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技術 高周波電力増幅器

出願人 株式会社ルネサステクノロジ
発明者 加賀谷修関根健治
出願日 2002年4月3日 (18年1ヶ月経過) 出願番号 2002-100737
公開日 2003年10月17日 (16年6ヶ月経過) 公開番号 2003-298364
状態 未査定
技術分野 増幅器1 増幅器2 増幅器一般
主要キーワード 通過動作 ブロック部品 受信帯域雑音 印刷抵抗 外部部品 UHF アルミナセラミック基板 高周波用電力増幅器
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年10月17日)のものです。
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図面 (8)

課題

外部部品の付加を必要とせず、受信帯域雑音を低減する高周波電力増幅器回路構成を提案し、小型化および高効率化に最適な高周波電力増幅器を提供する。

解決手段

高周波電力増幅器の出力整合回路を、送信周波数f〔Tx〕と受信に用いる周波数f〔Rx〕との差に相当する周波数fLにおいて、出力段高周波トランジスタ端からその出力整合回路を見込んだ負荷インピーダンスをZL=R+jXとしたときに、Rが5Ω以上20Ω以下、およびXが−10Ω以上0Ω以下の範囲とした。

概要

背景

半導体トランジスタを用いた高周波電力増幅器携帯電話機など、移動体通信機器キーデバイスであり、その需要は近年急激に伸びている。上記用途に適した高周波電力増幅器としては、小型、高効率、低受信帯域雑音特性であることが要求されている。そのなかで高周波電力増幅器の効率(電力付加効率)は携帯電話機の連続送信時間、すなわち通話時のバッテリー寿命を長くするための重要な特性である。

受信帯域雑音は携帯電話機の送信時に他の携帯電話機の受信動作阻害しないように一定以下に規定されている。高周波電力増幅器の受信帯域雑音が高い場合、雑音を低減するために受信帯域での減衰量が高いフィルタ素子を高周波電力増幅器の外部に設けることが必要になる。これに伴い送信帯域での電力損失が増加し、携帯電話機の連続送信時間が短くなる。よって高周波電力増幅器の受信帯域雑音特性を向上(低減)することもまた、バッテリー寿命を長くするための重要な特性である。

従来の高周波電力増幅器はたとえば公開特許公報特許出願公開番号2000−13163号において論じられている。図3は従来の携帯電話機における高周波電力増幅器を含む送信部の回路ブロック図である。ここで、1は高周波電力増幅器、51は利得可変増幅器、52は段間フィルタ、53はアンテナ共用器、54はアンテナ、55は受信部の低雑音増幅器である。

この従来例では、送信部の受信帯域雑音を低減するために、送信周波数f〔Tx〕における電力増幅器1の利得を下げ、その利得の不足分を前段に利得可変増幅器51を設けることで補い、それらの間に段間フィルタ52を設けている。この段間フィルタ52に送信周波数帯域で通過、受信周波数帯域で阻止する機能を持たせることにより、送信周波数f〔Tx〕における利得を確保しながら、受信周波数f〔Rx〕における利得を低下させ、電力増幅器1の出力部に生じる受信帯域雑音の低減を可能にしている。

概要

外部部品の付加を必要とせず、受信帯域雑音を低減する高周波電力増幅器の回路構成を提案し、小型化および高効率化に最適な高周波電力増幅器を提供する。

高周波電力増幅器の出力整合回路を、送信周波数f〔Tx〕と受信に用いる周波数f〔Rx〕との差に相当する周波数fLにおいて、出力段高周波トランジスタ端からその出力整合回路を見込んだ負荷インピーダンスをZL=R+jXとしたときに、Rが5Ω以上20Ω以下、およびXが−10Ω以上0Ω以下の範囲とした。

目的

本発明の目的は外部部品の付加を必要とせず、受信帯域雑音を低減する高周波電力増幅器の回路構成を提案し、小型化および高効率化に最適な高周波電力増幅器を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
3件

