JP2014220712A - デュプレクサおよび送受信回路 - Google Patents

Abstract

【課題】単相出力パワーアンプから出力される送信信号が大信号である場合であっても、後段のＬＮＡの耐性や線形性を確保する。【解決手段】インダクタＬ１の一端を差動出力パワーアンプ１の一方の出力ポート１Ｐに接続し、他端を、一端が差動出力パワーアンプ１の他方の出力ポート１Ｎに接続されたインダクタＬ２の他端に接続する。インダクタＬ１とトランス結合されたインダクタＬ３の一端をアンテナ２に接続し、他端をインダクタＬ２とトランス結合されたインダクタＬ４の一端に接続する。インダクタＬ４の他端をバランシングネットワーク４２に接続し且つインダクタＬ３およびＬ４の接続部を単相入力ＬＮＡ３の入力ポートに接続し、バランシングネットワーク４２のインピーダンスをアンテナ２のインピーダンスと同等となるように調整してアンテナ２の受信信号に応じた単相信号を単相入力ＬＮＡ３に入力する。【選択図】 図１

Description

本発明は、デュプレクサおよび送受信回路に関する。

従来、シリコン基板上に形成されたいわゆるオンチップデュプレクサを用いた送受信回路として、非特許文献１あるいは特許文献１に示すような回路が提案されている。
図３は、非特許文献１に記載の、オンチップデュプレクサを用いた無線通信による送受信回路の一例を示すブロック図である。
図３（ａ）はデータ送信時、図３（ｂ）はデータ受信時の動作を表している。

図３において、５１は単相出力のパワーアンプ、５２は送受信用のアンテナ、５３は単相入力の差動入力ＬＮＡ（ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｒ）である。
また、Ｌ５１〜Ｌ５４はインダクタであって、インダクタＬ５１の一端はアンテナ５２に接続され、他端はインダクタＬ５２の一端と接続され、インダクタＬ５２の他端はバランシングネットワーク５４を介して接地される。また、インダクタＬ５３の一端は差動入力ＬＮＡ５３の一方の入力ポート５３Ｐに接続され、インダクタＬ５３の他端はインダクタＬ５４の一端と接続される。インダクタＬ５４の他端は差動入力ＬＮＡ５３の他方の入力ポート５３Ｎに接続される。インダクタＬ５３はインダクタＬ５１とトランス結合され、同様に、インダクタＬ５４はインダクタＬ５２とトランス結合される。

そして、インダクタＬ５１とインダクタＬ５２との接続部に単相出力パワーアンプ５１の出力端が接続される。
バランシングネットワーク５４は、例えば、容量素子と抵抗素子とが並列に接続されて形成され、インピーダンスが設定できるようになっている。
インダクタＬ５１〜Ｌ５４、バランシングネットワーク５４を備えたデュプレクサは、シリコン基板上に形成され集積化することができるようになっている。

このようなデュプレクサを用いて、データの送信が行われるときには、単相出力パワーアンプ５１から出力された送信信号は、図３（ａ）中に矢印で示すように、インダクタＬ５１に供給されアンテナ５２を介して送信されると共に、インダクタＬ５２に供給される。ここで、バランシングネットワーク５４のインピーダンスをアンテナ５２と同じインピーダンスに調整すると、インダクタＬ５１とＬ５３、インダクタＬ５２とＬ５４は、それぞれトランス結合しているため、インダクタＬ５３およびＬ５４には、それぞれ逆向きの起電力が発生する。これら逆向きの起電力はキャンセルされるため、送信信号は差動入力ＬＮＡ５３の入力ポート５３Ｐおよび５３Ｎには現れない。

また、図３（ｂ）中に矢印で示すように、データの受信が行われるときには、アンテナ５２で受信した受信信号は、インダクタＬ５１を介してインダクタＬ５２に供給される。そして、インダクタＬ５１とＬ５３、インダクタＬ５２とＬ５４は、それぞれトランス結合しているため、受信信号はインダクタＬ５３およびＬ５４に伝達され、差動入力ＬＮＡ５３の入力ポート５３Ｐおよび５３Ｎに現れる。

このように、図３に示す従来のデュプレクサでは、単相出力パワーアンプ５１から出力された送信信号は、差動入力ＬＮＡ５３へのアイソレーションを確保することができ、また、アンテナ５２に入力された受信信号は、差動信号として差動入力ＬＮＡ５３で受信することができる。
図４は、図３においてトランス結合していたインダクタＬ５３およびＬ５４を削除することにより、さらに単純化したデュプレクサを用いた送受信回路の一例を示すブロック図である。

