JP6702565B2

JP6702565B2 - 送受信装置

Info

Publication number: JP6702565B2
Application number: JP2017180313A
Authority: JP
Inventors: 治夫小島
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: JP2019057790A

Description

本発明は、送受信装置に関する。

サーキュレータを用いて、送信用アンプが増幅した高周波信号をアンテナに導き、アンテナから入力された高周波信号を受信用アンプに導いて増幅する送受信装置が知られている。

特開２００４−１５３６５３号公報

上述したように、サーキュレータを用いて送信される高周波信号と受信された高周波信号とを分離する信号分離装置を、アンテナを多数配列したアレイアンテナに適用しようとすると、アンテナの間隔が、サーキュレータの形状および大きさによって制限されてしまう。また、サーキュレータにおいて、高周波信号に、無視できない損失が生じてしまう。

本願の実施の形態は、上記問題を解決するためになされ、形状が小さく、しかも、取り扱う高周波信号に生じる損失を最小限とすることができる信号分離装置を提供することを課題とする。

上記に記載された課題を解決するために、実施の形態にかかる送受信装置は、第１の端部が空中線と接続される第１の分布定数線路と、前記第１の分布定数線路の第２の端部とグラウンド電極とを接続するダイオードと、前記第１の分布定数線路の第２の端部に接続された受信信号出力端子と、高周波信号を増幅し、または、前記高周波信号の増幅を停止する送信アンプと、第１の端部が前記送信アンプの出力側に接続され、第２の端部が前記空中線に接続される第２の分布定数線路と、を備え、前記ダイオードは、前記送信アンプが前記高周波信号を増幅しているときにはＯＮ状態となり、前記第１の分布定数線は、前記送信アンプが前記高周波信号の増幅を停止しているときには前記空中線からの前記高周波信号を前記受信信号出力端子に導き、前記送信アンプが前記高周波信号を増幅しているときには増幅された前記高周波信号を前記空中線に反射し、前記第２の分布定数線路は、前記送信アンプが前記高周波信号を増幅しているときには増幅された前記高周波信号を前記空中線に導き、前記第２の分布定数線路の前記高周波信号に対するインピーダンスは、前記送信アンプが前記高周波信号の増幅を停止しているときには前記送信アンプの出力のインピーダンスの値をとる。

実施の形態にかかる送受信装置の構成を示す図である。図１に示した送受信装置を１個の半導体装置として一体化した場合の回路配置を例示する図である。図１，図２に示した２つの分布定数線路それぞれの両端Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのインピーダンスをスミスチャートの形式で示す図である。図１，図２に示した送受信装置の受信時の動作を示す図である。図１，図２に示した送受信装置の送信時の動作を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、実施の形態にかかる送受信装置１の構成を示す図である。図１に示されるように、送受信装置１は、送信入力信号を増幅して分布定数線路１２（第２の分布定数線路）およびアンテナ２０（空中線）を介して、無線通信回線に送信する送信アンプ１０（送信アンプ）を備える。また、送受信装置１は、無線通信回線およびアンテナ２０を介して入力された受信信号を、受信信号出力端子２２（高周波信号の出力）を介して受信アンプ２４に導く分布定数線路１４（第１の分布定数線路）を備える。

送受信装置１は、受信信号出力端子２２をグラウンド電極に順方向に接続するダイオード１６（ダイオード）をさらに備える。なお、送受信装置１においては、アンテナ２０と送信アンプ１０および受信信号出力端子２２との間の送受信切替用スイッチまたはサーキュレータは不要である。

送信アンプ１０は、送信入力信号を増幅する増幅素子１０２と、外部からの制御に従って増幅素子１０２にバイアスを与え、送信入力信号を増幅させ、または、送信入力信号の増幅を停止させるバイアス回路１００を備える。送信アンプ１０は、増幅素子１０２が送信入力信号を増幅して得られた信号のインピーダンスの値を、アンテナ２０のインピーダンスの値５０Ωに整合させて送信信号とする出力整合回路１０４をさらに備える。なお、以下、「送信信号」および「受信信号」は、「高周波信号」とも総称されることがある。

送信入力信号の増幅またはその停止は、送受信装置１の外部から入力される送信アンプ制御信号に従って、バイアス回路１００が、増幅素子１０２に電流を流し、または、電流を流さないようにバイアスの値を変更することにより行われる。増幅素子１０２が送信入力信号の増幅を停止しているときには、増幅素子１０２の出力インピーダンスの値は、増幅素子１０２が送信入力信号の増幅しているときよりも高くなる。従って、増幅素子１０２が送信入力信号の増幅を停止している間の出力整合回路１０４の分布定数線路１２側のインピーダンスの値Ｚｏｕｔは、送信信号出力の際のインピーダンスの値５０Ωの７〜１０倍程度まで高くなる。