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請求項1

高周波トランジスタ増幅素子として用い、増幅すべき高周波信号が入力される入力端子と上記高周波トランジスタとの間に上記高周波信号の送信周波数f〔Tx〕に対してインピーダンス整合を取るための入力整合回路を設け、出力用の高周波トランジスタと増幅した後の高周波信号が出力される出力端子との間に出力整合回路を設けた移動通信用高周波電力増幅器において、出力段の高周波トランジスタ端から上記出力整合回路を見込んだ負荷インピーダンスをZL=R+jXとしたときに、上記送信周波数f〔Tx〕と受信に用いる周波数f〔Rx〕との差に相当する周波数fLにおいてRが5Ω以上20Ω以下、Xが−10Ω以上0Ω以下の範囲であることを特徴とする高周波電力増幅器。

請求項2

高周波トランジスタを増幅素子として用い、増幅すべき高周波信号が入力される入力端子と上記高周波トランジスタとの間に上記高周波信号の送信周波数f〔Tx〕に対してインピーダンス整合を取るための入力整合回路を設け、出力用の高周波トランジスタと増幅した後の高周波信号が出力される出力端子との間に出力整合回路を設けた移動体通信用高周波電力増幅器において、出力段の高周波トランジスタの電源供給ライン抵抗素子を含んだ共振回路を有し、上記送信周波数f〔Tx〕と受信に用いる周波数f〔Rx〕との差に相当する周波数fLと上記共振回路の共振周波数が一致していることを特徴とする高周波電力増幅器。

請求項3

請求項1または請求項2において、送信周波数f〔Tx〕と受信に用いる周波数f〔Rx〕との差に相当する周波数fLにおいて共振する共振回路ブロックを1個の部品集積化し、上記共振回路ブロック部品を出力段の高周波トランジスタの電源供給ラインに搭載したことを特徴とする高周波電力増幅器。

技術分野

0001

本発明はUHFからマイクロ波帯の信号の増幅を行う高周波電力増幅器係り、特に携帯電話機の送信部に用いて好適な高周波電力増幅器に関する。

背景技術

0002

半導体トランジスタを用いた高周波電力増幅器は携帯電話機など、移動体通信機器キーデバイスであり、その需要は近年急激に伸びている。上記用途に適した高周波電力増幅器としては、小型、高効率、低受信帯域雑音特性であることが要求されている。そのなかで高周波電力増幅器の効率(電力付加効率)は携帯電話機の連続送信時間、すなわち通話時のバッテリー寿命を長くするための重要な特性である。

0003

受信帯域雑音は携帯電話機の送信時に他の携帯電話機の受信動作阻害しないように一定以下に規定されている。高周波電力増幅器の受信帯域雑音が高い場合、雑音を低減するために受信帯域での減衰量が高いフィルタ素子を高周波電力増幅器の外部に設けることが必要になる。これに伴い送信帯域での電力損失が増加し、携帯電話機の連続送信時間が短くなる。よって高周波電力増幅器の受信帯域雑音特性を向上(低減)することもまた、バッテリー寿命を長くするための重要な特性である。

0004

従来の高周波電力増幅器はたとえば公開特許公報特許出願公開番号2000−13163号において論じられている。図3は従来の携帯電話機における高周波電力増幅器を含む送信部の回路ブロック図である。ここで、1は高周波電力増幅器、51は利得可変増幅器、52は段間フィルタ、53はアンテナ共用器、54はアンテナ、55は受信部の低雑音増幅器である。

0005

この従来例では、送信部の受信帯域雑音を低減するために、送信周波数f〔Tx〕における電力増幅器1の利得を下げ、その利得の不足分を前段に利得可変増幅器51を設けることで補い、それらの間に段間フィルタ52を設けている。この段間フィルタ52に送信周波数帯域で通過、受信周波数帯域で阻止する機能を持たせることにより、送信周波数f〔Tx〕における利得を確保しながら、受信周波数f〔Rx〕における利得を低下させ、電力増幅器1の出力部に生じる受信帯域雑音の低減を可能にしている。

