JP4841670B2

JP4841670B2 - 送受信回路

Info

Publication number: JP4841670B2
Application number: JP2009524340A
Authority: JP
Inventors: 勝澤田; 英晃近藤; 典生村上
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2027-07-24
Also published as: US20100120375A1; US8244188B2; WO2009013813A1; JPWO2009013813A1

Description

本発明は、送受信回路に関し、特に、送信電力が微弱な無線通信システムに用いて好適なものである。

従来の半２重方式の無線通信システムにおいては、接続切り替えを行うためのアンテナ切替スイッチを具備し、送信及び受信でアンテナを共用している（例えば、非特許文献１〜４参照。）。

図８は、従来の半２重方式の無線通信システムにおける送受信回路を示す。図８に示すように従来の無線通信システムでは、アンテナ切替スイッチ１０１により送信回路又は受信回路を選択的にアンテナＡＮＴに対して接続して通信を行っていた。

受信時には、図８に示すようにアンテナ切替スイッチ１０１が制御され、アンテナＡＮＴで受信された信号が、整合回路（Ｒｘ）１０３を介して受信回路（受信側アンプである低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）１０２に入力される。また、送信時には、アンテナ切替スイッチ１０１がアンテナＡＮＴと送信回路を接続するように切り替えられ、送信回路（送信側アンプであるパワーアンプＰＡ）１０４から出力された信号が整合回路（Ｔｘ）１０５を介してアンテナＡＮＴより送信される。

アンテナ切替スイッチ１０１を有する従来の無線通信システムでは、受信側回路と送信側回路が電気的に接続されることはない。そのため、送信回路（ＰＡ）１０４とアンテナＡＮＴ間の整合回路（Ｔｘ）１０５、及びアンテナＡＮＴと受信回路（ＬＮＡ）１０２間の整合回路（Ｒｘ）１０３は、それぞれ個別に設計されていた。

数ｍ程度の通信距離の微弱無線通信（ライセンス不要な無線局による無線通信）では、送信電力が小さい（例えば、日本国内規格では−４１．３ｄＢｍ未満（３００ＭＨｚ））、及び送受信回路間での信号リークによる影響が小さいので、携帯機器の組み込み用として低消費電力・小型の無線通信システムに適用される。そのため、実装面積の削減が要求される。

ここで、微弱無線通信においては、送信電力が小さいために、アンテナ切替スイッチを使用しない（アンテナ切替スイッチレスで）アンテナを共用でき、部品点数（実装面積）の削減が可能となる。ただし、送信側回路と受信側回路が常に電気的に接続されるため、アンテナと送信回路（ＰＡ）間、及びアンテナと受信回路（ＬＮＡ）間を同時に整合させる整合回路については最適な設計をすることができず、送信側（Ｔｘ）及び受信側（Ｒｘ）の整合回路の最適化が困難である。

H.Ishida, et al. "AHigh-Power RF Switch IC Using AlGaN/GaN HFETs with Single-Stage Configuration",IEEE Trans. On Electron Devices, vol.52, no.8, pp.1893-1899, Aug. 2005 D.Kelly, et al. "Thestate-of-the-Art of Silicon-on-sapphire CMOS RF Switchs", CSIC 2005 Digest,pp.200-203, 2005 IEEE R.Point et al, "An RF CMOSTransmitter Integrating a Power Amplifier and a Transmit/Received Switch for802.11b Wireless Local Area Network Applications", 2003 IEEE Radio FrequencyIntegrated Circuits Symposium C.K.Lee, et al, "AnISM-915MHz RF Transceiver IC", in 1999 Int. Symp. VLSI Technology, Systems, andApplications, June, pp.163-166

