JP2015142270A - 半導体装置及び送受信回路 - Google Patents

Abstract

【課題】受信性能や他の通信システムの通信性能を低下させることなく、複数の通信バンドの送信信号の高調波を抑制する。
【解決手段】実施形態によれば、半導体装置は、アンテナスイッチと、高調波抑制回路と、インピーダンス整合回路と、を備える。前記アンテナスイッチは、第１ノードと、通信バンドの送信信号が供給される第２ノードと、第３ノードと、を有する。前記高調波抑制回路は、前記第１ノードとアンテナとの間に接続され、前記通信バンドの周波数成分を通過させると共に前記送信信号の高調波成分を抑制するように、制御信号に応じて周波数特性を変化させる。前記インピーダンス整合回路は、前記高調波抑制回路と前記アンテナとの間に接続され、前記制御信号に応じて、前記通信バンドにおいて前記高調波抑制回路と前記アンテナとのインピーダンスを整合させる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置及び送受信回路に関する。

スマートフォンや携帯電話等の移動体通信機器に用いられる高周波送受信回路（以下、送受信回路と称す）は、アンテナ、アンテナスイッチ、電力増幅器、受信回路、及び、送受信ＩＣなどで構成される。アンテナスイッチは、セルラー信号の送信動作と受信動作とを切り替える機能を有し、送信動作時は電力増幅器で所望の電力まで増幅された送信信号をアンテナから放射させるように制御され、受信動作時はアンテナで受信された受信信号を受信回路へ導くように制御される。

近年、移動体通信機器では、通信需要の増加やアプリケーションの拡大により、セルラー通信がマルチバンド化されると共に、他の通信システム、例えば無線ＬＡＮ、ブルートゥース、ＧＰＳ（Global Positioning System）などと混載される構成が増えている。このような構成では、機器の小型化要求から、複数の通信システムが非常に狭い空間に近接して配置されると共に複数の通信システムでアンテナが共用される。このことにより、複数の通信システムが互いに影響を及ぼし合う場合がある。例えば、セルラー通信用の電力増幅器やアンテナスイッチで発生した送信信号の高調波が、他の通信システムや他のセルラー信号の受信周波数帯域に重なる場合、安定した受信性能を確保する妨げとなる。

このような場合、通信バンド毎にフィルタや高調波抑制回路を用いている。

特開２００５−２７７９４０号公報

本発明が解決しようとする課題は、受信性能や他の通信システムの通信性能を低下させることなく、複数の通信バンドの送信信号の高調波を抑制できる半導体装置及び送受信回路を提供することである。

実施形態によれば、半導体装置は、アンテナスイッチと、高調波抑制回路と、インピーダンス整合回路と、を備える。前記アンテナスイッチは、第１ノードと、通信バンドの送信信号が供給される第２ノードと、受信信号を出力する第３ノードと、を有する。前記高調波抑制回路は、前記第１ノードとアンテナとの間に接続され、前記通信バンドの周波数成分を通過させると共に前記送信信号の高調波成分を抑制するように、制御信号に応じて周波数特性を変化させる。前記インピーダンス整合回路は、前記高調波抑制回路と前記アンテナとの間に接続され、前記制御信号に応じて、前記通信バンドにおいて前記高調波抑制回路と前記アンテナとのインピーダンスを整合させる。

第１の実施形態に係る送受信回路の構成を示すブロック図である。 図１の送受信回路の具体的な構成を示すブロック図である。 図２の高調波抑制回路の周波数特性を説明する図である。 各通信システムについて、送信周波数帯域と、２次及び３次高調波の周波数と、受信周波数帯域と、を示す表である。 第２の実施形態に係る送受信回路の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る送受信回路の構成を示すブロック図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。これらの実施形態は、本発明を限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る送受信回路１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、送受信回路１００は、マルチバンド電力増幅器（増幅器）１と、アンテナスイッチ２と、高調波抑制回路３と、インピーダンス整合回路（アンテナ整合回路）４と、アンテナ５と、受信回路６と、を備える。

送受信回路１００は、例えば移動体通信機器に設けられ、複数の通信バンド（周波数バンド）の中から選択された通信バンドの送受信信号（セルラー信号）を送受信する。この送受信信号は、高周波の信号である。本実施形態では、送受信回路１００は３ＧＰＰ（3rd Generation Partnership Project）の通信システムに対応しているものとして説明する。

