JP2022138125A - 無線周波数通信システムのための双方向性可変利得増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】無線周波数（ＲＦ）通信システムのための双方向性可変利得増幅器（ＶＧＡ）を提供する。【解決手段】双方向性ＶＧＡ１２０は、送信／受信ポートＴＲに結合される入力部を有する第１増幅器Ａ１と、送信ポートＴＸに結合される出力部を有する第２増幅器Ａ２と、受信ポートＲＸに結合される入力部を有する第３増幅器Ａ３と、当該送信／受信ポートＴＲと第１増幅器Ａ１の入力部とに結合される出力部を有する第４増幅器Ａ４と、送信モードにおいて第１増幅器Ａ１の出力部を第２増幅器Ａ２の入力部に接続し、受信モードにおいて第３増幅器Ａ３の出力部を第４増幅器Ａ４の入力部に接続するように構成されるスイッチ回路Ｓ１、Ｓ２と、を含む。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は電子システムに関し、詳しくは無線周波数（ＲＦ）電子機器に関する。

ＲＦ通信システムにおいて、アンテナを使用して無線により送受信されるＲＦ信号に対して制御可能量の増幅を与えるべく、可変利得増幅器（ＶＧＡ）が使用される。

一以上のＶＧＡを含み得るＲＦ通信システムの例は、携帯電話機、タブレット、基地局、ネットワークアクセスポイント、顧客宅内機器（ＣＰＥ）、ラップトップ及びウェアラブル電子機器を含むがこれらに限られないＲＦ信号は、第５世代（５Ｇ）通信規格の周波数レンジ１（ＦＲ１）のための約４２５ＭＨｚ～約７．１２５ＧＨｚの範囲、又は５Ｇ通信規格の周波数レンジ２（ＦＲ２）のための約２４．２５０ＧＨｚ～約５２．６００ＧＨｚの範囲のような約３０ｋＨｚ～３００ＧＨｚの範囲にある周波数を有し得る。

所定の実施形態において、本開示は無線デバイスに関する。無線デバイスは、複数のアンテナ素子を含むアンテナアレイと、それぞれが当該複数のアンテナ素子の対応する一つに動作可能に関連付けられて双方向性可変利得増幅器を含む複数の無線周波数信号コンディショニング回路と、当該複数の無線周波数信号コンディショニング回路に電気的に結合される送受信器とを含む。双方向性可変利得増幅器は、送信／受信ポートに結合される入力部を含む第１増幅器と、送信ポートに結合される出力部を含む第２増幅器と、受信ポートに結合される入力部を含む第３増幅器と、当該送信／受信ポートと第１増幅器の入力部とに結合される出力部を含む第４増幅器と、送信モードにおいて第１増幅器の出力部を第２増幅器の入力部に接続し、受信モードにおいて第３増幅器の出力部を第４増幅器の入力部に接続するように構成されるスイッチ回路とを含む。

様々な実施形態において、第１増幅器は第１コモンゲート増幅器であり、第４増幅器は第１コモンドレイン増幅器である。一定数の実施形態によれば、第２増幅器は第２コモンゲート増幅器であり、第３増幅器は第２コモンドレイン増幅器である。

いくつかの実施形態において、第１増幅器は、第１対のソースを有する第１対のトランジスタを含み、第２増幅器は、第１対のソースに直接接続される第２対のソースを有する第２対のトランジスタを含む。

いくつかの実施形態において、スイッチ回路は、コモンノードに接続される第１スイッチ及び第２スイッチを含み、双方向性可変利得増幅器はさらに、当該コモンノードに接続される制御可能抵抗器を含む。

様々な実施形態において、第１増幅器又は第３増幅器の少なくとも一方が、選択可能な第１対の入力トランジスタ及び第２対の入力トランジスタを含み、第１対の入力トランジスタは、選択されると信号反転を与えるように構成され、第２対の入力トランジスタは、選択されると信号反転を与えないように構成される。

いくつかの実施形態において、複数の無線周波数信号コンディショニング回路はそれぞれが、送信／受信ポートに接続される位相シフタをさらに含む。

いくつかの実施形態において、複数の無線周波数信号コンディショニング回路はそれぞれが、送信ポートに接続される入力部を有する電力増幅器と、受信ポートに接続される出力部を有する低雑音増幅器とをさらに含む。

所定の実施形態において、本開示は、双方向性可変利得増幅器に関する。双方向性可変利得増幅器は、送信／受信ポートに結合される入力部を含む第１増幅器と、送信ポートに結合される出力部を含む第２増幅器と、受信ポートに結合される入力部を含む第３増幅器と、当該送信／受信ポートと第１増幅器の入力部とに結合される出力部を含む第４増幅器と、送信モードにおいて第１増幅器の出力部を第２増幅器の入力部に接続し、受信モードにおいて第３増幅器の出力部を第４増幅器の入力部に接続するように構成されるスイッチ回路とを含む。

いくつかの実施形態において、第１増幅器は第１コモンゲート増幅器であり、第４増幅器は第１コモンドレイン増幅器である。一定数の実施形態によれば、第２増幅器は第２コモンゲート増幅器であり、第３増幅器は第２コモンドレイン増幅器である。

いくつかの実施形態において、第１増幅器は、第１対のソースを有する第１対のトランジスタを含み、第２増幅器は、第１対のソースに直接接続される第２対のソースを有する第２対のトランジスタを含む。一定数の実施形態によれば、双方向性可変利得増幅器はさらに、第１対のソース及び第２対のソースに接続される一対のインダクタを含み、当該一対のインダクタは、第１増幅器に入力整合を与え、第４増幅器に出力整合を与えるように構成される。

いくつかの実施形態において、スイッチ回路は、コモンノードに接続される第１スイッチ及び第２スイッチを含む。様々な実施形態によれば、双方向性可変利得増幅器はさらに、コモンノードに接続される制御可能抵抗器を含む。

一定数の実施形態において、第１増幅器又は第３増幅器の少なくとも一方が、選択可能な第１対の入力トランジスタ及び第２対の入力トランジスタを含み、第１対の入力トランジスタは、選択されると信号反転を与えるように構成され、第２対の入力トランジスタは、選択されると信号反転を与えないように構成される。

いくつかの実施形態において、双方向性可変利得増幅器はさらに、送信モードにおいて第３増幅器及び第４増幅器をオフにし、受信モードにおいて第１増幅器及び第２増幅器をオフにするように構成されるバイアス及び制御の回路を含む。

所定の実施形態において、本開示はフロントエンドシステムに関する。フロントエンドシステムは、電力増幅器、低雑音増幅器、及び双方向性可変利得増幅器を含み、この双方向性可変利得増幅器は、送信／受信ポートに結合される入力部を有する第１増幅器と、送信ポートにおいて当該電力増幅器の入力部に結合される出力部を有する第２増幅器と、受信ポートにおいて当該低雑音増幅器の出力部に結合される入力部を有する第３増幅器と、当該送信／受信ポートと第１増幅器の入力部とに結合される出力部を有する第４増幅器と、送信モードにおいて第１増幅器の出力部を第２増幅器の入力部に接続し、受信モードにおいて第３増幅器の出力部を第４増幅器の入力部に接続するように構成されるスイッチ回路とを含む。

様々な実施形態において、第１増幅器は第１コモンゲート増幅器であり、第４増幅器は第１コモンドレイン増幅器である。いくつかの実施形態によれば、第２増幅器は第２コモンゲート増幅器であり、第３増幅器は第２コモンドレイン増幅器である。

一定数の実施形態において、第１増幅器は、第１対のソースを有する第１対のトランジスタを含み、第２増幅器は、第１対のソースに直接接続される第２対のソースを有する第２対のトランジスタを含む。

いくつかの実施形態において、スイッチ回路は、コモンノードに接続される第１スイッチ及び第２スイッチを含み、双方向性可変利得増幅器はさらに、当該コモンノードに接続される制御可能抵抗器を含む。

様々な実施形態において、第１増幅器又は第３増幅器の少なくとも一方が、選択可能な第１対の入力トランジスタ及び第２対の入力トランジスタを含み、第１対の入力トランジスタは、選択されると信号反転を与えるように構成され、第２対の入力トランジスタは、選択されると信号反転を与えないように構成される。

いくつかの実施形態において、フロントエンドシステムはさらに、送信／受信ポートに接続される位相シフタを含む。

本開示の実施形態が、添付図面を参照する非限定的な例を介して以下に記載される。

通信ネットワークの一例の模式的な図である。 ビームフォーミングにより動作する通信システムの一実施形態の模式的な図である。 送信ビームを与えるビームフォーミングの一実施形態の模式的な図である。 受信ビームを与えるビームフォーミングの一実施形態の模式的な図である。 一実施形態に係る無線周波数（ＲＦ）信号コンディショニング回路の模式的な図である。 一実施形態に係る双方向性可変利得増幅器ＶＧＡの模式的な図である。 他実施形態に係る双方向性ＶＧＡの模式的な図である。 一実施形態に係る粗位相シフタの模式的な図である。 双方向性ＶＧＡのための利得制御回路の一実施形態の模式的な図である。 一実施形態の携帯デバイスの模式的な図である。 一実施形態のモジュールの平面図である。 他実施形態のモジュールの斜視図である。 図１０Ａのモジュールの、１０Ｂ－１０Ｂ線に沿った断面である。

