JP2006166153A - 高周波電力送信回路およびそれを用いた無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷特性が変化し反射電力が増加した場合に電力増幅素子を破壊から保護できる高周波電力送信回路を提供する。
【解決手段】反射電力を検出する回路を用いることで反射電力を電力検出回路３モニターし、ある値以上に反射電力が増加した場合、電力増幅信号ラインに信号減衰回路２を挿入して電力増幅素子５に作用する反射電力を減衰させて破壊から保護する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦ帯域からマイクロ波帯域で動作する無線通信装置に関し、特に反射電力による電力送信回路の破壊を防ぐ装置構成に関する。

近年、世界各国で携帯電話や携帯情報端末のように、様々な情報通信機器が実用化され、種々の情報通信サービスが提供されるようになって来ている。これら情報通信機器は固有のシステム仕様に基づいて動作し、その利用するシステムにより周波数帯、出力電力、変調方式が異なっている。

しかしながら、異なるシステムにおいてもそこで用いられる送信電力増幅器に要求される要素技術には共通のものがあり、その共通課題の一つとして、それぞれのシステム仕様に対応した電力レベルにおいて可能な限り電力消費効率の高い電力増幅器が望まれている。

特にこの高効率動作に対する要求は、移動体通信端末に搭載される送信増幅器用途で強く、そのため移動体通信端末の送信増幅器では、動作時の電力効率を高めるために送信増幅器は能力限界に近い動作状態で使用されることが一般的である。

そのような動作状況のもと、通信機器においては、あらゆる使用環境下において安定でしかも信頼性の高い通信機器を構成する必要がある。この際に最も重要となるのが、能力限界に近い領域で使用される送信系増幅器回路の安定性あるいは信頼性である。

従来、この安定動作を確保するためには、入力側においては増幅器に対する過入力を防ぎ、また、出力側においては、送信回路の出力側に配置したアイソレータにより、他システムからの干渉電波や、自ら発する送信電力のアンテナ部からの反射波など、不要な逆方向電力が送信増幅器回路に流入することを防ぐのが一般的である。

従来、このような増幅器の安定動作または増幅器の保護目的で報告された技術の中で、送信電力（あるいは反射電力）を検出し、送信増幅器の過入力保護を行うものとして、増幅器の入力側に可変減衰器を入れその減衰量を制御するもの（特許文献１）（特許文献２）がある。また、増幅回路の出力側の送信電力と反射電力を検出し、それにより求められる電圧定在波比を用いて増幅器に入力される電力レベルを制御するもの（特許文献３）がある。これらはいずれも増幅器の入力側の電力レベルを制御することで増幅器保護を実現しているものである。

一方、増幅回路の出力電力制御を目的として増幅器の出力側に電力型電圧制御可変減衰器を挿入し、出力増幅器の安定動作と出力電力レベルの制御の両立を目的としたもの（特許文献４）が開示されている。この（特許文献４）では、出力電力レベルをモニターし、その検波電圧と基準電圧を比較し、その差がゼロに近づくよう制御を行うものである。
特開平１０−２７１０５４号公報 特開平１１−２７１９２号公報 特開平１１−２８４５２２号公報 特開平９−３２１６３６号公報

通常の高周波回路は、入出力端子に５０Ω負荷を接続することを前提として構成される。これによりインピーダンス変換器を用いずとも、種々の高周波回路を直接に接続することが可能となり、高周波回路素子の取り扱いが簡便となる。

電力増幅器も同様に、入出力端子に５０Ω負荷を接続することを条件として構成されることが多い。電力増幅器の場合、この５０Ω負荷条件において、増幅度が最大になる整合条件、出力電力が最大になる整合条件、あるいは歪特性が最も良くなるような整合条件など用途に応じた整合回路を設計することになる。

従って、入出力の各負荷条件が設計状態の５０Ωより外れると、インピーダンス不連続点で高周波信号の不要な反射が生じ定在波の原因となる。無線通信携帯端末機において使用される電力増幅回路では、使用する電力増幅器の増幅能力や出力電力を最適化し極限に近い条件で動作させることが多く、このような条件で使用中に出力側負荷に変動があり出力側負荷が５０Ωから外れると、反射電力が生じ増幅回路の出力端子より大電力の高周波が逆方向に入射することになる。その結果、最大能力付近で動作している増幅素子に大電流が流れたり、端子電圧が急上昇したりして、増幅素子が破壊するという課題がある。特にこの課題は、負荷特性が動的に変化する移動携帯端末機器で重要となる。

また、半固定状態で使用される無線ＬＡＮ機器や、固定されて使用する移動体基地局においても、アンテナ周辺の急な状況変化、機器出力側の故障により、動的に負荷特性が変化することが考えられ、この場合にも高周波電力送信回路を保護する方策が検討されている。

