JP4735366B2

JP4735366B2 - 検波回路

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Publication number: JP4735366B2
Application number: JP2006086291A
Authority: JP
Inventors: 誠一伊藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP2007266758A

Description

本発明は、検波回路に関し、更に詳しくは、検波対象のＲＦ信号の入力信号強度を検波電圧に変換して出力する検波回路に関する。

一般に、マイクロ波帯のＲＦ信号を入力し、入力信号強度を検波電圧（ＤＣ電圧）に変換する検波回路には、ショットキーダイオードを用いた半波整流回路が用いられる。このような検波回路では、ＲＦ−ＤＣ変換特性は、使用するショットキーダイオードの物理的特性で決定されるので、ショットキーダイオードにどのような特性のダイオードを使用するかにより、検波特性が決定することとなる。

一方で、検波回路により検出された検波電圧は、通常、そのままの形で使用されることは少なく、バッファアンプに入力され、或いは、逆対数変換等の処理が行われて参照されることが多い。その場合には、検波電圧の範囲は、その処理回路の雑音耐性により下限が定められ、アンプ等の飽和度により上限が定められることになる。このように、検波回路では、検波範囲が有限な範囲に定められることにより、それに対応して、ＲＦの検波可能範囲（ダイナミックレンジ）も制限されることになる。

検波回路では、ダイナミックレンジを拡大したいという要求はあるものの、上記理由により、検波可能な電圧範囲が制限されているため、単純にダイナミックレンジを広げることはできない。ショットキーダイオードとして、所望のＲＦ−ＤＣ変換特性を有するダイオードを使用できれば、ダイナミックレンジを拡大できる。しかしながら、検波回路に用いるショットキーダイオードには、検波対象となるＲＦ信号に追従するようなキャリアを用いた構造でなくてはならない等の制約があり、検波回路に使用できるダイオードが限定されている。従って、検波回路では、ショットキーダイオードの選択によらない形で、ダイナミックレンジを広げる工夫が必要である。

ここで、検波回路の検出感度を、検出電圧に応じて自動的に変化させる検波回路が、特許文献１に記載されている。図８は、特許文献１に記載された送信装置の構成を示している。この送信装置２００では、検波回路２０２は、可変容量ダイオード２０５とコンデンサ２０６とを介して電力増幅器２０１の出力を入力し、電力増幅器２０１の出力に対応する検波電圧を出力する。出力制御部２０３は、検波回路２０２が出力する検波電圧に応じて、電力増幅器２０１を制御する。

上記送信装置２００では、電力増幅器２０１の出力レベルが高いときには、検波回路２０２の入力端子２０７には、それに応じた検波電圧が現れ、可変容量ダイオード２０５の容量は小さくなり、検波回路２０２に送出される出力電力は小さくなる。一方、電力増幅器２０１の出力レベルが低いときには、検波回路２０２の入力端子２０７には、それに応じた検波電圧が現れ、可変容量ダイオード２０５の容量は大きくなり、検波回路２０２に送出される出力電力は大きくなる。これにより、出力レベルが高いときには、検波電圧を低くし、出力レベルが低いときには、検波電圧を高くすることができ、検波回路２０２に使用するショットキーダイオードの選択によらない形で、ＲＦ−ＤＣ変換特性を制御できる。

特開昭６４−２７３２３号公報（図１、２ページ目右上１７行目から３ページ目左上９行目まで）

特許文献１では、可変容量ダイオード２０５の容量は、電力増幅器２０１の出力と、検波回路２０２の入力端子２０７との電位差により制御され、この電位差と容量との関係は、可変容量ダイオード２０５の特性のみで決定する。この場合、可変容量ダイオード２０５として、所望のＲＦ−ＤＣ変換特性を実現するものを使用できる場合には問題がないが、得たいＲＦ−ＤＣ変換特性によっては、所望のＲＦ−ＤＣ変換特性を実現できない場合があるという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、所望のＲＦ−ＤＣ変換特性を実現できる検波回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の視点の検波回路は、
ショットキーダイオードから構成される検波電圧生成部と、可変容量ダイオードから構成される電圧可変容量部と、を備える検波回路であって、
前記検波電圧生成部は、入力されるＲＦ信号の信号強度に応じた検波電圧を出力し、
前記電圧可変容量部は、前記検波電圧生成部と、前記ＲＦ信号の入力ポートとの間に直列に挿入され、所定のバイアス電圧と前記検波電圧との差が大きいほどキャパシタンスが小さくなる、ことを特徴とする。