所定の実施形態の以下の詳細な説明は、特定の実施形態の様々な記載を提示する。しかしながら、ここに記載されるイノベーションは、例えば特許請求の範囲により画定かつカバーされる数多くの異なる態様で具体化することができる。本明細書において、同じ参照番号が同一の又は機能的に同様の要素を示す図面が参照される。理解されることだが、図面に示される要素は必ずしも縮尺どおりとは限らない。さらに理解されることだが、所定の実施形態は、図面に示されるよりも多くの要素、及び／又は図面に示される要素の部分集合を含み得る。さらに、いくつかの実施形態は、２つ以上の図面からの特徴の任意の適切な組み合わせも含み得る。

国際電気通信連合（ＩＴＵ）は、国連（ＵＮ）の専門機関であり、無線周波数帯の世界的な共用を含む情報通信技術に関する世界的な問題の責任を負っている。

第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ）は、無線工業会（ＡＲＩＢ）、電気通信技術委員会（ＴＴＣ）、中国通信規格協会（ＣＣＳＡ）、電気通信業界ソリューション同盟（ＡＴＩＳ）、電気通信技術協会（ＴＴＡ）、欧州電気通信規格協会（ＥＴＳＩ）、インド電気通信規格開発協会（ＴＳＤＳＩ）のような、世界中の電気通信規格団体のグループ間での共同プロジェクトである。

３ＧＰＰは、ＩＴＵの範囲内で、例えば、第２世代（２Ｇ）技術（例えばグローバルシステム・フォー・モバイルコミュニケーションズ（ＧＳＭ）（登録商標）及びエンハンストデータレート・フォー・ＧＳＭエボリューション（ＥＤＧＥ））、第３世代（３Ｇ）技術（例えばユニバーサル・モバイル・テレコミュニケーションズ・システム（ＵＭＴＳ）及びハイスピードパケットアクセス（ＨＳＰＡ））、第４世代（４Ｇ）技術（例えばロングタームエボリューション（ＬＴＥ）及びＬＴＥアドバンスト）を含む、様々な移動通信技術の技術仕様を開発及び維持する。

３ＧＰＰにより管理される技術仕様は仕様リリースによって拡張及び改訂することができる。この仕様リリースは、多数年にわたってよく、かつ、幅の広い新たな機能及び進化を指定してよい。

一例において、３ＧＰＰは、リリース１０においてＬＴＥのためのキャリアアグリゲーション（ＣＡ）を導入した。３ＧＰＰは、初期には２つのダウンリンクキャリアを導入したが、リリース１４においては５つまでのダウンリンクキャリア及び３つまでのアップリンクキャリアを含むように拡張した。３ＧＰＰリリースにより与えられる新たな特徴及び進化の他例は、ライセンス・アシステッド・アクセス（ＬＡＡ）、エンハンストＬＡＡ（ｅＬＡＡ）、狭帯域インターネットオブシングス（ＮＢ－ＩＯＴ）、ビークル・ツー・エブリシング（Ｖ２Ｘ）、及びハイパワーユーザ機器（ＨＰＵＥ）を含むがこれらに限られない。

３ＧＰＰは、リリース１５において第５世代（５Ｇ）技術のフェーズ１を導入し、リリース１６において５Ｇ技術のフェーズ２を導入した。その後の３ＧＰＰリリースは、５Ｇ技術をさらに進化及び拡張させるであろう。５Ｇ技術はここでは、５Ｇニューラジオ（ＮＲ）とも称する。

５ＧＮＲは、ミリメートル波スペクトルによる通信、ビームフォーミング能力、高スペクトル効率波形、低レイテンシ通信、多重ラジオヌメロロジー、及び／又は非直交多重アクセス（ＮＯＭＡ）のような様々な特徴をサポートし又はサポート予定である。かかるＲＦ機能がネットワークに柔軟性を与えてユーザデータレートを向上させるにもかかわらず、かかる特徴をサポートするには一定数の技術的な課題がある。

ここでの教示は、ＬＴＥアドバンスト、ＬＴＥアドバンストプロ及び／又は５ＧＮＲのようなアドバンストセルラー技術を使用する通信システムを含むがこれらに限られない多種多様な通信システムに適用可能である。

図１は、通信ネットワーク１０の一例の模式的な図である。通信ネットワーク１０は、マクロセル基地局１、スモールセル基地局３、及びユーザ機器（ＵＥ）の様々な例を含む。ユーザ機器（ＵＥ）は、第１携帯デバイス２ａ、無線接続車両２ｂ、ラップトップ２ｃ、静止無線デバイス２ｄ、無線接続列車２ｅ、第２携帯デバイス２ｆ、及び第３携帯デバイス２ｇを含む。

基地局及びユーザ機器の特定例が図１に示されるにもかかわらず、通信ネットワークは、多種多様なタイプ及び／又は数の基地局及びユーザ機器を含んでよい。

例えば、図示の例において、通信ネットワーク１０はマクロセル基地局１及びスモールセル基地局３を含む。スモールセル基地局３は、マクロセル基地局１と比べて相対的に低い電力、短い距離、及び／又は少ない同時ユーザで動作し得る。スモールセル基地局３、フェムトセル、ピコセル又はマイクロセルと称してもよい。通信ネットワーク１０が２つの基地局を含むように示されるにもかかわらず、通信ネットワーク１０は、これよりも多い又は少ない基地局及び／又は他のタイプの基地局を含むように実装してよい。

ユーザ機器の様々な例が示されるにもかかわらず、ここでの教示は、携帯電話機、タブレット、ラップトップ、インターネットオブシングス（ＩｏＴ）デバイス、ウェアラブル電子機器、加入者宅内機器（ＣＰＥ）、無線接続車両、無線リレー、及び／又は多種多様な他の通信デバイスを含むがこれらに限られない多種多様なユーザ機器に適用可能である。さらに、ユーザ機器は、セルラーネットワークにおいて動作する現在利用可能な通信デバイスのみならず、ここに記載されかつ特許請求の範囲に請求される本発明のシステム、プロセス、方法及びデバイスに容易に実装可能な、その後開発される通信デバイスをも含む。

図１の例示の通信ネットワーク１０は、例えば４ＧＬＴＥ及び５ＧＮＲを含む様々なセルラー技術を使用する通信をサポートする。所定の実装例において、通信ネットワーク１０はさらに、ＷｉＦｉのような無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）を与えるように適合される。通信技術の様々な例が与えられてきたにもかかわらず、通信ネットワーク１０は、多種多様な通信技術をサポートするように適合され得る。

通信ネットワーク１０の様々な通信リンクが図１に描かれている。通信リンクは、例えば、周波数分割二重化（ＦＤＤ）及び／又は時分割二重化（ＴＤＤ）を使用することを含む多種多様な方法で二重化（デュプレクシング）することができる。ＦＤＤは、信号の送信及び受信に異なる周波数を使用するタイプの無線周波数通信である。ＦＤＤは、高いデータレート及び低いレイテンシのような一定数の利点を与えることができる。これとは対照的に、ＴＤＤは、信号の送信及び受信にほぼ同じ周波数を使用するタイプの無線周波数通信であり、送信通信と受信通信とが時間で切り替わる。ＴＤＤには、スペクトルの効率的な使用、及び送受信方向間のスループットの可変的配分のような一定数の利点を与えることができる。

所定の実装例において、ユーザ機器（ＵＥ）は、４ＧＬＴＥ、５ＧＮＲ及びＷｉＦｉ技術の一以上を使用して基地局と通信することができる。所定の実装例において、エンハンスト・ライセンス・アシステッド・アクセス（ｅＬＡＡ）が、一以上のライセンスされた周波数キャリア（例えばライセンスされた４ＧＬＴＥ及び／又は５ＧＮＲ周波数）を、一以上の未ライセンスキャリア（例えば未ライセンスＷｉＦｉ周波数）と集約するべく使用される。

図１に示されるように、通信リンクは、ＵＥと基地局との間の通信リンクのみならず、ＵＥ対ＵＥ通信及び基地局対基地局通信をも含む。例えば、通信ネットワーク１０は、（例えばモバイルデバイス２ｇとモバイルデバイス２ｆとの間のような）自己フロントホール及び／又は自己バックホールをサポートするように実装することができる。

通信リンクは、多種多様な周波数にわたって動作することができる。所定の実装例において、通信は、６ギガヘルツ（ＧＨｚ）未満の一以上の周波数帯域にわたって及び／又は６ＧＨｚ超過の一以上の周波数帯域にわたって、５ＧＮＲ技術を使用してサポートされる。例えば、通信リンクは、周波数レンジ１（ＦＲ１）、周波数レンジ２（ＦＲ２）、又はこれらの組み合わせを与えることができる。一実施形態において、携帯デバイスの一以上が、ＨＰＵＥ電力クラス仕様をサポートする。

