(57)【要約】【課題】通信装置における送信信号と受信信号を分離するためのデュプレクサにおいて、送信信号に対する周波数特性と受信信号に対する周波数特性の双方が可変であるデュプレクサを提供する。【解決手段】前記デュプレクサは、送信周波数帯域の信号を低損失で通過させる共振部と受信周波数帯域の信号を減衰させる共振部とを有する周波数特性が可変な送信側共振器、送信周波数帯域の信号を減衰させる共振部と受信周波数帯域の信号を低損失で通過させる共振部とを有する受信側共振器、前記送信側共振器とアンテナ端子を仲介する整合回路、前記受信側共振器とアンテナ端子を仲介する整合回路を備える。【選択図】図１
2014003460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された信号に周波数特性を与えて出力する共振器であって、
第１の周波数帯域の信号を低損失で通過させ、第２の周波数帯域の信号を減衰させ、前記第１と第２の周波数帯域が可変である中空導体
を有することを特徴とする共振器。
【請求項２】
請求項１に記載の共振器であって、
前記中空導体は、伸縮するポストと可変インダクティブ素子を有し、前記ポストに係る並列共振周波数を前記ポストの伸縮により変化させて前記第１の周波数帯域を変化させ、前記可変インダクティブ素子に係る直列共振周波数を変化させて前記第２の周波数帯域を変化させる
ことを特徴とする共振器。
【請求項３】
請求項１に記載の共振器であって、
前記中空導体は、変形する板状素子と可変インダクティブ素子を有し、前記板状素子に係る並列共振周波数を当該板状素子の変形により変化させて前記第１の周波数帯域を変化させ、前記可変インダクティブ素子に係る直列共振周波数を変化させて前記第２の周波数帯域を変化させる
ことを特徴とする共振器。
【請求項４】
請求項１に記載の共振器であって、
前記中空導体は、伸縮するポストと可変キャパシタ素子を有し、前記板状素子に係る並列共振周波数を前記ポストの伸縮により変化させて前記第１の周波数帯域を変化させ、前記可変キャパシタ素子に係る直列共振周波数を変化させて前記第２の周波数帯域を変化させる
ことを特徴とする共振器。
【請求項５】
請求項１に記載の共振器であって、
前記中空導体は、変形する板状素子と可変キャパシタ素子を有し、前記板状素子に係る並列共振周波数を当該板状素子の変形により変化させて前記第１の周波数帯域を変化させ、前記可変キャパシタ素子に係る直列共振周波数を変化させて前記第２の周波数帯域を変化させる
ことを特徴とする共振器。
【請求項６】
請求項２または請求項３に記載の共振器であって、
当該共振器が情報を送受信する通信装置における互いに周波数帯域の異なる送信信号と受信信号とを周波数分離するためのデュプレクサの構成要素として用いられた場合には、
前記第１の周波数帯域は前記送信信号の周波数帯域であり、
前記第２の周波数帯域は前記受信信号の周波数帯域である
ことを特徴とする共振器。
【請求項７】
請求項４または請求項５に記載の共振器であって、
当該共振器が情報を送受信する通信装置における互いに周波数帯域の異なる送信信号と受信信号とを周波数分離するためのデュプレクサの構成要素として用いられた場合には、
前記第１の周波数帯域は前記受信信号の周波数帯域であり、
前記第２の周波数帯域は前記送信信号の周波数帯域である
ことを特徴とする共振器。
【請求項８】
情報を送受信するアンテナを有する通信装置における互いに周波数帯域の異なる送信信号と受信信号とを周波数分離するためのデュプレクサであって、
前記アンテナに対して前記送信信号と受信信号を授受するためのアンテナ端子と、
前記送信信号が供給され、当該送信信号の周波数帯域の信号を低損失で通過させ前記受信信号の周波数帯域の信号を減衰させて出力する、周波数特性が可変である中空導体を有する第１の共振器と、
当該第１の共振器が出力した送信信号が供給され、インピーダンスを調整して前記アンテナ端子に出力する第１のインピーダンス調整回路と、
前記アンテナ端子から供給された前記受信信号が供給され、インピーダンスを調整して出力する第２のインピーダンス調整回路と、
当該第２のインピーダンス調整回路が出力した受信信号が供給され、当該受信信号の周波数帯域の信号を低損失で通過させ前記送信信号の周波数帯域の信号を減衰させて出力する、周波数特性が可変である中空導体を有する第２の共振器と
を有することを特徴とするデュプレクサ。
【請求項９】
請求項８に記載のデュプレクサにおいて、
前記第１のインピーダンス調整回路は、前記アンテナ端子から前記第１のインピーダンス調整回路のインピーダンスを測定した際のインピーダンス値を、前記送信信号の周波数帯域においては前記アンテナ端子から前記アンテナのインピーダンスを測定した際の第１のインピーダンス値と同等の値とし、前記受信信号の周波数帯域においては前記第１のインピーダンスよりも高い値とする整合回路
であることを特徴とするデュプレクサ。
【請求項１０】
請求項８に記載のデュプレクサにおいて、
前記第２のインピーダンス調整回路は、前記アンテナ端子から前記第２のインピーダンス調整回路のインピーダンスを測定した際のインピーダンス値を、前記受信信号の周波数帯域においては前記アンテナ端子から前記アンテナのインピーダンスを測定した際の第２のインピーダンス値と同等の値とし、前記送信信号の周波数帯域においては前記第２のインピーダンスよりも高い値とする整合回路
であることを特徴とするデュプレクサ。
【請求項１１】
