JP4379034B2

JP4379034B2 - Ｖｓｗｒ検出回路及びｖｓｗｒ検出方法

Info

Publication number: JP4379034B2
Application number: JP2003281833A
Authority: JP
Inventors: 道典加藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005049231A

Description

本発明は、ＶＳＷＲ検出回路に関し、特に方向性結合器の方向性特性の不完全に起因する不要波により生じるＶＳＷＲの検出誤差を低減することができるＶＳＷＲ検出回路に関する。

従来のこの種のＶＳＷＲ検出回路は、高周波信号送信装置の外部接続端子（負荷回路）が規定のインピーダンスで終端されている状態で周波数特性が最適となるように設定されているが、負荷回路の劣化あるいは負荷回路までの電気長が変動すると、方向性結合器を用いた電力値あるいは電力値に基づくＶＳＷＲの正確な測定ができなくなるという問題が生じる。

この問題を解決するため、外部接続端子で発生する送信信号（進行波）の反射波をサーキュレータを用いて別に設けた反射波検波回路に分離してモニタすることにより、進行波をモニタする方向性結合器の伝送特性を歪めることなく精度よくＶＳＷＲを測定することができるとしている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この従来技術は、サーキュレータや帯域フィルタを用いて改善する方法であるため回路規模も大きく、コストも高くなるという欠点がある。また、同技術において反射電力モニタ用方向性結合器の方向性改善のため、サーキュレータ−の反射ポートから反射電力をモニタする構成を用いているが、サーキュレータ−の入射ポートと反射ポートとの間のアイソレーションは、方向性結合器の方向性と同程度であるため、所要の改善が図れないという課題がある。

特開２００２−４３９５７号公報

上述した従来のＶＳＷＲ検出回路は、サーキュレータや帯域フィルタを用いてＶＳＷＲを測定する場合には、サーキュレータ−の入射ポートと反射ポートとの間のアイソレーションは、方向性結合器の方向性と同程度であるため、所要の改善が図れないという欠点がある。

また、サーキュレータや帯域フィルタを用いるため回路規模が大きく、コストも大きくなるという欠点がある。

本発明の目的は、このような従来の欠点を除去するため、進行波電力および反射波電力をモニタする２つの方向性結合器と、これらの電力結合点の間隔を半波長の整数倍の電気長に制御することにより、ＶＳＷＲの検出誤差を低減することができるＶＳＷＲ検出回路を提供することにある。

本発明のＶＳＷＲ検出回路は、伝送線路の途中に主線路が挿入され、伝送線路の終端に接続された負荷回路への進行波（主線路に入力された順方向信号）または反射波（負荷回路により反射された逆方向信号）を前記主線路と電磁結合する副線路に備える結合端子に取り出すことができる独立した第１、第２の方向性結合器を用いたＶＳＷＲ（電圧定在波比）検出回路であって、前記第１、第２の方向性結合器のそれぞれの結合端子（結合点）の間隔を動作周波数において半波長の整数倍の電気長に制御する移相手段を、前記第１、第２の方向性結合器の主線路の間に有することを特徴としている。

また、前記第１、第２の方向性結合器は、前記進行波または前記反射波を主とする信号に、相反する反射波または進行波が漏洩（リーク）成分として重畳された信号を取り出すものであることを特徴としている。

また、前記第１、第２の方向性結合器は、前記進行波および前記反射波をモニタするための第１、第２の検波器がそれぞれの結合端子に接続され、前記第１、第２の検波器を介してＶＳＷＲを算出する演算手段に各検波電圧を出力することを特徴としている。

また、前記第１、第２の方向性結合器は、取り出すべき前記進行波または前記反射波の所要波成分と前記進行波または前記反射波の相反する不要波成分（漏洩成分）との比率が、前記第１、第２の方向性結合器の比較において近い値となるように、方向性特性が選択されることを特徴としている。

また、本発明のＶＳＷＲ検出方法は、伝送線路の途中に主線路が挿入され、伝送線路の終端に接続された負荷回路への進行波および前記負荷回路からの反射波を前記主線路と電磁結合する副線路に備える結合端子に個別に取り出すことができる独立した第１、第２の方向性結合器を用いたＶＳＷＲ検出方法であって、前記進行波または前記反射波を電力モニタする際に、前記第１、第２の方向性結合器の主線路の間に挿入する移相手段に位相回転を与えて前記第１、第２の方向性結合器の結合端子間（結合点）の電気長を動作周波数において半波長の整数倍とするよう制御することによりモニタすることを特徴としている。

また、前記第１、第２の方向性結合器は、取り出すべき前記進行波または前記反射波の所要波成分と前記進行波または前記反射波の相反する漏洩分（不要波成分）との比率が、前記第１、第２の方向性結合器の比較において近い値となるように、前記第１、第２の方向性結合器の方向性特性が選択されることを特徴としている。

