JP2005236570A

JP2005236570A - 高周波回路装置

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Publication number: JP2005236570A
Application number: JP2004041935A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Kanazawa; 邦彦金澤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2005-09-02
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: EP1566893A1; KR20060042057A; TW200529581A; US7269156B2; JP3961494B2; CN1658518A; US20050201350A1

Abstract

【課題】 TDMA方式とCDMA方式の両方および複数の周波数帯域に対応した低コストで低消費電力の高周波回路装置を提供する。
【解決手段】 TDMA方式とCDMA方式にて共用される高周波増幅器２２から成り、高周波電力をアンテナ４から送信するための送信用増幅回路と、CDMA方式で同時送受信を実現するデュプレクサ１０と、送信用増幅回路とアンテナとの間でデュプレクサを挟んで設けられ、CDMA方式で同時送受信時にオンになる前段および後段のスイッチ回路２５、２７と、前段および後段のスイッチ回路とデュプレクサをバイパスするバイパス用スイッチ回路２６とを備えた構成を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波無線機、特に携帯電話等の移動体通信装置の送受信部における高周波回路装置、特に高周波電力送信用の半導体増幅回路（以下、送信用増幅回路と略称する）および複数の通信方式、複数の周波数帯域を切り換えるスイッチ回路を有するマルチバンド高周波回路装置に関する。

携帯電話など、ヨーロッパでのTDMA（Time Division Multiple Access）方式とCDMA（Code Division Multiple Access）方式が共存するシステムにて、高周波電力をアンテナから送信する送信用増幅回路では、TDMA方式とCDMA方式に対応して別々の高周波増幅器が用いられる。この理由としては、出力レベルが違う上、TDMA方式、例えばEDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution）変調方式でポーラー変調あるいはポーラーループ変調を行っていても、CDMA方式、特に、W-CDMA（Wideband-Code Division Multiple Access）方式あるいはUMTS（Universal Mobile Telecommunication System）では直交変調での動作をさせるので、線形増幅器が必要な上、同時送受信を行うので、TDMA方式とCDMA方式では別々の高周波増幅器が用いられていた。

図６は、従来の高周波回路装置の一構成例を示すブロック図である。図６に示すように、送信用増幅回路の高周波増幅器３には、TDMA方式の８００から９００MHz帯のGSM（Global System for Mobile communication）系の位相信号ＧＳＭＰＳＴｘが入力されて増幅される。また、送信用増幅回路の高周波増幅器５には、CDMA方式の１７００から１９００MHz帯のDCS（Digital Cellular System）系あるいはPCS（Personal Communication System）系の位相信号ＤＣＳ／ＰＣＳＰＳＴｘが入力されて増幅される。

一方、ポーラー変調のために、高周波増幅器３、５の電源端子には、２つの電源振幅変調器２３からそれぞれGSMとDCS／PCSの振幅信号が入力される。この際、ポーラー変調動作の高周波増幅器３、５は、飽和動作の高周波増幅器で実現できるので、消費電流を低減することができ、アイソレータがなくても、高周波増幅器の出力インーピーダスに動作を乱されることはほとんど無い。

一方、UMTS(W-CDMA)方式の動作において、従来では、直交変調された信号が高周波増幅器２に入力される。この際、高周波増幅器２としては、ポーラー変調動作の高周波増幅器３、５と異なり、線形動作の高周波増幅器が必要で、かつ、アイソレータ９がその出力側に必要である。この高周波増幅器２には、ドライバー増幅器１７を通じて、UMTSの直交変調した信号が入力されて、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）８、アイソレータ９、デュプレクサ（共用器：ＤＵＰ）１０、GaAsスイッチ７を介してアンテナ４に供給される。このデュプレクサ（共用器）１０は、送受信を同時に行うための周波数帯によって切り分けるフィルターである。

また、アイソレータ９は、アンテナ４が金属や人間の頭に近づいてインピーダンスが５０オームからずれて、高周波増幅器２の動作において歪特性が悪化するのを避けるために使われる。高周波増幅器２、３、５は、GaAsのFETやHBT（ヘテロバイポーラトランジスタ）や、SiのMOS FET、SiGeのHBTで構成される。

