JPH08505750A - 無線周波数信号増幅器用のオフセット伝送線結合器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＲＦ信号増幅器（１０３）によって生成される送信機出力信号（１２３）用のオフセット伝送線結合器（１１５）は、直通路伝送線（２０１）と、複数の蛇状部分（第６図における部分６４１，６４２，６４３，６４４など）によって直通路伝送線に電磁結合された結合路伝送線（２０２）とを含み、これらの蛇状部分は、直通路伝送線（２０１）の対置側に配置され、結合感度を向上させ、かつ伝送線めっきレジストレーションのずれによる結合量の劣化を排除する。直通路伝送線（２０１）の一方側上のオフセット部分（６４１，６４３）は、直通路伝送線（２０１）の他方側上のオフセット部分（６４２，６４３）と実質的に同じ結合量を有する。オフセット部分（６４１，６４２，６４３，６４４）は、直通路伝送線（２０１）から実質的に同じ距離だけオフセットされ、一方側上のオフセット部分（６４１，６４４）の全長は、直通路伝送線（２０１）の他方側上のオフセット部分（６４２，６４３）の全長に実質的に等しい。

Description

【発明の詳細な説明】 無線周波数信号増幅器用のオフセット伝送線結合器 発明の背景 本発明は、一般に、無線周波数（ＲＦ）信号結合器に関し、さらに詳しくは、 セルラ電話のＲＦ信号増幅器用のオフセツト伝送線結合器（offset transmissio n linecoupler）に関する。 従来のセルラ電話では、ＲＦ信号結合器はいくつかの方法によって構成され、 それには容量性結合器（capacitivecoupler）や伝送線結合器（transｍission l inecoupller）による方法があった。一般に、従来の伝送線結合器は、多層回路 板の上層の上面上の第１伝送線と、この第１伝送線の真下にありかつ電磁結合さ れる、上層の底面上の第２伝送線とによって実施される。接地面（groundplane ）は、上層にラミネートされた回路板の底層の底面上に配置される。回路板の上 層は、第１伝送線と第２伝送線との間で所望の結合量を達成するため十分な厚さ である。しかし、セルラ電話の小型・軽量化を行うため回路板の厚さを小さくす る場合、第２伝送線を薄くし、第２伝送線をオフセットして、所望の結合量を第 １伝送線に与えなければならない。しかし、回路板の上層の上面および底面上の 伝送線めっき間のレジストレーションの差のため、第１伝送線と弟２伝送線との 間で所望の結合量を維持することは困難である。例えば、回路めっきのレジスト レーションの±０．００３インチの差により、最大±３ｄＢの結合差が生じる。 上記の理由により、伝送線めっき間のレジストレーションのわずかな差について 所望の結合量を提供・維持する、改善されたオフセット伝送線結合器が必要とさ れる。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明を有利に利用できるＲＦ送信回路１００のブロック図である 。 第２図は、ＲＦ送信回路１００を含むセルラ電話２００のブロック図である。 第３図は、第１図における増幅器１０３およびパワー検出回路１０９の詳細な ブロック図である。 第４図は、伝送線結合器１１５を示す、第１図における送信回路の回路板の一 部である。 第５図は、伝送線結合器１１５の伝送線２０１，２０２の実施例を示す、第４ 図における回路板の上層３２１の上面図である。 第６図は、伝送線結合器１１５の伝送線２０１，２０２の好適な実施例を示す 、第４図における回路板の上層３２１の上面図である。 第７図は、伝送線結合器１１５の伝送線２０１，２０２の別の実施例を示す、 第４図における回路板の上層３２１の上面図である。 好適な実施例の説明 簡単に説明すると、本発明は、信号源によって生成されたＲＦ信号を検出し、 ＲＦ検出信号を生成するＲＦ信号結合器回路に関する。