本発明は、アンテナを共用しながらも、送信側及び受信側の整合回路を最適化できるようにすることを目的とする。

本発明の送受信回路は、電気的に接続されている送信側増幅回路及び受信側増幅回路と、アンテナと送信側増幅回路間の第１の整合回路と、アンテナと受信側増幅回路間の第２の整合回路と、前記第１の整合回路と送信側増幅回路の出力端子との第１接続点を一定の電圧に固定可能な第１の電流源回路と、前記第２の整合回路と受信側増幅回路の入力端子との第２接続点を一定の電圧に固定可能な第２の電流源回路とを備える。

本発明によれば、受信動作時には送信側増幅回路の出力端子を一定の電圧に固定し、送信動作時には受信側増幅回路の入力端子を一定の電圧に固定することで、一定の電圧に固定された端子をＡＣ信号における接地と等価の状態にすることができ、アンテナ切替スイッチと同様の機能が実現される。

図１は、本発明の実施形態におけるアンテナ切替スイッチレスの送受信回路の構成例を示す図である。図２は、図１に示す送受信回路の等価回路（受信動作時）を示す図である。図３は、図１に示す送受信回路の等価回路（送信動作時）を示す図である。図４は、本実施形態における送受信回路の具体的な構成例を示す図である。図５は、受信回路側のカレントミラー回路の構成例を示す図である。図６は、送信回路側のカレントミラー回路の構成例を示す図である。図７は、本実施形態における送信動作時の特性のシミュレーション結果を示す図である。図８は、従来のアンテナ切替スイッチを有する送受信回路の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるアンテナ切替スイッチレスの送受信回路の構成例を示す図である。図１に示す送受信回路は、スイッチレスで送信回路と受信回路とでアンテナＡＮＴを共用しており、受信側アンプ（ＬＮＡ：受信側増幅回路）ＡＭＰ１と送信側アンプ（ＰＡ：送信側増幅回路）ＡＭＰ２が常に電気的に接続されている。

本実施形態における送受信回路は、例えば微弱無線通信に適用される。また、後述するように本実施形態における送受信回路においては、受信側の整合回路１と送信側の整合回路２とが互いに回路素子を共有して構成されている。アンテナＡＮＴを除く図１に示す回路は、例えばＣＭＯＳ回路で構成され、１チップのＣＭＯＳ−ＬＳＩとして実現可能である。

図１において、容量Ｃ１は、第１電極がアンテナＡＮＴに接続され、第２電極がインダクタＬ１の一端に接続される。インダクタＬ１は、他端が受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子に接続される。

容量Ｃ２は、第１の電極が容量Ｃ１の第２電極とインダクタＬ１の一端との相互接続点に接続され、第２電極が接地される（基準電位に対して接続される）。容量Ｃ３は、第１の電極がインダクタＬ１の他端と受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子との相互接続点に接続され、第２の電極が接地される。

容量Ｃ４は、第１電極が容量Ｃ１の第２電極とインダクタＬ１の一端との相互接続点に接続され、第２電極が送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子に接続される。インダクタＬ２は、一端が容量Ｃ４の第２電極と送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子との相互接続点に接続され、他端が接地される。

受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１は、アンテナＡＮＴにて受信した受信信号を増幅する増幅回路であり、例えば低ノイズアンプにより構成される。送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２は、アンテナＡＮＴから送信する送信信号を増幅する増幅回路であり、例えばパワーアンプにより構成される。

電流源回路１０は、受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子に接続され、制御信号ＴＸＥＮによりオン／オフ制御される。電流源回路１０は、送受信回路の送信動作時（制御信号ＴＸＥＮの活性化時）には、オン状態となり受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子（受信側の整合回路１と受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子との接続点）を一定の電圧に固定する。

電流源回路２０は、送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子に接続され、制御信号ＲＸＥＮによりオン／オフ制御される。電流源回路２０は、送受信回路の受信動作時（制御信号ＲＸＥＮの活性化時）には、オン状態となり送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子（送信側の整合回路２と送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子との接続点）を一定の電圧に固定する。

なお、電流源回路１０は、送受信回路の受信動作時にはオフ状態となり、電流源回路２０は、送受信回路の送信動作時にはオフ状態となる。また、制御信号ＴＸＥＮ、ＲＸＥＮは、排他的に活性化され、同時に活性化されることはない。

