JP2000329802A - 広ダイナミック・レンジ・パワー・センサ - Google Patents
広ダイナミック・レンジ・パワー・センサInfo
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Abstract
ナミック・レンジにわたって正確なパワー測定を行うこ
とのできるパワー・センサ。 【解決手段】本発明によるパワー・センサは、ローパワ
ーレンジ測定用のダイオードセンサを有する検出器44
と、ハイパワーレンジ測定用のダイオードセンサを有す
る検出器48とを備えており、各ダイオードセンサはそ
の二乗則領域内で動作する。入力信号のパワーが高くな
り、ローパワーレンジ側のダイオードセンサが二乗則領
域を超えると、ハイパワーレンジ側のダイオードセンサ
の二乗則領域で動作するように入力信号が分圧回路(R
1、R2)によって減衰されて、ハイパワーレンジ側で測
定される。この時、ローパワーレンジ側のダイオードセ
ンサがDC経路40に設けられたスイッチ50によって
アイソレートされ、該経路に電流が流れず、そのハイイ
ンピーダンス状態が維持される。
Description
の変調がかけられているかに関わらず、−70dBm乃
至+20dBm或いはそれ以上の広ダイナミック・レン
ジにわたって正確な真の平均パワー測定を行うために利
用することが可能な、真平均広ダイナミック・レンジ
(TA−WDR:True Average - Wide Dinamic Rang
e)パワー・センサに関するものである。
間にもわたって、それぞれ、−70dBm〜−20dB
m(その「二乗則領域(square-law region)」で動作
するダイオードをベースにして)、及び、−30dBm
〜+20dBm(熱電対、または、サーミスタ、また
は、その入力に減衰器を備えたダイオード・センサをベ
ースにして)のダイナミック・レンジで利用されてき
た。上述の全ダイナミック・レンジにわたってカバーす
る単一センサは存在しない。
0dBm)を超えてダイオード・センサ方式を押し進め
ることによって、−70dBm〜+20dBmの全ダイ
ナミック・レンジをカバーする、ダイオード・ベースの
ダイナミック・レンジの広いセンサが発表された。ダイ
オードが、その−20dBm〜+20dBmの真平均パ
ワー測定限界を超えるので、これらのセンサは、単一周
波数(連続波信号すなわちCW(Continuous Wave)信
号)に関する正確なパワー測定にしか用いることができ
ない。大部分の用途では、多くの周波数成分を含む複合
信号の測定が必要とされる(こうしたセンサに対する膨
大な需要は、デジタル通信市場の急速な成長によるもの
である)。
にどのような形式の変調がかけられているかに関わら
ず、−70dBm乃至+20dBm或いはそれ以上の広
ダイナミック・レンジにわたって正確な真の平均パワー
測定を行うために利用することが可能な、真平均広ダイ
ナミック・レンジ・パワー・センサ(TA−WDR)を
提供することにある。
い実施態様の場合、ダイナミック・パワー・レンジの広
いRF信号を受信するための手段と、パワー・レンジの
低いRF信号を測定するためのロー・パワー・ダイオー
ド・センサを含む第1のRF経路と、パワー・レンジの
高いRF信号を測定するためのハイ・パワー・センサを
含む第2のRF経路と、ハイ・パワーRF信号がダイオ
ード・センサの二乗則領域を超えたときに第1のRF経
路をアイソレートするための手段が含まれている、真平
均広ダイナミック・レンジ・パワー・センサが得られ
る。
いては、添付の図面に関連して行われる下記の詳細な説
明から明らかになるであろう。
れている、本発明の望ましい実施態様について詳細に言
及することにする。本発明の説明は、望ましい実施態様
に関連して行われるが、もちろん、本発明をそれらの実
施態様に限定することを意図したものではない。本発明
は、特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及
び範囲内に含まれる可能性のある代替態様、修正態様、
及び、均等物を包含することを意図したものである。
レンジ・パワーを極めて正確に測定することが可能な、
真平均広ダイナミック・レンジ・パワー・センサが得ら
れる。
センサの設計に関する技法がいくつか存在するが、これ
らの概念は全て、ロー・パワー信号(−70dBm〜−
