JP5490904B2 - Ｒｆパワーアンプの電力合成回路 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＦパワーアンプに関し、特に、ＲＦパワーアンプの電力合成方法及びその電力合成回路に関する。

ＲＦパワーアンプ（ＰＡ）は、無線通信システムの重要な構成部分である。ＰＡは送信機のファイナルステージに使用され、変調済み周波数帯域の信号を必要な電力値に増幅されてからアンテナに伝送して送信する。１つの通信システムが、往々にして複数の周波数帯を動作させ、複数の周波数帯での独立動作を実現するため、システムの中に切り替える多回路スイッチを備えなければならない。しかしながら、一般的なポータブル装置は体積を小さくして携帯性を高めるため、通常アンテナアセンブリのみを配置し、よってＲＦパワーアンプとアンテナの間で制御を必要とするＲＦパワーアンプの電力合成回路が必要とされる。このため、例えば過負荷能力、挿入損失、隔離度及びブレークダウン耐力等のようなＲＦパワーアンプの電力合成回路の性能は無線通信システム全体の性能を極めて制約する。これらの性能指標も例えばスイッチ、送受共用器等のようなＲＦパワーアンプの電力合成回路のコンポーネントに対して、厳しく要求される。ＲＦパワーアンプの高い要求を満たすため、電力合成回路中のスイッチの大半は高価なＧａＡｓ技術で設計されているため、回路設計が複雑だけではなく、一般的なＣＭＯＳ技術に対して言うと、高コスト、低集積度及び技術の未熟等の欠陥が存在している。

従来のＲＦパワーアンプの一般的な電力合成回路は図１の通り。回路全体には、スイッチＳＷ１、ＳＷ２と、整合回路網Ｇと、整合回路網Ｄと、ＲＸ受信ポートと、送受共用器と、アンテナ及びアンテナ側のＥＳＤ回路が含まれる。ＲＦパワーアンプとアンテナの間をブリッジするスイッチＳＷ１及びＳＷ２は、非常に高いブレークダウン電圧を有し、ＲＦパワーアンプから送信された大電力信号に耐えるべきで、スイッチの損傷による通信システム全体の崩壊を防止できるようにする。ＲＦパワーアンプの電力合成回路全体について言うと、その隔離度の良し悪しもシステム全体の性能を制約する。図１で示すように、ＰＡのＢａｎｄ１チャネルが電力を送信した時、ＰＡの出力電力がスイッチＳＷ１及び送受共用器を通じてアンテナに伝送する。スイッチＳＷ１がＰＡの全ての送信電力に耐えられなければならないため、スイッチＳＷ１が非常に高いブレークダウン電圧及び過負荷能力を有するよう要求されるため、高いブレークダウン電圧を有する高価なＧａＡｓ技術を採用したスイッチが製造され、且つ送信チャネルに直列接続するスイッチの挿入損失がアンテナ側の電力に直接影響を及ぼす。ＲＸ側が電力を受信時、アンテナ側の信号は、送受共用器及びＳＷ５〜ＳＷ８を経由して受信側に到達し、受信チャネルに直列接続するスイッチＳＷ５〜ＳＷ８の受信挿入損失は、通信システム全体の受信感度に直接影響を及ぼす。上記の内容をまとめるとわかるように、ＲＦパワーアンプの電力合成回路及びその中の重要素子であるスイッチは、非常に高い過負荷能力を有すべきで、並びに出力されたＲＦ信号の減衰を減すため、非常に低い挿入損失を有し、同時に電力チャネル間の信号の漏れを減少するため、ＲＦパワーアンプの電力合成回路は、やはり非常に高い隔離度を有すべきである。従来のＲＦパワーアンプの電力合成回路中のスイッチの大半は高価なＧａＡｓ技術であるＰＨＥＭＴトランジスタで設計し、それで低挿入損失、高隔離度、高い過負荷能力及び高ブレークダウン電圧等の指標要求を満たすことができる。但し、ＰＨＥＭＴトランジスタは、デプレッション形ＦＥＴの為、負の電圧でゲート電極の駆動が必要なため、スイッチ制御回路の設計複雑性及び設計と製造コストが高くなる。ＣＭＯＳ技術で設計されたスイッチは、高集積度、技術成熟及び低コスト等というメリットがあるが、ブレークダウン電圧が低く及びスイッチの隔離度に限度がある等の欠陥もあるので、よって、ＲＦパワーアンプの電力合成回路の全体的な回路網から言うと、ＣＭＯＳ技術のメリットを結合して低コスト、高性能なＲＦ電力合成回路網を設計することが、極めて重要なことである。

