JP2008054260A - 受信高周波回路 - Google Patents

Abstract

【課題】受信機能を停止することなく迅速に応答して過大な入力からＬＮＡを保護し、その破壊を防止することが可能なＬＮＡ保護回路を備えたＬＮＡを含む受信高周波回路を提供する。
【解決手段】正・負二つの電源供給源を備え、負・正いずれか電源を遮断しても増幅機能を失わないＬＮＡと、正・負両電源供給時のＬＮＡ流入電流検出手段と、電流値により入力信号レベルが過大であることを判断する手段と、過大入力時に負・正いずれかを遮断する手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、受信高周波回路に関し、詳細には、過大入力に対する保護回路を備えた低雑音増幅回路（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）を含む受信高周波回路に関する。

一般公衆通信用携帯電話機や、業務用、アマチュア無線等の陸上移動無線通信機(Land Mobile Radio：ＬＭＲ)を始めとして、無線通信に使用される無線受信機の高周波回路（フロントエンド）には、アンテナを介して受信した微弱な信号を所要レベルまで増幅する高周波増幅回路が備えられるのが一般的である。特に、無線受信機の高周波増幅回路で発生するノイズの多少が、最終的な受信品質を大きく左右することから、増幅回路の熱雑音等の発生を極限まで低減するように設計された低雑音増幅回路（ＬＮＡ：Low Noise Amplifier）が使用され、近年、使用周波数帯域が高い周波数帯に移行し、更には、多値デジタル化が進むなか、高周波増幅回路の低雑音化は重要なアイテムとなっている。

これらＬＮＡは微弱な信号を増幅するように設計されていることから、必然的に大入力に対する耐性に乏しく、所定以上の大電力信号が入力すると、高価な増幅素子を破壊する虞がある。一般的に、ＬＮＡの前段には、所要帯域のバンドパスフィルタが配置され、ある程度離れた周波数の大電力信号は排除できるが、受信帯域内や帯域近傍の過大電力信号については排除が困難である。特に、無線受信装置の近傍に１００Ｗ等の大電力送信装置等のアンテナが存在する無線中継装置の受信部の場合や、大電力移動通信機が近傍に位置する場合等においては、相当高いレベルの受信信号がＬＮＡに入力することがある。
そこで、従来から、妨害波を検出するキャリア検出回路を備え、そのレベルに応じてＬＮＡのゲインを制御する、ＡＧＣ回路（Automatic Gain Control）を採用するのが一般的であった。
実開平４−１２７２９号公報 特開２００４−２６６３５６公報

しかしながら、従来の一般的なＡＧＣ回路において、高精度にゲインコントロールを行うには複雑な制御が必要であった。即ち、特許文献１に開示されているように、検波したベースバンド信号（音声信号）レベルが受信電界強度に比例して増大する振幅変調（ＡＭ変調：Amplitude Modulation）方式を採用する無線受信機では、検波出力信号（音声信号）のレベルを監視することによって着信電界強度を把握できるので、その信号をフィードバック制御し、比較的簡単な制御回路でＡＧＣ機能を実施可能であるが、ＦＭ変調方式やデジタル無線に多く使用されるＦＳＫ変調方式やＰＳＫ変調方式では、受信検波信号レベルと受信電界強度が一義的に対応しないので特許文献１に記載された従来の方法が採用できない。
ＦＭ変調方式やＰＳＫ変調方式では、例えば、特許文献２に示されているように、受信信号が飽和しない増幅処理段階で、着信電界強度を検出する必要があることから、複雑な回路と処理が必要であった。また、レベルを検出後、それに追従してゲイン制御を行うものでは、処理速度が遅い場合、急激に立ち上がる過大な受信信号の流入に対応できず、ＬＮＡの損壊を防止できない虞があった。

図３は従来の過大入力保護手段を備えたＬＮＡの一例を示す概要ブロック図であり、アンテナ３１から供給された信号から所要周波数帯域信号を取り出す第一のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３２、受信信号の一部を取り出す結合器３３、その微弱な出力信号を低雑音で所要レベルに増幅する低雑音増幅回路（ＬＮＡ）３４、その出力信号から所要周波数帯域信号を取り出す第二のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３５、その出力と図示を省略したローカル発振周波数信号と混合して中間周波数信号（ＩＦ）を発生する混合器（ＭＩＸ）３６、結合器３３から取り出した受信高周波信号を検波して直流信号に変換する検波器３７、その信号を増幅する直流増幅器３８、増幅した直流信号に基づいてＮＬＡへの入力信号レベルを監視し、過大電流入力のときＮＬＡの利得（増幅度）を制御するＣＰＵ３９、正電源回路４０を備えたものである。
しかしながら、この方法では、ＬＮＡ３４への入力信号検出精度とＬＮＡ３４自体のゲイン制御が複雑なものとなり、同時に、信号検出とゲイン制御とを時系列的に実施する必要から、迅速な処理が困難となる欠点があった。