請求項８に記載のデュプレクサにおいて、
前記第１のインピーダンス調整回路は、前記アンテナ端子から前記第１のインピーダンス調整回路のインピーダンスを測定した際のインピーダンス値を、前記受信信号の周波数帯域においてハイインピーダンスとする移相量を有する移相回路
であることを特徴とするデュプレクサ。
【請求項１２】
請求項８に記載のデュプレクサにおいて、
前記第２のインピーダンス調整回路は、前記アンテナ端子から前記第２のインピーダンス調整回路のインピーダンスを測定した際のインピーダンス値を、前記送信信号の周波数帯域においてハイインピーダンスとする移相量を有する移相回路
であることを特徴とするデュプレクサ。
【請求項１３】
請求項８に記載のデュプレクサにおいて、
前記第１の共振器は中空導体を有し、当該中空導体は、伸縮するポスト又は変形する板状素子と、可変インダクティブ素子とを有し、前記ポスト又は変形する板状素子に係る並列共振周波数を前記ポストの伸縮又は前記板状素子の変形により変化させ、前記可変インダクティブ素子に係る直列共振周波数を変化させて前記周波数特性を変化させる
ことを特徴とするデュプレクサ。
【請求項１４】
請求項８に記載のデュプレクサにおいて、
前記第２の共振器は中空導体を有し、当該中空導体は、伸縮するポスト又は変形する板状素子と、可変キャパシタ素子とを有し、前記ポスト又は変形する板状素子に係る並列共振周波数を前記ポストの伸縮又は前記板状素子の変形により変化させ、前記可変キャパシタ素子に係る直列共振周波数を変化させて前記周波数特性を変化させる
ことを特徴とするデュプレクサ。
【請求項１５】
情報を通信する通信装置であって、
前記情報を送受信するアンテナと、
当該アンテナに対して前記情報を授受する請求項８に記載のデュプレクサと、
当該デュプレクサに対して前記情報を授受して処理する送受信回路と
を有することを特徴とする通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振器、デュプレクサ、および、通信装置に係り、特に送信および受信周波数帯域が可変である共振器、デュプレクサ、および、これを用いた通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話に代表されるＷＣＤＭＡ(Wideband Code Division Multiple Access；商標登録)、ＬＴＥ(Long Term Evolution；商標登録)の通信方式を用いた携帯端末では、送信と受信が同時に、かつ異なる周波数帯域で行われているため、送信信号と受信信号を分離するためのフィルタとしてのデュプレクサが必要である。また、社会のグローバル化により世界中のセルラー網と通信できる携帯端末が要求されるため、当該携帯端末は複数の周波数帯域に対応する必要がある。さらに、可搬性を高めるため、携帯端末の小型化が要求されている。これに伴い、構成要素の点数を低減して小型に実装する工夫が必要である。
【０００３】
特許文献１および特許文献２では、信号線路とグラウンド間に接続された並列共振回路を利用した可変周波数フィルタが開示されている。これらのフィルタは、通過帯域において並列共振回路のインピーダンスが大きくなり、通過帯域以外ではインピーダンスが減少する特性を示す。また、非特許文献１では、空洞共振器の原理を用いた可変周波数フィルタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ０５／００８８８３号公報
【特許文献２】特開２００２−９５７３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Substrate integrated evanescent-mode cavity filter with 3.5 to 1 tuning ratio. ;IEEE Transactions on microwave and components letters,vol.20, issue 8, pp.450-452, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、特許文献２、非特許文献１に記載の可変周波数フィルタでは、デュプレクサのように送信帯域と受信帯域が近接した周波数特性を要求される場合には、要求を満たすことが困難であるという問題がある。即ち、送信周波数帯域のみを通過させるフィルタ、または、受信周波数帯域のみの信号を通過させるフィルタならば、前記各文献に記載された方法により必要な周波数応答を有する可変周波数フィルタが実現される。しかし、デュプレクサは周波数帯域が互いに接近した送信信号と受信信号の双方を分離する。このため、周波数特性が可変であることを要求される場合には、前記各文献では必要な周波数応答を有するデュプレクサを実現することは困難である。
一方、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）フィルタを使用したデュプレクサが従来から知られている。しかし、ＳＡＷフィルタでは周波数特性が固定されている。このため、複数の周波数帯域に対応するには、携帯端末は対応する周波数帯域の数だけデュプレクサを内蔵する必要があり、携帯端末が大型化することが問題であった。
これらの問題を解決するために、1つのデュプレクサで複数の周波数帯域に対応することのできる、周波数特性が可変なデュプレクサが望まれていた。
