JP2010226599A

JP2010226599A - 整合回路

Info

Publication number: JP2010226599A
Application number: JP2009073594A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Yamagishi; 勉山岸
Original assignee: Kenwood KK
Current assignee: Kenwood KK
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【目的】リレースイッチによってインピーダンス素子を切替えて整合を図る整合回路において、必要最小限のウエイト時間の設定を可能とし、迅速に送信動作を開始できる整合回路を提供する。
【構成】この例に示す整合回路１は、送信部（無線送信部）ＴＸからの送信信号を供給する送信部接続端２と、ＳＷＲ（定在波比：Standing Wave Ratio）検出器３と、整合部４と、アンテナを接続するアンテナ接続端５と、整合回路の制御を行うＣＰＵ６と、周囲温度を検出する温度センサ７と、後述するように温度、駆動電圧／電流とリレースイッチの動作速度に関連する情報を記憶したリレー特性データメモリ８と、周波数が設定されたときに整合のために駆動するリレースイッチを記憶した周波数リレーデータメモリ９と、ＣＰＵの指示により所要のリレースイッチを制御するリレードライブ回路１０と、リレースイッチに駆動電圧／電流を供給するリレー駆動電源１１と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、整合回路に関し、詳細には、リレースイッチにより複数の回路素子を切替える手段を備えた整合回路、特にアンテナ整合回路に好適な整合回路に関する。

例えばアマチュア無線用送信機、特に短波帯の無線送信機は、それに接続するアンテナとのインピーダンス整合を行う必要がある。両者のインピーダンスが不整合状態で送信機を駆動すると、不整合の度合いに応じて反射電力が送信機に流入し正常な通信が不可能であるばかりでなく、甚だしい場合は送信電力回路が焼損することがある。
このようなアンテナ整合回路（アンテナチューナと称する場合もある）としては、例えば特許文献１に示されたものが知られている。従来、同特許文献１の図３に記載されているように、送信部出力端とアンテナとの間に、整合状態検出手段としての負荷検出器、可変インピーダンス素子としての可変インダクタや可変キャパシタを含むインピーダンス整合回路、整合状態になるように可変インダクタや可変キャパシタを制御する制御回路を含むアンテナ整合回路を挿入し、負荷検出器によって計測する誤差電圧が零、若しくは最小値になるように、整合回路の可変インピーダンス素子を制御回路によってコントロールしていたが、可変インピーダンス素子の組合せが少ないので、広い範囲のインピーダンス値に亘って整合を行うことが不可能であった。そこで、同特許文献１に開示されたアンテナ整合回路では、複数の可変インピーダンス素子を、複数のリレースイッチで切替えることにより、広い周波数範囲において種々異なる形式のアンテナにも整合できるようにしたものが提案されている。

特開平４-３６８０２２号公報

しかし特許文献１に記載されたようにリレースイッチによって複数の回路素子を選択する整合回路やその調整方法では、以下のような不具合があった。
即ち、リレースイッチはコイルに電流を流して発生する電磁界により鉄片を磁化し、その力で可動接点を機械的に駆動して回路を切替えるので、駆動電圧（電流）値や周囲の温度の影響で動作速度が変動する。リレースイッチに代わりダイオードスイッチや半導体スイッチを使用する方法もあるが、比較的大電力になるとリレースイッチの信頼性に頼らざるを得ない場合が多い。
そこで、従来からリレースイッチを使用する場合には、リレースイッチに駆動電圧／電流を供給した後、完全にリレースイッチが動作し接点が閉接された状態になってから送信電力を出力するように、所要のウエイト時間（待ち時間）を設定していた。これらのウエイト時間は、想定される周囲温度と、駆動電圧範囲の組合せのうち最もリレースイッチの動作が遅い場合に対応できるように、十分に長く設定していた。

