JP2006279190A - 携帯電話端末および電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率を低下させることなく、かつ降圧ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることなく、比較的高い電池電圧と比較的低い電池電圧のいずれにも柔軟に対応する。
【解決手段】携帯電話端末は、電池で動作する、無線信号を送信するための送信装置と、この送信装置の動作を制御する制御手段とを備える。送信装置は、送信信号を増幅する電力増幅装置１００を含む。この電力増幅装置１００は、送信対象の信号を増幅する増幅器１０２と、この増幅器１０２の負荷として第１インピーダンスおよび第２インピーダンスを切り替える可変インピーダンス負荷回路１３０とを有する。携帯電話端末の制御部１１２は、電池の電圧を監視し、この電池電圧が所定の閾値以上のときは前記第１のインピーダンスを選択し、所定の閾値より低下したときは前記第２のインピーダンスを選択するよう可変インピーダンス負荷回路１３０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話端末、特にその送信装置に用いて好適な電力増幅装置、特に電力増幅装置に関する。

第３世代と呼ばれる携帯電話サービスがほぼ普及しつつある現在、これに更に高速通信を可能とするサービスが付加されつつある。無線送信部に使用される電力増幅装置に課せられた課題がますますクローズアップされ、従来にはない多くの性能を要求されるようになっている。

新しい携帯電話の普及により、高速通信を利用した多くのアプリケーション機能が商用化されつつある。ここでは、端末からの送信データが高速になっている。高速通信では、通常コード多重が行われ、その結果、ピークファクタが増加し、隣接歪みすなわち隣接チャネル漏洩電力比（ＡＣＰＲ：Adjacent Channel Power Ratio）を悪化させる。

一方、高容量の電池が必要で、従来の炭素電極系電池に代わる合金電極電池が注目されている。この両者の特性の違いを図５に示す。炭素電極電池は放電電圧がほぼ３．５Ｖの一定値を保持し、使いやすいが、現状ではその容量は理論限界に達しており、増加は困難である。

一方、合金電極電池では、その容量は最大５０％もの増加が見込まれ有望であるが、放電電圧が徐々に低下し、約２．７Ｖにまで低下する。現在、携帯電話端末に使用する電力増幅装置（ＰＡ）は、電源電圧３．５Ｖを要するので、図５の合金電極電池は使えない。２．７Ｖで動作できる電力増幅装置を使用する場合、電池電圧の低いところで特性を満足するような設計を行う必要があるため、電圧の高いところでは効率が大きく低下する。そこで、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータを使う必要が生じる。

本発明はこのような背景においてなされたものであり、その目的は、効率を低下させることなく、かつ降圧ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることなく、比較的高い電池電圧と比較的低い電池電圧のいずれにも柔軟に対応できる携帯電話端末および電力増幅装置を提供することにある。

本発明は、電池で動作する、無線信号を送信するための送信装置と、この送信装置の動作を制御する制御手段とを備えた携帯電話端末であって、前記送信装置は、送信信号を増幅する電力増幅装置を含み、この電力増幅装置は、送信対象の信号を増幅する増幅器と、この増幅器の負荷として第１インピーダンスおよび第２インピーダンスを切り替える可変インピーダンス負荷回路とを有し、前記制御手段は、前記電池の電圧を監視し、この電池電圧が所定の閾値以上のときは前記第１のインピーダンスを選択し、所定の閾値より低下したときは前記第２のインピーダンスを選択するよう前記可変インピーダンス負荷回路を制御する。

前記増幅器の負荷として前記制御手段によりインピーダンスを切り替えることができる前記可変インピーダンス負荷回路を用いることにより、効率を低下させることなく、かつ降圧ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることなく、比較的高い電池電圧と比較的低い電池電圧のいずれにも柔軟に対応することが可能となる。

好ましくは、前記第１インピーダンスは所定の高電池電圧レベルで出力および効率が共に最大となるようなインピーダンスであり、前記第２インピーダンスは所定の低電池電圧レベルで出力および効率が共に最大となるようなインピーダンスである。

電池電圧が前記所定の高電池電圧レベルに対応する電圧範囲内にあっても、前記送信装置の動作モードが所定の動作モードにあるとき、前記可変インピーダンス負荷回路を前記第２インピーダンスに切り替えるようにしてもよい。これにより、所定の動作モードに対してのみ動作条件を変えて、当該動作モードに適した電力増幅動作を行わせることができる。