また、比較的処理速度が速い方法として、図４に示すものが考えられる。図４において上記図３と同一構成要素には同一符号を付してその説明は省略するが、この例が上記図３の構成と異なる部分は、結合器３３と検波器３７と直流増幅器３８を除去し、代わりに、ＬＮＡ３４への電源供給を遮断する遮断スイッチ４１と、ＬＮＡ３４への供給電流値を検出する電流検出器４２を設け、正電源供給ライン途中に挿入した低抵抗Ｒの両端電位に基づいてその電流値を監視すると共に、一定値以上の電流発生時に対して電源を遮断してＬＮＡ３４の動作を停止する機能を設けた点である。即ち、ＬＮＡ３４への正電源供給ライン中に挿入した微小抵抗Ｒの両端電位を監視しておき、その値が所定位置以上になったとき、ＬＮＡ３４に入力するレベルが安全範囲を越えたものと判断して、上記遮断スイッチ４１を制御し、ＬＮＡ３４への正電源の供給を遮断するようにＣＰＵ３９によって制御するものである。

しかしながら、図４に示す方法では、ＬＮＡの電源を遮断すると受信機が使用不能になることから、緊急通信等に使用する受信機には採用し難いものであった。特に、山間僻地等において、無線通信手段以外に通信手段がない場合や、重要な通信回線における無線通信機や無線基地局装置には不向きな方法であり、受信機の遮断を伴わない迅速処理可能なＬＮＡ保護回路が求められていた。
本発明は、従来のＬＮＡ保護回路を含む受信高周波回路の問題を解決するためになされたものであって、受信機能を停止することなく迅速に応答して過大な入力からＬＮＡを保護し、その損壊を防止することが可能なＬＮＡ保護回路を提供することを目的としている。

本発明はこのような課題を解決するために、請求項１記載の受信高周波回路は、受信信号を増幅する低雑音増幅回路と、その過大入力保護手段を備えた受信高周波回路において、上記低雑音増幅回路に正極電源及び負極電源を供給する正電源供給手段及び負電源供給手段と、正極電源及び負極電源を供給したときの低雑音増幅回路への流入電源電流値を検出する電流検出手段と、正極電源又は負極電源のいずれか一方の電源供給を遮断する遮断スイッチ手段と、電流検出手段によって検出した電流値が所定値以上のとき遮断スイッチ手段を制御する電源制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の受信高周波回路において、更に、低雑音増幅回路の入力信号レベルに比例する信号を取り出す結合手段と、電源制御手段によって正極電源又は負極電源のいずれか一方の電源供給が遮断された状態において結合手段の出力信号レベルを監視し、低雑音増幅回路に供給される信号レベルが所定値以下になったとき、遮断された電源の供給を再開する電源供給復帰手段を備えたことを特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の受信高周波回路において、電流検出手段により検出した低雑音増幅回路流入電流値に基づいて、正常状態を示す定常状態、過大入力状態、電流値が所定値以下である異常状態の少なくともいずれか一つの状態を報知する報知手段を備えたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成し、又は処理するので、夫々以下の様な効果がある。先ず、請求項１記載の受信高周波回路は、過大入力保護手段を備えた低雑音増幅回路を有する受信高周波回路において、低雑音増幅回路に正極・負極電源を供給する二つの電源供給手段を設け、これら二つの電源を供給した状態で低雑音増幅回路への流入電源電流値を検出すると共に、電流値の値に基づいて低雑音増幅回路への入力レベルの大小を判断し、過大入力と判断した際に、二つの電源の一方を遮断するように構成したので、増幅器のリニアリティ特性は低下するものの、低雑音増幅回路の機能を維持した状態でその増幅度を減少させ、低雑音増幅回路及びその後段回路素子の破壊を防止することが可能となる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の受信高周波回路において、更に、受信信号の一部又は入力信号に比例する信号を取り出す結合手段と、そのレベル監視手段と、低雑音増幅回路に供給される信号レベルが所定値以下になったとき、遮断された電源の供給を再開する電源供給復帰手段を備えたので、一旦、過大電流が検出されて電源供給が遮断された場合であっても、過大入力信号が無くなったとき、自動的に遮断された電源の供給が再開される。従って、受信機能の劣化期間を必要最小限に留めることが可能となる。なお、結合器による入力信号レベルの監視は、電源遮断時に必要となるので、通常時は結合器の機能を解除するように構成すれば、微弱な受信信号の減衰を少しでも減すことができる。

