JP2012044628A - 帯域整合回路及び無線通信機 - Google Patents

Abstract

【課題】低周波帯域での広帯域整合を図ることができると共に、高周波帯域における整合の乱れを防止することができる帯域整合回路を提供する。
【解決手段】帯域整合回路１は、フィルタ回路２を伝送線路１５に接続させ、スタブ３をフィルタ回路２の後段に接続した構成になっている。フィルタ回路２は、Ｔ型フィルタであり、１対のインダクタ２１，２２と１つのキャパシタ２３とで構成されている。このようなフィルタ回路２は、給電部１１０とアンテナ１２０との間で送受信する所望の低周波帯域の信号Ｓ１を通すが、この帯域の周波数よりも高い周波数を有する信号Ｓ２を阻止する。スタブ３は、オープンスタブであり、スタブ３とフィルタ回路２との全体の電気長が、低周波帯域を広帯域化することができるように設定されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、無線通信機のアンテナやパワーアンプ等で使用される帯域整合回路及び無線通信機に関するものである。

スタブは、回路の所定箇所のインピーダンスを調整するために用いられるものであり、無線通信機の帯域整合回路等、各種の回路に設けられている。
スタブを用いた技術としては、例えば、特許文献１に開示の整合回路がある。この技術は、信号の伝送線路上にスタブ部を設け、このスタブ部の先端を、少なくとも２本以上の先端開放スタブに分岐し、そのうち少なくとも一本のスタブには任意値の容量値を有するキャパシタを挿入して、広帯域整合を図るものである。
また、特許文献２に開示の電力分配回路のように、スタブを用いることで、回路規模を大きくすることなく、容易に所望の電力分配比を得ることができる技術もある。
さらに、特許文献３に開示のフィルタ回路のように、マイクロストリップ線路と誘電体共振器とを蜜結合状態にし、先端開放の並列容量性スタブをこれらの結合点端に形成して、トラップ周波数近傍における通過帯域の特性劣化を改善した技術がある。

特開２００３−２６４４０７号公報 特開２００１−１９６８１６号公報 特開平０９−３３１２０２号公報

しかし、スタブを用いた上記従来の技術では、スタブに繰り返し現れる高調波を意識しておらず、高調波において、インピーダンスが所望値からかけ離れてしまうという問題が生じる。
例えば、特許文献１の整合回路では、キャパシタが挿入されていない先端開放のスタブにおいて、低周波帯域における広帯域整合を図ると、このスタブで共振する高調波等の高周波帯域において、インピーダンスが乱れ、整合が取れなくなるおそれがある。
特許文献２及び特許文献３の技術においても同様であり、低周波帯域では、期待通りに動作するが、高周波帯域では、動作が乱れるおそれがある。

この発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、低周波帯域での広帯域整合を図ることができると共に、高周波帯域における整合の乱れを防止することができる帯域整合回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、低周波帯域の信号と高周波帯域の信号とを伝送するための伝送線路に設けられ、入力端が伝送線路に接続されたフィルタ回路と、基端部がフィルタ回路の出力端に接続されたスタブとを備える帯域整合回路であって、フィルタ回路は、低周波帯域の信号の波長に対応した周波数よりも高い周波数を有する信号を阻止する構成とした。
かかる構成により、低周波帯域の信号が、伝送線路を通ると、フィルタ回路を通じてスタブに入力する。この低周波帯域の信号は、スタブとフィルタ回路とで構成される当該帯域整合回路で共振する。このため、低周波帯域において、広帯域整合が実現する。
一方、低周波帯域の信号の高調波等、高周波帯域の信号がスタブで共振すると、当該高周波帯域において、整合が取れなくなるおそれがある。
しかし、この発明は、フィルタ回路が伝送線路とスタブとの間に設けられ、低周波帯域の信号の波長に対応した周波数よりも高い周波数を有する信号を阻止するので、高周波の信号がスタブに入力して共振することはない。この結果、当該帯域整合回路が設けられている部位において、当該高周波帯域における整合が維持される。

