JP2005534224A - 電力増幅器およびアンテナ間の動的インピーダンスマッチング装置 - Google Patents

Abstract

電力増幅器およびアンテナ間の動的インピーダンスマッチング装置は、サーキュレータ（２１０）と、制御可能マッチングネットワーク（２４，２４０，２５０）とを有し、前記サーキュレータは第１ポートで前記増幅器（１０）から受信された信号を第２ポートを介して前記アンテナ（３０）へと進路を決めると共に、前記アンテナ（３０）で反射されて第３ポートを介して前記第２ポートで受信された信号を方向転換するものにおいて、指向性カプラ（２００）が、前記電力増幅器（１０）から前記アンテナ（３０）へ送信される信号のある割合を方向転換し、この信号の大きさおよび位相はこのカプラから信号検出器（２２０）へと引き出され；サーキュレータ（２１０）はアンテナ（３０）で反射されて前記信号検出器（２１０）へ入力される信号全体の進路を決めることを特徴とし、前記信号検出器（２２０）は、アンテナ（３０）へと送信される信号とアンテナ（３０）でコントローラ（２３０）へと反射された信号との両方の大きさと位相を通過させて、コントローラは、アンテナ（３０）の現在のインピーダンス値を決定すると共に決定されたこのアンテナ（３０）の現在のインピーダンス値にしたがってアクティブおよびパッシブ構成要素を有する前記制御可能マッチングネットワーク（２４，２４０，２５０）を修正するために、前記信号検出器（２２０）から受信された情報を評価している。

Description

この発明は、サーキュレータと、制御可能マッチングネットワークとを有し、前記サーキュレータは第１ポートで増幅器から受信された信号を第２ポートを介してアンテナへと進路を決めると共に、前記アンテナで反射されて第３ポートを介して前記第２ポートで受信された信号を方向転換する電力増幅器およびアンテナ間の動的インピーダンスマッチング装置に関する。

無線ラジオネットワークは、通信産業の基本的な技術であり、その重要性は、ＵＭＴＳ（Universal Mobile Telecommunications/Telephony System―ユニバーサル移動遠隔通信／電話サービス―）を介してこれから数年内にさらに増加するであろう。この規格は、古いＧＳＭ（Global SYstem for Mobile Communication―汎欧州デジタルセルラーシステム―）規格と並行して最初は存在していたであろうし、全てではなくてもＧＳＭに代わって徐々に置き換えられていくであろう。有能なセル電話機であり、また第３世代の装置として周知である、第１のＵＭＴＳは、それゆえに、原則として有能なＧＳＭであり、２より多いまたは少ない独立したラジオシステムを必然的に含んでいるであろう。その中で用いられる電子的な構成要素の、ある程度の小型化と電気的な特性の品質に関する要求は、結果的に大きくなるであろうし、その理由は２つのラジオシステムの極めて僅かな構成要素が同時に使用可能であるからである。

ＵＭＴＳネットワークの機能性を確実にするため、加入者セル電話機にとって送信機の電力の理にかなった調整を達成できることは本質的なことである。この基礎は、使用される変調またはアクセス手順、すなわち広帯域ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access―符号分割多重アクセス―）に存在している。ＧＳＭとは対照的に、加入者は、加入者の地域の何れの無線チャネルをも指定しないが、どちらかといえば個々の加入者は全ての周波数帯域を利用する。それにも拘わらず、異なる加入者の信号の間で識別できるようにするために、符号がそれぞれに指定され、加入者および基地局の両方が変調のためにこれを使用する。２人の異なる加入者が相互に妨害し合わないようにするために、いわゆる直交コードのみが使用されるべきであるが、これらの小さい数のみが利用可能である。したがって、非直交符号はまた、各ＵＭＴＳネットワーク内で用いられる。しかしながら、基地局はその後、干渉の送信電力を下方へ調整するための位置に置かれなければならない。この送信機電力の制御可能性は、ＵＭＴＳネットワークが問題の無いやり方で機能することができるただ１つの方法である。

ＧＳＭ規格はまた、加入者の送信機電力の下方での調整を許容するが、それは基地局での良好な受信の場合のみである。したがって、送信機の電力の調整はセル電話機の通話時間を増加させるためのみに役立っている。