請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の受信高周波回路において、上記電流検出手段により検出した低雑音増幅回路流入電流値に基づいて、正常状態を示す定常状態、過大入力状態、電流値が所定値以下である異常状態の少なくともいずれか一つの状態をディスプレイに表示し、あるいはアラーム音を発生するようにしたので、操作者は、受信機がどのような状態にあるかを容易に知ることができる。特に、電源電流値が所定値より少ない場合は、低雑音増幅回路の異常やその前段の結合器、アンテナ等の異常等を知る手がかりなるので無線通信機の運用上便利である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。以下本発明の実施態様例について説明する。
図１は本発明の過大入力保護手段を有するＬＮＡを用いた無線受信装置の要部概要ブロック図である。この例に示す無線受信装置は、アンテナ１と、このアンテナ１によって誘起した無線電波に起因する高周波信号から所要周波数帯域の信号を取り出す第一のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２と、入力信号レベルに比例する信号を導き出す結合器３と、その微弱な出力信号を低雑音で所要レベルに増幅する低雑音増幅器ＬＮＡ４と、このＬＮＡ４の出力信号から高調波歪み信号等を排除して所要周波数帯域信号を取り出す第二のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５と、その出力と図示を省略したローカル発振周波数信号とを混合して中間周波数信号（ＩＦ）を発生する混合器（ＭＩＸ）６と、を備えている。本発明は、低雑音増幅器ＬＮＡ４への過大入力による破損・破壊を防止するための回路であり、そのために、図１に示すように更に以下の構成を備えている。

先ず、正電源回路７は、ＬＮＡ４に正極電源を供給するもので、その出力電流は微少値抵抗Ｒを介してＬＮＡ４の正電源端子に供給され、この抵抗Ｒの両端の電位信号は電流検出器８に導かれ、この微小値抵抗Ｒの両端電圧に基づいてＬＮＡ４に流入する電流値を検出する。また同時に、正電源回路７の出力は遮断スイッチ９を経て負電源回路１０にも供給され、この負電源回路１０によって極性が反転された電流が、ＬＮＡ４の負電源端子に供給されるようになっている。一方、上記結合器３から分岐した受信高周波信号の一部は、高周波信号を直流信号に変換する検波器１１と、直流信号を所要レベルに増幅する直流増幅器１２を介してＣＰＵ１３に供給される。
このＣＰＵ１３には、後述するような諸制御の他、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１４としての機能を有しており、電流検出器８からの信号に基づく入力信号レベルの判断と、結合器３の受信高周波信号のレベル判断とに基づいて、上記遮断スイッチ８のオン・オフを制御することによって、保護対象であるＬＮＡ４への負電源の供給を制御するように構成されている。

図２は、上述した無線受信装置におけるＬＮＡ保護動作を説明するための増幅特性図であり、横軸はＬＮＡ４への入力信号レベル、縦軸左はＬＮＡ４の出力信号レベル、縦軸右はＬＮＡ４の電源電流値を示している。また、曲線２０は正電源と負電源両者が供給されているときの入出力特性、２１は負電源が遮断され、正電源が供給された場合の入出力特性、２２は正電源と負電源両者が供給されているときのＬＮＡの電源電流値、２３は負電源が遮断され、正電源が供給された場合のＬＮＡの電源電流値であり、大凡の傾向を示し、具体的な値の表示は省略している。
図２に示す特性では、ＬＮＡ４への入力信号Ｐｉｎが１０ｄＢｍ以下では、正・負両電源供給の場合も、負電源を遮断して正電源のみ供給する場合も直線的に変化するが、それを越えた範囲では増幅度が飽和している。即ち、この例に示すＬＮＡ４は、正電源と負電源の両者によって動作するが、正電源のみによっても、増幅度は小さくなるが、正常な増幅動作を行うものである。また、夫々の増幅度曲線２０、２１に対応するＬＮＡ電源電流値は、１０ｄＢｍ以下では、増幅器のダイナミックレンジ範囲であり変化がないが、それを越える範囲では、出力波形のピーク値部分が飽和し、電流が増加していることが分かる。なお、この例の増幅回路動作では、所謂Ａ級増幅回路同等の動作をしているので、ダイナミックレンジ範囲では電源電流が変化しないが、プッシュプル動作形式のような増幅回路方式を使用する増幅回路の場合は、入出力信号に比例して電流値が変化する場合もあり得る。

