無線周波数信号のための電力増幅器フィルタ

专利摘要:
入力信号s(t)から、同一の振幅を有する一方で、互いに対して位相シフトされた2つの信号S1(t)、S2(t)を生成することができる第1の段(2)と、前記信号S1(t)、S2(t)に対する第2の増幅器の段(3)と、第2の段(3)から得られた2つの信号s'1(t)、s'2(t)を合計することができる第3の再結合の段(4)とを具備する、アウトフェージングタイプのアーキテクチャを有する、無線周波数信号のための電力増幅器フィルタにおいて、再結合の段(4)は、互いに結合された音響波共振器の組立体を含み、これらの共振器のうちの「入力共振器」と呼ばれるいくつかの共振器は、第2の段(3)の出力に接続され、これらの共振器のうちの「出力共振器」と呼ばれる他の共振器は、フィルタの出力端子に接続される。
公开号:JP2011510549A
申请号:JP2010542616
申请日:2009-01-14
公开日:2011-03-31
发明作者:アレクサンドル・シラカワ；ジャン−バプティスト・ダヴィド；パトリック・ヴルム
申请人:コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ；
IPC主号:H03H9-54

专利说明:

[0001] 本発明は、特にモバイル通信端末のための、信号処理および増幅チェーンにおいて使用される電子増幅器モジュールの分野に関する。本発明は、より詳細には、性能および増幅品質に対して、電力消費を最適化することを可能にする、バルク音響波共振器(bulk acoustic wave coupled-resonator)タイプのコンポーネントを使用する増幅器アーキテクチャに関する。]
背景技術

[0002] モバイル電話および他の計算端末など、多くのモバイル通信デバイスは、無線周波数帯における波を送受信することによって動作する。これらのデバイスは、信号をアンテナに供給する伝送モジュールを備え、一般的に言えば、信号はデジタルのデータ信号に基づいて生成される。]
[0003] 性能に関して、これらの伝送モジュールは、様々なパラメータに関して解析される必要がある。このように、伝送モジュールが備えられているデバイスが、多くの場合に携帯用である限り、1つの重要な評価基準はそれらの電力消費である。なぜならば、電力消費がデバイスのバッテリ寿命に直接影響するからである。それゆえ、一般に、低電力消費を達成するための努力がなされている。]
[0004] さらに、スペクトル占有の理由で、信号は、伝送前に位相変調および振幅変調の両方の動作を受ける。しかし、一般的に言えば、非定常振幅または可変エンベロープを有する信号は、使用されうる増幅器の種類に制約を課す。実際には、ひずみを避けるため、非定常振幅を有する信号を増幅するために、線形応答増幅器を使用することが好ましい。]
[0005] 不都合なことに、線形増幅器は、電力消費に関して非線形増幅器ほど良好には動作しない。]
[0006] さらに、同じ周波数帯を共有する通信システムのスペクトル充填密度(spectrum packing density)を踏まえると、高度に選択的な出力フィルタリングを使用することにより、伝送システムが、隣接する周波数帯において干渉をほとんど生成しないことを確実にすることが、きわめて重要である。]
[0007] 非線形増幅器使用して、非定常振幅を有する信号を増幅することを可能にするために、いくつかの技術が開発されてきた。「アウトフェージング」として知られる技術が、満足な結果を達成することを可能にする。この技術は、元の信号の振幅に従って変化する位相差を有する、2つの定常振幅信号を生成するために、可変振幅信号を使用するステップを伴う。]
[0008] したがって、振幅情報は、もはや情報担体ではないので、定常振幅を有するこれら2つの中間信号は、信号ひずみを取り入れる何らのリスクもなく、非線形増幅器によって増幅されうる。]
[0009] これら2つの中間信号は、再結合(recombining)の段で加えられる。2つの中間信号の位相差が反対であるため、この再結合は、元の信号と同じ機能を有するが増幅後の、可変振幅出力信号を得ることを可能にする。]
[0010] 非特許文献1により説明される理論的研究に基づく、この「アウトフェージング」技術は、特許文献1の中で説明される改良を含め、様々な改良の主題となっている。]
[0011] 現在、「アウトフェージング」動作原理を使用する増幅器モジュールは、変圧器、四分の一波長伝送線路、または磁気カプラなど、受動的コンポーネントを使用する、信号再結合の段を使用する。そのようなコンポーネントは、概して、本質的に、比較的大きく、概して不十分に機能し、それゆえモバイル端末における用途での使用には適さない。]
[0012] 米国特許出願公開第2006/0078067号]
先行技術

