JP5514501B2 - インピーダンス整合回路 - Google Patents

Description

本発明は、並列に接続された複数のアナログ回路と、これらのアナログ電子回路の前段との間におけるインピーダンス整合を図るインピーダンス整合回路に関する。

現在、多くの無線通信装置は、高度に進展した集積回路技術および情報処理技術が適用されることにより、性能価格比や付加価値の向上が図られている。
また、このような無線通信装置の内、例えば、シンプレックス方式の無線通信装置では、低廉化、小型化に併せて、バッテリを交換することなく長時間に亘る待ち受け時間や通信時間の維持を図るために、送信用の搬送波信号と受信用の局発信号とが共通の発振器によって生成される場合が多い。

図３は、シンプレックス方式の無線通信装置の構成例を示す図である。
図において、アンテナ３１の給電点はアンテナスイッチ３２の共通接点に接続され、そのアンテナスイッチ３２のメーク接点は、縦続接続された低雑音増幅器３３、周波数変換器３４、Ａ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ）３５を介してベースバンド回路３６の受信入力に接続される。ベースバンド回路３６の受信出力には「下りベースバンド信号」が得られ、そのベースバンド回路３６の送信入力には「上りベースバンド信号」が入力される。ベースバンド回路３６の送信出力は、縦続接続されたＤ／Ａ変換器（Ｄ／Ａ）３７、周波数変換器３８、電力増幅器３９を介してアンテナスイッチ３２のブレーク接点に接続される。周波数変換器３４の局発入力には、局部発振器（ＰＬＬ）４０の出力がアイソレータ４１ｒおよび緩衝増幅器４２ｒを介して接続される。周波数変換器３８の局発入力には、局部発振器４０の出力がアイソレータ４１ｔおよび緩衝増幅器４２ｔを介して接続される。緩衝増幅器４２ｔの制御端子には、バイアス回路４３の出力が接続される。そのバイアス回路４３の制御端子に併せて、アンテナスイッチ３２、ベースバンド回路３６および局部発振器４０の制御端子は、制御部４４の対応する入出力ポートに接続される。

なお、以下では、既述のＤ／Ａ変換器３７、周波数変換器３８、緩衝増幅器４２ｔおよびバイアス回路４３の組み合わせを送信部５０ｔと称し、かつ周波数変換器３４、Ａ／Ｄ変換器３５および緩衝増幅器４２ｒの組み合わせを受信部５０ｒと称する。

このような構成の無線通信装置では、制御部４４は、予め組み込まれたソフトウェアを実行することにより、以下の機能を実現する。
(1) シンプレックス方式に基づいて交互に行われるべき送信と受信との期間（以下では、それぞれ「送信期間」、「受信期間」と称する。）の識別
(2) 送信用または受信用の局発信号が生成されるべき期間と、その局発信号の周波数との局部発振器４０に対する指定

(3) 送信期間と受信期間とに、それぞれ電力増幅器３９の出力と低雑音増幅器３３の入力とにアンテナ３１の給電点を接続するためのアンテナスイッチ３２の接点の切り替え
(4) 送信期間と受信期間とにおけるバイアス回路４３の動作の許容、規制
(5) 送信期間と受信期間とにおいてベースバンド回路３６で行われるべき信号処理の形態（信号処理に供されるべくパラメータを含む。）の指定

受信期間には、アンテナ３１に到来した受信波は、アンテナスイッチ３２および低雑音増幅器３３を介して周波数変換器３４に引き渡され、局部発振器４０からアイソレータ４１ｒおよび緩衝増幅器４２ｒを介して与えられる局発信号（以下、「受信用局発信号」という。）に基づいて所望のベースバンド信号（以下、「受信ベースバンド信号」という。）に変換される。このような受信ベースバンド信号は、Ａ／Ｄ変換器３５によってディジタル信号に変換され、ベースバンド回路３６が行う信号処理の下で既述の下りベースバンド信号に変換される。

一方、送信期間には、バイアス回路４３の稼働が制御部４４によって許容されるため、緩衝増幅器４２ｔの動作点は、遮断領域から既定の動作点に設定される。したがって、局部発振器４０によって生成された局発信号（以下、「送信用局発信号」という。）は、アイソレータ４１ｔおよび緩衝増幅器４２ｔを介して周波数変換器３８の局発入力に引き渡される。

