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JPH0347766B2 - - Google Patents
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JPH0347766B2 - - Google Patents

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JPH0347766B2
JPH0347766B2 JP60089975A JP8997585A JPH0347766B2 JP H0347766 B2 JPH0347766 B2 JP H0347766B2 JP 60089975 A JP60089975 A JP 60089975A JP 8997585 A JP8997585 A JP 8997585A JP H0347766 B2 JPH0347766 B2 JP H0347766B2
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JP
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dgfet
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frequency
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Ikuro Ichitsubo
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B19/00Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source
    • H03B19/06Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source by means of discharge device or semiconductor device with more than two electrodes
    • H03B19/14Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source by means of discharge device or semiconductor device with more than two electrodes by means of a semiconductor device

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  • Networks Using Active Elements (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は電界効果トランジスタを用いたマイク
ロ波帯の周波数2逓倍器に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
マイクロ波の周波数逓倍器は、所要の出力レベ
ル、周波数安定度、雑音性能等を有する高い周波
数の信号が直接発振等により得られぬ場合に使用
される。通信等における使用周波数帯の高周波
化、例えばミリ波化により、逓倍器は今後ますま
す重要な部品となりつつある。
FET(電界効果トランジスタ)逓倍器は、ステ
ツプリカバリダイオードやバラクタダイオード等
を用いた逓倍器と比べ変換利得が高く、しかも今
後発展が予想されるMMIC(Monolythic
Microwave Integrated Circuit)に適している
ためにマイクロ波帯逓倍器の主流となりつつあ
り、なかでもダブラ(周波数2逓倍器)としての
応用が定着しつつある。FETとしてはシングル
ゲートFET{Single Gate FET:以下SGFETと
いう)およびデユアルゲート電界効果トランジス
タ(Dual Gate FET:以下単にDGFETという)
のいずれも使用されるが、基本的動作原理ほぼ同
様であるのでDGFETダブラの従来例について第
8図を参照して説明する。
即ち、第8図ではDGFETを回路的に等価な2
つのSGFET1,2のカスケード接続として表わ
している。第1のFET1のゲートがDGFETの第
1ゲートに、第2のFET2のゲートがDGFETの
第2ゲートに対応する。原信号(基本周波数f0
はDGFETの第1ゲートに入力され、DGFETの
非線形効果によりドレイン電流波形に歪みが生ず
る。この歪波形のうち2倍の周波数成分のみが
DGFETのドレイン端に接続されたBPF(Band
Pass Filter)3で選択され、整合回路4を介し
て2逓倍周波数20として出力される。
なお、第2のFET2のゲートは、インピーダ
ンスZ5を介して接地される。また、前記
DGFETの第1ゲート及び第2ゲートには夫々対
応したコイルRFCを介してゲートバイアスVg10
VVg20が加えられ、更に、DGFETのドレイン端
にはコイルRFCを介してドレインバイアスVd
加えられる。
電流歪の生ずる機構をSGFETで説明すると、
例えば第9図a,b,cに示すような3種のモー
ドがある。1つは第9図aに示すようにドレイ
ン・ソース間電圧Vdsが大きく変動(ゲート・ソ
