JP6788562B2 - 受信回路および無線通信装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、受信回路および無線通信装置に関する。
近年、Bluetoothなど、比較的近距離向けの無線通信では、コストの削減と部品の小型化のため、無線通信装置の構成要素のオンチップ化が進められている。とりわけ、受信信号中のイメージ周波数成分除去に用いられる、イメージ除去フィルタのオンチップ化が求められている。オンチップ化に当たっては、性能の確保と回路面積の抑制が課題となっている。
これまでイメージ除去フィルタには、インダクタが使われることが多かったが、回路面積が大きくなってしまう。回路面積抑制のため、イメージ除去フィルタを送信用パワーアンプの整合回路と共用化することができる。しかし、高出力の送信用パワーアンプはインピーダンスが低く、イメージ除去フィルタの高いインピーダンスとマッチングしない。イメージ除去フィルタのインピーダンスと整合させようとすると、パワーアンプの高出力化が難しくなってしまう。また、共用の回路を使うと、特性の改善が難しい。
一般にLC共振回路の共振周波数と反共振周波数の間隔が共振回路のQ値に反比例する。このため、Q値の低いオンチップインダクタを用いると、共振周波数と反共振周波数の間隔を小さくするのは難しい。イメージ周波数が受信周波数の近傍にある場合、イメージ周波数に係る妨害波の抑圧性能が低下してしまう。
国際公開WO2016/545100号公報
本発明の実施形態は、イメージ周波数成分の除去機能を備え、受信周波数の信号を効率的に受信する受信回路および無線通信装置を提供する。
本発明の実施形態としての受信回路は、1次側の第1インダクタと、2次側の第2インダクタとを含むトランスと、前記第2インダクタに並列に接続された第1キャパシタとを備え、前記第1インダクタの一端に受信信号が入力される。
第1の実施形態に係る無線通信装置の構成例を示す図。 イメージ除去フィルタの周波数特性の例を示した図。 第1の実施形態に係る回路の構成例を示す図。 第1の実施形態に係る回路の等価回路を示す図。 第1の実施形態に係るトランスの例を示す図。 トランスにキャパシタが接続された例を示す図。 インダクタンス、Q値、抵抗の特性の例を示す図。 第2の実施形態に係る回路の構成例を示す図。 第3の実施形態に係る回路の構成例を示す図。 第4の実施形態に係る回路の構成例を示す図。 可変インダクタの回路の構成例を示す図。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。また、図面において同一の構成要素は、同じ番号を付し、説明は、適宜省略する。
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態に係る無線通信装置の一例を示すブロック図である。
無線通信装置1はホストシステム2と電気的に接続されており、ホストシステム2が出力するデータを無線通信により搬送する。ホストシステム2の形態としては、タブレット、パソコン、スマートフォン、フィーチャーフォン、マウス、キーボード、プリンタ、スキャナ、オーディオ機器、ゲーム機、デジタルカメラ、ビデオカメラ、スマートウォッチ、ヘルスバンド、経路誘導装置、事務機器、生体情報モニタ、POS端末、商品管理用端末、非常用発信器、テレメトリー発信器、センサが搭載されたロボットなどが想定されるが、その他の形態のものであってもよい。
無線通信装置1は、例えばBluetooth、Bluetooth Low Energyなどの無線PAN(Personal Area Network)またはこれらの後継規格に準拠した無線通信装置である。なお、無線通信装置1が用いる無線通信規格は、ZigBee、Z−Wave、Wireless USBなどの他の無線PAN規格や、NFC(Near field radio communication)などの近距離無線規格であってもよく、その他の方式であってもよい。
無線通信装置1は、アンテナ10と、RF部1aと、ベースバンド部1bと、ホストインタフェース151と、制御部152とを備えている。無線通信装置1のすべての構成要素または一部の構成要素は、ひとつの半導体チップまたはパッケージ上に実装されていてもよい。
アンテナ10はRF部1aと電気的に接続されており、アンテナ10は、RF部1aが出力する電気的な信号を電波として送信する。また、アンテナ10が受信する電波はRF部1aへ電気的な信号として入力される。
図1ではアンテナ10の1本のみが示されているが、無線通信装置1は複数のアンテナを備えてもよい。
アンテナ10の大きさ及び形状は特に限定されない。また、アンテナ10は無線通信装置1に内蔵されるものであっても、外付けされるものであってもよい。アンテナ10としてアレイアンテナを用いてもよい。
RF部1aは、受信回路101と、低雑音増幅器(LNA)102と、ミキサ103と、局部発振器150と、ミキサ206と、パワーアンプ207と、送信用整合回路208とを含む。
RF部1aは、アンテナ10が受信した信号を無線周波数からベースバンド周波数に変換し、ベースバンド部1bに転送する。RF部1aはベースバンド部1bから信号を、ベースバンド周波数から無線周波数に変換し、アンテナ10を用いて送信する。図1の例では、無線周波数から直接ベースバンド周波数への変換が行われているが、無線通信装置1は無線周波数から中間周波数への変換も行う方式のものであってもよい。
RF部1aは、無線周波数として常に同じ周波数を使わず、無線周波数を一定の規則にしたがって切り替えてもよい。(周波数ホッピング)この場合、通信先の無線通信装置との間で、周波数切り替えの規則であるホッピング・シーケンスを決める。
受信回路101は、低雑音増幅器102に入力される信号のインピーダンス整合回路と、イメージ周波数などの不要周波数成分を除去するノッチフィルタを兼ねる。受信回路101の構成と機能の詳細については、後述する。
