JP2006340028A - アンテナ自動整合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ自動整合装置に関し、送信信号と受信信号の周波数が離れている場合でも、また、送信電力制御が行われる場合やフェージング環境下においても、アンテナのインピーダンス整合を確実に且つ適正に行う。
【解決手段】アンテナ１−１と無線機１−３との間に接続されたアンテナインピーダンス整合回路１−２に、送信信号と受信信号の周波数の中間付近の周波数の信号を発生する信号発生部１−６を、切り替えスイッチ１−８を介して接続し、信号発生部１−６から送出した信号がアンテナ１−１から放射されずに反射して戻ってくる反射波を方向性結合器１−９により電力検出部１−５に入力し、電力検出部１−５で検出される反射波の電力が最小となるように、アンテナインピーダンス整合回路１−２の可変リアクタンス素子を制御部１−４により制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アンテナ自動整合装置に関し、特に、携帯電話機や携帯情報端末や無線ＬＡＮ機器等の無線機のアンテナのインピーダンス整合を自動的に行うアンテナ自動整合装置に関する。

従来のアンテナ自動整合装置の構成例を図７に示す。従来のアンテナ自動整合装置は、図７の（ａ）に示すように、アンテナ７−１と無線機７−７との間のインピーダンス整合を取るインピーダンス整合回路７−３と、インピーダンス整合回路７−３の出力端に接続された電力探知回路７−２と、インピーダンス整合回路７−３の入力端に接続された電力探知回路７−４と、該電力探知回路７−２及び７−４の出力が入力端に接続されたコンパレータ７−５と、該コンパレータ７−５の出力が入力端に接続され、出力端がインピーダンス整合回路７−３に接続された印加電圧制御回路７−６とから構成される。

インピーダンス整合回路７−３は、図７の（ｂ）に示すように、バリキャップダイオード７−３１等の可変リアクタンス素子を用いて構成される。また、電力探知回路７−２及び７−４は、入力インピーダンスの十分大きな演算増幅器からなる回路等を用い、被探知物のインピーダンスに影響を与えることなく、送・受信電力を検出する回路により構成される。なお、電力探知回路７−２及び７−４、コンパレータ７−５並びに印加電圧制御回路７−６は、インピーダンス整合回路７−３のインピーダンス値を制御するためのフィードバック回路を構成している。

上記構成において、無線機７−７とインピーダンス整合回路７−３間の信号を“Ａ”、インピーダンス整合回路７−３とアンテナ７−１間の信号を“Ｂ”、電力探知回路７−４とコンパレータ７−５の一方の入力段との間の信号を“Ｃ”、電力探知回路７−２とコンパレータ７−５の他方の入力段との間の信号を“Ｄ”、コンパレータ７−５の出力段と印加電圧制御回路７−６の入力段との間の信号を“Ｅ”、印加電圧制御回路７−６の出力段とインピーダンス整合回路７−３の入力段との間の信号を“Ｖ”とする。

このアンテナ自動整合装置は、インピーダンス整合回路７−３を構成するバリキャップダイオード７−３１により、アンテナ７−１と無線機７−７間のインピーダンスの調整をする。この調整のために、インピーダンス整合回路７−３の入出力間の信号Ａ及びＢの電力を電力探知回路７−４及び７−２により電圧信号として検出する。

即ち、電力探知回路７−４及び７−２は、送受信信号Ａ及びＢの電力を検出し、検出した電力を示す電圧信号Ｃ及びＤを出力する。これらの信号Ｃ及びＤは、コンパレータ７−５によりその電圧が比較され、比較結果を示す出力信号Ｅが印加電圧制御回路７−６へ供給される。印加電圧制御回路７−６は、信号Ｅの電圧レベルに応じ、インピーダンス整合回路７−３のバリキャップダイオード７−３１に印加する電圧信号Ｖを調整する。