所定の実装例において、基地局及び／又はユーザ機器はビームフォーミングを使用して通信する。例えば、ビームフォーミングは、高い信号周波数にわたる通信に関連付けられる高い損失のような、経路損失を克服するべく信号強度を収束させるべく使用することができる。所定の実施形態では、一以上の携帯電話機のようなユーザ機器は、３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚの範囲のミリメートル波周波数帯域において、及び／又は６ＧＨｚ～３０ＧＨｚ、詳しくは２４ＧＨｚ～３０ＧＨｚの範囲の上側センチメートル波周波数において、ビームフォーミングを使用して通信する。

通信ネットワーク１０の異なるユーザが、利用可能な周波数スペクトルのような利用可能なネットワークリソースを、多種多様な態様で共有することができる。

一例において、一周波数帯域を分割して多重周波数キャリアにするべく周波数分割多重接続（ＦＤＭＡ）が使用される。加えて、一以上のキャリアが特定の一ユーザに配分される。ＦＤＭＡの例は、シングルキャリアＦＤＭＡ（ＳＣ－ＦＤＭＡ）及び直交ＦＤＭＡ（ＯＦＤＭＡ）を含むがこれらに限られない。ＯＦＤＭＡは、利用可能な帯域幅を多数の相互に直交する狭帯域サブキャリアに分割するマルチキャリア技術であり、異なるユーザに別々に配分することができる。

共有アクセスの他の例は、周波数リソースを使用するべくユーザに特定のタイムスロットが配分される時分割多重接続（ＴＤＭＡ）、各ユーザに固有の符号を配分することにより周波数リソースを異なるユーザ間で共有する符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）、空間分割による共有アクセスを与えるべくビームフォーミングが使用される空間分割多重接続（ＳＤＭＡ）、多重アクセスを目的としてパワードメインが使用される非直交多重接続（ＮＯＭＡ）を含むが、これらに限られない。例えば、ＮＯＭＡは、同じ周波数、時間及び／又は符号であるが異なる電力レベルにより多数のユーザにサービスを提供するべく使用され得る。

エンハンストモバイルブロードバンド（ｅＭＢＢ）は、ＬＴＥネットワークのシステムキャパシティを増加させる技術を言及する。例えば、ｅＭＢＢは、各ユーザに対して少なくとも１０Ｇｂｐｓのピークデータレートかつ最小１００Ｍｂｐｓの通信を言及してよい。超高信頼性低レイテンシ通信（ｕＲＬＬＣ）は、例えば２ミリ秒未満の非常に低いレイテンシの通信のための技術を言及する。ｕＲＬＬＣは、自動運転及び／又は遠隔手術アプリケーション目的のようなミッションクリティカルな通信に使用することができる。大規模機械タイプ通信（ｍＭＴＣ）は、日常的な物体との無線接続に関連付けられる低コストかつ低データレートの通信、例えばインターネットオブシングス（ＩｏＴ）アプリケーションに関連付けられる通信を言及する。

図１の通信ネットワーク１０は、ｅＭＢＢ、ｕＲＬＬＣ及び／又はｍＭＴＣを含むがこれらに限られない多種多様なアドバンスト通信機能をサポートするべく使用することができる。

図２Ａは、ビームフォーミングにより動作する通信システム１１０の一実施形態の模式的な図である。通信システム１１０は、送受信器１０５、ＲＦ信号コンディショニング回路１０４ａ１、１０４ａ２…１０４ａｎ、１０４ｂ１、１０４ｂ２…１０４ｂｎ、１０４ｍ１、１０４ｍ２…１０４ｍｎ、及びアンテナアレイ１０２を含む。アンテナアレイ１０２は、アンテナ素子１０３ａ１、１０３ａ２…１０３ａｎ、１０３ｂ１、１０３ｂ２…１０３ｂｎ、１０３ｍ１、１０３ｍ２…１０３ｍｎを含む。

ミリメートル波キャリア、センチメートル波キャリア、及び／又は他の周波数キャリアを使用して通信する通信システムは、信号の送信及び／又は受信のためのビームフォーメーション及び指向性を与えるべくアンテナアレイ１０２のようなアンテナアレイを用いることができる。

例えば、図示の実施形態において、通信システム１１０は、ｍ×ｎ個のアンテナ素子のアレイ１０２含み、これらの素子はそれぞれが、この実施形態では別個のＲＦ信号コンディショニング回路に結合される。省略記号により示されるように、通信システム１１０は、任意の適切な数のアンテナ素子及びＲＦ信号コンディショニング回路を実装することができる。

信号送信について、ＲＦ信号コンディショニング回路１０４ａ１、１０４ａ２…１０４ａｎ、１０４ｂ１、１０４ｂ２…１０４ｂｎ、１０４ｍ１、１０４ｍ２…１０４ｍｎは、当該アンテナ素子から放射される信号が建設的及び破壊的な干渉を使用して結合し、アンテナアレイ１０２から離れる所与の方向に伝播する強い信号強度を有するビームのような品質を示す集約送信信号を生成するように、送信信号をアンテナアレイ１０２に与えることができる。

信号受信の文脈では、ＲＦ信号コンディショニング回路１０４ａ１、１０４ａ２…１０４ａｎ、１０４ｂ１、１０４ｂ２…１０４ｂｎ、１０４ｍ１、１０４ｍ２…１０４ｍｎは、受信信号を（例えば受信信号位相を別個に制御することによって）、当該信号が特定の方向からアンテナアレイ１０２に到達するときに多くの信号エネルギーが受信されるように処理する。したがって、通信システム１１０はまた、信号の受信のための指向性も与える。

送信ビーム又は受信ビームになる信号エネルギーの相対的濃度は、アレイのサイズを増加させることによって高めることができる。例えば、合焦されて送信ビームになる信号エネルギーが多くなると、その信号は、ＲＦ通信のための十分な信号レベルを与えている間に長い範囲を伝播することができる。例えば、合焦されて送信ビームになる信号エネルギーの比率が大きい信号は、高い実効等方放射電力（ＥＩＲＰ）を示し得る。

図示の実施形態において、送受信器１０５は、ＲＦ信号コンディショニング回路１０４ａ１、１０４ａ２…１０４ａｎ、１０４ｂ１、１０４ｂ２…１０４ｂｎ、１０４ｍ１、１０４ｍ２…１０４ｍｎに信号を送信し、当該ＲＦ信号コンディショニング回路から受信した信号を処理する。

図２Ａに示されるように、送受信器１０５は、ＲＦ信号コンディショニング回路１０４ａ１、１０４ａ２…１０４ａｎ、１０４ｂ１、１０４ｂ２…１０４ｂｎ、１０４ｍ１、１０４ｍ２…１０４ｍｎのための制御信号を生成する。制御信号は、ビームフォーミングを制御するべく送信信号及び／又は受信信号の利得及び位相を制御することのような、様々な機能のために使用することができる。例えば、ＲＦ信号コンディショニング回路１０４ａ１、１０４ａ２…１０４ａｎ、１０４ｂ１、１０４ｂ２…１０４ｂｎ、１０４ｍ１、１０４ｍ２…１０４ｍｎはそれぞれが、ここでの教示に従って実装される位相シフタ及び双方向性ＶＧＡを含み得る。

図２Ｂは、送信ビームを与えるビームフォーミングの一実施形態の模式的な図である。図２Ｂは、第１ＲＦ信号コンディショニング回路１１４ａ、第２ＲＦ信号コンディショニング回路１１４ｂ、第１アンテナ素子１１３ａ、及び第２アンテナ素子１１３ｂを含む通信システムの一部分を示す。

２つのアンテナ素子及び２つのＲＦ信号コンディショニング回路を含むように示されるにもかかわらず、通信システムは、付加的なアンテナ素子及び／又は信号コンディショニング回路を含んでよい。例えば、図２Ｂは、図２Ａの通信システム１１０の一部分の一実施形態を示す。

第１ＲＦ信号コンディショニング回路１１４ａは、第１位相シフタ１３０ａ、第１電力増幅器１３１ａ、第１低雑音増幅器（ＬＮＡ）１３２ａ、及び電力増幅器１３１ａ又はＬＮＡ１３２ａの選択を制御するスイッチを含む。加えて、第２ＲＦ信号コンディショニング回路１１４ｂは、第２位相シフタ１３０ｂ、第２電力増幅器１３１ｂ、第２ＬＮＡ１３２ｂ、及び電力増幅器１３１ｂ又はＬＮＡ１３２ｂの選択を制御するスイッチを含む。

ＲＦ信号コンディショニング回路の一実施形態が示されるにもかかわらず、ＲＦ信号コンディショニング回路の他の実装例も可能である。例えば、信号コンディショニング回路は、一以上の帯域フィルタ、ＶＧＡ、デュプレクサ、ダイプレクサ、及び／又は他のコンポーネントを含み得る。

図示の実施形態において、第１アンテナ素子１１３ａと第２アンテナ素子１１３ｂとは距離ｄだけ離間される。加えて、図２Ｂには角度θの注釈が付けられている。この例において、θは、送信ビーム方向がアンテナアレイの平面に実質的に垂直である場合に約９０°の値であり、送信ビーム方向がアンテナアレイの平面に実質的に平行である場合に約０°の値である。