[0013] H. Chireix、「High power outphasing modulation」、Proc IRE、Volume 23、November 1935、1370〜1392頁]
発明が解決しようとする課題

[0014] それゆえ、本発明の目的の1つは、その全体的寸法および効率に関して許容できる、再結合の段を作るための解決策を提供することにある。]
課題を解決するための手段

[0015] それゆえ、本発明は、「アウトフェージング」タイプのアーキテクチャを有する、無線周波数信号のための電力増幅器フィルタに関する。伝統的には、このアーキテクチャは、1つの入力信号から、同一の振幅を有するが、入力信号の振幅に従って互いに対して位相シフトされた2つの信号を生成することができる、第1の段を含む。このフィルタはまた、上述のように生成された2つの信号のための第2の増幅器の段と、第2の段から増幅後に得られた2つの信号を加えることができる第3の再結合の段とを含む。]
[0016] 本発明によれば、フィルタは、再結合の段が互いに結合されたバルク音響波共振器の組立体を含み、これらの共振器のうちの「入力共振器」と呼ばれるいくつかの共振器が第2の段の出力に接続され、これらの共振器のうちの「出力共振器」と呼ばれる他の共振器がフィルタの出力端子に接続されることを特徴とする。]
[0017] 言い換えれば、本発明は、BAW-CRFまたは「バルク音響波結合共振器フィルタ」とも呼ばれるバルク音響波フィルタを使用することにより、2つの増幅された信号の再結合を確実にするステップを伴う。]
[0018] この種類のフィルタは、「アウトフェージング」増幅器の再結合の段に特に適している。なぜならば、この段の入力共振器は、出力共振器と電気的に結合されないからである。さらに、効率に関するBAW-CRFフィルタの性能は、それらのきわめてコンパクトな寸法と相まって、BAW-CRFフィルタを、モバイル機器におけるアウトフェージングタイプのフィルタリングに対して許容できる解決策にならしめる。]
[0019] BAW-CRFフィルタは、音響的受動層の組立体により結合された、いくつかのバルク音響波共振器の積み重ねからなる。各共振器は、2つの電極の間に挟まれた圧電層を備える。]
[0020] 実際には、共振器の数、および様々な共振器が互いに対して配列される方法に従って、再結合の段を作るために、様々なアーキテクチャが使用されうる。]
[0021] 第1の実施形態において、入力共振器が出力共振器と音響的に結合されることが可能であり、その結果、出力共振器の電極が、フィルタの出力端子を形成する。]
[0022] 言い換えれば、入力共振器と出力共振器は、音響エネルギーが伝播する軸上に積み重ねられる構成で、作られる。入力共振器のそれぞれにより出力された2つの音響信号は、これらの共振器の間の様々な機械的結合層を通して伝播することにより、出力共振器の内部で再結合される。]
[0023] 第2の実施形態において、出力共振器が直列で電気的接続される場合、例えば電圧を合計することにより再結合された全体的信号を出力するために、出力共振器のそれぞれで生成された電気信号が組み合わされるように、出力共振器が互いに電気的に接続されうる。]
[0024] 実際には、エネルギーは、入力共振器と出力共振器との間を、音響結合層を通して直接、または中間共振器の1つまたは複数の連続物を通して伝送されうる。]
[0025] 実際には、インピーダンス整合を確実にするために、入力共振器間、および同様に出力共振器間の電気的接続に関する限り、特定の配列をもたらすことが可能である。したがって、増幅器の段の出力のうちの1つに接続される様々な入力共振器が電気的に並列に接続されるのに対して、対応する出力共振器がすべて直列に接続されてよく、これにより、再結合の段の入力の間の、その出力に対するインピーダンス変換を得ることが可能になる。]
[0026] こうして、出力インピーダンスが、アンテナにおけるインピーダンス値に対して適合されうる。]
[0027] 有利な一実施形態において、増幅器フィルタは、第1と第2の段の間、すなわち電力増幅器の上流に備えられた中間フィルタの段を含むことができる。そのコンパクトさを改良するために、この中間フィルタの段は、好ましくは、音響波結合共振器の組立体を含むことができる。]
[0028] 本発明が実施される方法およびその結果もたらされる利点が、より容易に理解されるように、以下の説明が示され、添付の図面が参照される。]
図面の簡単な説明

