JP2007081762A - 高電力入力保護回路及びその方法並びにそれを用いた受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 移動通信システムにおける無線基地局装置の受信部などにおいて、部品点数の増加をなくしてハードウェア的にもコスト的にも、また信頼性の面でも、極めて有効な高入力電力保護回路を得る。
【解決手段】 アンテナ１による入力レベルを、信号処理部５におけるＡＧＣ機能を利用して判定し、高電界の電波が入力されたとき、ＬＮＡ３の初段の増幅用トランジスタの消費電流（コレクタ電流）を、電子ボリュームを用いて自動的に上昇制御し、トランジスタの飽和出力レベルを高くする。これにより、簡単にかつ正確にトランジスタの特性劣化及び破損を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は高電力入力保護回路及びその方法並びにそれを用いた受信装置及びプログラムに関し、特に移動体通信システムにおける無線基地局装置の受信部に用いて好適な高電力入力保護方式の改良に関するものである。

無線通信装置の受信機において、アンテナから高電界の電波を受信した場合に、高周波増幅部の増幅素子の故障や破壊を防止する必要があり、そのためには、耐電力の高い部品を使用する方法がある。しかしながら、このような耐電力の高い部品は、一般的に高価であり、更に高消費電力となると共に、ＮＦの悪い部品を選定することになって、装置の低コスト化や低消費電力化に対して寄与することができず、また受信感度も劣化することになる。

そこで、特許文献１を参照すると、図１４に示すような過電力保護回路が提案されている。図１４において、アンテナ１００による受信信号は、減衰器１０３を介してＲＦアンプ１０８へ入力されるが、このとき、この減衰器１０３を信号ラインに挿入制御するためのスイッチ１０１，１０２が設けられており、アンテナ１００による受信信号の電力を検波器１０４により検出して、予め定められた電力以上であると、スイッチ制御部１０５においてスイッチ１０１，１０２を制御して、減衰器１０３を信号ラインに挿入するようになっている。なお、通常の受信電力時には、スイッチ１０１，１０２は減衰器１０３を短絡状態になるように、スイッチ制御部１０５により制御されるものである。

なお、ダイオード回路１０６，１０７は、過大な電力が入力されてスイッチ１０１，１０２が動作するまでの時間、ＲＦアンプ１０８を保護するために設けられており、その詳細は特許文献１に説明されているので、ここではその説明を省略する。

また、特許文献２を参照すると、過電力の入力が検出されると、高周波フィルタの特性インピーダンスを制御することにより、受信信号の通過／反射を制御して、増幅素子の保護をなす技術が提案されている。

更に、特許文献３を参照すると、受信電界強度情報（ＲＳＳＩ）及び受信誤り率が規定値を超えたときに、ＲＦアンプ部の電流源回路を切換えて、大電流源回路を使用するようにし、増幅素子の飽和点レベルを高くすることにより、出力信号の歪みを防止する技術が提案されている。

特開昭６４−４６３２８号公報 特開平４−１６００７号公報 特開２００４−３６３７４３号公報

図１４に示した特許文献１の技術においては、スイッチを用いて減衰器のオンオフ制御を行うようになっているために、スイッチが故障すると、定常入力状態においても、受信ができなくなるという問題が発生する恐れがあり、信頼性に欠ける。また、特許文献２の技術のように、高周波フィルタの特性インピーダンスを制御する方法では、不特定多数の周波数帯において高電力入力があった場合に、全ての周波数において信号の反射を行うことができないという問題がある。

また、受信電界を検出するためには、信号ラインに方向性結合器を挿入する（図１４の例では、アンテナ１００の出力を検波器１０４側へ分岐するためのもの）必要があるが、そうすると無線通信装置のＮＦの劣化を招来して受信感度が悪化するという欠点がある。

特許文献３の技術においては、ＲＳＳＩを検出して受信入力レベルが規定値より高い場合において、受信誤り率が大きいときに初めて増幅素子の電流源を切換えてその飽和点を大に移行制御するものであるから、受信入力レベルが大となっても、受信誤り率が大とならなければ、飽和点の切換えが行われないために、増幅素子の過大入力に対する保護は十分ではない。また、電流源を切換えるものであるから、電流源及びその切換えスイッチを複数用意する必要があり、ハードウェア的にもまたコスト的にも不利であり、更には信頼性の点でも劣ることになる。

本発明の目的は、部品点数の増加をなくしてハードウェア的にもコスト的にも、また信頼性の面においても極めて有効な高電力入力保護回路及びその方法並びにそれを用いた受信装置及びプログラムを提供することである。