送受信装置１は、これらの構成要素により、外部から入力される送信入力信号を増幅してアンテナ２０を介して無線通信回線に、インピーダンス５０Ωで出力する。また、送受信装置１は、アンテナ２０を介して無線通信回線から入力された受信信号を、受信信号出力端子２２を介して、低雑音で受信信号を増幅する受信アンプ２４に、インピーダンス５０Ωで出力する。なお、各図において、送受信装置１の各構成要素の間を接続する線は、単に構成要素間の接続関係のみを示し、これらの線の幅には、分布定数線路１２，１４など、各構成要素のインピーダンスに与える影響は反映されていない。

図２は、図１に示した送受信装置１を１個の半導体装置２として一体化した場合の回路配置を例示する図である。送受信装置１が取り扱う送信信号および受信信号の波長λが十分に短ければ、送受信装置１の受信アンプ２４以外の図１において点線で囲った構成要素を、図２に示されるように、半導体装置２として一体化することができる。なお、図２においては、電源用の配線など、図１に示されていない構成要素の回路配置は省略されている。

なお、送受信装置１は、分布定数線路１２，１４を構成要素とするので、分布定数線路の使用に適したマイクロ波と呼ばれる高周波信号を主に取り扱う。マイクロ波の定義は必ずしも確立されていないが、一般的には、波長λ＝１ｍ〜１００μｍ（周波数３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚ）の範囲の高周波信号がマイクロ波とされる。なお、送受信装置１により取り扱われる高周波信号の周波数が、ＩＥＥＥによる分類において周波数１２ＧＨｚ〜１８ＧＨｚのＸバンドよりも高く、波長λが約３ｃｍ以下のときに、送受信装置１の半導体装置２としての一体化が容易となる。

図２に示されるように、半導体装置２においては、分布定数線路１２、分布定数線路１４および受信信号出力端子２２は一体に構成され、送信アンプ１０、ダイオード１６、アンテナ２０および受信信号出力端子２２に接続される。受信信号出力端子２２には、図２に点線で示されるように、受信アンプ２４の入力が外付けされる。

半導体装置２において、分布定数線路１２の形状は、理論値に、送信アンプ１０による高周波信号の増幅の停止の際の出力整合回路１０４、分布定数線路１４およびアンテナ２０の影響を考慮して設計される。また、半導体装置２において、分布定数線路１４の形状もまた、理論値に、送信アンプ１０による高周波信号の増幅の際の分布定数線路１２、アンテナ２０、ダイオード１６および受信信号出力端子２２の影響を考慮して設計される。

［分布定数線路１２］
図３は、図１，図２に示した分布定数線路１２および分布定数線路１４の両端Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのインピーダンスをスミスチャートの形式で示す図である。分布定数線路１２の長さＬ_１２および幅Ｗ_１２は、送受信装置１が扱う高周波信号の波長λの１／４〜１／２の長さの線路となるように設定される。なお、実際には、分布定数線路１２の長さＬ_１２および幅Ｗ_１２は、分布定数線路１２が、理論的に波長λの１／４より必要なだけ長くなるように設定される。

従って、送信アンプ１０が増幅を行っていないときには、図３に示されるように、図１に示される出力整合回路１０４側の分布定数線路１２側の端Ａにおける高周波信号に対するインピーダンスの値Ｚｒは０Ωに近い値となる。また、このときには、図３に示されるように、アンテナ２０側の分布定数線路１２側の端Ｂにおける高周波信号に対するインピーダンスの値Ｚｒは出力整合回路１０４の出力側のインピーダンスの値Ｚｏｕｔとなる。

出力整合回路１０４の出力側のインピーダンスの値Ｚｏｕｔは、アンテナ２０のインピーダンスの値５０Ωよりも十分に大きいので、アンテナ２０と受信アンプ２４の入力との間のインピーダンス整合に、ごく小さな影響しか与えない。一方、分布定数線路１２は、送信アンプ１０が増幅を行っているときには、送信アンプ１０が出力した高周波信号を、アンテナ２０側に素通しする。