（特許文献４）のように電力増幅器の出力と出力負荷回路の間に、可変減衰器と方向性結合器が電力増幅信号ラインと直列に接続し、前記方向性結合器が検出した進行波のレベルを目標値に近づけるように前記可変減衰器を制御した構成では、上記のように出力側負荷が５０Ωから外れて反射波の電力が大きくなる使用形態が予想される移動携帯端末機器では、増幅素子を破壊から保護することができない。

そのため、従来では出力回路中の送信増幅器の後段にアイソレータを配置することが行われていたが、機器構成の複雑化やコスト上昇を避けるためにはこのアイソレータを取り除きたいという要望が強い。

本発明では高周波通信装置の出力側にあるアイソレータを用いない構成で、高周波電力送信回路の保護を目的とする。特に、高周波電力送信回路の負荷に変動があり、反射電力が生じた際に電力増幅回路が破壊に至らないような高周電力送信回路を提供することを目的とする。

また、負荷特性の変動に対して保護機能を有する無線通信装置を供給することを目的とする。

本発明の請求項１記載の高周波電力送信回路は、電力増幅回路とこの電力増幅回路によって駆動される出力負荷との間に、信号減衰回路と送信電力の反射電力を検出する電力検出回路との直列回路を、電力増幅信号ラインと直列に接続し、前記電力検出回路が検出した反射電力に応じて前記信号減衰回路の信号減衰量を制御して前記電力増幅回路の側に規定値以上の反射電力が戻らないように構成したことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の高周波電力送信回路は、請求項１において、前記電力検出回路が送信電力と反射電力の電力レベルの比に基づいて、前記信号減衰回路の信号減衰量を制御するように構成したことを特徴とする。

本発明の請求項３記載の高周波電力送信回路は、請求項１または請求項２において、電力検出回路を電力増幅回路と前記信号減衰回路の間に挿入したことを特徴とする。
本発明の請求項４記載の高周波電力送信回路は、請求項１または請求項２において、電力減衰回路を電力増幅回路と電力検出回路の間に挿入したことを特徴とする。

本発明の請求項５記載の高周波電力送信回路は、電力増幅回路とこの電力増幅回路によって駆動される出力負荷との間に、送信電力の反射電力を検出する電力検出回路と、信号減衰回路またはこの信号伝送回路よりも減衰量が少ない伝送線路の一方をスイッチ回路を介して選択した回路との直列回路を、電力増幅信号ラインと直列に接続し、前記電力検出回路が検出した反射電力に応じて前記スイッチを切り換えて前記電力増幅回路の側に規定値以上の反射電力が戻らないように構成したことを特徴とする。

本発明の請求項６記載の高周波電力送信回路は、請求項５において、前記電力検出回路が送信電力と反射電力の電力レベルの比に基づいて、前記スイッチ回路の接続経路を選択するように構成したことを特徴とする。

本発明の請求項７記載の高周波電力送信回路は、電力増幅回路とこの電力増幅回路によって駆動される出力負荷との間に、送信電力の反射電力を検出する電力検出回路と、信号減衰回路またはこの信号伝送回路よりも減衰量が少ない伝送線路の一方をスイッチ回路を介して選択した回路との直列回路を、電力増幅信号ラインと直列に接続し、前記電力検出回路が検出した反射電力、または送信電力と反射電力の電力レベルの比に基づいて前記スイッチ回路の切り換えならびに前記信号減衰回路の減衰量を制御して前記電力増幅回路の側に規定値以上の反射電力が戻らないように構成したことを特徴とする。

本発明の請求項８記載の高周波電力送信回路は、請求項５〜請求項７の何れかにおいて、電力検出回路を、電力増幅回路と、信号減衰回路と伝送線路の一方をスイッチ回路で選択する回路との間に挿入したことを特徴とする。

本発明の請求項９記載の高周波電力送信回路は、請求項５〜請求項７の何れかにおいて、信号減衰回路と伝送線路の一方をスイッチ回路で選択する回路を、電力増幅回路と電力検出回路の間に挿入したことを特徴とする。

本発明の請求項１０記載の高周波電力送信回路は、請求項１〜請求項９の何れかにおいて、出力負荷には、電力増幅回路の出力を空間に送出するアンテナの回路を含むことを特徴とする。

本発明の請求項１１記載の高周波電力送信回路は、請求項１〜請求項１０の何れかにおいて、信号減衰回路が、電力増幅信号ラインに直列に挿入された第１の抵抗素子と、前記信号経路と接地電極間に挿入された第２の抵抗素子を有することを特徴とする。

