JP4731800B2

JP4731800B2 - 入力信号を負荷に結合するインタフェース回路および方法

Info

Publication number: JP4731800B2
Application number: JP2003325447A
Authority: JP
Inventors: チョル・ホン・パク
Original assignee: アバゴ・テクノロジーズ・ワイヤレス・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: JP2004112810A; EP1401047A1; US20040056733A1; US6977562B2

Description

本発明は電子回路に関し、特に、電力増幅器を負荷に結合する回路に関する。

以下の説明を簡明なものとするため、携帯電話の出力段を想定する。出力段は、アンテナを駆動する電力増幅器を含む。電力増幅器の効率は、負荷に供給される電力を、電力増幅器が消費する電力で割ったものとして定義される。増幅器の効率は、駆動する負荷のインピーダンスに依存する。どんな電力レベルに対しても、アンテナと電力増幅器の間に固定整合回路網を含ませ、電力増幅器の効率を最大化させることができる。

残念なことに、幾つかの携帯電話の電力増幅器は多くの異なる電力出力で動作しなければならない。携帯電話の出力電力は、基地局が受信する信号が、携帯電話から基地局への距離に関係なく多かれ少なかれ一定となるように可変される。携帯電話が基地局から離れているときは、出力増幅器は最大許容電力を生成するよう設定される。移動電話が基地局近くにあるときは、電力レベルは最大許容電力のうちのごくわずかな量にまで低減される。

固定された整合回路網は、一つの電力レベルで最適の電力効率を提供できるに過ぎない。セルラー通信では、電力増幅器は一般に最大電力レベルにおいて高効率をもたらすよう設定される。例えば、携帯電話の電力効率は、低電力出力設定における数％から最大電力設定における約５０％まで変化する。低減された電力効率は必要な再充電間の時間間隔を減らし、これ故に望ましからざるものとなる。

原理上は、能動的整合回路網を用いてより一定の電力効率を電力増幅器の出力電力の関数として供給することができる。しかしながら、この種の回路網は電力を必要とし、携帯電話のコストを増大させる追加部品が付加される。

本発明は、電力増幅器からの出力信号を負荷に結合する受動インタフェース回路である。このインタフェースは、出力信号の電力レベルが減少するにつれて増大するインピーダンスを電力増幅器に提供する。一実施形態では、インタフェース回路は、固定回路網と、コンデンサの端子間電圧とともに変化する容量値を有するコンデンサとを含む。固定回路網は、出力信号を負荷に結合する。コンデンサは負荷に並列接続されており、コンデンサの端子間電圧の増大に応答して増大する容量値を有する。コンデンサは、好ましくは極板間の平均的電位差の変化に応答して互いに移動する極板を有する微細加工（ＭＥＭ：微小電気機械）コンデンサである。

本発明は、増幅器の電力出力が減少するにつれ増大するインピーダンスを有する整合回路網を提供し、これ故に最適化された高電力レベルにおいて高効率をもたらすよう最適化されるシステムにおいて、低電力レベルにおいて改善された電力効率をもたらす。本発明は、コンデンサの極板にかかる電圧の関数として容量値が変わる微細加工コンデンサ類に基づくものである。

極板間の電位差に依存する容量値を有する平行極板コンデンサは、電気技術では周知である。このデバイスは通常、固定底部極板と、幾つかのばねの助けを借りて底部極板上に保持する可動天部極板とを備えている。極板間の電位差が増加するにつれ、天部極板はばねシステムにより供給される復原力に抗し、静電気力により底部極板へ向かって引っ張られる。この種の可変容量コンデンサは、Darrin J. Young及びBernhard E. Boserの「A Micromachined Variable Capacitor for Monolithic Low-Noise VCOs（モノリシック低雑音ＶＣＯ用の微細加工可変容量コンデンサ）」、Technical Digest of Solid-State Sensor and Actuator Workshop（ソリッドステートセンサ及びアクチュエータ工作室技報）、１９９６年、８６−８９頁、および、Aleksander Dec及びKen Suyamaの「Micromachined Electro-Mechanically Tunable Capacitors and Their Applications to RF IC's（微細加工電気機械可調整コンデンサとそれらの高周波ＩＣへの応用）」、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques（マイクロ波理論と技術に関するＩＥＥＥ会報）、第４６巻、第１２号、第２部、１９９８年１２月、２５８７−２５９６頁に記載されている。

