JP2005077408A - 無線周波電力計および無線周波信号の電力を測定する方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】狭帯域信号と広帯域信号の双方を測定できる無線周波電力測定の手段と方法。
【解決手段】無線周波電力計は、測定対象である第1の信号と第2の信号の一方から出力信号を切り替え可能に供給する第1のスイッチ(102)と、前記出力信号を検出し、それぞれ、第1、第2の帯域幅で第1、第2の比較信号を供給する互いに類似の第1、第2の信号処理経路(100;200)と、前記第1、第2の比較信号のいずれかより前記第1のスイッチへ前記第2の信号を切り替え可能に供給し、前記無線周波電力計用の閉ループを完成する第2のスイッチ(114)と、前記第1、第2の信号処理経路が生成するそれぞれの統合信号の一つを用いて前記測定対象の電力を示す情報を供給する出力ブロック(116)とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は電力測定に関し、特に、無線周波(RF)電力測定を実行するシステム及び方法に関する。
無線装置に関連する無線周波(RF)電力の測定は、製造や最終試験や修理あるいはその他の関連作業中にしばしば必要になる。一般に、様々なセルラー方式デバイスに関連するRF電力測定を実施するためにダイオード電力計や熱量測定電力計が用いられてきた。具体的には、ダイオード電力計は、連続波(CW)信号と他の比較的狭帯域信号(AMPS(アドバンスド・モバイル・フォン・サービス:米国のアナログ携帯電話方式)標準に関連する信号等)に関連するRF電力を測定するのに比較的よく適している。熱量測定電力計は、符号分割多元接続(CDMA)信号に関連する信号等の広帯域信号測定により適している。
ダイオード電力計の一例が、特許文献1に示されている。開示されたダイオード電力計は、入力RF信号と比較RF信号の間で無線周波(RF)検出器を切り替えて差動信号を生成する。差動信号は濾波され、RF検出器と協調して動作する同期検波器により直流(DC)誤差信号に変換される。このDC誤差信号は積分器に印加され、ループ制御信号を生成する。ループ制御信号の二乗は入力RF信号電力に線形比例し、サーボループのヌルがとられると、比較RF信号は入力RF信号に等しくなる。
熱量測定電力計は、一般には測定対象信号が生成する温度生成差分を用いてRF電力を測定するデバイスである。熱量測定電力計の一例が、特許文献2に開示されている。開示された熱量測定電力計はRF電力を終端負荷にて受け入れ、この負荷が発生した熱をブリッジの一方のアーム内の温度依存抵抗へ熱的に結合する。ブリッジ内に生成されたこの不平衡は、サーボループ内に誤差信号を生み出す。サーボループは、直流(DC)又は低周波電力を別個の終端負荷に印加し、該別個の終端負荷はブリッジの別のアームへ熱を結合するように応答する。印加電力は、ブリッジの再平衡化のためにサーボループにどの程度の電力が必要であるかを計量することで測定される。熱量測定電力計は有利である、何故ならそれらが信号に含まれる全加算電力を測定するからである。かくして、熱量測定電力計は広帯域信号に適したものとなる。しかしながら、熱量測定電力計は幾つかの制約が欠点になっている。熱量測定電力計は、一般にその応答が比較的緩慢である。具体的には、ブリッジ内の熱蓄積が第1の電力測定に関する応答時間を制約し、この測定後の第2の測定が行なえるようになる前に、ブリッジは発生熱を放出し切って再平衡化させねばならない。従って、熱量測定電力計は一般に、データ応用分野に用いる広帯域CDMA規格に生ずる広帯域非反復性パルス化信号には不向きである。
米国特許第5,656,929号 米国特許第5,663,638号
したがって、本発明の目的は狭帯域信号と広帯域信号のいずれをも測定できる無線周波(RF)電力測定の手段と方法とを提供することにある。
