(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された高周波信号を電力増幅して送信信号とし同軸ケーブルを介してアンテナに給電する電力増幅装置において、前記高周波信号を電力増幅する増幅度が可変可能な電力増幅器と、前記アンテナからの反射電力を検出し第１の検出信号を出力する反射電力検出回路と、前記電力増幅器の消費電流を検出し第２の検出信号を出力する消費電流検出回路と、前記送信信号の電力即ち、進行電力を検出し第３の検出信号を出力する進行電力検出回路と、入力された前記送信信号の位相を連続的又は段階的に可変可能な移相器と、前記電力増幅器側と前記同軸ケーブル側とのインピーダンスの整合をとるインピーダンス比が可変のインピーダンス変換器と、前記第１〜第３の検出信号を入力し前記インピーダンス変換器のインピーダンス比を可変する第１の制御信号と前記移相器の移相量を可変する第２の制御信号と前記電力増幅器の進行電力を通常の状態から低減した状態に増幅度を可変する第３の制御信号とを出力する制御部とを備える電力増幅装置であって、前記制御部は、前記第１と第３の検出信号とからＶＳＷＲを算出するＶＳＷＲ算出部と前記第２と第３の検出信号から前記電力増幅器の電力効率を算出する電力効率算出部と、前記第２の検出信号と前記ＶＳＷＲとの組み合せの最適領域を示す判断基準を格納した判断基準設定部と、本装置の起動時においてあらかじめ前記判断基準を満すように設定された前記第１と第２の制御信号の初期値と前記電力増幅器の進行電力を通常の状態とする前記第３の制御信号の初期値とを格納した初期値設定部と、前記第２の検出信号と前記ＶＳＷＲと前記電力効率と前記判断基準と前記初期値設定部の初期値との各データを入力し演算処理し前記判断基準に入るように各部を制御するための前記第１と第２の制御信号および前記判断基準の限界値を超えた時は電力増幅器の進行電力を低減するように増幅度を下げるための前記第３の制御信号を出力する制御信号生成部を備え、前記制御信号生成部は、本装置の起動時において前記第１〜第３の制御信号を前記初期値に設定し、本装置の起動後において前記第２の検出信号と前記ＶＳＷＲとの組合せが前記判断基準を超えた時その時の前記消費電流に対応する前記ＶＳＷＲ値が最小になるように前記第１の制御信号により前記インピーダンス変換器を制御する第１回目の制御を行い、その結果前記ＶＳＷＲが前記判断基準に入らない時は更に前記第２の制御信号により前記移相器を制御する第２回目の制御を行い、これにより前記判断基準に入った時は、その時の前記電力効率が最大になるように再び前記第２の制御信号により前記移相器を絞り込み制御する第３回目の制御を行って制御を完了し、若し前記２回目の制御で前記判断基準に入らずかつ、その値が所定の限界値を超えている時は、前記第３の制御信号により前記電力増幅器の増幅度を下げて進行電力を低減する一連の制御手段を備えることを特徴とする電力増幅装置。
【請求項２】
前記制御信号生成部は、前記１回目の制御の時に前記ＶＳＷＲが前記判断基準を極端に超えている時は直ちに前記第３の制御信号により進行電力を低減し、同時にアラームを発生する手段および前記２回目の制御の時に前記判断基準に入らずかつ前記限界値を超えていない時はアラームのみを発生する手段を備えることを特徴とする請求項１記載の電力増幅装置。
【請求項３】
前記判断基準設定部は、判断基準の値を任意に変更できる手段および前記初期設定部は初期値を任意に変更できる手段をそれぞれ備えることを特徴とする請求項１記載の電力増幅装置。
【請求項４】