アンテナ４と各高周波増幅器、および各受信回路の間には、GSMやDCS／PCSの送信と受信を切り替えたり、UMTS同時送受信に切り替えるためのGaAsスイッチ７が設けられる。GaAsスイッチ７は、ピンダイオードで構成されることもあり、また高周波増幅器２、３、５からの高調波を抑圧するＬＰＦ８が、これらスイッチ回路と一体化したスイッチモジュール６として作られることが多い。また、高周波増幅回路全体をＴｘモジュール２０としてモジュール化される場合もある。
特開２００２−１３５１５７号公報特開２００２−２０８８６９号公報

しかしながら、従来のような構成では、TDMA方式とCDMA方式が共存しない片方専用の従来の携帯電話の場合と比較して、複数の高周波増幅器が必要となるために５０%近く高価になる上、UMTSに対してアイソレータ９が必要となるためにさらに５０%近く高価になり、つまり２倍近いコストになる、という問題があった。また、アイソレータ９があるために、高周波増幅器２で４０−７０ｍＡの電流が余分に消費される、という問題も生じる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、TDMA方式とCDMA方式の両方および複数の周波数帯域に対応した低コストで低消費電力の高周波回路装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明に係る高周波回路装置は、時分割多重アクセス（TDMA）方式と符号分割多重アクセス（CDMA）方式の両方の通信方式および複数の周波数帯域に対応した高周波回路装置であって、TDMA方式とCDMA方式にて共用される高周波増幅器から成り、高周波電力をアンテナから送信するための送信用増幅回路と、CDMA方式で同時送受信を実現するデュプレクサと、送信用増幅回路とアンテナとの間でデュプレクサを挟んで設けられ、前記CDMA方式で同時送受信時にオンになる前段および後段のスイッチ回路と、前段および後段のスイッチ回路とデュプレクサをバイパスするバイパス用スイッチ回路とを備えた構成を有している。

この構成によれば、TDMA方式とCDMA方式が共存しない片方専用の従来の携帯電話の場合と比較して、高周波増幅器の数を削減して、さらにアイソレータも省略できるので、コストを約半減することが可能になる。また、UMTS等CDMA動作の高周波増幅器の電流を２０％程度、すなわち４０−７０ｍＡ低減することが可能になる。

本発明によれば、TDMA方式とCDMA方式の両方および複数の周波数帯域に対応した低コストで低消費電力の高周波回路装置を提供することが可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る高周波回路装置の一構成例を示すブロック図である。

まず、図１に示すように、送信用増幅回路の第１の高周波増幅器３には、８００から９００MHz帯のGSMの位相信号ＧＳＭＰＳＴｘが入力されて増幅される。また、送信用増幅回路の第２の高周波増幅器２２には、１７００から２１００MHz帯のDCS、PCS、またはUMTS (W-CDMA)の位相信号が入力されて増幅される。第２の高周波増幅器２２は、利得制御可能なドライバー増幅器１７を内蔵し、CDMA方式のUMTS信号のダイナミックレンジ拡大を行う。

一方、ポーラー変調のために第１の高周波増幅器３および第２の高周波増幅器２２の電源端子には、電源振幅変調器２３からそれぞれGSMとDCS/PCS/UMTSの振幅信号ＡＳＴｘが入力される。この際、ポーラー変調動作の第１の高周波増幅器３および第２の高周波増幅器２２は、飽和動作の高周波増幅器で実現できるので、非常に広帯域な増幅器が実現され、UMTSに必要であった従来の線形増幅器が不要となる。

また、第２の高周波増幅器２２は、ポーラー変調を行うUMTSに対応した高周波増幅器になるので、消費電流が少なく出来る。UMTSもポーラー変調化するためには、現行の高周波化する半導体技術で、高周波動作する従来の電源振幅変調器２３と後述のアイソレータを取り除く際の他の周波数への影響を避けるデュプレクサ（共用器）１０の設計にて実現可能となる。

