JP5743983B2

JP5743983B2 - 送受切替回路、無線装置および送受切替方法

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Publication number: JP5743983B2
Application number: JP2012191986A
Authority: JP
Inventors: トウ王; 友敏也三
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: US9143185B2; JP2014049964A; US20140065984A1

Description

本発明の実施形態は、アンテナでの送受信を切り替えることが可能な送受切替回路および無線装置に関する。

無線装置には、アンテナから送信する送信信号とアンテナで受信した受信信号とを切り替える送受切替回路が設けられている。送受切替回路では、送信時には受信回路とのアイソレーションを図り、受信時には送信回路とのアイソレーションを図る必要があることから、送受切替回路の内部に、１／４波長の伝送線路を設けるのが一般的である。この伝送線路は、その一端側を短絡すると、他端側から一端側を見たインピーダンスが無限大になることから、比較的容易にアイソレーションを取ることができる。

しかしながら、インピーダンスが無限大になるのは、あくまで理想的な状態であり、実際には、寄生容量や寄生抵抗があるために、オン抵抗が大きくなったり、送信時の信号損失が大きくなったりする。

特に、寄生容量と寄生抵抗はトレードオフの関係にあり、寄生容量を小さくすると、オン抵抗が大きくなり、寄生容量を大きくすると、送信時の信号損失が大きくなってしまう。

特開２００８−７２４７５号公報

本発明は、オン抵抗を大きくすることなくアイソレーションを取ることが可能で、設計の自由度が大きい送受切替回路および無線装置を提供するものである。

本実施形態は、アンテナから送信する送信信号を生成する送信回路と、前記アンテナで受信した受信信号の受信処理を行う受信回路と、の間に設けられる送受切替回路である。この送受切替回路は、前記アンテナからの送信時には、前記送信回路内の出力段のトランジスタを増幅動作させて送信信号を生成させ、前記アンテナでの受信時には、前記送信回路の出力端子を接地電圧に短絡させるトランジスタ入力制御回路を備える。

第１の実施形態に係る送受切替回路１を備えた無線装置２の回路図。第２の実施形態に係る送受切替回路１を備えた無線装置２の回路図。第３の実施形態に係る送受切替回路１を備えた無線装置２の回路図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による送受切替回路１を備えた無線装置２の回路図である。図１の無線装置２は、アンテナ３と、送受切替回路１と、送信回路４と、受信回路５とを備えている。

送信回路４は、送信部６と、送信部６の出力段に接続されたトランジスタＭ１とを有する。このトランジスタＭ１は、送受切替回路１の一部としても利用される。

送受切替回路１は、トランジスタＭ１のゲート電圧を制御するトランジスタ入力制御回路７と、トランジスタＭ１のドレイン電圧を制御するトランジスタ出力制御回路８と、送信用の１／４波長の伝送線路ＴＬ１と、受信用の１／４波長の伝送線路ＴＬ２と、伝送線路ＴＬ２の一端ｎ１を接地するか否かを切り替える受信側短絡回路Ｍ２と、伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２上の直流電圧を遮断するキャパシタＣ１と、トランジスタ出力制御回路８の出力ノードｎ２とトランジスタＭ１のドレインとの間に接続されるインダクタＬ１と、トランジスタ出力制御回路８の出力ノードｎ２と接地端子との間に接続されるキャパシタＣ２と、トランジスタ入力制御回路７の出力ノードｎ３とトランジスタＭ１のゲートの間に接続される抵抗Ｒ１と、トランジスタ入力制御回路７の出力ノードｎ３と接地端子との間に接続されるキャパシタＣ３とを有する。

図１では、トランジスタＭ１のドレインと伝送線路ＴＬ１の間にキャパシタＣ１を接続しているが、キャパシタＣ１はトランジスタＭ１のドレインと受信回路５の入力端子との間の任意の場所に接続可能である。

