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位相変調器および無線送信機 - 株式会社東芝
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発明の名称 位相変調器および無線送信機
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−13790(P2007−13790A)
公開日 平成19年1月18日(2007.1.18)
出願番号 特願2005−193983(P2005−193983)
出願日 平成17年7月1日(2005.7.1)
代理人 【識別番号】100075812
【弁理士】
【氏名又は名称】吉武 賢次
発明者 川久保 隆 / 長 野 利 彦 / 阿 部 和 秀 / 西 垣 亨 彦
要約 課題
回路規模の縮小化と低消費電力化が可能で、広い周波数範囲をもつ位相変調器および無線送信機を提供する。

解決手段
共振周波数を可変可能なタンク回路11と、タンク回路11の発振信号を増幅する増幅器(負性抵抗器)12とを有する。タンク回路11は、並列接続されたインダクタ素子13および圧電駆動による可変容量素子14からなる共振回路15と、この共振回路15のリアクタンスを変化させるか否かを制御するリアクタンス制御部16とを有する。リアクタンス制御部16は、共振回路15に並列に接続されており、直列接続されたスイッチ回路17および固定容量素子18を有する。タンク回路11に可変容量素子14を用いて周波数可変範囲を大幅に広げるとともに、スイッチ回路17の切替により発振周波数を瞬時に切り替えて位相の切替を行うため、きわめて高速に位相の切替を行うことができる。
特許請求の範囲
【請求項1】
電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器で生成された発振信号の発振周波数を調整するPLL(Phase Locked Loop)回路と、を備え、
前記電圧制御発振器は、
共振周波数を可変可能なタンク回路と、
前記タンク回路の共振信号を増幅する負性抵抗器と、を有し、
前記タンク回路は、
インダクタ素子およびMEMS(Micro Electrical-Mechanical System)アクチュエータを使用した可変容量素子を有する共振回路と、
前記共振回路に並列接続され、前記共振回路のリアクタンスを変化させるか否かを制御するリアクタンス制御部と、を有し、
前記リアクタンス制御部は、
リアクタンス値が固定のリアクタンス素子と、
前記共振回路のリアクタンスを変化させるか否かを切り替えるスイッチ回路と、を有することを特徴とする位相変調器。
【請求項2】
位相差信号に基づいて前記スイッチ回路を制御する位相制御回路を備え、
前記位相制御回路は、前記タンク回路の共振信号の位相切替時に一時的に前記スイッチ回路をオンして前記タンク回路の共振周波数を変化させることを特徴とする請求項1に記載の位相変調器。
【請求項3】
前記位相制御回路は、共振信号の位相を遅くする際には、共振信号の位相切替時に一時的に共振信号の周波数を低くし、共振信号の位相を早める際には、共振信号の位相切替時に一時的に共振信号の周波数を高くすることを特徴とする請求項2に記載の位相変調器。
【請求項4】
前記位相制御回路は、共振信号の位相変化量に応じて、前記スイッチ回路のオン期間を調整することを特徴とする請求項2または3に記載の位相変調器。
【請求項5】
前記MEMSアクチュエータは、圧電駆動アクチュエータであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の位相変調器。
【請求項6】
前記リアクタンス素子のリアクタンス値は、無線送信信号の搬送波周波数と、ベースバンド周波数と、前記MEMSアクチュエータのリアクタンス値とにより設定されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の位相変調器。
【請求項7】
極変調方式における互いに位相の異なる複数の位相信号からなるθ信号と、振幅成分であるr信号とを生成するベースバンド処理部と、
前記θ信号に基づいて動作する位相制御回路と、
