(57)【要約】インピーダンス整合回路(140)は、整合回路の出力ノード(215)と並列で結合された、キャパシタンスCを有する容量性素子(C1、220)と、入力ノードと出力ノードの間で伝送線路(T1、230)と直列で結合されたインダクタ(L1、225)とを含む。伝送線路は、インダクタとの組合せで、当該の周波数で伝送回路(150)の入力インピーダンスに実質的に等しいインダクタンスをもたらす長さを有する。一実施形態では、インダクタが増幅器(180)の出力(195)に接続され、伝送線路が、インダクタに、また出力(215)に接続される。容量性素子は、インダクタと容量性素子の間の伝送線路の長さにより所望のインダクタンスがもたらされるように、伝送線路に接続される。
2005521275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を増幅回路から受け取るように適合された入力ノードと、
出力信号を伝送回路に結合するように適合された出力ノードと、
前記出力ノードと並列で電気的に結合された、キャパシタンスCを有する第1の容量性素子と、
前記入力ノードと前記出力ノードの間で、それらと直列で電気的に結合されたインダクタおよび伝送線路であって、前記伝送線路が、前記インダクタとの組合せで、所定の量のインダクタンスLをもたらすように選択された長さを有するインダクタおよび伝送線路とを備え、
LおよびCの値により、第1の周波数で前記伝送回路の入力インピーダンスに実質的に等しいインダクタンスがもたらされるインピーダンス整合回路。
【請求項２】
前記インダクタが、前記増幅回路によって出力された前記入力信号を受け取る前記入力ノードに電気的に接続された第1の端部と、前記伝送線路に電気的に接続された第2の端部とを有し、前記伝送線路は、前記インダクタの前記第2の端部に電気的に接続された第1の端部と、前記インピーダンス整合回路の前記出力ノードに電気的に接続された第2の端部とを有し、前記インダクタの前記第2の端部とコンデンサの間の前記伝送線路の長さにより、前記インダクタとの組合せで、所定の量のインダクタンスがもたらされるように、コンデンサが前記伝送線路に電気的に接続される、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記伝送線路が、プリント回路板上のグランドプレーンの上の導体を含み、前記容量性素子がPCB上に取り付けられる、請求項2に記載の装置。
【請求項４】
前記伝送線路が、共平面接地導波路を含む、請求項3に記載の装置。
【請求項５】
前記容量性素子が、前記伝送線路に電気的に接続された、また前記伝送線路から実質的に垂直に突出する短絡型導波路を含む、請求項4に記載の装置。
【請求項６】
前記伝送線路に電気的に接続された、また前記第1の容量性素子と並列な第2の容量性素子と、前記第2の容量性素子を接地に電気的に結合するための第1のスイッチとをさらに備え、前記第2の容量性素子は、前記インダクタの前記第2の端部と前記第2の容量性素子との間の前記伝送線路の長さが、前記インダクタとの組合せで、第2の所定の量のインダクタンスL'をもたらすように選択されるように前記伝送線路に電気的に結合され、その結果、L'とCが、第2の周波数で前記伝送回路の前記入力インピーダンスに等しいインピーダンスをもたらすように選択される、請求項2に記載の装置。
【請求項７】
前記第1の容量性素子を前記インピーダンス整合回路から除去するように、前記第1の容量性素子を接地から電気的に切り離すための第2のスイッチをさらに備える、請求項6に記載の装置。
【請求項８】
前記スイッチは、前記第1および第2の容量性素子を交互に前記インピーダンス整合回路から除去するように、前記第1および第2の容量性素子を交互に電気的に切り離すことが可能な単極双投スイッチである、請求項6に記載の装置。
【請求項９】
増幅回路の出力インピーダンスを伝送回路の入力インピーダンスに整合する方法であって、
前記増幅回路の出力と前記伝送回路の入力との間で、それらと直列に結合された、インダクタと、前記インダクタとの組合せで所定の量のインダクタンスLをもたらすように選択された長さを有する伝送線路との直列の組合せを設けるステップと、
キャパシタンスCを有する第1の容量性素子を、前記増幅回路の前記出力に、それと並列で電気的に結合し、その結果、LおよびCにより、第1の周波数で前記伝送回路の入力インピーダンスに実質的に等しいインピーダンスをもたらすステップとを含む方法。
【請求項１０】
前記インダクタが、前記増幅回路の出力に接続された第1の端部と、前記伝送線路に接続された第2の端部とを有し、前記伝送線路が、前記インダクタの前記第2の端部に接続された第1の端部と、前記インピーダンス整合回路の前記出力に接続された第2の端部とを有し、前記第1の容量性素子を、前記増幅回路の前記出力に、それと並列で電気的に結合する前記ステップは、前記インダクタの前記第2の端部と前記第1の容量性素子との間の前記伝送線路の長さが、前記インダクタとの組合せで、所定の量のインダクタンスをもたらすように選択されるように、前記第1の容量性素子を前記伝送線路に電気的に接続するステップを含む、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記伝送線路が、プリント回路板上のグランドプレーンの上の導体を含み、前記第1の容量性素子を、前記増幅回路の前記出力に、それと並列で電気的に結合する前記ステップは、前記第1の容量性素子の第1の端部が前記伝送線路の前記導体に電気的に接続され、前記第1の容量性素子の第2の端部が前記グランドプレーンに電気的に接続されるように、前記第1の容量性素子を前記プリント回路板上に取り付けるステップを含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記インダクタの前記第2の端部と前記第2の容量性素子との間の前記伝送線路の長さが、前記インダクタとの組合せで、第2の所定の量のインダクタンスL'をもたらすように選択されるように、第2の容量性素子を前記伝送線路に、前記第1の容量性素子と並列で電気的に接続するステップと、
