JP2007163304A - 能動回路の内部インピーダンス測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】増幅器などの能動回路の内部インピーダンスを、より早く、正確に算出できる能動回路の内部インピーダンス測定方法を提供する。
【解決手段】信号発生器と、増幅して増幅出力とする被測定能動回路と、高周波信号の位相量を０から概πまでの任意の値を変化させて出力とする位相可変手段と、終端の電圧値または電力値を測定する測定手段と、を有する測定系において、高周波信号の位相量に対する電圧値または位相量に対する電力値を測定し、得られたデータから最小電圧値と最大電圧値とを選択し、または最小電力値と最大電力値とを選択する第１の段階と、第１の段階で得られた位相量、最小電圧値と最大電圧値または最小電力値と最大電力値を用いて計算処理することにより、被測定能動回路の出力回路の内部インピーダンスに相当する値が算出される第２の段階と、を手順とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気的変量の測定に関し、特に高周波電力増幅器等の能動回路の内部インピーダンスを算出するための測定方法に関する。

従来の高周波用電力増幅器等の被測定能動回路の内部インピーダンス（Ｚ）を測定する測定系のブロック図を図６に示す。
図６において、１は高周波信号発生器、２は測定される高周波用電力増幅器等の被測定能動回路、９はインピーダンスを整合させる整合回路、７は進行波電力と反射波電力とを表示する通過型電力計および８は特性インピーダンス（Ｚ_０；例５０Ω）終端器をそれぞれ示し、順に接続された測定系である。
図７は従来の測定系に用いた整合器９の回路例を示したもので、９１、９２は並列に接続されたキャパシタ、９３は直列に接続されたインダクタで構成したπ型整合回路である。
能動回路のインピーダンスによっては、逆Ｌ型整合回路等でもよい。
図８フローチャート図に示すように、従来の高周波用電力増幅器等の被測定能動回路２の内部インピーダンス（Ｚ）の測定方法は、次の手順で行う。
整合回路９のキャパシタ９１，９２とインダクタ９３とを任意の値に仮設定する第１の段階（Ｓ１１）と、通過型電力計７により進行波電力および反射波電力を測定する第２の段階（Ｓ１２）と、反射波電力がほぼ０となるように、整合回路９のキャパシタ９１、９２およびインダクタ９３の値を選定し調整する第３の段階（Ｓ１３）と、調整結果として得られたキャパシタンス値やインダクタンス値を用いて、インピーダンス（Ｚ）を逆算する第４の段階（Ｓ１４）と、により高周波用電力増幅器等の被測定能動回路の内部インピーダンス（Ｚ）を求めていた。

低いインピーダンスを測定可能とするために、被測定物のインピーダンス検出を、これと比例する電圧を測定する原理の測定回路構成とすることにより、低いインピーダンスの測定が可能なものがある。（例えば、特許文献１参照。）

特開平７−１０４０１６号公報

従来のインピーダンス方法では、反射波電力がほぼ０となるように整合回路９の中の回路定数（９１，９２，９３）を調整するのにカットアンドトライ的な調整になるため、調整が収斂するまでには長時間かかるという問題があった。
また、能動回路２の増幅出力電力が大きい場合には、調整用としてその出力電力に耐える定格値を有する整合回路９のインダクタンス部品やキャパシタンス部品を多種類準備しなければならず、設備コスト上昇の要因になるという問題があった。
更にまた、反射波電力０に調整後の回路定数からインピーダンスを逆算する際、整合回路９内の配線の線路長や部品のリード線等が含まれるため、そのストレージキャパシタンスやストレージインダクタンスの存在により、高周波になるほど内部インピーダンスの逆算には誤差を含んでしまうという問題があった。
このように高周波用電力増幅器等の被測定能動回路において電力増幅動作中の内部インピーダンスを正確に把握できないため、無線通信装置における増幅器等の能動回路の出力側に接続されることのある歪補償回路などのインピーダンス整合回路設計が最適に行うことができないという問題があった。