電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器の発振周波数を調整するPLL(Phase Locked Loop)回路と、
前記r信号に基づいて、前記電圧制御発振器の発振信号のゲインを調整する振幅変調器と、を備え、
前記電圧制御発振器は、
共振周波数を可変可能なタンク回路と、
前記タンク回路の共振信号を増幅する負性抵抗器と、を有し、
前記タンク回路は、
インダクタ素子およびMEMS(Micro Electrical-Mechanical System)アクチュエータを有する共振回路と、
前記共振回路に並列接続され、前記共振回路のリアクタンスを変化させるか否かを制御するリアクタンス制御部と、を有し、
前記リアクタンス制御部は、
リアクタンス値が固定のリアクタンス素子と、
前記位相制御回路の出力に基づき、前記共振回路のリアクタンスを変化させるか否かを切り替えるスイッチ回路と、を有することを特徴とする無線送信機。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、位相変調を行う位相変調器と、位相変調器を内蔵する無線送信機とに関する。
【背景技術】
【0002】
携帯電話などの携帯無線通信分野で使用されているQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)を始めとして、位相変調を行う多数の方式が存在する。これらの方式のほとんどは、直交変調方式とも呼ばれる。
【0003】
直交変調方式は、QPSKの2ビットの信号をそれぞれI信号とQ信号に割り当てて、互いに直交する二系統の高周波信号をI信号ないしはQ信号により振幅変調を行い、二系統の信号の和を得ることで変調動作を行っている。
【0004】
従来の直交変調方式では、変調回路が二系統必要で回路規模が大きくなり、消費電力も増大するという問題がある。これに加えて、I信号とQ信号を掛け合わせる乗算器(ミキサ)で大きな高調波雑音が発生するため、下段にバンドパスフィルタが不可欠であるという問題もある。
【0005】
一方、直交変調方式に代わって、高周波信号に直接位相変調を行う極変調(ポーラ変調)技術の検討も行われている(特許文献1参照)。
【特許文献1】特開平6-169328号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
極変調方式の無線送信機は、電圧制御発振器とPLL回路により、位相変調された高周波信号を生成する。
【0007】
この種の極変調方式の無線送信機は、内部構成を簡略化できるため、回路規模の縮小化が図れる。また、電圧制御発振器から正弦波に近い波形の発振信号を出力できるため、電圧制御発振器の後段側に配置されるバンドパスフィルタを省略できる可能性もある。
【0008】
しかしながら、発振周波数範囲が電圧制御発振器内のバリキャップダイオードの容量可変範囲に制限されてしまい、発振周波数の範囲が狭いという問題がある。このため、一系統の無線送信機だけでは、マルチバンド化に対応できないおそれがある。また、電圧制御発振器内のバリキャップダイオードのQ値は20〜30と低いため、送信波形の歪みも大きくなる。
【0009】
本発明の目的は、回路規模の縮小化と低消費電力化が可能で、広い周波数範囲をもつ位相変調器および無線送信機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様によれば、電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器で生成された発振信号の発振周波数を調整するPLL(Phase Locked Loop)回路と、を備え、前記電圧制御発振器は、共振周波数を可変可能なタンク回路と、前記タンク回路の共振信号を増幅する負性抵抗器と、を有し、前記タンク回路は、インダクタ素子およびMEMS(Micro Electrical-Mechanical System)アクチュエータを使用した可変容量素子を有する共振回路と、前記共振回路に並列接続され、前記共振回路のリアクタンスを変化させるか否かを制御するリアクタンス制御部と、を有し、前記リアクタンス制御部は、リアクタンス値が固定のリアクタンス素子と、前記共振回路のリアクタンスを変化させるか否かを切り替えるスイッチ回路と、を有することを特徴とする位相変調器が提供される。