JP3825417B2 - 静電容量によりｒｆ信号に対する電力を測定するｒｆパワーセンサー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）技術で製造されたＲＦパワーセンサーに関し、より詳しくは、静電容量を用いてＲＦ信号に対する電力が測定可能なＲＦパワーセンサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＥＭＳとは、機械的部品を半導体工程を用いて機能素子に具現する技術である。機械的構造をもってこれに対応する動作を行う各素子は、半導体ウェハ上に半導体製造工程により配設される。
通信システムにおける接続を良好にするためには、正確なパワーの測定が必須である。一般に、端末または基地局は、信号がやり取りできる程度のパワーで当該信号を伝送する。しかし、必要以上のパワーで伝送すると、電力消耗が大きく、また最大許容伝送値による規制を受けるようになる。従って、ＲＦパワーを正確に測定することができるパワーセンサーを使用すると、かかる不具合を回避することができる。
【０００３】
一般に、ＲＦ電力測定に使用するセンサーとしては、整流器方式のセンサーと熱感知方式のセンサーがある。
整流器方式のセンサーは、ダイオードのような非線形素子の特性による高周波信号を低周波信号に変換するといった低周波数帯域への変換方式を用いる。
熱感知方式のセンサーは、温度の変化による抵抗変化や誘電率の変化を用いるものであって、かかる感知センサーとしては、サーミスター、熱電対センサー等がある。熱感知方式のセンサーは、整流器方式のセンサーと異なって、検出信号に超高周波特性がないため測定が容易であり、且つインターフェースが簡易であって、常温での動作が可能であるため、冷却が不要であるという長所を有している。
【０００４】
サーミスターパワーセンサーは、ＲＦパワーを負荷した場合の温度変化が感知できるサーミスターにおける抵抗変化を用いて入力パワーを計算する。サーミスターは、温度が変わると抵抗値が変わる。サーミスターの抵抗とパワーとの関係は、非常に非線形的であり、使用する機器により異なるため、通常は、セルフバランスブリッジ回路に使用される。サーミスターセンサーは、比較的に精度が高く、他のセンサーと連動しての使用が可能である。
しかし、ダイナミック・レンジが、約−１０ｄＢｍ乃至−２０ｄＢｍの範囲に制限されており、該値は、現在のＲＦ技術標準と比べてみると、相対的に狭い範囲である。また、サーミスターは、温度変化を用いることから応答速度が遅く、デジタル通信の要求条件を満たすことができないため、実際のところ、広く使用されていない。
【０００５】
また、熱電対パワーセンサーは、信号の実際の電力に応答するため、複雑なデジタル位相変調信号に至るまでの各種のＲＦ電力測定に適している。熱電対パワーセンサーは、温度差を有する２つの金属間の電位差により小さい電圧を発生する。熱電対パワーセンサーは、電圧差が小さいため、サーモバイルを形成するためには、複数のパワー熱電対を直列に接続すればよい。サーモバイルは、より大きな出力が発生されるため、電流感知回路を簡易に構成することができる。熱電対パワーセンサーのダイナミック・レンジは、−３０ｄＢｍ乃至＋２０ｄＢｍの範囲であって、広帯域（２０ＧＨｚ）で且つ感度が優れている。しかし、サーミスターパワーセンサーと同様に、数ｍｓｅｃ程度の遅い応答速度が短所である。
【０００６】
一方、ダイオードパワーセンサーは、ＲＦ信号から発生する熱を測定せず、ＲＦエネルギーを整流してＤＣ電圧を生成する。ダイオードパワーセンサーは、他のセンサーに比べて感度に優れており、−７０ｄＢｍ乃至−２０ｄＢｍの広い範囲のダイナミック・レンジを有する。また、ダイオードパワーセンサーは、広帯域（４０ＧＨｚ）であり、数μｓｅｃ程度の速い応答速度を有する。従って、速い応答特性を必要とする時分割多重接続（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：ＴＤＭＡ）方式の通信に適している。
【０００７】
しかし、ダイオードパワーセンサーの場合、−２０ｄＢｍ以上のパワーでは、高次項が大きくなるため、非線形的な特性が現われる。
