JP2012222440A - 無線機 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ負荷の影響で発生する送信電力の変動を抑制できる無線機を提供する。
【解決手段】送信部からの送信出力を受ける方向性結合器と、方向性結合器からの送信出力を移相して送信する移相器と、方向性結合器からの送信出力の一部を検波する検波器と、移相器の位相差を０度および９０度とした際の検波器の検波電力の差分に基づいて、送信出力を停止する制御部をもつ無線機。
【選択図】図２

Description

この発明は、方向性結合器によって送信電力の一部を検波することで、アンテナから発射する送信電力を所定の範囲内に保つことができる無線機に関する。

従来の無線機において、方向性結合器を設けることにより、送信電力の一部を抽出することができる。これにより、抽出した送信電力を検波すれば、アンテナから送信される電力をモニタすることができるため、モニタした結果に応じて所望の送信電力に制御することが可能になる。

特許文献１は、送信電力制御を行う無線機の一例を示す技術が開示されている。

特開２０００−２８６６５５号公報

従来の、方向性結合器を使用して、検波電力の大きさを基準にして送信電力を所定の範囲内に保つ機能を有す無線機において、方向性が充分ではない方向性結合器を搭載し、無線機の特性インピーダンスに整合していないアンテナを接続した場合、接続ケーブルの長さによって送信電力が変動する場合がある。

本発明は、アンテナ負荷の影響で発生する送信電力の変動を抑制することができる無線機を提供することを目的とする。

課題を解決するための一実施形態は、
送信部からの送信出力を受ける方向性結合器と、
前記方向性結合器からの送信出力を移相して送信する移相器と、
前記方向性結合器からの送信出力の一部を検波する検波器と、
前記移相器の位相差を０度および９０度とした際の前記検波器の検波電力の差分に基づいて、前記送信出力を停止する制御部と、を具備することを特徴とする無線機である。

この実施形態によれば、ケーブル長さ等のアンテナ負荷に由来する送信電力の変動を抑制することができる無線機を提供する。

本発明の第１の実施形態である無線機の構成の一例を示す回路図。 本発明の第２の実施形態である無線機の構成の一例を示す回路図。 本発明の第３の実施形態である無線機の構成の一例を示す回路図。 接続ケーブルの位相（長さ）と検波電力Ｐｄの関係の一例を示すグラフ。 図４のグラフの第２波形の第１結合度と第２結合度を示す説明図。 図４のグラフの第３波形の第３結合度と第４結合度を示す説明図。 移相器が単数の場合の送信電力の制御処理の一例を示すフローチャート。 移相器が複数の場合の送信電力の制御処理の一例を示すフローチャート。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
初めに、図１は、本発明の第１の実施形態である無線機の構成の一例を示す回路図、図２は、同じく本発明の第３の実施形態である無線機の構成の一例を示す回路図、図３は、同じく本発明の第３の実施形態である無線機の構成の一例を示す回路図である。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態に係る無線機１は、図１に示すように、送信部１１と、送信部１１からの送信信号を増幅するアンプ１２と、アンプ１２の後段に第１ポートが接続される方向性結合器１４と、この方向性結合器１４の第２ポートの後段に設けられる接続ケーブル２０と、接続ケーブル２０の後段に設けられるパラボラアンテナ等のアンテナ２１を有している。また、無線機１は、方向性結合器１４の第４ポートとグランドの間に設けられる抵抗１３と、方向性結合器１４の第３ポートが接続される検波器１５と、検波器１５と基準電圧１６が接続されその出力がアンプ１２に供給されている比較器１７を有している。

このような構成を持つ無線機１において、方向性結合器１４は、方向性結合器１４の第１ポートから入射された電力の一部を第３ポートへ伝送する機能を有す。また、第１ポートから入射された電力の一部を第３ポートへ伝送する電力と、第２ポートから入射された電力の一部を第３ポートへ伝送する電力の比は方向性と呼ばれ、方向性結合器の重要な性能指標となる。