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、回路規模の縮小化と低消費電力化が可能で、広い周波数範囲をもつ位相変調器および無線送信機を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。図1は本発明の一実施形態に係る無線送受信機の概略構成を示すブロック図である。図1の無線送受信機は、アンテナ1(ANT)と、方向性結合器2(DUP)と、受信部3(RX)と、送信部4(TX)と、制御回路5と、ベースバンド処理部6とを備えている。
【0013】
図1の無線送受信機は、極変復調方式の無線信号を送受信するものであり、ベースバンド処理部6は、送信時には図2に示す直交座標系のI信号およびQ信号を図3に示す極座標系のθ信号およびr信号に変換する。θ信号は、例えば図4に示すように、位相が互いにπ/2ずつ異なる4種類の位相差信号成分を含んでいる。逆に、受信時にはθ信号およびr信号をI信号およびQ信号に変換する。QPSK変調では、4相の位相に対応して4値のθ信号に置き換えるが、帯域幅を狭めるために振幅成分rの制御も行われる。
【0014】
受信部3は、アンテナ1で受信された位相変調信号を増幅する低雑音増幅器7(LNA:Low Noise Amplifier)と、LNA7の出力信号から所定の周波数帯域の信号のみを抽出するチャネルフィルタ(ChF)8と、チャネルフィルタ8の出力信号に基づいて位相復調を行う位相復調器9と、位相復調器9の出力信号をデジタル信号に変換するA/D変換器10とを有する。
【0015】
位相復調器9は、電圧制御発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)51と、VCO51の発振周波数を帰還制御するPLL回路52とを有し、PLL回路52には、基準発振器53(TCXO)で生成された基準発振信号が供給される。
【0016】
送信部4は、θ信号を位相制御信号に変換するための位相制御回路(PC:Phase Controller)54と、r信号をアナログr信号に変換するD/A変換器55と、アナログr信号の低域成分のみを通過させるローパスフィルタ57(LPF)と、位相制御回路54の出力信号に基づいて位相変調を行う位相変調器58と、位相変調器58の出力信号の利得をLPF57の出力信号に基づいて調整する振幅変調器59(PA)とを有する。
【0017】
位相変調器58は、電圧制御発振器61(VCO)と、VCO61の発振周波数を帰還制御するPLL回路62とを有する。PLL回路62は、PLL回路52と同じ基準発振器53から基準発振信号の提供を受ける。
【0018】
図5(a)および図5(b)はVCO61の内部構成の一例を示すブロック図である。図示のVCO61は、共振周波数を可変可能なタンク回路11と、タンク回路11の発振信号を増幅する増幅器(負性抵抗器)12とを有する。タンク回路11は、並列接続されたインダクタ素子13および圧電駆動MEMS(Micro Electrical-Mechanical System)アクチュエータ14からなる共振回路15と、この共振回路15のリアクタンスを変化させるか否かを制御するリアクタンス制御部16とを有する。リアクタンス制御部16は、共振回路15に並列に接続されており、直列接続されたスイッチ回路17および固定容量素子18を有する。図5(a)はスイッチ回路17がオフの状態、図5(b)はスイッチ回路17がオンの状態を示している。
【0019】
圧電駆動MEMSアクチュエータ14には、圧電駆動される種々の可変リアクタンス素子が適用可能であり、一例として、図6および図7に示すような薄膜圧電アクチュエータを用いたバリアブルキャパシタが考えられる。
【0020】
図6は圧電駆動MEMSアクチュエータ14の一例であるバリアブルキャパシタの上面図、図7は図6のA−A’線断面図である。これらの図に示すように、図示のバリアブルキャパシタは、例えばSi基板31上に形成される固定電極32と、この固定電極32の上面に形成される誘電体膜33と、この誘電体膜33の上方に対向配置される可動電極34とを有する。
【0021】
