JPH08505751A - 無線周波信号増幅器のための整合インピーダンスを備えた電力検出器 - Google Patents

無線周波信号増幅器のための整合インピーダンスを備えた電力検出器

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JPH08505751A JP7513813A JP51381395A JPH08505751A JP H08505751 A JPH08505751 A JP H08505751A JP 7513813 A JP7513813 A JP 7513813A JP 51381395 A JP51381395 A JP 51381395A JP H08505751 A JPH08505751 A JP H08505751A
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Abstract

(57)【要約】 RF信号増幅器(103)によって発生される送信機出力信号(123)のための伝送ラインカプラ(115)はスルーパス伝送ライン(201)および該スルーパス伝送ラインに複数の曲がりくねった部分(図6の部分641,642,643および644のような)によって電磁的に結合された結合経路伝送ライン(202)を含み、前記複数の曲がりくねった部分は前記スルーパス伝送ライン(201)の反対側に配置されて結合感度を増強しかつ伝送ラインめっきの位置合わせの変動による結合量の悪化を除去する。前記スルーパス伝送ライン(201)の1つの側のオフセット部分(641,643)は前記スルーパス伝送ライン(201)の他の側のオフセット部分(642,643)と実質的に同じ量の結合を提供する。前記伝送ラインカプラ(115)は最終段の増幅器(103)の出力整合部に組み込まれかつ前記結合経路伝送ライン(202)の各々のポートに複素インピーダンス(212および210,222)を含み実質的に無用の反射を除去する。前記結合経路伝送ライン(202)の結合された部分はインダクタ(211)によってホットキャリアダイオード(206)に結合されその検出感度を増強する。

Description

【発明の詳細な説明】 無線周波信号増幅器のための整合インピーダンスを 備えた電力検出器 発明の背景 本発明は一般的には無線周波(RF)信号結合器またはカプラに関し、かつよ り特定的にはセルラ電話のRF信号増幅器のための整合インピーダンスを備えた 電力検出器に関する。 従来のセルラ電話においては、電力検出器は典型的にはダイオード検出器によ って実現されてきた(米国特許第4,523,155号および第5,192,2 23号を参照)。しかしながら、そのような従来技術のダイオード検出器の感度 は低レベルの信号を検出するために結合量を強要する。例えば、セルラ電話のR F信号増幅器によって生成されるRF信号のより低い電力レベルを検出するため には、15dBの結合が必要とされる。15dBのカプラは典型的には0.25 dBまたはそれ以上の挿入損失を有し、これはバッテリ通話時間を低減する実質 的な量の電流消費を意味する。前述の理由から、低い電力レベルで増強された検 出感度を有する改善された電力検出器の必要性が存在する。 図面の簡単な説明 図1は、本発明を好適に利用することができる、RF送信機回路100のブロ ック図である。 図2は、RF送信機回路100を含むセルラ電話200のブロック図である。 図3は、図1における増幅器103および電力検出回路109の詳細な回路図 である。 図4は、伝送ラインカプラ115を示す、図1における送信機回路の回路基板 の断面図である。 図5は、伝送ラインカプラ115の伝送ライン201および202の実施例を 示す、図4における回路基板セクションの頭部層321の上面図である。 図6は、図4における回路基板セクションの頭部層321の上面図であり、伝 送ラインカプラ115の伝送ライン201および202の好ましい実施例を示す 。 図7は、図4における回路基板セクションの頭部層321の上面図であり、伝 送ラインカプラ115の伝送ライン201および202の別の実施例を示す。 好ましい実施例の説明 簡単に言えば、本発明は信号源によって発生されたRF信号を検出しかつ検出 器信号を生成するRF信号検出回路 を含む。前記RF信号は複数の電力レベルのうちの予め選択された1つを有する 。