低雑音増幅器102は、受信した信号の増幅を行う。受信側のミキサ103と、送信側のミキサ206と、局部発振器150は、周波数の変換に用いられる。無線周波数が変更される場合、局部発振器150の発振周波数が調整される。局部発振器150の方式は特に問わない。また、受信側のミキサ、送信側のミキサ、局部発振器は1つずつではなく、複数あってもよい。パワーアンプ207は、送信前の信号を増幅する。パワーアンプ207が出力する送信信号は、送信用整合回路208を経由して、アンテナ10から送信される。
ベースバンド部1bは、バンドパスフィルタ104と、増幅器105と、A/Dコンバータ(ADC)106と、復調回路107と、復号化回路108と、符号化回路201と、変調回路202と、D/Aコンバータ(DAC)203と、増幅器204と、バンドパスフィルタ205とを含む。
このうち、バンドパスフィルタ104、増幅器105、A/Dコンバータ(ADC)106、復調回路107、復号化回路108は、ベースバンド部1bのデータ受信機能に関わる構成要素である。
バンドパスフィルタ104は、ベースバンド周波数にダウンコンバートにされた受信信号の不要な周波数成分を除去する。増幅器105は、選択された周波数成分の受信信号の増幅を行う。A/Dコンバータ106は、アナログの受信信号をディジタル信号に変換する。復調回路107は、ディジタル化された受信信号の復調を行う。復号化回路108は、ディジタル化された受信信号に含まれるデータを復号する。
一方、符号化回路201、変調回路202、D/Aコンバータ(DAC)203、増幅器204、バンドパスフィルタ205は、ベースバンド部1bのデータ送信機能に関わる構成要素である。
符号化回路201は、送信データを符号化し、ディジタルの送信信号を生成する。変調回路202は、送信信号を変調する。D/Aコンバータ203は、ディジタルの送信信号をアナログ信号に変換する。増幅器204は、送信信号の増幅を行う。バンドパスフィルタ205は送信信号のうち、不要な周波数成分を除去する。
なお、図1の例では、D/Aコンバータとミキサを用いた送信方式を用いているが、送信回路の方式はこれとは異なっていてもよい。例えば、発振器を直接送信用のパワーアンプに入力する方式を用いることも可能である。
なお、ベースバンド部1bで用いられる復変調方式および符号化方式については特に問わない。復変調方式の例としては、FSK(Frequency Shift Keying)、BPSK、QAMなどがある。A/Dコンバータ106、D/Aコンバータ203の回路方式についても、特に問わない。
ホストインタフェース151は、無線通信装置1とホストシステム2との間での電気信号の送受信を行う手段を提供する。ホストインタフェース151の例としては、PCI Express、USB、UART、SPI、SDIOなどがあるが、その他の規格によるインタフェースを用いてもよい。
制御部152は、無線通信装置1の各種設定や動作モードの変更などを行う。制御部152が行う設定の例としては、送信出力の変更、受信周波数の変更、送信周波数の変更、復変調方式の変更、符号化方式の変更などがある。また、例えばイメージ周波数、熱雑音、妨害波など、除去対象の周波数成分を特定する機能も有する。制御部152は回路に含まれるスイッチの制御、可変キャパシタや可変インダクタのパラメータ制御も行う。制御方法の詳細については後述する。
図1の例では、無線通信装置1がひとつの制御部152を備えているが、無線通信装置は複数の制御部を備えていてもよい。複数の制御部がある場合には、各制御部で設定や処理を分担してもよい。また、制御部はRF部1aやベースバンド部1bに配置されていてもよく、制御部の配置場所は特に問わない。
RF部1aおよびベースバンド部1bの各構成要素は、半導体回路、FPGA、PLD、ASICなどのハードウェアにより実装されていてもよいし、マイクロプロセッサ上で動作するファームウェアにより実装されていてもよいし、これらの組み合わせにより実現されていてもよい。
図1の無線通信装置1の構成は一例であり、フィルタ、ミキサ、増幅器の配置や個数が図1の例と異なっていてもよい。無線通信装置1の方式として、スーパーヘテロダイン方式、Low−IF(Low−Intermediate Frequency)型、スライディングIF型、直接引込み型、デジタルPLL再生型、またはその他の方式を用いてもよい。
次に、信号の周波数変換で発生するイメージ周波数(影像周波数)について述べる。以下では、無線周波数の信号をベースバンド周波数の信号に変換する場合を例に説明する。
無線周波数をf、局部発信器の発振周波数をfLOとする。周波数fと、fLOの信号がミキサ103で乗算されると、下記の式(1)の関係が成り立つ。
Figure 0006788562
ここで、ω=2πf、ωLO=2πfLOである。式(1)の右辺より、ミキサ103で周波数f=f+fLOの信号と、周波数f=|f−fLO|の信号が発生することがわかる。ベースバンド周波数fBFとしては、周波数fの信号または周波数fのいずれかの信号を用いる。バンドパスフィルタ104などを使って、周波数fの信号を取り出す。
ミキサ103において、周波数fの近傍に発生する周波数成分をイメージ周波数fと呼ばれる。イメージ周波数fは無線周波数fと異なる周波数成分である。イメージ周波数fについては、例えばf=2×fLO−fの関係が成立する。イメージ周波数fはミキサ103において、無線周波数fの信号およびベースバンド周波数fの近傍の周波数成分に変換されるため、無線周波数fの信号に妨害が発生するおそれがある。妨害が発生すると、データ受信が困難となってしまう。したがって、中間周波数を用いる無線通信装置においては、受信回路にイメージ周波数を除去するフィルタなどを設けることが一般的である。
