JP4957095B2 - マルチバンド高周波増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の周波数帯の無線信号を用いてデータの送受信を行う通信端末に備えられるマルチバンド高周波増幅器に関し、特に、マルチバンド高周波増幅器を小型化するための技術に関する。

３つの周波数帯(例えば、８００ＭＨｚ、２ＧＨｚおよび５ＧＨｚ)を使い分ける移動通信端末は、図５に示すように、これらの周波数帯それぞれに対応する高周波増幅器４１０，４２０，４３０を備えて構成されている。そして、周波数合成器４０２によって合成された変調周波数に従って変調器４０１が基底信号を変調することで得られた変調信号は、マルチプレクサ(ＭＵＸ)４０３を介してこれらの高周波増幅器４１０，４２０，４３０のいずれかに選択的に入力される。また、これらの高周波増幅器４１０，４２０，４３０によって得られた送信信号１，２，３は、分波器４０４を介してアンテナ４０５に伝えられ、このアンテナ４０５を介して送信される。

同様に、無線ＬＡＮ通信機器なども、複数の周波数帯の異なる高周波増幅器を備えることにより、複数の周波数帯に対応している。
上述した高周波増幅器４１０は、図６に示すように、可変増幅器ＶＡ１および電力増幅器ＰＡ１からなる入力信号を増幅する増幅機能部分と、この電力増幅器ＰＡ１の出力信号に基づいて、可変増幅器ＶＡ１の利得を制御する制御機能部分とを備えている。この増幅機能部分と電力検出部ＰＤおよび差動増幅器ＥＡＭＰとからなる制御機能部分とは、方向性結合器４１１によって結合されており、また、この方向性結合器４１１を介して出力信号が分波器４０４に送出されている。

同様に、高周波増幅器４２０，４３０もまた、それぞれの周波数帯に整調された増幅機能部分とこの増幅機能部分の利得を制御するための制御機能部分とを方向性結合器４２１，４３１によって結合した構成を備えている。
これらの方向性結合器４１１，４２１，４３１は、図７に示すように、２本のマイクロストリップをそれぞれに適合する波長の四分の１の長さに渡って近接して配置することによって構成される分布定数回路である。

これらのマイクロストリップの一方である主線路の一端(図７において符号Ｐ１で示す)に入力された高周波信号の大部分は、この主線路の出力端Ｐ３から出力され、分波器４０４に送出される。このとき、入力された高周波信号電力のごく一部(例えば、約１パーセント)が、他方のマイクロストリップである副線路において、上述した主線路の入力端Ｐ１に対応する一端(図７において符号Ｐ２で示す)に現れる。このようにして取り出された結合出力は、制御機能部分による利得制御処理に供される。

一方、アンテナ４０５におけるインピーダンス不整合などで反射波が発生すると、この反射波は、分波器４０４を介して上述した主線路の出力端Ｐ３に到達し、そのごく一部が副線路に現れる。しかしながら、副線路において上述した主線路の出力端Ｐ３に対応する一端(図７において符号Ｐ４で示す)に接続された終端器ＴＭによって消費されるため、副線路の他端Ｐ２に現れる結合出力に影響を及ぼすことはない。

このように、方向性結合器は、高周波信号出力に対応する結合出力を取り出す機能と、アンテナにおいて発生する反射波の影響を遮断する機能とを果たしており、無線通信機器用の高周波増幅器を構成する上で必要不可欠な部品である。
このような方向性結合器は、２本のマイクロストリップを適切な長さだけ近接させる構成であるので、高周波増幅器を実装するプリント基板上に配線パターンとして形成することも可能である(特許文献１参照)。

例えば、周波数８００ＭＨｚ、２ＧＨｚおよび５ＧＨｚにそれぞれ対応する３つの方向性結合器を、比誘電率εｒが４．５程度の基板材におけるプリント配線パターンによって実現する場合には、それぞれ約４４．１９ｍｍ、約１７．６８ｍｍおよび約７．０７ｍｍの長さを持つマイクロストリップの対が配置されることになり、各マイクロストリップの総延長は約６９ｍｍとなる。

また、一方、ファインセラミック積層技術により、マイクロストリップを小さく折りたたんで形成されたチップ部品が実現されており、このようなチップ部品を高周波増幅器の一部として実装することもできる。この場合には、これらのチップ部品を実装するスペースを確保する必要がある。
特開平８−３０７１１７号公報

