(57)【要約】【課題】  平衡型増幅器を用いて構成され、挿入損失の増大を抑え、回路の大型化を防ぎながらアンテナダイバシティが利用可能な電気的特性に優れた高周波回路を提供する。【解決手段】    平衡型増幅器の第１出力ポートとスイッチ回路を介して接続された第１サーキュレータと、第２出力ポートとスイッチ回路を介して接続された第２サーキュレータとを有し、各出力ポートとグランドとの間に終端回路を備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１サーキュレータを介して第１アンテナと接続する第１出力ポートと、第２サーキュレータを介して第２アンテナと接続する第２出力ポートと、送信回路と接続される第１入力ポートと第２入力ポートを有する平衡型増幅器と、前記平衡型増幅器の各入力ポートと各出力ポートに接続されるスイッチ回路を備え、
前記スイッチ回路の全てに、スイッチ素子と抵抗とが直列接続された終端回路を含み、送信回路とアンテナを選択的に接続するように前記スイッチ回路を制御することを特徴とする送信ダイバーシティ高周波回路。
【請求項２】
請求項１に記載の送信ダイバーシティ高周波回路であって、
前記第１サーキュレータは第１受信回路と接続され、前記第２サーキュレータは第２受信回路と接続されることを特徴とする送信ダイバーシティ高周波回路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の送信ダイバーシティ高周波回路であって、
前記スイッチ回路は単極双投スイッチであって、前記平衡型増幅器の各入力ポートと各出力ポートには、単極である単極双投スイッチの共通ポートが接続されることを特徴とする送信ダイバーシティ高周波回路。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の送信ダイバーシティ高周波回路であって、
前記平衡型増幅器は、入力側ハイブリッド回路と出力側ハイブリッド回路の間に一対の単位増幅器が接続して構成されたことを特徴とする送信ダイバーシティ高周波回路。
【請求項５】
請求項４に記載の送信ダイバーシティ高周波回路であって、
前記入力ハイブリッド回路と前記出力ハイブリッド回路とが９０度ハイブリッドカップラで構成され、各９０度ハイブリッドカップラは対向配置された２つの結合線路を備え、前記第１入力ポートに入力する信号は前記第２出力ポートから出力され、前記第２入力ポートに入力する信号は前記第１出力ポートから出力されることを特徴とする送信ダイバーシティ高周波回路。
【請求項６】
請求項５に記載の送信ダイバーシティ高周波回路による送信方法であって、
第１アンテナと送信回路との接続には、
送信回路と平衡型増幅器の第１入力ポートとの間を切断し、
前記平衡型増幅器の第１入力ポートとグランドとの間を接続し、
前記送信回路と平衡型増幅器の第２入力ポートとの間を接続し、
前記平衡型増幅器の第２入力ポートとグランドとの間を切断し、
第１サーキュレータの第２ポートと、平衡型増幅器の第１出力ポートとの間を接続し、
前記平衡型増幅器の第１出力ポートとグランドとの間を切断し、
第２サーキュレータの第２ポートと、平衡型増幅器の第２出力ポートとの間を切断し、
前記平衡型増幅器の第２出力ポートとグランドとの間を接続し、
第２アンテナと送信回路との接続には、
送信回路と平衡型増幅器の第１入力ポートとの間を接続し、
前記平衡型増幅器の第１入力ポートとグランドとの間を切断し、
前記送信回路と平衡型増幅器の第２入力ポートとの間を切断し、
前記平衡型増幅器の第２入力ポートとグランドとの間を接続し、
第１サーキュレータの第２ポートと、平衡型増幅器の第１出力ポートとの間を切断し、
前記平衡型増幅器の第１出力ポートとグランドとの間を接続し、
第２サーキュレータの第２ポートと、平衡型増幅器の第２出力ポートとの間を接続し、
前記平衡型増幅器の第２出力ポートとグランドとの間を切断する、
ことを特徴とする送信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の単位増幅器を並列動作させる平衡型増幅器を用いた高周波回路に関し、特には高出力電力で送信ダイバーシティが可能な高周波回路とダイバーシティ送信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信サービスを提供する上で、通信設備の設置や整備のためのコストを削減することは常に課題としてある。その一つの解決手法として、固定局と移動局との通信距離を長くして、一つの固定局が担うエリアを広く構成して基地局数を削減することが提案されている。固定局は例えば基地局であり、移動局は携帯電話等の無線通信装置である。