イメージ除去フィルタとしては、帯域除去フィルタ(バンドストップフィルタ)である、ノッチフィルタを使う。受信周波数に影響しないよう、できる限りQ値が高いノッチフィルタを使うのが望ましい。図2はイメージ除去フィルタの周波数特性の例を示している。図2には上段と下段に2つのグラフが示されている。縦軸は信号の振幅であり、横軸は信号の周波数である。破線で示されたfはイメージ周波数を示している。
図2上段は、Q値が高いイメージ除去フィルタの周波数特性を示している。一方、図2下段はQ値が低いイメージ除去フィルタの周波数特性を示している。図2上段のグラフに係るフィルタでは、急峻な周波数特性を有しており、信号のイメージ周波数fに係る成分のみが除去され、イメージ周波数f近傍の周波数成分が減衰は少ない。しかし、図2下段のグラフに係るフィルタでは、周波数特性が緩やかな曲線となっているため、イメージ周波数fから離れた周波数成分まで減衰してしまう。
これまでのオンチップ化されたイメージ除去フィルタはQ値が10程度となっており、性能が不十分であった。したがって、関連技術によるオンチップのイメージ除去フィルタを使うと、受信周波数とイメージ周波数が近接しているときには、受信信号に係る成分まで除去されてしまい、受信性能が著しく低下する問題があった。
関連技術によるイメージ除去フィルタはインダクタを使って構成されていたが、チップ上の専有面積の大きさも課題となっていた。インダクタの周辺では磁場が発生するため、インダクタの周辺には回路を配置しない、禁止エリアを設ける必要がある。チップ上の禁止エリアが大きいと、実装可能な機能に制約が生じてしまうため、回路の占有面積が大きく増えないイメージ除去フィルタが求められている。
イメージ除去フィルタのQ値は、イメージ周波数fの値に依存する。ある周波数では効率的なイメージ周波数成分の除去が可能なフィルタも、他の周波数ではイメージ周波数の除去が難しい場合もある。Bluetoothなどのように無線周波数が変わり、イメージ周波数の値が変化する通信方式では、複数のイメージ周波数において、一定以上のQ値を確保できる必要がある。
上述の課題を解決するため、本発明の実施形態においてはトランスを用いた受信回路により、イメージ周波数の除去を行う。本実施形態に係る回路の詳細については後述する。
図3は第1の実施形態に係る受信回路の構成例を示している。図3は図1のアンテナ10、受信回路101、低雑音増幅器102、パワーアンプ207の部分に相当する。なお、図3では、送信用整合回路208は省略されているが、アンテナ10とパワーアンプ207の間に整合用回路があってもよい。以下では図に沿って、回路の構成を説明する。
図3の回路は、アンテナ10と、トランス11と、キャパシタ12と、キャパシタ13と、低雑音増幅器102と、パワーアンプ207を備えている。トランス11は、オンチップトランスであり、1次側のインダクタ111と、2次側のインダクタ112とを含む。インダクタ111、112は、オンチップインダクタである。インダクタ111は、両端に端子11A、11Bを備える。インダクタ112は、両端に端子11C、11Dを備える。インダクタ111、112は、インダクタンスが固定のものであってもよいし、可変インダクタであってもよい。
キャパシタ12は、静電容量が可変または固定のオンチップキャパシタであり、端子11Cと端子11Dの間に接続されている。さらに端子11Bとグラウンドの間には、キャパシタ13が接続されている。図3のグラウンドとして、例えば回路全体の基準電位やアナログ回路の基準電位などを使うことができる。
キャパシタ13も、静電容量が可変または固定のオンチップキャパシタである。なお、静電容量が可変である、可変キャパシタの構成例については後述する。インダクタ111の端子11Bは低雑音増幅器102の入力端子にも接続されている。キャパシタ12、13としては、端子に電圧を印加すると静電容量が変化するバリアブルキャパシタなどを使うことができる。低雑音増幅器102のインピーダンスによっては、キャパシタ13を省略することができる。
インダクタ111の端子1Aには、アンテナ10と、送信信号用のパワーアンプ207が接続されている。図3には明示されていないが、アンテナ10と、パワーアンプ207の間でのインピーダンス整合が必要である場合、端子14の位置に送信信号用の整合回路(送信用整合回路208)が配置されていてもよい。
次に、図3の回路の動作の概略を説明する。
アンテナ10で、信号が受信され、端子11Aから当該信号が受信回路に入力されたとする。このとき、イメージ周波数成分の信号については、トランス11とキャパシタ12が並列共振回路を形成するため、入力インピーダンスが大きくなる。イメージ周波数成分の信号の低雑音増幅器102への入力は抑制される。
一方、受信周波数の信号については、トランス11とキャパシタ12はQ値が高く、損失の少ないひとつのインダクタと等価であるとみなすことができる。この理由については後述する。
図4は、受信周波数における図3の回路の等価回路を示している。図4では、トランス11とキャパシタ12がインダクタ21に置き換えられている。インダクタ21とキャパシタ13は低雑音増幅器102の入力インピーダンスを変換し、ノード11Aから見るインピーダンスがアンテナ10のインピーダンスの共役になり、アンテナ10からの信号が低雑音増幅器102へ効率的に伝達される。
次に、図5を参照しながら、トランス11のインピーダンスの求め方を説明する。
図5はトランス11の回路図である。インダクタ111に流れる電流はi、インダクタ112に流れる電流はiであるとする。また、インダクタ111のインダクタンスはL、インダクタ112のインダクタンスはLであるとする。インダクタ111とインダクタ112の間の相互インダクタンスはMであるとする。これらの関係を使って、インダクタ111の両端の電圧vとインダクタ112の両端の電圧vを表すと下記の式(2)、(3)のようになる。
Figure 0006788562
ここで、ωは電流の角周波数である。
相互インダクタンスMは、下記の式(4)のように表される。
Figure 0006788562
