JP2007243421A

JP2007243421A - 高周波信号モニタ回路及び装置

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Publication number: JP2007243421A
Application number: JP2006061102A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Okawa; 滋大川; Fumihiro Tomizawa; 文弘冨澤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: JP4601566B2

Abstract

【目的】別段の広いスペースを要しない簡単な構成及び調整で高周波信号を効率よくモニタ可能なことを課題とする。
【構成】導波管２１と、該導波管のＥ面とＨ面とに垂直に設けた誘電体基板１１上に形成したアンテナ電極１４と、該アンテナ電極よりＨ面と垂直方向に延びる誘電体基板上に設けた第１のストリップ線路１２とを備え、該第１のストリップ線路の高周波信号をアンテナ電極を介して導波管内の電磁波に変換するストリップ線アンテナ回路の高周波信号モニタ回路であって、アンテナ電極より第１のストリップ線路の反対側に延びる誘電体基板上に設けた第２のストリップ線路１５と、該第２のストリップ線路の先端部に設けられ、アンテナ電極に対して所定のエアギャップを介して結合するモニタ用電極１６とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は高周波信号モニタ回路及び装置に関し、更に詳しくは、導波管と、該導波管のＥ面とＨ面とに垂直に設けた誘電体基板上に形成したアンテナ電極と、該アンテナ電極より前記Ｈ面と垂直方向に延びる誘電体基板上に設けた第１のストリップ線路とを備え、該第１のストリップ線路の高周波信号（マイクロ波帯，ミリ波帯）を前記アンテナ電極を介して導波管内の電磁波に変換するストリップ線アンテナ回路の高周波信号モニタ回路及び該回路を備える基地局装置に関する。

移動通信システムにおける基地局や移動局では自局の送信電力をモニタすることが行われる。特にＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）による移動通信システムでは、複数の移動局が同一周波数を使用して通信をするため、基地局に近い移動局と遠い移動局との間に生ずる受信電力の相違の問題（所謂、遠近問題）を解決すべく、基地局と移動局間で送信電力の高精度な制御を行っており、よって送信電力のモニタはこの種の移動通信システムの運用に不可欠の技術である。

図４は従来技術を説明する図で、基地局のストリップ線アンテナ−導波管変換回路部に付加された送信電力モニタ回路の一例を示している。図において、２０は筐体、２１は導波管、２２は導波管開口部、１０’は誘電体基板１１上にストリップ線アンテナ−導波管変換回路部を搭載したアンテナ基板、１２は送信ＲＦ信号を伝送する主線路（マイクロストリップ線路）、１３は基板背面の接地導体、１４は主線路１２のＲＦ信号を導波管２１内の電磁波に変換するアンテナ電極である。

挿入図（ａ）にアンテナ基板１０’の部分の側断面図を示す。接地導体１３は導波管開口部２２との接触部分が矩形状に切り欠かれている。また、図示しないが、誘電体基板１１は他の回路部分にも存在する。また、本明細書ではマイクロストリップ線路のことを単にストリップ線路とも呼ぶ。

この導波管２１には、例えばＴＥ１０モードの電磁波が伝搬し、その短辺方向（Ｅ面）と平行な向きに電界Ｅが分布し、かつこの電界と垂直な面（Ｈ面）に沿って磁界Ｈが分布する。図示しないが、この導波管２１の上端部は短絡面（筐体の蓋）、かつ下部端部はアンテナ端子＃２となっており、導波管開口部２２の略中央部にアンテナ電極１４を配置することで、該電極１４は導波管２１を伝搬する電磁波に磁界結合する。