受信側短絡回路Ｍ２は、ＮＭＯＳトランジスタＭ２であり、そのドレインは伝送線路ＴＬ２の一端ｎ１に接続され、ソースは接地され、ゲートには送信時にハイになるＶＴＸ信号が入力されている。よって、受信側短絡回路Ｍ２は、送信時にオンして、伝送線路ＴＬ２の一端ｎ１を接地電圧に短絡する。したがって、送信時には、アンテナ３から受信回路５側のインピーダンスは無限大になる。

トランジスタ入力制御回路７は、ドレインが共通に接続された一対のＰＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ４を有する。これらトランジスタＭ３，Ｍ４のドレインとトランジスタＭ１のゲートの間には抵抗Ｒ１が接続されている。また、これらトランジスタＭ３，Ｍ４のドレインと接地端子との間にはキャパシタＣ３が接続されている。

一方のＰＭＯＳトランジスタＭ３のゲートにはＶＴＸ信号が入力され、ソースには電源電圧Ｖddが印加されている。他方のＰＭＯＳトランジスタＭ４のゲートにはＶＲＸ信号が入力され、ソースにはバイアス電圧Ｖg_biasが印加されている。

送信時には、ＶＴＸ信号がハイに、ＶＲＸ信号がロウになるため、ＰＭＯＳトランジスタＭ４がオンして、トランジスタＭ１のゲートには所定のバイアス電圧Ｖg_biasが供給される。また、受信時には、ＰＭＯＳトランジスタＭ３がオンして、トランジスタＭ１のゲートには所定の基準電圧Ｖddが供給される。

トランジスタ出力制御回路８は、ＰＭＯＳトランジスタＭ５とＮＭＯＳトランジスタＭ６とからなるインバータを有する。これらトランジスタＭ５，Ｍ６のゲートにはＶＲＸ信号が入力され、ＰＭＯＳトランジスタＭ５のソースには電源電圧Ｖddが印加され、ＮＭＯＳトランジスタＭ６のソースは接地されている。

ＰＭＯＳトランジスタＭ５のドレインとＮＭＯＳトランジスタＭ６のソースとの接続ノードｎ２と接地端子との間にはキャパシタＣ２が接続され、この接続ノードとトランジスタＭ１のドレインとの間にはインダクタＬ１が接続されている。このインダクタｌ１は、インピーダンス整合を行うために設けられている。

キャパシタＣ２とＣ３はそれぞれ、トランジスタ出力制御回路８の出力ノードｎ２とトランジスタ入力制御回路７の出力ノードｎ３のインピーダンスを交流的にゼロにするために設けられている。

次に、図１の送受切替回路１の動作を説明する。送信時には、送受切替制御用のＶＴＸ信号は電源電圧に、ＶＲＸ信号は接地電圧になる。これにより、トランジスタ入力制御回路７内のトランジスタＭ３はオフし、トランジスタＭ４はオンし、トランジスタＭ１のゲート電圧はバイアス電圧Ｖg_biasになる。また、トランジスタ出力制御回路８内のトランジスタＭ５はオンし、トランジスタＭ６はオフし、トランジスタＭ１のドレインは電源電圧Ｖddになる。

この状態では、トランジスタＭ１は送信回路４内の出力段の増幅回路として動作する。すなわち、送信部６から出力される高周波信号がバイアス電圧Ｖg_biasに重畳されてトランジスタＭ１のゲートに入力され、このトランジスタＭ１で電力増幅を行った高周波信号がドレインから出力される。この高周波信号は、キャパシタＣ１と伝送線路ＴＬ１を通過して、アンテナ３から放射される。

また、送信時には、トランジスタＭ２はオンするため、伝送線路ＴＬ２と受信回路５との接続ノードｎ１は接地電圧に短絡される。よって、この接続ノードｎ１から受信回路５側を見たインピーダンスは低くなり、アンテナ３から受信回路５側を見たインピーダンスは高くなる。