アンテナ素子１１３ａ、１１３ｂに与えられる送信信号の相対的な位相を制御することにより、所望の送信ビーム角度θを達成することができる。例えば、第１位相シフタ１３０ａは０°の基準値を有し、第２位相シフタ１３０ｂは、約－２πｆ（ｄ／ν）ｃｏｓθラジアンの位相シフトを与えるように制御され得る。ここで、ｆは送信信号の基本周波数であり、ｄはアンテナ素子間の距離であり、νは放射波の速度であり、πは数学的定数パイである。

所定の実装例において、距離ｄは約λ／２となるように実装される。ここで、λは、送信信号の基本成分の波長である。かかる実装において、第２位相シフタ１３０ｂは、送信ビーム角度θを達成するべく約－πｃｏｓθラジアンの位相シフトを与えるように制御され得る。

したがって、位相シフタ１３０ａ、１３０ｂの相対位相は、送信ビームフォーミングを与えるように制御され得る。所定の実装例において、送受信器（例えば図２Ａの送受信器１０５）は、ビームフォーミングを制御するべく一以上の位相シフタの位相値を制御する。

図２Ｃは、受信ビームを与えるビームフォーミングの一実施形態の模式的な図である。図２Ｃは図２Ｂと同様であるが、図２Ｃが、送信ビームよりもむしろ受信ビームの文脈におけるビームフォーミングを示す点が異なる。

図２Ｃに示されるように、第１位相シフタ１３０ａと第２位相シフタ１３０ｂとの相対位相差は、所望の受信ビーム角度θを達成するべく－２πｆ（ｄ／ν）ｃｏｓθラジアンにほぼ等しくなるように選択することができる。距離ｄが約λ／２に対応する実装例において、位相差は、受信ビーム角度θを達成するべく－πｃｏｓθラジアンにほぼ等しくなるように選択することができる。

ビームフォーミングを与える位相値のための様々な式が与えられてきたにもかかわらず、アンテナアレイの実装、ＲＦ信号コンディショニング回路の実装、及び／又は無線環境に基づいて選択される位相値のような、他の位相選択値も可能である。

ＲＦ通信システムのための双方向性ＶＧＡ

基地局、ネットワークアクセスポイント、携帯電話機、タブレット、顧客宅内機器（ＣＰＥ）、ラップトップ、コンピュータ、ウェアラブル電子機器、及び／又は他の通信デバイスにおいて無線周波数（ＲＦ）信号を送信及び／又は受信するべく、アンテナアレイを使用することができる。例えば、ミリメートル波キャリア（例えば３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚ）、センチメートル波キャリア（例えば３ＧＨｚ～３０ＧＨｚ）、及び／又は他のキャリア周波数を利用する通信デバイスは、信号の送信及び／又は受信のためのビームフォーミング及び指向性を与えるべくアンテナアレイを用いることができる。

信号送信の文脈において、アンテナアレイのアンテナ素子からの信号が、建設的及び破壊的な干渉を使用して結合されることにより、当該アンテナアレイから離れる所与の方向に伝播する強い信号強度を有するビームのような品質を示す集約送信信号が生成される。信号受信の文脈において、信号が特定の方向からアンテナアレイに到達するときに当該アンテナアレイにより多くの信号エネルギーが受信される。したがって、アンテナアレイはまた、信号の受信のための指向性も与える。

すなわち、多くのミリメートル波（ｍｍＷ）システムが、操舵ビームを生成するべく多素子アンテナアレイを使用し得る。送信器又は受信器の利得が特定の空間方向において、他方向を犠牲にして高められる。ビーム操舵により、干渉に対する経路損失及びロバスト性の双方が改善される。ビームの方向及び幅は、各アンテナにおいて送信器又は受信器の信号の相対的な位相及び振幅をアレンジすることによって制御される。

ＲＦ信号コンディショニング回路は、アンテナアレイのアンテナ素子を介した送信のために送信信号をコンディショニングするべく、及び／又はアンテナ素子からの受信信号をコンディショニングして所望の利得及び位相を達成するべく、使用することができる。かかるＲＦ信号コンディショニング回路は、特定のアンテナ素子に関連付けられるＲＦ信号に制御可能位相調整を与える少なくとも一つの位相シフタと、当該ＲＦ信号に制御可能利得調整を与える少なくとも一つの可変利得増幅器（ＶＧＡ）とを含み得る。ビームフォーミングのための柔軟性を与えるには、位相シフトのための利用可能位相調整が、広い角度範囲、例えば完全な３６０°に及ぶことが望ましい。ＲＦ信号コンディショニング回路はさらに、送信のために信号を増幅する電力増幅器、及び／又は相対的に小さな量の雑音を導入しながら受信信号を増幅する低雑音増幅器（ＬＮＡ）のような他の回路も含み得る。

利得制御を目的として、ＲＦ信号コンディショニング回路は、アンテナ素子での送信のためにＲＦ送信信号を増幅するべくカスケード接続される送信ＶＧＡ及び電力増幅器と、アンテナ素子から受信したＲＦ受信信号を増幅するべくカスケード接続されるＬＮＡ及び受信ＶＧＡとを含み得る。送信ＶＧＡ／電力増幅器又はＬＮＡ／受信ＬＮＡは、一対の送信／受信スイッチを使用して選択することができる。

位相制御を目的として、粗位相シフタ及び微位相シフタをカスケード接続し、ＲＦ送信信号又はＲＦ受信信号の位相シフトのために使用することができる。所定の実装例において、粗位相シフタが位相スワッピング（０°シフト又は１８０°シフト）を与える一方、微位相シフタは、１８０°範囲に及ぶ微細な利得制御ステップを許容する。すなわち、粗位相シフタと微位相シフタとの組み合わせにより、完全な３６０°範囲にわたって位相シフトが得られる。

ダイ面積を低減するには、送信ＶＧＡと受信ＶＧＡとを組み合わせて、ＲＦ送信信号又はＲＦ受信信号いずれかを増幅するべく使用され得る単数双方向性ＶＧＡにすることが望ましい。かかる構成は、ダイ面積を低減するだけではなく、送信スイッチ／受信スイッチの一方を排除して損失を低減することもできる。

図３は、一実施形態に係るＲＦ信号コンディショニング回路１１０の模式的な図である。ＲＦ信号コンディショニング回路１１０は、微位相シフタＰＳ１、双方向性ＶＧＡ（ＢＶＧＡ）、電力増幅器（ＰＡ）、低雑音増幅器（ＬＮＡ）、アンテナＡＮＴ、及び送信／受信スイッチＴＲＳを含む。

アンテナＡＮＴは、送信／受信スイッチＴＲＳのアンテナ端子に結合される。アンテナＡＮＴは、ビームフォーミングのために使用される大きなアンテナアレイ（例えば図２Ａのアンテナアレイ１０２）のアンテナ素子に対応し得る。図３に示されるように、送信／受信スイッチＴＲＳの送信端子及び受信端子はそれぞれ、ＰＡの出力部及びＬＮＡの入力部に接続される。ＰＡがＢＶＧＡから送信信号ＴＸを受信する一方、ＬＮＡは受信信号ＲＸをＢＶＧＡに与える。ＶＧＡの利得は、利得制御信号ＧＡＩＮ_ＣＴＬによって制御される。信号ＴＲは、送信モードにおいてＢＶＧＡに与えられる入力送信信号、又は受信モードにおいてＢＶＧＡが出力する増幅された受信信号のいずれかに対応し得る。信号ＴＲは、位相制御信号ＰＨＡＳＥ_ＣＴＬによって制御される微位相シフタＰＳ１によって位相シフトされる。

ＲＦ信号コンディショニング回路１１０は、別個の送信ＶＧＡ及び別個の受信ＶＧＡを備えた構成と比べて低減されたダイ面積を与える。さらに、ＲＦ信号コンディショニング回路１１０は、一つの送信／受信スイッチのみを含むので、送信ＶＧＡ／ＰＡを選択し又はＬＮＡ／受信ＶＧＡを選択するべく一対の送信／受信スイッチを使用する構成と比べて低いスイッチ損失で動作する。

図４は、一実施形態に係る双方向性ＶＧＡ１２０の模式的な図である。双方向性ＶＧＡ１２０は、第１整合ネットワークＭ１、第２整合ネットワークＭ２、第３整合ネットワークＭ３、第１増幅器Ａ１、第２増幅器Ａ２、第３増幅器Ａ３、第４増幅器Ａ４、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、及び制御可能抵抗器Ｒ１を含む。双方向性ＶＧＡ１２０はさらに、ＴＲポート、ＴＸポート、及びＲＸポートを含む。

ＴＲポートは、（例えば位相制御信号に基づく微細なステップ又は増分で）０°～１８０°の位相シフトを与えることができる微位相シフタ（例えば図３のＰＳ１）に接続され得る。第１整合ネットワークＭ１は、第１増幅器Ａ１の入力及び第４増幅器Ａ４の出力の双方の整合のために使用される。

送信モードにおいて、第２増幅器Ａ２及び第２整合ネットワークＭ２は、第１増幅器Ａ１からの信号をＴＸポートへと向ける。受信モードにおいて、第３増幅器Ａ３及び第３整合ネットワークＭ３は、ＲＸポートからの受信信号を受信し、第４増幅器Ａ４を経由してＴＲポートへと向ける。スイッチ回路（この例ではスイッチＳ１及びスイッチＳ２を含む）が、送信モードにおける第１増幅器Ａ１の出力の第２増幅器Ａ２の入力への接続と、受信モードにおける第３増幅器Ａ３の出力の第４増幅器Ａ４の入力への接続とを制御する。