また、既述の上りベースバンド信号は、ベースバンド回路３６が行う信号処理と、Ｄ／Ａ変換器３７が行うＤ／Ａ変換との下で「送信ベースバンド信号」に変換される。周波数変換器３８は、上記送信用局発信号に基づいてこのような送信ベースバンド信号を周波数変換を施すことにより、送信波信号を生成する。電力増幅器３９は、その送信波信号を増幅し、かつアンテナスイッチ３２およびアンテナ３１を介して送信する。

したがって、局部発振器４０は、制御部４４の配下で既述の受信用局発信号と送信波局発信号とを生成することにより、送信および受信に共用される。また、受信期間には、緩衝増幅器４２ｔの動作点が遮断領域に設定されることにより、その緩衝増幅器４２ｔを含む送信部５０ｔと電力増幅器３９とに振り込まれる信号のレベルが小さくなるため、これらにおける無用な電力の消費が低く抑えられる。

なお、本発明に関連する先行技術としては、以下に列記する特許文献１ないし特許文献４がある。
(1) 「アンテナ系と、送信増幅器と、受信増幅器と、前記アンテナ系を前記送信増幅器の出力端または前記受信増幅器の入力端に切換接続するスイッチと、ＩＦ（中間周波数）信号とＲＦ信号との相互変換を行う第１，第２周波数変換器と、局部発振器と、その局部発振器の出力を同位相で前記第１，第２周波数変換器に分配供給する電力分配器と、入力信号を送信ＩＦ信号に変換する変調器と、受信ＩＦ信号を復調する復調器と、９０度ハイブリッドより成り、その第１ポートが前記変調器の出力端に、第２ポートが前記復調器の入力端に、第３，第４ポートが前記第１，第２周波数変換器のＩＦ入出力端にそれぞれ接続された第１の信号分配合成手段と、第２の９０度ハイブリッドより成り、その第１ポートが受信増幅器の出力端に、第２ポートが送信増幅器の入力端に、第３，第４ポートが前記第１，第２周波数変換器のＲＦ入出力端にそれぞれ接続された第２の信号分配合成手段と、より構成され、上側波帯を送受信する」ことにより、「少なくとも三つ必要であったスイッチの数を減らす」点に特徴があるＳＳＢ送受信機…特許文献１

(2) 「正常動作時には、高周波入力端子からの第１高周波数信号を入出力端子に受けて９０°位相差で伝達端子と結合端子とに等分配する９０°ハイブリッド型の分配器と、前記分配器の結合端子からの等分配された前記第１高周波数信号を増幅する第１増幅器と、前記分配器の伝達端子からの等分配された前記第１高周波数信号を増幅する前記第１増幅器とほぼ同特性の第２増幅器と、前記第１増幅器が増幅した前記第１高周波数信号を伝達端子に受けるとともに前記第２増幅器が増幅した前記第１高周波数信号を結合端子に受け，同相合成した前記第１高周波数信号を入出力端子に生じる９０°ハイブリッド型の合成器とを備え、前記第１増幅器が故障の場合には、前記分配器のアイソレーション端子と前記結合端子とを前記高周波入力端子から前記入出力端子に供給される前記第１高周波数信号の同相全反射端子となし、前記合成器の前記伝達端子と前記入出力端子とを前記第２増幅器からの前記第１高周波数信号の同相全反射端子となすとともにアイソレーション端子を前記第１高周波数信号の出力端子にし、前記第２増幅器が故障の場合には、前記分配器の前記入出力端子と前記伝達端子とを前記高周波入力端子から前記アイソレーション端子に供給される前記第１高周波数信号の同相全反射端子となし、前記合成器の前記結合端子と前記アイソレーション端子とを第１増幅器からの前記第１高周波数信号の同相全反射端子となすとともに前記入出力端子を前記第１高周波数信号の出力端子にする
」ことにより、「信号分配器と信号合成器との間に２系統の増幅器を挿入して並列運転する増幅回路において、１系統の増幅器が何らかの原因で故障した場合においても、出力端インピーダンスの劣化，信号利得の低下および合成出力の低下を回避する」点に特徴がある増幅回路…特許文献２

(3) 「受信アンテナからの受信波を、スイッチを介在させ、受信レベル検出・比較器により、送信波の回り込みがある場合とない場合の受信レベルを検出し、その差が小さくなるように、振幅・位相調整器により、送信波の位相と振幅を調整する」ことにより、「送信波の回り込みを除去し、送受の分離度を確保する」点に特徴がある中継装置…特許文献３