前記制御信号生成部は、前記第１〜第３の制御信号を手動で任意の値に設定できるマニュアル制御手段を備えることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の電力増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力増幅装置に関し、特に自動車や航空機に搭載される無線機の電力増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や航空機に搭載される無線機においては、１つのアンテナで広い周波数帯域をカバーしなければならず、また、その搭載される自動車や航空機の機種毎にアンテナの設置条件が異なるため、アンテナを接続する同軸ケーブルの長さがアンテナの設置条件に応じて異なる。
【０００３】
従って、電力増幅装置が、設置時に接続されるアンテナの電圧定在波比（ＶＳＷＲ：ｖｏｌｔａｇｅ  ｓｔａｎｄｉｎｇ  ｗａｖｅ  ｒａｔｉｏ）の値に対して安定性を確保できたとしても、送受信の周波数を変更することによって位相やインピーダンスが変化したり、アンテナの設置条件に対応して同軸ケーブルの長さを変えることに起因して位相やインピーダンスが不整合になったりしてＶＳＷＲが悪化して、電力増幅装置の異状発振など安定性が損なわれ、また進行電力の低下や電力効率の低下などが生じ、通信に支障をきたすことになる。
【０００４】
そこで、従来の電力増幅装置は、同軸ケーブルとの間に位相あるいはインピーダンスを整合させるための可変型移相器あるいは可変型インピーダンス変換器が設けられている。
【０００５】
例えば、特開平１０−３４１１７号公報に記載された電力増幅装置は、可変型の移相器を設け消費電流とＶＳＷＲとの組合せが最適領域になるように移相器を制御するもので、図６にこの従来例のブロック図を示す。
【０００６】
図６において、高周波信号を電力増幅する電力増幅器６１と、電力増幅器６１の消費電流を検出し、検出信号Ｓ２を出力する電流検出回路６５と、アンテナ８からの反射電力を検出し、検出信号Ｓ１を出力する反射電力検出回路６２と、入力された高周波信号の位相を連続的又は段階的に可変可能な移相器６３と、検出信号Ｓ１と検出信号Ｓ２との組合せが図３に示すような所定の判定基準に合致するか否かを判定し、その判定結果に基づいて電力制御信号ＳＣ１及び位相制御信号ＳＣ２を出力し、電力制御回路６６及び位相制御回路６４を介して電力増幅器６１の増幅度又は移相器６３の移相量を制御する判定回路６７とを備えている。
【０００７】
このような構成において、アンテナ、同軸ケーブル側の接続条件が変化した時に検出信号Ｓ２（消費電流）と検出信号Ｓ１（反射電力）とが変化し、この時の消費電流に対応する反射電力が判定基準の領域内に入るように位相制御信号ＳＣ２により位相制御回路６６を介し移相器６３を制御して元の状態に戻すようにしている。また反射電力の極端な悪化の場合は電力制御信号ＳＣ１により電力制御回路６４を介し電力増幅器６１の増幅度を下げ進行電力を減少させ増幅器を破損から保護している。
【０００８】
また、特開平１０−１２６１９５号公報などに反射電力（あるいはＶＳＷＲ）を検出し、アンテナ系が変化した時に伴うインピーダンスの変化により増加したＶＳＷＲを元の最小値に戻すようにインピーダンス整合用の整合同調回路を制御する技術の記載がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来例において、前者はアンテナ、同軸ケーブル側の接続条件の変化に伴う反射電力の増加に対し、移相器を制御しずれた位相を調整してこれを元の状態に戻しているが、インピーダンスの変化に対しては対応しておらず、反射電力の減少あるいは電力効率の最大化に対し充分とは言えない問題がある。また後者はインピーダンスに変化に対しては対応しているが位相の変化に対しては対応しておらず同様に充分な制御として言えない問題がある。
【００１０】