従来は、このようなストリップ線アンテナ回路に対して、主線路１２の途中に方向性結合器（directional coupler）からなるモニタ回路４０を配置することで、送信電力をモニタしていた。方向性結合器は、主線路１２に、ストリップ線路からなる副線路３１を使用周波数のλ／４にわたってて接近させたものであり、この部分の結合モードによって、端子（１）から主線路１２に投入された電力Ｐｉに対して、副線路３１の端子（３）へはその数分の１の電力Ｐｆが現れるが、端子（４）へは更にその１／１０以下の電力Ｐｒしか現われない。そこで、端子（４）の電力Ｐｒを終端器３２（５０Ω）で終端すると共に、端子（３）の電力Ｐｆをモニタすることで、アンテナ電極１４の方向に進む電力に比例したモニタ電力を検出する。

なお、従来は、導波管の電磁波と結合する線路変換用電極（ストリップ線アンテナ）と、この線路変換用電極から２方向へマイクロストリップ線路を引き出した誘電体板を、導波管に対して垂直方向に配置することによって、導波管とマイクロストリップ線路との線路変換と同時にマイクロストリップ線路の分岐を行う線路変換分岐回路およびアンテナ共用装置の技術が知られている（特許文献１）。
特開平１１−３０８０２２（要約，図）

しかし、上記主線路のλ／４長に渡って平行に副線路を結合させる方式では、主線路に沿って広いスペースが必要となるばかりか、別途に終端器等の余分な部品も必要となる。また、主線路と副線路間の結合度を変える場合は、周波数が高くなれば高くなるほど波長λが短くなるため、微妙な調整が必要となり、モニタ量の調整が困難であった。

また、上記特許文献１は送／受信アンテナの共用回路に関する技術であり、送信電力をモニタする技術に関しては何らの記述も無い。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的とする所は、別段の広いスペースを要しない簡単な構成及び調整で高周波信号を効率よくモニタ可能な高周波信号モニタ回路及び装置を提供することにある。

上記の課題は例えば図２の構成により解決される。即ち、本発明（１）の高周波信号モニタ回路は、導波管２１と、該導波管のＥ面とＨ面とに垂直に設けた誘電体基板１１上に形成したアンテナ電極１４と、該アンテナ電極より前記Ｈ面と垂直方向に延びる誘電体基板上に設けた第１のストリップ線路１２とを備え、該第１のストリップ線路の高周波信号を前記アンテナ電極を介して導波管内の電磁波に変換するストリップ線アンテナ回路の高周波信号モニタ回路であって、前記アンテナ電極より第１のストリップ線路の反対側に延びる誘電体基板上に設けた第２のストリップ線路１５と、該第２のストリップ線路の先端部に設けられ、前記アンテナ電極に対して所定のエアギャップを介して結合するモニタ用電極１６とを備えたものである。

本発明（１）では、主線路１２に注入された高周波信号を導波管の電磁界空間（空きスペース）を有効利用して効率よくモニタ用電極に電磁結合させる構成により、高周波信号モニタ回路を小型に構成できる。

本発明（２）では、上記本発明（１）において、モニタ用電極１６は第２のストリップ線路１５の延長上に所定間隔で並ぶ複数のランドであって、該ランド間を金属箔で接続することによってアンテナ電極との間の距離を可変なもの、を備える。従って、アンテナ電極との間の結合度を比較的容易に変更できる。なお、不要となったランドは削除しても良い。

本発明（３）の基地局装置は、基地局と複数の移動局とがＣＤＭＡ方式により通信を行う移動通信システムの基地局装置であって、本発明（１）又は（２）記載の導波管をアンテナポート、第１のストリップ線路を送信信号の入力ポート、そして、第２のストリップ線路を送信信号のモニタポートとしたアンテナ共用部を備えるものである。従って、ストリップ線アンテナ部の空きスペースを有効利用した簡単な構成により送信電力のモニタを効率よく行える。