可動電極34の左右には、バイモルフ型薄膜圧電アクチュエータ35,36が形成されている。この薄膜圧電アクチュエータ35,36は、Si基板31上にアンカー37を介して形成される第1電極38と、この第1電極38の上面に形成される圧電膜39と、この圧電膜39上に形成される第2電極40と、この第2電極40の上面に形成される支持梁41とを有する。
【0022】
第1電極38と第2電極40の間に電圧を印加することにより、バイモルフ動作が生じてアクチュエータ35,36が変位し、可動電極34と誘電体膜33が接触したときに最大容量が得られ、可動電極34が最も離れたときに最小の容量が得られる。固定電極32の上面に形成された誘電体膜33により、固定電極32と可動電極34の短絡が防止される。
【0023】
図6および図7に示すバリアブルキャパシタは、通常のバリアブルキャパシタに比べて10倍以上の可変容量範囲と50以上のQ値を持つため、タンク回路11を構成したときに、通常のバリアブルキャパシタを用いる場合と比べて、3倍以上の周波数可変範囲を持ち、かつ高調波雑音等の少ない高周波送信が可能となる。より具体的には、図6および図7に示すバリアブルキャパシタを用いることにより、800MHzから2.4GHzの周波数帯域の携帯電話や無線LANをカバーする広範な周波数帯域の無線送信信号を1つのVCO61で生成可能である。VCO61の具体的な回路構成は特に問わないが、コルピッツ型や平衡型などの既存の回路を適用できる。
【0024】
ところが、図6および図7に示すバリアブルキャパシタを初めとする各種のMEMSアクチュエータ14は、電極間距離を機械的に変動させてリアクタンスを可変させるため、応答速度が遅く、そのままでは位相変調速度には追随できない。そこで、本実施形態では、圧電駆動MEMSアクチュエータ14を用いた共振回路15に並列にリアクタンス制御部16を接続し、位相を切り替えるときだけ短時間リアクタンス制御部16内のスイッチ回路17をオンして発振周波数を変化させるようにし、タンク回路11の応答速度の向上を図っている。
【0025】
リアクタンス制御部16内のスイッチ回路17の内部構成は特に問わないが、MOSFETやバイポーラトランジスタなどの半導体スイッチを用いて構成することができる。
【0026】
図8はスイッチ回路17の切替タイミングを示す図である。図8の時刻t1〜t2の期間と時刻t3〜t4の期間のみスイッチ回路17がオンになり(図5(b))、それ以外はスイッチ回路17はオフである(図5(a))。VCO61は、時刻t0〜t1の期間は、位相Aで発振動作を行い、発振信号Aを出力する。時刻t1〜t2の期間内はスイッチ回路17がオンであるため、タンク回路11の共振周波数が一時的に下がり、位相も遅れる。この期間内は、VCO61は発振信号Aよりも周波数の遅い発振信号を出力する。時刻t2になると、スイッチ回路17がオフして、タンク回路11の共振周波数は元通りになり、以降、時刻t3まで、VCO61は位相Bで発振動作を行い、発振信号Bを出力する。
【0027】
時刻t3になると、再度スイッチ回路17がオンし、タンク回路11の共振周波数は一時的に下がり、位相も遅れる。時刻t4になると、スイッチ回路17がオフしてタンク回路11の共振周波数は元通りになり、以降、VCO61は位相Cで発振動作を行い、発振信号Cを出力する。
【0028】
このように、図5のVCO61は、位相を切り替えるときだけ、リアクタンス制御部16内のスイッチ回路17をオンして、タンク回路11の共振周波数を一時的に変化させて位相を変化させ、位相の調整が終了すると、スイッチ回路17をオフして、一定の共振周波数で位相を変えながら発振動作を行う。すなわち、図8の発振信号A,B,Cの発振周波数は同じである。
【0029】
スイッチ回路17をオフにしている時間が長ければ長いほど、位相の変化量は大きくなる。図8では、徐々に位相が遅れる例を示しているが、やがて位相が2π遅れると、元の位相に復帰する。
【0030】
また、図8では、スイッチ回路17をオフにすると周波数を下げて位相を遅らせる例を説明したが、固定容量素子18の代わりに、固定インダクタ素子を設けてスイッチ回路18をオンオフさせることにより、周波数を上げることも可能である。この場合、位相は進むことになる。
【0031】
