JP2008516508A - インピーダンス検出器 - Google Patents

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    • H04B1/0458Arrangements for matching and coupling between power amplifier and antenna or between amplifying stages

Abstract

本発明は、RF増幅器に結合されたアンテナに関する。環境条件はアンテナのインピーダンスを変化させるが、それにより出力電力、効率、および線形性が低下する。アンテナのインピーダンスを検出するように設計された回路が提供される。測定されたインピーダンスを用いて、インピーダンス整合が達成される。インピーダンス検出回路は、RF増幅器からアンテナに流れる信号を検出し、その信号のピーク電圧とピーク電流を測定する。さらに、電圧と電流の間の位相差が測定される。この回路の利点は、チップ上への集積を容易にするそのコンパクト性である。さらに、インピーダンスの検出に上記回路を使用したインピーダンス整合回路も提案される。

Description

本発明は一般に半導体回路に関し、より詳細には無線周波数(RF)回路に関する。
RF電力増幅器の性能は、RF電力増幅器の出力に結合された負荷のインピーダンスによって決まる。RF電力増幅器は一般に、負荷インピーダンスが所定の値、例えば50Ωなどを有するときに最適な性能を持つように設計される。便宜上、RF電力増幅器はRF増幅器と略記する。RF増幅器がアンテナ、例えば携帯電話などの携帯通信装置で使用されるアンテナに給電する場合には、環境条件によってアンテナ(負荷)のインピーダンスが変化することがある。ユーザの移動する手や頭、ならびに他の近くの物体は、アンテナ・インピーダンスに大きな外乱をもたらす。しかし、アンテナ・インピーダンスが所定の値からずれたときは、電力増幅器の出力電力、効率、線形性などの性能が低下する。
上述の問題に対処するために、電力増幅器とアンテナの間にサーキュレータを配置することは良く知られている。サーキュレータは、電力増幅器の出力に結合される第1の端子と、アンテナに結合される第2の端子と、固定インピーダンス、例えば50Ωを有する素子によって接地に結合される第3の端子とを備える。電力増幅器の出力信号はアイソレータの第1および第2の端子を通ってアンテナに送信される。インピーダンスの不整合によってアンテナから反射された信号は、アイソレータの第3の端子と固定インピーダンス素子を介して接地に送られる。したがって、アンテナのインピーダンス不整合は電力増幅器の性能には影響を与えない。しかし、アイソレータは大きく、高価で、電力効率が悪い。アイソレータは、低価格で低電力の携帯通信システムには適さない。
アイ・ヨコシマ[I. Yokoshima]による論文、「電圧−電流検出によるRFインピーダンス測定[RF Impedance Measurements by Voltage-Current Detection]」、計器と測定に関するIEEE紀要[IEEE Transactions on Instrumentation and measurement]、Vol.42、N0.2、1993年4月、はテスト中の装置の電圧と電流を検出することによるVHF−UHFインピーダンス測定技術を開示している。この装置の両端の電圧は抵抗分割器によって測定され、電流はピックアップ・コイルによって測定される。
米国特許第4493113号は、その図1に、RF増幅器に結合されたアンテナのインピーダンスZと位相Θの両方を回路によって検出する1つの従来技術を示している。インピーダンスZの大きさを求めるために、電圧センサと電流センサが使用される。
本発明の目的は、RF増幅器に接続されているかまたは接続可能な負荷のインピーダンスの大きさおよび位相を検出する回路と、インピーダンス整合回路とを提供することであり、そのどちらもが高い精度を示し、設計がシンプルで、高いレベルの集積を実現する。
本発明の目的は、独立請求項の特徴によって解決される。本発明の他の実施形態は従属請求項の特徴によって記載される。特許請求の範囲におけるいずれの参照符号も、本発明の範囲を限定するものと見なすべきではないことを強調しておく必要がある。