一方、受信時には、ＶＴＸ信号は接地電圧に、ＶＲＸ信号は電源電圧になる。これにより、トランジスタＭ３はオンし、トランジスタＭ４はオフするため、トランジスタＭ１のゲート電圧は電源電圧Ｖddになる。また、トランジスタＭ５はオフし、トランジスタＭ６はオンするため、トランジスタＭ１のドレインは０Ｖになる。

このように、受信時には、トランジスタＭ１のゲート−ソース間電圧とゲート−ドレイン間電圧はともに電源電圧であるため、トランジスタＭ１はオン状態のスイッチとして動作する。よって、トランジスタＭ１のドレインから送信回路４側を見たインピーダンスは低くなり、アンテナ３から送信回路４側を見たインピーダンスは高くなる。トランジスタＭ１のドレイン−ソース間の電圧は０Ｖになるため、トランジスタＭ１の消費電流は０である。

また、受信時には、トランジスタＭ２はオフし、アンテナ３で受信した高周波信号は伝送線路ＴＬ２を通って受信回路５に伝送される。

一般に、１／４波長の伝送線路と、この伝送線路と接地端子との間に接続されるトランジスタとを備える送受切替回路では、トランジスタのオン抵抗が小さいほど、送受切替回路のアイソレーション特性が良好になる。ところが、オン抵抗を小さくするために、トランジスタのサイズを大きく設計すると、トランジスタがオフ時の寄生容量が大きくなり、送受切替回路の通過特性が劣化する。

よって、従来は、トランジスタのオン抵抗と、トランジスタがオフ時の寄生容量とのバランスを考慮してトランジスタのサイズを設計していた。

これに対して、本実施形態では、トランジスタＭ１は送信回路４の一部であることから、送信回路４内の出力段の増幅回路の特性のみを考慮してトランジスタＭ１の設計が行われる。通常は、送信電力を大きくするために、トランジスタＭ１のサイズを大きく設計する。このため、受信時にはオン状態になるトランジスタＭ１のオン抵抗を十分に下げることができ、良好なアイソレーションが取れるようになる。

また、トランジスタＭ１は送信回路４の一部であることから、トランジスタＭ１のオン抵抗は広帯域にわたって小さい値を取る。よって、送受切替回路１の受信時アイソレーション特性は広帯域になる。

さらに、本実施形態では、送信回路４内の出力段に元々あったトランジスタＭ１を用いて受信時のアイソレーションを取るため、受信時のアイソレーション用に専用のトランジスタを追加しなくて済み、余計な寄生容量が付かない。

このように、第１の実施形態では、送信回路４内の出力段の電力増幅用のトランジスタＭ１を、受信時のアイソレーション用のトランジスタとして流用するため、オン抵抗を小さくでき、かつアイソレーション用に追加のトランジスタも不要となるため、寄生容量が増大するおそれもなくなる。よって、従来問題であったオン抵抗と寄生容量のバランスを考慮する必要もなくなって、設計が容易になる。

（第２の実施形態）
以下に説明する第２の実施形態は、アンテナ３に対する伝送経路を差動線路にしたものである。

図２は第２の実施形態に係る送受切替回路１を備えた無線装置２の回路図である。図２では、図１と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。

図２の無線装置２は、トランジスタ入力制御回路７とトランジスタ出力制御回路８以外は、差動構成になっている。トランジスタ入力制御回路７とトランジスタ出力制御回路８は、図１と同様に構成されている。

送信回路４内の出力段の電力増幅用のトランジスタＭ１，Ｍ１ｂの各ゲートには、抵抗Ｒ１，Ｒ１ｂがそれぞれ接続されており、これら抵抗Ｒ１，Ｒ１ｂの他端側は共通に接続されたゲート同相ノードｎ３である。このゲート同相ノードｎ３に、トランジスタ入力制御回路７内のトランジスタＭ３，Ｍ４のドレインが接続されている。

同様に、トランジスタＭ１，Ｍ１ｂの各ドレインに接続されたインダクタＬ１，Ｌ１ｂの他端側は共通に接続されたドレイン同相ノードｎ２であり、このドレイン同相ノードｎ２に、トランジスタ出力制御回路８内のトランジスタＭ５，Ｍ６の両ドレインが接続されている。

