微波/毫米波通信装置 |
|||||||
| 申请号 | CN200880131684.1 | 申请日 | 2008-09-26 | 公开(公告)号 | CN102204084B | 公开(公告)日 | 2014-10-15 |
| 申请人 | 独立行政法人情报通信研究机构; 株式会社通信装置研究所; | 发明人 | 歌川仁史; 松井敏明; | ||||
| 摘要 | 根据基带 信号 处理部从基带信号输入 端子 (18)输入的基带发送信号，构成偏置控制 电路 (7)的晶体管(20)的集 电极 电流 变化，高频晶体管(1)的漏极偏置变化，振荡 频率 变化，从而实现频率调制，其放射波成为发送RF信号，由此进行发送动作，另一方面，振荡信号与从外部到来的频率调制后的RF信号同步，该频率调制所导致的频率变化作为高频晶体管(1)的漏极偏置变化而产生，将该变化作为 电压 振幅变化而由基带 信号处理 部从基带信号输出端子(14)取出，由此进行接收动作。结果可以提供一种结构简单、成本低、耗电少的 微波 /毫米波通信装置。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种微波/毫米波通信装置，使共振腔与3电极高频放大元件集成化以便产生负电阻而作为振荡器的结构，并且构成该振荡器的所述共振腔构成实现向空间放射电磁波、接收从外部入射的电磁波的发送接收天线的功能的放射型振荡器，所述微波/毫米波通信装置的特征在于包括： |
||||||
| 说明书全文 | 微波/毫米波通信装置技术领域[0001] 本发明涉及利用微波波段电波、毫米波段电波进行无线通信的微波/毫米波通信装置，特别涉及能够实现结构简单、成本低、耗电少的通信装置结构的技术。 背景技术[0002] 无线LAN或无线传感网络、高质量影像声音信号的无线传送等随着利用微波/毫米波段电波的无线系统的普及，要求无线装置实现低价格。特别是，毫米波段通信具有可实现装置的小型化的特征，被期待广泛应用于家庭或办公室中的近距离通信，但另一方面存在由于频率非常高而使通信装置的开发/制造成本高、电力效率低的问题，妨碍了应用的促进和普及。 [0003] 以往的一般的微波/毫米波通信装置采用如下结构：通过传送线路连接各功能电路彼此之间而构成RF收发电路，通过馈电线路连接该收发电路和天线。例如，为如下结构等：通过微带线路连接振荡器MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit，单片微波集成电路)芯片、放大器MMIC芯片、混频器MMIC芯片和微带型贴片天线(patch antenna)。 [0004] 在通过这样连接各个功能电路而构成的通信装置中，在电路的高密度集成化方面存在界限，另外，特别是在毫米波段中，这些功能电路间的连接部或传送线路所导致的损失成为电路性能劣化的很大原因。对于连接了这样的独立的功能电路的通信装置的问题，提出了：利用将天线与RF电路部集成化的有源天线技术、将放大元件与电磁波的放射构造一体化的放射型振荡器技术，以实现简单结构、低成本和低耗电为目标的通信装置。 [0005] 例如有如下的通信装置：使用在导体贴片内部搭载了GUNN二极管作为振荡元件的放射型振荡器技术的通信装置(例如参照文献C.M.Montiel，L. Fan和K.Chang，“A Self-Mixing Active Antenna for Communication and Vehicle Identification Applications”，IEEE MTT-S Digest，pp.336-336，1996(非专利文献1))；在通过电容器部件进行了电容耦合的两个半圆形导体贴片的中央配置晶体管，进而在相同的导体贴片内配置偏置用芯片电阻器和肖特基势垒二极管，将晶体管作为振荡元件、将肖特基势垒二极管作为接收波下转换用混频元件而构成放射型振荡器的通信装置(例如参照文献Robert A.Flynt，“Low Cost and Comp act Active Integrated Antenna Transceiver for System Application”，MTT-10vol.44，Oct.，1996(非专利文献2))；利用在方形导体贴片上将微带线路型晶体管振荡电路和接收波放大器电路在同一平面上进行最短连接的结构的有源天线技术的通信装置(例如参照文献M.J.Cryan和P.S.Hall，“Integrated active antenna with simultaneous transmit-receive operation”，Electronics letters，Feb.1996vol.32No.4pp.286-287(非专利文献3))；利用在方形导体贴片上连接了微带线路型晶体管振荡电路的结构的有源天线技术的通信装置(例如参照文献F.Carrez和J.Vindevoghel，“Integrated circuit array antenna for short-range communication systems”，Electronics letters，Jul.1998vol.34No.14pp.1370-1371(非专利文献4))等。 [0006] 在上述非专利文献1所记载的通信装置中，通过在GUNN二极管的直流偏置上重叠高频信号来产生频率调制，向同样制造的装置照射而引起注频锁相(ingection loked)现象的同时，将频率调制分量传递到另一个放射型振荡装置，通过GUNN二极管自身的混频动作，对高频信号分量进行通信。高频信号分量从直流偏置器(bias tee)电路经由直流阻止电容器而重叠在直流偏置上或与其分离。前述非专利文献2所记载的通信装置在其使用时使用两台相同的通信装置并使其对置，并且将装置配置成使相互的放射偏振面相差90度，以使各自的振荡放射信号不会相互影响。在前述非专利文献3所记载的通信装置中，对于接收RF信号的下转换和解调动作没有特别公开。另外，在前述非专利文献4所记载的通信装置中，构成为使得在接收动作时不向晶体管的漏极提供直流偏置而仅作为二极管检波器动作，在发送动作时使该晶体管振荡，向栅极输入调制信号而进行频率调制动作。 [0007] 但是，在非专利文献1所记载的结构中，虽然没有由传送线路导致的电力损失，但GUNN二极管自身的DC/RF转换效率与晶体管相比非常差，因此耗电多，如果不采用大的放热构造就不能稳定动作。