本発明の請求項１２記載の高周波電力送信回路は、請求項１〜請求項１０の何れかにおいて、信号減衰回路が、π型あるいはＴ型接続のアッテネータ型素子であることを特徴とする。

本発明の請求項１３記載の高周波電力送信回路は、請求項５〜請求項９の何れかにおいて、信号減衰回路とスイッチ回路を同一の半導体基板上に集積化したことを特徴とする。
本発明の請求項１４記載の高周波電力送信回路は、請求項１〜請求項１２の何れかにおいて、電力増幅回路と信号減衰回路を同一の半導体基板上に集積化したことを特徴とする。

本発明の請求項１５記載の無線通信装置は、請求項１，請求項５，請求項７の何れかに記載の高周波電力送信回路を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、高周波電力を送信する電力増幅回路において、通常動作状態から負荷インピーダンスが外れた場合生じる反射電力を検出でき、その反射電力値に応じて信号経路に信号減衰回路挿入することができる。この信号減衰回路により反射電力レベルを減衰させ、電力増幅回路が破壊する電力レベル以下にすることによって電力増幅回路の破壊を防ぐことができる。

また、送信電力と反射電力を検出し反射係数を求め、その反射係数の値に応じて信号経路に信号減衰回路を挿入することができる。とくに送信電力と反射電力を常時、あるいは一定の時間間隔でモニターし、その比により信号減衰回路の減衰量を制御する場合、負荷特性が定常状態に戻った際信号減衰回路の減衰量を低減し、通常動作状態に戻すことが可能である。

さらに、信号減衰回路と並列に損失の小さな伝送線路を配置し、反射電力レベルに応じて信号経路を切り替えることにより、負荷特性変化時は電力増幅器を保護すると共に、通常動作時は伝送線路を信号経路として選択することで送信出力段の挿入損失を小さく押さえることができる。

さらに反射電力と送信電力を同時に検出することにより、その負荷状態における反射係数を計算し、その値により減衰回路の減衰量を制御する構成とすると、反射係数と破壊特性の対応が明確であるため効果的な減衰量制御が可能となる。

また、信号減衰回路を線路インピーダンスに整合したアッテネータ型とすることで、より反射波の増幅器への流入を低減できる効果が得られる。
また、上記のような電力増幅回路を無線通信回路に用いると、無線通信回路の実使用時の不可逆的なハードウェアの不具合発生率を低減できる効果がある。また、送信電力と反射電力をモニターすることにより、負荷状態が良好か不良かの情報を入手することができ、これをもとに機器制御方法を変更する、あるいは使用者に動作状況を示す（警告する）ことが可能となる。この点は機器の安定動作と使用者の利便性につながる。また、本構成自体で出力レベル制御を行うことも可能であり、出力レベル制御と送信回路保護のふたつの機能を同時に実現できることができる。

この構成によれば送信出力回路にアイソレータを用いないでも送信増幅器の保護が可能であり増幅増幅器あるいは通信装置の製造コストを低減できる。また、アイソレータと併用することにより、より通信機器動作の信頼性を高めることができる。

さらに、複数の通信システムを利用できるマルチモード機器では、各モード間の切り替えや、ＴＤＭＡ方式における送信受信動作の切り替え時の発生する過渡的な負荷変動に対し、通信機器の高周波送信回路を保護することが可能となる。これら効果は、電池駆動の携帯電話端末に代表される移動体通信端末機器で顕著な効果を示すものである。なおこれら移動体通信システムは現在利用されているもの、また、将来的に利用が計画されているものも含め、利用される周波数帯域はＲＦ帯からマイクロ波である３００ＭＨｚから６ＧＨｚであり、また、最大の出力電力は１００ｍＷから５Ｗ程度であり、本発明は上記の帯域、および電力レベルで顕著な効果を示すものである。

以下、本発明の各実施の形態を図１〜図１８に基づいて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１〜図６と図１６〜図１８は本発明の（実施の形態１）を示す。

図１は本発明に用いられる高周波電力送信回路を示す。
電力増幅回路１は電力増幅素子５と出力整合回路６から構成され、入力された高周波信号を増幅後、最終的にアンテナ４などのインターフェース回路を通して送出される。本発明では、電力増幅回路１とインターフェース回路であるアンテナ４の間に信号減衰回路２と電力検出回路３が挿入されている。

電力検出回路３には、信号経路にほとんど影響を与えないレベルの結合度を有する方向性結合器などを電力分配回路８として用いる。通常の使用状態ではアンテナ４は空間のインピーダンスに整合しているため、アンテナ４からの電力反射はほとんど生じない。

