JP2012222490A

JP2012222490A - 高周波回路

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Publication number: JP2012222490A
Application number: JP2011084365A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Satake; 裕崇佐竹
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2012-11-12

Abstract

【課題】平衡型増幅器を用いて構成され、挿入損失の増大を抑え、回路の大型化を防ぎながらアンテナダイバシティが利用可能な電気的特性に優れた高周波回路を提供する。
【解決手段】第１ポートと第６ポートとの間に配置した第１スイッチＳＣ１と、第２ポートと第６ポートとの間に配置した第２スイッチＳＣ２と、第１ポートと第３ポートとの間に配置した第３スイッチＳＣ３と、第２ポートと第４ポートとの間に配置した第４スイッチＳＣ４と、第５ポートと第６ポートとの間に配置した平衡型増幅器とを備え、第１スイッチＳＣ１と第２スイッチＳＣ２とにより、第５ポートと第１ポート又は第２ポートとの間の接続を切り換え、第３スイッチＳＣ３により、第３ポートと第１ポート又はグランドとの接続を切り換え、第４スイッチＳＣ４により、第４ポートと第２ポート又はグランドとの接続を切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の単位増幅器を並列動作させる平衡型増幅器を用いた高周波回路に関し、特には高出力電力で送信ダイバーシチが可能な高周波回路に関する。

無線通信サービスを提供する上で、通信設備の設置や整備のためのコストを削減することは常に課題としてある。その一つの解決手法として、固定局と移動局との通信距離を長くして、一つの固定局が担うエリアを広く構成して基地局数を削減することが提案されている。固定局は例えば基地局であり、移動局は携帯電話等の無線通信装置である。

通信距離を長くする為には各局の送信出力電力を高めることが求められるが、単純に出力を高めると対応可能な周波数帯域を狭めてしまうことや、トランジスタの段数を増加させることが必要であり、小電力で動作し、小型の部品で構成される携帯電話等においては、単純に送信出力電力を高めることは容易では無い。この為、平衡型増幅器を用いて高周波信号の出力電力を高めることが行なわれて来た。

図３は平衡型増幅器の等価回路である。この平衡型増幅器は、ハイブリッド回路２０，２１の間に一対の単位増幅器１５，１６が接続されて構成されており、送信ポートＰ１（ＩＮ）に入力した高周波信号は、第１ハイブリッド回路２０を経て９０度の位相差を有する高周波信号に２分配されて、それぞれ第１増幅器１５と第２増幅器１６に入力する。第１及び第２増幅器で増幅された高周波信号は、第２ハイブリッド回路２１に入力して同相の高周波信号に合成されて出力ポートＰ２（ＯＵＴ）より出力される。出力電力は第１増幅器１５及び第２増幅器１６から出力される信号のほぼ２倍となる。

第１及び第２ハイブリッド回路２０、２１には終端抵抗がＲ１、Ｒ２が接続される。
第１ハイブリッド回路２０に接続された終端抵抗Ｒ１によって第１及び第２増幅器１５、１６の入力側からの反射波を吸収する。なお理想的には終端抵抗Ｒ１が接続されるポートには電圧は現れない。また、第２ハイブリッド回路２１に接続された終端抵抗Ｒ２は、出力ポートＰ２（ＯＵＴ）へ入力する反射波を吸収し、第１及び第２増幅器１５，１６の位相や出力電力のばらつきによって生じる合成損失を吸収する。理想的には終端抵抗Ｒ２が接続されるポートにもまた電圧は現れない。

前記ハイブリッド回路としてウイルキンソン型ハイブリッド合成分配回路が知られるが、用いられる抵抗は耐圧が求められるので、小型の抵抗器を利用することが出来ない問題がある。そこでハイブリッド回路としては、ハイブリッド回路としてブランチライン型ハイブリッド合成分配器や９０度ハイブリッドカップラを用いる場合が多い。