このダイオードパワーセンサーの場合、＋２０ｄＢｍ以上のパワーを測定する方法として、次のような２つの方法がある。第１の方法は、ダイオードの先端に減衰器を設ける方法であって、該方法では、パワーセンサーの精度を減少させるという短所がある。第２の方法は、信号を補正して使用する方法であって、ダイオードの較正とＤＳＰを用いる。該方法の場合、費用が多くかかるという短所がある。
【０００８】
このように、従来のパワーセンサーは、温度の変化に応じて特性インピーダンスが変化するためマッチングが困難であり、カプラや減衰器等を必要とするため、測定の精度が劣るという不具合がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のパワーセンサーに関する上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、基板上に形成された信号線とブリッジとの間における静電力により発生する静電容量の変位量を用いてＲＦ電力を測定するＲＦパワーセンサーを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記技術的目的を達成するための本発明によるＲＦパワーセンサーは、基板と、前記基板に対し固定され、ＲＦ信号を伝送する信号線及び接地線を形成する固定部、及び前記接地線に接続され、前記信号線上に浮上しているブリッジと、を含み、前記ブリッジが、外部駆動力により駆動され、前記外部駆動力により前記ブリッジと前記信号線との間で静電容量が発生する。
ここで、前記基板は、半導体または誘電体のシリコンで形成されることが好ましい。
【００１１】
また、前記ブリッジと前記信号線との間の前記静電容量を検出し、前記ＲＦ信号に対する電力を測定する電力測定部、及び前記信号線を通って伝送される前記ＲＦ信号が前記電力測定部に伝送されることを遮断するＲＦ遮断部と、を更に備える。
更に、前記電力測定部は、前記ブリッジと前記信号線との間で発生した前記静電容量を検出する静電容量検出部、及び前記静電容量検出部の検出結果に応じて前記ＲＦ信号に対する電力を算出する電力演算部と、を備える。
【００１２】
また、前記ＲＦ遮断部は、前記信号線を通って伝送される前記ＲＦ信号が前記静電容量検出部に伝送されることを遮断する第１及び第２のインダクタを含む。
前記ブリッジは、前記信号線に対し垂直方向に所定の厚さで形成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら、本発明にかかるＲＦパワーセンサーの好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明によるＲＦパワーセンサーを示す図であり、図２は、本発明による機能素子の断面を示す図である。
同図を参照すると、本発明によるＲＦパワーセンサーは、基板１００、基板１００の上部に固定され、ＲＦ信号を伝送する信号線１１０ａと、信号線１１０ａと離隔して配置された接地線１１２ａと有する固定部１１０、接地線１１２ａに接続され、信号線１１０ａ上に浮上しているブリッジ１２０、ＲＦ信号を遮断するＲＦ遮断部１３０、信号線１１０ａとブリッジ１２０との間における静電力により発生する静電容量を検出する静電容量検出部１４０及び検出された静電容量に基づいてＲＦ信号に対する電力を算出する電力演算部１５０を有する。
【００１４】
ＲＦ遮断部１３０は、一般に第１及び第２のインダクタＬ１、Ｌ２からなり、信号線１１０ａを通って伝送されるＲＦ信号が静電容量検出部１４０に伝送されないように遮断する役割を果たす。
前記基板１００は、半導体や誘電体のシリコンで形成される。
前記ブリッジ１２０は、基板１００上に固定された接地線１１２ａに接続され、信号線１１０ａ上に所定の間隔を隔てて浮上している。また、ブリッジ１２０は、外部静電力により駆動され、外部静電力によりブリッジ１２０と信号線１１０ａとの間で所定の大きさの静電容量が発生する。
【００１５】