送信時の場合、無線機７−７より送出された信号Ａは、インピーダンス整合回路７−３を通り、送信信号Ｂとして、アンテナ７−１から空中に送出される。電力探知器４は、無線機７−７から出力される電圧信号Ａを電圧信号Ｃに反映させる（インピーダンス整合回路７−３の前後で監視するのは電力であり、その情報を電圧に変換する）。また、電力探知回路７−２は、この時のインピーダンス整合回路７−３を介したアンテナ端電力を反映した電圧信号Ｂを、電圧信号Ｄとして取り出す。

コンパレータ７−５は、電圧信号ＣとＤとを比較し、比較結果を示す信号Ｅを印加電圧制御回路７−６に出力する。この信号Ｅは、インピーダンス整合回路７−３の電力損失の度合いを示す。印加電圧制御回路７−６は、比較結果に基づいて、バリキャップダイオード７−３１に印加する制御信号Ｖの電圧を調整する。

印加電圧制御回路７−６は、バリキャップダイオード７−３１の印加電圧Ｖを制御し、インピーダンス整合回路７−３のインピーダンス整合を適正化する。まず、バリキャップダイオード７−３１に初期電圧を印加し、その時のコンパレータ７−５の出力信号Ｅを測定する。次に、バリキャップダイオード７−３１に印加する電圧ＶをΔＶだけ増加し、その時のコンパレータ７−５の出力信号Ｅを測定する。信号Ｅの遍歴より、インピーダンス整合回路７−３のインピーダンス整合が改善されていれば、即ち、信号Ｅの電圧レベルが低下していれば、上記の処理を繰り返し、電圧ＶをΔＶずつ増加する。

また、インピーダンス整合回路７−３のインピーダンス整合が劣化すれば、即ち、信号Ｅの電圧レベルが上昇すれば、ΔＶだけ印加電圧を低下し、信号Ｅを測定する。このような処理を繰り返す。インピーダンス整合回路７−３のインピーダンス整合に変化が無ければ、即ち、信号Ｅの電圧レベルがほぼ０（基準時間内の平均が基準値以下になる程度でもよい）に安定した状態になったら、信号Ｅの監視だけを行う。

以上の処理により、リアルタイムにインピーダンス整合回路７−３の整合状態を監視することにより、無線機７−７とアンテナ７−１との間のインピーダンス整合を行う。即ち、インピーダンス整合回路７−３の整合状態は、制御電圧Ｖにより変化するので、信号Ｅの電圧の変遷より、信号Ｅの電圧がほぼ０（或いは基準時間内の平均が基準値以下になる程度）となるように電圧Ｖを制御する。上記説明は送信系について行ったが、受信系についても同様の処理手順で無線機７−７とアンテナ７−１との間のインピーダンスを整合させることができる。

上述のアンテナ自動整合装置は、下記の特許文献１に記載されている。また、アンテナと人体とが接近することによるアンテナのインピーダンス変化に対するアンテナ整合回路に関して下記の特許文献２に記載されている。
特開平１１−２５１９２８号公報 特開平７−７３５７号公報

アンテナ自動整合装置は、一般に、アンテナと無線機との入出力インピーダンスを整合させる目的で用いられ、送信出力或いは受信入力を最大限取り出すと共に、無線機本体の加熱、過電圧放電を防止するために、アンテナと無線機との入出力インピーダンス整合を適正化することが重要である。

インピーダンス整合は、送受信周波数が変化する度に調整し直す必要があり、従来からインピーダンス整合を自動的に行う手法が提案されている。しかし、従来の手法では、送受信信号の電圧及び電流を観測して整合回路を制御するものが多く、制御アルゴリズムが複雑であった。

また、送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域とが掛け離れている場合（広帯域のＦＤＤシステム等）は、一方の周波数帯域で自動整合を行っても、他方の周波数帯域で整合が取れているという保証はない。即ち、図８の（ａ）に示すように、受信信号（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）の周波数帯域で、反射波により生じる定在波比（ＶＳＷＲ）が最小となるようインピーダンス整合を行っても、送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）の周波数帯域ではインピーダンス不整合となり、反射波が発生して定在波比（ＶＳＷＲ）が最小とならない。