代表的な本発明の実施形態は、RF電力を測定するシステムと方法に関するものである。代表的な本発明の実施形態は、狭帯域信号と広帯域信号の両方にRF測定の実行を可能にする単一の電力計を備えるものである。代表的な本発明の実施形態では、可変ループ帯域幅は測定対象信号の特性に従って選択することができる。例えば、RF電力計の第1の部分は、CW信号からIS−95CDMA信号等の1.23MHzの変調帯域幅をもつ信号までの変調帯域幅に関連する電力の測定を容易にする広帯域ループをもたらすことができる。RF電力計の第2の部分は、cdma2000及びWCDMA信号等の広変調帯域信号に関連する電力の測定を容易にする狭帯域ループをもたらすことができる。米国では、cdma2000規格の下で広帯域CDMAが展開されており、欧州や国際的には3GPP規格の下で広帯域CDMAが展開されている。現在の変調帯域幅は、これらの標準内では3.84MHzまでである。こうして第1及び第2のループ部を実装することで、代表的な本発明の実施形態が単一のRF電力計を用いて様々な信号形式についてRF電力測定が実行できるようにしている。
さらに、代表的な本発明の実施形態では、広帯域ループを選択したときに検出器ブロックは線形領域から二乗則領域への遷移領域内で動作し、狭帯域ループを選択したときには別の検出器ブロックが二乗則領域内でのみ動作する。二乗則領域内での検出を可能にすることで、検出器は熱量測定検出と同様の仕方で動作するが、もっとより素早く応答しよう。ダイオードを母体とする二乗則検出器は、熱量測定検出に一般的な第1の測定の後に平衡し切るか或いは熱を再平衡化するための熱の蓄積に要する時間を必要としない。
前述のことは、以下に続く本発明の詳細な説明がより良く理解されるよう本発明の特徴と技術的な利点をやや大雑把に概括したものである。本発明の追加的な特徴と利点を以下に説明するが、それらは本発明の特許請求の範囲の主題を形成するものである。開示した概念及び具体的な実施形態は、他の構成を修正或いは設計して本発明の同一目的を遂行する母体として容易に活用することができる。この種の等価構造が特許請求の範囲に記載した本発明から逸脱しないこともまた理解されて然るべきである。その編成と動作方法の双方に関する本発明の特徴と考える新規の特徴は、さらなる目的及び利点と併せ添付図面と共に考察するときに、以下の説明からより良好に理解されよう。しかしながら、各図が例示と説明を目的にのみ提供され、本発明の限界の定義を意図するものでないことは、明白に理解されたい。
本発明のより完全な理解のため、ここで添付図面をと併せ以下の説明を参照する。
ここで図1と図2を参照するに、代表的な本発明の実施形態になる可変帯域幅に従って動作できるRF電力計の各部分が図示してある。例えば、RF電力計は複数モードでもって動作させることができる。モードの一つでは、RF電力計は比較的広い閉ループ帯域幅で動作させることができ、比較的狭帯域幅の信号(例えば、CW信号から1.23MHzまでの変調帯域幅を有する信号まで)の電力を測定するのに適している。別のモードでは、RF電力計は比較的狭い閉ループ帯域幅で動作させることができ、比較的広いダイナミックレンジを有する比較的広帯域幅の信号の電力を測定するのに適している。これらの信号の実施例には、3.84MHzの変調帯域幅をもったcdma2000信号やWCDMA信号が含まれる。
図1には、代表的な本発明の実施形態になる比較的広帯域幅のRF電力計になる閉ループを完成する信号経路100が図示してある。図1に示す如く、スイッチ102は測定対象RF信号を受信するRF入力線経路101と以下に詳述せんとする閉ループからの比較信号を供給する線経路115との間を切り替える。スイッチ102の動作により制御される際に、サーボループは入力RF信号のサンプルを取得し、そのサンプルを比較信号すなわち帰還信号と比較する。
スイッチ102は、RF電力計の動作のモードに応じてノードAかノードCに現れる信号によりスイッチ117の動作を介して制御される。信号経路100と信号経路200(図2に図示し、以下に説明する)のうち一方は、例えば別のRF結線(図1の点EにおけるRF結線103として図示)を介してRF結線103からの出力信号を受信する。信号経路100は、比較的広い帯域幅を伴うモードに従ってスイッチ102へ帰還する閉ループを完成するための信号経路を与える。従って、RF結線103を動作させて信号経路100へ個別信号を供給することで、比較的狭帯域幅のRF信号の電力を効率的に測定することができる。