本発明によれば、上述の問題は、RF増幅器に接続可能であるかまたは接続されている負荷のインピーダンスの大きさと位相を検出する回路によって解決される。この回路は、RF増幅器の出力電圧のピーク値を検出する第1の手段と、RF増幅器の出力電流のピーク値を検出する第2の手段とを備える。第1の代替実施形態では、第1の手段および/または第2の手段は混合器と振幅制限器を備える。第2の代替実施形態では、第1の手段および/または第2の手段はピーク・ダイオード検出器を備える。さらに、この回路は、出力電圧と出力電流の間の位相によってその値が決まる信号を検出または測定する第3の手段を備えるか、あるいは、リニア乗算によって出力電圧と出力電流の間の位相を導出する第3の手段を備える。
さらに、問題は、適応出力回路網を備えた給電ラインによって負荷に結合される無線周波増幅器を備えたインピーダンス整合回路によって解決される。さらに、前のパラグラフで述べたようなアンテナ不整合検出器であるインピーダンス検出器は、測定されたインピーダンスに応じて適応出力回路網を調整する制御ユニットを備える。
どちらの回路も無線周波数範囲、したがって約10kHzから約10GHzの間の周波数範囲で動作するように設計される。
インピーダンスの大きさと位相を検出する回路に関する限りは、解決策のアイデアはRF増幅器からアンテナへのエネルギー・フローを使用してインピーダンスとその位相を求めることである。このエネルギーは、RF増幅器をアンテナに接続する給電ラインの中を流れている。エネルギー・フローはRF増幅器内から発生するので、上述の信号に関する電圧はRF増幅器の出力電圧と呼ばれる。それに対応して、アンテナに流れる電流は、上述の信号に関する電流なので、RF増幅器の出力電流と呼ばれる。これら2つの量が測定され、さらにそれらの位相差も測定される。
Vが検出された出力電圧であり、Iが検出された出力電流である場合、インピーダンスZは次式で定義される。
Figure 2008516508
上式でφはインピーダンスの位相である。φは出力電圧と出力電流の間の位相差である。位相差φは−90°と+90°の間の任意の値を取ることができる。
Zの完全な情報のためには、大きさ|Z|と位相φの両方が必要である。Zの大きさは、|V|と|I|の比で与えられ、そのどちらもがピーク検出により測定できる。位相差φは位相検出器により検出できる。より正確には、上述の手法は、絶対値|V|と|I|を生成し、また電圧と電流の間の位相差φを表す信号、例えば、sin(φ)を生成する。
上述の一般的な解は図1のブロック図によって示され、この図では、RF増幅器2の形の無線周波数信号の発生源は給電ライン1によってアンテナ3に接続されている。ピーク検出手段29は上述のエネルギー・フローに関する電圧|V|を測定する機能を果たし、第2のピーク検出手段29’は|I|を測定する機能を果たす。位相検出手段30は、位相情報を測定する。得られた信号はリニアに乗算される。言い換えれば、ピーク検出は、得られた信号とその信号自体のハード制限相当信号とのリニア乗算によって実施される。
RF増幅器の出力電圧のピーク値を検出する第1の手段が使用される。このピーク検出器は、第1の手段を給電ラインに接続するノードのノード電圧を検出することによって、出力信号を直接検出する。第1の手段は、振幅制限器と混合器を備えることができる。振幅制限器の入力はノード電圧になるように選択される。混合器の入力信号は、ノード電圧と振幅制限器の出力信号である。この代替実施形態では、第1の手段はピーク・ダイオード検出器を備える。
RF増幅器の出力電流のピーク値を検出する第2の手段が使用される。|I|のこのピーク検出器の1つの可能な実施形態は給電ラインに配置された検出抵抗器を含む。この場合、検出抵抗器は、RF増幅器からアンテナにエネルギーが流れたときの、この抵抗器での電圧降下を検出する。電位降下はRF増幅器からアンテナに流れる電流に比例するので、この分岐電流を振幅制限器と混合器に供給して電位降下を測定することができる。それを実施するためには、その抵抗器での電位降下を演算増幅器に入力し、演算増幅器の出力信号を振幅制限器と混合器に供給することが望ましい。混合器の入力信号は、振幅制限器の出力信号と前述の演算増幅器からの信号とになるように選択される。この代替実施形態では、第2の手段はピーク・ダイオード検出器を備える。
