JP5218112B2

JP5218112B2 - 電力分配回路

Info

Publication number: JP5218112B2
Application number: JP2009022709A
Authority: JP
Inventors: 陽一川野; 俊秀鈴木
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: JP2010183167A

Description

本発明は、電力分配回路に関し、特に無線通信システム及びレーダーシステムの高周波トランシーバー回路等に用いられる電力分配回路に関する。

高周波信号は単相の信号で電力分配、又は電力合成等の信号処理をすることが多かったが、近年、雑音に強い差動信号で処理することが多くなっている。

図１は、電力分配回路の構成例を示す図である。電力分配回路は、信号源１０１、分配回路１０２、バラン回路１０３及び１０４を有する。信号源１０１が出力する１つの単相信号は、第１の差動信号１０５及び第２の差動信号１０６に分配される。分配回路１０２は、同じ長さの線路を用いて、信号源１０１が出力する単相信号を２つの単相信号に分配する。バラン回路１０３及び１０４は、それぞれ異なる長さの線路を用いて、単相信号を差動信号に変換する。短い線路は位相が０度の信号を出力し、長い線路は位相が１８０度の信号を出力する。線路の長さを異ならせることにより、信号の位相をずらす。すなわち、分配回路１０２、バラン回路１０３及び１０４は、特性インピーダンスの調整された伝送線路で構成されている。バラン回路１０３は、第１の差動信号１０５を出力する。バラン回路１０４は、第２の差動信号１０６を出力する。差動信号は、相互に位相が１８０度異なる信号である。

また、特表２００５−５０３６７９号公報には、複数のプッシュプル増幅器を具えており、各増幅器は２つのゲインブロックを含み、各ゲインブロックは、正極及び負極を有する入力ポートと、正極及び負極を有する出力ポートとを具え、ＲＦ入力信号を増幅する分布型環状電力増幅器が開示されている。

特表２００５−５０３６７９号公報

図１の電力分配回路は、３個の分配回路１０２及びバラン回路１０３，１０４が必要となるため面積が増大する。特に、バラン回路１０３及び１０４では、位相が１８０°異なる２つの信号を発生させるために、波長の２分の１に相当する長さの異なる２つの線路が必要となる。そのため、面積が増大し、また長い配線の抵抗損失によって信号が減衰するという課題がある。

本発明の目的は、小面積及び／又は低損失の電力分配回路を提供することである。

本発明の一観点によれば、入力端子に交流信号を入力することにより磁束を生成する１次側コイルと、第１の出力端子及び第２の出力端子間に接続され、前記１次側コイルにより生成された磁束により第１の交流信号を生成する第１の２次側コイルと、第３の出力端子及び第４の出力端子間に接続され、前記１次側コイルにより生成された磁束により第２の交流信号を生成する第２の２次側コイルと、前記第１の２次側コイルの前記第１の出力端子及び基準電位ノード間に接続される第１の容量と、前記第１の２次側コイルの前記第２の出力端子及び基準電位ノード間に接続される第２の容量と、前記第２の２次側コイルの前記第３の出力端子及び基準電位ノード間に接続される第３の容量と、前記第２の２次側コイルの前記第４の出力端子及び基準電位ノード間に接続される第４の容量と、前記第１の２次側コイルの中点及び前記第２の２次側コイルの中点に接続される直流バイアス電源とを有し、前記第１の２次側コイル及び前記第２の２次側コイルは、前記第１の出力端子、前記第２の出力端子、前記第３の出力端子及び前記第４の出力端子から２組の差動信号を出力し、前記１次側コイルは、環状形状を有し、前記第１の２次側コイルは、環状形状を２つに分割した一方の形状を有し、前記第２の２次側コイルは、環状形状を２つに分割した他方の形状を有し、前記第１の２次側コイルの前記第１の出力端子及び前記第２の２次側コイルの前記第３の出力端子は、第１の差動信号を出力し、前記第１の２次側コイルの前記第２の出力端子及び前記第２の２次側コイルの前記第４の出力端子は、第２の差動信号を出力することを特徴とする電力分配回路が提供される。

