JP4987718B2 - 負荷のインピーダンスの検出回路 - Google Patents

Description

開示の内容

本発明は、一般に、半導体回路に関し、特に、無線周波数（ＲＦ）回路に関する。特に、本発明は、インピーダンス整合回路によって利用できる負荷のインピーダンスの検出回路及び方法に関する。

ＲＦ電力増幅器の性能は、ＲＦ電力増幅器の出力に結合された負荷のインピーダンス又はアドミタンスで決まる。ＲＦ電力増幅器は一般に、負荷インピーダンスが所定の値、例えば５０Ωである場合に最適な性能を示すよう設計されている。便宜上、ＲＦ電力増幅器を略してＲＦ増幅器という。ＲＦ増幅器がアンテナ、例えば手持ち通信機器、例えば携帯電話等に用いられているアンテナに給電した場合、環境条件により、アンテナ（負荷）のインピーダンスが変化する場合がある。ユーザの動いている手や頭及びその近くの他の物体は、アンテナインピーダンス中に多大な外乱を引き起こす。しかしながら、アンテナインピーダンスが所定値とは異なっている場合、電力増幅器の性能、例えば出力電力、効率、線形性等が劣化する。

上述の問題を考慮に入れて電力増幅器とアンテナとの間にサーキュレータ又はアイソレータを配置することがよく知られている。サーキュレータ、電力増幅器の出力に結合された第１の端子、アンテナに結合された第２の端子及び一定のインピーダンス、例えば５０Ωを有するデバイスを介してアースに結合された第３の端子を有する。電力増幅器の出力信号は、アイソレータの第１の端子及び第２の端子を介してアンテナに送られる。インピーダンスの不整合に起因してアンテナから反射して戻った信号は、アイソレータの第３の端子及び一定インピーダンスデバイスを介してアースに逃がされる。かくして、アンテナのインピーダンス不整合は、電力増幅器の性能に悪影響を及ぼさない。しかしながら、アイソレータは大型であって高価であり、しかも電力効率が良くない。アイソレータは、安価で低電力の携帯通信システムに用いるのには適していない。

米国特許第４，４９３，１１２号明細書は、その図１において、回路がアンテナのインピーダンスと位相の両方を検出し、それによりアンテナをＲＦ増幅器に結合する先行技術の１つを記載している。電圧センサ及び電流センサは、インピーダンスの大きさを求めるために用いられる。

米国特許第４，４８３，６８０号明細書は、アンテナのインピーダンスを整合させる回路を開示している。この回路は、２つの制御信号により駆動されるインピーダンス整合ネットワークを有する。２つの制御信号は、直角位相検出器の出力である。制御は、２つの制御信号の同時最小化を利用している。

本発明の目的は、インピーダンス整合回路の制御を単純化できるようにする負荷のインピーダンス又はアドミタンスの検出回路及び方法を提供する。別の目的は、制御が簡単であり且つ応答時間が早いインピーダンス整合ネットワークを提供することにある。

これら目的及び他の目的は、独立形式の請求項に記載された特徴によって達成される。本発明の別の実施形態は、従属形式の請求項に記載された特徴により示されている。強調されるべきこととして、請求項に示される場合のある参照符号は、本発明の範囲を限定するものと解されてはならない。

本発明によれば、上述の課題は、負荷のインピーダンス又はアドミタンスを検出する回路に関する上述の問題は、ＲＦ増幅器に接続可能であると共に負荷に接続可能な入力端子を備えた方向性結合器を有する回路によって解決される。方向性結合器は、
ａ）前進波の電圧の大きさ又は電流の大きさを測定する第１の手段、
ｂ）反射波の電圧の大きさ又は電流の大きさを測定する第２の手段、及び
ｃ）直角位相検出器に接続された出力端子を有し、直角位相検出器は、０゜〜３６０゜の範囲内の反射係数Γの位相θに関する情報をもたらす信号を出力するよう構成されている。

