JP2022185583A - 複数の終端構成を有する方向性結合器 - Google Patents
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Abstract
Description
背景
1.関連出願
本願は、2021年6月2日に出願された、DIRECTIONAL COUPLER WITH MULTIPLE ARRANGEMENTS OF TERMINATION(複数の終端構成を有する方向性結合器)と題される米国仮出願第63/195,823号に基づく優先権およびその利益を主張し、この出願の全体を本明細書に引用により援用する。
1.関連出願
本願は、2021年6月2日に出願された、DIRECTIONAL COUPLER WITH MULTIPLE ARRANGEMENTS OF TERMINATION(複数の終端構成を有する方向性結合器)と題される米国仮出願第63/195,823号に基づく優先権およびその利益を主張し、この出願の全体を本明細書に引用により援用する。
2.発明の分野
本開示は、概して方向性結合器に関する。より具体的には、本開示の局面は、複数の終端構成を用いて結合器の性能を改善するためのシステムおよび方法に関する。
本開示は、概して方向性結合器に関する。より具体的には、本開示の局面は、複数の終端構成を用いて結合器の性能を改善するためのシステムおよび方法に関する。
概要
本開示のいくつかの局面に従い、無線周波数信号結合器が提供される。無線周波数信号結合器は、入力ポートと、出力ポートと、入力ポートと出力ポートとの間に延在する主伝送線路と、主伝送線路に電磁的に結合された結合伝送線路と、結合伝送線路に結合された少なくとも1つの結合ポートと、結合伝送線路に接続された複数の終端ポートとを備える。複数の終端ポートのうちの各終端ポートは、複数の信号周波数に対応する複数の結合係数を提供するために、異なる位置で結合伝送線路に接続される。
本開示のいくつかの局面に従い、無線周波数信号結合器が提供される。無線周波数信号結合器は、入力ポートと、出力ポートと、入力ポートと出力ポートとの間に延在する主伝送線路と、主伝送線路に電磁的に結合された結合伝送線路と、結合伝送線路に結合された少なくとも1つの結合ポートと、結合伝送線路に接続された複数の終端ポートとを備える。複数の終端ポートのうちの各終端ポートは、複数の信号周波数に対応する複数の結合係数を提供するために、異なる位置で結合伝送線路に接続される。
いくつかの実施形態において、複数の終端インピーダンスが複数の終端ポートに結合される。さまざまな実施形態において、複数の終端インピーダンスを複数の終端ポートに選択的に接続するように構成された複数のスイッチが提供される。いくつかの実施形態において、複数の終端インピーダンスのうちの終端インピーダンスは、固定インピーダンスおよび/または調整可能インピーダンスを含む。いくつかの実施形態において、複数のスイッチのうちのスイッチは、結合伝送線路に対称的に結合され、入力ポートまたは出力ポートにおいて受信されている無線周波数信号に基づいて複数の終端インピーダンスのうちのインピーダンスを選択的に結合するように構成される。
さまざまな実施形態において、複数の終端インピーダンスのうちの第1の終端インピーダンスは、複数の終端ポートのうちの第1の終端ポートに結合され、複数の終端インピーダンスのうちの第2の終端インピーダンスは、複数の終端ポートのうちの第2の終端ポートに結合される。いくつかの実施形態において、第1の終端インピーダンスを、複数の信号周波数のうちの第1の信号周波数に同調させ、第2の終端インピーダンスを、複数の信号周波数のうちの第2の信号周波数に同調させる。多数の実施形態において、第1の終端ポートは、第1の信号周波数に対応する第1の結合係数を提供するために、第1の位置で結合伝送線路に接続され、第2の終端ポートは、第2の信号周波数に対応する第2の結合係数を提供するために、第2の位置で結合伝送線路に接続される。
いくつかの実施形態において、第1の結合係数は、第1の終端ポートと少なくとも1つの結合ポートとの間の結合伝送線路の第1の長さに対応し、第2の結合係数は、第2の終端ポートと少なくとも1つの結合ポートとの間の結合伝送線路の第2の長さに対応する。多数の実施形態において、第1の結合係数は、第1の信号周波数において所望のレベルの挿入損失を提供するように選択され、第2の結合係数は、第2の信号周波数において所望のレベルの挿入損失を提供するように選択される。さまざまな実施形態において、第1の信号周波数における第1の結合係数は、第2の信号周波数における第2の結合係数と実質的に同様である。
いくつかの実施形態において、無線周波数信号結合器は、第1および第2の信号周波数における入力ポートと出力ポートとの間の挿入損失を最小にするように構成される。多数の実施形態において、上記少なくとも1つの結合ポートは、入力無線周波数信号が入力ポートで受信されたときに第1の結合信号を提供するように構成された第1の結合ポートを含む。さまざまな実施形態において、無線周波数信号結合器は、第1および第2の信号周波数において第1の結合信号の実質的に一定の電力レベルを維持するように構成される。いくつかの実施形態において、上記少なくとも1つの結合ポートは、入力無線周波数信号が出力ポートで受信されたときに第2の結合信号を提供するように構成された第2の結合ポートを含む。多数の実施形態において、無線周波数信号結合器は、第1および第2の信号周波数において第2の結合信号の実質的に一定の電力レベルを維持するように構成される。
本開示のいくつかの局面に従い、無線周波数結合器における挿入損失を低減する方法が提供される。この方法は、第2の伝送線路に電磁的に結合される第1の伝送線路上で無線周波数(RF)信号を受信するステップを含み、RF信号は、第1の周波数および第1の周波数とは異なる第2の周波数のうちの一方である周波数を有し、この方法はさらに、RF信号に基づいて第2の伝送線路上に誘起RF信号を誘起するステップを含み、誘起RF信号は、RF信号の周波数に対応する、第1の周波数および第2の周波数のうちの一方を有し、この方法はさらに、第1の結合係数を有する第1の結合信号を提供するために、第1の周波数を有する誘起RF信号を、第2の伝送線路の長さに沿った第1の位置で終端するステップと、第1の結合係数と実質的に同一である第2の結合係数を有する第2の結合信号を提供するために、第2の周波数を有する誘起RF信号を、第2の伝送線路に沿った第2の位置で終端するステップとを含む。
いくつかの実施形態において、この方法は、第1および第2の伝送線路の結合係数を変更するために、第2の伝送線路に結合された複数のインピーダンスのうちの少なくとも1つのインピーダンスを調整するステップを含む。さまざまな実施形態において、第2の伝送線路は、上記複数のインピーダンスに結合された1つ以上のスイッチを有し、この方法は、RF信号の方向または周波数のうちの少なくとも一方に基づいてスイッチを選択的にオンまたはオフに切り替えるステップを含む。多数の実施形態において、この方法は、第1および第2の周波数における指向性を最大にするため、第1および第2の周波数におけるアイソレーション(isolation)を最大にするため、第1の周波数における第1の結合係数を最小にするため、および第2の周波数における第2の結合係数を最小にするために、第1および第2の位置を選択するステップを含む。
少なくとも1つの実施形態のさまざまな局面について、以下で添付の図面を参照しながら説明するが、図面は正しい縮尺を意図していない。図面は、さまざまな局面および実施形態の例示を提供しさらなる理解を得るために含まれ、本明細書に組み込まれてその一部を構成するが、本発明の限定を定義することを意図していない。図面では、さまざまな図面に示される同一またはほぼ同一の各構成要素が同様の数字で表される。明確にするため、どの図面のどの構成要素にも符号が付されている訳ではない。
詳細な説明
局面および実施例は、双方向結合器およびその構成要素、ならびにそれを組み込んだ装置、モジュール、およびシステムに向けられている。
局面および実施例は、双方向結合器およびその構成要素、ならびにそれを組み込んだ装置、モジュール、およびシステムに向けられている。
本明細書に記載の方法および装置の実施形態は、以下の説明に記載されるまたは添付の図面に示される構成要素の構造および配置の詳細に、用途が限定されないことを、理解されたい。上記方法および装置は、他の実施形態においても実現可能であり、さまざまな方法で実施または実行することができる。特定の実装形態の例は、本明細書において例示のみを目的として提供され、限定を意図していない。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明が目的であって、限定するものとみなされてはならない。本明細書における「含む(including)」、「備える/含む(comprising)」、「有する(having)」、「含む(containing)」、「伴う(involving)」およびそれらの変形の使用は、それに続いて列挙されるアイテムおよびその均等物ならびにさらに他のアイテムを包含することを意味する。「または」の記載は、「または」を用いて記述されるどの用語も、記述されている用語のうちの1つ、2つ以上、およびすべてのうちのいずれかを示し得るよう、包括的なものとして解釈できるものである。
図1は、RF信号を送信および受信するために、たとえば携帯電話等の通信デバイスにおいて使用されてもよい無線周波数(RF)「フロントエンド」サブシステムまたはモジュール(FEM)100の典型的な構成の一例を示すブロック図である。図1に示すFEM100は、送信のためにアンテナ140に信号を提供するように構成された送信経路(TX)と、アンテナ140から信号を受信するための受信経路(RX)とを含む。送信経路(TX)において、電力増幅器モジュール110は、入力ポート101を介してFEM100に入力されるRF信号105に利得を与え、増幅されたRF信号を生成する。電力増幅器モジュール110は、1つ以上の電力増幅器(PA)を含み得る。