本発明のＶＳＷＲ検出回路及びＶＳＷＲ検出方法によれば、進行波電力モニタ用の方向性結合器と反射波電力モニタ用の方向性結合器との間隔を半波長の整数倍の電気長にすることにより、各モニタ用方向性結合器と負荷回路との間の電気長のバラツキによるＶＳＷＲの検出誤差を低減することができるという効果がある。

さらに、サーキュレータや帯域フィルタを用いる必要がないため、故障が少なく信頼性を向上することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明のＶＳＷＲ検出回路の実施の形態を示すブロック図である。

図１に示す本実施の形態は、マイクロ波帯周波数の入力信号を所要の電力レベルまで増幅する電力増幅部１と、電力増幅部１出力をレベルモニタする進行波電力モニタ用の方向性結合器２と、伝送線路１０の一端に接続された負荷回路より反射された反射波電力をレベルモニタする反射波電力モニタ用の方向性結合器３と、進行波および反射波に位相回転を与える移相器４と、進行波電力および反射波電力をそれぞれ検波する検波器５、６と、検波器５、６から出力された検波電圧よりＶＳＷＲ（電圧定在波比）を算出する演算装置７とより構成されている。

次に、本実施の形態のＶＳＷＲ検出回路の動作を図１を参照して詳細に説明する。

電力増幅部１は、入力されたマイクロ波信号を所要の電力レベルまで増幅し、図示しない負荷回路に送信信号（進行波）として供給する。

方向性結合器２は、電力増幅部１から出力された送信信号（進行波）を所要の結合比で取り出すための副線路を有する。また、方向性結合器の方向性が完全ではないために副線路に漏れ込んだ反射波が取り出すべき進行波に重畳された信号として出力される。

方向性結合器３は、図示しない負荷回路から反射された反射波を所要の結合比で取り出すための副線路を有する。また、方向性結合器２と同様に、電力増幅部１から出力された進行波が取り出すべき反射波に重畳された信号として出力される。

移相器４は、方向性結合器２と方向性結合器３との間に設けられ、進行波および反射波に予め定められた位相回転を与える。ここでは、方向性結合器２、３の副線路に備えるそれぞれの結合端子（結合点）の間隔が、動作周波数において半波長の整数倍の電気長に調整される。

検波器５、６は、それぞれ方向性結合器２、３に接続されて検波電圧を出力する。

演算装置７は、検波器５、６から出力されたそれぞれの検波電圧より、ＶＳＷＲを算出する。

次に、各検波器に入力される信号について説明する。
まず、方向性結合器２により検波器５に入力される信号について説明する。方向性結合器２により取り出される成分は、主として電力増幅部１から出力された進行波であるが、方向性の不完全な特性により反射波の一部がリークする。よって、検波器５に入力される各信号成分は、それぞれ次式のように表される。

ここで、Ｅの添え字“ｆｆ”は、進行波電力モニタ用の方向性結合器２で取り出す進行波成分を示し、“ｆｒ”は、反射波（リーク）成分を示す。また、ａ、ｂは振幅、ωは角周波数、φは方向性結合器２、３間の位相差、θは方向性結合器３から負荷回路までの往復の位相差を示す。

同様に、方向性結合器３により取り出される成分は、主として負荷回路からの反射波であるが、方向性の不完全な特性により進行波の一部がリークする。よって、検波器６に入力される各信号成分は、それぞれ次式のように表される。

ここで、Ｅの添え字“ｒｒ”は、反射波電力モニタ用の方向性結合器３で取り出す反射波成分を示し、“ｒｆ”は、進行波（リーク）成分を示す。また、ｃ、ｄは振幅を示す。

これより、検波器５、６に入力されるそれぞれの信号ＥｆおよびＥｒは、次式で表される。

ここで、Ｅｆの第２項ＥｆｒおよびＥｒの第２項Ｅｒｆは、進行波電力モニタ用の方向性結合器２および反射波電力モニタ用の方向性結合器３の方向性不完全な特性による不要波であり、ＶＳＷＲ算出の際の誤差となる。

このとき、所要波Ｅｆｆに対するＥｆｒ、また、所要波Ｅｒｒに対する不要波Ｅｒｆは、次式で表される位相差Δφｆｒ、Δφｒｆがそれぞれに存在する。

これらの関係は、図２に示すように、所要波成分ＥｒｒおよびＥｆｆを位相基準として表すことができる。すなわち、ＥｆおよびＥｒは、所要波成分ＥｆｆおよびＥｒｒと、各々位相差ΔφｆｒおよびΔφｒｆを持つ不要波成分ＥｆｒおよびＥｒｆとのベクトル和によって表される。

