JPWO2020166196A1 - 双方向増幅器 - Google Patents

Abstract

複数の増幅部のそれぞれが異なる性能を有する場合でも、小型化が可能な双方向増幅器を提供すること。双方向増幅器（１１）は、第１端子（ｐ１）から入力した第１信号を増幅して第２端子（ｐ２）から出力する第１増幅部（１１１）と、第２端子（ｐ２）から入力した第２信号を増幅して第１端子（ｐ１）から出力し、第１増幅部（１１１）の性能の劣化を補償する補償素子（Ｃ１１１）と補償素子（Ｃ１１２）とを有する第２増幅部（１１２）と、第１増幅部（１１１）の動作と第２増幅部（１１２）の動作を制御する制御部（１１３）と、を備える。

Description

本開示は、双方向増幅器に関するものであり、特に、複数の増幅部のそれぞれが異なる性能を有する場合でも、小型化が可能な双方向増幅器に関する。

無線通信の周波数帯を有効利用する技術には、指向性を有する電波を使用して無線通信を行うビームフォーミングという技術が有る。該ビームフォーミングを実現する１つとしてフェーズドアレイが有る。フェーズドアレイは、複数のアンテナ素子毎に無線信号の位相を調整し各アンテナ素子から放射される無線信号（電波）を空間で合成し所望の方向の電波を強める。ここで、複数のアンテナ素子は、無線信号の搬送波の半波長程度の間隔で配置されることが望ましく、高周波になるほどアンテナ素子の間隔は短くなる。アンテナと送受信機の高周波部を１つの基板に実装する一体型モジュールにおいては、アンテナ素子の間隔を短くするのに伴い、高周波部の小型化が必要となる。高周波部は、送信増幅器と受信増幅器とを有するので、これらのサイズの小型化が望まれる。小型化の方法の１つとして、送信増幅器と受信増幅器とを兼用した双方向増幅器を用いることが挙げられる。

特許文献１には、送信終段回路がベースを端子３Ａと３Ｂに、コレクタを端子１Ａと１Ｂにそれぞれ接続したトランジスタＱ１１とＱ１２から成る第１差動増幅回路と、信号Ｃ５により該差動増幅回路の動作電流を供給するトランジスタＱ１３とＱ１４から成る第１定電流源と、受信前置回路がベースを端子１Ａと１Ｂに、コレクタを端子２Ａと２Ｂにそれぞれ接続したトランジスタＱ２１とＱ２２から成る第２差動増幅回路と、信号Ｃ５と相補の信号Ｃ４により第２差動増幅回路の動作電流を供給するトランジスタＱ２３とＱ２４から成る第２定電流源と、を備え、信号Ｃ４とＣ５に制御される第１差動増幅回路と第２作動増幅回路の動作・停止により送受信の切換を行う無線通信装置が開示されている。特許文献１に開示の技術は、第１差動増幅回路と第２差動増幅回路の他に、外部に送受信を切替えるスイッチが必要となるので、小型化した双方向増幅器（無線通信装置）を提供することは難しい。

特開平８−１４９０３８号公報

上述のとおり、送信と受信とを行う双方向増幅器においては、小型化が難しいという課題があった。

本開示の目的は、上述した課題を解決する双方向増幅器を提供することにある。

本開示に係る双方向増幅器は、
第１端子から入力した第１信号を増幅して第２端子から出力する第１増幅部と、
前記第２端子から入力した第２信号を増幅して前記第１端子から出力し、前記第１増幅部の性能の劣化を補償する補償素子を有する第２増幅部と、
前記第１増幅部の動作と前記第２増幅部の動作を制御する制御部と、
を備える。

本開示によれば、複数の増幅部のそれぞれが異なる性能を有する場合でも、小型化が可能な双方向増幅器を提供することができる。

実施の形態１に係る双方向増幅器を例示するブロック図である。 実施の形態１に係る双方向増幅器を例示する回路図である。 実施の形態１の比較例に係る双方向増幅器を例示する回路図である。 実施の形態２に係る双方向増幅器を例示する回路図である。 実施の形態３に係る双方向増幅器を例示する回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。