本発明の第１の視点の検波回路では、検波電圧を出力する検波電圧生成部には、検波電圧生成部が出力する検波電圧と、所定のバイアス電圧との電位差に応じてキャパシタンスが変化する電圧可変容量部を介してＲＦ信号が入力される。電圧可変容量部には、例えばバラクタダイオードを用い、ＲＦ信号に対しては、キャパシタンスと等価であるとみなせるようにする。電圧可変容量部のキャパシタンスを、検波電圧が大きいほど、検波電圧生成部に対するＲＦ信号の通過ロスが大きくなるようにすることで、ＲＦ信号の入力強度が高い領域での検波電圧を低く抑えることができ、検波電圧の電圧範囲を一定範囲に抑えた場合のＲＦ信号の入力強度の範囲を拡大できる。また、バイアス電圧を調整することで、検波電圧の変化に対する電圧可変容量部のキャパシタンスの変化の範囲を調整でき、所望のＲＦ−ＤＣ特性を実現できる。

さらに電圧可変容量部のＲＦ信号に対するインピーダンスは、１／（ωＣ）（ω＝２πｆ（ｆは周波数）、Ｃ＝電圧可変容量部のキャパシタンス）で表すことができ、検波電圧が大きいほど、キャパシタンスが小さくなるようにすることで、ＲＦ信号の入力強度が高い領域、つまり、検波電圧が高い領域で電圧可変容量部のインピーダンスを大きくすることができ、電圧可変容量部での通過ロスを大きくすることができる。

本発明の第１の視点の検波回路は、前記検波電圧生成部と前記検波電圧の出力ポートとの間、及び、前記電圧可変容量部と前記バイアス電圧の印加ポートとの間のそれぞれにローパスフィルタを備える構成を採用できる。この場合、検波電圧を出力する出力ポートやバイアス電圧を印加するための印加ポートから、入力ポートから入力されたＲＦ信号がリークすることを防ぐことができる。

上記目的を達成するために、本発明の第２の視点の検波回路は、
ショットキーダイオードから構成される検波電圧生成部と、可変容量ダイオードから構成される電圧可変容量部と、を備える検波回路であって、
前記検波電圧生成部は、入力されるＲＦ信号の信号強度に応じた検波電圧を出力し、
前記電圧可変容量部は、前記ＲＦ信号の入力ポートに対して、前記検波電圧生成部と並列に接続され、所定のバイアス電圧と前記検波電圧との差が大きいほどキャパシタンスが大きくなる、ことを特徴とする。

本発明の第２の視点の検波回路では、ＲＦ信号を入力する入力ポートに対して、検波電圧を出力する検波電圧生成部と、検波電圧生成部が出力する検波電圧と、所定のバイアス電圧との電位差に応じてキャパシタンスが変化する電圧可変容量部とを並列に接続する。電圧可変容量部には、例えばバラクタダイオードを用い、ＲＦ信号に対しては、キャパシタンスと等価であるとみなせるようにする。検波電圧生成部と並列に接続された電圧可変容量部のキャパシタンスを、検波電圧が大きいほど、電圧可変容量部のインピーダンスが小さくなるように構成し、電圧可変容量部でのＲＦ信号の減衰を大きくすることで、ＲＦ信号の入力強度が高い領域での検波電圧を低く抑えることができ、検波電圧の電圧範囲を一定範囲に抑えた場合のＲＦ信号の入力強度の範囲を拡大できる。また、バイアス電圧を調整することで、検波電圧の変化に対する電圧可変容量部のキャパシタンスの変化の範囲を調整でき、所望のＲＦ−ＤＣ特性を実現できる。