前記第2の容量性素子を、スイッチを介して前記グランドプレーンに電気的に結合するステップとをさらに含み、
前記インダクタンスL'および前記キャパシタンスCが、第2の周波数で前記伝送回路の前記入力インピーダンスに実質的に等しいインピーダンスをもたらす、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
前記スイッチは、前記第1および第2の容量性素子を前記グランドプレーンから交互に電気的に切り離すことが可能な単極双投スイッチを含み、前記第2の容量性素子を前記グランドプレーンに電気的に結合するステップは、前記第1の容量性素子を前記グランドプレーンから電気的に切り離すステップを含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
無線通信システム内で使用するためのトランシーバにおいて、
トランシーバによって送信される信号を増幅するための増幅回路と、
アンテナを含む、トランシーバによって送信される信号を送信するための伝送回路と、
前記増幅回路の出力と前記伝送回路の入力との間で、それらと直列に電気的に結合されたインピーダンス整合回路とを備えるトランシーバであって、前記インピーダンス整合回路が、
前記増幅回路の前記出力に、それと並列で電気的に結合された、キャパシタンスCを有する第1の容量性素子と、
前記伝送回路の入力と前記増幅回路の出力との間で、それらと直列に電気的に結合された、インダクタと伝送線路の直列の組合せであって、前記伝送線路は、前記インダクタとの組合せで、所定の量のインダクタンスLをもたらすように選択された長さを有する組合せとを備え、
LおよびCが、第1の周波数で前記伝送回路の前記入力インピーダンスに等しいインピーダンスをもたらすように選択されるトランシーバ。
【請求項１５】
前記インダクタが、前記増幅回路の出力に電気的に接続された第1の端部と、前記伝送線路に電気的に接続された第2の端部とを有し、前記伝送線路が、前記インダクタの前記第2の端部に接続された第1の端部と、前記インピーダンス整合回路の前記出力に接続された第2の端部とを有し、前記インダクタの前記第2の端部と前記第1の容量性素子との間の前記伝送線路の長さが、前記インダクタとの組合せで、所定の量のインダクタンスをもたらすように選択されるように、前記第1の容量性素子が前記伝送線路に電気的に接続されることを含む、請求項14に記載の装置。
【請求項１６】
前記伝送線路が、プリント回路板上のグランドプレーンの上の導体を含み、前記容量性素子が前記プリント回路板上に取り付けられる、請求項15に記載の装置。
【請求項１７】
前記伝送線路が、共平面接地導波路を含む、請求項16に記載の装置。
【請求項１８】
前記第1の容量性素子が、前記伝送線路に電気的に接続された、また前記伝送線路から突出する短絡型導波路を含む、請求項17に記載の装置。
【請求項１９】
前記伝送線路に電気的に接続された、また前記第1の容量性素子と並列な第2の容量性素子と、前記第2の容量性素子を接地に電気的に結合するためのスイッチとをさらに備え、前記第2の容量性素子は、前記インダクタの前記第2の端部と前記第2の容量性素子との間の前記伝送線路の長さが、前記インダクタとの組合せで、第2の所定の量のインダクタンスL'をもたらすように選択されるように前記伝送線路に電気的に結合され、その結果、L'とCが、第2の周波数で前記伝送回路の前記入力インピーダンスに等しいインピーダンスをもたらすように選択される、請求項15に記載の装置。
【請求項２０】
前記スイッチは、前記第1および第2の容量性素子を交互に前記インピーダンス整合回路から除去するように、前記第1および第2の容量性素子を交互に電気的に切り離すための単極双投スイッチである、請求項19に記載の装置。
【請求項２１】
入力信号を増幅回路から受け取るための入力ノードと、
出力信号を伝送回路に結合するための出力ノードと、
前記出力ノードと並列で電気的に結合された、キャパシタンスCを有する容量性素子と、
前記入力ノードと前記出力ノードの間で、それらと直列で電気的に結合されたインダクタおよび伝送線路であって、前記伝送線路が、前記インダクタとの組合せで、所定の量のインダクタンスLをもたらすように選択された長さを有し、LおよびCの値が、ある周波数で前記伝送回路の入力インピーダンスに実質的に等しいインピーダンスをもたらすように選択される、インダクタおよび伝送線路とを備え、
前記インダクタが、前記入力ノードに電気的に接続された第1の端部と、前記伝送線路に電気的に接続された第2の端部とを有し、前記伝送線路は、前記インダクタの前記第2の端部に電気的に接続された第1の端部と、前記インピーダンス整合回路の前記出力ノードに電気的に接続された第2の端部とを有し、前記インダクタの前記第2の端部と前記容量性素子の間の前記伝送線路の長さが、前記インダクタとの組合せで、所定の量のインダクタンスをもたらすように選択されるように、前記容量性素子が前記伝送線路に電気的に接続され、
前記伝送線路が、共平面接地導波路の形態で、プリント回路板上のグランドプレーンの上の導体を含み、前記容量性素子が前記プリント回路板上に取り付けられ、前記容量性素子が、前記伝送線路に電気的に接続された短絡型導波路を含むインピーダンス整合回路。
【請求項２２】
