JP2007067749A - 受信過入力保護回路及びそれを用いた無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性の低いスイッチや、高価な部品を用いることなく、過大入力に対する回路部品の保護を、受信感度の劣化なく確実に行う受信過入力保護回路を得る。
【解決手段】 検波部７による検波出力と基準レベルとを比較制御部８にて比較し、検波出力が大なる時には、電源制御部９を制御して受信増幅部４の電源を断とする。このとき、受信増幅部４では、受信信号増幅用トランジスタのベース入力ラインと接地ラインとの間に設けられたストリップラインと可変容量ダイオードとによる直列回路によって、１／４波長のオープンスタブが形成されているので、このオープンスタブの直列共振周波数が所望の周波数帯域となるとように設定しておくことにより、この所望周波数帯域の過大入力が防止される。通常時には、このオープンスタブの直列共振周波数が当該所望周波数帯域よりも大となるように選定しておけば、通常の受信処理に対しては支障がない。
【選択図】 図１

Description

本発明は受信過入力保護回路及びそれを用いた無線通信装置に関し、特に無線通信システムにおいて過大な受信レベルに対する受信回路の損傷を防止する受信過入力保護回路の改良に関するものである。

従来のこの種の受信過入力保護回路では、耐電力の高い回路部品、すなわち耐電力の高い高周波トランジスタを使用する方法や、可変減衰器を受信信号ラインに挿入しておき、アンテナから過大な入力を受信した場合において、可変減衰器の減衰量を最大として、過大な入力を受信し続けても部品故障を回避する方法などがある。

更に、特許文献１を参照すると、アンテナからの受信信号を検波して、この検波出力が過大であると、スイッチにより、減衰器を受信信号ラインに直列に挿入するように切替え制御し、高周波増幅回路のトランジスタなどの回路部品が破壊しない電力まで減衰させるようになっている。

特開平１−０４６３２８号公報

耐電力の高い部品を使用する方法では、耐電力の高い高周波トランジスタは一般的に高価格であり、さらに高消費電力になると共にＮＦの悪い部品を選定することになり、装置のコスト削減や消費電力低減には寄与できない上に受信感度が悪化するという問題がある。

可変減衰器を挿入して減衰量の制御をなす方法では、通常の運用状態においても挿入損失が増える（１〜２ｄＢ）ために、受信感度が悪化するという問題がある。また、スイッチによる減衰器のオンオフ切替え制御を用いて保護する方法では、スイッチが故障すると定常入力状態でも受信ができなくなる不具合が発生する恐れがある。

本発明の目的は、信頼性の低いスイッチを用いることなく過大入力に対する回路部品の保護を確実に行うことが可能な受信過入力保護回路及びそれを用いた無線通信装置を提供することである。

本発明の他の目的は、高価な回路部品を用いることなく、また受信感度の劣化を招来することなく、過大入力に対する回路部品の保護を確実に行うことが可能な受信過入力保護回路及びそれを用いた無線通信装置を提供することである。

本発明による受信過入力保護回路は、受信信号の過大入力時に受信増幅回路の電源をオフとして前記受信増幅回路の保護をなすようにした無線通信装置の受信過入力保護回路であって、電源オフに応答して、前記受信増幅回路の入力部において前記受信増幅回路が増幅すべき信号の周波数帯に対して減衰量が、電源オン時に比較して大となるよう制御する減衰量制御手段を含むことを特徴とする。

そして、前記減衰量制御手段は、前記受信増幅回路の入力ラインと接地との間に設けられ、前記電源オン時とオフ時にインピーダンスがそれぞれ変化する可変インピーダンス手段を有することを特徴とする。また、可変インピーダンス手段は、前記電源オフ時に前記周波数帯に対して１／４波長の電気長を有し、前記電源オン時に前記周波数帯とは異なる周波数帯に対して１／４波長の電気長を有するオープンスタブであることを特徴とする。

そして、前記オープンスタブは、ストリップラインまたはコイルと可変容量素子との直列回路からなり、前記可変容量素子のバイアス電圧として前記電源を使用することを特徴とする。

また、前記受信増幅回路は自己バイアス方式の増幅回路であり、このバイアス電圧を前記可変容量素子のバイアス電圧としてなることを特徴とする。また、前記受信増幅回路はエミッタ接地型増幅回路であり、このバイアス電圧を前記可変容量素子のバイアス電圧としてなることを特徴とする。