所定の実装例において、第１増幅器Ａ１はコモンゲート（ＣＧ）増幅器であり、第２増幅器Ａ４はコモンドレイン（ＣＤ）増幅器である。第１増幅器Ａ１及び第４増幅器Ａ４をこの態様で実装することにより、当該増幅器Ａ１及びＡ４のソース端子を簡単に一緒に接続することができ、第１整合ネットワークＭ１を、２つのインダクタ及び２つのキャパシタの配列として実装することができる。第１増幅器Ａ１は、適切に無効にされる場合、第４増幅器Ａ４の動作と干渉することがなく、逆もまたしかりである。さらに、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のサイズ及びバイアス条件を適切に選択することにより、第１整合ネットワークＭ１は、第１増幅器Ａ１の入力及び第４増幅器Ａ４の出力の双方に整合を与えることができる。

所定の実装例において、第２増幅器Ａ２はＣＤ増幅器であり、第３増幅器Ａ３はＣＧ増幅器である。例えば、第２増幅器Ａ２を第４増幅器Ａ４のレプリカとしてよい一方で、第３増幅器Ａ３を第１増幅器Ａ１のレプリカとしてよい。増幅器をこの態様で実装することにより、送信及び受信の利得の振幅、位相、及び／又は群遅延の整合が支援される。かかる整合性をさらに高めるべく、第２整合ネットワークＭ２及び第３整合ネットワークＭ３が、第１整合ネットワークＭ１のレプリカに対応し得るので、カスコード増幅器を使用する構成に使用されるネットワークと比べて、周波数にわたる群遅延の変動を少なくすることができる。

さらに、ＣＤ増幅器及びＣＧ増幅器を使用することにより、大きな整合インダクタを使用する、及び／又は供給電圧が低いときに不適切な出力圧縮ポイントを有するカスコード増幅器の使用が回避される。例えば、カスコード増幅器を使用するとき、ＶＧＡのポートが高キャパシタンスのＦＥＴゲートに接続されるので、大きな整合インダクタの使用が余儀なくされる。これとは対照的に、ＣＤ増幅器及びＣＧ増幅器を使用することにより、ＦＥＴゲートと比べて相対的に低キャパシタンスのＦＥＴソースにＶＧＡのポートを接続することができる。

図５は、他実施形態に係る双方向性ＶＧＡ１３０の模式的な図である。双方向性ＶＧＡ１３０は、第１増幅器１２１、第２増幅器１２２、第３増幅器１２３、第４増幅器１２４、バイアス及び制御の回路１２５、制御可能抵抗器Ｒ１、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第１キャパシタＣ１、第２キャパシタＣ２、第３キャパシタＣ３、第４キャパシタＣ４、第５キャパシタＣ５、第６キャパシタＣ６、第７キャパシタＣ７、第８キャパシタＣ８、第９キャパシタＣ９、第１０キャパシタＣ１０、第１１キャパシタＣ１１、第１２キャパシタＣ１２、第１３キャパシタＣ１３、第１４キャパシタＣ１４、第１インダクタＬ１、第２インダクタＬ２、第３インダクタＬ３、第４インダクタＬ４、第５インダクタＬ５、第６インダクタＬ６、第７インダクタＬ７、第８インダクタＬ８、第９インダクタＬ９、及び第１０インダクタＬ１０を含む。双方向性ＶＧＡ１３０はさらに、差動ＴＲポート、差動ＴＸポート、及び差動ＲＸポートを含む。

第１増幅器１２１は、バイアス抵抗器Ｒｂ１、トランジスタＮ１、及びトランジスタＮ２を含み、インダクタＬ５及びＬ６を負荷として使用する。第１増幅器１２１は、バイアス及び制御の回路１２５からの第１ゲートバイアス電圧Ｖｇ１によって制御されるＣＧ増幅器として実装される。

第２増幅器１２２は、バイアス抵抗器ＲＢ２ａ、バイアス抵抗器ＲＢ２ｂ、トランジスタＮ３、及びトランジスタＮ４を含む。第２増幅器１２２は、バイアス及び制御の回路１２５からの第２ゲートバイアス電圧Ｖｇ２によって制御されるＣＤ増幅器として実装される。

第３増幅器１２３は、バイアス抵抗器Ｒｂ３、トランジスタＮ５、及びトランジスタＮ６を含み、インダクタＬ９及びＬ１０を負荷として使用する。第３増幅器１２３は、バイアス及び制御の回路１２５からの第３ゲートバイアス電圧Ｖｇ３によって制御されるＣＧ増幅器として実装される。

第４増幅器１２４は、バイアス抵抗器Ｒｂ４ａ、バイアス抵抗器Ｒｂ４ｂ、トランジスタＮ７、及びトランジスタＮ８を含む。第４増幅器１２４は、バイアス及び制御の回路１２５からの第４ゲートバイアス電圧Ｖｇ４によって制御されるＣＤ増幅器として実装される。

図５に示されるように、バイアス及び制御の回路１２５は、双方向性ＶＧＡ１３０の利得を設定する利得制御信号ＧＡＩＮ_ＣＴＬと、送信モード又は受信モードを指示するモード信号ＭＯＤＥとを受信する。しかしながら、双方向性ＶＧＡ１３０を制御する他の構成も可能である。

この実施形態において、バイアス及び制御の回路１２５が、増幅器Ａ１、Ａ２、Ａ３及びＡ４それぞれにバイアスをかけるＶｇ１、Ｖｇ２、Ｖｇ３及びＶｇ４を生成するとともに、双方向性ＶＧＡ１３０が送信モードで動作しているか又は受信モードで動作しているかに基づいて当該増幅器を選択的に有効にする。バイアス及び制御の回路１２５はまた、双方向性ＶＧＡの利得設定を変えるべく抵抗器Ｒ１の抵抗を制御する利得信号ＧＡＩＮ_ＶＧＡと、スイッチＳ１及びＳ２を制御するスイッチ制御信号Ｓ_ＣＴＬとを生成する。

トランジスタＮ１及びＮ２（負荷インダクタＬ５及びＬ６とともに動作する）が、送信方向のＣＧ入力増幅器を形成する。インダクタＬ１及びＬ２並びにキャパシタＣ１及びＣ２が、ＴＲポートのための整合ネットワークを形成する。付加的に、キャパシタＣ５、Ｃ６、Ｃ７及びＣ８が、可変抵抗器Ｒ１のＤＣバイアスを、描かれたＣＧ増幅器及びＣＤ増幅器から分離するべく使用されるＤＣブロックキャパシタとして動作する。トランジスタＮ３及びＮ４が一緒になって送信方向の出力ＣＤ段を形成する。ＴＸポートのための整合ネットワークは、インダクタＬ３及びＬ４並びにキャパシタＣ３及びＣ４を含む。

受信方向において、トランジスタＮ５及びＮ６がインダクタＬ９及びＬ１０とともにＣＧ入力増幅器を形成し、トランジスタＮ７及びＮ８が出力ＣＤ増幅器を形成する。図示の実施形態において、トランジスタＮ７及びＮ８のソースはそれぞれが、トランジスタＮ１及びＮ２のソースに直接接続され、これらの４つのＦＥＴがＴＲポート整合ネットワークを共有する。したがって、明示的な送信／受信スイッチが必要とされない。すなわち、低減された損失及び小さな面積が達成される。

さらに、図５に示されるＣＧ増幅器及びＣＤ増幅器により、ＲＦポート間のかなり良好な分離が得られるので、ＲＦポートインピーダンスは、可変抵抗器Ｒ１の設定に対して変動することがほとんど又は全くない。ＣＧ増幅器及びＣＤ増幅器により（カスコード増幅器と比べて）デバイスの積層が回避されるので、大きな出力電圧スイングと、低い供給電圧（ＶＤＤ）のアプリケーションにおいて特に望ましい優れた出力圧縮ポイントとが許容される。

したがって、図５の双方向性ＶＧＡ１３０は、小さなダイ面積、低い損失、終端インピーダンスの広帯域整合性、利得平坦性、低い群遅延変動、及び／又は低い電力供給電圧からの高い出力１ｄＢ圧縮ポイント（ＯＰ１ｄＢ）を含むがこれらに限られない一定数の利点を示し得る。

図６は、一実施形態に係る粗位相シフタ１５０の模式的な図である。粗位相シフタ１５０は、トランジスタＮ１ａ、トランジスタＮ１ｂ、トランジスタＮ２ａ、トランジスタＮ２ｂ、バイアス抵抗器Ｒｂ１ａ、及びバイアス抵抗器Ｒｂ１ｂを含む。粗位相シフタ１５０は、差動入力ポートＩＮ及び差動出力ポートＯＵＴを含む。ゲートバイアス電圧Ｖｇ１ａがトランジスタＮ１ａ及びトランジスタＮ１ｂのゲートにバイアスをかける一方、ゲートバイアス電圧Ｖｇ１ｂはトランジスタＮ２ａ及びトランジスタＮ２ｂのゲートにバイアスをかける。