また、反射電力あるいはＶＳＷＲと電力効率（この場合電力増幅器の消費電流、即ち消費電力と進行電力との比率をいう）との関係は、反射電力あるいはＶＳＷＲが悪化すると電力効率も悪化するという略正比例する関係にあるが、位相あるいはインピーダンスの変化に対しそれぞれの最適点は若干のずれがある。例えば、ＶＳＷＲが最小値となる位相値と電力効率が最大値となる位相値は若干ずれる。このことから両従来例においては、反射電力あるいはＶＳＷＲが最小値になるようにのみ制御しているので、電力効率は必ずしも最適点に設定されていないという問題がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の電力増幅装置は、入力された高周波信号を電力増幅して送信信号とし同軸ケーブルを介してアンテナに給電する電力増幅装置において、前記高周波信号を電力増幅する増幅度が可変可能な電力増幅器と、前記アンテナからの反射電力を検出し第１の検出信号を出力する反射電力検出回路と、前記電力増幅器の消費電流を検出し第２の検出信号を出力する消費電流検出回路と、前記送信信号の電力即ち、進行電力を検出し第３の検出信号を出力する進行電力検出回路と、入力された前記送信信号の位相を連続的又は段階的に可変可能な移相器と、前記電力増幅器側と前記同軸ケーブル側とのインピーダンスの整合をとるインピーダンス比が可変のインピーダンス変換器と、前記第１〜第３の検出信号を入力し前記インピーダンス変換器のインピーダンス比を可変する第１の制御信号と前記移相器の移相量を可変する第２の制御信号と前記電力増幅器の進行電力を通常の状態から低減した状態に増幅度を可変する第３の制御信号とを出力する制御部とを備える電力増幅装置であって、前記制御部は、前記第１と第３の検出信号とからＶＳＷＲを算出するＶＳＷＲ算出部と前記第２と第３の検出信号から前記電力増幅器の電力効率を算出する電力効率算出部と、前記第２の検出信号と前記ＶＳＷＲとの組み合せの最適領域を示す判断基準を格納した判断基準設定部と、本装置の起動時においてあらかじめ前記判断基準を満すように設定された前記第１と第２の制御信号の初期値と前記電力増幅器の進行電力を通常の状態とする前記第３の制御信号の初期値とを格納した初期値設定部と、前記第２の検出信号と前記ＶＳＷＲと前記電力効率と前記判断基準と前記初期値設定部の初期値との各データを入力し演算処理し前記判断基準に入るように各部を制御するための前記第１と第２の制御信号および前記判断基準の限界値を超えた時は電力増幅器の進行電力を低減するように増幅度を下げるための前記第３の制御信号を出力する制御信号生成部を備え、前記制御信号生成部は、本装置の起動時において前記第１〜第３の制御信号を前記初期値に設定し、本装置の起動後において前記第２の検出信号と前記ＶＳＷＲとの組合せが前記判断基準を超えた時その時の前記消費電流に対応する前記ＶＳＷＲ値が最小になるように前記第１の制御信号により前記インピーダンス変換器を制御する第１回目の制御を行い、その結果前記ＶＳＷＲが前記判断基準に入らない時は更に前記第２の制御信号により前記移相器を制御する第２回目の制御を行い、これにより前記判断基準に入った時は、その時の前記電力効率が最大になるように再び前記第２の制御信号により前記移相器を絞り込み制御する第３回目の制御を行って制御を完了し、若し前記２回目の制御で前記判断基準に入らずかつ、その値が所定の限界値を超えている時は、前記第３の制御信号により前記電力増幅器の増幅度を下げて進行電力を低減する一連の制御手段を備える構成として良い。
【００１４】
また、前記制御信号生成部は、前記１回目の制御の時に前記ＶＳＷＲが前記判断基準を極端に超えている時は直ちに前記第３の制御信号により進行電力を低減し、同時にアラームを発生する手段および前記２回目の制御の時に前記判断基準に入らずかつ前記限界値を超えていない時はアラームのみを発生する手段を備えても良い。
【００１５】
また、前記判断基準設定部は、判断基準の値を任意に変更できる手段および前記初期設定部は初期値を任意に変更できる手段をそれぞれ備えても良い。
【００１６】