詳細については後述するが、各通信バンドは、送信周波数帯域と受信周波数帯域とを含む。そして、少なくとも何れかの通信バンドの送信周波数帯域における送信信号の高調波は、他の通信バンドの受信周波数帯域または他の通信システムの受信周波数帯域に重なる。

マルチバンド電力増幅器１は、図示しない送信回路から供給された、複数の通信バンドの中から選択された通信バンドの送信信号を電力増幅する。マルチバンド電力増幅器１は、増幅する周波数帯域を制御信号に応じて変更する。この制御信号は、どの通信バンドが選択されているかを表す信号であり、例えば、図示しない制御部から供給される。

アンテナスイッチ２は、第１ノード２ａと、マルチバンド電力増幅器１で増幅された送信信号が供給される第２ノード２ｂと、受信信号を出力する第３ノード２ｃと、を有する。アンテナスイッチ２は、図示しない制御部からの制御に応じて、第１ノード２ａを第２ノード２ｂと第３ノード２ｃとの何れかに接続可能である。即ち、アンテナスイッチ２は、ＳＰＤＴ（Single Pole Dual Throw）構成となっている。なお、本明細書におけるノードとは、ポートや端子等の物理的な信号接続点だけでなく、同一電位の信号配線またはパターン上の任意の点も含む概念である。

高調波抑制回路３は、第１ノード２ａとアンテナ５との間に接続され、選択された通信バンドの周波数成分を通過させると共に送信信号の高調波成分を抑制する（低減する）ように、制御信号に応じて周波数特性を変化させる。

インピーダンス整合回路４は、高調波抑制回路３とアンテナ５との間に接続され、制御信号に応じて、選択された通信バンドにおいて高調波抑制回路３とアンテナ５とのインピーダンスを整合させる。これにより、反射損失を低減し、効率良く送受信信号の伝達を行うことが可能となる。

アンテナ５は、インピーダンス整合回路４に接続され、送信信号を放射（送信）すると共に受信信号を受信する。アンテナ５は、複数の通信バンドにおいて共用されている。

受信回路６は、アンテナスイッチ２の第３ノード２ｃに接続され、この第３ノード２ｃから出力された受信信号から、内部に設けられたＳＡＷフィルタや低雑音増幅器（図示せず）で所望の受信周波数帯域の信号を抽出し出力する。

このような構成により、送信時には、マルチバンド電力増幅器１で増幅された送信信号は、アンテナスイッチ２と、高調波抑制回路３と、インピーダンス整合回路４とを介して、アンテナ５から送信される。
また、受信時には、アンテナ５で受信された受信信号は、インピーダンス整合回路４と、高調波抑制回路３と、アンテナスイッチ２とを経由して受信回路６に供給される。

アンテナスイッチ２と、高調波抑制回路３と、インピーダンス整合回路４は、半導体装置１０を構成している。半導体装置１０の全体を同一の半導体基板上に形成してもよく、半導体装置１０の一部を別の半導体基板上に形成してもよい。

図２は、図１の送受信回路１００の具体的な構成を示すブロック図である。図２は、高調波抑制回路３の具体的な構成を示している。その他の構成は、図１と同一であるため、同一の構成要素に同一の符号を付し、説明を省略する。

図２に示すように、高調波抑制回路３は、インダクタＬ１と、可変容量回路３１と、抵抗Ｒ１と、を有する。

インダクタＬ１は、インピーダンス整合回路４とアンテナスイッチ２の第１ノード２ａとの間に接続されている。即ち、インダクタＬ１は、送受信信号が伝送される伝送線路に直列接続されている。

可変容量回路３１は、インダクタＬ１に接続され、制御信号に応じて容量値が変化する。図２の例では、可変容量回路３１は、複数のコンデンサ（容量素子）Ｃ１，Ｃ２と、ＳＰＤＴスイッチ（スイッチ）ＳＷ１と、を有する。

コンデンサＣ１は、接地された一端と、ＳＰＤＴスイッチＳＷ１に接続された他端と、を有する。

コンデンサＣ２は、接地された一端と、ＳＰＤＴスイッチＳＷ１に接続された他端と、を有する。コンデンサＣ１の容量値は、コンデンサＣ２の容量値より大きい。

ＳＰＤＴスイッチＳＷ１は、制御信号に応じて複数のコンデンサＣ１，Ｃ２の何れかをインダクタＬ１の第１ノード２ａ側の端子に接続する。

抵抗Ｒ１は、接地された一端と、インダクタＬ１の第１ノード２ａ側の端子に接続された他端と、を有する。

このように、高調波抑制回路３はローパスフィルタとして構成されている。即ち、インダクタＬ１のインダクタンスをＬとし、インダクタＬ１に接続されたコンデンサの容量値をＣとして、高調波抑制回路３のカットオフ周波数ｆｃ［Ｈｚ］は、１／（２π√（ＬＣ））で表わされる。

