JP4487310B2 - 出力レベル制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、変調信号の出力レベルを自動的に一定の値に調整する自動レベル調整 (ＡＬＣ : Automatic Level Control) 機能を備えた出力レベル制御回路に関し、特に広い周波数範囲にわたって変調信号の出力レベルを自動的に一定の値に調整し、安定性に優れた出力レベル制御回路に関する。

一般に、高周波信号発生器に用いられる出力レベル制御回路は、増幅部が出力する高周波信号の波高値を検出する検波手段と、この検波回路の出力と所定の出力レベルに対応する基準電圧とを比較する比較手段と、この比較回路の出力に応答して増幅部の出力レベルを制御する自動レベル調整手段とを備えることにより、周囲の温度変化等に対しても出力レベルを一定レベルに保持するものをいう。この様な出力レベルを一定に保持する出力レベル制御回路の先行技術文献としては特許文献１のようなものがある。

特許第２９７３７１７号公報

以下、従来の出力レベル制御回路の構成を図２を用いて説明する。出力レベル制御回路１０は、変調信号発生手段２０、調整手段３０、アンプ４０、方向性結合器５０、パワー検出器６０、Ｄ／Ａ変換器７０を備える。また、変調信号発生手段２０は発振器２１、変調器２２を備え、調整手段３０は可変減衰器３１と比較器３２を備える。

発振器２１は、キャリア信号を出力する。変調器２２はこのキャリア信号を調整信号により変調して変調信号を出力する。可変減衰器３１は比較器３２の出力に基づいて変調信号のレベルを減衰させる。比較器３２は、後述するＤ／Ａ変換器７０から出力された基準電圧とパワー検出器６０の出力とを比較して、パワー検出器６０の出力が基準電圧と等しくなるように可変減衰器の減衰レベルを調整する。

アンプ４０は可変減衰器３１で減衰された変調信号を増幅する。方向性結合器５０はカプラ等からなり、増幅された変調信号を分割し、一方を出力信号として図示しない後段の回路等に出力するとともに、他方をパワー検出器６０に出力する。パワー検出器６０は、方向性結合器５０から入力された変調信号を出力パワーに対応した電圧に変換する。Ｄ／Ａ変換器７０は図示しない基準電圧提供装置から入力されたデジタル値に基づいて基準電圧を出力する。

次に、図２の動作を説明する。発振器２１から出力されたキャリア信号は、調整信号に基づいて変調器２２で変調され、変調信号として調整手段３０に出力される。この変調信号は、可変減衰器３１でレベル調整された後、アンプ４０で増幅されて方向性結合器５０に入力される。そして、この変調信号の一方は出力信号として図示しない後段の回路等に出力されるとともに、他方は方向性結合器５０で取り出され、パワー検出器６０で出力パワーに対応した電圧に変換される。

比較器３２は、パワー検出器６０の出力電圧とＤ／Ａ変換器７０から出力される基準電圧とを比較し、両者が一致するように可変減衰器３１の減衰量を調整する。すなわち、パワー検出器６０の出力電圧が基準電圧よりも高いときは可変減衰器３１の減衰量を増やし、逆にパワー検出器６０の出力電圧が基準電圧よりも低いときは、可変減衰器３１の減衰量を減らす。

ここで、アンプ４０の出力電力をＰｏ、方向性結合器５０の結合度をＫ、パワー検出器６０の入力電力−出力電圧特性をＶｏ＝ｆ（Ｐｉ）、Ｄ／Ａ変換器７０から出力される基準電圧をＶｄとすると、パワー検出器６０の出力電圧Ｖｏは、Ｖｄと一致し、
Ｖｏ ＝ ｆ(Ｐｉ) ＝ ｆ(Ｐｏ・Ｋ) ＝ Ｖｄ
となる。これをＰｏについて解くと、
Ｐｏ ＝ (１／Ｋ)・ｆ^−１(Ｖｄ)
となり、出力電力ＰｏをＤ／Ａ変換器７０で制御することができる。