ＲＦ信号結合器回路は、 上面および底面を有し、所定の誘電率を有する基板と；所定の形状を有し、基板 の上面上に配置された第１伝送線であって、ＲＦ信号に結合される第１伝送線と ；基板の底面に配置される第２伝送線であって、第１伝送線に電磁結合され、Ｒ Ｆ信号の振幅に関連する振幅を有するＲＦ検出信号を生成する少なくとも第１お よび第１部分を有し、第１部分は、第１伝送線の一方側に対して第１の所定の距 離だけオフセットされ、第２部分は第１伝送線の他方側に対して第２の所定の距 離だけオフセットされ、第１部分と第１伝送線との間の結合量は、第２部分と第 １伝送線との間の結合量と実質的に同じであり、第２伝送線は第１および第２部 分を相互結合する第３部分をさらに有する、第２伝送線とによって構成される。 第１図を参照して、本発明を有利に利用できる独自のＲＦ送信回路１００のブ ロック図を示す。ＲＦ送信回路１０ ０は、第２図のセルラ電話２００の一部であり、このセルラ電話２００はまた、 受信回路１４１と、マイクロフォン１５２，スピーカ１５３およびキーパッド１ ５４に結合されたユーザ・インタフェース回路１５１とを含み、これらはすべて マイクロコンピュータ１１１によって制御され、これらは、例えば、Motorola Ｃ＆Ｅ Parts，1313 East Algonquin Road，Schaumburg，Illinois 60196から出 版され入手可能なMotorola instruction manual number 68P81066E40”DYNATAC Cellular Mobile Telephone 800 MHZ Transceiver”において図説されているセ ルラ電話など、任意の従来のセルラ電話の要素である。かかる従来の電話の動作 および機能については、Motorola Ｃ＆Ｅ Parts，1313 East Algonquin Road，S chaumburg，Illinois 60196から出版され入手可能なMotorola user’s manual n umber 68P81116E58”DYNATAC 6800XL Cellular Mobile Telephone USER’SMANUA L”において説明されている。 第１図のＲＦ送信回路１００は、方向性結合器（directional coupler）１１ ５およびフィルタ１０５によってアンテナ１０７に結合された縦続増幅器（casc aded amplifier）１０１，１０２，１０３を含む。ＲＦ送信回路１００は、第２ 図のマイクロコンピュータ１１１および受信機１４１と共に、すべて多層プリン ト回路板上で構成で きる。方向性結合器１１５は、好ましくは、以下で説明するような伝送線方向性 結合器であり、パワー検出信号１３１を生成するパワー検出回路１０９に結合さ れる。マイクロコンピュータ１１１は、パワー検出信号１３１に応答して、利得 制御信号１３２の大きさを調整して、送信機出力信号１２３の所望のパワー・レ ベルを生成する。利得制御信号１３２は、ドライバ回路１１３（これは本明細書 に参考として含まれる米国特許第４，５２３，１５５号において図説されるよう に構成できる）に結合され、増幅器１０２に対する電圧／電流駆動を調整し、そ れに応じてその増幅利得を調整する。アナログ・セルラ電話では、送信機出力信 号１２３は、セルラ基地局（米国特許第４，５２３，１５５号を参照）からの制 御メッセージに応答して、８つの可能なパワー・レベルのうち１つに設定できる 。デジタル・セルラ電話では、送信機出力信号１２３は、セルラ基地局（本明細 書に参考として含まれる米国特許第５，１９２，２２３号を参照）からの制御メ ッセージに応答して、割り当てられたタイムスロット中に８つの可能なパワー・ レベルのうち１つに設定できる。アナログおよびデジタル・セルラ電話はいずれ も本発明を有利に利用できる。 第３図を参照して、第１図における最後の増幅器１０３およびパワー検出回路 １０９の詳細な回路図を示す。増幅器１０３は、好ましくは、電界効果トランジ スタ（OKI type KGF 1321S FET）であり、これはコンデンサおよび 伝送線２０３によって増幅ＴＸ信号１２２に結合され、送信機出力信号１２３を 生成する。