JP2012083301A

JP2012083301A - Ｉｆｍ装置

Info

Publication number: JP2012083301A
Application number: JP2010231529A
Authority: JP
Inventors: Haruo Kojima; 治夫小島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2012-04-26

Abstract

【課題】高周波入力信号の入力レベルが変動しても周波数測定が高精度かつ短時間で行えるＩＦＭ装置を提供すること。
【解決手段】実施形態のＩＦＭ装置は、高周波信号が入力されるリミッティング増幅器と、前記リミッティング増幅器の出力を２分配する高周波分配器と、前記高周波分配器の第1の出力が入力される固定減衰器と、前記高周波分配器の第２の出力が入力される遅延回路と、前記固定減衰器の出力が高周波入力端子に入力され、前記遅延回路の出力が局部発振入力端子に入力される位相検波器と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、周波数を測定するＩＦＭ装置に関する。

従来のＩＦＭ（Instantaneous Frequency Measurement）装置は、高周波分配器と遅延回路と位相検波器から構成されるのが一般的である。このようなＩＦＭ装置では、入力される高周波信号を高周波分配器で分配し、一方の高周波信号は直接、位相検波器の高周波入力端子に、もう一方の高周波信号は遅延回路を介して位相検波器の局発入力端子に同時に入力する。位相検波器では、検出される位相の変化を同期検波することにより、高周波信号の周波数に対応した直流電圧を出力する機能を有している（例えば特許文献１）。

従来のＩＦＭ装置は、高周波入力信号のレベルが一定の場合は問題とならないが、高周波信号の入力レベルが変動した場合、位相検波器の中間周波の出力電圧が変化し周波数の測定精度が悪化してしまう問題がある。

例えば、一般的に位相検波器の局発入力レベルに対するレベル変動の影響は少なく、局発入力が６ｄＢ程度変動しても、中間周波出力の電圧レベルの変動は０．５ｄＢ以下と小さい。一方、高周波入力レベルに対するレベル変動の影響は大きく、高周波入力レベルが６ｄＢ変動すると、中間周波出力の電圧レベルも同じく６ｄＢ程度変動してしまう。従って高周波入力レベルのレベル変動が周波数の測定精度を悪化させるという問題がある。

特開２００７−３０４０６０号公報

本発明が、解決しようとする課題は、高周波信号の入力レベルが変動しても周波数測定が高精度で行えるＩＦＭ装置を提供することである。

上記課題を達成するために、実施形態のＩＦＭ装置は、高周波信号が入力されるリミッティング増幅器と、前記リミッティング増幅器の出力を２分配する高周波分配器と、前記高周波分配器の第1の出力が入力される固定減衰器と、前記高周波分配器の第２の出力が入力される遅延回路と、前記固定減衰器の出力が高周波入力端子に入力され、前記遅延回路の出力が局部発振入力端子に入力される位相検波器と、を有することを特徴とする。

第１の実施形態に係るＩＦＭ装置のブロック構成図。第２の実施形態に係るＩＦＭ装置のブロック構成図。第３の実施形態に係るＩＦＭ装置のブロック構成図。同実施形態に係る高周波分岐器の例。（ａ）は、抵抗分岐による構成例、（ｂ）は方向性結合器による構成例。同実施形態に係る高周波分岐器の変形例。

以下、発明を実施するための実施形態について図１から図５を参照しながら詳細に説明する。

（第1の実施形態）
第1の実施形態のＩＦＭ装置のブロック構成図を図１に示す。図１に示すように、第１の実施形態のＩＦＭ装置は、リミッティング増幅器１１、高周波分配器１２、固定減衰器１３、遅延回路１４ａ、位相検波器１５から構成される。

周波数を測定する高周波信号は入力端子ＩＮを介してリミッティング増幅器１１の入力に接続される。リミッティング増幅器１１の出力は高周波分配器１２に入力され、２分配される。この高周波分配器１２の第１の出力は固定減衰器１３を介して位相検波器１５の高周波入力端子ＲＦに接続されている。一方、高周波分配器１２の第２の出力は遅延回路１４ａを介して位相検波器１５の局発入力端子ＬＯに接続されている。また、位相検波器１５の出力は、出力端子ＯＵＴから出力される。

（回路動作）
次に、本実施形態の周波数測定装置の回路動作についての説明を行う。

入力端子ＩＮから入力される高周波信号はリミッティング増幅器１１のリミッティングレベルまで増幅される。リミッティングレベルまで増幅された高周波信号は、高周波分配器１２に入力され、その第１の出力は固定減衰器１３に入力される。

