特開 2023-109551 ミキサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023109551

(43)【公開日】2023-08-08

(54)【発明の名称】ミキサ

(51)【国際特許分類】

   H03D 7/00 20060101AFI20230801BHJP

   H03D 7/10 20060101ALI20230801BHJP

   H03D 7/14 20060101ALI20230801BHJP

   H04B 1/26 20060101ALI20230801BHJP

   H04B 1/04 20060101ALI20230801BHJP

【ＦＩ】

H03D7/00 D

H03D7/00 E

H03D7/10

H03D7/14 C

H04B1/26 B

H04B1/26 D

H04B1/04 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022011118

(22)【出願日】2022-01-27

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和３年１２月１８日 ２０２１年度 電子情報通信学会 基礎・境界ソサイエティ 回路とシステム研究会 学生・若手研究会（ＩＣＤ ＣＡＳ）オンライン議事録 令和３年１２月２０日 ２０２１年度 電子情報通信学会 基礎・境界ソサイエティ 回路とシステム研究会 学生・若手研究会（ＩＣＤ ＣＡＳ）

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和元年度、総務省、電波資源拡大のための研究開発「集積電子デバイスによる大容量映像の非圧縮低電力無線伝送技術の研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504136568

【氏名又は名称】国立大学法人広島大学

(74)【代理人】

【識別番号】100163186

【弁理士】

【氏名又は名称】松永 裕吉

(72)【発明者】

【氏名】藤島 実

【テーマコード（参考）】

5K020

5K060

【Ｆターム（参考）】

5K020AA08

5K020BB06

5K020FF12

5K020FF16

5K020MM12

5K020MM13

5K060BB08

5K060DD04

5K060EE05

5K060HH16

5K060JJ03

5K060JJ04

5K060JJ08

(57)【要約】

【課題】３００ＧＨｚシリコンＣＭＯＳトランシーバに好適な雑音指数が小さいミキサを提供する。
【解決手段】トランジスタ１１，１２，１３，１４を備え、トランジスタ１１，１２，１３，１４のソースにＲＦ信号が接続され、トランジスタ１１，１２，１３，１４のゲートにＬＯ信号が接続され、トランジスタ１１，１２，１３，１４のドレインにＩＦ信号が接続されたミキサ１００であって、トランジスタ１１，１２，１３，１４のゲートに、ＲＦ信号の所望周波数帯に共振してＲＦ信号を遮断する共振器２１，２２，２３，２４が付加されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

トランジスタを備え、前記トランジスタのソースにＲＦ信号が接続され、前記トランジスタのゲートにＬＯ信号が接続され、前記トランジスタのドレインにＩＦ信号が接続されたミキサであって、
前記トランジスタのゲートに、前記ＲＦ信号の所望周波数帯に共振して前記ＲＦ信号を遮断する共振器が付加されている
ことを特徴とするミキサ。

【請求項2】

前記共振器が、インダクタンス素子とキャパシタンス素子が直列接続されてなり前記ＬＯ信号の周波数帯に共振する直列ＬＣ共振回路に、さらにキャパシタンス素子が並列接続されてなり前記ＲＦ信号の所望周波数帯に共振する直並列ＬＣ共振回路であり、
前記直並列ＬＣ共振回路の第１端が前記トランジスタのゲートに接続され、第２端に前記ＬＯ信号が接続されている、請求項１に記載のミキサ。

【請求項3】

前記トランジスタを２個備え、前記トランジスタのソースに差動のＲＦ信号が接続され、前記トランジスタのドレインに差動のＩＦ信号が接続されており、
前記共振器が、インダクタンス素子とキャパシタンス素子が並列接続されてなり前記ＲＦ信号の所望周波数帯に共振する並列ＬＣ共振回路であり、
前記並列ＬＣ共振回路の第１端が一の前記トランジスタのゲートに接続され、第２端が他の前記トランジスタのゲートに接続され、前記インダクタンス素子の中性点に前記ＬＯ信号が接続されている、請求項１に記載のミキサ。