発明による解決課題

本発明は、従来のＧａＡｓ技術スイッチを採用したＲＦパワーアンプの電力合成回路の低集積度、高コスト及びＲＦスイッチ制御回路の複雑性等の問題を解決し、従って新規のＣＭＯＳ技術スイッチを採用したＲＦ電力合成方法及びその合成回路を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の技術的思想は、アンテナと接続し、ＲＦパワーアンプの両周波数帯の信号出力側と各々接続し、送受共用器を通じてアンテナ回路に接続する第１の整合回路網及び第２の整合回路網と、両周波数帯の信号受信ポートと各々接続する信号結合回路とを含むＲＦパワーアンプの電力合成回路を提供することである。前記第１の整合回路網はインダクタンス及びインダクタンス素子と並列接続するスイッチング素子を通じて接地し、第２の整合回路網はインダクタンス素子及びインダクタンス素子と並列接続するスイッチング素子を通じて接地することがメリットである。

好しくは、前記第１の整合回路網と信号結合回路の間の信号伝送ケーブルは、インダクタンス素子及びインダクタンス素子と並列接続するスイッチング素子を通じて接地し、前記第２の整合回路網と信号結合回路の間の信号伝送ケーブルがインダクタンス素子及びインダクタンス素子と並列接続するスイッチング素子を通じて接地する。

さらに好ましくは、前記第１の整合回路網には直列接続するフロントエンド整合回路網と二次整合回路網とを含み、前記第２の整合回路網もフロントエンド整合回路網と二次整合回路網とを含む。前記両フロントエンド整合回路網が接地するスイッチング素子及びインダクタンス素子と接続し、両二次整合回路網が送受共用器と接続する。

具体的なのは、前記信号結合回路は結合コンデンサを採用する。前記結合コンデンサと周波数帯信号の受信ポートにスイッチデバイスを直列接続、若しくは前記結合コンデンサと周波数帯信号の受信ポートの間の信号伝送ケーブルがスイッチデバイスを通じて接地する。

本発明の前記スイッチデバイスは全て、一般的なＣＭＯＳ技術で実現できる。ＣＭＯＳ技術によるスイッチのブレークダウン電圧が比較的低いという欠点について、本発明はＣＭＯＳスイッチの電力合成回路網における接続方式を合理的に処理することで、できる限りＣＭＯＳスイッチ上の電圧振幅を低下する事によって、従ってＲＦ電力合成回路網全体の信頼性を向上する。且つ電力合成回路網においてスイッチの導通と遮断を柔軟的に制御することにより、異なる動作モードにおける整合回路網の組み合わせ・整合を実現し、異なるチャネル間の信号の漏れ問題を解決し、従ってＲＦ信号の伝送品質を確保し、無線通信システム全体の性能を効果的に向上させていく。

従来の技術における高価なＧａＡｓ技術のＰＨＥＭＴスイッチを採用したＲＦパワーアンプの電力合成回路に比べても、本発明でも高集積度、低コスト、簡単なスイッチ制御回路等の長所を持っている。

従来のＲＦパワーアンプの電力合成回路の原理図である。 本発明に係るＲＦパワーアンプの電力合成回路の第１の実施形態回路図である。 本発明に係るＲＦパワーアンプの電力合成回路の第２の実施形態回路図である。 本発明に係るＲＦパワーアンプの電力合成回路の第３の実施形態回路図である。

当業の技術者が本発明をよく理解してもらう為、添付図面と実施例に基づいて、下記の通り詳しく説明する。

図面2は本発明に係る、回路にＣＭＯＳスイッチを採用したＲＦパワーアンプの電力合成回路の第１の実施形態図である。図内の全てのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８が並列接続方式で大地に接続し、スイッチの導通と遮断を制御することによって信号の切り替えを行い、整合回路網１＿１、１＿２、２＿１、２＿２と同調して動作し、スイッチ上の電圧振幅を大幅に低下させることによって、ＣＭＯＳ技術のブレークダウン電圧が低くなる欠陥を改善できる。