以上述べた如く本発明によれば、高周波信号のモニタ回路を小スペースかつ低コストで提供可能となり、高周波無線通信の普及・拡大に寄与するところが大きい。

以下、添付図面に従って本発明に好適なる実施の形態を詳細に説明する。なお、全図を通して同一符号は同一又は相当部分を示すものとする。

図１は実施の形態による移動通信システムのブロック図で、本発明のモニタ回路を備えるストリップ線アンテナ−導波管変換部を搭載した基地局装置への適用例を示している。図において、５０はＣＤＭＡ移動通信システムにおける基地局（ＢＴＳ）、５１_１〜５１_ｎはチャネル毎の送／受信信号処理を行うチャネル対応部、５６は例えばチャネル１の下り送信データＴＤ１を複数系統（例えば２系統）の送信ブランチＢＲ０，ＢＲ１に分配すると共に、各ブランチの下り送信信号の振幅・位相を移動局からの下り送信電力制御情報ＴＰＣに従って制御する振幅・位相制御部、５２は下り送信信号の拡散部、６１ａ，６１ｂは拡散後の各チャネル信号を送信ブランチＢＲ０，ＢＲ１毎に加算(多重）する加算部、６２ａ，６２ｂは周波数変換部，増幅部等と共に本発明によるモニタ回路を含むストリップ線アンテナ−導波管変換回路を備える送信部、６３ａ，６３ｂは各ブランチの送信アンテナである。

また、６４は受信アンテナ、６５はＲＦ増幅器，周波数変換部等を含む受信部、５３は上り受信信号の逆拡散部、５４はチャネル毎の複数パスの受信信号を同相合成するＲＡＫＥ合成部、５５は上り受信データより移動局からの下り送信電力制御情報ＴＰＣを抽出するＴＰＣビット抽出部、６７は送信部６２ａ，６２ｂで検出された各主信号処理系統についての送信電力異常を含む各種異常検出信号ＡＬ０，ＡＬ１に従って基地局５０の下り送信電力制御に対するアラーム制御を行う制御部である。送信部６２ａでは、ブランチＢＲ０についての各チャネルの送信電力の総和とモニタ回路で検出した送信電力とを比較すると共に、これらの間に所定以上の差がある場合はアラーム信号ＡＬ０を付勢する。送信部６２ｂでは、同様にしてアラーム信号ＡＬ１を付勢する。

更に、７０は移動局（ＭＳａ，ＭＳｂ）、７１はアンテナ、７２はＲＦ増幅器，周波数変換部等を含む受信部、７３は下り受信信号の逆拡散部、７４は自局宛の複数パスの受信信号を同相合成するＲＡＫＥ合成部、７５は下り受信信号の信号対干渉比（ＳＩＲ：Signal to Interference Ratio）を測定するＳＩＲ測定部、７６は前記測定された受信ＳＩＲと目標ＳＩＲとを比較して差分ＳＩＲを生成する比較部、７７は前記差分ＳＩＲに従って受信ＳＩＲを目標ＳＩＲに近づけるための下り送信電力制御情報ＴＰＣを生成するＴＰＣ生成部、７８は下り受信データのビット誤り率等を測定する品質測定部、７９は前記測定された受信品質と目標品質とを比較して目標品質を得るための目標ＳＩＲを生成する比較部、８０は上り送信データに前記生成された下り送信電力制御情報ＴＰＣを多重する多重部、８１は上り送信データの拡散部、８２は周波数変換部，増幅器等を含む送信部である。

次に基地局５０と移動局ＭＳａとの間における下り送信電力制御の動作を概説する。基地局５０から送信した既知のパイロット信号に基き、移動局ＭＳａでは受信ＳＩＲを測定すると共に、これを目標ＳＩＲと比較する。受信ＳＩＲが目標ＳＩＲ以下の場合には「ＵＰ」命令を、また目標ＳＩＲを超える場合は「ＤＯＷＮ」命令を下り送信電力制御情報ＴＰＣとして生成し、これを上り回線に送信（フィードバック）する。

基地局５０では、受信した制御情報ＴＰＣに従って移動局ＭＳａ宛のチャネルデータＴＤ１の送信電力を「ＵＰ」又は「ＤＯＷＮ」させる。この場合に、下り送信電力制御情報ＴＰＣは上りフレームを構成するスロット毎に受信されるため、このような操作が１秒間に１５００回程度行われる。一方、受信品質については数１００ｍｓ〜数秒の長い区間にわたって測定し、緩やかな周期で目標ＳＩＲを更新する。基地局５０と移動局ＭＳｂとの間の下り送信電力制御についても同様であり、こうしてチャネル毎の下り送信電力制御が略同時に並行して行われる。