FEM100はさらに、1つ以上のフィルタを含み得るフィルタリングサブシステムまたはモジュール120を含み得る。方向性結合器130は、電力増幅器モジュール110とFEM100に接続されたアンテナ140との間で送られるRF信号から電力の一部を抽出するために使用することができる。アンテナ140は、RF信号を送信することができ、RF信号を受信することもできる。アンテナスイッチングモジュール(ASM)とも呼ばれるスイッチング回路150は、たとえばFEM100の送信モードと受信モードとの間、または異なる送信もしくは受信周波数帯域の間で切り替えを行うために使用することができる。ある例において、スイッチング回路150は、コントローラ160の制御の下で動作させることができる。図示のように、方向性結合器130は、フィルタリングサブシステム120とスイッチング回路150との間に配置することができる。他の例において、方向性結合器130は、電力増幅器モジュール110とフィルタリングサブシステム120との間、またはスイッチング回路150とアンテナ140との間に配置されてもよい。
FEM100はまた、アンテナ140によって受信された信号を処理し、受信された信号を出力ポート171を介して信号プロセッサ(たとえばトランシーバ)に提供するように構成された受信経路(RX)を含み得る。受信経路(RX)は、アンテナ140から受信された信号を増幅するための1つ以上の低雑音増幅器(LNA)170を含み得る。図示されていないが、受信経路(RX)は、受信信号をフィルタリングするための1つ以上のフィルタも含み得る。
先に述べたように、方向性結合器(たとえば方向性結合器130)は、無線トランシーバ、ワイヤレスハンドセットなどのようなフロントエンドモジュール(FEM)製品で使用することができる。たとえば、方向性結合器は、RF出力電力を検出および監視するために使用することができる。RFソースによって生成されたRF信号が、アンテナ等の負荷に与えられると、RF信号の一部は、負荷からRFソースに向かって反射される可能性がある。RF結合器をRFソースと負荷との間の信号経路に含めることにより、RFソースから負荷に送られるRF信号の順方向RF電力の表示および/または負荷から反射される逆方向RF電力の表示を提供することができる。RF結合器は、たとえば方向性結合器、双方向性結合器、マルチバンド結合器(たとえばデュアルバンド結合器)などを含む。
図2を参照すると、RF結合器200は、典型的に、電力入力ポート202と、電力出力ポート204と、結合ポート206と、アイソレーションポート208とを有する。誘導性結合または容量性結合を含み得る電磁結合機構は、典型的に、マイクロストリップ、ストリップ線路、コプレナー線路などのような、2つの平行するまたは重なり合う伝送線路によって提供される。電力入力ポート202と電力出力ポート204との間に延在する伝送線路210は、主線路と名付けられ、信号の大部分を電力入力ポート202から電力出力ポート204に提供することができる。結合ポート206とアイソレーションポート208との間に延在する伝送線路212は、結合線路と名付けられ、測定のために、電力入力ポート202と電力出力ポート204との間で送られる電力の一部を抽出するために使用することができる。いくつかの例において、伝送線路210、212の各々によって提供されるインダクタンスの量は、各伝送線路の長さに対応する。ある例において、伝送線路210、212の代わりにインダクタコイルが使用されてもよい。
(図2に示すように)終端インピーダンス214がアイソレーションポート208に提示されると、電力入力ポート202から電力出力ポート204に送られる順方向RF電力の表示が結合ポート206において提供される。同様に、終端インピーダンスが結合ポート206に提示されると、電力出力ポート204から電力入力ポート202に送られる逆方向RF電力の表示が、結合ポート206において提供され、これはこのときには事実上、逆方向RF電力のためのアイソレーションポートである。終端インピーダンス214は、典型的に、さまざまな従来のRF結合器において50オームのシャント抵抗器によって実現される。しかしながら、他の例において、終端インピーダンス214は、特定の動作周波数に対して異なるインピーダンス値を提供し得る。いくつかの例において、終端インピーダンス214は、複数の動作周波数をサポートするように調整可能であってもよい。
一例において、RF結合器200は、伝送線路210(または第1のインダクタコイル)と伝送線路212(または第2のインダクタコイル)との相互結合および伝送線路210(または第1のインダクタコイル)と伝送線路212(または第2のインダクタコイル)との容量性結合に対応する結合係数を提供するように構成される。いくつかの例において、結合係数は、伝送線路210、212間の間隔および伝送線路210、212のインダクタンスの関数であってもよい。多くの場合、結合係数は、周波数の増加に伴って増加する。結合係数の増加に伴い、より多くの電力が、主線路(すなわち伝送線路210)から結合線路(すなわち伝送線路212)に結合され、RF結合器200の挿入損失を増加させる。
そのため、RF結合器は、典型的に、特定の周波数(または帯域)において所望の結合係数を実現するように設計される。しかしながら、場合によっては、RF結合器は、マルチモード、マルチ周波数用途で使用するために構成されてもよい。たとえば、RF結合器は、第1の動作モードおよび第2の動作モードで動作するように構成されたFEM(たとえば図1のFEM100)に含まれてもよい。一例において、第1の動作モードは低周波信号(たとえば1GHz)に対応するものであってもよく、第2の動作モードは高周波信号(たとえば3GHz)に対応するものであってもよい。よって、RF結合器は、低周波信号および高周波信号に対応するアイソレーションポート208に結合された1つ以上の終端インピーダンスを含み得る。しかしながら、RF結合器は、第1の動作モード中に所望の結合係数を実現するように設計されてもよく、結合係数は、第2の動作モード中に意図されるまたは所望されるものよりも強くてもよい。よって、減衰器が、第2の動作モード中に結合電力を低減するために使用されてもよい。同様に、RF結合器の挿入損失は第2の動作モード中に増加する可能性があり、電力増幅器モジュール110(または別のRFソース)の出力電力を、増加した挿入損失を補償するために第2の動作モード中に増加させてもよい。
いくつかの例において、第2の動作モード(すなわち高周波モード)中に結合電力を低減するために減衰器を含めると、RF結合器のフットプリントおよびFEM100の全体的なパッケージサイズが増加する可能性がある。加えて、第2の動作モード中に結合電力を減衰させることにより、RF結合器によって提供される出力電力監視の精度が低下する場合がある。たとえば、減衰器が提供する減衰は、増加した結合係数に対応する過剰電力の正確な量を補償しない場合があり、減衰器が提供する減衰の正確な値は変化する場合がある。同様に、バイパススイッチが、第1の動作モード(すなわち低周波モード)中に減衰器をバイパスするために必要な場合がある。余分な空間を占有することに加えて、バイパススイッチは、結合された電力信号経路においてさらに損失をもたらし得る。加えて、第2の動作モード中により高い出力電力を提供するように電力増幅器モジュール110(または別のRFソース)を動作させることは、電力増幅器モジュール110の効率を低下させ、FEM100の消費電力を増加させる可能性がある。
他の例において、RF結合器は、動作モード(たとえば第1または第2の動作モード)に応じて接続または分離できる結合トレースの複数の区間で構成されてもよい。一例において、結合トレースは、RF結合器の結合係数を調整するためにスイッチを介して選択的に接続されるように構成される。いくつかの例において、結合トレースの複数の区間が原因で、RF結合器は、複数の結合ポートを有する場合があり、周波数コンバイナ構成要素(たとえばダイプレクサ、トリプレクサ、nポートマルチプレクサなど)が、複数の信号を組み合わせて単一の出力にするために使用されてもよい。しかしながら、周波数コンバイナ構成要素を含めると、RF結合器のフットプリントおよびFEM100の全体的なパッケージサイズが増加する可能性がある。
これに代えて、第1および第2の動作モードをサポートするために、FEM100を、各モードごとに別個のRF結合器を含むように構成することができる。たとえば、FEM100は、第1の動作モード中に所望の結合係数を実現するように設計された第1のRF結合器と、第2の動作モード中に所望の結合係数を実現するように設計された第2のRF結合器とを含み得る。しかしながら、別個のRF結合器を含めると、FEM100のフットプリントおよび/またはパッケージサイズが増加する可能性がある。加えて、RF結合器間の切り替えのために使用されるスイッチング回路も、FEM100のフットプリントおよび/またはパッケージサイズを増加させる可能性があり、信号経路に追加の損失を導入する可能性がある。
そのため、本明細書では、改善された信号結合器が提供される。少なくとも1つの実施形態において、結合器は、ある信号周波数範囲に対して最適化された異なる結合係数を提供するように配置された複数の終端を含む。いくつかの例において、各終端は、異なる結合係数を提供するために、異なる位置で結合器の結合線路に接続される。ある例において、複数の終端は、信号周波数の範囲にわたって挿入損失を最小に抑えながら、実質的に一定の結合電力レベルを維持するように構成される。