この様な平衡型増幅器を用いた高周波波回路として、特許文献１に図６に示したアンテナスイッチ回路が開示されている。このアンテナスイッチ回路は、入力ポートが送信器１２５と接続された平衡型増幅器１０と、平衡型増幅器１０の出力ポートに接続されたＳＰＤＴスイッチ回路１２７と、ＳＰＤＴスイッチ回路１２７と接続されたアンテナＡＮＴと、受信器１２６に接続された低雑音増幅器１２８を備えている。ＳＰＤＴスイッチ回路１２７によって、一つのアンテナＡＮＴと送信器１２５との間、アンテナＡＮＴと受信器１２６との間を切り換える。

また特許文献１には図７に示す高周波波回路も開示されている。この回路は図６で示した回路と比較し、更に平衡型増幅器１０の入力ポートと接続するＳＰＤＴスイッチ回路１２９と、平衡型増幅器１０の終端抵抗が接続される出力ポートの一方と接続するＳＰＤＴスイッチ回路１３０とを備え、各スイッチ回路１２９、１３０の一つのポートには終端抵抗１３２、１３３が接続されている。

この回路では出力端子の他方がスイッチ回路を介さずにアンテナと接続される。送信時においては、送信器１２５と平衡型増幅器１０との間に配置されたＳＰＤＴスイッチ回路１２９によってアンテナＡＮＴと送信器１２５とが接続される。平衡型増幅器１０の出力ポートに接続されたＳＰＤＴスイッチ回路１３０によって終端抵抗１３３を介して接地され、高周波信号は送信器１２５からアンテナＡＮＴを経て放射される。
一方、アンテナＡＮＴから入射する高周波信号は、平衡型増幅器１０、ＳＰＤＴスイッチ回路１３０、低雑音増幅器１２８を経て受信器１２６に至る。ＳＰＤＴスイッチ回路１２９は送信器１２５が終端抵抗１３２を介して接地する様に制御され、ＳＰＤＴスイッチ回路１３０は平衡型増幅器１０と低雑音増幅器１２８が接続する様に制御される。高周波信号は平衡型増幅器１０の第２ハイブリッド回路に入力し単位増幅器の出力側に現れるが、単位増幅器が非動作状態に制御されることで反射されて、第２ハイブリッド回路のＳＰＤＴスイッチ回路１３０側の出力ポートに現れる。

ここで例示した高周波回路は、一つのアンテナに送信器と受信器が接続される基本的な構成であるが、最近の高周波回路においては、フェージング等の外乱の影響を考慮してアンテナダイバシティを利用することが求められている。
次に高周波回路におけるアンテナダイバシティの構成例を説明する。特許文献２には図８に示す高周波回路が開示されている。この高周波回路１７０は、増幅器１８４の出力側に３つのＳＰＤＴスイッチ回路１８０、１８１、１８２が接続され、２つのアンテナＡＮＴ１、ＡＮＴ２と、第１受信側Ｒｘ１、第２受信側Ｒｘ２、送信側Ｔｘとの間の接続を切り換える。

特表２０１０−５１１３５３号国際公開第９７／１３３２０号パンフレット

送信出力電力を高め、かつアンテナダイバシティが可能な高周波回路を得ようとすれば、単純には特許文献２の高周波回路において、増幅器を特許文献１に記載された平衡型増幅器を用いれば良い。

図９にＳＰＤＴスイッチ回路の基本的な構成を示す。第１ポートＰ１と第２ポートＰ２との間にはＦＥＴからなるスイッチング素子１９０と、第１ポートＰ１と第３ポートＰ３との間にはＦＥＴからなるスイッチング素子１９１とを備える。各スイッチング素子のゲート電極に制御ポートＶから制御電圧が印加されて、各ポート間の電気的な接続状態を各スイッチング素子のＯＮ状態／ＯＦＦ状態にて制御する。他の構成としては、更に第２ポートＰ２、第３ポートＰ３を他のスイッチング素子で接地する場合もある。

