JP6853516B2 - 位相調整回路及びアレイアンテナ装置 - Google Patents

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Description

本発明は位相調整回路及びアレイアンテナ装置に関する。
近年のモバイルトラフィックの急増にともない、大容量通信に向けた指向性の強いミリ波帯通信を実現するためには、多数のアンテナ素子を搭載したアレイアンテナ装置におけるビーム制御の高精度化が望まれる。そのような、高精度なビーム制御を実現するためには、各アンテナ素子から送信する信号の振幅と位相を高精度に調整することが重要である。
特許文献１には、ローカル信号の位相差を調整する技術が開示されている。
国際公開第２０１１／１２１９７９号
ところで、移相器を用いる各アンテナ素子の位相差を調整するアレイアンテナ装置においても、各アンテナ素子から送信する信号の振幅と位相を高精度に調整できる技術が求められている。
本発明の目的の一例は、上記の課題を解決することのできる位相調整回路及びアレイアンテナ装置を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、位相調整回路は、ローカル信号の周波数帯の信号の位相を調整し、調整後の信号を出力するローカル周波数帯移相器と、前記調整後の信号と、当該調整後の信号とは別の信号とを入力し、前記調整後の信号と前記別の信号とを混合する周波数変換ミキサと、前記ローカル周波数帯移相器と前記周波数変換ミキサとの間に設けられ、前記周波数変換ミキサへ入力する入力電力を、前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲まで増幅可能なバッファアンプと、を備える。
本発明の別の態様によれば、アレイアンテナ装置は、上記態様の位相調整回路と、前記位相調整回路が出力する出力電力を送信するアンテナとをそれぞれ複数備える。
本発明によれば、移相器を用いる各アンテナ素子の位相差を調整するアレイアンテナ装置においても、各アンテナ素子から送信する信号の振幅と位相を高精度に調整することができる。
本発明の一実施形態によるアレイアンテナ装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるローカル周波数帯移相器の構成を示す図である。 本発明の一実施形態による周波数変換ミキサの構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるローカル周波数帯移相器に入力される入力電力と周波数変換ミキサの電力変換利得との関係を示す図である。 本発明の一実施形態による位相調整回路の最小構成を示す図である。 少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
＜実施形態＞
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
本発明の一実施形態によるアレイアンテナ装置１は、各アンテナ素子の備える振幅調整ブロックにおける振幅偏差及び位相偏差、各アンテナ素子の備える位相調整ブロックにおける振幅偏差及び位相偏差を含むアレイアンテナ装置１における振幅偏差及び位相偏差を高精度に調整することのできる装置である。
本発明の一実施形態によるアレイアンテナ装置１は、図１に示すように、位相調整回路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、ローカル信号生成回路２０、パワーアンプ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、送信アンテナ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを備える。
以下、位相調整回路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを総称して、位相調整回路１０と呼ぶ。パワーアンプ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを総称して、パワーアンプ３０と呼ぶ。送信アンテナ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを総称して、送信アンテナ４０と呼ぶ。
位相調整回路１０のそれぞれは、図１に示すように、ローカル周波数帯移相器１１、バッファアンプ１２、周波数変換ミキサ１３を備える。
ローカル周波数帯移相器１１は、グラウンド端子、第１入力端子、第２入力端子、第１出力端子、第２出力端子を備える。バッファアンプ１２は、グラウンド端子、第１入力端子、第２入力端子、第１出力端子、第２出力端子、第１ＩＦ端子、第２ＩＦ端子を備える。周波数変換ミキサ１３は、グラウンド端子、第１入力端子、第２入力端子、第１出力端子、第２出力端子を備える。なお、図１においてグラウンド端子は示されていない。
ローカル信号生成回路２０は、グラウンド端子、第１出力端子、第２出力端子を備える。パワーアンプ３０のそれぞれは、グラウンド端子、第１入力端子、第２入力端子、出力端子を備える。
位相調整回路１０ａのローカル周波数帯移相器１１のグラウンド端子は、位相調整回路１０ｂ〜１０ｄそれぞれのローカル周波数帯移相器１１のグラウンド端子、位相調整回路１０それぞれのバッファアンプ１２のグラウンド端子、位相調整回路１０それぞれの周波数変換ミキサ１３のグラウンド端子、ローカル信号生成回路２０のグラウンド端子、及び、パワーアンプ３０それぞれのグラウンド端子に接続される。
位相調整回路１０ａのローカル周波数帯移相器１１の第１入力端子は、位相調整回路１０ｂ〜１０ｄそれぞれのローカル周波数帯移相器１１の第１入力端子、及び、ローカル信号生成回路２０の第１出力端子に接続される。位相調整回路１０ａのローカル周波数帯移相器１１の第２入力端子は、位相調整回路１０ｂ〜１０ｄそれぞれのローカル周波数帯移相器１１の第２入力端子、及び、ローカル信号生成回路２０の第２出力端子に接続される。