另外，与使用晶体管的情况相比，供给GUNN二极管的直流偏置电流非常大，因此为了将调制信号分量充分重叠到直流偏置上，需要大电流的驱动电路或电流容量大的直流偏置器等，从而成本不得不变高。因此，非专利文献1所记载的发明无法实现能够期望简单结构、低成本、高电力效率的通信装置。 [0008] 在非专利文献2所记载的结构中，在导体贴片内配置多个RF波段部件，结构复杂。另外，利用肖特基势垒二极管的混频是将振荡信号作为LO信号的一般的下转换动作，为了在频率调制等中进行良好的通信，需要具备振荡频率稳定电路或同步电路，因此成本高。因此，非专利文献2所记载的发明无法实现能够期望简单结构、低成本、高电力效率的通信装置。 [0009] 另外，在非专利文献3所记载的结构中，电路复杂，在方形导体贴片与微带线路之间存在难以避免的电磁场耦合，这对放射输出、放射图案、振荡频率特性会敏感地产生影响，因此用作稳定的通信装置是不现实的。另外，为了得到IF信号或基带信号，需要在接收波放大器电路的输出部另外具备混频器或检波器，因此成本高。因此，非专利文献3所记载的发明无法实现能够期望简单结构、低成本、高电力效率的通信装置。 [0010] 在非专利文献4所记载的结构中，电路复杂，在方形导体贴片与微带线路之间存在难以避免的电磁场耦合，这对放射输出、放射图案、振荡频率特性会敏感地产生影响，因此用作稳定的通信装置是不现实的。虽然单一的晶体管具有收发功能、调制解调功能，但接收信号成为振幅调制、发送信号成为频率调制，因此基带电路成为复杂的结构。另外，即使将相同的装置彼此对置也无法通信，需要另外准备种类不同的装置作为通信相对方。因此，非专利文献4所记载的发明无法实现能够期望简单结构、低成本、高电力效率的通信装置。 [0011] 因此，本发明的目的是解决妨碍微波/毫米波无线通信的普及的结构复杂、成本高、耗电大的问题，提供一种结构简单、成本低、耗电少的微波/毫米波通信装置。 发明内容[0012] 为了解决上述问题，本发明的技术方案1涉及一种微波/毫米波通信装置，使共振腔与3电极高频放大元件集成化以便产生负阻并且为了共用向空间放射电磁波的功能构成放射型振荡器，所述微波/毫米波通信装置的特征在于：在发送时，依照基带信号振幅，使所述放射型振荡器的振荡频率变化，并将频率调制后的放射波作为发送RF信号，在接收时，在依照基带信号振幅进行了频率调制的从外部到来的接收RF信号上将所述放射型振荡器的振荡进行注频锁相，产生与接收RF信号的频率变化相同的所述放射型振荡器的振荡频率变化，根据由于该振荡频率变化而产生的所述3电极高频放大元件的偏置变化，得到基带信号振幅，由此进行解调动作。 [0013] 技术方案2所涉及的发明是根据技术方案1所述的微波/毫米波通信装置，其特征在于：所述放射型振荡器的3电极高频放大元件中的3个电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极，在直流电源的供给路径的高电位侧与所述被控制电流流入电极之间，或者在直流电源的供给路径的低电位侧与所述被控制电流流出电极之间，设置依照基带信号振幅使偏置变化的偏置控制电路，在发送时，通过所述偏置控制电路进行使所述放射型振荡器的振荡频率变化的调制动作，在接收时，通过使所述偏置控制电路作为有源负载而动作，作为所述3电极高频放大元件的基带频带负载，根据被控制电流流入电极或被控制电流流出电极的偏置变动来得到基带信号振幅。 [0014] 技术方案3所涉及的发明是根据技术方案1所述的微波/毫米波通信装置，其特征在于：所述放射型振荡器的3电极高频放大元件中的3个电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极，在直流电源的供给路径的高电位侧与所述被控制电流流入电极之间，或者在直流电源的供给路径的低电位侧与所述被控制电流流出电极之间，设置基带频带负载，在发送时，通过依照基带信号振幅而使控制电极的偏置变化，进行使所述放射型振荡器的振荡频率变化的调制动作，在接收时，通过基带频带负载，根据被控制电流流入电极或被控制电流流出电极的偏置变动来得到基带信号振幅。 [0015] 技术方案4所涉及的发明是根据技术方案1所述的微波/毫米波通信装置，其特征在于：所述放射型振荡器的3电极高频放大元件中的3个电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极，在所述放射型振荡器的共振腔中设置阻抗可变元件而构成阻抗可变部，在直流电源的供给路径的高电位侧与所述被控制电流流入电极之间，或者在直流电源的供给路径的低电位侧与所述被控制电流流出电极之间，设置基带频带负载，在发送时，依照施加到所述阻抗可变元件上的基带信号振幅，进行使振荡频率变化的调制动作，在接收时，通过基带频带负载，根据被控制电流流入电极或被控制电流流出电极的偏置变动来得到基带信号振幅。 [0016] 根据技术方案1所涉及的发明，使共振腔与3电极高频放大元件集成化以便产生负阻并且为了共用向空间放射电磁波的功能构成放射型振荡器；在发送时，使所述放射型振荡器的振荡频率根据基带信号振幅而变化，并将频率调制后的放射波作为发送RF信号；在接收时，使所述放射型振荡器的振荡与根据基带信号振幅而进行了频率调制的、从外部到来的接收RF信号注频锁相，产生与接收RF信号的频率变化相同的所述放射型振荡器的振荡频率变化，根据由于该振荡频率变化而产生的所述3电极高频放大元件的偏置变化，得到基带信号振幅，由此进行解调动作，因此能够实现收发天线、振荡电路和基于注频锁相动作的频率调制解调电路浑然一体的极为简单的结构的微波/毫米波通信装置。 [0017] 但是，在考虑到质量管理的情况下，作为极为简单的结构这一点在抑制特性偏差、确保制造上的高成品率方面是有利的，并且在确保高可靠性方面也是有利的。特别是在需要精密、微细的薄膜加工技术的毫米波段装置的制造中，装置结构简单这一点在质量管理上是非常有利的。另外，作为极为简单的结构这一点在提高设计上的自由度、减少设计工序中的工时数、抑制成本方面也是有利的。此外，由于通过注频锁相动作确保接收机和发射机之间的同步，因此不需要频率稳定度高的振荡电路，不需要另外设置鉴频器等的解调电路，因此适合低成本化。 [0018] 并且，由于没有馈电线路的传送损失，具有低损失高灵敏度，因此可以高性能地实现基于注频锁相动作的通信，DC/RF转换效率高，具有低耗电特性。另外，可以利用共振腔的形状来控制频率捕获范围或同步范围、高速跟踪性等，因此可以简易地确保针对同步性能的设计自由度。 [0019] 由于以上优点，技术方案1所涉及的微波/毫米波通信装置与利用现有技术构成相同功能的通信装置的情况相比，能够有效地实现极为简单、低成本、低耗电。 [0020] 另外，根据技术方案2所涉及的发明，所述放射型振荡器的3电极高频放大元件中的3个电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极；在直流电源的供给路径的高电位侧与所述被控制电流流入电极之间，或者在直流电源的供给路径的低电位侧与所述被控制电流流出电极之间，设置根据基带信号振幅而使偏置变化的偏置控制电路；在发送时，通过所述偏置控制电路进行使所述放射型振荡器的振荡频率变化的调制动作； 在接收时，通过使所述偏置控制电路作为有源负载动作，而作为所述3电极高频放大元件的基带频带负载，根据被控制电流流入电极或被控制电流流出电极的偏置变动来得到基带信号振幅，因此能够以简易的结构比较廉价地生产微波/毫米波通信装置。 [0021] 另外，根据技术方案3所涉及的发明，所述放射型振荡器的3电极高频放大元件中的3个电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极；在直流电源的供给路径的高电位侧与所述被控制电流流入电极之间，或者在直流电源的供给路径的低电位侧与所述被控制电流流出电极之间，设置基带频带负载；在发送时，进行通过根据基带信号振幅而使控制电极的偏置变化而使所述放射型振荡器的振荡频率变化的调制动作；在接收时，通过基带频带负载而根据被控制电流流入电极或被控制电流流出电极的偏置变动来得到基带信号振幅，因此能够以简易的结构比较廉价地生产微波/毫米波通信装置。 [0022] 另外，根据权利要求4所涉及的发明，所述放射型振荡器的3电极高频放大元件中的3个电极是被控制电流流入电极、被控制电流流出电极和控制电极；在所述放射型振荡器的共振腔中设置阻抗可变元件而构成阻抗可变部；在直流电源的供给路径的高电位侧与所述被控制电流流入电极之间，或者在直流电源的供给路径的低电位侧与所述被控制电流流出电极之间，设置基带频带负载；在发送时，进行通过根据施加到所述阻抗可变元件上的基带信号振幅使振荡频率变化的调制动作；在接收时，通过基带频带负载而根据被控制电流流入电极或被控制电流流出电极的偏置变动来得到基带信号振幅，因此能够生产结构简单、比较廉价且在调制动作时振荡输出功率的变动小的微波/毫米波通信装置。附图说明 [0023] 图1(a)、(b)、(c)是本发明的第1实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的示意图。 [0024] 图2是第1实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的电路结构图。 [0025] 图3是放射型振荡器中的导体贴片和微波晶体管的结构说明图。 [0026] 图4是注频锁相状态下的由微波/毫米波通信装置进行了频率调制的RF放射信号的频谱。 [0027] 图5是利用微波/毫米波通信装置解调后的基带信号的时间波形图。 [0028] 图6是利用微波/毫米波通信装置将作为100kHz方形波的基带信号复原的时间波形图。 [0029] 图7是第1实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的其它电路结构图。 [0030] 图8(a)、(b)、(c)是第2实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的示意图。 [0031] 图9是第2实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的电路结构图。 [0032] 图10是第2实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的其它电路结构图。 [0033] 图11(a)、(b)、(c)是第3实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的示意图。 [0034] 图12是第3实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的电路结构图。 [0035] 图13是第3实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的其它电路结构图。 [0036] 图14(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第1结构例的示意图。 [0037] 图15(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第2结构例的示意图。 [0038] 图16(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第3结构例的示意图。 [0039] 图17(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第4结构例的示意图。 [0040] 图18(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第5结构例的示意图。 [0041] 图19(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第6结构例的示意图。 [0042] 图20(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第7结构例的示意图。 [0043] 图21(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第8结构例的示意图。 [0044] 图22(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第9结构例的示意图。 [0045] 图23(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第10结构例的示意图。 [0046] 图24(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第11结构例的示意图。 [0047] 图25(a)、(b)是可应用于本发明的共振腔的第12结构例的示意图。 