JP2003198413A - 差動無線通信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力増幅器の差動特性によって漏れが少な
く、差動低雑音増幅器の差動特性によってカップリング
が少なくなる差動無線装置を提供する。 【解決手段】 差動アンテナ１２が、デュプレクサ１４
に接続されている。デュプレクサ１４の受信部分は、差
動低雑音増幅器（ＬＮＡ）１６の入力である。第１のフ
ィルタ１８が、ＬＮＡ１６の差動出力と第１のミキサ２
０間に介在している。信号処理部２２が、第１のミキサ
２０からの差動出力信号を受信する。第２のミキサ２４
が、信号処理部２２からの差動出力信号を受信する。第
２のフィルタ２６が、第２のミキサ２４からの差動出力
信号を受信する。電力増幅器（ＰＡ）２８が、第２のフ
ィルタ２６とデュプレクサ１４の送信部分間に介在して
いる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、差動無線通信装置
に関する。 【０００２】 【従来の技術】最近の携帯電話は、シングルエンドの(s
ingle ended)フロントエンドを用いている。特に、電力
増幅器（ＰＡ）、デュプレクサ、および、低雑音増幅器
（ＬＮＡ）は、すべてシングルエンドである。このアー
キテクチャは、しばしば、第１の周波数変換器を介して
さらに連鎖の下流に伝搬される。変換器以後の回路にお
いて、電話は、差動的となる。 【０００３】当初の設計のすべては、差動的に構成する
には非常に困難であるとともに高価である個別のトラン
ジスタを使った。新規な技術の着手時における最良のパ
フォーマンスは、通常は個別のコンポーネントによるも
のであり、当初の要請は、最高技術水準のパフォーマン
スを要求した。もはやパフォーマンスを優先させる必要
がないほど十分に技術が進展したとき、回路の集積化が
選択事項となる。 【０００４】図１は、従来周知の技術における携帯受話
器に対応した機能的なブロック図である。アンテナは、
シングルエンドの通信路と同じくシングルエンドの受信
路に接続されている。両方の路は、ＩＦ、ベースバン
ド、プロセッサ、および、ソフトウェアを含むであろう
他の無線通信装置に接続されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】アンテナは、本質的に
差動的である。プリント回路板の接地面は、ダイポール
の第２のポールのように、反射器および大地帰路として
働く。それにもかかわらず、アンテナは、シングルエン
ドであるように、いやおうなしに駆動される。この構成
には、いくつかの問題がある。ＬＮＡとＰＡの両方の接
地は、多大な犠牲を払っても最小にしなければならな
い。アンテナの帰還電流は、電話機にくまなく配分され
て干渉を生じる。ＰＡそれ自身が漏洩を生じるので、電
話機内に遮蔽を必要とする。いかなる干渉もいずれかの
シングルエンンドの増幅器によって拾われる。 【０００６】 【課題を解決するための手段】携帯受話器は、完全に差
動化されたモードで起動される。アンテナ（例えば反射
器を備えた簡単なダイポールあるいは小さなヤギ・ウダ
アンテナ）は、プリント回路板に印刷できる。ＬＮＡ
（低雑音増幅器）とＰＡ（電力増幅器）は、共に差動的
であることができる。 【０００７】 【発明の実施の形態】図２は、本発明による機能的なブ
ロック図１０である。差動アンテナ１２が、デュプレク
サ１４に接続されている。デュプレクサ１４の受信部分
は、差動低雑音増幅器（ＬＮＡ）１６の入力である。第
１のフィルタ１８が、ＬＮＡ１６の差動出力と第１のミ
キサ２０間に介在している。信号処理部２２が、第１の
ミキサ２０からの差動出力信号を受信する。第２のミキ
サ２４が、信号処理部２２からの差動出力信号を受信す
る。第２のフィルタ２６が、第２のミキサ２４からの差
動出力信号を受信する。電力増幅器２８が、第２のフィ
ルタ２６とデュプレクサ１４の送信部分間に介在してい
る。 【０００８】システム全体が差動であるとき、接地面
は、アンテナから独立している。さらに、ＰＡの差動特
性によって漏れが少なく、ＬＮＡの差動特性によってカ
ップリングが少なくなる。カップリングは減らされるの