ここで、インダクタＬ１における損失が小さくなるように、インダクタＬ１のインダクタンスは小さい方が好ましい。

図３は、図２の高調波抑制回路３の周波数特性を説明する図である。図３は、３ＧＰＰのＢａｎｄ３とＢａｎｄ８との２つの通信バンドにおける周波数特性の一例を示している。また、比較のため、高調波抑制回路３が無く、インピーダンス整合回路４がアンテナスイッチ２の第１ノード２ａに直接接続されている場合の周波数特性も示している。図３の横軸は周波数［Ｈｚ］を示し、縦軸は伝送損失［ｄＢ］を示す。

図４は、各通信システムについて、送信周波数帯域と、２次及び３次高調波の周波数と、受信周波数帯域と、を示す表である。図４では、通信システムの一例として、３ＧＰＰ、無線ＬＡＮおよびＧＰＳを示し、３ＧＰＰの通信システムについては、バンド番号（Ｂａｎｄ１，３，４，５，８，１３，１７，２２）毎に送信周波数帯域等を示している。

図３，４に示すように、例えば、複数の通信バンドの中から選択されたＢａｎｄ８で通信を行う場合、送信信号の２次高調波（１７６０〜１８３０ＭＨｚ）は、Ｂａｎｄ３の通信バンド（送信周波数帯域（１７１０〜１７８５ＭＨｚ）、受信周波数帯域（１８０５〜１８８０ＭＨｚ））に重なる。

従って、この場合、Ｂａｎｄ８の通信バンド（８８０〜９１５ＭＨｚ、９２５〜９６０ＭＨｚ）では低損失になり、送信信号の２次以上の高調波の周波数では高損失になるように、制御信号によって高調波抑制回路３のＳＰＤＴスイッチＳＷ１を制御する。即ち、容量値の大きいコンデンサＣ２がインダクタＬ１に接続される。これにより、送信時にアンテナ５から放射される２次以上の高調波を低減できるので、Ｂａｎｄ３で通信を行っている他の移動体通信機器の受信性能に影響を及ぼし難くできる。なお、この場合、高調波抑制回路３はＢａｎｄ８の通信バンドにおいて低損失になっているので、送受信回路１００はＢａｎｄ８の通信バンドの受信信号を低損失で受信できる。

また、例えば、複数の通信バンドの中から選択されたＢａｎｄ３で通信を行う場合、送信信号の２次高調波や４次以上の高調波は、図４に示す各受信周波数帯域には重ならないものの、不要輻射となる。送信信号の３次高調波（５１３０〜５３５５ＭＨｚ）は、無線ＬＡＮ ８０２．１１ａの送受信周波数帯域の一部（５１５０〜５２５０ＭＨｚ）に重なる。

従って、この場合、Ｂａｎｄ３の通信バンド（１７１０〜１７８５ＭＨｚ、１８０５〜１８８０ＭＨｚ）では低損失になり、送信信号の２次以上の高調波の周波数では高損失になるように、制御信号によって高調波抑制回路３のＳＰＤＴスイッチＳＷ１を制御する。即ち、容量値の小さいコンデンサＣ１がインダクタＬ１に接続され、高調波抑制回路３のカットオフ周波数ｆｃが高くなる。これにより、アンテナ５から放射される２次以上の高調波を低減できるので、無線ＬＡＮ ８０２．１１ａで通信を行っている他の移動体通信機器の受信性能に影響を及ぼし難くできると共に、不要輻射の大きさも低減できる。なお、この場合、送受信回路１００はＢａｎｄ３の通信バンドの受信信号を低損失で受信できる。

なお、図４に示すＢａｎｄ５、Ｂａｎｄ１３及びＢａｎｄ１７で通信を行う場合にも、Ｂａｎｄ８で通信を行う場合と同じようにコンデンサＣ１を選択すればよい。これにより、Ｂａｎｄ５、Ｂａｎｄ１３及びＢａｎｄ１７の通信バンドでは低損失になり、送信信号の２次以上の高調波の周波数では高損失になる。従って、例えばＢａｎｄ１７で通信を行う場合に、Ｂａｎｄ１７の送信信号の３次高調波はＢａｎｄ１の受信周波数帯域に重なるが、Ｂａｎｄ１で通信を行っている他の移動体通信機器の受信性能に影響を及ぼし難くできる。