前記増幅器は、例えば、入力信号を第１の整合回路を介してゲート端子に受ける第１のソース接地ＦＥＴと、この第１のソース接地ＦＥＴのドレイン端子に出力される信号を第２の整合回路を介してゲート端子に受ける第２のソース接地ＦＥＴとを有し、前記第１および第２のソース接地ＦＥＴのドレイン端子は各々コイルまたは所定長の伝送線路を介して前記電池に接続される構成である。

本発明による他の携帯電話端末は、選択的に第１の動作モードおよび第２の動作モードで動作する、無線信号を送信するための送信装置と、この送信装置の動作を制御する制御手段とを備えた携帯電話端末であって、前記送信装置は、送信信号を増幅する電力増幅装置を含み、この電力増幅装置は、送信対象の信号を増幅する増幅器と、この増幅器の負荷として第１インピーダンスおよび第２インピーダンスを切り替える可変インピーダンス負荷回路とを有し、前記制御手段は、前記動作モードに応じて前記第１のインピーダンスまたは前記第２のインピーダンスを選択するよう前記可変インピーダンス負荷回路を制御する。前記制御手段は、動作モードに応じて前記第１のインピーダンスまたは前記第２のインピーダンスを選択することにより、個々の動作モードに適した電力増幅動作を行わせることができる。

本発明による電力増幅装置は、信号を増幅する増幅器と、この増幅器の負荷として第１インピーダンスおよび第２インピーダンスを切り替える可変インピーダンス負荷回路とを有し、前記第１インピーダンスは所定の高電池電圧レベルで出力および効率が共に最大となるようなインピーダンスであり、前記第２インピーダンスは所定の低電池電圧レベルで出力および効率が共に最大となるようなインピーダンスであり、外部からの切替信号に基づいて前記可変インピーダンス負荷回路の第１および第２のインピーダンスの切替を行うことを特徴とする。

本発明の携帯電話端末は、負荷回路のインピーダンスを切り替えることにより、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることなく、例えば合金電極電池のような電池において、電池電圧が高い場合と低い場合の両方に対して高効率で対応することができる。その結果、装置コストを増加させることなく、電池の１回の充電で電力増幅装置を使用できる時間を延ばすことができる。

また、所定の動作モードにあるときには、電池電圧が高電池電圧レベルに対応する電圧範囲内にあっても可変インピーダンス負荷回路を低電圧レベル用の第２インピーダンスに切り替えることにより、例えばＨＳＤＰＡのような動作モードに適した電力増幅動作を行うことができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による電力増幅装置の概略構成を、その制御部とともに示した図である。電力増幅装置１００は、通常、変調処理部（図示せず）につながる入力端子ＩＮに接続された増幅器１０２、この増幅器１０２の出力を受けるインピーダンス可変負荷回路１３０を有し、このインピーダンス可変負荷回路１３０の出力が出力端子ＯＵＴとなる。出力端子ＯＵＴは通常、アンテナ共用器（図示せず）に接続される。増幅器１０２には電池１０８からの電圧Ｖｄｄが印加される。インピーダンス可変負荷回路１３０は、制御部１１２からの切替制御信号１１２ａに従って、そのインピーダンスが第１インピーダンスと第２インピーダンスの間で切り替えられる。制御部１１２は、電池１０８の電圧Ｖｄｄを閾値判定する電圧監視部１１２ａ、通信モード等の送信装置の動作モードを判定するモード判定部１１２ｂ、ならびに、電圧監視部１１２ａおよびモード判定部１１２ｂの出力に応じて所定のレベルを有する切替信号１１２ｄを生成する切替信号生成部１１２ｃを含む。モード判定部１１２ｂは本実施の形態ではユーザによる操作部の操作に応じて選択された通信モードがＨＳＤＰＡ（High Speed Downlink Packet Access）であるか否かを判定する。制御部１１２の具体的な動作については後述する。

図２に、図１の電力増幅装置１００の第１の構成例を示す。図１に示したと同様の構成要素には同じ参照番号を付してある。

まず、構成を説明する。増幅器１０２は、入力端子ＩＮからの入力信号を受ける整合回路１０１、この整合回路１０１の出力をゲート端子に受けるソース接地の第１のＦＥＴ１０３、このＦＥＴ１０３のドレイン端子に一端が接続された整合回路１０４、この整合回路１０４の他端がゲート端子に接続された第２のソース接地ＦＥＴ１０５、第１および第２のＦＥＴ１０３，１０５のドレイン端子と電池１０８との間にそれぞれ接続されたコイル１０６，１０７とにより構成される。コイルの代わりに所定長（信号の１／４波長）の伝送線路を用いてもよい。