同様に、図８の（ｂ）に示すように、送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）の周波数帯域で、定在波比（ＶＳＷＲ）が最小となるようインピーダンス整合を行っても、受信信号（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）の周波数帯域ではインピーダンス不整合となり、反射波が発生して定在波比（ＶＳＷＲ）が最小とならない。

また、最近の携帯情報端末では、送信電力制御（ＴＰＣ）を行うことが主流となってきており、送信電力制御が行われた場合、或いはフェージング環境下において、従来の手法のように単純に送信信号又は受信信号の反射量を最小にするという手法では、安定したインピーダンス整合の制御を行うことができないという問題があった。

また、人体との接近やアンテナ周辺の環境の影響により、アンテナのインピーダンス整合状態が変化し、それが通信の品質を劣化させる原因として問題となっていた。本発明は送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域とが離れている場合でも、また、送信電力制御が行われる場合やフェージング環境下においても、インピーダンス整合を確実に且つ適正に行い、インピーダンス不整合による通信品質の劣化を抑えることを目的とする。

本発明のアンテナ自動整合装置は、（１）アンテナと無線機との間に接続されたアンテナインピーダンス整合回路と、前記無線機の送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域との中間付近の周波数の信号を発生する信号発生部と、前記無線機又は信号発生部の何れか一方のみを前記アンテナインピーダンス整合回路に接続する切り替えスイッチと、前記信号発生部から信号を、切り替えスイッチを介してアンテナインピーダンス整合回路に送出したとき、前記アンテナから放射されずに反射して戻ってくる反射波を入力し、該反射波の電力を検出する電力検出部と、前記電力検出部で検出された反射波の電力が最小となるように、前記アンテナインピーダンス整合回路の可変リアクタンス素子を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、（２）アンテナと無線機との間に接続されたアンテナインピーダンス整合回路と、前記無線機とアンテナインピーダンス整合回路との間に接続され、無線機から送出される信号の一部を取り出す方向性結合器と、前記方向性結合器から取り出した信号を入力し、該既定の信号の電力を検出する電力検出部と、前記無線機から送出された既定の信号に対して、電力検出部で検出された信号の電力が最大となるように、前記アンテナインピーダンス整合回路の可変リアクタンス素子を制御した後、前記無線機の送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域との中間付近の周波数領域で整合するよう、前記アンテナインピーダンス整合回路の可変リアクタンス素子の設定値をスライドさせる制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、（３）アンテナと無線機との間に接続されたアンテナインピーダンス整合回路と、前記アンテナとアンテナインピーダンス整合回路との間に接続され、アンテナインピーダンス整合回路から出力される信号の一部を取り出す方向性結合器と、前記方向性結合器から取り出した信号を入力し、該信号の電力を検出する電力検出部と、前記無線機から送出された既定の信号に対して、前記電力検出部で検出された信号の電力が最大となるように、前記アンテナインピーダンス整合回路の可変リアクタンス素子を制御した後、前記無線機の送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域との中間付近の周波数領域で整合するよう、前記アンテナインピーダンス整合回路の可変リアクタンス素子の設定値をスライドさせる制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、（４）アンテナと無線機との間に接続されたアンテナインピーダンス整合回路と、前記無線機の送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域との中間付近の周波数の信号を発生する信号発生部と、前記無線機又は信号発生部の何れか一方のみを前記アンテナインピーダンス整合回路に接続する切り替えスイッチと、前記信号発生部から信号を、切り替えスイッチを介してアンテナインピーダンス整合回路に送出したとき、前記アンテナインピーダンス整合回路から出力される信号の一部を取り出す方向性結合器と、前記方向性結合器から取り出した信号を入力し、該送信信号の電力を検出する電力検出部と、前記電力検出部で検出された信号の電力が最大となるように、前記アンテナインピーダンス整合回路の可変リアクタンス素子を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、（５）前記信号発生部から発生する信号の周波数を変化させる手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、送信信号と受信信号の周波数帯域の中間付近の周波数でインピーダンス整合を適正化することにより、送信信号と受信信号の周波数帯域が掛け離れている場合でも、送信信号と受信信号との双方に対して適正なインピーダンス整合を行うことができる。