さらに、RF増幅器の出力電圧とRF増幅器の出力電流の間の位相差を検出/測定する第3の手段が使用される。この位相検出器は、位相シフタ、好ましくは+/−90°位相シフタと混合器を備えることができる。位相シフタの入力は、給電ラインの一部であるノードに接続される。増幅器、ノード、および第3の手段は直列に接続することができる。混合器の第1の入力は振幅制限器の出力になるように選択され、第2の入力は第1の手段の一部を形成する振幅制限器の出力である。
代替実施形態では、第3の手段はリニア乗算によって出力電圧と出力電流の間の位相を導出するように構成することができる。この場合、検出器の出力は、電圧の大きさに比例、電流の大きさに比例、およびsin(φ)に比例するように選択することができる。位相は、後処理によって信号から抽出することができる。
給電ラインにおいて検出抵抗器を選択する代わりに、コイルまたはコンデンサを使用することもできる。これらの部品を使用することで、第3の手段に90°位相シフタを備える必要がなくなり、したがってこの解決策に必要な部品が1つ減るという利点が生じる。GSMとUMTS周波数帯域の両方で動作する携帯電話などの多帯域用途の場合は、90°位相シフタは広帯域位相シフタとなる。代替実施形態では、高Qコイル(またはコンデンサ)が、それを流れる電流とその両端の電圧の間の、非常に広い周波数範囲にわたる90°位相シフトを提供する。
上述のように、出力電圧と出力電流の測定されたピーク値によりインピーダンスの計算が可能になる。この目的のため、回路は出力電圧を出力電流で除算する手段を備えることができる。除算手段は、アナログまたはデジタルの領域で、当業者に良く知られた方法で実施することができる。その方法は、ASIC、EPROM、CPUなどでもよい。しかし、インピーダンス検出回路に除算手段を含めずに、本発明によるインピーダンス整合回路の一部を形成する制御ユニットによって除算手段を提供することも可能である。
本発明によるインピーダンス整合回路を用いると、ユーザは、検出器がアンテナ・インピーダンスを検出するのか(この場合は、調整可能な出力整合回路網と負荷の間にノードが配置される)、あるいは調整可能な出力整合回路網の入力インピーダンスを検出するのか(この場合は、RF増幅器と調整可能な出力整合回路網の間にノードが配置される)を決定することができるようになる。
他の実施形態においては、RF増幅器は少なくとも2つのトランジスタからなるアレイを備える。1つのトランジスタが、RF増幅器の出力端子に接続される。この場合、第1の手段は、RF増幅器の出力端子に結合されたこのトランジスタのコレクタ電圧を検出するように構成することができ、第2の手段は、対応するコレクタ電流を検出するように構成することができる。すぐ前に述べた実施形態の代替実施形態では、トランジスタ電流とトランジスタ電圧を検出するのではなく、代わりにエミッタ電流とコレクタ電圧を検出するように決定することもできる。
インピーダンス検出器とインピーダンス整合回路の利点はどちらも、そのサイズが非常に小さいのでチップ上への集積がより容易になることである。
本発明のこれらおよびその他の態様は、後で述べる諸実施形態を参照することで明らかになり、解明されるはずである。
図2は、インピーダンス検出器とも呼ばれる、負荷のインピーダンスを検出する回路を示している。インピーダンス検出器は、給電ライン1によってアンテナ3(負荷)に接続されるRF増幅器2を備える。
RF増幅器2の出力電圧のピーク値を検出する第1の手段は、ノード21によって給電ライン1に接続される。第1の手段は、混合器4と振幅制限器5を備える。振幅制限器5の入力信号はノード22のノード電圧である。混合器4の1つの入力端子はノード21によって給電ライン1に接続され、第2の入力端子は振幅制限器5の出力端子に接続される。出力端子26は出力信号|V|を生成する。
