JP2008522533A - 分散型ダイプレクサ - Google Patents

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Abstract

マルチバンドRF回路が、2つ以上のバンド用の複数の受信パス、送信パス、及びこれらのパスを結合してアンテナに結合させるための双方向1入力多出力伝送線路接合部(100)を有する。スイッチは送信及び受信パスを結合し、そして受信パス回路(110, 150, 160, 230, 240)は、そのバンドの信号は通過させ、他のバンドの信号にとっては開放回路に見えるように構成されている。このことは、結合回路はもはや、受信パスが使用されていない際に受信パスを遮断する必要がないことを意味する。これにより、構成部品を減らし、従って、より長いバッテリ寿命またはより大きい送信範囲のために送信パスにおける損失を低減することができる。バンドフィルタ(SAW)及びコンプリメンタリ回路は開放回路を達成することができる。上記バンドはGSM及びGPSバンドを含むことができ、そして上記回路は、3バンド・モバイル・ハンドセット及び将来の3Gバンド用のハンドセット、あるいは基地局において使用することができる。

Description

本発明は、マルチバンドRF(多帯域無線周波数)回路、アンテナに結合されたこうした回路を有する装置、及びこうした回路を有するモバイル(移動、携帯)機器または固定基地局に関するものである。
マルチバンド、通常は2つまたは3つのバンド(帯域)用のRF回路をハンドセットに設けることが知られている。ダイプレクサ(デュプレクサ(二重器)またはマルチプレクサ(多重器)とも称される)を用いて、分離したバンド用のRF回路をアンテナに結合する。このことは、複数の伝送パス(経路)の1つ以上をアンテナに効果的に切り替え、そしてアンテナからの複数の受信パスを分離する。図1に示すように、バンド毎にスイッチを設けて、送信及び受信パスを分離する。このダイプレクサは通常、受動構成部品で構成され、伝送経路中でいくらかの電力損失(パワーロス)を生じさせる。アンテナを共用する必要性、及び2つ以上のバンド間の整合(マッチング)回路によって生じる損失も存在し、これらの部分はいずれのバンドについても最適化することができないことを意味する。
国際特許出願公開WO 03094346
RF回路からの2つの給電(フィーダ)線をアンテナに設けて、これによりバンド毎により良好な整合が得られ、従ってバンド幅が増加することが、国際特許出願公開WO 03094346より知られている。このことはより小さいアンテナサイズをもたらし、このことはモバイル・ハンドセットのような用途にとって有用である。しかし、この回路は製造するにはより複雑になる、というのは、配線の金属及びアンテナ結合器のレイアウトはより慎重な設計を必要とし、そして一般に許容誤差がより小さいからである。キャパシタはより慎重に整合させる必要があり、ここでも許容誤差は小さい。また、装置はよりモジュール化しにくい、というのは、RF回路とのインタフェースはもはや規格型インタフェースではなく、従って、異なるモジュールの柔軟性(フレキシビリティ)または選択性が小さいからである。
米国特許第6,714,766号
また、送信機または受信機のいずれかをアンテナに接続またはアンテナから切断するためのダイオードスイッチを置き換える受動回路網を設けることが、米国特許第6,714,766号より知られている。対称ポートを有するフィルタは、送信機または受信機のいずれかを接地に接続し、他方をアンテナに接続する働きをする。
改善された回路の必要性が残されている。
本発明の目的は、改善された装置または方法を提供することにある。本発明の第1の態様によれば、次のものが提供される:
2つ以上のバンド用の受信パス、及びこれらのバンドの少なくとも1つ用の送信パス、これらのパスを結合してアンテナに結合させるための結合回路、及びこの結合回路の前方の各受信パス内にあるバンド毎の受信パス回路を有するマルチバンドRF回路、各受信パス回路は、当該バンドの信号は通過させ、他のバンドの信号に対しては開放回路に見えるように構成されている。