増幅回路の出力インピーダンスを伝送回路の入力インピーダンスに整合する方法であって、
前記増幅回路の出力と前記伝送回路の入力との間で、それらと直列に結合された、インダクタと、前記インダクタとの組合せで所定の量のインダクタンスLをもたらすように選択された長さを有し、かつプリント回路板上のグランドプレーンの上の導体を含む伝送線路との直列の組合せを設けるステップと、
キャパシタンスCを有する第1の容量性素子を、前記増幅回路の前記出力に、それと並列で電気的に結合し、その結果、LおよびCにより、ある周波数で前記伝送回路の入力インピーダンスに実質的に等しいインピーダンスがもたらされるステップと、
前記インダクタが、前記増幅回路の出力に接続された第1の端部と、前記伝送線路に接続された第2の端部とを有し、前記伝送線路が、前記インダクタの前記第2の端部に接続された第1の端部と、前記インピーダンス整合回路に接続された第2の端部とを有し、前記インダクタの前記第2の端部と前記第1の容量性素子との間の前記伝送線路の長さが、前記インダクタとの組合せで、所定の量のインダクタンスをもたらすように選択されるように、前記第1の容量性素子を前記伝送線路に電気的に接続するステップと、
前記第1の容量性素子を前記プリント回路板上に取り付け、その結果、前記容量性素子の第1の端部が前記伝送線路の前記導体に電気的に接続され、前記第1の容量性素子の第2の端部が前記グランドプレーンに電気的に接続されるステップと、
前記インダクタの前記第2の端部と前記第2の容量性素子との間の前記伝送線路の長さが、前記インダクタとの組合せで、第2の所定の量のインダクタンスL'をもたらすように選択されるように、第2の容量性素子を前記伝送線路に、前記第1の容量性素子と並列で電気的に接続し、L'とCが、第2の周波数で前記伝送回路の前記入力インピーダンスに実質的に等しいインピーダンスをもたらすステップと、
前記第1および第2の容量性素子を前記グランドプレーンから交互に電気的に切り離すことが可能な単極双投スイッチを介し、前記第2の容量性素子を前記グランドプレーンに電気的に結合し、前記第1の容量性素子を前記グランドプレーンから電気的に切り離すステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、増幅器に対するインピーダンス整合に関し、より詳細には、無線通信システム内の増幅回路の出力インピーダンスを伝送回路の入力インピーダンスに整合するためのインピーダンス整合回路および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システムは、一般に、受信された、または変調された信号が順次通過する一連の増幅回路段を含む。増幅段の出力は、通常、インピーダンス整合回路を介して負荷に結合される。
【０００３】
インピーダンス整合回路は、増幅段の出力インピーダンスを負荷のインピーダンスに整合するのを助ける。理想的なインピーダンス整合は、ソースから負荷への最大の電力転送を可能にする。たとえば、無線通信システムでは、一般に、最終増幅回路または電力増幅器からアンテナに送達される電力を最大にすることが望ましい。所与の周波数について、アンテナの入力インピーダンスが電力増幅器の出力インピーダンスの共役複素数に等しいとき、電力増幅器からアンテナに最大電力が転送される。これらの条件が満たされたとき、電力は50%効率で送達される。すなわち、電力増幅器の内部インピーダンス内で放散されるのと同量の電力がアンテナに転送される。
【０００４】
一般に、電力増幅器の出力インピーダンスは、最大電力転送に必要とされるものにならない。たとえば、無線通信システムのハンドセット内で使用される典型的な電力増幅器は、約3オームの内部インピーダンスを有する可能性があり、一方、同じハンドセット内で使用されるアンテナは、約50オームの内部インピーダンスを有する。典型的には、コンデンサ（capacitor）およびインダクタを含む整合ネットワークが電力増幅器とアンテナの間に挿入され、電力増幅器出力インピーダンスがアンテナの入力インピーダンスの複素共役に見えるようにする。
【０００５】
しかし、従来の整合回路は、適正なインピーダンス整合を達成するために、LおよびCについて非標準値を必要とする可能性がある。したがって、一般に、電力増幅器のインピーダンスをアンテナのインピーダンスに正確に整合する整合ネットワークを設計および構築することは可能でない。この問題は、製造工程内の不確かさや公差によるインダクタおよびコンデンサの値の変動によって悪化する。インダクタおよびコンデンサは、指定された値から10%以上変動する可能性がある。したがって、インダクタおよびコンデンサの値が大きいほど、インピーダンス整合に対する製造公差の影響が大きくなる。したがって、電力増幅器とアンテナのインピーダンスを正確に整合するために整合ネットワークを実施し、最大電力転送を達成することは、挑戦課題とすることができる。
【０００６】
理想的には、整合回路内で使用されるインダクタおよびコンデンサに抵抗がなく、したがって整合回路が電力をほとんど、または全く放散しないはずである。しかし、現実には、整合回路は、負荷またはアンテナに転送される電力の数パーセントを放散する可能性がある。したがって、電力の放散を最小限に抑えるために、一般には、インダクタの値およびコンデンサの値を可能な限り小さく保つことが望ましい。
【０００７】
無線通信システム内で使用される従来の整合ネットワークに伴う特定の問題は、トランシーバまたは送信器が、しばしば複数の周波数で動作しなければならないことである。たとえば、デュアルバンドGSM/DCS無線電話ハンドセットは、約900MHzのGSM(Global System for Mobile Communications)標準、および約1800MHzで動作することを除いてGSMと同様なDCS(Digital Communications System)標準を使用する。