当該回路図の動作原理は次の通り。つまりＢａｎｄ１チャネルが電力を送信時、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８は閉路して接地し、スイッチＳＷ５が0FFになる。この場合ノードＡ、ノードＢ及びノードＨ箇所は、スイッチを通じて直接大地と接続し、自体と並列接続するインダクタンスを遮蔽する。ＲＦ信号を整合回路網１＿１と整合回路網１＿２によって送受共用器に伝送すると共にノードＣに到達し、整合回路網１＿２から漏れた微弱なＲＦ信号が、大地と導通しているスイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４に吸収されて受信チャネルに影響を与えることを避け、従って送受信チャネル間の隔離度を効果的に向上できる。ノードＣにおいて送受共用器を通じてノードＨに漏れた少量のＲＦ信号も大地と導通しているスイッチＳＷ６により大地に漏れるため、受信チャネルＲＸ２＿１、ＲＸ２＿２に影響を与えない。

特にパワーアンプＰＡ内部において、Ｂａｎｄ１チャネルからＢａｎｄ２送信チャネルに漏れた少量のＲＦ信号は、ＳＷ５の遮断のため、整合回路網２＿１とインダクタンスＬ３からなる共鳴ネットワークが漏れたＲＦ信号の当該回路の受信チャネルに対する影響を抑え、従って異なるチャネル間の隔離度が効果的に向上する。

Ｂａｎｄ２チャネルが電力を送信した時、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８が閉路して接地し、スイッチＳＷ１が開路する。この場合ノードＢ、ノードＧ及びノードＨ箇所はスイッチを通じて直接大地に接続し、自体と並列接続するインダクタンスを遮蔽する。整合回路網２＿１と整合回路網２＿２の共同作用によりＲＦ信号を送受共用器に伝送してノードＣに到達し、整合回路網２＿２から漏れた微弱なＲＦ信号も大地と導通しているスイッチＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８に吸収されて受信チャネルに影響を与えないため、送受信チャネル間の隔離度を効果的に向上できる。ノードＣにおいて送受共用器を通じてノードＢに漏れた少量のＲＦ信号も大地と導通しているスイッチＳＷ２により大地に漏らすため、ＲＸチャネルに影響を与えない。

同じようにパワーアンプＰＡ内部においてＢａｎｄ２からＢａｎｄ１の送信チャネルに漏れた少量のＲＦ信号は、ＳＷ１の遮断のため、整合回路網１＿１とインダクタンスＬ１からなる共鳴ネットワークは漏れたＲＦ信号のＲＸチャネルに対する影響を抑え、従って異なるチャネル間の隔離度を効果的に向上する。

アンテナがＢａｎｄ１信号を受信する時、且つアンテナの受信した信号を受信側ＲＸ１＿１ポートに伝送する時、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が開路となり、スイッチＳＷ４が閉路して導通し、整合回路網１＿２と、インダクタンスＬ２とコンデンサＣ１＿１からなる整合回路網は、受信の整合を実現し、アンテナが受信したＢａｎｄ１信号を送受共用器によってＲＸ１＿１ポートに上手に伝送させる。整合回路網１＿１とインダクタンスＬ１からなる共鳴ネットワークは、パワーアンプＰＡのＢａｎｄ１チャネル側の受信側ＲＸ１＿１に対する影響を除去する。同じく、アンテナが受信した信号を受信側ＲＸ１＿２ポートに伝送することを選んだ時、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が開路となり、ＳＷ４が開路となると、ＳＷ３が閉路して導通し、アンテナが受信した信号は、再度送受共用器を通じて、更に整合回路網１＿２を経てＲＸ１＿２ポートに上手に伝送できる。