【０００３】
通信距離を長くする為には各局の送信出力電力を高めることが求められるが、単純に出力を高めると対応可能な周波数帯域を狭めてしまうことや、トランジスタの段数を増加させることが必要である。小電力で動作し、小型の部品で構成される携帯電話等においては、単純に送信出力電力を高めることは容易では無い。この為、平衡型増幅器を用いて高周波信号の出力電力を高めることが提案されている。
【０００４】
図２は平衡型増幅器の等価回路である。この平衡型増幅器は、ハイブリッド回路２１，２０の間に一対の単位増幅器１５，１６が接続されて構成されており、入力ポートＩＮ１に入力した高周波信号は、第１ハイブリッド回路２０を経て９０°の位相差を有する高周波信号に２分配されて、それぞれ第１増幅器１５と第２増幅器１６に入力する。第１及び第２増幅器で増幅された高周波信号は、第２ハイブリッド回路２１に入力して同相の高周波信号に合成されて出力ポートＯＵＴ２より出力される。出力電力は第１増幅器１５及び第２増幅器１６から出力される信号のほぼ２倍となる。なお、この場合には入力ポートＩＮ２、出力ポートＯＵＴ１は終端抵抗で接地される。
【０００５】
第１ハイブリッド回路２０に接続された終端抵抗は、第１及び第２増幅器１５，１６の入力側からの反射波を吸収する。なお理想的には終端抵抗が接続されるポートには電圧は現れない。また、第２ハイブリッド回路２１に接続された終端抵抗は、出力ポートＯＵＴ２へ入力する反射波を吸収し、位相や出力電力のばらつきによって生じる合成損失を吸収する。
【０００６】
前記ハイブリッド回路として、ウイルキンソン型ハイブリッド合成分配回路が知られるが、用いられる抵抗は耐圧が求められるので、小型の抵抗器を利用することが出来ない問題がある。そこでハイブリッド回路としては、ブランチライン型ハイブリッド合成分配器や９０°ハイブリッドカップラを用いる場合が多い。
【０００７】
ところで、送信ダイバーシティが可能な高周波回路としては図５で示す、複数のスイッチで構成されたものが知られている（特許文献１）。この高周波回路は、３つのＳＰＤＴスイッチ回路Ｓ１−１、Ｓ１−２，Ｓ２が用いられる。スイッチ回路Ｓ１−１の共通ポートはアンテナＡＮＴ１と接続され、単独ポートの一つが受信回路ＲＸ１と接続される。スイッチ回路Ｓ１−２の共通ポートはアンテナＡＮＴ２と接続され、単独ポートの一つが受信回路ＲＸ２と接続される。スイッチ回路Ｓ２の共通ポートは送信回路ＴＸ１と接続され、単独ポートのそれぞれが、スイッチ回路Ｓ１−１，Ｓ１−２の残りの単独ポートと接続される。各スイッチ回路を切り替えて、送信回路ＴＸと２つのアンテナＡＮＴ１、ＡＮＴ２とを選択的に接続するとともに、各アンテナＡＮＴ１、ＡＮＴ２と受信回路ＲＸ１、ＲＸ２との間の接続を切り換える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第９７／１３３２０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
送信出力電力を高め、かつアンテナダイバシティが可能な高周波回路を得ようとすれば、単純には特許文献１の高周波回路において平衡型増幅器を用いれば良い。しかしながら、送信出力電力の高出力化に伴って、各スイッチ回路へ送信器から＋２６ｄＢｍ（０．４Ｗ）以上の電力が入力される。
【００１０】
低電圧で動作し、送信出力電力が高くても伝送が可能であるように、スイッチング素子を直列に複数接続して段数を増加させ、またマルチゲート化することが行なわれるが、スイッチング素子の占める面積が大きくなりスイッチ回路も大きくなってしまう。信号経路に配置されるスイッチング素子の増加は、挿入損失の増加を招くといった問題もある。
【００１１】
そこで本発明では、平衡型増幅器を用いて構成され、挿入損失の増大を抑え、回路の大型化を防ぎながらアンテナダイバシティが利用可能な送信ダイバーシティ高周波回路と送信方法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】
【００１２】