【０００８】
したがって、増幅回路と伝送回路の間で等しい、または実質的に等しいインピーダンスをもたらし、それにより、電力効率を高め、信号歪みを低減することができる整合回路および方法が求められている。さらに、複数の周波数の信号についてインピーダンスを整合する能力を有する整合回路および方法が求められている。さらに、この整合回路および方法は、使用される任意の伝送線路の長さを含めて、整合回路内で使用される構成要素（component）の数またはサイズを削減することが望ましい。
【０００９】
本発明は、そのような回路および方法を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、無線通信システム内の増幅器の出力インピーダンスを伝送回路の入力インピーダンスに整合するための装置および方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一態様では、本発明は、集中（lumped）および分布インダクタンスを使用してインピーダンス整合するための方法、装置、および回路を提供する。他の一態様では、集中および分布インダクタンスを使用して、これが増幅器に適用される。固定インダクタを有する伝送線路を使用することにより、非標準L値を実現することができ、さらに、固定インダクタにより、伝送線路が単独で使用された場合より伝送線路を短くすることができる。
【００１２】
他の一態様では、本発明は、増幅回路から信号を受け取るように適合された入力と、伝送回路に信号を結合するように適合された出力とを有するインピーダンス整合回路を提供する。このインピーダンス整合回路は、このインピーダンス整合回路の出力に電気的に結合された、またこのインピーダンス整合回路の出力なしに並列な容量性素子(C1)と、入力と出力の間で、入力および出力と直列で電気的に結合された、インダクタ(L1)と伝送線路(T1)の直列の組合せとを含む。キャパシタンスおよび伝送線路長は、インダクタとの組合せで、所定の量の全インダクタンスLがもたらされるように選択される。概して、LとCは、増幅回路から送られた、または増幅回路によって受け取られた信号の第1の周波数(f1)で、伝送回路の入力インピーダンスに等しい、または実質的に等しいインピーダンスをもたらすように選択される。このインピーダンスは等しいが、実際には、同一からの少しの逸脱を許容することができることが有利である。というのは、この実質的な同一であっても、従来の手法より整合性がよいからである。
【００１３】
一実施形態では、インダクタは、増幅回路の出力に電気的に接続された第1の端部と、伝送線路に電気的に接続された第2の端部とを有する。伝送線路は、インダクタの第2の端部に電気的に接続された第1の端部と、インピーダンス整合回路の出力に電気的に接続された第2の端部とを有する。容量性素子は、インダクタの第2の端部と容量性素子との間の伝送線路の長さが、インダクタとの組合せで、所望のインダクタンスをもたらすように、伝送線路に電気的に接続される。
【００１４】
一実施形態では、伝送線路が、プリント回路板(PCB)上のグランドプレーン（ground plane）の上の導体を使用して実施されることが有利であり、容量性素子は、このプリント回路板上に取り付けられたチップコンデンサである。このタイプの伝送線路は、共平面接地導波路（co-planar grounded waveguide）として実施することができることがさらに有利であり、チップコンデンサの1つの端部またはリード（lead）は、プリント回路板上のグランドプレーンにはんだ付け(またはその他の方法で電気的に接続)される。別法として、容量性素子は、所望の全インダクタンスをもたらすために適切な長さになるように選択された点で伝送線路から分岐する短絡型導波路（shorted waveguide）の一部分である。
【００１５】
他の一実施形態では、インピーダンス整合回路がさらに、伝送線路に電気的に接続された、また第1の容量性素子と並列な第2の容量性素子(C2)と、それを介して第2の容量性素子が接地に結合されるスイッチ(S1)とを含む。このスイッチは、開いたとき第2の容量性素子を接地から切り離し、それにより、事実上、第2の容量性素子を回路から除去する。第2の容量性素子は、インダクタの第2の端部と第2の容量性素子との間の伝送線路の長さが、インダクタとの組合せで、第2の所定の量のインダクタンスL'をもたらすように選択され、その結果、第2の全体的により高い周波数(f2)で伝送回路の入力インピーダンスに等しい、または実質的に等しいインピーダンスをもたらすようにL'およびCが選択されるように、伝送線路に電気的に接続される。他の一実施形態では、インピーダンス整合回路がさらに、第1のスイッチが閉じて第2の容量性素子を接地に結合し、第2の容量性素子を回路内に導入したとき、第1の容量性素子を、インピーダンス整合回路から除去するように電気的に切り離すことが可能な第2のスイッチ(S2)を含む。任意選択で、第1のスイッチは、C1またはC2を交互にインピーダンス整合回路から除去するように、C1およびC2を接地に、交互に電気的に切り離すことが可能な単極双投スイッチ（single pole double throw switch）である。
【００１６】
本発明は、無線通信システム内で使用するためのトランシーバにおいて特に有用である。概して、トランシーバはさらに、トランシーバによって受信された、また送信される信号を増幅するように適合された増幅回路と、トランシーバによって送受信される信号を送受信するように適合された、アンテナを含む伝送回路とを含む。インピーダンス整合回路は、増幅回路の出力と伝送回路の入力との間で、それらと直列に電気結合される。