発明が解決しようとする課題

0006

上記従来技術においては、送信部を高周波電力増幅器1だけで構成することができず、前段に増幅器51と段間フィルタ52を設ける必要があった。このため携帯電話機の送信部の小型化をさらに進める上で、障害となっていた。

0007

本発明の目的は外部部品の付加を必要とせず、受信帯域雑音を低減する高周波電力増幅器の回路構成を提案し、小型化および高効率化に最適な高周波電力増幅器を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

本目的は高周波電力増幅器の出力整合回路を、送信周波数f〔Tx〕と受信に用いる周波数f〔Rx〕との差に相当する周波数fLにおいて、出力段高周波トランジスタ端からその出力整合回路を見込んだ負荷インピーダンスをZL=R+jXとしたときに、Rが5Ω以上20Ω以下、およびXが−10Ω以上0Ω以下の範囲とすることにより達成できる。

0009

我々の検討によると、高周波電力増幅器における受信帯域雑音の主要因として以下の二点があることがわかった。一つは受信周波数f〔Rx〕における能動素子および抵抗素子に起因する熱雑音およびショット雑音である。これを低減するには雑音指数Nfが低い能動素子を用いることや受信周波数f〔Rx〕における高周波電力増幅器の利得を低減させることが有効である。上記従来例はこの点を改善したものである。他の一つは周波数fLにおける雑音が送信周波数f〔Tx〕での高周波信号によりアップコンバートされて受信周波数帯域(fL+f〔Rx〕)に現れる雑音である。本発明はこの雑音を改善するものである。

0010

図4はW−CDMA(Wideband Code Division Multiple Access)携帯電話機用として設計した増幅段2段の高周波電力増幅器が送信周波数f〔Tx〕=1950MHzで動作時している時に、周波数fL=190MHzで生じている雑音電力シミュレーションにより算出した結果である。

0011

この図4から、周波数fL=190MHzでの雑音は大部分が出力段である終段Trで発生しているという結果が得られた。この雑音が受信帯域f〔Rx〕にアップコンバートされる量を抑圧する方法として、出力段のトランジスタ端から出力整合回路を見込んだ負荷インピーダンスを通常とは異なるある範囲に変化させるのが効果的であることを我々は見いだした。

0012

図5実験結果を示す。周波数fLにおける負荷インピーダンスZL=R+jXのみを変化させた場合、負荷インピーダンスを短絡(R=0)や開放(R=∞)として周波数fL=190MHzでの雑音を反射させるよりも、R=10Ω近くにしたときの方が受信帯域f〔Rx〕における雑音を低減できる結果が得られた。一般的にW−CDMAシステムでは高周波電力増幅器の受信帯域雑音を−143dBm/Hz以下にすることが望まれている。図5の結果より、Rを5Ω以上20Ω以下の範囲、Xを−10Ω以上0Ω以下の範囲とすることでその要求値満足でき、受信帯域雑音が十分低い高周波電力増幅器を実現できる。

0013

また、上記のインピーダンスは、抵抗素子を含みfLを共振周波数として有する共振回路出力段トランジスタの出力部電源供給ライン上に設けることにより実現できる。その場合、この回路方式ではf〔Tx〕以上の周波数において無視できるほど高いインピーダンスを比較的容易に実現できるため、高周波電力増幅器の送信周波数における動作に支障を与えないという利点がある。

0014

また、W−CDMA用携帯電話機では高周波電力増幅器の出力側に通常アイソレータが接続されている。このとき高周波電力増幅器の負荷として送信周波数f〔Tx〕1950MHzにおいてはアイソレータの通過動作により50Ω負荷となる。しかし、その周波数より一桁以上低い差周波数fL=190MHzではアイソレータにより反射されるため、高周波増幅器の負荷Zoutはアイソレータまでの電気長に依存することになり、携帯電話機メーカ側の設計により短絡(Zout=0)から開放(Zout=∞)まで変化しうる。