ここで、第２の高周波増幅器２２の出力信号は、カプラー１５、ＬＰＦ８、前段のスイッチ回路（ＳＷ）２５を介してデュプレクサ（共用器：ＤＵＰ）１０に入力される。このデュプレクサ１０は、送受信を同時に行うための周波数帯によって切り分けるフィルターである。アンテナ４が金属や人間の頭に近づいてインピーダンスが５０オームからずれて、第２の高周波増幅器２２のUMTS動作で歪特性が悪くなるのは、ポーラー変調動作で避けることができる。

しかし、さらに他の携帯電話や基地局からのDCSなどの送信信号や受信信号がアンテナ４から高周波増幅器２２に逆流して、悪影響を及ぼすのを避けるために、デュプレクサ１０は、DCS送信信号やDCS受信信号帯を１０ｄＢ以上抑圧する特性をも有することで、従来、アイソレータが果たしたこの抑圧機能を実現でき、アイソレータを省略することを実現する。

また、DCSやPCSの送信かUMTS同時送受信に切り替えるために、バイパス用スイッチ回路２６が、第２の高周波増幅器２２とアンテナ４との間にデュプレクサ１０をバイパスするために設けられる。さらに、デュプレクサ１０とアンテナ４との間にも後段のスイッチ回路２７を設けて、UMTS動作かそうでないかを切替可能な構成としている。

ここで、高周波増幅器としては、GaAsのFET、HBT（ヘテロバイポーラトランジスタ）や、SiのMOS FETやSiGeのHBTが用いられる。なお、GSM送信用の第１の高周波増幅器３やGSM、DCSやPCSの受信を切り替えるために、アンテナ４に直結したスイッチ回路２４を有するのは、従来と同じである。これらスイッチ回路２４、２５、２６、２７にはGaAs の高周波スイッチ（ＳＷ）が用いられる。また、この高周波スイッチはピンダイオードで構成されることもあり、また各高周波増幅器からの高調波を抑圧するＬＰＦ８がこれらスイッチ回路と一体化されて、スイッチモジュール６として作られることが多い。また、高周波増幅回路全体がＴｘモジュール２０としてモジュール化される場合もある。

以上のように、本実施形態によれば、従来例に比べて、高周波増幅器の数を３個から２個に削減させて、さらに、アイソレータも省略できるので、コストを約半減することができる。また、UMTS等CDMA動作の第２高周波増幅器２２の電流を２０％程度、すなわち４０から７０ｍＡ低減することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る高周波回路装置の一構成例を示すブロック図である。

図２において、本実施形態は、第１の実施形態に対して、スイッチ回路２４から２７としてそれぞれGaAsスイッチ７を用いた具体的な回路構成を提示するものである。GaAsスイッチとしては、HEMTを用いて、特にゲート長をサブミクロン化することで、損失をピンダイオードと比較して０．３から０．４ｄＢ減らして、高周波増幅器の消費電流を約１０％低減することが可能となる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る高周波回路装置の一構成例を示すブロック図である。

まず、図３に示すように、本発明の第１の実施形態と比較して、UMTS動作の際、UMTS送信にて、第２の高周波増幅器２２の出力側の前段のスイッチ回路２５が存在せず、送信信号が第２の高周波増幅器２２からデュプレクサ（共用器：ＤＵＰ）１０に直接入力される。このデュプレクサ１０は、DCS送信信号やDCS受信信号帯を１０ｄＢ以上抑圧する特性を有する。これにより、従来、アイソレータが果たした抑圧機能を実現することができ、アイソレータを省略することができる。さらに、第２の高周波増幅器２２からアンテナ４側を見た場合、DCSやPCS動作での出力インピーダンスを大きくすることができ、第２の高周波増幅器２２の整合を調整して、第２の高周波増幅器２２からアンテナ４側を見たDCSやPCS動作での出力インピーダンスを５０オームに設定することが可能となる。

