JP2021034947A - 高周波回路、通信装置、及び高周波回路の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高次の変調方式に対するより高い要求性能を満たすことができる高周波回路及び高周波回路を備える通信装置、並びに高周波回路の設計方法を提供する。【解決手段】２５６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）で変調された所定周波数帯域の高周波信号を伝達する高周波回路１において、入力信号の周波数の変化に対する入出力信号の振幅比の変化の比である振幅の傾きは、所定周波数帯域において−０．１ｄＢ／ＭＨｚ以上０．１ｄＢ／ＭＨｚ以下である。【選択図】図４

Description

本発明は、高周波回路及び高周波回路を備える通信装置、並びに高周波回路の設計方法に関する。

無線通信において、情報密度を高めてデータレートを増加させるために、より高次な変調方式として、例えば２５６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）及び１０２４ＱＡＭなどが採用され始めている。このような変調方式では、信号品質を確保するために、より高い性能が通信装置に求められる。例えば、３ＧＰＰ（3rd Generation Partnership Project）の標準規格では、各変調方式に対して要求される性能がＥＶＭ（Error Vector Magnitude）を用いて以下のように定義されている。

特許文献１には、より高い要求ＥＶＭを満たすためのピーク抑圧回路について開示されている。

特開２０１８−１９２４６号公報

しかしながら、上記特許文献１のピーク抑圧回路の改善だけでは、高周波回路全体としてより高い要求ＥＶＭを満たすことは難しい。

そこで、本発明は、高次の変調方式に対するより高い要求性能を満たすことができる高周波回路等を提供する。

本発明の一態様に係る高周波回路は、２５６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）で変調された所定周波数帯域の高周波信号を伝達する高周波回路であって、入力信号の周波数の変化に対する入出力信号の振幅比の変化の比である振幅の傾きは、前記所定周波数帯域において−０．１ｄＢ／ＭＨｚ以上０．１ｄＢ／ＭＨｚ以下である。

本発明の一態様に係る通信装置は、前記高周波回路と、前記高周波信号を処理する信号処理回路と、を備え、前記高周波回路は、前記高周波信号の送信及び受信の少なくとも一方のためのアンテナ素子と前記信号処理回路との間で前記高周波信号を伝達する。

本発明の一態様に係る高周波回路の設計方法は、所定変調方式で変調された所定周波数帯域の高周波信号を伝達する高周波回路の設計方法であって、前記所定変調方式のための要求性能を満たすための振幅の傾きの条件を取得し、前記振幅の傾きは、入力信号の周波数の変化に対する入出力信号の振幅比の変化の比であり、取得された前記振幅の傾きの条件を満たすように前記高周波回路を設計する。

なお、これらの包括的又は具体的な態様は、システム、装置、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

本発明によれば、高次の変調方式に対するより高い要求性能を満たすことができる。

図１は、実施の形態に係る高周波回路の設計方法を示すフローチャートである。 図２は、周波数振幅特性の一例を示すグラフである。 図３Ａは、振幅の傾きの周波数特性の一例を示すグラフである。 図３Ｂは、ＥＶＭの周波数特性の一例を示すグラフである。 図３Ｃは、振幅の傾きとＥＶＭとの関係の一例を示すグラフである。 図４は、実施の形態に係る高周波回路及び通信装置の回路構成図である。 図５は、実施の形態に係る高周波回路の周波数振幅特性を示すグラフである。 図６は、実施の形態に係る高周波回路の振幅の傾きの周波数特性を示すグラフである。 図７は、実施の形態に係る高周波回路のＥＶＭの周波数特性を示すグラフである。 図８は、実施の形態に係る高周波回路の振幅の傾きとＥＶＭとの関係を示すグラフである。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。

また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
［１．１ 高周波回路の設計方法］
発明者らは、高周波信号のＥＶＭが高周波回路における入力信号の周波数の変化に対する入出力信号の振幅比の変化の比（以下、振幅の傾き（magnitude slope）という）に依存していることを発見し、その依存関係を利用して高周波回路を設計する方法を見出した。以下に、本実施の形態に係る高周波回路の設計方法について図１を参照しながら具体的に説明する。