このようなＳＰＤＴスイッチ回路を用いてアンテナダイバシティ回路を構成すると、送信信号の経路には、３つのＳＰＤＴスイッチ回路１８０、１８１、１８２の複数のスイッチング素子が設けられることとなる。
平衡型増幅器を用いた高周波回路の場合、低電圧で動作し、送信出力電力が高くても伝送が可能であるように、スイッチング素子を直列に複数接続して段数を増加させ、またマルチゲート化して耐電力にすぐれたものとすることが行なわれるが、スイッチング素子の占める面積が大きくなりＳＰＤＴスイッチ回路も大きくなってしまう。３つのＳＰＤＴスイッチ回路を用いるとすれば、ＳＰＤＴスイッチ回路を構成するのに必要な空間も単順には３倍となり、信号経路に配置されるスイッチング素子の増加は、挿入損失の増加を招くといった問題もある。

そこで本発明では、平衡型増幅器を用いて構成され、挿入損失の増大を抑え、回路の大型化を防ぎながらアンテナダイバシティが利用可能な電気的特性に優れた高周波回路を提供することを目的とする。

本発明は、第１ポートと第６ポートとの間に配置された第１スイッチと、第２ポートと前記第６ポートとの間に配置された第２スイッチと、前記第１ポートと第３ポートとの間に配置された第３スイッチと、前記第２ポートと第４ポートとの間に配置された第４スイッチと、第５ポートと前記第６ポートとの間に配置された平衡型増幅器とを備え、前記第１スイッチと前記第２スイッチとにより、第５ポートと第１ポート又は第２ポートとの間の接続を切り換え、前記第３スイッチにより、第３ポートと第１ポート又はグランドとの接続を切り換え、前記第４スイッチにより、第４ポートと第２ポート又はグランドとの接続を切り換えることを特徴とする高周波回路である。

本発明においては、前記第１ポートが第１アンテナと接続され、前記第２ポートが第２アンテナと接続され、前記第３ポートが第１受信回路と接続され、前記第４ポートが第２受信回路と接続され、前記第５ポートが送信回路と接続される。

前記平衡型増幅器は２つの入力ポートと２つの出力ポートを備え、一つの入力ポートへ信号を入力し、一つの出力ポートへ増幅後の信号が出力可能であり、他の入力ポートと出力ポートは抵抗で終端される。

本発明においては、前記平衡型増幅器の出力ポート側と、第１アンテナ又は第２アンテナとの間に、ＳＰＳＴスイッチ回路が接続される構成とする。この為、平衡型増幅器から各アンテナとの送信信号に設けられるスイッチング素子を少なく構成出来る、

前記平衡型増幅器の入力ポートは高周波半導体回路（ＲＦＩＣ）の送信回路と接続され、前記アンテナはＲＦＩＣの受信回路と接続されるのが好ましい。
また高周波回路を複数に設けて、それぞれの平衡型増幅器の出力ポート側にアンテナを接続してデータ送受信の帯域を広げる無線通信技術であるＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−ＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）を実現可能な構成としても良い。

本発明の高周波回路によれば、スイッチ回路を簡略化することが出来、挿入損失の増大を抑え、高周波回路の大型化を防ぎながらアンテナダイバシティが利用可能な電気的特性に優れた平衡型増幅器を用いて構成された高周波回路を提供することが出来る。

本発明の一実施例による高周波回路の等価回路を示す図である。本発明の一実施例による高周波回路に用いるＳＰＤＴスイッチ回路を説明する為の図である。本発明の一実施例による高周波回路に用いる平衡型増幅器を説明する為の回路ブロック図である。（ａ）本発明の一実施例による高周波回路に用いる平衡型増幅器のハイブリッド回路の一例を示す等価回路図である。（ｂ）本発明の一実施例による高周波回路に用いる平衡型増幅器のハイブリッド回路の他の例を示す等価回路図である。本発明の高周波回路を用いて構成された無線通信装置の高周波回路部の回路ブロック図である。従来の高周波回路の構成例を示す回路ブロックを示す図である。従来の高周波回路の他の構成例を示す回路ブロックを示す図である。従来の高周波回路の他の構成例を示す回路ブロックを示す図である。ＳＰＤＴスイッチ回路の構成を示す図である。