RF増幅器と第1の手段の間を電気的に分離するために緩衝増幅器11を使用することが望ましい。さらに、混合器4には、不要なRF成分のための低域通過フィルタとして機能する接地コンデンサ19を接続することもできる。
第1の実施形態の給電ライン1は、検出抵抗器15を備える。抵抗器15の電位降下は演算増幅器18に供給され、演算増幅器の出力信号は給電ライン1を流れる電流、したがってRF増幅器2の出力電流に比例する。この電流のピーク値は、振幅制限器5’と混合器4’を備えた第2の手段によって検出される。これらの部品は、第1の手段の一部を形成しているそれらの対応部分と同様に接続される。したがって、混合器4’は、信号|I|を出力端子26’に出力する。
第2の手段は、緩衝増幅器11’によって給電ライン1から分離することができる。第1の手段の場合と同様に、混合器4’に接続された追加のコンデンサ19’は、不要なRF成分をフィルタリングするための低域通過フィルタとして機能することができる。
位相を検出する第3の手段は、直列に接続された−90°位相シフタ6と混合器4”を備える。位相シフタ6はノード23に接続され、したがって出力電流を測定するブランチに接続される。混合器4”の1つの入力信号は位相シフタ6の出力信号であり、第2の入力端子はノード22を通して出力電圧を測定するブランチに接続される。端子26”における出力は、端子26の電圧と端子26’の電流の間の位相差を検出する。
必要な場合は、全体の回路をRF増幅器から遠く離して配置することができる。それにより、RF増幅器2と負荷3の間に固定出力整合回路網24を配置することが可能になる。
図3はインピーダンス検出器の第2の実施形態を示している。ここで、同一参照番号は、全体の記述を通して同一の部品を示す。図2と比較すると、検出抵抗器15が検出コイル9で置き換えられている。代替実施形態では、検出コンデンサ10で検出抵抗器15を置き換えることができる。後者の場合は、置き換えによって図2の位相シフタ6は不要になる。コイル9またはコンデンサ10は、例えば固定出力回路網、適応出力回路網、またはその両者の組合せであるインピーダンス整合回路網の一部となるように選択することができる。
この実施形態では、第1の手段と第2の手段は振幅制限器と混合器を備えておらず、その代わりに、ピーク・ダイオード検出器8と8’を備える。ノード23で検出された出力電流とノード22で検出された出力電圧の間の位相差を求めるために混合器4”が使用される。混合器4”の1つの入力端子は振幅制限器5の出力に接続され、振幅制限器5はさらにノード22に接続される。混合器4”の第2の入力端子は第2の振幅制限器5’の出力に接続され、振幅制限器5’はさらにノード23に接続される。全体として、第2の実施形態は第1の実施形態と比べて若干少ない部品を使用することになり、結果としてサイズがより小さくなり、チップ上への集積がより容易になる。
以下で論ずる第4と第5の実施形態は、状況を考慮するものであり、その場合RF増幅器は少なくとも2つのトランジスタからなるアレイを備える。これらのトランジスタのうちの1つは、RF増幅器の出力端子に直接接続される。このような状況では、そのトランジスタのコレクタ電流とコレクタ電圧か、またはそのトランジスタのエミッタ電流とコレクタ電圧のどちらかを測定することができる。これら2つの解決策により、検出回路をRF増幅器に非常に近接して配置することが可能になり、そのことにより検出回路を備えたRF増幅器の非常に小型化された設計がもたらされる。
図4に示された第4の実施形態では、RF増幅器2は、少なくとも2つのトランジスタからなる上述のアレイ12を備える。1つのトランジスタ13は、RF増幅器の出力に直接結合される。このトランジスタ13はコレクタを有し、そのコレクタ電流とコレクタ電圧がインピーダンス検出器によって測定される。
トランジスタ13のコレクタは検出抵抗器15に接続され、その抵抗器を通ってトランジスタ電流が流れ、その抵抗器に沿って電圧がノード22での値Ubからノード23での値Uaまで低下する。抵抗器は、図4に示されるようにトランジスタ・アレイ12のコレクタ端子のうちの1つに配置される抵抗器であるように選択することもできるし、あるいはコレクタに相互接続される寄生抵抗(図示せず)でもよい。検出抵抗器は回路の感度を高める。