本発明による高電力入力保護回路は、受信信号レベルを検出して受信信号に対する利得制御をなすようにしたＡＧＣ制御手段を有する無線受信装置における高電力入力保護回路であって、前記ＡＧＣ制御手段において検出された前記受信信号レベルに基づいて、増幅回路の増幅素子の消費電流を制御する制御手段を含むことを特徴とする。

本発明による高電力入力保護方法は、受信信号レベルを検出して受信信号に対する利得制御をなすようにしたＡＧＣ制御手段を有する無線受信装置における高電力入力保護方法であって、前記ＡＧＣ制御手段において検出された前記受信信号レベルに基づいて、増幅回路の増幅素子の消費電流を制御する制御ステップを含むことを特徴とする。

本発明による受信装置は、上記の高電力入力保護回路を含むことを特徴とする。

本発明によるプログラムは、受信信号レベルを検出して受信信号に対する利得制御をなすようにしたＡＧＣ制御手段を有する無線受信装置における高電力入力保護方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記ＡＧＣ制御手段において検出された前記受信信号レベルに基づいて、増幅回路の増幅素子の消費電流を制御する処理を含むことを特徴とする。

本発明の作用を述べる。アンテナによる入力レベルを、信号処理部におけるＡＧＣ機能を利用して判定し、高電界の電波が入力されたとき、ＬＮＡの初段の増幅用トランジスタの消費電流（コレクタ電流）を、電子ボリュームを用いて自動的に上昇制御し、トランジスタの飽和出力レベルを高くする。これにより、簡単にかつ正確にトランジスタの特性劣化及び破損を防止できる。

本発明によれば、アンテナ入力レベルを、受信機が本来有しているＡＧＣ機能を用いて判定し、高電力の電波が入力されたときにＬＮＡの初段増幅素子の消費電流を、電子ボリュームを用いて自動制御により上昇させ、その飽和出力レベルを高くするようにしたので、増幅素子の特性劣化や破損の防止が、極めて簡単にかつ正確に行えるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施の形態の受信装置の機能ブロック図である。図１を参照すると、アンテナ１からの受信入力は、不要波の除去をなすフィルタ２を介してＬＮＡ（Low Noise Amplifier ：低雑音増幅器）３へ入力されて増幅される。この増幅出力は受信処理部４において周波数変換され、かつＡＧＣ（Auto Gain Control ：自動利得制御）処理される。

ここで、図２を参照すると、図１の受信処理部４の例が示されており、次段の信号処理部５において処理できる低い周波数の信号に変換するために、ミキサ４２及び４６の２段の周波数変換機能を有している。具体的には、フィルタ４１により不要波を除去して、ミキサ４２と局部発振器４３により、ＲＦ信号を第１のＩＦ信号に変換する。次のフィルタ４４により不要波を除去して、ＡＧＣアンプ４５において、信号処理部５へ出力するＩＦ信号が一定レベルになるようレベル制御される。そして、次段のミキサ４６と局部発振器４７により、第２のＩＦ信号に変換して出力するようになっている。

信号処理部５は、図３にその具体例を示すように、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して復調処理をなす復調部（ＤＥＭ）５１と、不要周波数の抑圧をなすフィルタ５２とを有している。

ここで、復調部５１の入力レベルを一定にする必要があることから、ＡＧＣアンプ４５の利得を制御するようになっており、そのために、フィルタ５２の出力は、ＩＦ信号レベル算出部５３へ入力されてＩＦ信号レベルが算出され、ＡＧＣ制御信号生成部５４において、基準となる信号レベルと比較されることにより、ＡＧＣ制御信号が生成される。このＡＧＣ制御信号は、図１に示すＤ／Ａコンバータ６においてアナログ信号に変換されて、受信処理部４内のＡＧＣアンプ４５の利得制御用の信号として用いられる。以上が通常のＡＧＣ機能である。

更に、本発明では、アンテナ入力レベル算出部５５において、ＩＦ信号レベル算出部５３の算出結果から、アンテナ入力レベルが算出されるようになっている。そして、増幅素子制御信号生成部５６において、このＩＦ信号レベル算出結果から、増幅素子を破損させる可能性がある高電界の電波が入力されているかどうかの判断が行われるようになっている。高電界の電波が入力されていると判断されると、そのアンテナ入力レベルに対応した適切な増幅素子のための制御信号が生成され、この制御信号は図１のＤ／Ａコンバータ６へ入力されてアナログ信号に変換されてＬＮＡ３へ供給されることになる。