増幅器１０３の出力整合は、２つの低域通過部と、第２および第３調 波用の調波整合（harmonic matching）とからなる。調波整合は、伝送線２０４ およびコンデンサ２４３によって達成される。伝送線２０５およびコンデンサ２ ４５は、一方の低域通過フィルタ部をなし、伝送線２０１およびコンデンサ２４ ７は他方の低域通過フイルタ部をなす。また、伝送線２０１はフィルタ１０５に も結合され、このフイルタ１０５は、２つのコンデンサおよび１つのインダクタ によってアンテナ１０７に結合される。 本発明の新規な特徴により、伝送線２０１，２０２は増幅器１０３の出力整合 内に埋め込まれる。結合器１１５は増幅器１０３の出力整合に埋め込まれるので 、結合路伝送線（coupled-path transmission line）２０２の結合ポート（coup led port）（インダクタ２１２に端部結合される）に現れる信号が順方向に進む 信号のみを含み、逆方向に進む信号を含まないように、結合ポートと結合路伝送 線２０２の分離ポート（isolated port）（インダクタ２１０に端部結合される ）における複素インピーダンス（compleximpedance）を慎重に選ぶ必要がある。 従来の方向性結合器では、直通路伝送線（through-path transmission line）お よび結合路伝送線は、すべてのポートで５０オームとなるように設計される。５ ０オーム・インピーダンスで 理想的に終端されると、ＲＦ信号野の一部は結合路伝送線の結合ポートに現れ、 結合路伝送線の分離ポートに信号は現れない。また、直通路伝送線の両方のポー トは５０オーム・インピーダンスによって理想的に終端されているので、ＲＦ信 号の反射は発生しない。しかし、埋込型結合器１１５の直通路伝送線２０１は理 想的に終端されておらず、コンデンサ２４５と２４７との間に結合されているの で、送信機出力信号１２３のいくつかの反射が生じる。 結合器１１５では、送信機出力信号１２３の所望の部分は、結合路伝送線２０ ２の結合ポートに結合される。送信機出力信号１２３は伝送線２０１を下り、一 部はコンデンサ２４７によって反射される。第１反射送信機出力信号１２３は戻 り、一部はコンデンサ２４５によって反射される。第２反射送信機出力信号１２ ３の不要部分は、結合路伝送線２０２の結合ポートに結合される。また、第１反 射送信機出力信号１２３の一部は、結合路伝送線２０２の分離ポートに結合され 、結合路伝送線２０２の結合ポートに戻る。本発明の新規な特徴により、適切な 分離ポート複素インピーダンスが結合路伝送線２０２の分離ポートを終端すると 、結合ポートに戻る第１反射送信機出力信号１２３の部分は、第２反射送信機出 力信号１２３の結合部分を相殺する。この適切な分離ポート複素インピーダンス は、実数部と虚数部とを含み、これは、好適な実施例では、結合路伝送線２０２ の分離ポートに直列結合されたインダクタ２１０（１ ５ｎＨ）および抵抗器２２２（３９オーム）によって実施される。反射信号の不 要部分を相殺するため適切な分離ポート複素インピーダンスを利用することによ り、結合器１１５は増幅器１０３の出力整合に埋め込むことができ、それにより 回路板スペースおよび部品数が実質的に節約される。さらに、適切な結合ポート 複素インピーダンスは、所望の相殺を向上させ、好適な実施例では、インダクタ ２１１（２２ｎＨ）およびダイオード２０６の抵抗と直列に結合路伝送線２０２ の結合ポートに結合されたインダクタ２１２（５ｎＨ）によって実施される。 伝送線２０１は、送信機出力信号１２３の直通路をなす。結合路伝送線２０２ は、伝送線２０１に電磁結合され、送信機出力信号１２３の振幅に関連する振幅 を有するＲＦ検出信号を生成する。伝送線２０２からのＲＦ検出信号は、インダ クタ２１２，２１１によってダイオード２０６に結合され、このダイオード２０ ６は、コンデンサ２３１と共に、この信号を半波整流して、これに比例するＤＣ 電圧を生成し、この電圧はコンデンサ２３１に蓄積される。 