JP2007228034A

JP2007228034A - 高周波増幅器

Info

Publication number: JP2007228034A
Application number: JP2006043877A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Hirayama; 知央平山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】マルチバンド対応増幅器において、新たに能動素子を用いることなく、複数の周波数帯について低歪化を実現する。
【解決手段】共振回路である周波数分離用フィルタ１１１を介して、出力から入力への帰還回路１１２が設けられている。周波数分離用フィルタ１１１が基本波を除去および２倍波を通過する役割も同時に担い、これにより２倍高調波を選択的に目的とする周波数帯へフィードバックすることが可能になる。帰還回路１１２に、２倍波の位相および振幅を調整する素子１１２が挿入されており、基本波におけるＩＭ３の改善が期待される。
【選択図】図１

Description

本発明は高周波増幅器に関し、特に２つ以上の複数の異なる周波数を増幅できる複数周波数帯域増幅器に関する。

近年の無線端末では、一台の端末機で複数の周波数帯域を扱いたい（マルチバンド化）という要求がある。通常、このような用途に用いる高周波増幅器としては周波数帯ごとに専用の増幅器と整合回路を並列して対応する。しかし、この構成をとるとコストおよび面積の増大を招く。

このような問題を解決する手段として、１つの増幅器で２つの周波数帯のＲＦ信号を増幅する技術がある。これは図１０に示すように、インピーダンス整合回路とインピーダンス変換回路との間の増幅器の出力をスイッチ回路で切り分けて２つの周波数帯のＲＦ信号の増幅を実現したり、特許文献１に記載されている、図１１に示すようにスイッチを用いることなく、第１の帯域通過フィルタと第２の帯域通過フィルタらで切り分けて２つの周波数帯のＲＦ信号の増幅を実現したりするものである。
特開平１１-９７９４６号公報

ところで、近年の無線端末に用いる増幅器には、先に挙げた「マルチバンド化」とともに、通話品質の向上に大きく寄与する「低歪化」が求められている。先に挙げたマルチバンド化への技術は低歪化には対応していない。現在これに対応する技術としてはリニアライザ、プレディストーターなどを用いる方法があるが、これらは通常は能動素子を応用するものであり、チップ面積の増大およびコスト高を招くものである。

本発明の目的は小型、低コスト、低歪で、複数の周波数帯に対応できる高周波増幅器を提供することにある。

本発明の高周波増幅器は、1つ以上の能動素子から構成される増幅器本体と、第１および第２の周波数帯を含む複数の周波数帯に対応する入力端子および出力端子と、前記入力端子間にあって、第１および第２の周波数帯を含む複数の周波数帯を互いに分離する周波数分離用フィルタと、前記出力端子間にあって、第１および第２の周波数帯を含む複数の周波数帯を互いに分離する周波数分離用フィルタとを有するマルチバンド高周波増幅器において、前記増幅器本体の出力から前記増幅器本体の入力に前記周波数分離用フィルタのいずれかを介して帰還回路を用いて帰還がかけられており、周波数分離用フィルタは特定の周波数帯は除去し、その周波数帯の１．５〜２．５倍の周波数帯は通過させることを特徴とする。

従来のマルチバンド対応の増幅器で用いられている周波数分離用フィルタを基本波除去フィルタとして利用し、２倍高調波を選択的にフィードバックすることにより、素子の増加を最低限に抑えたうえで、マルチバンド対応の増幅器において低歪動作が可能となることである。上記帰還回路を２つ備えた場合、一方の帰還回路が２倍高調波を選択的にフィードバックしている際、他方の帰還回路は負帰還として動作するため、低歪、かつ安定動作が可能となる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図1は本発明の第１の実施形態による高周波増幅器の回路図である。本実施形態による増幅器は、１つ以上の能動素子から構成される増幅器本体１０５と、それぞれ周波数ｆ１、ｆ２（ここではｆ１>ｆ２とする）の信号用の入力端子１０１、１０２、それぞれ周波数ｆ１、ｆ２の信号用の出力端子１０３、１０４とを有しており、周波数ｆ１、ｆ２の信号を共通の増幅器１０５で増幅する。周波数の分離はフィルタ１０６〜１０９で行なわれる。これらはハイパスフィルターおよびローパスフィルターの回路構成をとっており、周波数分離用フィルタとしてだけでなく、整合回路の役割も果たしている。

