JP2010124178A

JP2010124178A - 無線装置

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Publication number: JP2010124178A
Application number: JP2008295282A
Authority: JP
Inventors: Osaaki Seki; 修章関; Kazuo Maeda; 和男前田
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-06-03

Abstract

【課題】通信機器において、ＩＭ歪を軽減するアンテナスイッチ回路の技術及び電力増幅器等の保護する技術を提供する。
【解決手段】アンテナスイッチ回路１００において送信時には制御端子１０４に正電圧が印加される。制御電流は、制御端子１０４、抵抗１１３、ＰＩＮダイオード１１０、インダクタ１１６、ＰＩＮダイオード１１１の順に流れる。それに伴い、第１のＰＩＮダイオード１１０のカソード端子と第２のＰＩＮダイオード１１１のアノード端子の間は低インピーダンス状態になる。これによって、λ／４回路として機能するローパスフィルタ１３１により、キャパシタ１１９の接地と反対側の端子におけるインピーダンスが極めて高くなり、受信信号取得端子１０３には信号が出力されない。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば移動通信端末機等の無線装置に関する。

移動体通信機器の普及に伴って、送受信機を備えた無線装置には、送受信の回路を切り替えるアンテナスイッチ回路が必要不可欠である。それに伴い、小型高性能のみならず、機器の高効率化に伴い大電力化に対応可能なアンテナスイッチ回路が求められている。また、デジタル無線機のような電力増幅器の非線形歪補償を行うための負帰還回路を有する無線装置においては、ループの安定性が非常に重要である。このため、発振等の異常防止、反射による機器の保護のための異常検出制御が必要不可欠となっている。

以下に図面を参照しながら、上記したアンテナスイッチ回路の一般例（従来技術１）について説明する。図２はデジタル無線機のような電力増幅器の非線形歪補償を行うための負帰還回路を有する無線装置の従来のアンテナスイッチ回路２００の構成を示すものである。

送信信号を送信信号入力端子２０１からアンテナ２０２まで伝送する経路として、送信信号入力端子２０１、電力増幅部２０６、方向性結合器２０７、アイソレータ２０８、ＰＩＮダイオード２１０、直流電流阻止のためのキャパシタ２１８、ローパスフィルタ２０９及びアンテナ２０２が直列に接続されている。

制御端子２０４は、抵抗２１３及びインダクタ２１５を介してＰＩＮダイオード２１０のアノード端子に接続されている。ここで、この抵抗２１３は、制御端子２０４からの電圧印加時に、ＰＩＮダイオード２１０のバイアス電流制限用抵抗として機能し、インダクタンス２１５とともに制御回路を構成する。また、キャパシタ２１７は、直流阻止の機能を果たしている。

また、ＰＩＮダイオード２１０のカソード端子は、アンテナ２０２への経路と並列にλ／４のローパスフィルタ２３１を介して受信信号取得端子２０３に接続されている。ローパスフィルタ２３１は、図示のようにインダクタ２１６、キャパシタ２１９，２２０、ＰＩＮダイオード２１１を備えて構成されている。さらに、ＰＩＮダイオード２１０と並列にインダクタンス２１４が設けられて、ＰＩＮダイオード２１０のＯＦＦ時の微小容量をキャンセルするための並列共振回路を構成している。なお、インダクタ２１４とＰＩＮダイオード２１０の経路には直流電流阻止のためのキャパシタ２１７が設けられている。

さらに、電力増幅器部２０６の出力信号の一部は、方向性結合器２０７より取り出されて、検波回路２２２及び制御部２２３へ与えられる。

以上のように構成されたアンテナスイッチ回路２００について、以下その動作について説明する。まず、送信時には制御端子２０４に正電圧が印加される。このとき、制御電流は制御端子２０４、抵抗２１３、インダクタ２１５、ＰＩＮダイオード２１０、インダクタ２１６，ＰＩＮダイオード２１１の順に流れる。それに伴い、ＰＩＮダイオード２１０及びＰＩＮダイオード２１１のアノード端子−カソード端子間は低インピーダンス状態になり、ＰＩＮダイオード２１１のアノード端子と接統されたインダクタ２１６，キャパシタ２１９，２２０によって構成されいわゆるλ／４回路として機能するローパスフィルタ回路２３１より、キャパシタ２１９の接地と反対側の端子におけるインピーダンスは極めて高くなる。