本発明の目的は、送信および受信周波数帯域が可変である共振器、デュプレクサ、および、これを用いた通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決するための手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、情報を送受信するアンテナを有する通信装置における互いに周波数帯域の異なる送信信号と受信信号とを周波数分離するためのデュプレクサであって、前記アンテナに対して前記送信信号と受信信号を授受するためのアンテナ端子と、前記送信信号が供給され、当該送信信号の周波数帯域の信号を低損失で通過させ前記受信信号の周波数帯域の信号を減衰させて出力する、周波数特性が可変である中空導体を有する第１の共振器と、当該第１の共振器が出力した送信信号が供給され、インピーダンスを調整して前記アンテナ端子に出力する第１のインピーダンス調整回路と、前記アンテナ端子から供給された前記受信信号が供給され、インピーダンスを調整して出力する第２のインピーダンス調整回路と、当該第２のインピーダンス調整回路が出力した受信信号が供給され、当該受信信号の周波数帯域の信号を低損失で通過させ前記送信信号の周波数帯域の信号を減衰させて出力する、周波数特性が可変である中空導体を有する第２の共振器とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、送信および受信周波数帯域が可変である共振器、デュプレクサ、および、これを用いた通信装置を提供することができるという効果がある。上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１における可変周波数デュプレクサのブロック図である。
【図２Ａ】実施例１における送信側共振器の構造図である。
【図２Ｂ】実施例１における送信側共振器の断面図である。
【図３Ａ】実施例１における受信側共振器の構造図である。
【図３Ｂ】実施例１における受信側共振器の断面図である。
【図４Ａ】実施例１における送信側整合回路および受信側整合回路の回路図である。
【図４Ｂ】実施例１における送信側整合回路および受信側整合回路の回路図である。
【図５Ａ】実施例２における送信側共振器の構造図である。
【図５Ｂ】実施例２における送信側共振器の断面図である。
【図６Ａ】実施例２における受信側共振器の構造図である。
【図６Ｂ】実施例２における受信側共振器の構造図である。
【図７】実施例３における可変周波数デュプレクサのブロック図である。
【図８】実施例４における可変周波数デュプレクサを通信装置、特に携帯通信端末に応用する場合のブロック図である。
【図９】３ＧＰＰの規格による送受信周波数を示す図である。
【図１０Ａ】バンド４の周波数特性図である。
【図１０Ｂ】バンド７の周波数特性図である。
【図１１】実施例５における可変周波数デュプレクサを通信装置、特に基地局またはフェムトセルに応用する場合のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態では、複数の周波数帯域における周波数の異なる送信および受信信号を分離するため、送信側および受信側に、例えば中空導体による空洞共振器を用いた可変周波数共振器を接続し、各々の共振器において送信および受信の周波数特性を可変とすることを、一つの特徴としている。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本実施例における可変周波数デュプレクサ１のブロック図であり、１は可変周波数デュプレクサ全体、２は送信帯域および受信帯域の周波数特性が可変な送信フィルタ回路、21は送信帯域および受信帯域の周波数特性を可変とする送信側共振器、22は周波数特性を可変とするための整合回路、３は送信帯域および受信帯域の周波数特性が可変な受信フィルタ回路、31は送信帯域および受信帯域の周波数特性を可変とする受信側共振器、32は周波数特性を可変とするための整合回路、４は送信信号端子、41は送信回路、５はアンテナ端子、51はアンテナ、６は受信信号端子、61は受信回路、７はコントローラである。
【００１２】
送信回路41で生成された送信信号は、送信信号端子４より可変周波数デュプレクサ１に入力され、送信側共振器21および整合回路22を通過し、アンテナ端子５に至る。このとき、送信側共振器21は、送信周波数帯域の信号を低損失で通過させ、受信周波数帯域の信号を減衰させる。アンテナ51で受信された受信信号は、アンテナ端子５より可変周波数デュプレクサ１に入力され、整合回路32および受信側共振器31を通過し、受信信号端子６に至る。このとき、受信側共振器31は、受信周波数帯域の信号を低損失で通過させ、送信周波数帯域の信号を減衰させる。
【００１３】
送信側整合回路22は、送信周波数帯域においてアンテナ端子５の特性インピーダンスと同等のインピーダンス、受信周波数帯域において当該インピーダンスよりも高いインピーダンスとなる特性を有する。同様に、受信側整合回路32は、受信周波数帯域においてアンテナ端子５の特性インピーダンスと同等のインピーダンス、送信周波数帯域において当該インピーダンスよりも高いインピーダンスとなる特性を有する。したがって、送信周波数帯域において、送信信号は主に送信信号端子４からアンテナ端子５に至る。また、受信周波数帯域において、受信信号は主にアンテナ端子５から受信信号端子６に至る。これにより、可変周波数デュプレクサ１は、アンテナ51を送信と受信で共用しながら送信信号と受信信号を分離するように機能している。また、送信側整合回路22と受信側整合回路32は、送信信号が受信側共振器31に、或いは、受信信号が送信側共振器21に漏れ込む問題を低減している。なお、送信側整合回路22および受信側整合回路32は、上記と同様に機能する移相回路であってもよい。