図3は、本明細書に記載の局面に係る、方向性結合器300の概略図を示す。図示のように、方向性結合器300は、入力ポート302と、出力ポート304と、結合ポート306と、第1の終端ポート308aと、第2の終端ポート308bと、主伝送線路310と、結合伝送線路312と、第1の終端インピーダンス314aと、第2の終端インピーダンス314bとを含む。
一例において、主伝送線路310は、入力ポート302と出力ポート304との間に接続される。いくつかの例において、入力ポート302は、FEMのフィルタまたは増幅器(たとえばFEM100のフィルタリングサブシステム120または電力増幅器モジュール110)の出力に結合されるように構成される。同様に、出力ポート304は、FEMのスイッチ/アンテナポート(たとえばFEM100のスイッチング回路150またはアンテナ140に接続されたポート)の入力に結合されるように構成されてもよい。
一例において、結合伝送線路312は、結合ポート306と第1の終端ポート308aとの間に結合される。結合ポート306と第1の終端ポート308aとの間の距離は、第1の長さL1(すなわち結合伝送線路312の長さ)に対応する。図示のように、第2の終端ポート308bは、第1の終端ポート308aとは異なる位置で、結合伝送線路312に接続される。一例において、結合ポート306と第2の終端ポート308bとの間の距離は、第2の長さL2に対応する。
いくつかの例において、無線周波数信号が主伝送線路310の入力ポート302に与えられると、この信号は主伝送線路310の出力ポート304を介して出力され、結合信号が結合伝送線路312の結合ポート306に提供される。先に述べたように、第1の終端ポート308aおよび第2の終端ポート308bは、異なる位置で結合伝送線路312に接続される。一例において、第1の終端インピーダンス314aは第1の周波数に対して最適化され(すなわち同調され)、第2の終端インピーダンス314bは第2の周波数に対して最適化される(すなわち同調される)。よって、無線周波数信号が第1の周波数を有する入力ポート302に与えられた場合、結合伝送線路312は、結合ポート306と第1の終端ポート308aとの間の距離(すなわち第1の長さL1)に対応する有効長を有する。同様に、無線周波数信号が第2の周波数を有する入力ポート302に与えられた場合、結合伝送線路312は、結合ポート306と第2の終端ポート308bとの間の距離(すなわち第2の長さL2)に対応する有効長を有する。
一例において、第1の周波数は第2の周波数よりも低い。よって、方向性結合器300は、第1および第2の周波数の各々に対して最適化された異なる結合係数を提供するように構成される。たとえば、第1の周波数を有する無線周波数信号が入力ポート302に与えられた場合、方向性結合器300は、第1の長さL1に対応する第1の結合係数CF1を提供するように構成される。同様に、第2の周波数を有する無線周波数信号が入力ポート302に与えられた場合、方向性結合器300は、第2の長さL2に対応する第2の結合係数CF2を提供するように構成される。図3に示すように、第1の周波数を有する無線周波数信号に対する結合伝送線路312の有効長(すなわちL1)は、第2の周波数を有する無線周波数信号に対する結合伝送線路312の有効長(すなわちL2)よりも長い。そのため、第1の結合係数CF1は第2の結合係数CF2よりも大きい(または強い)。結合係数は周波数とともに増加するので、より強い結合係数(CF1)およびより弱い結合係数(CF2)は、それぞれ第1の周波数および第2の周波数において実質的に同様の値を有し得る。
図4は、本明細書に記載の局面に係る、方向性結合器のシミュレートされた性能結果のいくつかのグラフを示す。グラフ410は方向性結合器300の結合係数を表し、グラフ420は方向性結合器300の挿入損失を表し、グラフ430は方向性結合器300のアイソレーションを表し、グラフ440は方向性結合器300の指向性を表す。一例において、シミュレーションされた性能結果は、900MHzである第1の周波数および2.7GHzである第2の周波数をサポートするように最適化された方向性結合器300の構成に対応する。
一例において、グラフ410のトレース412は、0GHz~6GHzの周波数掃引にわたる方向性結合器300の結合係数を表す。図示のように、第1および第2の終端ポート308a、308bの異なる位置ならびに第1および第2の終端インピーダンス314a、314bの値に起因して、第1の周波数における結合係数(すなわちCF1)および第2の周波数における結合係数(すなわちCF2)は、実質的に同様である。たとえば、方向性結合器300は、900MHz(すなわち第1の周波数)で約-20.8dBの結合係数を、2.7GHz(すなわち第2の周波数)で約-18.4dBの結合係数を提供し得る。ある例において、方向性結合器300は、第1の周波数と第2の周波数との間で±2.5dB未満だけ変化する結合係数を提供し得る。いくつかの例において、実質的に同様の結合係数は、方向性結合器300が、第1の周波数と第2の周波数の両方について実質的に一定の電力レベルで結合伝送線路312の結合ポート306に結合電力を提供することを可能にする。比較のために、グラフ410に示される破線のトレースは、一例としての単一終端結合器(たとえば図2のRF結合器200)の結合係数を表す。図示のように、第2の周波数(2.7GHz)における単一終端結合器の結合係数は、第1の周波数(900MHz)における結合係数よりも約10dB大きい。そのため、単一終端結合器は、第1の周波数と比較して第2の周波数において望ましくない性能をもたらす可能性があり、逆もまた同様である。
一例において、グラフ420のトレース422は、0GHz~6GHzの周波数掃引にわたる方向性結合器300の挿入損失を表す。図示のように、第1および第2の周波数の各々における実質的に同様の結合係数により、方向性結合器300の挿入損失を、第1および第2の周波数において最小にすることができる。たとえば、方向性結合器300は、900MHz(すなわち第1の周波数)における約-0.09dBの挿入損失と、2.7GHz(すなわち第2の周波数)における約-0.2dBの挿入損失とを有し得る。ある例において、方向性結合器300の挿入損失は、第1の周波数と第2の周波数との間で±0.15dB未満だけ変動し得る。いくつかの例において、挿入損失を最小にすることにより、無線周波数信号を、第1および第2の周波数の両方について実質的に一定の電力レベルで主伝送線路310の入力ポート302に与えることができる。加えて、主伝送線路310における反射損失(return loss)は、第1の周波数と第2の周波数との間で実質的に一定のままとなり得る。比較のために、グラフ420に示される破線のトレースは、一例としての単一終端結合器(たとえば図2のRF結合器200)の挿入損失を表す。図示のように、第2の周波数(2.7GHz)における単一終端結合器の挿入損失は、第1の周波数(900MHz)における挿入損失よりも約0.4dB大きい。そのため、単一終端結合器は、第1の周波数と比較して第2の周波数において望ましくない性能をもたらす可能性があり、逆もまた同様である。
一例において、グラフ430のトレース432は、0GHz~6GHzの周波数掃引にわたる方向性結合器300のアイソレーションを表す。方向性結合器300のアイソレーションは、入力ポート302と第1および第2の終端ポート308a、308bとの間の信号電力の差に対応する。図示のように、第1および第2の終端ポート308a、308bの異なる位置ならびに第1および第2の終端インピーダンス314a、314bの値に起因して、方向性結合器300は、第1および第2の周波数において最大のアイソレーションを提供するように構成される。たとえば、900MHz(すなわち第1の周波数)において、方向性結合器300は、約-70.0dBのアイソレーションを提供し得る。同様に、2.7GHz(すなわち第2の周波数)において、方向性結合器300は、約-70.9dBのアイソレーションを提供し得る。比較のために、最適化されていない周波数(たとえば3.6GHz)において、方向性結合器300は、約-19.0dBのアイソレーションを提供し得る。ある例において、方向性結合器300によって提供されるアイソレーションの量は、第1の周波数と第2の周波数との間で±1dB未満だけ変動し得る。
同様に、グラフ440のトレース442は、0GHz~6GHzの周波数掃引にわたる方向性結合器300の指向性を表す。方向性結合器300の指向性は、結合係数(たとえばグラフ410)と結合器によって提供されるアイソレーションの量(たとえばグラフ430)との間の差に対応する。図示のように、第1および第2の終端ポート308a、308bの異なる位置ならびに第1および第2の終端インピーダンス314a、314bの値に起因して、方向性結合器300は、第1および第2の周波数において最大の指向性を有するように構成される。たとえば、900MHz(すなわち第1の周波数)において、方向性結合器300の指向性は約49.2dBとなり得る。同様に、2.7GHz(すなわち第2の周波数)において、結合器300の指向性は約52.5dBとなり得る。比較のために、最適化されていない周波数(たとえば3.6GHz)において、方向性結合器300の指向性は約4.9dBとなり得る。ある例において、方向性結合器300の指向性は、第1および第2の周波数の間で±3.5dB未満だけ変化し得る。