図５はこのような従来のウエイト時間設定方法を用いた整合回路の処理手順例を示すフローチャートである。図５において処理がスタートすると、説明を省略するが、設定周波数に対応した回路素子値になるように可変インピーダンス素子が制御された後、リレースイッチに駆動電圧（又は電流）が供給される（Ｓ２１）。上述したようにリレースイッチが完全に閉接されるまでに相当の時間を要するので、予め設定されたウエイト時間が経過したか否かの判断が行われ（Ｓ２２）、ウエイト時間が経過するのを待って（Ｓ２２、Ｙｅｓ）、送信部を起動する（Ｓ２３）。一般的に、送信出力は整合状態検出回路、例えばＳＷＲ（定在波比：Standing Wave Ratio）検出器を使用してインピーダンスマッチングの状態を検出する場合が多い。この例においても、送信電力がＳＷＲ検出器に供給され、ＳＷＲ検出器の動作が定常状態になると（Ｓ２４、Ｙｅｓ）、その時の整合状態に応じた信号が出力される（Ｓ２５）。インピーダンス整合が完全な場合にＳＷＲ＝１となり、不整合の度合いに応じて値が大きくなるので、整合の良否判断のために予め閾値を設定しておき、そのときのＳＷＲ値が閾値より小さいか否かを判断する（Ｓ２６）。ＳＷＲ値が閾値より小さい場合は整合完了として処理を終了する（Ｓ２６、Ｙｅｓ）が、閾値より大きい場合は、再び可変インピーダンス素子の値を制御した後、上述した処理Ｓ２１に戻って、同様の処理を繰返す（Ｓ２６、Ｎｏ）。
しかしながら、従来の整合回路では、上記Ｓ２２における処理が、常に、予め設定された最長のウエイト時間の経過を必要とするので、回路駆動電圧／電流が十分に高く、また周囲温度も厳しくない条件下（例えば、常温）においても、不必要に長いウエイト時間を経た後に送信動作が開始されることになり、迅速な送信が妨げられていた。

本発明は、このような従来の整合回路の不具合を解消するためになされたものであって、リレースイッチを使用する場合であっても、必要最小限のウエイト時間の設定を可能とすることによって迅速に送信動作を開始できる整合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記載の整合回路は、複数の回路素子をリレースイッチにより選択的に切替える手段を備えた整合回路において、上記リレースイッチに供給する駆動電圧値／電流値を検出する駆動電圧センサと、リレースイッチの周囲温度を検出する温度センサと、上記駆動電圧値／電流値及び／又は周囲温度とリレースイッチの駆動開始からリレースイッチの接点の接触までの動作時間特性を示すデータを記憶したリレースイッチ特性メモリと、リレースイッチを動作させる際に、上記駆動電圧センサ、温度センサによって検出した情報と上記リレースイッチ特性メモリのデータとに基づいて整合回路のウエイト時間を決定するウエイト時間制御手段と、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に記載の整合回路において、上記整合回路が、無線送信部とアンテナとの間に挿入され、両者のインピーダンス整合状態を検出する整合状態検出手段により整合を図るものであって、上記ウエイト時間制御手段により定められたウエイト時間経過後に上記無線送信部を起動する手段とを備えたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の整合回路において、上記複数の回路素子はインダクタ又はキャパシタからなり、リレースイッチによって直列又は並列に接続されるものであり、所要のリレースイッチをオン／オフすることによってＴ型、Ｌ型、π型のインピーダンス整合回路を形成し、上記無線送信部とアンテナ間のインピーダンス整合を行うものであることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の整合回路において、前回検出した駆動電圧値／電流値及び／又は周囲温度を記憶する手段を備え、上記制御手段がウエイト時間を決定する際に検出した駆動電圧値／電流値及び／又は周囲温度と、前記以前検出した値との差が所定範囲以内である場合は、新たにウエイト時間設定処理を行うことなく、前回設定したウエイト時間を採用する処理手段を備えたことを特徴とする。

本発明は以上のように、複数の回路素子をリレースイッチによって選択的に切替える手段を備える整合回路において、使用するリレースイッチの温度や駆動電圧、電流とリレースイッチの動作特性、特に、動作時間特性を記憶しておき、リレースイッチ動作時に検出する周囲温度、駆動電圧／電流の検出結果と上記記憶情報とから必要なウエイト時間を決定し、そのウエイト時間経過を待って送信部を起動するように構成するものである。従って、その時々において必要最小限のウエイト時間が設定されるので、迅速に送信動作に移行することが可能となる。