また、両入力端子１０１，１０２間、両出力端子１０８、１０９間にそれぞれ周波数分離用フィルタ１１０、１１１が備えられ、これにより両周波数ｆ１、ｆ２をよりいっそうはっきりと分離することが可能となる。フィルタ１１０、１１１はインダクタおよびキャパシタの並列共振回路あるいは直列共振回路で構成される。並列共振回路で構成されている場合は目的とする周波数帯を除去することを目的とし、直列共振回路で構成されている場合は目的とする周波数帯を通過させることを目的としている。

また、本実施形態では、増幅器本体１０５の出力側に設けた周波数分離用フィルタ１１１を介して、増幅器本体１０５の出力を入力へフィードバックする帰還回路１１２を備えている。周波数分離用フィルタの役目をする共振回路１１１が基本波を除去し、および基本波の１．５〜２．５倍の周波数帯の信号波を通過させる役割も同時に担い、これにより、動作する周波数帯の２倍高調波を選択的にフィードバックすることが可能になる。帰還回路１１２に、２倍波の位相および振幅を調整する素子１１３が挿入され、基本波におけるＩＭ３の改善が期待される。

出力で発生する２倍高調波の位相および振幅を適切に調整して入力にフィードバックをかけるとＩＭ３が改善することは1996 IEEE MTT-S Digest pp. 827-830に詳しく記述されており、以下に示す数式を用いて明らかにされている。

図２は２倍高調波フィードバックによるＩＭ３改善手法を示したものである。図２の増幅器の帰還回路は基本波フィルタと位相調整素子と振幅調整素子から構成される。この増幅器において、増幅器の入力電圧と出力電流が

で表されるとする。この増幅器に

で表される２トーンの信号を入力すると、発生する２倍波は

のみを再び入力にフィードバックする。

式２と式３を加算したものを式１に代入し、ＩＭ３を表す周波数

に関する項を抜き出すと以下のようになる。

式４における第１項および第２項は振幅

および位相

の場合に打ち消し、２倍高調波注入のない場合の

と比べて結果的にＩＭ３が抑制されることになる。本発明では、この２倍波注入による歪低減効果をデュアルバンド対応の高周波増幅器に適用するものである。

図３に図１の具体的回路を示す。周波数分離用フィルタ１１０としてＬＣ直列共振回路、周波数分離用フィルタ１１１として並列共振回路が挿入され、帰還回路１１２には２倍高調波用の位相調整素子１１３Ａと、振幅調整素子となる抵抗１１３Ｂが挿入されている。

以下、図３に示した増幅器が周波数ｆ１＝１．９５ＧＨｚおよびｆ２＝８３５ＭＨｚ対応デュアルバンド増幅器として２倍高調波をフィードバックする動作について解説する。基本波を除去して２倍高調波のみをフィードバックするために、２つの周波数を分離するフィルタの役目を果たしているＬＣ共振回路を周波数分離利用用フィルタ１１１として利用する。ここではＬＣ並列共振回路１１１は１．９５ＧＨｚに共振点をもつよう設定されている。１．９５ＧＨｚ帯動作時では、ＬＣ並列共振回路1１１において１．９５ＧＨｚ帯は除去され、１．９５ＧＨｚ帯信号は８３５ＭＨｚ帯出力へはリークしないが、その２倍波である３．９ＧＨｚ帯信号はＬＣ並列回路1１１を通過する。よって帰還回路1１２では１．９５ＧＨｚ帯は除去された２倍高調波（正確には３倍、４倍の周波数もかかるが小さいので無視できる）が通過し、位相調整素子１１３Ａ、振幅調整素子１１３Ｂを通過して増幅器の入力に戻される。これにより、１．９５ＧＨｚ動作時におけるＩＭ３の改善が期待される。このとき、帰還回路１１２は１つ以上の周波数フィルタを介している必要があるが、その両端は少なくとも１つの能動素子を介していれば効果がある。つまり図３における帰還回路１１２は端子１１７と端子１１４を接続しているが、端子１１７と端子１１５でも、端子１１７と端子１１６を接続した場合でも、位相調整素子１１３Ａと振幅調整素子１１３Ｂを調整することにより同様の効果が期待できる。