［実施の形態１］
先ず、実施の形態１に係る双方向増幅器の概要を説明する。
図１は、実施の形態１に係る双方向増幅器を例示するブロック図である。

図１に示すように、実施の形態１に係る双方向増幅器１１は、第１増幅部１１１と、第２増幅部１１２と、制御部１１３と、を備える。第１増幅部１１１と第２増幅部１１２とをまとめて増幅部と称することもある。

第１増幅部１１１は、第１端子ｐ１から入力した第１信号を増幅して第２端子ｐ２から出力する。

第２増幅部１１２は、第２端子ｐ２から入力した第２信号を増幅して第１端子ｐ１から出力する。また、第２増幅部１１２は、第１増幅部１１１の性能の劣化を補償する補償素子（図示せず）を有する。第１増幅部１１１の性能の劣化と、これを補償するための補償素子についての詳細は後述する。

制御部１１３は、第１増幅部１１１の動作と第２増幅部１１２の動作を制御する。双方向増幅器１１においては、例えば、第１増幅部１１１を送信用増幅器とし、第２増幅部１１２を受信用増幅器として使用するため、第１増幅部１１１の性能と第２増幅部１１２の性能を異なるように構成する。ここで、性能とは、例えば、増幅部の送信出力値と雑音指数である。

具体的には、第１増幅部１１１に大きなサイズのトランジスタを使用し、第２増幅部１１２に第１増幅部１１１に使用したものよりも小さいサイズのトランジスタを使用する。大きなサイズのトランジスタは、高出力なので送信用のＰＡ（Power Amplifier）に適している。小さなサイズのトランジスタ、雑音が少ないので受信用のＬＮＡ（Low Noise Amplifier）に適している。

これにより、第１増幅部１１１を送信用のＰＡとして動作させ、第２増幅部１１２を受信用のＬＮＡとして動作させて、２つの増幅部の性能を異なるようにする。すなわち、増幅部のトランジスタに、異なるサイズのトランジスタを使用することにより、増幅部の性能を異なるようにする。尚、ＰＡを送信増幅器と称し、ＬＮＡを受信増幅器と称することもある。

このとき、双方向増幅器１１は、第１増幅部１１１がＰＡとして動作し、第２増幅部１１２がＬＮＡとして動作するので、第１増幅部１１１の送信出力値は、第２増幅部１１２の送信出力値よりも大きくなる。また、第２増幅部１１２の雑音指数は、第１増幅部１１１の雑音指数よりも小さくなる。

また、双方向増幅器１１を小型化するためＰＡ（第１増幅部１１１）とＬＮＡ（第２増幅部１１２）を１つの基板に実装する場合、異なるサイズのトランジスタを使用することにより、第１増幅部１１１の性能が劣化する。双方向増幅器１１は、第１増幅部１１１の性能の劣化を補償する補償素子を有するので、性能の劣化を抑えることができる。これにより、第１増幅部１１１をＰＡとして動作させ、第２増幅部１１２をＬＮＡとして動作させる場合でも、すなわち、複数の増幅部のそれぞれが異なる性能を有する場合でも、小型化が可能な双方向増幅器１１を提供することができる。

また、制御部１１３は、第１増幅部１１１の動作中は第２増幅部１１２を動作させず、第２増幅部１１２の動作中は第１増幅部１１１を動作させないように制御する。

これにより、第１増幅部１１１から出力された第１出力信号が第２増幅部１１２に回り込んだとしても、第２増幅部１１２が動作していないので第１出力信号は増幅されない。また、第２増幅部１１２から出力された第２出力信号が第１増幅部１１１に回り込んだとしても、第１増幅部１１１が動作していないので第２出力信号は増幅されない。よって、回り込みによる悪影響を低減することができる。

次に、実施の形態１に係る双方向増幅器の詳細を説明する。
図２は、実施の形態１に係る双方向増幅器を例示する回路図である。
ただし、制御部１１３は簡単の為、省略する。