位相調整回路１０ａのローカル周波数帯移相器１１の第１出力端子は、位相調整回路１０ａのバッファアンプ１２の第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ａのローカル周波数帯移相器１１の第２出力端子は、位相調整回路１０ａのバッファアンプ１２の第２入力端子に接続される。位相調整回路１０ａのバッファアンプ１２の第１出力端子は、位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３の第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ａのバッファアンプ１２の第２出力端子は、位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３の第２入力端子に接続される。
位相調整回路１０ｂ〜１０ｄそれぞれにおけるローカル周波数帯移相器１１、バッファアンプ１２、周波数変換ミキサ１３の接続についても位相調整回路１０ａにおけるローカル周波数帯移相器１１、バッファアンプ１２、周波数変換ミキサ１３の接続と同様である。すなわち、位相調整回路１０ｂのローカル周波数帯移相器１１の第１出力端子は、位相調整回路１０ｂのバッファアンプ１２の第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｂのローカル周波数帯移相器１１の第２出力端子は、位相調整回路１０ｂのバッファアンプ１２の第２入力端子に接続される。位相調整回路１０ｂのバッファアンプ１２の第１出力端子は、位相調整回路１０ｂの周波数変換ミキサ１３の第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｂのバッファアンプ１２の第２出力端子は、位相調整回路１０ｂの周波数変換ミキサ１３の第２入力端子に接続される。また、位相調整回路１０ｃのローカル周波数帯移相器１１の第１出力端子は、位相調整回路１０ｃのバッファアンプ１２の第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｃのローカル周波数帯移相器１１の第２出力端子は、位相調整回路１０ｃのバッファアンプ１２の第２入力端子に接続される。位相調整回路１０ｃのバッファアンプ１２の第１出力端子は、位相調整回路１０ｃの周波数変換ミキサ１３の第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｃのバッファアンプ１２の第２出力端子は、位相調整回路１０ｃの周波数変換ミキサ１３の第２入力端子に接続される。また、位相調整回路１０ｄのローカル周波数帯移相器１１の第１出力端子は、位相調整回路１０ｄのバッファアンプ１２の第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｄのローカル周波数帯移相器１１の第２出力端子は、位相調整回路１０ｄのバッファアンプ１２の第２入力端子に接続される。位相調整回路１０ｄのバッファアンプ１２の第１出力端子は、位相調整回路１０ｄの周波数変換ミキサ１３の第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｄのバッファアンプ１２の第２出力端子は、位相調整回路１０ｄの周波数変換ミキサ１３の第２入力端子に接続される。
位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３の第１出力端子は、パワーアンプ３０ａの第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３の第２出力端子は、パワーアンプ３０ａの第２入力端子に接続される。
位相調整回路１０ｂの周波数変換ミキサ１３の第１出力端子は、パワーアンプ３０ｂの第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｂの周波数変換ミキサ１３の第２出力端子は、パワーアンプ３０ｂの第２入力端子に接続される。
位相調整回路１０ｃの周波数変換ミキサ１３の第１出力端子は、パワーアンプ３０ｃの第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｃの周波数変換ミキサ１３の第２出力端子は、パワーアンプ３０ｃの第２入力端子に接続される。
位相調整回路１０ｄの周波数変換ミキサ１３の第１出力端子は、パワーアンプ３０ｄの第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｄの周波数変換ミキサ１３の第２出力端子は、パワーアンプ３０ｄの第２入力端子に接続される。
位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３の第１ＩＦ端子は、位相調整回路１０ｂ〜１０ｄそれぞれの周波数変換ミキサ１３の第１ＩＦ端子に接続される。位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３の第２ＩＦ端子は、位相調整回路１０ｂ〜１０ｄそれぞれの周波数変換ミキサ１３の第２ＩＦ端子に接続される。
パワーアンプ３０ａの出力端子は、送信アンテナ４０ａに接続される。パワーアンプ３０ｂの出力端子は、送信アンテナ４０ｂに接続される。パワーアンプ３０ｃの出力端子は、送信アンテナ４０ｃに接続される。パワーアンプ３０ｄの出力端子は、送信アンテナ４０ｄに接続される。
位相調整回路１０のそれぞれは、ローカル信号生成回路２０が生成するローカル信号を受ける。ここで、ローカル信号生成回路２０が生成するローカル信号は、例えば、ローカル信号生成回路２０の第１出力端子から出力される位相を基準０とする第１ローカル信号ＬＯ１と、ローカル信号生成回路２０の第２出力端子から出力される位相が基準０から１８０度ずれた第２ローカル信号ＬＯ２である。
位相調整回路１０のそれぞれは、各アンテナから送信される送信信号の位相偏差が所望の位相偏差となるように、ローカル信号生成回路２０から受けたローカル信号の位相を調整する。