図１は、実施の形態に係る高周波回路の設計方法を示すフローチャートである。図１の各処理は、例えばプロセッサ及びメモリを備えるコンピュータによって行われてもよい。

まず、所定高周波回路の周波数振幅特性と、当該所定高周波回路から出力された高周波信号のＥＶＭが取得される（Ｓ１１０）。

所定高周波回路は、設計対象の高周波回路に対応しており、所定変調方式で変調された所定周波数帯域の高周波信号を伝達する。所定高周波回路としては、仮想的及び／又は物理的な回路を用いることができる。つまり、周波数振幅特性及びＥＶＭの取得には、モデル化された仮想的な回路に基づく計算値が用いられてもよいし、物理的な回路に基づく実測値が用いられてもよい。

所定変調方式は、設計対象の高周波回路が伝達する高周波信号の変調方式である。所定変調方式としては、例えば２５６ＱＡＭ及び１０２４ＱＡＭなどを用いることができるが、これに限定されない。

所定周波数帯域は、設計対象の高周波回路が伝達する高周波信号の周波数帯域である。所定周波数帯域としては、例えば３ＧＰＰの標準規格で定義された通信バンド又はその通信バンド内のチャネルを用いることができるが、これに限定されない。

ＥＶＭは、デジタル無線送信機又は受信機の性能を定量化するために用いられる尺度である。具体的には、ＥＶＭは、送信器が送信した信号又は受信機が受信した信号のコンスタレーションポイントが理想的な信号のコンスタレーションポイントからどれだけ離れているかを示す。ＥＶＭの測定方法としては、一般的な方法を用いることができ、例えば３ＧＰＰの標準規格で定められた方法を用いることができるが、これに限定されない。

次に、ステップＳ１１０で取得された周波数振幅特性を用いて振幅の傾きが導出される（Ｓ１２０）。この振幅の傾きの導出の具体例について図２を参照しながら説明する。

図２は、ステップＳ１１０で取得される高周波回路の周波数振幅特性の一例を示すグラフである。図２において、縦軸は、入出力信号の振幅比、つまり入力信号の振幅に対する出力信号の振幅の比（ゲイン）を表し、横軸は、高周波回路の入力信号の周波数を表す。ここでは、入力信号として、２５６ＱＡＭで変調された高周波信号が用いられている。

例えば、図２において、６８０ＭＨｚから６９０ＭＨｚまでの周波数帯域における振幅の傾きを導出するために、入力信号の周波数と入出力信号の振幅比との間の相関を表す近似直線２０１が導出される。そして、導出された近似直線２０１を用いて振幅の傾きが導出される。具体的には、近似直線２０１の傾きが振幅の傾きとして導出される。

なお、近似直線２０１は、線形回帰モデルにおいて最小二乗法等を用いることで導出できるが、これに限定されない。また、振幅の傾きの導出のために近似直線２０１が用いられなくてもよい。例えば周波数帯域に含まれる微小帯域の傾きの平均値が振幅の傾きとして導出されてもよい。

次に、ステップＳ１２０で導出された振幅の傾きとステップＳ１１０で取得されたＥＶＭとの関係に基づいて、所定変調方式のための要求ＥＶＭを満たすための振幅の傾きの条件が決定される（Ｓ１３０）。この決定の具体例について図３Ａ〜図３Ｃを参照しながら説明する。

図３Ａは、振幅の傾きの周波数特性の一例を示すグラフである。図３Ｂは、ＥＶＭの周波数特性の一例を示すグラフである。図３Ｃは、振幅の傾きとＥＶＭとの関係の一例を示すグラフである。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、横軸は、高周波回路の入力信号の周波数を表し、縦軸は、振幅の傾き（図３Ａ）とＥＶＭ（図３Ｂ）とを表す。また、図３Ｃにおいて、横軸は、振幅の傾きの絶対値を表し、縦軸は、ＥＶＭを表す。ここでは、入力信号は２５６ＱＡＭで変調された高周波信号であり、要求ＥＶＭは３．５％である。

図３Ａにおいて、各データポイントは、１０ＭＨｚの帯域幅を有する周波数帯域における振幅の傾きを表し、周波数帯域の中心周波数に対応付けられている。例えば、６８５ＭＨｚのデータポイント３０１は、６８０ＭＨｚから６９０ＭＨｚまでの周波数帯域における振幅の傾きを表す。

図３Ｂにおいて、各データポイントは、１０ＭＨｚの帯域幅を有する周波数帯域におけるＥＶＭを表し、周波数帯域の中心周波数に対応付けられている。例えば、６８５ＭＨｚのデータポイント３０２は、６８０ＭＨｚから６９０ＭＨｚまでの周波数帯域におけるＥＶＭを表す。

