JP2013236144A - 高周波回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 平衡増幅器と平衡入力平衡出力型のアイソレータモジュールを用いて、簡単な回路構成で小型化可能で高性能な高周波回路を提供する。
【解決手段】
９０°ハイブリッド回路５ａに一対の単位増幅器ＰＡ１、ＰＡ２が接続し、第１単位増幅器ＰＡ１が、９０°移相器３０ａを介して平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡入力ポートＰｉ１と接続し、第２単位増幅器ＰＡ２が、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第２平衡入力ポートＰｉ２と接続し、もって平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０へ差動信号を入力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波信号に対して非可逆伝送特性を有するアイソレータと平衡型増幅器を用いて構成され、特に携帯電話等の移動体通信システムの中で使用される高周波回路に関する。

無線通信サービスを提供する上で、通信設備の設置や整備のためのコストを削減することは常に課題としてある。その一つの解決手法として、固定局と移動局との通信距離を長くして、一つの固定局が担うエリアを広く構成して基地局数を削減することが提案されている。固定局は例えば基地局であり、移動局は携帯電話等の無線通信装置である。

通信距離を長くする為には各局の送信出力電力を高めることが求められるが、単純に出力を高めると対応可能な周波数帯域を狭めてしまうことや、トランジスタの段数を増加させることが必要であり、小電力で動作し、小型の部品で構成される携帯電話等においては、単純に送信出力電力を高めることは容易では無い。この為、平衡型増幅器を用いて高周波信号の出力電力を高めることが行なわれて来た。

図４は、平衡型増幅器とアイソレータを用いて構成された多段型低雑音増幅器の回路ブロックである（特許文献１）。平衡型増幅器は、ハイブリッド回路１１０、１１２の間に一対の単位増幅器１１１ａ，１１１ｂが接続されて構成されており、入力ポートＩＮに入力した高周波信号は、第１ハイブリッド回路１１０を経て９０度の位相差を有する高周波信号に２分配されて、それぞれ第１増幅器１１１ａと第２増幅器１１１ｂとに入力する。第１及び第２増幅器１１１ａ，１１１ｂで増幅された高周波信号は、第２ハイブリッド回路１１２に入力して同相の高周波信号に合成されてアイソレータ１１５に入力する。第２ハイブリッド回路１１２からの出力電力は第１増幅器１１１ａ及び第２増幅器１１１ｂから出力される信号のほぼ２倍となる。

第１及び第２ハイブリッド回路１１０、１１２には、それぞれ終端抵抗Ｒが接続される。
第１ハイブリッド回路１１０に接続された終端抵抗Ｒによって、第１及び第２増幅器１１１ａ，１１１ｂの入力側からの反射波を熱エネルギーに変換して吸収する。なお理想的には終端抵抗Ｒが接続されるポートには電圧は現れない。また、第２ハイブリッド回路１１２に接続された終端抵抗Ｒは、出力ポートＯＵＴへ入力する反射波を吸収し、第１及び第２増幅器１１１ａ、１１１ｂの位相や出力電力のばらつきによって生じる合成損失を吸収する。理想的には出力側の終端抵抗Ｒが接続されるポートにもまた電圧は現れない。

前記ハイブリッド回路としてウイルキンソン型ハイブリッド合成分配回路が知られるが、用いられる抵抗は耐圧が求められるので、小型の抵抗器を利用することが出来ない問題がある。そこでハイブリッド回路としては、ハイブリッド回路としてブランチライン型ハイブリッド合成分配器や９０°ハイブリッドカップラを用いる場合が多い。

アイソレータ１１５を通過した信号は第３増幅器１１３で更に増幅され、出力ポートＯＵＴより出力される。第３増幅器１１３の反射による信号はアイソレータ１１５の終端抵抗Ｒにより吸収される。この様な構成によって、雑音指数（ＮＦ）、直線性、相互変調波（ＩＭ）特性を向上している。