極板を共に吸引する力が極板間の電位差の正負に依存しないことに、注意されたい。これ故、他方の極板をグラウンドに保持したまま一方の極板に交流電圧を印加した場合、コンデンサの容量は交流信号の振幅の関数として増大することになる。この種の微細加工（ＭＥＭ）コンデンサが極板間に印加された交流信号強度の関数として容量値におけるこの変化をもたらすのにどんな追加の回路網も必要としないことにもまた注意されたい。加えて、コンデンサが相当量の電力を引き込むことはない。すなわち、本発明のインタフェース回路網は、完全に受動的である。本発明は、平均化機能をもたらしもする。本発明のＭＥＭコンデンサベースのインタフェースは、伝送信号に比して非常に低速の応答を有する。これゆえに、本発明はＣＤＭＡ（符号分割多元接続）やＷ−ＣＤＭＡ（広帯域符号分割多元接続）などの用途に用いられる周波数変調方式に存在するピーク電位差に代わり、平均電位差に応答する。

ここで図１を参照するに、同図は電力増幅器１２と負荷１４の間に接続した本発明による整合回路網２０の概略図である。整合回路網２０は、ＭＥＭコンデンサ２２に接続した固定回路網２１を含む。電力増幅器１２が発生する電力が増大するにつれ、ＭＥＭコンデンサ２２の容量値は増大する。固定回路網２１は、固定回路網２１とＭＥＭコンデンサ２２の合成インピーダンスが、整合回路網２０の端子間二乗平均平方根（ｒｍｓ）電圧が増大するにつれて増大するよう選択される。

ここで図２を参照するが、同図は本発明の一実施形態による固定回路網４０の概略図である。固定回路網４０は、２つの同軸伝送線路から組み立ててある。伝送線路４２が、電力増幅器をＭＥＭコンデンサに接続している。伝送線路４２は、ＭＥＭコンデンサにわたって接続されている。一つの例示的な実施形態では、電力増幅器１２は出力インピーダンス（１２．０ｌ＋ｊ３．４４）Ωを有しており、１．８８０ＧＨｚの周波数を有するキャリアを増幅している。インピーダンス（５０＋ｊ０．０３）Ωを有する負荷に対し、伝送線路は搬送波の０．０５０倍に等しい長さと５０Ωのインピーダンスを有する。ＭＥＭコンデンサは、その容量値が低電力設定における３．０ｐＦから高電力設定における４．５ｐＦまで変化するよう組み立ててある。

上記の如く、任意の所与の電力レベルについて、最適電力効率をもたらす整合回路網インピーダンスを計算することができる。本発明は、整合回路網インピーダンスが電力増幅器動作範囲の高低の電力出力限度の両方で最適か或いはそれに近いものとなるよう調整される容量値を有するＭＥＭコンデンサを用いる。これを達成する仕方は、ＭＥＭ可変容量コンデンサ１００のそれぞれ上面図と側面図である図３Ａ、３Ｂを参照してより簡単に理解することができる。可変容量コンデンサ１００は、底部極板１１５上にばね１１２により懸架した天部極板１１１を有する。各ばねは、一端を支持体１１３に、他端を極板１１１に取り付けてある。極板と他の構成要素は、基板１２０上に組み立ててある。

容量値は、極板面積とコンデンサの極板間の距離に依存する。極板間の距離は、低電力設定における極板の変位と、天部極板を懸架するばねのばね定数と、低電力状態と高電力状態の間で極板に作用する吸引力における差異と、に依存する。ばねのばね定数は、ばねを構成する材料とばねの物理的寸法に依存する。幅Ｗ、長さＬ、厚さＴを有する単純な片持ち支持アームでは、ばね定数はＷＴ³／Ｌに比例する。このため、ばね定数はばねを構成する材料だけでなく物理的寸法のいずれかを変えることで変えることができる。