本発明によれば、インピーダンス整合回路に関する上述の問題は、給電路によってＲＦ増幅器に接続可能であり又は接続されている調節可能な出力整合ネットワークを有するインピーダンス整合回路によって解決される。調節可能な出力整合ネットワーク（以下、略して単に「ネットワーク」という場合がある）は、給電路によって負荷に接続可能であり又は接続されている。負荷は、アンテナ、例えば手持ち通信機器、例えば携帯電話、スマートカード等のアンテナであるのがよい。ネットワークは、負荷のインピーダンス又はアドミタンスを測定する検出器を有し、検出器は、給電路のノードに接続可能であり又は接続されている。検出器の出力は、制御ユニットの入力としての役目を果たす。この制御ユニットは、調節可能な出力整合ネットワークの出力を制御する。制御ユニットは、検出器に接続されており、検出器は、直前の段落に記載された回路である。

上述の回路及びインピーダンス調節ネットワークは、無線周波数範囲、かくして、約１０ｋＨｚ〜約１０ＧＨｚの周波数範囲で動作するよう設計されている。

本発明によれば、負荷のインピーダンス又はアドミタンスを検出する方法に関する上述の課題は、第１のステップにおいて、方向性結合器をＲＦ増幅器と負荷との間に配置するステップを有する方法によって解決される。次に、前進波の電圧の大きさ又は電流の大きさ並びに反射波の電圧の大きさ又は電流の大きさを測定する。さらに、反射係数Γの位相θを０゜〜３６０゜の範囲内で、好ましくは直角位相検出器によって測定する。

本発明者は、検出器が反射係数Γについての位相全体に関する情報を提供する場合、インピーダンス整合がより単純になることを発見した。反射係数Γの位相θが０゜〜３６０゜の範囲内で既知である場合に位相全体に関する情報が提供される。

θ＝０゜〜θ＝１８０゜の範囲内だけでなく、θ＝０゜〜θ＝３６０゜の範囲内の位相情報を提供する検出器は、位相情報の欠落を補償することを目的としては、調節可能な出力整合ネットワークにおけるインピーダンス調節を制御するアルゴリズムであって、多数の次元の検索ルーチン及び自己学習過程を含むアルゴリズムを必要としない。このように、本発明の解決策により、制御アルゴリズムを簡単にすることができる。

簡単な制御アルゴリズムは、インピーダンスの調節を迅速にすると共にインピーダンス調節ネットワークの応答時間を短くする。

加うるに、上述の方式は、最適レベル以下の局所極小値を求めるという恐れを回避し、したがって、本発明の結果は、θ＝０゜〜θ＝１８０゜の範囲内のみの位相情報で作用する解決策の場合よりも信頼性が高い。

本発明の別の利点は、先行技術の解決策と比較して、ベースバンドとの入力／出力での激しいインターフェイス取りの度合いが低いということにある。

前進／入射波と反射波の両方の電圧の大きさ又は電流の大きさを測定するために第１の手段及び第２の手段が設けられる。Ｖ_ｆが前進波の電圧であり、Ｖ_ｒが反射波の電圧である場合、反射係数Γは次のように定められる。

上式において、θは、反射係数の位相である。位相θは、反射波の位相θ_ｒと入射波の位相θ_ｆとの位相差であり、即ち、θ＝θ_ｆ−θ_ｒ ^〜である。位相θは、−１８０゜と＋１８０゜との間の任意の値であってよい。

好ましくは、第１の手段と第２の手段は両方ともピーク検出器である。ピーク検出器は、ミクサ及び振幅リミッタを有するのがよい。さらに、第１の手段及び第２の手段は、これら手段とＲＦ増幅器を互いに電気的に断路させる緩衝増幅器を有するのがよい。

直角位相検出器は、９０゜移相器を有する全域フィルタであるのがよい。直角位相検出器の出力信号は、ｓｉｎ（θ）に比例する信号及びｃｏｓ（θ）に比例する信号である。θは、以下のように数学的な後処理によって計算できる。

Ｖ_ｆ、Ｖ_ｒ及び調節可能な出力整合ネットワークの特性インピーダンスＺ_０が既知であれば、電力増幅器の出力電力制御と調節可能な出力整合ネットワークによる出力整合の両方に必要な主要な特性を計算することができる。