図１〜図３を基に本発明の高周波回路を説明する。図１は平衡型増幅器を用いた高周波回路の回路ブロック図である。平衡型増幅器の構成は既に説明したが、ハイブリッド回路２０、２１の間に一対の単位増幅器１５、１６が接続されて構成されている。ハイブリッド回路２０、２１は、それぞれ２端子対回路であって、ハイブリッド回路２０の一方側は入力ポートＰ１、終端抵抗Ｒ１と接続し、他方側は第１増幅器１５の入力側、第２増幅器１６の入力側と接続する。ハイブリッド回路２１の一方側は出力ポートＰ２、終端抵抗Ｒ２と接続し、他方側は第１増幅器１５の出力側、第２増幅器１６の出力側と接続する。

本発明の高周波回路は、第１ポートＰｏ１と第６ポートＰｏ６との間に配置された第１スイッチＳＣ１と、第２ポートＰｏ２と前記第６ポートＰｏ６との間に配置された第２スイッチＳＣ２と、前記第１ポートＰｏ１と第３ポートＰｏ３との間に配置された第３スイッチＳＣ３と、前記第２ポートＰｏ２と第４ポートＰｏ４との間に配置された第４スイッチＳＣ４と、第５ポートＰｏ５と前記第６ポートＰｏ６との間に配置された平衡型増幅器１０とを備える。
前記第１スイッチＳＣ１と前記第２スイッチＳＣ２とにより、第５ポートＰｏ５と第１ポートＰｏ１又は第２ポートＰｏ２との間の接続を切り換え、前記第３スイッチＳＣ３により、第３ポートＰｏ３と第１ポートＰｏ１又はグランドＧＮＤとの接続を切り換え、前記第４スイッチＳＣ４により、第４ポートＰｏ４と第２ポートＰｏ２又はグランドＧＮＤとの接続を切り換える。

第１〜第４スイッチＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３、ＳＣ４はＦＥＴからなるスイッチング素子で構成することが出来る。図２の（ａ）に第１ポートＰｏ１と接続する第１スイッチＳＣ１、第３スイッチＳＣ３をスイッチ回路ＳＷＡとして示し、（ｂ）に第２ポートＰｏ２と接続する第２スイッチＳＣ２、第４スイッチＳＣ４をスイッチ回路ＳＷＢとして示す。
送信出力電力を高めた平衡型増幅器を用いるが、送信出力電力が高くても伝送が可能であるように、スイッチング素子を直列に複数接続し段数を増加させ、またマルチゲート化して耐電力を高めた構成を適宜採用し得る。このような耐電力構造を採用しても従来の高周波回路と比べて、信号経路に配置されるスイッチ回路が減じられているので、相対的に小型でかつ電気的特性に優れた高周波回路とすることが出来る。

なお、固定局と移動局が近くにあって大きな送信出力電力が必要で場合には、一方の増幅器を非動作状態としても良い。この場合、第１、第２ハイブリッド回路によって分配損失が発生するものの、増幅器による電力消費を抑えることができる。

図４（ａ）（ｂ）に本発明に用いるハイブリッド回路の構成例を示す。図４（ａ）で示したハイブリッド回路は４つのポートＰｂ１〜Ｐｂ４を備えた９０度ハイブリッドカップラであり、１／４波長に相当する長さに構成された２つの結合線路Ｌｃ１、Ｌｃ２を対向配置して構成される。結合線路Ｌｃ１、Ｌｃ２は所定の特性インピーダンス（例えば５０Ω）の分布定数線路として形成される。また各結合線路Ｌｃ１、Ｌｃ２の両端にキャパシタンス素子を接続してローパスフィルタの構成とする場合や分布定数線路に代えてインダクタンス素子で構成する場合もある。ここで１／４波長に相当する長さとは、ポート間の実長さが１／４波長である場合のほかに、波長短縮されて等価的に１／４波長である場合も含み、ハイブリッドカップラとして機能する長さを言う。