具体实施方式[0048] 以下根据附图说明本发明所涉及的微波/毫米波通信装置的实施方式。 [0049] (微波/毫米波通信装置的第1实施方式) [0050] 图1示出第1实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的概略结构，图1(a)是放射型振荡器基板S1的表面图，图1(b)是图1(a)中的A-A′线的向视剖面图，图1(c)是放射型振荡器基板S1的背面图。图2是第1实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的概略电路图。该微波/毫米波通信装置包括：放射型振荡器基板S1、向其进行直流偏置馈电的电源装置以及基带信号处理部，该基带信号处理部向放射型振荡器基板S1供给基带信号，并且取得从放射型振荡器基板S1输出的基带信号并适当进行信号处理。 [0051] 这里，放射型振荡器基板S1作为“使共振腔与3电极高频放大元件集成化以便产生负阻并且共用向空间放射电磁波的天线功能的放射型振荡器”而发挥功能。另外，3电极高频放大元件是通过利用小的电压或电流来控制大电流而实现放大功能的元件，包括单体的晶体管元件或使用多个单体的晶体管构成的元件，并且不限于能够以单体处理的部件，还包括在半导体工艺中嵌入半导体晶片中的部件。该3电极高频放大元件中的控制电极是施加控制电压和流入(或流出)控制电流的电极，相当于栅极或基极。另外，被控制电流流入电极是流入被控制的电流的电极，被控制电流流出电极是流出被控制的电流的电极，根据元件结构为N型还是P型，一个相当于漏极或集电极，另一个相当于源极或发射极。 [0052] 放射型振荡器基板S1由3层基板的表面层16、内层GND12和表面侧电介质基板10构成放射型振荡器的RF电路部，由内层GND12、背面层17和背面侧电介质基板11构成RF扼流电路的一部分和基带电路。 [0053] 在表面侧电介质基板10的表面侧，一对导体贴片4、4轴对称地设置而形成放射面，将配置在该一对导体贴片4、4之间的作为3电极高频放大元件的高频晶体管1的作为控制电极的栅极2和作为被控制电流流入电极的漏极3分别与导体贴片4、4连接，并且在栅极2上连接栅极直流偏置供给用的RF扼流电路5a。经由直流栅极电压供给端子15从省略了图示的直流电源向该RF扼流电路5a馈电。另外，在漏极3上连接导体贴片4和漏极偏置供给用的RF扼流电路5b。在RF扼流电路5b与直流漏极电压供给端子6之间串联连接偏置控制电路7。在偏置控制电路7上连接基带信号输入端子18。基带信号输出端子14连接在漏极侧RF扼流电路与偏置控制电路7之间。作为被控制电流流出电极的源极8经由满足振荡条件的阻抗的线路9接地。晶体管1、导体贴片4、RF扼流电路的一部分和线路9形成在表面层16(RF放射侧的面)上，RF扼流电路的其余部分和偏置控制电路7形成在背面层17上。RF扼流电路中包含通孔部13。 [0054] 在此，导体贴片4用作共振器、发送天线以及接收天线，并且是构成反馈电路的共振腔的一部分。通过该导体贴片4的面积、形状设定等和对上述高频晶体管的直流馈电，实现振荡发射波长λ即RF波段的发送RF信号的放射型振荡器。另外，高频晶体管1是具有负电阻的3电极高频放大元件。 [0055] 图3示出一对轴对称的导体贴片4，各导体贴片4具备与高频晶体管1的栅极2或漏极3连接的等倾斜角的尖锐部，这些尖锐部相互接近地配置，将经由该尖锐部而宽度W相等的平行部的长度设为D，将从一对导体贴片4的一端到另一方面的整体长度(全长)设为L。 [0056] 在这样构成的导体贴片4中，通过调整连接了高频晶体管1的栅极2或漏极3的尖锐部的扩展角θ，可以调制高频晶体管1与共振器的耦合强度，另外，通过适当选择全长L、宽度W、平行部的长度D，可以得到设定振荡条件所需的各条件的选择自由度。另外，虽然省略了图示，但通过在振荡波长λ的1/15～1/5倍之间设定导体贴片4与内层GND12的间隔h(实际上是表面侧电介质基板10的厚度)，可以确保稳定的振荡整体。另外，导体贴片4的结构没有特别限定，只要通过表面侧电介质基板10和内层GND12构成适合振荡RF信号的共振腔，什么样的结构都可以。关于共振腔的改变例，将在后面说明。 [0057] 偏置控制电路7是能够根据输入到基带信号输入端子18的信号控制高频晶体管1的漏极偏置的电路。在本实施方式中，在偏置控制电路7中使用晶体管20(参照图2)。晶体管20不必是在微波/毫米波段动作的晶体管，在本实施方式中可以使用在基带频带动作的通用双极晶体管。另外，偏置控制电路7不必是单体晶体管，也可以是使用了多个晶体管的集成电路。 [0058] 在使如上所述构成的放射型振荡器基板S1动作时，将直流电源分别与直流栅极电压供给端子15和直流漏极电压供给端子6连接，将基带信号输入端子18与基带信号处理部连接，并且向各个端子供给引起放射型振荡的适当电压。在通过自偏置等设定了栅极偏置的情况下，不需要栅极直流偏置供给用的直流电源。 [0059] 说明本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置中的发送动作。根据从基带信号输入端子18输入的基带发送信号，构成偏置控制电路7的晶体管20的集电极电流变化，即，高频晶体管1的漏极偏置变化，振荡频率变化，从而实现频率调制，其放射波成为发送RF信号，由此进行发送动作。该频率调制动作是如下实现的：根据基带信号振幅使高频晶体管1的漏极偏置值变化，利用晶体管自身具有的电容分量或电感分量的偏振依赖性，使共振腔的共振频率变化，从而使振荡频率变化。 [0060] 说明本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置中的接收动作。本装置的振荡信号与从外部到来的经过频率调制的RF信号同步，该频率调制所导致的频率变化作为高频晶体管1的漏极偏置变化而产生，将该变化作为电压振幅变化而从基带信号输出端子14取出，由此进行接收动作。此时，偏置控制电路7作为有源负载动作。为了作为有源负载(恒流电路)动作，只要使偏置状态保持恒定而使得恒定的集电极电流在构成偏置控制电路7的晶体管20中流动即可。在本实施方式的情况下，只要不改变基带信号输入端子18的电位从而使电位恒定，就可以使偏置控制电路7作为有源负载而发挥功能。 [0061] 接着详细说明将两台本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置对置来进行通信的情况下的收发动作。 [0062] 首先，将输入发送侧的微波/毫米波通信装置的基带信号设为方形波的数字信号，将“0(Lo)”时的电压设为V1，将“1(Hi)”时的电压设为V2。将“0”时的振荡频率设为f1，将“1”时的振荡频率设为f2，进行FSK(频移键控)调制动作。从而，f1或f2频率的信号作为发送RF信号被放射。 [0063] 另一方面，接收侧的微波/毫米波通信装置的振荡与此同步，以f1或f2的频率进行振荡动作。在接收侧的装置中，在以f1振荡时和以f2振荡时，高频晶体管的漏极偏置产生差异，如果分别设偏置电压V1′、V2′，则V1′对应于“0”，V2′对应于“1”。从而实现基带信号的信息传送，如果根据该漏极偏置的变化得到所希望的电压变化，则可以对数字信号的方形波进行解调。该解调动作是将频率变化转换成振幅变化的功能，一般是指鉴频器(discriminator)功能。 [0064] 这里为了进行说明而以FSK作为调制方式的例子，但利用声音FM那样的模拟调制也可以通过同样的动作来进行信息传送。另外，基带信号是指一般的数字信号或模拟声音信号等，不是经过调制的IF(中频信号)。例如，“0”为-0.5[V]、“1”为+1.0[V]的方形波的数字信号等相当于基带信号。 [0065] 图4、图5、图6示出准备两台本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置而实际进行了通信试验的结果。图4是注频锁相状态下的频率调制后的RF放射信号的频谱。图5是利用本装置解调后的基带信号的时间波形。输入到发送侧的通信装置的基带发送信号是100kHz的正弦波，RF振荡频率约为8.775GHz，频率偏移约为40MHz。本通信装置的振荡是自由运行(free running)的动作，不特别具备锁相环等频率稳定电路，但如图5所示，能够复原100kHz的正弦波的基带信号。基带信号不限于正弦波，方形波、三角波等也同样可以复原。图6是100kHz方形波的情况下所复原的基带信号的时间波形。 [0066] 这样，本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置是收发天线、振荡电路和基于注频锁相动作的频率调制解调电路浑然一体的极为简单的结构，因此是没有馈电线路的传送损失、耗电低、具有高效率放射特性即高效率接收特性、容易进行注频锁相的结构，不需要另外具备鉴频器等的解调器，并且不需要利用锁相环等的频率稳定度高的振荡电路。因此，由于这些的累积效果，与利用现有技术构成相同功能的通信装置的情况相比，可以实现极为简单、低成本、低耗电的微波/毫米波通信装置。 [0067] 特别是，本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置在直流电源供给路径的高电位侧与作为被控制电流流入电极的漏极之间设置根据基带信号振幅而使偏置变化的偏置控制电路7，在发送时，通过偏置控制电路7进行使放射型振荡器的振荡频率变化的调制动作，在接收时，通过使偏置控制电路7作为有源负载动作，而作为高频晶体管1的基带频带负载，根据漏极的偏置变动来得到基带信号振幅，因此具有能够以简易的结构比较廉价地生产微波/毫米波通信装置的优点。 [0068] 另外，也可以如图7所示的放射型振荡器基板S1′那样，将偏置控制电路7设置在直流电源供给路径的低电位侧与作为被控制电流流出电极的源极之间。这是因为，流入漏极的电流与从源极流出的电流基本相同，无论是在直流电源供给路径的高电位侧与源极之间设置偏置控制电路7而提供源极偏置的变化或得到变化的情况，还是在直流电源供给路径的低电位侧与漏极之间设置偏置控制电路7而提供漏极偏置的变化或得到变化的情况，都可以实现同样的调制解调动作。另外，在直流电源供给路径的低电位侧与漏极之间设置偏置控制电路7的情况下，由于RF信号从线路9泄漏到基带信号处理部等原因，必要的话也可以将线路9变更成与RF扼流电路5a或RF扼流电路5b等同样的电路。 [0069] (微波/毫米波通信装置的第2实施方式) [0070] 接着根据图8和图9说明第2实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置。图8示出第2实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的概略结构，图8(a)是放射型振荡器基板S2的表面图，图8(b)是图8(a)中的A-A′线的向视剖面图，图8(c)是放射型振荡器基板S2的背面图。图9是第2实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的概略电路图。 [0071] 该微波/毫米波通信装置包括：放射型振荡器基板S2、向其进行直流偏置馈电的电源装置以及基带信号处理部，该基带信号处理部向放射型振荡器基板S2供给基带信号，并且取得从放射型振荡器基板S2输出的基带信号并适当进行信号处理。本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置是在前述的第1实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置中改变了基带信号的输入位置。对于与第1实施方式所示的微波/毫米波通信装置相同的结构，附加同一符号而省略说明。 [0072] 在放射型振荡器基板S2中，基带信号输入端子18与高频晶体管1的栅极2连接。另外，在RF扼流电路5b与直流漏极电压供给端子6之间串联连接有源负载电路7′作为基带频带负载。 [0073] 在前述的第1实施方式的微波/毫米波通信装置的调制动作中，使高频晶体管1的漏极偏置变化，相对于此本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的调制动作通过使栅极偏置变化来进行。通过栅极偏置变化从而振荡频率变化来实现频率调制，其放射波成为发送RF信号。该频率调制动作是如下实现的：根据基带信号振幅使高频晶体管1的栅极偏置值变化，利用晶体管自身具有的电容分量或电感分量的偏振依赖性，使共振腔的共振频率变化，从而使振荡频率变化。 [0074] 本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的解调动作与第1实施方式的微波/毫米波通信装置相同，但无需使漏极偏置变化，因此无需像第1实施方式的微波/毫米波通信装置那样设置偏置控制电路7，仅在高频晶体管的漏极侧设置负载即可，因此，在本实施方式中，如图9所示，设置利用结型电场效应晶体管的Idss的有源负载电路7′。 [0075] 另外，作为基带频带负载，也可以使用基于在基带频带起作用的电阻或线圈等无源元件的负载，来代替有源负载电路7′。但是，在使用高电阻值的电阻作为负载时，该电阻引起的电压降变大，该电阻内的耗电变为压倒性的，从而不能发挥作为本发明的通信装置的特征的低耗电特性。为了避免因上述高电阻耗电增大并且得到大的基带信号电压，希望在漏极侧RF扼流圈与直流电源之间设置比电阻低的电压降的有源负载电路，利用其高阻抗作为负载。 [0076] 这样，第2实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置是收发天线、振荡电路和基于注频锁相动作的频率调制解调电路浑然一体的极为简单的结构，因此是没有馈电线路的传送损失、耗电低、具有高效率放射特性即高效率接收特性、容易进行注频锁相的结构，不需要另外具备鉴频器等的解调器，并且不需要利用锁相环等的频率稳定度高的振荡电路。因此，由于这些的累积效果，与利用现有技术构成相同功能的通信装置的情况相比，可以实现极为简单、低成本、低耗电的微波/毫米波通信装置。 [0077] 特别是，本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置在直流电源供给路径的高电位侧与作为被控制电流流入电极的漏极之间设置作为基带频带负载的有源负载电路7′，在发送时，进行通过根据基带信号振幅使作为控制电极的栅极的偏置变化而使放射型振荡器的振荡频率变化的调制动作，在接收时，通过有源负载电路7′而根据漏极的偏置变动来得到基带信号振幅，因此具有能够以简易的结构比较廉价地生产微波/毫米波通信装置的优点。 [0078] 也可以如图10所示的放射型振荡器基板S2′那样，将作为基带频带负载的偏置控制电路7′设置在直流电源供给路径的低电位侧与作为被控制电流流出电极的源极之间。这是因为，流入漏极的电流与从源极流出的电流基本相同，无论是在直流电源供给路径的高电位侧与源极之间设置有源负载电路7′而提供源极偏置的变化或得到变化的情况，还是在直流电源供给路径的低电位侧与漏极之间设置有源负载电路7′而提供漏极偏置的变化或得到变化的情况，都可以实现同样的调制解调动作。在直流电源供给路径的低电位侧与漏极之间设置有源负载电路7′的情况下，由于RF信号从线路9泄漏到基带信号处理部等原因，必要的话也可以将线路9变更成与RF扼流电路5a或RF扼流电路5b等同样的电路。 [0079] (微波/毫米波通信装置的第3实施方式) [0080] 接着根据图11和图12说明第3实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置。图11示出第3实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的概略结构，图11(a)是放射型振荡器基板S3的表面图，图11(b)是图11(a)中的A-A′线的向视剖面图，图11(c)是放射型振荡器基板S3的背面图。图12是第3实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置的概略电路图。 [0081] 该微波/毫米波通信装置包括：放射型振荡器基板S3、向其进行直流偏置馈电的电源装置以及基带信号处理部，该基带信号处理部向放射型振荡器基板S3供给基带信号，并且取得从放射型振荡器基板S3输出的基带信号并适当进行信号处理。前述的第1、第2实施方式的微波/毫米波通信装置利用基带信号使高频晶体管1的偏置变化从而进行频率调制，相对于此本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置是利用基带信号使设置在共振腔中的阻抗可变部的阻抗变化来进行频率调制。对于与第1、第2实施方式所示的微波/毫米波通信装置相同的结构，附加同一符号而省略说明。 [0082] 在导体贴片4的附近设置不会与振荡信号共振的、尺寸与波长相比足够小的导体图案100，在该导体图案上连接变容二极管(电容可变的二极管)作为阻抗可变元件。利用这些导体图案100和变容二极管101构成阻抗可变部。导体图案100无需设置在基板上的与导体贴片4相同的层(同一面)上，而可以设置在内层。变容二极管101的负极与导体图案100连接，正极经由通孔102与内层GND12连接。施加到变容二极管101上的基带信号从基带信号输入端子18通过RF扼流电路5c输入到负极。 [0083] 在本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置中，决定RF振荡频率的共振腔由内层GND12、表面侧电介质基板10的厚度和导体贴片4构成，由于振荡信号的电磁场集中在表面侧电介质基板10的导体贴片4附近，因此在导体贴片4附近设置阻抗可变部，通过使其阻抗变化而使振荡频率变化。另外，即使在不使导体图案100的尺寸与振荡波长相比足够小而是同等程度的情况下，也可以没有问题地进行频率调制，但在本实施方式中，为了不对放射指向性产生影响而设置尺寸与波长相比足够小的尺寸的导体图案100。另外，构成阻抗可变部的阻抗可变元件不限于电容可变元件，也可以是电感可变元件。 [0084] 这样，第3实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置是收发天线、振荡电路和基于注频锁相动作的频率调制解调电路浑然一体的极为简单的结构，因此是没有馈电线路的传送损失、耗电低、具有高效率放射特性即高效率接收特性、容易进行注频锁相的结构，不需要另外具备鉴频器等的解调器，并且不需要利用锁相环等的频率稳定度高的振荡电路。因此，由于这些的累积效果，与利用现有技术构成相同功能的通信装置的情况相比，可以实现极为简单、低成本、低耗电的微波/毫米波通信装置。 [0085] 特别是，本实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置在放射型振荡器的共振腔中设置作为阻抗可变元件的变容二极管101而构成阻抗可变部，在直流电源供给路径的高电位侧与作为被控制电流流入电极的漏极之间设置作为基带频带负载的有源负载电路7′，在发送时，进行通过根据施加到变容二极管101上的基带信号振幅使振荡频率变化的调制动作，在接收时，通过有源负载电路7′而根据漏极的偏置变动来得到基带信号振幅，因此具有能够生产结构简单、比较廉价且在调制动作时振荡输出功率的变动小的微波/毫米波通信装置的优点。 [0086] 也可以如图13所示的放射型振荡器基板S3′那样，将作为基带频带负载的偏置控制电路7′设置在直流电源供给路径的低电位侧与作为被控制电流流出电极的源极之间。这是因为，流入漏极的电流与从源极流出的电流基本相同，无论是在直流电源供给路径的高电位侧与源极之间设置有源负载电路7′而提供源极偏置的变化或得到变化的情况，还是在直流电源供给路径的低电位侧与漏极之间设置有源负载电路7′而提供漏极偏置的变化或得到变化的情况，都可以实现同样的调制解调动作。在直流电源供给路径的低电位侧与漏极之间设置有源负载电路7′的情况下，由于RF信号从线路9泄漏到基带信号处理部等原因，必要的话也可以将线路9变更成与RF扼流电路5a或RF扼流电路5b等同样的电路。 [0087] 以上根据第1～第3实施方式对本发明的微波/毫米波通信装置进行了说明，但其解调动作是以在从外部到来的频率调制后的RF信号上注频锁相本通信装置的振荡为前提的。如果考虑假如没有取得同步而使来到的RF信号的频率与本通信装置的振荡频率不同的情况下，则不能得到基带信号而得到IF信号。这意味着，在发送和接收相互之间没有取得同步的情况下，本通信装置仅作为下转换混频器起作用，为了从IF信号得到基带信号，另外需要鉴频器等作为解调功能，另外，需要高的振荡频率稳定度。可以说，本发明所涉及的微波/毫米波通信装置可以通过注频锁相来进行解调动作，因此，“使共振腔与3电极高频放大元件集成化以便产生负阻并且为了共用向空间放射电磁波的天线功能构成的放射型振荡器”本身具有鉴频器的功能。 [0088] 另外，在上述各实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置中，作为用于构成放射型振荡器的3电极高频放大元件使用的高频晶体管1是包括MOS-FET的IG-FET(Insulated Gate FET：绝缘栅极FET)、HEMT(High Electron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管)、MESFET(Metal-Semiconductor FET：金属-半导体FET)等电场效应晶体管(FET：场效应晶体管(Field Effect Transistor))或HBT(Hetero-junction Bipolar Transistor：异质结双极晶体管)等双极晶体管(BJT：双极晶体管)等，只要具有利用小的电压或电流来控制大的电流的放大功能，其种类不特别限定。 [0089] 并且，3电极高频放大元件的内部结构也不特别限定，可以是达林顿(Darlington)连接型晶体管或级联连接型晶体管那样的、组合了多个单体晶体管的结构的元件。例如，在使用达林顿连接型晶体管的情况下，具有能够得到单体晶体管所无法实现的高电流放大率的优点。 [0090] 另外，上述各实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置可以利用HIMC(混合微波集成电路：hybrid microwave integrated circuit)来实现，也可以利用MMIC(单片微波集成电路：Monolithic microwave integrated circuit)来实现。另外，也可以通过利用了LTCC(低温共烧陶瓷技术，Low Temperature Co-fired Ceramics)等的三维形态的集成电路来实现。即，像第1～第3实施方式所示的放射型振荡器基板S1～S3那样，无需在基板上搭载作为独立的构件的高频晶体管1，而可以与共振腔(导体贴片等)一起，通过同一半导体工艺在半导体晶片中单片地嵌入3电极高频放大元件。特别是，由于毫米波段电波的波长短，因此共振腔的尺寸也小，因此如果以单片的形态(MMIC)嵌入3电极高频放大元件，则还具有如下优点：能够实现更小型和轻质，并且能够利用高精度的半导体工艺技术实现高质量和高生产率。 [0091] 另外，在上述各实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置中，RF扼流电路的功能是防止RF信号泄漏到直流电源侧，但即使RF信号泄漏到直流电源侧，只要能够利用高频晶体管1得到超过由于该泄漏所导致的损失的负电阻，放射型振荡器就可以动作。因此，即使利用没有设置RF扼流电路的放射型振荡器来构成本发明，也可以实现微波/毫米波通信装置。并且，不必为了构成RF扼流电路而使用3层基板结构的放射型振荡器基板。 [0092] 另外，在上述各实施方式所涉及的微波/毫米波通信装置中，假定在放射型振荡器基板上具备一对大致扇形的单体贴片4，但构成共振腔的导体贴片的形状不特别限定，并且也不是必须是一对轴对称的导体贴片。以下说明可应用于本发明的共振腔的改变例。 [0093] 图14是轴对称地设置一对矩形的导体贴片4a的第1改变例，图15是轴对称地设置一对矩形的导体贴片4b的第2改变例，图16是轴对称地设置一对圆形的导体贴片4c的第3改变例。此外，也可以是三角形等多边形、椭圆形、扇形等的导体贴片。在图14～图16中，为了表现主要的偏振面而用箭头E示出电场的方向。GND导体面255对于导体贴片 4a～4c而言相当于内层GND12。电介质基板259对于导体贴片4a～4c而言相当于表面侧电介质基板10。导体贴片4a～4c和GND导体面255、电介质基板259构成共振腔，并且构成用于振荡动作的反馈电路的一部分，但只要能够适当地得到该反馈，就不必设置电介质基板259或GND导体面255。例如，如果是通过板金加工制造导体贴片并且有保持该导体贴片板的机构，电介质基板259的部分也可以是中空的。另外，可以如图17所示的第4改变例那样，将用于促进上述反馈的片状电容器等反馈用部件248搭载在导体贴片4b上。没有GND导体面255的情况下的放射在导体贴片板的两面方向上进行，因此如果利用该两面放射，则还能够以比有该GND导体面255的情况下更广的角度确保通信范围。 [0094] 图18所示的第5改变例是如下的例子：在大致扇形的导体贴片4、4的周围设置GND导体面256和连接该GND导体面256与GND导体面255的通孔35，防止信号在电介质基板259内部传播并从基板端部泄漏而造成损失。