図２に示すように、双方向増幅器１１の第１増幅部１１１は、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２とトランジスタ１１１３とを有する。２つのトランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２は、第１信号を増幅する。トランジスタ１１１１のサイズとトランジスタ１１１２のサイズは、同じである。

トランジスタ１１１１のソースＳとグランドＧＮＤとの間に、トランジスタ１１１３を有する。トランジスタ１１１３は、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２の動作を制御する。

第２増幅部１１２は、トランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２とトランジスタ１１２３と補償素子Ｃ１１１と補償素子Ｃ１１２とを有する。２つのトランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２は、第２信号を増幅する。トランジスタ１１２１のサイズとトランジスタ１１２２のサイズは、同じである。

第２増幅部１１２は、トランジスタ１１２１のゲートＧとドレインＤとの間に、補償素子Ｃ１１１を有し、トランジスタ１１２２のゲートＧとドレインＤとの間に、補償素子Ｃ１１２をする。補償素子Ｃ１１１と補償素子Ｃ１１２は、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２の寄生成分を補償する。補償素子Ｃ１１１と補償素子Ｃ１１２は、キャパシタ又は可変キャパシタである。

第２増幅部１１２は、トランジスタ１１２１のソースＳとグランドＧＮＤとの間に、トランジスタ１１２３を有する。トランジスタ１１２３は、トランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２の動作を制御する。

トランジスタ１１１１のサイズは、トランジスタ１１２１及びトランジスタ１１２２のサイズよりも大きい。また、トランジスタ１１１２のサイズは、トランジスタ１１２１及びトランジスタ１１２２のサイズよりも大きい。

これにより、第１増幅部１１１を送信増幅器として動作させ、第２増幅部１１２を受信増幅器として動作させることができる。

制御部１１３は、第１バイアス端子ｂ１を介してトランジスタ１１１３を制御することにより、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２をオン又はオフに制御する。また、制御部１１３は、第２バイアス端子ｂ２を介してトランジスタ１１２３を制御することにより、トランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２をオン又はオフに制御する。

そして、制御部１１３は、第１増幅部１１１の動作中（トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２とがオン）は、第２増幅部１１２を動作させない（トランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２とがオフ）。制御部１１３は、第２増幅部１１２の動作中（トランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２とがオン）は、第１増幅部１１１を動作させない（トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２とがオフ）。

双方向増幅器１１は、第１増幅部１１１と第２増幅部１１２のオン又はオフの制御に、トランジスタ１１１３とトランジスタ１１２３を使用するので、インダクタを使用して制御する場合と比べて回路面積をより小さくすることができる。

尚、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２が差動動作するので、このトランジスタを第１差動トランジスタと称することもある。また、トランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２が差動動作するので、このトランジスタを第２差動トランジスタと称することもある。

補償素子Ｃ１１１と補償素子Ｃ１１２は、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２の寄生成分をキャンセルするためのものである。

次に、実施の形態１に係る双方向増幅器の動作を説明する。

図２に示すように、第１端子ｐ１から入力された第１信号は、第１トランスｔｓ１により差動−シングル変換が行われる。また、第１トランスｔｓ１は第１増幅部１１１の負荷も兼ねている。一方、第２端子ｐ２から入力された第２信号は、第２トランスｔｓ２により差動−シングル変換が行われる。また、第２トランスｔｓ２は第２増幅部１１２の負荷も兼ねている。

制御部１１３が第１バイアス端子ｂ１を介してトランジスタ１１１３をオンに制御し、第２バイアス端子ｂ２を介してトランジスタ１１２３をオフに制御した場合を説明する。

このとき、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２がオンになり、トランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２がオフになる。これにより、第１端子ｐ１から入力した第１信号がトランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２で増幅され、第２端子ｐ２から出力される。