図３Ｃにおいて、各データポイントは、図３Ａ及び図３Ｂにおいて対応する周波数帯域の振幅の傾き及びＥＶＭを表す。

図３Ｃを見れば、ＥＶＭが振幅の傾きに依存していることがわかる。具体的には、振幅の傾きの絶対値が増加すればＥＶＭが増加している。例えば、振幅の傾きの絶対値が０．１ｄＢ／ＭＨｚ以下であれば、ＥＶＭが３．５％以下となっている。したがって、２５６ＱＡＭにおいて３．５％の要求ＥＶＭを満たすための振幅の傾きの条件を、−０．１ｄＢ／ＭＨｚ以上０．１ｄＢ／ＭＨｚ以下の範囲と決定することができる。

最後に、ステップＳ１３０で決定された振幅の傾きの条件が満たされるように、高周波回路が設計される（Ｓ１４０）。高周波回路が振幅の傾きの条件を満たしていない場合には、例えば、より高いＱ値を有するフィルタを採用することにより振幅の傾きの絶対値を低減することで、振幅の傾きの条件を満たす高周波回路を設計することができる。また例えば、高周波回路を構成する部品間のインピーダンスのミスマッチを低減することにより、振幅の傾きの絶対値が低減されてもよい。なお、振幅の傾きの絶対値を低減するための方法は、これらに限定されない。

なお、図１の設計方法では、取得された周波数振幅特性及びＥＶＭに基づいて、所定変調方式及び要求ＥＶＭに対応する振幅の傾きの条件が決定されていたが、この決定は設計のたびに行われなくてもよい。例えば、振幅の傾きの条件が既に決定されている場合には、新たに振幅の傾きの条件を決定する必要はなく、既に決定された振幅の傾きの条件が用いられてもよい。

また、所定高周波回路として、複数の高周波回路が用いられてもよい。この場合、複数の高周波回路から振幅の傾き及びＥＶＭを取得することができ、振幅の傾きの条件をより正確に決定することができる。

［１．２ 高周波回路１の構成］
以上のように設計された高周波回路１の構成について、図４を参照しながら説明する。図４は、実施の形態に係る高周波回路１及び通信装置５の回路構成図である。

図４に示すように、通信装置５は、高周波回路１と、アンテナ素子２と、ＲＦ信号処理回路（ＲＦＩＣ）３と、ベースバンド信号処理回路（ＢＢＩＣ）４と、を備える。

高周波回路１は、アンテナ素子２とＲＦＩＣ３との間で、所定変調方式で変調された所定周波数帯域の高周波信号を伝達する。図４では、高周波回路１は、例えば２５６ＱＡＭで変調された所定周波数帯域の高周波信号を送信する送信回路である。

アンテナ素子２は、高周波回路１の出力端子１５に接続され、高周波回路１が伝達した高周波信号を送信する。

ＲＦＩＣ３は、高周波信号を処理する信号処理回路の一例であり、アンテナ素子２で送信される高周波信号を処理する。具体的には、ＲＦＩＣ３は、ＢＢＩＣ４から入力された送信信号をアップコンバートなどにより信号処理し、当該信号処理して生成された高周波信号を、高周波回路１に出力する。

ＢＢＩＣ４は、高周波回路１を伝播する高周波信号よりも低周波の中間周波数帯域を用いて信号処理する回路である。ＢＢＩＣ４は、例えば、画像表示のための画像信号、及び／又は、スピーカを介した通話のための音声信号を処理する。

ここで、高周波回路１の内部構成について説明する。高周波回路１は、図４に示すように、入力端子１１と、電力増幅回路１２と、整合回路１３と、フィルタ回路１４と、出力端子１５と、を備える。

電力増幅回路１２は、入力端子１１と整合回路１３との間に接続されている。電力増幅回路１２は、入力端子１１を介してＲＦＩＣ３から入力された高周波信号を増幅する。

整合回路１３は、電力増幅回路１２とフィルタ回路１４との間に接続されている。整合回路１３は、電力増幅回路１２とフィルタ回路１４との間のインピーダンス整合をとる。具体的には、整合回路１３は、電力増幅回路１２の出力インピーダンスと、フィルタ回路１４の入力インピーダンスとを整合させるための回路である。整合回路１３は、インダクタ及び／又はキャパシタなどの受動素子を含む。