本発明による無線通信装置は、上記の受信過入力保護回路を有することを特徴とし、また移動通信システムにおける無線基地局装置であることを特徴とする。

本発明の作用を述べる。受信信号の検波出力と基準レベルとを比較し、検波出力が大なる時には、受信増幅部の電源を断とする。このとき、受信増幅部では、受信信号増幅用トランジスタのベース入力ラインと接地との間に設けられたストリップラインと可変容量ダイオードとによる直列回路によって、１／４波長のオープンスタブが形成されているので、このオープンスタブの直列共振周波数が所望の周波数帯域となるとように設定しておくことにより、この所望周波数帯域の受信信号減衰が発生して過大入力が防止される。通常時には、このオープンスタブの直列共振周波数が当該所望周波数帯域から大きくずれるように選定しておけば、通常の受信処理に対しては何等差し支えがない。

本発明にれば、信頼性の低いスイッチを用いることなく過大入力に対する回路部品の保護を確実に行うことが可能となるという効果がある。また、高価な回路部品を用いることなく、かつ受信感度の劣化を招来することなく、過大入力に対する回路部品の保護を確実に行うことが可能となるという効果がある。更に、過大入力時には、受信用の高周波増幅部の電源供給を停止すると共に所望の周波数帯の受信信号のリジェクション（受信信号の減衰）を行うようにしたので、長時間過大入力状態が続いても、受信用増幅部の部品保護を行うことができるという効果もある。

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態を示す機能ブロック図である。図１において、アンテナ１は、移動体通信用の移動局からの電波を受信するものであり、フィルタ部２は、受信した信号のうち、本無線通信装置において必要な所望の受信帯域の周波数（希望波）のみ通過させ不要波を減衰させるものである。カプラ部３は、この受信信号を減衰させることなく増幅する受信用増幅部４に伝達させると共に、受信信号の一部の検波を行う検波部７に供給する。

受信用増幅部４は、受信信号を低雑音で増幅する機能と、受信用増幅部４の電源オフ（断）時に当該周波数帯の受信信号のみリジェクションする機能とを有する。増幅された受信信号は、受信部５に供給されて信号処理部６で処理できる低い周波数に変換される。信号処理部６は、アナログ−デジタル変換処理及び復調処理を行う機能を有する。

検波部７は、カプラ部３から供給された受信信号の一部を検波ダイオードや平滑コンデンサ等により直流電圧に変換するものである。比較制御部８は、入力された直流電圧と予め定めらている基準電圧とを比較するものである。電源出力部９は、受信用増幅部４のための電源電圧発生回路であり、比較制御部８の制御信号により電源電圧の出力供給（オン）および出力停止（オフ）を行うようになっている。

図２は図１の受信用増幅部４の具体例の回路図である。図２において、入力された受信信号は、直流カット用入力コンデンサ１０１及び直列にコンデンサを有していない整合回路１０２を経て、高周波トランジスタ１０３に供給される。この高周波トランジスタ１０３は、入力された所望周波数帯域の受信信号を低雑音で所定の利得まで増幅する。

増幅された受信信号は、整合回路１０４及び直流カット用出力コンデンサ１０５を経て受信部５に供給される。電源は、電源入力端子に接続された電流制限抵抗１０７を経てコレクタ端子に供給され、バイアス抵抗１０６は、トランジスタ１０３のベース端子とコレクタ端子間に接続される。トランジスタ１０３のエミッタ端子は接地されている。

一方、入力コンデンサ１０１を通った点２００と電源入力端子間には、ストリップライン１０８と可変容量ダイオード１０９とが直列に接続された状態で挿入されており、可変容量ダイオード１０９の電源入力端子側は、当該周波数帯で低インピーダンスとなるコンデンサ１１０を経て交流的に接地されている。電源が印加されていない時に、直列に接続されたストリップライン１０８と可変容量ダイオード１０９は、当該周波数帯で等価的に１／４波長の電気長に設定されている。すなわち、当該周波数帯で１／４波長の電気長のオープンスタブが接続されていることになり、当該周波数帯において非常に大きな減衰量が発生していることになる。

このように構成することにより、アンテナからの受信信号を受信用増幅部４に入力される前段において、カプラ部３、検波部７により受信電力を検波して電源出力部９の電源電圧出力のオンオフ制御を行っているので、長時間にわたる過大な入力をアンテナで受信した場合には、受信用増幅部４の電源供給を停止すると共に当該周波数帯の受信信号のリジェクションを行う（リジェクションフィルタ、すなわち直列共振状態として動作する）ため、受信用増幅部４の部品保護を行うことができるのである。以下に、その動作について説明する。

