JP2004527963A

JP2004527963A - 増幅器

Info

Publication number: JP2004527963A
Application number: JP2002587915A
Authority: JP
Inventors: チア、エリック・ロナルド
Original assignee: BAE Systems Defence Systems Ltd
Current assignee: BAE Systems Defence Systems Ltd
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2004-09-09
Also published as: WO2002091567A2; GB0110854D0; AU2002253333A1; US20040104769A1; US6940347B2; WO2002091567A3; EP1384318A2

Abstract

時間遅延機能をもたらす群遅延特性を備えた表面音響波（ＳＡＷ）フィルタを備えている再循環型増幅器。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、増幅器の分野に係り、限定するわけではないが、とくに無線周波数受信機及びトランシーバで使用される増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用無線応用製品の分野では、無線周波数（ＲＦ）受信機及びトランシーバについての寸法とエネルギー必要量とを低減するという要求は常に増大するところとなっている。このような受信機とトランシーバとはシステム内での使用に係る非常に高い信頼性を示すことが必要とされており、こういったシステムでは小さな電源だけによって給電される長時間に亘って製品が展開されることが求められている。
【０００３】
さらに、このような受信機とトランシーバとは、一般に良好な感度と、選択性と、スプリアスレスポンス（spurious responses）を受けないようにすることとを示すことが求められている。例外的に、このようなデバイスは、電気的な放出(electrical emissions)（局部発振器もしくは増幅器内の不安定さによってもたらされるようなものを最低限とするか、除去しなければならない。
【０００４】
低電流小型受信機であって、上記の求められている要件を部分的に適えることできるものは“クリスタル（結晶）”検出器、ＴＲＦ、超再生（super-regen）及びシーケンシャルな増幅器に基づいた設計を含んでいる。
【０００５】
こういった部品の各々は本来的な問題をかかえていて、そこには“結晶”の不適切な感度、ＲＦ利得によりその感度が制限されているＴＲＦ（Tuned Radio Frequency）、及びアンテナと検出器間の絶縁といったことが含まれている。加えてＴＲＦの選択性はとくに良いものでない。
【０００６】
さらに超再生は本来的に安定性を欠き、受信周波数で放射を放出することに責任を負うものとなっている。
【０００７】
シーケンシャルな増幅器に基づいた受信機はいずれの新しい苛しい要件に適うという点で一番進んでいるものである。このデバイスは表面音響波（ＳＡＷ）の帯域通過（バンドパス）ＲＦフィルタを使用して、ＳＡＷ遅延線を介して接続（リンク）されている二つ（もしくはそれ以上）の増幅器で周波数判断にあてている。各増幅器段階は交互に励起され、それによって増幅器間の不具合な結合が不安定を作り出さないようにしている。
【０００８】
しかしながら、このトポロジィ（topology）はいくつかの要因によって制限を受ける：
ａ）現状の技術の構成は、二つのＳＡＷデバイスと、動作周波数を規定するフィルタと、必要とされる時間遅延を作り出すための遅延線とを使用している。
ｂ）理想的なＳＡＷ遅延線は、本質的な（intrinsic）６ｄＢ挿入損失を有し、現実の遅延線は、トランスデューサの効率とデバイスに沿っての伝搬の効率を含む多数の要因により生ずる追加の損失を蒙ることになる。遅延線における損失はより大きな電源電流を消費する増幅器におけるより高い利得によって補正されなければならない。