(4) 「移動体通信システムの基地局送受信装置の現用機と予備機とを選択する予備機選択回路において、前記現用機を接続する入力ポートと接続された第１の入力端子と、前記予備機側からの出力を入力する第２の端子と、前記第１の端子または前記第２の端子のいずれかの入力信号を出力する出力ポートとを有する１ないし複数の合成器と、前記合成器と同じ数だけ枝分かれ状に分散配置し、一方の端点を同一接続点として接続し、前記同一接続点に前記予備機からの入力を接続し、もう一方の端点を信号の出力点として持つ１ないし複数のストリップラインと、第１の接点に終端抵抗を有し、第２の接点に前記ストリップラインの出力点が接続し、共通端子に前記合成器の第２の端子に接続し、前記第１の接点と前記第２の接点との切替機能を有する１ないし複数の高周波リレーと、任意の現用機の代わりに前記予備機が選択されたとき、前記予備機より出力される高周波信号を前記任意の現用機の出力ポートに供給するために前記任意の現用機の出力ポートへ出力する高周波リレーの切替制御を行う制御部とを備える」ことにより、「予備機を有している基地局送受信装置の選択回路が簡単な構成となる」点に特徴がある予備機選択回路…特許文献４

特開平９−５１２８６号公報 特開平１０−７０４２３号公報 特開２０００−２４４３８２号公報 特許第３５１２６７２号号公報

ところで、上述した従来例では、送信部５０ｔと受信部５０ｒとの間における送信用局発信号の反射等に起因する好ましくない影響を回避するために、物理的な寸法が小さくはないアイソレータ４１ｔ、４１ｒが備えられなければならなかった。

さらに、受信期間には、送信期間に比べて、緩衝増幅器４２ｔの入力インピーダンスが大幅に高くなるために、リターンロスが増加し、かつ局部発振器４０の出力と、送信部５０ｔおよび受信部５０ｒとの間のインピーダンス整合が著しく損なわれる可能性があった。

また、このようなインピーダンス不整合は、局部発振器４０や受信部５０ｒに波及し、例えば、受信用局発信号の周波数の変動や大幅や誤差の要因となる可能性があった。

さらに、受信期間には、緩衝増幅器４２ｔは、その動作点が遮断領域に維持できない程度に受信用局発信号のレベルが大きい場合には、間欠的に活性領域に遷移し、送信部５０ｔおよび電力増幅器３９が無用に電力を消費する可能性があった。

本発明は、複数のアナログ回路の内、間欠的に稼働する特定のアナログ回路の状態の如何にかかわらず、その特定のアナログ回路以外のアナログ回路の安定な動作を可能とするインピーダンス整合回路を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、制御手段は、並列に接続された複数のアナログ回路の内、特定のアナログ回路の稼働を断続制御する。代替終端手段は、前記特定のアナログ回路が稼働しない期間に前記特定のアナログ回路に代わって前記複数のアナログ回路の前段の終端を行い、前記アナログ回路が稼働する期間に前記終端を解除する。
すなわち、上記複数のアナログ回路とこれらのアナログ回路の前段とのインピーダンス整合は、既述の特定のアナログ回路が稼働する期間と反対に稼働しない期間との何れでも維持される。
請求項２に記載の発明では、制御手段は、並列に接続された複数のアナログ回路の内、特定のアナログ回路の動作点を遮断領域と、前記遮断領域以外の領域とに交互に設定する。代替終端手段は、前記動作点が前記遮断領域に設定される期間に前記特定のアナログ回路に代わって前記複数のアナログ回路の前段の終端を行い、前記動作点が前記遮断領域以外の領域に設定される期間に前記終端を解除する。
すなわち、上記複数のアナログ回路とこれらのアナログ回路の前段とのインピーダンス整合は、既述の特定のアナログ回路の動作点が遮断領域に設定される期間とその遮断領域以外の領域に設定される期間との何れでも維持される。
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のインピーダンス整合回路において、前記代替終端手段は、前記複数のアナログ回路および前記代替終端手段の総合的な入力インピーダンスが所望の精度で一定となるインピーダンスで前記終端を行う。
すなわち、上記複数のアナログ回路とこれらのアナログ回路の前段とのインピーダンス整合は、既述の特定のアナログ回路の稼働の状況や動作点の如何にかかわらず、維持される。
請求項４に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のインピーダンス整合回路において、前記代替終端手段は、前記複数のアナログ回路および前記代替終端手段の総合的な入力インピーダンスが所望の精度で前記前段の出力インピーダンスに等しく維持されるインピーダンスで前記終端を行う。
すなわち、上記複数のアナログ回路とこれらのアナログ回路の前段とのインピーダンス整合は、既述の特定のアナログ回路以外のアナログ回路に偏差や変動が伴う場合であっても、精度よく安定に維持される。