その結果、送信信号入力端子２０１より入力された送信信号は、電力増幅部２０６により電力増幅され、方向性結合器２０７、アイソレータ２０８を介して、アンテナ２０２より出力され、受信信号取得端子２０３には出力されない。

一方、受信時には、制御端子２０４に電圧は印加されない。従って、制御電流は流れず、ＰＩＮダイオード２１０とインダクタ２１４の共振回路及びＰＩＮダイオード２１１は高インピーダンス状態になる。その結果、アンテナ端子２０２より入力された受信信号は、ローパスフィルタ２０９、キャパシタ２１８、インダクタ２１６，キャパシタ２１９，２２０により構成されるローパスフィルタ２３１を介して受信信号取得端子２０３より出力され、送信信号入力端子２０１には出力されない。

以上のように、アンテナスイッチ回路２００により、送信信号入力端子２０１とアンテナ端子２０２との接続、あるいは、アンテナ端子２０２と受信信号取得端子２０３との接続という２つの接続モードを切り替えることができる。次に、従来の異常検出方法について説明する。方向性結合器２０７より取出された帰還信号の一部は、検波回路２２２にて直流電圧（検波電圧）に整流され、制御部２２３に与えられる。制御部２２３に入力された直流電圧は、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル処理され、所定のしきい値（送信機の許容出力電力の上限に相当する検波電圧値）と比較し、検波電圧がしきい値より大きいならば、ループが発振していると判断して送信を停止させる等の異常停止制御を行うことが可能となる。

また、上記の技術の他にも、様々な技術が提案されており、例えば、アイソレータを用いず、また、スワッピング抵抗（Ｑダンプ）が軽い状態での使用を可能とする送信負荷の安定制御回路なども提案されている（従来技術２；特許文献１参照）。
特開平１−１２０１３１号公報

ところで、上述の従来技術１のようなＰＩＮダイオードを使用したアンテナスイッチ回路の構成では、以下のような課題がある。すなわち、ＶＨＦ帯域のように周波数帯域が比較的低い条件で１０Ｗ以上の大電力の車載無線機に使用する場合、ＰＩＮダイオードの耐電力的限界があり、またＰＩＮダイオードからＩＭ（相互変調）歪が発生してしまう。また、大電力に対応するためのアンテナ切替回路として、高周波リレー等があるが機器の大型化、コスト的な観点から採用が難しく別の技術が求められていた。さらに、従来の送信異常停止制御では、ループが完全に発振状態となり許容値を超える電力を出力した場合にしか異常を検出できず、アンテナの故障やアンテナを未実装状態で送信した場合等の電力反射に対する電力増幅器等の保護に対しては無効であった。従来技術２についても同様の課題があった。

本発明はこのような状況に鑑みなされたものであって、その目的は、上記のような課題を解決して、ＩＭ歪を軽減すると共に、送信系の電力増幅器を電力反射から保護するようにしたアンテナスイッチ回路を有する無線装置を提供することにある。

本発明のある態様は、無線装置に関する。この無線装置は、所定のＶＳＷＲ特性を有する送受信用アンテナから送信すべき高周波の送信信号を出力する送信信号出力部と、前記送受信用アンテナにおいて受信した高周波の受信信号を取得する受信信号取得部と、前記送信信号出力部からの経路に接続される第１のポートと、前記送受信用アンテナへの経路に接続される第２のポートと、前記受信信号取得部への経路に接続される第３のポートを備え、前記第１のポートに入力した信号を前記第２のポートに出力し、前記第２のポートに入力した信号を前記第３のポートに出力するサーキュレータと、送信または受信のいずれかの状態に応じた制御信号を出力する制御信号出力部と、前記制御信号出力部に接続され前記制御信号の電流制限を行う電流制限抵抗と、前記サーキュレータの前記第３のポートと前記電流制限抵抗との間に設けられ、前記制御信号出力部からの制御信号により前記送信信号の経路と前記受信信号の経路との切り替えを行うスイッチ手段と、を備える。
また、当該無線装置は、前記送信信号出力部から出力された送信信号の進行波を検波する第１の検波部と、前記サーキュレータの前記第３のポートから出力された前記送信信号の反射波を検波する第２の検波部と、前記第２の検波部の出力信号が、前記第１の検波部の出力レベルより大きい場合、警報信号を出力する比較部と、を備えてもよい。
また、前記電流制限抵抗が、反射波の電力を吸収する反射波吸収用抵抗としての機能を備えてもよい。