【請求項4】

前記トランジスタのバックゲートに負バイアスが印加される、請求項１ないし３のいずれかに記載のミキサ。

【請求項5】

前記トランジスタが線形領域で動作するトランジスタである、請求項１ないし４のいずれかに記載のミキサ。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれかに記載のミキサが初段に配置されたテラヘルツ帯シリコンＣＭＯＳ受信機。

【請求項7】

請求項１ないし５のいずれかに記載のミキサが最終段に配置されたテラヘルツ帯シリコンＣＭＯＳ送信機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ミキサ（mixer）に関し、特に、３００ＧＨｚ帯シリコンＣＭＯＳトランシーバに好適なミキサに関する。

【背景技術】

【0002】

第６世代移動通信システム（６Ｇ）では、３００ＧＨｚ帯を使用して１００Ｇｂ／ｓ以上のデータレートを実現することを目指している。一般的に受信機は、初段の低雑音増幅器でアンテナの受信電波（ＲＦ信号）を増幅し、後段のミキサで局部発振周波数信号（ＬＯ信号）とミキシングして中間周波数信号（ＩＦ信号）生成するように構成されるが、３００ＧＨｚ帯シリコンＣＭＯＳ受信機では初段に低雑音増幅器が使えないため初段にミキサを配置するミキサファーストの構成にされる。３００ＧＨｚ帯シリコンＣＭＯＳ送信機では最終段に電力増幅器が使えないため最終段にミキサを配置するミキサラストの構成にされる。３００ＧＨｚ帯シリコンＣＭＯＳトランシーバ用のミキサとして、図８に示したような４個のトランジスタ１１，１２，１３，１４で構成され、ＲＦ信号、ＬＯ信号、ＩＦ信号がすべて差動信号であるようなダブルバランスミキサがよく用いられる（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１９５０５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

受信機の重要な性能指標の一つに、入力での所望信号電力と雑音信号電力の比（Ｓ／Ｎ比）が出力でどれだけ悪化したかを表す雑音指数（ＮＦ）がある。フリスの式から、多段回路のＮＦは最初の数段が支配的となり、初段回路のＮＦと利得の影響を最も受ける。特に初段ミキサが線形領域で動作するトランジスタで構成された時変抵抗ミキサ（以下、ＴＶＲミキサという。）である場合、当該ミキサのＮＦは入力信号の有能電力Ｓ_ｉｎと出力信号の有能電力Ｓ_ｏｕｔの比Ｓ_ｉｎ／Ｓ_ｏｕｔで表される変換損失と等しくなる。したがって、３００ＧＨｚ帯シリコンＣＭＯＳ受信機のＮＦを向上させるには初段ミキサのＮＦをいかに小さくするかが鍵となる。

【0005】

上記問題に鑑み、本発明は、雑音指数の小さいミキサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係るミキサは、トランジスタを備え、前記トランジスタのソースにＲＦ信号が接続され、前記トランジスタのゲートにＬＯ信号が接続され、前記トランジスタのドレインにＩＦ信号が接続されたミキサであって、前記トランジスタのゲートに、前記ＲＦ信号の所望周波数帯に共振して前記ＲＦ信号を遮断する共振器が付加されているものである。

【0007】

一例として、前記共振器が、インダクタンス素子とキャパシタンス素子が直列接続されてなり前記ＬＯ信号の周波数帯に共振する直列ＬＣ共振回路に、さらにキャパシタンス素子が並列接続されてなり前記ＲＦ信号の所望周波数帯に共振する直並列ＬＣ共振回路であり、前記直並列ＬＣ共振回路の第１端が前記トランジスタのゲートに接続され、第２端に前記ＬＯ信号が接続されている。

【0008】

別例として、前記トランジスタが２個あり、前記トランジスタのソースに差動のＲＦ信号が接続され、前記トランジスタのドレインに差動のＩＦ信号が接続されており、前記共振器が、インダクタンス素子とキャパシタンス素子が並列接続されてなり前記ＲＦ信号の所望周波数帯に共振する並列ＬＣ共振回路であり、前記並列ＬＣ共振回路の第１端が一の前記トランジスタのゲートに接続され、第２端が他の前記トランジスタのゲートに接続され、前記インダクタンス素子の中性点に前記ＬＯ信号が接続されている。

