JP2004364237A - 時分割方式電力増幅モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、時分割方式電力増幅モジュールに関する。
【解決手段】本発明の時分割方式電力増幅モジュールは、送信信号が入力されるか受信信号が出力される第1ポートP1;受信信号が入力されるか送信信号が出力される第2ポートP2;前記第1、第2ポート間に直列接続され前記送受信信号の波長(λ)に対して1/4の長さを有し受信信号の伝送経路を形成する第1、第2伝送ラインL1、L2;前記第1ポートP1から入力された無線信号を増幅して第2ポートP2へ出力する電力増幅部42;前記第1、第2ポートP1,P2と電力増幅部42の入出力端間に各々設けられ、時分割制御信号に応じてオン/オフスイッチング動作することにより、第1ポートP1から電力増幅部を通して第2ポートP2に繋がる送信信号伝送経路を形成または遮断する第1、第2スイッチング手段D1、D2;第3スイッチング手段D3;第3、第4伝送ラインL3、L4から成る。
【選択図】図2

Description

本発明はブルートゥース(Bluetooth)方式による無線送受信機に関するもので、より詳しくは時分割方式により制御されて送信モードでのみ増幅動作し受信モードでは伝送線路として機能する時分割方式電力増幅モジュールに関するものである。
ブルートゥースは各種電子機器間の通信において物理的なケーブル無しで無線周波数を利用し、高速でデータのやりとりが可能なコンピュータ及び通信産業界の規格として、移動電話、コンピュータ、PDAなどの近距離無線接続に利用される。その動作は中心が2.45GHzである79個の独立した1MHzチャネル間を1秒当り1600回の速度で周波数ホッピングし、1mW送信電力で10メートル離れた装置間に764kbpsの速度で帯域幅を伝送するもので、送信と受信を交互に行う時分割多重化(TDD)方式に従っている。
また、ブルートゥース装置はデータの他にも音声チャネルを最大3個まで使用でき、接続は点対点やマルチポイントが可能である。この技術を利用すると、セルラーホン、無線呼出機及びPDAのユーザーは3つの機能を併せた電話機を得ることができ、該電話機は家庭やオフィスの携帯用電話機として2種の機能を果たすことができる。また、デスクトップやノート型コンピュータ内の情報と迅速に同期化でき、ファックスの送受信が可能で、プリンター出力することもできる。そして、一般的に全ての携帯用及び固定式コンピュータ装置と完全な共同作用が可能である。この技術を利用するためには各装置毎にブルートゥーストランシーバー(transceiver)チップ(IC)を装着しなければならない。
さらに、ブルートゥース規格の定義によると、ブルートゥース機器は送出できる出力電力に応じてクラス1、クラス2、クラス3に区分される。このうちクラス2に区分される機器は一般に0dBm(送受信距離約10m)の出力電力を有するもので、図5に表すようにブルートゥースモジュールを具備する。図示のように、クラス2のブルートゥースモジュール(110)は、上述のブルートゥース規格に従い時分割方式により送/受信データを変復調するブルートゥーストランシーバーIC(111)と、前記ブルートゥーストランシーバーIC(111)の送信信号(TX)出力端と受信信号(RX)入力端に各々接続されインピーダンスマッチングを行う第1、第2マッチングネットワーク(112、113)と、前記ブルートゥーストランシーバーIC(111)から出力される時分割送信モードのオン信号(TDD TX−ON信号)により動作し前記第1、第2マッチングネットワーク(112、113)のうち、一つを選択接続する時分割方式送受信スイッチ(114)と、前記時分割方式送受信スイッチ(114)とアンテナ(ANT)端との間に設けられ送受信信号をフィルタリングするフロントエンドフィルター(115)とで成る。
前記クラス2のブルートゥースモジュール(110)は前記ブルートゥーストランシーバー(111)から出力される送信信号を別途の増幅無しで約0dBmで送出することにより、約10mの送受信距離を有する。