コンデンサ２３１に蓄積されたＤＣ電圧は、抵抗器２３２〜２３５およびコン デンサ２３６によって結合され、パワー検出信号１３１となる。抵抗器２２４お よびダイオード２０７は、電圧Ｖ２からバイアス電圧を生成し、これは抵抗器２ ２３，２２２およびインダクタ２１０によって伝送線２０２に結合され、インダ クタ２１２，２１１を介し てダイオード２０６をバイアスする。好ましくは、ダイオード２０７，２０６は 、例えば、Motorola製MMBD770T1ダイオードなど、実質的に同じ電気特性を有す るホット・キャリア・ダイオード（hot carrier diode）である。ダイオード２ ０７は、パワー検出信号１３１が温度変化によって変化しないように、ダイオー ド２０６を温度補償する。 パワー検出回路１０９の新規な特徴により、インダクタ２１１（２２ｎＨ）と して構成されるインピーダンスは、固有ダイオード抵抗および容量（１．５ｐＦ ）を整合させるためにダイオード２０６に結合され、それによりパワー検出回路 １０９の感度を最大２倍に向上させる。インダクタ２１１で構成されるが、整合 インピーダンスは対応する容量性回路によっても構成できる。整合インピーダン スは、ダイオード２０６へのパワー伝達を最大限にし、好ましくは、感度が最も 重要となる低パワー・レベル（例えば、８つの可能なパワー・レベルのうち所定 の１つのパワー・レベル以下のパワー・レベル）での動作について最適化される 。パワー検出回路１０９は感度が高いので、検出のためあまり信号を必要とせず 、インダクタ２１１なしの検出回路で用いられる１５ｄＢの結合ではなく、２０ ｄＢの結合を有する結合器１１を利用できる。２０ｄＢの結合を有する結合器１ １５は、挿入損を約０．１ｄＢだけ低減でき、これは約８ｍＡの電流消費の節約 に相当し、それによりバ ッテリ通話時間は実質的に延長される。 第４図を参照して、伝送線結合器１１５を示す、第１図における送信回路１０ ０の回路板の一部を示す。送信回路１００は、３つの層３２１，３２２，３２３ を有する多層回路板または基板上に構成され、これらの層は、好適な実施例では 、誘電率４．６６を有するＦＲ−４ファイバグラス材料からなる。また、基板材 料は、例えば、アルミナ、デュロイド（duroid）および水晶など任意の他の適切 な材料でもよい。層３２１は、上面３０１上にめっきされた導電材料からなる順 方向路伝送線２０１と、底面３０２上にめっきされた導電材料からなる結合路伝 送線２０２とを含む。回路板の層３２１の上面３０１および底面３０２の他の部 分に他の回路めっき（図示せず）を配置してもよい。層３２２は、回路めっきを 有さない中間層である。層３２３は、伝送線２０１，２０２の接地面となる接地 めっきをその上面３０３上に有し、他の回路めっき（図示せず）をその底面３０ ４上に有する。層３２１，３２２，３２３は、対応する回路でめっきされ、ラミ ネーション処理または他の適切な処理によって互いに接着され、回路板を形成す る。 第５図を参照して、伝送線結合器１１５の伝送線２０１，２０２の実施例を示 す、第４図における回路板部の上層３２１の上面図を示す。本発明の新規な特徴 により、伝送線２０２は蛇状に形成され、部分３４１，３４２および部分３４３ ，３４４は、第５図のように上から見ると伝送線２ ０１の対置側にある。 伝送線結合器１１５は、好ましくは、送信機出力信号１２３の低い信号レベル を検出するのに十分な感度があり、また送信機出力信号１２３の不要な減衰を防 ぎ、またバッテリからの不要な電流消費を防ぐため比較的損失が低い。本発明の 伝送線結合器１１５を利用することにより、８２５ｍＨｚ〜９２５ｍＨｚの周波 数帯域，０．１５ｄＢ以下の挿入損で、２０ｄＢの電磁結合が達成できる。 伝送線２０１と伝送線２０２との間の電磁結合量は、伝送線２０２の幅，層３ ２１の厚さなど多くの要因に依存し、距離部分３４１，３４２，３４３，３４４ は伝送線２０１のエッジ部から、平行に、オフセットされる。