【0009】

好ましくは、前記トランジスタのバックゲートに負バイアスが印加されているものとする。また、好ましくは、前記トランジスタが線形領域で動作するトランジスタであるものとする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によると、ミキサにおいてトランジスタのゲートに付加した共振器によりトランジスタのゲート酸化膜容量を通じたＲＦ信号の漏れが抑制され、これによりミキサの変換損失が小さくなり雑音指数が改善される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１の実施形態に係るミキサの回路図である。

【図2】ミキサを構成するトランジスタのゲートに共振器を付加することによる効果を説明する図である。

【図3】ミキサを構成するトランジスタのバックゲートに負バイアスを印加することによる効果を説明する図である。

【図4】各種構成のミキサの変換損失および雑音指数を比較したグラフである。

【図5】本発明の第２の実施形態に係るミキサの回路図である。

【図6】変形例に係るミキサの回路図である。

【図7】別の変形例に係るミキサの回路図である。

【図8】一般的なミキサの回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。また、図面に描かれた各部材の寸法、細部の詳細形状などは実際のものとは異なることがある。

【0013】

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るミキサの回路図である。本実施形態に係るミキサ１００は、トランジスタ１１，１２，１３，１４と、これらトランジスタのゲートに付加された共振器２１，２２，２３，２４とを備え、差動のＲＦ信号を差動のＬＯ信号でダウンコンバートして差動のＩＦ信号を生成する、あるいは差動のＩＦ信号を差動のＬＯ信号でアップコンバートして差動のＲＦ信号を生成するダブルバランスミキサである。例えば、本実施形態に係るミキサ１００は、３００ＧＨｚから３０００ＧＨｚ程度のテラヘルツ帯、一例として３００ＧＨｚ帯シリコンＣＭＯＳ受信機の初段ミキサ、あるいは３００ＧＨｚ帯シリコン送信機の最終段ミキサとして用いることができる。

【0014】

トランジスタ１１のソースとトランジスタ１２のソースは互いに接続されて共通化されており、この共通ソースに差動のＲＦ信号のうちの正相信号が接続される。トランジスタ１３のソースとトランジスタ１４のソースは互いに接続されて共通化されており、この共通ソースに差動のＲＦ信号のうちの逆相信号が接続される。

【0015】

トランジスタ１１のゲートに共振器２１の一端が接続されており、共振器２１の他端に差動のＬＯ信号のうちの正相信号が接続される。トランジスタ１２のゲートに共振器２２の一端が接続されており、共振器２２の他端に差動のＬＯ信号のうちの逆相信号が接続される。トランジスタ１３のゲートに共振器２３の一端が接続されており、共振器２３の他端に差動のＬＯ信号のうちの逆相信号が接続される。トランジスタ１４のゲートに共振器２４の一端が接続されており、共振器２４の他端に差動のＬＯ信号のうちの正相信号が接続される。

【0016】

トランジスタ１１のドレインとトランジスタ１３のドレインは互いに接続されて共通化されており、この共通ドレインに差動のＩＦ信号の正相信号が接続される。トランジスタ１２のドレインとトランジスタ１４のドレインは互いに接続されて共通化されており、この共通ドレインに差動のＩＦ信号の逆相信号が接続される。

【0017】

トランジスタ１１，１２，１３，１４はいずれも線形領域で動作するトランジスタである。このようなトランジスタは線形抵抗のような振る舞いをし、増幅機能は持たない。また、主な雑音は熱雑音とフリッカ雑音である。このようにミキサ１００はＴＶＲミキサである。また、トランジスタ１１，１２，１３，１４のバックゲートにはグランド電位ではなく負バイアス（例えば、?１Ｖ）が印加されている。