固定減衰器１３を使用するのは、後段の位相検波器１５の高周波入力端子ＲＦに入力される信号を、検波動作が安定する規定の入力レベルにするためである。位相検波器１５の特性にもよるが、通常は位相検波器１５の利得が、１ｄＢ圧縮となる入力電力から５ｄＢ程度低い値まで減衰させて位相検波器１５の高周波入力端子ＲＦに入力する。一方、高周波分配器１２の第２の出力は、遅延回路１４で一定時間遅延し、位相検波器１５の局部発振入力端子ＬＯに入力される。位相検波器１５では、検出される位相差が同期検波されて周波数に対応した直流電圧に変換される。

ここで、入力端子ＩＮから入力される高周波信号のレベルが変動しても、リミッティング増幅器１１の働きにより、リミッティング増幅器１１の出力レベルを一定とすることができる。すなわち、位相検波器１５の高周波入力レベル、局発入力レベルは共に一定に保たれるため、位相検波器１５で同期検波される直流電圧も一定となり、周波数測定精度が悪化することを防止できる。

ここで、リミッティング増幅器１１は、後段に接続される位相検波器１５の局部発振入力端子ＬＯに入力される信号が、位相検波に最適な信号レベルとなるよう制限（リミッティング）がかかるような、リミッティング特性を持つものが用いられる。通常、局部発振入力端子ＬＯに入力される信号は、飽和領域で動作させるため、例えば１０ｄＢｍ〜２０ｄＢｍ程度の比較的大電力の入力レベルが必要である。

一方、高周波信号入力端子ＲＦに入力される信号は、線形動作させるため前述のように、１ｄＢ圧縮から５ｄＢ程度低い入力レベルとする必要があり、例えば−１０ｄＢｍ程度の入力レベルが位相検波に最適である。従って、固定減衰器１３により最適なレベルまで減衰させて高周波信号入力端子ＲＦに入力する。

また、位相検波器１５に入力される信号の入力レベル変動を抑えるという目的においては、リミッティング増幅器１２の代わりに高利得な線形増幅器を用い、位相検波器１５に入力される信号の入力レベルを一定するように利得を制御することにより、ＡＬＣ（Auto Level Control）動作を行うことも考えられる。しかし、ＡＬＣ動作を行うためには、入力信号のレベルを検出する検出回路や、増幅器の利得を制御するためのフィードバック回路などが必要になり装置の小型化、低価格化には向かないという問題がある。

本実施形態のＩＦＭ装置においては、高周波入力端子ＲＦと局部発振入力端子ＬＯに入力される信号の位相差を位相検出器１５で検波することから、使用する増幅器の線形性は余り重要でなく増幅段階である程度の波形歪が生じても構わない。重要なことは、高周波信号の入力レベルが変化してもほぼ一定の出力レベルを維持し、高周波分配器１２から出力される２つの出力の位相差が保たれることである。この点で位相検波器１５を有するＩＦＭ装置において、リミッティング増幅器は最適な増幅器といえる。

リミッティング増幅器１１の一例として４０ｄＢの小信号利得を持つＭＭＩＣ形リミッティング増幅器を使用した場合、入力電力が４０ｄＢ程度変動しても、出力電力の変動は０．３ｄＢ程度に抑圧できる。また、このリミッティング増幅器を２個従属接続する事により、入力電力の変動範囲（ダイナミックレンジ）を８０ｄＢ程度まで拡大することができる。

以上のべたように第１の実施形態によれば、高周波信号の入力レベルが変動しても、位相検波器の高周波入力レベル、局部発振入力レベルは共に一定に保たれるため、周波数測定精度を保つことが可能である。

また、リミッティング増幅器を多段に接続することによりダイナミックレンジを大幅に拡大できる。

さらに、比較的低価格なリミッティング増幅器は、レベルを一定にするＡＬＣ回路などの周辺回路を必要とせず、十分な性能向上が図られるため小型化、低価格化に大きく貢献する。

次に第１の実施形態に対する変形例について述べる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形の遅延回路１４ａを、固定減衰器１３と位相検波器１５との間に挿入したものである。