20dBM)の測定にダイオードを利用するものであ
る。しかし、最も低いパワー信号の測定を行う能力が制
限要因になっていることを理解するのが重要である。と
いうのも、よりハイ・パワーの信号は、いつでも減衰さ
せて(既知の率で)、ロー・パワー・センサによる測定
が可能なレベルまで容易に低下させることができるため
である。しかし、−70dBm(それより低いと、ダイ
オードのノイズがあまりに多くなる)未満の信号を測定
する単純な技法はない。従って、可能な様々の真平均広
ダイナミック・レンジ・パワー・センサの実施態様にお
いて、ロー・パワー信号を測定するのにダイオード・セ
ンサが用いられる。よりハイ・パワーの信号を測定する
ためには、ロー・パワー・ダイオード・センサ12に入
力されるRF信号経路10上のRF信号を示している図
1に示すように、同じダイオード・センサのRF信号経
路において減衰器が、スイッチによる切り換えで接続さ
れるようにすることができる。ダイオード・センサ12
はロー・パワーRF信号を受信し、スイッチによってR
F信号経路に接続された減衰器14は、ハイ・パワーR
F信号を二乗則領域まで減衰させることによってこうし
た信号を有効に除去する。
力信号は、2つの独立した経路20、22、すなわち、
ロー・パワー信号測定のためにRF信号を受信するダイ
オード・センサ24まで延びる一方のRF経路20と、
ハイ・パワー信号測定のためにRF信号を受信する、サ
ーミスタ、熱電対、または、減衰器付ダイオード・セン
サ(一般に、「ハイ・パワー・センサ」と呼ばれる)と
することが可能なハイ・パワー・センサ26まで延びる
もう一方のRF経路22に送り込まれる。
に関するこの第2の実施例では、この回路にハイ・パワ
ー信号が入力され、この回路のハイ・パワー側分岐が正
確な測定をしようとしても、ロー・パワー・ダイオード
・センサの存在によって、極めて有害な影響を受けるこ
とが判明した。
えると、ロー・パワー・ダイオードセンサを回路から電
気的にアイソレートしなければならない。これは、RF
信号経路におけるあるタイプ(電子、機械、マイクロメ
カニカル)のスイッチ30を利用して、図3に示すよう
に、ロー・パワー・ダイオード・センサをアイソレート
することによって実施可能である。
ワー・ダイオード・センサの間にしっかりとした分離を
施す、図4に示す受動回路34を用いて(例えば、高い
アイソレーションを呈するスプリッタ回路、または、高
いアイソレーションを呈する方向性結合器等を用いて)
実施することも可能である。上述のスイッチ及び受動回
路は、RF信号経路内にあり、従って、最大の注意を払
って設計しなければならない。ほかならぬこれらの回路
の性質によって、周波数帯域幅に制限が導入されること
になる(少なくとも、この時点で利用可能なスイッチに
よって)。
然的に、その入力端子がハイ・パワーRF信号に遭遇す
ると、これは、正しくは、ハイ・パワー・センサによっ
て測定されることを意味するが、ロー・パワー経路ダイ
オードを通って流れる過剰DC電流による影響を受ける
可能性がある。ロー・パワー・ダイオード・センサをR
F信号経路から分離する利点の大部分は、ただ単にダイ
オードのDC経路を切断し、それによって、DC電流が
ダイオードに流れないようにするだけで実現可能であ
る。この構成は図5に示されており、これには、DC経
路40におけるスイッチ38が示されている。
易に入手可能なスイッチ(これは、実際に、ロー・パワ
ー測定の実施に利用した場合に、ダイオード・センサの
性能を劣化させない任意の都合のよいスイッチとするこ
とが可能である)を用いてDC回路を切断するのは極め
て簡単なことである。
広く用いられている。有用なタスクを実施するため、い
くつかの回路で、ダイオードの非線形の電流対電圧特性
(I−V特性)が活用されている。非線形I−V特性に
よって、ダイオードを通る電流の変動に応じて、ダイオ
ードのインピーダンスが変動することになる。マイクロ
波回路の場合、回路のインピーダンスと信号源インピー
ダンスの整合は、信号反射レベルの低い、効率のよい信
号転送を実現するのに最も重要である。多くの場合、ダ
イオードの変動インピーダンスは、設計において補償を
試みるべき不可避的な事実である。ダイオードが積極的
に用いられない他の用途の場合、ダイオード・インピー
ダンスの変動の有害な効果の大部分は、ただ単に、機械