入射電力は、次の通りである。

反射電力は、次の通りである。

消散電力Ｐ_ｄは、次の通りである。

｜Γ｜から、voltage standing wave ratio （ＶＳＷＲ）を次式によって求めることができる。

最も重要なこととして、負荷のインピーダンスは、次の通りである。

直前の段落に記載した負荷のインピーダンス又はアドミタンスを検出する回路に対応して、本発明は又、かかる回路を有するインピーダンス整合回路に関する。単純化のため、負荷のインピーダンス又はアドミタンスを検出する回路を、以下の段落においては検出器と呼ぶことにする。

インピーダンス整合回路は、給電路によってＲＦ増幅器に接続可能であり又はこれに接続されている調節可能な出力整合ネットワークを更に有する。検出器は、ＲＦ増幅器とネットワークとの間か、ネットワークと負荷との間かのいずれかに位置するノードのところで給電路を調べる。第１の場合、検出器は、ＲＦ増幅器の入力インピーダンスを検出する。第２の場合、検出器は、アンテナのインピーダンスを検出する。

本発明の上記特徴及び他の特徴は、以下において説明する実施形態から明らかであり、かかる実施形態と関連してこれら特徴を説明する。

図１は、アンテナのインピーダンスを検出する回路を示す高レベルブロック図である。アンテナは、携帯電話向きに設計されたアンテナである。ＲＦ出力／入力４は、携帯電話が音声信号を送るときに電磁波をアンテナ５に送り、携帯電話が音声信号を受け取る場合、電磁波をアンテナから受け取るのに役立つ。アンテナ５から受け取った波の場合、かかる波は、給電路１６を介して方向性結合器１の入力端子３まで進み、次に端子２からＲＦ入力／出力４に進む。方向性結合器１は、アンテナからＲＦ入力／出力４に進む前進波又は入射波と戻ってくる反射波の両方を検出する。方向性結合器１は、先行技術において知られている標準型の方向性結合器であり、かくして、この電子部品の内部の詳細は、当業者には知られている。

方向性結合器１は、２つの出力端子、即ち、入射波用として表された第１の出力ポート６及び反射波用として示された第２の出力端子７を有している。

出力端子６は、入射波の電圧の大きさを測定する第１の手段８に接続されている。図示の実施形態は、第１の手段８としてピーク検出器１１を用いており、ピーク検出器１１は、ミクサ１２及び振幅リミッタ１３を有している。かくして、第１の手段８の入力／出力端子２０は、入射波の電圧の大きさ｜Ｖ_ｆ｜を出力する。

出力端子７は、反射波の電圧の大きさ｜Ｖ_ｒ｜を測定する第２の手段９に接続されている。図示の実施形態は、第２の手段９としてピーク検出器１１を用いており、ピーク検出器１１は、ミクサ１２及び振幅リミッタ１３を有している。かくして、第２の手段９の入力／出力端子２１は、反射波の電圧の大きさ｜Ｖ_ｒ｜を出力する。

出力端子６と出力端子７は両方とも、直角位相検出器１０に接続されており、この直角位相検出器は、０゜〜３６０゜の範囲内の反射係数Γの位相θに関する情報を提供する信号を出力するようになっている。直角位相検出器１０それ自体は、当業者には公知であり、この直角位相検出器は、２つのミクサ１２及び９０゜移相器２２を有するのがよい。出力端子２２は、信号｜Ｖ_ｆ｜・｜Ｖ_ｒ｜・ｓｉｎ（θ）を出力し、出力端子２３は、信号｜Ｖ_ｆ｜・｜Ｖ_ｒ｜・ｃｏｓ（θ）を出力する。

図２は、２つの移相器２２，２２′、３つの振幅リミッタ１３及び２つの位相検出器２３を有する直角位相検出器１０のブロック図である。図２に示す２つの移相器２２，２２′は、入力ＲＦ信号のために回路全体を平衡化／非平衡化させるのにも役立つ。さらに、誤差を無くすために、２つの移相器が用いられている。ただし、原理的には、単一の移相器で十分である。出力端子ｘのところの出力は、｜Ｖ_ｆ｜・｜Ｖ_ｒ｜・ｓｉｎ（θ）であり、出力端子ｙのところの出力は、｜Ｖ_ｆ｜・｜Ｖ_ｒ｜・ｃｏｓ（θ）である。

