(57)【要約】【課題】簡単な回路構成によりアンテナに供給する高周波信号の電力を一定に保つことができる高周波信号増幅器を得る。【解決手段】主増幅器４は高周波信号を増幅する。主増幅器４の出力端子とアンテナ２との間に信号線路５が接続されている。長さ又は終端が異なる結合線路６，７がそれぞれ信号線路５に平行に配置されている。移相器８，１０は、結合された信号線路５及び結合線路６，７を介してそれぞれ印加された高周波信号を位相変化させて主増幅器４の入力端子に供給し、移相器８，１０はそれぞれ異なる位相変化量を持つ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子及び出力端子を有し、高周波信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部の前記出力端子とアンテナとの間に接続された信号線路と、
前記信号線路に平行に配置され、それぞれ長さ又は終端が異なる複数の結合線路と、
結合された前記信号線路及び前記複数の結合線路を介してそれぞれ印加された高周波信号を位相変化させて前記増幅部の前記入力端子に供給し、それぞれ異なる位相変化量を持つ複数の移相器とを備えることを特徴とする高周波信号増幅器。
【請求項２】
出力端子を有し、高周波信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部の前記出力端子とアンテナとの間に接続された信号線路と、
前記信号線路に平行に配置され、それぞれ長さ又は終端が異なる複数の結合線路と、
結合された前記信号線路及び前記複数の結合線路を介してそれぞれ高周波信号が印加されると直流信号を出力する複数の検波器と、
それぞれ異なるインピーダンス変成量を有する複数の整合回路と、
前記増幅部の前記出力端子と前記複数の整合回路との間にそれぞれ接続され、前記複数の検波器からの直流信号に応じてそれぞれオン・オフする複数のスイッチとを備えることを特徴とする高周波信号増幅器。
【請求項３】
前記複数の結合線路の少なくとも１つは終端が短絡又は開放であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波信号増幅器。
【請求項４】
前記複数の結合線路は前記信号線路に１００μｍ以下まで近接していることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の高周波信号増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にマイクロ波・ミリ波領域で動作する高周波信号増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等の移動体無線装置の普及により、高周波信号増幅器及びアンテナの高性能化が求められている。さらに、高周波信号増幅器から所望の高周波信号の電力がアンテナに供給されるように、高周波信号増幅器の負荷とアンテナの負荷との間でインピーダンス整合が取られている必要がある。
【０００３】
しかし、移動体無線装置の状況の違いによってアンテナの負荷が変動する。例えば携帯電話が手で覆われる、絶縁体上に置かれる、導電体上に置かれる、宙に吊り下げられるといった状況の違いによってアンテナの負荷が変動する。このため、想定したインピーダンス整合を実現できず、アンテナに充分な高周波信号電力を供給できないという問題があった。
【０００４】
そこで、アンテナの負荷を検出する検出器と、可変容量と、アンテナの負荷に応じて可変容量に電圧を印加する制御用集積回路とを高周波信号増幅器の出力端子に設けることが提案されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。これにより、アンテナの負荷変動に応じてインピーダンスを変化させることで、アンテナに供給する高周波信号の電力を一定に保つことができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】”Mobile Phone Performance Improvements using an Adaptively Controlled Antenna Tuner, ”2011 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest, June 2011
【非特許文献２】”CMOS Based Tunable Matching Networks for Cellular Handset Applications,” 2011 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest, June 2011
【非特許文献３】”High Performance Tuners for Handsets, ”2011 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest, June 2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、集積回路である高周波信号増幅器の他に更に制御用集積回路を設けると、移動体無線装置の構成が複雑になる。また、可変容量に印加すべき電圧の判定が困難である。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は簡単な回路構成によりアンテナに供給する高周波信号の電力を一定に保つことができる高周波信号増幅器を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る高周波信号増幅器は、入力端子及び出力端子を有し、高周波信号を増幅する増幅部と、前記増幅部の前記出力端子とアンテナとの間に接続された信号線路と、前記信号線路に平行に配置され、それぞれ長さ又は終端が異なる複数の結合線路と、結合された前記信号線路及び前記複数の結合線路を介してそれぞれ印加された高周波信号を位相変化させて前記増幅部の前記入力端子に供給し、それぞれ異なる位相変化量を持つ複数の移相器とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、簡単な回路構成によりアンテナに供給する高周波信号の電力を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る高周波信号増幅器を示す図である。