また、前記制御信号生成部は、前記第１〜第３の制御信号を手動で任意の値に設定できるマュニアル制御手段を備えても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態例を示すブロック図，図２は図１における制御部の構成を示すブロック図，図３は図２における判断基準設定部の判断基準を示す特性図，図４は図１の動作を説明するフローチャート，図５は図１の動作説明においてＶＳＷＲと電力効率との関係を示す特性図である。
【００１９】
図１において、本電力増幅装置１は、入力された高周波信号を電力増幅する増幅度が可変可能な電力増幅器１１と、電力増幅器１１の消費電流を検出し検出信号Ｓ２を出力する消費電流検出回路１６と、アンテナ３からの反射電力を検出し検出信号Ｓ１を出力する反射電力検出回路１３と、電力増幅器１１の送信信号の電力即ち進行電力を検出し検出信号Ｓ３を出力する進行電力検出回路１２と、送信信号の位相を連続的又は段階的に可変可能な移相器１５と、電力増幅器１１側と同軸ケーブル２側とのインピーダンスの整合をとるインピーダンス比が可変可能のインピーダンス変換器１４と、検出信号ＳＣ１〜ＳＣ３を入力しインピーダンス変換器１４のインピーダンス比を可変する制御信号ＳＣ１と移相器の位相量を可変する制御信号ＳＣ２と電力増幅器１１の増副度を可変する制御信号ＳＣ３とを出力する制御部１７とを備えて構成している。
【００２０】
尚、電力増幅器１１はＢ級あるいはＣ級の増幅器で増幅度を可変して出力する送信信号の電力を調整する。また、この電力増幅器１１の消費電流、即ち検出信号Ｓ２の値はこの送信信号の電力に略正比例する。
【００２１】
次に図２を参照して制御部１７の構成を説明する。検出信号Ｓ１とＳ３とからＶＳＷＲを算出するＶＳＷＲ算出部１７１と、検出信号ＳＣ２とＳＣ３から電力増幅器１１の電力効率を算出する電力効率算出部１７２と、検出信号Ｓ２（消費電流）とＶＳＷＲとの組み合せの最適領域を示す判断基準を格納した判断基準設定部１７３と、本装置の起動時における所定の進行電力に対して、あらかじめ前記判断基準を満すように設定された制御信号Ｓ１，Ｓ２の初期値と電力増幅器１１の進行電力を通常状態にするように設定された前記第３の制御信号の初期値とを格納した初期値設定部１７５と、検出信号Ｓ２とＶＳＷＲ算出部１７２が算出したＶＳＷＲと、電力効率算出部１７２が算出した電力効率と判断基準設定部１７３の判断基準と、初期値設定部１７５の初期値との各データを入力し演算処理し、検出信号Ｓ２（消費電流）とＶＳＷＲとが前記判断基準値に入るように各部を制御するための制御信号ＳＣ１、ＳＣ２およびアンテナ系の異常などにより判断基準の限界値を超えた時は電力増幅器１１の増幅度下げ進行電力を低減するための制御信号ＳＣ３を出力する制御信号生成部１７４と、判断基準の限界値を超えた時にアラームを発生するアラーム発生回路１７６とから構成されている。
【００２２】
尚、判断基準設定部１７３は、図３に示す判断基準を格納するもので、この判断基準は電力増幅器１１の進行電力に対応して変化する消費電流とＶＳＷＲとの最適領域を示すものである。この判定基準値はあらかじめ設計条件から設定されたものである。例えば、消費電流が０．５〜１Ａの領域にある場合はＶＳＷＲの最適値は１〜１．５の範囲と定め、この範囲内であれば正常、範囲外であれば異常と判断する基準である。また、太線で示した限界ゾーンは極端なＶＳＷＲの悪化を判断する基準である。
【００２３】
次に本電力増幅装置の動作について図４，５を参照して説明する。図４において、制御信号生成部１７４は、先ず本装置の起動時、制御信号ＳＣ１〜３を初期値設定部１７５に格納された初期値に設定してスタートする（Ａ１）。そして検出信号Ｓ２とＶＳＷＲとを監視し（Ａ２−１）、この組合せの値が図３に示した判断基準を超えた時、この超え方が図３に示した限界値に達していなければ（Ａ２−２）、その時の消費電流に対応するＶＳＷＲの値が最小点になるように、即ち図３に示した判断基準に入るように制御信号ＳＣ１によりインピーダンス変換器１４を制御する第１回目の制御を行う（Ａ３）。この結果まだＶＳＷＲが判断基準に入らない時は（Ａ４）、制御信号ＳＣ２により移相器１５を制御する第２回目の制御を行う（Ａ５）。この結果判断基準に入った時は（Ａ６）、更に電力効率が最大になるようにもう一度制御信号ＳＣ２により移相器を絞り込み制御する第３回目の制御を行い制御を完了する（Ａ７）。