次に、ＶＳＷＲとの関係について説明する。
ＶＳＷＲは電圧反射係数をρとすると、以下のように表すことができる。

また、電圧反射係数ρは、次式で示すようにＥｆとＥｒの振幅比、すなわち図２に示した各ベクトルの長さの比によって算出される。

従って、ＶＳＷＲの検出精度は、電圧反射係数ρの精度に置き換えて論じることができる。
これは、分子／分母の相関関係からすると、図２において、ＥｒおよびＥｆの円周上の相対位置が同一、すなわち２φ＝２ｎπ（ｎは整数）の場合に、任意の位相差θに対して不要波成分の影響を少なくできるものと推定される。

次に、より具体的にするために、各検波器５、６で検波される電力の算出に基づいて説明する。なお、電圧反射係数ρは、以下のようにＰｆとＰｒとの電力比の平方根によって算出される。

従って、以下の説明では次式の電力リターンロスＲＬｐ（ｄＢ）を用いて示す。

まず、検波器５および検波器６に入力されるそれぞれの電力成分ＰｆおよびＰｒを以下に示す。

ここで、Ｚはインピーダンス、ｆは周波数である。さらに、２φ＝２ｎπすなわちφ＝ｎπのとき、それぞれの電力成分ＰｆおよびＰｒは、

となる。よって、このときの電力リターンロスＲＬｐ（ｄＢ）は、

となる。これより、φ＝ｎπのとき、ＲＬｐは任意の位相差θに対して、分子項に存在する不要波誤差成分ｃ＊ｄ＊ｃｏｓθおよび分母項に存在する不要波誤差成分ａ＊ｂ＊ｃｏｓθが、各々同相で増加または減少する（即ち、分母最大の時に分子も最大、また、分母最小の時に分子も最小となる）ため、相殺するように作用し、ＲＬｐの偏差が最小となることがわかる。

従って、検波器５、６間の位相差φが半波長のｎ倍となるよう移相器４を調整することにより、ＶＳＷＲの検出誤差を低減することができる。

次に、具体例を用いて定量的に説明する。
検波器５、６のそれぞれに入力される信号の振幅ａ、ｂ、ｃ、ｄは、それぞれ次式で示す通りである。

ここで、負荷回路による電力リターンロスを６ｄＢ、方向性結合器２、３の方向性特性を２０ｄＢ、方向性結合器２、３の結合量を同一とすると、進行波の振幅ａを基準としたときのｂ、ｃ、ｄそれぞれを表す式は、次式のようになる。

従って、それぞれの電力成分Ｐｆ、Ｐｒは、

となり、よって、電力リターンロスＲＬｐは、次式で示される。

このＲＬｐが最大となる位相差θおよびφは、θ＝２ｈπ、φ＝｛（２ｊ−１）＊π／２｝である。ここで、ｈ、ｊは整数。この時の電力リターンロスの値は、

同様に、ＲＬｐが最小となる位相差θおよびφは、θ＝（２ｈ−１）＊π、φ＝｛（２ｊ−１）＊π／２｝である。この時の電力リターンロスの値は、

よって、電力リターンロスを６ｄＢと仮定した場合には、−６ｄＢとの差分が誤差となる。

これより、位相差θおよびφの取り得る値により、＋２．０ｄＢ〜−２．４ｄＢの誤差が生じることがわかる。図３は、電力リターンロス０〜１０ｄＢにおける検出誤差を示している。

また、位相差φをφ＝ｎπ、すなわち２φ＝２ｎπとした場合の電力リターンロスは、

と表すことができる。このＲＬｐが最大となる位相差θは、θ＝２ｈπである。
ここで、ｈは整数。この時の電力リターンロスの値は、

であり、同様に、ＲＬｐが最小となる位相差θは、θ＝（２ｈ−１）＊πである。
この時の値は、

である。
よって、任意の位相差θにおいて、＋１．１ｄＢ〜−１．５ｄＢの検出誤差に減少していることがわかる。図４は、電力リターンロス０〜１０ｄＢにおける検出誤差を示している。

なお、図４からもわかるように本発明を適用することにより反射電力が大（電力リターンロスが小）の場合、誤差が少なくなることがわかる。

次に、本発明を適用しない場合では、方向性特性を更に４ｄＢ程度性能向上する必要があることを説明する。

電力リターンロスを６ｄＢ、出力電力モニタ用の方向性結合器２および反射電力モニタ用の方向性結合器３の方向性を２４ｄＢとして、以下に計算値を示す。
このときの各振幅ｂ、ｃ、ｄは、

と表すことができ、この場合のＲＬｐの最大値および最小値は、次式で求められる。

よって、方向性特性を２０ｄＢから更に４ｄＢ程度改善すれば、本発明と同程度で＋１．３ｄＢ〜−１．５ｄＢの検出誤差に収めることができる。しかしながら、このような方向性結合器の方向性特性を実回路にて有することは、実現上困難である。