【図２】比較例に係る高周波信号増幅器を示す図である。
【図３】アンテナの負荷が５０Ωの場合に図１の三重結合線路の通過特性を計算した結果を示す図である。
【図４】アンテナの負荷が短絡の場合に図１の三重結合線路の通過特性を計算した結果を示す図である。
【図５】アンテナの負荷が開放の場合に図１の三重結合線路の通過特性を計算した結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る高周波信号増幅器の変形例１を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る高周波信号増幅器の変形例２を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る高周波信号増幅器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態に係る高周波信号増幅器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る高周波信号増幅器を示す図である。高周波信号増幅器１はアンテナ２に高周波信号を供給する。高周波信号増幅器１において、入力した高周波信号をドライバ増幅器３が増幅し、それを主増幅器４が更に増幅する。
【００１３】
主増幅器４の出力端子とアンテナ２との間に信号線路５が接続されている。この信号線路５に平行に結合線路６，７が配置されている。結合線路６は、線路長が高周波信号の波長の四分の一であり、終端が開放である。結合線路７は、線路長が高周波信号の波長の四分の一であり、終端が短絡である。結合線路６，７は信号線路５に１００μｍ以下まで近接している。結合線路６，７の終端はアンテナ２側である。
【００１４】
結合線路６，７の終端や長さに応じて、結合線路６，７と信号線路５の結合度が最も強くなるアンテナ２の負荷が決まる。アンテナ２の負荷が短絡（反射位相が０度）の場合には、終端が開放した結合線路６（反射位相が１８０度）が信号線路５に強く結合する。この場合には、移相器８は、結合された信号線路５及び結合線路６を介して印加された高周波信号を位相変化させて、主増幅器４の入力端子にフィードバック用増幅器９を介して供給する。
【００１５】
一方、アンテナ２の負荷が開放（反射位相が１８０度）の場合には、終端が短絡した結合線路７（反射位相が０度）が信号線路５に強く結合する。この場合には、移相器１０は、結合された信号線路５及び結合線路７を介して印加された高周波信号を位相変化させて、主増幅器４の入力端子にフィードバック用増幅器１１を介して供給する。
【００１６】
移相器８，１０はそれぞれ異なる位相変化量を持つ。より詳細には、移相器８及びフィードバック用増幅器９は、アンテナ２の負荷が短絡である場合に、正帰還に近い帰還が実現されるように設計されている。一方、移相器１０及びフィードバック用増幅器１１は、アンテナ２の負荷が開放である場合に、正帰還に近い帰還が実現されるように設計されている。
【００１７】
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図２は、比較例に係る高周波信号増幅器を示す図である。比較例では、終端がダミー抵抗１２に接続された単一の結合線路１３を用いる。
【００１８】
高周波信号がアンテナ２で強く反射され、アンテナ２へ充分に高周波信号の電力を供給できない場合を考える。この場合、結合線路１３を介して反射信号を主増幅器４に帰還させて再び増幅させることで、高周波信号増幅器１の出力電力を向上させることができる。この際、帰還が正帰還に近くなるように通過位相を調整した移相器１４及びフィードバック用増幅器１５が必要となる。
【００１９】
アンテナ２の負荷が開放か短絡かによって、その反射位相は１８０度異なる。ここで、アンテナ２の負荷が短絡である場合に正帰還に近い帰還が実現され出力電力が向上するように移相器１４及びフィードバック用増幅器１５を設計したとする。このような増幅器を用いた携帯電話の周囲の状況が変化してアンテナ２の負荷が開放へと変化した場合、主増幅器４に帰還する反射信号の位相は１８０度変わり、負帰還に近い帰還が実現され、逆に出力電力が低下してしまう。このように、比較例では、帰還によって利得や出力電力が向上するか又は低下するかが、アンテナ２の反射位相に依存するという問題がある。
【００２０】
これに対して、実施の形態１では、アンテナ２の負荷が短絡である場合には、結合線路６が信号線路５と結合し、信号が移相器８及びフィードバック用増幅器９を通過して正帰還に近い帰還が実現される。一方、アンテナ２の負荷が開放である場合には、結合線路７が信号線路５と結合し、信号が移相器１０及びフィードバック用増幅器１１を通過して正帰還に近い帰還が実現される。
【００２１】
図３は、アンテナの負荷が５０Ωの場合に図１の三重結合線路の通過特性を計算した結果を示す図である。図４は、アンテナの負荷が短絡の場合に図１の三重結合線路の通過特性を計算した結果を示す図である。図５は、アンテナの負荷が開放の場合に図１の三重結合線路の通過特性を計算した結果を示す図である。ここでは、２ＧＨｚの周波数帯域を想定して、信号線路５と結合線路６，７からなる三重線路を設計した。｜Ｓ２１｜は主増幅器４から移相器８に伝送される高周波信号の通過率であり、｜Ｓ３１｜は主増幅器４から移相器１０に伝送される高周波信号の通過率である。
【００２２】
図３の場合、周波数２ＧＨｚの高周波信号に対して何れの通過率も−１２ｄＢ程度になっている。図４の場合、移相器１０への通過率｜Ｓ３１｜が０になるのに対して、移相器８への通過率｜Ｓ２１｜はアンテナ２の負荷が５０Ωの場合よりも増加する。図５の場合、移相器８への通過率｜Ｓ２１｜が０になるのに対して、移相器１０への通過率｜Ｓ３１｜はアンテナ２の負荷が５０Ωの場合よりも増加する。