【００１４】
図２Ａは、送信および受信帯域の周波数特性が可変な送信側共振器21の構造図である。2101は中空導体のキャビティ、2102は導体で構成された棒状のポスト、2103および2104は入力および出力線路、2105は基板、2106および2107はキャビティ2101と直接接続された基板の表面グラウンド、2108は基板の背面グラウンド、2109は表面グラウンド2107または2106と背面グラウンド2108を接続する可変インダクティブ素子、７はコントローラである。
【００１５】
送信回路41により生成された送信信号は、入力線路2103より入力され、出力線路2104から、整合回路22に至る。送信周波数帯域の信号を低損失で通過させるための特性は、キャビティ2101およびポスト2102が有するインダクタ（以下、送信側ポストインダクタと呼称する）、ポスト2102と表面グラウンド2106および2107の間隙による静電容量（以下、送信側ポスト間容量と呼称する）の並列共振によって生じる。また、受信周波数帯域の信号を減衰させるための特性は、主に、可変インダクティブ素子2109、および、前記ポスト間容量の直列共振によって生じる。
【００１６】
図２Ｂは、送信側共振器21の断面構造を示す。図２Ｂを用いて、送信帯域における周波数特性を可変とする原理を説明する。ポスト2102は伸縮可能な素子であり、その伸縮によって、送信側ポストインダクタ値Lpが変化し、同時に、ポスト2102と表面グラウンド2106および2107の間隙が変化することにより送信側ポスト間容量値Cpが変化する。このときの並列共振周波数fthrは、下記の数式１によって求まることが数学的にすでにわかっている。
【００１７】
【数１】
2014003460.tif 000003
【００１８】
ここで、Lpは送信側ポストインダクタ値、Cpは送信側ポスト間容量の静電容量値である。
【００１９】
伸縮可能なポスト2102の候補として、ピエゾアクチュエータがある。ピエゾアクチュエータは、コントローラ７から制御電圧を印加され、逆圧電効果によって伸縮するデバイスである。したがって、制御電圧によって、送信側ポストインダクタおよびポスト間容量が変化するので、送信側共振器21は共振周波数を変化することができ、可変周波数共振器として動作する。
また、並列共振周波数fthrを低い周波数帯域に拡張するためには、数式１より、送信側ポスト間容量値Cp、または、送信側ポストインダクタンス値Lpを増加させる手法がある。送信側ポスト間容量値Cpは、下記の数式２によって導出される。
【００２０】
【数２】
2014003460.tif 000004
【００２１】
ここで、ε0は真空の誘電率、εrはポスト2102と表面グラウンド2106および2107の間隙にある媒質の比誘電率、Sはポスト2102と表面グラウンド2106および2107が対向する間隙の面積、dはポスト2102と表面グラウンド2106および2107が対向する間隙の距離である。数式２から、送信側ポスト間容量値Cpを増加させる手法として、ポスト2102の直径を拡大しSを増加する、ポスト2102の下端に導体板を追加しSを増加する、ポスト2102と表面グラウンド2106または2107の間隙に誘電体を挿入しεrを増加するなどの手法がある。また、送信側ポストインダクタンス値Lpを増加させる手法として、キャビティ2101の形状を変化させる、ポスト2102の形状を変化させる、キャビティ内に磁性体を挿入するなどの手法がある。
【００２２】
送信側共振器21の受信帯域における周波数特性を可変とする原理を説明する。前記送信側ポスト間容量、および可変なインダクタンス値を有する可変インダクティブ素子2109の直列共振により、送信側共振器21は共振周波数では低いインピーダンスとなり、受信周波数の信号を減衰させる。このときの直列共振周波数frejは、下記の数式３によって求まることが数学的にすでにわかっている。
【００２３】
【数３】
2014003460.tif 000005
【００２４】
ここで、Lsは可変インダクティブ素子2019のインダクタ値、Cpはポスト間容量の静電容量値である。
【００２５】
一例として可変インダクティブ素子は、チップインダクタとそれに並列に接続された可変容量によって構成される。一般に、インダクタンスとキャパシタンスの並列接続のインピーダンスは、下記の数式４で表される。
【００２６】
【数４】
2014003460.tif 000006
【００２７】
ここで、Lsはチップインダクタのインダクタンス値、Csは可変容量の静電容量値である。数式４から、チップインダクタと可変容量の合成インピーダンスZはω2LsCs<1のとき、インダクティブに動作することが分かる。したがって、可変容量であるCsを用いて、可変インダクタンスを構成することができ、受信周波数の変化に対して、可変容量によって周波数特性を変化できる。本構成では、チップインダクタおよび可変容量素子により可変インダクタを実現しているが、この他の可変インダクタの構成として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等による可変インダクタを使用する方法、固定インダクタンスに直列に可変容量を接続する方法、固定インダクタンスをスイッチで切り替える方法、インダクティブな配線をスイッチで切り替える方法などがある。