１次側コイル及び２次側コイルを用いることにより、小面積及び／又は低損失で、交流信号を２組の差動信号に分配することができる。

電力分配回路の構成例を示す図である。図２（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第１の実施形態による電力分配回路の原理を説明するための図である。本発明の第１の実施形態による電力分配回路の構成例を示す図である。本発明の第２の実施形態による電力分配回路の構成例を示す図である。本発明の第３の実施形態による電力分配回路の構成例を示す図である。本発明の第４の実施形態による電力分配回路の構成例を示す図である。本発明の第５の実施形態による電力分配回路の構成例を示す図である。

（第１の実施形態）
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態による電力分配回路の原理を説明するための図である。図２（Ａ）において、環状の導電体２０１内に磁束Φを発生させると、導電体２０１に渦電流が発生する。トランスフォーマーは、１次側コイルに電流を流した際に磁束Φが発生し、その磁束Φが二次側コイル２０１を通過することによって生じる誘導電流によって電力を伝達する。

図２（Ｂ）において、図２（Ａ）の２次側の環状の導電体２０１を分割し、導電体２３１及び２３２を配置する。２次側コイル２３１及び２３２内に磁束Φを発生させると、やはり渦電流が発生する。導電体２３１及び２３２では、相互に位相が反転した電流が流れ、０度の信号及び１８０度の信号からなる２組の差動信号が得られる。この原理を用いることにより、２つに分配された差動信号を生成することが可能となる。

図２（Ｃ）及び図３は、本発明の第１の実施形態による電力分配回路の構成例を示す図である。電力分配回路は、半導体装置により構成することができる。１次側コイル２２１は、環状形状の導電体であり、一端が入力端子ＩＮに接続され、他端が基準電位ノード（グランド電位ノード）に接続される。１次側コイル２２１は、入力端子ＩＮに単相の交流信号を入力することにより、電流Ｉ１が流れ、磁束Φを生成する。

第１の２次側コイル２３１は、環状形状を２つに分割した一方の形状を有する。第２の２次側コイル２３２は、環状形状を２つに分割した他方の形状を有する。より具体的には、第１の２次側コイル２３１は、円形を２つに分割した一方の半円の形状を有する。第２の２次側コイル２３２は、円形を２つに分割した他方の半円の形状を有する。２次側コイル２３１及び２３２は、長さが等しい。

第１の２次側コイル２３１は、第１の出力端子ＯＵＴ１ｐ及び第２の出力端子ＯＵＴ２ｎ間に接続され、１次側コイル２２１により生成された磁束Φにより第１の交流信号（誘導電流）Ｉ２を生成する導電体である。第２の２次側コイル２３２は、第３の出力端子ＯＵＴ１ｎ及び第４の出力端子ＯＵＴ２ｐ間に接続され、１次側コイル２２１により生成された磁束Φにより第２の交流信号（誘導電流）Ｉ３を生成する導電体である。

２次側コイル２３１及び２３２は、１次側コイル２２１を囲むように配置され、相互に対称の形状を有する。

第１の容量３０１は、第１の２次側コイル２３１の第１の出力端子ＯＵ１ｐ及び基準電位ノード間に接続される。第２の容量３０２は、第１の２次側コイル２３１の第２の出力端子ＯＵＴ２ｎ及び基準電位ノード間に接続される。第３の容量３０３は、第２の２次側コイル２３２の第３の出力端子ＯＵＴ１ｎ及び基準電位ノード間に接続される。第４の容量３０４は、第２の２次側コイル２３２の第４の出力端子ＯＵＴ２ｐ及び基準電位ノード間に接続される。

容量３０１〜３０４は、誘導電流Ｉ２及びＩ３を充電し、２次側コイル２３１及び２３２に電力を供給することができる。また、２次側コイル２３１，２３２及び容量３０１〜３０４は、外部の回路に対して整合回路を構成する。すべての出力端子ＯＵＴ１ｐ，ＯＵＴ２ｎ，ＯＵＴ１ｎ，ＯＵＴ２ｐは、インピーダンスが同一である。