図２，図３は実施の形態による高周波信号モニタ回路を説明する図（１），（２）で、図２は基地局のストリップ線アンテナ−導波管変換回路部に付加されたモニタ回路の一例を示している。図において、２０はアルミや真鍮等からなる筐体、２１は筐体の一部に設けられた断面矩形の導波管、２２は導波管開口部、１０は誘電体基板１１上にストリップ線アンテナ−導波管変換回路部を搭載したアンテナ基板、１２はマイクロ波やミリ波の送信ＲＦ信号を伝送する主線路（マイクロストリップ線路）、１３は基板背面の接地導体、１４は主線路１２のＲＦ信号を導波管２１内の電磁波に変換するアンテナ電極（線路変換電極）、２５は筐体への固定用ネジである。

挿入図（ａ）にアンテナ基板１０の部分の側断面図を示す。接地導体１３は導波管開口部２２との接触部分が矩形状に切り欠かれている。なお、誘電体基板１１は、図示しないが、他の回路部分にも共通に存在する。又は、各回路毎に独自の誘電体基板１１を備え、各回路ブロックを繋ぎ合わせることで回路全体を組み立てるように構成しても良い。この場合は、ストリップ線路間を金属泊等により接続する。

この導波管２１には、例えばＴＥ１０モードの電磁波が伝搬し、その短辺方向（Ｅ面）と平行な向きに電界Ｅが分布し、かつこの電界と垂直な面（Ｈ面）に沿って磁界Ｈが分布する。図示しないが、この導波管２１の上端部は短絡面（筐体による蓋部）、かつ下部端部はアンテナ端子＃２となっており、上端側導波管開口部２２の略中央部にアンテナ電極１４を配置することで、該電極１４は導波管２１を伝搬する電磁波に磁界結合する。アンテナ電極１４は導波管２２に整合するサイズ及び形状を有する。

本実施の形態では、このようなストリップ線アンテナ回路に対して、アンテナ電極１４より主線路１２の反対側に延びる誘電体基板１１上にモニタ信号用のストリップ線路（モニタ線路）１５を設けると共に、該モニタ線路の先端部には、アンテナ電極１４に対して所望のエアギャップを介して結合結可能なモニタ用電極１６を設けている。

好ましくは、このモニタ用電極１６はモニタ線路１５の延長上に所定間隔で並ぶ複数のランドパターンであって、モニタ線路１５とランドパターン間を金属箔で接続することによってアンテナ電極１４との間の距離（結合）を可変なもの、によって構成される。

挿入図（ｂ）にモニタ用電極１６の部分の拡大図を示す。モニタ線路１５の線幅は所要周波数における特性インピーダンスが例えば５０Ωとなるように選ばれている。アンテナ電極１４とモニタ線路１５との間に複数のランドパターンを設けることで、アンテナ電極１４とモニタ線路１５との間の距離（結合度）を容易に可変となるように構成している。結合度の調整は、モニタ線路１５の先端部と任意数のランド間を金箔や銅箔等の金属泊１７によって接続することにより容易に可能である。これにより、モニタ端子＃３には結合度に応じたモニタ電力を取り出せる。外部で端子＃３のモニタ信号を検出することで、アンテナ電極１４の送信電力に比例したモニタ電力を取り出せる。

なお、金属箔により接続されずに残った孤立ランドはそのまま残しても良いし、削除しても良い。ランドの幅ｗは使用周波数の波長λよりも十分に短いので、中間に孤立したランドが残っていても結合度に与える影響は少ない。一方、ギャップ幅ｇについてはモニタ線路１５とアンテナ電極１４との間の距離を可変したい精度に応じて決定されている。