以上、本発明によると、通信機器において、ＩＭ歪を軽減するアンテナスイッチ回路の技術及び電力増幅器等の保護する技術を提供することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。以下に説明する実施形態では、サーキュレータを使用し送信電力が通遇する部分にＰＩＮダイオードを挿入しない構成のアンテナスイッチ回路を提案し、ＩＭ歪の軽減と電力増幅器等の保護を実現する。

図１は本発明のアンテナスイッチ回路１００を有した無線装置の構成を示す機能ブロック図である。まず、アンテナスイッチ回路１００の構成について説明し、つづいて動作を説明する。

送信信号処理部１５０の送信信号出力端子１０１からアンテナ１０２まで、電力増幅部１０６、方向性結合器１０７、サーキュレータ１０８、ローパスフィルタ１０９が直列に接続されている。なお、サーキュレータ１０８とローパスフィルタ１０９の間には、直流電流阻止のためにキャパシタ１１８が設けられている。サーキュレータ１０８は、第１〜第３ポートＰ１〜Ｐ３を備え、方向性結合器１０７側の第１ポートＰ１に入力した信号をアンテナ１０２（ローパスフィルタ１０９）に接続される第２ポートＰ２に出力する。また、サーキュレータ１０８は、第２ポートＰ２に入力した信号を、後述のローパスフィルタ１３１に接続される第３ポートＰ３へ出力する。

方向性結合器１０７は、電力増幅器部１０６の出力信号の一部を取り出して、帰還端子１０５に与える。方向性結合器１０７と帰還端子１０５の間には直流電流阻止のためのキャパシタ１２１が設けられている。また、方向性結合器１０７の帰還端子１０５と反対側の端子は、抵抗１１２を介して接地されている。

サーキュレータ１０８の第３ポートＰ３は、制御端子１０４と受信信号取得端子１０３とに向けて端子が延出している。そして、制御端子１０４とサーキュレータ１０８の第３ポートＰ３の間には、制御端子１０４側から抵抗１１３とアンテナモード切替回路１３２が直列に設けられている。

アンテナモード切替回路１３２には、アノード端子が抵抗１１３に接続しカソード端子が第３ポートＰ３に接続する第１のＰＩＮダイオード１１０が備わる。また、第１のＰＩＮダイオード１１０のアノード端子とカソード端子間には第１のＰＩＮダイオード１１０と並列にインダクタ１１４とキャパシタ１１７の直列体が設けられて、ＰＩＮダイオード１１０のＯＦＦ時の微小容量をキャンセルするための並列共振回路として機能する。なお、インダクタ１１４と第１のＰＩＮダイオード１１０のアノード端子間には直流電流阻止のためのキャパシタ１１７が設けられている。また、この抵抗１１３は、制御端子１０４からの電圧印加時に、第１のＰＩＮダイオード１１０のバイアス電流制限用抵抗としての機能と反射波吸収用抵抗としての機能とを兼ねている。なお、抵抗１１３の制御端子１０４側の端子と接地電位の間には、抵抗１１３の一端を高周波的に接地するために、キャパシタ１２２が設けられている。

また、サーキュレータ１０８の第３ポートＰ３と受信信号処理装置１６０の受信信号取得端子１０３の間には、λ／４回路として機能するローパスフィルタ１３１が設けられている。具体的には、ローパスフィルタ１３１は、インダクタ１１６と、第２のＰＩＮダイオード１１１と、二つのキャパシタ１１９，１２０を備えている。具体的には、インダクタ１１６の一方の端子が、サーキュレータ１０８の第３ポートＰ３に接続され、他方の端子は受信信号取得端子１０３に接続される。また、インダクタ１１６の両各端子と接地電位との間に、それぞれキャパシタ１１９，１２０が設けられている。さらに、インダクタ１１６の受信信号取得端子１０３側の端子は、第２のＰＩＮダイオード１１１のアノード端子に接続され、また、第２のＰＩＮダイオード１１１のカソード端子は接地されている。