第１の発明は、第１サーキュレータを介して第１アンテナと接続する第１出力ポートと、第２サーキュレータを介して第２アンテナと接続する第２出力ポートと、送信回路と接続される第１入力ポートと第２入力ポートを有する平衡型増幅器と、前記平衡型増幅器の各入力ポートと各出力ポートに接続されるスイッチ回路を備え、前記スイッチ回路の全てに、スイッチ素子と抵抗とが直列接続された終端回路を含み、送信回路とアンテナを選択的に接続するように前記スイッチ回路を制御することを特徴とする送信ダイバーシティ高周波回路である。
【００１３】
本発明の送信ダイバーシティ高周波回路においては、前記第１サーキュレータは第１受信回路と接続され、前記第２サーキュレータは第２受信回路と接続されるのが好ましい。
【００１４】
前記スイッチ回路は単極双投スイッチであって、前記平衡型増幅器の各入力ポートと各出力ポートには、単極である単極双投スイッチの共通ポートが接続されるのが好ましい。
【００１５】
前記平衡型増幅器は、入力側ハイブリッド回路と出力側ハイブリッド回路の間に一対の単位増幅器が接続して構成されるのが好ましく、前記入力ハイブリッド回路と前記出力ハイブリッド回路とを、９０度ハイブリッドカップラで構成するのも好ましい。各９０度ハイブリッドカップラは対向配置された２つの結合線路を備え、前記第１入力ポートに入力する信号は前記第２出力ポートから出力され、前記第２入力ポートに入力する信号は前記第１出力ポートから出力されるように平衡型増幅器を構成する。
【００１６】
また本発明の高周波回路を並列に設けて、それぞれの平衡型増幅器の出力ポート側にアンテナを接続して、データ送受信の帯域を広げる無線通信技術であるＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ  Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）を実現可能な構成としても良い。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明の送信ダイバーシティ高周波回路による送信方法であって、  第１アンテナと送信回路との接続には、送信回路と平衡型増幅器の第１入力ポートとの間を切断し、前記平衡型増幅器の第１入力ポートとグランドとの間を接続し、前記送信回路と平衡型増幅器の第２入力ポートとの間を接続し、前記平衡型増幅器の第２入力ポートとグランドとの間を切断し、第１サーキュレータの第２ポートと、平衡型増幅器の第１出力ポートとの間を接続し、前記平衡型増幅器の第１出力ポートとグランドとの間を切断し、  第２サーキュレータの第２ポートと、平衡型増幅器の第２出力ポートとの間を切断し、前記平衡型増幅器の第２出力ポートとグランドとの間を接続し、第２アンテナと送信回路との接続には、送信回路と平衡型増幅器の第１入力ポートとの間を接続し、前記平衡型増幅器の第１入力ポートとグランドとの間を切断し、前記送信回路と平衡型増幅器の第２入力ポートとの間を切断し、前記平衡型増幅器の第２入力ポートとグランドとの間を接続し、  第１サーキュレータの第２ポートと、平衡型増幅器の第１出力ポートとの間を切断し、前記平衡型増幅器の第１出力ポートとグランドとの間を接続し、第２サーキュレータの第２ポートと、平衡型増幅器の第２出力ポートとの間を接続し、前記平衡型増幅器の第２出力ポートとグランドとの間を切断して、送信時においては、送信回路とアンテナを選択的に接続する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の送信ダイバーシティ高周波回路によれば、アンテナと平衡型増幅器との間には、サーキュレータとスイッチ回路が設けられ、平衡型増幅器の複数の入力ポートと複数の出力ポートとグランドとの間に、前記スイッチ回路に含まれるスイッチ素子と抵抗とを備えた終端回路が接続される。各出力ポートには異なるアンテナが接続されているので、前記スイッチ回路を構成するスイッチング素子のＯＮ状態／ＯＦＦ状態を制御することで、高周波信号の入力ポートとアンテナとが選択されて接続する。
【００１９】
この様な簡単な構成でありながらアンテナダイバシティが利用可能であり、必要なスイッチ素子も低減できる為、挿入損失の増大を抑え、回路の大型化を防ぎながら電気的特性に優れた送信ダイバーシティ高周波回路と送信方法を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例による高周波回路の等価回路を示す図である。