本発明によれば、複数のアナログ回路とこれらのアナログ回路の前段との間におけるインピーダンス整合が損なわれた場合に、その前段から引き渡される信号が特定のアナログ回路の入力端で反射し、その特定のアナログ回路以外のアナログ回路の動作に波及することが回避される。
また、本発明では、代替終端手段のインピーダンスが特定のアナログ回路の入力インピーダンスを代替可能な値であるならば、複数のアナログ回路の前段とこれらのアナログ回路との間のインピーダンス不整合がその特定のアナログ回路以外のアナログ回路の動作に波及することが回避される。
さらに、本発明では、複数のアナログ回路とこれらの複数のアナログ回路の前段との間では、所望の信号の引き渡しが高い効率で安定に行われる。
したがって、本発明が適用された電子機器やシステムでは、従来例に比べて構成が簡略され、あるいは大幅には複雑化しないにもかかわらず、ＬＳＩ化が可能な部位の割合が増加し、かつ性能が安価に高められる。

本発明の一実施形態を示す図である。 スイッチのオン抵抗の設定基準の一例を示す図である。 局部発振器が送信および受信に共用される無線装置の一例を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。
図において、機能および構成が図３に示す従来例と同じ要素については、同じ符号を付与し、ここでは、その説明を省略する。

本実施形態と図３に示す従来例との構成の相違点は、以下の通りである。
(1) アイソレータ４１ｔ、４１ｒが備えられない。
(2) 局部発振器４０の出力が緩衝増幅器４２ｔ、４２ｒの入力に直接接続される。
(3) 緩衝増幅器４２ｔの入力に接続された共通接点と、接地されたメーク接点とを有し、かつバイアス回路４２の制御端子と共に、制御部４４の対応する入出力ポートに接続された制御端子を有するスイッチ１１を有する。

以下、本実施形態の動作を説明する。
局部発振器４０が制御部４４の配下で生成する送信用局発信号と受信用局発信号とは、それぞれ上記アイソレータ４１ｔ、４１ｒを介することなく緩衝増幅器４２ｔ、４２ｒに直接引き渡される。

緩衝増幅器４２ｒ、４２ｔの入力インピーダンスは、スイッチ１１のオフ状態におけるインピーダンスに比べて大幅に小さく、かつ局部発振器４０の出力とのインピーダンス整合が成立する値に、予め設定される。

送信期間には、スイッチ１１は、上記共通接点とメーク接点との接続が解除された状態に設定されるため、局部発振器４０の出力が緩衝増幅器４２ｒ、４２ｔの双方の入力に接続され、これらの局部発振器４０と緩衝増幅器４２ｒ、４２ｔとの間におけるインピーダンス整合を損なう要因とはならない。

また、スイッチ１１のオン抵抗は、送信期間において稼働する緩衝増幅器４２ｔの入力インピーダンスに（ほぼ）等しい値に予め設定される。
受信期間には、スイッチ１１は、既述の共通接点がメーク接点に接続された状態に設定されるため、稼働を停止している緩衝増幅器４２ｔに代わって局部発信器４０に接続された擬似的な負荷として機能する。

すなわち、局部発振器４０と緩衝増幅器４２ｒ、４２ｔとの間におけるインピーダンス整合は、アイソレータ４１ｔ、４１ｒが備えられないにもかかわらず、送信期間と受信期間との何れにおいても維持される。

したがって、本実施形態によれば、このようなインピーダンス整合が損なわれるために、従来例において生じていた下記の何れの問題も解消される。
(1) 受信用局発信号の周波数の大幅な誤差
(2) 受信用局発信号のレベルダイヤにかかわる制約
(3) 受信期間における送信部５０ｔや電力増幅器３９による無用な電力の消費

さらに、本実施形態によれば、アイソレータ４１ｔ、４１ｒが備えられることなく構成されるために、従来例に比べて、周波数変換の利得が総合的に向上して雑音指数が小さくなり、安価に性能が向上すると共に、従来例と同等以上の性能を有する無線フロントエンド部のＬＳＩ化の実現が可能となる。