ＬＮＡ４への入力信号レベルが１０ｄＢｍと云うのは、非常に大きなレベルで、通常の無線受信機の着信レベルをμＶやｄＢμで表現するが、０ｄＢμ（＝１μＶ）と比較すれば、０ｄＢｍ＝１０７ｄＢμ（５０Ω終端）であるから、１０ｄＢｍが如何に大きな受信電力であるかが理解できよう。このような大きな電力が供給される場合としては、複数の無線システムの無線基地局装置が近接して配置される場合や、極端に接近した状態で送信した電力信号が近傍の無線受信機に入力する場合が考えられる。このような場合は、ＬＮＡ終段増幅回路素子やその後段の回路素子等が焼損する虞が高くなるので、図２に示すように、電流曲線２２が過電流検出レベル２４を越える時点で、図１の遮断スイッチ９を制御して負電源回路１０からＬＮＡ４に供給する電力を遮断する。そうすれば、図２の矢印２６にて示すように、正電源のみの供給となって、出力レベルは特性曲線２１に移行し、約１５ｄＢ程度減少するものの、電流値が定常状態の範囲に減少するので損壊しない範囲で増幅動作が継続される。

なお、図２の右縦軸下部の「異常判定」範囲は、動作中にも拘わらずＬＮＡ４への電源電流が規定電流より少ない場合は、動作異常状態と判断するものである。これらの判断は、図１に示したＣＰＵ１３において行い、そのために、ＣＰＵ１３には、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）としての機能を備えている。即ち、図１に示した回路の特徴は、保護対象のＬＮＡ４には、正電源回路７と、負電源回路１０とを備え、ＬＮＡ４への入力信号レベルが小さい範囲では、定常状態として正負両者の電源によって広いダイナミックレンジで、高いリニアリティ（直線性）を保った増幅動作を行うことによって低雑音増幅回路として機能するが、電源電流値が一定値以上になると、過大な入力がＬＮＡ４に供給されたものと判断して、負電源を遮断することによって、それらの焼損等の損壊を防止するものである。
更に、本発明では、図１に示すように結合器３から入力信号の一部を取り出して入力信号レベルを検出する手段を備えており、負電源供給を遮断した後に、受信入力レベルが正常値に戻ったことを検出すると、再び負電源供給を開始する。この方法によれば、過大電流の入力状態がなくなると直ちに正常動作状態に復帰することができる。なお、受信入力が正常状態に戻ったことの検出は、結合器３から取り出した進行波信号を所定レベルに増幅後、ＣＰＵ１３においてデジタル変換すると共に、正確にレベル判定することによって行うことができるが、処理を簡単迅速にする上から、電源遮断したときの入力レベルを基準として、それより小さくなったことを確認したとき、負電源供給を再開する処理を行うことも可能である。

以上のように本発明では、保護対象のＬＮＡを正電源と負電源の両方を供給し、必要に応じて負電源を遮断しても増幅機能を失わない形式のものとすると共に、正負両方の電源を供給する際のＬＮＡへの電源電流検出手段と、その検出した電源電流値によって、入力信号レベルが過大であることを判断し、負電源供給を遮断する手段を備えたので、ＬＮＡの増幅機能を停止することなく過大入力から保護することが可能となる。更に、入力信号レベル検出手段を併設して、入力信号のレベルが所定値以下になったとき、遮断した電源供給を再開するようにしたので、電源遮断を必要最小限に留め、迅速な復旧が可能となる。特に、本発明のように、ＬＮＡへの電源供給遮断によって過大入力保護を行えば、ＬＮＡの前に可変減衰器等を挿入して制御するものに比して、微弱な入力信号を減衰させる素子が介在しない分、高い受信感度を維持することが可能となる。その観点からみれば、上述した結合器３において入力信号の一部を取り出す機能は、正極又は負極電源のいずれか一方が遮断された状態で初めてその機能が必要であるから、通常は（入力信号レベルが過大でない状態では）、この結合器をバイパスするルートを設けておき、電源が遮断されたときに結合器を接続するように構成してもよい。この方法によれば、入力信号が微弱なときは、これらを減衰する可能性がある結合器がバイパスされるので、より一層、Ｃ／Ｎ（或いはＳ／Ｎ）向上に有用である。あるいは、本発明を使用する受信機が送信機と近接配置される場合であって、その送信機出力からも保護する必要がある場合は、送信機からプレス信号（送信制御信号）等を取得して、上述した結合器のバイパス手段を制御することも有用であろう。