【００２８】
図３Ａは、送信および受信帯域の周波数特性が可変な受信側共振器31の構造図である。3101は中空導体のキャビティ、3102は導体で構成された棒状のポスト、3103は入力および出力線路、3105は基板、3106および3107はキャビティと直接接続された基板の表面グラウンド、3108は基板の背面グラウンド、3109は表面グラウンド3107または3106と背面グラウンド3108を接続する可変容量素子、７はコントローラである。
アンテナ51により受信された信号は、整合回路32を介し、入力線路3103より入力され、受信回路61に至る。受信周波数帯域の信号を低損失で通過させるための特性は、キャビティ3101およびポスト3102が有するインダクタ（以下、受信側ポストインダクタと呼称する）、ポスト3102と表面グラウンド3106および3107の間隙による静電容量（以下、受信側ポスト間容量と呼称する）の並列共振によって生じる。また、送信周波数帯域の信号を減衰させるための特性は、主に、可変容量素子3109、および、受信側ポストインダクタの直列共振によって生じる。
【００２９】
図３Ｂは、受信側共振器31の断面構造を示す。受信帯域における周波数特性を可変とする原理は、送信側共振器21における送信帯域における周波数特性を可変とする原理と同様のため、説明を割愛する。送信周波数帯域の信号に対して、受信側共振器31は、受信側ポストインダクタおよび可変容量3109の直列共振により、共振周波数では低インピーダンス状態となり信号を減衰させる。可変容量3109の静電容量を変化することにより直列共振周波数を変化できるため、送信周波数の変化に対応することができる。
【００３０】
図４Ａと図４Ｂは、整合回路22および32の回路図の一例である。図４Ａの送信側整合回路22において、2201、2202および2203は可変容量、2204はインダクタ、2205はアンテナ端子５に接続される端子、2206は送信側共振器21に接続される端子である。可変容量2201,2202および2203は、コントローラ7によって制御される。図４Ｂの受信側整合回路32において、3201、3202および3203は可変容量、3204はインダクタ、3205はアンテナ端子５に接続される端子、3206は受信側共振器31に接続される端子である。可変容量3201,3202および3203は、コントローラ7によって制御される。
【００３１】
送信と受信では周波数帯域が異なるが、同様な動作をする回路であるため、送信側の整合回路の動作を説明し、受信側の整合回路の説明は割愛する。整合回路22は、送信周波数帯域の信号を低損失で通過させるため、送信周波数帯域においてアンテナ端子5の特性インピーダンスを有し、受信周波数帯域の信号が漏れこむことを防ぐため、受信周波数帯域において当該特性インピーダンスよりも高いインピーダンス特性が必要となる。送信側共振器21は、送信周波数帯域において送信信号端子の特性インピーダンスとなり、また受信周波数帯域において当該特性インピーダンスよりも低いインピーダンス特性となっているため、整合回路22ではこれらのインピーダンスを変換する必要があり、また、送信および受信に使用する周波数は変化するため、この周波数変化にも対応する必要がある。
【００３２】
一般的な固定インダクタおよび固定キャパシタを用いた整合回路は、適切に動作するために、周波数に対応したインダクタおよびキャパシタを選定する必要がある。このため、周波数が変化した場合、インピーダンス変換による整合は補償されない。一方、本構成の整合回路は、可変容量2201、2202および2203を用いてキャパシタンスを周波数に対応して制御することで、所望のインピーダンス変換が実行される。なお、本実施例における整合回路22および整合回路32は、構成が限定されるものではない。
【００３３】
送信側共振器21、受信側共振器31、整合回路22および整合回路32の制御は、各バンドに対応した制御情報を保有しているコントローラ7が実行する。使用するバンドに対応する送信周波数および受信周波数は決まっており、予めこれらの周波数に対応する特性が得られる制御信号をコントローラ７に記憶しておく。バンドを切り換えるには、コントローラ７より新たに制御信号を出力し、送信側共振器21、受信側共振器31、整合回路22および整合回路32の周波数特性はその制御信号に対応した特性に切り替わる。
【００３４】
以上説明した本実施例によれば、送信側および受信側に各々、中空導体の共振器を用いた可変周波数共振器21と31を備えており、信号を通過させる周波数帯域と信号を抑圧する周波数帯域を個別に制御することが可能である。さらに、前記可変周波数共振器21と31を周波数特性が可変な整合回路21と32を介して接続している。これらにより、複数の周波数帯域に対応した周波数特性の可変なデュプレクサが１つで実現され、送信周波数と受信周波数が異なる通信装置に対応できる。整合回路によるインピーダンス変換は、アンテナ端子、送信回路および受信回路のインピーダンスが異なる場合でも、これらを所望のインピーダンスに整合させることが可能である。また、伸縮するポストはキャビティ内部に配置されているため、外部からの力学的影響に対して耐性があるという特徴もある。
【実施例２】
【００３５】
