(57)【要約】      （修正有）【課題】外部回路を設計変更することなく、出力整合回路の整合条件を変更することのできる高周波モジュールを提供する。【解決手段】送信信号を増幅するための電力増幅素子２４と、出力整合回路２６と、出力整合回路２６に接続され電力増幅素子２４で増幅された送信信号および受信信号を切り分けるデュプレクサとを具備する高周波モジュールであって、出力整合回路２６は送信信号伝達経路に並列接続され一端を接地された可変容量コンデンサＣｔを含み、電力増幅素子２４における増幅量を調整するための増幅量調整用電圧供給経路２８に、可変容量コンデンサＣｔの非接地側が接続経路２９を介して接続されており、接続経路２９と電力増幅素子２４との間に直流カットコンデンサＣ３が配置されるとともに、接続経路２９には電力増幅素子２４で増幅された送信信号の接続経路２９への漏洩を防止するインピーダンスに設定された分布定数線路ＳＬ２を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号を増幅するための電力増幅素子と、該電力増幅素子に接続された出力整合回路と、該出力整合回路に接続され前記電力増幅素子で増幅された送信信号および受信信号を切り分けるデュプレクサとを具備する高周波モジュールであって、
前記出力整合回路は送信信号伝達経路に並列接続され一端を接地された可変容量コンデンサを含み、
前記電力増幅素子における増幅量を調整するための増幅量調整用電圧供給経路に、前記可変容量コンデンサの非接地側が接続経路を介して接続されており、前記接続経路と前記電力増幅素子との間に直流カットコンデンサが配置されるとともに、前記接続経路には前記電力増幅素子で増幅された送信信号の前記接続経路への漏洩を防止するインピーダンスに設定された分布定数線路が設けられていることを特徴とする高周波モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯型情報端末機、無線ＬＡＮ、ＷＬＬ（Wireless Local Loop）等の電子機器に用いられる高周波モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２は、携帯電話装置等の移動体通信機器における高周波信号処理回路の一般的構成であって、ＣＤＭＡのデュアルバンド方式のブロック図である。図２において、１はアンテナ、２は通過信号を周波数帯毎に分ける分波器、３，４は８００ＭＨｚと１．９ＧＨｚのデュプレクサである。送信系回路では、ＲＦＩＣ１７から出力された送信信号が、バンドパスフィルタ９，１０でノイズを落とされ、電力増幅器７，８に伝えられる。電力増幅器７，８は、それぞれ８００ＭＨｚ、１．９ＧＨｚの周波数で駆動して送信信号を増幅させ、増幅された送信信号は方向性結合器５，６を経由してデュプレクサ３，４に入力される。方向性結合器５，６は、電力増幅器７，８で増幅された送信信号の出力レベルをモニターする機能があり、検波用回路１１に接続されている。
【０００３】
一方、受信系回路では、デュプレクサ３，４から送られてきた受信信号がＬＮＡ（ローノイズアンプ）１３，１４で増幅され、フィルタ１５，１６を介してＲＦＩＣ１８に伝えられ処理される。また、近年ＧＰＳによる測位機能も機器に取り込まれつつあり、分波器２から送られてきた信号が、ＧＰＳ用バンドパスフィルタ１２を経て、ＲＦＩＣ１８で処理される。
【０００４】
このような移動体通信機器においては、その携帯性等のために各部に対する小型化、軽量化の要求が強く、この要求を考慮して所望の特性が達成できる単位でモジュール化されている。例えば、図２に示す一点鎖線で示される領域が高周波モジュールとなる。
【０００５】
高周波モジュールにおいては、電力増幅器７，８とデュプレクサ３，４とが方向性結合器５，６の主線路を介して接続されているのが一般的である。ここで、方向性結合器５，６の主線路は５０Ω線路であるため、電力増幅器７，８とデュプレクサ３，４とが直接接続されていると考えてもよい。
【０００６】
この場合、図４に示すように、８００ＭＨｚ帯の回路において、電力増幅器７側を見たインピーダンスをＺｐ、デュプレクサ３側を見たインピーダンスをＺｆとすると、図５に示すように、電力増幅器７側を見たインピーダンスＺｐはほぼ５０Ωであると見なせるが、デュプレクサ３側を見たインピーダンスＺｆは、一般的には規格としてＶＳＷＲ＝２〜２．５程度で規定されているため、スミスチャートの中心（５０Ω）からずれている。このように、インピーダンスＺｆが周波数特性を持っているため、インピーダンスの不整合が生じ、アンテナで観測される出力電力やＡＣＰＲ（隣接チャネル漏洩電力）、Harmonics（高調波歪み）等の諸特性も周波数特性を持つようになっている。
【０００７】
そこで、図６に示すように、アイソレータ２０と呼ばれる素子を介してこれらを接続するものが知られている。この構成によれば、図７に示すように、電力増幅器７側を見たインピーダンスＺｐも、アイソレータ２０，デュプレクサ３側を見たインピーダンスＺｆもほぼ５０Ωと見なせるから、電力増幅器７とアイソレータ２０，デュプレクサ３との間で整合が取れており、周波数特性は少なくなる。しかしながら、アイソレータ２０を使用することによるコストやサイズの増大を考慮して、この方法は採用されていないのが現状である。