第１ハイブリッド回路２０として９０度ハイブリッドカップラを用いる場合、そのポートＰｂ２を入力ポートＰ１と接続すると、ポートＰｂ１は第２増幅器１６の入力側と接続され、ポートＰｂ３が終端抵抗Ｒ１と接続され、ポートＰｂ４が第１増幅器１５の入力側と接続される。ポートＰｂ２に入力した信号は２分配され、ポートＰｂ１とポートＰｂ４に現れる信号は位相遅れのため９０度の位相差となる。

第２ハイブリッド回路２として９０度ハイブリッドカップラを用いる場合、そのポートＰｂ２を第１増幅器１５の出力側と接続すると、ポートＰｂ１は出力ポートＰ２と接続され、ポートＰｂ３が第２増幅器１６の出力側と接続され、ポートＰｂ４が終端抵抗Ｒ２と接続される。第１増幅器１５、第２増幅器１６により増幅された出力信号は９０度の位相差のままポートＰｂ２とポートＰｂ３に入力する。ポートＰｂ３−Ｐｂ４間での位相遅れのため出力ポートＰ２で同相となり合成されて約２倍に増幅された高周波信号が出力される。

図４（ｂ）に本発明に用いるハイブリッド回路の他の構成例を示す。ここで示したハイブリッド回路は４つのポートＰｂ１〜Ｐｂ４を備えたブランチライン型ハイブリッド合成分配器である。１／４波長に相当する長さに構成された４つの分布定数線路Ｌｈ１〜Ｌｈ４とで構成される。前記分布定数線路Ｌｈ３、Ｌｈ４の特性インピーダンスがａΩであるとすると、分布定数線路Ｌｈ１、Ｌｈ２の特性インピーダンスはｂΩ（ｂは２の平方根でａを除した値）となる。またインダクタンス素子とキャパシタンス素子の集中定数素子で構成しても良い。

ブランチライン型ハイブリッド合成分配器を第１ハイブリッド回路２０とする場合は、ポートＰｂ１を入力ポートＰ１と接続すると、ポートＰｂ２は第１増幅器１５の入力側と接続され、ポートＰｂ３が終端抵抗Ｒ１と接続され、ポートＰｂ４が第２増幅器１６の入力側と接続される。第２ハイブリッド回路２１とする場合は、ポートＰｂ１を第１増幅器１５の出力側に接続すると、ポートＰｂ２は終端抵抗Ｒ２と接続され、ポートＰｂ３が第２増幅器１６の出力側に接続され、ポートＰｂ４が出力ポートＰ２と接続される。

図５は本発明の高周波回路を含む無線通信装置のフロントエンド回路部を示す。
高周波回路は、第５ポートＰｏ５より平衡型増幅器１０の入力ポート側にＲＦＩＣからの送信信号が入力し、第３ポートＰｏ３、第４ポートＰｏ４より受信信号がＲＦＩＣへ向けて出力する。第３ポートＰｏ３、第４ポートＰｏ４からＲＦＩＣに至る受信信号の経路には帯域通過フィルタ１４０、１４１、１４７、１４８と、帯域通過フィルタ１４０、１４７に挟まれて低雑音増幅器１４５と、帯域通過フィルタ１４１、１４８に挟まれて低雑音増幅器１４６と、帯域通過フィルタ１４７と接続して不平衡信号である受信信号を平衡信号に変換するバラン１４９と、帯域通過フィルタ１４８と接続して不平衡信号である受信信号を平衡信号に変換するバラン１５０とを備える。

本発明の高周波回路において、各スイッチのスイッチング素子は各制御ポートＶに与えられる制御電圧によって表１に示す様に制御される。ここでは、一つの信号経路がいずれかのアンテナと接続する場合であり、他の経路は切断された場合を示している。またスイッチ回路ＳＷＡにおいて、スイッチング素子ＳＷ１−１とＳＷ３−２の制御ポートＶを共通化することが出来る。同様に、スイッチ回路ＳＷＢにおいて、スイッチング素子ＳＷ２−１とＳＷ４−２の制御ポートＶを共通化することも出来る。