図４に示す相受信回路は、インダクタＬ５１の一端は、アンテナ５２に接続されるとともに、差動入力ＬＮＡ５３の一方の入力ポート５３Ｐに接続される。インダクタＬ５１の他端はインダクタＬ５２の一端と接続され、インダクタＬ５２の他端は差動入力ＬＮＡ５３の他方の入力ポート５３Ｎに接続されるとともに、バランシングネットワーク５４を介して接地される。そして、インダクタＬ５１とＬ５２との接続部に、単相出力パワーアンプ５１の出力端が接続される。インダクタＬ５１およびＬ５２と、バランシングネットワーク５４とを含んでデュプレクサが構成される。

このようなデュプレクサを用いて、データの送信が行われるときには、図４（ａ）中に矢印で示すように、単相出力パワーアンプ５１から出力された送信信号は、インダクタＬ５１に供給され、アンテナ５２を介して送信されるとともに、インダクタＬ５２に供給される。このとき、バランシングネットワーク５４のインピーダンスを、アンテナ５２と同じインピーダンスに調整すると、送信信号は、差動入力ＬＮＡ５３の入力ポート５３Ｐおよび５３Ｎに同相信号として供給されるため、差動入力ＬＮＡ５３においてキャンセルされ、差動入力ＬＮＡ５３は、差動入力ＬＮＡ５３の出力に現れない。

また、図４（ｂ）に示すように、アンテナ５２から信号を受信する場合には、アンテナ５２からの受信信号は、インダクタＬ５１を介してＬ５２に供給され、差動入力ＬＮＡ５３の入力ポート５３Ｐおよび５３Ｎに受信信号が現れる。
このように、図３、図４に示す従来のデュプレクサでは、単相出力パワーアンプ５１から出力された送信信号は、差動入力ＬＮＡ５３へのアイソレーションを確保することができ、また、アンテナ５２に入力された受信信号は、差動信号として差動入力ＬＮＡ５３で受信することができる。

米国特許出願公開第２０１１／００６４００４号明細書

Ｍｏｈｙｅｅ Ｍｉｋｈｅｍａｒ，Ｈｏｏｍａｎ Ｄａｒａｂｉ，Ａｓａｄ Ａｂｉｄｉ著，「アン オンチップ ワイドバンド アンド ローロス デュプレクサ フォー３Ｇ／４Ｇ ＣＭＯＳ ラジオ（An On-Chip Wideband and Low-Loss Duplexer for 3G/4G CMOS Radios）」,2010 Symposium on VLSI Circuits/Technical Digest of Technical Papers

しかしながら、上記従来のデュプレクサにあっては、例えば、図４において、単相出力パワーアンプ５１から出力された送信信号が大信号である場合、差動入力ＬＮＡ５３に大きな同相信号が入力されてしまい、耐圧や線形性を確保することが困難となる。
また、図３に示す構成のデュプレクサにおいても、例えば、図５に示すように、トランス結合された、インダクタＬ５１、Ｌ５２側と、インダクタＬ５３、Ｌ５４側との間の、例えば、インダクタＬ５１の一端とインダクタＬ５３の一端との間、インダクタＬ５１およびインダクタＬ５２の接続部とインダクタＬ５３およびインダクタＬ５４の接続部との間、インダクタＬ５２の一端とインダクタＬ５４の一端との間に、寄生容量Ｃｐ１、Ｃｐ２、Ｃｐ３がそれぞれ存在した場合、単相出力パワーアンプ５１から出力された送信信号が大信号である場合には、寄生容量Ｃｐ１、Ｃｐ２、Ｃｐ３を介して差動入力ＬＮＡ５３へ大きい同相信号が入力されてしまい、やはり耐圧や線形性を確保することが困難となる。

そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題点に着目してなされたものであり、単相出力パワーアンプなどから出力される送信信号が大信号である場合であっても、デュプレクサの後段のＬＮＡなどの耐性や線形性を確保することの可能なデュプレクサおよび送受信回路を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、送信信号を差動信号として出力する差動出力パワーアンプの一方の出力端と接続される第１インダクタ（例えば図１に示す、インダクタＬ１）と、一端が前記差動出力パワーアンプの他方の出力端と接続され、且つ他端が前記第１インダクタの他端に接続された第２インダクタ（例えば図１に示す、インダクタＬ２）と、データ送受信用のアンテナに一端が接続され且つ前記第１インダクタとトランス結合された第３インダクタ（例えば図１に示す、インダクタＬ３）と、一端が前記第３インダクタの他端に接続され且つ前記第２インダクタとトランス結合された第４インダクタ（例えば図１に示す、インダクタＬ４）と、当該第４インダクタの他端に接続されるインピーダンス調整可能なバランシングネットワークと、前記第１インダクタおよび前記第２インダクタの接続部に接続され、前記差動出力パワーアンプへの電流供給を行う電源と、を備え、前記第３インダクタおよび第４インダクタの接続部から前記アンテナの受信信号に応じた単相信号が出力されることを特徴とするデュプレクサ、である。