つまり、UMTS動作でない、DCSやPCS送信動作では、後段のスイッチ回路２７をオフにし、バイパス用スイッチ回路２６をオンにすることで、DCSやPCSでの送信動作が可能となる。また、UMTS同時送受信時は、後段のスイッチ回路２７をオンにして、バイパス用スイッチ回路２６をオフにすれば、UMTS同時送受信も、本発明の第１の実施形態と同様に実現可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、スイッチ回路を一つ減らすことが可能となる。

なお、第１から第３の実施形態では、GSM/DCS/PCS帯でGMSK/GPRS/EDGE変調した上で、これらTDMA方式に対して、CDMA方式としてUMTS（W-CDMA）方式が追加された場合について例示および説明したが、GSM/DCS/PCS帯でGMSK/GPRS/EDGE変調した上で、これらTDMA方式に対して、CDMA方式として狭帯域CDMA方式がDCS/PCS方式の１７００から１９００MHz帯に追加された場合は、UMTSが狭帯域CDMA方式になるだけで、回路構成が全く同じで実現でき、第１から第３の実施形態と全く同様であることは明らかである。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る高周波回路装置の一構成例を示すブロック図である。

図４に示すように、第１から第３の実施形態では、GSM/DCS/PCS帯でGMSK/GPRS/EDGE変調した上で、これらTDMA方式に対して、CDMA方式としてUMTS（W-CDMA）方式が追加された場合について例示および説明したが、第４の実施形態では、GSM/DCS/PCS帯でGMSK/GPRS/EDGE変調した上で、これらTDMA方式に対して、CDMA方式として狭帯域CDMA方式がGSM方式の８００から９００MHz帯に追加された場合について説明する。

図４において、送信用増幅回路の第１の高周波増幅器５には、１７００から１９００MHz帯のDCS/PCSの位相信号ＤＣＳ／ＰＣＳＰＳＴｘが入力されて増幅される。また、送信用増幅回路の第２の高周波増幅器２８には、８００から９００MHz帯のGSM/狭帯域CDMAの位相信号ＧＳＭ／ＣＤＭＡＰＳＴｘが入力されて増幅される。第２の高周波増幅器２８は、利得制御可能なドライバー増幅器１７を内蔵し、CDMA方式のダイナミックレンジ拡大を行う。

一方、ポーラー変調のために第１の高周波増幅器５および第２の高周波増幅器２８の電源端子には、電源振幅変調器２３からそれぞれGSM/CDMAとDCS/PCSの振幅信号ＡＳＴｘが入力される。

ここで、第２の高周波増幅器２８の出力信号は、カプラー１５、ＬＰＦ８、前段のスイッチ回路２５を介して、デュプレクサ（共用器：ＤＵＰ）１０に入力される。このデュプレクサ１０は、送受信を同時に行うための周波数帯によって切り分けるフィルターである。アンテナ４が金属や人間の頭に近づいてインピーダンスが５０オームからずれて、第２の高周波増幅器２８のUMTS動作で歪特性が悪くなるのは、ポーラー変調動作で避けることができる。

また、GSMの送信かCDMA同時送受信に切り替えるために、バイパス用スイッチ回路２６が、第２の高周波増幅器２８とアンテナ４の間に、デュプレクサ１０をバイパスするために設けられる。さらに、デュプレクサ１０とアンテナ４の間にも後段のスイッチ回路２７を設けて、CDMA動作かそうでないかを切替可能な構成としている。

なお、DCS/PCS送信用の第１の高周波増幅器５やGSM、DCSやPCSの受信を切り替えるために、アンテナ４に直結したスイッチ回路２４を有するのは、従来と同じである。これらスイッチ回路２４、２５、２６、２７にはGaAs の高周波スイッチ（ＳＷ）が用いられる。また、この高周波スイッチはピンダイオードで構成されることもあり、また各高周波増幅器からの高調波を抑圧するＬＰＦ８がこれらスイッチ回路と一体化されて、スイッチモジュール６として作られることが多い。また、高周波増幅回路全体がＴｘモジュール２０としてモジュール化される場合もある。

以上のように、本実施形態によれば、従来例に比べて、高周波増幅器の数を３個から２個に削減でき、さらに、アイソレータも省略できるので、コストを約半減することができる。また、CDMA動作の第２の高周波増幅器２８の電流を２０％程度、すなわち４０から７０ｍＡ低減することができる。