本発明の整合回路の一例を示すブロック図。本発明において使用するリレースイッチ特性例を示す図で、（ａ）は周囲温度と感動・開放電圧の変化率を示す特性図、（ｂ）は周囲温度と動作・復旧時間の変化率を示す特性図。本発明において使用するリレースイッチの周囲温度とコイル電圧との関係の例を示す特性図。本発明を使用した無線送信機の制御例を示すフローチャート。従来の整合回路を使用した無線送信機の制御例を示すフローチャート。

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。
図１は、本発明に係る整合回路の一例を示すブロック図である。この例に示す整合回路１は、送信部（無線送信部）ＴＸからの送信信号を供給する送信部接続端２と、ＳＷＲ（定在波比：Standing Wave Ratio）検出器３と、整合部４と、アンテナを接続するアンテナ接続端５と、整合回路の制御を行うＣＰＵ６と、周囲温度を検出する温度センサ７と、後述するように温度、駆動電圧／電流とリレースイッチの動作速度に関連する情報を記憶したリレー特性データメモリ８と、周波数が設定されたときに整合のために駆動するリレースイッチを記憶した周波数リレーデータメモリ９と、ＣＰＵの指示により所要のリレースイッチを制御するリレードライブ回路１０と、リレースイッチに駆動電圧／電流を供給するリレー駆動電源１１と、を備えている。

また、この例に示す整合部４は、上記ＳＷＲ３とアンテナ接続端５との間に直列に、第一のリレースイッチＲＬ１、第一のコンデンサ（キャパシタ）Ｃ１、第二のリレースイッチＲＬ２、第二のコンデンサＣ２が接続され、第一のリレースイッチＲＬ１とコンデンサＣ１の直列回路には並列に、第三のリレースイッチＲＬ３とコンデンサＣ３との直列回路と、第四のリレースイッチＲＬ４とコンデンサＣ４との直列回路が接続され、同様に、上記第二のリレースイッチＲＬ２とコンデンサＣ２の直列回路には並列に、第五のリレースイッチＲＬ５とコンデンサＣ５の直列回路と、第六のリレースイッチＲＬ６とコンデンサＣ６との直列回路が接続されている。
更に、上記第一と第二のリレースイッチとコンデンサの直列回路の接続点と接地間に、第一乃至第三のコイル（インダクタ）Ｌ１乃至Ｌ３が接続され、コイルの接続点の二カ所は、夫々第７、第８のリレースイッチＲＬ７、ＲＬ８を介して接地されるように構成されている。即ち、この整合部４は等価的にコンデンサとコイルのＴ型整合回路を構成し、リレースイッチＲＬ１乃至ＲＬ８のオン／オフの組合せによって夫々のキャパシタンス、インダクタンスの合計値を制御するものである。

例えば、無線送信機の操作者が送信周波数を決定すると、その設定情報がＣＰＵ６に伝達され設定された送信周波数に対して、整合部４の駆動すべきリレースイッチが周波数リレーデータメモリ９から読み出され、リレードライブ回路１０に供給される。リレードライブ回路１０は指定されたリレースイッチの駆動コイルに電流が流れるように、内部の半導体回路網を制御する。図示した整合部４では、コンデンサに直列接続したリレースイッチを閉接すると容量値が加算されて増加し、コイルに接続したリレースイッチを閉接するとコイルが短絡されるのでインダクタンスは小さくなる。上記周波数リレーデータメモリ９には、予め、夫々の周波数領域に対するリレースイッチの開閉データが記録されている。CPUがあらかじめ夫々の周波数領域で決めた組み合わせ、たとえば初期値としては規定インピーダンス50Ωで整合する組み合わせ、もしくは前回その周波数領域で整合が完了した組合せから整合動作を開始する。図示はしていないが、負荷に対しての電流位相、電圧位相の検出器、電流振幅と電圧振幅の検出器もSWR検出器には含まれていて、これら検出器の情報を元に、現在接続されたアンテナに整合する定数に近づく方向を判断して定数を変更していき、最終的に整合状態（SWRが閾値以下）となり動作完了となる。
本発明の特徴は、リレー特性データメモリ８に、使用するリレースイッチＲＬ１乃至ＲＬ８の駆動開始からリレースイッチの接点の接触までの動作速度情報と温度や駆動電圧との関係を記憶しておき、リレースイッチを動作させる際のウエイト時間を、これらのデータに基づいて計算、又は決定することである。以下、このことについて詳細に説明する。