[0029] 本発明によるフィルタシステムの全体的概略図である。
本発明によるフィルタシステムの動作を示す図である。
音響共振器フィルタの概略的断面図である。
音響共振器フィルタの概略的断面図である。
再結合の段の第1の実施形態を示す図である。
他の実施形態を示す同様の図である。
他の実施形態を示す同様の図である。
他の実施形態を示す同様の図である。]
実施例

[0030] すでに述べたように、本発明は、図1に示すような総合的アーキテクチャを有する、無線周波数信号用電力増幅器フィルタに関する。したがって、フィルタ(1)は、その入力に、増幅されるべき信号S(t)を受ける、第1の段(2)を有する。この第1の段(2)は、2つの信号S1(t)およびS2(t)を出力する。第2の段(3)は、電力増幅を行う。この増幅器の段(3)は、2つの増幅された信号S'1(t)およびS'2(t)を出力する。第3の再結合の段(4)は、増幅された信号S3(t)を、アンテナ(6)に出力する。]
[0031] このフィルタ(1)は、図2に示す、いわゆるアウトフェージング増幅原理により動作する。]
[0032] 入力信号S(t)は、可変振幅s(t)=A(t)cos(ωt)を有する。第1の段(2)の機能は、一定の振幅A0を有するが、下式
s1(t)=A0cos(ωt+ψ)
s2(t)=A0cos(ωt-ψ)
による進みまたは遅れの位相差ψだけ、それぞれ互いに対して位相がずれる2つの信号を、入力信号S2(t)から生成することである。]
[0033] 位相差ψは、入力信号(ψ=cos-1[A(t)])の状態の振幅Aの関数として選択される。第2の段(3)は、エネルギー効率を最適化するために、そのように生成された2つの信号を、非線形特性を有して有利に選択されうる増幅器構造を使用して増幅する。]
[0034] そのように生成された2つの信号は、下の2式により増幅される。
s'1(t)=G0s1(t)=G0A0cos(ωt+ψ)
s'2(t)=G0s2(t)=G0A0cos(ωt-ψ)]
[0035] 第3の特徴的な段(4)は、2つの信号s'1(t)、s'2(t)を合計するように、それらを再結合する。この合計により、下式のように定義される信号s3を得ることが可能になる。
s3(t)=G0A0cos(ωt+ψ)+G0A0cos(ωt-ψ)]
[0036] 2つの中間信号S'1(t)およびS'2(t)の位相差が反対であるため、この合計により、下式
s3(t)=G0A0[2cos(ωt)cos(ψ)]=G0A0[2cos(ωt)cos(cos-1(A(t)))]=2G0A0A(t)cos(ωt)=2G0A0s(t)
による、増幅された入力信号S(t)に相当する出力信号s3を得ることが可能になる。]
[0037] このように、非線形増幅器の段を使用して、極めて低ひずみの総合的増幅が、可変振幅または可変エンベロープを有する信号に対して達成される。]
[0038] 本発明によれば、第3の再結合の段(4)は、互いに結合されたバルク音響波共振器を含むフィルタに基づく。]
[0039] そのようなフィルタは、略称で、BAW-CRFと呼ばれ、それらの簡略化された動作が、表された構造に従って、図3に概略的に示される。]
[0040] そのようなフィルタ構造は、2つの共振器(10、11)を備える。各共振器は、2つの電極(13、14)の間に挟まれた中央圧電層(12)を備える。第2の共振器(11)は、2つの電極(16、17)の間に挟まれた中央層(15)と同様の構造を備える。]
[0041] 2つの共振器(10、11)は、層の組立体で分離される。この層の組立体(20)は、間に高音響インピーダンス層(23)が配置された低音響インピーダンス層(21、22)を含む。図示の例において、代表される層の数は3であるが、この数は、特定の用途に従って、より大きくてよい。伝統的には、使用される材料は、低音響インピーダンス層の場合は誘電材料であり、または高音響インピーダンス層の場合は金属材料である。こうして、第1の共振器の2つの電極(13、14)にまたがって印加される電気信号が、音響場の生成を引き起こす。この音響場は、これらの積み重ねられた層の音響特性で画定される周波数帯において、すべての結合層(21〜23)を通過する。]
[0042] こうして、音響場は、第2の共振器の中央層(15)に作用し、第2の共振器の電極(16、17)の端子にまたがって、電気信号を引き起こす。]
[0043] 図4に示す特定の一実施形態において、入力共振器(30)および出力共振器(31)は、図3の場合のように直接結合されることはなく、追加の共振器(32、33)の組立体を介して間接的に結合されうる。これらの中間共振器(32、33)のそれぞれは、入力共振器(30)から受けられ、出力共振器(31)に経路づけられた音響場をそれぞれ受け、伝送する。]
[0044] 本発明によれば、再結合の段(4)は、使用が望まれる結合構造に従って、様々な方法で実施されうる。]
[0045] こうして、図5に示すように、2つの増幅された信号s'1およびs'2が、それぞれ入力共振器(50、51)に加えられる。これらの入力共振器(50、51)のそれぞれにより生成された音響場は、積み重ねられた音響層(53、54)を介して、出力共振器(52)に伝播する。この場合、入力共振器と出力共振器との間の結合は、音響のみである。それゆえ、音響場は出力共振器の中で合計され、出力共振器は、2つの信号s'1およびs'2の合計に相当する出力信号s3を、より少ない音響損失で出力する。]
[0046] 本件の場合、再結合の段の入力共振器(50)および出力共振器(51)は、音響エネルギーが伝播する軸上で、一方の共振器を他方の共振器の上に積み重ねることにより作られなければならない。]