このような構成をもつ無線機１において、無線機内部の増幅器１２で増幅した送信電力は、方向性結合器１４および接続ケーブル２０を経由してアンテナ２１から発射される。このとき方向性結合器１４の第３ポートへ伝送された検波電力は検波器１５で検波電圧に変換され、基準電圧１６に対して比較器１７で比較し、所定の範囲内の検波電力が得られるように増幅器１２の増幅率を制御することで、アンテナ２１から発射する送信電力を所定の範囲内に保つことができる。

・インピーダンス不整合
次に、第１実施形態に係る無線機のインピーダンス不整合について述べる。図４に示すグラフは、図１における方向性結合器１４（特性インピーダンス５０Ω）に対して、負荷が２５Ω（ＶＳＷＲ＝２）、５０Ω（ＶＳＷＲ＝１）、７５Ω（ＶＳＷＲ＝１．５）となるアンテナを接続した場合に方向性結合器１４の第３ポートで得られる結合度Ｃを、接続ケーブル２０の位相（長さ）に対して計算したシミュレーション結果を表している。図４のグラフにおいて、第１波形Ｓ１は負荷５０Ωのアンテナを接続した場合の波形、第２波形Ｓ２は負荷７５Ωを接続したときの波形、第３波形Ｓ３は負荷２５Ωのアンテナを接続した場合の波形を示す。

図４が示すグラフの縦軸は、方向性結合器１４の結合度Ｃを、横軸は接続ケーブル２０の長さに対応する位相φ［度］を示す。接続ケーブル２０の長さと位相の関係は、位相φ［度］＝｛（接続ケーブルの長さＬ）÷（波長×接続ケーブルの波長短縮率）｝×３６０［度］の関係がある。

方向性結合器１４のシミュレーションの一例として、周波数３６０ＭＨｚで、誘電率４．８、厚み０．６ｍｍの基板上に、第１ポートと第２ポートを有す第１の線路（線路幅１．１ｍｍ）と、片側を５０Ωで終端した第４ポートと第３ポートを有する第２の線路（線路幅０．５ｍｍ）を間隔０．３ｍｍ、長さ２１．５ｍｍで平行に配置した平面回路の構成とした場合を示す。尚、計算には回路シミュレータ：ＡＤＳ（Advanced Design System）（Ａｇｉｌｅｎｔ社）を使用している。

この状態で構成した方向性結合器１４（特性インピーダンス５０Ω）は、結合度−２２．９ｄＢ、方向性−９．２ｄＢの性能を有す。このとき接続ケーブル２０は無損失の条件で計算している。
図４が示すグラフの第１波形Ｓ１は、接続ケーブル２０に接続されたアンテナ２１の特性インピーダンスが無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合している場合を示す。このとき、アンテナ２１で反射は発生せず図４のグラフの第１波形Ｓ１のように接続ケーブル２０の位相（長さ）に関わらず一定値となり、第１の線路と第２の線路間の結合度−２２．９ｄＢが得られる。

しかし、接続ケーブル２０に接続されたアンテナ２１の負荷が無線機の特性インピーダンス（５０Ω）と異なり、例えば負荷７５Ω（ＶＳＷＲ＝１．５）のアンテナ２１が接続された場合は反射波を発生し、接続ケーブル２０を経由して方向性結合器１４へ反射波が伝送され、方向性結合器１４の第２ポートから入射された反射波の一部が第３ポートへ伝送される。このとき、方向性結合器１４の方向性が充分では無い場合、方向性結合器１４の第１ポートから入射された送信電力の一部と、第２ポートから入射されたアンテナ２１で発生した反射波の一部が第３ポートで合成され、図４の第２波形Ｓ２のように接続ケーブル２０の位相（長さ）に対して第２結合度Ｃ２が変動する。

増幅器１２で増幅した送信電力は、方向性結合器１４および接続ケーブル２０を経由しアンテナ２１で反射波を生じるが、再度折り返すように接続ケーブル２０を経由して方向性結合器１４の第２ポートから第３ポートへ伝送されるため、図４の第２波形Ｓ２のように位相１８０度を周期とする繰り返し波形となる。