粗位相シフタ１５０は、図５の第１増幅器Ａ１及び／又は第３増幅器Ａ３のようなＣＧ増幅器の入力トランジスタ対の置換となるので、所望どおりの１８０°位相シフトのための柔軟性が得られる。

すなわち、差動信号経路全体を使用するときに双方向性ＶＧＡにおいて、位相スワッピングを容易に遂行することができる。例えば、第１増幅器Ａ１及び第３増幅器Ａ３はそれぞれが、（単数のＦＥＴ対ではなく）図６に示される交差接続ドレインを備えた２つのＦＥＴ対として実装される。位相スワッピングは、所望の位相シフト（０°又は１８０°）に従って一方の又は他方のＦＥＴ対を有効にすることによって遂行される。

例えば、Ｖｇ１ａが高でありＶｇ１ｂが低である場合、トランジスタＮ１ａ及びＮ１ｂが導通するので、増幅器は非反転となる（位相シフトが０°）。しかしながら、Ｖｇ１ｂが高であり、Ｖｇ１ａが低である場合、トランジスタＮ２ａ及びＮ２ｂが導通するので、増幅器は反転する（位相シフトが１８０°）。

図７は、双方向性ＶＧＡのための利得制御回路１６０の一実施形態の模式的な図である。利得制御回路１６０は、第１ポートＲＦＰと第２ポートＲＦＮとの間に存在する抵抗の量を制御する３つの抵抗選択回路を含む。この例では３つの抵抗選択回路が示されるにもかかわらず、これよりも多い又は少ない抵抗選択回路が、省略記号により示されるように含まれてよい。利得制御回路の一例が描かれるにもかかわらず、双方向性ＶＧＡにおいて利得制御回路の他の実装例が使用されてよい。

ここでの所定の実装例において、利得調整は、差動信号経路にわたって接続されるデジタル制御抵抗器によって遂行される。例えば、当該抵抗器は、デジタルスイッチ式ＦＥＴによって差動信号経路から接続又は接続解除される複数の抵抗器として実装してよい。

図示の実施形態において、各抵抗選択回路は、第１ＦＥＴ、抵抗器、及び第１ポートＲＦＰと第２ポートＲＦＮとの間に直列にされる第２ＦＥＴを含み、これらのＦＥＴのゲートには、一対の抵抗器を使用して制御電圧によりバイアスがかけられる。例えば、図６に示されるように、第１抵抗選択回路は、トランジスタＮ６１ａ、抵抗器ＲＲ１、及びＲＦＰとＲＦＮとの間に直列にされるトランジスタＮ６１ｂ、並びに、第１制御電圧Ｖｃ１によってＮ６１ａ及びＮ６１ｂそれぞれのゲートにバイアスをかけるバイアス抵抗器Ｒ６１ａ及びＲ６１ｂを含む。同様に、第２抵抗選択回路は、トランジスタＮ６２ａ、抵抗器ＲＲ２、及びＲＦＰとＲＦＮとの間に直列にされるトランジスタＮ６２ｂ、並びに、第２制御電圧Ｖｃ２によってＮ６２ａ及びＮ６２ｂそれぞれのゲートにバイアスをかけるバイアス抵抗器Ｒ６２ａ及びＲ６２ｂを含む。さらに、第３抵抗選択回路は、トランジスタＮ６３ａ、抵抗器ＲＲ３、及びＲＦＰとＲＦＮとの間に直列にされるトランジスタＮ６３ｂ、並びに、第３制御電圧Ｖｃ３によってＮ６３ａ及びＮ６３ｂそれぞれのゲートにバイアスをかけるバイアス抵抗器Ｒ６３ａ及びＲ６３ｂを含む。制御電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２、及びＶｃ３の値は、バイアス及び制御の回路（例えば図５のバイアス及び制御の回路）によって設定され得る。

所定の実装例において、抵抗器のＲＦポートＲＦＰ及びＲＦＮには、所望のＤＣ値（例えば電圧Ｖｓｄ）までＤＣバイアスがかけられる。例えば、Ｖｃ１がＶｓｄよりも高い場合、ＲＲ１がＲＦＰとＲＦＮとの間に接続される。同様に、Ｖｃ２がＶｓｄよりも高い場合、ＲＲ２がＲＦＰとＲＦＮとの間に接続される。同様に、Ｖｃ３がＶｓｄよりも高い場合、ＲＲ３がＲＦＰとＲＦＮとの間に接続される。いくつかの実装例において、すべての抵抗器は同一の値を有するが、他実装例においては、これらの抵抗器及びその相互コンダクタンス値は、二進重み付け又は他の所望の重み付けスキームを使用して重み付けすることができる。

図８は、携帯デバイス８００の一実施形態の模式的な図である。携帯デバイス８００は、ベース帯域システム８０１、送受信器８０２、フロントエンドシステム８０３、アンテナ８０４、電力管理システム８０５、メモリ８０６、ユーザインタフェイス８０７、及び電池８０８を含む。

携帯デバイス８００は、２Ｇ、３Ｇ、４Ｇ（ＬＴＥ、ＬＴＥアドバンスト、及びＬＴＥアドバンストプロ）、５ＧＮＲ、ＷＬＡＮ（例えばＷｉ－Ｆｉ）、ＷＰＡＮ（例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）及びＺｉｇＢｅｅ（登録商標））、ＷＭＡＮ（例えばＷｉＭａｘ）、及び／又はＧＰＳ技術を含むがこれらに限られない多種多様な通信技術を使用して通信するように使用することができる。

送受信器８０２は、送信のためのＲＦ信号を生成し、アンテナ８０４から受信した入来ＲＦ信号を処理する。理解されることだが、ＲＦ信号の送信及び受信に関連付けられる様々な機能は、図８においてまとめて送受信器８０２として代表される一以上のコンポーネントによって達成することができる。一例において、所定タイプのＲＦ信号を取り扱うべく別個のコンポーネント（例えば別個の回路又はダイ）を設けてもよい。

フロントエンドシステム８０３は、アンテナ８０４に送信し及び／又はアンテナ８０４から受信する信号のコンディショニングを支援する。図示の実施形態において、フロントエンドシステム８０３は、電力増幅器（ＰＡ）８１１、低雑音増幅器（ＬＮＡ）８１２、フィルタ８１３、スイッチ８１４、及びＶＧＡ８１５を含む。しかしながら、他の実装例も可能である。

例えば、フロントエンドシステム８０３は、送信信号の増幅、受信信号の増幅、信号のフィルタリング、異なる帯域間のスイッチング、異なる電力モード間のスイッチング、送信モード及び受信モード間のスイッチング、信号のデュプレクシング、信号のマルチプレクシング（例えばダイプレクシング又はトライプレクシング）、又はこれらの何らかの組み合わせを含むがこれらに限られない一定数の機能を与えることができる。

携帯デバイス８００は、ビームフォーミングとともに動作する。例えば、フロントエンドシステム８０３は、送受信器８０２によって制御される可変位相を有する位相シフタ８１０と、送受信器８０２によって制御される可変利得を有するＶＧＡ８１５とを含む。ＶＧＡ８１５は、ここでの教示に従って実装される一以上の双方向性ＶＧＡを含み得る。所定の実装例において、送受信器８０２は、プロセッサ８０１から受信したデータに基づいて位相シフタ８１０の位相及びＶＧＡ８１５の利得を制御する。

位相シフタ８１０及びＶＧＡ８１５は、アンテナ８０４を使用した信号の送信及び／又は受信のためのビームのフォーミング及び指向性を与えるように制御される。例えば、信号送信の文脈において、送信のために使用されるアンテナアレイに与えられる送信信号の位相及び利得が、放射される信号が建設的及び破壊的な干渉を使用して結合されるように制御され、所与の方向に伝播する強い信号強度を有するビームのような品質を示す集約送信信号が生成される。信号受信の文脈において、位相及び利得は、信号が特定の方向からアンテナアレイに到達するときに多くの信号エネルギーが受信されるように制御される。

ＶＧＡ８１５は、ここでの実施形態のいずれかに従って実装することができる。図８が、ここでの教示に従って実装される位相シフタを含み得る携帯デバイスの一例を示すにもかかわらず、ここでのＶＧＡは、多種多様な態様で実装される通信システムにおいて使用することができる。したがって、他の実装例も可能である。

所定の実装例において、携帯デバイス８００は、キャリアアグリゲーションをサポートするので、ピークデータレートを増加させる柔軟性が得られる。キャリアアグリゲーションは、周波数分割デュプレクシング（ＦＤＤ）及び時間分割デュプレクシング（ＴＤＤ）の双方に使用することができるので、複数のキャリア又はチャネルを集約（アグリゲーション）するべく使用してよい。キャリアアグリゲーションは、同じ動作周波数帯域内に連続キャリアが集約される連続アグリゲーションを含む。キャリアアグリゲーションは不連続でもよく、共通帯域内又は異なる帯域内で周波数が分離したキャリアを含んでもよい。