図５に示したように、個々の無線周波数帯に応じた高周波増幅器を備える構成では、当然ながら、無線通信機器が対応すべき周波数帯の数だけ高周波増幅器がプリント基板上に配置されることになる。このため、無線通信機器の構成部品の増加を避けられず、無線通信機器の小型化および低価格化の妨げとなってしまう。
ところで、図６に示した高周波増幅器の詳細構成から分かるように、増幅機能部分は明らかに周波数依存性を有する素子から構成されるのに対して、制御機能部分を構成する電力検出器および誤差増幅器は、それぞれショットキーバリアダイオードおよび差動増幅器のように周波数依存性のない汎用の回路素子である。また一方、各周波数帯に対応する高周波増幅器において、増幅機能部分と制御機能部分とを結び付けているそれぞれの方向性結合器は、主線路と副線路とが近接して配置されている長さ、すなわち、結合長のみが異なっている。

つまり、可変増幅器の利得制御のための制御機能部分は、必ずしも、個々の周波数帯に対応して設ける必要はなく、方向性結合器によって各周波数帯に応じて結合出力を得ることさえ可能であれば、複数の可変増幅器の利得制御を一つの制御機能部分によって実現することが可能である。
本発明は、複数の可変増幅器の利得制御を一つの制御機能部分によって実現するマルチバンド高周波増幅器を提供することを目的とする。

本発明にかかわる第１のマルチバンド高周波増幅器は、複数の可変増幅器と、１対のマイクロストリップと、結合長変更手段と、選択手段と、検波手段と、誤差検出手段とから構成される。
本発明にかかわる第１のマルチバンド高周波増幅器の原理は、以下の通りである。
複数の可変増幅器は、それぞれ異なる周波数帯で変調された入力信号を負帰還制御入力に応じた利得で増幅する。１対のマイクロストリップは、複数の可変増幅器が実装されたプリント基板上の配線パターンとして形成され、これらの可変増幅器が適合する周波数帯の中で最も低い周波数帯における信号の４分の１波長の延長を持ち、互いに電磁界結合可能な距離を持って近接して配置される。結合長変更手段は、複数の可変増幅器に対応する周波数帯のいずれかを示す切替制御入力に応じて、１対のマイクロストリップにおいて電磁界結合が発生している区間の長さを切替制御入力で示される周波数帯の信号の４分の１波長に変更する。選択手段は、切替制御入力で示される周波数帯に対応する可変増幅器の出力を、１対のマイクロストリップの一方である主線路に選択的に入力する。検波手段は、１対のマイクロストリップの他方である副線路によって取り出される結合出力を検波する。誤差検出手段は、検波手段によって得られる検波出力と所定の基準値との差分を負帰還制御入力として可変増幅器に入力する。

このように構成された第１のマルチバンド高周波増幅器の動作は、下記の通りである。
切替制御入力に応じて、結合長変更手段により、プリント基板上に形成された１対のマイクロストリップにおける結合長が切替制御入力で示された周波数帯に適合する長さに変更されるので、選択手段によって、上述した切替制御入力に対応する可変増幅器の出力が主線路に入力されると、副線路にこの可変増幅器の出力に対応する結合出力が選択的に現れ、検波手段および誤差検出手段による負帰還制御処理に供される。

このように、最も低い周波数帯に対応する延長を持つ１対のマイクロストリップにおける結合長を変更することで、複数の異なる周波数帯に適合する方向性結合器を実現することにより、検波手段および誤差検出手段からなる負帰還制御機能部分を共通的に利用して複数の可変増幅器を制御することが可能である。
本発明にかかわる第２のマルチバンド高周波増幅器は、上述した第１のマルチバンド高周波増幅器において、副線路に複数の接点を設け、結合長変更手段に、終端抵抗と切替スイッチとを備えて構成される。

本発明にかかわる第２のマルチバンド高周波増幅器の原理は、以下の通りである。
上述した第１のマルチバンド高周波増幅器に備えられる１対のマイクロストリップの一方である副線路において、複数の接点は、主線路の入力端に対応する一端から複数の可変増幅器がそれぞれ適合する周波数帯の信号の４分の１波長に対応する延長の個所にそれぞれ設けられる。結合長変更手段において、終端抵抗は、副線路の特性インピーダンスに適合する。切替スイッチは、切替制御入力で示される周波数帯に対応して副線路に設けられた接点と終端抵抗とを短絡する。

このように構成された第２のマルチバンド高周波増幅器の動作は、下記の通りである。
例えば、周波数帯８００ＭＨｚの信号の４分の１波長に相当する長さを持つ１対のマイクロストリップを形成し、副線路に相当するマイクロストリップの入力端から、周波数帯５ＧＨｚおよび２ＧＨｚの信号の４分の１波長に対応する位置に接点を設けておく。そして、これらの周波数帯のいずれかを示す切替制御入力に応じて、切替スイッチにより、対応する接点(例えば、周波数帯２ＧＨｚに対応する接点)と終端抵抗とを短絡することにより、１対のマイクロストリップにおける結合長を選択された周波数帯に対応する長さに変更することができる。