第1の手段は、このトランジスタ13のコレクタ電圧の絶対値|Ua|のピーク値を検出するために提供される。第1の手段は、ノード23と|Ua|を出力する出力端子26とに接続されたピーク・ダイオード検出器8を備える。
トランジスタ13の出力電流のピーク値を検出する第2の手段も提供される。この手段はそれぞれノード22および23に接続された演算増幅器18と、位相ダイオード抵抗器8’とを備える。したがって、出力端子26’は、|I|に比例する検出抵抗器15での電位降下|Ua−Ub|を出力する。
コレクタ電流とコレクタ電圧の間の位相を検出する第3の手段が提供される。この手段は90°位相シフタになるように選択することができる位相シフタ6と、直列に接続された混合器4”とを備え、混合器4”の出力はsin(φ)を出力するために出力端子26”に接続される。
最初の3つの実施形態と同様に、図4の実施形態は、不要なRF成分を処理する低域通過フィルタ19、19’、19”を備えた第1の手段と第2の手段を有することができる。
図5に示された第5の実施形態では、電力増幅器2はトランジスタからなるアレイ12を備え、これらのトランジスタのうちの1つ、すなわちトランジスタ13は電力増幅器2の出力端子に接続される。この回路は、トランジスタ13のコレクタ電圧Uaとエミッタ電流を測定するように設計される。この手法は、エミッタ電流がコレクタ電流とほぼ同一になるという近似に基づくものである。近似は、広い出力電力範囲にわたって正確であるが、パワー・トランジスタが深い飽和に入った後はもはや正確ではなくなる。この手法は、検出抵抗器として熱的に安定なエミッタ安定抵抗器15を使用する。このように、余分の検出抵抗器が不要になる。さらに、余分の検出抵抗器によるコレクタ電圧の飽和も回避される。
エミッタ電流を検出するために、電流は安定抵抗器15を通って流れる。これにより、ピーク・ダイオード検出器8’と演算増幅器18を用いて、対応する電位降下|Ua−Ub|を測定できるようになる。コレクタ電圧|Uc|を検出する第1の手段はピーク・ダイオード検出器8”を備える。
位相情報は、混合器4”と位相シフタ6によって、前の実施形態と同様に検出することができる。この実施形態の位相シフタ6は、−90°位相シフタとなるように選択される。この場合もやはり、低域通過フィルタ19、19’、19”を追加することができる。
図6の実施形態は図5の回路とほぼ同一の回路であるが、回路がコレクタ電流を検出するために、検出抵抗器15の代わりにピックアップ・コイル16を備えている点が異なる。
図7と8は、インピーダンス整合回路の一部として、上述のインピーダンス検出器をどのように使用することができるかを示す。図7において、電力増幅器2は、給電ライン1によってアンテナ3に給電する。実際には、電力増幅器のための最適負荷ラインへのチューニングが実施される。図7の構成では、本発明によるインピーダンス検出器27は、ノード22におけるインピーダンスを検出するように、したがって整合インピーダンスを検出するように構成される。言い換えれば、インピーダンス検出器27は、左から右へのエネルギー・フロー方向における(すなわち、電力増幅器2からアンテナ3へのz矢印方向における)、ノード22から前方へのインピーダンスを測定する。この点で、図7はフィードバック・システムを示す。制御ユニット28は整合インピーダンスを、公称負荷ライン・インピーダンスを表す基準値と比較して、それに従って適応出力回路網の出力を調整するロジックを提供する。必要な場合には、1つまたは2つのオプションの固定出力回路網24、24’を追加することもできる。
図8において、本発明によるインピーダンス検出器27は、ノード23で適応出力回路網25とアンテナ3の間に配置される。この場合、検出器27はアンテナ・インピーダンスを検出するが、整合インピーダンスは検出しない。その理由は、検出器が、左から右へのエネルギー・フロー方向における(すなわち、電力増幅器2からアンテナ3へのz矢印の方向における)、ノード23から前方へのインピーダンスを測定するからである。この点で、図7はフィード・フォワード・システムを示す。