先に述べたように、方向性結合器300は、第1および第2の周波数の各々に対して最適化された結合係数を提供することができる。いくつかの例において、最適化された結合係数は、結合ポート306に提供される結合信号の実質的に一定の電力レベルを維持しつつ、第1および第2の周波数の各々における挿入損失を最小にするように選択されてもよい。しかしながら、他の例において、最適化された結合係数は、第1および第2の周波数の各々において異なる性能メトリック(たとえば挿入損失、結合電力レベル)を与えるように選択されてもよい。いくつかの例において、方向性結合器300は、複数の信号が同時に結合されることを可能にする(たとえばキャリアアグリゲーション)。そのため、方向性結合器300は、結合信号の電力レベルを調整するための余分な構成要素(たとえば減衰器)または複数の出力信号を結合するための周波数コンバイナ構成要素(たとえばマルチプレクサ)を使用せずに、デバイス(たとえばFEM100)に統合されてもよい。同様に、方向性結合器300に入力信号を提供するRFソース(たとえば電力増幅器モジュール110)は、周波数にわたって一定の出力電力レベルで動作することができ、電力増幅器モジュール110の効率および/またはFEM100の消費電力を改善する。加えて、方向性結合器300のコンパクトなフットプリントは、FEM100のフットプリントまたはパッケージサイズの低減を可能にし得る。
いくつかの例において、第1および第2の終端インピーダンス314a、314bは、1つ以上の抵抗性、誘導性、もしくは容量性素子、またはそれらの組み合わせを含む、少なくとも1つのRLC(抵抗性-誘導性-容量性)回路を含む。たとえば、図5は、本明細書に記載の局面に係る方向性結合器500の概略図である。方向性結合器500は、RLC回路として構成された第1および第2の終端インピーダンス514a、514bを有する図3の方向性結合器300に対応する。
一例において、第1の終端インピーダンス514aは、第1の周波数(たとえば900MHz)に対して最適化された終端インピーダンスを提供するように構成され、第2の終端インピーダンス514bは、第2の周波数(たとえば2.7GHz)に対して最適化された終端インピーダンスを提供するように構成される。いくつかの例において、第1の終端インピーダンス514aは、第1の周波数において結合伝送線路312の特性インピーダンスを整合させることによって最適化された終端インピーダンスを提供し得る。同様に、第2の終端インピーダンス514bは、第2の周波数において結合伝送線路312(または結合伝送線路312のL2部分)の特性インピーダンスを整合させることによって最適化された終端インピーダンスを提供し得る。
いくつかの例において、第1および第2の終端インピーダンス514a、514bは、結合伝送線路312に恒久的に接続されてもよい。たとえば、第1および第2の終端インピーダンス514a、514bは、伝送線路または導電線(たとえばマイクロストリップ、ストリップ線路、コプレナー線路など)を介して結合伝送線路312に直接接続されてもよい。上記記載では第1および第2の終端インピーダンス514a、514bを、結合伝送線路312に恒久的に接続されるRLC回路として説明しているが、他の例において、終端インピーダンスは、異なるように構成されてもよく、および/または異なる方法で結合伝送線路312に接続されてもよい。
図6は、本明細書に記載の局面に係るいくつかの終端インピーダンス構成を示す。いくつかの例において、図3の方向性結合器300の第1の終端インピーダンス314aおよび/または第2の終端インピーダンス314bは、図6に示す終端インピーダンス構成のいずれかとして構成されてもよい。
一例において、第1の終端インピーダンス構成602は、RLC回路(またはネットワーク)604およびスイッチ606を含む。図5の第1および第2の終端インピーダンス514a、514bと同様に、RLC回路604は、特定の周波数(たとえば第1の周波数または第2の周波数)において結合伝送線路312の特性インピーダンスを整合させるように構成されてもよい。いくつかの例において、スイッチ606は、RLC回路604を選択的に伝送線路312に接続するまたは伝送線路312から切断するように動作させることができる。たとえば、第1の終端インピーダンス314aが第1の終端インピーダンス構成602として構成される場合、スイッチ606は、第1の周波数を有する無線周波数信号が方向性結合器300の入力ポート302で受信されたときに、RLC回路604を第1の終端ポート308aに接続するように動作させてもよい。同様に、スイッチ606は、第2の周波数を有する無線周波数信号が方向性結合器300の入力ポート302で受信されたときに、RLC回路604を第1の終端ポート308aから切断するように動作させてもよい。
一例において、第2の終端インピーダンス構成612は、調整可能なRLC回路(またはネットワーク)614を含む。いくつかの例において、調整可能なRLC回路614は、1つ以上の同調可能な抵抗性、誘導性、もしくは容量性素子、またはそれらの組み合わせを含む。ある例において、調整可能なRLC回路614は、方向性結合器300の動作モードに基づいて調整/同調されてもよい。たとえば、第1の終端インピーダンス314aが終端インピーダンス構成612として構成される場合、調整可能なRLC回路614は、第1の動作モード中に特定の周波数(たとえば第1の周波数)に対して最適化された第1の終端インピーダンスを提供するように調整されてもよい。同様に、第2の動作モード中、調整可能なRLC回路614は、異なる周波数(たとえば第3の周波数)に対して最適化された第2の終端インピーダンスを提供するように調整されてもよい。いくつかの例において、終端インピーダンス構成612は、結合伝送線路312に恒久的に接続されてもよい。しかしながら、他の例において、終端インピーダンス構成612は、(たとえばスイッチを介して)結合伝送線路312に選択的に接続されてもよい。
一例において、第3の終端インピーダンス構成622は、調整可能な終端回路として構成される。いくつかの例において、終端インピーダンス構成622は、終端インピーダンス値の異なる組み合わせを選択するように制御される1つ以上のスイッチを含む。終端インピーダンス構成612と同様に、終端インピーダンス構成622は、方向性結合器300の動作モードに基づいて調整/同調されてもよい。このような調整可能な終端回路の例は、本明細書に引用により援用される、「RF COUPLER WITH ADJUSTABLE TERMINATION IMPEDANCE」と題された、Srirattana他への米国特許第9,614,269号に記載されている。
一例において、第4の終端インピーダンス構成632は、フィルタ634および終端インピーダンス636を含む。いくつかの例において、フィルタ634は、特定の周波数(または周波数帯)の信号を終端インピーダンス636に提供するように構成される。たとえば、第1の終端インピーダンス314aが終端インピーダンス構成632として構成される場合、フィルタ634は、異なる周波数(たとえば第2の周波数)の無線周波数信号を遮断しつつ、第1の周波数の無線周波数信号を通すように構成されてもよい。ある例において、フィルタ634は、終端ポート(たとえば第1および第2の終端ポート308a、308b)間のアイソレーションを改善することができる。フィルタ634は、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、またはバンドパスフィルタとして構成されてもよい。いくつかの例において、フィルタ634は、結合伝送線路312に恒久的に接続されてもよい。しかしながら、他の例において、フィルタ634は、(たとえばスイッチを介して)結合伝送線路312に選択的に接続されてもよい。終端インピーダンス636は、固定されたまたは調整可能な終端インピーダンスとして構成されてもよい。たとえば、終端インピーダンス636は、終端インピーダンス構成602、612、および622のいずれか、または任意の他のタイプの終端インピーダンスとして構成されてもよい。
先に述べたように、方向性結合器300は、コンパクトなレイアウトで配置することができる。たとえば、図7は、本明細書に記載の局面に係る方向性結合器300のレイアウト700を示す。図示のように、主伝送線路310および結合伝送線路312は、コンパクトなレイアウトで配置することができる。一例において、主伝送線路310は、第1の層上の入力ポート302と出力ポート304との間にルーティングされる。結合伝送線路312の第1の部分(すなわち、L2)は、第1の層上で結合ポート306と第2の終端ポート308bとの間にルーティングされる。図示されていないが、結合伝送線路312の第2の部分(すなわちL1とL2との差)は、第2の層上で第1の終端ポート308aと第2の終端ポート308bとの間にルーティングされる。いくつかの例において、結合伝送線路312の第1の部分および第2の部分は、導電性ビア構造を用いて接続されてもよい。他の例において、結合器300は、異なるように配置またはルーティングされてもよい。たとえば、結合伝送線路312全体が、同じ層(たとえば第1の層または第2の層)上でルーティングされてもよい。
上記記載では、方向性結合器300を、2つの終端ポートを備えた単方向構成を有するものとして説明しているが、方向性結合器300は異なるように構成され得ることが理解されるはずである。たとえば、方向性結合器300は、双方向性結合器として構成することができ、および/または3つ以上の終端ポートを含み得る。
図8は、本明細書に記載の局面に係る、双方向結合器800の概略図である。図示のように、双方向結合器800は、入力ポート802と、出力ポート804と、順方向結合ポート806aと、逆方向結合ポート806bと、第1の順方向終端ポート808aと、第2の順方向終端ポート808bと、第1の逆方向終端ポート808cと、第2の逆方向終端ポート808dと、主伝送線路810と、結合伝送線路812と、第1の順方向終端インピーダンス814aと、第2の順方向終端インピーダンス814bと、第1の逆方向終端インピーダンス814cと、第2の逆方向終端インピーダンス814dと、第1のスイッチ816aと、第2のスイッチ816bと、第3のスイッチ816cと、第4のスイッチ816dとを含む。スイッチ816a~816dを、終端インピーダンス814a~814dを結合伝送線路812に選択的に結合するように動作させる。