さらに、この場合、ＲＦ信号の入力強度が高い領域における電圧可変容量部のインピーダンスを小さくでき、電圧可変容量部でのＲＦ信号の減衰を大きくすることができる。

本発明の検波回路は、前記検波電圧生成部と前記検波電圧の出力ポートとの間、及び、前記電圧可変容量部と前記バイアス電圧の印加ポートとの間のそれぞれにローパスフィルタを備える構成を採用できる。この場合、検波電圧を出力する出力ポートやバイアス電圧を印加するための印加ポートから、入力ポートから入力されたＲＦ信号がリークすることを防ぐことができる。

本発明の第２の視点の検波回路は、前記バイアス電圧の印加ポートと、低電位側電源線との間に、さらにコンデンサを備える構成を採用できる。この場合、コンデンサのキャパシタンスとして、電圧可変容量部をＤＣ的に低電位側電源線から浮かし、ＲＦ的には、短絡とみなせる大きさのキャパシタンスを採用することで、電圧可変容量部にバイアス電圧を印加しつつ、電圧可変容量部にＲＦ信号をさせることができる。

本発明の検波回路では、所定のバイアス電圧との電位差に応じてキャパシタンスが変化する電圧可変容量部を用いて、ＲＦ信号の入力強度が高い領域での電圧可変容量部におけるＲＦ信号の通過ロス又は減衰を大きくすることで、検波電圧生成部が出力する検波電圧が高くなりすぎることを防ぐ。このようにすることで、検波電圧の電圧範囲を一定範囲に抑えた場合のＲＦ信号の入力強度の範囲を拡大できる。また、バイアス電圧を調整することで、検波電圧の変化に対する電圧可変容量部のキャパシタンスの変化の範囲を調整でき、所望のＲＦ−ＤＣ特性を実現できる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態の検波回路の構成を回路図で示している。この検波回路１０は、ショットキーダイオード１２、バラクタダイオード１６、インダクタンス１３、１７、及び、コンデンサ１４、１８を備える。ショットキーダイオード１２は、マイクロ波帯のＲＦ信号に追従して整流する性能を有し、入力ポート１１から入力される、検波の対象となるＲＦ信号を半波整流して、検波電圧を発生する。この検波電圧は、ポート１５から出力される。ショットキーダイオード１２とポート１５との間のインダクタンス１３及びコンデンサ１４は、ローパスフィルタを構成し、ポート１５にＲＦ信号がリークするのを防ぐ。

ポート１９は、バラクタダイオード１６に所定の電圧を印加するポートとして構成される。バラクタダイオード１６のキャパシタンスは、ポート１９と、検波電圧を出力するポート１５との間の電位差に応じた値となる。バラクタダイオード１６は、ＲＦ信号に対しては、キャパシタンスと等価に考えることができる。バラクタダイオード１６とポート１９との間のインダクタンス１７及びコンデンサ１８は、ローパスフィルタを構成し、ポート１９に、ＲＦ信号がリークすることを防ぐ。

図２（ａ）は、ショットキーダイオード１２の電圧−電流特性を示している。また、同図（ｂ）は、入力ＲＦ信号の様子を示し、同図（ｃ）は、ショットキーダイオード１２の出力信号の様子を示している。ショットキーダイオード１２は、キャリアがＲＦ信号に追従するため、ＲＦ信号に対しても、同図（ａ）に示す電圧−電流特性を持っている。ショットキーダイオード１２は、同図（ｂ）に示すＲＦ信号２３が入力されると、ＲＦ信号２３を半波整流して、出力信号２４（同図（ｃ））を出力する。この出力信号２４の時間平均値が検波電圧２５となる。検波回路１０におけるＲＦ入力信号からＤＣ検波電圧への変換特性は、ショットキーダイオード１２の物理特性により決定する。従って、検波電圧のダイナミックレンジは、ダイオードの物理特性により決定されるといえる。