【図２】本発明の一実施例に用いる平衡型増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施例に用いる平衡型増幅器であって、９０度ハイブリッドカップラを用いた構成例を示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施例による高周波回路に用いる分波回路としてのサーキュレータの等価回路である。
【図５】アンテナダイバシティが可能な無線通信装置の高周波回路部を示す回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１〜図４を基に本発明の高周波回路を説明する。図１は平衡型増幅器を用いた高周波回路の回路ブロック図である。平衡型増幅器の構成は図２で示したものと同じであって、ハイブリッド回路２０、２１の間に一対の単位増幅器１５、１６が接続されて構成されている。ハイブリッド回路２０、２１は、それぞれ２端子対回路であって、ハイブリッド回路２０の一方側は第１入力ポートＩＮ１、第２入力ポートＩＮ２と接続し、他方側は第１増幅器１５の入力側、第２増幅器１６の入力側と接続する。ハイブリッド回路２１の一方側は第１出力ポートＯＵＴ１、第２出力ポートＯＵＴ２と接続し、他方側は第１増幅器１５の出力側、第２増幅器１６の出力側と接続する。なお、各増幅器の出力側に電力モニタのための方向性結合器や高調波抑制のためのフィルタ回路が接続される場合があり、開示の回路構成に限定されること無く、効果が得られる発明の範囲内で適宜変更され得る。
【００２２】
本実施例の送信ダイバーシティ高周波回路は、第１アンテナＡＮＴ側へ接続される第１ポートＰｄａ１と、送信回路ＴＸ側へ接続される第２ポートＰｄａ２と、第１受信回路ＲＸ１側に接続される第３ポートＰｄａ３とを備えた第１サーキュレータ５ａと、第２アンテナＡＮＴ２側と接続される第１ポートＰｄ１ｂと、前記送信回路ＴＸ側と接続される第２ポートＰｄ２ｂと、第２受信回路ＲＸ２と接続される第３ポートＰｄ３ｂとを備えた第２サーキュレータと、前記送信回路ＴＸと第１スイッチ回路Ｓ１を介して接続する第１入力ポートＩＮ１と、前記送信回路ＴＸと第２スイッチ回路Ｓ２を介して接続する第２入力ポートＩＮ２と、前記第１サーキュレータの第２ポートＰｄ２ａと第３スイッチ回路Ｓ３を介して接続する第１出力ポートＯＵＴ１と、前記第２サーキュレータの第２ポートＰｄ２ｂと第４スイッチ回路Ｓ４を介して接続する第２出力ポートＯＵＴ２とを備えた平衡型増幅器１０とを備える。なお、スイッチ回路の制御回路や電源回路は図示せず省略している。
【００２３】
前記平衡型増幅器の第１入力ポートＩＮ１，第２入力ポートＩＮ２，第１入力ポートＩＮ１，第１入力ポートＯＵＴ１，第２入力ポートＯＵＴ２には、スイッチング素子ＳＷｉ１、ＳＷｉ２、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２が直列に接続されており、高周波信号の通過を制御する。また、各ポートとグランドとの間には終端回路Ｓｉ１，Ｓｉ２，Ｓｏ１，Ｓｏ２が設けられている。各終端回路は基本構成として、スイッチ素子と抵抗とが直列に接続された直列回路として構成される。直列回路の入出力ポート間のインピーダンスが、開放の状態と、抵抗で規定される終端抵抗値の状態とに電気的に切換可能であれば、適宜回路素子を加えるなどして構成しても構わない。
【００２４】
スイッチ素子としてＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やダイオードを用いることが出来る。スイッチ素子は制御ポート（例えばＦＥＴのゲート）より制御電圧が与えられＯＮ／ＯＦＦの状態が制御される。
【００２５】
本実施例においては、ハイブリッド回路２０、２１として、９０度ハイブリッドカップラを用いた平衡型増幅器を用いて高周波回路を構成した。図３に平衡型増幅器の構成例を示す。９０度ハイブリッドカップラ２０，２１は、それぞれ一対の結合線路ＬＣ１、ＬＣ２及び結合線路ＬＣ３、ＬＣ４からなる。各結合線路は動作波長λの１／４に長さで構成されており、入力された高周波信号は９０°の位相差の高周波信号に２分配される。また２分配され９０°の位相差を有する高周波信号は同相の高周波信号に合成される。
【００２６】