0015

上記のごとく、抵抗素子を含みfLを共振周波数として有する共振回路を出力段トランジスタの出力部電源供給ライン上に設けた方式の場合、高周波増幅器の差周波数fL=190MHzにおける負荷インピーダンスの影響を受けにくいため、種々の携帯電話機に実装された状態においても、出力段の高周波トランジスタ端からその出力整合回路を見込んだ負荷インピーダンスをZL=R+jXとしたときに、Rが5Ω以上20Ω以下、およびXが−10Ω以上0Ω以下の範囲とすることが可能であるという利点も有する。

発明を実施するための最良の形態

0016

<実施例1>本発明の実施例1を図1図2により説明する。図1は高周波電力増幅器の主要部分の回路図、図2は本発明の効果を説明するグラフである。

0017

まず図1を用いて高周波電力増幅器の出力整合回路部分の構成を説明する。Q101は出力段増幅トランジスタであり、ここでは高周波特性に優れたInGaPGaAsヘテロ接合トランジスタを用いた。101は電源電圧端子、102は出力端子である。コンデンサC101およびインダクタL101により電源電圧端子101までの電源供給ラインを構成する。A1は抵抗素子を含む共振回路部であり、抵抗R1、インダクタL1、コンデンサC1、C2より構成される。A1は出力段増幅トランジスタQ101のコレクタ端子と電源供給ラインの間に位置する。コンデンサC102、C103、C104、ストリップ線路SL1、SL2により出力端子102までの出力整合回路を構成する。L102はボンディングワイヤによるインダクタンスであり、出力整合回路と出力段増幅トランジスタQ101のコレクタ端子を接続する。

0018

共振回路部A1の回路定数は送信周波数f〔Tx〕と受信に用いる周波数f〔Rx〕との差に相当する周波数fLにおいて共振するように選ぶ。たとえばこの高周波電力増幅器をW−CDMA携帯電話機用電力増幅器として設計する場合、送信周波数帯域が1920〜1980MHz、受信周波数帯域が2110〜2170MHzであるので、おのおのの中心周波数を用いてf〔Tx〕=1950MHz、f〔Rx〕=2140MHzより両者の差の周波数fLは190MHzである。この場合、A1の回路定数としてR1=50Ω、L1=23nH、C1=1000pF、C2=12pFとするのが好適であった。

0019

A1での共振周波数はfLと等しい190MHzとなり、また周波数fLにおいて出力段増幅トランジスタQ101から出力整合回路を見込んだ負荷インピーダンスZLを(10−j10)Ωにすることができる。また高周波電力増幅器を高効率動作させるには送信周波数f〔Tx〕およびその高調波(2f〔Tx〕,3f〔Tx〕,…)における負荷インピーダンスZLを最適設計することが重要であるが、共振回路部A1はf〔Tx〕以上の周波数において無視できるほど高いインピーダンスを有するため、最適設計に支障を及ぼすことはない。

0020

実施例1の効果を図2の実験結果により説明する。図2はシミュレーションにより共振回路部A1を具備した本発明の高周波電力増幅器と共振回路部A1のない従来の高周波電力増幅器の各部分における受信帯域雑音量を算出比較した図である。送信周波数1950MHz、出力電力27dBm動作時において、本実施例1の高周波電力増幅器では2140MHzにおける受信帯域雑音を6dB低減することができた。

0021

上記実施例1ではシステムとしてW−CDMA用の高周波電力増幅器について述べたが、他のシステム、たとえばcdma2000、IS−95、GSMなどの携帯電話システムにも適用できる。また出力段増幅トランジスタとしてInGaP/GaAsヘテロ接合バイポーラトランジスタHBT)を用いたが、これは他の化合物半導体系HBTおよびシリコン系のSiGeHBT、Si−BJTやFET(GaAsHEMT,Si−MOSFET)であってもよい。
<実施例2>次に本発明の実施例2を図6図7により説明する。本実施例2は実施例1で示した回路を具現化し、小型高周波増幅器モジュールを構成した例であり、図6は高周波電力増幅器に用いる共振回路部の構造、図7は高周波増幅器モジュールの構造を示す図である。