本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、無線通信装置の内部に有する信号発生回路や増幅器などの能動回路において、任意の大きさで信号を増幅動作中の内部インピーダンスを、より早く、正確に算出できる能動回路の内部インピーダンス測定方法を提供することを目的とする。
更に、増幅器の内部インピーダンスを把握することにより、最適なインピーダンス整合回路設計をできるようにすると共に、インピーダンス整合回路の調整時間を短縮し、開発コスト、製造コストおよび設備コストを低減する能動回路の内部インピーダンス測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係わる能動回路の内部インピーダンス測定方法は、所定の周波数の高周波信号を発生する信号発生器と、
該高周波信号を入力とし、該高周波信号を所定のレベルにまで増幅して増幅出力とする被測定能動回路と、
前記増幅された高周波信号を入力とし、該増幅された高周波信号の位相量を０から概πまでの任意の値を変化させて出力とする位相可変手段と、
前記増幅され、および前記位相が変化された高周波信号を入力とし、所定の特性インピーダンスでの終端を有し、該終端の電圧値または電力値を測定する測定手段と、を有する測定系において、
前記増幅され、および前記位相が変化された高周波信号の前記位相量に対する前記電圧値または前記位相量に対する前記電力値を測定し、得られた前記位相量対電圧値、または前記位相量対電力値のデータから最小電圧値と最大電圧値とを選択し、または最小電力値と最大電力値とを選択する第１の段階と、
該第１の段階で得られた位相量、前記最小電圧値と最大電圧値または前記最小電力値と最大電力値を用いて計算処理することにより、前記被測定能動回路の出力回路の内部インピーダンスに相当する値が算出される第２の段階と、を手順とする。

更に、前記位相可変手段は所定の長さに切断された複数本の同軸ケーブルを組み合わせて接続したものとし、前記終端の電圧値または電力値を測定する測定手段は減衰器と高周波信号電圧測定器とした組み合わせの測定系において、請求項１に記載の手順とする。

更に、前記位相可変手段はプリント基板上に製作した所定の長さのストリップ線路を組み合わせて接続したものとし、前記終端の電圧値または電力値を測定する測定手段は通過型電力計と終端器とした組み合わせの測定系において、請求項１に記載の手順とする。

（１）位相可変手段を用いて最大電圧値、最小電圧値をもとめればよいのでカットアンドトライ的な調整作業が削減され時間短縮を図ることができる。製造コストおよび開発コストが抑えられる。
（２）位相可変手段として同軸ケーブルまたはストリップ線路を用意すればよいので設備コストを抑えることができる。
（３）位相可変手段として特性インピーダンスを有する同軸ケーブルまたはストリップ線路を用意すればよいのでストレージキャパシタンスやストレージインダクタンスの存在を無視できる程度に抑えられるのでインピーダンスの計算誤差が小さく抑えられる。インピーダンス精度のよい回路が得られ信頼性の高い無線通信機となる。
（４）本発明の方法によれば、高周波信号を任意の電力で増幅中の増幅器等の内部インピーダンスを高価な特殊なインダクタンス素子やキャパシタンス素子や測定器を用いることがなく一般的な測定器によって得られる測定データから算出することが可能となった。
（５）高周波用電力増幅器等の能動回路の内部インピーダンスを把握できるようになったため、歪補償回路などのインピーダンス整合回路を最適に設計することが可能になる。
（６）どのような周波数帯の能動回路の内部インピーダンスも、この測定方法から算出することが可能になるのでインピーダンス整合設計を最適に行う設計手法の標準化となる。

以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る被測定能動回路の内部インピーダンスを測定するための機器の接続順を示した測定系のブロック図である。
図１において、１は所定の周波数とした試験周波数の高周波信号を発生させる高周波信号発生器である。
２は測定対象とする高周波用電力増幅器等の被測定能動回路である。
３は試験周波数において所定の特性インピーダンス（Ｚ_０；例５０Ω）を有し、高周波信号の位相を変化させて約半波長程度の区間内を任意の間隔になるように位相設定することができる位相可変手段である。
４は所定の特性インピーダンス（Ｚ_０）で終端されて、その終端時の電圧値または電力値を測定する手段である。
高周波信号発生器１、被測定能動回路２、位相可変手段３および終端時の電圧値または電力値の測定手段の接続順によって測定系が構成される。