式スイッチまたは電子スイッチを用いて、ダイオードの
DC経路を回路から切断するだけで、排除することが可
能である。この技法は、真平均広ダイナミック・レンジ
・パワー・センサにおいて立証され、この測定器の確度
及び性能が大幅に改善された。
るDC電流の影響について述べることにする。ダイオー
ド・インピーダンスにおける電圧と電流の関係は次の通
りである。 I(V)=IS(eα V−1) ここで、I(V)は、電圧Vがその両端に印加された場
合の、ダイオードを通る電流である。ISは、所与の温
度における定数である飽和電流である。一般に、VがD
C成分V0とAC成分vから構成される場合、下記のよ
うになる。 V=V0+v 一般にビデオ抵抗として知られるダイオード・インピー
ダンスRvは、
電流である。従って、Rvは(I0+IS)に反比例す
る。ゼロ・バイアス(I0=0)において、Rvは
ロ波回路におけるダイオードの最も重要な用途の1つで
ある。図6には、検出回路の概要が示されている。この
回路の場合、RF電圧が、整合抵抗RmとダイオードD
の並列接続の両端に印加される。小さなRF信号の場
合、RF電圧の二乗に比例した整流されたDC電圧が出
力端子に生じる。これらの条件下において、ダイオード
は、その動作の二乗則領域内にあるといわれる。コンデ
ンサCbによってダイオード出力におけるRF信号が短
絡し、RF電圧の全てがダイオードDの両端に確実に生
じることになる。さらに、DCはカットされるので、検
出電圧Vdは出力端子から取り出すことが可能になる。
負荷抵抗器RLは、コンデンサの両端に生じる電圧の放
電経路として働く。所与のVdの場合、負荷抵抗器によ
ってDC電流はVd/RLに等しくなるが、このDC電流
はダイオードDにも流れるはずである。
整合インピーダンスは、Rv及びRmの並列接続に等し
い。良好な整合を保つためには、ダイオード抵抗がRm
に比べて高いままであることが必要とされる。しかし、
Rvは、ダイオードの感度を低下させるので、いくら高
くても高すぎることはない。ロー・パワーに対する良好
な感度と整合との間で妥協するには、Rvが1kΩ〜2
kΩの範囲内であることが要求される。この整合は、ダ
イオードDがその二乗則領域内にある場合、すなわち、
検出電圧は低く、負荷抵抗器(一般に、10kΩ)を通
るDC電流が極めてわずかである場合、良好なままであ
る。
出器は、必ずダイオードをその二乗則領域内にして用い
られてきた。従って、Rvの変化値は問題にならなかっ
た。入力パワー・レベルが高くなると、すなわち、検出
電圧が高くなると、ダイオードを通るDC電流が極めて
大きくなるので、ダイオード抵抗は、良好な整合を保つ
にはあまりにも小さくなりすぎる可能性がある。最近の
パワー・センサの場合、ダイオードは、上記のものとほ
ぼ同じ検出回路を用いて、100mWまでのRF信号を
測定するために利用されている。しかし、ダイオード検
出器がもはやその二乗則領域内でなくなる、10μwを
超える領域では、連続波だけしか正確に測定することが
できない。多くの用途、とりわけデジタル通信では、非
連続波信号の正確な測定が必要とされるので、このこと
は、これらのセンサに関する重要な欠点となる。
同じGaAsチップ上に集積することができる。検出器
の一方44は、信号源から直接信号を測定する(以下、
検出器44を「ダイレクト・ディテクタ44」と称す
る)。もう一方の検出器48には、R1、R2のオン・チ
ップ抵抗による分割回路を用いて大幅に減衰させられた
信号サンプルが与えられる(以下、検出器48を「アッ
テネーティッド・ディテクタ48」と称する)。ダイレ
クト・ディテクタ44及びアッテネーティッド・ディテ
クタ48から検出された電圧を用いて、それぞれ、ロー
・パワー信号及びハイ・パワー信号の測定が行われる。
その概要が図7に示されている。
が二乗則領域内にある場合のRFパワーを測定する。し
かし、これらの検出器が、ハイ・パワー信号の測定に用
いられると、ダイレクト・ディテクタ44におけるダイ
オードD1は、その端子の両端において極めて高いRF
電圧にさらされる。従って、ダイレクト・ディテクタ4
4において検出される電圧は高い。このため、大バイア
ス電流がこのダイオードD1に流れて、そのインピーダ
ンスが低下し、これによって、ハイ・パワー・センサ
(アッテネーティッド・ディテクタ48)にかかるRF
電圧が変化する。このインピーダンス整合の変化によっ