如果适当设定GND导体面256的尺寸、形状，则代替信号在电介质基板259内部传播，将该损失部分的信号能量用作本来的放射能量。 [0095] 图19所示的是如下的第6改变例：利用矩形的导体贴片4d、4d和与这些导体贴片4d、4d保持适当的空隙244而配置的接地导体面256d，构成振荡用的共振腔。 [0096] 图20所示的是如下的第7改变例：在与高频晶体管1连接的矩形的导体贴片4e1、4e1的附近，设置不与高频晶体管1连接的矩形的导体贴片4e2、4e2，利用空隙244e隔开导体贴片4e1与导体贴片4e2之间以及接地导体面256e，构成振荡用的共振腔。 [0097] 图21所示的是如下的第8改变例：利用半椭圆形的导体贴片4f、4f和与这些导体贴片4f、4f保持适当的空隙244f而配置的接地导体面256f，构成振荡用的共振腔。根据场所而改变该空隙244f的幅度从而使其满足振荡条件。 [0098] 导体贴片以及空隙的形状不限于上述图18～图21所示的结构例，只要满足振荡条件，无论什么样的结构都可以应用于本发明。另外，导体贴片和空隙、GND导体面、电介质基板构成用于振荡动作的反馈电路的一部分，但只要能够适当地得到该反馈，则不一定必须设置电介质基板259或GND导体面255。另外，没有GND导体面255的情况下的放射在导体贴片面的两侧方向上进行。 [0099] 图22所示的是利用槽245和接地导体面256构成振荡用的共振腔的第9改变例。该槽245相对于图14所例示的矩形的导体贴片4a是补充关系，满足振荡条件。当然，只要满足振荡条件，则槽245的形状不特别限定。在本结构例中，为了向高频晶体管1的栅极和漏极施加不同的直流偏置电压，设置使栅极和漏极在直流上分离并高频导通的电容耦合部246。该电容耦合部246可以利用由间隙产生的电容、MIM(Metal-Insulator-Metal，金属-绝缘体-金属)电容、电容器部件等来实现，不一定必须设置电介质基板259或GND导体面255。没有GND导体面255的情况下的放射在导体贴片面的两侧方向上进行。 [0100] 上述的导体贴片都示出了相对于高频晶体管1对称地设置一对导体贴片的例子，但也可以使用非对称的导体贴片。 [0101] 图23所示的是非对称地构成矩形的第1导体贴片4g1和矩形的第2导体贴片4g2的第10改变例。即使这样将第1导体贴片4g1和第2导体贴片4g2形成非对称形状，由于共振频率基本上由导体贴片部分整体的尺寸(在图23(a)中用L表示)决定，因此只要满足振荡条件，就可以作为天线与振荡电路浑然一体的类型的放射型振荡器动作。 [0102] 图24所示的是如下的第11改变例：利用大致半椭圆形的导体贴片4h、4h和与这些导体贴片4h、4h保持适当的空隙244h而配置的接地导体面256h，在放射面侧形成环槽型天线，构成振荡用的共振腔。 [0103] 图25所示的是如下的第12改变例：在矩形的导体贴片4、4的附近，适当地配置不与高频晶体管1连接的矩形的导体贴片247，能够控制放射指向性。通过适当设定导体贴片4i、4i与导体贴片247的位置关系、尺寸关系，可以使其进行例如八木天线那样的动作。 [0104] 另外，在考虑到本发明中的注频锁相动作的情况下，可以利用共振腔的形状来控制其同步性能。例如，通过调整导体贴片或槽的形状、基板厚度等，可以设定对于到来信号适度的频率捕获范围或同步范围、高速跟踪性，因此通过简单的设计就可以实现期望的同步性能。 [0105] 以上根据几个实施方式说明了本发明所涉及的微波/毫米波通信装置，但本发明不限于这些实施方式，而是作为权利范围包括只要不变更权利要求书所记载的结构就可以实现的所有微波/毫米波通信装置。 [0106] 另外，本发明所涉及的微波/毫米波通信装置中的低成本、低耗电的特征应用于使用了多个传感器的系统或计测试验装置的情况下是有利的，特别是在部件成本高、由于传送损失增加或设备性能而导致电力效率低的毫米波通信系统/装置中，可以预料较大的优越性。 [0107] 特别是，在使用依赖于精密、微细的薄膜加工技术的毫米波设备以及使用其的毫米波段装置的制造工序中的质量管理中，作为本发明所涉及的微波/毫米波通信装置的特征的简单结构在抑制特性偏差、确保制造上的高成品率方面是有利的，可以实现高可靠性、低成本。由于这些优点，本发明所涉及的微波/毫米波通信装置适用于传感器网络、毫米波段数据传送系统、医院内无线网络、基板间通信系统等。 [0108] 上述传感器网络是如下的系统：在禁止入内区域等进行感测的范围内在多个点设置本发明的通信装置，使任意的相邻装置相互之间成为注频锁相状态，确保网络内的装置的同步。如果在网络内的各个通信装置上连接各种传感器并将所感测的信息作为基带信号输入，则某一个传感器的感测信息瞬时被传送到确保了同步的网络内的其它通信装置。只要能够充分利用本装置的低耗电特性，则还可以实现将小型太阳能电池等作为电源的微波/毫米波传感器网络。 [0109] 上述毫米波段数据传送系统例如是60GHz波段的影像传送系统等。这是将本发明的通信装置分别搭载在视频播放器和监视器上、进而在视频播放器与监视器之间设置本装置作为中继器的结构，通过使用多个中继器，可以实现直线传播性能好的毫米波不被人体等遮断的系统。在使用本装置作为中继器的情况下，不需要进行基带信号的输入输出，可以用作注频锁相动作的RF放大器。 [0110] 上述医院内无线网络与上述毫米波段数据传送系统同样，是使用本通信装置作为收发机或中继器的系统。可以低成本地实现使用与在便携电话等中推进使用的准微波波段的电波相比、对其它电子设备的动作产生的影响小的准毫米波段、毫米波段的电波的系统。另外，如果通过在本装置中具备喇叭天线等而使放射指向性变得尖锐，则可以仅在窄的路径上存在电波。在医院内，由于需要排除对医疗设备、心脏起搏器等带来误动作的外部电波的影响，因此是特别有利的。 [0111] 上述基板间通信系统例如是进行计算机框体内部的各种基板间的数据传送的系统。通过在框体内的各基板上搭载本通信装置，可以省去布线的繁杂连接，削减组装工时。如果使用毫米波段的本通信装置，则可以实现部件小型化，并且能够以与计算机中使用的信号的频带相比非常高的频率进行通信，因此相互干扰等的担心少。 [0112] 产业上的可利用性 [0113] 本发明所涉及的微波/毫米波通信装置解决了妨碍微波/毫米波无线通信的普及的结构复杂、成本高、耗电大的问题，能够提供一种结构简单、成本低、耗电少的微波/毫米波通信装置。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