図１において、高周波信号発生器１から出力される高周波信号を増幅器等の測定される能動回路２の入力に接続し、能動回路２からの所定のレベルに増幅された高周波出力信号は、位相可変手段３を経て、位相量を０からπまでの任意の位相量に変化させ、特性インピーダンスでの終端時の電圧値または電力値の測定手段４に接続する構成とすることにより、位相量対電圧値、あるいは位相量対電力値を測定する測定系としている。
図２（Ａ）に本発明の第１の実施形態に係る内部インピーダンスを測定する測定系で測定された位相量対電圧レベルの特性図を示す。
能動回路２の内部インピーダンス（Ｚ）が位相可変手段３の特性インピーダンス（Ｚ_０）と異なる場合は、位相量に対する電圧値の波形は図２（Ａ）で示されるように、４分の１波長毎に最大電圧値と最小電圧値が現れる波打つ形が測定されることになる。

図３は本発明の第１の実施形態に係る能動回路２の内部インピーダンスを測定する測定系での測定手順を表すフローチャート図を示す。
手順のステップ１では、位相可変手段によって高周波信号の位相を変化させて高周波信号の電圧値を計測して最大値および最小値を求める。
手順のステップ２では、計測された電圧値の最大値と最小値とから（最大値÷最小値）を計算すると、増幅中の能動回路における内部インピーダンス（Ｚ）のＶＳＷＲ（電圧定在波比）が求められる。
手順のステップ３では、電圧最小値となる位相の点から見たインピーダンスは実数（Ｒａ）となり、その値は（Ｚｏ×ＶＳＷＲ値）として計算される。位相可変手段３の測定結果からは電圧値最小となる点の位相量（Ｌａ）も決まる。
手順のステップ４では、この位相量（Ｌａ）と前述の実数（Ｒａ）となるインピーダンスの値から、位相量０に遡った時のインピーダンス即ち能動回路の内部インピーダンス（Ｚ）が計算される。

高周波信号の電圧値が最小点におけるインピーダンスを実数Ｒａ〔Ω〕、その時の位相量をＬａ〔ｍ〕、位相可変手段の特性インピーダンスをＺｏ〔Ω〕、求める内部インピーダンスをＺ＝Ｒ＋ｊＸとすると、次式で計算することができる。
次式中で、βは２π／λ、λは測定周波数の波長〔ｍ〕である。
なお、位相量対電力値を測定した場合は、ＶＳＷＲは（電力最大値／電力最小値）の平方根から算出することができる。その後の計算は電圧測定時と同様にして電力最小点の位相量の測定結果をもとに内部インピーダンス（Ｚ）を計算することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る被測定能動回路の内部インピーダンスを測定するための機器の接続順を示した測定系のブロック図である。
図４において、１は試験周波数の高周波信号を発生させる高周波信号発生器である。
２は測定対象とする高周波用電力増幅器等の被測定能動回路である。
３は試験周波数において所定の特性インピーダンス（Ｚ_０；例５０Ω）を有し、高周波信号の位相を変化させて約半波長程度の区間内を任意の間隔になるように位相設定することができる位相可変手段である。この位相可変手段の特性インピーダンス（Ｚ_０）は５０Ωで、長さを約２０分の１〜３０分の１波長程度毎に長さの異なる同軸ケーブルを多数準備し、組合せた長さを任意に選ぶことにより、位相量を２０分の１〜３０分の１波長毎に半波長程度まで変化できるようにしている。同軸ケーブルの位相量を２４分の１波長毎に変化させた場合の例を図２（Ｂ）に示す。
５は増幅された高周波信号を、用いる電圧測定器の所定の入力レベルに測定できるレベルまで減衰させる特性インピーダンス（Ｚ_０；５０Ω）の減衰器である。減衰器なしで直接に電圧や電力を入力できる場合は挿入する必要はない。
６は高周波信号の電圧値を測定できるスペクトラムアナライザ等の高周波信号電圧測定器である。
高周波信号発生器１、被測定能動回路２、位相可変手段３、減衰器５および高周波信号電圧測定器６の接続順によって測定系が構成される。