しかしながら平衡型増幅器の出力側にアイソレータを接続して高周波回路部を構成する場合、増幅された信号が入力される前記アイソレータは耐電力に優れたものを用いなければならず、回路は、その分、大型化してしまう。また、第２ハイブリッド回路１１２と第１及び第２増幅器１１１ａ，１１１ｂとの間のそれぞれに、アイソレータを接続することが考えられる。この場合、平衡型増幅器の出力側に接続する場合に比べて、アイソレータに要求される耐電圧特性は少なくて済む。しかしながら、アイソレータを２つ用いれば、単純には、構成部材や高周波回路部におけるアイソレータの占める容積は倍となり、無線通信装置の低廉化、軽量化、小型化を阻害してしまう。

ところで、特許文献２には、２つのアイソレータ機能部を備えたアイソレータモジュールが開示されている。
このアイソレータモジュールの等価回路を図３に示す。第一入力ポートＰｉ１と第一出力ポートＰｏ１との間に配置された第一インダクタンス素子Ｌａ１と、前記第一インダクタンス素子Ｌａ１と並列に接続して第一共振回路を構成する第一キャパシタンス素子Ｃａ１と、前記第一並列共振回路に並列に接続された抵抗素子Ｒａとを備え、第二入力ポートＰｉ２と第二出力ポートＰｏ２との間に配置された第三インダクタンス素子Ｌｂ１と、前記第三インダクタンス素子Ｌｂ１と並列に接続して第三共振回路を構成する第三キャパシタンス素子Ｃｂ１と、前記第三並列共振回路に並列に接続された抵抗素子Ｒｂと、第一出力ポートＰｏ１と第二出力ポートＰｏ２との間に配置された第三インダクタンス素子Ｌ２と、前記第三インダクタンス素子Ｌ２と並列に接続して第三共振回路を構成する第三キャパシタンス素子Ｃ２とを備える。

第一インダクタンス素子Ｌａ１、第二インダクタンス素子Ｌａ２、第三インダクタンス素子Ｌ２は、それぞれ、フェリ磁性体であるマイクロ波フェライト部材に設けられた導体（中心導体と呼ぶ）により形成され、マイクロ波フェライト部材には永久磁石によりバイアス磁界が印加されている。第一インダクタンス素子Ｌａ１（第１中心導体）、第二インダクタンス素子Ｌａ２（第２中心導体）は交差せず、第三インダクタンス素子Ｌ２（第３中心導体）を構成する中心導体とは、それぞれが絶縁された状態で交差する。

アイソレータモジュール１０は、第一入力ポートＰｉ１と第二入力ポートＰｉ２に１８０°の位相差のある差動信号が入力されると、第１中心電極に電流が流れて、マイクロ波フェライト部材に発生する高周波磁界によって磁気的に結合している第３中心電極に電流が流れるとともに、第１中心電極で発生する磁界と第２中心電極に流れる電流で発生する磁界とが互いに強め合う方向に結合することで、第一出力ポートＰｏ１と第二出力ポートＰｏ２に差動信号が伝送される。このアイソレータモジュール１０は、図５に示す様に、１８０°の位相差で動作する一対の増幅器を備えるプッシュプルアンプ１２１，１２２の出力側に接続して用いられる。

特開２００１−２３０６３４号 国際公開２００７／０１３２５２号

アイソレータモジュール１０の性能を発揮させるには、その第一及び第二入力ポートＰｉ１、Ｐｉ２へ入力する信号を、位相差が理想的な１８０°である差動信号とするのが好ましい。しかしながら、例えば、プッシュプルアンプ１２２からアイソレータモジュール１０までの間に生じる寄生リアクタンス等の影響によって、差動信号の位相差にばらつきが生じ易く、製作上の誤差やばらつきによって、プッシュプルアンプ１２２自体からの出力信号も多少のバランス差を持つ。品質の劣る差動信号では、挿入損失が大きくなり、アイソレーション特性が劣化し、平衡型増幅器としても雑音指数（ＮＦ）が劣化するという問題があった。