また、図４に示すＢａｎｄ１及びＢａｎｄ４で通信を行う場合にも、Ｂａｎｄ３で通信を行う場合と同じようにコンデンサＣ２を選択すればよい。これにより、Ｂａｎｄ１及びＢａｎｄ４の通信バンドでは低損失になり、送信信号の２次以上の高調波の周波数では高損失になる。従って、例えばＢａｎｄ４で通信を行う場合に、Ｂａｎｄ４の送信信号の２次高調波はＢａｎｄ２２の受信周波数帯域に重なるが、Ｂａｎｄ２２で通信を行っている他の移動体通信機器の受信性能に影響を及ぼし難くできる。

また、図１，２の例では、説明を明確化するためにＳＰＤＴ構成のアンテナスイッチ２を備える一例について説明したが、多ポートスイッチであるｎＰｍＴ（ｎ，ｍは２以上の自然数）構成のアンテナスイッチを備えてもよい。これにより、３ＧＰＰの通信システムに加え、無線ＬＡＮ、ブルートゥース及びＧＰＳなどの他の通信システムも送受信回路１００に混載することができ、アンテナスイッチ２を切り替えることで複数の通信システムに対応できる。このような構成によれば、他の移動体通信機器に加えて自移動体通信機器内においても、３ＧＰＰの送信信号の高調波が３ＧＰＰ以外の通信システムの受信性能に影響を及ぼし難くできる。

以上で説明したように、本実施形態によれば、選択された通信バンドの周波数成分を通過させると共に送信信号の高調波成分を抑制するように、制御信号に応じて周波数特性を変化させる高調波抑制回路３を備えている。これにより、通信バンド毎にＳＡＷフィルタや高調波抑制回路を設けることなく、複数の通信バンドの送信信号の高調波成分を抑制できる。即ち、半導体装置１０および送受信回路１００の回路規模の増大を抑制できると共に、部品数の増加も抑制できる。

その上、高調波抑制回路５はインピーダンス整合回路４とアンテナスイッチ２との間に設けられているので、アンテナスイッチ２で発生した送信信号の高調波成分も抑制できる。

従って、移動体通信機器の受信性能の低下を防止できる。

なお、図２の例では、説明を明確化するために高調波抑制回路３はＳＰＤＴスイッチＳＷ１と２つのコンデンサＣ１，Ｃ２とを有する一例について説明したが、通信バンド数に応じてスイッチの端子数を増やすと共にコンデンサの数を増やし、通信バンド毎に周波数特性を切り替えてもよい。これにより、通信バンド毎に、より適切な周波数特性に設定できる。

また、高調波抑制回路３は、図２の構成に限らず、より複雑な構成のフィルタで構成されてもよい。また、抵抗Ｒ１は設けなくてもよい。

また、高調波抑制回路３は、送信時と受信時とにおいて周波数特性を異ならせてもよい。これにより、送信周波数帯域と受信周波数帯域とのそれぞれに合わせたより最適な周波数特性に設定できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、高調波抑制回路３ａの可変容量回路３１ａの構成が第１の実施形態と異なる。

図５は、第２の実施形態に係る送受信回路１００ａの構成を示すブロック図である。図５では、図２と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。

図５に示すように、高調波抑制回路３ａの可変容量回路３１ａは、制御信号に応じて容量値が変化する可変容量ダイオードＶＲ１を有する。可変容量ダイオードＶＲ１は、インダクタＬ１の第１ノード側の端子に接続されたカソードと、接地されたアノードと、を有する。可変容量ダイオードＶＲ１のカソードには、制御信号が供給される。これにより、第１の実施形態と同様に、高調波抑制回路３ａは、制御信号に応じてカットオフ周波数を変化させることができる。

本実施形態においても、アンテナスイッチ２と、高調波抑制回路３ａと、インピーダンス整合回路４は、半導体装置１０ａを構成している。

本実施形態によれば、複数のコンデンサを設けることなく、制御信号に応じてカットオフ周波数を変化させることができるため、第１の実施形態より少ない部品で第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、追加の高調波抑制回路３０を備える点が第１の実施形態と異なる。

図６は、第３の実施形態に係る送受信回路１００ｂの構成を示すブロック図である。図６では、図１と共通する構成部分には同一の符号を付しており、以下では相違点を中心に説明する。