【００１７】
他の一態様では、増幅回路の出力インピーダンスを伝送回路の入力インピーダンスに整合するための方法が提供される。概して、この方法は、増幅回路の出力と伝送回路の入力との間で、それらと直列に結合された、インダクタ(L1)と伝送線路(T1)の直列の組合せを提供することを含む。キャパシタンスおよび伝送線路は、インダクタとの組合せで、所定の量の全インダクタンスLがもたらされる長さを有するように選択される。容量性素子(C1)は、増幅回路の出力に電気的に結合され、また増幅回路の出力と並列であり、この容量性素子は、LとCにより、第1の周波数(f1)で伝送回路の入力インピーダンスに実質的に等しい出力インピーダンスが増幅回路にもたらされるように選択されたキャパシタンスCを有する。
【００１８】
一実施形態では、インダクタは、増幅回路の出力に接続された第1の端部と、伝送線路に接続された第2の端部とを有し、伝送線路は、インダクタの第2の端部に接続された第1の端部と、インピーダンス整合回路の出力に接続された第2の端部とを有する。容量性素子を増幅回路の出力に、それと並列で電気的に結合するステップは、インダクタの第2の端部と容量性素子との間の伝送線路の長さが所望のインダクタンスをもたらすように選択されるように、容量性素子を伝送線路に電気的に接続するステップを含む。
【００１９】
一実施形態では、伝送線路が、プリント回路板(PCB)上のグランドプレーンの上のインダクタを含み、容量性素子を増幅回路の出力に電気的に結合するステップは、PCB上にチップコンデンサを取り付けることを含み、それにより、コンデンサの第1の端部またはリードが伝送線路の導体に電気的に接続され、コンデンサの第2の端部がグランドプレーンに電気的に接続される。好ましくは、伝送線路が共平面接地導波路であり、チップコンデンサの一方の端部は、導波路の導体にはんだ付けされ、他方の端部は、プリント回路板上のグランドプレーンにはんだ付け(またはその他の方法で電気的に接続)される。
【００２０】
他の一実施形態では、本方法はさらに、第2の容量性素子(C2)の第1の端部またはリードを伝送線路に電気的に接続するステップと、第2の容量性素子の他方の端部を、スイッチ(S1)を介してグランドプレーンに電気的に結合するステップとを含む。第2の容量性素子は、インダクタの端部と第2の容量性素子との間の伝送線路の長さが、第2の所定の量のインダクタンスL'をもたらし、その結果、L'とCにより、第2の、典型的にはより高い周波数(f2)で伝送回路の入力インピーダンスに等しいインピーダンスがもたらされるように、第1の容量性素子および増幅回路の出力と並列で接続される。
【００２１】
他の一実施形態では、インピーダンス整合回路がさらに、第1の容量性素子をグランドプレーンから電気的に切り離し、それによって第1の容量性素子を回路から除去することが可能な第2のスイッチ(S2)を含む。別法として、インピーダンス整合回路は、C1およびC2をグランドプレーンから交互に電気的に切り離し、それによってC1またはC2を回路から交互に除去することが可能な単独の単極双投スイッチを含むことができ、第2の容量性素子をグランドプレーンに電気的に結合するステップは、第1の容量性素子をグランドプレーンから電気的に切り離すことを含む。
【００２２】
本発明の利点は、(i)電力効率の増大と信号歪みの低減をもたらす増幅回路と伝送回路の間の改善されたインピーダンス整合と、(ii)コストの削減をもたらす、整合回路内で使用されるインダクタのサイズおよびインダクタンス値の解消または削減と、(iii)伝送線路上の様々な点に結合されたいくつかの容量性素子を回路内および外に切り換えることにより、複数の周波数の信号についてインピーダンスを整合する能力とを含む。
【００２３】
本発明については、添付の図面と共に以下の説明からさらに理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、増幅回路の出力インピーダンスを整合するためのインピーダンス整合回路および方法を対象とする。
【００２５】
図1は、本発明の実施形態による装置および方法が特に有用である無線通信システム100、ここでは移動電気通信システムの例示的な実施形態のブロック図を示す。移動電気通信システムの詳細は広く周知であり、本明細書ではこれ以上述べない。
【００２６】
図1を参照すると、無線通信システム100は、概して、いくつかの第1の無線通信デバイス、たとえば移動ハンドセット105と、ある地理的な領域全体にわたって分配され、セル115を形成する1つまたは複数の第2の無線通信デバイス、または基地局110とを含む。基地局110は、基地局制御装置120を介して交換局125に結合され、交換局125は、公衆交換電話網(PSTN 130)に接続され、被呼または発呼ハンドセット105によって占有されているセル115をカバーする基地局群に電話呼を経路指定する。システム100が特定のハンドセット105を突き止めることを可能にするために、各基地局110およびハンドセットであるシステム内の各トランシーバは、それ自体の一意の識別番号を有する。たとえば、各基地局110は、システムの制御情報の一部として定期的に送信するエリア識別番号（area identity number）を有する。ハンドセット105は、オンになると、最も近い基地局110の信号を追跡し、その基地局に登録番号を送信することによってシステム100に身元を明かすことになる。ハンドセット105は、セルからセルに移動するにつれて、新しい基地局110を選択して追跡する。ハンドセット105は、基地局110によって送信されたエリア識別番号を検査し、新しいセル115に移動したことを示す変化を検出したとき、基地局との信号交換によって、その新しい位置をシステム100に自動的に通知することになる。このようにして、システムは、各ハンドセット105が位置する現在のセル115の記録(登録)を維持することができ、したがって、そのセル内でハンドセットを呼び出すことを必要とするだけとなる。
