と、ステップＳ１０５で記録された計測値の双方に対して補正処理が行われる。
次に、ユーザによる制御部５に対する所定の指示操作に従って、解析部５４が、イコライゼーション処理部５３によって補正処理されたデータに基づき例えばコンステレーション（変調精度）、スペクトラムマスク等を算出する処理を行う（ステップＳ１０７）。ここで、試験品７の高周波特性は、ステップＳ１０４で計測してさらにステップＳ１０６で補正した計測値における振幅や位相変化の値（あるいはインピーダンス、歪み量、各種パラメータ）を基準値として、その基準値からステップＳ１０５で計測してステップＳ１０６で補正した計測値における振幅や位相変化の値（あるいはインピーダンス、歪み量、各種パラメータ）がどれだけ変化したのかということに基づいて、解析結果を算出することができる。すなわち、ステップＳ１０４で計測したミリ波基準面の計測値（あるいはこれを補正したもの）を基準として、ステップＳ１０５で計測した試験品７の計測値（あるいはこれを補正したもの）の解析を行うことができる。
次に、図６を参照して、プリ・ディストーション処理部５１による送信側での周波数変換器１０への入力信号に対する振幅と位相の補正と、イコライゼーション処理部５３による受信側での周波数変換器２０からの出力信号に対する振幅と位相の補正との効果の確認結果について説明する。図６（ａ）は、プリ・ディストーション処理部５１による補正と、イコライゼーション処理部５３による補正とをいずれも行わなかった場合のスペクトラムマスクの観測結果である。一方、図６（ｂ）は、プリ・ディストーション処理部５１による補正と、イコライゼーション処理部５３による補正とを両方行った場合のスペクトラムマスクの観測結果である。ここで図６に記載したベクトル補正とは、振幅と位相の両者を補正することを意味している。
また、図６（ｃ）は、プリ・ディストーション処理部５１による補正と、イコライゼーション処理部５３による補正とをいずれも行わなかった場合のコンステレーションである。一方、図６（ｄ）は、プリ・ディストーション処理部５１による補正と、イコライゼーション処理部５３による補正とを両方行った場合のコンステレーションである。ＥＶＭ（エラー ベクトル振幅）の値は、補正を行わなかった場合に２３．９％であるのに対して、補正を行った場合に８．１％となっており、変調精度の改善が確認された。
以上のように、本発明の実施形態では、周波数変換器をハーモニック・ミキサを用いて構成したので、周波数変換器の構造を簡素化することができ、汎用的なデジタルオシロスコープを用いて変調信号の測定を行うため、製造コストの低下や測定セットアップのし易さを達成することができた。また、ハーモニック・ミキサを用いた場合、出力信号には多くのイメージ（偽像）信号を含んでしまう場合があり、このイメージ信号は、周波数変換された所望の信号と重なり合い変調精度等を悪化させる原因となることがあるが、振幅と位相の周波数特性の計測値を用いて波形を補正することで変調精度等の悪化を防止している。よって、仮に単体では周波数特性があまり良好ではない周波数変換器であっても、デジタル補正により特性を容易に改善することができる。すなわち、本実施形態においては、周波数変換器１０及び２０の周波数特性を予め計測により把握しておき、使用の際にデジタル補正を行って使用する。これらにより、仮にデバイス単体としての素性が良好でなくとも補正を施す事で、精度の高い計測を行うことができる。
なお、本発明の実施の形態は、上記のものに限定されない。例えば、周波数変換器１０や周波数変換器２０に、局部発振器４０を一体として組み込むことができる。局部発振器４０を周波数変換器１０や周波数変換器２０に組み込むことにより、より簡易に計測部３を構成することができる。また、周波数変換器１０や周波数変換器２０、局部発振器４０を、任意信号発生器６に組み込んだり、デジタル・オシロスコープ８に組み込んだりしてもよい。また、周波数変換器１０や周波数変換器２０についての振幅と位相の周波数特性の事前計測は、試験品７の測定の度に行う必要は無く、例えば、一定の期間ごとに計測すればよい。したがって、一般に高価であるミリ波ベクトルネットワークアナライザは、計測の際、常に用意する必要はない。また、事前計測のデータは、室温等の複数の計測環境において用意しておくこともできる。
１…計測システム、２…補正用データ取得部、３…計測部、４…ミリ波ベクトル・ネットワーク・アナライザ、５…制御部、６…任意信号発生器、８…デジタル・オシロスコープ、１０…周波数変換器、１１…ハーモニック・ミキサ、２０…周波数変換器、２３…ハーモニック・ミキサ、３０…アイソレータ、４０…局部発振器、５１…プリ・ディストーション処理部、５２…補正データ記憶部、５３…イコライゼーション処理部、５４…解析部、８１…ダイオード

Claims (9)

  1. 所定の入力信号と、所定の局部発振信号とを入力し、前記入力信号と、前記局部発振信号の周波数をｎ倍した高調波信号とを混合した信号を出力信号として出力する周波数変換器を用いた計測システムであって、