このようにして、周波数帯８００ＭＨｚに対応する延長を持つ１対のマイクロストリップの結合長を切替制御入力に応じて変更することにより、周波数帯２ＧＨｚあるいは周波数帯５ＧＨｚに対応する方向性結合器として動作させることができる。
本発明にかかわる第３のマルチバンド高周波増幅器の原理は、以下の通りである。
上述した第２のマルチバンド高周波増幅器に備えられる切替スイッチにおいて、終端端子は、終端抵抗が接続される。少なくとも一つの接続端子は、互いに適切な間隔を持って配置された副線路に設けられた各接点に対応する。スイッチ素子は、終端端子と複数の接続端子とを切替制御入力に応じて短絡する経路切替回路とを集積している。また、１対のマイクロストリップは、複数の可変増幅器に対応して副線路に設けられた接点が、スイッチ素子における接続端子の配置に対応して並ぶようなパターンで配置されている。

このように構成された第３のマルチバンド高周波増幅器の動作は、下記の通りである。
例えば、切替スイッチを構成するスイッチ素子において、各接続端子が一直線上に配列されている場合に、これに対応して、副線路に設けられた接点が対応する接続端子と同じ間隔で並ぶようにプリント基板上でミアンダパターンを描いて配置される。このようなマイクロストリップが配置されたプリント基板にスイッチ素子を実装すれば、スイッチ素子に集積された経路切替回路によって短絡経路の開閉が操作される各接続端子と副線路上の対応する接点とが直接あるいは極めて簡易な配線パターンによって接続することができる。

上述したように、本発明にかかわるマルチバンド高周波増幅器では、最も低い周波数帯に対応する延長を持つ１対のマイクロストリップにおける結合長を動的に切り替えることにより、必要に応じて、他の周波数帯に対応する方向性結合器として動作させ、負帰還制御に必要な結合出力を取り出すことができる。
これにより、複数の可変増幅器の利得制御を一つの制御機能部分によって実現することが可能となり、マルチバンド高周波増幅器を構成する部品点数を大幅に削減して、小型化とともに低価格化を推進することができる。

また、特に、スイッチ素子の接続端子とプリント基板上に配線パターンとして形成した副線路上に設けられた接点とをスイッチ素子のプリント基板への実装によって直接あるいは極めて簡易な配線パターンによって接続可能とすることにより、素子間の配線パターンを削減し、プリント基板の設計に要するコストの削減も測ることができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１に、本発明にかかわるマルチバンド高周波増幅器の第１の実施形態を示す。
なお、図１に示す構成要素のうち、図６に示した各部と同等のものについては、図６に示した符号を付して示し、その説明を省略する。
図１に示したマルチバンド高周波増幅器において、各周波数帯(例えば、８００ＭＨｚ、２ＧＨｚ、５ＧＨｚ)に対応する可変増幅器ＶＡ１、ＶＡ２、ＶＡ３および電力増幅器ＰＡ１、ＰＡ２、ＰＡ３からなる高周波増幅機能部分によって得られた高周波信号は、マルチプレクサ(ＭＵＸ)２１１を介して方向性結合器２１２の入力端子Ｐ１に入力される。そして、この方向性結合器２１２を通過した高周波信号は、端子Ｐ３から取り出され、マルチバンド高周波増幅器の出力信号として分波器ＤＩＳに送出される。

図１に示した方向性結合器２１２の端子Ｐ４は、終端器２１３によって終端されており、一方、端子Ｐ２から取り出された結合出力は、電力検出器２１４に入力されている。そして、この電力検出器２１４によって得られる検出出力と所定の基準電圧Ｖ_refとが誤差増幅器２１５によって比較され、この誤差増幅器(ＥＡＭＰ)２１５の出力信号が可変増幅器ＶＡ１、ＶＡ２、ＶＡ３の利得制御に供されている。

また、図１に示した切替制御信号は、例えば、図５に示した周波数合成器４０２によって変調器４０１に入力される変調信号の周波数帯を示しており、図１に示したマルチプレクサ２１１は、この切替制御信号で示される周波数帯に対応する電力増幅器の出力を選択して方向性結合器２１２に送出する。また、この切替制御信号は、方向性結合器２１２にも入力されており、後述する結合長の変更操作に供される。