また、本発明ではインピーダンス整合のための既知の信号を送出して適正化するため、送信電力制御が行われる場合やフェージング環境下であっても、この既知の信号はそれらの影響を受けることがないので、予め送信電力を観測する必要はなく、インピーダンス整合を簡素な回路で確実に行うことができる。

また、本発明はアンテナ整合用の信号の周波数を任意に変更して自動整合を行うことができるため、ソフトウェア無線（Software Define Radio）技術を用いた無線機に好適に適用することができる。なお、ソフトウェア無線とは、携帯電話機、ＰＨＳ（Personal Handy phone System）、無線ＬＡＮ機器など、送信電力や周波数帯、変調方式などが異なる様々な無線通信手段の機能を１台の無線機に備え、該１台の無線機のソフトウェアを書き換えることによりそれぞれの無線通信手段として機能させる技術である。

図１は本発明によるアンテナ自動整合装置の第１の実施形態を示す。同図において、１−１はアンテナ、１−２はアンテナインピーダンス整合回路、１−３は無線機、１−４は制御部、１−５は電力検出部、１−６は信号発生部、１−７はバンドパスフィルター、１−８は切り替えスイッチ、１−９は方向性結合器である。

本発明の第１の実施形態では、信号発生部１−６に無線機１−３とは別の信号源を備え、該信号発生部１−６は、バンドパスフィルター１−７を介して、無線機１−３の通信に影響の無い時間帯に、切り替えスイッチ１−８により、アンテナインピーダンス整合回路１−２に接続される。

ここで、対象としている通信システムの送信信号の周波数ｆ１、受信信号の周波数ｆ２とする。信号発生部１−６からは（ｆ１＋ｆ２）／２近辺の周波数の無変調連続波（ＣＷ）信号を発生し、その信号は、バンドパスフィルター（ＢＰＦ）１−７、アンテナインピーダンス整合回路１−２、アンテナ１−１を通過して外界に電波として放射される。しかし、人体やアンテナ１−１周辺の環境変化などにより、アンテナインピーダンスの不整合が生じている場合、一部の信号が電波として放射されず、反射して戻ってくる。

その信号を、方向性結合器１−９を介して電力検出部１−５に入力し、電力検出部１−５で反射信号の電力を検出し、その電力に基づいてアンテナインピーダンス整合回路１−２を制御する。具体的には、反射してきた信号の電力が最小となるように制御する。信号発生部１−６から送出される信号は、送信電力制御（ＴＰＣ）やフェージングに影響されることなく、つまり周囲の環境に左右されることなく、確実なインピーダンス整合を行うことができる。

本発明では、図２の（ａ）に示すように、送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）と受信信号（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）とで異なる周波数帯域を使用する広帯域ＦＤＤ（周波数分割複信）方式の無線機の場合でも、送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）と受信信号（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）との周波数帯域の中間付近の周波数ｆ_ｍｉｄの信号を信号発生部１−６から送出し、該中間付近周波数ｆ_ｍｉｄでの反射波の電力が最小になるようにインピーダンス整合を行うことにより、周波数帯域が異なる送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）と受信信号（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）の双方に対して、適切なインピーダンス整合を行うことができる。

但し、注意すべきことは、信号発生部１−６から送出する信号が通信システムの送受信信号として使用される周波数の信号ではないので、電波法の規定により該信号の放射に当たっては基本的に免許申請を行う必要がある。しかし、図２の（ｂ）に示すように、微弱無線局の３ｍの距離における電界強度が許容値以下の場合に限り、免許申請を行う必要がなく、このような微弱レベルの信号であれば、随時送出することができる。