図４はＬＮＡ３の一例を示しており、自己バイアス回路を使用したバイポーラトランジスタ（増幅素子）ＴＲ１により構成されており、受信信号を低歪みで増幅するものである。このトランジスタＴＲ１のバイアス回路は、電子ボリュームＶＲ１，ＶＲ２、コンデンサＣ１，Ｃ２及びコイルＬ１により構成されている。電子ボリュームＶＲ１はトランジスタＴＲ１のベース電流制御に用いられるバイアス抵抗であり、電子ボリュームＶＲ２はトランジスタＴＲ１のコレクタ電圧、電流の制御に用いられるバイアス抵抗である。コンデンサＣ１，Ｃ２及びコイルＬ１はノイズ除去用フィルタを構成している。信号処理部５からの制御信号によって、電子ボリュームＶＲ１，ＶＲ２の抵抗値が可変されるものである。

以下に、本発明の実施の形態の動作を、図５のフローチャートを参照して説明する。本受信装置に電源が供給されて起動されると（ステップＳ１）、アンテナ１による受信信号は（ステップＳ２）、フィルタ２を介してＬＮＡ３々供給されて増幅される（ステップＳ３）。しかる後に、受信処理部４において周波数変換及びＩＦ信号レベルの調整がなされる（ステップＳ４）。

そして、信号処理部５の復調部５１においてＩＦ信号が復調される（ステップＳ５）。この信号処理部５のＩＦ信号レベル計算部５３及びＡＧＣ制御信号生成部５４において、ＩＦ信号レベルを調整するためのデータが生成され（ステップＳ６，Ｓ７）、そのデータに対してデジタル／アナログ変換が行われる（ステップＳ８）。このアナログ信号がＡＧＣ制御信号となり、受信処理部４のＡＧＣアンプ４５へ供給されて、信号処理部５への入力電力が一定になるように調整されることになる（ステップＳ９）。

以上が一般的な周知のＡＧＣ機能の説明であり、本発明では、このＡＧＣ機能を利用してアンテナ入力レベルを算出して、高電界の電波が入力されているかを判断するものである。そのために、信号処理部５のＩＦ信号レベル計算部５３による算出結果を元に、アンテナ入力レベル算出部５５においてアンテナ入力レベルが算出される（ステップＳ１０）。

そして、増幅素子制御信号生成部５６において、このアンテナ入力レベルとそれに対応する電子ボリュームＶＲ１、ＶＲ２の抵抗値が算出される（ステップＳ１１）。その抵抗値制御のデータはＤ／Ａコンバータ６によりアナログ信号へ変換され（ステップＳ１２）、この信号はＬＮＡ３へ供給されることにより、図４に示した電子ボリュームＶＲ１，ＶＲ２の抵抗値が可変されて、増幅素子であるトランジスタＴＲ１のコレクタ電流（消費電流）が上昇される（ステップＳ１３）。これにより、このトランジスタＴＲ１の特性劣化及び破損が防止されるのである。

ここで、電子ボリュームＶＲ１，ＶＲ２の制御方法について説明する。図４において、トランジスタＴＲ１のバイアス回路を構成している電子ボリュームＶＲ１，ＶＲ２の抵抗値ｒ1 ，ｒ2 （Ω）と、トランジスタＴＲ１のコレクタ電流（消費電流）Ｉとの間には、一般的に次式の関係が成立する。
Ｉ＝α（１／ｒ1 ）＝β（１／ｒ2 ）

αとβとはある係数をもっており、トランジスタのＶce（コレクタ−エミッタ間電圧），Ｖcc（コレクタ電圧），Ｖbe（ベース−エミッタ間電圧）が一定であれば、αとβも一定である。ここで、コレクタ電流Ｉ（消費電流）を１０倍すると抵抗値ｒ1 とｒ2 とは、共に１０分の１になることが分かる。

よって、電子ボリュームＶＲ１，ＶＲ２の抵抗値を同じ比率だけ線形的に小さくすると、それに比例して線形的にコレクタ電流（消費電流）が上昇することが分かる。アンテナ入力レベルが正常運用時の受信レベル、増幅素子が特性劣化及び破損をしない受信レベル、または無入力状態であるならば、電子ボリュームＶＲ１，ＶＲ２の抵抗値は最大にして、コレクタ電流（消費電流）を最小にしておく。そして、アンテナ入力レベルが正常運用時より高く、さらに増幅素子の特性劣化及び破損する可能性のある受信レベルが入力されたら、電子ボリュームＶＲ１，ＶＲ２の抵抗値を小さくして、コレクタ電流（消費電流）を上昇させようにする。