図４による測定系による位相量対電圧値を測定する時に必要とする電圧値は相対値で良いので、減衰器の減衰量は測定に都合の良い値を選べばよい。また、位相可変手段３で用いた同軸ケーブルに損失がある場合には測定点の位相量に応じて電圧値を補正すれば、内部インピーダンスがより正確に算出されることになる。
図４の測定系による測定手順は、本発明の第１実施形態に係る内部インピーダンスの測定を表すフローチャート図３に同じである。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る被測定能動回路の内部インピーダンスを測定するための機器の接続順を示した測定系のブロック図である。
図５において、１は試験周波数の高周波信号を発生させる高周波信号発生器である。
２は測定対象とする高周波用電力増幅器等の被測定能動回路である。
３は試験周波数において所定の特性インピーダンス（Ｚ_０；例５０Ω）を有し、高周波信号の位相を変化させて約半波長程度の区間内を任意の間隔になるように位相設定することができる位相可変手段である。
７は進行波電力と反射波電力とを表示する通過型電力計である。
８は特性インピーダンス（Ｚ_０；例５０Ω）終端器である。
高周波信号発生器１、被測定能動回路２、位相可変手段３、通過型電力計７および終端器８の順に接続された測定系である。
位相可変手段として同軸ケーブルのみを述べたが、周波数が高くＧＨｚ帯であれば所定の特性インピーダンスにしたプリント基板上に製作したストリップ線路でも所定の位相（長さ）のものを準備すれば、同様の方法で能動回路の内部インピーダンスを測定できることは言うまでもないことである。
大電力の増幅器の内部インピーダンス（Ｚ）を測定する場合には、大電力用の特性インピーダンス（Ｚ_０）５０Ωの終端器８を用いる。また、電力測定部と終端器とが一体になった電力測定器であってもよい。
図５の測定系による測定手順は、本発明の第１実施形態に係る内部インピーダンスの測定を表すフローチャート図３に同じである。

本発明の第１実施形態に係る内部インピーダンスを測定する測定系のブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る内部インピーダンスの測定系で測定する位相量対電圧レベルの特性図およびケーブル長を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る内部インピーダンスの測定系で測定するフローチャート図である。 本発明の第２実施形態に係る内部インピーダンスを測定する測定系のブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る内部インピーダンスを測定する測定系のブロック図である。 従来の内部インピーダンスを測定する測定系のブロック図である。 従来の測定系に用いる整合回路の回路図例である。 従来の内部インピーダンスの測定系で測定するフローチャート図である。

符号の説明

１ 高周波信号発生器
２ 被測定能動回路
３ 位相可変手段
４ 終端時の電圧又は電力の測定手段
５ 減衰器
６ 高周波信号電圧測定器
７ 通過型電力計
８ 終端器
９ 整合回路

Claims (1)

1. 所定の周波数の高周波信号を発生する信号発生器と、
   該高周波信号を入力とし、該高周波信号を所定のレベルにまで増幅して増幅出力とする被測定能動回路と、
   前記増幅された高周波信号を入力とし、該増幅された高周波信号の位相量を０から概πまでの任意の値を変化させて出力とする位相可変手段と、
   前記増幅され、および前記位相が変化された高周波信号を入力とし、所定の特性インピーダンスでの終端を有し、該終端の電圧値または電力値を測定する測定手段と、を有する測定系において、
   前記増幅され、および前記位相が変化された高周波信号の前記位相量に対する前記電圧値または前記位相量に対する前記電力値を測定し、得られた前記位相量対電圧値、または前記位相量対電力値のデータから最小電圧値と最大電圧値とを選択し、または最小電力値と最大電力値とを選択する第１の段階と、
   該第１の段階で得られた位相量、前記最小電圧値と最大電圧値または前記最小電力値と最大電力値を用いて計算処理することにより、前記被測定能動回路の出力回路の内部インピーダンスに相当する値が算出される第２の段階と、を手順とする能動回路の内部インピーダンス測定方法。

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