インピーダンス可変負荷回路１３０は、一端が第２のＦＥＴ１０５のドレイン端子に接続された第１の負荷回路１０９（ＭＬ１１）と、この第１の負荷回路１０９の他端に接続された第２の負荷回路１１０（ＭＬ１２）と、両負荷回路の接続点と第２の負荷回路１１０の他端にそれぞれ入力端子１１１ａ，１１１ｂが接続された２入力１出力のスイッチ回路１１１とにより構成され、スイッチ回路１１１の出力端子１１１ｃがこの増幅装置１００の出力端子ＯＵＴとなる。

図３に、インピーダンス可変負荷回路１３０の具体的な回路構成例を示す。この例では、負荷回路１０９は、インピーダンス可変負荷回路１３０の入力端子に一端を接続されたコイル１０９ａと、この他端に一端が接続され他端が接地されたキャパシタ１０９ｂからなるＬＣ回路で構成される。負荷回路１１０についても同様にコイル１１０ａとキャパシタ１１０ｂからなるＬＣ回路で構成される。

この電力増幅装置は、前記スイッチ回路１１１により第２のＦＥＴ１０５の負荷インピーダンスが第１インピーダンス（ＭＬ１１）の場合と第２インピーダンス（ＭＬ１１＋ＭＬ１２）の場合の２通りに分かれる。この両方の場合について、ＦＥＴ２のドレイン端から見えるインピーダンスを図４のスミスチャート上に示す。

第１インピーダンス（ＭＬ１１）および第２インピーダンス（ＭＬ１１＋ＭＬ１２）の好ましい数値例は、それぞれ次のとおりである。
ＭＬ１１： （１３±５）＋ｊ（１１±４）
ＭＬ１１＋ＭＬ１２： （５±２）＋ｊ（２±２）

この２通りの負荷について、電池電圧Ｖｄｄ＝２．７ＶとＶｄｄ＝３．５Ｖの場合を考え、次の３つの状態を定義する。
状態Ａ：負荷ＭＬ１１＋ＭＬ１２、Ｖｄｄ＝２．７Ｖ
状態Ｂ：負荷ＭＬ１１、Ｖｄｄ＝３．５Ｖ
状態Ｃ：負荷ＭＬ１１＋ＭＬ１２、Ｖｄｄ＝３．５Ｖ

これらの各状態は次のような特性を示す。状態Ａは、Ｖｄｄ＝２．７Ｖでの出力、効率共に最大となる、即ちＶｄｄ＝２．７Ｖでの最適状態である。

状態Ｂは、Ｖｄｄ＝３．５Ｖで出力、効率共に最大となる、即ちＶｄｄ＝３．５Ｖでの最適状態である。

状態ＣはＶｄｄ＝２．７Ｖでの最適状態でＶｄｄ＝３．５Ｖにした状態である。

図６に、これら３つの状態での入力電力と出力電力との関係を表す入出力特性を示す。状態ＡとＢとはほぼ同じ特性を示している。図示していないが、両者の効率も同じである。これは、Ｖｄｄ＝３．５ＶとＶｄｄ＝２．７Ｖとで、効率を保ったまま電源電圧の低下を可能としていることを示す。状態Ｃは、Ｖｄｄ＝２．７Ｖでの最適負荷のまま、Ｖｄｄ＝３．５Ｖで動作させており、当然効率は劣化するが、飽和出力が増加している。

使用する携帯電話端末の条件により、制御部１１２で以上の３つの状態を選択して、電力増幅装置１００を適正に動作させることができる。

より具体的には、まず、いわゆるＦＯＭＡ端末でのＨＳＤＰＡ対応端末の場合を考える。電源を供給する電池は終止電圧３．５Ｖのものを使用する。通常のＨＳＤＰＡでない動作では、状態Ｂを用いる。これは、Ｖｄｄ＝３．５Ｖで最大効率で動作させ電流消費を節約するためである。ＨＳＤＰＡのモードで送信する場合は、スイッチ回路１１１を切り替え、状態Ｃにする。ＨＳＤＰＡではピークファクタが大きいので、歪みの仕様を満足するために、飽和出力の高い状態で動作させるためである。なお、ＨＳＤＰＡでのＶｄｄ＝２．７Ｖ動作はここでは考慮しない。

次に、長寿命型電池を使用する場合を考える。既に述べたが図５に示すような合金電極電池を用いる場合、容量増加の代償として終止電圧が２．７Ｖ程度まで低下する。このような用途では電力増幅装置もＶｄｄ＝２．７Ｖ動作が必要になる。図５の合金電極電池では、充電初期はＶｄｄ＝４．２Ｖと高いので、ここでは状態Ｂで動作させる。電池電圧が低下してＶｄｄ＜３．５Ｖとなったら、スイッチ回路１１１を切り替えて状態Ａとし、低電圧で出力、効率共に最適な条件となるように設定する。

