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公開番号2025126161
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-28
出願番号2025022472
出願日2025-02-14
発明の名称テラヘルツ波帯位相変調回路
出願人国立大学法人東京大学
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H03C 3/00 20060101AFI20250821BHJP(基本電子回路)
要約【課題】本発明の目的は、簡単な方法でテラヘルツ波に位相変調を行い、さらに位相変調と振幅変調の両方を施した直交変調を実現する手段を提供することである。
【解決手段】テラヘルツ波変調回路において、ミキサの局部発振周波数を生成する逓倍器の前に位相シフト回路を挿入することで、振幅変調または振幅位相変調されたテラヘルツ波を生成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ＩＦ入力とＬＯ入力とＲＦ出力を備えたミキサと、
原発振をＮ倍に逓倍して前記ミキサに与えるＬＯを生成する逓倍器と、
前記逓倍器と原発振の間に配置された位相シフト回路から構成され、
前記位相シフト回路のシフト量がＲＦ出力においてＮ倍に拡大されることを利用して位相変調を行う変調回路。
続きを表示（約 230 文字）【請求項２】
請求項１に記載の変調回路において、前記ミキサの代わりにサブ・ハーモニック・ミキサを用いて、位相シフト量が２×Ｎ倍に拡大される変調回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の変調回路において、前記位相シフト回路による位相変化が離散的である変調回路。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の変調回路において、位相シフト量とＩＦ入力を同時に変化させ、振幅と位相の変調を同時に行う変調回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に１００ＧＨｚ以上のテラヘルツ波帯無線通信における変調回路の構成方法に関する。
続きを表示（約 3,900 文字）【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波帯は高速大容量の無線通信が期待されている周波数帯域である。高周波信号を変調するにはミキサと呼ばれる部品が使われる。信号の変調方法には振幅変調や位相変調、および、それらを組み合わせた振幅位相変調がある。
テラヘルツ波帯用の位相変調回路をマイクロ波・ミリ波技術の延長として作成するのであれば、Ｉ相とＱ相の２つのミキサを用意して出力を混合する方法が考えられる。しかし、この方法は機械的に高い加工精度が要求されるほか精確な高周波源や精確な９０度移相器などが要求され、現実には個々の部品のばらつきや不安定性によって実現困難である。
他のアプローチとしてはレーザー光の周波数の差からテラヘルツ波を発生させる方法や、メタマテリアルを作成する研究が存在するが、実用化されてはいない。
従来の技術ではテラヘルツ波帯は振幅変調しか行うことができず、位相変調は困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、簡単な方法でテラヘルツ波に位相変調を行い、さらに位相変調と振幅変調の両方を施した直交変調を実現する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
図１を用いて本発明の構成を説明する。高周波発振器と位相シフト回路（移相回路）、周波数逓倍器（ＡＭＣ）、テラヘルツ波帯で動作する高周波ミキサ（ＳＨＭ）を用意する。
位相シフト回路とは入力した信号の位相を連続的に変化させることができる回路であり、ここでは印加したアナログ電圧に応じて連続的に変化できるものとする。シフト可能な量は５～６度程度でよい。
周波数逓倍器はＡＭＣ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｒＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒＣｈａｉｎ）と呼ばれる高周波部品であり、逓倍器と増幅器を１つの筐体に収めた部品である。ＡＭＣは入力された周波数からＮ倍の周波数を作り出すことができる。
ＳＨＭ（ＳｕｂＨａｒｍｏｎｉｃＭｉｘｅｒ）は高周波ミキサであり、入力した周波数の２倍の周波数で変調を行う。
高周波発振器は周波数が安定していて位相ノイズ（ジッタ）が少ない信号源が求められる。なぜならば、高周波発振器の出力周波数はＡＭＣとＳＨＭで２×Ｎ倍されてＬＯを生成するが、高周波発振器の出力に含まれるジッタも２×Ｎ倍されてしまうためである。
本発明の特徴は、高周波発振器のジッタが逓倍によって拡大されてしまうという現象を利用し、極めて安定した周波数源である高周波発振器の出力に位相シフト回路を挿入して、ＬＯの位相を大きく変化させる点にある。通常は、高周波発振器と逓倍器の間は非常に敏感であり、この箇所に何かの回路を挿入することはない。
図１の構成においてミキサ（ＳＨＭ）のＩＦ入力に一定電圧を与えて動作させると、ＬＯの周波数の２倍の周波数で一定振幅のRＦ信号が出力される。高周波発振器の出力の位相をシフトすると、シフト量が逓倍器によってＮ倍に拡大され、ＳＨＭでさらに２倍に拡大される。こうして振幅一定で位相変調が施されたテラヘルツ波を得ることができる。（図２）
ＩＦ入力に一定電圧ではなく、位相シフトとタイミングを合わせて変化させた信号を入力すれば、振幅と位相を同時に変調することができる。（図３）