第２の実施形態のＩＦＭ装置のブロック構成図を図２に示す。図２に示すように、第２の実施形態のＩＦＭ装置は、リミッティング増幅器１１、高周波分配器１２、固定減衰器１３、遅延回路１４ｂ、位相検波器１５から構成される。

周波数を測定する高周波信号は入力端子ＩＮを介してリミッティング増幅器１１の入力に接続される。リミッティング増幅器１１の出力は高周波分配器１２に入力され、２分配される。この高周波分配器１２の第１の出力は固定減衰器１３と遅延回路１４ｂを介して位相検波器１５の高周波入力端子ＲＦに接続されている。一方、高周波分配器１２の第２の出力は位相検波器１５の局部発振入力端子ＬＯに直接接続されている。そして、位相検波器１５の出力は、出力端子ＯＵＴから出力される。

固定減衰器１３を使用するのは、後段の位相検波器１５の高周波入力端子ＲＦに入力される信号を、検波動作が安定する規定の入力レベルにするためである。位相検波器１５の特性にもよるが、通常は位相検波器１５の利得が１ｄＢ圧縮となる入力電力から５ｄＢ程度低い値まで減衰させ、遅延回路１４ｂで一定時間遅延した後、位相検波器１５の高周波入力端子ＲＦに入力する。一方、高周波分配器１２の第２の出力は、直接位相検波器１５の局部発振入力端子ＬＯに入力される。位相検波器１５では、検出される位相差が同期検波されて周波数に対応した直流電圧に変換される。

ここで、入力端子ＩＮから入力される高周波信号のレベルが変動しても、リミッティング増幅器１１の働きにより、リミッティング増幅器１１の出力レベルを一定とすることができる。すなわち、位相検波器１５の高周波入力レベル、局部発振入力レベルは共に一定に保たれるため、位相検波器１５で同期検波される直流電圧も一定となり、周波数測定精度が悪化することを防止できる。

第１の実施形態および第２の実施形態においては、高周波分配器１２の第1出力後に固定減衰器１３を設けている。高周波特性に優れた固定減衰器１３は、一般的には伝送線路と薄膜材料などの抵抗を使用した分布定数型の固定減衰器であるため、この伝送線路長に対する遅延量が発生している。

位相検波器１５の高周波入力端子ＲＦと局部発振入力端子ＬＯに入力される高周波信号の信号間の位相差は、通常、測定する高周波信号の周波数範囲（帯域）の4/λに相当する長さに対応する遅延量が設定される。

従ってこの固定減衰器の遅延量によっては、固定減衰器１３と位相検波器１５の間に遅延回路を挿入した方が遅延量の調整において利便性がよい場合が存在する。

以上のべたように第２の実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加え、位相検波の遅延量の調整に利便性が生ずる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１の実施形態の高周波分配器１２を、高周波分岐器３１に変え、固定減衰器１３を廃したものである。

第２の実施形態のＩＦＭ装置のブロック構成図を図３に示す。図３に示すように、第３の実施形態のＩＦＭ装置は、リミッティング増幅器１１、高周波分岐器３１、遅延回路１４ｃ、位相検波器１５から構成される。

周波数を測定すべき高周波信号は入力端子ＩＮを介してリミッティング増幅器１１の入力に接続される。リミッティング増幅器１１の出力は高周波分岐器３１の入力端子Ａに入力され、この高周波分岐器３１の第１の出力は出力端子Ｂから出力され、位相検波器１５の高周波入力端子ＲＦに接続されている。一方、高周波分岐器３１の第２の出力は出力端子Ｃから出力され、遅延回路１４ｃを介して位相検波器１５の局部発振入力端子ＬＯに接続されている。そして、位相検波器１５の出力は、出力端子ＯＵＴから出力される。

ここで、第１の実施形態または、第２の実施形態における各構成部品の入出力のレベルダイヤの具体例について図１を参照して説明する。入力端子ＩＮに入力される高周波信号の最小受信レベルは例えば−８０ｄＢｍ程度とする。利得５０ｄＢのリミッティング増幅器１１を２段、縦列に接続して１００ｄＢの利得を持つとすると、高周波分配器１２の入力レベルは＋２０ｄＢｍとなり、２分配されて約１７ｄＢｍが出力される。また、位相検波器１５の高周波入力端子ＲＦに入力される最適なレベルは、−１０ｄＢｍ程度であるとすると、約２７ｄＢ程度の減衰量が必要となる。