アンテナ１において、移動体通信用移動局からの電波が受信され、フィルタ部２において、受信した信号のうち所望の受信帯域の周波数のみが通過して不要波が減衰される。カプラ部３では、受信信号が減衰されることなく増幅機能を有した受信用増幅部４に伝達されると共に、受信信号の一部は検波部７に供給される。受信用増幅部４では、受信信号が低雑音で増幅されると共に、受信用増幅部４の電源オフ時に当該周波数帯の受信信号のみがリジェクションされることになる。

増幅された受信信号は受信部５に供給され、信号処理部６で処理できる低い周波数へと変換される。信号処理部６では、アナログ−デジタル変換されて復調処理がなされる。検波部７では、カプラ部３から供給された受信信号の一部が検波ダイオードや平滑コンデンサ等により直流電圧に変換される。比較制御部８では、入力された直流電圧と基準電圧とが比較される。電源出力部９では、受信用増幅部４のための電源電圧が発生され、比較制御部８の制御信号によりその電源電圧の出力供給および出力停止が制御される。

図２において、入力された受信信号は直流カット用入力コンデンサ１０１及び整合回路１０２を経て、高周波トランジスタ１０３に供給され、高周波トランジスタ１０３では、低雑音で所定の利得まで増幅される。増幅された受信信号は、整合回路１０４及び直流カット用出力コンデンサ１０５を経て、受信部５に供給される。電源は、電源入力端子に接続された電流制限抵抗１０７を経てコレクタ端子に供給され、バイアス抵抗１０６はベース端子とコレクタ端子間に接続される。エミッタ端子は接地されている。

電源（Ｂボルト（Ｖ））が入力された場合には、高周波トランジスタ１０３が動作状態となるために、ベース端子とエミッタ端子間の電圧は０．７Ｖとなる。ここまでの回路は一般的な自己バイアス増幅回路である。

一方、入力コンデンサ１０１を通った点２００と電源入力端子間に、ストリップライン１０８と、カソード端子が電源入力端子側になるように配置された可変容量ダイオード１０９とが直列に接続されて挿入され、可変容量ダイオード１０９の電源入力端子側は当該周波数帯で低インピーダンスとなるバイパスコンデンサ１１０を経て接地されている。ストリップライン１０８とベース端子間は、整合回路１０２の直列回路を構成する部品がインダクタンスまたはストリップラインのため、直流的に導通している。電源が入力されている時は、可変容量ダイオード１０９の両端には（Ｂ−０．７）ボルトの電圧が印加されている。

ストリップライン１０８と可変容量ダイオード１０９とが直列に接続された回路は、図３に示す回路と等価である。電源が入力されていない時に、直列に接続されたストリップライン１０８と可変容量ダイオード１０９とは、当該周波数帯で等価的に１／４波長の電気長に設定されている。

ここで、オープンスタブのインピーダンスは、一般的な下記の公式で計算できる。
Ｚ＝Ｚｏ／ｔａｎ（２πＬ／λg ）
ここに、Ｚｏはストリップラインの特性インピーダンス、Ｌは電気長、λg は管内波長である。

すなわち、当該周波数帯で１／４波長の電気長のオープンスタブが接続されていることになり、当該周波数帯において直列共振状態になっているため、非常に大きな減衰量が発生していることになる。ストリップライン１０８として、インダクタンスを有したコイルを代用した場合でも同等の効果が得られる。

過大な受信信号が入力された場合を説明する。比較制御部８において、基準電圧と直流電圧とが比較され、直流電圧の方が基準電圧より高くなった場合、受信用増幅部４の構成部品が故障する可能性がある過大な電力が入力されたと判断されて、比較制御部８から制御信号が出力される。これに応答して、電源出力部９の電源電圧の出力供給が停止され、受信用増幅部４には電源が供給されなくなる。

ここで、図２を参照すると、受信信号ラインに接続されたストリップライン１０８と可変容量ダイオード１０９との直列回路は、図３に示す回路と等価であり、可変容量ダイオード１０９が有するコンデンサ容量の値によって１／４波長の電気長のオープンスタブの直列共振周波数が変化する。ストリップライン１０８の代わりに、インダクタンスを有するコイルを使用しても同様に直列共振周波数が変化する。