ここで、kは結合係数である。
現実のインダクタ111、112のインピーダンスにはインダクタンスだけでなく、抵抗成分も含む。ここで、インダクタ111の抵抗成分をR(ω)、インダクタ112の抵抗成分をR(ω)と置く。インダクタ111、112のQ値をQと置くと、Q値の関係式Q=ωL/Rより、抵抗成分R(ω)、R(ω)は下記の式(5)、(6)のように表される。
Figure 0006788562
図6は、図5にインダクタ111、112の抵抗成分111a、112aと、キャパシタ12を書き加えたものである。図6の回路は、図3、図4で示した受信回路の要素のうち、キャパシタ13を除いた部分に相当する。図6において、端子11Aと端子11B間のインピーダンスZを求めると、下記の式(7)が得られる。
Figure 0006788562
ここで、X=ωである。
インピーダンスZの実部と虚部を求めると、下記の式(8)、(9)のようになる。インピーダンスZの実部は抵抗成分Rになり、虚部はインダクタンス成分Lになる。
Figure 0006788562
式(9)より、Xが1以下であれば、インピーダンスZの虚部は正数となる。したがって、Xが1以下であれば、インピーダンスZはインダクタ性となる。
次に、式(8)、(9)を用いて図6の回路のQ値を求めると、下記の式(10)のようになる。
Figure 0006788562
ここで、QはインピーダンスZのQ値である。
式(10)より、X=1のとき、Q(図6の回路のQ値)は下記の式(11)のようになる。
Figure 0006788562
Q値は一般に1より大きい数であるため、X=1のとき、Qは1未満となる。このため、X=1のとき、端子11Aと端子11B間のインピーダンスZにおいて抵抗成分Rが相対的に大きくなる。
一方、Xが0.5以下の時、Qは式(10)より下記の式(12)のようになる。
Figure 0006788562
X≦0.5のとき、X(1−X)>Xとなるため、式(12)のbの値は、1より大きくなる。したがって、Q>Qが成立し、図6の回路を使うと、インダクタ111またはインダクタ112のみを用いる場合に比べて高いQ値が得られることがわかる。
これまで、Xの値によって、回路のインピーダンスやQ値が変わることを述べた。次にXの値を用いた回路設計の方法を説明する。
図7は、Q=10、k=0.95の場合における、図6の回路のインダクタンス成分Lのグラフと、図6の回路のQ値Qのグラフと、抵抗成分の値を示したグラフである。図7のそれぞれのグラフの横軸はXを示している。比較のため、グラフの縦軸の値は、インダクタ111に係る値で正規化されている。
例えば、図7上段のグラフでは、縦軸がインダクタ111のインダクタンスωLで正規化された、L/ωLとなっている。図7中段のグラフでは、縦軸がインダクタ111のQ値で正規化されたQ/Qとなっている。図7下段のグラフでは、縦軸がインダクタ111の抵抗成分で正規化されたR/Rになっている。
図7のそれぞれのグラフの実線で描かれた曲線が、本実施形態に係る回路の特性を示している。なお、図7中段の破線70で描かれた特性は、関連技術に係る回路のQ値の特性である。図7中段のグラフをみると、本実施形態に係る回路の方がQ値の値を大きく設定でき、受信信号中のイメージ周波数fに係る成分を選択に除去できる可能性があることがわかる。
Xはωに比例しているため、受信信号の周波数が高くなるほど、Xの値も大きくなる。図7の各グラフの特性を参考にして、図6の回路の設計を行うことができる。
例えば、ベースバンド周波数fBFとしてf=|f−fLO|が使われ、イメージ周波数fがf=f+fLOに等しく、受信周波数fより高い場合(f<f)を想定する。この場合、イメージ周波数fから求められるXの値は、受信周波数fから求められるXの値の値より大きくなる。
<fが成立するときには、受信回路の抵抗成分Rに係る、図7下段のグラフを参照する。当該グラフにおいて、受信周波数fから求められるXの値が0.5以下になり、イメージ周波数fから求められるXの値が1.0になるよう、インダクタ112のインダクタンスLと、キャパシタ12の静電容量Cの値を調整する。
これにより、受信周波数における受信回路の抵抗成分は小さくなるため、受信信号を効率的に低雑音増幅器102へ入力することができる。一方、イメージ周波数における受信回路の抵抗成分は大きくなる。したがって受信信号中のイメージ周波数成分はアンテナ10のインピーダンスとの不整合により、反射されるか、抵抗成分により消費される。このように、受信信号のイメージ周波数成分の低雑音増幅器102への漏れを少なくすることができる。
上述のXの設定値の決定は無線通信装置の設計または調整に関わる事項である。Xの設定値として、以下のような例が考えられる。
第1の例ではイメージ周波数においてX=1となるように、無線通信装置の設計または調整を行う。これにより、無線通信装置に係るイメージ周波数成分の除去性能が高くなる。第2の例では受信周波数fにおいてX=0.3になるよう、無線通信装置の設計または調整を行う。これにより、受信周波数fに係る信号成分におけるQ値を大きくし、受信信号の受信感度を高めることができる。第3の例では、Xの値を第1の例と第2の例の中間値に設定する。Xの値は、必要なイメージ周波数の除去能力と受信信号の受信感度に基づき、決定する。これらのXの設定値は例であり、他の設定値を用いてもよい。
図7のようなグラフは、回路シミュレーションを行うことで得られるため、周波数ホッピングなどが行われ、複数の受信周波数が使われていても、本実施形態に係る受信回路の設計を容易に行うことができる。
上述のインダクタンスL、L、静電容量Cなどのパラメータ調整は、無線通信装置1の設計段階で行ってもよいし、無線通信装置1の製造後に行われてもよい。可変インダクタや可変キャパシタが用いられている場合には、無線通信装置1の製造後にも、一定の範囲でパラメータ調整を行うことができる。具体的な可変インダクタと可変キャパシタの構成については後述する。