【０００８】
このように、端末としては出力電力やＡＣＰＲ、Harmonicsといった歪み特性などさまざまな特性があるため、電力増幅器７とデュプレクサ３との間の整合を取る際は、全ての特性が仕様を満足するように、コンデンサやインダクタを付加して整合を取っている。つまり、一旦整合を取るためにコンデンサやインダクタの定数が決まると、整合条件を変更することが出来ないという問題がある。
【０００９】
そういった事情から、電力増幅器７とデュプレクサ３との間の整合条件を変更するように、電力増幅器の出力整合回路に容量を変更可能なダイオードやコンデンサを付加したものが提案されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
【００１０】
このように可変容量部品を使用することで、電力増幅器７とデュプレクサ３との間の整合が取れ、周波数特性があったとしても、それぞれの周波数ごとに容量を変更することで、周波数特性をフラットに近づけることができる。
【特許文献１】特開平１０−３３５９８０号公報
【特許文献２】特開平７−４６０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、可変容量部品は電圧を印加することで容量が変化するものであって、これを単純に付加しようとすると、これまでより余分に電圧を供給する経路および端子や外部回路における制御回路の増設が必要であるという問題があった。
【００１２】
具体的には、図８に示すように、可変容量コンデンサＣｔへ電圧を供給する端子はＶ４のように独立していた。この場合、可変容量コンデンサＣｔへは独立して任意の電圧を供給できる利点はあるが、Ｖ４へ印加する電圧を制御する為に、新たに外部回路基板に制御回路を設けて、制御回路とＶ４とを接続しなければならない。さらに、制御回路を設けるということは、制御用のプログラムも新たに設計する必要があり、可変容量コンデンサを用いない場合の端末設計に比べて、ハード的に大型化し、ソフト的にも負担が増加する。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、外部回路を設計変更することなく、出力整合回路の整合条件を変更することのできる高周波モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、送信信号を増幅するための電力増幅素子と、該電力増幅素子に接続された出力整合回路と、該出力整合回路に接続され前記電力増幅素子で増幅された送信信号および受信信号を切り分けるデュプレクサとを具備する高周波モジュールであって、前記出力整合回路は送信信号伝達経路に並列接続され一端を接地された可変容量コンデンサを含み、前記電力増幅素子における増幅量を調整するための増幅量調整用電圧供給経路に、前記可変容量コンデンサの非接地側が接続経路を介して接続されており、前記接続経路と前記電力増幅素子との間に直流カットコンデンサが配置されるとともに、前記接続経路には前記電力増幅素子で増幅された送信信号の前記接続経路への漏洩を防止するインピーダンスに設定された分布定数線路が設けられていることを特徴とする高周波モジュールである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、可変容量コンデンサの非接地側を接続経路を介して増幅量調整用電圧供給経路に接続することにより、同じ電圧供給源を電力増幅素子と可変容量コンデンサとで供用することができるので、新たに電圧供給源や制御回路を設けることなく、送信信号の増幅量（出力電力の増加）に応じて、電力増幅器の出力整合回路の整合条件を変更することができる。特に、低出力時においては効率を重視した整合条件になるように、高出力時においては歪み（ＡＣＰＲやHarmonics特性）を重視した整合条件になるようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。    
図１は、本発明の高周波モジュールにおける電力増幅器の等価回路図を示したものである。なお、本発明の実施形態としては、８００ＭＨｚ帯において説明を行うが、１．９ＧＨｚ帯についても同様である。
【００１７】
本発明は、図１および図２に示すように、送信信号を増幅するための電力増幅素子２４と、電力増幅素子２４に接続された出力整合回路２６と、出力整合回路２６に接続され電力増幅素子２４で増幅された送信信号および受信信号を切り分けるデュプレクサ３とを具備する高周波モジュールであって、出力整合回路２６は送信信号伝達経路に並列接続され一端を接地された可変容量コンデンサＣｔを含み、電力増幅素子２４における増幅量を調整するための増幅量調整用電圧供給経路２８に、可変容量コンデンサＣｔの非接地側が接続経路２９を介して接続されており、接続経路２９と電力増幅素子２４との間に直流カットコンデンサＣ３が配置されるとともに、接続経路２９には電力増幅素子２４で増幅された送信信号の接続経路２９への漏洩を防止するインピーダンスに設定された分布定数線路ＳＬ２が設けられていることを特徴とする高周波モジュールである。なお、送信信号伝達経路とは、図１に示す端子Ｐ１と端子Ｐ２を結ぶ直線部分のことをいう。また、高周波モジュールとしては、例えば図２の一点鎖線で示す領域２２となる。