【0018】

共振器２１，２２，２３，２４はいずれも同じ回路構成をしている。代表的に共振器２１の構成を説明する。共振器２１は、インダクタンス素子３１とキャパシタンス素子３２が直列接続されてなる直列ＬＣ共振回路に、さらにキャパシタンス素子３３が並列接続されてなる直並列ＬＣ共振回路である。ここで、インダクタンス素子３１とキャパシタンス素子３２からなる直列ＬＣ共振回路はＬＯ信号の周波数帯（一例として２２５ＧＨｚ）に共振するようにパラメータ調整されている。そして、この直並列ＬＣ共振回路にキャパシタンス素子３３が並列接続された直並列ＬＣ共振回路はＲＦ信号の所望周波数帯（一例として２８５ＧＨｚ）に共振するようにパラメータ調整されている。すなわち、共振器２１は全体としてＬＯ信号の周波数帯２２５ＧＨｚは通過するがＲＦ信号の所望周波数帯２８５ＧＨｚは遮断するようになっている。

【0019】

ミキサ、特にＴＶＲミキサではＲＦ信号がトランジスタのゲートやバックゲートに漏れることが変換損失増大の一因である。しかし、本実施形態に係るミキサ１００は上記構成によりＲＦ信号の漏れを抑制して変換損失を小さく保っている。以下、上記構成による変換損失低減の効果について説明する。

【0020】

図２はミキサを構成するトランジスタのゲートに共振器を付加することによる効果を説明する図である。左側図に例示したようにトランジスタのゲートに共振器が接続されていない場合、ＲＦ信号の一部がトランジスタのゲート酸化膜容量を通じてチャネルからゲートへと漏れ変換損失が増大する。一方、右側図に例示したようにトランジスタ（代表的にトランジスタ１１）のゲートに共振器（代表的に共振器２１）が接続されていると、ＬＯ信号の周波数帯は共振器２１を通過してトランジスタ１１のゲートにＬＯ信号が印加されるがＲＦ信号の所望周波数帯は遮断されてゲート酸化膜容量へのＲＦ信号の漏れが抑制される。これにより変換損失を小さくすることができる。

【0021】

図３はミキサを構成するトランジスタのバックゲートに負バイアスを印加することによる効果を説明する図である。左側図に例示したようにトランジスタのバックゲートをグランド電位（０Ｖ）にしているとＲＦ信号の一部がトランジスタの空乏層容量を通じてバックゲートへと漏れ変換損失が増大する。一方、右側図に例示したようにトランジスタ（代表的にトランジスタ１１）のバックゲートに負バイアス（－１Ｖ）を印加するとトランジスタ１１の空乏領域が増加してバックゲートへのＲＦ信号の漏れが抑制される。これにより変換損失を小さくすることができる。

【0022】

図４は各種構成のミキサの変換損失および雑音指数を比較したグラフである。グラフの横軸はＲＦ周波数、縦軸は変換損失および雑音指数である。各種構成のミキサとは、図８に示した一般的なミキサ（以下、従来ミキサという）、従来ミキサにおいてトランジスタのゲートに共振器を付加しただけのミキサ（以下、共振器付加ミキサという）、従来ミキサにおいてトランジスタのバックゲートに負バイアスを印加しただけのミキサ（以下、負バイアスミキサという）、本実施形態に係るミキサ１００、すなわち、トランジスタのゲートに共振器を付加するとともにバックゲートに負バイアスを印加したミキサをいう。いずれの構成も４０ｎｍプロセスＣＭＯＳ集積回路を用いており、ＬＯ周波数は２２５ＧＨｚ、ＲＦパワーは－４０ｄＢｍ、ＬＯパワーは３ｄＢｍとしている。なお、ＲＦ信号、ＬＯ信号、ＩＦ信号の各ポートには、所望ＲＦ周波数を２８５ＧＨｚとして最適化チューニングされた整合回路が接続されているものとする。

【0023】

図４のグラフからわかるように、所望ＲＦ周波数２８５ＧＨｚにおいて、従来ミキサに対して共振器付加ミキサは０．５６ｄｂ、負バイアスミキサは０．６３ｄｂだけＮＦが改善している。本実施形態に係るミキサ１００だと従来ミキサに対してＮＦが１．３６ｄＢも改善される。

