(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｗ−ＣＤＭＡ方式の送信回路に用いられる高周波増幅装置であって、
出力段に第１の半導体素子を用いた増幅器を有する高出力側の経路と、
出力段に該第１の半導体素子よりも小さい第２の半導体素子を用いた増幅器を有する低出力側の経路と、
前記高出力側の経路と前記低出力側の経路のいずれか一方を出力レベルの要求に応じて切り替えて使用するための入力側の分岐回路及び出力側の分岐回路と、
該入力側の分岐回路の前、又は分岐後の各経路の少なくとも一箇所に設けた可変位相器と、
切替時に可変位相器の位相長を、各経路の通過位相長の差が±２０度以内となるように、前記低出力側の経路を使用する場合の前記可変位相器の位相長が、前記高出力側の経路を使用する場合の前記可変位相器の位相長よりも長くなるように設定する手段と
を備えていることを特徴とする高周波増幅装置。
【請求項２】
Ｗ−ＣＤＭＡ方式の送信回路に用いられる高周波増幅装置であって、
出力段に第１の半導体素子を用いた増幅器を有する高出力側の経路と、
出力段に該第１の半導体素子よりも小さい第２の半導体素子を用いた増幅器を有する低出力側の経路と、
前記高出力側の経路と前記低出力側の経路のいずれか一方を出力レベルの要求に応じて切り替えて使用するための入力側の分岐回路及び出力側の分岐回路と、
前記高出力側の経路と前記低出力側の経路のいずれか一方に設けられた伝送線路と
を備え、
該伝送線路は、各経路の通過位相長の差が±２０度以内となるように、前記低出力側の経路を使用する場合に前記伝送線路によって与えられる位相長が、前記高出力側の経路を使用する場合に前記伝送線路によって与えられる位相長よりも長くなるような値に設定されている
ことを特徴とする高周波増幅装置。
【請求項３】
前記伝送線路は、低出力側の経路の入力側に配置されており、その線路インピーダンスが５０Ωであることを特徴とする請求項２に記載の高周波増幅装置。
【請求項４】
Ｗ−ＣＤＭＡ方式の送信回路に用いられる高周波増幅装置であって、
出力段に第１の半導体素子を用いた増幅器を有する高出力側の経路と、
出力段に該第１の半導体素子よりも小さい第２の半導体素子を用いた増幅器を有する低出力側の経路と、
前記高出力側の経路と前記低出力側の経路のいずれか一方を出力レベルの要求に応じて切り替えて使用するための入力側の分岐回路及び出力側の分岐回路と、
前記高出力側の経路の入力側に設けられた第１の整合回路と、
前記低出力側の経路の入力側に設けられた第２の整合回路と
を備え、
該第１の整合回路が並列のインダクタンスと直列のキャパシタンスで構成され、該第２の整合回路は、該第１の整合回路よりも位相が多く回るように、並列のキャパシタンスと直列のインダクタンスとで構成され、各経路の通過位相長の差が±２０度以内となるように該第１および第２の整合回路の各素子の値が設定されている
ことを特徴とする高周波増幅装置。
【請求項５】
高出力側の経路の増幅器及び低出力側の経路の増幅器のそれぞれは、自身の経路から他方の経路に切り替えられたときに動作停止状態になることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一に記載の高周波増幅装置。
【請求項６】
前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とが１個の半導体チップに搭載されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一に記載の高周波増幅装置。
【請求項７】
ベースバンドの送信信号を中間周波送信信号に変換しかつ中間周波受信信号をベースバンドの受信信号に変換するベースバンド部と、該ベースバンド部が出力する中間周波送信信号を無線周波送信信号に変換するアップコンバータと、該アップコンバータが出力する無線周波送信信号を増幅してアンテナに供給する高周波電力増幅装置と、アンテナからの無線周波受信信号を増幅して中間周波受信信号に変換し、該中間周波受信信号を該ベースバンド部に供給する受信部とを有し、該高周波電力増幅装置は、請求項１〜請求項６のいずれか一に記載の高周波増幅装置であることを特徴とする送受信装置。
【請求項８】