いくつかの例において、無線周波数信号が主伝送線路810の入力ポート802に与えられると、この信号は主伝送線路810の出力ポート804を介して出力され、結合信号が結合伝送線路812の順方向結合ポート806aに提供される。同様に、無線周波数信号が主伝送線路810の出力ポート804に与えられると、この信号は主伝送線路810の入力ポート802を介して出力され、結合信号が結合伝送線路812の逆方向結合ポート806bに提供される。
一例において、終端インピーダンス814a~814dは、特定の周波数(または周波数帯)に対して最適化される(すなわち同調される)。たとえば、第1の順方向終端インピーダンス814aおよび第1の逆方向終端インピーダンス814cは、第1の周波数に対して最適化されてもよく、第2の順方向終端インピーダンス814bおよび第2の逆方向終端インピーダンス814dは、第2の周波数に対して最適化されてもよい。終端インピーダンス814a~814dの各々は、固定されたまたは調整可能な終端インピーダンスとして構成されてもよい。たとえば、終端インピーダンス814a~814dの各々は、図6の終端インピーダンス構成602、612、および622のうちのいずれか、または任意の他のタイプの終端インピーダンスとして構成されてもよい。
先に述べたように、スイッチ816a~816dを、終端インピーダンス814a~814dを結合伝送線路312に選択的に結合するように動作させてもよい。いくつかの例において、双方向結合器800は、動作の方向(すなわち順方向または逆方向)に対応する異なる動作モードで動作するように構成されてもよい。
たとえば、順方向動作モードにおいて、第3のスイッチ816cは、順方向結合ポート806aを結合伝送線路812に結合するように制御されてもよい。第1のスイッチ816aは、第1の順方向終端インピーダンス814aを第1の順方向終端ポート808aに結合するように制御されてもよく、第2のスイッチ816bは、第2の順方向終端インピーダンス814bを第2の順方向終端ポート808bに結合するように制御されてもよい。同様に、逆方向動作モードにおいて、第1のスイッチ816aは、逆方向結合ポート806bを結合伝送線路312に結合するように制御されてもよい。第3のスイッチ816cは、第1の逆方向終端インピーダンス814cを第1の逆方向終端ポート808cに結合するように制御されてもよく、第4のスイッチ816dは、第2の逆方向終端インピーダンス814dを第2の逆方向終端ポート808dに結合するように制御されてもよい。いくつかの例において、スイッチ816a~816dを、一斉に(すなわち一緒に)動作させるまたは制御することができる。しかしながら、他の例では、スイッチ816a~816dを、個別に動作させるまたは制御することができる。
図3の方向性結合器300と同様に、双方向結合器800は、第1および第2の周波数の各々に対して最適化された結合係数を提供することにより、第1および第2の周波数の各々において所望の性能を実現することができる。いくつかの例において、双方向結合器800は、異なる周波数を有する複数の信号が同時に結合されることを可能にする(たとえばキャリアアグリゲーション)。そのため、双方向結合器800は、結合信号の電力レベルを調整するための余分な構成要素(たとえば減衰器)または複数の出力信号を結合するための周波数コンバイナ構成要素(たとえばマルチプレクサ)を使用せずに、デバイス(たとえばFEM100)に統合されてもよい。同様に、双方向結合器800に入力信号を提供するRFソース(たとえば電力増幅器モジュール110)は、周波数にわたって一定の出力電力レベルで動作することができ、電力増幅器モジュール110の効率および/またはFEM100の消費電力を改善する。加えて、双方向結合器800のコンパクトなフットプリントは、FEM100のフットプリントまたはパッケージサイズの低減を可能にし得る。
図9は、本明細書に記載の局面に係る、双方向結合器900の概略図である。一例において、双方向結合器900は、双方向結合器900が順方向動作モードと逆方向動作モードの両方に共通の終端インピーダンスを使用するように構成されることを除いて、図8の双方向結合器800と実質的に同じである。よって、異なる終端インピーダンスの数を、図8の双方向結合器800よりも少なくすることができる。図示のように、双方向結合器900は、入力ポート902と、出力ポート904と、順方向結合ポート906aと、逆方向結合ポート906bと、第1の順方向終端ポート908aと、第2の順方向終端ポート908bと、第1の逆方向終端ポート908cと、第2の逆方向終端ポート908dと、主伝送線路910と、結合伝送線路912と、第1の終端インピーダンス914aと、第2の終端インピーダンス914bと、第1のスイッチ916aと、第2のスイッチ916bと、第3のスイッチ916cと、第4のスイッチ916dとを含む。スイッチ916a~916dを、終端インピーダンス914a、914bを結合伝送線路912に選択的に結合するように動作させる。
いくつかの例において、無線周波数信号が主伝送線路910の入力ポート902に与えられると、この信号は主伝送線路910の出力ポート904を介して出力され、結合信号が結合伝送線路912の順方向結合ポート906aに提供される。同様に、無線周波数信号が主伝送線路910の出力ポート904に与えられると、この信号は主伝送線路910の入力ポート902を介して出力され、結合信号が結合伝送線路912の逆方向結合ポート906bに提供される。
一例において、終端インピーダンス914a、914bは、特定の周波数(または周波数帯)に対して最適化される(すなわち同調される)。たとえば、第1の終端インピーダンス914aは第1の周波数に対して最適化されてもよく、第2の終端インピーダンス914bは第2の周波数に対して最適化されてもよい。終端インピーダンス914a、914bの各々は、固定されたまたは調整可能な終端インピーダンスとして構成されてもよい。たとえば、終端インピーダンス914a、914bの各々は、図6の終端インピーダンス構成602、612、および622のうちのいずれか、または任意の他のタイプの終端インピーダンスとして構成されてもよい。
先に述べたように、スイッチ916a~916dを、終端インピーダンス914a、914bを結合伝送線路912に選択的に結合するように動作させることができる。いくつかの例において、双方向結合器900は、動作の方向(すなわち順方向または逆方向)に対応する異なる動作モードで動作するように構成されてもよい。
たとえば、順方向動作モードにおいて、第3のスイッチ916cは、順方向結合ポート906aを結合伝送線路912に結合するように制御されてもよい。第1のスイッチ916aは、第1の終端インピーダンス914aを第1の順方向終端ポート908aに結合するように制御されてもよく、第2のスイッチ916bは、第2の終端インピーダンス914bを第2の順方向終端ポート908bに結合するように制御されてもよい。同様に、逆方向動作モードにおいて、第1のスイッチ916aは、逆方向結合ポート906bを結合伝送線路912に結合するように制御されてもよい。第3のスイッチ916cは、第1の終端インピーダンス914aを第1の逆方向終端ポート908cに結合するように制御されてもよく、第4のスイッチ916dは、第2の終端インピーダンス914bを第2の逆方向終端ポート908dに結合するように制御されてもよい。いくつかの例において、スイッチ916a~916dを、一斉に(すなわち一緒に)動作させるまたは制御することができる。しかしながら、他の例では、スイッチ916a~916dを、個別に動作させるまたは制御することができる。
図3の方向性結合器300と同様に、双方向結合器900は、第1および第2の周波数の各々に対して最適化された結合係数を提供することにより、第1および第2の周波数の各々において所望の性能を実現することができる。いくつかの例において、双方向結合器900は、異なる周波数を有する複数の信号が同時に結合されることを可能にする(たとえばキャリアアグリゲーション)。そのため、双方向結合器900は、結合信号の電力レベルを調整するための余分な構成要素(たとえば減衰器)または複数の出力信号を結合するための周波数コンバイナ構成要素(たとえばマルチプレクサ)を使用せずに、デバイス(たとえばFEM100)に統合されてもよい。同様に、双方向結合器900に入力信号を提供するRFソース(たとえば電力増幅器モジュール110)は、周波数にわたって一定の出力電力レベルで動作することができ、電力増幅器モジュール110の効率および/またはFEM100の消費電力を改善する。加えて、双方向結合器900は共通終端インピーダンスで構成されるので、双方向結合器900のコンパクトなフットプリントは、FEM100のフットプリントまたはパッケージサイズの一層の低減を可能にし得る。
上記記載では、結合器300、500、800、および900を、2つの信号周波数(すなわち第1および第2の周波数)に対して最適化されるものとして説明したが、結合器は3つ以上の信号周波数に対して最適化され得ることが、理解されるはずである。