前記RF信号検出回路は前記RF信号に結合され前記RF信号の振幅に関連す る振幅を有するRF検出信号を発生するRF信号検出器、および前記RF検出信 号に整合インピーダンスによって結合され前記RF検出信号を整流して検出器信 号を生成するためのダイオード検出器を具備し、前記整合インピーダンスは前記 複数の電力レベルのうちの前記予め選択された1つが前記複数の電力レベルのう ちの所定の1つより低い場合に実質的に前記ダイオード検出器のインピーダンス に整合する。 図1を参照すると、本発明を好適に使用することができる、独特のRF送信機 回路100のブロック図が示されている。RF送信機回路100は図2のセルラ 電話200の一部であり、該セルラ電話200は受信機回路141、マイクロホ ン152に結合されたユーザインタフェース回路151、スピーカ153、およ びキーパッド154を含み、これらは全てマイクロコンピュータ111によって 制御されかつ、例えば、アメリカ合衆国、イリノイ州60196、シャンバーグ 、イースト・アルゴンクイン・ロード1313のモトローラ・シーアンドイー・ パーツ(Motorola C & E Parts)によって発行されかつそ こから入手可能な「DYNATACセルラ移動電話800MHZ送受信機(DY NATAC Cellular Mobile Telephone 800 MHZ Tr ansceiver)」と題する、モトローラのインストラクションマニュアル 番号68P81066E40に示されかつ説明されたセルラ電話のような、任意 の伝統的なセルラ電話のエレメントとすることができる。そのような伝統的な電 話の動作および特徴的機能はアメリカ合衆国、イリノイ州60196、シャンバ ーグ、イースト・アルゴンクイン・ロード1313の、モトローラ・シーアンド イー・パーツによって発行されかつそこから入手可能な「DYNATAC 68 00XLセルラ移動電話ユーザズマニュアル(DYNATAC 6800XL Cellular Mobile Telephone USER′S MAN UAL)」と題する、モトローラのユーザーズマニュアル番号68P81116 E58に記載されている。 図1におけるRF送信機回路100は方向性カプラ115およびフィルタ10 5によってアンテナ107に結合された、縦続接続された増幅器101,102 および103を含む。図2のRF送信機回路100ならびにマイクロコンピュー タ111および受信機141は全て多層プリント回路基板上に構成することがで きる。方向性カプラ115は好ましくは以下に説明する伝送ライン方向性カプラ であり、かつ電力検出信号131を生成する電力検出回路109に結合されてい る。マイクロコンピュータ111は電力検出信号131に応答してゲイン制御信 号132の大きさを調整し所望の電力レベルの送信機出力信号123を生成 する。ゲイン制御信号132はドライバ回路113(これは本明細書に参照のた め導入される、米国特許第4,523,155号に示されかつ説明されているよ うに実施することができる)に結合され増幅器102への電圧/電流ドライブを 調整してその増幅ゲインをそれに対応して調整する。アナログセルラ電話におい ては、送信機出力信号123はセルラベースステーション(米国特許第4,52 3,155号を参照)からの制御メッセージに応答して8つの可能な電力レベル のうちの1つにセットすることがでる。デジタルセルラ電話においては、送信機 出力信号123はセルラベースステーション(本明細書に参照のため導入される 米国特許第5,192,223号を参照)からの制御メッセージに応答して割当 てられたタイムスロットの間に8つの可能な電力レベルのうちの1つにセットす ることができる。アナログおよびデジタルセルラ電話の双方とも本発明を好適に 利用することができる。 図3を参照すると、図1の最終段の増幅器103および電力検出回路109の 詳細な回路図が示されている。増幅器103は好ましくは電界効果トランジスタ (OKI製のKGF1321S型FET)であり、これは容量および伝送ライン 203によって増幅されたTX信号122へと結合されかつ送信機出力信号12 3を発生する。増幅器103の出力整合部は2つのローパスセクションおよび第 2および第3調波のための調波整合部(harmonic m atching)からなる。この調波整合部は伝送ライン204および容量24 3によって達成される。伝送ライン205および容量245は1つのローパスフ ィルタセクションを提供し、かつ伝送ライン201および容量247は他のロー パスフィルタセクションを提供する。伝送ライン201はまたフィルタ105に 結合されており、該フィルタ105は次に2つの容量およびインダクタによって アンテナ107に結合されている。 