本発明の他の態様は、一端が、送信信号を差動信号として出力する差動出力パワーアンプの一方の出力端と接続される第５インダクタ（例えば図２に示す、インダクタＬ３）と、一端が前記差動出力パワーアンプの他方の出力端と接続され、且つ他端が前記第５インダクタの他端に接続された第６インダクタ（例えば図２に示す、インダクタＬ４）と、当該第６インダクタの前記一端に接続されるインピーダンス調整可能なバランシングネットワークと、前記第５インダクタと前記第６インダクタとの接続部に第７インダクタ（例えば図３に示す、インダクタＬ５）を介して接続され、前記差動出力パワーアンプへの電流供給を行う電源と、を備え、前記第５インダクタと前記第６インダクタとの接続部から前記アンテナの受信信号に応じた単相信号が出力されることを特徴とするデュプレクサ、である。

前記バランシングネットワークのインピーダンスは、前記電源のインピーダンスと同等となるように設定されるようになっていてよい。
本発明の他の態様は、送信信号を差動信号として出力する差動出力パワーアンプと、無線通信によりデータの送受信を行うアンテナと、前記送信信号を、前記アンテナを介して送信するとともに、前記アンテナを介して受信した受信信号を単相信号として出力する上記いずれかの態様のデュプレクサと、当該デュプレクサから出力される単相信号を増幅する単相入力ＬＮＡと、を備えることを特徴とする送受信回路、である。

前記差動出力パワーアンプと前記アンテナと前記デュプレクサと前記単相入力ＬＮＡとは、シリコン基板上に形成されていてよい。

本発明の一態様によれば、差動出力パワーアンプなどから供給される送信信号が大信号であっても、デュプレクサの後段に接続される単相入力ＬＮＡなどの耐圧を確保することができ、また、線形性を確保することができる。

本発明の第１実施形態におけるデュプレクサを用いた送受信回路の一例を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態におけるデュプレクサを用いた送受信回路の一例を示すブロック図である。 従来のデュプレクサを用いた送受信回路の一例を示すブロック図である。 従来のデュプレクサを用いた送受信回路の一例を示すブロック図である。 図３の送受信回路において寄生容量が生じた場合の一例を示す説明図である。

以下、本発明について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、本発明におけるデュプレクサを用いた送受信回路の一例を示すブロック図である。

図１において、１は送信信号を出力する差動出力パワーアンプ、２は無線通信によりデータの送受信を行うアンテナ、３は単相出力ＬＮＡ、４はデュプレクサである。
デュプレクサ４は、インダクタＬ１〜Ｌ４を備えており、インダクタＬ１の一端は差動出力パワーアンプ１の一方の出力ポート１Ｐに接続される。インダクタＬ１の他端はインダクタＬ２の一端に接続され、インダクタＬ２の他端は差動出力パワーアンプ１の他方の出力ポート１Ｎに接続される。そしてインダクタＬ１とＬ２との接続部に，差動出力パワーアンプ１に電流供給を行うための電源４１が接続される。

一方、インダクタＬ３は、インダクタＬ１とトランス結合され、インダクタＬ３の一端はアンテナ２に接続される。インダクタＬ３の他端はインダクタＬ４の一端に接続され、インダクタＬ４の他端はバランシングネットワーク４２に接続される。インダクタＬ４は、インダクタＬ２とトランス結合される。
このバランシングネットワーク４２は、例えば容量素子と抵抗素子とが並列に接続されて形成されインピーダンスが設定できるようになっている。

そして、インダクタＬ３とＬ４との接続部が単相入力ＬＮＡ３の入力ポートに接続される。これらインダクタＬ１〜Ｌ４、電源４１、バランシングネットワーク４２を備えたデュプレクサ４は、シリコン基板上に形成されたオンチップデュプレクサを構成し集積化することができるようになっている。なお、本実施形態におけるデュプレクサはシリコン基板上に形成する場合に限るものではない。