このとき、信号減衰回路２の減衰量はできるだけ小さくなるよう設定されている。なお、一般には電力増幅回路１からインターフェース回路であるアンテナ４の間には、損失を可能な限り小さく抑えるため、損失回路である信号減衰回路２を挿入することはしない。

一方、使用状態においてアンテナ４の周辺に導電性の物体や誘電体が近接するなどし、負荷特性が大きく変化した場合、インピーダンスの不整合によりアンテナ４の部分で高周波信号の反射が起きる。本発明では電力検出回路３にて反射電力を検出しており、このような負荷変動が生じた場合の反射電力は電力検波回路７で検出される。

図１に示すようにこの実施の形態では、検出された反射電力レベルに従い、信号減衰回路２の減衰量を増加させるように制御信号を発生する。この制御ループにより信号減衰回路２の減衰量が増加し、結果的に電力増幅回路１の出力電力が低下、さらに電力増幅回路１に戻る反射電力レベルを低下させることになる。この減衰量制御により反射電力量を電力増幅素子５が破壊しないレベルに保つことで、電力増幅回路の保護を実現するものである。

なお、信号減衰回路２の減衰量を増加させた状態においても電力検出回路３において反射電力はモニターされているため、負荷状態が改善され反射電力が小さくなった際には、信号減衰回路２の減衰量が自動的に小さく制御され、電力増幅器の出力電力が増加し通常の出力状態に戻る動作をする。

図２は電力検出回路３において、送信電力と反射電力を検出する構成を示したものである。例えば、移動体通信機器のアンテナから見た負荷を任意の出力負荷９として示し、電力検出回路３は送信電力１０および反射電力１１のふたつの電力量を、方向性結合器８Ａを介してモニターしている。

ここで本発明の信号減衰回路２の動作および設定方法を説明する。
図３は信号減衰回路２の一例を電気的な等価回路で示したものである。ここでは電力増幅回路１の出力側を示しており、電力増幅回路１自体と電力検出回路３は記載されていない。

なお、電力検出回路３は信号減衰回路２の入力側に配置しても出力側の配置しても効果は変わらず、また、信号経路に対しての高周波的な結合度は小さいので簡便のために省略したものである。

ここで、図１において回路側よりアンテナ４を見込んだインピーダンス、あるいは図２に示した出力負荷９は任意のインピーダンス値をとり、図３ではこの任意のインピーダンス値を等価負荷１２として示している。

従って、電力増幅回路１の出力端から見た合成負荷インピーダンス１４は、任意の値を取りうる負荷インピーダンス１５と、信号減衰回路２のインピーダンスを含めたものとなる。図３において負荷インピーダンス１５が大きく変化した場合、信号減衰回路２の減衰量を大きくし、結果として電力増幅回路１に戻る反射電力量を低減する動作を行う。

例えば、最も負荷条件が厳しい送信電力が全反射するような状況は、負荷インピーダンス１５が接地状態あるいは開放状態のときである。ここで接地状態を例にして信号減衰回路２を制御する例を説明する。簡単のために図３の並列抵抗１７を無限大（開放）とし、直列抵抗１６のみとして考えると、その合成負荷インピーダンス１４は直列抵抗１６の値そのものになる。

電力増幅回路１は５０Ωに接続することを前提に構成されているので、結局５０Ω系高周波回路と直列抵抗１６が接続された等価回路として見ることができる。このときの直列抵抗１６の値に対する等価回路の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の値を図４に示す。

すなわち、５０ΩでＶＳＷＲ＝１．０であり、抵抗値が５０Ωより小さくなっても大きくなってもＶＳＷＲは増加する（反射電力は増加する）。電力増幅回路１はＶＳＷＲがある値以上で破壊するため、本発明では電力増幅回路１の耐破壊特性（ＶＳＷＲの上限）を把握した上で、ＶＳＷＲがその値を超えないような合成負荷インピーダンス１４を制御する動作を行う。

この例では直列抵抗１６を挿入することに対応する。すなわち、用いる電力増幅回路１がＶＳＷＲ＝２．０以上で破壊する場合（負荷インピーダンス１５が接地状態すなわち負荷インピーダンス１５が０Ωと仮定としている現在の条件下では）、直列抵抗１６として２５Ωから１００Ωの間の抵抗値を挿入すると電力増幅回路は破壊しない。

同様に、電力増幅回路がＶＳＷＲ＝５．０以下では破壊しない場合、直列抵抗１６の値は１０Ωから２５０Ωの間に設定すればよい。これらＶＳＷＲの値と直列抵抗１６の値の関係を図１６に示す。