インピーダンス整合／不整合に関しては、送出レベルの大小は関係ないので、上述の許容値以下のレベルの信号を出力してインピーダンス整合を取る構成とすることができる。なお、上述の微弱無線局についての規定は、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｅｌｅ．ｓｏｕｍｕ．ｇｏ．ｊｐ／ｊ／ｍａｔｅｒｉａｌ／ｒｕｌｅ．ｈｔｍ等のウェブページに掲載されている。

本発明の変形例として図３に第２の実施形態を示す。同図に示すように第２の実施形態は、無線機１−３からインピーダンス整合用の既定の信号を送信し、その一部を方向性結合器１−９により取り出し、その信号を電力検出部１−５に入力し、電力検出部１−５で検出した信号電力を制御部１−４に入力し、制御部１−４は該信号の電力が最大となるようにアンテナインピーダンス整合回路１−２を制御する。

アンテナインピーダンス整合回路１−２で正しくインピーダンス整合されていれば、無線機１−３から送出した信号が反射されることなくアンテナ１−１から放射されるので、電力検出部１−５で検出される信号電力は最大となる。従って、該信号電力が最大となるようにアンテナインピーダンス整合回路１−２を制御することにより、送信信号の周波数帯域でのインピーダンスを整合させることができる。

但し、送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）と受信信号（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）とで異なる周波数帯域が使用される場合、受信信号（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）に対してはインピーダンス不整合となってしまう。そこで、図４の（ａ）に示すように送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）で整合させた状態から、図４の（ｂ）に示すように、送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）と受信信号（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）の中間周波数付近でインピーダンスが整合するよう、にアンテナインピーダンス整合回路１−２の可変リアクタンス素子の設定値をスライドさせる。このスライドさせる値は、予め制御部１−４に固定値として保持させておくものとする。

更に本発明の変形例として図５に第３の実施形態を示す。同図に示すように第３の実施形態は、無線機１−３から出力され、アンテナインピーダンス整合回路１−２を通過した後の既定信号の一部を、方向性結合器１−９により取り出し、その既定信号の一部を電力検出部１−５に入力し、電力検出部１−５で検出した信号電力を制御部１−４に入力し、制御部１−４は該信号電力が最大となるようにアンテナインピーダンス整合回路１−２を制御するように構成したものである。

この第３の実施形態も第２の実施形態と同様に、送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）と受信信号（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）とで異なる周波数帯域が使用される場合、送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）で整合させた状態から、送信信号（ｕｐｌｉｎｋ）と受信信号（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）の中間周波数付近でインピーダンスが整合するよう、にアンテナインピーダンス整合回路１−２の可変リアクタンス素子の設定値をスライドさせる。

更に本発明の変形例として図６に第４の実施形態を示す。同図に示すように第４の実施形態は、第１の実施形態と同様に、無線機１−３とは別の信号源として信号発生部１−６を設け、該信号発生部１−６は、バンドパスフィルター１−７を介して、無線機１−３の通信に影響の無い時間帯に、切り替えスイッチ１−８により、アンテナインピーダンス整合回路１−２に信号を送出する。

該信号発生部１−６からは、送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域の中間付近の周波数の無変調連続波（ＣＷ）信号を送出し、その信号を、バンドパスフィルター（ＢＰＦ）１−７、アンテナインピーダンス整合回路１−２、アンテナ１−１を通過して外界に電波として放射する。