次に、トランジスタのコレクタ電流（消費電流）を上昇させた場合の特性について、図６を用いて説明する。図６において、横軸をトランジスタの入力電力、縦軸をトランジスタのＶbeとする。トランジスタの消費電力はコレクタ電圧とコレクタ電流との積である。トランジスタのコレクタ電流（消費電流）が小さい場合は（図６の特性曲線ａ）、消費電力も小さく、Ａ点のように、入力電力を高くするとＶbeの低下につながる。

Ｖbeが０Ｖ以下になると、トランジスタのバイアス電圧が逆バイアスとなり、ブレークダウン現象によって特性劣化またはトランジスタ破損となる。そこで、コレクタ電流（消費電流）を上昇させると（図６の特性曲線ｂはコレクタ電流中、特性曲線ｃはコレクタ電流大）、Ａ点はＢ点へ移行するために、Ｖbeが低下しない領域になり、よってトランジスタの特性劣化、または破損が防止可能となる。

なお、図７はトランジスタの入力電力に対するトランジスタのゲインとの関係を示す図であり、曲線ｄは図６の曲線ａ（コレクタ電流小）に、曲線ｅは図６の曲線ｂ（コレクタ電流中）に、曲線ｆは図６の曲線ｃ（コレクタ電流大）に、それぞれ対応するものである。

このように、周知のＡＧＣ機能を利用してアンテナ入力レベルを算出し、高電界が入力された場合には、電子ボリュームを用いてトランジスタのコレクタ電流（消費電流）を上昇させることにより、Ｖbeの低下を抑えてトランジスタの特性劣化または破損を防止することができる。

本発明の他の実施の形態として、その基本的構成は上記の実施の形態と同様であるが、増幅素子であるトランジスタの電源電圧を一定の状態としておき、コレクタ電流（消費電流）を上昇させても、その増幅素子は流せる消費電力の限界値を有しており、飽和出力レベルはそれ以上高くすることが出来ない。その理由は、発熱によりジャンクション温度が定格値を超えることによる。

そこで、飽和出力レベルの上昇方法についてさらに工夫している。その構成を図８及び図９に示す。図８及び図９において、図１及び図３と同等部分は同一符号により示している。図８及び図９を参照すると、ＬＮＡ３への電源電圧を電源制御部７から供給する構成としている。そして、信号処理部５のアンテナ入力レベル算出部５５で算出したアンテナ入力レベルに基づいて、電源電圧算出部５７においてＬＮＡ３へ供給すべき適切な電源電圧を算出し、電源制御部７を介してＬＮＡ３の電源電圧を上昇させるようにしている。

増幅素子の電源電圧とコレクタ電流（消費電流）とを共に上昇させることにより、消費電力が上昇し、飽和出力レベルを高くすることが可能である。図１０において、Ｅ点は図６のＡ点を意味しており、トランジスタのゲインが上昇しない領域になっている。このＥ点の状態では、トランジスタの特性劣化またはトランジスタ破損となる。そこで、消費電力を上昇させることにより、Ｆ点、Ｇ点へとなり、飽和出力レベルが高くなることがわかる。なお、図１０における曲線ｇ〜ｉは、コレクタ電流及び電源電圧をそれぞれ小、中、大とした場合を示しているものとする。

本発明の更に他の実施の形態のブロック図を図１１及び図１２に示す。図１１及び図１２において、図１，３，８，９と同等部分は同一符号により示している。

増幅素子に印加される電源電圧と増幅素子に流れるコレクタ電流（消費電流）を上昇させると、利得が増加し、高い入力レベルに対してさらに高いレベルを出力してしまう。すると、受信処理部４のフィルタ４１、ミキサ４６に高いレベルの信号が入力されて破損してしまう（図１０のＦ点、Ｇ点）。そこで、ＬＮＡ３内部にアンプ部３１の他に減衰部３２を設けている。

そして、信号処理部５の減衰量算出部５８において、アンテナ入力レベル算出部５５の算出レベルに応じて、受信処理部４への入力レベルが一定以上にならないように、減衰部３２の適切な減衰量を算出し、Ｄ／Ａコンバータ６によりアナログ信号へ変換して減衰部３２の減衰量を制御するようにしている。

図１３を参照して詳細に説明する。図１３（Ａ）は図１０と同一であり、図１３（Ａ）に示す様に、トランジスタの入力電力（横軸）に対してトランジスタの利得（縦軸）はリニアに増大する。そこで、受信処理部４への入力可能な最大レベルを閾値とし、ＬＮＡ３がその閾値を超えたときに、図１３（Ｂ）に示す様に、トランジスタの入力電力（横軸）に対して減衰部３２の減衰量（縦軸）を増加させる。すると、図１３（Ｃ）のように、ＬＮＡ３の出力レベルは一定となる。