図10は、本明細書に記載の局面に係る、双方向結合器1000の概略図である。一例において、双方向結合器1000は、双方向結合器1000が3つの信号周波数(または周波数帯)をサポートするように構成されることを除いて、図8の双方向結合器800と実質的に同じである。図示のように、双方向結合器1000は、入力ポート1002と、出力ポート1004と、順方向結合ポート1006aと、逆方向結合ポート1006bと、第1の順方向終端ポート1008aと、第2の順方向終端ポート1008bと、第3の順方向終端ポート1008cと、第1の逆方向終端ポート1008dと、第2の逆方向終端ポート1008eと、第3の逆方向終端ポート1008fと、主伝送線路1010と、結合伝送線路1012と、第1の順方向終端インピーダンス1014aと、第2の順方向終端インピーダンス1014bと、第3の順方向終端インピーダンス1014cと、第1の逆方向終端インピーダンス1014dと、第2の逆方向終端インピーダンス1014eと、第3の逆方向終端インピーダンス1014fと、第1のスイッチ1016aと、第2のスイッチ1016bと、第3のスイッチ1016cと、第4のスイッチ1016dと、第5のスイッチ1016eと、第6のスイッチ1016fとを含む。スイッチ1016a~1016fを、終端インピーダンス1014a~1014fを結合伝送線路1012に選択的に結合するように動作させる。
いくつかの例において、無線周波数信号が主伝送線路1010の入力ポート1002に与えられると、この信号は主伝送線路1010の出力ポート1004を介して出力され、結合信号が結合伝送線路1012の順方向結合ポート1006aに提供される。同様に、無線周波数信号が主伝送線路1010の出力ポート1004に与えられると、この信号は主伝送線路1010の入力ポート1002を介して出力され、結合信号が結合伝送線路1012の逆方向結合ポート1006bに提供される。
一例において、終端インピーダンス1014a~1014fは、特定の周波数(または周波数帯)に対して最適化される(すなわち同調される)。たとえば、第1の順方向終端インピーダンス1014aおよび第1の逆方向終端インピーダンス1014dは第1の周波数に対して最適化されてもよく、第2の順方向終端インピーダンス1014bおよび第2の逆方向終端インピーダンス1014eは第2の周波数に対して最適化されてもよく、第3の順方向終端インピーダンス1014cおよび第3の逆方向終端インピーダンス1014fは第3の周波数に対して最適化されてもよい。終端インピーダンス1014a~1014fの各々は、固定されたまたは調整可能な終端インピーダンスとして構成されてもよい。たとえば、終端インピーダンス1014a~1014fの各々は、図6の終端インピーダンス構成602、612、および622のいずれか、または任意の他のタイプの終端インピーダンスとして構成されてもよい。
先に述べたように、スイッチ1016a~1016fを、終端インピーダンス1014a~1014fを結合伝送線路1012に選択的に結合するように動作させることができる。いくつかの例において、双方向結合器1000は、動作の方向(すなわち順方向または逆方向)に対応する異なる動作モードで動作するように構成されてもよい。
たとえば、順方向動作モードにおいて、第4のスイッチ1016dは、順方向結合ポート1006aを結合伝送線路1012に結合するように制御されてもよい。第1のスイッチ1016aは、第1の順方向終端インピーダンス1014aを第1の順方向終端ポート1008aに結合するように制御されてもよく、第2のスイッチ1016bは、第2の順方向終端インピーダンス1014bを第2の順方向終端ポート1008bに結合するように制御されてもよく、第3のスイッチ1016cは、第3の順方向終端インピーダンス1014cを第3の順方向終端ポート1008cに結合するように制御されてもよい。同様に、逆方向動作モードにおいて、第1のスイッチ1016aは、逆方向結合ポート1006bを結合伝送線路1012に結合するように制御されてもよい。第4のスイッチ1016dは、第1の逆方向終端インピーダンス1014dを第1の逆方向終端ポート1008dに結合するように制御されてもよく、第5のスイッチ1016eは、第2の逆方向終端インピーダンス1014eを第2の逆方向終端ポート1008eに結合するように制御されてもよく、第6のスイッチ1016fは、第3の逆方向終端インピーダンス1014fを第3の逆方向終端ポート1008fに結合するように制御されてもよい。いくつかの例において、スイッチ1016a~1016dを、一斉に(すなわち一緒に)動作させるまたは制御することができる。しかしながら、他の例において、スイッチ1016a~1016dを個別に動作させるまたは制御することができる。
一例において、双方向結合器1000は、第1、第2、および第3の周波数の各々に対して最適化された結合係数を提供することにより、第1、第2、および第3の周波数の各々において所望の性能を実現することができる。いくつかの例において、双方向結合器1000は、異なる周波数を有する複数の信号が同時に結合されることを可能にする(たとえばキャリアアグリゲーション)。そのため、双方向結合器1000は、結合信号の電力レベルを調整するための余分な構成要素(たとえば減衰器)または複数の出力信号を結合するための周波数コンバイナ構成要素(たとえばマルチプレクサ)を使用せずに、デバイス(たとえばFEM100)に統合されてもよい。同様に、双方向結合器1000に入力信号を提供するRFソース(たとえば電力増幅器モジュール110)は、周波数にわたって一定の出力電力レベルで動作することができ、電力増幅器モジュール110の効率および/またはFEM100の消費電力を改善する。加えて、双方向結合器1000のコンパクトなフットプリントは、FEM100のフットプリントまたはパッケージサイズの低減を可能にし得る。
図11は、本明細書に記載の局面に係る、双方向結合器1100の概略図である。一例において、双方向結合器1100は、双方向結合器1100が低減された数のスイッチを用いて構成されることを除いて、図10の双方向結合器1000と実質的に同様である。図示のように、双方向結合器1100は、入力ポート1102と、出力ポート1104と、順方向結合ポート1106aと、逆方向結合ポート1106bと、第1の順方向終端ポート1108aと、第2の順方向終端ポート1108bと、第1の逆方向終端ポート1108cと、第2の逆方向終端ポート1108dと、主伝送線路1110と、結合伝送線路1112と、第1の順方向終端インピーダンス1114aと、第2の順方向終端インピーダンス1114bと、第3の順方向終端インピーダンス1114cと、第1の逆方向終端インピーダンス1114dと、第2の逆方向終端インピーダンス1114eと、第3の逆方向終端インピーダンス1114fと、第1のスイッチ1116aと、第2のスイッチ1116bと、第3のスイッチ1116cと、第4のスイッチ1116dとを含む。スイッチ1116a~1116dを、終端インピーダンス1114a~1114fを結合伝送線路1112に選択的に結合するように動作させる。
いくつかの例において、無線周波数信号が主伝送線路1110の入力ポート1102に与えられると、この信号は主伝送線路1110の出力ポート1104を介して出力され、結合信号が結合伝送線路1112の順方向結合ポート1106aに提供される。同様に、無線周波数信号が主伝送線路1110の出力ポート1104に与えられると、この信号は主伝送線路1110の入力ポート1102を介して出力され、結合信号が結合伝送線路1112の逆方向結合ポート1106bに提供される。
一例において、終端インピーダンス1114a~1114fは、特定の周波数(または周波数帯)に対して最適化される(すなわち同調される)。たとえば、第1の順方向終端インピーダンス1114aおよび第1の逆方向終端インピーダンス1114dは、第1の周波数に対して最適化されてもよく、第2の順方向終端インピーダンス1114bおよび第2の逆方向終端インピーダンス1114eは、第2の周波数に対して最適化されてもよく、第3の順方向終端インピーダンス1114cおよび第3の逆方向終端インピーダンス1114fは、第3の周波数に対して最適化されてもよい。終端インピーダンス1114a~1114fの各々は、固定されたまたは調整可能な終端インピーダンスとして構成されてもよい。たとえば、終端インピーダンス1114a~1114fの各々は、図6の終端インピーダンス構成602、612、および622のいずれか、または任意の他のタイプの終端インピーダンスとして構成されてもよい。
先に述べたように、スイッチ1116a~1116dを、終端インピーダンス1114a~1114fを結合伝送線路1112に選択的に結合するように動作させてもよい。いくつかの例において、双方向結合器1100は、動作の方向(すなわち順方向または逆方向)に対応する異なる動作モードで動作するように構成されてもよい。
たとえば、順方向動作モードにおいて、第3のスイッチ1116cは、順方向結合ポート1106aを結合伝送線路1112に結合するように制御されてもよい。第1のスイッチ1116aは、第1の順方向終端インピーダンス1114aを第1の順方向終端ポート1108aに結合するように制御されてもよく、第2のスイッチ1116bは、第2および第3の順方向終端インピーダンス1114b、1114cのうちの一方を第2の順方向終端ポート1108bに結合するように制御されてもよい。同様に、逆方向動作モードにおいて、第1のスイッチ1116aは、逆方向結合ポート1106bを結合伝送線路1112に結合するように制御されてもよい。第3のスイッチ1116cは、第1の逆方向終端インピーダンス1114dを第1の逆方向終端ポート1108cに結合するように制御されてもよく、第4のスイッチ1116dは、第2および第3の逆方向終端インピーダンス1114e、1114fのうちの一方を第2の逆方向終端ポート1108dに結合するように制御されてもよい。いくつかの実施例において、スイッチ1116a~1116dを、一斉に(すなわち一緒に)動作させるまたは制御することができる。しかしながら、他の例では、スイッチ1116a~1116dを、個別に動作させるまたは制御することができる。