（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態に係る高周波回路装置の一構成例を示すブロック図である。

図５に示すように、第１から第４の実施形態では、GSM/DCS/PCS帯でGMSK/GPRS/EDGE変調した上で、これらTDMA方式に対して、CDMA方式としてUMTS（W-CDMA）あるいは狭帯域CDMA方式が追加された場合について例示および説明したが、第５の実施形態では、GSM/DCS/PCS帯でGMSK/GPRS/EDGE変調した上で、これらTDMA方式に対して、CDMA方式として、UMTSと狭帯域CDMA方式がそれぞれ１７００から１９００MHz帯と８００から９００MHz帯のGSM帯に追加された場合は、TDMA方式とCDMA方式を兼用する回路構成が全く同様に、８００から９００MHz帯のGSM帯でも１７００から１９００MHz帯でも同様に構成して実現でき、その効果は４つ必要な高周波増幅器が２個でよく、効果絶大であることは明らかである。

本発明に係る高周波回路装置は、低コストで低消費電力であるという利点を活かし、TDMA方式とCDMA方式が共存する携帯電話システム、特にGSM/DCS/PCS/GPRS/EDGEとUMTS、またはGSM/DCS/PCS/GPRS/EDGEと狭帯域CDMA、あるいはGSM/DCS/PCS/GPRS/EDGEとUMTSと狭帯域CDMAが共存する携帯電話等に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る高周波回路装置の一構成例を示すブロック図本発明の第２の実施形態に係る高周波回路装置の一構成例を示すブロック図本発明の第３の実施形態に係る高周波回路装置の一構成例を示すブロック図本発明の第４の実施形態に係る高周波回路装置の一構成例を示すブロック図本発明の第５の実施形態に係る高周波回路装置の一構成例を示すブロック図従来の高周波回路装置の一構成例を示すブロック図

符号の説明

２ UMTSに対応した高周波増幅器
３ GSMに対応した第１の高周波増幅器
４アンテナ
５ DCS/PCSに対応した第２の高周波増幅器
６スイッチモジュール
７ GaAsスイッチ
８低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
９アイソレータ
１０デュクプレクサ（共用器）
１１表面弾性波フィルタ（ＳＡＷ）
１２低雑音増幅器（ＬＮＡ）
１５カプラー
２０Ｔｘモジュール
２２ DCS/PCS/UMTSに対応した第２の高周波増幅器
２３電源振幅変調器
２４スイッチ回路
２５前段のスイッチ回路（UMTS/CDMA送信用）
２６バイパス用スイッチ回路（UMTS/CDMAバイパス用）
２７後段のスイッチ回路（UMTS/CDMA送受信用）
２８ GSM/CDMAに対応した第２の高周波増幅器