で、遮断の必要が少なくなる。差動モードはパッケージ
の寄生振動と基板の漏洩の効果を抑えるので、この集積
回路技術には、差動モードが好ましい。その結果、本発
明は、従来周知の技術における回路技術よりも高いレベ
ルの集積回路技術をサポートすることになる。 【０００９】図３は、従来周知の技術におけるシングル
エンド電力増幅器を示している。効果的に機能するため
に、増幅器の各段のソースにおけるインダクタは、でき
るだけ短くする必要がある。実際には、これは、２０以
上の別個のボンドワイヤを必要とする。 【００１０】図４は、図２に示される差動電力増幅器
（ＰＡ）２８を示している。入力マッチングネットワー
ク（ＩＭＮ）３０は、２つの入力および第１と第２の出
力を備えている。差動入力は、ＩＭＮ３０の２つの入力
にまたがって印加される。第１の電界効果トランジスタ
（ＦＥＴ）３２のゲートが、ＩＭＮ３０の第１の出力に
接続されている。第１のキャパシタ３４が、第１のＦＥ
Ｔ３２のドレインと第２のＦＥＴ３６のゲート間に挿入
されている。出力マッチングネットワーク（ＯＭＮ）３
８が、第２のＦＥＴ３６のドレインと第３のＦＥＴ４０
のドレインにまたがって接続されている。差動出力の読
み取りは、ＯＭＮ３８の２つの出力から取り出される。
第２と第３のＦＥＴ３６、４０のソースは、ノードＡに
おいて接続されている。第１のインダクタ４２は、ノー
ドＡと接地間に接続されている。第２のキャパシタ４４
は、第３のＦＥＴ４０のゲートと第４のＦＥＴ４６のド
レイン間に接続されている。第４のＦＥＴ４６のゲート
は、ＩＭＮ３０の第２の出力に接続されている。第１と
第４のＦＥＴ３２、４６のソースは、ノードＢにおいて
接続されている。第２のインダクタ４８は、ノードＢと
接地間に接続されている。 【００１１】差動ＰＡを設けることは、いくつかの利点
をもたらす。従来周知の技術に用いられるのと同じ信号
に対して、それぞれの装置における出力電圧は、電圧全
体の半分である。これはトランジスタの余裕(headroom)
を有効に増加し、効率を高める。さらに、それぞれの装
置は半分の電流しか必要としないので、出力インピーダ
ンスは、等価な従来周知の技術におけるシングルエンド
ＰＡの２倍となる。これによって、出力における変換損
失が小さくなる。 【００１２】差動的に駆動されると、差動ＰＡは、必要
とされる多数の接地ボンドワイヤを不要にする仮想接地
を有することになる。共通のノードにおける接地に対す
る高いインピーダンスは、高い共通ノード拒絶を生じる
ので利点がある。シングルエンド設計における多くのボ
ンドワイヤが、利得を直接減少させる共通のリードイン
ピーダンスを小さくすることを要求される。出力段にお
ける低利得は、ドライバ段においてより大きなパワーを
必要とし、ＰＡ全体の効率を落とす。 【００１３】差動ＰＡは、信号が送信線内により効率的
に含まれているので、ずっと少しの干渉しか生じない。
遠隔フィールド干渉が共通のモードであるので、受話器
の受信部分における問題は少ない。従って、遮蔽の必要
が少ない。 【００１４】一つの産業上の要求は、アンテナが２０：
１のような大きなミスマッチを生じ、ＰＡの出力に大き
な定常波を発生しても耐えることである。この定常波
は、増幅器電流が最小であるとともにトランジスタが高
いインピーダンスを示すとき、周期の半分において最高
の強度を有する。これは、耐え抜くには高いブレークダ
ウン電圧を必要とし、従って、非常に非線形な条件であ
る。多くの受話器は、ＰＡと受話器間に絶縁装置を配置
してこの要請に対応している。しかしながら、差動段
は、最悪の定常波に耐える事態には対面しない。１つの
トランジスタが高いインピーダンス状態になると、他方
は、瞬間電圧を大きく下げるように低くなる。性能の改
善は、必要な絶縁装置を不要とするのに十分である。絶
縁装置を不要にすると、ＰＡのピーク出力電力が低減さ
れて効率が再び上がる。 【００１５】図５は、図２に示された低雑音電力増幅器
（ＬＮＡ）１６を示す。第１と第２のＦＥＴ５０、５２
のソースは、ノードＣにおいて互いに接続されている。
インダクタ５４は、ノードＣと接地間を接続している。
差動入力が、第１と第２のＦＥＴ５０、５２のゲート間
に印加できる。差動出力の読み出しが、第１と第２のＦ