このことは、上記結合回路を簡略化することを可能にする手助けとなる、というのは、受信パスを使用しない際に受信パスを遮断(カットオフ)する必要はもはやないからである。このことは、送信パスがより少数の構成部品を持つか、あるいは、例えば受信パスへの不所望な漏洩(リーク)がより大きい、より低度の仕様の構成部品を持つことを可能にする効果を有し得る。送信パス内のより少数の構成部品は、伝送損失を顕著に低減することができ、このことは、例えばモバイル用途におけるより長いバッテリ寿命、あるいは所定の電力増幅器に対するより大きな送信範囲のような顕著な利点をもたらし得る。一般に、これらの利点は、より多数の部品の追加コスト及び受信パスにおけるより大きな損失を上回る。多くの場合には、(送信(TX)パス内及び受信(RX)パス内の両方の)通常のダイプレクサが概念的に半分に分けられ、RXパス内にしか設けられていない受信パスには、それ以上の構成部品または損失は存在しない。
従属請求項に記載の追加的な特徴は、2つ以上のバンドのパスを一緒に結合するための、固定で双方向の1入力他出力の接合部を有する結合回路である。このことは開放回路の特徴を活用する一方法であり、スイッチング(切り換え)またはダイプレクス(二重)回路のいくつかを置き換え、上述したように、送信パスにおける伝送損失を低減して、バッテリ寿命または送信範囲を増加させることができる。
他の追加的な特徴は、バンドフィルタの帯域外インピーダンスを補完して開放回路を達成するためのバンドフィルタ及びコンプリメンタリ(補完)回路を有する受信パス回路である。このことは、回路の量を減らす手助けとなり得る。そしてより良好な開放回路特性を可能にし、伝送損失を低減することができる。
他のこうした追加的特徴は、異なるバンドのパスを結合するための伝送線路(ライン)接合部を具えた結合回路である。この特徴は、受動構成部品またはスイッチのような代替部品にとって好ましい、というのは、構成部品の損失が存在しないからである。バンド間に存在するギャップが不十分である場合に、代替部品が必要となり得る。
他のこうした追加的特徴は、バンド毎に送信パスと受信パスとをバンド毎に結合するためのスイッチである。この特徴は、送信周波数と受信周波数との間に存在するギャップが小さい所で有用である。
他のこうした追加的特徴は、バンド内信号に対する特性インピーダンスを維持し、かつバンド外信号にとって開放回路となることに寄与するための受動構成部品を具えた各コンプリメンタリ回路である。こうした受動構成部品は一般に、伝送線路素子のような代替部品より小型にすることができ、このことはモバイル・ハンドセットのような用途にとって有用である。
他のこうした追加的特徴は、音響波フィルタで構成されるバンドフィルタである。こうしたフィルタは一般に、反射性が支配的な(通常は容量性で少し抵抗性の)帯域外インピーダンスを示し、全体的な開放回路特性に寄与し得る。
他のこうした追加的特徴は2つのバンド及び2つの受信パスである。このことはGSM無線、あるいはモバイル無線及びGPSバンドのような用途にとって有用である。
他のこうした追加的特徴は、送信パスは他のバンドと共用するように構成され、かつ独立した受信パスを有する第3バンドである。
他のこうした追加的特徴は、上記結合回路の前方にあり、上記第3バンドの受信パスを他のバンドの受信パスと結合するための第2伝送線路接合部である。この特徴は、3バンド・モバイル・ハンドセット及び将来の3Gバンド用のハンドセットのような用途にとって有用であり得る。
他の態様は、単一の入力アンテナ整合回路及び1つのアンテナに結合されたマルチバンドRF回路を有する装置を提供する。
他の態様は、上記装置を有するバッテリ給電のモバイル機器である。
他の態様は、上記装置を有する固定基地局を提供する。
上記追加的特徴のいずれもが、互いに組み合わせることができ、あるいは本発明の他の態様と組み合わせることができ、このことは当業者にとって明らかである。特に発明者の知らない他の従来技術に対する他の利点は、当業者にとって明らかであり得る。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施例への導入として、既知の無線端末を図1を参照しながら説明する。本発明の実施例はこの図に示す多くの部分を用いることができる。この無線端末は、給電(フィーダ)線12及び14を有するプレーナ(板状)逆F型アンテナ(PIFA:Planar Inverted F Antenna)10を具え、これらの給電線に、880〜960MHzの周波数バンド内で動作するGSMトランシーバ、及び1710〜1880MHzの周波数バンド内で動作するDCS(ディジタルセルラーシステム)トランシーバがそれぞれ接続されている。