このようにリミッティング増幅器１１で１００ｄＢ増幅しても２７ｄＢ減衰させる必要があるため実質７３ｄＢの増幅率となり消費電力の効率的運用となっていない。

従って、第３の実施形態においては、高周波分配器１２と固定減衰器１３を廃し、その代りに高周波分岐器３１を用いる。

図４は、高周波分岐器の例を示す。図４（ａ）は、抵抗分岐による構成、図４（ｂ）は方向性結合器による構成例を示す。

図４（ａ）の抵抗分岐を用いた高周波分岐回路３１の構成例は、入力端子Ａに抵抗Ｒ１が接続され、さらにＲ２とＲ３が並列接続され、それぞれが出力端子Ｂ，Ｃとなっている。この抵抗分岐方法では、Ｒ２とＲ３の抵抗比をとることにより、出力端子Ｂと出力端子Ｃに出力される信号の分岐比が決定される。５０Ω測定系において簡単な例を示すと、Ｒ１＝Ｒ３＝０、Ｒ２＝４５０Ωで２０ｄＢの分岐比が得られる。

図４（ｂ）の方向性結合器による高周波分岐回路３１の構成例は、抵抗分岐の例に比べて周波数特性が良好である。伝送線路ＴＲＬ１と伝送線路ＴＲＬ２を、コンデンサＣ１を用いてカップリングさせた４端子回路である。コンデンサＣ１は集中定数として配置しても構わないし、伝送線路ＴＲＬ1とＴＲＬ２を隣接させ伝送線路間の容量（電磁結合）によってカップリングさせてもよい。このカップリングの程度によって出力Ｂと出力Ｃの分岐比が決定される。

図５は、高周波分岐器３１のさらなる変形例を示す。図５は、図３の点線の領域３２で示すように、高周波分岐回路３１に遅延回路１４ｃを組み込んだものである。すなわち、図４（ｂ）の方向性結合器を用いた高周波分岐回路３１の伝送線路ＴＲＬ２と、遅延回路１４ｃを構成する遅延回路とを１つの伝送路ＴＲＬ３として構成したものである。このような遅延回路を含んだ構成３２にすることによりさらに構成が簡単になり、小型化が達成される。

回路の動作については、第１の実施形態と同じであるため省略する。

以上述べたように第３の実施形態によれば、第1および第２の実施形態の効果に加え、固定減衰器１３を使用しないため、装置の小型と低消費電力化に貢献する。

以上説明した実施形態の周波数測定装置によれば、高周波信号の入力レベルが変動しても、位相検波器の高周波入力レベル、局部発振入力レベルは共に一定に保たれるため、周波数測定精度を保つことが可能である。

本発明は、上記実施態様に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、第1および第２実施形態において差動出力のリミッティング増幅器を用いた場合には、高周波分配器は不要になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…リミッティング増幅器
１２…高周波分配器
１３…固定減衰器
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…遅延回路
１５…位相検波器
３１…高周波分岐器

Claims

高周波信号が入力されるリミッティング増幅器と、
前記リミッティング増幅器の出力を２分配する高周波分配器と、
前記高周波分配器の第1の出力が入力される固定減衰器と、
前記高周波分配器の第２の出力が入力される遅延回路と、
前記固定減衰器の出力が高周波入力端子に入力され、前記遅延回路の出力が局部発振入力端子に入力される位相検波器と、
を有することを特徴とするＩＦＭ装置。
高周波信号が入力されるリミッティング増幅器と、
前記リミッティング増幅器の出力を２分配する高周波分配器と、
前記高周波分配器の第1の出力が入力される固定減衰器と、
前記固定減衰器の出力が入力される遅延回路と、
前記遅延回路の出力が高周波入力端子に入力され、前記高周波分配器の第２の出力が局部発振入力端子に入力される位相検波器と、
を有することを特徴とするＩＦＭ装置。
高周波信号が入力されるリミッティング増幅器と、
前記リミッティング増幅器の出力を所定の分岐比で２分岐する高周波分岐器と、
前記高周波分岐器の分岐比の高い出力が入力される遅延回路と、
前記高周波分岐器の分岐比の低い出力が高周波入力端子に入力され、前記遅延回路の出力が局部発振入力端子に入力される位相検波器と、
を有することを特徴とするＩＦＭ装置。
前記高周波分岐器内に前記遅延回路が内蔵されることを特徴とする請求項３記載のＩＦＭ装置。
前記リミッティング増幅器を多段接続することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のＩＦＭ装置。