[0047] 図6に示す第2の実施形態において、2つの入力共振器(60、61)は、2つの出力共振器(62、63)に個別に接続される。それゆえ、各出力共振器(62、63)は、増幅された信号s'1、s'2のそれぞれに対応する電気信号s3を生み出す。]
[0048] 出力共振器(62、63)は、出力信号が、出力共振器(62、63)のそれぞれで生成された電圧の合計に相当するような方法で、電気的に直列に接続される。それゆえ、2つの増幅された信号を合計することが、2つの出力共振器を直列に接続することにより得られる。]
[0049] 図7に示す代替の一実施形態において、入力共振器(70、71)は、出力共振器(72、73)に、音響的に直接、接続されない。対照的に、追加の(75、76、77、78)の組立体が、入力共振器と出力共振器との間の音響場の伝送を確実にする。]
[0050] 図4に示す実施形態におけるように、このことが、同一平面内に配置される出力・入力共振器を作ることを可能にする。それゆえ、フィルタ構造は、2段構造であるとみなされうる。]
[0051] 本発明の他の態様によれば、概して言えば送信アンテナで決定される出力インピーダンスへのインピーダンス整合を確実にするような方法で、BAW-CRFフィルタの組合せを作ることができる。このように、図8に示すように、入力信号s'1が、それらの電極が平行である2つの入力共振器(80、81)に供給される。それゆえ、入力のレベルで見られるインピーダンスは、共振器それぞれのインピーダンスの半分に等しい。]
[0052] これらの入力共振器(80、81)は、図示の実施形態における共振器の段(85)を介して出力共振器(82、83)に接続される。同じことが、出力共振器(88、89)に音響的に結合された2つの入力共振器(86、87)に供給される第2の増幅された信号の処理に対して当てはまる。4つの出力共振器(82、83、88、89)はまた、出力インピーダンスが、1つの出力共振器のパーユニット(per-unit)インピーダンスの4倍に実質的に等しくなるように、直列に接続される。]
[0053] この設定は、必要なインピーダンス値に整合されうるように、入力の段と出力の段との間のインピーダンス変換を確実にすることを可能にする。]
[0054] こうして、この種類のフィルタ構造で一般的に使用される、低バイアス電圧レベルを維持しながらモバイル用途の伝送規格に必要な電力レベルが、達成されうる。]
[0055] 明らかに、求められている値に従って、異なる数の共振器を含む、より複雑な設定が実施されうる。]
[0056] 一般的に言えば、フィルタの様々な段の他のコンポーネントが、従来技術を使用して作られる。位相がずれた信号を生成する第1の段(2)が、CMOSまたはBiCMOSタイプの集積技術を使用して作られる。同様に、同定(identification)の段(3)が、同じ種類の技術、または、より好ましくは、GaAs、InPもしくは同様の集積技術を使用して作られる。]
[0057] 特定の一実施形態において、第1の段は、位相がずれた信号の任意のひずみを除去することを可能にする中間フィルタを含むことができる。これらのフィルタは、電力増幅器に供給される信号のスペクトルを削減することを可能にし、それにより、生成されたノイズおよび高調波に関して、増幅効率が改良される。これらの中間フィルタは、より小さい全体寸法およびより低い挿入損失を得るために、様々な技術、好ましくはBAW-CRF技術を使用して作られる。]
[0058] 上の説明は、本発明による増幅器モジュールが、いくつかの利点、特に、現在知られている解決策に比べてより低いエネルギー消費を有することを明らかにする。実際には、本発明は、非常に高いエネルギー効率を有する非線形電力増幅器を使用することを可能にし、このことが、フィルタで消費される電力を削減することを可能にする。]
[0059] さらに、BAW-CRFフィルタの挿入損失は非常に低く、2〜3dB程度であり、このことが、再結合の段におけるエネルギー消費を削減すること、さらに、中間BAW-CRFフィルタの場合には、必要な電力増幅器の利得を削減することを可能にし、その結果、電力増幅器が消費する電力量が削減される。]
[0060] これに加えて、本発明によるフィルタは、それゆえ、可変エンベロープを有する複雑な信号を、非線形増幅器により、重大なひずみを取り入れることなく増幅することを可能にする。]
[0061] さらに、BAW-CRFフィルタの高度な選択特性により、増幅器モジュールの周波数帯の外側における干渉の生成を、著しく削減することが可能である。]
[0062] 最後に、本発明によるフィルタは、それらが、フリップチップ技術を使用して搭載された部品を含むことができるため、それらの全体寸法およびコストに関して特に有利である。]
[0063] それゆえ、本発明は、単に例示のためであって、それだけには限らないが、EDGEすなわち第3世代タイプのモバイル電話システムにおける無線周波数増幅器モジュールにおいて、特定の用途を有する。]
[0064] 1フィルタ
2 第1の段
3 第2の段、増幅器の段
4 第3の再結合の段
10、11共振器
12 中央圧電層
13、14電極
15 中央(圧電)層
16、17 電極
20 層の組立体
21、22、23低音響インピーダンス層
30、50、51、60、61、70、71、80、81、86、87入力共振器
31、52、62、63、72、73、82、83、88、89出力共振器
32、33中間共振器
53、54積み重ねられた音響層
75、76、77、78 追加の共振器
85 共振器の段]