送信信号を中間周波送信信号に変換しかつ中間周波受信信号をベースバンドの受信信号に変換するベースバンド部と、該ベースバンド部が出力する中間周波送信信号を無線周波送信信号に変換するアップコンバータと、該アップコンバータが出力する無線周波送信信号を増幅してアンテナに供給する高周波電力増幅装置と、アンテナからの無線周波受信信号を増幅して中間周波受信信号に変換し、該中間周波受信信号を該ベースバンド部に供給する受信部とを有する送受信装置をデュアルバンド型又はデュアルモード型を形成するために二組備え、少なくとも一方の送受信装置の高周波電力増幅装置は、請求項１〜請求項６のいずれか一に記載の高周波増幅装置であることを特徴とする携帯端末。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信用送受信装置の送信部に使われる高周波増幅装置に係り、特に高出力時及び低出力時のいずれにおいても高効率動作が要求される携帯電話等の高周波電力増幅装置に適用して好適な高周波電力増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動端末と該移動端末に対して無線で回線接続を行なう基地局とを備える移動通信システムは、携帯電話システムを中心に大きく発展しており、中でもＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）方式によるシステムは、今後に世界的な普及が期待されている。ＣＤＭＡ方式携帯電話システムでは、携帯電話端末（移動端末）に対し、基地局からの距離やビル陰等の通信環境に応じて送信電力を変えることが要求される。このとき、高出力時と低出力時のいずれにおいても、送信電力に対する消費電力の比である効率を高く維持することが電池を電源とする携帯電話端末の増幅装置に強く要求される。
【０００３】
一般に、半導体素子を用いた高周波増幅装置では出力レベルが大きいほど効率が良くなり、取り出し得る最大出力である飽和出力の近傍で最も高くなる。また、飽和出力のレベルは、使う半導体素子の大きさに依存する。このため、低出力時の効率を良くするために、使用する半導体素子を小さな物にして飽和レベルの低い増幅装置を作ると高出力時に必要とする出力が得られない。また、サイズの大きい半導体素子を用いて高出力時で高効率となる増幅装置を作ると低出力時に著しく効率が低下することとなる。
【０００４】
このように一つの増幅装置で高出力時と低出力時の両方で高効率を実現することは困難である。そのため、サイズの異なる半導体素子を高出力用と低出力用に用意しておき、出力レベルに応じて２者を切り替えて用いる方法を採用した増幅装置が、例えば特開平７−１１５３３１号公報に記載されている。
【０００５】
上記公報に記載された、出力レベルに応じて出力段を切り替えて使う従来の増幅装置の一例を図８に示す。高周波信号入力端子301から入った高周波信号は、駆動段となる初段増幅器304及び２段目増幅器305を経て通路切り替え用のスイッチ回路303に入る。入力側のスイッチ回路303及び出力側のスイッチ回路306は、単なる伝送線路307だけの経路と、一段の増幅器308による出力段を通る経路と、二段の増幅器309，310からなる出力段を通る経路とのいずれかを選択し、高周波信号出力端子302に高周波信号を出力する。単なる伝送線路307だけの経路が選択された場合は、増幅器305が出力段となる。各経路の出力段はそれぞれ異なる最大出力電力を有している。なお、駆動段増幅器304，305への電源が電源回路311から与えられ、選択された経路の出力段増幅器のみを動作させるためのバイアス電源がバイアス電源回路312によって与えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術例では，経路を切り替えて出力段を変えると、その都度信号経路の長さが変わり、また使用する半導体素子の大きさやその個数が変わるため出力信号の位相が大幅に変化する。本発明者が行なったシミュレーション及び実験では、高出力側の飽和電力を＋３０ｄＢｍとし、低出力側の飽和電力を＋２０ｄＢｍとして１０：１の出力差を持たせた場合に１００度近く高出力側の方の位相が回ることが判明した。
【０００７】