複数のアンテナ８０４は、多種多様なタイプの通信のために使用されるアンテナを含み得る。例えば、アンテナ８０４は、多種多様な周波数及び通信規格に関連付けられる信号の送信及び／又は受信のためのアンテナを含み得る。

所定の実装例において、アンテナ８０４は、ＭＩＭＯ通信及び／又はスイッチ式ダイバーシティ通信をサポートする。例えば、ＭＩＭＯ通信は、単数の無線周波数チャネルを経由して多重データストリームを通信する多重アンテナを使用する。ＭＩＭＯ通信は、無線環境の空間的多重化（マルチプレクシング）に起因して高信号対雑音比、改善されたコーディング、及び／又は信号干渉低減からの利益を受ける。スイッチ式ダイバーシティとは、特定の時刻に動作する特定のアンテナが選択される通信を言及する。例えば、観測ビット誤り率及び／又は信号強度指標のような様々な因子に基づいて一群のアンテナから特定のアンテナを選択するようにスイッチを使用することができる。

所定の実装例において、アンテナ８０４は、ビームフォーミングを強化するべく一以上のアレイのアンテナ素子を含む。

ベース帯域システム８０１は、音声及びデータのような様々なユーザ入出力（Ｉ／Ｏ）の処理を容易にするユーザインタフェイス８０７に結合される。ベース帯域システム８０１は、送受信器８０２に送信信号のデジタル表現を与え、これを送受信器８０２が処理して送信用のＲＦ信号が生成される。ベース帯域システム８０１はまた、送受信器８０２により与えられる受信信号のデジタル表現も処理する。図８に示されるように、携帯デバイス８００の動作を容易にするべくベース帯域システム８０１がメモリ８０６に結合される。

メモリ８０６は、携帯デバイス８００の動作を容易にするべく及び／又はユーザ情報の格納を与えるべく、データ及び／又は命令の格納のような多種多様な目的のために使用することができる。

電力管理システム８０５は、携帯デバイス８００の一定数の電力管理機能を与える。所定の実装例において、電力管理システム８０５は、複数の電力増幅器８１１の供給電圧を制御するＰＡ供給制御回路を含む。例えば、電力管理システム８０５は、電力付加効率（ＰＡＥ）のような効率を改善するべく複数の電力増幅器８１１のうちの一以上に与えられる供給電圧を変化させるように構成してよい。

図８に示されるように、電力管理システム８０５は、電池８０８から電池電圧を受信する。電池８０８は、携帯デバイス８００における使用のための、例えばリチウムイオン電池を含む任意の適切な電池としてよい。

図９は、一実施形態のモジュール６８０の平面図である。モジュール６８０は、基板６９０と、基板６９０に形成され及び／又は取り付けられる様々な構造物とを含む。例えば、モジュール６８０は、アンテナアレイ６８１、位相シフト伝送線路６８２、封入体６８３、ＩＣ６８４（この実施形態において制御回路６９１及びＶＧＡ６９２を含む）、表面実装デバイスすなわちＳＭＤ６８５、集積型受動デバイスすなわちＩＰＤ６８６、及び遮蔽体６８７を含む。モジュール６８０は、ここでの教示に係る一以上のＶＧＡを含む通信デバイスのモジュールに含まれ得るコンポーネント及び構造物の様々な例を示す。

コンポーネント及び構造物組み合わせの一例が示されるにもかかわらず、モジュールは、これよりも多い又は少ないコンポーネント及び／又は構造物を含んでよい。

図１０Ａは、他実施形態のモジュール７００の斜視図である。図１０Ｂは、図１０Ａのモジュール７００の、１０Ｂ－１０Ｂ線に沿った断面である。

モジュール７００は、積層材基板又は積層材７０１、半導体ダイ又はＩＣ７０２（図１０Ａにおいて不可視）、ＳＭＤ（図１０Ａにおいて不可視）、及びアンテナ素子７１０ａ１、７１０ａ２、７１０ａ３…７１０ａｎ、７１０ｂ１、７１０ｂ２、７１０ｂ３…７１０ｂｎ、７１０ｃ１、７１０ｃ２、７１０ｃ３…７１０ｃｎ、７１０ｍ１、７１０ｍ２、７１０ｍ３…７１０ｍｎを含むアンテナアレイを含む。

図１０Ａ及び１０Ｂに示されないにもかかわらず、モジュール７００は、明確性を目的として図面から省略されている付加的な構造部及びコンポーネントを含み得る。さらに、モジュール７００は、特定のアプリケーション及び／又は実装に対して望まれるように広範な態様で修正又は適合してよい。

アンテナ素子７１０ａ１、７１０ａ２、７１０ａ３…７１０ａｎ、７１０ｂ１、７１０ｂ２、７１０ｂ３…７１０ｂｎ、７１０ｃ１、７１０ｃ２、７１０ｃ３…７１０ｃｎ、７１０ｍ１、７１０ｍ２、７１０ｍ３…７１０ｍｎを、積層材７０１の第１表面に形成してよく、実装例に基づいて信号を受信及び／又は送信するべく使用することができる。４×４アレイのアンテナ素子が図示されるにもかかわらず、省略記号により示されるように、これよりも多い又は少ないアンテナ素子が可能である。さらに、アンテナ素子は、例えば、アンテナ素子の不均一な配列を使用するアレイを含む他のパターン又は構成にアレイ配列してよい。さらに、他実施形態において、送信及び受信のための別個のアンテナアレイのような多数のアンテナアレイが設けられる。

図示の実施形態において、ＩＣ７０２が、積層材７０１の、第１表面とは反対側の第２表面に存在する。しかしながら、他の実装例も可能である。一例において、ＩＣ７０２は、積層材７０１の内部に集積される。

所定の実装例において、ＩＣ７０２は、アンテナ素子７１０ａ１、７１０ａ２、７１０ａ３…７１０ａｎ、７１０ｂ１、７１０ｂ２、７１０ｂ３…７１０ｂｎ、７１０ｃ１、７１０ｃ２、７１０ｃ３…７１０ｃｎ、７１０ｍ１、７１０ｍ２、７１０ｍ３…７１０ｍｎに関連付けられてここでの教示に従って実装されるＶＧＡを含むＲＦ信号コンディショニング回路を含む。一つの半導体チップを備えた実装例が示されるにもかかわらず、ここでの教示は付加的なチップを備えた実装例にも適用可能である。

積層材７０１は、例えば、導電層、誘電層、及び／又ははんだマスクを含む様々な構造物を含み得る。当該層を形成するべく使用される層の数、層厚さ、及び材料は、多種多様な因子に基づいて選択することができ、アプリケーション及び／又は実装によって変わり得る。積層材７０１は、アンテナ素子の信号フィード及び／又はグランドフィードへの電気接続を与えるビアを含み得る。例えば、所定の実装例において、ビアは、ＩＣ７０２のＲＦ信号コンディショニング回路と対応アンテナ素子との間に電気接続を設ける支援となり得る。

アンテナ素子７１０ａ１、７１０ａ２、７１０ａ３…７１０ａｎ、７１０ｂ１、７１０ｂ２、７１０ｂ３…７１０ｂｎ、７１０ｃ１、７１０ｃ２、７１０ｃ３…７１０ｃｎ、７１０ｍ１、７１０ｍ２、７１０ｍ３…７１０ｍｎは、多種多様な態様で実装されるアンテナ素子に対応し得る。一例において、アンテナ素子のアレイは、積層材７０１の第１側のパターン状導電層から形成されるパッチアンテナ素子を含み、これは、積層材７０１の反対側の又は積層材７０１の内部の導電層を使用して形成されるグランドプレーンを有する。アンテナ素子の他の例は、ダイポールアンテナ素子、セラミック共振器、スタンプ加工金属アンテナ、及び／又はレーザ直接構造化アンテナを含むがこれらに限られない。

アプリケーション

ここに記載される実施形態の原理及び利点は、多種多様なアプリケーションのために使用することができる。

例えば、ＶＧＡは、消費者用電子製品、消費者用電子製品の部品、電子試験機器等を含むがこれらに限られない様々な電子デバイスに含めることができる。電子デバイスの例は、基地局、無線ネットワークアクセスポイント、携帯電話機（例えばスマートフォン）、タブレット、テレビ、コンピュータモニタ、コンピュータ、ハンドヘルドコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、電子レンジ、冷蔵庫、自動車、ステレオシステム、ディスクプレーヤー、デジタルカメラ、携帯型メモリチップ、洗濯機、乾燥機、コピー機、ファクシミリ装置、スキャナ、多機能周辺デバイス、腕時計、置時計等を含むがこれらに限られない。さらに、電子デバイスは未完成の製品も含んでよい。