可変インダクタや可変キャパシタのパラメータ調整は、無線通信装置1の制御部152が行うことができる。制御部152による、パラメータ調整は周波数ホッピングや無線周波数の変更動作と連動させることができる。
パラメータの調整値の決定は、例えば、制御部152内の記憶部に設けたテーブルを参照して行うことができる。この記憶部は、レジスタ、SRAM、DRAMなどの揮発性メモリでも、NAND、MRAM、FRAM、EFUSEなどの不揮発性メモリでもよい。またハードディスク、SSDなどのストレージ装置でもよい。
テーブルには例えば複数のXの値と、それぞれのXの値に対応する受信回路のQ値Q、受信回路のインピーダンスZや受信回路の抵抗成分Rの値を格納する。なお、X=ωである。以下ではイメージ周波数fにおける抵抗成分Rを最大にしたい場合を例に説明する。
テーブルを参照したところ、抵抗成分Rが最大値をとるXの値は1.0であったとする。キャパシタ12が可変キャパシタであり、インダクタ112のインダクタンスLは固定であるのであれば、キャパシタ12の静電容量を調整することにより、イメージ周波数fにおける抵抗成分Rを大きくすることができる。この場合には、C=X/(ω)=(1.0)/(4π )の値を求めることにより、キャパシタ12の静電容量の設定値を求めることができる。なお、インダクタ112のインダクタンスも可変であれば、複数のLの設定値について、上述の計算を行い、用いるCとLの設定値を決定してもよい。
受信周波数fにおける抵抗成分Rを最小にしたい場合や、イメージ周波数fにおけるQを最大にしたい場合に行われる処理は上述と同様である。
本実施形態に係る受信回路を用いることにより、選択的にイメージ周波数などの不要周波数成分の除去が可能となる。本実施形態においては、関連技術によるオンチップのイメージ除去フィルタに比べ、高いQ値を得ることができる。本実施形態に係る受信回路はさらに受信信号用のインピーダンス整合回路の機能も兼ねている。したがって、本実施形態に係る受信回路を受信信号用の増幅器の前段に入れると、増幅器の特性劣化や受信感度の低下を防ぐことができる。
また、本実施形態に係る受信回路では、トランスが使われている。ウェーハー上にオンチップトランスを配置する場合にも、周囲に配線禁止スペースを設ける必要があるが、占有面積はインダクタ1つの約1.3倍であり、2つのトランスを使う場合に比べ、面積の増加を抑えることができる。
なお、上述では、本実施形態に係る受信回路をイメージ周波数の除去に用いる場合を例にとり、説明を行ったが、除去対象は、イメージ周波数以外の熱雑音、妨害波などのノイズ成分であってもよい。
(第1の変形例)
第1の変形例において用いられる受信回路の構成は、第1の実施形態に係る受信回路と同様である。ただし、第1の変形例では、第1の実施形態で説明した方法とは異なる方法で受信回路の設計またはパラメータ調整を行う。
図3の回路を参照すると、受信回路101のキャパシタ12とインダクタ112が並列に接続されていることがわかる。これより、受信回路101へ入力される信号の周波数によっては、キャパシタ12とインダクタ112が並列共振回路を形成することがある。並列共振回路では共振周波数において、回路のインピーダンスが最大となる。
したがって、上述の並列共振回路の共振周波数をイメージ周波数などの不要な周波数成分の周波数と一致させると、不要な周波数成分の低雑音増幅器102への入力を抑制することができる。
現実の回路には、寄生容量、寄生インダクタンス、寄生抵抗などが存在する。このため、キャパシタ12とインダクタ112が並列接続された回路の理論的な共振周波数で、受信回路101の入力インピーダンスが最大になるとは限らない。したがって計算機シミュレーションなどを行って、各素子のパラメータの設定値を決めてもよい。
(第2の変形例)
第2の変形例において用いられる受信回路の構成は、第1の実施形態に係る受信回路と同様である。ただし、第2の変形例では、第1の実施形態で説明した方法とは異なる方法で受信回路の設計またはパラメータ調整を行う。
第2の変形例においては、少なくともインダクタ111、112、キャパシタ12のいずれかのパラメータを調整し、受信周波数fにおいて、トランス11のQ値が最大になるように受信回路を設計する。トランス11のQ値が最大になると、トランス11の抵抗成分が最小になる。このため、受信回路101から受信周波数fに係る信号成分を低雑音増幅器102へ効率的に入力することができる。
トランス11のQ値の計算には、例えば上述の式(10)を用いることができる。素子のパラメータ調整には、図7のようなグラフを用いることができる。例えば図7中段のグラフにおいて、受信周波数fから求められるXの値が0.3になるように、インダクタ112とキャパシタ12のパラメータを調整する。
第2の変形例による受信回路では、受信周波数fにおける、低雑音増幅器102の雑音指数、利得などの特性改善を最優先にしている。一方、上述の第1の変形例では、不要な周波数成分の抑止を最優先に設計を行う。
(第2の実施形態)
第1の実施形態に係る受信回路を現実の無線通信機に適用する場合、基本的な構成は維持しつつ、一部の構成要素の変更や追加することが考えられる。第2の実施形態に係る受信回路は、第1の実施形態に係る受信回路へ構成要素の置き換えと追加を中心とした変形を行い、回路の実用性を高めたものである。
図8は、第2の実施形態に係る受信回路の構成例を示している。以下では、図8を参照しながら、第1の実施形態との差異点を中心に説明をする。
第2の実施形態に係る受信回路の基本的な構成は、以下の違いを除けば、第1の実施形態に係る受信回路と同様である。第1の違いは第1の実施形態に係るキャパシタ12が、第2の実施形態ではキャパシタバンク30に置き換えられている点である。第2の違いは、端子11Dが配線31を介してグラウンドに接続されている点である。配線31が接続されるグラウンドの例としては、回路全体の基準電位やアナログ回路の基準電位などがある。