（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態による高周波増幅器の回路図である。本実施形態における増幅器の基本的な構成は第１の実施形態と同じである。ただし、本実施形態では、増幅器１０５の入力側に設けられた周波数分離用フィルタ１１０を介する、出力から入力への帰還回路１２１が設けられている。周波数分離用フィルタの役目をする共振回路１１０が基本波を除去し、および基本波の１．５〜２．５倍の周波数帯の信号波を通過させる役割も同時に担い、これにより、動作する周波数帯の２倍高調波を選択的にフィードバックすることが可能になる。帰還回路１２１に、２倍高調波の位相および振幅を調整する素子１２２が挿入され、第１の実施形態と同様に、基本波におけるＩＭ３の改善が期待される。

図５に具体的回路を示す。帰還回路１２１には２倍波用の位相調整素子１２２Ａと、振幅調整素子となる抵抗１２２Ｂが挿入されている。

以下、図３に示した増幅器が周波数ｆ１＝１．９５ＧＨｚおよびｆ２＝８３５ＭＨｚ対応デュアルバンド増幅器として２倍高調波をフィードバックする動作について解説する。基本波を除去して２倍高調波のみをフィードバックするために、２つの周波数を分離するフィルタの役目を果たしているＬＣ直列共振回路を周波数分離用フィルタ１１０として利用する。ここではＬＣ直列共振回路１１０は１.８ＧＨｚ付近に共振点をもつよう設定され、１．６−２．０ＧＨｚ帯を通過させる。８３５ＭＨｚ帯動作時では、帰還回路１２１には基本波はＬＣ直列共振回路１１０で除去された上で２倍高調波１．６７ＧＨｚ帯（正確には３倍、４倍の周波数もかかるがこの場合は無視）が通過し、位相調整素子１２２Ａ、振幅調整素子１２２Ｂを通過して増幅器本体の入力に戻される。これにより、８３５ＭＨｚ動作時におけるＩＭ３の改善が期待される。このとき、帰還回路１２１は１つ以上の周波数フィルタを介している必要があるが、その両端は少なくとも１つの能動素子を介していれば効果がある。つまり図５における帰還回路１２１は端子１２３と端子１２４を接続しているが、端子１２３と端子１１６でも、端子１２３と端子１１４を接続した場合でも、位相調整素子１２２Ａと振幅調整素子１２２Ｂを調整することにより同様の効果が期待できる。

（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態による高周波増幅器の回路図である。

周波数分離用フィルタ１１０、１１１はインダクタおよびキャパシタの並列共振回路あるいは直列共振回路で構成される。並列共振回路で構成されている場合は目的とする周波数帯を除去することを目的とし、直列共振回路で構成されている場合は目的とする周波数帯を通過することを目的としている。

本実施形態では、それぞれ周波数分離用フィルタ１１０、１１１を介する、出力から入力への帰還回路１１２、１２１を備える。周波数分離用フィルタの役目をする共振回路１１０、１１１が基本波を除去し、および基本波の１．５〜２．５倍の周波数帯の信号波を通過させる役割も同時に担い、これにより、動作する周波数帯の２倍高調波を選択的にフィードバックすることが可能になる。これは第１および第２の実施形態の動作と同じである。

本実施形態においては、他方の帰還回路が２倍高調波を選択的にフィードバックしているとき、もう一方の帰還回路は抵抗を挿入しているので、通常の負帰還として動作させることが可能となる。よって、ＩＭ３の低減と安定動作を同時に両バンドで実現することができる。

図７に本実施形態の具体的回路を示す。帰還回路１１２、１２１にはそれぞれ２倍波用の位相調整素子１１３Ａ、１２２Ａが挿入され、振幅調整素子となる抵抗１１３Ｂ、１２２Ｂが挿入されている。