    補正を施した波形を有する信号を発生して、第１の周波数変換器へ出力する信号発生器と、
    前記第１の周波数変換器から出力された信号を受信した第２の周波数変換器が出力した信号を計測する信号計測器と、
    前記信号計測器の計測結果に対して、前記補正を施す補正処理部と
    を備え、
    前記第１の周波数変換器及び前記第２の周波数変換器の各々が、半導体素子の非線形特性を利用して前記高調波信号と前記入力信号とを混合するハーモニック・ミキサであり、前記入力信号又は前記出力信号が、当該周波数変換器への入力前に又は当該周波数変換器からの出力後に、予め計測された当該周波数変換器の振幅及び位相の周波数特性に基づき前記補正が施される前記周波数変換器である
    ことを特徴とする計測システム。
  2. さらに前記局部発振信号の周波数をｋ倍逓倍し、その信号を前記ハーモニック・ミキサへ入力する逓倍器を備えている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の計測システム。
  3. 前記逓倍器が出力段に可変利得アンプまたは飽和機能を有する手段を有している
    ことを特徴とする請求項２に記載の計測システム。
  4. 前記計測が、ベクトル・ネットワーク・アナライザを用いて行われるものであり、
    前記ベクトル・ネットワーク・アナライザが、前記周波数変換器へ入力される前記入力信号を生成して出力し、前記周波数変換器から出力された前記出力信号を入力して計測することで、前記周波数変換器の振幅及び位相の周波数特性を計測するものであり、かつ、
    前記入力信号が、前記ベクトル・ネットワーク・アナライザから、アイソレータ又はアッテネータを介して、前記周波数変換器へ入力される、
    ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の計測システム。
  5. 所定の入力信号と、所定の局部発振信号とを入力し、前記入力信号と、前記局部発振信号の周波数をｎ倍した高調波信号とを混合した信号を出力信号として出力する周波数変換器を用いた計測システムによる計測方法であって、
    補正を施した波形を有する信号を発生して、第１の周波数変換器へ出力する信号発生器と、
    前記第１の周波数変換器から出力された信号を受信した第２の周波数変換器が出力した信号を計測する信号計測器と、
    前記信号計測器の計測結果に対して、前記補正を施す補正処理部と
    を備え、
    前記第１の周波数変換器及び前記第２の周波数変換器の各々が、半導体素子の非線形特性を利用して前記高調波信号と前記入力信号とを混合するハーモニック・ミキサであり、前記入力信号又は前記出力信号が、当該周波数変換器への入力前に又は当該周波数変換器からの出力後に、予め計測された当該周波数変換器の振幅及び位相の周波数特性に基づき前記補正が施される前記周波数変換器である計測システムを用いて、
    前記第１の周波数変換器と、前記第２の周波数変換器との間に試験品を挿入し、前記試験品の高周波特性を計測する、
    計測方法。
  6. 所定の入力信号と、所定の局部発振信号とを入力し、前記入力信号と、前記局部発振信号の周波数をｎ倍した高調波信号とを混合した信号を出力信号として出力する周波数変換ユニットであって、
    前記入力信号と、前記高調波信号とを混合する回路が、半導体素子の非線形特性を利用して前記高調波信号と前記入力信号とを混合する、ハーモニック・ミキサであり、
    前記入力信号又は前記出力信号が、周波数変換器への入力前に又は当該周波数変換器からの出力後に、予め計測された当該周波数変換器の振幅及び位相の周波数特性に基づき補正が施される入力信号補正部又は出力信号補正部を有する、
    ことを特徴とする周波数変換ユニット。
  7. さらに前記局部発振信号の周波数をｋ倍逓倍し、その信号を前記ハーモニック・ミキサへ入力する逓倍器を備えている、
    ことを特徴とする請求項６に記載の周波数変換ユニット。
  8. 前記逓倍器が出力段に可変利得アンプまたは飽和機能を有する手段を有している
    ことを特徴とする請求項７に記載の周波数変換ユニット。
  9. 前記計測が、ベクトル・ネットワーク・アナライザを用いて行われるものであり、前記ベクトル・ネットワーク・アナライザが、前記周波数変換器へ入力される前記入力信号を生成して出力し、前記周波数変換器から出力された前記出力信号を入力して計測することで、前記周波数変換器の振幅及び位相の周波数特性を計測するものであり、かつ、前記入力信号が、前記ベクトル・ネットワーク・アナライザから、アイソレータ又はアッテネータを介して、前記周波数変換器へ入力される、
    ことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の周波数変換ユニット。
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