【００１８】
電力増幅素子２４は、端子Ｐ１から送られてきた送信信号を増幅させるもので、半導体素子で形成される。また、デュプレクサ３は、弾性表面波素子からなる送信フィルタ３ａと弾性表面波素子からなる受信フィルタ３ｂと整合回路３ｃとから構成され、送信信号と受信信号とを切り分けるようになっているものである。
【００１９】
電力増幅素子２４とデュプレクサ３との間には、これらのインピーダンス整合をとるために出力整合回路２６が設けられている。なお、図２に示すように、高周波モジュール２２においては、電力増幅器７，８とデュプレクサ３，４とが方向性結合器５，６の主線路を介して接続されているが、方向性結合器５，６の主線路は５０Ω線路であるため、電力増幅器７，８とデュプレクサ３，４とが直接接続されていると考えることができる。
【００２０】
出力整合回路２６は、図１に示す破線領域で表される部分であって、基本的には送信信号伝達経路に設けられた直列インダクタＬ１と、送信信号伝達経路に並列接続された可変容量コンデンサＣｔとでローパスフィルタを形成したような構造になっている。なお、可変容量コンデンサＣｔは、送信信号伝達経路に接続される側とは反対側の端部が接地されている。
【００２１】
また、出力整合回路２６は、送信信号伝達経路における可変容量コンデンサＣｔへの分岐部の前段（電力増幅素子２４側）に直流カットコンデンサＣ３を備えるとともに後段（デュプレクサ３側）に直流カットコンデンサＣ４を備えている。この直流カットコンデンサＣ３および直流カットコンデンサＣ４は、後述するように可変容量コンデンサＣｔへ直流電圧を印加することから、他の回路へこの印加電圧のＤＣ成分（直流電流）が漏れないようにするための直流カットコンデンサである。ここで、直流カットコンデンサＣ３としては、後述の接続経路２９と電力増幅素子２４との間に配置されるのが重要であることから、必ずしも送信信号伝達経路に設けられる必要はなく、分岐部と接続経路２９との間に設けられていてもよい。
【００２２】
端子Ｖ１および端子Ｖ３は、それぞれ電力増幅素子２４へ電圧を印加する目的の電圧端子であって、この端子Ｖ１および端子Ｖ３へ電圧を供給することで電力増幅素子２４は増幅機能を有するようになる。なお、電力増幅素子２４と端子Ｖ３との間には分布定数線路ＳＬ１が設けられており、この分布定数線路ＳＬ１は高調波を抑制する為に所望の線路長を有している。また、分布定数線路ＳＬ１には、高周波的に短絡する目的のパスコンデンサＣ２が並列に接続されている。
【００２３】
このように端子Ｖ１および端子Ｖ３に電圧を供給することで電力増幅素子２４における増幅量が決定されるが、単に増幅させる目的であれば、これを構成するトランジスタの１端子を接地し他の２端子に電圧を供給すればよい。しかし、電力増幅素子２４における増幅量を変更するために、増幅量調整用電圧供給端子Ｖ２が別途設けられ、電力増幅素子２４と増幅量調整用電圧供給端子Ｖ２とは増幅量調整用電圧供給経路２８により接続されている。すなわち、この増幅量調整用電圧供給端子Ｖ２へ供給する直流電圧を変更することで、電力増幅素子２４における増幅量を調整することができる。電力増幅素子２４は、図示しないが複数の増幅段から構成されており、各増幅段へかかる電圧が変化したり、ある増幅段への電圧供給を停止したりして、増幅量が変更されるようになっている。
【００２４】
本発明においては、電力増幅素子２４における増幅量を調整するための増幅量調整用電圧供給経路２８に可変容量コンデンサＣｔの非接地側が接続されていることが重要である。これにより、増幅量調整用電圧供給端子Ｖ２から供給される直流電圧が電力増幅素子２４と可変容量コンデンサＣｔとに供給されることで、電力増幅素子の電力調整とともに可変容量コンデンサの容量調整がなされるようになっている。なお、増幅量調整用電圧供給経路２８には、高周波的に短絡する目的のパスコンデンサＣ１が並列に接続されている。
【００２５】
増幅量調整用電圧供給経路２８と可変容量コンデンサＣｔの非接地側とは接続経路２９を介して接続されており、接続経路２９には抵抗Ｒ１、分布定数線路ＳＬ２が設けられている。このようにして増幅量調整用電圧供給経路２８と可変容量コンデンサＣｔの非接地側とが接続されることで、可変容量コンデンサＣｔへ直流電圧を供給する端子および外部回路において制御回路を別途設ける必要がない。したがって、外部回路の設計においては、可変容量コンデンサＣｔを用いない場合の回路設計と同様のものとすることができる。
【００２６】
電力増幅素子２４と可変容量コンデンサＣｔとは並列に接続された関係となっており、電力増幅素子２４に加わる電圧と可変容量コンデンサＣｔに加わる電圧とは連動しているが、抵抗Ｒ１により、電力増幅素子２４に加わる電圧と可変容量コンデンサＣｔに加わる電圧を異なるものとすることができる。例えば、電力増幅素子２４に加わる電圧が３〜５Ｖで可変容量コンデンサＣｔに加わる電圧が１〜３Ｖとなるように抵抗Ｒ１を設定することができ、可変容量コンデンサＣｔに１Ａの電流が流れるようにするのであれば、抵抗Ｒ１を２オームに設定すればよい。この抵抗Ｒ１は適宜決定される。