なお、本実施形態では、スイッチ１１のオン抵抗は、送信期間において稼働する緩衝増幅器４２ｔの入力インピーダンスに（ほぼ）等しい値に設定されている。

しかし、このようなオン抵抗の値は、このような値に限定されず、例えば、以下の何れの値に設定されてもよい。
(1) 図２（ａ）に「■」印で示すように「受信期間における緩衝増幅器４２ｔの消費電力が所望の閾値以下となる程度」に、その緩衝増幅器４２ｔに入力される送信局発信号のレベルが小さく抑えられる値
(2) 図２（ｂ）に「■」印で示すように、受信期間における局部発振器４０と緩衝増幅器４２ｔ、４２ｒとの間のインピーダンス整合が最も精度よく図られる値
(3) 送信期間と受信期間との双方において局部発振器４０の出力に対するインピーダンス整合が所望の精度で一定に保たれる値

また、このようなオン抵抗の値は、例えば、ＬＳＩとして実現される無線フロントエンド部では、半導体のサイズもしくはトランジスタのサイズ（ＭＯＳトランジスタである場合にはゲート幅）を適切な値とすることによって設定されてもよい。

さらに、本実施形態では、シンプレックス方式が適用された無線通信装置において、送信用局発信号と受信用局発信号との生成に共用される局部発振器４０と、緩衝増幅器４２ｔ、４２ｒとのインピーダンス整合を送信期間および受信期間で確保するために、本発明が適用されている。

しかし、本発明は、このような無線通信装置に限定されず、並列に接続された複数のアナログ回路の内、間欠的に稼働する特定のアナログ回路の電気的な特性が変化しても、その特定のアナログ回路以外のアナログ回路の性能な特性の安定な確保が要求されるならば、これらのアナログ回路の構成および方式の如何にかかわらず適用可能である。

また、本発明は、変調方式、多元接続方式、チャネル構成、ゾーン構成の如何にかかわらず多様な無線通信装置に適用可能である。

さらに、本実施形態では、スイッチ１１のオン抵抗の値が１通りとなっている。
しかし、このようなスイッチ１１は、例えば、制御部４４の主導の下で識別される送信期間、受信期間その他の期間の数が「３」以上である場合には、直列と並列との双方または何れか一方の形態で配置された複数の半導体スイッチで代替され、これらの半導体スイッチの内、制御部４４の配下で決定される半導体スイッチの組み合わせ毎に開設定あるいは閉設定されることによって、オン抵抗が個別に好適な値に予め設定されてもよい。

また、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲において多様な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。

１１ 半導体スイッチ
３１ アンテナ
３２ アンテナスイッチ
３３ 低雑音増幅器
３４，３８ 周波数変換器
３５ Ａ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ）
３６ ベースバンド回路
３７ Ｄ／Ａ変換器（Ｄ／Ａ）
３９ 電力増幅器
４０ 局部発振器（ＰＬＬ）
４１ｒ，４１ｔ アイソレータ
４２ｒ，４２ｔ 緩衝増幅器
４３ バイアス回路
４４ 制御部
５０ｒ 受信部
５０ｔ 送信部

Claims (4)

1. 並列に接続された複数のアナログ回路の内、特定のアナログ回路の稼働を断続制御する制御手段と、
   前記特定のアナログ回路が稼働しない期間に前記特定のアナログ回路に代わって前記複数のアナログ回路の前段の終端を行い、前記アナログ回路が稼働する期間に前記終端を解除する代替終端手段と
   を備えたことを特徴とするインピーダンス整合回路。
2. 並列に接続された複数のアナログ回路の内、特定のアナログ回路の動作点を遮断領域と、前記遮断領域以外の領域とに交互に設定する制御手段と、
   前記動作点が前記遮断領域に設定される期間に前記特定のアナログ回路に代わって前記複数のアナログ回路の前段の終端を行い、前記動作点が前記遮断領域以外の領域に設定される期間に前記終端を解除する代替終端手段と
   を備えたことを特徴とするインピーダンス整合回路。
3. 請求項１または請求項２に記載のインピーダンス整合回路において、
   前記代替終端手段は、
   前記複数のアナログ回路および前記代替終端手段の総合的な入力インピーダンスが所望の精度で一定となるインピーダンスで前記終端を行う
   ことを特徴とするインピーダンス整合回路。
4. 請求項１または請求項２に記載のインピーダンス整合回路において、
   前記代替終端手段は、
   前記複数のアナログ回路および前記代替終端手段の総合的な入力インピーダンスが所望の精度で前記前段の出力インピーダンスに等しく維持されるインピーダンスで前記終端を行う
   ことを特徴とするインピーダンス整合回路。