伝送ラインカプラ115の新規な特徴によれば、伝送ライン201および20 2は増幅器103の出力整合部に組み込まれている。カプラ115は増幅器10 3の出力整合部に組み込まれているから、結合経路の伝送ライン202の結合ポ ートおよびその隔離ポート(端部はインダクタ210に結合されている)におけ る複素インピーダンスは注意深く選択され、それによって結合経路の伝送ライン 202の結合ポート(端部はインダクタ212に接続されている)に現われる信 号が順方向にのみ伝達する信号を含みかつ逆方向に進行する信号を含まないよう にする必要がある。伝統的な方向性カプラでは、通過経路またはスルーパス(t hrough−path)伝送ラインおよび結合経路(coupled−pat h)伝送ラインは全てのポートにおいて50オームのインピーダンスに対して設 計される。50オームのインピーダンスによって理想的に終端された場合、前記 RF信号の一部は前記結合経路伝送ラインの結 合ポート(coupled port)に現われ、かつ前記結合経路伝送ライン の隔離ポート(isolated port)には信号は現われない。また、R F信号の反射も生じないが、それは前記スルーパス伝送ラインの両方のポートが 理想的に50オームのインピーダンスによって終端されるからである。しかしな がら、組み込まれたカプラ115のスルーパス伝送ライン201は理想的に終端 されず、容量245および247の間に結合されるから、送信機出力信号123 のいくらかの反射が生じる。 カプラ115においては、送信機出力信号123の所望の部分は結合経路伝送 ライン202の結合ポートに結合される。送信機出力信号123は伝送ライン2 01を下って進行しかつ一部は容量247によって反射し戻される。第1の反射 された送信機出力信号123は戻って進行しかつ一部は容量245によって反射 し戻される。第2の反射された送信機出力信号123の不要部分は結合経路伝送 ライン202の結合ポートに結合される。第1の反射された送信機出力信号12 3の一部もまた結合経路伝送ライン202の隔離ポートに結合されかつ結合経路 伝送ライン202の結合ポートに戻るよう進行する。伝送ラインカブラ115の 新規な特徴によれば、もし適切な隔離ポートの複素インピーダンスが結合経路伝 送ライン202の隔離ポートを終端すれば、前記結合ポートに戻る第1の反射さ れた送信機出力信号123の部分は第2の反射された送信機出力信 号123の結合された部分を打ち消すことになる。この適切な隔離ポートの複素 インピーダンスは実部(real part)および虚部(imaginary part)を含み、好ましい実施例では前記結合経路伝送ライン202の隔離 ポートに直列に接続されたインダクタ210(15nH)および抵抗222(3 9オーム)によって実施される。反射信号の不要部分を打ち消すために適切な隔 離ポートの複素インピーダンスを使用することにより、カプラ115は増幅器1 03の出力整合部に組み込むことができ、それによって回路基板スペースおよび 部品の数の双方の実質的な節約を生じる結果となる。前記適切な結合ポートの複 素インピーダンスはさらに所望の打ち消しを増強し、かつ好ましい実施例では、 結合経路伝送ライン202の結合ポートにインダクタ211(22nH)および ダイオード206の抵抗と直列に接続されたインダクタ212(5nH)によっ て実施される。 伝送ライン201は送信機出力信号123のためのスルーパスを提供する。結 合経路伝送ライン202は送信機出力信号123の振幅に関連する振幅を有する RF検出信号を発生するために伝送ライン201に電磁的に結合されている。伝 送ライン202からのRF検出信号はインダクタ212および211によってダ イオード206に結合され、該ダイオード201は容量231と共に該信号を半 波整流してそれに比例するDC電圧を発生し該DC電圧は容量2 31に蓄積される。 容量231に蓄積されたDC電圧は抵抗232〜235および容量236によ って結合されて電力検出信号131を提供する。抵抗224およびダイオード2 07は電圧V2からバイアス電圧を発生し、該バイアス電圧は抵抗223および 222ならびにインダクタ210によって伝送ライン202に結合されインダク タ212および211を介してダイオード206をバイアスする。ダイオード2 07および206は好ましくは、例えば、モトローラのMMBD770T1型ダ イオードのような、実質的に同じ電気的特性を有するホットキャリアダイオード である。