【００２７】
次いで、上記無線通信システム100の移動ハンドセット105、基地局110、基地局制御装置120、または交換局125内で使用するためのトランシーバまたは送信器135について、図2を参照しながら述べる。図2に示されているように、送信器135は、伝送回路150の入力インピーダンスに等しい、または実質的に等しい出力インピーダンスを増幅回路145にもたらすために使用することができることが有利な本発明の一実施形態によるインピーダンス整合ネットワークまたは整合回路140を有する。送信器135の詳細は広く周知であり、本明細書ではこれ以上述べない。
【００２８】
送信器135はさらに、低電力搬送波信号を変調するための変調器155と、変調された信号の周波数を上げるための周波数逓倍器160とを含み、変調器160が変調済み信号の周波数を上げることを可能にすることによって改善し、変調器155、および後続の増幅回路群145または諸段が異なる周波数で動作することを可能にする。次いで、周波数逓倍された信号は、信号および振幅を高め、望ましくない周波数を減衰または抑制することによって信号をろ波するために、一連の増幅回路(1つだけ示されている)を通過させられる。送信器135はさらに、増幅器とフィルタ(図示せず)を有する単一の増幅回路145を含み、増幅回路145は、本発明によるインピーダンス整合回路140の一実施形態によって伝送回路150に結合される。伝送回路150は、伝送線路170と、信号をブロードキャストするためのアンテナ175とを含む。
【００２９】
次いで、図3を参照しながらインピーダンス整合回路140の一実施形態について述べる。図3は、増幅回路145(図2参照)内で見られる増幅器180と、本発明の一実施形態によるインピーダンス整合回路140とを示す。増幅器180は、典型的に、インダクタ200を介して、入力190と、ここでVDDと示されている電圧源205に結合された出力195とを有する、バイポーラまたは電界効果トランジスタなど増幅または能動素子185を含む。ここでは単一の能動素子185として示されているが、増幅器180は、ディスクリート（discrete）素子として、または集積回路(IC)として形成された、また、段の利得をさらに高めるために縦続接続または他の方法で組み合わされた任意の数の能動素子を含むことを理解されたい。
【００３０】
概して、インピーダンス整合回路140は、能動素子185の出力195に結合された入力ノード210と、伝送回路150(この図には示さず)に結合された出力ノード215とを含む。回路180はさらに、出力ノード215と並列で電気的に結合された、所定の量のキャパシタンスCを有する容量性素子(C1)を含む。整合回路140はさらに、入力ノード210と出力ノード215の間で電気的に結合されたインダクタ(L1)225と伝送線路(T1)230の直列の組合せを含む。伝送線路は、インダクタとの組合せで、所定の量のインダクタンスLをもたらすように選択された長さを有する。整合回路140を能動素子185の出力195に、また、インダクタ225を容量性素子220に接続する電気経路から別個で、異なって示されているが、伝送線路230は、出力295から容量性素子220に延びる完全な長さの伝送線路を含むことを理解されたい。すなわち、伝送線路230は、出力195からインダクタ225、およびインダクタから容量性素子220への線路長を含む。伝送線路のこの長さは、インダクタとの組合せで、送られる信号の周波数(f1)で、所定の量のインダクタンスLをもたらすように選択される。インダクタンスLとキャパシタンスCは、当該の周波数に鑑みて、所望のレベルの整合が達成されるように、伝送回路の入力インピーダンスに実質的に等しい増幅回路145の出力インピーダンスをもたらすように選択される。
【００３１】
上記で指摘したように、増幅回路145は、出力内の望ましくない周波数を除去するために、整合回路140の前にフィルタを含むことができる。好ましい一実施形態では、整合回路140のインダクタンスLおよびキャパシタンスCの値もまた、信号周波数に鑑みて、望ましくない周波数(がある場合それ)をろ波するように選択される。フィルタは、所定の最小周波数より上の周波数だけを通すハイパスフィルタ(HPF)、所定の最大周波数より下の周波数だけを通すローパスフィルタ(OPF)、または、所定の周波数範囲内の周波数だけを通すように設計されたバンドパスフィルタ(BPF)とすることができる。フィルタは、同様に、または別法として、選択された周波数範囲を通す、または遮断するように設計することができる。たとえば、図3に示されている整合回路140のインダクタンスLおよびキャパシタンスCの値を適正に選択することにより、所定の最大周波数より上の周波数すべてを減衰または抑制するLPFを得ることができる。
【００３２】
本発明は、使用可能な標準インダクタンス値に関して制限なしに、整合回路140のインダクタンスLを調整し、増幅回路145のインピーダンスを伝送回路150に正確に整合することを可能にすることが有利である。したがって、増幅回路と伝送回路の間の最大電力転送を、標準的な値の構成要素を使用して実施することができる。他の利点は、インダクタ225の値におけるサイズ削減であり、これにより、整合回路内で放散される電力量を削減することによって整合回路140の効率がさらに改善される。