【００２３】
このように実施の形態１では、アンテナ２の負荷変動に応じてフィードバック経路が自動的に切り替わる。このため、アンテナ２の負荷変動に応じて高周波信号増幅器１の動作も自動的に変化する。よって、簡単な回路構成によりアンテナ２に供給する高周波信号の電力を一定に保つことができる。
【００２４】
図６は、本発明の実施の形態１に係る高周波信号増幅器の変形例１を示す図である。変形例１では五重結合線路を用いる。このように三重以上の結合線路を用いた場合でも上記の効果を得ることができる。
【００２５】
図７は、本発明の実施の形態１に係る高周波信号増幅器の変形例２を示す図である。変形例２では二段の三重結合線路を用いる。このように結合線路を二段以上直列接続した場合でも上記の効果を得ることができる。
【００２６】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係る高周波信号増幅器を示す図である。実施の形態２では、実施の形態１の移相器８，１０とフィードバック用増幅器９，１１の代わりに、検波器１６，１７とスイッチ１８，１９と整合回路２０，２１が設けられている。
【００２７】
検波器１６，１７は、結合された信号線路５及び結合線路６，７を介してそれぞれ高周波信号が印加されると直流信号を出力する。整合回路２０，２１はそれぞれ異なるインピーダンス変成量を有する。具体的には、整合回路２０は、アンテナ２の負荷が短絡の場合に高周波信号増幅器１とアンテナ２のインピーダンス整合を取るように設計されている。一方、整合回路２１は、アンテナ２の負荷が開放の場合に高周波信号増幅器１とアンテナ２のインピーダンス整合を取るように設計されている。
【００２８】
スイッチ１８，１９は、主増幅器４の出力端子と整合回路２０，２１との間にそれぞれ接続され、検波器１６，１７からの直流信号に応じてそれぞれオン・オフする。具体的には、スイッチ１８，１９は、制御端子に直流信号が印加されると、高周波信号を遮断するオフ状態から高周波信号を通過させるオン状態に切り替わる。ただし、アンテナからの反射信号が微弱である場合、スイッチ１８，１９はオフ状態となり、整合回路２０，２１は高周波信号増幅器の動作に影響を与えない。
【００２９】
アンテナ２の負荷が短絡（反射位相が０度）の場合には、終端が開放した結合線路６（反射位相が１８０度）が信号線路５に強く結合する。この場合には、結合された信号線路５及び結合線路６を介して高周波信号が印加されるため、検波器１６は直流信号を出力し、スイッチ１８がオンする。従って、整合回路２０がインピーダンス変成を行って高周波信号増幅器１とアンテナ２のインピーダンス整合を取る。
【００３０】
一方、アンテナ２の負荷が開放（反射位相が１８０度）の場合には、終端が短絡した結合線路７（反射位相が０度）が信号線路５に強く結合する。この場合には、結合された信号線路５及び結合線路７を介して高周波信号が印加されるため、検波器１７は直流信号を出力し、スイッチ１９がオンする。従って、整合回路２１がインピーダンス変成を行って高周波信号増幅器１とアンテナ２のインピーダンス整合を取る。
【００３１】
このように実施の形態２では、アンテナ２の負荷変動に応じて整合回路２０，２１の接続が自動的に切り替わる。これにより、高周波信号増幅器１とアンテナ２のインピーダンス整合を自動的に取って、アンテナ２からの反射を抑制することができる。よって、簡単な回路構成によりアンテナに供給する高周波信号の電力を一定に保つことができる。また、アンテナ２からの反射信号が主増幅器４の出力端子に入力するのを防ぐことができるため、バイアス電力から高周波電力への変換効率を向上させることができる。
【００３２】
なお、結合線路の終端や長さに応じて結合線路と信号線路５の結合度が最も強くなるアンテナ２の負荷が決まる。従って、実施の形態１，２では、終端が異なる結合線路６，７を用いたが、長さが異なる複数の結合線路を用いてもよい。この場合でも同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、実施の形態１，２ではアンテナ２の負荷が短絡又は開放である場合に信号線路５に強く結合する結合線路６，７を用いたが、アンテナ２の負荷が短絡や開放以外のときに強く結合する結合線路を用いてもよい。このような結合線路を作成する場合、その終端の反射位相が以下の式を満たすように設計する。
（結合線路の終端の反射位相）＝１８０度−（アンテナの反射位相）
【００３４】
また、実施の形態２では結合線路６，７が信号線路５に強く結合しても、高周波信号増幅器１の出力電力が充分高くなければ、スイッチ１８，１９が切り替わらない。従って、出力電力が微弱でもアンテナ２の負荷変動に対応させるならば実施の形態１を選択し、特定以上の出力電力でアンテナ２の負荷変動に対応させるならば実施の形態２を選択する。また、実施の形態２において、三重以上の結合線路を用いた場合や、結合線路を二段以上直列接続した場合でも上記の効果を得ることができる。
【００３５】
また、ドライバ増幅器３や主増幅器４の材料や構造は任意である。例えば、材料はシリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、窒化シリコン、砒化ガリウム、窒化ガリウム、燐化インジウムなどである。構造は、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、真空管などである。
【符号の説明】
【００３６】
１  高周波信号増幅器
２  アンテナ
４  主増幅器（増幅部）
５  信号線路
６，７  結合線路
８，１０  移相器
１６，１７  検波器
１８，１９  スイッチ
２０，２１  整合回路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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