給電線12、14の間には接地(グラウンド)ピン16が設けられている。GSM及びDCSトランシーバのアーキテクチャは概ね同じであるので、対応する段はそれぞれ添字A及びBで参照し、そして簡単のためGSMトランシーバのみについて説明する。GSMトランシーバの送信機部分は、入力信号処理段20Aに結合された入力端子18Aを具えている。段20Aは変調器22Aに結合され、変調器22Aは変調信号を送信段24Aに供給し、送信段24Aは周波数アップコンバータ、電力増幅器、及び関連するフィルタを含む。共通結合段26Aは、送信段をアンテナ給電線12に結合する。共通結合段26A及び26Bは以下でより詳細に説明する。結合段26Aは、GSMトランシーバの受信機部分28A、及び給電線12にも結合されている。
受信機部分28Aは、低雑音(ローノイズ)増幅器、周波数ダウンコンバータ、及びフィルタを含む。受信機部分28Aの出力は復調器30A内で復調され、その出力は信号処理段32Aに供給され、信号処理段32Aは出力信号を端子34A上に供給する。両方のトランシーバの動作はプロセッサ36によって制御される。
PIFAは、各給電線間に低い値の分路(シャント)インダクタンスを含む。このインダクタンスは、各給電線上の分路キャパシタ46A、46Bが、このインダクタンスと共にアンテナの共振周波数で共振することによって調整される。これらの給電線は独立しているので、各キャパシタンスは独立して最適化することができ、両方のバンドについてより広いバンド性能を生じさせ、2つのバンド間の妥協を必要としない。2本の給電線12、14でエネルギーが転送されることを防止するため、アンテナは、共通結合段26A、26Bを設けることによってRFフロントエンドと共に協調設計される。結合段26A、26Bのアーキテクチャは、構成要素の値を特定の使用周波数用に選択するという1つの違い以外は同じであり、適切な所では、結合段26A及び26B内の対応する構成要素を、それぞれ添字AまたはB付きの同じ参照番号を用いて示す。
便宜上、結合段26Aを説明し、結合段26B内の対応する構成要素の参照番号はかっこ内に示す。送信段24A(24B)の出力は低損失PIN(p-intrinsic-n:中間絶縁層付き)ダイオードD1(D3)のアノード(陽極)に結合され、そのカソード(陰極)は直列インダクタンス48A(48B)の一端に結合されている。インダクタンス48Aの他端は、給電線12(14)、分路キャパシタ46A(46B)、及び1/4波長(A/4)伝送線路50A(50B)に結合されている。伝送線路50A(50B)の他端は低損失PINダイオードD2(D4)のアノードに結合され、そのカソードは接地に結合され、そしてバンドパス(帯域通過)フィルタ52A(52B)の入力に結合されている。フィルタ52A、52BはSAW(Surface Acoustic Wave:表面弾性波)フィルタで構成することができる。フィルタ52A(52B)の出力は受信機部分28A(28B)の入力に結合されている。
フィルタ52BをSAWフィルタとして実現する場合には、FR共振トラップ回路54を、伝送線路50Bの他端からバンドパスフィルタ52Bの入力までの信号パス(経路)内に設ける。このトラップ回路は、直列キャパシタ56及び分路インダクタンス58を具え、分路インダクタンス58はキャパシタ60によって接地に結合されている。キャパシタ60の値は、フィルタ52Bへの入力における電圧が低減されるようにインダクタンス58を調整すべく選択する。一般に、こうしたSAWフィルタは、13dBmの電力までの帯域内信号を処理することができる。しかし、帯域外信号については、より高い電力をこうしたフィルタに送達することができ、このことは、GSM信号は30dBmまでの電力を有し得るので有用である。代案の実現では、BAW()Bulk Acoustic Wave:バルク弾性波)フィルタが考えられる、というのは、これらのフィルタはSAWデバイスと同じ帯域外インピーダンス特性を示し、またSAWフィルタに存在する電力対応制限の問題がないからである。