ここまでの説明では接地状態の負荷に対して説明したが、開放状態でも同様に考えることができる。
すなわち、等価負荷１２が開放状態のとき、直列抵抗１６と並列抵抗１７の合成抵抗値を考え、電力増幅回路１の破壊しないＶＳＷＲを満たす抵抗値の範囲に設定すればよい。さらに接地状態、開放状態以外の任意の負荷インピーダンスにおいても、直列抵抗１６と並列抵抗１７を適宜設定することで増幅回路から見た合成負荷インピーダンスの値を、ＶＳＷＲが増幅回路の破壊しない値以内に設定することが可能である。これらは可変抵抗素子あるいは可変抵抗回路を用いて構成することが望ましい。

一方、この図３の信号減衰回路２を、５０Ω系に整合したアッテネータとして構成することも可能である。このとき信号減衰回路２と電力増幅回路１の接続点では反射が生じないため、電力検出回路１では負荷インピーダンス１５における反射電力を正確に検出することができる。このため、より高精度な等価負荷１２のモニターが可能となり、そのＶＳＷＲ制御の精度も高くすることができる。アッテネータ構成としては図５に示すようなＴ型、図６に示すようなπ型が一般的であり、その５０Ω系における減衰値と各回路定数の対応表を図１７および図１８に示した。図１７，図１８には上記の説明と同様に、最も負荷条件の厳しい全反射に対応する接地状態、開放状態において必要とされるアッテネータの減衰量を、増幅回路の破壊特性を示す指標であるＶＳＷＲに対応させて示している。

すなわち、ＶＳＷＲ＝５．０までは破壊しない電力増幅回路１に対しては、アッテネータの減衰量として最大１．８ｄＢが実現できればよく、アッテネータの構成にはその減衰量まで対応できる抵抗素子の組み合わせを用いればよい。本発明においてこれらアッテネータを用いる場合は図３の信号減衰回路２にこれらＴ型、あるはπ型アッテネータを用いることになる。

（実施の形態２）
図７は本発明の（実施の形態２）を示し、図１と同様の作用を成すものには同一の符号を付けて説明する。

（実施の形態１）の図１では信号減衰回路２は電力増幅信号ラインと直列に常時接続されていたが、この図７では、スイッチ回路１８Ａ，１８Ｂによって、信号減衰回路２が電力増幅信号ラインと直列に接続される状態と、信号減衰回路２に代わって伝送線路１９が電力増幅信号ラインと直列に接続される状態とに切り換えられる点だけが、図１とは異なっている。信号減衰回路２自体の構成、さらに動作状態は図１と同様である。

伝送線路１９それ自体の減衰量は信号減衰回路２の時々の減衰量よりも小さく、アンテナ４において反射が少ない状況では、低損失の信号経路の方を選択できるように構成されており、具体的には、電力増幅回路１の出力は伝送線路１９の側を経由してアンテナ４に給電されて、図１の場合に比べて高周波電力送信回路として出力回路における損失を低減し、高効率動作を実現できる。

信号減衰回路２に対する制御信号Ｓ１と、スイッチ回路１８Ａ，１８Ｂに対する制御信号Ｓ２，Ｓ３は、同期またはある一定の時間差を持たせ印加することにより安定な制御動作を実現できる。

また、場合によってはスイッチ回路１８Ａ，１８Ｂのうちの一方のスイッチ回路を省略することも可能である。
図８，図９，図１０はそれぞれ信号減衰回路２の構成例を示したもので、ここではスイッチ回路１８Ａだけを設けた場合を例に挙げた。図８は電力増幅信号ラインに直列に挿入した抵抗素子とさらに電力増幅信号ラインと設置間に抵抗素子を挿入した構成例、図９はＴ型アッテネータ構成をとった場合の構成例、図１０はπ型アッテネータ構成をとった場合の構成例を示している。なお、スイッチ回路１８Ｂだけを設けた場合や、入力側と出力側にスイッチ回路１８Ａ，１８Ｂを設けた場合も同様である。

なお、電力検出回路３は、信号減衰回路２と伝送線路１９およびスイッチ回路１８Ａ，１８Ｂからなる回路の出力側に配置した場合を説明したが、信号減衰回路２と伝送線路１９およびスイッチ回路１８Ａ，１８Ｂからなる回路の入力側に配置して構成することもできる。

（実施の形態３）
図１１，図１２はそれぞれ、（実施の形態１）（実施の形態２）の機器の小型化を実現するための集積化の例を示したものである。

図１１では集積化信号減衰回路３９として、同一基板（半導体基板でも他のセラミック基板、樹脂基板でも良い）上に信号減衰回路２，伝送線路１９，スイッチ回路１８Ａ，１８Ｂを集積化している。