0022

図7により高周波電力増幅器の平面形体を説明する。この高周波電力増幅器はW−CDMA携帯電話機用設計された電力増幅器モジュールの一例である。101,105,108は電源電圧端子、106はアイドル電流制御電圧端子、107は入力端子、102は出力端子である。これらの外部接続用端子主基板であるモジュール基板誘電体基板)100の裏面に形成されているため、図7では表示されていない。モジュール基板100としてはアルミナセラミック基板を用いた。この場合モジュール基板100のサイズは5.5mm×5.5mmと小型化されている。

0023

コンデンサC101〜C104およびインダクタL101はチップ部品からなり、出力段増幅トランジスタQ101とともに主基板となる誘電体基板100上に搭載する。M101は共振回路部A1を1個のセラミック部品として集積化したものであり、この共振回路チップM101は主基板100上にハンダ接続する。

0024

次に図6により共振回路チップM101の構造を説明する。裏面には端子P1,P2および接地導体である端子110の3端子を設け、抵抗素子R1は表層薄膜抵抗あるいは印刷抵抗形成により設ける。インダクタL1は多層セラミック内層スパイラルインダクタとして設け、端子P1と端子P2に接続する。容量素子C2は多層セラミックの内層に並行平板容量として設け、端子P2と接地端子110に接続する。容量素子C1は多層セラミックの内層に並行平板容量として設け、抵抗素子R1と接地端子110に接続する。ここで抵抗素子R1は表層に設けたことによりレーザトリミングにより所望の抵抗値に調整することができる。

0025

本実施例の共振回路チップM101において、R1=50Ω、L1=23nH、C1=1000pF、C2=12pFとすることにより、共振周波数はfLと等しい190MHzとすることができ、また周波数fLにおいて出力段増幅トランジスタQ101から出力整合回路を見込んだ負荷インピーダンスZLを(10−j10)Ωにすることができた。

0026

また、高周波電力増幅器を高効率動作させるには送信周波数f〔Tx〕およびその高調波(2f〔Tx〕,3f〔Tx〕,…)における負荷インピーダンスZLを最適設計することが重要であるが、共振回路部A1はf〔Tx〕以上の周波数において無視できるほど高いインピーダンスを有するため、最適設計に支障を及ぼすことはなかった。

0027

また本実施例2では、共振回路部A1を共振回路チップM101として集積化したことにより、高周波電力増幅器のサイズを縮小できる効果があり、本実施例ではサイズ5.5mm×5.5mmの高周波電力増幅器を実現できた。

発明の効果

0028

本発明によれば、外部部品の付加を必要とせずに受信帯域雑音を低減する高周波電力増幅器の回路構成を得ることができ、小型化および高効率化に最適な高周波電力増幅器を実現することができる。

図面の簡単な説明

0029

図1本発明の実施例1の高周波電力増幅器の出力整合回路の回路図。
図2本発明の実施例1の効果を説明するグラフ。
図3従来技術の高周波電力増幅器を含む送信部のブロック図。
図4本発明の作用を説明するグラフ。
図5本発明の効果を説明するグラフ。
図6本発明の実施例2の高周波電力増幅器の部分回路の構造を示す図。
図7本発明の実施例2の高周波電力増幅器の構造を示す図。

--

0030

1…高周波用電力増幅器、51…利得可変増幅器、52…段間フィルタ、53…アンテナ共振器、54…アンテナ、55…低雑音増幅器、100…誘電体基板、101…電源電圧端子、102…出力端子、105…電源電圧端子、106…アイドル電流制御電圧端子、107…入力端子、108…電源電圧端子、110…接地端子、A1…共振回路部、C1,C2,C3,C4,C5,C101,C102,C103,C104…コンデンサ、L1,L101…インダクタ、L102…ボンディングワイヤ、M101…共振回路チップ、Q101…出力段増幅トランジスタ、R1…抵抗、SL1,SL2…ストリップ線路、P1,P2…端子。

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