図2に、異なるバンドのパスを結合するダイプレクサを有する他の既知の装置を示す。2つのバンドを使用し、この場合には900及び1800MHzである。受信及び送信パスはバンド毎に示し、IF(中間周波数)及びベースバンド処理回路は示さず、これらの回路は例えば図1で説明したようにすることができる。SAWフィルタの形のバンドパスフィルタを各受信パス内に示す。各送信パスは送信機整合回路、及び高調波フィルタを有する。スイッチを用いて、各バンドの送信及び受信パスを結合する。バンド毎のスイッチはダイプレクサへの経路を有し、ダイプレクサはアンテナ整合回路を経由したアンテナへの単一パスを有する。この場合には、ダイプレクサは一般に、50オーム系では約0.5〜0.7dBの損失を生じさせ、一般的なアンテナを使用する際にはこれより大きくなる。このことは特に送信モードでは、バッテリ電力が失われるので不所望である。
図3に第1実施例を示す。この場合には、RF回路が2つのバンド(それ以上追加することができる)毎の受信パス、及び少なくとも1つのバンド用の送信パスを有する。結合回路100はこれらのパスを結合して、アンテナへの単一の入出力パスを提供する。結合回路100は、受信パスが使用されていない際に受信パスを遮断する必要はない、というのは、各受信パスには、帯域外信号にとって開放回路に見える受信パス回路110が設けられているからである。電力増幅器のような送信及び受信回路の他の部分は図示していない。この回路は、図1に示すモバイル・ハンドセット用のトランシーバへのRFフロントエンドとして適用することができる。
図4に、図2と類似した特徴を有する他の実施例を示す。図2に比べれば、ダイプレクサのハイパス(高域通過)及びローパス(低域通過)側をRX(受信)信号パス内に移動したように、RFフロントが変更されており、従ってこれを分散型ダイプレクサと称する。GSMが送信中である際にはDCSを受信側に切り換え、そしてその逆のことを行う。従って、分散型ダイプレクサは、点Xにおいて反射インピーダンス(通常は開放回路)を提供することによって、受信パス内で伝送信号に損失が生じないことを保証する。ハイパス及びローパスフィルタは図3の受信パス回路の有効な例である。スイッチ及び点Xにおける接合部は図3の結合回路の有効な例である。
受信回路における二重化(ダイプレクス)作用は、SAWフィルタ(または等価なセラミックフィルタ及びBAWフィルタ)の帯域外性能を利用することによってさらに拡張することができる。このことは回路の受信部における損失を最小化する。この場合には、分散型ダイプレクサにおけるバンドフィルタ(SAWフィルタ)とハイパスまたはローパスフィルタとの組合せは、受信パス回路の例として考えることができる。このことは上記開放回路の品質を改善することができ、従って、開放回路における不完全性によって生じるあらゆる伝送電力損失を低減することを手助けする(BAW及びSAWデバイスは、別個の(ディスクリート)構成部品から製造したフィルタより反射性が高いので)。IF及びベースバンド処理回路は図示しておらず、これらは例えば図1で説明したようにすることができる。
図5に、バンドフィルタ160及びコンプリメンタリ(補完)回路150の例を示す。これらは図3の受信パス回路110内、または図4のSAW及びハイパスフィルタ、あるいは他の実施例に用いることができる。バンドフィルタ160は、接地への抵抗器R1と直列なインダクタL1として表現される構成部品とすることができる。コンプリメンタリ回路は、バンドフィルタと組み合わせて、帯域外信号にとって、特に他のチャンネルから想定することのできる帯域外信号にとって開放回路に見える所望の特性を提供するような特性を有するように構成されている。この場合のコンプリメンタリ回路は、インダクタL2とL3の対、及びこれらのインダクタ間のノード(節点)を接地に結合するキャパシタC1によって表わされる。同様の効果を達成するための他の構成も考えられる。同じ構成のさらなる段を追加することができる。この構成は通常のL/Cまたはπ型回路を用いることができ、あるいは、例えば適切な寸法の伝送線路によって実現することができる。バンドフィルタが容量特性を示す場合には、上記コンプリメンタリ回路は、例えばキャパシタとインダクタの位置を交換することによって、確立された原理に従って誘導性にすることができる。