可変容量ダイオード１０９は、図４に示すように、印加電圧ゼロで最大容量値、印加電圧値に比例して容量が低下していくという特性を有している。可変容量ダイオード１０９は、市販されているＣａ／Ｃｂ比が６倍以上の可変容量比を有したものを使用するのが良い。

受信用増幅部４に電源が供給されていない場合には、可変容量ダイオード１０９の容量はＣａであるために、ストリップライン１０８に容量Ｃａが接続された状態となる。この状態で、ストリップライン１０８と容量Ｃａが当該周波数帯（例えば、フィルタ２の通過帯域内のＰＨＳ帯域）で１／４波長の電気長になるようにストリップライン１０８の長さを設定しておく。

すなわち、電源が供給されていない場合は、受信信号ラインに当該周波数帯で１／４波長の電気長のオープンスタブが接続された状態になるので、当該周波数帯に過大な信号が含まれていても、図５に示すように大きな減衰を受けるために、高周波トランジスタ１０３への過大入力を回避できる。

特に、バイポーラ系の高周波トランジスタ１０３は、電源電圧なしでも過大信号を長時間にわたって連続的に入力を受けていると、物性的に高周波利得の低下やＮＦの劣化を発生するというブレークダウン現象に陥るが、本発明では、このような部品故障を回避できる。

一方、通常の運用時においては、受信用増幅部４に電源が印加されるため、自己バイアス増幅回路のバイアス電圧を流用していることより、可変容量ダイオード１０９の両端には所定の電圧が印加される。すなわち、可変容量ダイオード１０９の両端に印加される電圧は、動作中の高周波トランジスタ１０３のベース端子とエミッタ端子間電圧が約０．７Ｖのために、電源電圧がＢ（Ｖ）であれば、Ｂ−０．７（Ｖ）となる。この電圧における容量をＣｂとし、Ｃａの容量値より充分小さく（１／６以下）設定しておく。

この場合の１／４波長の電気長となる周波数帯は、運用受信帯域よりずいぶん高い周波数となるので（図５）、運用受信帯域に挿入損失を与えることがない。そのために、受信感度劣化等受信特性に影響を与えることはない。

このように、受信用増幅部４の電源供給を停止すると共に、当該周波数帯（例えば、ＰＨＳ基地局より定常的に干渉を受ける恐れのある場合はＰＨＳ帯域）にて大きな減衰量を発生させることにより、長時間にわたって過大入力状態が続いても、受信用増幅部４の高周波トランジスタ等の部品故障を回避できることになる。

本発明の他の実施例として、図１の受信機と基本的構成は同じであるが、受信用増幅部４の代替回路を図６に示す。動作の安定性に優れている一般的なエミッタ接地形増幅回路であり、カプラ３より出力された受信信号は直流カット用コンデンサ２０１を通り直列にコンデンサを使用していない整合回路２０２を経て高周波トランジスタ２０５のベース端子に入力される。

高周波トランジスタ２０５により増幅された受信信号は、整合回路２０９及び直流カット用コンデンサ２１０を経て受信部５に入力される。電源入力端子から入力される電源（Ｂ（Ｖ））は、電流制限機能を有したコレクタ抵抗２０６を経由して、高周波トランジスタ２０５のコレクタ端子に供給されると共に、バイアス抵抗２０３を経てベース端子に供給される。

ベース端子と接地間には安定的にベース電圧を供給するためにブリーダー抵抗２０４が挿入されている。エミッタ端子と接地間には、エミッタ抵抗２０７及び運用周波数帯で低インピーダンスとなるバイパスコンデンサ２０８が並列に挿入されている。

一方、入力コンデンサ２０１を通った点３００と接地間には、ストリップライン２１１及びアノード端子が接地側になるように配置された可変容量ダイオード２１２が直列に接続され挿入されている。ストリップライン２１１とベース端子間は、整合回路２０２の直列回路を構成する部品がインダクタンスまたはストリップラインのため、直流的に導通している。電源が入力されている時は、ベース端子と接地間の電圧は約Ｂ／２（Ｖ）に設定されているので、可変容量ダイオード２１２の両端にはＢ／２（Ｖ）の電圧が印加されている。この場合は、図４におけるＣｂはＢ／２（Ｖ）点となる。