ダイオード207はダイオード206を温度補償し、それによって電力 検出信号131が温度の変化と共に変化しないようにする。 本発明の新規な特徴によれば、インダクタ211(22nH)として実施され るインピーダンスが固有のダイオード抵抗および容量(1.5pF)と整合する ためにダイオード206に結合されており、それによって電力検出回路109の 感度を2のファクタほどで増強する。インダクタ211によって実施されている が、前記整合インピーダンスはまた対応する容量回路によって実施することもで きる。前記整合インピーダンスはダイオード206への電力伝達を最大にし、か つ感度が最も重要な場合、低い電力レベルにおける(例えば、前記8つの可能な 電力レベルのうちの 所定の1つより低い電力レベルでの)動作のために最適化される。電力検出回路 109はより敏感になるから、検出のためにより少しの信号が必要とされるのみ でありかつインダクタ211なしに検出回路において使用される15dBの結合 に代えて20dBの結合を有するカプラ115を使用できる。20dBの結合を 備えたカプラ115は挿入損失をほぼ0.1dB低減し、これはほぼ8mAの電 流消費の節約に代わり、それによって実質的にバッテリ通話時間を延長する。 図4を参照すると、図1の送信機回路100の回路基板の断面が示されており 、伝送ラインカプラ115を示している。送信機回路100は3つの基板層32 1,322および323を有する多層回路板または基板上に構成され、これら3 つの基板層321,322および323は、好ましい実施例では、4.66の誘 電率を有するFR−4ファイバーグラス材料から構成される。前記基板材料はま た、例えば、アルミナ、デュロイド(duroid)、および石英のような、任 意の他の適切な材料とすることができる。層321はその頭部面301上にめっ きされた導電性材料からなる順方向経路(forward−path)伝送ライ ン201、およびその底部面302上にめっきされた導電性材料からなる結合経 路(coupled−path)伝送ライン202を含む。他の回路のめっき( 図示せず)も前記回路板の層321の頭部面および底部面301およ び302の他の部分に含めることができる。層322は回路めっきを持たない中 間層である。層323は伝送ライン201および202のためのグランド面を提 供するグランドめっきをその頭部面303上に有し、かつ他の回路めっき(図示 せず)をその底部面304上に有する。層321,322および323は対応す る回路によってめっきされかつラミネーション処理または回路板を形成するため の他の適切な処理によって一緒に接合されている。 図5を参照すると、図4における回路板セクションの頭部層321の頭部面が 図示されており、伝送ラインカプラ115の伝送ライン201および202の実 施例を示している。伝送ラインカプラ115の新規な特徴によれば、伝送ライン 202は曲がりくねった形状で形成され、それによって部分341,342およ び部分343,344が、図5における、頭部から見たとき伝送ライン201の 互いに反対側に位置する。 伝送ラインカプラ115は好ましくは送信機出力信号123の低い信号レベル を検出するのに充分敏感であり、かつまた送信機出力信号123の無用の減衰お よびバッテリからの対応する無用の電流の流出を避けるために比較的低損失であ ることが好ましい。伝送ラインカプラ115を使用することにより、20dBの 電磁結合が0.15dBより小さな挿入損失と共に825MHz〜925MHz において達成できる。 伝送ライン201と伝送ライン202との間の電磁結合の量は、伝送ライン2 02の幅、層321の厚さ、および伝送ライン201のエッジからオフセットし かつ平行な部分341,342,343および344の距離を含む、数多くの要 因に依存する。図5の部分341,342,343および344は伝送ライン2 01の幅より小さな幅を有し、かつ伝送ライン201のエッジから実質的に同じ 量だけオフセットしている。部分341および342の長さは一緒にして実質的 に部分343および344の長さを一緒にしたものと同じである。部分341お よび342によって提供される結合は一緒にして実質的に部分343および34 4によって提供される結合を一緒にしたものと等しい。伝送ライン201および 伝送ライン202の間の電磁結合は伝送ライン201と部分341,342,3 43および344との間で最大になり、かつ伝送ライン201と伝送ライン20 1の下を交差する垂直方向の部分との間で最小になる。