Ｂａｎｄ２信号を受信し、且つアンテナの受信した信号を受信側ＲＸ２＿１ポートに伝送する時、スイッチＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７が開路となり、スイッチＳＷ８が閉路して導通し、整合回路網２＿２と、インダクタンスＬ４とコンデンサ２＿１からなる整合回路網は、受信の整合を実現し、アンテナの受信したＢａｎｄ２信号を送受共用器によってＲＸ２＿１ポートに上手く伝送させる。整合回路網２＿１とインダクタンスＬ３からなる共鳴ネットワークは、パワーアンプＰＡのＢａｎｄ２チャネル側の受信側ＲＸ２＿１に対する影響を除去する。同じくアンテナが受信した信号を受信側ＲＸ２＿２ポートに伝送することを選んだ時、スイッチＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７が開路となり、ＳＷ８が開路となると、ＳＷ７が閉路して導通し、アンテナの受信した信号は、送受共用器を通じて、更に整合回路網１＿２を経てＲＸ１＿２ポートに上手く伝送できる。

具体的に回路を実現する時、実施形態中のＣＭＯＳスイッチと整合回路網１＿１、整合回路網１＿２、整合回路網２＿１、整合回路網２＿２は、実際の状況によって変更可能となる。

本発明に係る回路の第２の実施形態について図３を参照しながら説明する。本実施形態と第１の実施形態との差異は、受信側のスイッチに直列接続方式を採用し、当該チャネルで信号を受信する時のみ、当該チャネルに対応するスイッチが導通し、他の時間は該スイッチを遮断することである。ＲＦ電力合成回路網が信号を受信する時、受信側の信号は非常に微弱で、ＣＭＯＳスイッチがブレークダウンされる問題は存在せず、且つ合理的な設計を通じてスイッチの挿入損失を低下でき、従って受信システム全体の感度をアップできる。本実施形態動作原理の他の記述は第１の実施回路図の記述と同じで、また受信ポートの前に大地に並列接続するスイッチを更に増設でき、即ち信号の受信側ＲＸ１＿１、ＲＸ１＿２、ＲＸ２＿１、ＲＸ２＿２と結合コンデンサＣ１＿１、Ｃ１＿２、Ｃ２＿１、Ｃ２＿２の間にスイッチデバイスを各々直接接続し、同時に各信号受信側と結合コンデンサの間の信号伝送ケーブルもスイッチデバイスを通じて接地し、従って送受信チャネル間の隔離度を更に向上する。

本発明に係る回路の第３の実施形態について図４を参照しながら説明する。これは、第１の実施形態を拡張したものである。本実施形態と第１の実施形態の差異は、周波数帯の送信ポートと受信ポートを追加し、従って多周波数帯の送信と受信の応用要求を満たす。具体的な動作原理の記述は第１の実施形態と同様である。

本発明内の前記各整合回路網、共鳴ネットワークの具体的な実施形態及びアンプの選択等は、当業技術者が状況によって決定できるため、ここで一つ一つ記述しないこととする。

上記は、本発明の好ましい実施例であり、ここで説明したいのは、本発明の技術的思想を逸脱しない事を前提に、様々ないかなる小さい変化及び同じ入替は、全て本発明の特許保護範囲内に属する事である。

１＿１ 整合回路網
１＿２ 整合回路網
２＿１ 整合回路網
２＿２ 整合回路網
Ｂ ノード
Ｃ１＿１ コンデンサ
Ｃ１＿２ コンデンサ
Ｃ２＿１ コンデンサ
Ｃ２＿２ コンデンサ
Ｇ ノード
Ｈ ノード
Ｌ１ インダクタンス
Ｌ２ インダクタンス
ＲＸ１＿１ 受信ポート
ＲＸ１＿２ 受信ポート
ＲＸ２＿１ 受信ポート
ＲＸ２＿２ 受信ポート
ＳＷ１ スイッチ
ＳＷ２ スイッチ
ＳＷ３ スイッチ
ＳＷ４ スイッチ
ＳＷ６ スイッチ
ＳＷ７ スイッチ
ＳＷ８ スイッチ

Claims (10)