ｃ）従来形のＳＡＷ遅延線は必要な遅延を与える伝送経路を収納するために十分な長さのものでなければならない。伝送経路の折畳み(folding)方法が挿入損を覚悟の上で（デバイスをより小さく作るために）利用可能である。したがって、適切とされる遅延を伴うデバイスは物理的に大きなものであり、受信機の寸法を規定する際の制限要因となりうる。
ｄ）増幅器は大きなデューティ(duty)サイクル（すなわち５０％）で励起される。
【発明の開示】
【０００９】
したがって、時間遅延機能を提供する群（group）遅延特性を備えたＳＡＷフィルタを含んでいる再循環型(re-circulating)増幅器が提供されることになる。
【００１０】
この発明の好ましい実施例では、再循環型増幅器が提供されて、この増幅器では、ＳＡＷフィルタが特性の組合せを備えており、その特性は群遅延と、周波数選択性とが同時にシーケンシャルな増幅器の一部として含まれている。
【００１１】
この発明の別な実施例では、受信機が提供されて、この受信機は再循環型増幅器を含んでおり、また該再循環型増幅器は局部発振器も超再生手段も備えていない。
【００１２】
この発明のさらに別な実施例では、トランシーバが提供されて、このトランシーバは再循環型増幅器を備えていて、該再循環型増幅器は局部発振器も超再生手段も備えていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
添付の図面を例示の目的でのみ参照してこの発明を記述して行くこととする。図１に示した受信機の実施例では、入力増幅器２がアンテナ４からの信号をサンプルして、増幅し、それをＳＡＷ遅延（フィルタの群遅延として実現されている）６に加える。信号がＳＡＷ遅延６から現われ始めると、入力増幅器２はオフにスイッチされて、第二の増幅器８がオンにスイッチされる。この信号は増幅されて、再度、ＳＡＷ入力６に加えられる。この信号が二度目に現われるときには、第二の増幅器８によって再び増幅される。この信号が三度目に現われるときには、第二の増幅器８はオフにスイッチされる。一つのＳＡＷデバイス６のみが図示の実施例で使用されているので、“ステージ（stages）”間での周波数の整列の不調の可能性は存在しない。一旦、この信号が増幅過程を完了したときには、出力信号は一般にローパスフィルタ(low pass filter)１０を経たルートをとることができる。
【００１４】
こうして、入力増幅器２はアンテナの入力４に対して受信サンプリング動作を実行する。増幅器２のこのサンプリング動作は、潜在する増幅についての僅かな損失（loss）を生じさせる。例えば、増幅器２，８のデューティ（duty）比は約１０％となり、これがこの回路の最終的な利得（gain）での１０ｄＢの損失をもたらす。しかしながら、これは第二の増幅器８の動作により相殺され、第二の増幅器８は信号に対して約３ロット（組）の利得を与えるように使用される。この回路の利得は、したがって、入力増幅器２に第二の増幅器８の利得の３倍を加えた和からＳＡＷデバイス６の減衰とサンプリング損失とを減算したものと近似される。（研究のプロトタイプではこれがほぼ２５＋３×２５−３×５−１０＝７５ｄＢと評価された。）
検出動作は、増幅器２，８のコレクタ電流を監視することにより実行され、この電流は受信機への入力電力に比例しており、コマンド（command）トーンのＡＭ検出を実行する。
【００１５】
この受信機は、最小数量の電気部品を使用するように工夫されていて、このことが電流消費と物理的サイズの低減を助けて、信頼性の改善を与える。この革新的設計を使用することは回路素子が複数の機能（functions）を実行するように構成されるようにしている。
【００１６】
単一のＳＡＷフィルタ６が使用されて、受信機の中心周波数を判断する手段を与え、またフィルタの群遅延特性が使用されて、シーケンシャルな増幅器の一部として電気的遅延を与える。
【００１７】
二つの増幅器部（セクション）２，８が採用され、増幅器制御のゲート作用がＲＦスイッチとして動作し、このスイッチがステージを入力と出力から絶縁する。第二ステージの増幅器８は信号を数回再増幅して、大きな正味利得をもたらしている。（この再循環は、直観に対する反対の作用であり、通常はこれが不安定をもたらすとされているところである。）