【0024】

（第２の実施形態）
図８の一般的なミキサには、トランジスタ１１のゲートからトランジスタ１４のゲートへと通じるパス、およびトランジスタ１２のゲートからトランジスタ１３のゲートへと通じるパスが存在する。ＲＦ信号が各トランジスタのゲート酸化膜容量を通じてＬＯ側に漏れると、これらパスを通じてＲＦ信号の正相信号と逆相信号が短絡され、このことが変換損失を増大させる一因になると考えられる。そこで、ＲＦ信号の正相信号と逆相信号が短絡されないようにこれらパスの途中に共振器を付加してもよい。

【0025】

図５は本発明の第２の実施形態に係るミキサの回路図である。変実施形態に係るミキサ２００は、図１のミキサ１００の共振器２１，２２，２３，２４に替えて共振器２５，２６を備えたものである。以下、ミキサ１００と同じ構成については説明を省略する。

【0026】

共振器２５，２６はいずれも同じ回路構成をしている。代表的に共振器２５の構成を説明する。共振器２５は、インダクタンス素子３４とキャパシタンス素子３５が並列接続されてなる並列ＬＣ共振回路である。この並列ＬＣ共振回路はＲＦ信号の所望周波数帯（一例として２８５ＧＨｚ）に共振するようにパラメータ調整されている。すなわち、共振器２５はＲＦ信号の所望周波数帯を遮断するようになっている。

【0027】

トランジスタ１１のゲートに共振器２５の一端が接続され、トランジスタ１４のゲートに共振器２５の他端が接続され、共振器２５を構成するインダクタンス素子３４の中性点に差動のＬＯ信号のうちの正相信号が接続される。トランジスタ１２のゲートに共振器２６の一端が接続され、トランジスタ１３のゲートに共振器２６の他端が接続され、共振器２６を構成するインダクタンス素子３４の中性点に差動のＬＯ信号のうちの逆相信号が接続される。このように、インダクタンス素子３４の中性点にＬＯ信号を接続することにより、ＬＯ信号は共振器２５，２６に遮断されることなくトランジスタ１１，１２，１３，１４のゲートに入力される。

【0028】

このような本実施形態に係るミキサ２００も図１のミキサ１００と同様に従来ミキサに比べてＮＦ改善効果がある。

【0029】

（変形例）
図１のミキサ１００においてＲＦ信号、ＬＯ信号、およびＩＦ信号をすべてシングル構成にしてもよい。その場合、図５に示したような１個のトランジスタ１１と１個の共振器２１を備えたミキサ３００に変形できる。

【0030】

同様に、図５のミキサ２００においてＬＯ信号をシングル構成にしてもよい。その場合、図６に示したような２個のトランジスタ１１，１４と１個の共振器２５を備えたミキサ４００に変形できる。

【0031】

その他の変形例として、ミキサ１００，２００，３００，４００のトランジスタ１１，１２，１３，１４のバックゲートに負バイアスを印加せずにゲートに共振器２１，２２，２３，２４，２５，２６を付加するだけの共振器付加ミキサに変形してもよい。逆に、ミキサ１００，２００，３００，４００から共振器２１，２２，２３，２４，２５，２６を省略してトランジスタ１１，１２，１３，１４のバックゲートに負バイアスを印加するだけの負バイアスミキサに変形してもよい。共振器付加ミキサおよび負バイアスミキサのいずれも従来ミキサに比べてＮＦ改善効果がある。

【0032】

トランジスタ１１，１２，１３，１４は線形領域で動作するものではなく飽和領域で動作するものであってもよい。そのようなトランジスタは制御電流源として動作するためＴＶＲミキサと比べてトランジスタのゲートやバックゲートへのＲＦ信号の漏れ抑制による変換損失低減の効果は小さいが一定程度のＮＦ改善効果がある。

【0033】

以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0034】

本発明に係るミキサは雑音指数に優れるため、３００ＧＨｚから３０００ＧＨｚ程度のテラヘルツ帯シリコンＣＭＯＳ受信機の初段ミキサやテラヘルツ帯シリコンＣＭＯＳ送信機の最終段ミキサとして利用することができる。

【符号の説明】

【0035】

１００，２００，３００，４００ ミキサ
１１，１２，１３，１４ トランジスタ
２１，２２，２３，２４，２５，２６ 共振器
３１，３４ インダクタンス素子
３２，３３，３５ キャパシタンス素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】