導電体２３４は、第１の２次側コイル２３１の中点及び第２の２次側コイル２３２の中点を直流バイアス電源２３３に接続する。

第１の２次側コイル２３１及び第２の２次側コイル２３２は、第１の出力端子ＯＵＴ１ｐ、第２の出力端子ＯＵＴ２ｎ、第３の出力端子ＯＵＴ１ｎ及び第４の出力端子ＯＵＴ２ｐから２組の差動信号を出力する。

誘導電流Ｉ２及びＩ３は、位相が反転した信号である。第１の２次側コイル２３１の第１の出力端子ＯＵＴ１ｐ及び第２の２次側コイル２３２の第３の出力端子ＯＵＴ１ｎは、第１の差動信号を出力する。第１の差動信号は、相互に位相が反転した信号である。第１の２次側コイル２３１の第２の出力端子ＯＵＴ２ｎ及び第２の２次側コイル２３２の第４の出力端子ＯＵＴ２ｐは、第２の差動信号を出力する。第２の差動信号は、相互に位相が反転した信号である。

以上のように、磁界で結合する１次側コイル２２１及び２次側コイル２３１，２３２を設け、２個の２次側コイル２３１及び２３２を設けることにより、２分配された差動信号を発生させることができる。

２次側コイル２３１及び２３２は、１次側コイル２２１を囲むように配置される。２次側コイル２３１及び２３２は、図２（Ａ）の２次側コイル２０１を同じ長さの２つのコイルに分割したものである。出力端子ＯＵＴ１ｐ，ＯＵＴ１ｎ及び出力端子ＯＵＴ２ｐ，ＯＵＴ２ｎは、それぞれ差動回路のプラス出力端子及びマイナス出力端子として、後段の回路と接続される。２次側コイル２３１及び２３２のそれぞれの中点は、出力側差動回路のバイアス供給用タップとして直流バイアス電源２３３に接続される。また、２次側コイル２３１及び２３２の出力端子ＯＵＴ１ｐ，ＯＵＴ２ｎ，ＯＵＴ１ｎ，ＯＵＴ２ｐは、後段の回路とインピーダンス整合させるために容量３０１〜３０４を基準電位ノードに対して接続する。

以上のように、本実施形態の電力分配回路は、入力端子ＩＮに単相の交流信号を入力することにより、出力端子ＯＵＴ１ｐ及びＯＵＴ１ｎから第１の差動信号を出力し、出力端子ＯＵＴ２ｐ及びＯＵＴ２ｎから第２の差動信号を出力することができる。すなわち、電力分配回路は、単相の交流信号を２組の差動信号に分配することができる。

図１の電力分配回路は、バラン回路１０３及び１０４内の線路長の長さを調整することにより、１８０度位相の信号を生成するため、回路が大きくなり、損失が大きくなる。その回路面積は、約１０００×２０００ｍｍ²である。

これに対して、本実施形態の電力分配回路は、１次側コイル２２１及び２次側コイル２３１，２３２を用いることにより、単相の交流信号を２組の差動信号に分配するため、回路が小さくなり、損失が低減する。その回路面積は、約８０×８０μｍ²であり、図１の回路に対して大幅に小さくなる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態による電力分配回路の構成例を示す図である。図４の電力分配回路は、図３の電力分配回路に対して、２次側コイル２３１及び２３２の代わりに２次側コイル４０１及び４０２を設けたものである。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。

第１の２次側コイル４０１は、第１の出力端子ＯＵＴ１ｐ及び第２の出力端子ＯＵＴ１ｎ間に接続され、１次側コイル２２１により生成された磁束Φにより第１の交流信号（誘導電流）Ｉ２を生成する導電体である。第２の２次側コイル４０２は、第３の出力端子ＯＵＴ２ｐ及び第４の出力端子ＯＵＴ２ｎ間に接続され、１次側コイル２２１により生成された磁束Φにより第２の交流信号（誘導電流）Ｉ３を生成する導電体である。