信号経路100は、検出器ブロック104で始まる。検出器ブロック104は、逆並列的な仕方で配置したダイオード積層体121を含む。ダイオード積層体実装の一例は、ここに引用文献として取り込む米国特許第6,242,901号により詳細に説明されている。ダイオード積層体121は、コンデンサ122により終端してある。コンデンサ122の成す時定数は、入来RF信号が検出器ブロック104の出力端で根絶されることなくループ帯域内部で追尾できるよう選択してある。さらに、検出器ブロック104は複数の演算増幅器123を用いる差動ダイオード検出器として実装することもできる。
検出器ブロック104は、線形領域と遷移領域と二乗則領域内でダイオード積層体121を動作させるよう調整されている。具体的には、周知の如く、自然対数の底eを使い、理想ダイオードの電流対電圧の等式は、I=I0(e(nV/kT)−1)によって与えられ、ここでIはダイオードの電流、Vはダイオードの電圧、Tはダイオードの温度、I0,n,kは定数を表わす。限られた電圧範囲では、この等式はI=a(V)2と近似することができ、ただしaは定数である。この近似が担保される電圧範囲は、二乗則領域と呼ばれる。別の限定された電圧範囲(線形領域と呼ぶ)では、ダイオードの等式はダイオード電流とダイオード電圧の間の線形関係により近似することができる。また、遷移領域と呼ばれる一定の電圧範囲が、線形領域と二乗則領域の間に存在する。広帯域閉ループ設計の主要利点は、付随する大ループ利得である。この特徴により、閉ループ検出器出力は狭帯域パルス化用のRF信号と例えば1.5MHzまでの変調帯域幅をもった信号に精密に追従する。
帯域通過フィルタ(BPF)105は検出器ブロック104からの出力を濾波し、スイッチ102のスイッチング周波数を中心とするその周りの情報を入手できるようにする。帯域通過フィルタ105からの出力は、可変利得増幅器106により増幅される。増幅された信号は、ノードBに現れる信号が制御する同期検波器107に供給される。具体的には、ノードBに現れる信号は(遅延素子112により遅延された)ノードAに現れる信号の遅延版である。遅延素子112がもたらす遅延量は、検出器ブロック104と帯域通過フィルタ105と可変利得増幅器106に関連する遅延量に等しくなるよう選択してある。
同期検波器107は直流(DC)或いは低周波誤差信号を生成し、それらは、サーボループのヌルを生じ、それによって比較信号電圧をして測定対象RF信号の電圧に近似或いは一致させる、のに用いることができる。すなわち、同期検波器107は比較信号と測定対象信号(すなわち、線経路101を介して受信する信号)の間の電圧差を示すか或いはこれに関連する信号を生成する。同期検波器107は、幾つかの方法で実装することができる。例えば、同期検波器107はスイッチ(図示せず)と差動増幅器(図示せず)を含むよう実装することができる。増幅器106からの信号は、本願明細書に引用文献として取り込む米国特許第5,656,929号に開示した如く、ノードBに現れる信号により制御されるスイッチを用いて差動増幅器の正負の入力端子に供給されるようにもできる。
同期検波器107が生成する誤差信号は、積分器108に供給される。広ループ帯域幅と大ループ利得のお陰で、積分器108の出力に関連する電圧は測定対象信号の電圧に線形比例する。従って、積分器108の出力は、閉ループ信号経路100が規定する線形関係を用いてユーザに測定対象信号の電圧及び/又は電力を示す情報を供給する出力ブロック116へ供給される。また、積分された誤差信号はループ制御信号として利用される。具体的には、積分された誤差信号出力は、一例として50MHz基準発振器110に結合された線形乗算器109(例えば、適当なアナログ乗算器)へ供給される。乗算器109の出力は、可変利得増幅器113へ供給される。スイッチ114は、信号経路100により閉ループを規定させるモードで動作させたときに、ノードFに現れる信号がスイッチ102に供給されるようにする。具体的には、可変利得増幅器113の出力はスイッチ102に供給され、それによって閉ループは完成する。