このようにして図２の出力レベル制御回路１０では、出力レベルを自動的に調整している。

ところで、パワー検出器６０にはダイオードを用いた検波回路が用いられているが、ダイオード検波回路は、非特許文献１の様に入力レベルがあるレベルより大きくなると、入力の実効値、すなわちパワーと出力電圧が比例しない。

市川裕一, 青木勝「GHz時代の高周波回路設計」、CQ出版社 2003、ISBN4-7898-3347-X、p.261 図7.7 (b)

しかし、出力信号がＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）やＯＦＤＮ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）などの振幅変化を伴う変調信号の場合、変調信号の瞬時パワーが一定ではないため、パワー検出器６０の出力電圧が無変調信号の場合と異なる。そのため、変調信号を出力した場合に、期待した出力レベルにならないという問題があった。

また、このような問題を解決するために、変調信号を出力する場合にまず無変調の信号を用いて可変減衰器３１を設定し、可変減衰器の減衰量を一定に保持して変調信号を出力する方式がある。しかし、この方式では、変調信号を出力している間の温度変化などによりアンプ４０の利得が変化した場合の出力変化を補正できず、出力レベルの安定度が悪いという問題があった。

一方、パワー検出器にパワーの実効値を測定可能な部品(例：Analog Devices AD8362) を用いることで、変調信号に対して自動レベル調整をかけるものもあるが、実効値を検出できるパワー検出器が使用可能な周波数が限られるため、広い周波数範囲にわたって使用することは困難であった。

この様な課題を解決するため、請求項１記載の発明は、
第１の変調信号の出力レベルを第１の基準電圧と比較し、前記出力レベルを一定レベル
に調整する第１の調整手段を備える出力レベル制御回路において、
前記第１の変調信号のパワーを検出する第１のパワー検出手段と、
第２の変調信号を発生する変調信号発生手段と、
前記第２の変調信号のパワーを検出することによって前記第１の基準電圧を求める第２
のパワー検出手段と、
前記第２のパワー検出手段と並列に接続され、前記第２の変調信号の実効値を測定する
第３のパワー検出手段と、
前記第３のパワー検出手段で検出された第２の変調信号を第２の基準電圧と一致する様
に調整する第２の調整手段とを備え、
前記第１の調整手段は、前記第１のパワー検出手段の出力と前記第２のパワー検出手段
から出力される第１の基準電圧が一致する様に調整する。

また、請求項２記載の発明は、
第１の変調信号の出力レベルを第１の基準電圧と比較し、前記出力レベルを一定レベル
に調整する出力レベル制御回路において、
前記第１の変調信号のパワーを検出する第１のパワー検出手段と、
第２の変調信号を発生する変調信号発生手段と、
前記第２の変調信号のパワーを検出することによって前記第１の基準電圧を求める第２
のパワー検出手段と、
前記第２のパワー検出手段と並列に接続され、前記第２の変調信号の実効値を測定する
第３のパワー検出手段と、
前記第３のパワー検出手段で検出された第２の変調信号の実効値を第２の基準電圧と一
致する様に調整する第１の調整手段と、
前記第１のパワー検出手段の出力と前記第２のパワー検出手段で求められた第１の基準
電圧が一致する様に調整する第２の調整手段と
を備える。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、
前記変調信号発生手段は、
キャリア信号を発生する発振器と、
調整信号に基づいて前記キャリア信号を変調する変調器を備える。