図１に示した方向性結合器２１２は、図２に示すように、プリント基板上にミアンダパターンを描いて配置された１対のマイクロストリップである主線路と副線路とを備えている。図２に示した主線路および副線路の延長は、マルチバンド高周波増幅器が適合する周波数帯のうち最も低い周波数帯(例えば、８００ＭＨｚ)の信号の４分の１波長に相当し、この主線路の両端は方向性結合器２１２の端子Ｐ１、Ｐ３に接続され、副線路の両端は同じく端子Ｐ２、Ｐ４に接続されている。

また、図２に示した副線路上には、端子Ｐ２からの延長が最も高い周波数帯(例えば、５ＧＨｚ)の信号の４分の１波長に一致する位置に接点Ｃ１が設けられ、更に、次に高い周波数帯(例えば、２ＧＨｚ)の信号の４分の１波長に一致する位置に接点Ｃ２が設けられている。同様に、方向性結合器２１２の端子Ｐ４に接続されている副線路の端点にも接点Ｃ３が設けられており、これらの接点Ｃ１，Ｃ２間の経路および接点Ｃ２、Ｃ３間の経路は、それぞれスイッチ(ＳＷ)１、スイッチ(ＳＷ)２が切替制御入力に応じて開閉することによって開放および接続される。

つまり、切替制御入力に応じてスイッチ１およびスイッチ２の双方が開放されているとき、図２に示した方向性結合器２１２において主線路と副線路との間の結合長は、主線路の延長と同等の長さ、すなわち、周波数帯８００ＭＨｚの信号の４分の１波長に相当する長さとなり、逆に、スイッチ１、スイッチ２の双方を閉じた場合の結合長は、周波数帯５ＧＨｚの信号の４分の１波長に相当する長さとなる。また一方、切替制御入力に応じて、スイッチ１が開放され、スイッチ２が閉じられた場合の結合長は、端点Ｐ２から接点Ｃ２までの長さ、すなわち、周波数帯２ＧＨｚの信号の４分の１波長に相当する長さとなる。

このように、副線路に設けた接点Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３間の経路の開放／接続を２つのスイッチ１、２の開閉によって制御して結合長を動的に変更することにより、方向性結合器２１２が適合する周波数帯を切り替えて動作させることができる。
このようにして、単一の方向性結合器２１２を、異なる周波数帯にそれぞれ適合する３つの方向性結合器を選択的に動作させた場合と同様に動作させ、入力された高周波信号の電力を示す結合出力をこの方向性結合器２１２の端子Ｐ２から取り出して、電力検出器２１４に送出することができる。

図１に示した本発明にかかわるマルチバンド高周波増幅器では、方向性結合器２１２、電力検出器２１４および誤差増幅器２１５が、周波数依存性を持つ複数の増幅機能部分で共用されている。これにより、個々の周波数帯に対応して方向性結合器や電力検出器および誤差増幅器を備える場合に比べて、マルチバンド高周波増幅器を構成するための部品点数を大幅に削減することが可能となる。

図２に示したスイッチ１、２は、例えば、図３に示すようなＦＥＴ高周波スイッチ素子によって実現することができる。
例えば、図３に示した端子Ｔ１、Ｔ２をそれぞれ図２に示した接点Ｃ１、Ｃ３に接続し、また、図３に示した端子ＣＯＭを図２に示した接点Ｃ２に接続し、また、図３に示した制御端子ＶＣＴＬ１、ＶＣＴＬ２に、選択された周波数帯を２ビットのコードで示す切替制御信号の各ビットをそれぞれ入力することにより、図３に示したＦＥＴ１、ＦＥＴ２をそれぞれスイッチ１、スイッチ２として動作させることができる。
（第２の実施形態）
図４に、本発明にかかわる方向性結合器の実装形態を示す。

図４に示したプリント配線版において、図１に示した方向性結合器２１２の主線路および副線路は、内層配線(図４においては線で示す)によって形成されており、図２に示した副線路上の接点Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の位置にはスルーホールが設けられている。なお、図４において、主線路の表示は省略し、副線路のみを示した。また、方向性結合器２１２の端子Ｐ４と上述した接点Ｃ３に対応するスルーホールとは、図４において破線で示すように内層配線によって接続されている。

このように形成されたプリント配線板に、図３に示した高周波ＦＥＴスイッチを実装し、この高周波ＦＥＴスイッチの端子Ｔ１、Ｔ２および共通端子ＣＯＭと、上述した接点Ｃ１、Ｃ３に対応するスルーホールおよび接点Ｃ２に対応するスルーホールとを太い実線で示すような配線パターンによって接続することにより、図２に示した方向性結合器２１２を実現することができる。