しかしながら、後者は、ＧＳＭ装置のためよりもむしろＵＭＴＳ装置のために非常に重要である。広帯域のＣＤＭＡ方法は送受信が実行されるであろう間の時間スロットでは動作しないが、その代わりに受信部は絶えず受信できる状態であり送受信を同時に続行するので、ＵＭＴＳ装置のエネルギー消費は、より大きくなる。長時間の待機および通話時間を確実にするために、バッテリの電力は経済的に用いられなければならない。

電力の管理のために重要である無線周波数回路の１つの部分は、無線周波数増幅器の出力とアンテナとの間のいわゆるマッチングネットワークである。これは、前記電力増幅器の出力は前記アンテナの入力インピーダンスに一致（マッチ）させられることを確実にする。このようなマッチングは、そうでなくても幾つかの電力がアンテナで反射されて電力増幅器の出力へと戻されているので、必要なことである。したがって、幾つかの電力は、送信部電力として最早利用できなくなる。もしも後方散乱電力［backscattered power］の割合があまりに大きいならば、発振はフィードバックを原因として付加的に立ち上がるかもしれないので、無線接続は最終的に遮断する。セル電話機のアンテナの入力インピーダンスは固定の値ではないが、むしろ電話機の周囲の環境における考慮すべき広がり、例えば利用者がセル電話機をどのように保持しているかなどに依存する。既存の装置の基準（ノルマ）としての静的インピーダンスマッチングの場合、電力の考慮すべきではない部分はそれゆえに常にアンテナの入力で反射されておらず、したがって、送信部電力としては損失である。

静的インピーダンスマッチングは、例えば欧州特許出願ＥＰ１０７６３７４Ａ２にしたがって、例えばキャパシタのようなパッシブ構成要素を有するマッチングネットワークを提供することにより実行されており、ここで、サーキュレータはマッチングネットワークへの種々の部分へのアクセスを許容する。

電力増幅器とアンテナとの間のインピーダンスマッチング用の更なる装置は、欧州特許出願ＥＰ０７４１４６３Ａ２から周知である。これは特に、サーキュレータがエネルギーの損失のためにアンテナにより反射された信号を最終的に解放することを特徴とする。動的マッチングはここではこれ以上は発生しない。

発明の概要

したがって、上述したように、同時のアンテナインピーダンスを自動的に適合させるために位置決めされる、電力増幅器とアンテナとの間の動的インピーダンスマッチングを提供することがこの発明の目的である。この目的は、請求項１に記載された装置により達成される。有利な発展は従属する請求項の主題を構成する。

この発明は、信号の大きさおよび位相を信号検出器へと引き出す指向性カプラが前記電力増幅器から前記アンテナへ送信される信号のある割合を方向転換し、サーキュレータがアンテナで反射されて前記信号検出器へ入力される信号全体の進路を決めることを特徴とするものにおいて、前記信号検出器は、前記アンテナへと送信される信号と該アンテナでコントローラへと反射された信号との両方の大きさと位相を通過させて、前記コントローラは、前記アンテナの現在のインピーダンス値を決定すると共に決定されたこのアンテナの現在のインピーダンス値にしたがってアクティブおよびパッシブ構成要素を有する前記制御可能マッチングネットワークを修正するために、前記信号検出器から受信された情報を評価するものである。コントローラは半導体回路に従来より用いられていたマイクロコンピュータを意味するものと理解されるべきである。

この発明によれば、電力増幅器からアンテナへと送信される信号と、ミスマッチによりアンテナで反射される信号との両方が測定される。アンテナへ送られる信号の測定は、少ない割合の電力を方向転換する指向性カプラの手段により達成される。方向転換された信号はその後、引き続いて検出される。このような検出は、電力増幅器の出力電力を制御するために常に用いられる。アンテナへと送られる信号よりも常にずっと弱い、反射された信号の測定にはこれまでにも問題があった。もしも１つの指向性カプラが用いられていたならば、これにより、非常に弱い信号のみが検出のために有用であるので、複雑で高価な電子機器が必要となるであろう。このような解決法は、セル電話機の場合には全く持って実現可能なものとはいえないであろう。この発明によるサーキュレータの使用は、これらの高価な電子機器の使用を回避する。サーキュレータは、完全な信号が戻ってきた信号の検出のために有用であるので、非常に低廉な電子記が用いられても良いことを確実にしている。電力増幅器の安定性と線形性は、これにより、はっきりと改善される。