請求項２の発明は、請求項１に記載の帯域整合回路において、スタブは、セラミックスブロックの上に形成されている構成とした。
かかる構成により、Ｑ値が高いセラミックスブロックを用い、この上にスタブを形成することで、Ｑ値が悪い基板でも広帯域の整合が可能となる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の帯域整合回路において、フィルタ回路は、インダクタとキャパシタとで構成されるＬ型フィルタ，Ｔ型フィルタ又はπ型フィルタのいずれかである構成とした。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の帯域整合回路において、スタブは、基端部がフィルタ回路の出力端に接続され且つ先端部が開放されたオープンスタブである構成とした。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の帯域整合回路において、スタブは、基端部がフィルタ回路の出力端に接続され且つ先端部が接地されたショートスタブである構成とした。

また、請求項６の発明に係る無線通信機は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の帯域整合回路を備える構成とした。

以上詳しく説明したように、請求項１ないし請求項５の発明に係る帯域整合回路によれば、低周波帯域での信号をスタブに通し、高周波帯域の信号がスタブに入ることをフィルタ回路によって阻止するので、低周波帯域における広帯域整合を実現することができると共に、高周波帯域における整合の乱れを防止することができるという優れた効果がある。
また、請求項６の発明によれば、整合性に優れた高性能の無線通信機を提供することができるという優れた効果がある。

この発明の第１実施例に係る帯域整合回路を備えた無線通信機のブロック図である。 第１実施例の帯域整合回路が実装された基板の平面図である。 帯域整合回路を拡大して示す平面図である。 伝送線路上に何も設けていない場合の作用及び効果を説明するための概略図である。 図４の構造におけるリターンロスを示す線図である。 伝送線路上にスタブのみを設けた場合の作用及び効果を説明するための概略図である。 図６の構造におけるリターンロスを示す線図である。 この実施例の帯域整合回路を伝送線路上に設けた場合の作用及び効果を説明するための概略図である。 図８の構造におけるリターンロスを示す線図である。 シミュレーションの結果を示す線図である。 シミュレーションに用いられたフィルタ回路の特性を示す線図である。 この発明の第２実施例に係る帯域整合回路の要部を示す概略断面図である。 この発明の第３実施例に係る帯域整合回路を実装した基板の平面図である。 フィルタ回路の変形例を示す回路図である。

以下、この発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

（実施例１）
図１は、この発明の第１実施例に係る帯域整合回路を備えた無線通信機のブロック図であり、図２は、第１実施例の帯域整合回路が実装された基板の平面図である。

この実施例の帯域整合回路は、図１に示す無線通信機に設けられている。
この無線通信機は、周知の携帯電話であり、ＢＢ（Base Band）部１００と、ＲＦ（Radio Frequency）部１１０とアンテナ１２０とを備えている。
ＲＦ部１１０において、ミキサ１１２と送信フィルタ１１３とパワーアンプ１１４とが、送信回路を形成している。これにより、ＢＢ部１００からのＩＦ（Intermediate Frequency）信号の周波数を、ミキサ１１２と発振器１１９とで増加させてＲＦ信号を生成し、送信フィルタ１１３で、所望の周波数だけを通過させ、パワーアンプ１１４によって、ＲＦ信号の電力を増幅する。一方、ローノイズアンプ１１５と受信フィルタ１１６とミキサ１１７と中間周波数フィルタ１１８とが、受信回路を形成している。これにより、アンテナ１２０で、受信したＲＦ信号を、ローノイズアンプ１１５でノイズを除きながら増幅し、受信フィルタ１１６で所望の周波数のみを通過させた後、その周波数を、ミキサ１１７と発振器１１９とで減少させ、中間周波数フィルタ１１８により、所望のＩＦ信号だけを通過させて、ＢＢ部１００に送る。このような送信回路と受信回路の切換は、アンテナスイッチ１１１で行われる。

上記のような無線通信機において、符号１が、この実施例の帯域整合回路であり、ＲＦ部１１０とアンテナ１２０とを繋ぐ伝送線路１５上に設けられている。
具体的には、図２に示すように、非グランド領域１１とグランド領域１２とが、図１の無線通信機が備える基板１０上に設けられている。アンテナ１２０に対する給電部であるＲＦ部１１０（以下、「給電部１１０」と記す）は、グランド領域１２側に設けられ、アンテナ１２０は、非グランド領域１１上に設けられている。そして、フィルタ回路２とスタブ３とで構成される帯域整合回路１が、非グランド領域１１上にパターン形成された伝送線路１５に接続されている。なお、図１及び図２には図示しないが、ベタのグランド層１３が、基板１０の裏面に設けられており、伝送線路１５は、マイクロストリップラインとして機能する。