従来の携帯電話システムで採用されている、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communication）やＰＤＣ（Personal Digital Cellular）或いはＮ−ＣＤＭＡ（Narrowband-CDMA）等の各方式では、基地局は、時間的にその時点でのスロットだけを用いて復調する復調方式を用いているため、出力段経路を切り替えたときにその前後で位相が大幅に変化してもあまり問題にならない。
【０００８】
しかし、次世代のＷ−ＣＤＭＡ（Wideband-CDMA）方式においては、復調に対して、現時点でのスロットだけでなくその前後のスロットの状態を加味するＷＭＳＡ(Weighted Multi-Slot Averaging）技術が用いられる。このため、経路を切り替えた前後で位相が大幅に変わると正確な復調が不可能になると言う不都合が発生する。
【０００９】
本発明の目的は、異なる出力レベルに切り替える際に発生する位相の変化を低減することが可能な高効率の高周波増幅装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の前記課題は、出力段に半導体素子を用いた増幅器を有する高出力側の経路と出力段に該半導体素子よりも小さい半導体素子を用いた増幅器を有する低出力側の経路を出力レベルの要求に応じて切り換えるために設けた入力側の分岐回路の前、又は分岐後の各経路の少なくとも一箇所に可変位相器を設け、該可変位相器の位相長を、いずれの経路を通っても各経路の通過位相長がほぼ同じになるように切替時に予め決められた値に設定することによって効果的に解決することが可能である。このような手段を採用することにより、高出力時と低出力時の双方において高効率動作を確保すると共に高出力動作時の高周波信号の位相と低出力動作時の高周波信号の位相とがほぼ一致する高周波増幅装置を実現することができる。なお、発明者らが行なった基本検討結果では、高出力側と低出力側の位相差を±２０度以内とすれば、Ｗ−ＣＤＭＡ方式の復調系において問題が生じないことが分かった。
【００１１】
本発明の前記課題は、その他に、出力レベルの要求に応じて切り替えられる高出力側の経路と低出力側の経路のいずれか一方に伝送線路を設け、該伝送線路の長さを、いずれの経路を通っても各経路の通過位相量がほぼ同じになるように予め決められた値に設定しておくことによっても効果的に解決することが可能である。
【００１２】
本発明の前記課題は、更にその他に、出力レベルの要求に応じて切り替えられる高出力側の経路と低出力側の経路のそれぞれの入力側に整合回路を設け、高出力側の整合回路を並列のインダクタンスと直列のキャパシタンスで構成し、低出力側の整合回路を並列のキャパシタンスと直列のインダクタンスで構成することによっても効果的に解決することが可能である。双方の整合回路を上記のように構成することによって双方の整合回路が互いに異なる位相量を有するため、経路切替によって発生する位相差を該異なる位相量によって吸収するように各整合回路の位相量を設定しつつ整合調整を行なうことができるからである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る高周波増幅装置及び送受信装置を図面に示した幾つかの発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。
【００１４】
本発明の高周波増幅装置の第１の実施の形態を図１に示す。第１の実施形態は、高出力側２段増幅器と低出力側２段増幅器の２系列を有している。図１において、高周波増幅装置の高周波回路部１３は、高周波信号入力端子1からの高周波信号に対して位相調整を行なう可変位相器（φ）２と、可変位相器２を経た信号を２系列に分岐する分岐回路３と、分岐された一方の信号を入力する、初段増幅器４及び高出力側終段増幅器５から成る高出力側２段増幅器と、分岐された他方の信号を入力する、初段増幅器８及び低出力側終段増幅器９から成る低出力側２段増幅器と、高出力側及び低出力側増幅器の出力信号を分岐して高周波信号出力端子７に出力する分岐回路６とから成る。高出力側終段増幅器５には、低出力側終段増幅器９の増幅素子よりも大きい増幅素子が用いられる。そして、各増幅器には増幅素子としてバイポーラトランジスタが用いられる。また、これら増幅素子の全てを１個の半導体チップに搭載することが可能であり、それによって高周波増幅装置が著しく小型化される。