フィルタ回路１４は、整合回路１３と出力端子１５との間に接続されている。フィルタ回路１４は、電力増幅回路１２で増幅された高周波信号を低損失で通過させる。フィルタ回路１４は、弾性表面波フィルタ、ＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）を用いた弾性波フィルタ、圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）フィルタ、ＬＣ共振フィルタ、及び誘電体フィルタのいずれであってもよく、さらには、これらに限定されない。

なお、図４の高周波回路１及び通信装置５の回路構成は、一例であり、これに限定されない。例えば、高周波回路１は、整合回路１３を備えなくてもよい。また、通信装置５は、アンテナ素子２及びＢＢＩＣ４を備えなくてもよい。さらに、高周波回路１は、アンテナ素子２で受信された高周波信号を伝達する受信回路を含んでもよい。

［１．３ 高周波回路１の特性］
以上のように構成された高周波回路１の特性について図５〜図８を参照しながら説明する。図５は、実施の形態に係る高周波回路１の周波数振幅特性を示すグラフである。図６は、実施の形態に係る高周波回路１の振幅の傾きの周波数特性を示すグラフである。図７は、実施の形態に係る高周波回路１のＥＶＭの周波数特性を示すグラフである。図８は、実施の形態に係る高周波回路１の振幅の傾きとＥＶＭとの関係を示すグラフである。

図６の振幅の傾きは、図５の周波数振幅特性から導出される。ここでは、図２及び図３と同様に、１０ＭＨｚの帯域幅をそれぞれ有する複数の周波数帯域について、振幅の傾きが導出されている。図６及び図８に示すように、高周波回路１の複数の周波数帯域における振幅の傾きの各々は、−０．１ｄＢ／ＭＨｚ以上０．１ｄＢ／ＭＨｚの範囲に含まれる。つまり、高周波回路１の振幅の傾きは、２５６ＱＡＭの要求ＥＶＭ（３．５％）を満たすための振幅の傾きの条件を満たしている。

その結果、図７及び図８に示すように、高周波回路１が伝達した高周波信号のＥＶＭは、６６０ＭＨｚ以上７００ＭＨｚ以下の帯域に含まれる１０ＭＨｚの帯域幅を有する各周波数帯域において要求ＥＶＭ（３．５％）以下を実現している。

［１．４ 効果等］
以上のように、本実施の形態に係る高周波回路１は、２５６ＱＡＭで変調された所定周波数帯域の高周波信号を伝達する高周波回路であって、入力信号の周波数の変化に対する入出力信号の振幅比の変化の比である振幅の傾きは、所定周波数帯域において−０．１ｄＢ／ＭＨｚ以上０．１ｄＢ／ＭＨｚ以下である。

これによれば、振幅の傾きを−０．１ｄＢ／ＭＨｚ以上０．１ｄＢ／ＭＨｚ以下とすることで、高周波回路１が伝達した高周波信号のＥＶＭを３．５％の要求ＥＶＭ以下とすることができる。したがって、高周波回路１は、２５６ＱＡＭに対するより高い要求性能を満たすことができる。

また、本実施の形態に係る通信装置５は、高周波回路１と、高周波信号を処理するＲＦＩＣ３と、を備え、高周波回路１は、高周波信号の送信及び受信の少なくとも一方のためのアンテナ素子２とＲＦＩＣ３との間で高周波信号を伝達する。

これによれば、通信装置５は、高周波回路１と同様に、２５６ＱＡＭに対するより高い要求性能を満たすことができる。

また、本実施の形態に係る高周波回路１の設計方法は、所定変調方式で変調された所定周波数帯域の高周波信号を伝達する高周波回路１の設計方法であって、所定変調方式のための要求性能を満たすための振幅の傾きの条件を取得し、振幅の傾きは、入力信号の周波数の変化に対する入出力信号の振幅比の変化の比であり、取得された振幅の傾きの条件を満たすように高周波回路１を設計する。

これによれば、振幅の傾きの条件を満たすことで、変調方式に対応する要求性能を満たす高周波回路１を設計することができ、高次の変調方式に対するより高い要求性能を満たす高周波回路を設計することも可能となる。

例えば、本実施の形態に係る高周波回路１の設計方法において、振幅の傾きの条件の取得では、所定高周波回路の周波数振幅特性と、所定高周波回路から出力された高周波信号のＥＶＭとを取得し、取得された周波数振幅特性を用いて振幅の傾きを導出し、導出された振幅の傾きと取得されたＥＶＭとの関係に基づいて、所定変調方式に対応する要求ＥＶＭが満たされる振幅の傾きの範囲を振幅の傾きの条件として決定してもよい。