図４の第２波形Ｓ２において、接続ケーブル２０の位相（長さ）が１０５度で方向性結合器１４の第２結合度Ｃ２が最も大きくなる。このとき無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合しているアンテナを接続した場合（第１波形Ｓ１）と較べて第２結合度Ｃ２は大きいため、増幅器１２の増幅率を低下させるよう動作し、結果としてアンテナ２１から発射される送信電力は予め設定した値より低下する。

同様に接続ケーブル２０の位相（長さ）が１９５度のときは第２結合度Ｃ２が最も低下し、結果としてアンテナ２１から発射される送信電力は予め設定した値より増大する。
また、アンテナ負荷が無線機の特性インピーダンスと不整合になるほど第２結合度Ｃ２の変動が大きくなる。図４のグラフが示す第３波形Ｓ３は、第２波形Ｓ２より特性インピーダンスの不整合が大きいアンテナ（負荷＝２５Ω、ＶＳＷＲ＝２）を接続した場合の波形例を示す。

上述したとおり、方向性が充分ではない方向性結合器１４を採用した場合、無線機の特性インピーダンス（５０Ω）との不整合が大きいアンテナ２１を接続すると、接続ケーブル２０の位相（長さ）によってはアンテナ２１における送信電力を所定の範囲内に保てない場合が発生する。

（第２実施形態）
第２実施形態が示す無線機１’は、第１実施形態の際のインピーダンス不整合を解消しようとするものであり、図２に示すように第１実施形態の無線機１の方向性結合器１４の第２ポートと接続ケーブル２０との間に第１の移相器１９と、検波器１５の出力をモニタして第１の移相器１９を制御する制御部であるマイクロコンピュータ１８をさらに有している。

すなわち、上述した図４のグラフ（接続ケーブル２０の位相（長さ）と結合度Ｃの関係）を用いて第２実施形態の原理を以下に説明する。無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合したアンテナ２１を接続したとき、アンテナ２１での反射は発生しないため、図４が示すグラフの第１波形Ｓ１のように接続ケーブル２０の位相（長さ）によらず一定の値となる。

しかし、無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合していないアンテナ２１（例えば、負荷＝７５Ω、ＶＳＷＲ＝１．５）を接続したとき、図４の第２波形Ｓ２に示すように位相１８０度を周期とする繰り返し波形となる。
このときの波形は、無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合したアンテナ２１を接続したときの第１波形Ｓ１を中心にした周期的な繰り返し波形となる。図５に示す表は、図４のグラフにおける第２波形Ｓ２の各位相での第１結合度Ｃ１と、第１結合度Ｃ１とは位相差９０度の関係になる第２結合度Ｃ２と、その平均値をまとめた表である。図５に示す表から分かるとおり、第１結合度Ｃ１と、第１結合度Ｃ１と位相差が９０度の関係になる第２結合度Ｃ２との平均値は、無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合したアンテナ２１を接続したときの結合度Ｃ（−２２．９ｄＢ）とほぼ同値となることが分かる。

図６に示す表は、図４のグラフの第３波形Ｓ３の各位相での第３結合度Ｃ３と、第３結合度Ｃ３とは位相差９０度の関係になる第４結合度Ｃ４との平均値をまとめた表である。表から分かるとおり、第３結合度Ｃ３と第４結合度Ｃ４との平均値は、同様に、無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合したアンテナ２１を接続したときの結合度Ｃ（−２２．９ｄＢ）とほぼ同値となることが分かる。

すなわち、無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合していないアンテナ２１を接続したときに位相差が９０度の関係にある２点の結合度Ｃの平均は、無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合したアンテナ２１を接続したときの結合度と同値になる。