ＥＴ５０、５２のソース間で取り出される。 【００１６】ＬＮＡは、ＰＡからの干渉に鋭敏である。
この干渉は、本発明において共通のモードであり、従っ
て、要因はずっと小さなものとなる。そのために電流の
低減が必要となる。 【００１７】図６は、図２に示されたデュプレクサ１４
を示している。差動アンテナの出力は、ノードＤとノー
ドＥ間に印加される。第１と第２のデュプレクサブロッ
ク５６、５８は、ノードＤとノードＥ間を接続してい
る。第１のデュプレクサブロック５６は、差動受信機出
力を提供する。第２のデュプレクサブロック５８は、差
動送信機入力を提供する。 【００１８】デュプレクサブロックは同一であるので、
第１のデュプレクサブロック５６を、例として説明す
る。直列の共振器がブロック中において参照ラベルＡで
示され、分流共振器がブロック中において参照ラベルＢ
で示されている。第１の分流共振器６０が、ノードＤと
ノードＥ間を接続している。第１の直列の共振器６２
が、ノードＤに接続され、第２の直列の共振器６４が、
ノードＥに接続されている。第２の分流共振器６６が、
第１と第２の直列の共振器６２、６４に接続されてい
る。第３の直列共振器６８が、第１の直列の共振器６２
と第１のポートに直列に接続されている。第４の直列共
振器７０が、第２の直列の共振器６４と第２のポートに
直列に接続されている。 【００１９】デュプレクサにおける一つの大きな制限要
因は、接地の質である。差動構造には、接地が存在しな
い。他の従来からの問題は、接地路を介しての漏れであ
る。シングルエンドアンテナと推定されるものは、デュ
プレクサがあるはずの、その隣接接地面にパワーを送り
続ける。 【００２０】薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）技術を
用いるときは、デュプレクサは、シングルエンド構造に
限定されない。 【００２１】図７Ａ−Ｂは、図２に示されたアンテナ１
２を示している。図７Ａは、印刷回路板（ＰＣＢ）の上
面を示している。図７Ｂは、ＰＣＢの底面を示してい
る。このアンテナは、ヤギ・ウダアンテナとして実現さ
れることが好ましい。そのもっとも単純な構造は、λ／
２ダイポールと、その背後の０．０４８λリフレクタを
備えている。０．０４８λは、ほぼＰＣＢの厚さである
ので、この構造は、受話器そのものを構成しているＰＣ
Ｂに内蔵することができる。リフレクタと給電される部
材間の層の厚さは、それほど重要なものではないので、
高い精度を要求されない。得られたアンテナは、それ以
上のコンポーネントを必要としない。これにより、受話
器のコストを低くすることができるとともに設計が簡単
になる。 【００２２】ヤギ・ウダアンテナは、２：１ＶＳＷＲリ
ミットにおいて約１０％の帯域幅で７０オームのインピ
ーダンスを有している。デュアルバンドの携帯電話のよ
うな狭い帯域へのアプリケーションに対しては十分であ
るが、２つのアンテナが使われることになろう。この構
成の利点の一つは、指向性を有していることにある。こ
の指向性により、受話器は、送信されるパワーの大部分
を、ユーザの頭から離れて選択的に送ることができる。 【００２３】本発明の態様を以下に例示する。 【００２４】１．入力と出力を備えた差動アンテナ（１
２）と、２つの受信信号を発生するとともに２つの送信
信号を受信し、前記差動アンテナの前記入力と前記出力
に電気的に接続された差動デュプレクサ（１４）と、２
つの受信信号を受信するとともに２つのＬＮＡ信号を発
生する差動低雑音増幅器（１６）と、２つのＬＮＡ信号
を受信するとともに第１の差動フィルタ信号を発生する
第１の差動フィルタ（１８）と、前記第１の差動信号を
受信するとともに第１の差動ミキサ出力信号を発生する
第１の差動ミキサ（２０）と、前記第１の差動ミキサ出
力信号を受信するとともに調節された差動信号を発生す
る信号調節回路（２２）と、前記調節された差動信号を
受信するとともに第２の差動ミキサ出力信号を発生する
第２の差動ミキサ（２４）と、前記第２の差動ミキサ出
力信号を受信するとともに第２の差動フィルタ信号を発
生する第２の差動フィルタ（２６）と、前記第２の差動
フィルタ信号を受信するとともに前記２つの送信信号を