以下、図７に示した増幅器が周波数ｆ１、ｆ２（ｆ１＝１．９５ＧＨｚ、ｆ２＝８３５ＭＨｚとする）対応デュアルバンド増幅器として２倍高調波をフィードバックする動作について解説する。基本波を除去して２倍高調波のみをフィードバックするために、２つの周波数を分離するフィルタの役目を果たしているＬＣ共振回路１１０、１１１を基本波フィルタとして利用する。ここではＬＣ並列共振回路１１１は１．９５ＧＨｚに共振点をもち、ＬＣ直列共振回路１１０は１．６-２．０ＧＨｚの間に共振点をもつように設定されている。１．９５ＧＨｚ帯動作時では、ＬＣ並列共振回路１１１において１．９５ＧＨｚ帯は除去され、１．９５ＧＨｚ帯信号は８３５ＭＨｚ帯出力へはリークしないが、その２倍波である３．９ＧＨｚ帯信号はＬＣ並列回路１１１を通過する。よって帰還回路１１２では１．９５ＧＨｚ帯は除去された２倍高調波（正確には３倍、４倍の周波数も存在するが小さいので無視できる）が通過し、位相調整素子１１３Ａ、振幅調整素子１１３Ｂを通過して増幅器の入力に戻される。一方、８３５ＭＨｚ帯動作時では２倍高調波１．６７ＧＨｚ帯が帰還回路１２１で入力側に戻される。このとき、基本波８３５ＭＨｚも同時にフィードバックされるが、１．９５ＧＨｚ帯を通過させるＬＣ直列共振回路１１０ではＬ、Ｃの値を適当に調整することで１．６-２ＧＨｚは通過し、８３５ＭＨｚ帯は除去するよう調整することで２倍高調波のみをフィードバックできる。

なお、１．９５ＧＨｚ帯動作時における帰還回路１２１、８３５ＭＨｚ動作時にける帰還回路１１２はともに動作している基本波をフィードバックすることになるが、抵抗や位相回調整素子を挿入することによりこれらは負帰還回路として機能させることが可能である。つまり、帰還回路１２１、１１２は動作する周波数帯によって２倍高調波あるいは基本波のフィードバックをかけることになり、これらが同時に動作することが特徴である。

図８に図７における実施形態のＩＭ３低減の効果を示す。フィードバックがある場合とない場合でのシミュレーション結果では、フィードバックを入れた構成の方が同じ出力時におけるＩＭ３が低出力側で５ｄＢ程度改善していることがわかる。このとき、帰還回路は少なくとも１つの周波数フィルタを介している必要があるが、その両端は少なくともひとつの能動素子を介していれば効果がある。つまり図７における帰還回路１２１は端子１２３と端子１２４を接続しているが、端子１２３と端子１１６でも、また帰還回路１１２は端子１１８と端子１１４を接続しているが端子１１８と端子１１５を接続した場合でも、位相調整素１１３Ａと振幅調整素子１１３Ｂを調整することにより同様の効果が期待できる。

（第４の実施形態）
図９は発明の第４の実施形態による高周波増幅器の回路図である。本実施形態による高周波増幅器は第３の実施形態の高周波増幅器に、周波数分離の対象となる周波数帯のみを通過させるフィルタ１４１、１４２をさらに備えた構成を有している
この構成ではフィルタに用いる素子の数は多くなるものの、第１の実施形態のときでは整合回路にも周波数フィルタの役割が兼ねられていた制約がなくなるため、フレキシブルに整合回路を設定することができる。

本実施形態では、周波数分離用フィルタ１１０、１１１を介して、出力から入力への帰還回路１２１、１１２が設けられている。周波数分離用フィルタ１１０、１１１が基本波を除去し、および基本波の１．５〜２．５倍の周波数帯の信号波を通過する役割も同時に担う。これにより、動作する周波数帯の２倍高調波を選択的にフィードバックすることが可能になる。その際、帰還回路１２１、１１２に、２倍波の位相および振幅を調整する素子１２２Ａ、１１３Ａ、１２２Ｂ、１１３Ｂが挿入され、第３の実施形態の場合と同様な原理により、基本波におけるＩＭ３の改善が期待される。

なお、第１から第４の実施形態で述べた帰還回路は、半導体チップ上で構成するのではなく、半導体チップを搭載したモジュール、あるいはモジュールを搭載した基板で構成することにより、コストの増加を最小限に抑えられる。
［産業上の利用可能性］
本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ用の携帯機器に使用される高周波増幅器に適用可能である。