以上の各実施の形態において、信号処理部５のＩＦ信号レベル算出部５３、ＡＧＣ信号生成部５４、アンテナ入力レベル算出部５５、増幅素子制御信号生成部５６、電源電圧算出部５７、減衰量算出部５８などは、ハードウェアによる構成の他、ソフトウェアであるプログラム及びそれを実行するコンピュータ（ＣＰＵ）により構成できることは勿論である。また各実施の形態においては、移動通信システムにおける無線基地局装置の受信部に用いて好適であるが、これに限らず、他の無線通信装置の受信部に用いることができることは明らかである。

本発明の一実施の形態の概略ブロック図である。 図１の受信処理部の例を示す図である。 図１の信号処理部の例を示す図である。 図３のＬＮＡの例を示す回路図である。 本発明の一実施の形態の動作を示すフローチャートである。 増幅素子であるバイポーラトランジスタの入力電力対Ｖbeの関係を示す図である。 バイポーラトランジスタの入力電力対ゲインの関係を示す図である。 本発明の他の実施の形態の概略ブロック図である。 図８の信号処理部の例を示す図である。 バイポーラトランジスタの入力電力対ゲインの関係を、コレクタ電流の他電源電圧を大中小に変化させた場合のものである。 本発明の更に他の実施の形態の概略ブロック図である。 図１の信号処理部の例を示す図である。 図１１の実施の形態の動作を説明するための図である。 従来例を示すブロック図である。

符号の説明

１ アンテナ
２，４１，４４，５２ フィルタ
３ ＬＮＡ（低雑音増幅器）
４ 受信処理部
５ 信号処理部
６ Ｄ／Ａコンバータ
７ 電源電圧制御部
３１ アンプ部
３２ 減衰部
４２，４６ ミキサ
４３，４７ 局部発振器
５１ ＤＥＭ（復調部）
５３ ＩＦ信号レベル算出部
５４ ＡＧＣ制御信号生成部
５５ アンテナ入力レベル算出部
５６ 増幅素子制御信号生成部
５７ 電源電圧算出部
５８ 減衰量算出部

Claims (10)

1. 受信信号レベルを検出して受信信号に対する利得制御をなすようにしたＡＧＣ制御手段を有する無線受信装置における高電力入力保護回路であって、
   前記ＡＧＣ制御手段において検出された前記受信信号レベルに基づいて、増幅回路の増幅素子の消費電流を制御する制御手段を含むことを特徴とする高電力入力保護回路。
2. 前記制御手段は、前記増幅素子のバイアス抵抗を電子ボリュームにより可変制御して前記消費電流を制御する手段を有することを特徴とする請求項１記載の高電力入力保護回路。
3. 前記制御手段は、前記受信信号レベルに基づいて、前記増幅素子の電源電圧の制御をなす手段を、更に有することを特徴とする請求項１または２記載の高電力入力保護回路。
4. 前記制御手段は、前記受信信号レベルに基づいて、前記受信信号に対する減衰量を可変制御する手段を、更に有することを特徴とする請求項３記載の高電力入力保護回路。
5. 受信信号レベルを検出して受信信号に対する利得制御をなすようにしたＡＧＣ制御手段を有する無線受信装置における高電力入力保護方法であって、
   前記ＡＧＣ制御手段において検出された前記受信信号レベルに基づいて、増幅回路の増幅素子の消費電流を制御する制御ステップを含むことを特徴とする高電力入力保護方法。
6. 前記制御ステップは、前記増幅素子のバイアス抵抗を電子ボリュームにより可変制御して前記消費電流を制御するステップを有することを特徴とする請求項５記載の高電力入力保護方法。
7. 前記制御ステップは、前記受信信号レベルに基づいて、前記増幅素子の電源電圧の制御をなすステップを、更に有することを特徴とする請求項５または６記載の高電力入力保護方法。
8. 前記制御ステップは、前記受信信号レベルに基づいて、前記受信信号に対する減衰量を可変制御するステップを、更に有することを特徴とする請求項７記載の高電力入力保護方法。
9. 請求項１〜４いずれか記載の高電力入力保護回路０副婿とを特徴とする受信装置。
10. 受信信号レベルを検出して受信信号に対する利得制御をなすようにしたＡＧＣ制御手段を有する無線受信装置における高電力入力保護方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
    前記ＡＧＣ制御手段において検出された前記受信信号レベルに基づいて、増幅回路の増幅素子の消費電流を制御する処理を含むことを特徴とするプログラム。

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