Claims

時分割多重アクセス（TDMA）方式と符号分割多重アクセス（CDMA）方式の両方の通信方式および複数の周波数帯域に対応した高周波回路装置であって、
前記TDMA方式と前記CDMA方式にて共用される高周波増幅器から成り、高周波電力をアンテナから送信するための送信用増幅回路と、
前記CDMA方式で同時送受信を実現するデュプレクサと、
前記送信用増幅回路と前記アンテナとの間で前記デュプレクサを挟んで設けられ、前記CDMA方式で同時送受信時にオンになる前段および後段のスイッチ回路と、
前記前段および後段のスイッチ回路と前記デュプレクサをバイパスするバイパス用スイッチ回路とを備えたことを特徴とする高周波回路装置。
時分割多重アクセス（TDMA）方式と符号分割多重アクセス（CDMA）方式の両方の通信方式および複数の周波数帯域に対応した高周波回路装置であって、
前記TDMA方式と前記CDMA方式にて共用される高周波増幅器から成り、高周波電力をアンテナから送信するための送信用増幅回路と、
前記CDMA方式で同時送受信を実現するデュプレクサと、
前記デュプレクサと前記アンテナの間に設けられ、前記CDMA方式で同時送受信時にオンになる後段のスイッチ回路と、
前記後段のスイッチ回路と前記デュプレクサをバイパスするバイパス用スイッチ回路とを備えたことを特徴とする高周波回路装置。
前記TDMA方式は、移動通信用広域システム（GSM）帯、ディジタルセルラーシステム（DCS）帯、またはパーソナル通信システム（PCS）帯の周波数帯域を使用し、ガウシアン最小シフトキーイング（GMSK）変調方式、汎用パケット無線サービス（GPRS）変調方式、またはGSMエボリューション用エンハンストデータレート（EDGE）変調方式を用い、前記CDMA方式は、狭帯域CDMA、広帯域CDMA（W-CDMA）、汎用移動通信システム（UMTS）、または国際移動通信システム（IMTS）である請求項１または２記載の高周波回路装置。
前記高周波増幅器は、出力制御可能なドライバー増幅器を内蔵する請求項１から３のいずれか一項記載の高周波回路装置。
前記高周波増幅器は、位相情報を受ける信号入力端子と、振幅情報を受ける電源端子とを備え、前記振幅情報に応じて前記位相情報をポーラー変調あるいはポーラーループ変調する請求項１から４のいずれか一項記載の高周波回路装置。
前記送信用増幅回路は、
前記TDMA方式の移動通信用広域システム（GSM）の周波数帯域に対応し、ガウシアン最小シフトキーイング（GMSK）変調、汎用パケット無線サービス（GPRS）変調、またはGSMエボリューション用エンハンストデータレート（EDGE）変調を行う第１の高周波増幅器と、
前記TDMA方式と前記CDMA方式にて共有され、前記TDMA方式のディジタルセルラーシステム（DCS）またはパーソナル通信システム（PCS）の周波数帯域に対応し、GMSK変調、GPRS変調、またはEDGE変調を行い、また前記CDMA方式の汎用移動通信システム（UMTS）の周波数帯域に対応し、狭帯域CDMA方式またはW-CDMA（UMTS）方式で動作する第２の高周波増幅器とを備えた請求項１から５のいずれか一項記載の高周波回路装置。
前記送信用増幅回路は、
前記TDMA方式のディジタルセルラーシステム（DCS）またはパーソナル通信システム（PCS）の周波数帯域に対応し、ガウシアン最小シフトキーイング（GMSK）変調、汎用パケット無線サービス（GPRS）変調、またはGSMエボリューション用エンハンストデータレート（EDGE）変調を行う第１の高周波増幅器と、
前記TDMA方式の移動通信用広域システム（GSM）帯の周波数帯域に対応し、GMSK変調、GPRS変調またはEDGE変調し、あるいは前記CDMA帯の周波数帯域に対応し、狭帯域CDMA方式またはW-CDMA(UMTS)方式で動作する第２の高周波増幅器とを備えた請求項１から５のいずれか一項記載の高周波回路装置。
前記TDMA方式と前記CDMA方式にて共有され、前記TDMA方式のディジタルセルラーシステム（DCS）帯またはパーソナル通信システム（PCS）帯の周波数帯域に対応し、ガウシアン最小シフトキーイング（GMSK）変調、汎用パケット無線サービス（GPRS）変調、またはGSMエボリューション用エンハンストデータレート（EDGE）変調を行い、また前記CDMA方式の汎用移動通信システム（UMTS）帯の周波数帯域に対応し、狭帯域CDMA方式またはW-CDMA（UMTS）方式で動作する第１の高周波増幅器と、
前記TDMA方式の移動通信用広域システム（GSM）帯の周波数帯域に対応し、GMSK変調、GPRS変調、またはEDGE変調を行い、またCDMA帯の周波数帯域に対応し、狭帯域CDMA方式またはW-CDMA(UMTS)方式で動作する第２の高周波増幅器とを備えた請求項１から５のいずれか一項記載の高周波回路装置。
前記デュプレクサの送信側が前記TDMA方式の送信周波数に対して１０ｄＢ以上の抑圧特性を有する請求項１から８のいずれか一項記載の高周波回路装置。