その上、可変利得増幅器106,113を用いて信号経路100に関連する利得を調整し、二乗則領域や遷移領域或いは線形領域においてのダイオード検出器ブロック104の動作を可能にする。これらの領域内でダイオード検出器ブロックの動作を可能にすることで、ループ利得をプロセッサで制御して、種々のパルス、変調、ピーク値特性を有する信号形式ごとでのRF電力測定を容易にし得る。
図2には、代表的な本発明の実施形態になる信号経路200が図示してある。信号経路200は、比較的狭いループ帯域幅に従いスイッチ102への帰還用閉ループを完成する。検出器ブロック201は、図1に関して前記したスイッチ102から信号(測定対象信号或いは比較信号のいずれか)を受信する。検出器ブロック201は、二乗則領域内でダイオード積層体221を動作させるよう設けてある。これは、抵抗分割器(ブロック201内の抵抗器R1,R2で構成)を用いて一部達成され、検出器ブロック201内へRF結線103の信号を減衰させる。また、ダイオードをさらに二乗則動作領域内に置くべく、複数のダイオード(本例では5個)をダイオード積層体内に用いる。こうして検出器ブロック201を設けることで、信号経路200は比較的広いダイナミックレンジを有する比較的広帯域幅の信号(音声通信だけでなくデータ通信にも適用する広CDMA形式等)の測定に適したものとなる。検出器ブロック201に関連するループ帯域幅は比較的狭いので、コンデンサ222はコンデンサ122(図1に図示)に対しより大きな容量を有しており、増幅器223は増幅器123(図1に図示)より狭い帯域幅を有する。
検出器ブロック201からの出力は、帯域通過フィルタ202に供給される。濾波された信号は、増幅器106(前に図1で図示)に対し相対的により低速の増幅器である可変利得増幅器203に供給される。増幅された信号は、より低い周波数の低周波同期検波器204に供給される。低周波同期検波器204は、ノードDに現れる信号により駆動される。ノードDに存在する信号は、ノードCに現れる信号の遅延版である。遅延素子210がもたらすノードCとDの間の遅延は、検出器ブロック201とフィルタ202と増幅器203に関連する遅延を近似或いはこれに一致させるよう選択される。同期検波器204の出力は、積分器205に供給される。
検出器ブロック201は二乗則領域内で動作するため、積分器205の出力電圧は測定対象信号(すなわち、図1に示す如く線経路101に入力される信号)の電圧の平方根に関連したものとなる。従って、積分器205の出力は出力ブロック116に供給され、このブロックが二乗則関係を用いて測定対象信号の電圧及び/又は電力を示す情報をユーザに供給する。
加えて、積分器205の出力はループ制御信号として利用される。積分器205の出力は、より低い周波数の低周波線形乗算器206へ供給される。乗算器206の出力は、可変利得増幅器207に供給される。このループは、スイッチ114を操作して増幅器207からの出力(ノードGに現れる信号)をスイッチ102へ供給すること(図1に関して前述)で完成することができる。
代表的な本発明の実施形態により、ユーザは可変利得増幅器203及び/又は可変利得増幅器207に関連する利得を調整してループ帯域幅を規定することができる。ループ帯域幅を可変することで、RF計の性能を最適化することができる。具体的には、異なるループ帯域幅は、異なるパルスデューティサイクルを用いて信号を測定するのに役立つ。二乗則検出器用の可変ループ帯域幅によりループ応答時間と測定されるパルスデューティサイクルの按配ができるので、時変(パルス化)広帯域CDMA信号のより高精度の測定が達成できる。
代表的な本発明の実施形態は、熱ブリッジの再平衡化の必要性を排除することでさらなる利点をもたらす。具体的には、既知の熱ブリッジ電力計はサンプリングに10ミリ秒、安定化に6ミリ秒、熱ブリッジの再平衡化と再安定化に26ミリ秒を必要とする。代表的な本発明の実施形態によれば、狭帯域信号については1ミリ秒、広帯域信号については2ミリ秒でサンプリングをおこなうことができる。熱ブリッジ設計とはさらに対照的に、代表的な本発明の実施形態は再平衡化や再零化のために一切時間を必要としない。