本発明の一実施形態に係る無線機１’は、上記した特性インピーダンスと結合度の特性を利用して、マイクロコンピュータ１８によって内蔵するコンピュータプログラムに従って、送信電力の変動を縮減するものである。以下に、図７の移相器が単数の場合の送信電力の制御処理の一例を示すフローチャートを用いて、本発明の一実施形態に係る無線機１’の送信電力の制御処理を説明する。すなわち、マイクロコンピュータ１８は、初めに、位相差が０度となるように第１の移相器１９を制御し、その際の検波器１５の検波電力を検出して記憶領域に記憶する（ステップＳ１１）。次に、マイクロコンピュータ１８は、位相差が９０度となるように第１の移相器１９を制御し、その際の検波器１５の検波電力を検出して、記憶領域に記憶する（ステップＳ１２）。マイクロコンピュータ１８は、記憶していた位相差０度の際の検波電力と位相差９０度の際の検波電力とを比較して両者の検波電力の差分を求めて閾値（所定値）と比較する（ステップＳ１３）。マイクロコンピュータ１８は、両者の検波電力の差分が閾値（所定値）を超えたと判断すれば（ステップＳ１４）、送信出力を停止するものである（ステップＳ１５）。

これにより、無線機１’は、方向性が充分ではない方向性結合器を無線機に搭載した状態で無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合していないアンテナを接続した場合に、送信出力を停止させることができる。同様に、無線機１’は、方向性が充分ではない方向性結合器を無線機に搭載した状態で無線機の特性インピーダンス（５０Ω）に整合していないアンテナを接続した場合に、完全に停止するだけでなく、両者の検波電力の差分の程度に応じて第１の移相器１９を制御することで、接続ケーブル２０の長さによって変化する送信電力の変動を縮減することができる。

第２実施形態に係る無線機１’においては、このように、マイクロコンピュータ１８の働きで、送信出力の停止機能または縮減機能を持たせることにより、アンテナ負荷の影響で発生する送信電力の変動を抑制することができる。
（第３実施形態）
また、第３実施形態に係る無線機１”は、図３に示すように、第１の移相器１９の後段に第２の移相器２２をさらに有しており、同様にマイクロコンピュータ１８によりこれらの移相器の位相を制御している。

すなわち、第３実施形態に係る無線機１”は、図３に示すように、方向性が充分では無い方向性結合器１４を採用し、接続ケーブル２０との間に制御電圧のオン／オフによって位相差４５度を与える機能を有する第１の移相器１９と第２の移相器２２が接続されている。

次に、このような構成をもつ無線機１”による送信出力の制御処理を詳細に説明する。無線機内部の増幅器１２が増幅した送信出力は、方向性結合器１４、制御電圧のオン／オフによって位相差４５度を与える機能を有する第１の移相器１９、制御電圧のオン／オフによって位相差４５度を与える機能を有する第２の移相器２２および接続ケーブル２０を経由してアンテナ２１から発射される。

一方、無線機内部の増幅器１２で増幅した送信電力の一部と、アンテナ２１で反射した反射波の一部は、方向性結合器１４の第３ポートへ伝送されて、検波器１５で検波電圧に変換される。マイクロコンピュータ１８は内蔵するコンピュータプログラムに従って、図８のフローチャートに示すように、送信電力の変動の縮減処理を行うものである。図８は、移相器が複数の場合の送信電力の制御処理の一例を示すフローチャートである。すなわち、マイクロコンピュータ１８は、初めに第１の移相器１９の位相差を０度、第２の移相器２２の位相差を０度として合計の位相差が０度となるように第１の移相器１９および第２の移相器２２を制御し、この際の検波器１５の検波電圧をマイクロコンピュータ１８の記憶領域に記録する（ステップＳ２１）。

次に、マイクロコンピュータ１８は、第１の移相器１９の位相差を４５度、第２の移相器２２の位相差を０度として合計の位相差が４５度となるように第１の移相器１９および第２の移相器２２を制御し、この際の検波器１５の検波電圧をマイクロコンピュータ１８の記憶領域に記録する（ステップＳ２２）。

さらに、マイクロコンピュータ１８は、第１の移相器１９の位相差を４５度、第２の移相器２２の位相差を４５度として、合計の位相差が９０度となるように第１の移相器１９および第２の移相器２２を制御し、この際の検波器１５の検波電圧をマイクロコンピュータ１８の記憶領域に記録する（ステップＳ２３）。