移相器２２，２２′は、図３に詳細に示されている。移相器は、基本的には、ＭＯＳ回路が同調可能／可変抵抗として追加された全域フィルタである。この一般に知られた型式の移相器は、３つの出力端子ｏｕｔ１、ｏｕｔ２及びｏｕｔ３を有している。図２では、移相器２２，２２′の３つの出力端子は、（上から下へ）ｏｕｔ１、ｏｕｔ２及びｏｕｔ３である。図２で理解できるように、移相器２２′の１つの出力端子は、開かれたままであり、即ち、差電圧を出すｏｕｔ２である。これは、電子部品中の信号の互いに異なる経路長に起因する位相差を補償するのに役立つ。この移相器では、インピーダンス検出器は、具体化が簡単になり、同調可能であり、広い周波数帯域幅を有し、高い精度を有する。さらに、移相器は、回路を平衡化させるのに役立つ。

図２の３つのリミッタは、全体的な位相検出が４０ｄＢよりも高い動的範囲を有するように設けられている。しかしながら、直角位相検出の技術的思想は、リミッタが無くても依然として実現可能である。２つのタイプのリミッタが、インピーダンス検出器のプロトタイプ用に用いられていた。これらリミッタは、図４の上部と下部に示されている。これらリミッタにより、４０ｄＢの動的範囲を達成することができる。

図５は、本発明を実施するために使用できる位相検出器を示している。この種の位相検出器は、基本的な先行技術で知られている。この位相検出器は、寄生効果の影響を制限する平衡型の位相検出器である。

図６は、図２の直角位相検出器を用いる図１の回路で得られた実験結果を示しており、位相検出器１０は、図３の移相器及び図４のリミッタを有している。リミッタの供給電圧は、２．９Ｖ及び４．７Ｖであった。周波数は、０．８ＧＨｚ〜１．０ＧＨｚの範囲内にあり、温度は、−２５℃〜＋８５℃であり、入力電流は、５ｄＢｍ、１０ｄＢｍ及び３５ｄＢｍであった。図６では、出力ｙ＝｜Ｖ_ｆ｜・｜Ｖ_ｒ｜・ｃｏｓ（θ）が、出力ｘ＝｜Ｖ_ｆ｜・｜Ｖ_ｒ｜・ｓｉｎ（θ）に対してプロットされている。プロットは、^〜平面であり、全位相情報が得られたことを示している。

図７及び図８は、上述したインピーダンス検出器をインピーダンス整合回路の一部としてどのように使用できるかを示している。図７では、電力増幅器４は、給電路１６によりアンテナ５に給電する。適応出力ネットワーク１５が、アンテナのインピーダンスを電力増幅器４のインピーダンスに適応させるのに役立つ。図７の構成では、本発明のインピーダンス検出器１７は、ノード１８のところのインピーダンスを検出し、かくして、整合インピーダンスを検出するよう構成されている。換言すると、インピーダンス検出器１７は、ノード１８から先へ左から右の（即ち、電力増幅器４からアンテナ５への）エネルギー流れ方向（ｚ方向）のインピーダンスを測定する。この点に関し、図７は、フィードバックシステムを示している。制御ユニット１９が、整合インピーダンスと電力増幅器４のインピーダンスを比較し、それに応じて適応出力ネットワークの出力を調節する論理を提供する。所望ならば、１つ又は２つのオプションとしての固定出力ネットワーク２４，２４′を追加することができる。

図８は、適応出力ネットワーク１５とアンテナ５との間でノード１８のところに配置された本発明のインピーダンス検出器１７を示している。この場合、検出器１７は、整合インピーダンスではなく、アンテナインピーダンスを検出する。その理由は、この検出器がノード１８から先へ左から右のエネルギー流れ方向の（即ち、ｚ方向における電力増幅器４からアンテナ５への）インピーダンスを測定するからである。この点に関し、図８は、フィードフォワードシステムを示している。