高周波増幅器の性能の劣化要因は、配線等に起因する寄生成分である。特に、ソース接地型トランジスタを使用した場合、高周波増幅器の性能の劣化要因は、トランジスタのゲート−ドレイン間の寄生成分（寄生容量）である。このため、同等のキャパシタを差動入出力間でクロスカップルするように挿入することで、寄生成分をキャンセルすることができる。

双方向増幅器１１においては、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２の寄生成分が、第１増幅部１１１の性能を劣化させる。このため、オフ状態のトランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２の寄生成分を用いて、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２の寄生成分を補償する。しかしながら、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２のサイズが、トランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２のサイズと異なるため、差動入出力間でクロスカップルしても、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２の寄生成分を完全にキャンセル（補償）することができない。

そこで、双方向増幅器１１においては、補償素子Ｃ１１１と補償素子Ｃ１１２を使用して不足分の補償を行う。具体的には、補償素子Ｃ１１１を、トランジスタ１１２１のゲートＧとドレインＤとの間に設け、補償素子Ｃ１１２を、トランジスタ１１２２のゲートＧとドレインＤとの間に設ける。これにより、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２の寄生成分は、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１２２の寄生成分と補償素子Ｃ１１１と補償素子Ｃ１１２の合計により、キャンセルされる。

制御部１１３が第１バイアス端子ｂ１を介してトランジスタ１１１３をオフに制御し、第２バイアス端子ｂ２を介してトランジスタ１１２３をオンに制御した場合も同様である。すなわち、トランジスタ１１２１とトランジスタ１１２２の寄生成分と補償素子Ｃ１１１と補償素子Ｃ１１２の合計は、トランジスタ１１１１とトランジスタ１１１２の寄生成分により、キャンセルされる。

このように、実施の形態１によれば、双方向の増幅に異なるサイズのトランジスタを用いた場合でも、寄生成分の補償が可能となり、高性能な増幅器を提供することができる。

また、送受信を切替えるため、面積が大きなインダクタ素子等のスイッチが必要でないので、増幅部のそれぞれが異なる性能を有する場合でも、小型化が可能な双方向増幅器を提供することができる。

また、双方向増幅器１１は、送受信を切替えるためのスイッチが必要でないので、その分の通過損失が無い。このため、スイッチが必要な場合と比べて、増幅部の利得の低下、送信出力の低下、及び受信時の雑音特性の劣化を抑制することができる。

また、双方向増幅器１１の第１増幅部１１１と第２増幅部１１２のバラつきを、補償素子Ｃ１１１と補償素子Ｃ１１２により補償することができる。

ここで、実施の形態１に係る双方向増幅器１１の特徴を記載する。
順方向（第１端子ｐ１から第２端子ｐ２に向う方向）で動作するトランジスタのサイズと、逆方向（第２端子ｐ２から第１端子ｐ１に向う方向）で動作するトランジスタのサイズと、が異なる。
第１増幅部１１１と第２増幅部１１２のそれぞれが差動構成であり、差動間にクロスカップル接続された補償素子Ｃ１１１と補償素子Ｃ１１２を有する。

［比較例］
図３は、実施の形態１の比較例に係る双方向増幅器を例示する回路図である。

図３に示すように、比較例に係る双方向増幅器５１は、第１バイアス端子ｂ１と第２バイアス端子ｂ２とをそれぞれ制御することにより入出力の方向を制御する。双方向増幅器５１がトランジスタ５１１１とトランジスタ５１１２とをオンに制御し、トランジスタ５１２１とトランジスタ５１２２とをオフに制御した場合、第１端子ｐ１から第２端子ｐ２の方向に第１信号が伝達する。双方向増幅器５１がトランジスタ５１１１とトランジスタ５１１２とをオフに制御し、トランジスタ５１２１とトランジスタ５１２２とをオンに制御した場合、第２端子ｐ２から第１端子ｐ１の方向に第２信号が伝達する。