図２は、図１に示した送受信回路の受信動作時の等価回路を示す。上述したように受信動作時には、電流源回路２０がオン状態となり送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子を一定の電圧に固定することで、送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力がＡＣ信号における接地に相当する状態となる。

これにより、送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力に接続されている容量Ｃ４及びインダクタＬ２からなる部分は、図２に示すように接地された容量Ｃ４と近似される。したがって、受信側の整合回路１は、容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４及びインダクタＬ１により構成される図２に示すような等価回路に近似される。

図３は、図１に示した送受信回路の送信動作時の等価回路を示す。上述したように送信動作時には、電流源回路１０がオン状態となり受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子を一定の電圧に固定することで、受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力がＡＣ信号における接地に相当する状態となる。

これにより、受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力に接続されているインダクタＬ１及び容量Ｃ３からなる部分は、図３に示すように接地されたインダクタＬ１と近似される。したがって、送信側の整合回路２は、容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４及びインダクタＬ１、Ｌ２により構成される図３に示すような等価回路に近似される。

このように、受信動作時には電流源回路２０により送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子を一定の電圧に固定し、送信動作時には電流源回路１０により受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子を一定の電圧に固定することで、受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１と送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２とをＡＣ信号的には切り離すことができ、アンテナ切替スイッチと同様の機能を実現することができる。したがって、アンテナ切替スイッチレスでアンテナＡＮＴを共用しながらも、送信側及び受信側の整合回路の容易な設計を可能にし、整合回路を容易に最適化することができる。

また、送信動作時には、電流源回路１０により受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子を一定の電圧に固定することで、受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１を含めてそれより後段に接続される受信信号処理に係る回路への電源供給を遮断することができ、消費電力を削減することができる。

図４は、本実施形態における送受信回路の具体的な構成例を示す図である。この図４において、図１に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４に示す送受信回路は、電流源回路１０としてカレントミラー回路１１を適用し、電流源回路２０としてカレントミラー回路２１を適用したものである。カレントミラー回路１１、２１は、例えばＣＭＯＳ回路で構成される。

カレントミラー回路１１は、例えば図５に示すように３つのトランジスタＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３及び電流源１２を有する。

トランジスタＭ１１は、ソースが接地され（基準電位に接続され）、ドレインが受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子に接続され、ゲートがトランジスタＭ１２のドレインに接続される。トランジスタＭ１２は、ソースが接地され、ドレインが制御信号ＴＸＥＮによってオン／オフ制御される電流源１２に接続され、ゲートとドレインとが接続される。また、トランジスタＭ１３は、ソースが接地され、ドレインがトランジスタＭ１２のドレインに接続され、ゲートに制御信号ＴＸＥＮが供給される。

カレントミラー回路１１は、図５に示すようにカレントミラーにおける電流出力端が受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子に接続され、制御信号ＴＸＥＮに応じて、送信動作時には受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子（受信側の整合回路１と受信側アンプ（ＬＮＡ）ＡＭＰ１の入力端子との接続点）を一定の電圧に固定する。

また、カレントミラー回路２１は、例えば図６に示すように３つのトランジスタＭ２１、Ｍ２２、Ｍ２３及び電流源２２を有する。

トランジスタＭ２１は、ソースが電源に接続され、ドレインが送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子に接続され、ゲートがトランジスタＭ２２のドレインに接続される。トランジスタＭ２２は、ソースが電源に接続され、ドレインが制御信号ＲＸＥＮによってオン／オフ制御される電流源２２に接続され、ゲートとドレインとが接続される。また、トランジスタＭ２３は、ソースが電源に接続され、ドレインがトランジスタＭ２２のドレインに接続され、ゲートに制御信号ＲＸＥＮが供給される。

カレントミラー回路２１は、図６に示すようにカレントミラーにおける電流出力端が送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子に接続され、制御信号ＲＸＥＮに応じて、受信動作時には送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子（送信側の整合回路２と送信側アンプ（ＰＡ）ＡＭＰ２の出力端子との接続点）を一定の電圧に固定する。