ここでは、第１ポートＰｏ１と第５ポートＰｏ５が接続される条件（Ｔｘ１モード）、第２ポートＰｏ２と第５ポートＰｏ５が接続される条件２（Ｔｘ２モード）である場合に第１増幅器１５、第２増幅器１６は動作状態であり、第１ポートＰｏ１と第３ポートＰｏ３が接続される条件３（Ｒｘ１モード）、第２ポートＰｏ２と第４ポートＰｏ４が接続される条件４（Ｒｘ２モード）では非動作状態である。なお、異なるアンテナを使って送受信を同時に行なう場合は、条件１と条件３や条件２と条件４が同時に成立するように、増幅器の動作状態や各スイッチ素子の動作状態が制御されて表１で示した動作と異なる場合がある。また、送信受信の動作に直接影響しないスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態は適宜設定され得る。

第１、第２増幅器１５、１６を領域で動作させると非線形動作となり、基本周波数成分の他に、偶数次高調波成分（２ｎ倍波；ｎは１以上の自然数）、奇数次高調波成分（３ｎ倍波）といった高調波成分が生じてしまう。偶数次高調波成分に対して第２ハイブリッド回路２１は所定のインピーダンス負荷とはならず反射して第１、第２増幅器１５、１６へ入力し、基本波と混合されて、基本波と同じ周波数で移相のずれた周波数成分となる。これによって出力ポートから出力される高周波信号にリップルが生じる場合がある。また、高周波回路１０に入力される高周波信号にも高調波成分が含まれ第１、第２増幅器１５、１６で増幅されてしまう場合もある。

本発明の高調波回路においては、第１、第２増幅器１５、１６の出力側のそれぞれに高調波減衰手段を設けることで高調波を減衰させてリップルや損失を低減するのが好ましい。高調波減衰手段はフィルタで構成するのが望ましく、ローパスフィルタやノッチフィルタを用いることが出来る。ローパスフィルタによれば偶数次高調波成分、奇数次高調波成分の両方を減衰させることが出来る。偶数次高調波成分のみを選択的に減衰させる場合は、スタブで構成しても良い。高調波減衰手段を設ける場合には、合成損失を低減する観点から各経路で同じ特性（移相や損失）のものを用いる。

１０平衡型増幅器
１５第１増幅器
１６第２増幅器
２０第１ハイブリッド回路
２１第２ハイブリッド回路
Ｒ１、Ｒ２終端抵抗
ＩＮ入力ポート
ＯＵＴ出力ポート

Claims

第１ポートと第６ポートとの間に配置された第１スイッチと、第２ポートと前記第６ポートとの間に配置された第２スイッチと、前記第１ポートと第３ポートとの間に配置された第３スイッチと、前記第２ポートと第４ポートとの間に配置された第４スイッチと、第５ポートと前記第６ポートとの間に配置された平衡型増幅器とを備え、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとにより、第５ポートと第１ポート又は第２ポートとの間の接続を切り換え、
前記第３スイッチにより、前記第３ポートと前記第１ポート又はグランドとの接続を切り換え、
前記第４スイッチにより、前記第４ポートと前記第２ポート又はグランドとの接続を切り換えることを特徴とする高周波回路。
前記第３スイッチは、前記第１ポートと第３ポートとの間に接続されるスイッチング素子と、前記第３ポートとグランドとの間に接続されるスイッチング素子を有し、
前記第４スイッチは、前記第２ポートと第４ポートとの間に接続されるスイッチング素子と、前記第４ポートとグランドとの間に接続されるスイッチング素子を有することを特徴とする請求項１に記載の高周波回路。
前記第１ポートが第１アンテナと接続され、前記第２ポートが第２アンテナと接続され、前記第３ポートが第１受信回路と接続され、前記第４ポートが第２受信回路と接続され、前記第５ポートが送信回路と接続されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波回路。