また、アンテナスイッチ回路１００は、反射波を検出してアンテナスイッチ回路１００の異常を判定するための異常判定回路１３３を備えている。この異常判定回路１３３は、制御部１２８と、第１固定減衰器（ＡＴＴ）１２３と、第２固定減衰器（ＡＴＴ）１２４と、第１検波回路１２５と、第２検波回路１２６と、コンパレータ１２７とを備える。

第１固定減衰器１２３がキャパシタ１２１と方向性結合器１０７の間に接続され、第１検波回路１２５を介して、コンパレータ１２７の一方の入力端子へ接続される。また、第２固定減衰器１２４は、第１のＰＩＮダイオード１１０のアノード端子に接続され、第２検波回路１２６を介してコンパレータ１２７の他方の入力端子に接続される。そして、コンパレータ１２７の出力端子が制御部１２８に接続される。なお、異常判定回路１３３の詳細な動作については後述する。

以上のように構成されたアンテナスイッチ回路１００の動作について説明する。
まず、送信時には制御端子１０４に正電圧が印加される。制御電流は、制御端子１０４、抵抗１１３、第１のＰＩＮダイオード１１０、インダクタ１１６、第２のＰＩＮダイオード１１１の順に流れる。それに伴い、第１のＰＩＮダイオード１１０のカソード端子と第２のＰＩＮダイオード１１１のアノード端子の間は低インピーダンス状態になる。これによって、λ／４回路として機能するローパスフィルタ１３１により、キャパシタ１１９の他端におけるインピーダンスが極めて高くなる。

その結果、送信信号出力端子１０１より出力された送信信号は、電力増幅部１０６により電力増幅され、方向性結合器１０７、サーキュレータ１０８、キャパシタ１１８、ローパスフィルタ１０９を介してアンテナ１０２より出力される。そしてこのとき、受信信号取得端子１０３には信号が出力されない。なお、方向性結合器１０７より取り出された送信電力は、キャパシタ１２１を介して帰還端子１０５から送信信号処理部１５０に入力され、送信信号の出力レベル制御に使用される。

受信時には、制御端子１０４に電圧は印加されない。従って、制御電流は流れず、第１のＰＩＮダイオード１１０とインダクタ１１４を備える共振回路（アンテナモード切替回路１３２）及び第２のＰＩＮダイオード１１１は高インピーダンスの状態になる。その結果、アンテナ端子１０２より入力された受信信号は、ローパスフィルタ１０９、キャパシタ１１８、サーキュレータ１０８、ローパスフィルタ１３１を介して受信信号取得端子１０３に出力される。このとき、送信信号出力端子１０１には出力されない。

以上のように、アンテナスイッチ回路１００は、送信信号出力端子１０１とアンテナ１０２との接続、あるいは、アンテナ１０２と受信信号取得端子１０３との接続という２つの接続モードを切り替えることができる。

次に、反射波の検出による異常検出方法について説明する。
まず、電力増幅器部１０６の出力信号は方向性結合器１０７より取り出され、送信電力の一部（進行波電力）は、第１固定減衰器１２３により一定レベルまで減衰され、第１検波回路１２５により検波されＤＣ信号（進行波送信電力監視信号）に変換される。

一方、アンテナ１０２側からサーキュレータ１０８の第２ポートＰ２に入力されて第３ポートＰ３へ出力される反射電力は、第１のＰＩＮダイオード１１０を通過して、抵抗１１３により電力吸収される。これにより、サーキュレータ１０８を通過して、電力増幅部１０６への反射波の漏れが阻止される。

また、反射電力は、抵抗１１３とアンテナモード切替回路１３２との間に接続された第２固定減衰器１２４を通過し、第２検波回路１２６により検波され、反射波の大きさに応じたＤＣ信号（反射波監視信号）に変換される。コンパレータ１２７は、第１検波回路１２５により検波される進行波送信電力監視信号と、第２検波回路１２６により検波される反射波監視信号を比較することにより、アンテナのＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）を検出することが可能となる。ＶＳＷＲは、ある機器内を高周波信号が通過するときに信号の一部が回路上で反射されてしまう割合をいう。この値が１の時は全く反射のない理想的な状態を示し、反射が大きいほど数値が大きくなり信号ロスなどが大きいことを示している。一般に、高周波信号を扱う機器では、この数値ができる限り小さくすることが重要になる。