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記発振器はキャリア信号の周波数を可変する。

さらに、請求項５記載の発明は、
第１のキャリア信号を発生する第１の信号発生手段と、このキャリア信号を調整信号に基づいて変調する第１の変調手段と、前記キャリア信号のレベルを調整する第１の可変減衰手段と、この第１の可変減衰手段から出力された信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段から出力された信号の一部を分岐する分岐手段と、前記分岐手段を介して前記増幅手段から入力された信号の電力レベルを検出する第１のパワー検出手段とを備える出力レベル制御回路において、
第２のキャリア信号を発生する第２の信号発生手段と、
前記第２のキャリア信号を前記調整信号に基づいて変調する第２の変調手段と、
この変調された第２の変調信号のレベルを調整する第２の可変減衰手段と、
前記第２の可変減衰手段でレベル調整された前記第２の変調信号の電力レベルを検出する第２のパワー検出手段と、
前記第２のパワー検出手段の出力と前記第１のパワー検出手段の出力が入力され、前記第２のパワー検出手段の出力と前記第１のパワー検出手段の出力が一致する様に前記第１の可変減衰手段を調整する第１の比較器と、
前記第２の可変減衰手段でレベル調整された前記第２の変調信号の実効値を検出する実効値検出手段と、
基準電圧を出力する電圧発生手段と、
前記実効値検出手段の出力と前記電圧発生手段から出力された前記基準電圧が入力され、前記基準電圧と前記実効値検出手段の出力電圧が一致するように前記第２の可変減衰手段を調整する第２の比較器と
を備える。

本発明は、変調信号の出力レベルを自動的に一定の値に調整するＡＬＣ機能を備えた出力レベル制御回路を提供することを目的とし、特に広い周波数範囲にわたって変調信号の出力レベルを自動的に一定の値に調整し、安定性に優れた出力レベル制御回路を提供することを目的とする。

本発明では、次のような効果がある。
前記第１の調整手段は、前記第１のパワー検出手段の出力と前記第２のパワー検出手段から出力される第１の基準電圧が一致する様に調整するので、アンプ４０の出力パワーはＤ／Ａ変換器１２０の出力電圧に比例し、ＱＡＭやＯＦＤＮ等の振幅変化を伴う変調信号であっても期待した出力信号が得られる。

また、前記発振器は、キャリア信号の周波数を可変するので、実効値測定可能なパワー検出器１１０で測定し得る周波数の範囲にかかわらず、出力信号の周波数を任意に可変することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明するが、図２と同一の構成については同一の番号を付して説明を省略する。図１において、出力レベル制御回路１１は、変調信号発生手段２０、調整手段３０、比較器４０、方向性結合器５０、パワー検出器６０、変調信号発生手段８０、調整手段９０、パワー検出器１００、１１０、Ｄ／Ａ変換器１２０を備える。変調信号発生手段８０は、発振器８１、変調器８２を備え、調整手段９０は、可変減衰器９１、比較器９２を備える。

発振器８１は、キャリア信号を出力する。変調器８２はこのキャリア信号を調整信号により変調して変調信号を出力する。可変減衰器９１は比較器９２の出力に基づいて変調信号のレベルを減衰させる。比較器９２は、後述するＤ／Ａ変換器１２０から出力された基準電圧とパワー検出器１１０の出力とを比較して、パワー検出器１１０の出力が基準電圧と等しくなるように可変減衰器の減衰レベルを調整する。

パワー検出器１００は、調整手段９０から出力された変調信号のパワーを検出して基準電圧を出力する。パワー検出器１１０は、実効値を測定することができるパワー検出器であり、調整手段９０から出力された変調信号が入力される。Ｄ／Ａ変換器１２０は、図示しない基準電圧提供装置から入力されたデジタル値に基づいて基準電圧を出力する。出力検出手段２００は、パワー検出器６０とパワー検出器１００とにより構成される。

次に、図１の動作を説明する。ここで、図１では調整信号が変調器２２の他、変調器８２にも入力されているが、変調器８２に入力される調整信号が関係する動作については後述する。発振器２１から出力されたキャリア信号は、この調整信号に基づいて変調器２２で変調され、変調信号として調整手段３０に出力される。

この変調信号は、可変減衰器３１でレベル調整された後、アンプ４０で増幅されて方向性結合器５０に入力される。そして、この変調信号の一方は出力信号として図示しない後段の回路等に出力されるとともに、他方は方向性結合器５０で取り出され、パワー検出器６０で出力パワーに対応した電圧に変換される。ここで、方向性結合器５０の結合係数をＫとすると、パワー検出器６０の入力パワーＰｉは、アンプ４０の出力パワーをＰｏ とすると、Ｐｏ×Ｋ となる。