受信信号ラインに接続されたストリップライン２１０と可変容量ダイオード２１２との直列回路は、図３に示す回路と等価であり、可変容量ダイオード２１２が有するコンデンサ容量の値によって、１／４波長の電気長のオープンスタブの直列共振周波数が変化する。ストリップライン２１１の代わりにインダクタンスを有するコイルを使用しても同様に直列共振周波数が変化する。可変容量ダイオード２１２は、図４に示すように、印加電圧ゼロで最大容量値、印加電圧値に比例して容量が低下していくという特性を有している。

受信用増幅部４に電源が供給されていない場合は、可変容量ダイオード２１２の容量はＣａであるので、ストリップライン２１２に容量Ｃａが接続された状態となる。この状態で、ストリップライン２１１と容量Ｃａが当該周波数帯で１／４波長の電気長になるようにストリップライン２１１の長さを設定しておく。すなわち、電源が供給されていない場合は、受信信号ラインに当該周波数帯で１／４波長の電気長のオープンスタブが接続された状態になるので、当該周波数帯に過大な信号が含まれていても、図５に示すように大きな減衰を受けるために、高周波トランジスタ２０５への過大入力を回避できる。

一方、通常の運用時においては、受信用増幅部４に電源が印加されるため、エミッタ接地形増幅回路のバイアス電圧を流用していることより可変容量ダイオード２１２の両端にはＢ／２（Ｖ）の電圧が印加される。この電圧における容量をＣｂとし、Ｃａの容量値より充分小さく（１／６以下）設定しておく。この場合の１／４波長の電気長となる周波数帯は、運用受信帯域よりも極めて高い周波数となるので（図５）、運用受信帯域に挿入損失を与えることがない。そのために、受信感度劣化等受信特性に影響を与えることはない。

このように、本例でも、受信用増幅部４の電源供給を停止すると共に、当該周波数帯で大きな減衰量を発生させることにより、長時間にわたって過大入力状態が続いても受信用増幅部の高周波トランジスタ等の部品故障を回避できる。

なお、上記実施例においては、無線基地局装置について説明しているが、一般の無線通信装置に適用できることは明らかである。

本発明の機能ブロック図である。 図１の受信増幅部の一例を示す回路図である。 ストリップラインと可変容量ダイオードとの直列回路の等価回路を示す図である。 可変容量ダイオードの電圧対容量特性を示す図である。 本発明の回路が動作した場合の周波数対減衰特性を示す図である。 図１の受信増幅部の他の例を示す回路図である。

符号の説明

１ アンテナ
２ フィルタ部
３ カプラ部
４ 受信用増幅部
５ 受信部
６ 信号処理部
７ 検波部
８ 比較制御部
９ 電源制御部
１０３，２０５ トランジスタ
１０８，２１１ ストリップライン
１０９，２１２ 可変容量ダイオード

Claims (8)

1. 受信信号の過大入力時に受信増幅回路の電源をオフとして前記受信増幅回路の保護をなすようにした無線通信装置の受信過入力保護回路であって、
   電源オフに応答して、前記受信増幅回路の入力部において前記受信増幅回路が増幅すべき信号の周波数帯に対して減衰量が、電源オン時に比較して大となるよう制御する減衰量制御手段を含むことを特徴とする受信過入力保護回路。
2. 前記減衰量制御手段は、前記受信増幅回路の入力ラインと接地との間に設けられ、前記電源オン時とオフ時にインピーダンスがそれぞれ変化する可変インピーダンス手段を有することを特徴とする請求項１記載の受信過入力保護回路。
3. 可変インピーダンス手段は、前記電源オフ時に前記周波数帯に対して１／４波長の電気長を有し、前記電源オン時に前記周波数帯とは異なる周波数帯に対して１／４波長の電気長を有するオープンスタブであることを特徴とする請求項１または２記載の受信過入力保護回路。
4. 前記オープンスタブは、ストリップラインまたはコイルと可変容量素子との直列回路からなり、前記可変容量素子のバイアス電圧として前記電源を使用することを特徴とする請求項３記載の受信過入力保護回路。
5. 前記受信増幅回路は自己バイアス方式の増幅回路であり、このバイアス電圧を前記可変容量素子のバイアス電圧としてなることを特徴とする請求項４記載の受信過入力保護回路。
6. 前記受信増幅回路はエミッタ接地型増幅回路であり、このバイアス電圧を前記可変容量素子のバイアス電圧としてなることを特徴とする請求項４記載の受信過入力保護回路。
7. 請求項１〜６いずれか記載の受信過入力保護回路を有することを特徴とする無線通信装置。
8. 移動通信システムにおける無線基地局装置であることを特徴とする無線通信装置。

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