ＳＡＷフィルタ６の群遅延と振幅応答との特性の定義は、再循環型増幅器の動作を制御する。これらの特性は四次のフィルタ設計により満足することができる。
【００１８】
ＡＭ検出は継続する対数増幅器により使用されるのと同様の技術により実行され、ここでは供給電流が入力信号レベルに比例して上昇するようになっている。
【００１９】
この発明を展開する間に克服したある種特有の困難に以下のものが含まれている：
ドウェル（ dwell ）時間
信号が消え去るのに十分な時間が許されなければならない。表面音響波がフィルタの各端部で反射され、通過と反射との両方で損失があるけれども、フィルタを数回通過した後にも依然としてエネルギーが存在する。このエネルギーが、入力増幅器がオンに切換えられるときに、雑音レベルよりも大きければ、受信機は感度を下げるようにされる。実際には、入力増幅器が４マイクロ秒間オンに切換えられるときに、再循環型増幅器が１６マイクロ秒間オンとされ、さらに４４マイクロ秒が、入力増幅器が再度関与することができるようになる前に、許されなければならない。これが供給電流を節減するという利点を有していながら、併せて受信機の感度を下げるようにしている。
【００２０】
入力サンプリング
入力増幅器サンプリングは受信機性能の重要な特徴点である。入力増幅器はフィルタの通過遅延と少くとも同じ長さにわたってオンとされ、またこれよりもある量だけ長くして、それによって入力信号のゲート作用(gating)はフィルタの後で、前ではなく、生じるようにしている。信号のいずれものスイッチング（switching）はミキシング(mixing)を構成し、通過帯域を著しく拡げることになる。もしスイッチングがフィルタ前に生じると、フィルタ形状は問題を生じさせる（compromised）ことになる。しかしながら、もし増幅器が入力を必要とする前にオンにスイッチされたとすると、大きなエネルギー消費を生じさせて、スイッチングエッジ(switching edge)がシステムによって何も見えないことになる。入力パルスのトレイリングエッジ(trailing edge)では、もっと精度が求められる。スイッチング波形の重なりが存在してはならず、そうでないと両方の増幅器が一緒にオンとなって、不安定が生じることになりそうである。逆に、ギャップ（gap）が大きすぎると、信号と、したがって感度は、ＳＡＷフィルタ内でエネルギーが消滅するのに合わせて、第二ステージで増幅されることができるようになる前に、喪失されてしまう。
【００２１】
雑音増幅器（ Noise Amplification ）
感度を増そうと試みて、より長期間にわたり励起されている再循環型増幅器をそのままにしておくことに決まりはない。非常に小さな信号の場合に、入力ステージは雑音を作り出し、一旦、再循環型増幅器がこの入力雑音の限界に達すると、利得を上げるべき信号についてそれ以上の情報が存在しないことになる。事実、余りにも長い間、再循環型増幅器をそのままにしておくことは、単に電流消費を増大させて、不安定という危険を生じさせるだけである。
【００２２】
最大ＡＭ周波数
（６４マイクロ秒のサイクルタイムから求められる）１６ｋＨｚのスイッチングレートでは、８ｋＨｚを越える周波数での振幅変調を受信することは理論的に不可能とされている。しかしながら、発明者らのプロトタイプでは、最高周波数は１ｋＨｚよりも小さいものであったので、帯域幅は問題ではない。１６ｋＨｚのスイッチングレートは、そこで、フィルタにかけて落してしまう必要があり、しかしながら１６対１という比は、三極フィルタ網が必要であることを意味する。これには、第一のオペレーショナル増幅器を取り囲む能動フィルタによって与えられる。
【００２３】
オフ周波数安定度
第二の増幅器は、ＳＡＷフィルタを経由してその入力に接続された出力を有している。群遅延が小さいという周波数では、良からぬ気配（threat）が存在し、信号は出力から入力に向けて速かに移動できる。増幅器は有限な時間にわたりオンに切換えられているので、中心を離れた（off-centre）周波数信号は、４組以上の多くの増幅をとることができる。こういった周波数では、フィルタの減衰は、安定度を維持するために、増幅器利得よりも大きいことが重要である。