そこで本発明では、平衡入力平衡出力型のアイソレータモジュールを用いて、簡単な回路構成で小型化可能で高性能な平衡型増幅器とアイソレータ機能部を含む高周波回路を提供することを目的とする。

本発明は、平衡型増幅器とアイソレータ機能部を含む高周波回路であって、第１の９０°ハイブリッド回路５ａに一対の単位増幅器ＰＡ１、ＰＡ２が接続し、第１単位増幅器ＰＡ１が、９０°移相器３０ａを介して平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡入力ポートＰｉ１と接続し、第２単位増幅器ＰＡ２が、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第２平衡入力ポートＰｉ２と接続して構成される平衡型増幅器を備えたことを特徴とする高周波回路である。

本発明においては、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡出力ポートＰｏ１が第２ハイブリッド回路５ｂの第１入力ポートＰｉｎ２ａと接続し、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡出力ポートＰｏ２が９０°移相器を介して前記第２ハイブリッド回路５ｂの第２入力ポートＰｉｎ２ｂと接続するのが好ましい。

また本発明においては、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡出力ポートＰｏ１がバラン回路４０の第１入力ポートＰｉｎ２ａと接続し、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡出力ポートＰｏ２が前記バラン回路４０の第２入力ポートＰｉｎ２ｂと接続するのも好ましい。

本発明によれば、平衡入力平衡出力型のアイソレータモジュールを用いて、簡単な回路構成で小型化可能で高性能な平衡型増幅器とアイソレータ機能部を含む高周波回路を提供することが出来る。
アイソレータモジュールが扱う電力は従来よりも低電電力で済むので、アイソレータモジュールを小型に構成でき、もって高周波回路を小型化することが出来る。またアイソレータモジュールによって、単位増幅器への不要信号の逆流を防ぐのみならず、単位増幅器の負荷側のインピーダンスを安定させる。また雑音指数（ＮＦ）、直線性、相互変調波（ＩＭ）特性が劣化することもない。

本発明の一実施態様による平衡型増幅器を含む高周波回路の回路構成を示すブロック図である。 本発明の一実施態様による平衡型増幅器を含む高周波回路の他の回路構成を示すブロック図である。 本発明の一実施態様による平衡型増幅器に用いるアイソレータモジュールの等価回路を示す図である。 従来の平衡型増幅器の回路構成を示すブロック図である。 従来の平衡入力不平衡出力アイソレータモジュールを用いた回路構成を示すブロック図である。

以下本発明の平衡型増幅器について説明する。
図１は本発明の一実施態様による平衡型増幅器とアイソレータモジュールを用いた高周波回路の回路構成を示すブロック図である。この高周波回路１は、４つポートを備えた９０°ハイブリッド回路５ａが入力側に設けられ、その内、出力ポートＰｏｕｔ１ａ、Ｐｏｕｔ１ｂのそれぞれに単位増幅器ＰＡ１、ＰＡ２が接続されている。第１単位増幅器ＰＡ１には９０°移相器が接続されるが、第２単位増幅器ＰＡ２には接続されない。

入力ポートＩＮから入力した高周波信号は、９０°ハイブリッド回路５ａに入力ポートＰｉｎ１ａに入力し、位相差が９０°異なる信号に２分配されて、出力ポートＰｏｕｔ１ａ、Ｐｏｕｔ１ｂから第１単位増幅器ＰＡ１、第２単位増幅器ＰＡ２へ入力される。

９０°ハイブリッド回路５ａは例えば９０°ハイブリッドカップラとして構成される。出力される信号の位相は、構成する線路長さに依存し、結合バランスは前記線路の特性インピーダンスに依存するが、製作時の誤差や、ばらつきによってレベル差が生じる。結合バランスのレベル差のよって生じる反射波は、９０°ハイブリッド回路５ａの入力ポートＰｉｎ２ａに接続された終端抵抗Ｒにより消費されるが、位相のレベル差は解消されないまま、第１単位増幅器ＰＡ１、第２単位増幅器ＰＡ２により増幅された後に出力される。