本発明は以上説明した実施例に限定することなく、種々変形が可能である。例えば、遮断電源を負電源としたが、正電源と負電源との関係を逆にすることも可能である。また、ＬＮＡへの電源電流を正電源供給ラインに挿入した抵抗Ｒの両端電圧によって検出する例を示したが、正・負電源夫々の電流を検出して両者を加算して過大入力の有無を判断することも可能であろう。更に、本発明に、従来から知られている各種の保護手段を併設することも有用であろう。

また、上述した本発明のＬＮＡ保護回路の機能のうち、ＣＰＵの制御について、コンピュータを制御可能なプログラムを作成することも可能である。近年、無線機の諸機能をデジタル処理するために、ＣＰＵやＤＳＰを備える場合が多いので、各種プログラミング手段によって、本発明の処理を実行することも可能であり、そのようなソフトウエアについて、夫々プログラム化し、あらかじめＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に書き込んでおき、コンピュータに搭載したＣＤ−ＲＯＭドライブのような媒体駆動装置にこのＣＤ−ＲＯＭ等を装着して、これらのプログラムをコンピュータのメモリあるいは記憶装置に格納し、それを実行することによって、本発明の目的が達成されることは云うまでもない。この場合、記録媒体から読み出されたプログラム自体が上述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムおよびそのプログラムを記録した記録媒体も本発明を実施する上で有用である。

本発明にかかるＬＮＡ保護回路を備えた無線受信装置の一実施形態を示す要部ブロック図である。 本発明の一実施形態例の動作を説明するための入出力特性図である。 従来のＬＮＡ保護回路を備えた無線受信装置の要部ブロック図である。 従来の他のＬＮＡ保護回路を備えた無線受信装置の要部ブロック図である。

符号の説明

１ アンテナ、２、５ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、４ ＬＮＡ（低雑音増幅回路）、６ 混合機（ＭＩＸ）、７ 正電源回路、８ 電流検出器、９ 遮断スイッチ、１０ 負電源回路、１１ 検波器、１２ 直流増幅器、１３ ＣＰＵ、１４ アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）、２０ 正負両電源供給時の増幅特性曲線、２１ 正電源のみの増幅特性曲線、２２ 正負両電源供給時のＬＮＡ供給電流特性、２３ 正電源のみのＬＮＡ供給電流特性。

Claims (3)

1. 受信信号を増幅する低雑音増幅回路と、その過大入力保護手段を備えた受信高周波回路において、前記低雑音増幅回路に正極電源及び負極電源を供給する正電源供給手段及び負電源供給手段と、前記正極電源及び負極電源を供給したときの低雑音増幅回路への流入電源電流値を検出する電流検出手段と、前記正極電源又は負極電源のいずれか一方の電源供給を遮断する遮断スイッチ手段と、前記電流検出手段によって検出した電流値が所定値以上のとき前記遮断スイッチ手段を制御する電源制御手段と、を備えたことを特徴とする受信高周波回路。
2. 請求項１記載の受信高周波回路において、更に、前記低雑音増幅回路の入力信号レベルに比例する信号を取り出す結合手段と、前記電源制御手段によって正極電源又は負極電源のいずれか一方の電源供給が遮断された状態において前記結合手段の出力信号レベルを監視し、前記低雑音増幅回路に供給される信号レベルが所定値以下になったとき、遮断された電源の供給を再開する電源供給復帰手段を備えたことを特徴とする受信高周波回路。
3. 請求項１又は２記載の受信高周波回路において、前記電流検出手段により検出した低雑音増幅回路流入電流値に基づいて、正常状態を示す定常状態、過大入力状態、電流値が所定値以下である異常状態の少なくともいずれか一つの状態を報知する報知手段を備えたことを特徴とする受信高周波回路。

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