これに比べて、ブルートゥース規格に定めるクラス1の機器は送信信号の送出電力が20dBm(送受信距離約100m)とされており、図6のように構成されたブルートゥースモジュールを具備しなければならない。図6によると、クラス1のブルートゥースモジュール(120)は、上述したブルートゥース規格に従って時分割方式により送/受信データを変復調するブルートゥーストランシーバーIC(121)と、前記ブルートゥーストランシーバーIC(121)の送信信号(TX)出力端と受信信号(RX)入力端に各々接続されインピーダンスマッチング(インピーダンス整合)を行う第1、第2マッチングネットワーク(122、123)と、前記第1マッチングネットワーク(122)に接続され前記ブルートゥーストランシーバーIC(121)の制御により送信モードに同期し動作して送信信号を増幅する電力増幅器(124)と、前記電力増幅器(124)の出力端に接続されインピーダンスマッチングを行う第3マッチングネットワーク(125)と、前記ブルートゥーストランシーバーIC(121)から出力される時分割送信モードのオン信号(TDD TX−ON信号)により動作し第3マッチングネットワーク(125)と第2マッチングネットワーク(123)のうち、一つを選択接続する時分割方式送受信スイッチ(126)と、前記時分割方式送受信スイッチ(126)とアンテナ(ANT)端との間に設けられ送受信信号をフィルタリングするフロントエンドフィルター(127)とで成る。
前記クラス1ブルートゥースモジュールとクラス2ブルートゥースモジュールは適用対象が必要とする送受信距離に応じて選択的に使用できる。
ところで、一般にブルートゥースモジュールのメーカーは上述したクラス1モジュールとクラス2モジュールを別途に開発供給している為、クラス2を製造するメーカーの立場ではクラス1モジュールを開発するのに別途の開発期間と人員を投入しなければならず、これよりクラス1モジュールの製品単価が上がってしまい、製品ユーザーの立場ではクラス2に比して相対的に需要の少ないクラス1モジュールを使用するために高費用に耐えなければならないという問題があった。かかる理由により現在のところクラス2に比してクラス1モジュールの供給量が相対的に少ない現状である。
また、最近では図7に示すように、マッチングネットワーク(311、312)及び時分割送受信スイッチ(313)をブルートゥーストランシーバーIC(131)に含ませて高集積化したブルートゥーストランシーバーICが生産されてきており、必要に応じてフロントエンドフィルター(133)の他に平衡信号(balanced signal)を不平衡信号(unbalanced signal)に変換するバルントランス(132)がさらに含まれる。そして、最近の技術は前記において外部素子であるバルントランス(132)とフロントエンドフィルター(133)まで含ませようとする試みを図っている。
とりわけ、前記図7に示すように、時分割送受信スイッチング機能まで集積化したブルートゥーストランシーバーICを使用する場合、クラス1ブルートゥースモジュールの製造にあたって、発熱及び電磁波発生などにより集積化し難い電力増幅器の接続が困難になる。
これについて本発明は上述した従来の問題点を解決すべく案出されたもので、その目的は、時分割方式により制御され送信モードでのみ増幅動作し受信モードでは伝送線路として機能することにより、従来のクラス2ブルートゥースモジュールとの結合により簡単にクラス1ブルートゥース機能を具現できる時分割方式電力増幅モジュールを提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、時分割送受信スイッチング機能まで集積化したブルートゥーストランシーバーICに結合され簡単にクラス1ブルートゥース機能を具現できる時分割方式電力増幅モジュールを提供することにある。