ース間電圧Vgsは一定)することににより発生す
るドレイン電流Idの歪、2つ目は第9図bに示す
ようにゲート・ソース間電圧Vgsがピンチオフ電
圧Vp近傍で変化することにより発生するピンチ
オフ効果による電流歪、3つ目は第9図cに示す
ようにゲート・ソース間電圧Vgsがビルトイン電
圧V〓近傍で変化しドレイン電流が飽和すること
により発生するものである。DGFETダブラでは
2つのSGFETの動作が相互に依存しており、3
種類のモードが関与しており動作は複雑である。
最大の変換利得(2倍波出力電力/基本波入力電
力)は入力する基本波電力のレベル、DGFETの
第1、第2ゲートのバイアスVg10,Vg20等を最適
に調整して得られる。
以上の説明から明らかなように、従来技術では
DGFETのドレイン電流に波形歪を生じさせ、そ
の中の2逓倍波成分を選択的に取り出す原理であ
る。従つて変換利得の点から見ると必ずしも効率
よく基本波が2逓倍に変換されているわけではな
く、変換利得にはまだ改善の余地がある。又、こ
れに関連してドレイン電流には2倍波以外の不要
波(基本波、3倍波、4倍波…)の成分が多く、
これらを除去するために選択度の良好なBPFを
必要とする。このため回路は大形化し、この事は
例えばMMICではほぼチツプ面積に比例してチ
ツプコストが上昇するから、低価格化の点からも
好ましくない。
〔発明の目的〕
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、
2逓倍波への変換効率が高く、不要波の発生が少
なく、したがつて特に良好な選択度のBPFを必
要としないFETを用いた周波数2逓倍器を提供
することを目的とする。
〔発明の概要〕
本発明の周波数2逓倍器は、基本周波数の信号
が略180゜の位相差をもつて第1ゲートおよび第2
ゲートに入力されて逓倍動作するFETを有する
ことを特徴とするものである。
〔発明の実施例〕
以下図面を参照して本発明の実施例をDGFET
を用いた場合について詳細に説明する。
一般のDGFETの電流特性について説明する。
第2図はDGFETの等価回路図で、第1の
SGFET21はソースが接地され、ドレインが第
2のSGFET22のソースに接続される。第2の
EET22のドレインDはドレインバイアスVd
加えられ、第1のFET21のゲートG1にはゲー
トバイアスVg1が加えられ、第2のFET22のゲ
ートG2にはゲートバイアスVg2が加えられる。
今、各FET21,22のDC特性が例えば第3
図に示すようであるときに、全体としての
DGFETのドレイン電流Idの第1ゲートバイアス
Vg1および第2ゲートバイアスVg2に対する依存
性は第4図に示すようになる。この図から明らか
な様にDGFETはゲートバイアスVg1,Vg2に対し
ドレイン電流がほぼ対称で、しかも Id≒(Vg1+V10)(Vg2+V20) ……(1) に近いゲート電圧依存性を有することが特徴であ
る。ただし、k,V10,V20は定数で、V10≒V20
である。
次に、第1図は本発明の一実施例で、DGFET
を回路的に等価な2つのSGFET11,12のカ
スケード接続として表わしたもので、第1の
SGFET11のドレインは第2のSGFET12の
ソースに接続される。第1のSGFET1はソース
が接地され、ゲートがコイルRFCを介してゲー
トバイアスVg10印加端子13に接続される。第1
のSGFET11のゲートはRF電圧に180゜の位相差
を与える180゜位相器14を介して第2のSGFET
12のゲートに接続され、この第2のSGFET1
2のゲートはコイルRFCを介してゲートバイア
スVg20印加端子15に接続される。前記第2の
SGFET12のドレインはコイル16を介してド
レインバイアスVd印加端子17に接続されると
共に整合回路20を介して出力端子18に接続さ
れる。第1のSGFET11のゲートには入力端子
子19が接続される。第1のSGFET11のゲー
トがDGFETの第1ゲートに、第2のSGFET1
2のゲートがDGFETの第2ゲートに対応する。
即ち、従来方式と異なる点はDGFETの第2ゲ
ートである第2のFET12のゲートにも原信号
(基本波周波数0)を入力する点で、その位相φ2
はDGFETの第1ゲートである第1のFET11の
ゲートの位相φ1と約180゜異なり、電圧振幅Aは両
ゲートともほぼ同レベルである。
次に、第4図のVg1−Vg2平面上で説明する。
両ゲートに印加される逆相同振幅の基本波電圧は
第4図の直線30として表される。直線30の中
心B、又はDはDGFETの第1ゲート、第2ゲー
トの直流バイアスVg10,Vg20に相当する。今、点
Aから出発し、基本波の1周期TのトレースA−
B−C−D−Eを考えると、それに対応するドレ
イン電流の時間変化は第5図に示すような波形と
なる。すなわち、基本波1周期のスイングに対
し、B,D部の2ケ所に最大電流を持つ波形が得
られ、ほぼ純粋な2逓倍となることがわかる。こ
のことは次の関係式からも明らかである。
Vg1(t)=Acosωt,Vg2(t)=−Acosωt とすれば(1)式より、 Id(t)≒k(Acrsωt+V10) (−Acosωt+V20) =k{V10V20−A2/2+A(V20−V10) cosωt−A2/2cos2ωt} ≒k(V10V20−A2/2)−kA2/2cos2ωt ……(2) (2)式からも明らかな様に本発明のダブラ動作に