その結果、層321の頭 部面301上の回路めっきと底部面302上の回路めっきとの間の位置合わせ( registration)の小さな変動は伝送ライン201と伝送ライン20 2との間の総合的な電磁結合を悪化させることはなく、それは部分343,34 4の結合が減少したときに部分341,342に対する結合が増大し、逆もまた 同様であるためである。のこぎり歯、半円形、および長円形状、ならびに以下に 説明する図6および図7の形 状を含め伝送ライン202の数多くの他の配置および形状が可能である。 図6を参照すると、図4における回路板セクションの頭部層321の頭部面が 図示されており、伝送ラインカプラ115の伝送ライン201および202の好 ましい実施例が示されている。伝送ライン201はU字形状であり、かつ伝送ラ イン202はU字形状の伝送ライン201の平行側部と電磁的に結合する部分6 41および642、そしてU字形状伝送ライン201の中間側部に結合する部分 643および644を含む。部分641,642,643および644は伝送ラ イン201からほぼ0.004インチ(約0.1mm)離れている。部分641 および642は実質的に同じ長さでありかつ部分643および644は実質的に 同じ長さである。部分641,642,643および644の一緒にした合計の 長さはほぼ0.4インチ(約10mm)である。部分641によって提供される 結合は実質的に部分642によって提供される結合と等しく、かつ部分643に よって提供される結合は実質的に部分644によって提供される結合と等しい。 部分641および644は少なくとも23dBの結合を提供し、かつ部分642 および643は少なくとも23dBの結合を提供し、0.15dBより小さな挿 入損失と共に825Mz〜925MHzの周波数で少なくとも20dBの電磁結 合を生成する。図6のこの実施例では、層321の頭部面301上の 回路めっきと底部面302上の回路めっきとの間の位置合わせの小さな変動はX およびY両方向に生じても伝送ライン201と伝送ライン202との間の総合的 な結合を悪化させることはない。 図7を参照すると、図4における回路板セクションの頭部層321の頭部面が 図示されており、伝送ラインカプラ115の別の実施例の伝送ライン201およ び202が示されている。伝送ライン202は伝送ライン201と平行でありか つ電磁的に伝送ライン201と結合された平行部分741および742を含む。 部分741および742は実質的に同じ長さであり、かつ部分741および74 2によって提供される結合は実質的に等しい。 以上要するに、電力検出回路109は検出器の感度を増強するために整合イン ピーダンス用インダクタ211と直列に結合されたホットキャリアダイオード2 06を含む。整合インピーダンス用インダクタ211はダイオード206への電 力伝送を最大にし、それによって検出のために必要なRF信号が少なくなる。そ の結果、20dBのカプラ115が使用でき、挿入損失をほぼ0.1dB低減し かつ電流消費をほぼ8mA低減し、それによってバッテリ通話時間を延長する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 OA(BF,BJ,CF,CG, CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN,T D,TG),AP(KE,MW,SD,SZ),AM,A T,AU,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN ,CZ,DE,DK,ES,FI,GB,GE,HU, JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,LT,L U,LV,MD,MG,MN,MW,NL,NO,NZ ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SK,TJ, TT,UA,UZ,VN 【要約の続き】 よってホットキャリアダイオード(206)に結合され その検出感度を増強する。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.