上述した本発明の目的を成し遂げるための構成手段として本発明は、送信信号が入力されるか受信信号が出力される第1ポート;受信信号が入力されるか送信信号が出力される第2ポート;前記第1、第2ポート間に直列接続され前記送受信信号の波長(λ)に対して1/4の長さを有し受信信号の伝送経路を形成する第1、第2伝送ライン;前記第1ポートから入力された無線信号を増幅して第2ポートへ出力する電力増幅部;前記第1、第2ポートと電力増幅部の入出力端間に各々設けられ、時分割制御信号に応じてオン/オフスイッチング動作することにより、第1ポートから電力増幅部を通して第2ポートに繋がる送信信号伝送経路を形成または遮断する第1、第2スイッチング手段;前記第1、第2伝送ラインの接点とグラウンド間に設けられ前記時分割制御信号に応じてオン/オフスイッチング動作して、第1、第2伝送ラインへの受信信号の伝送を遮断または維持する第3スイッチング手段;及び、前記時分割制御信号が入力される入力端と前記第1、第2スイッチング手段とを各々接続して、時分割制御信号を第1、第2、第3スイッチング手段のスイッチングのためのバイアス信号として印加し前記送受信信号の波長(λ)に対して1/4の長さを有する第3、第4伝送ラインから成る時分割方式電力増幅モジュールを提供して、送信信号でのみ増幅動作し、受信信号では電力増幅器を通さずそのまま通過させることにより、不要な電力消耗を省き消費電力を節減し、従来の製品化されたクラス2ブルートゥースモジュールとの結合により容易にクラス1ブルートゥース機能を具現できる効果を奏する。
そして、前記電力増幅部は、前記第1、第2スイッチング手段間に設けられ入力された送信信号を所定の利得で増幅する電力増幅器;及び、前記電力増幅器の入出力端と第1、第2スイッチング手段との間に各々設けられインピーダンスマッチングを行う第1、第2マッチングネットワークから成り、送信信号を損失や歪曲無しで所望の利得で増幅できる。また、前記電力増幅部は増幅信号の出力端に高調波信号を除去するフィルターあるいはこれと同等な機能を行う回路をさらに設けることにより、増幅された送信信号に含まれかねない高調波成分を除去できる。さらに、前記電力増幅部は前記時分割制御信号に応じて動作状態または非動作状態に制御されることにより、時分割送受信方式の場合、送信モードでのみ増幅機能を行い不要な電力消耗を減少させる効果を奏する。さらに、本発明による時分割方式電力増幅モジュールにおいて、前記第1、第2、第3スイッチング手段はピンダイオードとすることができ、あるいは前記機能を行えるその他の回路または素子としてもよい。
さらに、本発明は、ブルートゥース規格に従い時分割方式により送/受信データを変復調するブルートゥーストランシーバーIC及び前記ブルートゥーストランシーバーICの時分割送受信モード制御信号に応じてアンテナ端を選択的に前記ブルートゥーストランシーバーICの送信信号出力端または受信信号入力端に接続する時分割送受信スイッチを含んで成るクラス2ブルートゥースモジュール;及び、前記クラス2ブルートゥースモジュールとアンテナ間に設けられ、前記ブルートゥーストランシーバーICの時分割送受信モードに応じて動作し送信信号は増幅してアンテナへ、受信信号は前記クラス2ブルートゥースモジュールへ伝送する時分割方式電力増幅モジュールから成り、製造が容易で生産費を節減できるクラス1ブルートゥース機能を提供することができる。
上述したように、本発明による時分割方式電力増幅モジュールは時分割方式により増幅動作して必要な場合にのみ電力を消耗することにより、不要な電力消耗が節減でき、さらにクラス2規格のブルートゥースモジュールとの単純結合により、クラス1規格のブルートゥース機能を簡単に追加費用が少なく製造することのできる優れた効果を奏する。
以下、添付の図面に基づき本発明による時分割方式電力増幅モジュールについて詳細に説明する。図1は本発明による時分割方式電力増幅モジュールから成るクラス1ブルートゥースモジュールを示したブロック図として、ユーザーインターフェースに接続されたクラス2ブルートゥースモジュール(110)のアンテナ端(ANT)に時分割電力増幅モジュール(40)のポート1を接続し、前記時分割電力増幅モジュール(40)のポート2をアンテナに接続して成る。この際、前記クラス2ブルートゥースモジュール(110)は図5に示すような構成となり、ここで、前記クラス2ブルートゥースモジュール(110)のTDD送受信信号(TDD−TXON)と電流制御信号が時分割電力増幅モジュール(40)に印加され、後述する図2、図3及び図4において説明する動作を行うよう制御する。したがって、従来のクラス2ブルートゥースモジュール(110)に本発明による時分割電力増幅モジュール(40)を簡単に接続することで、クラス1ブルートゥースモジュールを容易に具現できる。ここで、請求項7は本発明による時分割方式電力増幅モジュールを含んで成るクラス1ブルートゥースモジュールを請求するもので、図1の符号110は従来の技術で説明した図5のクラス2ブルートゥースモジュールと同一ものである。従って、時分割方式送受信スイッチ(114)は、ブルートゥーストランシーバーIC(111)から出力される時分割送信モードのオン信号(TDD TX−ON信号)により動作しブルートゥーストランシーバーIC(111)の送信信号出力端または受信信号入力端に接続するのを選択接続する(選択的)。