位相調整回路１０のそれぞれにおいて、ローカル周波数帯移相器１１のグラウンド端子は、バッファアンプ１２のグラウンド端子、及び、周波数変換ミキサ１３のグラウンド端子に接続される。ローカル周波数帯移相器１１の第１入力端子は、ローカル信号生成回路２０の第１出力端子に接続される。ローカル周波数帯移相器１１の第２入力端子は、ローカル信号生成回路２０の第２出力端子に接続される。ローカル周波数帯移相器１１の第１出力端子は、バッファアンプ１２の第１入力端子に接続される。ローカル周波数帯移相器１１の第２出力端子は、バッファアンプ１２の第２入力端子に接続される。バッファアンプ１２の第１出力端子は、周波数変換ミキサ１３の第１入力端子に接続される。バッファアンプ１２の第２出力端子は、周波数変換ミキサ１３の第２入力端子に接続される。
位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３の第１出力端子は、パワーアンプ３０ａの第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３の第２出力端子は、パワーアンプ３０ａの第２入力端子に接続される。位相調整回路１０ｂの周波数変換ミキサ１３の第１出力端子は、パワーアンプ３０ｂの第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｂの周波数変換ミキサ１３の第２出力端子は、パワーアンプ３０ｂの第２入力端子に接続される。位相調整回路１０ｃの周波数変換ミキサ１３の第１出力端子は、パワーアンプ３０ｃの第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｃの周波数変換ミキサ１３の第２出力端子は、パワーアンプ３０ｃの第２入力端子に接続される。位相調整回路１０ｄの周波数変換ミキサ１３の第１出力端子は、パワーアンプ３０ｄの第１入力端子に接続される。位相調整回路１０ｄの周波数変換ミキサ１３の第２出力端子は、パワーアンプ３０ｄの第２入力端子に接続される。位相調整回路１０それぞれの周波数変換ミキサ１３の第１ＩＦ端子には、第１入力端子に入力される信号の位相に対応するＩＦ信号が入力される。位相調整回路１０それぞれの周波数変換ミキサ１３の第２ＩＦ端子には、第２入力端子に入力される信号の位相に対応するＩＦ信号（すなわち、第１入力端子に入力される信号を反転させた信号）が入力される。
位相調整回路１０ａのローカル周波数帯移相器１１は、ローカル周波数帯移相器１１自身が備える第１入力端子を介して、ローカル信号生成回路２０から第１ローカル信号ＬＯ１を受ける。第１ローカル信号ＬＯ１は、位相の基準０となる信号である。また、位相調整回路１０ａのローカル周波数帯移相器１１は、ローカル周波数帯移相器１１自身が備える第２入力端子を介して、ローカル信号生成回路２０から第２ローカル信号ＬＯ２を受ける。第２ローカル信号ＬＯ２は、位相の基準０（すなわち、第１ローカル信号ＬＯ１の位相）から位相が１８０度ずれた信号である。位相調整回路１０ａのローカル周波数帯移相器１１は、第１ローカル信号ＬＯ１と第２ローカル信号ＬＯ２とに基づいて、位相の基準０と同位相の信号ｓｉｇ０、信号ｓｉｇ０から位相が９０度ずれた信号ｓｉｇ９０、信号ｓｉｇ０から位相が１８０度ずれた信号ｓｉｇ１８０、信号ｓｉｇ０から位相が２７０度ずれた信号ｓｉｇ２７０の４つの信号を生成する。そして、位相調整回路１０ａのローカル周波数帯移相器１１は、生成した４つの信号に基づいて、位相の基準０から位相がθずれた信号ｓｉｇθと、信号ｓｉｇθから位相が１８０度ずれた信号ｓｉｇ（θ＋１８０）とを生成する。
ローカル周波数帯移相器１１は、例えば、図２に示すように、４相ポリフェーズフィルタ（Ｐｏｌｙ Ｐｈａｓｅ Ｆｉｌｔｅｒ）１１１（以下、「４相ＰＰＦ１１１」と記載）、位相微調整回路１１２を備える。
４相ＰＰＦ１１１は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を備える。４相ＰＰＦ１１１は、ＲＣ型ＰＰＦであり、例えば、０°、９０°、１８０°、２７０°の位相値を持った９０度ステップの４値直交信号を出力することができる回路である。４相ＰＰＦ１１１は、周波数依存性の大きな伝送線路を用いず、集中定数素子で構成することができるため、非特許文献“Yahya Tousi1, Alberto Valdes-Garcia, "AKa-Band Digitally-Controlled Phase Shifter with Sub-Degree Phase Precision," IEEE RFIC, pp. 356-359, 2016.”などの技術を用いた伝送線路インピーダンス特性切り替え型フィルタに比べて小型に実装することが可能である。抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のそれぞれは、第１端子、第２端子を備える。
位相微調整回路１１２は、切り替えスイッチ回路１１２１、ＬＣタンク１１２２を備える。
切り替えスイッチ回路１１２１は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８、ＳＷ９、ＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３、ＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１６を備える。スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８、ＳＷ９、ＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３、ＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１６のそれぞれは、第１端子、第２端子、制御端子を備える。
ＬＣタンク１１２２は、キャパシタＣ５、インダクタＬ１を備える。キャパシタＣ５、インダクタＬ１のそれぞれは、第１端子、第２端子を備える。
抵抗Ｒ１の第１端子は、抵抗Ｒ２の第１端子、キャパシタＣ１の第１端子、キャパシタＣ２の第１端子に接続される。抵抗Ｒ１の第１端子のノードは、ローカル周波数帯移相器１１の第１入力端子のノードと同一である。抵抗Ｒ１の第２端子は、キャパシタＣ４の第１端子、スイッチＳＷ４の制御端子、スイッチＳＷ７の制御端子に接続される。