信号源によって発生されたRF信号を検出しかつ検出器信号を生成する無 線周波(RF)信号検出回路であって、前記RF信号は複数の電力レベルのうち の予め選択された1つを有し、前記RF信号検出回路は、 前記RF信号に結合され前記RF信号の振幅に関連する振幅を有するRF検出 信号を発生するためのRF信号検出器、そして あるインピーダンスを有しかつ整合インピーダンスによって前記RF検出信号 に結合され前記RF検出信号を整流して検出器信号を生成するダイオード検出器 であって、前記整合インピーダンスは実質的に前記複数の電力レベルのうちの前 記予め選択された1つが前記複数の電力レベルのうちの所定の1つより低い場合 に前記ダイオード検出器のインピーダンスを整合させるもの、 を具備するRF信号検出回路。 2.前記整合インピーダンスは前記ダイオード検出器を前記RF検出信号に結 合するためのインダクタを含む、請求項1に記載のRF信号検出回路。 3.無線周波(RF)信号を増幅しかつ複数の電力レベルのうちの予め選択さ れた1つで送信機出力信号を生成する送信機回路であって、 前記RF信号を発生するための信号源、 前記情報信号および利得制御信号に結合され可変利得によって前記情報信号を 増幅し送信機出力信号を生成するための増幅器であって、前記可変利得は前記利 得制御信号の振幅に関連するもの、 前記増幅器に結合され送信機出力信号の振幅に関連する振幅を有するRF検出 信号を発生するための伝送ライン結合器であって、該伝送ライン結合器はさらに 、 頭部面および底部面そして所定の誘電率を有する基板、 所定の形状を有しかつ前記基板の頭部面上に配置されたスルーパス伝送ラ インであって、該スルーパス伝送ラインは前記RF信号に結合されているもの、 および 前記基板の底部面上に配置されかつ前記スルーパス伝送ラインに電磁的に 結合され前記RF信号の振幅に関連する振幅を有するRF検出信号を発生するた めの結合経路伝送ライン、 を具備する前記伝送ラインカプラ、 あるインピーダンスを有しかつ整合インピーダンスによって前記RF検出信号 に結合され前記RF検出信号を整流して検出器信号を生成するダイオード検出器 であって、前記整合インピーダンスは実質的に前記複数の電力のレベルのうちの 前記予め選択された1つが前記複数の電力レベルのうちの所定の1つより低い場 合に前記ダイオード検出器のインピーダンスを整合させるもの、そして 前記検出器信号に結合され前記送信機出力信号を前記複数の電力レベルのうち の予め選択された1つに維持するために前記利得制御信号の振幅を調整するため の制御回路、 を具備する送信回路。 4.前記整合インピーダンスは前記ダイオード検出器を前記RF検出信号に結 合するためのインダクタを含む、請求項3に記載の送信回路。 5.セルラ電話における、無線周波(RF)信号を増幅しかつ複数の電力レベ ルのうちの予め選択された1つで送信機出力信号を生成するための送信回路であ って、 前記RF信号を発生するための信号源、 前記情報信号および利得制御信号に結合され可変利得によって前記情報信号を 増幅して送信機出力信号を生成する増幅器であって、前記可変利得は前記利得制 御信号の振幅に関連しているもの、 前記増幅器に結合され前記送信機出力信号の振幅に関連する振幅を有するRF 検出信号を発生するための伝送ラインカプラであって、該伝送ラインカプラはさ らに、 頭部面および底部面そして所定の誘電率を有する基板、 所定の形状を有しかつ前記基板の頭部面上に配置されたスルーパス伝送ラ インであって、該スルーパス伝送ラインは前記RF信号に結合されているもの、 そして 前記基板の底部面上に配置されかつ前記スルーパス 伝送ラインに電磁的に結合され前記RF信号の振幅に関連する振幅を有するRF 検出信号を発生するための結合経路伝送ライン、 を具備する前記伝送ラインカプラ、 あるインピーダンスを有しかつ整合インピーダンスによって前記RF検出信号 に結合されて前記RF検出信号を整流し検出器信号を生成するためのダイオード 検出器であって、前記整合インピーダンスは前記複数の電力レベルのうちの前記 予め選択された1つが前記複数の電力レベルのうちの所定の1つより小さい場合 に前記ダイオード検出器のインピーダンスを実質的に整合させるもの、 前記検出器信号に結合され前記送信機出力信号を前記複数の電力レベルのうち の予め選択された1つに維持するために前記利得制御信号の振幅を調整する制御 回路、そして 前記伝送ラインカプラに結合され前記送信機出力信号を放射するためのアンテ ナ、 を具備するセルラ電話における送信回路。 6.前記整合インピーダンスは前記ダイオード検出器を前記RF検出信号に結 合するためのインダクタを含む、請求項5に記載のセルラ電話。
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