図３は、帯域整合回路を拡大して示す平面図である。
図３に示すように、帯域整合回路１は、フィルタ回路２を伝送線路１５に接続させ、スタブ３をフィルタ回路２の後段に接続した構成になっている。

フィルタ回路２は、Ｔ型フィルタであり、直列に接続された１対のインダクタ２１，２２とインダクタ２１，２２の間から分岐した１つのキャパシタ２３とで構成されている。 具体的には、インダクタ２１の一方端２１ａが、伝送線路１５に接続されて、フィルタ回路２の入力端をなし、また、インダクタ２２の他方端２２ｂが、スタブ３の基端部３１に接続されて、フィルタ回路２の出力端をなす。そして、キャパシタ２３の一方端がインダクタ２１，２２の他方端２１ｂ，一方端２２ａの接続点に接続され、他方端が基板裏面のグランド層１３に接地されている。
このようなフィルタ回路２は、給電部１１０とアンテナ１２０との間で送受信する所望の低周波帯域の信号Ｓ１を通すが、この帯域の周波数よりも高い周波数を有する信号Ｓ２を阻止する機能を有する。インダクタ２１，２２の値及びキャパシタ２３の値は、フィルタ回路２がかかる機能を発揮するように設定されている。

一方、スタブ３は、先端部３２が開放されたオープンスタブであり、このスタブ３とフィルタ回路２との全体の電気長が、上記低周波帯域を広帯域化することができるように設定されている。

次に、この実施例の帯域整合回路が示す作用及び効果について説明する。
図４は、伝送線路１５上に何も設けていない場合の作用及び効果を説明するための概略図であり、図５は、図４の構造におけるリターンロスを示す線図であり、図６は、伝送線路１５上にスタブのみを設けた場合の作用及び効果を説明するための概略図であり、図７は、図６の構造におけるリターンロスを示す線図であり、図８は、この実施例の帯域整合回路１を伝送線路１５上に設けた場合の作用及び効果を説明するための概略図であり、図９は、図８の構造におけるリターンロスを示す線図である。

図４に示すように、フィルタ回路２やスタブ３を伝送線路１５に設けていない場合においては、図５のリターンロス曲線Ａ１に示すように、帯域幅ｄ１の範囲で整合が取れ、周波数ｆ１，ｆ２の高調波である周波数ｆ３，ｆ４を含む高周波帯域では、帯域幅Ｄの範囲で整合が取れる。すなわち、帯域幅ｄ１内の低周波信号Ｓ１と帯域幅Ｄ内の高周波信号Ｓ２とを、正常に送受信することができる。
しかし、この図５から明らかなように、低周波帯域の整合範囲ｄ１は、高周波帯域の整合範囲Ｄに比べて狭い。したがって、低周波においては、狭い帯域での送受信のみ可能となる。

低周波において、広い帯域で送受信を可能にしたい場合には、図６に示すように、伝送線路１５上にスタブ３０を設けて、低周波帯域の整合範囲を広げる必要がある。
具体的には、図５に示した帯域ｄ１を広帯域化することができる長さのスタブ３０を伝送線路１５に突設する。これにより、当該低周波の信号Ｓ１がスタブ３０で共振し、図７のリターンロス曲線Ａ２に示すように、周波数ｆ１〜ｆ２を含む低周波帯域での整合範囲がｄ１からｄ２に広がり、広帯域での送受信が可能となる。
しかし、スタブ３０を用いると、上記低周波の信号Ｓ１の高調波の信号Ｓ２も、スタブ３０の影響を受けるため、リターンロスが良好な周波数ｆ３〜ｆ４の高周波帯域において、リターンロスが異常に高くなる部分Ｂが生じてしまう場合がある。つまり、帯域Ｄでのリターンロスが暴れ出し、整合が不可能な状態になり、高周波信号Ｓ２の送受信に支障をきたすこととなる。