図３は、バラクタダイオード１６のＤＣ逆バイアス電圧とキャパシタンスとの関係を示している。バラクタダイオード１６は、ショットキーダイオード１２とは異なり、キャリアはＲＦ信号に追従せず、ＲＦ信号に対しては、その接合部分の等価キャパシタンスがＤＣ逆バイアスの値によって決定する素子とみなせる。バラクタダイオード１６のＤＣ逆バイアス電圧とキャパシタンスとの関係は、同図に示すグラフのように変化し、ＤＣ逆バイアス電圧が高いほど、キャパシタンスは低くなる。

検波回路１０（図１）では、バラクタダイオード１６は、入力ポート１１とショットキーダイオード１２との間に直列に接続されており、バラクタダイオード１６は、ショットキーダイオード１２に対して直列の容量とみなすことができる。バラクタダイオード１６のインピーダンスは、ω＝２πｆ（ｆは周波数）、Ｃをキャパシタンスとして、１／（ωＣ）で表され、これは、バラクタダイオード１６のキャパシタンスが小さいほど、インピーダンスが高くなることを示している。

検波回路１０の入力ポート１１に入力されるＲＦ信号の入力強度が低い場合には、ショットキーダイオード１２の検波電圧は小さい値となる。このため、バラクタダイオード１６のキャパシタンスは大きな値となり、インピーダンスが低いため、入力ポート１１側からショットキーダイオード１２側へのＲＦ信号の通過ロスは小さい。一方、入力ポート１１に入力されるＲＦ信号の入力強度が高い場合には、ショットキーダイオード１２の検波電圧は大きな値となり、バラクタダイオード１６のキャパシタンスは小さな値となる。この場合には、バラクタダイオード１６のインピーダンスは高くなり、入力ポート１１側からショットキーダイオード１２側へのＲＦ信号の通過ロスは大きくなる。

ＲＦ信号の入力強度が高くなり、検波電圧が上昇してバラクタダイオード１６部分でのＲＦ信号の通過ロスが大きくなると、バラクタダイオード１６と直列に接続されたショットキーダイオード１２への入力電圧が減少し、検波電圧の上昇が抑えられる。その結果、バラクタダイオード１６のキャパシタンスが増加し、ＲＦ信号の通過ロスが小さくなる。この過程のself-consistenceを解くことで、実際の検波電圧を計算できる。検波電圧が、どの範囲の領域で、どの程度減少するかは、ショットキーダイオードの特性や、バラクタダイオードの特性、ＲＦ信号の周波数によって決定されるが、検波電圧は、バラクタダイオード１６がない場合に比して確実に小さくなる。

図４は、検波回路のＲＦ−ＤＣ変換特性を示している。同図では、横軸は、入力ポート１１に入力するＲＦ信号の入力強度（ｄＢｍ）を示している。また、横軸は、ポート１５で観察される検波ＤＣ電圧（ｍＶ）を示しており、対数スケールで示している。同図において、グラフ（ａ）は、本実施形態の検波回路１０のＲＦ−ＤＣ変換特性を示しており、グラフ（ｂ）は、比較例の検波回路のＲＦ−ＤＣ変換特性を示している。比較例に用いた検波回路は、図５に示すように、ダイオード３２、インダクタンス３３、及び、コンデンサ３４で構成され、入力ポート３１からＲＦ信号を入力して、ポート３５から検波電圧を出力する。この構成は、図１に示す検波回路１０からバラクタダイオード１６、インダクタンス１７、及び、コンデンサ１８を除いた構成と同一であり、使用するショットキーダイオード１２の特性等についても、同一のものを用いた。

本実施形態の検波回路１０の特性（図４のグラフ（ａ））と、比較例の検波回路３０の特性（グラフ（ｂ））とを比較すると、ＲＦ信号の入力強度が低い領域では、特性はほぼ同じである。しかし、ＲＦ信号の入力強度が高い領域では、上記したように、本実施形態の検波回路１０では、バラクタダイオード１６部分での通過ロスが大きくなり、入力強度の増加に対する検波電圧の増加の度合い（傾き）が小さくなる。このため、この領域におけるＲＦ信号の入力強度に対する検波電圧を比較すると、本実施形態の検波回路１０の検波電圧は、比較例の検波回路３０の検波電圧に比して小さくなる。従って、本実施形態の検波回路１０と比較例の検波回路３０とで検波電圧の範囲が同じ場合には、その検波電圧の範囲に対する本実施形態の検波回路１０のＲＦ信号の入力強度の範囲は、比較例の検波回路３０のＲＦ信号の入力強度の範囲に比して広くなる。