これにより、ゲート同相ノードｎ３とドレイン同相ノードｎ２は、理想的な交流接地となり、トランジスタ入力制御回路７とトランジスタ出力制御回路８はトランジスタＭ１，Ｍ１ｂの高周波特性に影響しなくなる。すなわち、トランジスタ入力制御回路７またはトランジスタ出力制御回路８の出力信号にノイズが含まれていても、これら出力信号は、共通のゲート同相ノードｎ３またはドレイン同相ノードｎ２に入力されるため、トランジスタＭ１，Ｍ１ｂで差動増幅を行う際に、ノイズが相殺除去され、ノイズの影響を受けなくなる。

このように、第２の実施形態では、送受切替回路１を差動構成にする場合に、トランジスタ入力制御回路７の出力信号をゲート同相ノードｎ３に供給し、かつトランジスタ出力制御回路８の出力信号をドレイン同相ノードｎ２に供給するため、トランジスタ入力制御回路７とトランジスタ出力制御回路８で発生したノイズを相殺除去でき、トランジスタＭ１，Ｍ１ｂの高周波特性がよくなる。

（第３の実施形態）
以下に説明する第３の実施形態は、トランジスタＭ１をカスコード構成にするものである。

図３は第３の実施形態に係る送受切替回路１を備えた無線装置２の回路図である。図３では、図１と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。

図３の無線装置２は、送信回路４内の出力段の電力増幅用のトランジスタＭ１に新たにトランジスタＭ１ｃをカスコード接続して、トランジスタＭ１，Ｍ１ｃのそれぞれごとに、トランジスタ入力制御回路７または７ｃを設けている。各トランジスタ入力制御回路７，７ｃの内部構成は、図１と同様である。トランジスタＭ１ｃに対応するトランジスタ入力制御回路７ｃは、ドレインが共通に接続された一対のトランジスタＭ３ｃ，Ｍ４ｃを有し、これらトランジスタＭ３ｃ，Ｍ４ｃのドレインとトランジスタＭ１ｃのゲートの間には抵抗Ｒ１ｃが接続され、トランジスタＭ１ｃのゲートと接地端子との間にはキャパシタＣ３ｃが接続されている。

カスコード接続されたトランジスタＭ１，Ｍ１ｃは、送信時には電力増幅器として動作し、受信時には双方ともにオンし、オン抵抗として動作する。これにより、受信時には、トランジスタＭ１ｃのドレインから送信回路４側を見たインピーダンスは低くなり、アンテナ３から送信回路４側を見たインピーダンスは高くなる。

カスコード構成にすると、オン抵抗が増大することから、スイッチの性能としては悪くなるが、入力と出力のアイソレーションは向上し、利得を大きく計算しても発振しにくくなり、安定性がよくなる。

このように、第３の実施形態では、送信回路４内の出力段のトランジスタＭ１，Ｍ１ｃがカスコード構成である場合でも、受信時にこれらトランジスタＭ１，Ｍ１ｃをオンさせることで、アイソレーション性能を向上できる。

上述した第１〜第３の実施形態では、トランジスタＭ１（Ｍ１ｃ）のドレインと受信回路５の入力端子までの経路に、伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２とキャパシタＣ１を接続しているが、この経路の構成は種々の変更が可能である。

また、第１〜第３の実施形態では、トランジスタＭ１（Ｍ１ｃ）のドレインに、インダクタＬ１を介してトランジスタ出力制御回路８を接続しているが、このトランジスタ出力制御回路８の内部構成も種々の変更が可能である。

図１等に示した無線装置２は、その全体を一つのチップ内に集積化してもよいし、例えば送受切替回路１を別チップ構成にしてもよい。また、複数の無線方式に対応した無線装置２の場合、各無線方式ごとに送受切替回路１を設ければよい。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１送受切替回路、２無線装置、３アンテナ、４送信回路、５受信回路、６送信部、７トランジスタ入力制御回路、８トランジスタ出力制御回路