【００２７】
そして、可変容量コンデンサＣｔに加わる電圧が１〜３Ｖのとき、容量が２ｐＦ〜５ｐＦに変化するとしたとき、可変容量コンデンサＣｔの容量が２ｐＦの時は出力整合回路２６が効率の良くなる負荷条件になるものとし、可変容量コンデンサＣｔの容量が５ｐＦの時は歪み特性が良くなる負荷条件であると設定しておけば、効率重視の整合と歪み（ＡＣＰＲやHarmonics特性）重視の整合との間で調整することができる。すなわち、低出力時においては、効率を重視した整合条件になるようにしておき、高出力時においては、歪み（ＡＣＰＲやHarmonics特性）を重視した整合条件になるように、可変容量コンデンサＣｔや抵抗Ｒ１を設定しておけばよい。
【００２８】
また、出力整合回路２６に、電力増幅素子２４，抵抗Ｒ１，分布定数線路ＳＬ２が接続されるため、それらが整合条件に影響を与えない必要がある。したがって、分布定数線路ＳＬ２は、電力増幅素子２４で増幅された送信信号の接続経路２９への漏洩を防止するインピーダンスに設定されている。例えば、基本周波数において、図１に示すＡ点における出力整合回路２６側から分布定数線路ＳＬ２，抵抗Ｒ１，電力増幅素子２４側を見たインピーダンスＺｖが、Ｂ点において電力増幅素子２４側から出力整合回路２６側を見た出力整合回路のインピーダンスの１０倍以上の高いインピーダンスになるように分布定数線路ＳＬ２の長さを設定しておくのが好ましい。このとき、図１において、インピーダンスＺｒが８００ＭＨｚで２ΩであるとするとインピーダンスＺｖは２０Ω以上であればよい。
【００２９】
次に、本発明の高周波モジュールで使用する可変容量コンデンサＣｔについて説明する。可変容量コンデンサＣｔにおいては、可変容量コンデンサＣｔの入力端子と出力端子との間には、高周波信号が、直列接続された可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９を介して流れることになる。このとき、第１バイアスラインＢ１１、Ｂ１２、Ｂ１３および第２バイアスラインＢ２１、Ｂ２２、Ｂ２３の抵抗成分Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３およびＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３は、可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９の高周波信号の周波数領域でのインピーダンスに対して大きなインピーダンス成分となっており、高周波帯のインピーダンスに悪影響を与えない。また、可変容量素子Ｃ５の容量成分を制御するバイアス信号は、バイアス端子ＶからインダクタンスＬ２を介して供給され、可変容量素子Ｃ５を介してグランドに流れる。この可変容量素子Ｃ５に印加される電圧に応じて、可変容量素子Ｃ５は所定の誘電率となり、その結果、所望の容量成分が得られることになる。可変容量素子Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９についても、これらは第１バイアスラインＢ１１、Ｂ１２、Ｂ１３および第２バイアスラインＢ２１、Ｂ２２、Ｂ２３を介して直流的に並列接続されているので、同様に直流的に同じ大きさのバイアス信号が印加され、所定の容量成分を得ることができる。
【００３０】
その結果、可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９の容量を所望の値に制御するための直流バイアス信号を、安定してそれぞれ別々に可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９に供給することができ、バイアス信号の印加による可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９の薄膜誘電体層における誘電率を所望通りに変化させることができ、よって容量成分の制御が容易な可変容量コンデンサとなっている。また、可変容量コンデンサＣｔに入力される高周波信号、つまり可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９に入力される高周波信号は、抵抗成分Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３およびＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３が高周波信号の周波数領域でのインピーダンスに対して大きなインピーダンス成分となっていることから、第１バイアスラインＢ１１、Ｂ１２、Ｂ１３および第２バイアスラインＢ２１、Ｂ２２、Ｂ２３を介して漏れることがない。これによっても、バイアス信号が安定して可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９に独立に印加されるようになっており、その結果、バイアス信号による各々の可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９の容量変化率を最大限に利用することができるものとなっている。