权利要求:

請求項1
入力信号s(t)から、同一の振幅を有する一方で互いに対して位相シフトされた2つの信号s1(t)、s2(t)を生成することができる第1の段(2)と、前記信号s1(t)、s2(t)に対する第2の増幅器の段(3)と、第2の段(3)から得られた2つの信号s'1(t)、s'2(t)を合計することができる第3の再結合の段(4)とを具備する、アウトフェージングタイプのアーキテクチャを有する、無線周波数信号のための電力増幅器フィルタにおいて、再結合の段(4)は、互いに結合された音響波共振器の組立体を含み、これらの共振器のうちの「入力共振器」と称するいくつかの共振器(50、51)は、第2の段(3)の出力に接続され、これらの共振器のうちの「出力共振器」と称する他の共振器(52)は、前記フィルタの出力端子に接続されることを特徴とするフィルタ。
請求項2
入力共振器(50、51)は、前記出力共振器に音響的に接続され、前記出力共振器(52)の出力電極は、前記フィルタの出力端子を形成することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
請求項3
出力共振器(62、63、72)は、互いに電気的に接続されることを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
請求項4
入力共振器(70、71)は、中間共振器(75、76、77、78)のうちの1つまたは複数の組で出力共振器(72、73)に接続されることを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
請求項5
前記出力共振器は、直列で電気的に接続されることを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
請求項6
増幅器の段(3)の1つの出力(s'1、s'2)に割り当てられた前記入力共振器(80、81;86、87)は、並列に接続されることを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
請求項7
前記第1の段と前記第2の段(2、3)の間に配置された中間フィルタの段を具備することを特徴とする請求項1に記載の増幅器フィルタ。
請求項8
前記中間フィルタの段は、バルク音響波結合共振器の組立体を含むことを特徴とする請求項1に記載の増幅器フィルタ。