図７は、本実施形態における送受信回路の送信動作時のＳパラメータ（Ｓ２１）のシミュレーション結果を示す。図７においては、本実施形態における送受信回路のＳパラメータ（Ｓ２１）を実線Ｐ１で示し、比較参照のために従来技術によりＳパラメータ（Ｓ２１）を破線Ｐ２で示している。図７から明らかなように、本実施形態における送受信回路では、周波数３００ＭＨｚ付近で整合回路が最適化されていることがわかる。

なお、上述した説明では、電流源回路１０、２０（カレントミラー回路１１、２１）は、オフ状態であるときは電流供給を遮断するようにしているが、完全に遮断せずに電流供給量を制御し、微量の電流を供給するように構成しても良い。

また、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明によれば、アンテナを共用する送信側増幅回路と受信側増幅回路とが電気的に接続されている送受信回路にて、受信動作時には送信側増幅回路の出力端子を一定の電圧に固定し、送信動作時には受信側増幅回路の入力端子を一定の電圧に固定することで、送信側増幅回路と受信側増幅回路とをＡＣ的に切り離すことができ、送信側及び受信側の整合回路を容易に最適化することができる。

Claims

アンテナから送信する送信信号を増幅する送信側増幅回路と、前記アンテナで受信した受信信号を増幅する受信側増幅回路とが電気的に接続されている送受信回路であって、
前記アンテナと前記送信側増幅回路を整合させる第１の整合回路と、
前記アンテナと前記受信側増幅回路を整合させる第２の整合回路と、
動作状態を制御可能であって、前記第１の整合回路と前記送信側増幅回路の出力端子との第１接続点を一定の電圧に固定する第１の電流源回路と、
動作状態を制御可能であって、前記第２の整合回路と前記受信側増幅回路の入力端子との第２接続点を一定の電圧に固定する第２の電流源回路とを備えることを特徴とする送受信回路。
前記第１の電流源回路は、受信動作時にオン状態とされ前記第１接続点を一定の電圧に固定し、送信動作時にオフ状態とされることを特徴とする請求項１記載の送受信回路。
前記第２の電流源回路は、送信動作時にオン状態とされ前記第２接続点を一定の電圧に固定し、受信動作時にオフ状態とされることを特徴とする請求項１又は２に記載の送受信回路。
前記第１の電流源回路は第１のカレントミラー回路であり、前記第２の電流源回路は第２のカレントミラー回路であることを特徴とする請求項１記載の送受信回路。
前記第１及び第２のカレントミラー回路は、ＣＭＯＳ回路で構成されていることを特徴とする請求項４記載の送受信回路。
前記第１のカレントミラー回路は、
第１の内部電流源と、
ソースが電源に接続され、ドレインが前記第１の内部電流源に接続され、ゲートと前記ドレインとが接続された第１のトランジスタと、
ソースが電源に接続され、ドレインが前記送信側増幅回路の出力端子に接続され、ゲートが前記第１のトランジスタの前記ドレインに接続された第２のトランジスタとを有することを特徴とする請求項４記載の送受信回路。
前記第２のカレントミラー回路は、
第２の内部電流源と、
ソースが接地され、ドレインが前記第２の内部電流源に接続され、ゲートと前記ドレインとが接続された第３のトランジスタと、
ソースが接地され、ドレインが前記受信側増幅回路の入力端子に接続され、ゲートが前記第３のトランジスタの前記ドレインに接続された第４のトランジスタとを有することを特徴とする請求項４記載の送受信回路。
前記第１の電流源回路及び第２の電流源回路の少なくとも一方は、前記動作状態に応じて電流供給量を制御することを特徴とする請求項１記載の送受信回路。
前記第１の整合回路と前記第２の整合回路は、回路素子を共有して構成されていることを特徴とする請求項１記載の送受信回路。