また、この実施の形態ではアンテナ電極１４との結合度を容易に可変な一例を述べたが、これに限らない。アンテナ電極１４とモニタ線路導体１５とが予め所要のエアギャップを介して結合するように構成しても良い。また、結合度は、モニタ電極の位置、形状、大きさによって様々に変化する。

図３（Ａ）は、上記図２に示した一例の高周波モニタ回路の特性を評価すべく、電磁界シミュレータに入力した回路構成の斜視図を示している。該図は、各ストリップ線路に係る部分の構成が透けて見える様に表している。導波管２１内部にアンテナ電極１４と共にモニタ用電極１６も形成されており、電磁界での結合を行なっている。

図３（Ｂ）に高周波モニタ回路のシミュレーション結果を示す。ストリップ線アンテナ回路は導波管２１にマッチングしており、よって主信号の入力端子＃１からアンテナ電極１４を見た回路の反射係数Ｓ_１１は使用周波数３２ＧＨｚで−３０ｄＢ以下となっている。一方、入力端子＃１からモニタ端子＃３への変換利得Ｓ_３１は略−１４ｄＢであり、主信号の送信電力Ｐｉに比例したモニタ電力Ｐｍを十分に検出できる。この変換利得Ｓ_３１はアンテナ電極１４とモニタ用電極１６との間のエアギャップを変えることで容易に調整できる。

なお、モニタ線路１５の側に送信周波数のみを通過させるフィルタパターンを設けても良い。

また、上記実施の形態ではアンテナ電極１４への送信レバルをモニタする場合を述べたが、これに限らない。例えば、モニタ線路１５に設けたフィルタ回路（不図示）の通過周波数を送信周波数とは異なるものにすることが可能であり、この場合は、この導波管２１に入力されるような特定の受信波（不要波等）の受信電界強度ＲＳＳＩをモニタする回路としても本発明のモニタ構造を適用できる。

また、上記本発明に好適なる実施の形態を述べたが、本発明思想を逸脱しない範囲内で各部の構成、制御、処理及びこれらの組合せの様々な変更が行えることは言うまでも無い。

実施の形態による移動通信システムのブロック図である。実施の形態による高周波信号モニタ回路を説明する図（１）である。実施の形態による高周波信号モニタ回路を説明する図（２）である。従来技術を説明する図である。

符号の説明

１１誘電体基板
１２ストリップ線路（主線路）
１４アンテナ電極（線路変換電極）
１５ストリップ線路（モニタ線路）
１６モニタ用電極（ランドパターン）
１７金属箔
２０筐体
２１導波管
２２導波管開口部
２５ネジ

Claims

導波管と、該導波管のＥ面とＨ面とに垂直に設けた誘電体基板上に形成したアンテナ電極と、該アンテナ電極より前記Ｈ面と垂直方向に延びる誘電体基板上に設けた第１のストリップ線路とを備え、該第１のストリップ線路の高周波信号を前記アンテナ電極を介して導波管内の電磁波に変換するストリップ線アンテナ回路の高周波信号モニタ回路であって、
前記アンテナ電極より第１のストリップ線路の反対側に延びる誘電体基板上に設けた第２のストリップ線路と、
該第２のストリップ線路の先端部に設けられ、前記アンテナ電極に対して所定のエアギャップを介して結合するモニタ用電極とを備えたことを特徴とする高周波信号モニタ回路。
モニタ用電極は第２のストリップ線路の延長上に所定間隔で並ぶ複数のランドであって、該ランド間を金属箔で接続することによってアンテナ電極との間の距離を可変なもの、を備えることを特徴とする請求項１記載の高周波信号モニタ回路。
基地局と複数の移動局とがＣＤＭＡ方式により通信を行う移動通信システムの基地局装置であって、
請求項１又は２記載の導波管をアンテナポート、第１のストリップ線路を送信信号の入力ポート、そして、第２のストリップ線路を送信信号のモニタポートとしたアンテナ共用部を備えることを特徴とする基地局装置。