そして、アンテナインピーダンス整合回路１−２から出力される送信信号の一部を、方向性結合器１−９を介して電力検出部１−５に入力し、電力検出部１−５で送信信号の電力を検出し、その電力が最大となるようにアンテナインピーダンス整合回路１−２を制御するよう構成する。その外の実施形態として、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明によるアンテナ自動整合装置の第１の実施形態を示す図である。 本発明による信号発生部から送出する信号の説明図である。 本発明によるアンテナ自動整合装置の第２の実施形態を示す図である。 送信信号での整合状態から中間周波数で整合させるようにスライドさせる動作の説明図である。 本発明によるアンテナ自動整合装置の第３の実施形態を示す図である。 本発明によるアンテナ自動整合装置の第４の実施形態を示す図である。 従来のアンテナ自動整合装置の構成例を示す図である。 送信信号と受信信号の周波数帯域が離れている場合の定在波比（ＶＳＷＲ）を示す図である。

符号の説明

１−１ アンテナ
１−２ アンテナインピーダンス整合回路
１−３ 無線機
１−４ 制御部
１−５ 電力検出部
１−６ 信号発生部
１−７ バンドパスフィルター
１−８ 切り替えスイッチ
１−９ 方向性結合器

Claims (5)

1. アンテナと無線機との間に接続されたアンテナインピーダンス整合回路と、
   前記無線機の送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域との中間付近の周波数の信号を発生する信号発生部と、
   前記無線機又は信号発生部の何れか一方のみを前記アンテナインピーダンス整合回路に接続する切り替えスイッチと、
   前記信号発生部から信号を、切り替えスイッチを介してアンテナインピーダンス整合回路に送出したとき、前記アンテナから放射されずに反射して戻ってくる反射波を入力し、該反射波の電力を検出する電力検出部と、
   前記電力検出部で検出された反射波の電力が最小となるように、前記アンテナインピーダンス整合回路を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ自動整合装置。
2. アンテナと無線機との間に接続されたアンテナインピーダンス整合回路と、
   前記無線機とアンテナインピーダンス整合回路との間に接続され、無線機から送出される信号の一部を取り出す方向性結合器と、
   前記方向性結合器から取り出した信号を入力し、該既定の信号の電力を検出する電力検出部と、
   前記無線機から送出された既定の信号に対して、電力検出部で検出された信号の電力が最大となるように、前記アンテナインピーダンス整合回路を制御した後、前記無線機の送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域との中間付近の周波数領域で整合するよう、前記アンテナインピーダンス整合回路の設定値をスライドさせる制御部と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ自動整合装置。
3. アンテナと無線機との間に接続されたアンテナインピーダンス整合回路と、
   前記アンテナとアンテナインピーダンス整合回路との間に接続され、アンテナインピーダンス整合回路から出力される信号の一部を取り出す方向性結合器と、
   前記方向性結合器から取り出した信号を入力し、該信号の電力を検出する電力検出部と、
   前記無線機から送出された既定の信号に対して、前記電力検出部で検出された信号の電力が最大となるように、前記アンテナインピーダンス整合回路を制御した後、前記無線機の送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域との中間付近の周波数領域で整合するよう、前記アンテナインピーダンス整合回路の設定値をスライドさせる制御部と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ自動整合装置。
4. アンテナと無線機との間に接続されたアンテナインピーダンス整合回路と、
   前記無線機の送信信号の周波数帯域と受信信号の周波数帯域との中間付近の周波数の信号を発生する信号発生部と、
   前記無線機又は信号発生部の何れか一方のみを前記アンテナインピーダンス整合回路に接続する切り替えスイッチと、
   前記信号発生部から信号を、切り替えスイッチを介してアンテナインピーダンス整合回路に送出したとき、前記アンテナインピーダンス整合回路から出力される信号の一部を取り出す方向性結合器と、
   前記方向性結合器から取り出した信号を入力し、該送信信号の電力を検出する電力検出部と、
   前記電力検出部で検出された信号の電力が最大となるように、前記アンテナインピーダンス整合回路を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とするアンテナ自動整合装置。
5. 前記信号発生部から発生する信号の周波数を変化させる手段を備えたことを特徴とする請求項１又は４に記載のアンテナ自動整合装置。

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