以上の動作に対して、ＣＤＭＡ２０００およびＷ−ＣＤＭＡ（ＦＯＭＡ）のＨＳＤＰＡ変調信号を適用した場合の隣接歪みの実測値を表１に示す。いずれも規格値を十分満足している。

次に、図７に図１の電力増幅装置１００の第２の構成例を示す。図２に示したと同様の構成要素には同じ参照番号を付し、重複した説明は省略する。図２と異なる点は、負荷回路の内部構成である。図２の負荷回路１３０に対して図７の負荷回路１３０ａは類似しているが、スイッチ回路１１１の入力端子１１１ｂに対して別のスイッチ回路１１４を追加している。このスイッチ回路１１４の一端１１４ａはスイッチ回路１１１の入力端子１１１ｂに接続され、他端１１４ｂは接地される。スイッチ回路１１１とスイッチ回路１１４とは、制御部１１２からの切替制御信号１１２ｄに応じて連動して切替制御される。この例では、スイッチ回路１１１の可動接点が入力端子１１１ａに接続されるとき、第２の負荷回路１１０の出力端子を接地するようにスイッチ回路１１４がオンする（導通する）ように、制御される。これにより、負荷回路１１０の一方の端子が開放されたときに、負荷回路１３０ａのインピーダンスの不安定を生じることを防いでいる。状態Ａと状態Ｂとは、図２の場合と同じである。

図８に、図１の電力増幅装置１００の第３の構成例を示す。図７に示したと同様の構成要素には同じ参照番号を付し、重複した説明は省略する。図７と異なる点は、負荷回路の内部構成である。図７の負荷回路１３０ａに対して図８の負荷回路１３０ｂは類似しているが、第２の負荷回路１１０の出力端をそのまま増幅装置１００の出力端子ＯＵＴとし、第１の負荷回路（ＭＬ３１）および第２の負荷回路１１０（ＭＬ３２）の接続点をスイッチ回路１１４の一端１１４ａに接続し、スイッチ回路１１４の他端１１４ｂを第３の負荷回路１１５（ＭＬ３３）を介して接地している。状態Ａと状態Ｂとは、スイッチ回路１１４を切り替えることで実現する。この第３の構成例では、第１、第２の構成例に比べて、第２のＦＥＴ１０５と出力端子ＯＵＴとの間にスイッチ回路が直接的に挿入されることがないので、信号損失が少ないという効果が得られる。

図９は、本発明の電力増幅装置を用いることができる携帯電話端末９００のハードウェア構成の概略を示すブロック図である。この携帯電話端末９００は、携帯電話端末に特有の要素として、アンテナ９０１、アンテナ共用器９０２、送受信処理部９０３、変復調処理部９０５、データ処理部９０７、音声入出力処理部９０９、スピーカ９１０、およびマイク９１２を備える。携帯電話端末９００は、また、これらの各要素を制御するＣＰＵ，ＲＯＭ等を含む制御部９２５（図１の制御部１１２に対応）、この制御部９２５により作業領域やデータの一時記憶領域として利用されるメモリ９２７、ユーザインタフェースとして機能する表示部９２０、上記各種操作キーに対応する操作部９２３を備える。本発明の電力増幅装置１００は送受信処理部９０３内に位置する。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、上記で言及した以外にも種々の変形、変更を行うことが可能である。

本発明による電力増幅装置の概略構成を、その制御部とともに示した図である。 図１の電力増幅装置の第１の構成例を示す図である。 図１、図２内に示したインピーダンス可変負荷回路の具体的な回路構成例を示す図である。 図３内に示した負荷回路のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。 炭素電極系電池と合金電極電池の特性の違いを表すグラフである。 本発明の実施の形態にける３つの状態での入力電力と出力電力との関係を表す入出力特性を示すグラフである。 図１の電力増幅装置の第２の構成例を示す図である。 図１の電力増幅装置の第３の構成例を示す図である。 本発明の電力増幅装置を用いることができる携帯電話端末のハードウェア構成の概略を示すブロック図である。

符号の説明

１００…電力増幅装置、１０１…整合回路、１０２…増幅器、１０３…ソース接地ＦＥＴ、１０４…整合回路、１０６，１０７…コイル、１０８…電池、１０９…負荷回路、１１０…負荷回路、１１１…スイッチ回路、１１２…制御部、１１２ａ…電圧監視部、１１２ｂ…モード判定部、１１２ｃ…切替信号生成部、１１２ｄ…切替制御信号、１１４…スイッチ回路、１１５…負荷回路、１３０…インピーダンス可変負荷回路、１３０ａ，１３０ｂ…負荷回路、９００…携帯電話端末