以上の実施例では、方向性結合器の方向性特性を同一として説明したが、この方向性特性を同一とせず、一方を緩和するよう設定して誤差を減らす例を説明する。図４で説明した反射電力最大（電力リターンロスが最小）点で精度最良となるのではなく、意図的に設定した反射電力点（電力リターン点）で精度最良とする場合について説明する。

例えば、出力電力モニタ用の方向性結合器２の方向性を１４ｄＢ、反射電力モニタ用の方向性結合器３の方向性を２０ｄＢ、電力リターンロスを３ｄＢ、その他回路内の損失は０ｄＢ、出力電力モニタ用方向性結合器２および反射電力モニタ用方向性結合器３の結合量は同一とする。
この条件において、検波器５、６のそれぞれに入力される信号の振幅ｂ、ｃ、ｄは、それぞれ次式で示す通りである。

この時のそれぞれの電力成分Ｐｆ、Ｐｒは、

よって、電力リターンロスの値は、

したがって、出力電力モニタ用の方向性結合器２の方向性特性を緩和（この例では、電力リターンロス分の２倍分軽減）することにより、図５に示すように、位相差θによらず意図した電力リターンロス３ｄＢ点にて、誤差が０となることを示している。図５は、電力リターンロス０〜１０ｄＢに対する検出誤差を示している。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、出力電力モニタ用結合器２と、反射電力モニタ用方向性結合器３との接続位置が入れ替わっても効果は変わらないことは明らかである。また、移相器４を、回路基板上にパターン形成することにより、故障が少なく信頼性を向上することも可能である。

本発明のＶＳＷＲ検出回路の実施の形態を示すブロック図である。所要波成分と不要波成分との関係を説明する図である。電力リターンロスに対する検出誤差を示す図である。電力リターンロスに対する検出誤差を示す図である。電力リターンロスに対する検出誤差を示す図である。

符号の説明

１電力増幅部
２、３方向性結合器
４移相器
５、６検波器
７演算装置
１０伝送線路

Claims

伝送線路の途中に主線路が挿入され、伝送線路の終端に接続された負荷回路への進行波（主線路に入力された順方向信号）または反射波（負荷回路により反射された逆方向信号）を前記主線路と電磁結合する副線路に備える結合端子に取り出すことができる独立した第１、第２の方向性結合器を用いたＶＳＷＲ（電圧定在波比）検出回路であって、
前記第１、第２の方向性結合器のそれぞれの結合端子（結合点）の間隔を動作周波数において半波長の整数倍の電気長に制御する移相手段を、前記第１、第２の方向性結合器の主線路の間に有することを特徴とするＶＳＷＲ検出回路。
前記第１、第２の方向性結合器は、前記進行波または前記反射波を主とする信号に、相反する反射波または進行波が漏洩（リーク）成分として重畳された信号を取り出すものであることを特徴とする請求項１記載のＶＳＷＲ検出回路。
前記第１、第２の方向性結合器は、前記進行波および前記反射波をモニタするための第１、第２の検波器がそれぞれの結合端子に接続され、前記第１、第２の検波器を介してＶＳＷＲを算出する演算手段に各検波電圧を出力することを特徴とする請求項１記載のＶＳＷＲ検出回路。
前記第１、第２の方向性結合器は、取り出すべき前記進行波または前記反射波の所要波成分と前記進行波または前記反射波の相反する不要波成分（漏洩成分）との比率が、前記第１、第２の方向性結合器の比較において近い値となるように、方向性特性が選択されることを特徴とする請求項１記載のＶＳＷＲ検出回路。
伝送線路の途中に主線路が挿入され、伝送線路の終端に接続された負荷回路への進行波および前記負荷回路からの反射波を前記主線路と電磁結合する副線路に備える結合端子に個別に取り出すことができる独立した第１、第２の方向性結合器を用いたＶＳＷＲ検出方法であって、
前記進行波または前記反射波を電力モニタする際に、前記第１、第２の方向性結合器の主線路の間に挿入する移相手段に位相回転を与えて前記第１、第２の方向性結合器の結合端子間（結合点）の電気長を動作周波数において半波長の整数倍とするよう制御することによりモニタすることを特徴とするＶＳＷＲ検出方法。
前記第１、第２の方向性結合器は、取り出すべき前記進行波または前記反射波の所要波成分と前記進行波または前記反射波の相反する漏洩分（不要波成分）との比率が、前記第１、第２の方向性結合器の比較において近い値となるように、前記第１、第２の方向性結合器の方向性特性が選択されることを特徴とする請求項５記載のＶＳＷＲ検出方法。