本実施形態では、ショットキーダイオード１２と、入力ポート１１との間にバラクタダイオード１６を直列に挿入する。バラクタダイオード１６のインピーダンスは、ＲＦ信号の入力強度が高いほど大きくなるため、ＲＦ信号の入力強度が高い場合の検波電圧を、バラクタダイオード１６がない場合に比して下げることができる。このため、外部回路の制約により、検波電圧が一定範囲に制限される場合でも、検出するＲＦ信号の入力強度の範囲（ダイナミックレンジ）を広げることができる。また、ポート１９に印加する電圧を調整することにより、検波電圧に対してバラクタダイオード１６のキャパシタンスが変化する範囲を変えることができ、バラクタダイオード１６によるＲＦ信号の入力強度の増加に対する検波電圧の減少分を所望の値にコントロールすることで、所望のＲＦ−ＤＣ特性を実現できる。

図６は、本発明の第２実施形態の検波回路の構成を示している。本実施形態の検波回路１０ａでは、バラクタダイオード６６は、図１に示す第１実施形態の検波回路１０とは異なり、ショットキーダイオード６２と並列に接続される。図６における符号６１〜６９の要素は、図１における符号１１〜１９の要素に対応する。本実施形態の検波回路１０ａは、図１に示す要素と同様な要素に加えて、図１のポート１９に相当するポート６９と、グランドとの間に、コンデンサ７０を有する。コンデンサ７０の容量は、バラクタダイオード６６に対してポート６９からバイアス電圧を印加できるように、バラクタダイオード６６をＤＣ的にグランドから浮かし、ＲＦ的には、短絡とみなせる大きさに設定される。

図７は、バラクタダイオード６６のＤＣ逆バイアス電圧とキャパシタンスとの関係を示している。この特性自体は、図３に示す特性と同じである。バラクタダイオード６６のバイアス電圧を決定するポート６９には、検波電圧よりも高い電圧が印加される。入力ポート６１より、ＲＦ信号が入力され、ショットキーダイオード６２が検波電圧を出力すると、バラクタダイオード６６のＤＣ逆バイアス電圧は、ポート６９から印加されるバイアス電圧から検波電圧を引いた電圧となる。

検波電圧とバラクタダイオード６６のキャパシタンスとの関係について説明する。ポート６９に印加されるバイアス電圧を、図７中に符号７３で示す。また、検波電圧を、符号７４で示す。この場合、バラクタダイオード６６のＤＣ逆バイアス電圧は、バイアス電圧７３から検波電圧７４を引いた大きさとなり、バラクタダイオード６６のキャパシタンスは、符号７５の大きさとなる。このキャパシタンスは、検波電圧７４の大きさに依存して変化し、検波電圧７４が大きくなるにつれて大きくなる。また、図７を参照すると、バイアス電圧７３の大きさを調整することで、検波電圧７４の変化に対するキャパシタンスの変化の範囲を、任意に調整できることがわかる。

バラクタダイオード６６のインピーダンスは、第１実施形態で説明したように、１／（ωＣ）となる。本実施形態では、ＲＦ信号の入力強度が低いと、ショットキーダイオード６２が出力する検波電圧は小さく、バラクタダイオード６６のキャパシタンスは小さい値となる。この場合、入力ポート６１に対して、ハイインピーダンスのバラクタダイオード６６がショットキーダイオード６２と並列に接続されるため、バラクタダイオード６６でのＲＦ信号の減衰は小さい。一方、ＲＦ信号の入力強度が高い場合には、ショットキーダイオード６２が出力する検波電圧は大きくなり、バラクタダイオード６６のキャパシタンスは大きな値となる。この場合には、入力ポート６１に対して、ローインピーダンスのバラクタダイオード６６がショットキーダイオード６２と並列に接続されることで、バラクタダイオード６６でのＲＦ信号の減衰は大きくなる。