図１において、単相入力ＬＮＡ３の入力ポートとデュプレクサ４との間に、ＤＣカット用のコンデンサを設けてもよい。
このような送受信回路において、アンテナ２を介してデータを送信する場合には、差動出力パワーアンプ１の出力ポート１Ｐおよび１Ｎから出力される送信信号は、図１（ａ）中に矢印で示すように、インダクタＬ１とインダクタＬ２とにそれぞれ供給される。このとき、電源４１は、差動出力パワーアンプ１に電流供給を行い、差動出力パワーアンプ１の出力コモンを決定する。

ここでバランシングネットワーク４２のインピーダンスを、アンテナ２と同じインピーダンスに調整すると、インダクタＬ１、Ｌ２はそれぞれ、インダクタＬ３、Ｌ４とトランス結合されているため、インダクタＬ３、Ｌ４には、逆向きの起電力が発生する。
これらインダクタＬ３、Ｌ４に発生した起電力はキャンセルされるため、送信信号は単相入力ＬＮＡ３の入力には現れない。

また、アンテナ２を介してデータを受信する場合には、図１（ｂ）中に矢印で示すように、アンテナ２で受信した受信信号は、アンテナ２からインダクタＬ３を介してＬ４に供給される。これらインダクタＬ３、Ｌ４には同相信号が供給されるため、受信信号は単相入力ＬＮＡ３の入力に現れる。
以上より、図１に示すデュプレクサ４では、差動出力パワーアンプ１から出力された送信信号は、単相入力ＬＮＡ３へのアイソレーションを確保することができるとともに、アンテナ２に入力された受信信号を、単相入力の単相入力ＬＮＡ３で受信することができる。

そして、図１（ａ）に示すように、インダクタＬ１、Ｌ２側とインダクタＬ３、Ｌ４側との間に寄生容量が発生し、例えば、インダクタＬ１の一端とインダクタＬ２の一端との間、インダクタＬ１およびＬ２の接続部とインダクタＬ３およびＬ４の接続部との間、インダクタＬ２の他端とインダクタＬ４の他端との間にそれぞれ寄生容量Ｃｐ１、Ｃｐ２、Ｃｐ３が存在した場合でも、差動出力パワーアンプ１の出力コモンは一定であり、それに伴って単相入力ＬＮＡ３の入力も一定であるため、単相入力ＬＮＡ３の入力に送信信号は現れない。したがって、差動出力パワーアンプ１から出力された送信信号は、単相入力ＬＮＡ３へのアイソレーションを確保することができる。

その結果、差動出力パワーアンプ１からの送信信号が大信号であっても、単相入力ＬＮＡ３の耐圧を確保することができ、また、線形性を確保することができるため、線形性の要求も緩和される。
さらに、第１実施形態におけるデュプレクサを用いた送受信回路は、トランス結合されたインダクタＬ１、Ｌ３およびインダクタＬ２、Ｌ４の結合係数を変えて送信信号の出力レベルを調整することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図２は、第２実施形態におけるデュプレクサを用いた送受信回路の一例を示すブロック図である。なお、上記第１実施形態における送受信回路と同一部には同一符号を付与する。
図２において、１は送信信号を出力する差動出力パワーアンプ、２は無線通信によりデータの送受信を行うアンテナ、３は単相出力ＬＮＡ、４ａはデュプレクサである。

デュプレクサ４ａは、インダクタＬ３およびＬ４を備えている。インダクタＬ３の一端はアンテナ２に接続されるとともに、差動出力パワーアンプ１の一方の出力ポート１Ｐに接続される。インダクタＬ３の他端はインダクタＬ４の一端に接続され、インダクタＬ４の他端は差動出力パワーアンプ１の他方の出力ポート１Ｎに接続されるとともに、バランシングネットワーク４２を介して接地される。

このバランシングネットワーク４２は、例えば容量素子と抵抗素子とが並列に接続されて形成されインピーダンスが設定できるようになっている。
また、インダクタＬ３とＬ４との接続部に、電源４１がインダクタＬ５を介して接続される。電源４１は、差動出力パワーアンプ１に電流供給を行い、差動出力パワーアンプ１の出力コモンを決定する。

そして、インダクタＬ３とＬ４との接続部が単相入力ＬＮＡ３の入力ポートに接続される。また、これらインダクタＬ３、Ｌ４、電源４１、バランシングネットワーク４２を備えたデュプレクサ４ａは、シリコン基板上に形成されたオンチップデュプレクサを構成し集積化することができるようになっている。なお、本実施形態におけるデュプレクサはシリコン基板上に形成する場合に限るものではない。