【００１５】
次に、高周波増幅装置の制御電源回路部１０は、位相量即ち通過位相長を変えるための電圧を可変位相器２に供給する位相器電源（Vp）103と、各増幅器へベースバイアス電圧を供給するベースバイアス源（Vb）102と、各増幅器へコレクタ電圧を供給するコレクタ駆動電源（Vc）101とから成る。位相器電源103、ベースバイアス源102及びコレクタ駆動電源101には制御信号端子１２から制御信号が与えられ、該制御信号によって可変位相器２を経た信号が高出力側又は低出力側のいずれか一方を通るように制御される。
【００１６】
上記構成において、高出力側を動作させる場合は、増幅器３，４のベースバイアス電圧が規定の値に設定されると共に、低出力側の増幅器８，９のベースバイアス電圧が零に設定される。この設定によって低出力側の増幅器８，９が動作停止状態になる。更に、通過位相長が予め設定された値になるよう位相器にかける電圧が高出力側動作時用の値に設定される。
【００１７】
また、低出力側を動作させる場合には、増幅器８，９のベースバイアス電圧が規定の値に設定されると共に、高出力側の増幅器４，５のベースバイアス電圧が零に設定される。この設定によって高出力側の増幅器４，５が動作停止状態になる。更に、通過位相長が予め設定された値になるように位相器にかける電圧が低出力側動作時用の値に設定される。
【００１８】
各増幅器のコレクタ駆動電圧は、両経路の各増幅器とも常にかけたままの状態でも良いし、ベース電圧を零にすると同時に零にしても良い。
【００１９】
なお、本実施形態では、高出力側経路及び低出力側経路とも２段増幅器の構成としたが、それぞれ別個に１段又は３段以上とすることも可能である。また、増幅器の半導体素子としてバイポーラトランジスタを用いたが、使用する半導体素子はこれに限定されるものではなく、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）やＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等でも良い。この場合は、ベースバイアス源102はゲートバイアス源に変更され、コレクタ駆動電源101はドレイン駆動電源に変更される。
【００２０】
ここで、可変位相器２の構成例を図２に示す。高周波信号入力端子1からの高周波信号は、先ずサーキュレータ２０の第一ポート２１に入りサーキュレータの第二ポート２２の先に設けられた可変容量ダイオード２４で反射され再びサーキュレータに入り第三ポート２３から出力される。可変容量ダイオード２４には、制御信号に応じた位相器電源103からの電圧が直流バイアス端子２５を経て印加される。制御信号に応じた電圧の印加によってダイオード２４の容量が変化することにより、第一ポート２１から第三ポート２３までの等価位相長が変化する。
【００２１】
なお、本実施形態では可変位相器２の挿入位置を入力側の分岐回路３の前としたが、この挿入位置は分岐回路３の後の高出力側か低出力側のいずれか一方に挿入することにより同様の効果を得ることができる。
【００２２】
位相調整用に伝送線路を用いた本発明の高周波増幅装置の第２の実施の形態を図３に示す。本実施形態の高周波増幅装置の高周波回路部１３は、高周波信号入力端子1からの高周波信号を分岐するスイッチ回路３０と、スイッチ回路３０により分岐された一方の信号を入力する、初段増幅器４及び高出力側終段増幅器５から成る高出力側２段増幅器と、スイッチ回路３０により分岐された他方の信号を入力する一定長のマイクロストリップ線路１４と、線路１４の出力信号を入力する、初段増幅器８及び低出力側終段増幅器９から成る低出力側２段増幅器と、高出力側及び低出力側増幅器の出力信号を分岐して高周波信号出力端子７に出力する分岐回路６とから成る。
【００２３】
また、高周波増幅装置の制御電源回路部１０は、位相器電源103に代えてスイッチ動作を行なわせるための電圧をスイッチ回路３０に供給するスイッチ回路電源（Vs）104を備えるほかは、第１の実施形態と同じである。
【００２４】