【００３１】
つまり、可変容量コンデンサＣｔにおいては、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）、ここでは５個の可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９は、高周波的には直列接続された可変容量素子と見ることができる。
【００３２】
従って、これら直列接続された可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９に印加される高周波電圧は各々の可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９に分圧されるので、個々の可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９に印加される高周波電圧は減少することとなる。このことから、高周波信号に対する容量変動は小さく抑えることができ、可変整合回路として、波形歪みや相互変調歪み等を抑制することができる。
【００３３】
また、可変容量素子Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９を直列接続したことにより、高周波的には容量素子の誘電体層の層厚を厚くしたのと同じ効果があり、可変容量コンデンサの損失抵抗による単位体積当りの発熱量を小さくすることができ、可変出力整合回路として、耐電力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の高周波モジュールにおける電力増幅器の一例を示す回路図である。
【図２】本発明および従来の高周波信号処理回路の一般的構成を示したブロック図である。
【図３】図１に示す可変容量コンデンサＣｔの一例を示した回路図である。
【図４】電力増幅器とデュプレクサとの整合についての説明図である。
【図５】電力増幅器とデュプレクサとの整合状態を示したスミスチャートである。
【図６】電力増幅器とアイソレータ，デュプレクサとの整合についての説明図である。
【図７】電力増幅器とアイソレータ，デュプレクサとの整合状態を示したスミスチャートである。
【図８】従来の高周波モジュールにおける電力増幅器の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３５】
１・・・・・・・・・アンテナ
２・・・・・・・・・分波器
３、４・・・・・・・デュプレクサ
３ａ・・・・・・・・送信フィルタ
３ｂ・・・・・・・・受信フィルタ
３ｃ・・・・・・・・整合回路
４ａ・・・・・・・・送信フィルタ
４ｂ・・・・・・・・受信フィルタ
４ｃ・・・・・・・・整合回路
５、６・・・・・・・方向性結合器
７、８・・・・・・・電力増幅器
９、１０・・・・・・バンドパスフィルタ
１１・・・・・・・・検波用回路
１２・・・・・・・・ＧＰＳ用バンドパスフィルタ
１３、１４・・・・・ＬＮＡ（ローノイズアンプ）
１５、１６・・・・・フィルタ
１７、１８・・・・・ＲＦＩＣ
１９・・・・・・・・検波用ＩＣ
２２・・・・・・・・高周波モジュール
２４、２５・・・・・電力増幅素子
２６、２７・・・・・出力整合回路
Ｐ１・・・・・・・・入力端子
Ｐ２・・・・・・・・出力端子
Ｃ１、Ｃ２・・・・・パスコンデンサ
Ｃ３、Ｃ４・・・・・直流カットコンデンサ
Ｃｔ・・・・・・・・可変容量コンデンサ
Ｌ１・・・・・・・・インダクタ
ＳＬ１、ＳＬ２・・・分布定数線路
Ｒ１・・・・・・・・抵抗
Ｖ１、Ｖ３・・・・・端子
Ｖ２・・・・・・・・増幅量調整用電圧供給端子
２８・・・・・・・・増幅量調整用電圧供給経路
２９・・・・・・・・接続経路
Ｚｒ、Ｚｖ・・・・・インピーダンス
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３・・抵抗成分
Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９・・・・・・・・・・・可変容量素子
Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ１３・・・・・・・・・・・・・・第１バイアスライン
Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ２３・・・・・・・・・・・・・・第２バイアスライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007281674.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007281674.tif 000007
【図６】
2007281674.tif 000008
【図７】
2007281674.tif 000009
【図８】
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