一例において、双方向結合器1100は、第1、第2、および第3の周波数の各々に対して最適化された結合係数を提供することにより、第1、第2、および第3の周波数の各々において所望の性能を実現することができる。いくつかの例において、双方向結合器1100は、異なる周波数を有する複数の信号が同時に結合されることを可能にする(たとえばキャリアアグリゲーション)。そのため、双方向結合器1100は、結合信号の電力レベルを調整するための余分な構成要素(たとえば減衰器)または複数の出力信号を結合するための周波数コンバイナ構成要素(たとえばマルチプレクサ)を使用せずに、デバイス(たとえばFEM100)に統合されてもよい。同様に、双方向結合器1100に入力信号を提供するRFソース(たとえば電力増幅器モジュール110)は、周波数にわたって一定の出力電力レベルで動作することができ、電力増幅器モジュール110の効率および/またはFEM100の消費電力を改善する。加えて、双方向結合器1100は、低減された数のスイッチを用いて構成されるため、双方向結合器1100のコンパクトなフットプリントは、FEM100のフットプリントまたはパッケージサイズの一層の低減を可能にし得る。
図12は、本明細書に記載の局面に係る、双方向結合器1200の概略図である。一例において、双方向結合器1200は、双方向結合器1200が順方向動作モードと逆方向動作モードの両方に共通の終端インピーダンスを使用するように構成されることを除いて、図10の双方向結合器1000と実質的に同じである。図示のように、双方向結合器1200は、入力ポート1202と、出力ポート1204と、順方向結合ポート1206aと、逆方向結合ポート1206bと、第1の順方向終端ポート1208aと、第2の順方向終端ポート1208bと、第1の逆方向終端ポート1208cと、第2の逆方向終端ポート1208dと、主伝送線路1210と、結合伝送線路1212と、第1の終端インピーダンス1214aと、第2の終端インピーダンス1214bと、第3の終端インピーダンス1214cと、第1のスイッチ1216aと、第2のスイッチ1216bと、第3のスイッチ1216cと、第4のスイッチ1216dとを含む。スイッチ1216a~1216dを、終端インピーダンス1214a~1214cを結合伝送線路1212に選択的に結合するように動作させる。
いくつかの例において、無線周波数信号が主伝送線路1210の入力ポート1202に与えられると、この信号は主伝送線路1210の出力ポート1204を介して出力され、結合信号が結合伝送線路1212の順方向結合ポート1206aに提供される。同様に、無線周波数信号が主伝送線路1210の出力ポート1204に与えられると、この信号は主伝送線路1210の入力ポート1202を介して出力され、結合信号が結合伝送線路1212の逆方向結合ポート1206bに提供される。
一例において、終端インピーダンス1214a~1214cは、特定の周波数(または周波数帯)に対して最適化される(すなわち同調される)。たとえば、第1の終端インピーダンス1214aは第1の周波数に対して最適化されてもよく、第2の終端インピーダンス1214bは第2の周波数に対して最適化されてもよく、第3の終端インピーダンス1214cは第3の周波数に対して最適化されてもよい。終端インピーダンス1214a~1214cの各々は、固定されたまたは調整可能な終端インピーダンスとして構成されてもよい。たとえば、終端インピーダンス1214a~1214cの各々は、図6の終端インピーダンス構成602、612、および622のうちのいずれか、または任意の他のタイプの終端インピーダンスとして構成されてもよい。
先に述べたように、スイッチ1216a~1216dを、終端インピーダンス1214a~1214cを結合伝送線路1212に選択的に結合するように動作させることができる。いくつかの例において、双方向結合器1200は、動作の方向(すなわち順方向または逆方向)に対応する異なる動作モードで動作するように構成されてもよい。
たとえば、順方向動作モードにおいて、第3のスイッチ1216cは、順方向結合ポート1206aを結合伝送線路1212に結合するように制御されてもよい。第1のスイッチ1216aは、第1の終端インピーダンス1214aを第1の順方向終端ポート1208aに結合するように制御されてもよく、第2のスイッチ1216bは、第2の終端インピーダンス1214bおよび第3の終端インピーダンス1214cのうちの一方を第2の順方向終端ポート1208bに結合するように制御されてもよい。同様に、逆方向動作モードにおいて、第1のスイッチ1216aは、逆方向結合ポート1206bを結合伝送線路1212に結合するように制御されてもよい。第3のスイッチ1216cは、第1の終端インピーダンス1214aを第1の逆方向終端ポート1208cに結合するように制御されてもよく、第4のスイッチ1216dは、第2の終端インピーダンス1214bおよび第3の終端インピーダンス1214cのうちの一方を第2の逆方向終端ポート1208dに結合するように制御されてもよい。いくつかの例において、スイッチ1216a~1216dを、一斉に(すなわち一緒に)動作させるまたは制御することができる。しかしながら、他の例では、スイッチ1216a~1216dを、個別に動作させるまたは制御することができる。
一例において、双方向結合器1200は、第1、第2、および第3の周波数の各々に対して最適化された結合係数を提供することにより、第1、第2、および第3の周波数の各々において所望の性能を実現することができる。いくつかの例において、双方向結合器1200は、異なる周波数を有する複数の信号が同時に結合されることを可能にする(たとえばキャリアアグリゲーション)。そのため、双方向結合器1200は、結合信号の電力レベルを調整するための余分な構成要素(たとえば減衰器)または複数の出力信号を結合するための周波数コンバイナ構成要素(たとえばマルチプレクサ)を使用せずに、デバイス(たとえばFEM100)に統合されてもよい。同様に、双方向結合器1200に入力信号を提供するRFソース(たとえば電力増幅器モジュール110)は、周波数にわたって一定の出力電力レベルで動作することができ、電力増幅器モジュール110の効率および/またはFEM100の消費電力を改善する。加えて、双方向結合器1200は共通終端インピーダンスで構成されるので、双方向結合器1200のコンパクトなフットプリントは、FEM100のフットプリントまたはパッケージサイズの一層の低減を可能にし得る。
先に述べたように、図8~図12に示すスイッチは、一斉にまたは独立して制御する/動作させることができる。たとえば、図10の双方向結合器1000が順方向動作モードで動作しているとき、スイッチ1016a、1016b、1016cを、順方向終端インピーダンス1014a、1014b、1014cを結合伝送線路1012に結合するように、一斉に制御してもよい。しかしながら、入力ポート1002で受信された入力信号の周波数がわかっている場合、スイッチ1016a~1016cを、異なるように動作させてもよい。たとえば、入力信号が第1の周波数に対応する場合、第1のスイッチ1016aは、第1の順方向終端インピーダンス1014aを結合伝送線路1012に結合するように制御されてもよく、第2および第3のスイッチ1016b、1016cは、開放されたままであってもよく、または結合伝送線路1012から切断されてもよい。同様に、入力信号が第2の周波数に対応する場合、第2のスイッチ1016bは、第2の順方向終端インピーダンス1014bを結合伝送線路1012に結合するように制御されてもよく、第1および第3ののスイッチ1016a、1016cは、開放されたままであってもよく、または結合伝送線路1012から切断されてもよい。スイッチ1014d~1014fは、逆方向動作モード中に同様に制御されてもよい。図8~図12に示すスイッチのいずれも同様の方法で動作させるまたは制御することができる。
図8~図12に示されるように、終端インピーダンスの配置(または位置)は、順方向結合係数が逆方向結合係数と実質的に同じになるように、結合伝送線路の長さに沿って対称である。たとえば、図10に示されるように、第1の順方向終端インピーダンス1014aおよび第1の逆方向終端インピーダンス1014dは、第1の周波数に対する結合係数が順方向および逆方向において実質的に同じとなるように、結合伝送線路1012に沿って対称に配置される。同様に、第2の順方向終端インピーダンス1014bおよび第2の逆方向終端インピーダンス1014eは、第2の周波数に対する結合係数が順方向および逆方向において実質的に同じとなるように、結合伝送線路1012に沿って対称に配置される。終端インピーダンスの配置(または位置)は、結合伝送線路の長さに沿って対称であるものとして図8~図12に示されるが、他の例において、終端インピーダンスは異なるように配置されてもよいことが理解されるはずである。たとえば、終端インピーダンスは、順方向および逆方向において異なる結合係数を提供するように、非対称に配置または設置されてもよい。
上記結合器のうちのいずれも多様なワイヤレス用途に使用され得ることが、理解されるはずである。たとえば、各結合器は、ワイヤレスローカルエリアネットワーク(WLAN)、超広帯域(UWB)、ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク(WPAN)、4Gセルラー、およびLTEセルラー用途で使用するために構成されてもよい。
いくつかの例において、結合器のうちのいずれかに含まれるスイッチ(たとえば双方向結合器800のスイッチ816a~816b)は、窒化ガリウム(GaN)、ガリウムヒ素(GaAs)、またはシリコンゲルマニウム(SiGe)トランジスタを含み得る。ある例において、トランジスタは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)、高電子移動度トランジスタ(HEMT)、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、および/または相補型金属酸化物半導体(CMOS)として構成されてもよい。いくつかの例において、結合器のうちのいずれか、または結合器の1つ以上の構成要素は、シリコンオンインシュレータ(SOI)技術を用いて製造されてもよい。