少なくとも指向性カプラ、サーキュレータ、信号検出器およびコントローラまたはマイクロコントローラは、好ましくは電力増幅器の直ぐ後に配置されている。

この発明の１つの発展によれば、制御可能なマッチングネットワークは、アンテナの直前に設けられ、制御線を介して信号検出および制御用の構成要素に接続されている。この構成は、受信ブランチもまた自動的にマッチされる長所を有している。

同様に好適な実施形態によれば、指向性カプラ、サーキュレータ、信号検出器およびコントローラは、制御可能マッチングネットワークと共にモジュールの形式をとっており、電力増幅器の直後に配置されている。

制御可能マッチングネットワークのアクティブ構成要素は、バラクターダイオード、ＭＥＭスイッチその他を備えていても良い。

この発明による装置は、ＬＴＣＣ（Low Temperiture Cofire Ceramics―低温共燃焼セラミックス―）技術と関連して、制御可能マッチングネットワークの指向性カプラ、サーキュレータおよびパッシブ構成要素をフェライト材料を用いるＬＴＣＣ基板に集積化することにより用いられても良い。

制御可能マッチングネットワークの信号検出器、コントローラおよびアクティブ構成要素は、半導体チップに集積化されても良い。

この発明による動的インピーダンスマッチング用装置は、通信装置、特にセル電話機に用いられる。これは、セル電話機の効率を実質的に改善し、この電話機の中に設けられている電力増幅器を安定化させる。

最後に、この発明はまた、電力増幅器とアンテナとの間で動的インピーダンスマッチングを行なう方法であって、アンテナへ移動する信号と、アンテナで反射される全ての信号との両方の大きさと位相が、アンテナの現在のインピーダンス値を決定するために評価され、アクティブおよびパッシブ構成要素を有する制御可能なマッチングネットワークは、決定されたアンテナのインピーダンス値にしたがって修正されることを特徴とする方法についても定義している。

この発明は、この発明を限定しない図面に示された実施形態の具体例を参照しながら詳細に説明される。

図１は、セル電話機の無線周波数の初期段階における概略図であり、ここで、電力増幅器１０からの信号は、モジュール２０を介して道順を決められ、これは、デュプレックスフィルタ４０を介してアンテナ３０へと通過する前に、動的インピーダンスマッチングをもたらしており、これは図２を参照してより完全に説明される。完全を期すために、アンテナ３０から取り出された信号の信号経路がまた示され、この信号は今度はデュプレックスフィルタ４０を介してＬＮＡ（Low Noise Amplifier―低雑音増幅器―）増幅器５０へと経路を決められる。モジュール２０は、一方では、アンテナ３０が電力増幅器１０に最適にマッチされるので、通常は電力増幅器１０の全体の出力電力が送信部電力として利用できることを確実にしている。他方では、電力増幅器１０は、何れの後方散乱電力からも保護され、この後方散乱電力は、例えばアンテナ３０での徹底したインピーダンスの変化の場合に生じるであろうし、これはモジュール２０の制御範囲の外側に存在する。したがって、このモジュール２０は、絶縁体の機能を付加的に満たしている。

これらの特性の結合は、図２のブロック図として示されているような構成により実現される。指向性カプラ２０は、アンテナ３０へと移動する信号の割合を転換させ、その信号を評価のために信号検出器２２０へと供給する。信号における転換されない主要部は、マッチングネットワークのサーキュレータ２１０およびパッシブ構成要素２５０を介してアンテナ（図２には示されない）へと移動する。このサーキュレータ２１０は、アンテナで同様に反射された信号全体が信号検出器２２０へと到達することをさらに確実にする。信号検出器２２０は、アンテナへと移動する電力と、制御線を介してマイクロコントローラ２３０へと反射される電力との両方の大きさと位相を伝播する。これは情報を評価してアクティブ構成要素２４０のマッチングを適切に修正し、このアクティブ構成要素２４０はパッシブ構成要素２５０と共に制御可能マッチングネットワークを形成する。バラクターダイオードは、制御可能キャパシタとして用いられても良く；ＭＥＭスイッチ（MicroElectroMechanical switch）の使用もまた可能である。制御可能マッチングネットワークの指向性カプラ２００、サーキュレータ２１０およびパッシブすなわち制御不可能な構成要素２５０は、ＬＴＣＣ基板２６０へと集積化される。制御可能マッチングネットワークの、検出器２２０、マイクロコントローラ２３０およびアクティブ構成要素２４０を備えている半導体チップ２７０は、基板２６０上に配置されている。