第１の容量３０１は、第１の２次側コイル４０１の第１の出力端子ＯＵＴ１ｐ及び基準電位ノード間に接続される。第２の容量３０３は、第１の２次側コイル４０１の第２の出力端子ＯＵＴ１ｎ及び基準電位ノード間に接続される。第３の容量３０４は、第２の２次側コイル４０２の第３の出力端子ＯＵＴ２ｐ及び基準電位ノード間に接続される。第４の容量３０２は、第２の２次側コイル４０２の第４の出力端子ＯＵＴ２ｎ及び基準電位ノード間に接続される。

導電体４０３は、第１の２次側コイル４０１の中点及び第２の２次側コイル４０２の中点を直流バイアス電源２３３に接続する。

第１の２次側コイル４０１及び第２の２次側コイル４０２は、第１の出力端子ＯＵＴ１ｐ、第２の出力端子ＯＵＴ１ｎ、第３の出力端子ＯＵＴ２ｐ及び第４の出力端子ＯＵＴ２ｎから２組の差動信号を出力する。

１次側コイル２２１は、環状形状を有する。第１の２次側コイル４０１は、環状形状を有する。第２の２次側コイル４０２は、環状形状を有する。第１の２次側コイル４０１の第１の出力端子ＯＵＴ１ｐ及び第２の出力端子ＯＵＴ１ｎは、第１の差動信号を出力する。第２の２次側コイル４０２の第３の出力端子ＯＵＴ２ｐ及び第４の出力端子ＯＵＴ２ｎは、第２の差動信号を出力する。

第１の２次側コイル４０１は、一部が１次側コイル２２１の内側に配置され、他の一部が１次側コイル２２１の外側に配置される。第２の２次側コイル４０２は、一部が１次側コイル２２１の内側に配置され、他の一部が１次側コイル２２１の外側に配置される。

具体的には、第１の２次側コイル４０１は、図の上側が１次側コイル２２１の外側に配置され、図の下側が１次側コイル２２１の内側に配置される。第２の２次側コイル４０２は、図の上側が１次側コイル２２１の内側に配置され、図の下側が１次側コイル２２１の外側に配置される。

２次側コイル４０１及び４０２は、１次側コイル２２１を挟むように配置され、それぞれ１次側コイル２２１に対して途中で内側及び外側を入れ替えることにより、相互に等しい長さにする。