この構成では、ＦＥＴ素子を中心に集積化が行われ、比較的簡便な製造プロセスにより作製が可能である。また、電力分配回路８と電力検出回路７も集積化可能である。
図１２では電力増幅回路１と信号減衰回路２を同一基板上（半導体基板でも他のセラミック基板、樹脂基板でも良い）に集積化し集積化電力増幅回路４０を構成している。この場合の電力増幅回路１とセットで信号減衰回路２の減衰素子を配置するため、電力制御を必要とする種々の機器応用に利用可能な送信増幅ブロックとしても利用可能である。

（実施の形態４）
さらに図１３，図１４，図１５は、それぞれ上記の各実施の形態の電力増幅回路を送信増幅器として用い、マルチバンド構成の無線通信装置を示したものである。この各図において信号減衰回路２と電力検出回路３は明示していないが、送信回路あるいはスイッチ回路に付随して集積化するか、個別の回路ブロックとして挿入されるものである。

図１３は時間領域分割多重（ＴＤＭＡ）方式のシステム、例えば９００ＭＨｚ帯のＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）と１．８ＧＨｚ帯のＤＣＳ（Digital Cellular System）を利用可能な無線装置の出力部分であり、ＴＤＭＡ方式に対応するため各システム、さらには送受信回路を切り替えるスイッチ回路（デュアルモード集積化スイッチ回路２１）を用いている。この際、アンテナ４は便宜上共通として記載し、デュアルモード集積化スイッチ回路２１も１対４の構成としているが、システム仕様により各モード専用のアンテナ、さらにはダイバーシティ方式を採用した複数アンテナを用いる場合は２対４、さらには４対４等のスイッチを用い時間領域で切り替え動作させることになる。この例においては第１の送信回路２２、第２の送信回路２４において各々電力検出回路と信号減衰回路を有する本発明の電力増幅回路を用いている。

図１４は、同様にデュアルモード通信システムを構成したもうひとつの例である。２６は第３の送信回路、２７は第３の受信回路、２８は第４の送信回路、２９は第４の受信回路、３０はデュアルモードスイッチモジュール、３２はデュプレクサである。

符号領域分割多重（ＣＤＭＡ）方式とＴＤＭＡ方式のマルチモード通信機器であり、ＩＭＴ２０００（ＵＭＴＳあるいはＷ−ＣＤＭＡ）（ＩＭＴ２００：International Mobile Telecommunication 2000、ＵＭＴＳ：Universal Mobile Telecommunications System、Ｗ−ＣＤＭＡ：Wideband Code Division Multiple Access）とＧＳＭの共用携帯端末である。ＣＤＭＡ方式では送受信信号をデュプレクサ３２により分離している。アンテナは前記同様省略して単一のものとして記載しているが、装置構成によっては各周波数帯域ごとに異なるものを用いても良い。この例においても第３の送信回路、第４の送信回路に本発明の電力増幅回路を用いている。

さらに図１５はトリプルモードの通信システムを構成した例であり、ＵＭＴＳ、ＧＳＭ、さらにＤＣＳを単一の通信機器で扱えるものである。３３はＵＭＴＳ送信回路、３４はＵＭＴＳ受信回路、３５はＧＳＭ送信回路、３６はＧＳＭ受信回路、３７はＤＣＳ送信回路、３８はＤＣＳ受信回路、３１はトリプルモード集積化スイッチモジュールである。

アンテナは同様に省略して記載しており、各送信回路に本発明の電力増幅回路を用いていることは同様である。
（実験例１）
図１に対する実験例を説明する。

ＩｎＧａＰ系材料を用いたＨＢＴ（Hetero bipolar transistor）を電力増幅素子に用い、出力整合回路を半導体基板上に集積化したＭＭＩＣ（monolithic microwave integrated circuit）を構成した。このＭＭＩＣは８８０〜９１５ＭＨｚで出力電力３３ｄＢｍにて動作効率が最大になるような整合条件とした。このＭＭＩＣはＶＳＷＲ＝２．２までは破壊することなく動作した。このＭＭＩＣの後段に図１１で示した回路構成で信号減衰回路を配置した。信号減衰回路はπ型のアッテネータ型とし、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ−ＦＥＴ（field effect transistor）スイッチと組み合わせた可変抵抗素子により形成した。アッテネータの可変減衰量は回路の動作マージンも考慮して最大５ｄＢまで取りうる構成とした。また、伝送線路も集積化したが、伝送線路自体はＡｌ薄膜パターンによる配線であり、でき得る限り最短距離で接続する構成を選択し挿入損失の低減を図った。また、電力検出回路は信号線路に対する結合度が２０ｄＢの方向性結合器とし、ダイオードとキャパシタを組み合わせた電力検波回路において、送信電力、反射電力の比（ＶＳＷＲ）を検出する構成とした。このＶＳＷＲの値に従って、アッテネータの減衰量を制御し、負荷が接地状態と開放状態において、アッテネータの減衰量が約５ｄＢとなることを確認した。この際送信回路が破損することはなかった。さらに反射がほとんど抑えられた負荷条件では、伝送線路側の経路が選択されることも確認した。