図５Ａは、本実施例における送信および受信帯域の周波数特性が可変な送信側共振器21の構造図である。2801は中空導体のキャビティ、2802は導体で構成された棒状のポスト、2803および2804は入力および出力線路、2805は基板、2806および2807はキャビティと直接接続された基板の表面グラウンド、2808は基板の背面グラウンド、2809は表面グラウンド2807または2806と背面グラウンド2808を接続する可変インダクティブ素子、2810は制御信号により変形する板状素子、７はコントローラである。
【００３６】
図５Ｂは、本実施例における送信側共振器21の断面構造を示す。図５Ｂを用いて、送信帯域における周波数特性を可変とする原理を説明する。板状素子2810は変形する素子であり、その変形によってポスト2802を駆動し、ポスト2802と表面グラウンド2106および2107の間隙が変化することで、送信側ポスト間容量値Cp2が変化する。このときの並列共振周波数fthr2は、下記の数式５によって求まることが数学的にすでにわかっている。
【００３７】
【数５】
2014003460.tif 000007
【００３８】
ここで、Lp2は送信側ポストインダクタ値、Cp2は送信側ポスト間容量の静電容量値である。
【００３９】
変形する板状素子の候補として、ピエゾ膜がある。ピエゾ膜は、制御回路から制御電圧を印加された際の逆圧電効果によって変形するデバイスである。したがって、制御電圧によって、ポスト間容量が変化し、送信側共振器は共振周波数を変化でき、可変周波数共振器として動作する。
並列共振周波数fthr2を低周波数に拡張するためには、数式２の原理による手法を用いる。また、受信帯域における周波数特性に関しては、送信側ポスト間容量およびインダクタンス値を変化できる可変インダクティブ素子3809の直列共振により、共振周波数では低いインピーダンス状態となり、送信側共振器は受信周波数の信号を減衰させる。これらの詳細は、実施例1と同様であるため、説明を割愛する。
【００４０】
図６Ａは、本実施例における送信および受信の周波数特性を変化できる受信側共振器31の構造図である。3801は中空導体のキャビティ、3802は導体で構成された棒状のポスト、3803は入力および出力線路、3805は基板、3806および3807はキャビティと直接接続された基板の表面グラウンド、3808は基板の背面グラウンド、3809は表面グラウンド3807または3806と背面グラウンド3808を接続する可変容量素子、７はコントローラである。
【００４１】
図６Ｂは、本実施例における受信側共振器31の断面構造を示す。受信側共振器31は、送信周波数の信号に対して、受信側ポストインダクタおよび可変容量3809の直列共振により、共振周波数では低インピーダンス状態となり信号を減衰させる。受信帯域における周波数特性を可変とする原理は、上記本実施例２における送信側共振器における送信周波数帯域を可変とする原理と同様のため、説明を割愛する。
以上説明した本実施例によれば、信号を通過させる周波数帯域と信号を抑圧する周波数帯域を個別に制御することが可能であり、送信周波数および受信周波数の異なる周波数帯域に対応できる。変形する板状素子は比較的低電圧で駆動でき、制御回路に特殊な電源回路を設けずに構成できるという特徴もある。
【実施例３】
【００４２】
図７は、本実施例における可変周波数デュプレクサ１のブロック図であり、１は可変周波数デュプレクサ全体、２は送信帯域および受信帯域の周波数特性を変化できる送信フィルタ回路、21は送信帯域および受信帯域の周波数特性を変化できる送信側共振器、23は移相量を変化できる移相回路、３は送信帯域および受信帯域の周波数特性を変化できる受信フィルタ回路、31は送信帯域および受信帯域の周波数特性を変化できる受信側共振器、33は移相量を変化できる移相回路、４は送信信号端子、41は送信回路、５はアンテナ端子、51はアンテナ、６は受信信号端子、61は受信回路、７はコントローラである。
送信側共振器21、受信側共振器31の構造および動作は、実施例1または実施例２と同様であるため、説明を割愛する。
【００４３】
実施例１または実施例２と異なる点は、整合回路22および32に代わって移相量を変化できる移相回路23および33を備えたことである。また、送信と受信では周波数帯域が異なるが、同様の動作をする回路であるため、送信側の移相回路23のみ動作を説明する。移相回路23は、送信周波数帯域の信号を低損失で通過させ、しかも受信周波数帯域の信号が漏れこむことを防ぐため、受信周波数帯域において高いインピーダンス特性が必要となる。送信側共振器21は、送信周波数帯域において送信信号端子４の特性インピーダンスとなり、また受信周波数帯域において低いインピーダンス特性となっている。移相回路23は、位相を回転させ、受信周波数帯域のインピーダンスを低いインピーダンスから高いインピーダンスに変換する。この時、移相回路23は送信周波数帯域では低損失であって、そのインピーダンスはスミスチャート上のほぼ中心にあり、位相回転の影響は小さい。
【００４４】
周波数帯域の変化に対する、送信側共振器21、送信側共振器31、移相回路23および移相回路33の制御は、各バンドに対応した制御情報を保有しているコントローラ７が実行する。使用するバンドに対応する送信周波数および受信周波数は決まっており、予めこれらの周波数に対応する特性が得られる制御信号をコントローラ７に記憶しておく。バンドを切り換えるには、コントローラ７より新たに制御信号を出力し、送信側共振器21、受信側共振器31、移相回路23および移相回路33の周波数特性は、その制御信号に対応する特性に切り替わる。