【００３３】
望むなら、伝送線路230の長さを適正に選択することによってインダクタ225を完全になくし、それによって、さらに整合回路140の効率を改善し、製造コストを削減することができる。
【００３４】
次いで、増幅回路145の出力インピーダンスを伝送回路150に正確に整合する本発明の能力について、図4のスミスチャートを参照しながら述べる。スミスチャートは、伝送線路230の定抵抗など定抵抗を表す円と、インダクタ225および容量性素子220の定抵抗など定抵抗を表す弧との極プロットである。図4は、図3に示されているものと同様なインピーダンス整合回路140のインダクタ225、伝送線路230、および容量性素子220についてグラフ化された値を示す。線232は、容量性素子220の正規化されたキャパシタンスを表し、線234は、インダクタ225の正規化されたインダクタンスを表し、線236は、伝送線路230の電気的長さを表す。容量性素子220の値、インダクタ225の値、および/または伝送線路230の長さを変えることにより、整合回路140は正確なインピーダンス整合を可能にすることを理解されたい。たとえば、無線通信システム100のハンドセット105内で使用される電力増幅器の、典型的には3オームの出力インピーダンスをアンテナに整合するために、図4の領域232として示されている、スミスチャートの水平軸に沿って約0.03から約0.09の範囲内で整合回路のプロットが終了するように、理想的な50オームのインピーダンスの構成要素の値、および伝送線路230長の長さを選択する。
【００３５】
図9は、1GHzの周波数用の3つの等価な3オーム対50オーム整合回路を示す。第1の回路は集中素子だけを使用し、約1.9nHの値を有する直列インダクタと、約12.4pFの値を有するシャントコンデンサとを含む。第2の回路では、集中インダクタが、11.3mmの長さを有する伝送線路で置き換えられている。第3の回路では、第1の回路の集中インダクタが、より短い伝送線路(4.6mm)と、値のより小さいインダクタ(1.0nH)との組合せで置き換えられている。より短い伝送線路は、よりコンパクトの実現を可能にし、より小さいインダクタは、損失を最小限に抑える。
【００３６】
次いで、図5、図6、図7を参照しながら整合回路140の代替実施形態について述べる。
【００３７】
図5の実施形態では、インピーダンス整合回路140は、プリント回路板(PCB)上のトレース（trace）145を含む伝送線路230を有する。伝送線路の長さは、容量性素子220がPCB上のトレースに電気的に接続される点を選択することによって決定される。好ましくは、伝送線路230はPCB147上のグランドプレーン149の上の導体トレース145を含み、容量性素子220は、PCB上に取り付けられ、その導体に電気的に接続されたある端部または端子と、グランドプレーンに電気的に接続された別の端子とを有する。より好ましくは、伝送線路230はPCB上の共平面接地導波路であり、容量性素子220は、そこにはんだ付けされたチップコンデンサである。
【００３８】
図6は、2周波増幅回路と共に使用するのに適した本発明の他の実施形態によるインピーダンス整合回路の概略図である。この実施形態では、整合回路140は、スイッチ245によって第1の容量性素子220と並列で切換え可能に結合された第2の容量性素子240を含む。第2の容量性素子240は、キャパシタンスC'を有し、第1のコンデンサ270が線路に結合されるところと異なる位置で伝送線路230に結合される。インダクタ225と第2の容量性素子240の間の伝送線路230の長さは、インダクタとの組合せで、第2の所定のインダクタンスL'をもたらし、その結果、L'とC'により第2の周波数(f2)で増幅回路145と伝送回路150のインピーダンスが整合されるように選択される。この実施形態は、約900MHzのGSM(Global System for Mobile Communications)標準、および約1800MHzのDCS(Digital Communications System)標準を使用するデュアルバンドGSM/DCS無線電話ハンドセット内で特に有用である。したがって、この回路は、スイッチ245が開いているか閉じているかに応じて2つの周波数でインピーダンス整合を実現することになる。
【００３９】
任意選択で、整合回路140はさらに、第1の容量性素子220をインピーダンス整合回路から電気的に切り離すことができる第2のスイッチ250を含む。
【００４０】
増幅回路が3オームの出力インピーダンスを有し、伝送回路が50オームの入力インピーダンスを有する、900MHzと1800MHzでのデュアルバンド動作の特定の例を取ると、インダクタ225は0.82nHの値を有することになり、コンデンサ220および240は、それぞれ2.6pFと10pFの値を有することになる。スイッチ250は常に閉じられていると仮定する。伝送線路の長さは、始まりからコンデンサ220にかけて1.9mm、コンデンサ220と240の間で7.4mmとすることができる。スイッチ245は、900MHzの場合に閉じられ、1800MHzの場合に開かれると仮定する。
【００４１】
スイッチ245、250は、図では、それぞれの容量性素子220、240と接地の間で接続されているが、別法として、一方のスイッチ、または両方を容量性素子と伝送線路230の間で接続し、関連するコンデンサを整合回路140から除去することができることを理解されたい。他の一代替実施形態では、図7に示されているように、単極双投スイッチ255を使用し、第1および第2の容量性素子220、240を交互に電気的に結合し、またインピーダンス整合回路140から切り離し、スイッチ接続によって決定された周波数でインピーダンス整合することができる。