上記構成において、マイクロストリップ線路１４の長さは、高出力側２段増幅器と低出力側２段増幅器のそれぞれに対して実測した通過位相長の差を吸収する値に設定される。
【００２５】
一般に増幅器は、出力が高くなるに従ってその終段に使用する半導体素子が大くなるため、等価的に大きな容量が付加されることと成り、そのため位相の回りが大きくなる。このことを考慮し、本実施形態では低出力側にマイクロストリップ線路１４を挿入した。また、入力側の分岐回路をスイッチ回路３０とし、マイクロストリップ線路１４のインピーダンスを５０Ωすることにより、その後の増幅器８，９の位相以外の特性に影響を与えることなく低出力側の通過位相を調整することができる。
【００２６】
なお、伝送線路の挿入位置は、本実施形態のように一般的には低出力側とする場合が多いが、増幅器の整合回路の形式や使用する半導体素子により位相関係が逆転した場合には、高出力側となる。また、伝送線路としてマイクロストリップ線路を使用する場合を示したが、増幅器の構造によりコプレーナ線路や同軸線路等を使用しても良い。
【００２７】
ここで、スイッチ回路３０の構成例を図４に示す。高周波信号入力端1と高出力側への伝送線路３３と低出力側への伝送線路３４の間に各々ピンダイオード３１，３２が挿入される。各々のダイオードにはスイッチ回路電源104からの電圧が電源端子３５，３６を経て印加される。
【００２８】
この構成において、高出力側を動作させる場合には、増幅器３，４のベース電圧が規定の値に設定されると共に、低出力側の増幅器８，９のベース電圧が零に設定される。この設定によって低出力側の増幅器８，９が動作停止状態になる。更に、高出力側のピンダイオード３１がオン状態となるように電源端子３５から所定の電圧が印加される。
【００２９】
また、低出力側を動作させる場合は、増幅器８，９のベース電圧が規定の値に設定されると共に、高出力側の増幅器４，５のベース電圧が零に設定される。この設定によって高出力側の増幅器４，５が動作停止状態になる。更に、低出力側のピンダイオード３２がオン状態となるように電源端子３６から所定の電圧が印加される。
【００３０】
本実施形態では位相調整に伝送線路が用いられるため、構成の簡単な高周波増幅装置を実現することできる。
【００３１】
整合回路を用いて位相調整を行なうようにした本発明の高周波増幅装置の第３の実施の形態を図５に示す。図５では、高出力側の初段増幅器の入力整合回路４１と低出力側の初段増幅器の入力整合回路８１を具体的なインダクタとキャパシタを使った等価回路で示した。
【００３２】
図５において、高出力側の初段増幅器の整合回路４１は並列のインダクタＬ１と直列のキャパシタＣ１とで構成されており、低出力側の初段増幅器の整合回路８１は並列のキャパシタＣ２と直列のインダクタＬ２とで構成されている。また、同図において、４２は高出力側増幅器の半導体素子、８２は低出力側増幅器の半導体素子、４３は半導体素子４２の出力側整合回路、８３は初段半導体素子８２の出力側整合回路である。
【００３３】
図６に整合回路４１及び整合回路８１の整合に至るインピーダンス軌跡をスミスチャート上に示す。入力側の分岐回路３のインピーダンス５０Ω点６２から高出力側は先ず並列インダクタンスＬ１により軌跡６４に沿って動き、次に直列キャパシタンスＣ１により軌跡６３を通り半導体素子の整合負荷インピーダンス点６１に至る。低出力側は先ず並列キャパシタンスＣ２により軌跡６６に沿って動き、次に直列インダクタンスＬ２により軌跡６５を通り半導体素子の整合負荷インピーダンス点６１に至る。この例では高出力側の初段増幅器の半導体素子４２と低出力側の初段増幅器の半導体素子８２の大きさを同じとしたので、両者の整合負荷インピーダンスはほぼ同じ値となった。
【００３４】
図６から分かるように、高出力側と低出力側とでインピーダンス軌跡が違うため同じ整合条件を満たしながら通過の位相長を変えることができる。即ち、整合回路４１はハイパスフィルタ、整合回路８１はローパスフィルタの構成となるので、この例で示す低出力側で採用した回路構成の方が高出力側で採用した回路構成に比べて位相が多く回る。このため、整合回路４１，８１は、出力段に設けた素子の大きさが高出力側で大きいため高出力側の位相が多く回るのをキャンセルするように動作し、高出力側と低出力側の通過位相の差を小さくすることができる。
【００３５】