本実施形態では、一般的な車載無線機のアンテナのＶＳＷＲ＜３を想定し、この場合、サーキュレータ１０８を通過してくる反射電力は進行波電力が所定量だけ減衰し、具体的には−６ｄＢ（電力比で１／４）となるため、進行波電力の第１固定減衰器１２３の通過後の減衰率を、反射波電力の第２固定減衰器１２４の通過後の減衰率より上記した所定量、即ち６ｄＢだけ大きくしている。これにより、送信電力にかかわらず、ＶＳＷＲ＞３の場合には、コンパレータ１２７に入力される監視信号は、反射波監視信号が進行波送信電力監視信号より高くなる。

反射波監視信号及び進行波送信電力監視信号の電圧をコンパレータ１２７で比較し、反射波電力が高い場合には、制御部１２８は、アンテナのＶＳＷＲ異常を検出することが可能となる。なお、本実施例では、コンパレータ１２７により比較を行っているが、ＶＳＷＲの値を表示させて、異常を通知するようにしてもよい。

また、本実施形態のアンテナスイッチ回路１００では、反射波は進行波電力の−６ｄＢとなるので、例えば、第１のＰＩＮダイオード１１０を通過する電力が５０Ｗｐｅａｋの場合、第１のＰＩＮダイオード１１０を通過する電力は１２．５Ｗｐｅａｋとなり、第１のＰＩＮダイオード１１０を通過する電力を大幅に減衰させることができ、その結果、第１のＰＩＮダイオード１１０にて発生するＩＭ歪を大幅に軽減することができる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施形態に係る、アンテナスイッチ回路の機能ブロック図である。従来技術に係る、アンテナスイッチ回路の機能ブロック図である。

符号の説明

１００アンテナスイッチ回路
１０１送信信号出力端子（送信信号出力部）
１０２アンテナ
１０３受信信号取得端子（受信信号取得部）
１０４制御端子
１０５帰還端子
１０６電力増幅部
１０７方向性結合器
１０８サーキュレータ
１０９ローパスフィルタ
１１０第１のＰＩＮダイオード
１１１第２のＰＩＮダイオード
１１２、１１３抵抗
１１４、１１６インダクタ
１１７、１１８、１１９、１２０、１２１、１２２キャパシタ
１２３第１固定減衰器
１２４第２固定減衰器
１２５第１検波回路
１２６第２検波回路
１２７コンパレータ
１２８制御部
１３１ローパスフィルタ
１３２アンテナモード切替回路
１３３異常判定回路

Claims

所定のＶＳＷＲ特性を有する送受信用アンテナから送信すべき高周波の送信信号を出力する送信信号出力部と、
前記送受信用アンテナにおいて受信した高周波の受信信号を取得する受信信号取得部と、
前記送信信号出力部からの経路に接続される第１のポートと、前記送受信用アンテナへの経路に接続される第２のポートと、前記受信信号取得部への経路に接続される第３のポートを備え、前記第１のポートに入力した信号を前記第２のポートに出力し、前記第２のポートに入力した信号を前記第３のポートに出力するサーキュレータと、
送信または受信のいずれかの状態に応じた制御信号を出力する制御信号出力部と、
前記制御信号出力部に接続され前記制御信号の電流制限を行う電流制限抵抗と、
前記サーキュレータの前記第３のポートと前記電流制限抵抗との間に設けられ、前記制御信号出力部からの制御信号により前記送信信号の経路と前記受信信号の経路との切り替えを行うスイッチ手段と、
を備えたことを特徴とする無線装置。
前記送信信号出力部から出力された送信信号の進行波を検波する第１の検波部と、
前記サーキュレータの前記第３のポートから出力された前記送信信号の反射波を検波する第２の検波部と、
前記第２の検波部の出力信号が、前記第１の検波部の出力レベルより大きい場合、警報信号を出力する比較部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線装置。
前記電流制限抵抗が、反射波の電力を吸収する反射波吸収用抵抗としての機能を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の無線装置。