２次側コイル４０１及び４０２は、１次側コイル２２１に対して、同じ長さで取り囲むように配置される。２個の２次側コイル４０１及び４０２は、等長になるように途中でクロスさせる。これにより、本実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態による電力分配回路の構成例を示す図である。図５の電力分配回路は、図４の電力分配回路に対して、２次側コイル４０１及び４０２の配置が異なる。以下、本実施形態が第２の実施形態と異なる点を説明する。本実施形態は、図４の電力分配回路のように２次側コイル４０１及び４０２をクロスさせない例を示す。第１の２次側コイル４０１は、１次側コイル２２１の外側に配置される。第２の２次側コイル４０２は、１次側コイル２２１の内側に配置される。２次側コイル４０１及び４０２は、相互に長さが異なるため分配電力が異なるが、出力端子ＯＵＴ１ｐ及びＯＵＴ１ｎは第１の差動信号を出力し、出力端子ＯＵＴ２ｐ及びＯＵＴ２ｎは第２の差動信号を出力することができる。本実施形態の電力分配回路は、単相の交流信号を２組に差動信号に分配することができる。本実施形態は、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態による電力分配回路の構成例を示す図である。図６の電力分配回路は、図３の電力分配回路に対して、２次側コイル２３１及び２３２の配置が異なる。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。本実施形態の電力分配回路は、半導体基板上に形成することができる。１次側コイル２２１、第１の２次側コイル２３１及び第２の２次側コイル２３２は、それぞれ絶縁体層を介した導電体層で形成され、層の厚さ方向に重なるように形成される。２次側コイル２３１及び２３２は、１次側コイル２２１の上層又は下層に配置される。２次側コイル２３１及び２３２は、相互に対称であり、長さが等しい。半導体装置の多層配線により、１次側コイル２２１及び２次側コイル２３１，２３２が層の厚さ方向に重なる。なお、図４及び図５の電力分配回路においても、同様に、１次側コイル２２１、第１の２次側コイル４０１及び第２の２次側コイル４０２は、それぞれ絶縁体層を介した導電体層で形成され、層の厚さ方向に重なるように形成されるようにしてもよい。本実施形態は、第１〜第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態による電力分配回路の構成例を示す図である。図７の電力分配回路は、図３の電力分配回路に対して、２次側コイル２３１及び２３２の配置が異なる。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。図３の電力分配回路では、第１の差動信号の出力端子ＯＵＴ１ｐ，ＯＵＴ１ｎ及び第２の差動信号の出力端子ＯＵＴ２ｐ，ＯＵＴ２ｎは、１次側コイル２２１の入力端子ＩＮに対して、±９０度回転した位置に配置されている。これに対して、本実施形態では、第１の差動信号の出力端子ＯＵＴ１ｐ，ＯＵＴ１ｎは、１次側コイル２２１の入力端子ＩＮに対して、９０度より大きく回転した位置に配置され、第２の差動信号の出力端子ＯＵＴ２ｐ，ＯＵＴ２ｎは、１次側コイル２２１の入力端子ＩＮに対して、９０度より小さく回転した位置に配置されている。２次側コイル２３１及び２３２の長さが同じであれば、第１の差動信号の出力端子ＯＵＴ１ｐ，ＯＵＴ１ｎ及び第２の差動信号の出力端子ＯＵＴ２ｐ，ＯＵＴ２ｎの位置は、どこでもよい。本実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上のように、第１〜第５の実施形態によれば、１次側コイル及び２次側コイルを用いることにより、小面積及び／又は低損失で、交流信号を２組の差動信号に分配することができる。

なお、上記実施形態は、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。

２２１１次側コイル
２３１第１の２次側コイル
２３２第２の２次側コイル
２３３直流バイアス電源
２３４導電体
３０１〜３０４容量

Claims

入力端子に交流信号を入力することにより磁束を生成する１次側コイルと、
第１の出力端子及び第２の出力端子間に接続され、前記１次側コイルにより生成された磁束により第１の交流信号を生成する第１の２次側コイルと、
第３の出力端子及び第４の出力端子間に接続され、前記１次側コイルにより生成された磁束により第２の交流信号を生成する第２の２次側コイルと、
前記第１の２次側コイルの前記第１の出力端子及び基準電位ノード間に接続される第１の容量と、
前記第１の２次側コイルの前記第２の出力端子及び基準電位ノード間に接続される第２の容量と、
前記第２の２次側コイルの前記第３の出力端子及び基準電位ノード間に接続される第３の容量と、
前記第２の２次側コイルの前記第４の出力端子及び基準電位ノード間に接続される第４の容量と、
前記第１の２次側コイルの中点及び前記第２の２次側コイルの中点に接続される直流バイアス電源とを有し、
前記第１の２次側コイル及び前記第２の２次側コイルは、前記第１の出力端子、前記第２の出力端子、前記第３の出力端子及び前記第４の出力端子から２組の差動信号を出力し、
前記１次側コイルは、環状形状を有し、
前記第１の２次側コイルは、環状形状を２つに分割した一方の形状を有し、
前記第２の２次側コイルは、環状形状を２つに分割した他方の形状を有し、
前記第１の２次側コイルの前記第１の出力端子及び前記第２の２次側コイルの前記第３の出力端子は、第１の差動信号を出力し、
前記第１の２次側コイルの前記第２の出力端子及び前記第２の２次側コイルの前記第４の出力端子は、第２の差動信号を出力することを特徴とする電力分配回路。