本実施形態により、位相調整用に可変位相器や伝送線路の付加を必要としない極めて簡易な高周波増幅装置を実現することができる。
【００３６】
以上に説明した本発明の高周波増幅装置を適用した送受信装置の発明の実施の形態を図７に示す。本送受信装置は、特にＣＤＭＡ方式携帯電話システムの携帯電話端末として用いて好適である。
【００３７】
図７において、送受信装置の送信側は、マイクロフォン201からの音声信号を処理して中間周波送信信号にするベースバンド部202と、ベースバンド部202が出力する中間周波送信信号を増幅する中間周波可変利得増幅器203と、可変利得増幅器203が出力する中間周波送信信号を無線周波の高周波信号に変換するアップコンバータ204と、アップコンバータ204に搬送波を供給する局部発信器206と、アップコンバータ204が出力する高周波信号を増幅する高周波可変利得増幅器205と、高周波可変利得増幅器205の出力する高周波信号を送信波のレベルまで増幅する高周波電力増幅装置200と、高周波電力増幅装置200の出力する送信波をアンテナ208に供給するアンテナ共用器207とから成る。高周波電力増幅装置200に本発明の高周波増幅装置が用いられる。
【００３８】
また、受信側は、アンテナ208及びアンテナ共用器207を経た受信波を増幅し、更にダウンコンバートして中間周波受信信号を出力する受信部209を有し、ベースバンド部202が同中間周波受信信号を処理して音声信号にし、同音声信号をスピーカ210に供給する。
【００３９】
この構成において、可変利得増幅器203，205の利得設定及び電力増幅装置200の高出力側と低出力側の経路切替は、ベースバンド部202からの制御信号211による制御によって行なわれる。
【００４０】
上記説明ではＣＤＭＡ方式用の携帯電話端末に適用して好適な例を取り上げたが、本発明の適用はこれに限るものではなく、例えばＣＤＭＡ方式とＧＳＭ方式の両者の信号を扱うようにしたデュアルモード携帯端末又は異なる周波数帯域の二組の信号を扱うようにしたデュアルバンド携帯端末等にも適用可能である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、高出力用の増幅経路と低出力用の増幅経路のいずれの経路を通っても各経路の通過位相長をほぼ同じにすることができる。これにより、高出力と低出力とで共に高効率の増幅を行なうことが可能になると共に高出力時の高周波信号の位相と低出力時の高周波信号の位相とがほぼ一致する高周波増幅装置を実現することができ、もってＣＤＭＡ方式等の携帯電話端末において低消費電力化を図ると共に信号復調時のエラーを小さく押さえることが可能となる。また、位相器を使用せず伝送線路やインダクタンスとキャパシタンス等の受動回路だけで位相調整を行なうことも可能であり、その場合には、増幅装置全体の構成が簡単になるため、量産に適した小型で低価格な高周波増幅装置を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高周波増幅装置の第１の発明の実施の形態を説明するための構成図。
【図２】図１の高周波増幅装置に用いる可変位相器を説明するための回路構成図。
【図３】本発明の高周波増幅装置の第２の発明の実施の形態を説明するための構成図。
【図４】図３の高周波増幅装置に用いるスイッチ回路を説明するための構成図。
【図５】本発明の高周波増幅装置の第３の発明の実施の形態を説明するための構成図。
【図６】図５の高周波増幅装置に用いる整合回路のインピーダンス軌跡を示す図。
【図７】本発明の高周波増幅装置を適用した移動端末の発明の実施の形態を説明するための構成図。
【図８】従来の高周波増幅装置を説明するための構成図。
【符号の説明】
１…高周波信号入力端子、２…可変位相器、３…入力側分岐回路、４…高出力側初段増幅器、５…高出力側終段増幅器、６…出力側分岐回路、７…高周波信号出力端子、８…低出力側初段増幅器、９…低出力側終段増幅器、１０…制御電源回路、１２…制御信号端子、１３…高周波回路部、１４…伝送線路、４１，８１…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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