キャパシタバンク30は、キャパシタ30Aとスイッチ30Bが直列に接続された、複数のパス(path)を含む。スイッチ30Bとしては、例えばMOSトランジスタ、ダイオード、JFET(ジャンクション型電界効果トランジスタ)などの半導体スイッチを用いることができる。スイッチ30Bはその他の素子または素子の組み合わせにより実現してもよく、実装方法は特に問わない。スイッチ30Bのオン/オフ(閉/開)操作は、無線通信装置1が備える制御部152が行う。
図8のキャパシタバンク30は、パス#1、パス#2、パス#3からパス#nまでのn本のパスを備えている。パスは複数あればよく、特に本数は問わない。
信号の受信と送信に共通のアンテナを使う無線通信装置には、アンテナの接続先を受信用回路と送信用回路との間で切り替える、スイッチが設けられていることがある。切り替えスイッチを設けることにより、例えば送信用のパワーアンプとして高出力のタイプが使われていても、受信側の回路を高い電圧から保護することができる。
一般に、アンテナと送受信回路の間にスイッチが設置されていると、スイッチの挿入損失に起因した性能劣化が生ずる。受信時には受信感度が低下し、送信時には送信効率が低下するため、パワーアンプの消費電力が増大する。これらの物理的要因のため、アンテナの手前に切り替えスイッチを設けると、無線通信装置の性能を改善するのが難しくなってしまう。
したがって、送信用アンテナと受信用アンテナが共用される無線通信装置では、本発明の各実施形態のように、アンテナと送受信回路間の切り替えスイッチをなくした設計が好ましい。そこで、第2の実施形態に係る受信回路では、無線通信装置1の送信状態、受信状態に合わせ、キャパシタバンク30のスイッチ30Bを操作する。
無線通信装置1が送信を行うとき、キャパシタバンク30のすべてのパスに係るスイッチ30Bをオン(閉状態)にする。これにより、送信用のパワーアンプ207の出力する信号の電圧が、スイッチ30Bの耐圧を超えていても、スイッチ30Bが破損するのを防ぐことができる。スイッチ30Bの耐圧の例としては、MOSトランジスタのドレイン・ソース間の絶対最大定格の電圧などがある。このような保護機能を受信回路に設けることにより、送信用のパワーアンプ207に高出力タイプのものを使い、送信電力を大きくすることが可能となる。
無線通信装置1が受信を行うときは、キャパシタバンク30の一部のパスに係るスイッチ30Bをオン(閉状態)にし、他のパスに係るスイッチ30Bをオフ(開状態)にすることができる。オン/オフするスイッチ30Bを変更することにより、キャパシタバンク30の静電容量の調節が可能となる。オン/オフするスイッチ30Bは、スイッチ30Bの数で決定してもよいし、パス番号で特定してもよい。これにより、受信周波数fやイメージ周波数fに合わせ、上述のQ値の調整、受信回路の抵抗成分の調整、共振周波数などを行うことができる。
同じ回路構成を有するチップであっても、プロセスばらつきにより、特性が異なるのが一般的である。また、プロセスばらつきを考慮して、オン/オフするスイッチ30Bの数を調整することもできる。
例えば、キャパシタバンク30の静電容量の設定値と、オン/オフするスイッチ30Bとの対応を示すテーブルを制御部内の記憶部に設けることができる。
また、各キャパシタ30Aの大きさがほぼ等しいのであれば、静電容量の設定値を、数式に入力し、オン/オフするスイッチ30Bの数を決定してもよい。テーブルの値や、数式のパラメータの調整を行うことで、プロセスばらつきによるチップ間の特性の違いを吸収することができる。なお、条件次第で受信時にすべてのスイッチ30Bをオフにしてもよいし、すべてのスイッチ30Bをオンにしてもよい。
なお、周波数ホッピングが行われると、受信周波数や送信周波数が変更されるため、受信回路のQ値、抵抗成分の大きさ、共振周波数などの再調整を行う必要がある。したがって、無線通信装置1が受信状態であるときに、制御部が行うスイッチ30Bのオン/オフ制御は、周波数ホッピングや無線周波数の変更動作に連動していてもよい。
第1の実施形態に係るキャパシタ12の静電容量Cを、上述のキャパシタバンク30の静電容量の設定値に置き換えれば、第1の実施形態で述べたキャパシタなどのパラメータ調整を行うことができる。これにより、イメージ周波数fにおける抵抗成分Rを最大にしたり、受信周波数fにおける抵抗成分Rを最小にしたり、イメージ周波数fにおけるQを最大になるよう、キャパシタバンク30の静電容量を調整できる。
このように、第2の実施形態に係る受信回路を使えば、アンテナと送受信回路の間の切り替えスイッチがなくても、パワーアンプ207が出力する高電圧の送信信号から、受信回路を保護することができる。
(第3の実施形態)
第2の実施形態に係る受信回路では、送信用パワーアンプが出力する送信信号の電圧からキャパシタバンク内のスイッチを保護していた。第3の実施形態に係る受信回路は、送信用パワーアンプの出力がさらに高くなり、受信側の低雑音増幅器を高電圧から保護しなくてはならないときに用いることができる。
図9は第3の実施形態に係る受信回路の構成例を示している。以下では図9を参照しながら、本実施形態に係る受信回路を説明する。
第3の実施形態に係る受信回路では、低雑音増幅器の破損を防ぐため、低雑音増幅器102の前段とグラウンドとの間を結ぶ配線上にスイッチ32を設けている。その他の構成は、第2の実施形態に係る受信回路と同様である。スイッチ32としては、例えばダイオード、JFET(ジャンクション型電界効果トランジスタ)などの半導体スイッチ用いることができる。スイッチ32はその他の素子または素子の組み合わせにより実現してもよく、実装方法は特に問わない。
一般に、微細化の進んだCMOSプロセスでは、ドレイン・ソース間電圧の絶対最大定格値よりも、ゲート電圧の絶対最大定格値の方が高くなっている。したがって、パワーアンプ207の出力する最大電圧が、低雑音増幅器102で使われているMOSトランジスタのゲート電圧の絶対最大定格値未満であるのであれば、低雑音増幅器102の保護は必須ではない。