抵抗Ｒ２の第２端子は、キャパシタＣ１の第２端子、スイッチＳＷ３の制御端子、スイッチＳＷ８の制御端子に接続される。
抵抗Ｒ３の第１端子は、抵抗Ｒ４の第１端子、キャパシタＣ３の第１端子、キャパシタＣ４の第２端子に接続される。抵抗Ｒ３の第１端子のノードは、ローカル周波数帯移相器１１の第２入力端子のノードと同一である。抵抗Ｒ３の第２端子は、キャパシタＣ２の第２端子、スイッチＳＷ２の制御端子、スイッチＳＷ６の制御端子に接続される。
抵抗Ｒ４の第２端子は、キャパシタＣ３の第２端子、スイッチＳＷ１の制御端子、スイッチＳＷ５の制御端子に接続される。
スイッチＳＷ１の第１端子は、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８のそれぞれの第１端子に接続される。スイッチＳＷ１の第１端子のノードは、グラウンド端子のノードと同一である。スイッチＳＷ１の第２端子は、スイッチＳＷ９の第１端子に接続される。
スイッチＳＷ２の第２端子は、スイッチＳＷ１０の第１端子に接続される。スイッチＳＷ３の第２端子は、スイッチＳＷ１１の第１端子に接続される。スイッチＳＷ４の第２端子は、スイッチＳＷ１２の第１端子に接続される。スイッチＳＷ５の第２端子は、スイッチＳＷ１３の第１端子に接続される。スイッチＳＷ６の第２端子は、スイッチＳＷ１４の第１端子に接続される。スイッチＳＷ７の第２端子は、スイッチＳＷ１５の第１端子に接続される。スイッチＳＷ８の第２端子は、スイッチＳＷ１６の第１端子に接続される。
スイッチＳＷ９の第２端子は、スイッチＳＷ１０、ＳＷ１１、ＳＷ１２それぞれの第２端子、キャパシタＣ５の第１端子、インダクタＬ１の第１端子に接続される。スイッチＳＷ９の第２端子のノードは、ローカル周波数帯移相器１１の第１出力端子のノードと同一である。
スイッチＳＷ１３の第２端子は、スイッチＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１６それぞれの第２端子、キャパシタＣ５の第２端子、インダクタＬ１の第２端子に接続される。スイッチＳＷ１３の第２端子のノードは、ローカル周波数帯移相器１１の第２出力端子のノードと同一である。
なお、インダクタＬ１の第１端子と第２端子との中間点には電源を供給するための電圧入力端子が設けられており、その電圧入力端子には、電圧ＶＤＤが印加される。
スイッチＳＷ１２、ＳＷ１３には、信号ＳＧ０が印加される。信号ＳＧ０は、スイッチＳＷ１２、ＳＷ１３をオン状態またはオフ状態にさせる信号である。
スイッチＳＷ１１、ＳＷ１４には、信号ＳＧ９０が印加される。信号ＳＧ９０は、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１４をオン状態またはオフ状態にさせる信号である。
スイッチＳＷ１０、ＳＷ１５には、信号ＳＧ１８０が印加される。信号ＳＧ１８０は、スイッチＳＷ１０、ＳＷ１５をオン状態またはオフ状態にさせる信号である。
スイッチＳＷ９、ＳＷ１６には、信号ＳＧ２７０が印加される。信号ＳＧ２７０は、スイッチＳＷ９、ＳＷ１６をオン状態またはオフ状態にさせる信号である。
なお、４つの信号ＳＧ０、ＳＧ９０、ＳＧ１８０、ＳＧ２７０のうちスイッチをオン状態にさせる信号は何れか１つであり、その１つ以外の信号は、スイッチをオフ状態にする信号である。
したがって、図２に示すローカル周波数帯移相器１１は、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のキャパシタンスの値を変更することで、４相ＰＰＦ１１１から出力される信号の位相を微調整することができ、切り替えスイッチ１１３におけるスイッチＳＷ１２とＳＷ１３、スイッチＳＷ１１とＳＷ１４、スイッチＳＷ１０とＳＷ１５、スイッチＳＷ９とＳＷ１６のうち何れかをオン状態にすることで、４相ＰＰＦ１１１によって生成された４直交信号が１８０度の位相差の差動信号となるように選別する。具体的には、ローカル周波数帯移相器１１の入出力の信号間の位相差を、０度以上９０度未満の範囲で移相調整する場合には、スイッチＳＷ１２、ＳＷ１３をＯＮ状態、その他のスイッチをオフ状態に設定する。また、ローカル周波数帯移相器１１の入出力の信号間の位相差を、９０度以上１８０度未満の範囲で移相調整する場合には、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１４をＯＮ状態、その他のスイッチをオフ状態に設定する。また、ローカル周波数帯移相器１１の入出力の信号間の位相差を、１８０度以上２７０度未満の範囲で移相調整する場合には、スイッチＳＷ１０、ＳＷ１５をＯＮ状態、その他のスイッチをオフ状態に設定する。また、ローカル周波数帯移相器１１の入出力の信号間の位相差を、２７０度以上３６０度未満の範囲で移相調整する場合には、スイッチＳＷ９、ＳＷ１６をＯＮ状態、その他のスイッチをオフ状態に設定する。ここで、スイッチを構成するトランジスタのうちオン状態にするトランジスタには、トランジスタの閾値以上の固定の直流電圧を与え、オフ状態にするトランジスタにはトランジスタの閾値未満の固定の直流電圧を与える。また、例えば、アレイアンテナ装置１からの出力信号の放射方向を変更する場合には、各アンテナ４に接続される位相調整回路１０ａについて、所望のビームパターンが形成されるように各移相状態を設定するようにスイッチＳＷ９〜ＳＷ１６のオン・オフ状態、及び、ＬＣタンク１１２２のキャパシタＣ５の容量値を調整する。
上記のようにローカル周波数帯移相器１１によって選別された差動信号は、ＬＣタンク１１２２を構成するキャパシタＣ５のキャパシタンスの値を変更することにより、４相ＰＰＦ１１１から出力された差動信号の１８０度位相差を維持したまま、更に０〜９０度分の位相加算調整が可能となり、０度以上３６０度未満の上記移相範囲の移相調整が可能となる。
なお、キャパシタＣ１〜Ｃ５のキャパシタンスの値を変更する場合、例えば、キャパシタＣ１〜Ｃ５の各キャパシタが複数のキャパシタの並列接続により構成されている場合には並列接続されるキャパシタの数を切り替えることによってキャパシタンスの値を変更し、キャパシタＣ１〜Ｃ５の各キャパシタが印加電圧によってキャパシタンスの値が変化するキャパシタである場合には印加電圧を調整することによってキャパシタンスの値を変更する。