発生する差動電力増幅器（２８）とを有する差動無線通
信装置（１０）。 【００２５】２．前記デュプレクサ（１４）が、ＦＢＡ
Ｒである上記１に記載の差動無線通信装置（１０）。 【００２６】３．前記差動アンテナ（１２）が、ヤギ・
ウダアンテナである上記１に記載の差動無線通信装置
（１０）。 【００２７】４．前記差動アンテナ（１２）が、印刷回
路板に内蔵されている上記３に記載の差動無線通信装置
（１０）。 【００２８】５．前記差動電力増幅器（２８）が、差動
入力および第１と第２のＩＭＮ出力を備えている入力マ
ッチングネットワーク（３０）と、前記第１のＩＭＮ出
力に接続されたゲートを備えた第１の電界効果トランジ
スタ（ＦＥＴ）（３２）と、前記第１のＦＥＴのドレイ
ンに接続された第１のキャパシタ（３４）と、前記第１
のキャパシタに接続されたゲートを備えた第２のＦＥＴ
（３６）と、第１のノードにおいて前記第２のＦＥＴの
ソースに接続されたソースを備えた第３のＦＥＴ（４
０）と、前記第２のＦＥＴのドレインに接続された第１
の入力および前記第３のＦＥＴのドレインに接続された
第２の入力を備えた出力マッチング（ＯＭＮ）（３８）
と、前記第１のノードと接地間に接続された第１のイン
ダクタ（４２）と、第３のＦＥＴ（４０）のゲートに接
続された第２のキャパシタ（４４）と、前記第２のキャ
パシタに接続されたドレイン、前記第２のＩＭＮ出力に
接続されたゲート、および、第２のノードにおいて前記
第１のＦＥＴのソースに接続されたソースを有する第４
のＦＥＴ（４６）と、前記第２のノードと接地間に接続
された第２のインダクタ（４８）を有するようにした上
記１に記載の差動無線通信装置（１０）。 【００２９】６．前記デュプレクサ（１４）が、薄膜バ
ルク音響共振器を含む上記５に記載の差動無線通信装置
（１０）。 【００３０】７．前記差動アンテナ（１２）が、印刷回
路板に内蔵されている上記５に記載の差動無線通信装置
（１０）。

【図面の簡単な説明】 【図１】従来周知の携帯受話器に対応する機能的なブロ
ック図である。 【図２】本発明による差動的な受話器を示す。 【図３】図１に示されるシングルエンドの電力増幅器を
示す。 【図４】図２に示される差動的な電力増幅器を示す。 【図５】図２に示される差動的な低雑音増幅器を示す。 【図６】図２に示されるデュプレクサを示す。 【図７Ａ】図２に示されるアンテナを示す。 【図７Ｂ】図２に示されるアンテナを示す。 【符号の説明】 １０ 差動無線通信装置 １２ 差動アンテナ １４ 差動デュプレクサ １６ 差動低雑音増幅器 １８ 第１の差動フィルタ ２０ 第１の差動ミキサ ２２ 信号調節回路 ２４ 第２の差動ミキサ ２６ 第２の差動フィルタ ２８ 差動電力増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・エル・フランク アメリカ合衆国95030カリフォルニア州、 ロス・ガトス、マリポサ・アヴェニュー 20 Ｆターム(参考） 5K011 BA03 BA04 DA01 DA04 DA27 JA01 KA03 KA04

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】入力と出力を備えた差動アンテナと、 ２つの受信信号を発生するとともに２つの送信信号を受
   信し、前記差動アンテナの前記入力と前記出力に電気的
   に接続された差動デュプレクサと、 ２つの受信信号を受信するとともに２つのＬＮＡ信号を
   発生する差動低雑音増幅器と、 ２つのＬＮＡ信号を受信するとともに第１の差動フィル
   タ信号を発生する第１の差動フィルタと、 前記第１の差動信号を受信するとともに第１の差動ミキ
   サ出力信号を発生する第１の差動ミキサと、 前記第１の差動ミキサ出力信号を受信するとともに調節
   された差動信号を発生する信号調節回路と、 前記調節された差動信号を受信するとともに第２の差動
   ミキサ出力信号を発生する第２の差動ミキサと、 前記第２の差動ミキサ出力信号を受信するとともに第２
   の差動フィルタ信号を発生する第２の差動フィルタと、 前記第２の差動フィルタ信号を受信するとともに前記２
   つの送信信号を発生する差動電力増幅器とを有する差動
   無線通信装置。