この発明の本質的な特徴は、上述したやり方でのサーキュレータの使用である。さもなければ、この装置の構成を変化させる種々の可能なやり方が存在する。

この具体例は図３に示されている。サブモジュール２２は、図２にもまた示されているような配置で、サーキュレータ、指向性カプラ、信号検出器およびマイクロコントローラを備える。このサブモジュール２２は、電力増幅器１０の出力に直接設置されている。アクティブおよびパッシブ構成要素を含むマッチングネットワークは、アンテナ３０の直前の第２のサブモジュール２４として適合させられる。この構成は、受信ブランチが送信ブランチと同じ時間でマッチされているという長所を有する。受信ブランチの動的マッチングは、この方法でのみ可能であり、それは受信された信号がそれ自身非常に弱いためにこれにより直接の検出は複雑で高価な電子機器を必要とするからである。

この発明による電力増幅器とアンテナとの間の動的インピーダンスマッチング用のモジュラー装置を備えるセル電話機の無線周波数の初期段階における概略説明図である。 図１のモジュールを示すブロック図である。 図１と同様の図であるが、この発明による装置は２つのサブモジュールの形式をとっている。

Claims (9)

1. 電力増幅器およびアンテナ間の動的インピーダンスマッチング装置であって、
   第１ポートで前記増幅器から受信された信号を第２ポートを介して前記アンテナへと進路を決めると共に、前記アンテナで反射されて第３ポートを介して前記第２ポートで受信された信号を方向転換するサーキュレータと、
   マッチングネットワークと、を備え、
   前記信号の大きさおよび位相を信号検出器へと引き出す指向性カプラが、前記電力増幅器から前記アンテナへ送信される信号のある割合を方向転換し；
   サーキュレータはアンテナで反射されて前記信号検出器へ入力される信号全体の進路を決めることを特徴とするマッチング装置において
   前記信号検出器は、前記アンテナへと送信される信号と該アンテナでコントローラへと反射された信号との両方の大きさと位相を通過させて、前記コントローラは、前記アンテナの現在のインピーダンス値を決定すると共に決定されたこのアンテナの現在のインピーダンス値にしたがってアクティブおよびパッシブ構成要素を有する前記制御可能マッチングネットワークを修正するために、前記信号検出器から受信された情報を評価するマッチング装置。
2. 少なくとも指向性カプラ、サーキュレータ、信号検出器およびコントローラは、前記電力増幅器の直後に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記制御可能マッチングネットワークは、前記アンテナの直前に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の装置。
4. 前記指向性カプラ、サーキュレータおよびコントローラは、前記制御可能マッチングネットワークと共に１つのモジュールを形成し、かつ、これらは前記電力増幅器の直後に配置されている請求項１または請求項２の何れかに記載の装置。
5. 前記制御可能マッチングネットワークの前記アクティブ構成要素は、バラクタダイオード、ＭＥＭスイッチおよびその他であることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の装置。
6. 前記制御可能マッチングネットワークの指向性カプラ、サーキュレータおよびパッシブ構成要素は ＬＴＣＣ基板へと集積化されていることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の装置。
7. 前記制御可能マッチングネットワークの信号検出器、コントローラおよびアクティブ構成要素は 半導体チップに集積化されていることを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の装置。
8. 請求項１ないし７の何れかに記載の電力増幅器およびアンテナ間の動的インピーダンスマッチング装置を有する特にセル電話機における通信装置。
9. 電力増幅器とアンテナとの間で動的インピーダンスマッチングを行なう方法であって、
   アンテナへ移動する信号と、アンテナで反射される全ての信号との両方の大きさと位相が、アンテナの現在のインピーダンス値を決定するために、評価され、
   アクティブおよびパッシブ構成要素を有する制御可能なマッチングネットワークは、決定されたアンテナのインピーダンス値にしたがって修正されることを特徴とする方法。

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