（実験例２）
図７に対する実験例を説明する。
ＩｎＧａＰ系材料を用いたＨＢＴを電力増幅素子に用い、出力整合回路を半導体基板上に集積化したＭＭＩＣを構成し、動作帯域１９２０〜１９８０ＭＨｚ、出力電力２０ｄＢｍのとき５ＭＨｚ離調の２トーン相互変調歪が最小なるよう整合条件を選択した。このＭＭＩＣ自体はＶＳＷＲ＝４．８までは破壊することなく動作した。（実験例１）と同様に、このＭＭＩＣの後段に図１１で示した回路構成で信号減衰回路を配置した。信号減衰回路はπ型のアッテネータ型とし、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ−ＦＥＴスイッチと組み合わせた可変抵抗素子により形成した。アッテネータの可変減衰量は回路の動作マージンも考慮して最大１．８ｄＢまで取りうる構成とした。また、伝送線路も集積化したが、伝送線路自体はＡｌ薄膜による配線であり、でき得る限り最短距離で接続する構成とし、挿入損失の低減を図った。また、電力検出回路は信号線路に対する結合度が２０ｄＢの方向性結合器とし、ダイオードとキャパシタを組み合わせた電力検波回路において、送信電力、反射電力の比（ＶＳＷＲ）を検出する構成とした。このＶＳＷＲの値に従って、アッテネータの減衰量を制御し、負荷が接地状態と開放状態において、アッテネータの減衰量が約１．８ｄＢとなることを確認した。この際送信回路を構成したＭＭＩＣが破損することはなかった。さらに反射がほとんど抑えられた負荷条件では、伝送線路側の経路が選択されることも確認した。さらにこの送信回路と（実験例１）の送信回路を図１４と等価な回路構成で接続し、デュアルモード通信システムとして動作の検証を行い、単独での動作と同様の動作をすることを確認した。

なお、上記の説明では各抵抗素子は可変抵抗とし、その抵抗値をダイナミックに制御することを示したが固定抵抗としてもよい。また、複数の信号減衰回路を用意し、電力反射量に応じてこれら減衰回路を切り替えることでも同様の効果が得られることは確認した。

なお、上記の各実施の形態は高周波分野一般に応用可能であり、周波数として３００ＭＨｚから６ＧＨｚの周波数範囲に限定されるものではない。
上記の各説明では、電力検出回路の入力側に信号減衰回路を配置した場合を代表例として説明したが、電力検出回路３を信号減衰回路２の入力側に配置して同様に制御するように構成しても同様の効果を期待できる。

本発明は、ＲＦ周波数帯からマイクロ波帯における電力送信回路の耐破壊特性向上に有用である。特に負荷変動が大きな移動体通信システムに用いられる携帯端末機器などに対して有用である。

本発明の（実施の形態１）を示す高周波電力送信回路のブロック図 同実施の形態の出力負荷および電力検出回路を説明するブロック図 同実施の形態の概念的に説明する等価回路図 ５０Ω系高周波回路における電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の負荷抵抗依存性の特性図 Ｔ型アッテネータの等価回路図 π型アッテネータの等価回路図 本発明の（実施の形態２）を示す高周波電力送信回路のブロック図 同実施の形態の信号減衰回路構成の第１の例を示す電気回路図 同実施の形態の信号減衰回路構成の第２の例を示す電気回路図 同実施の形態の信号減衰回路構成の第３の例を示す電気回路図 本発明の（実施の形態３）の信号減衰回路集積化の回路ブロック図 同実施の形態の信号減衰回路集積化の別のブロック図 本発明の（実施の形態４）のマルチモード通信システムに高周波電力送信回路を用いた例を示す回路ブロック図 同実施の形態の別の例を示す回路ブロック図 同実施の形態の高周波電力送信回路をトリプルモード通信システムに用いた例を示す回路ブロック図 ５０Ω系高周波回路における電圧定在波比（ＶＳＷＲ）と負荷抵抗の依存性の説明図 ５０Ω系高周波回路におけるＴ型アッテネータにおける電圧定在波比（ＶＳＷＲ）と負荷抵抗の依存性の説明図 ５０Ω系高周波回路におけるπ型アッテネータにおける電圧定在波比（ＶＳＷＲ）と負荷抵抗の依存性の説明図