これによれば、所定高周波回路の周波数振幅特性と、所定高周波回路から出力された高周波信号のＥＶＭに基づいて、所定変調方式の要求ＥＶＭに対応する振幅の傾きの条件を決定することができる。したがって、変調方式及び要求ＥＶＭに応じて柔軟に振幅の傾きの条件を決定することができる。

例えば、本実施の形態に係る高周波回路１の設計方法において、振幅の傾きの導出では、取得された周波数振幅特性において、所定周波数帯域の入力信号の周波数及び入出力信号の振幅比の間の相関を表す近似直線を用いて振幅の傾きを導出してもよい。

これによれば、近似直線に基づいて振幅の傾きを導出することができ、所定周波数帯域内の複数のデータポイントの傾向及び性質に適応して振幅の傾きを容易に導出することが可能となる。

（他の実施の形態）
以上、実施の形態に係る高周波回路、通信装置及び高周波回路の設計方法について、実施の形態を挙げて説明したが、本発明の高周波回路、通信装置及び高周波回路の設計方法は、上記実施の形態に限定されない。上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の高周波回路及び通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

また、上記実施の形態では、主として２５６ＱＡＭで変調された高周波信号に関して説明したが、本発明を適用可能な変調方式は、２５６ＱＡＭに限定されない。本発明は、例えば、さらに高次の変調方式（例えば、１０２４ＱＡＭ等）に適用されてもよい。

また、例えば、上記実施の形態に係る高周波回路及び通信装置において、図面に開示された各回路素子及び信号経路を接続する経路の間に別の高周波回路素子及び配線などが挿入されてもよい。

本発明は、高次の変調方式で変調された高周波信号を送信及び／又は受信可能なフロントエンドモジュールとして、携帯電話などの通信機器に広く利用できる。

１ 高周波回路
２ アンテナ素子
３ ＲＦ信号処理回路（ＲＦＩＣ）
４ ベースバンド信号処理回路（ＢＢＩＣ）
５ 通信装置
１１ 入力端子
１２ 電力増幅回路
１３ 整合回路
１４ フィルタ回路
１５ 出力端子

Claims (6)

1. ２５６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）で変調された所定周波数帯域の高周波信号を伝達する高周波回路であって、
   入力信号の周波数の変化に対する入出力信号の振幅比の変化の比である振幅の傾きは、前記所定周波数帯域において−０．１ｄＢ／ＭＨｚ以上０．１ｄＢ／ＭＨｚ以下である、
   高周波回路。
2. 前記高周波回路は、前記高周波信号を送信する送信回路を含む、
   請求項１に記載の高周波回路。
3. 請求項１又は２に記載の高周波回路と、
   前記高周波信号を処理する信号処理回路と、を備え、
   前記高周波回路は、前記高周波信号の送信及び受信の少なくとも一方のためのアンテナ素子と前記信号処理回路との間で前記高周波信号を伝達する、
   通信装置。
4. 所定変調方式で変調された所定周波数帯域の高周波信号を伝達する高周波回路の設計方法であって、
   前記所定変調方式のための要求性能を満たすための振幅の傾きの条件を取得し、前記振幅の傾きは、入力信号の周波数の変化に対する入出力信号の振幅比の変化の比であり、
   取得された前記振幅の傾きの条件を満たすように前記高周波回路を設計する、
   高周波回路の設計方法。
5. 前記振幅の傾きの条件の取得では、
   所定高周波回路の周波数振幅特性と、前記所定高周波回路から出力された高周波信号のＥＶＭ（Error Vector Magnitude）とを取得し、
   取得された前記周波数振幅特性を用いて前記振幅の傾きを導出し、
   導出された前記振幅の傾きと取得された前記ＥＶＭとの関係に基づいて、前記所定変調方式の要求ＥＶＭが満たされる振幅の傾きの範囲を前記振幅の傾きの条件として決定する、
   請求項４に記載の高周波回路の設計方法。
6. 前記振幅の傾きの導出では、
   取得された前記周波数振幅特性において、前記所定周波数帯域の入力信号の周波数及び入出力信号の振幅比の間の相関を表す近似直線を用いて前記振幅の傾きを導出する、
   請求項５に記載の高周波回路の設計方法。

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