これに対して、図８に示すように、この実施例の帯域整合回路１を伝送線路１５上に設けると、フィルタ回路２が、低周波帯域の信号Ｓ１をスタブ３側に通す。そして、スタブ３とフィルタ回路２との全体の電気長が、低周波帯域幅を広げるように設定されているので、信号Ｓ１が帯域整合回路１で共振し、図９のリターンロス曲線Ａ３に示すように、周波数ｆ１〜ｆ２を含む帯域範囲ｄ２での整合が維持され、かかる広い範囲において、信号Ｓ１の送受信が可能となる。
一方、周波数ｆ３〜ｆ４の高周波帯域における信号Ｓ２に対しては、フィルタ回路２が阻止するので、この信号Ｓ２のスタブ３への入力は抑制される。したがって、帯域整合回路１は、この信号Ｓ２によって共振しないので、周波数ｆ３〜ｆ４の高周波帯域Ｄにおいて、リターンロスは許容値以下に維持され、暴れ出すことはない。このため、高周波帯域においても、広い範囲Ｄで整合が取れ、この範囲での信号Ｓ２の正常な送受信が可能となる。

かかる効果を確認すべく、発明者等は、次のようなシミュレーションを行った。
図１０は、シミュレーションの結果を示す線図であり、図１１は、シミュレーションに用いられたフィルタ回路２の特性を示す線図である。
このシミュレーションでは、伝送線路１５が５０Ωの特性インピーダンスを有し、この伝送線路１５を通じて給電部１１０に接続されたアンテナ１２０により、４方式の通信を行う場合を想定した。具体的には、ＧＳＭ(Global System for Mobile Communications)８５０とＧＳＭ９００による低周波帯域の送受信とＤＣＳ（Digital Cellular System）１８００とＰＣＳ（Personal Communication Service ）１９００による高周波帯域の送受信とを行う場合を想定した。
まず、図４に示したと同様に、伝送線路１５に何も設けずに、周波数７００ＭＨｚ〜２３００ＭＨｚの範囲で、伝送線路１５部分のリターンロスを測定した。
すると、図１０における破線のリターン曲線Ｃ１で示すように、低周波帯域において、８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚの帯域幅ｄ１が確保され、高周波帯域においては、１７１０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚの帯域幅Ｄが確保されることを確認した。

次に、図６に示したと同様に、長さ１４５ｍｍで特性インピーダンスが５０Ωのスタブ３０を伝送線路１５に突設して、周波数７００ＭＨｚ〜２３００ＭＨｚの範囲で、スタブが設けられた伝送線路１５部分のリターンロスを測定した。
すると、図１０における二点鎖線のリターン曲線Ｃ２で示すように、低周波帯域において、８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚの帯域幅ｄ１よりも広い帯域幅ｄ２が確保され、高周波帯域においては、帯域幅Ｄが維持された。しかし、帯域幅Ｄ内において、リターンロスが上下に暴れ、この帯域での整合性が大きく劣化した。

そこで、図８に示したと同様に、フィルタ回路２とスタブ３とで構成された帯域整合回路１を伝送線路１５に設けた。このとき、長さが５５ｍｍで特性インピーダンスが５０Ωのスタブ３を用いた。また、フィルタ回路２には、共に１２ｎＨのインダクタ２１，２２と、２．０ｐＦのキャパシタ２３を用いた。
フィルタ回路２は、低周波の帯域ｄ２の周波数よりも高い周波数の信号入力を阻止する回路であり、図１１の実線のリターンロス曲線Ｓ１１で示すように、８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚを含む低周波帯域の信号に対するリターンロスを小さくし、周波数１７１０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚを含む高周波帯域の信号に対するリターンロスを非常に大きくする。これに対応して、破線の挿入損失曲線Ｓ２１で示すように、８２４ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚを含む低周波帯域の信号に対する挿入損失を小さくし、周波数１７１０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚを含む高周波帯域の信号に対する挿入損失を非常に大きくする。
かかる状態で、周波数７００ＭＨｚ〜２３００ＭＨｚの範囲で、帯域整合回路１が設けられた伝送線路１５部分のリターンロスを測定した。
すると、図１０における実線のリターン曲線Ｃ３で示すように、低周波帯域において、広い帯域幅ｄ２が維持されると共に、高周波帯域の帯域幅Ｄ内において、リターンロスの変動が抑えられていた。