双方向増幅器５１においては、トランジスタ５１１１のコレクタＣとトランジスタ５１２２のベースＢとを接続し、トランジスタ５１１１のベースＢとトランジスタ５１２１のコレクタＣとを接続する。また、トランジスタ５１１２のコレクタＣとトランジスタ５１２１のベースＢとを接続し、トランジスタ５１１２のベースＢとトランジスタ５１２２のコレクタＣとを接続する。これにより、寄生容量をキャンセルすることができる。

双方向増幅器５１の第１バイアス端子ｂ１がＨｉｇｈであり、第２バイアス端子ｂ２がＬｏｗの場合、トランジスタ５１１１とトランジスタ５１１２はオンになり、トランジスタ５１２１とトランジスタ５１２２がオフになる。

その結果、第１端子ｐ１から入力した第１信号が増幅され第２端子ｐ２から出力される。このとき、インダクタ５１１３とインダクタ５１１４とインダクタ５１２３とインダクタ５１２４は、第１増幅部５１１と第２増幅部５１２のマッチングを取ると共に、トランジスタ５１１１とトランジスタ５１１２とトランジスタ５１２１とトランジスタ５１２２がオフ動作になった際のアイソレーションの強化も兼ねている。

また、このとき、オフ状態のトランジスタ５１２１のベースＢ−コレクタＣ間の寄生容量は、トランジスタ５１１１のベースＢ−コレクタＣ間の寄生容量によってキャンセルされる。オフ状態のトランジスタ５１２２のベースＢ−コレクタＣ間の寄生容量は、トランジスタ５１１２のベースＢ−コレクタＣ間の寄生容量によってキャンセルされる。第１バイアス端子ｂ１がＬｏｗであり、第２バイアス端子ｂ２がＨｉｇｈの場合も同様に動作する。

尚、これらの動作が成立する条件として、第１増幅部５１１と第２増幅部５１２の寄生容量が等しいこと、すなわち、第１増幅部５１１と第２増幅部５１２内の同種の素子の特性値が全て同じであり、レイアウト構成（構造）なども対称にする必要がある。

よって、第１増幅部５１１と第２増幅部５１２で異なるサイズのトランジスタを使用した場合には、トランジスタの寄生容量をキャンセルすることが難しい。その結果、比較例では、複数の増幅部のそれぞれが異なる性能を有する場合、双方向増幅器を小型化することが難しい。

［実施の形態２］
図４は、実施の形態２に係る双方向増幅器を例示する回路図である。

図４に示すように、実施の形態２に係る双方向増幅器２１は、実施の形態１に係る双方向増幅器１１と比べて、第１端子ｐ１と第１増幅部１１１との間に、伝送線路２１１１〜伝送線路２１１７が設けられている点が異なる。また、第２端子ｐ２と第２増幅部１１２との間に、伝送線路２１２１〜伝送線路２１２７が設けられている点が異なる。また、補償素子Ｃ１１１と補償素子Ｃ１１２の代わりにキャパシタＣ２１１とキャパシタＣ２１２が設けられている点が異なる。

双方向増幅器２１は、補償素子としてキャパシタを使用することで、複数の増幅部のそれぞれが異なる性能を有する場合でも小型化が可能である。

また、双方向増幅器２１は、伝送線路２１１１〜伝送線路２１１７により、第１端子ｐ１側の第１マッチング回路を形成してもよい。また、伝送線路２１２１〜伝送線路２１２７により、第２端子ｐ２側の第２マッチング回路を形成してもよい。

これにより、双方向増幅器２１は、順方向と逆方向で共通のマッチング回路を有することができる。尚、第１マッチング回路と第２マッチング回路は、実施の形態１に係る双方向増幅器１１において適用してもよい。

［実施の形態３］
図５は、実施の形態３に係る双方向増幅器を例示する回路図である。

図５に示すように、実施の形態３に係る双方向増幅器３１は、実施の形態２に係る双方向増幅器２１と比べて、キャパシタＣ２１１とキャパシタＣ２１２の代わりに可変キャパシタＣ３１１と可変キャパシタＣ３１２が設けられている点が異なる。