前記ブリッジ１２０は、一定の厚さを有し、該厚さに応じて静電力により発生する静電容量が異なる。これは、厚さが１０μｍのブリッジ１２０がＲＦ信号により影響を受ける程度と厚さが５μｍのブリッジ１２０が外部静電力により影響を受ける程度とが異なるためである。即ち、同じＲＦ信号により発生する静電力に対しブリッジ１２０の厚さに応じて生成される静電容量が異なるということを意味する。従って、ブリッジ１２０の設計によっては、ハイパワーの測定が可能である。
【００１６】
ＲＦ信号により発生する静電力によりブリッジ１２０に変位が生じ、該変位は、静電力とブリッジ１２０のばね常数ｋにより決められる。即ち、信号線１１０ａとブリッジ１２０との間の距離ｇの変位は、静電力とブリッジ１２０のばね常数ｋにより決められる。従って、同じＲＦ信号に対しブリッジ１２０の厚さが異なることで発生する静電容量が異なっても測定される電力は同一である。
ブリッジ１２０と信号線１１０ａとの間で外部静電力により所定の静電容量が発生すると、静電容量検出部１４０では、外部静電力により発生する静電容量を検出する。静電容量検出部１４０では、ブリッジ１２０と信号線１１０ａとの間の所定の距離ｇと静電力により発生するブリッジ１２０と信号線１１０ａとの間の距離ｇの変位を基準にして静電容量を検出する。
【００１７】
静電容量検出部１４０によりブリッジ１２０と信号線１１０ａとの間で静電容量が検出されると、電力演算部１５０では、検出された静電容量を用いてＲＦ信号に対する電力を算出する。
電力演算部１５０では、次の式（１）によりＲＦ信号に対する電力を算出する。
【００１８】
【数１】

ここで、ｋはブリッジ１２０のばね常数を、ε₀は誘電率を、ｗはブリッジ１２０の幅を、Ｗは信号線１１０ａの幅を、Ｚ₀は特性インピーダンスを、ｇは信号線１１０ａとブリッジ１２０との間の距離を、(は外部静電力によるｇの変位をそれぞれ表わす。
静電容量検出部１４０で検出された静電容量に応じて電力演算部１５０で算出するＲＦ信号に対する電力は相違する。また、静電容量は、外部静電力により決められる。即ち、ＲＦ信号に対する電力に変化が生じると、信号線１１０ａとブリッジ１２０との間の距離ｇに変化が生じ、静電容量が変わるようになる。
【００１９】
ＲＦ信号により発生する静電力によりブリッジ１２０の変位(が生じるが、この際の変位(は、ＲＦ信号による静電力とブリッジ１２０のばね常数ｋにより決められる。ここで、ブリッジ１２０のばね常数ｋは、ブリッジ１２０の厚さｔ、長さＬ、幅ｗ、及びヤング率により決められる。
また、静電容量Ｃは、次の式（２）により算出される。
【００２０】
【数２】

ここで、ε₀は誘電率を、Ａは信号線１１０ａの面積を、ｇは信号線１１０ａとブリッジ１２０との間の距離をそれぞれ表わす。
前記式（２）によると、ＲＦ信号による静電力で信号線１１０ａとブリッジ１２０との間の距離ｇが小さくなると、信号線１１０ａとブリッジ１２０との間の静電容量は、大きくなることが分かる。
【００２１】
図３は、図１に示したＲＦパワーセンサーに対する回路構成を示す図である。同図を参照すると、ＲＦパワーセンサーは、第１及び第２のインダクタＬ１、Ｌ２を含むＲＦ遮断部１３０、可変キャパシタＣ、抵抗Ｒ１、キャパシタＣ１及び演算増幅器からなるチャージポンプ１６０で構成される。ＲＦ遮断部１３０は、ＲＦ信号を信号線１１０ａを通ってのみ伝送し、ＲＦ信号が静電容量検出部１４０に伝送されることを制限する役割を果たす。可変キャパシタＣは、ＲＦ信号のパワーの変化に応じて可変する信号線１１０ａとブリッジ１２０との間の静電容量を示す。
【００２２】
前記チャージポンプ１６０を通じて出力される信号は、復調部（図示せず）で低周波信号に変換される。チャージポンプ１６０は、静電容量検出部１４０の回路構成を示したもので、静電容量の変化、即ち可変キャパシタＣの変化を感知して静電容量を検出するようになる。静電容量検出部１４０で検出された静電容量に基づいてＲＦ信号に対するパワーが分かる。
図４Ａは、ブリッジと信号線との間の距離ｇとＲＦパワーとの関係を示すグラフであり、図４Ｂは、ブリッジと信号線との間の静電容量とＲＦパワーとの関係を示すグラフである。
【００２３】