本発明の上記実施形態は特定の形態の固定整合回路網を用いたが、本発明の教示から逸脱することなく他の固定整合回路網を用いることもできる。ここで図４と参照すると、この図は本発明の別の実施形態による固定回路網５０の概略図である。固定回路網５０は、３つの同軸伝送線路５２〜５４と固定容量コンデンサ５５から組み立てられている。伝送線路５３、５４が、電力増幅器をＭＥＭコンデンサへ接続している。伝送線路５２は電力増幅器の出力端をグラウンドへ接続している。一つの例示実施形態では、電力増幅器１２は（ｌ０．６９＋ｊ３．１３）Ωから（３．５０＋ｊ２．４３）Ωまで変化する出力インピーダンスを有していて、１．８８０ＧＨｚの周波数を有する搬送波を増幅する。負荷は、本例では５０Ωのインピーダンスを有する。伝送線路５２〜５４は、５０Ωのインピーダンスを有する。伝送線路５２〜５４は、搬送波の波長のそれぞれ０．０４０倍、０．０２７倍、０．０３２倍に等しい長さを有する。固定容量コンデンサ５５は、２ｐＦの容量値を有する。ＭＥＭコンデンサ６２は、低電力設定における２．０ｐＦから高電力設定における４．０ｐＦまで変化する。

前述の説明と添付図面から、当業者には本発明に対する様々な修正が明らかとなろう。従って、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

電力増幅器１２と負荷１４の間に接続した本発明に従った整合回路網２０の概略図である。本発明の一実施形態に従った固定回路網４０の概略図である。ＭＥＭ可変容量コンデンサ１００の上面図である。ＭＥＭ可変容量コンデンサ１００の側面図である。本発明の別の実施形態に従った固定回路網５０の概略図である。

符号の説明

１２：電力増幅器
１４：負荷
２０：整合回路網
２１：固定回路網
２２：ＭＥＭコンデンサ

Claims

入力信号を負荷に結合するインタフェース回路であって、該インタフェース回路は受動素子で構成され、
前記入力信号を前記負荷へ結合する固定インピーダンスを有する回路網と、
前記負荷に並列接続されたコンデンサであって、前記入力信号によって該コンデンサの端子間にかかる端子間信号の振幅の増大に応答して増大し、減少に応答して減少する容量値を有する前記コンデンサと、
を備えているインタフェース回路。
前記コンデンサが、第１の極板と、該第１の極板の上方で懸架された第２の極板とを備え、前記第１の極板と前記第２の極板との間の距離は、該第１と第２の極板間に前記端子間信号を印加したときに減少し、該減少の大きさは前記端子間信号の振幅に依存する、請求項１に記載のインタフェース回路。
前記第２の極板がばねにより前記第１の極板の上方で懸架される、請求項２に記載のインタフェース回路。
前記回路網が複数の伝送線路を備えている、請求項１に記載のインタフェース回路。
前記回路網がコンデンサをさらに備えている、請求項４に記載のインタフェース回路。
前記複数の伝送線路が、
前記入力信号を前記負荷へ接続する第１の伝送線路と、
前記入力信号をグラウンドへ直流経路によって接続する第２の伝送線路と、
を備えている、請求項４に記載のインタフェース回路。
増幅された入力信号を負荷に印加する増幅段であって、
入力信号を増幅して出力信号を出力ノード上に発生する電力増幅器と、
前記出力ノードと前記負荷との間に接続された受動回路網であって、前記出力信号の大きさが減少するにしたがって結合インピーダンスの大きさが増加するように、前記出力信号の大きさと共に変化する前記結合インピーダンスによって特徴付けられる前記受動回路網と、
を備え、
前記受動回路網は、
前記出力ノードを前記負荷へ結合する固定インピーダンスを有する固定回路網と、
前記負荷に並列接続されたコンデンサであって、前記出力信号によって該コンデンサの端子間にかかる端子間信号の振幅の増大に応答して増大し、減少に応答して減少する容量値を有する前記コンデンサと、
を備えている、増幅段。
負荷に信号を印加する方法であって、
信号を受信し増幅して出力信号を出力ノード上に発生する電力増幅器を設けるステップであって、該電力増幅器は前記出力信号の大きさと共に増大する効率を有している、ステップと、
前記出力ノードと前記負荷との間に接続された受動回路網を設けるステップであって、該受動回路網は、前記出力信号の大きさが減少するにしたがって結合インピーダンスの大きさが増大するように、前記出力信号の大きさと共に変化する前記結合インピーダンスによって特徴付けられる、ステップと、
を含み、
前記受動回路網は、
前記出力ノードを前記負荷に結合する固定インピーダンスを有する固定回路網と、
前記負荷に並列接続されたコンデンサであって、前記出力信号によって該コンデンサの端子間にかかる端子間信号の振幅の増大に応答して増大し、減少に応答して減少する容量値を有する前記コンデンサと、
を含む、方法。