双方向増幅器３１は、補償素子として可変キャパシタを使用することで、複数の増幅部のそれぞれが異なる性能を有する場合でも小型化が可能である。

尚、実施の形態では、双方向増幅器を例に挙げて説明したが、これには限定されない。実施の形態は、双方向増幅器だけでなく、移相器やフィルタなどの送受信機に必要とされるコンポーネントにも適用できる。

本開示は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１９年２月１４日に出願された日本出願特願２０１９−０２４２００を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１１、５１…双方向増幅器
１１１、５１１…第１増幅部
１１１１、１１１２、１１１３…トランジスタ
１１２、５１２…第２増幅部
１１２１、１１２２、１１２３…トランジスタ
Ｃ１１１、Ｃ１１２…補償素子
Ｃ２１１、Ｃ２１２…キャパシタ
２１１１〜２１１７、２１２１〜２１２７…伝送線路
Ｃ３１１、Ｃ３１２…可変キャパシタ
５１１３、５１１４、５１２３、５１２４…インダクタ
１１３…制御部
ｐ１…第１端子
ｐ２…第２端子
ｂ１…第１バイアス端子
ｂ２…第２バイアス端子
Ｓ…ソース
Ｇ…ゲート
Ｄ…ドレイン
Ｂ…ベース
Ｃ…コレクタ
ｔｓ１…第１トランス
ｔｓ２…第２トランス
ＧＮＤ…グランド

Claims (9)

1. 第１端子から入力した第１信号を増幅して第２端子から出力する第１増幅手段と、
   前記第２端子から入力した第２信号を増幅して前記第１端子から出力し、前記第１増幅手段の性能の劣化を補償する補償素子を有する第２増幅手段と、
   前記第１増幅手段の動作と前記第２増幅手段の動作を制御する制御手段と、
   を備える双方向増幅器。
2. 前記制御手段は、
   前記第１増幅手段の動作中は前記第２増幅手段を動作させず、
   前記第２増幅手段の動作中は前記第１増幅手段を動作させないように制御する、
   請求項１に記載の双方向増幅器。
3. 前記第１増幅手段の性能と、前記第２増幅手段の性能と、は異なる、
   請求項１又は２に記載の双方向増幅器。
4. 前記性能には、送信出力値と雑音指数とが含まれる、
   請求項１乃至３のいずれか１つに記載の双方向増幅器。
5. 前記第１増幅手段の前記送信出力値は、前記第２増幅手段の前記送信出力値よりも大きく、
   前記第２増幅手段の前記雑音指数は、前記第１増幅手段の前記雑音指数よりも小さい、
   請求項４に記載の双方向増幅器。
6. 前記第１増幅手段は、前記第１信号を増幅する２つの第１差動トランジスタを有し、
   前記第２増幅手段は、前記第２信号を増幅する２つの第２差動トランジスタを有し、
   前記第１差動トランジスタのサイズは、前記第２差動トランジスタのサイズよりも大きい、
   請求項１乃至５のいずれか１つに記載の双方向増幅器。
7. 前記第１増幅手段は、
   前記第１差動トランジスタのソースとグランドとの間に、前記第１差動トランジスタの動作を制御する第１バイアストランジスタを有し、
   前記第２増幅手段は、
   前記第２差動トランジスタのゲートとドレインとの間に、前記第１差動トランジスタの寄生成分を補償する前記補償素子を有し、
   前記第２差動トランジスタのソースとグランドとの間に、前記第２差動トランジスタの動作を制御する第２バイアストランジスタと、を有する、
   請求項６に記載の双方向増幅器。
8. 前記補償素子は、キャパシタ又は可変キャパシタである、
   請求項１乃至７のいずれか１つに記載の双方向増幅器。
9. 前記第１増幅手段は、前記第１端子と前記第１増幅手段との間に第１マッチング回路を有し、
   前記第２増幅手段は、前記第２端子と前記第２増幅手段との間に第２マッチング回路を有する、
   請求項１乃至８のいずれか１つに記載の双方向増幅器。

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