位相調整回路１０ａのバッファアンプ１２は、位相調整回路１０ａのローカル周波数帯移相器１１から電力を受ける。位相調整回路１０ａのバッファアンプ１２は、受けた電力を、位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３の電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力（例えば、少なくとも周波数変換ミキサ１３の１ｄＢ利得圧縮点（Ｐ１ｄＢ）以上の入力電力）まで増幅し、増幅後の電力を位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３に入力する。
位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３は、バッファアンプ１２の第１出力端子から出力される増幅後の電力と第１ＩＦ信号とを混合して第１ＲＦ信号を生成する。位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３は、バッファアンプ１２の第２出力端子から出力される増幅後の電力と第２ＩＦ信号とを混合して第２ＲＦ信号を生成する。周波数変換ミキサ１３は、例えば、図３に示すダブルバランスドミキサである。周波数変換ミキサ１３は、図３に示すように、ｎＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６、キャパシタＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５、Ｃ１６、定電流源Ｉ１、Ｉ２を備える。
ｎＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４のそれぞれは、ゲート端子、ドレイン端子、ソース端子を備える。
抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６、キャパシタＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５、Ｃ１６、定電流源Ｉ１、Ｉ２のそれぞれは、第１端子、第２端子を備える。
ｎＭＯＳトランジスタＭ１のゲート端子は、抵抗１３の第１端子、キャパシタＣ１１の第１端子に接続される。ｎＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン端子は、ｎＭＯＳトランジスタＭ３のドレイン端子、キャパシタＣ１５の第１端子に接続される。ｎＭＯＳトランジスタＭ１のソース端子は、ｎＭＯＳトランジスタＭ２のソース端子、抵抗１１の第１端子、定電流源Ｉ１の第１端子に接続される。ｎＭＯＳトランジスタＭ１のソース端子には、ローカル周波数帯移相器１１の第１出力端子から出力される信号の位相に対応する位相を有するＩＦ信号が入力される。
ｎＭＯＳトランジスタＭ２のゲート端子は、抵抗Ｒ１４の第１端子、キャパシタＣ１２の第１端子に接続される。ｎＭＯＳトランジスタＭ２のドレイン端子は、ｎＭＯＳトランジスタＭ４のドレイン端子、キャパシタＣ１６の第１端子に接続される。
ｎＭＯＳトランジスタＭ３のゲート端子は、抵抗Ｒ１５の第１端子、キャパシタＣ１３の第１端子に接続される。ｎＭＯＳトランジスタＭ３のソース端子は、ｎＭＯＳトランジスタＭ４のソース端子、抵抗Ｒ１２の第１端子、定電流源Ｉ２の第１端子に接続される。
ｎＭＯＳトランジスタＭ３のソース端子には、ローカル周波数帯移相器１１の第２出力端子から出力される信号の位相に対応する位相を有するＩＦ信号（すなわち、ｎＭＯＳトランジスタＭ１のソース端子に入力されるＩＦ信号を反転させた信号）が入力される。
ｎＭＯＳトランジスタＭ４のゲート端子は、抵抗Ｒ１６の第１端子、キャパシタＣ１４の第１端子に接続される。
抵抗Ｒ１１の第２端子は、抵抗Ｒ１２の第２端子に接続される。抵抗Ｒ１１の第２端子のノードは、グラウンド端子のノードと同一である。
抵抗Ｒ１３の第２端子には、ｎＭＯＳトランジスタＭ１のゲート端子の直流バイアスを決定するバイアス電圧が印加される。抵抗Ｒ１４の第２端子には、ｎＭＯＳトランジスタＭ２のゲート端子の直流バイアスを決定するバイアス電圧が印加される。抵抗Ｒ１５の第２端子には、ｎＭＯＳトランジスタＭ３のゲート端子の直流バイアスを決定するバイアス電圧が印加される。抵抗Ｒ１６の第２端子には、ｎＭＯＳトランジスタＭ４のゲート端子の直流バイアスを決定するバイアス電圧が印加される。
キャパシタＣ１１の第２端子は、キャパシタＣ１４の第２端子に接続される。キャパシタＣ１１の第２端子には、ローカル周波数帯移相器１１の第１出力端子から出力される信号が入力される。
キャパシタＣ１２の第２端子は、キャパシタＣ１３の第２端子に接続される。キャパシタＣ１２の第２端子には、ローカル周波数帯移相器１１の第２出力端子から出力される信号（すなわち、ローカル周波数帯移相器１１の第１出力端子から出力される信号を反転させた信号）が入力される。
定電流源Ｉ１の第２端子は、定電流源Ｉ２の第２端子に接続される。定電流源Ｉ１の第２端子には、電力源が印加させる。
キャパシタＣ１５の第２端子から、ローカル周波数帯移相器１１の第１出力端子から出力される信号の位相に対応する位相を有する第１ＲＦ信号が出力される。
キャパシタＣ１６の第２端子から、ローカル周波数帯移相器１１の第２出力端子から出力される信号の位相に対応する位相を有する第２ＲＦ信号（すなわち、キャパシタＣ１５の第２端子から出力されるＲＦ信号を反転させた信号）が出力される。
図３に示す周波数変換ミキサ１３は、ｎＭＯＳトランジスタＭ１のソース端子に入力されたＩＦ信号と、キャパシタＣ１１の第２端子に入力された信号とを混合してキャパシタＣ１５の第２端子から混合した信号の位相に対応する位相を有するＲＦ信号を出力する。
また、図３に示す周波数変換ミキサ１３は、ｎＭＯＳトランジスタＭ４のソース端子に入力されたＩＦ信号と、キャパシタＣ１４の第２端子から入力された信号とを混合してキャパシタＣ１６の第２端子から混合した信号の位相に対応する位相を有するＲＦ信号を出力する。
パワーアンプ３０ａは、位相調整回路１０ａの周波数変換ミキサ１３が出力する信号を差動入力で受け、受けた信号を増幅したうえで、アンテナ４０ａを介してＲＦ信号を送信する。