送受信回路１００ｂは、図１の構成に加え、追加の高調波抑制回路３０を備える。追加の高調波抑制回路３０は、例えば、高調波抑制回路３と同じ構成を有しており、アンテナスイッチ２の第２ノード２ｂと、マルチバンド電力増幅器１との間に接続されている。追加の高調波抑制回路３０は、マルチバンド電力増幅器１で増幅された送信信号の基本波を通過させてアンテナスイッチ２の第２ノード２ｂに供給すると共に送信信号の高調波成分を抑制するように、制御信号に応じて周波数特性を変化させる。

アンテナスイッチ２と、高調波抑制回路３と、インピーダンス整合回路４と、追加の高調波抑制回路３０は、半導体装置１０ｂを構成している。

本実施形態によれば、マルチバンド電力増幅器１から出力された送信信号の高調波成分が追加の高調波抑制回路３０で抑制されるので、アンテナスイッチ２に入射する高調波を第１の実施形態より低減できる。これにより、アンテナ５から放射される高調波成分の抑制量は、高調波抑制回路３の抑制量と、追加の高調波抑制回路３０の抑制量との和になる。従って、アンテナ５から放射される高調波を第１の実施形態より低減できる。

また、高調波抑制回路３と同様に、追加の高調波抑制回路３０も制御信号に応じて周波数特性が変化するので、複数の通信バンドの送信信号の高調波成分を抑制できる。

なお、第３の実施形態を第２の実施形態に組み合わせてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、高調波抑制回路３，３ａを備えることにより、受信性能や他の通信システムの通信性能を低下させることなく、複数の通信バンドの送信信号の高調波を抑制できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ マルチバンド電力増幅器（増幅器）
２ アンテナスイッチ
３，３ａ 高調波抑制回路
４ インピーダンス整合回路
５ アンテナ
６ 受信回路
３０ 追加の高調波抑制回路
３１，３１ａ 可変容量回路
Ｌ１ インダクタ
Ｒ１ 抵抗
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ（容量素子）
ＳＷ１ ＳＰＤＴスイッチ（スイッチ）
ＶＲ１ 可変容量ダイオード
１０，１０ａ，１０ｂ 半導体装置
１００，１００ａ，１００ｂ 送受信回路

Claims (8)

1. 第１ノードと、通信バンドの送信信号が供給される第２ノードと、受信信号を出力する第３ノードと、を有するアンテナスイッチと、
   前記第１ノードとアンテナとの間に接続され、前記通信バンドの周波数成分を通過させると共に前記送信信号の高調波成分を抑制するように、制御信号に応じて周波数特性を変化させる高調波抑制回路と、
   前記高調波抑制回路と前記アンテナとの間に接続され、前記制御信号に応じて、前記通信バンドにおいて前記高調波抑制回路と前記アンテナとのインピーダンスを整合させるインピーダンス整合回路と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記通信バンドは、複数の通信バンドの中から選択されたものであり、
   前記各通信バンドは、送信周波数帯域と受信周波数帯域とを含み、
   少なくとも何れかの通信バンドの前記送信周波数帯域における前記送信信号の高調波は、他の通信バンドの前記受信周波数帯域に重なることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記高調波抑制回路は、
   前記インピーダンス整合回路と前記アンテナスイッチの前記第１ノードとの間に接続されたインダクタと、
   前記インダクタに接続され、前記制御信号に応じて容量値が変化する可変容量回路と、
   を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記可変容量回路は、
   複数の容量素子と、
   前記制御信号に応じて前記複数の容量素子の何れかを前記インダクタに接続するスイッチと、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記可変容量回路は、前記制御信号に応じて容量値が変化する可変容量ダイオードを有することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
6. 前記送信信号の基本波を通過させて前記第２ノードに供給すると共に前記送信信号の高調波成分を抑制するように、前記制御信号に応じて周波数特性を変化させる追加の高調波抑制回路を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の半導体装置。
7. 前記高調波抑制回路は、送信時と受信時とにおいて周波数特性を異ならせることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の半導体装置。
8. 請求項１から請求項７の何れかに記載の半導体装置と、
   前記送信信号を前記アンテナスイッチの前記第２ノードに供給する増幅器と、
   前記アンテナスイッチの前記第３ノードから出力された前記受信信号から、受信周波数帯域の信号を抽出する受信回路と、
   前記インピーダンス整合回路に接続されたアンテナと、
   を備えることを特徴とする送受信回路。

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