Claims

アンテナから送信する送信信号を生成する送信回路と、前記アンテナで受信した受信信号の受信処理を行う受信回路と、の間に設けられる送受切替回路であって、
前記アンテナからの送信時には、前記送信回路内の出力段のトランジスタを増幅動作させて送信信号を生成させ、前記アンテナでの受信時には、前記送信回路の出力端子を接地電圧に短絡させるトランジスタ入力制御回路と、
前記トランジスタの制御端子に所定のバイアス電圧が供給されているときには、前記送信回路の出力端子に送信信号に応じた電流が流れるように、前記トランジスタの制御端子に所定の基準電圧が供給されているときには、前記送信回路の出力端子が接地電圧になるように前記トランジスタの出力端子の電圧を制御するトランジスタ出力制御回路と、
を備える送受切替回路。
前記トランジスタ入力制御回路は、前記アンテナからの送信時には、前記トランジスタが増幅動作を行うように前記トランジスタの制御端子に前記バイアス電圧を供給し、前記アンテナでの受信時には、前記トランジスタがオンするように前記トランジスタの制御端子に前記基準電圧を供給する請求項１に記載の送受切替回路。
前記送信回路と前記アンテナとの間に介装される線路長が１／４λ（λは伝送信号波長）の送信側伝送線路を備える請求項１または２に記載の送受切替回路。
前記送信回路は、差動の送信信号を生成するための一対の前記トランジスタを有し、
前記トランジスタ入力制御回路の出力信号を前記一対のトランジスタの各制御端子に供給するための同相端子を備える請求項１乃至３のいずれかに記載の送受切替回路。
前記トランジスタは、カスコード接続された複数のトランジスタであり、
前記トランジスタ入力制御回路は、前記複数のトランジスタのそれぞれについて、前記アンテナからの送信時には前記トランジスタが増幅動作を行うように前記トランジスタの制御端子に所定のバイアス電圧を供給し、前記アンテナでの受信時には、前記トランジスタがオンするように前記トランジスタの制御端子に所定の基準電圧を供給する請求項１乃至３のいずれかに記載の送受切替回路。
送信信号を生成する送信回路と、
前記アンテナで受信した受信信号の受信処理を行う受信回路と、
前記送信回路と前記受信回路との間に設けられる送受切替回路と、を備えた無線装置において、
前記送受切替回路は、
前記アンテナからの送信時には、前記送信回路内の出力段のトランジスタを増幅動作させて送信信号を生成させ、前記アンテナでの受信時には、前記送信回路の出力端子を接地電圧に短絡させるトランジスタ入力制御回路と、
前記トランジスタの制御端子に所定のバイアス電圧が供給されているときには、前記送信回路の出力端子に送信信号に応じた電流が流れるように、前記トランジスタの制御端子に所定の基準電圧が供給されているときには、前記送信回路の出力端子が接地電圧になるように前記トランジスタの出力端子の電圧を制御するトランジスタ出力制御回路と、を有する無線装置。
前記送信回路で生成された前記送信信号を送信するアンテナを備える請求項６に記載の無線装置。
アンテナから送信する送信信号を生成する送信回路と、前記アンテナで受信した受信信号の受信処理を行う受信回路と、の間で、送受信の切替を行う送受切替方法であって、
前記アンテナからの送信時には、前記送信回路内の出力段のトランジスタを増幅動作させて送信信号を生成し、前記アンテナでの受信時には、前記送信回路の出力端子を接地電圧に短絡させる制御信号を生成し、
前記トランジスタの制御端子に所定のバイアス電圧が供給されているときには、前記送信回路の出力端子に送信信号に応じた電流が流れるように、前記トランジスタの制御端子に所定の基準電圧が供給されているときには、前記送信回路の出力端子が接地電圧になるように前記トランジスタの出力端子の電圧を制御する送受切替方法。