図2は本発明による時分割方式電力増幅モジュールの実施例を表す構成図として、送受信信号が入出力される第1、第2ポート(P1、P2)と、前記第1ポート(P1)にキャパシター(C1)を通して一端が接続され送受信信号の波長(λ)について1/4の長さを有する第1伝送ライン(L1)と、前記第1伝送ライン(L1)の他端部にその一端が接続され他端はキャパシター(C5)を通して第2ポート(P2)に接続され送受信信号の波長(λ)に対して1/4の長さを有する第2伝送ライン(L2)と、前記キャパシター(C1)を通して第1ポート(P1)に陰極が接続される第1ピンダイオード(D1)と、前記キャパシター(C5)を通して第2ポート(P2)に陰極が接続される第2ピンダイオード(D2)と、前記第1ピンダイオード(D1)の陽極にキャパシター(C2)を通して接続されインピーダンスマッチングを行う(必要に応じて不平衡−平衡信号間変換も行う)マッチングネットワーク(41)と、時分割制御信号(TDD TX−ON信号)が入力され前記信号に応じて動作し前記マッチングネットワーク(41)を通して入力された送信信号を所定の利得で増幅する電力増幅器(42)と、前記電力増幅器(42)の出力に一端が接続され他端はキャパシター(C4)を通して第2ピンダイオード(D2)に接続されインピーダンスマッチング(インピーダンス整合)を行う(必要に応じて不平衡−平衡信号間変換も行う)マッチングネットワーク(43)と、前記第1、第2伝送ライン(L1、L2)の接点に陽極が接続され陰極が接地に接続される第3ピンダイオード(D3)と、前記第1ピンダイオード(D1)の陽極に一端が接続され送受信信号の波長(λ)に対して1/4の長さを有する第3伝送ライン(L3)と、前記第2ピンダイオード(D2)の陽極に一端が接続され送受信信号の波長(λ)に対して1/4の長さを有する第4伝送ライン(L4)と、前記第2、第4伝送ライン(L3、L4)を共通に時分割制御信号(TDD−TXON)入力端に接続するバイアス抵抗(R)と、前記第3、第4伝送ライン(L3、L4)の接点を共通に接地に接続するキャパシター(C3)とで成る。
前記において、電力増幅器(42)の出力側に設けられるマッチングネットワーク(43)は送信時に含まれる可能性のある高調波成分を除去するフィルターまたはこれと同等な機能を行える回路を含むことができる。
前記図2に示す電力増幅モジュールは本発明による一実施例として、スイッチング手段にピンダイオードを用いて構成したものである。前記ピンダイオードは順方向の電圧が所定レベル以上であるとターンオン状態になり、順方向の電圧が所定レベル以上にならなければターンオフ状態になり、オン/オフスイッチング素子として機能する素子である。
そして、前記電力増幅器(42)は、電源(Vcc)が常時入力されながら、時分割動作制御信号(TDD−TXON信号)がエンエーブル(Vpaon)信号として入力され、前記時分割動作制御信号(TDD−TXON信号)がハイ信号であれば動作し、ロー信号であれば増幅動作を中断する。また、別途の端子からパワー制御信号(Pctrl)が入力されながら、これに応じて増幅利得が調節される。このための電力増幅器には一般に周知の電力増幅器を使用でき、本発明においては電力増幅器(42)を時分割方式により送受信モードに同期させ制御するものであり、前記時分割動作制御信号(TDD−TXON信号)がハイ信号の場合とロー信号の場合とを区分して具体的に説明する。
前記図2に表す電力増幅モジュールの動作説明は図3及び図4を参照する。図3は時分割動作制御信号(TDD−TXON信号)がハイ信号の場合の信号経路を表すブロック図として、ハイ信号の場合に信号は第1ポート(P1)→マッチングネットワーク(41)→電力増幅器(42)→マッチングネットワーク(43)→第2ポート(P2)順に伝送される。