しかし、パワーアンプ207の出力する最大電圧が、低雑音増幅器102で使われているMOSトランジスタのゲート電圧の絶対最大定格値以上になる可能性がある場合には、無線通信装置1の送信動作中に低雑音増幅器102が故障してしまうおそれがある。このようなリスクを防止するため、上述の図9の例のような回路を用いることができる。
無線通信装置1の制御部は、当該無線通信装置が、アンテナ10を介して信号を受信する、受信状態にあるときに、スイッチ32をオフ(開状態)にする。また、無線通信装置1の制御部は、当該無線通信装置が、パワーアンプ207から信号を出力する、送信状態にあるときに、スイッチ32をオン(閉状態)にする。
(第4の実施形態)
第4の実施形態では、無線通信装置が送信状態にあるとき、送信信号が受信回路に入り込むのを防止するため、受信回路の入力インピーダンスの調整を行う。図10は、第4の実施形態に係る回路の構成例を示している。図10の回路は、送信用のパワーアンプ207とアンテナ10の間に位置する、送信用整合回路208が明示されている点を除けば、第3の実施形態に係る回路と同様である。
パワーアンプ207のインピーダンスと、アンテナ10のインピーダンスが異なる場合には、パワーアンプ207とアンテナ10の間にインピーダンス整合を行う送信用整合回路208を配置する必要がある。しかし、本実施形態や上述の各実施形態のようにアンテナが受信と送信で共用されており、切り替えスイッチがない構成においては、次の2つの要件を満たした設計を行う必要がある。
第1の要件は、受信周波数fにおいて、端子11Aからみた受信回路のインピーダンスより、送信用整合回路208のインピーダンスが高いことである。これにより、無線通信装置1が受信をしているときに、受信周波数fの信号成分が送信用整合回路208ではなく、受信回路の方に入力されるようになる。本要件を満たすためには、受信周波数fにおける送信用整合回路208のインピーダンスが高くなるよう、回路設計を行う必要がある。
第2の要件は送信周波数fにおいて、アンテナ10のインピーダンスより、端子11Aからみた受信回路のインピーダンスが高いことである。これにより、無線通信装置1が送信をしているときに、送信周波数fの信号成分が受信回路ではなく、アンテナ10に入力されるようになる。本要件を満たすためには、送信周波数fにおける受信回路のインピーダンスが高くなるよう、パラメータ調整など回路設計を行う必要がある。
第4の実施形態に係る回路においても、無線通信装置1の送信時にはキャパシタバンク30のすべてのパスに係るスイッチ30Bをオン(閉状態)にする。したがって、送信用のパワーアンプ207が送信信号を出力しているときのキャパシタバンク30の静電容量はすべてのパスに係るキャパシタ30Aの静電容量の和に等しくなる。
送信周波数fにおいて、端子11Aからみた受信回路のインピーダンスが最大となるよう、受信回路に含まれる素子のパラメータ調整を行うことにより、受信回路が信号送信処理に与える影響を最小限に抑えることができる。そこで、少なくともキャパシタバンク30の静電容量、インダクタ111のインダクタンス、インダクタ112のインダクタンスのいずれかを調整し、送信周波数fの信号で、並列共振回路を形成するようにする。これにより、パワーアンプ207の出力する送信信号の受信回路への漏れを最小限にし、アンテナ10へ効率的に送信信号が入力される。
本実施形態のようなパラメータ調整を受信回路について行うことにより、上述の設計に係る2要件のうち、ふたつめの要件を満たすことができ、無線通信装置の回路設計に係る難易度を軽減することができる。
なお、上述の各実施形態に係る可変キャパシタとして、例えば強誘電体と電極を積層したデバイスなどを用いることができる。また、可変キャパシタはその他の種類のデバイスであってもよい。静電容量が可変であれば、可変キャパシタの種類や形態は特に問わない。可変キャパシタへの印加電圧と静電容量の対応関係を格納したテーブルなどを使えば、可変キャパシタの静電容量を任意の値に調整することができる。この調整処理は、それぞれの可変キャパシタが備える制御部が行ってもよいし、回路全体の制御部が行ってもよい。
(第5の実施形態)
第1の実施形態から第4の実施形態では、回路の素子のパラメータを調整し、Q値や共振周波数を変更可能にした回路について述べた。したがって各実施形態に係るインダクタとして、インダクタンスが可変なものを使ってもよい。第5の実施形態ではインダクタンスが可変な可変インダクタの一例を説明する。
図11は、可変インダクタの回路の構成例を示している。以下では図11を参照しながら説明を行う。
図11には、可変インダクタ60が示されている。可変インダクタ60はインダクタ列61、62を有する。インダクタ列61とインダクタ列62は端子V1と端子V2において両端が接続されている。したがって、可変インダクタ60は回路であるが、全体としてひとつのインダクタとして機能する。インダクタ列61は、直列に接続されたインダクタ61a、61b、61c、61dを含む。同様に、インダクタ列62は、直列に接続されたインダクタ62a、62b、62c、62dを含む。図11の例では全部で8つのインダクタが示されているが、インダクタの数はこれより多くてもよい。
インダクタ61a、61b間のノード65は、MOSFET63のドレインに接続される。一方、インダクタ62a、62b間のノード64は、MOSFET63のソースに接続される。MOSFET63は、ノード65、64間のスイッチとして動作する。すなわち、端子CTRに印加される電圧により、MOSFET63のソース・ドレイン間を導通させることもできるし、遮断させることができる。なお、図11の例ではNMOSFETが使われているが、PMOSのFETを用いてもよい。また、バイポーラトランジスタやCMOSの回路でスイッチを作ってもよく、スイッチ機能を実現方法は特に問わない。