そして、マイクロコンピュータ１８は、方向性結合器１４の第３ポートへ伝送された検波電力と検波器１５の検波電圧の関係に基づいて予め生成された関数に、上述した記憶領域に記録された検波器１５の各検波電圧の値を代入することで、第１の移相器１９および第２の移相器２２の合計の位相差が０度のときの検波電力Ｐｄ１、第１の移相器１９および第２の移相器２２の合計の位相差が４５度のときの検波電力Ｐｄ２、第１の移相器１９および第２の移相器２２の合計の位相差が９０度のときの検波電力Ｐｄ３を算出して記録する（ステップＳ２４）。

そして、マイクロコンピュータ１８は、内蔵するコンピュータプログラムに従って、第１の移相器１９および第２の移相器２２の合計の位相差が０度のときの検波電力Ｐｄ１と第１の移相器１９および第２の移相器２２の合計の位相差が９０度のときの検波電力Ｐｄ３から計算した平均値Ｐａを算出する。そして、第１の移相器１９および第２の移相器２２の合計の位相差が０度のときの検波電力Ｐｄ１および第１の移相器１９および第２の移相器２２の合計の位相差が４５度のときの検波電力Ｐｄ２と平均値Ｐａを比較して、平均値Ｐａに最も近い検波電力となるように第１の移相器１９および第２の移相器２２の合計の位相差を設定する（ステップＳ２５）。これにより、マイクロコンピュータ１８は、アンテナ負荷の影響で発生する送信電力の変動を抑制することができる。

このとき、マイクロコンピュータ１８は、内蔵するコンピュータプログラムに従って、平均値Ｐａに最も近い検波電力Ｐｄとなるように第１の移相器１９および第２の移相器２２の合計の位相差を設定しても予め設定した値の範囲を超える場合は、送信電力の変動が大きくなり過ぎると判定して送信停止させる。

第３実施形態において、移相器の段数を増やすほど、送信出力の変動を細かく縮減できることは明らかである。また、位相差を任意に可変できる機能を有する移相器を採用した場合でも、同様に送信出力変動をより効率的に縮減できることは言うまでもない。

このように本発明の一実施形態に係る無線機においては、送信出力を所定の範囲内に保つために送信出力の一部を検波し基準電圧と比較して増幅器の利得を制御する無線機において、充分な方向性を持たない方向性結合器を採用せざる得ない状況で、反射特性が悪いアンテナ等の負荷が接続された場合に送信出力が所定の範囲内に保てないことを検出して送信停止することが可能となる。またアンテナ等の負荷の異常や誤ったアンテナの接続等の検出が可能となる。

さらに、移相器を複数並べた場合や、位相を任意に可変できる機能を有す移相器を採用した場合は、送信出力の変動を縮減することが可能となる。
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…無線機、１１…送信部、１２…増幅器、１３…抵抗、１４…方向性結合器、１５…検波器、１６…基準電圧、１７…比較器、１８…マイクロコンピュータ、１９…移相器、２０…ケーブル、２１…アンテナ、２２…移相器。

Claims (2)

1. 送信部からの送信出力を受ける方向性結合器と、
   前記方向性結合器からの送信出力を移相して送信する移相器と、
   前記方向性結合器からの送信出力の一部を検波する検波器と、
   前記移相器の位相差を０度および９０度とした際の前記検波器の検波電力の差分に基づいて、前記送信出力を停止する制御部と、を具備することを特徴とする無線機。
2. 送信部からの送信出力を受ける方向性結合器と、
   前記方向性結合器からの送信出力を移相して送信する複数の移相器と、
   前記方向性結合器からの送信出力の一部を検波する検波器と、
   前記複数の移相器の位相差の合計が０度および９０度とした際の前記検波器の検波電力の平均値を求め、前記複数の移相器の位相差を設定した際の検波電力を求めてこの値が前記検波電力の平均値と最も近い値となるように前記複数の検波器の位相差を制御する制御部と、
   を具備することを特徴とする無線機。

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