【００２４】
図２を参照すると、左側の例１２では、短い遅延だけがあるところでの増幅器利得よりも減衰が小さくなっていて、これが意味するのは、不安定となることである。右側の例１４では、減衰は利得よりも大きく、回路は安定である。
【００２５】
遅延についての特別な特性には次のものが含まれる：
立ち上り時間制御
ＲＦ増幅器がオンとオフとにスイッチされる割合い（rate）は重要である。特定のスイッチングで増幅器を早過ぎてオンに切換えることは、ＳＡＷフィルタ内に雑音インパルスを導入するように見える。立ち上り時間を０．５マイクロ秒以上になるように制御することによって、雑音注入は最小とされ、また感度は劣化されない。
【００２６】
実際には、制御ラインは、低電流ＡＳＩＣ出力ステージのインピーダンスが原因で制限されたレートにまで下げられる。
【００２７】
信号の継続する検出は、別個の検出器ステージを必要とせずに、増幅用トランジスタの内部で行なわれる（この技術は対数増幅器の中で使用されているものである）。図３は、各種の入力信号振幅について受信機により消費される供給電流を時間（各区分は４マイクロ秒に相当する）に対して示している。
【００２８】
ＡＭ信号は１００％振幅変調のトーンのシーケンスを備えている。例えば、もし−９０ｄＢｍの信号レベルが変調の１００％フェーズの間に受信されたとすると、そのときは０％フェーズの間には信号は存在しない。受信機によって消費されるエネルギーは、各曲線の下の面積（電流と時間との積）によって表わされ、これが二つの信号レベルに対して異なっていて、トーン（データ）レートでの交互電圧として現れる。
【００２９】
二つ増幅器トランジスタのコレクタ電流は加算され、ローパスフィルタにかけられて、スイッチング成分を除去し、限界が生ずるまで増幅される。この出力はそこでディジタルＡＳＩＣによるディジタル処理の準備がされることになる。
【００３０】
注意すべきこと：ＡＭ検出のこの形式は１００％変調データもしくはトーンのシーケンスに適用されるのであって、アナログＡＭ信号（すなわち、５０％の範囲で変調レベルを有していない信号）に適用されない。
【００３１】
この発明の別な実施例では、トランシーバが提供される。この発明により作られたトランシーバの特性は非常に小さな低電流デバイスであって、局部発振器もしくは能動ＲＦ発生源と本来的なレンジ決定(ranging)能力を備えていないデバイスを提供することを含んでいる。
【００３２】
図４では、入力増幅器１４はアンテナ１８からの信号をサンプルし、増幅して、それをＳＡＷ遅延２０への入力へ加えている。この信号がＳＡＷ遅延２０から出現し始めるときには、入力増幅器１６はオフにスイッチされて、第二の増幅器２２がオンにスイッチされる。この信号は増幅されてＳＡＷ入力２０に再度加えられる。信号が二度目に現れるときには、それが第二の増幅器２２によって再び増幅される。三度目に信号が現れるときには、第二の増幅器２２はオフにスイッチされて、送信用増幅器２４がオンにスイッチされる。デバイスはここで短い期間オフにスイッチされ、その間にＳＡＷ遅延２０内のエネルギーはサイクルの繰返し前に消滅する。
【００３３】
ひとたび、受信した信号が増幅過程を完了すると、信号出力は一般にローパスフィルタ２６を経由するルートをとることができる。
【００３４】
このようにして、入力増幅器１６はアンテナ入力１８にある信号について受信サンプリング動作を実行する。第二の増幅器２２は相当量の利得を提供するように使用され、また送信用増幅器２４はＲＦエネルギーをアンテナ１８に送り戻す。戻り信号は受信信号の増幅したバージョンであるから、その周波数は同一であり、この戻り信号を聴取しているステーションは非常に狭い幅のフィルタを使用できて、大きな感度を得ることができる。
【００３５】
この回路内部には暗に（implicit）（ＡＭ）受信機が存在していて、そこで検出が増幅器のコレクタ電流を監視することにより実行され、この電流はデバイスに向けた入力信号レベルに比例している。
【００３６】