同図に示すように、ＲＦ信号の電力に変化が生じると、信号線１１０ａとブリッジ１２０との間の距離ｇに変化が生じ、静電容量が変化するようになる。即ち、外部駆動力による信号線１１０ａとブリッジ１２０との間の距離ｇの変位が分かると、信号線１１０ａとブリッジ１２０との間の静電容量が分かり、この際の静電容量に基づいてＲＦ信号に対する電力が分かる。
なお、本実施の形態では、図２に示すように、半導体基板上に一対の接地線１１２ａと接地線１１２ａとの間の信号線１１０ａで形成されたＲＦ信号伝送線路に対して説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されることではなく、ＲＦ信号が伝送できる信号線１１０ａと接地線１１２ａとで形成された構造であれば良い。また、ブリッジ１２０は、接地線１１２ａに接続され、信号線１１０ａ上に浮上している構造で形成され、外部駆動力により信号線１１０ａと接地線１１２ａとの間で所定の静電容量を生成することができる構造であれば、いずれも適用可能である。
【００２４】
以上、添付図面を参照しながら本発明のＲＦパワーセンサーの好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的思想に属するものと了解される。
【００２５】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明によると、ＭＥＭＳ技術で製造された半導体基板上に設けられた信号線と接地線を基本としているため、特性インピーダンスのマッチングが容易であり、挿入損失が少なく、且つ広帯域での使用が可能である。また、他の回路と連ねて配置することができ、カプラや減衰器等のパワーの測定のための付加装置を必要としないことからパワー損失を軽減することができ、電力の測定の精度を高めることができる。また、ブリッジの設計によっては高電力を有するＲＦ信号に対しても電力を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＲＦパワーセンサーに対する一実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明による機能素子の断面を示す図。
【図３】図１に示すＲＦパワーセンサーに対する回路構成を示す図。
【図４Ａ】ブリッジと信号線との間の距離ｇの変位とＲＦパワーとの関係を示すグラフ。
【図４Ｂ】静電容量とＲＦパワーとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１００：基板
１１０：固定部
１１０ａ：信号線
１１２ａ：接地線
１２０：ブリッジ
１３０：ＲＦ遮断部
１４０：静電容量検出部
１５０：電力演算部

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板に対し固定され、ＲＦ信号を伝送する信号線及び接地線を形成する固定部と、
   前記接地線に接続され、前記信号線上に浮上しているブリッジとを含み、
   前記ブリッジが、外部駆動力により駆動され、前記外部駆動力により前記ブリッジと前記信号線との間で静電容量が発生する、ＲＦパワーセンサー。
2. 前記基板が、半導体及び誘電体のシリコンで形成される請求項１に記載のＲＦパワーセンサー。
3. 前記ブリッジと前記信号線との間の前記静電容量を検出し、前記ＲＦ信号に対する電力を測定する電力測定部と、
   前記信号線を通って伝送される前記ＲＦ信号が前記電力測定部に伝送されることを遮断するＲＦ遮断部とを更に含む、請求項１に記載のＲＦパワーセンサー。
4. 前記電力測定部が、前記ブリッジと前記信号線との間で発生した前記静電容量を検出する静電容量検出部と、
   前記静電容量検出部の検出結果に応じて前記ＲＦ信号に対する電力を算出する電力演算部とを含む、請求項３に記載のＲＦパワーセンサー。
5. 前記ＲＦ遮断部が、前記信号線を通って伝送される前記ＲＦ信号が前記静電容量検出部に伝送されることを遮断する第１及び第２のインダクタを含む、請求項４に記載のＲＦパワーセンサー。
6. 前記ブリッジが、前記信号線に対し垂直方向に所定の厚さで形成される、請求項１に記載のＲＦパワーセンサー。

Images