なお、スイッチ回路17をオンすると、スイッチ回路17のオン抵抗によりタンク回路11のQ値が劣化するが、スイッチ回路17がオンしている間はVCO61の発振信号を無線送信信号として利用しないため、実用上は問題は起きない。
【0032】
以下、リアクタンス制御部16内の固定容量素子18の容量について考察する。例えばW-CDMA方式の場合、搬送波周波数が2GHzで、ベースバンド周波数が5MHzであるため、ベースバンド信号の周期は200nsで、1/10の時間で位相切替を行うとすると20nsで切り替える必要がある。20nsの間に搬送波は40サイクル進むため、その間に1サイクル変化した場合には位相が2π変化することになる。これはすなわち、周波数が1/40=0.025(2.5%)変化することを示しており、固定容量素子18の容量の平方根で周波数が変化するため、容量を約5%変化すればよいことになる。
【0033】
一般の電圧制御発振器に使用されているバリキャップキャパシタの容量は0.5pF〜2pF程度であるため、MEMSバリキャップキャパシタはその10倍程度(0.2pF〜2pF程度)の容量範囲を持つ。したがって、固定容量素子18の容量は、2pF×5%=約100pfF程度であればよいことがわかる。
【0034】
図9は図1のPLL回路62の内部構成を示すブロック図である。図示のように、PLL回路62は、VCO61の発振信号を分周する主分周器21と、基準発振器53の基準発振信号を分周する基準信号分周器22と、主分周器21で生成された分周信号と基準発振信号との位相差に応じた位相差信号を生成する位相比較器23と、位相差信号に含まれる低域成分のみを抽出するループフィルタ25とを有する。
【0035】
PLL回路62内の主分周器21、基準信号分周器22、位相比較器23およびループフィルタ25は制御回路5により制御される。この制御回路5は、位相制御回路54を通してVCO61内のスイッチ回路17の切替制御も行う。
【0036】
VCO61の発振周波数が無線送信信号の周波数にいったんロックアップした後、回路の温度ドリフト等によりVCO61の発振周波数が変動する場合がありうる。この場合、VCO61の発振信号を特定の位相に設定した状態で、PLL回路62を用いたフィードバック制御により発振周波数の調整を行って再度ロックアップさせればよい。
【0037】
また、位相切替時にスイッチ回路17をオンさせる持続時間を微調整するとともに、MEMSアクチュエータ14への駆動電圧を微調整することにより、送信周波数を近似的に微調整することも可能である。
【0038】
このように、本実施形態では、VCO61内のタンク回路11にMEMSアクチュエータ14を用いて周波数可変範囲を大幅に広げるとともに、スイッチ回路17の切替によりVCO61の発振周波数を瞬時に切り替えて位相の切替を行うようにしたため、きわめて高速に位相の切替を行うことができ、構成が簡易で、低消費電力で、かつ広い周波数可変範囲をもつ位相変調器58を実現できる。
【0039】
上述した図1は無線送受信機の概略構成を示しているが、本発明は無線送信機や位相変調器にも適用可能である。また、適用する無線方式も特に問わない。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】本発明の一実施形態に係る無線送受信機の概略構成を示すブロック図。
【図2】直交座標系のI信号およびQ信号を説明する図。
【図3】極座標系のθ信号およびr信号を説明する図。
【図4】θ信号の波形の一例を示す図。
【図5】図5(a)および図5(b)はVCO61の内部構成の一例を示すブロック図。
【図6】圧電駆動MEMSアクチュエータ14の一例であるバリアブルキャパシタの上面図。
【図7】図6のA−A’線断面図。
【図8】スイッチ回路17の切替タイミングを示す図。
【図9】図1のPLL回路62の内部構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【0041】
3 受信部
4 送信部
5 制御回路
55 D/A変換器
57 ローパスフィルタ(LPF)
58 位相変調器
59 振幅変調器
61 電圧制御発振器(VCO)
62 PLL回路




 

 


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