［分布定数線路１４］
分布定数線路１４の長さＬ１４および幅Ｗ１４は、送受信装置１が扱う高周波信号において、理論的に、この高周波信号の波長λの１／４の長さの線路となるように設定される。従って、送信アンプ１０が増幅を行っているときには、ダイオード１６が増幅された高周波信号によりＯＮ状態となるので、図３に示されるように、アンテナ２０側の分布定数線路１４の端Ｃにおける高周波信号に対するインピーダンスの値Ｚｔは、理論的には無限大（∞Ω）となる。また、図１に示されるアンテナ２０側の受信信号出力端子２２側の端Ｃにおける高周波信号に対するインピーダンスの値Ｚｔは、理論的には０Ωとなる。ただし、ダイオード１６の抵抗値などの影響を考慮すると、これらのインピーダンスの値は無限大および０Ωに完全にはならない。

図１に示される分布定数線路１４の両端Ｃ，Ｄの高周波信号に対するインピーダンスの値Ｚｔは、以上説明したように、送信アンプ１０が高周波信号を出力している間は、理論的に∞Ωおよび０Ωとなる。従って、送信アンプ１０から分布定数線路１２を介して分布定数線路１４のアンテナ２０側の端Ｃに入力された高周波信号は、理論的には、受信信号出力端子２２側の端Ｄで全て反射され、アンテナ２０に戻る。

このように、送信アンプ１０から出力された高周波信号の一部は、直接にアンテナ２０を介して無線通信回線に送信され、また、高周波信号の残りの部分の全ては、分布定数線路１４およびアンテナ２０を介して無線通信回線に送信される。従って、高周波信号は、理論的には受信アンプ２４に全く入力されることはなく、受信アンプ２４に何らの悪影響も与えない。一方、分布定数線路１４は、送信アンプ１０が増幅を停止しているときには、アンテナ２０から入力された高周波信号を受信信号出力端子２２に素通しする。

［送受信装置１の動作］
図４は、図１，図２に示した送受信装置１の受信時の動作を示す図である。送信アンプ１０が送信信号（高周波信号）を出力していないときには、図４に示されるように、分布定数線路１２の送信信号（高周波信号）に対するインピーダンスの値Ｚｒは、送信アンプ１０の出力インピーダンスの値Ｚｏｕｔ（＝３５０Ω〜５００Ω程度）となる。一方、分布定数線路１４は、アンテナから受信信号出力端子２２への受信信号（高周波信号）を素通しにする。

アンテナ２０のインピーダンスの値に比べて、送信アンプ１０の出力インピーダンスの値Ｚｏｕｔは十分に大きいので、アンテナ２０と受信アンプ２４との間のインピーダンス整合にほんのわずかしか影響を与えない。従って、アンテナ２０がとらえた受信信号（高周波信号）の電力のほぼ全てが、図４に点線で示されるように、送受信装置１から受信アンプ２４に出力される。

図５は、図１，図２に示した送受信装置１の送信時の動作を示す図である。送受信装置１の外部からの送信制御信号の制御に従って、送信アンプ１０が送信信号（高周波信号）を出力しているときには、図５に示されるように、分布定数線路１２は、送信信号（高周波信号）をアンテナ２０側に素通しする。素通しされてアンテナ２０に入力された送信信号（高周波信号）の電力の一部は、そのままアンテナ２０から無線通信回線に送信される。

一方、分布定数線路１４のアンテナ２０側の端Ｄにおける送信信号（高周波信号）に対するインピーダンスの値Ｚｔは理論的に∞Ωであり、受信信号出力端子２２側の端Ｃにおける送信信号（高周波信号）に対するインピーダンスの値Ｚｔは理論的に０Ωである。従って、分布定数線路１２を介して分布定数線路１４に入力された送信信号（高周波信号）の他の部分の全ては、図５に点線で示されるように、理論的には分布定数線路１４の受信信号出力端子２２側の端Ｄにおいて反射され、アンテナ２０側に戻される。以上説明したように、送信信号（高周波信号）の全てが、受信信号出力端子２２から受信アンプ２４に漏れることなく、アンテナ２０から無線通信回線に送信される。

［変形例および技術的効果］
なお、受信アンプ２４を、半導体装置２に一体化しない理由は、送信アンプ１０が発生する熱が、受信アンプ２４の雑音特性を劣化させる可能性があるからであり、このことを問題としなければ、受信アンプ２４を半導体装置２に含めることも可能である。また、図１には、ＭＯＳ−ＦＥＴを用いた増幅素子１０２が図示されているが、増幅素子１０２は、バイポーラトランジスタまたは接合型ＦＥＴであってもよい。