以上説明した本実施例によれば、移相回路によるインピーダンス調整は、実施例１および実施例２で示した整合回路22および32を用いる方法よりも制御対象となる素子が少数であるため、制御の簡易化に有効であるという特徴がある。
【実施例４】
【００４５】
図８は、本実施例における可変周波数デュプレクサ１を用いた通信装置であり、特に携帯通信端末に応用する場合の一例のブロック図である。1は可変周波数デュプレクサ全体、２は送信帯域および受信帯域の周波数特性を変化できる送信フィルタ回路、３は送信帯域および受信帯域の周波数特性を変化できる受信フィルタ回路、４は送信信号端子、42は可変周波数バンドパスフィルタ、43は送信信号入力端子、44はＰＡ(Power Amplifier)、５はアンテナ端子、51はアンテナ、６は受信信号端子、62は可変周波数バンドパスフィルタ、63は受信信号出力端子、64はＬＮＡ(Low Noise Amplifier)、７はコントローラ、８はＲＦ−ＩＣ(Radio Frequency Integrated Circuit)、９はＢＢ回路(Base Band回路)、91は入力回路、92は出力回路である。
【００４６】
携帯電話に応用する場合、送信信号は、ＢＢ回路９から、ＲＦ−ＩＣ８、ＰＡ44、バンドパスフィルタ42、送信フィルタ回路２を介して、アンテナ51に至る。また、受信信号は、アンテナ51で受信され、受信フィルタ回路３、バンドパスフィルタ62、ＬＮＡ64、ＲＦ−ＩＣ８を介してＢＢ回路９に至る。通信装置の操作者は、入力回路91より情報を入力し、出力回路92より情報を得る。なお、デュプレクサ1の動作および原理は、実施例1〜３と同様であるため、説明を割愛する。
【００４７】
上記実施例１〜３と異なる点は、３ＧＰＰ(Third Generation Partnership Project；商標登録)等の規格を満足するために、本発明の可変周波数デュプレクサ1に加え、帯域外信号を抑圧するためのバンドパスフィルタ42または62を追加する点である。また、周波数バンドを制御するには、ＲＦ−ＩＣ８またはＢＢ回路９よりＳＰＩ(Serial Peripheral Interface)またはＭＩＰＩ(Mobile Industry Processor Interface；商標登録)等のデジタル信号がコントローラ７に入力され、コントローラ７は、そのデジタル信号に対応した制御信号を出力する。したがって、コントローラ７は、入力されたデジタル信号により、送信フィルタ回路２、受信フィルタ回路３、バンドパスフィルタ42および62を制御し、周波数バンドに対応した送信帯域および受信帯域となるよう周波数特性を調整する。
【００４８】
図９は、３ＧＰＰの規格による送受信周波数を示す図である。３ＧＰＰの規格では多数のバンドが定義されているが、図９ではこのうちバンド１から14までの端末側の送信周波数と受信周波数を示している。
図１０Ａは、本実施例における３ＧＰＰのバンド４の特性例を示す。
図１０Ｂは、本実施例における３ＧＰＰのバンド７の特性例を示す。
2001および3001は各々バンド４およびバンド７における送信信号入力端子43からアンテナ端子５までの間の送信フィルタ回路２およびバンドパスフィルタ42の通過損失の周波数特性、2002および3002は各々バンド４およびバンド７におけるアンテナ端子５から受信信号出力端子63までの間の受信フィルタ回路３およびバンドパスフィルタ63の通過損失の周波数特性である。
【００４９】
バンド４における帯域幅20MHzのチャネルにおいて、送信周波数帯域2011(1710MHzから1730MHz)における送信フィルタ特性2001は約2.3dBの通過損失、受信フィルタ特性2002は65dB以上の減衰量となる。受信周波数帯域2012(2110MHzから2130MHz)における送信フィルタ特性2001は61dB以上の減衰量、受信フィルタ特性2002は約2.5dBの通過損失となる。また、バンド７における帯域幅20MHzのチャネルにおいて、送信周波数帯域3011(2500MHzから2520MHz)における送信フィルタ特性3001は約2.8dBの通過損失、受信フィルタ特性3002は51dB以上の減衰量となる。受信周波数帯域3012(2620MHzから2640MHz)における送信フィルタ特性3001は48dB以上の減衰量、受信フィルタ特性3002は約3.2dBの通過損失となる。
【００５０】
上記本実施例は一例であり、可変周波数デュプレクサ1を適宜制御することによりバンド４やバンド７以外のバンドにも対応可能であり、ＷＣＤＭＡやＬＴＥ等の通信システムを利用する通信端末に使用することが可能である。また、ここでは周波数特性の例を示さなかったが、バンド13のように、送信周波数帯域が高周波側で、受信周波数帯域が低周波側の場合、図８における送信フィルタ回路２と受信フィルタ回路３を交換した構成により対応可能である。本構成以外であっても可変周波数デュプレクサ１を使用することにより、バンド４やバンド７以外のバンドにも対応可能である。
先に説明したように、従来は周波数帯域に応じて複数のデュプレクサを搭載する必要があったが、以上説明した本実施例によれば、一つの可変周波数デュプレクサに置換することができ、回路を実装する面積を縮小し部品点数を削減する効果がある。
【実施例５】