図２は、周囲温度とリレースイッチの動作特性の例を示す図であり、（ａ）は温度とリレースイッチの感動・開放電圧の変化率を示す特性図、（ｂ）は温度と動作・復旧時間の変化率を示す特性図である。この図において実線が感動動作、破線が開放、復旧動作を示し、基準温度２０℃の値を１００（％）として、約−４０℃乃至＋８０℃の範囲について特性を示している。これらの特性図から以下のことが分かる。即ち、図２（ａ）では、温度が高くなるとリレースイッチの感動・開放電圧値が２０℃に比べて大きくなるので、動作が鈍くなる（スイッチング速度が遅くなる）ことが分かる。また、図２（ｂ）でも同様に、高温度になるに従って、動作・復旧時間の割合が大きくなるので、閉接、開放ともに遅くなることが分かる。なお、動作・復旧時間や感動・開放電圧等の語句の意味についてはリレースイッチの特性情報とともに、リレースイッチ製造メーカ等から資料が入手可能であるので参照することができる。

また、図３は、周囲温度とリレースイッチの駆動コイルの電圧との関係例を示す図で、最小感動電圧、感動電圧ともに温度が高くなるに従って、電圧値が大きくなることが分かる。
上記リレー特性データメモリ８には、使用するリレースイッチの温度と動作速度との関係から、必要なウエイト時間を決定するためのデータが記憶されている。なお、処理を簡単にするために、周囲温度、駆動電圧の何れか一方のみについて使用することもできるが、両者の関係に基づいてウエイト時間を決定する方が、本発明の効果は高くなる。

図４は、本発明に係る整合回路の制御例を示すフローチャートである。この例に示す制御では、処理がスタートすると、ＣＰＵ６は、整合回路の周囲温度、又は、リレースイッチに密接させてリレースイッチ自体の温度、を検出する温度センサ７からのデータを取り込む（Ｓ１）。次に、リレー駆動電源１１の駆動電圧を検出し（Ｓ２）、上述したリレー特性データメモリ８から読み出した情報に基づいてウエイト時間を設定する（Ｓ３）。なお、どのリレースイッチを動作させるかについては、既に説明したように、周波数リレーデータメモリ９によって決定されているものとする。
ウエイト時間が決定されると、選択したリレースイッチに駆動電圧／電流を供給して動作させる（Ｓ４）とともに、決定したウエイト時間の経過を待って（Ｓ５、Ｙｅｓ）、送信を開始する（Ｓ６）。送信の開始は、ＣＰＵ６から送信部ＴＸに送信開始信号を供給すればよい。送信部が起動すると従来通り整合状態検出手段であるＳＷＲ検出器の動作が安定するまでの時間を経て（Ｓ７、Ｙｅｓ）、ＳＷＲ値を検出し（Ｓ８）、その値が、予め設定した閾値以下であるか否かを判断し（Ｓ９）、閾値以下であれば整合処理完了であるので、処理を終了する（Ｓ９、Ｙｅｓ）が、閾値以上である場合は、フローチャートの最初に戻って、リレースイッチの組合せを変更した後、同様の処理を繰返す（Ｓ９、Ｎｏ）。なお、短時間の間に処理を繰返す場合は、温度計測、電圧計測を省略することができるので、そのようなフローチャートに変更することもできる。

以上説明したように、リレースイッチを動作させる際に、周囲温度や駆動電圧値を検出し、夫々に対応した必要最小限のウエイト時間を設定するように構成すれば、従来のように予め設定された最長のウエイト時間の経過を待つ必要がないので、迅速な送信操作が可能である。
なお、アンテナ整合回路としては、図１に示したものに限定することなく種々変形が可能である。例えば、キャパシタ（容量）とリレーの関係は、直列接続に限らず並列接続するものであってもよく、インダクタ（コイル）とリレースイッチとを直列接続する場合も考えられるであろう。更に、整合部の構成も、周知のようにＴ型に限らず、Ｌ型、逆Ｌ型、π型等々、種々のものが採用できる。