図6及び7に、2つ以上のバンドのパスを一緒に結合するための、固定の双方向1入力多出力接合部を有する結合回路を示す。図6に、このことを達成するための既知の構成を有するマイクロストリップ伝送線路の平面図を示す。図7に、導電層210上の絶縁層200上に配置された線路190の側面図を示す。
図8に、SAWフィルタの例のスミスチャートを示し、この場合には、市販のDCS SAWであるSAWTek社の855860wの周波数応答を図8に示す。このデバイスは、図8に示すようにGSMにおける反射性が高い(この場合には容量性である)。このことは共振SAWフィルタの典型である。チャート上には2本の線が表わされ、デバイスのいずれかの側面から見た応答を示し、800MHz〜3GHzの周波数範囲にわたる。黒色の三角形は関係周波数におけるインピーダンスを示す。コンプリメンタリ回路は、いずれかの三角形をチャートの中心線の右端付近に移動させるように設定された応答を有する必要がある。上記開放回路は完全な開放回路である必要はなく、実際には、開放回路に近いほど送信電力の損失が少ない。電力損失が送信パスにおける従来のダイプレクサの損失より小さい程度に、開放回路に十分近くあるべきである。SAWフィルタのこの例については、関係点は次式の通りである:
S1a:880MHz,S(1, 1)=0.946/-76.232,インピーダンス=Z0×(0.073−j1.272)
S1b:960MHz,S(1, 1)=0.938/-82.993,インピーダンス=Z0×(0.073−j1.228)
S2a:880MHz,S(1, 1)=0.966/-77.116,インピーダンス=Z0×(0.044−j1.254)
S2b:960MHz,S(1, 1)=0.962/-84.003,インピーダンス=Z0×(0.043−j1.110)
SAWフィルタの電力対応能力は、音響共振及び電気的破壊(ブレークダウン)によって決まる。音響共振はSAWフィルタの劣化をもたらす。電気的破壊は、非常に薄い絶縁層における高電界によって発生し得る。デバイスを帯域外で動作させる際には、これらの要因のうち2番目のものが重要になる(共振周波数より上にはいくつかの大きな音響モードが存在し得るが、これらがデバイスの電力対応能力に与える影響は小さいものと考えられている)。このことは、帯域外で使用する際に、比較的高い電力がデバイスに送達されることを許容する。正確な電力レベルはデバイスに依存する。デバイス両端の帯域外電圧の電力が高すぎるならば、共振トラップを設けてこの電力を許容限度内にもっていくことができる。BAWフィルタは、SAWフィルタの同等品として、全く同様に用いることができる、というのは、BAWフィルタは共振SAWデバイスと同様の帯域外インピーダンス特性を示すからである。しかし、BAWフィルタには、SAWフィルタに存在する電力対応制限の問題がない。この種のSAW用のコンプリメンタリ回路は、帯域外(OOB:Out of Band)特性を開放回路(の特性)にもっていくために誘導特性を示す必要があり、この特性は、スミスチャートの中心線の右端付近の値によって表現される。
図9に、図4と同様の回路に、GPS信号のような第3のバンドを受信するためのパスを追加した回路を示す。図6及び7の接合部と同様の接合部を設けて、このパスをDCSバンドの受信パスに結合することができる。これは上記第2伝送線路接合部の例である。この第3バンドはSAWフィルタ220のような自前のバンドフィルタを有する。コンプリメンタリ回路は2つの部分、即ちA(240)とB(230)に分割されている。部分Aは結合回路の前方の結合受信パス内にある。部分Bは結合回路の後方にある。前のように、コンプリメンタリ回路の目的は、各受信パスが帯域外信号にとって開放回路に見えるようにすることにある。
図10に、モバイル・ハンドセット及び基地局310に応用した例を示す。各々が、結合回路100及び受信パス回路110を含むRF回路を有する。図3に示すように、各RF回路は、2つのバンド(それ以上追加することができる)毎の受信パス、及びこれらのバンドの少なくとも1つ用の送信パスを有する。結合回路100はこれらのパスを結合して、アンテナへの単一の入出力パスを提供する。結合回路は、受信パスが使用されていない際に受信パスを遮断する必要はない、というのは、各受信パスには、帯域外信号にとって開放回路に見える受信パス回路110が設けられているからである。電力増幅器、フィルタ、及びアンテナ整合回路のような送信及び受信回路の他の部分は図示していない。