位相調整回路１０ｂ、パワーアンプ３０ｂ、アンテナ４０ｂによって構成される信号経路、位相調整回路１０ｃ、パワーアンプ３０ｃ、アンテナ４０ｃによって構成される信号経路、位相調整回路１０ｄ、パワーアンプ３０ｄ、アンテナ４０ｄによって構成される信号経路のそれぞれについても、位相調整回路１０ａ、パワーアンプ３０ａ、アンテナ４０ａによって構成される信号経路と同様に考えることができ、各信号経路で独立して信号の位相及び振幅を調整することができる。
（実施例）
ローカル周波数帯移相器１１、バッファアンプ１２、周波数変換ミキサ１３を備える位相調整回路１０についてシミュレーションを行った。
図４は、ローカル周波数帯移相器１１に入力される入力電力と周波数変換ミキサ１３の電力変換利得との関係を示す図である。
図４において、横軸はローカル周波数帯移相器１１に入力される入力電力を示している。縦軸は、周波数変換ミキサ１３の電力変換利得を示している。なお、周波数変換ミキサ１３の電力変換利得は、周波数変換ミキサ１３の出力電力を入力電力で除算して算出している。図４において、入力電力と電力変換利得との関係は、１５本の曲線によって示されている。４直交信号が示す４ビットの値００００〜１１１１までの１５値のそれぞれが各曲線に対応している。なお、１５本の曲線と４直交信号が示す４ビットの値との対応関係は、周波数変換ミキサ１３の電力変換利得の大きい順、すなわち、周波数変換ミキサ１３の出力電力の大きい順に、４直交信号が示す４ビットの値０１０１、１０００、００１１、０１１１、１０１０、０００１、０１００、１１００、１００１、００１０、１１１０、１０１１、００００、１１０１、１１１１が対応している。
この図４からわかるように、ローカル周波数帯移相器１１に入力される入力電力が小さい場合、４直交信号が示す４ビットの値によって、周波数変換ミキサ１３の電力変換利得、つまり、周波数変換ミキサ１３の出力電力の値のばらつきが大きくなる。そのため、周波数変換ミキサ１３の出力電力の値のばらつきを抑えるためには、本発明の一実施形態による位相調整回路１０では、周波数変換ミキサ１３の前段にバッファアンプ１２を設け、周波数変換ミキサ１３への入力電力を少なくとも１ｄＢ利得圧縮点（Ｐ１ｄＢ）以上、好ましくは出力電力が飽和するまで電力を増幅する。
また、ローカル周波数帯移相器１１は、バッファアンプ１２による位相の影響を含めて全体の位相を調整する。
なお、本発明の一実施形態によるバッファアンプ１２は、位相調整回路１０の周波数変換ミキサ１３の電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力（例えば、少なくとも周波数変換ミキサ１３の１ｄＢ利得圧縮点（Ｐ１ｄＢ）以上の入力電力）まで増幅すれば、固定の利得であっても、可変利得であってもよい。ただし、本発明の一実施形態によるバッファアンプ１２が可変利得である場合、固定の利得である場合よりもより高精度に所望の出力電力に設定でき、アレイアンテナ装置１が出力する信号を、例えば今まで以上に正確な方向に送信できるなど、アレイアンテナ装置１が出力する信号を調整することができる。
このように、位相調整回路１０それぞれのバッファアンプ１２は、ローカル周波数帯移相器１１から受けた電力を、位相調整回路１０の周波数変換ミキサ１３の電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力（例えば、少なくとも周波数変換ミキサ１３の１ｄＢ利得圧縮点（Ｐ１ｄＢ）以上の入力電力）まで増幅する。そのため、周波数変換ミキサ１３が出力する出力電力をほぼ一定にすることができる。また、位相については、ローカル周波数帯移相器１１により調整することができる。
したがって、本発明の一実施形態による位相調整回路１０では、周波数変換ミキサ１３の出力電力の振幅及び位相を所望の振幅及び位相に調整することができる。その結果、アレイアンテナ装置１は、それぞれのアンテナが出力する信号の振幅と位相をより高精度に調整することができ、それぞれのアンテナが出力する信号を合成して生成されるビームパターンを所望のビームパターンとすることができる。
次に、本発明の実施形態による最小構成の位相調整回路１０について説明する。
本発明の実施形態による最小構成の位相調整回路１０は、図５に示すように、ローカル周波数帯移相器１１、バッファアンプ１２、周波数変換ミキサ１３を備える。
ローカル周波数帯移相器１１は、ローカル信号の周波数帯の信号の位相を調整し、調整後の信号をバッファアンプ１２に出力する。
周波数変換ミキサ１３は、前記調整後の信号と、当該調整後の信号とは別の信号とを入力し、調整後の信号と別の信号とを混合する。
バッファアンプ１２は、ローカル周波数帯移相器１１と周波数変換ミキサ１３との間に設けられ、周波数変換ミキサ１３へ入力する入力電力を、周波数変換ミキサ１３の電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲まで増幅可能なアンプである。
このようにすれば、位相調整回路１０において、所望の各位相を実現するとともに、各位相ごとの出力電力の差（振幅偏差）を低減することができる。すなわち、位相調整回路１０における振幅偏差、及び、位相偏差を高精度に調整することができる。
なお、一般的に移相器は入力電力が強い場合、入出力電力の非線形特性が強くなり（本発明の実施形態ではスイッチＳＷ１〜ＳＷ１６、キャパシタＣ１〜Ｃ５）、信号が歪んでしまい、所望動作をしなくなる。そのため、本発明の実施形態における位相調整回路１０において、バッファアンプ１２は、ローカル周波数帯移相器１１と周波数変換ミキサ１３との間に設けられることが望ましい。
また、一般的に移相器では損失が発生し、信号強度が低下してしまうことが多い。そのため、周波数変換ミキサ１３からの出力電力を飽和領域レベルまで増幅するには、本発明の実施形態における位相調整回路１０において、バッファアンプ１２は、ローカル周波数帯移相器１１と周波数変換ミキサ１３との間に設けられることが望ましい。