具体的に説明すれば、時分割動作制御信号(TDD−TXON信号)がハイ信号の場合、陽極に第3、第4伝送ライン(L3、L4)及び抵抗(R)を通して時分割動作制御信号が印加される第1、第2ピンダイオード(D1、D2)は陽極電圧が陰極電圧より高くなりターンオンされ、こうして陰極が接地され陽極が第1、第2伝送ライン(L1、L2)を通して前記第1、第2ピンダイオード(D1、D2)に接続された第3ピンダイオード(D3)もターンオンになる。
従って、第1、第2ポート(P1、P2)に入力された所定波長(λ)の送受信信号に対して第1、第2伝送ライン(L1、L2)を考えると、前記λ/4(λは送受信信号の波長)の長さの第1、第2伝送ライン(L1、L2)は一端が接地されてショート状態となり、こうして第1、第2伝送ライン(L1、L2)側のインピーダンスが高くなる。この際、第1、第2ピンダイオード(D1、D2)はオン状態なので抵抗値がほぼ0となる。
従って、第2ポート(P2)に入力された受信信号は遮断され、第1ポート(P1)に入力された送信信号が相対的に抵抗の低い第1ピンダイオード(D1)を通してマッチングネットワーク(41)に入力され、前記マッチングネットワーク(41)のインピーダンスマッチングを通して信号歪曲や損失無しで送信信号が電力増幅器(42)に伝送され、前記電力増幅器(42)はパワー制御信号(Pctrl)により決定された利得で入力された送信信号を増幅出力し、前記電力増幅器(42)から出力される送信信号はマッチングネットワーク(43)とターンオン状態の第2ピンダイオード(D2)を通して第2ポート(P2)へ出力される。
前記において、キャパシター(C1、C2、C4、C5)は前記時分割制御信号(TDD−TXON)により直流成分の信号が信号経路に影響を与えないよう送信信号の交流成分のみを通過させて直流成分を阻止する。そして、キャパシター(C3)は送信信号周波数の交流成分をグラウンドにバイパスさせて第3、第4伝送ライン(L3、L4)とキャパシター(C2、C4)との接点で第3、第4伝送ライン(L3、L4)のインピーダンスを大きくすることにより、送受信経路の送受信信号が制御信号(TDD−TXON)直流回路に流入することを阻止する役目を果たす。以上の作用によって、直流電圧の制御信号と隔離されて前記第1ポート(P1)に入力された信号が電力増幅器(42)を経て第2ポート(P2)へ出力される。
次に、前記時分割制御信号(TDD−TXON)がロー信号の場合には、第2ポート(P2)から入力された受信信号が第2、第1伝送ライン(L2、L1)を経て第1ポート(P1)へ出力される。図4は時分割制御信号(TDD−TXON)がロー信号の場合の電力増幅モジュールの動作状態図として、これを参照しながらその作用をより具体的に説明すると次のとおりである。
即ち、時分割制御信号(TDD−TXON)がロー信号の場合、前記時分割制御信号(TDD−TXON)入力端に抵抗(R)及び第3、第4伝送ライン(L3、L4)を通して接続された第1、第2ピンダイオード(D1、D2)の陽極電圧が下がる。従って、前記第1、第2ピンダイオード(D1、D2)はターンオフ状態になる。また、第3ピンダイオード(D3)も陽極電圧が下がりターンオフ状態となる。第1、第2、第3ピンダイオード(D1〜D3)の抵抗成分が高くなる。
従って、前記ターンオフ状態の第1、第2ピンダイオード(D1、D2)により、第1、2ポート(P1、P2)から電力増幅器(42)への信号伝送が遮断される。そして、第1、第2伝送ライン(L1、L2)はその接点にある第3ピンダイオード(D3)の抵抗成分が高くなることによりインピーダンス整合された伝送線路として機能するようになる。また、第2ポート(P2)から入力された受信信号は第1、第2伝送ライン(L1、L2)を通して第1ポート(P1)へ出力される。
本発明による時分割方式電力増幅モジュールから成るクラス1のブルートゥース方式無線送受信機を表す概略ブロック図である。 本発明による時分割方式電力増幅モジュールの一実施例を表す詳細ブロック図である。 本発明による時分割方式電力増幅モジュールの送信(TX)モード動作状態図である。 本発明による時分割方式電力増幅モジュールの受信(RX)モード動作状態図である。 一般的なクラス2のブルートゥース方式無線送受信機の構成図である。 一般的なクラス1のブルートゥース方式無線送受信機の構成図である。 高集積化したクラス2のブルートゥース方式無線送受信機を表す構成図である。