また、図４に示したフローチャートに限らず、処理手順についても種々変形が可能である。例えば、温度検出や駆動電圧を検出する前に、選択したリレースイッチに駆動電圧／電流を供給するとともに、駆動電圧／電流を供給後の経過時間を計測しておき、ウエイト時間が決定したら既に経過した時間を含めてウエイト時間の経過を計算するように構成すれば、駆動電圧や温度計測処理時間をウエイト時間に吸収して、より迅速化を図ることができる。また、常時、所定間隔で温度や駆動電圧を計測しておき、その結果を利用するものであっても、同様に迅速化をはかることが出来る。あるいは、以前検出した駆動電圧値／電流値及び／又は周囲温度を記憶する手段を備えておき、使用するリレースイッチが同一である場合、又は、異なるリレースイッチを選択する場合であっても特性が同一である場合は、制御手段がウエイト時間の決定処理を開始する前に新たに検出した駆動電圧値／電流値、周囲温度を、以前検出した値と比較し、両者の差が所定範囲以内である場合は、新たにウエイト時間設定処理を行うことなく以前設定したウエイト時間を採用するように構成することもできる。この構成によれば、ウエイト時間を設定する処理時間が不要となるので、更に、迅速な送信操作が可能となる。

本発明は上述したようなアンテナ整合回路に限定する必要はなく、リレースイッチを用いて回路素子を切替える場合に、広く採用可能である。例えば、オーディオ装置のパワーアンプでは、電源投入後しばらくの間出力回路を遮断しておき、所要時間経過後に回路を閉接するためにリレースイッチを使用する場合があるので、その場合においても同様に本発明を使用することが出来るであろう。
また、上述した本発明の処理手順を実現するプログラムやデータを構築し、それらをマイクロコンピュータや所要のメモリ装置を搭載した電子機器にインストールすることによって、その電子装置内部のリレースイッチ制御に使用することも可能である。そのような処理を行うための必要なプログラムやデータ記憶用メモリを備えたワンチップマイクロコンピュータとして構築し、適宜、使用するリレースイッチの特性データをメモリに記憶して利用することも可能であろう。特に、アマチュア無線用通信機では、操作者が自分の好みに合わせて種々工夫した形態で使用する場合が多いので、利用面での多様性に応えることが出来るであろう。

１整合回路、２送信部接続端、３ＳＷＲ検出器、４整合部、５アンテナ接続端、６ＣＰＵ、７温度センサ、８リレー特性データメモリ、９周波数リレーデータメモリ、１０リレードライブ回路、１１リレー駆動電源、ＴＸ送信部、ＲＬ１乃至ＲＬ８リレースイッチ、Ｃ１乃至Ｃ６コンデンサ（キャパシタ）、Ｌ１乃至Ｌ３コイル（インダクタ）

Claims

複数の回路素子をリレースイッチによって選択的に切替える手段を備えた整合回路において、前記リレースイッチに供給する駆動電圧値／電流値を検出する駆動電圧センサと、リレースイッチの周囲温度を検出する温度センサと、前記駆動電圧値／電流値、及び／又は周囲温度とリレースイッチの動作時間特性を示すデータを記憶したリレースイッチ特性メモリと、リレースイッチを動作させる際に、前記駆動電圧センサ、温度センサによって検出した情報と前記リレースイッチ特性メモリのデータとに基づいて当該整合回路のウエイト時間を決定するウエイト時間設定手段と、を備えたことを特徴とする整合回路。
請求項１に記載の整合回路において、前記整合回路が、無線送信部とアンテナとの間に挿入され両者のインピーダンス整合を図るものであって、前記ウエイト時間設定手段により定められた前記ウエイト時間経過後に前記無線送信部を起動する手段とを備えたことを特徴とする整合回路。
請求項１又は２に記載の整合回路において、前記複数の回路素子はインダクタ又はキャパシタからなり、リレースイッチによって直列又は並列に接続されるものであり、所要のリレースイッチをオン／オフすることによってＴ型、Ｌ型、π型のインピーダンス整合回路を形成し、前記無線送信部とアンテナ間のインピーダンス整合を行うものであることを特徴とする整合回路。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の整合回路において、前回検出した駆動電圧値／電流値、及び／又は周囲温度を記憶する手段を備え、前記制御手段がウエイト時間を決定する際に検出した駆動電圧値／電流値、及び／又は周囲温度と、前記以前検出した値との差が所定範囲以内である場合は、新たにウエイト時間設定処理を行うことなく、前回設定したウエイト時間を採用する処理手段を備えたことを特徴とする整合回路。