比較器３２は、パワー検出器６０の出力電圧と後述するパワー検出器１００から出力される基準電圧とを比較し、両者が一致するように可変減衰器３１の減衰量を調整する。すなわち、パワー検出器６０の出力電圧が基準電圧よりも高いときは可変減衰器３１の減衰量を増加し、逆にパワー検出器６０の出力電圧が基準電圧よりも低いときは、可変減衰器３１の減衰量を減らす。

発振器８１から出力されたキャリア信号は、調整信号に基づいて変調器８２で変調され、変調信号として調整手段９０に出力される。この変調信号は、可変減衰器９１でレベル調整された後、パワー検出器１００に入力されるとともに、このパワー検出器１００と並列に接続されるパワー検出器１１０にも入力される。

ここで、パワー検出器６０とパワー検出器１００に同じ特性のものを使用すると、２つのパワー検出器の出力電圧が同じになるように制御されるから、入力のパワーも同じとなる。従って、パワー検出器６０の入力電力Ｐｉは、
Ｐｉ＝Ｐｏ×Ｋ と表わされるから、
Ｐｏ＝（１／Ｋ）×Ｐｉ
また、Ｐｉは後述の様にＰｉ＝Ｖｄ／Ａと表されるので、
Ｐｏ＝（１／Ｋ）×Ｖｄ／Ａ
となる。すなわち、アンプ４０の出力パワーはＤ／Ａ変換器１２０の出力電圧Ｖｄに比例する。

なお、発振器２１と発振器８１の周波数が異なる場合にはパワー検出器６０、１００の特性が異なる場合も考えられる。例えば、入力パワーＰｉに対する出力電圧Ｖｏが
パワー検出器６０ Ｖｏ＝ｆ (Ｐｉ)
パワー検出器１００ Ｖｏ＝ｇ (Ｐｉ)
となっていて、ｆ≠ｇであるとする。
このような場合でも、
ｆ＝ａ × ｇ （ただし、ａは換算係数）
のように、換算が可能であれば、Ｄ／Ａ変換器１２０の出力をa倍することにより、本発明の目的を達成することができる。

比較器９２は、パワー検出器１１０の出力電圧とＤ／Ａ変換器１２０から出力される基準電圧とを比較し、両者が一致するように可変減衰器９２の減衰量を調整する。すなわち、パワー検出器１１０の出力電圧が基準電圧よりも高いときは可変減衰器９１の減衰量を増加し、逆にパワー検出器１１０の出力電圧が基準電圧よりも低いときは、可変減衰器９１の減衰量を減らす。

すなわち、パワー検出器１１０の入力電力Ｐｉと出力電力Ｖｏの関係が、
Ｖｏ＝Ａ×Ｐｉ （ただし、Ａは係数）
となるとすると、ＶｏがＤ／Ａ変換器１２０の出力Ｖｄと一致するから、
Ｐｉ = Ｖｄ／Ａ
となる。また、可変減衰器９１の出力は等分に分配されるため、パワー検出器１００の入力パワーもＰｉとなる。

このように、調整手段３０は、パワー検出器６０の出力とパワー検出器１００から出力される基準電圧が一致する様に調整するので、アンプ４０の出力パワーはＤ／Ａ変換器１２０の出力電圧に比例し、ＱＡＭやＯＦＤＮ等の振幅変化を伴う変調信号であっても期待した出力信号が得られる。

また、発振器８１は、キャリア信号の周波数を可変するので、実効値を測定することができるパワー検出器１１０で測定できる周波数範囲にかかわらず、出力信号の周波数を任意に可変することができる。