符号の説明
20、30、110 ブルートゥース送受信モジュール
40 時分割方式電力増幅モジュール
41、43 マッチングネットワーク
42 電力増幅器(PA)
L1〜L4 波長λに対して1/4の長さのストリップライン
C1〜C5 キャパシター
D1〜D3 ピンダイオード
R バイアス抵抗

Claims (7)

  1. 送信信号が入力されるか受信信号が出力される第1ポートと、
    受信信号が入力されるか送信信号が出力される第2ポートと、
    前記第1、第2ポート間に直列接続され前記送受信信号の波長(λ)に対して1/4の長さを有し受信信号の伝送経路を形成する第1、第2伝送ラインと、
    前記第1ポートから入力された無線信号を増幅して第2ポートへ出力する電力増幅部と、
    前記第1、第2ポートと電力増幅部の入出力端間に各々設けられ、時分割制御信号に応じてオン/オフスイッチング動作することにより、前記第1ポートから電力増幅部を通して第2ポートに繋がる送信信号伝送経路を形成または遮断する第1、第2スイッチング手段と、
    前記第1、第2伝送ラインの接点とグラウンド間に設けられ前記時分割制御信号に応じてオン/オフスイッチング動作して、第1、第2伝送ラインからの受信信号の伝送を遮断または維持する第3スイッチング手段と、
    前記時分割制御信号が入力される入力端と前記第1、第2スイッチング手段とを各々接続し、時分割制御信号を第1、第2、第3スイッチング手段のスイッチングのためのバイアス信号として印加し前記送受信信号の波長(λ)に対して1/4の長さを有する第3、第4伝送ラインと、
    を有することを特徴とする時分割方式電力増幅モジュール。
  2. 前記電力増幅部は、
    前記第1、第2スイッチング手段間に設けられて入力された送信信号を所定の利得で増幅する電力増幅器と、
    前記電力増幅器の入出力端と第1、第2スイッチング手段間に各々設けられてインピーダンスマッチングを行う第1、第2マッチングネットワークと、
    を有することを特徴とする請求項1に記載の時分割方式電力増幅モジュール。
  3. 前記電力増幅部は、増幅信号の出力端に高調波信号を除去するフィルターあるいは当該フィルターと同等な機能を有する回路をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の時分割方式電力増幅モジュール。
  4. 前記第1、第2、第3スイッチング手段はピンダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の時分割方式電力増幅モジュール。
  5. 前記電力増幅部は、前記時分割制御信号に応じて動作状態または非動作状態になることを特徴とする請求項1に記載の時分割方式電力増幅モジュール。
  6. 前記電力増幅器の出力に設けられた第2マッチングネットワークは増幅された送信信号に含まれる可能性がある高調波成分を除去するフィルターあるいは当該フィルターと同等な機能を有するその他の回路を含むことを特徴とする請求項2に記載の時分割方式電力増幅モジュール。
  7. ブルートゥース規格に従い時分割方式により送/受信データを変復調するブルートゥーストランシーバーIC及び前記ブルートゥーストランシーバーICの時分割送受信モード制御信号に応じてアンテナ端を選択的に前記トランシーバーICの送信信号出力端または受信信号入力端に接続する時分割送受信スイッチを含んで成るクラス2ブルートゥースモジュールと、
    前記クラス2ブルートゥースモジュールとアンテナ間に設けられ、前記ブルートゥーストランシーバーICの時分割送受信モードに応じて動作し送信信号は増幅してアンテナへ、受信信号は前記クラス2ブルートゥースモジュールへ伝送する時分割方式電力増幅モジュールと、
    を有することを特徴とするクラス1ブルートゥースモジュール。
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