平衡型増幅器１０の構成に基づく動作から、各終端回路Ｓｉ１，Ｓｉ２，Ｓｏ１，Ｓｏ２の各スイッチ素子ＳＷｉ３，ＳＷｉ４、ＳＷｏ３、ＳＷｏ４と各スイッチ回路ＳＷｉ１、ＳＷｉ２、ＳＷｏ１、ＳＷｏ２は表１に示す様に制御される。なお表中、ＯＮでポート（ＦＥＴであればドレイン−ソース、ダイオードであればアノード―カソード）間が接続状態、ＯＦＦで切断状態となる。また条件１とは送信回路ＴＸと第２アンテナＡＮＴ２を接続する条件、条件２とは送信回路ＴＸと第１アンテナＡＮＴ１と接続する条件である。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
条件１では、平衡型増幅器の入力ポート側の終端回路Ｓｉ１のスイッチ素子ＳＷｉ３がＯＦＦ状態に制御されて第１入力ポートＩＮ１とグランドとの間が高インピーダンスとなり、終端回路Ｓｉ２のスイッチ素子ＳＷｉ４がＯＮ状態に制御されて低インピーダンスとなり第２入力ポートＩＮ２とグランドとの間が終端抵抗Ｒｉ２で接続される。また出力ポート側の終端回路Ｓｏ２のスイッチ素子ＳＷｏ４がＯＦＦ状態に制御されて第２出力ポートＯＵＴ２とグランドとの間が高インピーダンスとなり、終端回路Ｓｏ１のスイッチ素子ＳＷｏ３がＯＮ状態に制御されて低インピーダンスとなり第１出力ポートＯＵＴ１とグランドとの間が終端抵抗Ｒｏ１で接続される。
【００２９】
このようなスイッチ素子の制御によって、平衡型増幅器の第１入力ポートＩＮ１から入力した高周波信号は、第２出力ポートＯＵＴ２より出力される。なお反射波や合成損失は終端抵抗Ｒｏ１，Ｒｉ２に吸収される。第２出力ポートＯＵＴ２と第２分波回路５ｂとの間のスイッチ回路ＳＷｏ２と、第１入力ポートＩＮ１と送信回路Ｔｘとの間のスイッチ回路ＳＷｉ１がＯＮ状態に制御され、低インピーダンスとなる。他のスイッチ回路はＯＦＦ状態に制御されて高インピーダンスとなり、第１入力ポートＩＮ１と第２出力ポートＯＵＴ２との間が接続される。
増幅された高周波信号は、第２サーキュレータ５ｂを通って第２アンテナＡＮＴ２から放射され、もって送信回路ＴＸと第２アンテナＡＮＴ２  とが接続される。
【００３０】
条件２では、平衡型増幅器の入力ポート側の終端回路Ｓｉ１のスイッチ素子ＳＷｉ３が、ＯＮ状態に制御されて低インピーダンスとなり、第１入力ポートＩＮ１とグランドとの間が終端抵抗Ｒｉ１で接続され、終端回路Ｓｉ２のスイッチ素子ＳＷｉ４がＯＦＦ状態に制御されて第２入力ポートＩＮ２とグランドとの間が高インピーダンスとなる。また出力ポート側の終端回路Ｓｏ２のスイッチ素子ＳＷｏ４がＯＮ状態に制御されて低インピーダンスとなり、第２出力ポートＯＵＴ２とグランドとの間が終端抵抗Ｒｏ２で接続され、終端回路Ｓｏ１のスイッチ素子ＳＷｏ３がＯＦＦ状態に制御されて第１出力ポートＯＵＴ１とグランドとの間が高インピーダンスとなる。
【００３１】
このようなスイッチ素子の制御によって、第２入力ポートＩＮ２から入力した高周波信号は第１出力ポートＯＵＴ１より出力され、反射波や合成損失は終端抵抗Ｒｏ２，Ｒｉ１によって吸収される。第１出力ポートＯＵＴ１と第１分波回路５ａとの間のスイッチ回路ＳＷｏ１と、第２入力ポートＩＮ２と送信回路Ｔｘとの間のスイッチ回路ＳＷｉ２がＯｎ状態に制御され、低インピーダンスとなる。他のスイッチ回路はＯＦＦ状態に制御されて高インピーダンスとなり、同様に、送信回路ＴＸと第１アンテナＡＮＴ１が接続される。
【００３２】
本発明の高周波回路によれば、各出力ポートに対応してアンテナを設け、表１で示した条件で各スイッチ素子を制御して、高周波信号が出力する出力ポートを切り換えることによって、増幅器の出力側に設けられるスイッチ素子が従来よりも少なくても、通信状態の良いアンテナを選択するアンテナダイバシティを実現することが出来る。また、信号経路に配置されるスイッチ素子を少なくできるので、損失の増加を防ぐとともに小型に構成することが出来る。
【００３３】
なお、固定局と移動局が近くにあって大きな送信出力電力が必要で場合には、一方の増幅器を非動作状態としても良い。この場合、第１、第２ハイブリッド回路によって分配損失が発生するものの、増幅器による電力消費を抑えることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０  平衡型増幅器
１５  第１増幅器
１６  第２増幅器
２０  第１ハイブリッド回路
２１  第２ハイブリッド回路
ＩＮ１  第１入力ポート
ＩＮ２  第２入力ポート
ＯＵＴ１  第１出力ポート
ＯＵＴ２  第２入力ポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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