単一のRF電力計内に信号経路100,200を実装することで、様々な回経路部品を複数モードの動作用に用いることができる。すなわち、電力計の無線周波部品を両ループ共用とし、よりコンパクトな設計と低コストの製造が可能になる。例えば、図2に示す如く、分周器の信号経路は可変帯域幅に従ってRF電力計の動作を制御する周波数信号を供給するのに用いることができる。前述の如く、50MHz基準発振器110と分周器111が(ノードA,Bに現れる)周波数信号を供給し、比較的広帯域幅のループに従ってRF計の動作を制御する。RF計を狭帯域ループに関連する動作モードで動作させたときには、分周器208,209はそこに結合して周波数基準をさらに分周し、(ノードC,Dに現れる)周波数信号を供給する。
さらに、代表的な本発明の実施形態にあっては、検出器ブロック104と検出器ブロック201を最新のGaAs集積回経路(IC)プロセス技術を用いて単一の二重検出器ブロック上に集積化することができる。このようにして検出器ブロック104と検出器ブロック201を実装することで、二つの検出器内でのダイオードの優れた整合性と優れたRF周波数応答を得ることができる。それにより、電力測定の精度を改善することができる。
本発明とその利点を詳細に説明してきたが、添付特許請求の範囲に規定する本発明から逸脱することなく本願明細書において様々な変形や置換や変更をなし得ることは理解されたい。さらに、本出願範囲は、明細書に記載した工程や機械や製品や組成物や手段や方法やステップの特定の実施形態に限定することは意図しないものである。本開示から容易に理解されるように、本願明細書に説明した対応する実施形態とほぼ同じ機能を奏し或いはほぼ同じ成果を達成するよう既存の或いは後程展開される工程や機械や製品や組成物や手段や方法やステップを利用することができる。従って、添付の特許請求の範囲はその範囲内にこの種の工程や機械や製品や組成物や手段や方法やステップを包含することを意図するものである。なお、以下に本発明の実施態様を例示して、本発明の実施の際の参考に供する。
(実施態様1):無線周波電力計であって、測定対象無線周波信号である第1の信号と第2の信号のいずれか一方から出力信号を切り替え可能に供給する第1のスイッチ(102)と、前記出力信号を検出し、第1の帯域幅で第1の比較信号を供給する第1の信号処理経路(100)と、前記出力信号を検出し、第2の帯域幅で第2の比較信号を供給する第2の信号処理経路(200)と、前記第1、第2の比較信号のいずれかより前記第1のスイッチへ前記第2の信号を切り替え可能に供給し、前記無線周波電力計用の閉ループを完成する第2のスイッチ(114)と、前記第1、第2の信号処理経路が生成するそれぞれの統合信号の一つを用いて前記測定対象無線周波信号の電力を示す情報を供給する出力ブロック(116)とを備える。
(実施態様2):周波数基準を生成する発振器(110)と、前記周波数基準を分周する分周器経路で、前記第1の信号処理経路が前記閉ループを完成するときに前記第1のスイッチを前記分周器経路が規定する第1の周波信号により制御するとともに、前記第2の信号処理経路が前記閉ループを完成するときに前記第1のスイッチを前記分周器経路が規定する第2の周波信号により制御する前記分周器経路とをさらに備える実施態様1記載の無線周波電力計。
(実施態様3):前記第1の信号処理経路内にあって、前記第1の周波信号の遅延版により制御される第1の同期検波器(107)と、前記第2の信号処理光経路内にあって、前記第2の周波数信号の遅延版により制御される第2の同期検波器(204)とをさらに備える実施態様2記載の無線周波電力計。
(実施態様4):前記第1の信号処理経路と前記第2の信号処理経路のそれぞれは、それぞれのダイオード検出器(104,201)を備える実施態様1記載の無線周波電力計。
(実施態様5):前記第1の信号処理経路と前記第2の信号処理経路のうちの一方が、前記個々の信号処理経路に関連するループ利得を調整する可変利得増幅器(106,113,203,207)を備える実施態様1記載の無線周波電力計。