符号の説明

１ 電力増幅回路
２ 信号減衰回路
３ 電力検出回路
４ アンテナ
５ 電力増幅素子
６ 出力整合回路
７ 電力検波回路
８ 電力分配回路
９ 出力負荷
１０ 送信電力
１１ 反射電力
１２ 等価負荷
１３ 増幅回路出力端子
１４ 合成負荷インピーダンス
１５ 負荷インピーダンス
１６ 直列抵抗
１７ 並列抵抗
１８Ａ，１８Ｂ スイッチ回路
１９ 伝送線路
２１ デュアルモード集積化スイッチ回路
２２ 第１の送信回路
２３ 第１の受信回路
２４ 第２の送信回路
２５ 第２の受信回路
３０ デュアルモードスイッチモジュール
３１ トリプルモード集積化スイッチモジュール
３２ デュプレクサ
３９ 集積化信号減衰回路
４０ 集積化電力増幅回路

Claims (15)

1. 電力増幅回路とこの電力増幅回路によって駆動される出力負荷との間に、信号減衰回路と送信電力の反射電力を検出する電力検出回路との直列回路を、電力増幅信号ラインと直列に接続し、前記電力検出回路が検出した反射電力に応じて前記信号減衰回路の信号減衰量を制御して前記電力増幅回路の側に規定値以上の反射電力が戻らないように構成した
   高周波電力送信回路。
2. 前記電力検出回路が送信電力と反射電力の電力レベルの比に基づいて、前記信号減衰回路の信号減衰量を制御するように構成した
   請求項１記載の高周波電力送信回路。
3. 電力検出回路を電力増幅回路と前記信号減衰回路の間に挿入した
   請求項１または請求項２記載の高周波電力送信回路。
4. 電力減衰回路を電力増幅回路と電力検出回路の間に挿入した
   請求項１または請求項２記載の高周波電力送信回路。
5. 電力増幅回路とこの電力増幅回路によって駆動される出力負荷との間に、送信電力の反射電力を検出する電力検出回路と、信号減衰回路またはこの信号伝送回路よりも減衰量が少ない伝送線路の一方をスイッチ回路を介して選択した回路との直列回路を、電力増幅信号ラインと直列に接続し、
   前記電力検出回路が検出した反射電力に応じて前記スイッチを切り換えて前記電力増幅回路の側に規定値以上の反射電力が戻らないように構成した
   高周波電力送信回路。
6. 前記電力検出回路が送信電力と反射電力の電力レベルの比に基づいて、前記スイッチ回路の接続経路を選択するように構成した
   請求項５記載の高周波電力送信回路。
7. 電力増幅回路とこの電力増幅回路によって駆動される出力負荷との間に、送信電力の反射電力を検出する電力検出回路と、信号減衰回路またはこの信号伝送回路よりも減衰量が少ない伝送線路の一方をスイッチ回路を介して選択した回路との直列回路を、電力増幅信号ラインと直列に接続し、
   前記電力検出回路が検出した反射電力、または送信電力と反射電力の電力レベルの比に基づいて前記スイッチ回路の切り換えならびに前記信号減衰回路の減衰量を制御して前記電力増幅回路の側に規定値以上の反射電力が戻らないように構成した
   高周波電力送信回路。
8. 電力検出回路を、電力増幅回路と、信号減衰回路と伝送線路の一方をスイッチ回路で選択する回路との間に挿入した
   請求項５〜請求項７記載の何れかに記載の高周波電力送信回路。
9. 信号減衰回路と伝送線路の一方をスイッチ回路で選択する回路を、電力増幅回路と電力検出回路の間に挿入した
   請求項５〜請求項７記載の何れかに記載の高周波電力送信回路。
10. 出力負荷には、電力増幅回路の出力を空間に送出するアンテナの回路を含むことを特徴とする
    請求項１〜請求項９の何れかに記載の高周波電力送信回路。
11. 信号減衰回路が、電力増幅信号ラインに直列に挿入された第１の抵抗素子と、前記信号経路と接地電極間に挿入された第２の抵抗素子を有する
    請求項１〜請求項１０の何れかに記載の高周波電力送信回路。
12. 信号減衰回路が、π型あるいはＴ型接続のアッテネータ型素子である
    請求項１〜請求項１０の何れかに記載の高周波電力送信回路。
13. 信号減衰回路とスイッチ回路を同一の半導体基板上に集積化した
    請求項５〜請求項９の何れかに記載の高周波電力送信回路。
14. 電力増幅回路と信号減衰回路を同一の半導体基板上に集積化した
    請求項１〜請求項１２の何れかに記載の高周波電力送信回路。
15. 前記請求項１，請求項５，請求項７の何れかに記載の高周波電力送信回路を設けた
    無線通信装置。

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