このように、この実施例の帯域整合回路１を、給電部１１０とアンテナ１２０とを繋ぐ伝送線路１５に適用することで、高周波の広い帯域幅を維持しつつ、低周波の帯域幅を広くすることができ、低周波帯域においても、広帯域整合を図ることができることを確認した。

なお、この実施例では、図１に示したように、帯域整合回路１を給電部１１０とアンテナ１２０とを繋ぐ伝送線路１５上に設けたが、図１の二点鎖線で示すように、帯域整合回路１をＲＦ部１１０のアンテナスイッチ１１１とパワーアンプ１１４とを繋ぐ伝送線路１６上に設けることもできる。これにより、パワーアンプ１１４の整合改善を図ることができる。

（実施例２）
次に、この発明の第２実施例について説明する。
図１２は、この発明の第２実施例に係る帯域整合回路の要部を示す概略断面図である。
この実施例の帯域整合回路１では、スタブ３を、セラミックスブロック４の上に形成した。
かかる構成により、セラミックスブロック４として、例えば、Ｑ値が高いセラミックスを用い、この上にスタブ３を形成することで、例えば、、ガラスエポキシ等のＱ値が悪い基板１０でも広帯域の整合が可能となる。
その他の構成、作用及び効果は、上記第１実施例と同様であるので、その記載は省略する。

（実施例３）
次に、この発明の第３実施例について説明する。
図１３は、この発明の第３実施例に係る帯域整合回路を実装した基板の平面図である。
図１３に示すように、フィルタ回路２に接続されたスタブ３は、ショートスタブである。具体的には、スタブ３の先端部３２が、基板１０の裏面のグランド層１３に接続されている。そして、フィルタ回路２とショートスタブであるスタブ３との全体の電気長が、低周波帯域を広帯域化することができるように設定されている。
その他の構成、作用及び効果は、上記第１及び第２実施例と同様であるので、その記載は省略する。

なお、この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
例えば、上記実施例では、フィルタ回路２として、Ｔ型のフィルタ回路を適用したが、図１４の（ａ）に示すように、インダクタ２１とキャパシタ２３とで構成したＬ型のフィルタ回路２′や、図１４の（ｂ）に示すように、インダクタ２１とキャパシタ２３，２４とで構成したπ型のフィルタ回路２′′を適用することもできる。

１…帯域整合回路、 ２，２′，２′′…フィルタ回路、 ３，３０…スタブ、 ４…セラミックスブロック、 １０…基板、 １１…非グランド領域、 １２…グランド領域、 １３…グランド層、 １５，１６…伝送線路、 ２１，２２…インダクタ、 ２３，２４…キャパシタ、 １００…ベースバンド部、 １１０…給電部、 １１１…アンテナスイッチ、 １１２，１１７…ミキサ、 １１３…送信フィルタ、 １１４…パワーアンプ、 １１５…ローノイズアンプ、 １１６…受信フィルタ、 １１８…中間周波数フィルタ、 １１９…発振器、 １２０…アンテナ。

Claims (6)

1. 低周波帯域の信号と高周波帯域の信号とを伝送するための伝送線路に設けられ、入力端が上記伝送線路に接続されたフィルタ回路と、基端部が上記フィルタ回路の出力端に接続されたスタブとを備える帯域整合回路であって、
   上記フィルタ回路は、上記低周波帯域の信号の波長に対応した周波数よりも高い周波数を有する信号を阻止する、
   ことを特徴とする帯域整合回路。
2. 上記スタブは、セラミックスブロックの上に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の帯域整合回路。
3. 上記フィルタ回路は、インダクタとキャパシタとで構成されるＬ型フィルタ，Ｔ型フィルタ又はπ型フィルタのいずれかである、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の帯域整合回路。
4. 上記スタブは、基端部が上記フィルタ回路の出力端に接続され且つ先端部が開放されたオープンスタブである、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の帯域整合回路。
5. 上記スタブは、基端部が上記フィルタ回路の出力端に接続され且つ先端部が接地されたショートスタブである、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の帯域整合回路。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の帯域整合回路を備える、
   ことを特徴とする無線通信機。

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