【００４２】
次いで、インピーダンス整合回路140を動作するための方法またはプロセスについて、図8を参照しながら述べる。図8は、本発明の実施形態による、増幅回路145の出力インピーダンスを伝送回路150の入力インピーダンスに整合するための方法の概略流れ図を示す。この方法は、概して、ステップ265で、所定の量のインダクタンスを有するように伝送線路230の長さを選択することを含む。ステップ270は、伝送線路とインダクタ225を、整合回路140の入力210と出力215の間で直列で結合することを含む。ステップ275で、キャパシタンスCを有する容量性素子220が、整合回路の出力と並列で伝送線路に結合される。ステップ275で、インダクタと容量性素子の間の伝送線路の長さが、インダクタとの組合せで全インダクタンスLをもたらすように選択される。容量性素子220、インダクタ225、および伝送線路230の長さは、LとCの値により、第1の周波数(f1)の信号について、伝送回路150の入力インピーダンスに等しい出力インピーダンスがもたらされるように選択される。好ましくは、伝送線路230がプリント回路板(PCB)上の導体トレースである場合、容量性素子220を伝送線路に電気的に結合するステップ275は、コンデンサの第1のリードが導体に電気的に結合され、コンデンサの第2の端部が接地に電気的に接続されるように、PCB上にコンデンサを取り付けることを含む。より好ましくは、伝送線路は、グランドプレーンの上の導体を含む共平面接地導波路である。そのような構成では、容量性素子を増幅回路の出力に結合するステップ275は、チップコンデンサの一方の端部を導体にはんだ付けすること、および、他方の端部をグランドプレーンに電気的に接続することを含む。
【００４３】
任意選択で、この方法はさらに、第2の容量性素子240を伝送線路230に、第1の容量性素子220と並列で結合する結合するステップを含むことができる。ステップ280に示されているように、インダクタ225と第2の容量性素子の間で伝送線路を結合することにより、第2の周波数(f2)で増幅回路145と伝送回路150のインピーダンスを整合するように選択された第2の全インダクタンスL'がもたらされる。第1および第2の容量性素子220、240を、その容量性素子の一方を整合回路140から電気的に分離することができる単極双投スイッチ255に接続することが、ステップ285で示されている。方法ステップ290で、第1および第2の容量性素子220、240を整合回路140から除去し、整合が行われる周波数を変更するために、スイッチ255が配置される。
【００４４】
当業者なら、本発明の精神または不可欠な特徴から逸脱することなしに、他の特定の形態で本発明を実施することができることを理解するであろう。したがって、現在開示されている実施形態は、あらゆる面において、制限するものでなく例示的なものと見なされる。本発明の範囲は、前述の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、その均等物の意味および範囲内に入る変更はすべて、その中に包含されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態による装置および方法を使用することができる、あるタイプの無線通信システムの一例を示す例示的なブロック図である。
【図２】本発明の実施形態によるインピーダンス整合回路を有するトランシーバのブロック図である。
【図３】本発明の実施形態による増幅器およびインピーダンス整合回路の概略図である。
【図４】図3に示されているものと同様なインピーダンス整合回路のスミスチャートである。
【図５】本発明の他の実施形態による増幅器および例示的なインピーダンス整合回路の概略図である。
【図６】本発明の他の実施形態による2周波増幅器および例示的なインピーダンス整合回路の概略図である。
【図７】図6の増幅器およびインピーダンス整合回路の代替実施形態の概略図である。
【図８】本発明の実施形態による、増幅器の出力インピーダンスをアンテナの入力インピーダンスに整合するための方法の流れ図である。
【図９】特定の例における3つの等価インピーダンス整合回路を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
100 無線通信システム
105 ハンドセット
110 基地局
115 セル
120 基地局制御装置
125 交換局
130 公衆交換電話網
135 送信器
140 インピーダンス整合回路
145 増幅回路
147 PCB
149 グランドプレーン
150 伝送回路
155 変調器
160 周波数逓倍器
170 伝送線路
175 アンテナ
180 増幅器
185 能動素子
190 入力
195 出力
200 インダクタ
205 電圧源
210 入力ノード
215 出力ノード
220 容量性素子
225 インダクタ
230 伝送線路
240 容量性素子
245 スイッチ
250 スイッチ
255 スイッチ
【図１】
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【図２】
2005521275.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2005521275.tif 000010
【図９】
2005521275.tif 000011
【国際調査報告】
2005521275.tif 000012
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