て、アッテネーティッド・ディテクタ48において検出
される電圧に明瞭な非線形性が生じ、従って、この新規
の設計の目的に影響することになる。
問題の根本原因は、ダイレクト・ディテクタ44のダイ
オードD1に、その検出がもはや利用されていない時に
DC電流が流れるということである。従って、その高イ
ンピーダンスは、そのDC電流経路を開路にすることに
よって維持することが可能である。実施態様の一つで
は、この設計は、アッテネーティッド・ディテクタを用
いてハイ・パワー信号の測定が行われるや否や、ダイレ
クト・ディテクタのDC経路を開路にするFET(電界
効果トランジスタ)スイッチによって実現されている。
この構成が、DC経路40内におけるスイッチ50を示
した図8に示されている。この状態では、DC電流はロ
ー・パワー・ダイオードD1を通っていない。FETス
イッチの代わりに、機械式スイッチを利用することも可
能である。しかし、FETスイッチは、より繰り返し性
に優れ、はるかに耐用期間が長い。
センサのダイナミック・レンジ、正確度、インピーダン
ス整合、及び、周波数応答が大幅に改善された。図9に
は、この技法の利点を強調するため、この技法を利用す
る場合、及び、利用しない場合の、検出器の最も重要な
性能パラメータである線形性が示されている。図9に示
すように、スイッチが利用されない場合、線形性の誤差
が極めて大きくなる。スイッチが利用される場合の、線
形性の残留誤差は、アッテネーティッド・ディテクタ4
8自体に起因するものである。従って、ロー・パワー・
ダイオード・センサの有害な効果の大部分は、その回路
のDC経路を開路にすることによって除去された。図9
の場合、ロー・パワー・ダイオードがDC電流を導通す
ると、線形性の誤差は極めて大きくなる。スイッチを切
って、DC電流がロー・パワー・ダイオード・センサに
流れないようにすると、ハイ・パワー測定の正確度は、
完全な状態のままである。
(ロー・パワー経路及びハイ・パワー経路以外に、例え
ば、中パワー経路、あるいは超ハイ・パワー経路)が設
けられた本発明の実施態様は、特許請求の範囲内に含ま
れるものと企図する。
明は、例証及び解説を目的として示されたものである。
開示の形態にそっくりそのまま限定することを意図した
ものではなく、もちろん、以上の教示に鑑みて、多くの
修正及び変更を加えることが可能である。これらの実施
態様は、本発明の原理及びその実際の応用例を最も明確
に説明することにより、他の当業者が企図する特定の用
途に適合するように、本発明及びさまざまな修正を施し
たさまざまな実施態様を最も有効に利用できるようにす
るために選択され、解説されたものである。本発明の範
囲は、付属の特許請求の範囲及びその均等物によって規
定されるものとする。
を以下に示す。
・レンジのRF信号を受信するための手段と、ロー・パ
ワー・レンジのRF信号を測定するためのロー・パワー
・ダイオード・センサを有する第1のRF経路と、ハイ
・パワー・レンジのRF信号を測定するためのハイ・パ
ワー・センサを有する第2のRF経路と、受信した前記
RF信号が前記ロー・パワー・ダイオード・センサの二
乗則領域を超えた時に前記第1のRF経路をアイソレー
トするための手段とを設けて成る広ダイナミック・レン
ジ・パワー・センサ。 〔実施態様2〕前記広ダイナミック・パワー・レンジ
が、−70dBm乃至+20dBmまたはそれ以上であ
ることを特徴とする、実施態様1に記載の広ダイナミッ
ク・レンジ・パワー・センサ。 〔実施態様3〕前記RF信号を減衰させるための減衰手
段がさらに含まれることを特徴とする、実施態様1また
は実施態様2に記載のパワー・センサ。 〔実施態様4〕前記アイソレート手段に、前記第1のR
F経路の出力に設けられたスイッチが含まれることを特
徴とする、実施態様1乃至実施態様3のいずれか一項に
記載の広ダイナミック・レンジ・パワー・センサ。 〔実施態様5〕前記第1と第2のRF経路をアイソレー
トするための受動RF回路がさらに含まれることを特徴
とする、実施態様1乃至実施態様4のいずれか一項に記
載の広ダイナミック・レンジ・パワー・センサ。 〔実施態様6〕前記アイソレート手段に、前記第1のR
F経路のDC経路に設けられたスイッチが含まれること
を特徴とする、実施態様1乃至実施態様5のいずれか一