MOSFET63をON(閉状態)にすると、複数のインダクタの接続関係が変わるため、MOSFET63がOFF(開状態)であるときに比べて端子V1−V2間のインダクタンスが低くなる。図11の例では、ノード間のスイッチ(MOSFET)がひとつしかないが、ノード間のスイッチを複数設けてもよい。
例えば、図11のノード65a、64a間にもうひとつスイッチを作ると、スイッチのON/OFFの組み合わせにより、インダクタの接続関係を4種類作れるようになる。したがって、ノード間のスイッチの数を増やすと、設定可能なインダクタンス値のバリエーションを増やすことができる。インダクタの数とノード間スイッチの数を増やすほど、細かいインダクタンスの調整ができるようになる。
なお、図11に示した可変インダクタは一例であり、これとは異なる構造や方式による可変インダクタを用いることを妨げるものではない。
なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1 無線通信装置
2 ホストシステム
1a RF部
1b ベースバンド部
10 アンテナ
11 トランス
11A、11B、11C、11D、14、21A、21B 端子
12、13、30A キャパシタ
30 キャパシタバンク
30B、32 スイッチ
31、40、53 配線
60 可変インダクタ
61、62 インダクタ列
63 MOSFET
64、64a、65、65a ノード
70 破線
101 受信回路
102 低雑音増幅器(LNA)
103、206 ミキサ
104、205 バンドパスフィルタ
105、204 増幅器
106 A/Dコンバータ(ADC)
107 復調回路
108 復号化回路
21、61a、61b、61c、61d、62a、62b、62c、62d、111、112 インダクタ
111a、112a 抵抗成分
150 局部発振器
151 ホストインタフェース
152 制御部
201 符号化回路
202 変調回路
203 D/Aコンバータ
207 パワーアンプ
208 送信用整合回路

Claims (13)

  1. 1次側の第1インダクタと、2次側の第2インダクタとを含み、前記第1インダクタは第1端子及び第2端子を含み、前記第1端子はアンテナに接続されるトランスと、
    前記第2インダクタに並列に接続された第1キャパシタと、
    前記第1インダクタの前記第2端子に接続された増幅器と、を備え
    受信回路。
  2. 前記第1キャパシタの静電容量は可変であり、少なくとも前記アンテナの受信信号の周波数または除去対象の信号の周波数のいずれかに基づき、前記第1キャパシタの静電容量を変更する、
    請求項1に記載の受信回路。
  3. 前記第2インダクタのインダクタンスは可変であり、少なくとも前記アンテナの受信信号の周波数または除去対象の信号の周波数のいずれかに基づき、前記インダクタンスを変更する、
    請求項1または2に記載の受信回路。
  4. 1次側の第1インダクタと、2次側の第2インダクタとを含み、前記第1インダクタは第1端子及び第2端子を含み、前記第2インダクタは第3端子及び第4端子を含み、前記第1端子はアンテナに接続されるトランスと、
    第5端子及び第6端子を含み、前記第5端子は前記第3端子に接続される複数の第2キャパシタと、
    前記第4端子及び前記第6端子の間に接続される複数の第1スイッチ
    前記第1インダクタの前記第2端子に接続された増幅器と、を備える
    受信回路。
  5. 請求項4の受信回路と、送信信号を増幅するパワーアンプと、
    前記送信信号の送信および前記アンテナの受信信号の受信をするアンテナとを備え、
    前記第1インダクタの前記第1端子が前記パワーアンプの出力端子または、前記アンテナと前記パワーアンプの出力間のインピーダンス整合回路に接続されている、
    無線通信装置。
  6. 送信時にはすべての前記第1スイッチがオンにする、
    請求項5に記載の無線通信装置。
  7. 受信時は、少なくとも前記受信信号の周波数または除去対象の信号の周波数のいずれかに基づき、オフにする前記第1スイッチと、オンにする前記第1スイッチを決定する、
    請求項6に記載の無線通信装置。
  8. 前記送信時には、前記送信信号の周波数における、前記第1インダクタの前記第1端子からみたインピーダンスの値に基づき、オフにする前記第1スイッチと、オンにする前記第1スイッチを決定する、
    請求項6または7に記載の無線通信装置。
  9. 受信時には、前記受信信号の周波数における、前記第1インダクタの前記第1端子からみたインピーダンスの値に基づき、オフにする前記第1スイッチと、オンにする前記第1スイッチを決定する、
    請求項6ないし8のいずれか一項に記載の無線通信装置。
  10. 前記第2インダクタのインダクタンスは可変であり、受信時には、少なくとも前記受信信号の周波数または除去対象の信号の周波数のいずれかに基づき、前記インダクタンスを変更する、
    請求項6ないし9のいずれか一項に記載の無線通信装置。
  11. 前記送信時には、前記送信信号の周波数における、前記第1インダクタの前記第1端子からみたインピーダンスの値に基づき、前記インダクタンスを変更する、
    請求項10に記載の無線通信装置。
  12. 前記受信時には、前記受信信号の周波数における、前記第1インダクタの前記第1端子からみたインピーダンスの値に基づき、前記インダクタンスを変更する、
    請求項10または11に記載の無線通信装置。
  13. 前記増幅器の入力とグラウンド間を結ぶ配線上に位置する第2スイッチを備え
    前記送信時には、前記第2スイッチをオンにし、受信時には、前記第2スイッチをオフにする、
    請求項6ないし12のいずれか一項に記載の無線通信装置。
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