インピーダンス検出器の高レベルブロック図である。 直角位相検出器のブロック図である。 本発明を実施するために使用できる移相器を示す図である。 本発明を実施するために使用できるリミッタ（振幅リミッタ）を示す図である。 本発明を実施するために使用できる位相検出器を示す図である。 完全なΓ平面の測定値を示す図である。 インピーダンス整合回路の第１の実施形態を示す図である。 インピーダンス整合回路の第２の実施形態を示す図である。

符号の説明

０１ 方向性結合器
０２ 入力端子
０３ 入力端子
０４ 無線周波数増幅器
０５ 負荷
０６ 入力／出力端子
０７ 入力／出力端子
０８ 入射波の電圧／電流の大きさを測定する手段
０９ 反射波の電圧／電流の大きさを測定する手段
１０ 直角位相検出器
１１ ピーク検出器
１２ ミクサ
１３ 振幅リミッタ
１４ 緩衝増幅器
１４′ 緩衝増幅器
１５ 調節可能な出力整合ネットワーク
１６ 給電路
１７ 検出器
１８ ノード
１９ 制御ユニット
２０ 入力／出力端子
２１ 入力／出力端子
２２ 移相器
２３ 位相検出器
２４ 固定出力ネットワーク
２４′ 固定出力ネットワーク

Claims (6)

1. 負荷のインピーダンス又はアドミタンスを検出する回路であって、
   無線周波数増幅器に接続可能であると共に前記負荷に接続可能な入力端子を備えた方向性結合器を有し、
   前記方向性結合器は出力端子を有しており、当該出力端子は、
   前進波の電圧の大きさ又は電流の大きさを測定する第１の手段と、
   反射波の電圧の大きさ又は電流の大きさを測定する第２の手段と、
   ０°〜３６０゜の範囲の反射係数Γの位相θに関する情報をもたらす信号を出力するよう構成された直角位相検出器と、
   に接続されており、
   前記位相θに関する情報を提供する前記信号は、ｓｉｎ（θ）に比例する信号及びｃｏｓ（θ）に比例する信号であり、
   前記第１の手段及び前記第２の手段は、ミクサ及び振幅リミッタを有するピーク検出器であり、又は、前記第１の手段及び前記第２の手段は、緩衝増幅器を含み、
   前記直角位相検出器は、９０°移相器を有する全域フィルタである、
   ことを特徴とする回路。
2. インピーダンス整合回路であって、
   給電路によってＲＦ増幅器に接続可能であり又は接続されている調節可能な出力整合ネットワークを有し、
   前記調節可能な出力整合ネットワークは、前記給電路によって負荷に接続可能であり又は接続されており、
   前記負荷のインピーダンス又はアドミタンスを測定する検出器を有し、前記検出器は、前記給電路のノードに接続可能であり又は接続されており、
   前記調節可能な出力整合ネットワークの出力を制御する制御ユニットを有し、前記制御ユニットは、前記検出器に接続されており、
   前記検出器は、請求項１に記載の回路である、インピーダンス整合回路。
3. 前記ノードは、前記ＲＦ増幅器と前記調節可能な出力整合ネットワークとの間に設けられている、請求項２記載のインピーダンス整合回路。
4. 前記ノードは、前記調節可能な出力整合ネットワークと前記負荷との間に設けられている、請求項２記載のインピーダンス整合回路。
5. 負荷のインピーダンス又はアドミタンスを検出する方法であって、
   方向性結合器を無線周波数増幅器と負荷との間に配置するステップと、
   前進波の電圧の大きさ又は電流の大きさを測定するステップと、
   反射波の電圧の大きさ又は電流の大きさを測定するステップと、
   ０°〜３６０゜の範囲で反射係数Γの位相θを、ｓｉｎ（θ）に比例する信号及びｃｏｓ（θ）に比例する信号を供給する直角位相検出器により、測定するステップと、
   を備える、方法。
6. 前記電圧の大きさ又は前記電流の大きさを測定するステップは、ピーク検出器によって行われる、請求項５記載の方法。

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