位相シフト量は必ずしも連続的である必要はなく離散的でもよい。例えばシフト量を２段階とし、ＩＦ入力も２段階として同時に変化させるとＱＰＳＫ変調を行うことができる。シフト量を４段階とし、ＩＦ入力も４段階として同時に変化させるとＱＡＭ１６の変調を行うことができる。ＩＦと位相シフト量を適切に与えればディジタル変調も可能である。（図４）
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、１つのミキサと簡単な位相シフト回路のみを用いてテラヘルツ波の位相変調回路を作成することができる。導波管の分岐や合流がないため導波管部品の機械加工精度や組み立てに高い精度が要求されない。大幅なコスト削減と機器の小型化が可能となる。
一般的に振幅変調よりも位相変調のほうが電力効率は高く、少ない電力でノイズに強い通信が可能である。微弱な電力しか得られないテラヘルツ帯においては有利な変調方式となる。
位相と振幅を同時に離散的に変化させることでディジタル変調も行うことができ、同一電力であれば振幅変調の場合と比べて通信帯域を２倍に増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明の構成図
位相シフトの原理
振幅位相変調の原理
振幅位相変調の結果得られるディジタル変調
ＳＨＭの構造と動作原理
位相シフト回路の構成
位相変調の実験構成
ＳＨＭの位相検波出力
正弦波で位相変調を行った場合の検波出力
矩形波で位相変調を行った場合の検波出力
従来の技術で構成した位相変調回路
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１を用いて本発明の動作原理について説明する。
本発明の変調回路は、原発振器、高周波発振器、位相シフト回路、ＡＭＣ、ＳＨＭで構成される。
原発振器は１０ＭＨｚの正確な発振器であり、高周波発振器のリファレンス・クロックとして与えられる。高周波発生器はＰＬＬによって１０ＭＨｚのリファレンス入力を１６００逓倍して１６ＧＨｚの高周波信号を生成する。
高周波信号は位相シフト回路に入力され、最大で約６度シフトされる。位相シフト回路の出力はＡＭＣの入力に接続され、ＡＭＣによって８逓倍されて１２８ＧＨｚの局部発振周波数（ＬＯ）が生成される。
高周波ミキサにはハーモニック・ミキサとサブ・ハーモニック・ミキサ（ＳＨＭ）の２つの型がある。ハーモニック・ミキサはＬＯポートから入力された信号とＩＦ信号を乗算してＲＦから出力するのに対し、サブ・ハーモニック・ミキサはＬＯポートから入力された信号の２倍の周波数をＩＦ信号と乗算する。いずれの型も使用可能であるが、テラヘルツ波帯ではサブ・ハーモニック・ミキサのほうが使いやすく種類も豊富である。
ＡＭＣからの１２８ＧＨｚは導波管を通じてＳＨＭ（サブ・ハーモニック・ミキサ）のＬＯ入力に接続される。ＳＨＭはＩＦ入力、ＬＯ入力、ＲＦ出力の３つのポートを持つ高周波部品である。
【０００８】
ＳＨＭの構造と動作原理を図５に示す。ＬＯ入力からの電圧が高い状態ではＳＨＭ内部の反並行ダイオードペアがＯＮとなり、ＩＦから入力された電圧はスタブを通じてＧＮＤに落とされる。ＬＯの１周期で２回、ダイオードがＯＮするため、ＩＦ入力をＬＯ入力の２倍の周波数でスイッチングした波形がＲＦから得られる。
例えば、ＬＯを１２８ＧＨｚとしてＩＦに帯域１ＧＨｚ程度のベースバンド信号を入力すれば、２５６ＧＨｚで断続された波形が出力される。
ＳＨＭの通常の使い方ではミキサのＬＯに与えられる周波数は一定で、位相のゆらぎが少ないほうが安定した出力が得られるため良いとされている。なぜならば、ＬＯの位相が揺らぐとＲＦの位相も揺らぐためである。そのため、ＬＯを生成する高周波発生器の位相ノイズは極めて小さいものが求められる。
例えば、高周波発生器が１６ＧＨｚ（周期６２．５ピコ秒）を出力している状態で、出力クロックに１ピコ秒の揺らぎが生じた場合、一周期に対するずれは１．６％であるが、１６ＧＨｚから逓倍して生成される２５６ＧＨｚの搬送波（周期３．９ピコ秒）に対しても１ピコ秒揺らぐため、２５６ＧＨｚに対しては２５％のゆらぎ、すなわち、位相にして約９０度の揺らぎとなる。
このようにＡＭＣとＳＨＭによる逓倍で位相ノイズも拡大するため、高周波発生器とＡＭＣに位相シフト回路を挿入することでわずかな位相シフトを拡大でき、大きな位相変化量が得られる。
【０００９】
位相シフト回路の構成を図６に示す。ハイブリッド回路によって１６ＧＨｚの信号入力から０度と９０度の信号が生成されるが、９０度側の信号はコンデンサでカップリングした区間に挿入されたＨＥＭＴによってＧＮＤにプルダウンされる。このＨＥＭＴは増幅のためではなく、ゲート電圧で制御される抵抗として用いられている。ゲート電圧がゼロに近いほど抵抗値が低くなるので９０度側の信号は弱められ、ウィルキンソン・デバイダを用いて混合される。すなわち、０度の信号と、適度に弱められた９０度の信号が混合されることで、連続的に制御可能な位相シフト回路を構成している。当該回路でシフトできる位相の量は約５～６度であるが、逓倍回路で１６倍に拡大されるため、ＬＯの位相を０度から約９０度までシフトすることができる。
【００１０】
位相がシフトしたことを確かめるために用いた実験の構成を図７に示す。送信器と受信器のＡＭＣには同一の高周波発振器から分配した周波数を与える。送信された信号は受信器のミキサで復調されるが、当実験で用いたミキサでは、ＲＦ（ＲＸ）とＬＯ（ＲＸ）の位相差が０度のときに最小出力となり、位相差が９０度のときに最大出力となる。なお、ミキサによっては０度の時に最大出力となり９０度の時に最小出力となるものもあるが、どちらのタイプでも本質は変わらない。
（【００１１】以降は省略されています）

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