おわりに

文脈が明確にそうでないことを要求しない限り、明細書及び特許請求の範囲全体を通して、「含む」、「備える」等の用語は、排他的又は網羅的な意味とは逆の、包括的な意味で、すなわち「～を含むがこれに限られない」意味で解釈されるべきである。ここで一般に使用される用語「結合」は、２つ以上の要素が、直接に接続されるか、又は一以上の中間要素を経由して接続されるかのいずれかとなり得ることを言及する。同様に、ここで一般に使用される用語「接続」も、２つ以上の要素が、直接に接続されるか、又は一以上の中間要素を経由して接続されるかのいずれかとなり得ることを言及する。加えて、本願において使用される場合、用語「ここで」、「上」、「下」、及び同様の意味の用語は、本願全体を言及するものとし、本願のいずれか特定の部分を言及するわけではない。文脈上許容される場合、単数又は複数の数を使用する上記の詳細な説明における用語は、それぞれ複数又は単数の数も含み得る。２つ以上の項目のリストを参照する「又は」及び「若しくは」という用語は、その用語の以下の解釈、すなわち、リスト内の項目のいずれか、リスト内の項目のすべて、及びリスト内の項目の任意の組み合わせ、のすべてをカバーする。

さらに、具体的に記述されない限り、又は使用される文脈内でそうでないと理解されない限り、とりわけ「できる」、「し得る」、「してよい」、「かもしれない」、「例えば」、「のような」等のようなここで使用される条件的言語は一般に、所定の実施形態が所定の特徴、要素、及び／又は状態を含む一方で他の実施形態は含まないことを意図する。すなわち、かかる条件的言語は一般に、特徴、要素及び／若しくは状態が、一以上の実施形態に必要な任意の態様で存在すること、又は一以上の実施形態が、著者のインプット若しくはプロンプトあり若しくはなしで、これらの特徴、要素及び／若しくは状態が含まれるか否か、若しくは任意の特定の実施形態において行われるべきか否かを決定する論理を必ず含むこと、を含意することが意図されていない。

本発明の実施形態の上記説明は、網羅的であることを意図したものではなく、又は上記開示の正確な形態に本発明を限定することを意図したものでもない。本発明の特定の実施形態及び例は、説明目的のために上述されているが、当業者が認識するように、本発明の範囲内で様々な等価な修正例が可能である。例えば、プロセス又はブロックが所与の順序で提示される一方、代替の実施形態が異なる順序でステップを有するルーチンを実行し又はブロックを有するシステムを用いることができ、いくつかのプロセス又はブロックは、削除、移動、追加、細分化、結合及び／又は修正され得る。これらのプロセス又はブロックはそれぞれが、様々な異なる態様で実装してよい。また、プロセス又はブロックは、直列に実行されるように示されることがある一方、これらのプロセス又はブロックは、その代わりに並列に実行されてもよく、又は異なる時刻に実行されてもよい。

ここに与えられる本発明の教示は、必ずしも上述のシステムというわけではない他のシステムに適用することができる。上述の様々な実施形態の要素及び作用は、さらなる実施形態を与えるべく組み合わせてよい。

本発明の所定の実施形態が記載されてきたが、これらの実施形態は例としてのみ提示されており、本開示の範囲を限定することを意図しない。実際のところ、ここに記載される新規な方法及びシステムは、様々な他の形式で具体化してよく、さらには、ここに記載される方法及びシステムの形式の様々な省略、置換及び変更を、本開示の要旨から逸脱することなく行ってよい。添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物は、本開示の範囲及び要旨に収まるような形式又は修正をカバーすることが意図される。

Claims (20)

1. 無線デバイスであって、
   複数のアンテナ素子を含むアンテナアレイと、
   それぞれが前記複数のアンテナ素子のうちの対応する一つのアンテナ素子に動作可能に関連付けられて双方向性可変利得増幅器を含む複数の無線周波数信号コンディショニング回路と、
   前記複数の無線周波数信号コンディショニング回路に電気的に結合される送受信器と
   を含み、
   前記双方向性可変利得増幅器は、
   送信／受信ポートに結合される入力部を含む第１増幅器と、
   送信ポートに結合される出力部を含む第２増幅器と、
   受信ポートに結合される入力部を含む第３増幅器と、
   前記送信／受信ポートに結合されて前記第１増幅器の入力部にも結合される出力部を含む第４増幅器と、
   送信モードにおいて前記第１増幅器の出力部を前記第２増幅器の入力部に接続し、受信モードにおいて前記第３増幅器の出力部を前記第４増幅器の入力部に接続するように構成されるスイッチ回路と
   を含む、無線デバイス。
2. 前記第１増幅器は第１コモンゲート増幅器であり、
   前記第４増幅器は第１コモンドレイン増幅器である、請求項１の無線デバイス。
3. 前記第２増幅器は第２コモンゲート増幅器であり、
   前記第３増幅器は第２コモンドレイン増幅器である、請求項２の無線デバイス。
4. 前記第１増幅器は、第１対のソースを有する第１対のトランジスタを含み、
   前記第２増幅器は、前記第１対のソースに直接接続される第２対のソースを有する第２対のトランジスタを含む、請求項１の無線デバイス。
5. 前記スイッチ回路は、コモンノードに接続される第１スイッチ及び第２スイッチを含み、
   前記双方向性可変利得増幅器はさらに、前記コモンノードに接続される制御可能抵抗器を含む、請求項１の無線デバイス。
6. 前記第１増幅器又は前記第３増幅器の少なくとも一方が、選択可能な第１対の入力トランジスタ及び第２対の入力トランジスタを含み、
   前記第１対の入力トランジスタは、選択されると信号反転を与えるように構成され、
   前記第２対の入力トランジスタは、選択されると信号反転を与えないように構成される、請求項１の無線デバイス。
7. 前記複数の無線周波数信号コンディショニング回路はそれぞれが、前記送信／受信ポートに接続される位相シフタをさらに含む、請求項１の無線デバイス。
8. 前記複数の無線周波数信号コンディショニング回路はさらに、
   前記送信ポートに接続される入力部を有する電力増幅器と、
   前記受信ポートに接続される出力部を有する低雑音増幅器と
   を含む、請求項１の無線デバイス。
9. 双方向性可変利得増幅器であって、
   送信／受信ポートに結合される入力部を含む第１増幅器と、
   送信ポートに結合される出力部を含む第２増幅器と、
   受信ポートに結合される入力部を含む第３増幅器と、
   前記送信／受信ポートと前記第１増幅器の入力部とに結合される出力部を含む第４増幅器と、
   送信モードにおいて第１増幅器の出力部を第２増幅器の入力部に接続し、受信モードにおいて第３増幅器の出力部を第４増幅器の入力部に接続するように構成されるスイッチ回路と
   を含む、双方向性可変利得増幅器。
10. 前記第１増幅器は第１コモンゲート増幅器であり、
    前記第４増幅器は第１コモンドレイン増幅器である、請求項９の双方向性可変利得増幅器。
11. 前記第２増幅器は第２コモンゲート増幅器であり、
    前記第３増幅器は第２コモンドレイン増幅器である、請求項１０の双方向性可変利得増幅器。
12. 前記第１増幅器は、第１対のソースを有する第１対のトランジスタを含み、
    前記第２増幅器は、前記第１対のソースに直接接続される第２対のソースを有する第２対のトランジスタを含む、請求項９の双方向性可変利得増幅器。
13. 前記第１対のソースと前記第２対のソースとに接続される一対のインダクタをさらに含み、
    前記一対のインダクタは、前記第１増幅器に入力整合を与えて前記第４増幅器に出力整合を与えるように構成される、請求項１２の双方向性可変利得増幅器。
14. 前記スイッチ回路は、コモンノードに接続される第１スイッチ及び第２スイッチを含む、請求項９の双方向性可変利得増幅器。
15. 前記コモンノードに接続される制御可能抵抗器をさらに含む、請求項１４の双方向性可変利得増幅器。
16. 前記第１増幅器又は前記第３増幅器の少なくとも一方が、選択可能な第１対の入力トランジスタ及び第２対の入力トランジスタを含み、
    前記第１対の入力トランジスタは、選択されると信号反転を与えるように構成され、
    前記第２対の入力トランジスタは、選択されると信号反転を与えないように構成される、請求項９の双方向性可変利得増幅器。
17. 前記送信モードにおいて前記第３増幅器及び前記第４増幅器をオフにし、前記受信モードにおいて前記第１増幅器及び前記第２増幅器をオフにするように構成されるバイアス及び制御の回路をさらに含む、請求項９の双方向性可変利得増幅器。
18. フロントエンドシステムであって、
    電力増幅器と、
    低雑音増幅器と、
    双方向性可変利得増幅器と
    を含み、
    前記双方向性可変利得増幅器は、
    送信／受信ポートに結合される入力部を含む第１増幅器と、
    送信ポートにおいて前記電力増幅器の入力部に結合される出力部を含む第２増幅器と、
    受信ポートにおいて前記低雑音増幅器の出力部に結合される入力部を含む第３増幅器と、
    前記送信／受信ポートと前記第１増幅器の入力部とに結合される出力部を含む第４増幅器と、
    送信モードにおいて前記第１増幅器の出力部を前記第２増幅器の入力部に接続し、受信モードにおいて前記第３増幅器の出力部を前記第４増幅器の入力部に接続するように構成されるスイッチ回路と
    を含む、フロントエンドシステム。
19. 前記第１増幅器は第１コモンゲート増幅器であり、前記第４増幅器は第１コモンドレイン増幅器である、請求項１８のフロントエンドシステム。
20. 前記第２増幅器は第２コモンゲート増幅器であり、前記第３増幅器は第２コモンドレイン増幅器である、請求項１９のフロントエンドシステム。
    

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