項に記載の広ダイナミック・レンジ・パワー・センサ。 〔実施態様7〕前記DC経路スイッチが、FETスイッ
チであることを特徴とする、実施態様6に記載の広ダイ
ナミック・レンジ・パワー・センサ。 〔実施態様8〕前記ハイ・パワー・センサが、アッテネ
ータ−ダイオード・センサであることを特徴とする、実
施態様1乃至実施態様7のいずれか一項に記載の広ダイ
ナミック・レンジ・パワー・センサ。 〔実施態様9〕前記ハイ・パワー・センサが、サーミス
タ・センサであることを特徴とする、実施態様1乃至実
施態様7のいずれか一項に記載の広ダイナミック・レン
ジ・パワー・センサ。 〔実施態様10〕前記ハイ・パワー・センサが、熱電対
センサであることを特徴とする、実施態様1乃至実施態
様7のいずれか一項に記載の広ダイナミック・レンジ・
パワー・センサ。 〔実施態様11〕前記減衰手段が、前記第2のRF経路
における前記ハイ・パワーRF信号を減衰させるための
抵抗分圧回路であることを特徴とする、実施態様3乃至
実施態様10のいずれか一項に記載の広ダイナミック・
レンジ・パワー・センサ。 〔実施態様12〕 −70dBm乃至+20dBmまた
はそれ以上の広いダイナミック・パワー・レンジを備え
るRF信号を受信するための第1のRF経路手段と、前
記第1のRF経路手段に含まれる、パワー・レンジの低
いRF信号を測定するためのロー・パワー・ダイオード
・センサと、ハイ・パワーRF信号を除去するためのス
イッチ式減衰手段とを設けて成る広ダイナミック・レン
ジ・パワー・センサ。 〔実施態様13〕 広ダイナミック・パワー・レンジR
F信号を受信するための手段と、パワー・レンジの低い
RF信号を測定するためのロー・パワー・ダイオード・
センサとDC回路とを備えた第1のRF経路と、パワー
・レンジの高いRF信号を測定するためのハイ・パワー
・センサとDC回路とを備えた第2のRF経路と、前記
ハイ・パワーRF信号が前記ロー・パワー・ダイオード
・センサの二乗則領域を超えた時、前記第1のDC回路
をアイソレートするための手段とを設けて成る広ダイナ
ミック・レンジ・パワー・センサ。
パワー・センサの実施例の一つを示す図である。
・センサの代替実施例を示す図である。
ダイナミック・レンジ・パワー・センサを示す図であ
る。
ミック・レンジ・パワー・センサを示す図である。
ダイナミック・レンジ・パワー・センサを示す図であ
る。
ィッド・ディテクタ48から検出された電圧を用いて、
それぞれロー・パワー信号及びハイ・パワー信号の測定
を行うパワー・センサ回路の概略図である。
スイッチを示す、本発明のパワー・センサ回路の概略図
である。
るための図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 広ダイナミック・パワー・レンジのRF
信号を受信するための手段と、 ロー・パワー・レンジのRF信号を測定するためのロー
・パワー・ダイオード・センサを有する第1のRF経路
と、 ハイ・パワー・レンジのRF信号を測定するためのハイ
・パワー・センサを有する第2のRF経路と、 受信した前記RF信号が前記ロー・パワー・ダイオード
・センサの二乗則領域を超えた時に前記第1のRF経路
をアイソレートするための手段とを設けて成る広ダイナ
ミック・レンジ・パワー・センサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US289428 | 1999-04-09 | ||
| US09/289,428 US6291982B1 (en) | 1999-04-09 | 1999-04-09 | True average wide dynamic range power sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000102932A Pending JP2000329802A (ja) | 1999-04-09 | 2000-04-05 | 広ダイナミック・レンジ・パワー・センサ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6291982B1 (ja) |
| EP (1) | EP1043594B2 (ja) |
| JP (1) | JP2000329802A (ja) |
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