Claims (9)

1. 電池で動作する、無線信号を送信するための送信装置と、この送信装置の動作を制御する制御手段とを備えた携帯電話端末であって、
   前記送信装置は、送信信号を増幅する電力増幅装置を含み、この電力増幅装置は、送信対象の信号を増幅する増幅器と、この増幅器の負荷として第１インピーダンスおよび第２インピーダンスを切り替える可変インピーダンス負荷回路とを有し、
   前記制御手段は、前記電池の電圧を監視し、この電池電圧が所定の閾値以上のときは前記第１のインピーダンスを選択し、所定の閾値より低下したときは前記第２のインピーダンスを選択するよう前記可変インピーダンス負荷回路を制御する
   ことを特徴とする携帯電話端末。
2. 前記第１インピーダンスは所定の高電池電圧レベルで出力および効率が共に最大となるようなインピーダンスであり、前記第２インピーダンスは所定の低電池電圧レベルで出力および効率が共に最大となるようなインピーダンスであることを特徴とする請求項１に記載の携帯電話端末。
3. 前記可変インピーダンス負荷回路は、前記増幅器の出力端子に一端が接続された第１の負荷回路と、この第１の負荷回路の他端に接続された第２の負荷回路と、前記第１および第２の負荷回路の接続点と前記第２の負荷回路の他端とを２入力とし前記制御手段により切替制御される２入力１出力のスイッチ回路とを備え、このスイッチ回路の出力端から前記電力増幅装置の出力を得ることを特徴とする請求項１または２記載の携帯電話端末。
4. 前記可変インピーダンス負荷回路は、前記スイッチ回路が前記第１および第２の負荷回路の接続点を選択しているとき、前記第２の負荷回路の他端を接地する第２のスイッチ回路を有することを特徴とする請求項３記載の携帯電話端末。
5. 前記可変インピーダンス負荷回路は、前記増幅器の出力端子に一端が接続された第１の負荷回路と、この第１の負荷回路の他端に接続された第２の負荷回路と、前記第１および第２の負荷回路の接続点に接続され前記制御手段により第３の負荷回路を介して接地するスイッチ回路を備え、前記第２の負荷回路の他端から前記電力増幅装置の出力を得ることを特徴とする請求項１または２に記載の携帯電話端末。
6. 電池電圧が前記所定の高電池電圧レベルに対応する電圧範囲内にあっても、前記送信装置の動作モードが所定の動作モードにあるとき、前記可変インピーダンス負荷回路を前記第２インピーダンスに切り替えることを特徴とする請求項１に記載の携帯電話端末。
7. 前記増幅器は、入力信号を第１の整合回路を介してゲート端子に受ける第１のソース接地ＦＥＴと、この第１のソース接地ＦＥＴのドレイン端子に出力される信号を第２の整合回路を介してゲート端子に受ける第２のソース接地ＦＥＴとを有し、前記第１および第２のソース接地ＦＥＴのドレイン端子は各々コイルまたは所定長の伝送線路を介して前記電池に接続されることを特徴とする請求項１記載の携帯電話端末。
8. 選択的に第１の動作モードおよび第２の動作モードで動作する、無線信号を送信するための送信装置と、この送信装置の動作を制御する制御手段とを備えた携帯電話端末であって、
   前記送信装置は、送信信号を増幅する電力増幅装置を含み、この電力増幅装置は、送信対象の信号を増幅する増幅器と、この増幅器の負荷として第１インピーダンスおよび第２インピーダンスを切り替える可変インピーダンス負荷回路とを有し、
   前記制御手段は、前記動作モードに応じて前記第１のインピーダンスまたは前記第２のインピーダンスを選択するよう前記可変インピーダンス負荷回路を制御する
   ことを特徴とする携帯電話端末。
9. 信号を増幅する増幅器と、この増幅器の負荷として第１インピーダンスおよび第２インピーダンスを切り替える可変インピーダンス負荷回路とを有し、前記第１インピーダンスは所定の高電池電圧レベルで出力および効率が共に最大となるようなインピーダンスであり、前記第２インピーダンスは所定の低電池電圧レベルで出力および効率が共に最大となるようなインピーダンスであり、外部からの切替信号に基づいて前記可変インピーダンス負荷回路の第１および第２のインピーダンスの切替を行うことを特徴とする電力増幅装置。

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