本明細書に記載されている結合器の実施形態は、さまざまな電子デバイスにおいて好都合に使用され得るものである。電子デバイスの例は、コンシューマ電子製品、コンシューマ電子製品の部品、電子試験機器、基地局等のセルラー通信インフラストラクチャなどを含み得るが、これらに限定されない。電子デバイスの例は、ルータ、ゲートウェイ、スマートフォン等の携帯電話、セルラーフロントエンドモジュール、電話、テレビ、コンピュータモニタ、コンピュータ、モデム、ハンドヘルドコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、電子ブックリーダ、スマートウォッチ等のウェアラブルコンピュータ、携帯情報端末(PDA)、電子レンジ、冷蔵庫等の電化製品、自動車、ステレオシステム、DVDプレーヤ、CDプレーヤ、MP3プレーヤ等のデジタル音楽プレーヤ、ラジオ、カムコーダ、カメラ、デジタルカメラ、ポータブルメモリチップ、医療監視装置、自動車用電子システムやアビオニクス用電子システム等の車両用電子システム、周辺機器、腕時計、時計などを含み得るが、これらに限定されない。さらに、電子デバイスは未完成製品を含み得る。
先に述べたように、改善された信号結合器が本明細書において提供される。少なくとも1つの実施形態において、結合器は、信号周波数の範囲に対して最適化された異なる結合係数を提供するように配置された複数の終端を含む。いくつかの例において、各終端は、異なる結合係数を提供するために、異なる位置で結合器の結合線路に接続される。ある例において、複数の終端は、信号周波数の範囲にわたって挿入損失を最小にしつつ、実質的に一定の結合電力レベルを維持するように構成される。
少なくとも1つの実施形態のいくつかの局面について説明したが、当業者にはさまざまな変更、修正、および改良が容易に想起されるであろうことを理解されたい。そのような変更、修正、および改良は、本開示の一部であることが意図され、本発明の範囲内であることが意図される。したがって、これまでの説明および図面は単なる例示であり、本発明の範囲は、添付の請求項およびその均等物の適切な構成から決定されるべきものである。
Claims (20)
- 無線周波数信号結合器であって、前記無線周波数信号結合器は、
入力ポートと、
出力ポートと、
前記入力ポートと前記出力ポートとの間に延在する主伝送線路と、
前記主伝送線路に電磁的に結合された結合伝送線路と、
前記結合伝送線路に結合された少なくとも1つの結合ポートと、
前記結合伝送線路に接続された複数の終端ポートとを備え、前記複数の終端ポートのうちの各終端ポートは、複数の信号周波数に対応する複数の結合係数を提供するために、異なる位置で前記結合伝送線路に接続される、無線周波数信号結合器。 - 前記複数の終端ポートに結合された複数の終端インピーダンスをさらに備える、請求項1に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記複数の終端インピーダンスを前記複数の終端ポートに選択的に接続するように構成された複数のスイッチをさらに備える、請求項2に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記複数のスイッチのうちのスイッチは、前記結合伝送線路に対称的に結合され、前記入力ポートまたは前記出力ポートにおいて受信されている無線周波数信号に基づいて前記複数の終端インピーダンスのうちのインピーダンスを選択的に結合するように構成される、請求項3に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記複数の終端インピーダンスのうちの各終端インピーダンスは、固定インピーダンスおよび/または調整可能インピーダンスを含む、請求項2に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記複数の終端インピーダンスのうちの第1の終端インピーダンスは、前記複数の終端ポートのうちの第1の終端ポートに結合され、前記複数の終端インピーダンスのうちの第2の終端インピーダンスは、前記複数の終端ポートのうちの第2の終端ポートに結合される、請求項2に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記第1の終端インピーダンスを、前記複数の信号周波数のうちの第1の信号周波数に同調させ、前記第2の終端インピーダンスを、前記複数の信号周波数のうちの第2の信号周波数に同調させる、請求項6に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記第1の終端ポートは、前記第1の信号周波数に対応する第1の結合係数を提供するために、第1の位置で前記結合伝送線路に接続され、前記第2の終端ポートは、前記第2の信号周波数に対応する第2の結合係数を提供するために、第2の位置で前記結合伝送線路に接続される、請求項7に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記第1の結合係数は、前記第1の終端ポートと前記少なくとも1つの結合ポートとの間の前記結合伝送線路の第1の長さに対応し、前記第2の結合係数は、前記第2の終端ポートと前記少なくとも1つの結合ポートとの間の前記結合伝送線路の第2の長さに対応する、請求項8に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記第1の結合係数は、前記第1の信号周波数において所望のレベルの挿入損失を提供するように選択され、前記第2の結合係数は、前記第2の信号周波数において所望のレベルの挿入損失を提供するように選択される、請求項8に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記第1の信号周波数における前記第1の結合係数は、前記第2の信号周波数における前記第2の結合係数と実質的に同様である、請求項10に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記無線周波数信号結合器は、前記第1および第2の信号周波数における前記入力ポートと前記出力ポートとの間の挿入損失を最小にするように構成される、請求項10に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記少なくとも1つの結合ポートは、入力無線周波数信号が前記入力ポートで受信されたときに第1の結合信号を提供するように構成された第1の結合ポートを含む、請求項12に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記無線周波数信号結合器は、前記第1および第2の信号周波数において前記第1の結合信号の実質的に一定の電力レベルを維持するように構成される、請求項13に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記少なくとも1つの結合ポートは、入力無線周波数信号が前記出力ポートで受信されたときに第2の結合信号を提供するように構成された第2の結合ポートを含む、請求項14に記載の無線周波数信号結合器。
- 前記無線周波数信号結合器は、前記第1および第2の信号周波数において前記第2の結合信号の実質的に一定の電力レベルを維持するように構成される、請求項15に記載の無線周波数信号結合器。
- 無線周波数結合器における挿入損失を低減する方法であって、前記方法は、
第2の伝送線路に電磁的に結合される第1の伝送線路上で無線周波数(RF)信号を受信するステップを含み、前記RF信号は、第1の周波数および前記第1の周波数とは異なる第2の周波数のうちの一方である周波数を有し、前記方法はさらに、
前記RF信号に基づいて前記第2の伝送線路上に誘起RF信号を誘起するステップを含み、前記誘起RF信号は、前記RF信号の前記周波数に対応する、前記第1の周波数および前記第2の周波数のうちの一方を有し、前記方法はさらに、
第1の結合係数を有する第1の結合信号を提供するために、前記第1の周波数を有する前記誘起RF信号を、前記第2の伝送線路の長さに沿った第1の位置で終端するステップと、
前記第1の結合係数と実質的に同一である第2の結合係数を有する第2の結合信号を提供するために、前記第2の周波数を有する前記誘起RF信号を、前記第2の伝送線路に沿った第2の位置で終端するステップとを含む、方法。 - 前記第1および第2の伝送線路の前記結合係数を変更するために、前記第2の伝送線路に結合された複数のインピーダンスのうちの少なくとも1つのインピーダンスを調整するステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 前記第2の伝送線路は、前記複数のインピーダンスに結合された1つ以上のスイッチを有し、前記方法は、前記RF信号の方向または周波数のうちの少なくとも一方に基づいて前記スイッチを選択的にオンまたはオフに切り替えるステップをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 前記方法は、前記第1および第2の周波数における指向性を最大にするため、前記第1および第2の周波数におけるアイソレーションを最大にするため、前記第1の周波数における前記第1の結合係数を最小にするため、および、前記第2の周波数における前記第2の結合係数を最小にするために、前記第1および第2の位置を選択するステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。
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