また、送受信装置１の分布定数線路１２，１４は、マイクロストリップ線路、トリプレート線路およびサスペンデッド線路のいずれかにより構成されうる。上述したように、送受信装置１においては、サーキュレータは不要なので、分布定数線路１２，１４として、トリプレート線路およびサスペンデッド線路が用いられるときに送受信装置１の構成は特に有効である。また、同じ理由により、送受信装置１はサーキュレータを不要とし、小型に製造できるので、送受信装置１をエレメントとして多数含むアレイアンテナにおいて、送受信装置１の構成は特に有効である。

また、送受信装置１のアンテナ２０および送信アンプ１０が出力する高周波信号のインピーダンスの値（５０Ω）は例示である。また、送信アンプ１０が増幅を停止しているときの出力整合回路１０４のインピーダンスの値（５０Ωの７〜１０倍）もまた例示である。つまり、これらのインピーダンスの値は５０Ωまたは５０Ωの７〜１０倍以外の値であってもよい。

本発明の実施の形態を説明したが、この実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１送受信装置
１０送信アンプ
１００バイアス回路
１２，１４分布定数線路
１６ダイオード
２０アンテナ
２２受信信号出力端子
２４受信アンプ

Claims

第１の端部が空中線と接続される第１の分布定数線路と、
前記第１の分布定数線路の第２の端部とグラウンド電極とを接続するダイオードと、
前記第１の分布定数線路の前記第２の端部に接続された受信信号出力端子と、
高周波信号を増幅し、または、前記高周波信号の増幅を停止する送信アンプと、
第１の端部が前記送信アンプの出力側に接続され、第２の端部が前記空中線に接続される第２の分布定数線路と、
を備え、
前記ダイオードは、前記送信アンプが前記高周波信号を増幅しているときにはＯＮ状態となり、
前記第１の分布定数線は、前記送信アンプが前記高周波信号の増幅を停止しているときには前記空中線からの前記高周波信号を前記受信信号出力端子に導き、前記送信アンプが前記高周波信号を増幅しているときには増幅された前記高周波信号を前記空中線に反射し、
前記第２の分布定数線路は、前記送信アンプが前記高周波信号を増幅しているときには増幅された前記高周波信号を前記空中線に導き、前記第２の分布定数線路の前記高周波信号に対するインピーダンスは、前記送信アンプが前記高周波信号の増幅を停止しているときには前記送信アンプの出力のインピーダンスの値をとる、
送受信装置。
前記送信アンプが前記高周波信号を増幅しているときには、前記第１の分布定数線路の前記第２の端部における前記高周波信号に対するインピーダンスは理論的に０Ωであり、前記第１の分布定数線路の前記第１の端部における前記高周波信号に対するインピーダンスの値は理論的に無限大である
請求項１に記載の送受信装置。
前記送信アンプが前記高周波信号の増幅を停止しているときには、前記第２の分布定数線路の前記第２の端部における前記高周波信号に対するインピーダンスは低い値であり、前記第２の分布定数線路の前記第１の端部における前記高周波信号に対するインピーダンスは、前記空中線の側における前記高周波信号に対するインピーダンスの値よりも高い前記送信アンプの出力のインピーダンスの値をとる
請求項１または２に記載の送受信装置。
前記第1の分布定数線路の長さは、理論的に前記高周波信号の波長の１／４である
請求項１〜３のいずれかに記載の送受信装置。
前記第２の分布定数線路の長さは、理論的に前記高周波信号の波長の１／４よりも長い
請求項１〜４のいずれかに記載の送受信装置。
前記ダイオードは、前記送信アンプが増幅した前記高周波信号を前記グラウンド電極に接続する
請求項１〜５のいずれかに記載の送受信装置。
前記送信アンプは、前記高周波信号を増幅する増幅用素子を含み、前記増幅用素子に電流が流れない状態とすることにより、前記高周波信号の増幅を停止する
請求項１〜６のいずれかに記載の送受信装置。
前記送信アンプと、前記第１の分布定数線路と、前記第２の分布定数線路とが一体に構成される
請求項１〜７のいずれかに記載の送受信装置。
前記送信アンプと、前記第１の分布定数線路と、前記第２の分布定数線路とが、１つの半導体装置に一体に構成される
請求項１〜７のいずれかに記載の送受信装置。
前記ダイオードが、前記半導体装置にさらに一体に構成される
請求項９に記載の送受信装置。