【００２４】
但し、２回目の制御で判定基準に入らず、かつ判定基準の限界値を超えている時は（Ｂ１）、制御信号ＳＣ３を切換えて電力増幅器１１の進行電力を低減する（Ｂ３）。また同時にアラームを発生する（Ｂ２）。２回目の制御で判定基準に入らないが限界値を超えていない時は（Ｂ１）、アラームのみを発生し保守者の注意を喚起する（Ｂ２）。
【００２５】
次に、第３回目の制御の詳細について図５を参照して説明する。一般にＶＳＷＲと電力効率とは伝送路（同軸コード）の位相変化に対し共に同傾向の変化を示すが、図３に示したように位相に対するその最適点Ａ（ＶＳＷＲ）とＢ（電気効率）とは若干相違する。先に説明した第２回目の制御により位相を変化させこれを判定基準内にあるＶＳＷＲの最適点Ａに設定したとすると、その時の電力効率はＢ′点にあるので最適点ではない。そこで第３回目の制御で再び位相を変えてこれを電力効率の最適点Ｂに再設定する。即ち、第３回目の制御は第２回目の制御の絞り込み制御である。この結果ＶＳＷＲはＡ′点に移動するがＶＳＷＲの最適点付近の特性は比較的平坦であるので、この移動量は小さく影響は少ない。
【００２６】
尚、制御信号ＳＣ１、ＳＣ２の初期値設定に関して説明する。本装置を設置した時に設置時の送信周波数、進行電力および接続アンテナ、同軸コードなどの環境条件で制御信号ＳＣ１、ＳＣ２の最適値を求めこれを初期値とする必要がある。制御部１７の制御信号生成部１７４は制御信号ＳＣ１、ＳＣ２を手動でその値を変えることができるので、設置時にこの機能を用いて実験的に初期値を求め、求めた初期値を初期値設定部１７５に格納する。
【００２７】
また、この初期値でスタートし、前記環境条件が変化し前記判断基準を超えた時に先に説明した制御を行うが、この制御機会は頻繁にあるわけでなく、まれであるので先に説明した一連の制御の制御速度は遅く確実に行われる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電力増幅装置は、送信周波数，電力、接続伝送路などの設置環境条件が変化しＶＳＷＲが所定の基準を超えた時に伝送路側のインピーダンスと位相との両方に対し整合をとり、ＶＳＷＲをその時の環境条件における最小値に自動的に制御し、更に電力効率が最大になるように絞り込み制御を行っているので、環境条件の変化にかかわらず常に高い安定性と同時により高い電力効率が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例を示すブロック図である。
【図２】図１における制御部の構成を示すブロック図である。
【図３】図２における判断基準設定部の判断基準を示す特性図である。
【図４】図１の動作を説明するフローチャートである。
【図５】ＶＳＷＲと電力効率との関係を示す特性図である。
【図６】従来例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１    電力増幅装置
２    同軸ケーブル
３    アンテナ
１１    電力増幅器
１２    進行電力検出回路
１３    反射電力検出回路
１４    インピーダンス変換器
１５    移相器
１６    消費電流検出回路
１７１    ＶＳＷＲ算出部
１７２    電力効率算出部
１７３    判断基準設定部
１７４    制御信号生成部
１７５    初期値設定部
１７６    アラーム発生回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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