本発明による出力レベル制御回路の構成図である 従来の出力レベル制御回路の構成図である。

符号の説明

１１ 出力レベル制御回路
２０ 変調信号発生手段
３０ 調整手段
４０ 比較器
５０ 方向性結合器
６０ パワー検出器
８０ 変調信号発生手段
８１ 発振器
８２ 変調器
９０ 調整手段
１００、１１０ パワー検出器
１２０ Ｄ／Ａ変換器
２００ 出力検出手段

Claims (5)

1. 第１の変調信号の出力レベルを第１の基準電圧と比較し、前記出力レベルを一定レベルに調整する第１の調整手段を備える出力レベル制御回路において、
   前記第１の変調信号のパワーを検出する第１のパワー検出手段と、
   第２の変調信号を発生する変調信号発生手段と、
   前記第２の変調信号のパワーを検出することによって前記第１の基準電圧を求める第２のパワー検出手段と、
   前記第２のパワー検出手段と並列に接続され、前記第２の変調信号の実効値を測定する第３のパワー検出手段と、
   前記第３のパワー検出手段で検出された第２の変調信号の実効値を第２の基準電圧と一致する様に調整する第２の調整手段とを備え、
   前記第１の調整手段は、前記第１のパワー検出手段の出力と前記第２のパワー検出手段から出力される第１の基準電圧が一致する様に調整することを特徴とする出力レベル制御回路。
2. 第１の変調信号の出力レベルを第１の基準電圧と比較し、前記出力レベルを一定レベルに調整する出力レベル制御回路において、
   前記第１の変調信号のパワーを検出する第１のパワー検出手段と、
   第２の変調信号を発生する変調信号発生手段と、
   前記第２の変調信号のパワーを検出することによって前記第１の基準電圧を求める第２のパワー検出手段と、
   前記第２のパワー検出手段と並列に接続され、前記第２の変調信号の実効値を測定する第３のパワー検出手段と、
   前記第３のパワー検出手段で検出された第２の変調信号の実効値を第２の基準電圧と一致する様に調整する第１の調整手段と、
   前記第１のパワー検出手段の出力と前記第２のパワー検出手段で求められた第１の基準電圧が一致する様に調整する第２の調整手段と
   を備えることを特徴とする出力レベル制御回路。
3. 前記変調信号発生手段は、
   キャリア信号を発生する発振器と、
   調整信号に基づいて前記キャリア信号を変調する変調器を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の出力レベル制御回路。
4. 前記発振器は、キャリア信号の周波数を可変することを特徴とする請求項３記載の出力レベル制御回路。
5. 第１のキャリア信号を発生する第１の信号発生手段と、このキャリア信号を調整信号に基づいて変調する第１の変調手段と、前記キャリア信号のレベルを調整する第１の可変減衰手段と、この第１の可変減衰手段から出力された信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段から出力された信号の一部を分岐する分岐手段と、前記分岐手段を介して前記増幅手段から入力された信号の電力レベルを検出する第１のパワー検出手段とを備える出力レベル制御回路において、
   第２のキャリア信号を発生する第２の信号発生手段と、
   前記第２のキャリア信号を前記調整信号に基づいて変調する第２の変調手段と、
   この変調された第２の変調信号のレベルを調整する第２の可変減衰手段と、
   前記第２の可変減衰手段でレベル調整された前記第２の変調信号の電力レベルを検出する第２のパワー検出手段と、
   前記第２のパワー検出手段の出力と前記第１のパワー検出手段の出力が入力され、前記第２のパワー検出手段の出力と前記第１のパワー検出手段の出力が一致する様に前記第１の可変減衰手段を調整する第１の比較器と、
   前記第２の可変減衰手段でレベル調整された前記第２の変調信号の実効値を検出する実効値検出手段と、
   基準電圧を出力する電圧発生手段と、
   前記実効値検出手段の出力と前記電圧発生手段から出力された前記基準電圧が入力され、前記基準電圧と前記実効値検出手段の出力電圧が一致するように前記第２の可変減衰手段を調整する第２の比較器と
   を備えることを特徴とする出力レベル制御回路。

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