第５図における部 分３４１，３４２，３４３，３４４は、伝送線２０１の幅よりも小さい幅を有し 、伝送線２０１のエッジ部から実質的に同じ量だけオフセットされる。部分３４ １，３４２の長さの和は、部分３４３，３４４の長さの和と実質的に同じである 。部分３４１，３４２によって与えられる結合の和は、部分３４３，３４４によ って与えられる結合の和に実質的に等しい。伝送線２０１と伝送線２０２との間 の電磁結合は、伝送線２０１と部分３４１，３４２，３４３，３４４との間で最 大となり、伝送線２０１と伝送線２０１の下で交差する直交部分との間で最小と なる。その結果、上面３０１上の回路めっきと層３２１の底面３０２上の回路め っきとの間のレジストレーションの小さな差は、 伝送線２０１と伝送線２０２との間の全体的な電磁結合を劣化させない。なぜな らば、部分３４１，３４２の結合は部分３４３，３４４の結合が低下すると増加 し、増加すると低下するためである。伝送線２０２の他の多くの構成および形状 が可能であり、それには鋸歯型、半円型，楕円型や、以下で説明する第６図およ び第７図の構成が含まれる。 第６図を参照して、伝送線結合器１１５の伝送線２０１，２０２の好適な実施 例を示す、第４図における回路板部の上層３２１の上面図を示す。伝送線２０１ は、Ｕ字型であり、伝送線２０２は、Ｕ字型伝送線２０１の平行側に電磁結合す る部分６４１，６４２と、Ｕ字型伝送線２０１の中央側に結合する部分６４３， ６４４とを含む。部分６４１，６４２，６４３，６４４は、伝送線２０１から約 ０．００４インチだけ離間される。部分６４１，６４２は、実質的に同じ長さで あり、部分６４３，６４４は実質的に同じ長さである。部分６４１，６４２，６ ４３，６４４の和の全長は約０．４インチである。部分６４１によって施される 結合は、部分６４２によって施される結合と実質的に等しく、部分６４３によっ て施される結合は、部分６４４によって施される結合と実質的に等しい。部分６ ４１，６４４は、少なくとも２３ｄＢの結合を与え、部分６４２，６４３は少な くとも２３ｄＢの結合を与えて、８２５ｍＨｚ〜９２５ｍＨｚの周波数帯域，０ ．１５ｄＢ以下の挿入損で、少なくとも２０ｄＢの電磁結合を生成する。第６図 におけ るこの実施例では、上面３０１上の回路めっきと層３２１の底面上の回路めっき との間のレジストレーションのわずかの差は、ＸおよびＹ両方の方向で生じるこ とがあるが、伝送線２０１と伝送線２０２との間の全体的な結合を劣化させない 。 第７図を参照して、伝送線結合器１１５の伝送線２０１，２０２の別の実施例 を示す、第４図における回路板部の上層３２１の上面図を示す。伝送線２０２は 、伝送線２０１に平行かつ、伝送線２０１に電磁結合する平行部分７４１，７４ ２を含む。部分７４１，７４２は、実質的に同じ長さであり、部分７４１，７４ ２によって施される結合は実質的に等しい。 以上、独自の伝送線結合器１１５は、順方向路伝送線２０１と、第６図におけ る部分６４１，６４２，６４３，６４４などの複数の部分によって順方向伝送線 ２０１に電磁結合された結合路伝送線２０２とを含み、これらの部分６４１，６ ４２，６４３，６４４は、伝送線２０１の対置側に配置され、結合感度を向上さ せ、伝送線めっきレジストレーションの差による結合量の劣化を排除する。その 結果、伝送線結合器１１５は、送信機出力信号１２３の低パワー・レベルを正確 に検出し、送信機出力信号１２３の各パワー・レベルを維持するために必要なバ ッテリ電流消費を最小限に抑え、それによりバッテリ通話時間を延長させる。セ ルラ電話用途では、本発明の新規な伝送線結合器１１５は、 ８２５ｍＨｚ〜９２５ｍＨｚの周波数帯域，０．１５ｄＢ以下の挿入損で、２０ ｄＢの電磁結合を達成する。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．