レンジ決定（Ranging）は、照射ステーション（illuminating station）からデバイスを通って戻って来る一巡の経過遅延（round trip delay）を測定することにより計測できる。デバイスを通るタイミングは結晶の精度（crystal accurate）のものであり、次のものを含んでいる：
ａ）受信入力増幅器１６。これは固定期間（プロトタイプでは４マイクロ秒であった）でオンにゲートとされる。
ｂ）デバイスを通る遅延。これはＳＡＷ２０を通る伝搬遅延に依存していないが増幅器２２の継続時間で制御される。
ｃ）送信機ステージ。これは固定期間（再び４マイクロ秒）でオンにゲートされる。
【００３７】
長距離のレンジ決定は、送信用増幅器２４が比較的長期間（４マイクロ秒）にわたり送信をするようにすることで提供できる。短距離のレンジ決定は、送信用増幅器２４が非常に短期間（２０ナノ秒）にわたり送信するようにすることで提供できる。短距離のシステムのより低い平均電力は、減縮された伝搬損失によってオフセット（offset）できるので、したがって信号対雑音比は維持される。
本来的な（inherent）受信機は、特定のデバイスを宛先としたコマンドを聴取するために使用される。これらのコマンドは次の特定の動作を実行するために装置を制御することができる：
ａ）基地局照射（illumination）のタイミングを取得すること、
ｂ）データを含む戻り伝送を提供すること、
ｃ）長距離レンジ決定伝送を（広幅パルスを用いて）提供すること、
ｄ）短距離に関するレンジ決定伝送を（高周波数コードを用いて）提供すること。
データ伝送は、戻り伝送になされた低データレートのＯＯＫ変調を用いることにより達成できる。
【００３８】
このデバイスは、堅牢で信頼性を備えたものとなる。機械的な衝撃に対して感受性をもつ部品はクロック用のクリスタルとＳＡＷ遅延とであり、共にＲＦ用クリスタルよりも大きな耐衝撃性を備えている。このデバイスは部品数が非常に少なく、ＡＳＩＣ内部でディジタル機能を高度に集積していて、これが非常に信頼性のあるものとしていると考えられる。
【００３９】
割込み介入の低い確率がデバイス内部にＲＦ発生源を何も持たないことにより達成されている。（受信機にはＬＯがなく、送信機用の能動発生源がない。）したがって、展開されたデバイスは照射（illumination）なしに動作し、信号を放射（radiate）せず、唯一の影響は、デバイスと密接している場合に、ノイズフロア（noise floor）で僅かな増加があり得ることである。照射されるときには、到来信号はデバイスが正しく同一周波数であるときに、デバイスからのいずれかの放出（emission）が支配的になりそうであり、それによってこのデバイスの存在が確定し難くなる。デバイスが戻り信号を送信しているときには、照射と同じ周波数であれば、新しい信号として特に気付くことができるものではなく、デバイスの周辺での照射の明白な増加によってのみ計測が可能となる。
【００４０】
さらに照射は擬似的にランダムなやり方で小さい周波数幅にわたって跳びはねる（hopped）することができるので、信号は分散されて、狭帯域スキャナではほとんど検出できない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明による受信機のブロック図を示す。
【図２】増幅器とフィルタの減衰及び遅延の特性を二つの図で表わす。
【図３】入力信号振幅の範囲に関する時間に対してプロットした受信機により消費される供給電流のグラフを示す。
【図４】この発明によるトランシーバのブロック図を示す。

Claims

時間遅延機能をもたらす群遅延特性を備えたＳＡＷフィルタを具備する再循環型増幅器。
請求項２記載の再循環型増幅器であって、前記ＳＡＷフィルタはシーケンシャルな増幅器の一部として同時に群遅延と周波数選択性とを含む特性の組合せを備えている再循環型増幅器。
請求項１または請求項２に記載の再循環型増幅器を具備する受信機であって、前記再循環型増幅器は局部発振器もしくは超再生手段を具備しない受信機。
請求項１または請求項２に記載の再循環型増幅器を具備するトランシーバであって、前記再循環型増幅器は局部発振器もしくは超再生手段を具備しないトランシーバ。