第１単位増幅器ＰＡ１からの出力信号は９０°移相器に入力され、位相制御された後、信号Ｓ＋が出力される。第２単位増幅器ＰＡ２からは信号Ｓ−が出力され、信号Ｓ＋と信号Ｓ−とが１８０°の位相差となるように９０°移相器３０ａにより位相制御される。
理想的な１８０°の位相差状態の信号Ｓ＋，Ｓ−は、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡入力ポートＰｉ１と第２平衡入力ポートＰｉ２に入力される。なおここで言う理想的な位相状態とは、位相差が１８０°±１ｄＢである場合を言う。更に１８０°±０．５ｄＢであれば一層好ましい。

位相差が小さくされた差動信号を平衡入力平衡出力型のアイソレータモジュール１０に入力するので、挿入損失の増加が抑えられて、低損失まま信号Ｓ＋、Ｓ−が第１平衡出力ポートＰｏ１と第２平衡出力ポートＰｏ２から出力される。

平衡入力平衡出力型のアイソレータモジュール１０の第２平衡出力ポートＰｏ２からの出力信号Ｓ−は９０°移相器３０ｂに入力し位相制御された後に出力され、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡出力ポートＰｏ１からの出力信号Ｓ＋と、理想的な９０°の位相差状態として、９０°ハイブリッド回路５ｂの入力ポートＰｉｎ２ａ、Ｐｉｎ２ｂに入力し、２つの信号が合成されて出力ポートＰｏｕｔ２ｂから出力される。出力ポートＰｏｕｔ１ｂは終端抵抗Ｒが接続される。したがって、本発明の平衡型増幅器を含む高周波回路は優れた特性を発揮する。９０°移相器３０ａ、３０ｂは、λ／４位相線路やＬＣ回路で構成することが出来る。

図２に本発明の一実施態様による平衡型増幅器を用いた高周波回路の他の回路構成をブロック図として示す。この高周波回路では、アイソレータモジュール１０から出力される差動信号Ｓ＋，Ｓ−を、バラン回路４０の平衡入力ポートＰｉｎ２ａ、Ｐｉｎ２ｂにそれぞれ入力するようにし、２つの信号を合成して出力ポートＰｏｕｔ２から出力する。この場合もまた、優れた特性を発揮する。

１ 平衡型増幅器
５ａ、５ｂ ９０°ハイブリッド回路
１０ アイソレータモジュール
３０ａ、３０ｂ ９０°移相器
４０ バラン回路
ＰＡ１ 第１単位増幅器
ＰＡ２ 第２単位増幅器

Claims (3)

1. 平衡型増幅器とアイソレータ機能部を含む高周波回路であって、
   第１の９０°ハイブリッド回路５ａに一対の単位増幅器ＰＡ１、ＰＡ２が接続し、
   第１単位増幅器ＰＡ１が、９０°移相器３０ａを介して平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡入力ポートＰｉ１と接続し、第２単位増幅器ＰＡ２が、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第２平衡入力ポートＰｉ２と接続して構成される平衡型増幅器を備えたことを特徴とする高周波回路。
2. 請求項１に記載の高周波回路であって、
   平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡出力ポートＰｏ１が第２ハイブリッド回路５ｂの第１入力ポートＰｉｎ２ａと接続し、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡出力ポートＰｏ２が９０°移相器３０ｂを介して前記第２ハイブリッド回路５ｂの第２入力ポートＰｉｎ２ｂと接続することを特徴とする高周波回路。
3. 請求項１に記載の高周波回路であって、
   平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡出力ポートＰｏ１がバラン回路４０の平衡ポートである第１入力ポートＰｉｎ２ａと接続し、平衡入力平衡出力型アイソレータモジュール１０の第１平衡出力ポートＰｏ２が前記バラン回路４０の平衡ポートである第２入力ポートＰｉｎ２ｂと接続することを特徴とする高周波回路。
   
   

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