バラクタダイオード６６部分でのＲＦ信号の減衰が大きくなると、ショットキーダイオード６２の入力電圧への入力電力が減少し、検波電圧が低下する。その結果、バラクタダイオード６６のキャパシタンスが減少して、バラクタダイオード６６でのＲＦ信号の減衰が小さくなる。この過程のself-consistenceを解くことで、実際の検波電圧を計算できる。このように、本実施形態では、入力ポート６１に対して、ショットキーダイオード６２とバラクタダイオード６６とを並列に接続することにより、第１実施形態と同様に、ＲＦ信号の入力強度が高い領域での検波電圧の増加の度合いを、入力強度が低い領域に比して低下させることができ、所定の検波電圧の範囲に対して、ＲＦ信号の入力信号の範囲を広げることができる。また、ポート６９に印加する電圧を調整することにより、検波電圧に対してバラクタダイオード６６のキャパシタンスが変化する範囲を変えることができ、バラクタダイオード６６によるＲＦ信号の入力強度の増加に対する検波電圧の減少分を所望の値にコントロールすることで、所望のＲＦ−ＤＣ特性を実現できる。

なお、上記実施形態では、ポート１９（６９）に印加されるバイアス電圧は、一定電圧である例について説明したが、これには限定されない。例えば、検波回路で検出するＲＦ信号の入力強度の範囲を２つに分割し、各範囲で印加するバイアス電圧を変化させてもよい。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の検波回路は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明の第１実施形態の検波回路の構成を示す回路図。（ａ）は、ショットキーダイオードの電圧−電流特性を示すグラフ、（ｂ）は、入力ＲＦ信号の様子を示す波形図、（ｃ）は、ショットキーダイオードの出力信号の様子を示す波形図。バラクタダイオードのＤＣ逆バイアス電圧とキャパシタンスとの関係を示すグラフ。検波回路のＲＦ−ＤＣ変換特性を示すグラフ。比較例の検波回路の構成を示す回路図。本発明の第２実施形態の検波回路の構成を示す回路図。バラクタダイオードのＤＣ逆バイアス電圧とキャパシタンスとの関係を示すグラフ。特許文献１に記載された送信装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１１、６１：入力ポート
１２、６２：ショットキーダイオード
１３、１７、６３、６７：インダクタンス
１４、１８、６４、６８、７０：コンデンサ
１５、６５：出力ポート
１６、６６：バラクタダイオード

Claims

ショットキーダイオードから構成される検波電圧生成部と、可変容量ダイオードから構成される電圧可変容量部と、を備える検波回路であって、
前記検波電圧生成部は、入力されるＲＦ信号の信号強度に応じた検波電圧を出力し、
前記電圧可変容量部は、前記検波電圧生成部と、前記ＲＦ信号の入力ポートとの間に直列に挿入され、所定のバイアス電圧と前記検波電圧との差が大きいほどキャパシタンスが小さくなる、ことを特徴とする検波回路。
前記検波電圧生成部と前記検波電圧の出力ポートとの間、及び、前記電圧可変容量部と前記バイアス電圧の印加ポートとの間のそれぞれにローパスフィルタを備える、請求項１に記載の検波回路。
ショットキーダイオードから構成される検波電圧生成部と、可変容量ダイオードから構成される電圧可変容量部と、を備える検波回路であって、
前記検波電圧生成部は、入力されるＲＦ信号の信号強度に応じた検波電圧を出力し、
前記電圧可変容量部は、前記ＲＦ信号の入力ポートに対して、前記検波電圧生成部と並列に接続され、所定のバイアス電圧と前記検波電圧との差が大きいほどキャパシタンスが大きくなる、ことを特徴とする検波回路。
前記検波電圧生成部と前記検波電圧の出力ポートとの間、及び、前記電圧可変容量部と前記バイアス電圧の印加ポートとの間のそれぞれにローパスフィルタを備える、請求項３に記載の検波回路。
前記バイアス電圧の印加ポートと、低電位側電源線との間に、さらにコンデンサを備える、請求項４に記載の検波回路。