図２において、単相入力ＬＮＡ３の入力ポートとデュプレクサ４ａとの間に、ＤＣカット用のコンデンサを設けてもよい。
このような送受信回路において、アンテナ２を介してデータを送信する場合には、差動出力パワーアンプ１の出力ポート１Ｐおよび１Ｎから出力される送信信号は、図２（ａ）中に矢印で示すように、インダクタＬ３とインダクタＬ４とに供給される。このとき、インダクタＬ５はチョークコイルとして働き、差動出力パワーアンプ１に供給される電源４１と単相入力ＬＮＡ３の入力とのアイソレーションを確保する。

ここでバランシングネットワーク４２のインピーダンスを、アンテナ２と同じインピーダンスに調整すると、インダクタＬ３、Ｌ４には、逆向きの起電力が発生し、発生した起電力はキャンセルされるため、送信信号は単相入力ＬＮＡ３の入力には現れない。
また、アンテナ２を介してデータを受信する場合には、図２（ｂ）に示すように、アンテナ２で受信した受信信号は、アンテナ２からインダクタＬ３を介してＬ４に同相信号として供給される。このとき、チョークコイルとして働くインダクタＬ５により、電源４１とアイソレーションが確保されているため、アンテナ２からインダクタＬ３、Ｌ４に供給された受信信号は単相入力ＬＮＡ３の入力に現れる。

以上より、図２に示すデュプレクサでは、差動出力パワーアンプ１から出力された送信信号は、単相入力ＬＮＡ３へのアイソレーションを確保することができるとともに、アンテナ２に入力された受信信号を、単相入力のＬＮＡ３で受信することができる。
その結果、差動出力パワーアンプ１からの送信信号が大信号であっても、単相入力ＬＮＡ３の耐圧を確保することができ、また、線形性を確保することができるため、線形性の要求も緩和される。

また、第２実施形態におけるデュプレクサを用いた送受信回路は、トランス結合されたインダクタがないので省面積とすることができる。
なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

１ 差動出力パワーアンプ
２ アンテナ
３ 単相入力ＬＮＡ
４、４ａ デュプレクサ
４１ 電源
４２ バランシングネットワーク
Ｌ１〜Ｌ４ インダクタ
Ｌ５ インダクタ

Claims (5)

1. 送信信号を差動信号として出力する差動出力パワーアンプの一方の出力端と接続される第１インダクタと、
   一端が前記差動出力パワーアンプの他方の出力端と接続され、且つ他端が前記第１インダクタの他端に接続された第２インダクタと、
   データ送受信用のアンテナに一端が接続され且つ前記第１インダクタとトランス結合された第３インダクタと、
   一端が前記第３インダクタの他端に接続され且つ前記第２インダクタとトランス結合された第４インダクタと、
   当該第４インダクタの他端に接続されるインピーダンス調整可能なバランシングネットワークと、
   前記第１インダクタおよび前記第２インダクタの接続部に接続され、前記差動出力パワーアンプへの電流供給を行う電源と、
   を備え、
   前記第３インダクタおよび第４インダクタの接続部から前記アンテナの受信信号に応じた単相信号が出力されることを特徴とするデュプレクサ。
2. 一端が、送信信号を差動信号として出力する差動出力パワーアンプの一方の出力端と接続される第５インダクタと、
   一端が前記差動出力パワーアンプの他方の出力端と接続され、且つ他端が前記第５インダクタの他端に接続された第６インダクタと、
   当該第６インダクタの前記一端に接続されるインピーダンス調整可能なバランシングネットワークと、
   前記第５インダクタと前記第６インダクタとの接続部に第７インダクタを介して接続され、前記差動出力パワーアンプへの電流供給を行う電源と、
   を備え、
   前記第５インダクタと前記第６インダクタとの接続部から前記アンテナの受信信号に応じた単相信号が出力されることを特徴とするデュプレクサ。
3. 前記バランシングネットワークのインピーダンスは、前記電源のインピーダンスと同等となるように設定されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のデュプレクサ。
4. 送信信号を差動信号として出力する差動出力パワーアンプと、
   無線通信によりデータの送受信を行うアンテナと、
   前記送信信号を、前記アンテナを介して送信するとともに、前記アンテナを介して受信した受信信号を単相信号として出力する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のデュプレクサと、
   当該デュプレクサから出力される単相信号を増幅する単相入力ＬＮＡと、を備えることを特徴とする送受信回路。
5. 前記差動出力パワーアンプと前記アンテナと前記デュプレクサと前記単相入力ＬＮＡとを、シリコン基板上に形成したことを特徴とする請求項４記載の送受信回路。

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