【００５１】
図１１は、本実施例における可変周波数デュプレクサ１を用いた通信装置であり、特に基地局またはフェムトセルに応用する場合の一例のブロック図である。1は可変周波数デュプレクサ全体、２は送信帯域および受信帯域の周波数特性を変化できる送信フィルタ回路、３は送信帯域および受信帯域の周波数特性を変化できる受信フィルタ回路、４は送信信号端子、42は可変周波数バンドパスフィルタ、44はＰＡ、５はアンテナ端子、51はアンテナ、６は受信信号端子、62は可変周波数バンドパスフィルタ、64はＬＮＡ、７はコントローラ、８はＲＦ−ＩＣ、９はＢＢ回路、93はネットワーク接続端子である。
【００５２】
可変周波数デュプレクサ１を基地局に応用する場合、実施例４の携帯通信端末に応用する場合と異なり、送信周波数と受信周波数の関係が逆転することに注意する必要がある。したがって、基地局の送信信号は、ＢＢ回路９から、ＲＦ−ＩＣ８、ＰＡ44、バンドパスフィルタ42、受信フィルタ３を介して、アンテナ51に至る。また、受信信号は、アンテナ51で受信され、送信フィルタ２、バンドパスフィルタ62、ＬＮＡ64、ＲＦ−ＩＣ８を介してＢＢ回路９に至る。なお、ここで言う受信フィルタ３とは、例えば図１の可変周波数デュプレクサ１における受信フィルタ３と同等の周波数を有するフィルタの意味であり、基地局では送信信号を低損失で通過させるフィルタとして機能する。また、ここで言う送信フィルタ２とは、例えば図１の可変周波数デュプレクサ１における送信フィルタ２と同等の周波数を有するフィルタの意味であり、基地局では受信信号を低損失で通過させるフィルタとして機能する。
ここで、ネットワーク端子93を通して、基地局はネットワークと接続される。このとき、デュプレクサ1の動作および原理は、上記実施例1〜実施例４と同様であるため、説明を割愛する。また、バンド13のように、送信周波数が低周波側で、受信周波数が高周波側の場合、図１１における送信フィルタ回路２と受信フィルタ回路３を交換した構成により基地局は対応することができる。
【００５３】
先に説明したように、従来は周波数帯域に応じて複数のデュプレクサを搭載する必要があったが、以上説明した本実施例によれば、一つの可変周波数デュプレクサに置換することができる。また、これまで例をあげて説明していないが、複数の送受信回路を搭載する基地局がある。この基地局における個々の送受信回路は、実際には複数の周波数帯域で共用できることが多い。この基地局に本実施例を適用すれば、周波数帯域に応じて複数のデュプレクサを搭載する必要がないので、全ての周波数帯域ごとに送受信回路を搭載する必要がなくなり、送受信回路を削減することができるという効果がある。
ここまで示した実施形態は一例であって本発明を限定するものではない。本発明の趣旨に基づきながら異なる実施形態を考えられるが、いずれも本発明の範疇にある。
【符号の説明】
【００５４】
１：可変周波数デュプレクサ、２：送信フィルタ回路、21：送信側共振器、22：送信側整合回路、23：送信側移相回路、３：受信フィルタ回路、31：受信側共振器、32：受信側整合回路、33：受信側移相回路、４：送信信号端子、41：送信回路、42,62：バンドパスフィルタ、43：送信信号入力端子、44：PA、５：アンテナ端子、51：アンテナ、６：受信信号端子、61：受信回路、63：受信信号出力端子、64：LNA、７：コントローラ、８：ＲＦ−ＩＣ、９：BB回路、91：入力回路、92：出力回路、93：ネットワーク接続端子、2101, 2801，3101，3801：キャビティ、2102, 2802, 3102, 2802：ポスト、2103, 2803, 3103, 2803：入力線路、2104, 2804：出力線路、2105, 2805, 3105, 2805：基板、2106, 2107, 2806, 2807, 3106, 3107, 3806, 3807：表面グラウンド、2108, 2808, 3108, 3808：背面グラウンド、2109, 2809：可変インダクティブ素子、3109, 3809：可変容量素子、2810, 3810：板状素子、2201, 2202, 2203, 3201, 3202, 3203：可変容量、2204, 3204：インダクタ、2205, 3205：アンテナ端子に接続される端子、2206：送信側共振器に接続される端子、3206：受信側共振器に接続される端子。
【図１】
2014003460.tif 000008
【図２Ａ】
2014003460.tif 000009
【図２Ｂ】
2014003460.tif 000010
【図３Ａ】
2014003460.tif 000011
【図３Ｂ】
2014003460.tif 000012
【図４Ａ】
2014003460.tif 000013
【図４Ｂ】
2014003460.tif 000014
【図５Ａ】
2014003460.tif 000015
【図５Ｂ】
2014003460.tif 000016
【図６Ａ】
2014003460.tif 000017
【図６Ｂ】
2014003460.tif 000018
【図７】
2014003460.tif 000019
【図８】
2014003460.tif 000020
【図９】
2014003460.tif 000021
【図１０Ａ】
2014003460.tif 000022
【図１０Ｂ】
2014003460.tif 000023
【図１１】
2014003460.tif 000024