また、高周波ＦＥＴスイッチの各端子Ｔ１、Ｔ２、ＣＯＭの配置に応じた位置に、方向性結合器２１２の副線路に設けられる接点Ｃ１、Ｃ３、Ｃ２が配置されるように副線路のミアンダパターンを調整し、これらの接点Ｃ１、Ｃ３、Ｃ２に対応して設けるスルーホールに、高周波ＦＥＴスイッチの対応する各端子Ｔ１、Ｔ２、ＣＯＭをハンダ付けすることで直接接続することも可能である。

以上に説明したように、本発明にかかわるマルチバンド高周波増幅器では、方向性結合器および利得制御機能部分を複数の周波数帯に対応する高周波増幅機能間で共用可能とすることにより、複数の異なる周波数帯の高周波信号を切り替えて送信するマルチバンド高周波増幅器を構成する部品点数を大幅に削減することが可能である。
これにより、携帯電話に代表される移動通信端末や無線ＬＡＮ通信端末などの分野で、マルチバンド対応のための機能追加とこれらの無線通信機器に対する小型化および低価格化の要求とを両立することが可能であるので、無線通信機器分野において極めて有用である。

本発明にかかわるマルチバンド高周波増幅器の実施形態を示す図である。 方向性結合器の詳細構成を示す図である。 ＦＥＴ高周波スイッチ素子の説明図である。 本発明にかかわる方向性結合器の実装形態を示す図である。 無線送信部の構成例を示す図である。 高周波増幅器の構成例を示す図である。 方向性結合器の説明図である。

符号の説明

２１１、４０３ マルチプレクサ(ＭＵＸ)
２１２、４１１，４２１，４３１ 方向性結合器
２１３ 終端器
２１４ 電力検出器
２１５ 誤差増幅器(ＥＡＭＰ)
４１０、４２０，４３０ 高周波増幅器
４０１ 変調器
４０２ 周波数合成器
４０４ 分波器
４０５ アンテナ

Claims (3)

1. それぞれ異なる周波数帯で変調された入力信号を負帰還制御入力に応じた利得で増幅する複数の可変増幅器と、
   前記複数の可変増幅器が実装されたプリント基板上の配線パターンとして形成され、これらの可変増幅器が適合する周波数帯の中で最も低い周波数帯における信号の４分の１波長の延長を持ち、互いに電磁界結合可能な距離を持って近接して配置された１対のマイクロストリップと、
   前記複数の可変増幅器に対応する周波数帯のいずれかを示す切替制御入力に応じて、前記１対のマイクロストリップにおいて電磁界結合が発生している区間の長さを前記切替制御入力で示される周波数帯の信号の４分の１波長に変更する結合長変更手段と、
   前記切替制御入力で示される周波数帯に対応する前記可変増幅器の出力を、前記１対のマイクロストリップの一方である主線路に選択的に入力する選択手段と、
   前記１対のマイクロストリップの他方である副線路によって取り出される結合出力を検波する検波手段と、
   前記検波手段によって得られる検波出力と所定の基準値との差分を前記負帰還制御入力として前記可変増幅器に入力する誤差検出手段と
   を備えたことを特徴とするマルチバンド高周波増幅器。
2. 請求項１に記載のマルチバンド高周波増幅器において、
   前記１対のマイクロストリップの一方である副線路は、前記主線路の入力端に対応する一端から前記複数の可変増幅器がそれぞれ適合する周波数帯の信号の４分の１波長に対応する延長の個所にそれぞれ設けられた接点を備え、
   前記結合長変更手段は、
   前記副線路の特性インピーダンスに適合する終端抵抗と、
   前記切替制御入力で示される周波数帯に対応して前記副線路に設けられた接点と前記終端抵抗とを短絡する切替スイッチとを備えた
   ことを特徴とするマルチバンド高周波増幅器。
3. 請求項２に記載のマルチバンド高周波増幅器において、
   前記切替スイッチは、
   前記終端抵抗が接続された終端端子と、
   互いに適切な間隔を持って配置された前記副線路に設けられた各接点に対応する接続端子と、
   前記終端端子と前記複数の接続端子とを前記切替制御入力に応じて短絡する経路切替回路とを集積したスイッチ素子であり、
   前記１対のマイクロストリップは、前記複数の可変増幅器に対応して前記副線路に設けられた接点が、前記スイッチ素子における接続端子の配置に対応して並ぶようなパターンで配置されている
   ことを特徴とするマルチバンド高周波増幅器。
   

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