本発明の第１の実施形態による高周波増幅器の回路図である。２倍高調波フィードバックによるＩＭ３の改善手法を説明するための図である。第１の実施形態の具体的回路図である。本発明の第２の実施形態による高周波増幅器の回路図である。第２の実施形態の具体的回路図である。本発明の第３の実施形態による高周波増幅器の回路図である。第３の実施形態の具体的回路図である。図２の実施形態の効果を示す図である。本発明の第４の実施形態による高周波増幅器の回路図である。従来の高周波増幅器の一例を示す図である。従来の高周波増幅器の一例を示す図である。

符号の説明

１０１、１０２入力端子
１０３、１０４出力端子
１０５増幅器本体
１０６〜１０９フィルタおよび整合回路
１１０、１１１、１４１，１４２周波数分離用フィルタ
１１２、１２１帰還回路
１１３、１２２位相調整および振幅調整素子
１１３Ａ、１２２Ａ位相調整素子
１１３Ｂ、１２２Ｂ振幅調整素子
１１４〜１１７、１２３、１２４端子

Claims

1つ以上の能動素子から構成される増幅器本体と、第１および第２の周波数帯を含む複数の周波数帯に対応する入力端子および出力端子と、前記入力端子間にあって、第１および第２の周波数帯を含む複数の周波数帯を互いに分離する周波数分離用フィルタと、前記出力端子間にあって、第１および第２の周波数帯を含む複数の周波数帯を互いに分離する周波数分離用フィルタとを有するマルチバンド高周波増幅器において、前記増幅器本体の出力から前記増幅器本体の入力に前記周波数分離用フィルタのいずれかを介して帰還回路を用いて帰還がかけられており、前記周波数分離用フィルタは特定の周波数帯は除去し、該周波数帯の１．５〜２．５倍の周波数帯は通過させることを特徴とする高周波増幅器。

前記帰還回路を２つ有し、それぞれ異なる周波数帯を分離する周波数分離用フィルタを介している、請求項１に記載の高周波増幅器。

一方の前記帰還回路は前記第１の周波数帯を除去し、前記第２の周波数帯および前記第１の周波数帯の１．５〜２．５倍の周波数帯を通過させ、他方の前記帰還回路は前記第２の周波数帯を除去し、前記第１の周波数帯および前記第２の周波数帯の１．５〜２．５倍の周波数帯を通過させる、請求項２に記載の高周波増幅器。

一方の前記帰還回路が、前記第１の周波数帯に対しては前記第１の周波数帯の１．５〜２．５倍の周波数帯を帰還させ、他方の前記帰還回路は前記第１の周波数帯を負帰還として動作させる、請求項３に記載の高周波増幅器。

前記他方の帰還回路が前記第２の周波数帯に対しては１．５〜２．５倍の周波数帯を帰還させると同時に、前記一方の帰還回路が前記第２の周波数帯を負帰還として動作させる、請求項４に記載の高周波増幅器。

前記周波数分離用フィルタがインダクタとキャパシタの並列共振回路で構成されて、目的とする周波数帯を除去する、請求項１または２に記載の高周波増幅器。

前記周波数分離用フィルタがインダクタとキャパシタの直列共振回路で構成され、目的とする周波数帯を通過させる、請求項１または２に記載の高周波増幅器。

前記帰還回路は、帰還信号の位相のみを変化させることを主目的とした位相調整素子を備えている、請求項１から５のいずれかに記載の高周波増幅器。

前記位相調整素子は、前記増幅器が構成されたモジュールあるいはモジュールを搭載した基板上で形成された配線で構成されている、請求項８に記載の高周波増幅器。

前記帰還回路が、帰還信号の振幅を調整することを主目的とした振幅調整素子を備えている、請求項１から５のいずれかに記載の高周波増幅器。

前記振幅調整素子が、能動素子を形成した半導体上で構成された抵抗で構成されている、請求項１０に記載の高周波増幅器。

前記振幅調整素子は、前記増幅器が構成されたモジュールあるいはモジュールを搭載した基板上で形成された抵抗で構成されている、請求項１０に記載の高周波増幅器。

１つの増幅器で複数の周波数帯に対応する、請求項１から１２のいずれかに記載の高周波増幅器。