また、バッファアンプ１２として周波数変換ミキサ１３の後段に設ける場合、バッファアンプ１２の対応すべき周波数帯はＲＦ周波数帯となる。すなわち、バッファアンプ１２がＲＦ周波数帯のアンプとなる。このＲＦ周波数帯は、ローカル信号の周波数帯とＩＦ周波数帯の両方によって決定されるものであるが、本発明の実施形態における位相調整回路１０におけるバッファアンプ１２のように、ローカル周波数帯移相器１１と周波数変換ミキサ１３との間に設けることで、ローカル信号の１つの周波数についての補正を行えばよくなるため、位相値ごとの振幅偏差を簡易に高精度に低減することが可能となる。
なお、本発明の実施形態における処理は、適切な処理が行われる範囲において、処理の順番が入れ替わってもよい。
本発明の実施形態における記憶部、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲においてどこに備えられていてもよい。また、記憶部、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲において複数存在しデータを分散して記憶していてもよい。
本発明の実施形態について説明したが、上述の位相調整回路、アレイアンテナ装置、その他の制御装置は内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。コンピュータの具体例を以下に示す。
図７は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ５は、図７に示すように、ＣＰＵ６、メインメモリ７、ストレージ８、インターフェース９を備える。
例えば、上述の位相調整回路、アレイアンテナ装置、その他の制御装置のそれぞれは、コンピュータ５に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ８に記憶されている。ＣＰＵ６は、プログラムをストレージ８から読み出してメインメモリ７に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ６は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ７に確保する。
ストレージ８の例としては、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ８は、コンピュータ５のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インターフェース９または通信回線を介してコンピュータ５に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ５に配信される場合、配信を受けたコンピュータ５が当該プログラムをメインメモリ７に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ８は、一時的でない有形の記憶媒体である。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現してもよい。さらに、上記プログラムは、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるファイル、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例であり、発明の範囲を限定しない。これらの実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、省略、置き換え、変更を行ってよい。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限らない。
（付記１）
ローカル信号の周波数帯の信号の位相を調整し、調整後の信号を出力するローカル周波数帯移相器と、
前記調整後の信号と、当該調整後の信号とは別の信号とを入力し、前記調整後の信号と前記別の信号とを混合する周波数変換ミキサと、
前記ローカル周波数帯移相器と前記周波数変換ミキサとの間に設けられ、前記周波数変換ミキサへ入力する入力電力を、前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲まで増幅可能なバッファアンプと、
を備える位相調整回路。
（付記２）
前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲は、少なくとも前記周波数変換ミキサの１ｄＢ利得圧縮点以上の入力電力の範囲であり、
前記バッファアンプは、
前記入力電力を、少なくとも前記周波数変換ミキサの１ｄＢ利得圧縮点以上の入力電力の範囲まで増幅可能である、
付記１に記載の位相調整回路。
（付記３）
前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲は、前記周波数変換ミキサの出力電力が飽和する入力電力の範囲であり、
前記バッファアンプは、
前記入力電力を、前記周波数変換ミキサの出力電力が飽和する入力電力の範囲まで増幅可能である、
付記１または付記２に記載の位相調整回路。
（付記４）
前記ローカル周波数帯移相器は、
９０度ステップの４値直交信号を生成する４値直交信号生成回路と、
前記４値直交信号生成回路の後段にキャパシタンスの値を変更可能なキャパシタを有するＬＣタンクと、
を備える付記１から付記３の何れか一に記載の位相調整回路。
（付記５）
前記４値直交信号生成回路は、
ＲＣ型ポリフェーズフィルタを備える、
付記４に記載の位相調整回路。
（付記６）
前記バッファアンプは、
前記ローカル周波数帯移相器の位相値設定によらず、前記周波数変換ミキサの飽和電力を出力する、
付記１から付記５の何れか一に記載の位相調整回路。
（付記７）
前記バッファアンプは、可変利得アンプである
付記１から付記６の何れか一に記載の位相調整回路。
（付記８）
前記バッファアンプは、
利得を調整することにより、出力電力の大きさを制御する、
付記１から付記７の何れか一に記載の位相調整回路。
（付記９）
付記１から付記８の何れか一項に記載の位相調整回路と、前記位相調整回路が出力する出力電力を送信するアンテナとをそれぞれ複数備えるアレイアンテナ装置。
（付記１０）
前記位相調整回路のそれぞれは、