一般的なブロック図の形で一般的な解決策を示す図である。 負荷のインピーダンスの大きさと位相を検出する回路の第1の実施形態を示す図である。 上記回路の第2の実施形態を示す図である。 上記回路の第3の実施形態を示す図である。 上記回路の第4の実施形態を示す図である。 上記回路の第5の実施形態を示す図である。 インピーダンス整合回路の第1の実施形態を示すブロック図である。 インピーダンス整合回路の第2の実施形態を示すブロック図である。
符号の説明
01 給電ライン
02 RF増幅器
03 アンテナ
04 混合器
04’ 混合器
04” 混合器
05 振幅制限器
05’ 振幅制限器
05” 振幅制限器
06 位相シフタ
07 分割手段
08 ピーク・ダイオード検出器
09 検出コイル
10 検出コンデンサ
11 緩衝増幅器
11’ 緩衝増幅器
12 トランジスタのアレイ
13 トランジスタ
14 コレクタ
15 検出抵抗器
16 ピックアップ・コイル
17 検出器
18 演算増幅器
19 コンデンサ
20 バッテリ電源
21 ノード
22 ノード
23 ノード
24 固定出力回路網
25 適応出力回路網
26 出力端子
26’ 出力端子
26” 出力端子
27 インピーダンス検出器
28 制御ユニット
29 ピーク検出手段
30 位相検出手段

Claims (11)

  1. 負荷のインピーダンスの大きさと位相を検出する回路であって、前記負荷が給電ラインによって無線周波(RF)増幅器に接続可能であり、前記回路が
    a)前記RF増幅器の出力電圧のピーク値を検出する第1の手段と、
    b)前記RF増幅器の出力電流のピーク値を検出する第2の手段と、
    c)
    c1)出力電圧と出力電流の間の位相に応じてその値が決まる信号を測定するか、または
    c2)リニア乗算によって出力電圧と出力電流の間の位相を導出する
    第3の手段と
    を備え、
    d)前記第1の手段または前記第2の手段、あるいはその両方が
    d1)混合器と振幅制限器、または
    d2)ピーク・ダイオード検出器
    を備える、回路。
  2. 前記第3の手段が位相シフタと混合器を備える、請求項1に記載の回路。
  3. 前記給電ラインがインダクタンスまたはキャパシタンスの何れかを有し、前記第3の手段が2つの振幅制限器と1つの混合器を備える、請求項1に記載の回路。
  4. 前記第1の手段と前記第2の手段が緩衝増幅器を備える、請求項1に記載の回路。
  5. 前記RF増幅器が少なくとも2つのトランジスタからなるアレイを備え、前記第1の手段が前記トランジスタのうちの1つのコレクタ電圧を検出するように構成され、前記第2の手段が対応するコレクタ電流を検出するように構成される、請求項1に記載の回路。
  6. 前記コレクタの負荷ラインが検出抵抗器を備える、請求項1に記載の回路。
  7. 前記RF増幅器が少なくとも2つのトランジスタからなるアレイを備え、前記第1の手段が前記トランジスタのうちの1つのコレクタ電圧を検出するように構成され、前記第2の手段が対応するエミッタ電流を検出するように構成される、請求項1に記載の回路。
  8. 前記第1の手段が、前記RF増幅器の一部であるトランジスタのコレクタ電流を検出するように構成されたピックアップ・コイルを含む、請求項1に記載の回路。
  9. 負荷のインピーダンスをRF増幅器のインピーダンスに整合させるインピーダンス整合回路であって、前記負荷が給電ラインによって無線周波(RF)増幅器に接続可能であり、前記インピーダンス整合回路が、
    − 前記RF増幅器と前記負荷の間に接続される適応出力回路網と、
    − 前記給電ラインのノードに結合されるインピーダンス検出器と、
    − 測定されたインピーダンスに応じて前記適応整合回路を調整する制御ユニットと
    を備え、
    前記検出器が請求項1から8のうちの1つによる回路である、インピーダンス整合回路。
  10. 前記ノードが前記RF増幅器と前記適応出力回路網の間に配置される、請求項9に記載のインピーダンス整合回路。
  11. 前記ノードが前記適応出力回路網と前記負荷の間に配置される、請求項10に記載のインピーダンス整合回路。
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