信号源によって生成されるＲＦ信号を検出し、ＲＦ検出信号を生成する無線 周波数（ＲＦ）信号結合器回路であって： 上面および底面を有し、所定の誘電率を有する基板； 所定の形状を有し、前記基板の前記上面上に配置される第１伝送線であって、 前記ＲＦ信号に結合される第１伝送線； 前記基板の前記底面上に配置される第２伝送線であって、前記第２伝送線は、 前記第１伝送線に電磁結合され、前記ＲＦ信号の振幅に関連する振幅を有する前 記ＲＦ検出信号を生成する少なくとも第１および第２部分を有し、前記第１部分 は前記第１伝送線の一方側に対して第１の所定の距離だけオフセットされ、前記 第２部分は前記第１伝送線の他方側に対して第２の所定の距離だけオフセットさ れ、前記第１部分と前記第１伝送線との間の結合量は、前記第２部分と前記第１ 伝送線との間の結合量と実質的に同じであり、前記第２伝送線は、前記第１およ び第２部分を相互結合する第３部分をさらに有する、第２伝送線； によって構成されることを特徴とするＲＦ信号結合器回路。 ２．前記第１伝送線は、所定の幅を有し、前記第２伝送線の前記第１および第２ 部分は、前記第１伝送線の前記所定 の幅よりも小さい幅を有することを特徴とする請求項１記載のＲＦ信号結合器回 路。 ３．前記第２伝送線は、前記第１伝送線の前記一方側に対して前記第１の所定の 距離だけオフセットされた第４部分を含み、前記第１部分と前記第４部分との間 の結合量は、前記第２部分と前記第１伝送線との間の結合量と実質的に等しく、 前記第２伝送線は、前記第２および第４部分を相互結合する第５部分をさらに有 することを特徴とする請求項１記載のＲＦ信号結合器回路。 ４．前記第２伝送線の前記第１部分は、前記第２部分と同じ長さを有することを 特徴とする請求項１記載のＲＦ信号結合器回路。 ５．前記第１の所定の距離は、前記第２の所定の距離に実質的に等しいことを特 徴とする請求項１記載のＲＦ信号結合器回路。 ６．前記基板の前記底面は、第２基板の上面に接着され、前記第２基板は、導電 コーティングで被覆された底面を有することを特徴とする請求項１記載のＲＦ信 号結合器。 ７．無線周波数（ＲＦ）信号を増幅し、所定のパワー・レベルで送信機出力信号 を生成する送信回路であって： 前記ＲＦ信号を生成する信号源； 情報信号および利得制御信号に結合され、前記情報信号を可変利得だけ増幅し 、前記送信機出力信号を生成する増幅器であって、前記可変利得は、前記利得制 御信号の大き さに関連する、増幅器； 前記増幅器に結合され、前記送信機出力信号の振幅に関連する振幅を有するＲ Ｆ検出信号を生成する伝送線結合器であって、前記伝送線結合器はさらに： 上面および底面を有し、所定の誘電率を有する基板と； 所定の形状を有し、前記基板の前記上面上に配置される第１伝送線であっ て、前記送信機出力信号に結合される第１伝送線と； 前記基板の前記底面上に配置された第２伝送線であって、前記第２伝送線 は、前記第１伝送線に電磁結合され、前記送信機出力信号の振幅に関連する振幅 を有する前記ＲＦ検出信号を生成する少なくとも第１および第２部分を有し、前 記第１部分は、前記第１伝送線の一方側に対して第１の所定の距離だけオフセッ トされ、前記第２部分は、前記第１伝送線の他方側に対して第２の所定の距離だ けオフセットされ、前記第１部分と前記第１伝送線との間の結合量は、前記第２ 部分と前記第１伝送線との間の結合量と実質的に同じであり、前記第２伝送線は 、前記第１および第２部分を相互結合する少なくとも１つの追加部分をさらに有 する、第２伝送線と； からなる伝送線結合器；および 前記ＲＦ検出信号に結合され、前記利得制御信号の大きさを調整して、前記送 信機出力信号を前記所定のパワー・ レベルで維持する制御回路； によって構成されることを特徴とする送信回路。 ８．前記第１伝送線は、所定の幅を有し、前記第２伝送線の前記第１，第２，第 ３および第４部分は、前記第１伝送線の前記所定の幅よりも小さい幅を有するこ とを特徴とする請求項７記載の送信回路。 ９．前記第２伝送線の前記第１および第２部分の和は、前記第３および第４部分 の和と同じ合成長さを有することを特徴とする請求項７記載の送信回路。 １０．前記第１の所定の距離は、前記第２の所定の距離に実質的に等しいことを 特徴とする請求項７記載の送信回路。