(実施態様6):無線周波信号の電力を測定する方法であって、前記無線周波信号の電力を測定するループ帯域幅の選択を受信するステップと、前記無線周波信号である第1の信号と第2の信号のいずれか一方から出力信号を切り替え可能に供給するステップと、前記ループ帯域幅に従って第1の信号処理経路(100)と第2の信号処理経路(200)のいずれか一方へ前記出力信号を供給するステップで、前記第1、第2の信号処理経路がそれぞれの比較信号を生成する前記ステップと、前記第1、第2の信号処理経路の一方から前記第2の信号としてそれぞれの比較信号を供給し、前記無線周波信号に対する測定ループを完成するステップと、前記第1、第2の信号処理経路が生成するそれぞれの統合信号の一方を用いて前記無線周波信号の電力を示す情報を供給するステップとを有する。
(実施態様7):周波数基準を受信するステップと、分周器経路に沿って前記周波数基準を分周するステップと、前記第1の信号処理経路が前記測定ループを完成するときは前記分周器経路が規定する第1の周波信号に従って、また前記第2の信号処理経路が前記測定ループを完成するときは前記分周器経路が規定する第2の周波信号に従って、前記切り替え可能な供給を制御するステップとをさらに有する実施態様6記載の無線周波信号の電力を測定する方法。
(実施態様8):前記第1周波信号の遅延版により前記第1の信号処理経路内で第1の同期検波器(107)を制御するステップと、前記第2周波信号の遅延版により前記第2の信号処理経路内で第2の同期検波器(204)を制御するステップとをさらに有する実施態様7記載の無線周波信号の電力を測定する方法。
(実施態様9):前記第2の信号処理経路内のダイオード検出ブロックを二乗領域内で動作させるステップをさらに有する実施態様6記載の無線周波信号の電力を測定する方法。
(実施態様10):可変利得増幅器(106,113,203,207)の利得を調整することで前記第1及び第2の信号処理経路のうちの関連信号経路のループ利得を調整する実施態様8記載の無線周波信号の電力を測定する方法。
代表的な本発明の実施形態により可変帯域幅に従って動作するRF電力計の各部を示す図である。 代表的な本発明の実施形態により可変帯域幅に従って動作するRF電力計の各部を示す図である。
符号の説明
100、200 信号経路
101、115 線経路
102、114、117 スイッチ
103 RF結線
104、201 検出器ブロック
105、202 帯域通過フィルタ
106、113、203、207 可変利得増幅器
107、204 同期検波器
108、205 積分器
109、206 線形乗算器
110 基準発振器
111、208、209 分周器
112、210 遅延素子
116 出力ブロック
121、221 ダイオード積層体
122、222 コンデンサ
123、223 増幅器

Claims (1)

  1. 無線周波電力計であって、
    測定対象無線周波信号である第1の信号と第2の信号のいずれか一方から出力信号を切り替え可能に供給する第1のスイッチ(102)と、
    前記出力信号を検出し、第1の帯域幅で第1の比較信号を供給する第1の信号処理経路(100)と、
    前記出力信号を検出し、第2の帯域幅で第2の比較信号を供給する第2の信号処理経路(200)と、
    前記第1、第2の比較信号のいずれかより前記第1のスイッチへ前記第2の信号を切り替え可能に供給し、前記無線周波電力計用の閉ループを完成する第2のスイッチ(114)と、
    前記第1、第2の信号処理経路が生成するそれぞれの統合信号の一つを用いて前記測定対象無線周波信号の電力を示す情報を供給する出力ブロック(116)と、
    を備える無線周波電力計。
JP2004237162A 2003-08-29 2004-08-17 無線周波電力計および無線周波信号の電力を測定する方法 Pending JP2005077408A (ja)

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