自回路における信号の振幅と位相とを調整することによって前記アンテナそれぞれが出力する前記出力電力の大きさと位相を変更し、前記出力電力を合成して生成されるビームパターンを変更する、
付記９に記載のアレイアンテナ装置。
（付記１１）
ローカル信号の周波数帯の信号の位相を調整し、調整後の信号を出力することと、
前記調整後の信号と、当該調整後の信号とは別の信号とを入力し、前記調整後の信号と前記別の信号とを混合することと、
周波数変換ミキサへ入力される入力電力を、前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲まで増幅することと、
を含む制御方法。
（付記１２）
コンピュータに、
ローカル信号の周波数帯の信号の位相を調整し、調整後の信号を出力することと、
前記調整後の信号と、当該調整後の信号とは別の信号とを入力し、前記調整後の信号と前記別の信号とを混合することと、
周波数変換ミキサへ入力される入力電力を、前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲まで増幅することと、
を実行させるプログラム。
この出願は、２０１７年１０月２３日に出願された日本国特願２０１７−２０４６５５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明は、位相調整回路及びアレイアンテナ装置に適用してもよい。
１・・・アレイアンテナ装置
５・・・コンピュータ
６・・・ＣＰＵ
７・・・メインメモリ
８・・・ストレージ
９・・・インターフェース
１０、１０ａ〜１０ｄ・・・位相調整回路
１１・・・ローカル周波数帯移相器
１２・・・バッファアンプ
１３・・・周波数変換ミキサ
２０・・・ローカル信号生成回路
３０、３０ａ〜３０ｄ・・・パワーアンプ
４０、４０ａ〜４０ｄ・・・アンテナ
１１１・・・４相ポリフェーズフィルタ
１１２・・・位相微調整回路
１１２１・・・切り替えスイッチ回路
１１２２・・・ＬＣタンク
Ｒ１〜Ｒ１６・・・抵抗
Ｃ１〜Ｃ１６・・・キャパシタ
Ｍ１〜Ｍ４・・・ｎＭＯＳトランジスタ
Ｉ１，Ｉ２・・・定電流源

Claims (12)

  1. ローカル信号の周波数帯の信号の位相を調整し、調整後の信号を出力するローカル周波数帯移相器と、
    前記調整後の信号と、当該調整後の信号とは別の信号とを入力し、前記調整後の信号と前記別の信号とを混合する周波数変換ミキサと、
    前記ローカル周波数帯移相器と前記周波数変換ミキサとの間に設けられ、前記周波数変換ミキサへ入力する入力電力を、前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲まで増幅可能なバッファアンプと、
    を備える位相調整回路。
  2. 前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲は、少なくとも前記周波数変換ミキサの１ｄＢ利得圧縮点以上の入力電力の範囲であり、
    前記バッファアンプは、
    前記入力電力を、少なくとも前記周波数変換ミキサの１ｄＢ利得圧縮点以上の入力電力の範囲まで増幅可能である、
    請求項１に記載の位相調整回路。
  3. 前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲は、前記周波数変換ミキサの出力電力が飽和する入力電力の範囲であり、
    前記バッファアンプは、
    前記入力電力を、前記周波数変換ミキサの出力電力が飽和する入力電力の範囲まで増幅可能である、
    請求項１または請求項２に記載の位相調整回路。
  4. 前記ローカル周波数帯移相器は、
    ９０度ステップの４値直交信号を生成する４値直交信号生成回路と、
    前記４値直交信号生成回路の後段にキャパシタンスの値を変更可能なキャパシタを有するＬＣタンクと、
    を備える請求項１から請求項３の何れか一項に記載の位相調整回路。
  5. 前記４値直交信号生成回路は、
    ＲＣ型ポリフェーズフィルタを備える、
    請求項４に記載の位相調整回路。
  6. 前記バッファアンプは、
    前記ローカル周波数帯移相器の位相値設定によらず、前記周波数変換ミキサの飽和電力を出力する、
    請求項１から請求項５の何れか一項に記載の位相調整回路。
  7. 前記バッファアンプは、可変利得アンプである
    請求項１から請求項６の何れか一項に記載の位相調整回路。
  8. 前記バッファアンプは、
    利得を調整することにより、出力電力の大きさを制御する、
    請求項１から請求項７の何れか一項に記載の位相調整回路。
  9. 請求項１から請求項８の何れか一項に記載の位相調整回路と、前記位相調整回路が出力する出力電力を送信するアンテナとをそれぞれ複数備えるアレイアンテナ装置。
  10. 前記位相調整回路のそれぞれは、
    自回路における信号の振幅と位相とを調整することによって前記アンテナそれぞれが出力する前記出力電力の大きさと位相を変更し、前記出力電力を合成して生成されるビームパターンを変更する、
    請求項９に記載のアレイアンテナ装置。
  11. ローカル信号の周波数帯の信号の位相を調整し、調整後の信号を出力することと、
    前記調整後の信号と、当該調整後の信号とは別の信号とを入力し、前記調整後の信号と前記別の信号とを混合することと、
    周波数変換ミキサへ入力される入力電力を、前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲まで増幅することと、
    を含む制御方法。
  12. コンピュータに、
    ローカル信号の周波数帯の信号の位相を調整し、調整後の信号を出力することと、
    前記調整後の信号と、当該調整後の信号とは別の信号とを入力し、前記調整後の信号と前記別の信号とを混合することと、
    周波数変換ミキサへ入力される入力電力を、前記周波数変換ミキサの電力についての入出力特性が線形領域から外れる入力電力の範囲まで増幅することと、
    を実行させるプログラム。
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