おいては基本波がほとんど2逓倍波のみに変換さ
れ、不要な周波数成分の発生は極めて少ないこと
がわかる。
以上はFETのc(Cut off frequency,c
gm/2πCgs、ここでCgsはゲート・ソース間容量、gm はトランスコンダクタンス)に比べ2逓倍周波数
が十分低い場合である。2逓倍周波数がcのオー
ダになると、Cgs等の容量や浮遊インダクタンス
の影響等が無視できなくなるため最適なダブラ動
作のための振幅、位相の条件が低周波の場合から
若干ずれてくる。この時は第4図の直線30で示
されたトレースがループ状に拡がり幾分変換利得
が低下し、不要波の発生も多くなる。しかし、基
本的なダブラ動作の原理はなんら変るものではな
い。
時系列解析プログラムによりSGFET(ゲート
長Lg≒1μm、ゲート幅Wg=200μm、c=25GHz)
2個をカスケード接続した本発明のDGFETダブ
ラを設計、数値解析し、次の結果が得られた。こ
の場合、BPFは接続されていない。
基本波1GHz、位相差(φ1−φ2)180゜のとき
変換利得10dB、不要波抑圧(2GHz電力/不要
波電力)10dB。
基本波10GHz、位相差130゜のとき変換利得
2dB、不要波抑圧(2GHz電力/不要波)6dB。
これらの結果は従来例と比べ変換利得が高く、
とりわけ不要波抑圧性能がすぐれており、小形、
低価格化にきわめて有利である。又、BPFを省
略もしくは簡易化できるために従来方式では不可
能なダブラの広帯域化へも道をひらくもので、本
発明の効果の波及するところは甚大である。
なお、上記実施例では便宜上DGFETと表現し
説明したが、それと実質的に等価な動作をする2
個のSGFETをカスケード接続したものについて
も効果は同一である。
また、第6図は本発明の他の実施例であり、
DC回路は省略してある。DGFET40の第1ゲ
ートG1と第2ゲートG2間にはλ/2線路41が
接続され、このλ/2線路41で第1ゲートG1
と第2ゲートG2間に180゜位相差を与えている。S
はソース、Dはドレイン、0は基本波周波数、4
2は整合回路である。
更に、第7図は本発明の他の実施例で、DC回
路は省略してある。即ち、第1のSGFET51の
ドレインは第2のSGFET52のソースに接続さ
れてDGFETが構成される。この第1のFET51
のゲートG1は位相反転用のFET53のゲートに
接続され、このFET53のドレインは第2の
FET52のゲートG2に接続される。FET51,
53のソースは接地され、FET52のドレイン
は整合回路54を介して出力端55に接続され
る。56は入力端である。ゲートG2にはゲート
G1に比べ、FET53により位相が約180゜遅れた
基本波電圧が印加され、本発明の要件が満たされ
る。
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明によれば、2逓倍波へ
の変換効率が高く、不要波の発生が少なく、した
がつて特に良好な選択度のBPFを必要としない
ため、小形、低価格化にすることができる周波数
2逓倍器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す回路図、第2
図は本発明に係るDGFETの一例を示す等価回路
図、第3図は本発明に係るSGFETのDC特性の一
例を示す特性図、第4図は本発明に係るDGFET
のDC特性の一例を示す特性図、第5図は本発明
に係るDGFEETダブラの電流波形の一例を示す
図、第6図は本発明の一具体例を示す回路図、第
7図は本発明の他の具体例を示す回路図、第8図
は従来のDGFETダブラを示す回路図、第9図は
従来のDGFETダブラの動作原理を示す特性図で
ある。 11,12……SGFET、13……ゲートバイ
アスVg10印加端子、14……180゜位相器、15…
…ゲートバイアスVg20印加端子、16……コイ
ル、17……ドレインバイアスVd印加端子、1
8……出力端子、19……入力端子、20……整
合回路。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 ドレイン,ソースおよびゲートを有する第1
    の電界効果トランジスタと、この第1の電界効果
    トランジスタのドレインにソースが接続されたド
    レインおよびゲートを有する第2の電界効果トラ
    ンジスタと、基本周波数の信号を略180゜の位相差
    をもつて前記第1および第2の電界効果トランジ
    スタのゲートに供給する手段とを具備した周波数
    2逓倍器。 2 第1の電界効果トランジスタと第2の電界効
    果トランジスタとがデユアルゲート電界効果トラ
    ンジスタで構成された特許請求の範囲第1項記載
    の周波数2逓倍器。 3 第1および第2の電界効果トランジスタのゲ
    ートに供給される基本周波数信号の略180゜の位相
    差が、第1の電界効果トランジスタのゲートにゲ
    ートが接続され、第2の電界効果ランジスタのゲ
    ートにドレインが接続された第3の電界効果トラ
    ンジスタで与えられることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項又は第2項記載の周波数2逓倍器。
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