1. アンテナと接続し、ＲＦパワーアンプの両周波数帯の信号出力側と各々接続し、送受共用器を通じてアンテナ回路に接続する第１の整合回路網、及び、第２の整合回路網と、両周波数帯の信号受信ポートと各々接続する信号結合回路とを、含み、
   前記第１の整合回路網はインダクタンス、及び、インダクタンス素子と並列接続するスイッチング素子を通じて接地し、第２の整合回路網がインダクタンス素子、及び、インダクタンス素子と並列接続するスイッチング素子を通じて接地すること
   及び
   Ｂａｎｄ１チャネルの送信時、ＳＷ１をオンにすることでインダクタンスＬ１を遮蔽して、ＲＦ信号を整合回路網１＿１と整合回路網１＿２によって整合動作を実現し、Ｂａｎｄ２チャネルの送信時およびＢａｎｄ１チャネルの受信時、ＳＷ１をオフにすることにより整合回路１＿１とインダクタンスＬ１からなる共鳴ネットワークを構成して、他のチャネルから漏れた信号を遮断すること
   を特徴とするＲＦパワーアンプの電力合成回路。
2. 前記第１の整合回路網と信号結合回路の間の信号伝送ケーブルは、インダクタンス素子、及び、インダクタンス素子と並列接続するスイッチング素子を通じて接地し、前記第２の整合回路網と信号結合回路の間の信号伝送ケーブルがインダクタンス素子、及び、インダクタンス素子と並列接続するスイッチング素子を通じて接地することを特徴とする請求項１に記載の電力合成回路。
3. 前記第１の整合回路網には直列接続するフロントエンド整合回路網１＿１と二次整合回路網１＿２とを含み、前記第２の整合回路網もフロントエンド整合回路網２＿１と二次整合回路網２＿２とを含み、前記フロントエンド整合回路網が接地するスイッチング素子、及び、インダクタンス素子と接続し、二次整合回路網が送受共用器と接続することを特徴とする請求項２に記載の電力合成回路。
4. アンテナと接続し、Ｌ個のＲＦパワーアンプの周波数帯信号出力側と各々接続するＬ個の整合回路網と、Ｎ個の周波数帯信号受信ポートと各々接続するＮ個の信号結合回路とを、含み、前記Ｌ個の整合回路網がいずれもマルチプレクサを通じてアンテナ回路に接続し、
   前記Ｌ個の整合回路網はそれぞれ並列接続するインダクタンス素子、及び、スイッチング素子を通じて接地すること、
   及び
   Ｂａｎｄ１チャネルの送信時、ＳＷ１をオンにすることでインダクタンスＬ１を遮蔽して、ＲＦ信号を整合回路網１＿１と整合回路網１＿２によって整合動作を実現し、Ｂａｎｄ２チャネルの送信時およびＢａｎｄ１チャネルの受信時、ＳＷ１をオフにすることにより整合回路１＿１とインダクタンスＬ１からなる共鳴ネットワークを構成して、他のチャネルから漏れた信号を遮断することを特徴とする電力合成回路。
5. 前記Ｌ個の整合回路網と前記信号結合回路の間の信号伝送ケーブルは、いずれもインダクタンス素子、及び、インダクタンス素子と並列接続するスイッチング素子を通じて接地することを特徴とする請求項４に記載の電力合成回路。
6. 前記Ｌ個の整合回路網は、それぞれ直列接続するフロントエンド整合回路網と二次整合回路網とを含み、前記フロントエンド整合回路網がいずれも接地するスイッチング素子、及び、インダクタンス素子と接続し、前記二次整合回路網がいずれも送受共用器と接続することを特徴とする請求項５に記載の電力合成回路。
7. 前記信号結合回路は、結合コンデンサであることを特徴とする請求項１又は４に記載の電力合成回路。
8. 前記結合コンデンサと前記周波数帯信号受信ポートの間の信号伝送ケーブルは、スイッチデバイスを通じて接地することを特徴とする請求項７に記載の電力合成回路。
9. 前記結合コンデンサと前記周波数帯信号受信ポートにおいて直列接続するスイッチデバイスが配置されることを特徴とする請求項７に記載の電力合成回路。
10. 前記結合コンデンサと前記周波数帯信号受信ポートの間の信号伝送ケーブルは、スイッチデバイスを通じて接地することを特徴とする請求項９に記載の電力合成回路。
    

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