以上説明したように、マルチバンドRF回路は2つ以上のバンド用の複数の受信パス、送信パス、及びパスを結合してアンテナに結合させるための双方向1入力多出力伝送線路接合部を有する。スイッチは送信パスと受信パスとを結合し、受信パス回路は、そのバンドの信号を通過させ、他のバンドの信号にとっては開放回路に見える。このことは、結合回路はもはや、受信パスが使用されていない際に受信パスを遮断する必要はないことを意味する。これにより、構成部品を減らし、従って、より長いバッテリ寿命またはより大きい送信範囲のために送信パスにおける損失を低減することができる。バンドフィルタ(SAW)及びコンプリメンタリ回路は開放回路を達成することができる。上記バンドはGSM及びGPSバンドを含むことができ、上記回路は、3バンド・モバイル・ハンドセット及び将来の3Gバンド用のハンドセット、あるいは基地局において使用することができる。
請求項の範囲内の他の変形例は当業者にとって明らかである。
既知の装置を示す図である。 既知の装置を示す図である。 本発明の実施例を示す図である。 本発明の実施例を示す図である。 受信パス回路の例を示す図である。 結合回路の例を示す図である。 結合回路の例を示す図である。 受信パス回路についてのスミスチャートである。 第3バンドを有する実施例を示す図である。 基地局及びモバイル機器の具体例を示す図である。

Claims (13)

  1. 2つ以上のバンド用の複数の受信パスと、前記バンドのうち少なくとも1つのバンド用の送信パスと、前記受信パスと前記送信パスとを結合してアンテナに結合させるための結合回路(100)と、前記バンド毎に、それぞれの前記受信パス内の前記結合回路の前方にあり、当該バンドの信号を通過させ、かつ他の前記バンドの信号にとって開放回路に見えるように構成された受信パス回路(110, 150, 160)とを具えていることを特徴とするマルチバンドRF回路。
  2. 前記結合回路が、前記バンドのうち2つ以上のバンドのパスを一緒に結合するための固定の双方向1入力多出力接合部(190, 200, 210)を有することを特徴とする請求項1に記載の回路。
  3. 前記受信パス回路が、バンドフィルタ(160)、及び前記バンドフィルタの帯域外インピーダンスを補完して開放回路を達成するためのコンプリメンタリ回路(150)を有することを特徴とする請求項1または2に記載の回路。
  4. 前記結合回路が、異なるバンドのパスを結合するための伝送線路接合部を具えていることを特徴とする請求項3に記載の回路。
  5. 前記バンド毎に、前記送信パスと前記受信パスとを結合するためのスイッチを有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の回路。
  6. 請求項3に従属する際に、前記コンプリメンタリ回路の各々が、帯域内信号に対する特性インピーダンスを維持し、かつ帯域外信号にとって開放回路となることに寄与するための受動構成要素で構成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の回路。
  7. 前記バンドフィルタが音響波フィルタで構成されることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の回路。
  8. 2つのバンド用の複数のパスを有し、かつ2つの受信パスを有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の回路。
  9. 第3バンド用のパスを有し、送信パスを他の前記バンドと共用し、かつ独立した受信パス(220, 230)を有することを特徴とする請求項8に記載の回路。
  10. 前記第3バンドの受信パスを、前記結合回路の前方で他の前記バンドと結合するための第2伝送線路接合部を有することを特徴とする請求項9に記載の回路。
  11. 単一入力のアンテナ整合回路及びアンテナに結合された、請求項1〜10のいずれかに記載のマルチバンドRF回路を有する装置。
  12. 請求項11に記載の装置を有するバッテリ給電のモバイル機器(300)。
  13. 請求項11に記載の装置を有する固定無線基地局(310)。
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