JPH08335809A - 方向性結合器装置およびそれにおける電力測定方法 - Google Patents

方向性結合器装置およびそれにおける電力測定方法

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JPH08335809A
JPH08335809A JP11171396A JP11171396A JPH08335809A JP H08335809 A JPH08335809 A JP H08335809A JP 11171396 A JP11171396 A JP 11171396A JP 11171396 A JP11171396 A JP 11171396A JP H08335809 A JPH08335809 A JP H08335809A
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directional coupler
impedance
value
detector
pin diode
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JP11171396A
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Ari Salminen
サルミネン アリ
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Nokia Mobile Phones Ltd
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    • G01R1/20—Modifications of basic electric elements for use in electric measuring instruments; Structural combinations of such elements with such instruments
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 方向性結合器装置による無線周波電力の測定
に関し、低電力レベルでの該装置の測定精度及び信頼性
を向上させることを目的とする。 【解決手段】 方向性結合器１，２、検出器４、終端イ
ンピーダンス１２、及び制御回路１１を有し、該終端イ
ンピーダンスのインピーダンス値を制御信号により変更
する。前記制御回路１１は該検出器４により供給される
信号に基づいて前記制御信号を生じさせる。検出された
電力レベルが低いときには該制御回路は該終端インピー
ダンスのインピーダンス値を増大させ、これにより該方
向性結合器の１端部に印加される信号のピーク電圧が増
大して、普通よりは大きい測定結果を生じさせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、無線周波数の電力
を測定するために使われる改善された方向性結合器装置
と、改善された方向性結合器装置で無線周波数の電力を
測定する方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】無線通信装置では、一般に、増幅段の出
力から到来する無線周波数信号の電力レベルを測定して
その測定結果に基づいて該増幅段の動作を制御する必要
がある。無線周波数の電力を測定するために広く使用さ
れている方法では、図１に示されているように、互いに
近くに位置する２本の細長い導電体素子１、２から成る
方向性結合器を電力伝送用のメインラインに設ける。測
定されるべき電力は第１導電体素子１を通して供給さ
れ、その一部分が電磁的結合により第２導電素子２に移
送分岐される。被測定電力の入力とは反対の端部に終端
インピーダンス３があり、被測定電力の側の端部には検
出器４があり、この検出器４は、第２導電素子に印加さ
れた電力を検出し測定して、それを普通は測定されるべ
き出力電力に比例する大きさの電圧信号に変換する。終
端インピーダンス３及び検出器４の性質の故に、方向性
結合器は、その名が示すように、方向性があり、方向性
結合器は特に伝送方向に流れる信号の電力を測定する。
【０００３】方向性結合器により生成された信号は送信
装置の電力レベルの監視及び制御に用いられる。その制
御システムは普通は差動増幅器５を備えており、これに
より、方向性結合器により生成されて伝送信号の電力レ
ベルに比例する信号が基準信号６と比較される。差動増
幅器５の出力は、送信装置の電力増幅器７へ又は送信チ
ェーンの他の何らかの制御可能な小信号増幅器又は減衰
器へのフィードバックを形成し、このフィードバック
は、前記の測定結果と基準との比較に基づいて送信装置
の電力レベルを補正する。
【０００４】方向性結合器は、その部品の寸法に依存し
たダイナミックレンジを有する。大電力レベルにより、
検出器４が過大に駆動され始めると測定可能範囲から外
れてしまう。低電力レベルでの制限的要素は、検出器の
ノイズおよび温度による変動であり、これらは、測定さ
れるべき電力が測定可能範囲より下降したときに検出器
４の出力の決定的要素として現れてくる。一般的な方向
性結合器の効率の良い測定範囲は約３０〜４０ｄＢであ
り、測定されるべき電力が大きいほど測定結果の信頼性
が高い。
【０００５】例えばＧＳＭ（Groupe Special Mobile)移
動電話等のデジタルデータ通信システムの送信装置で
は、非常に大きな電力の揺らぎを測定できる点で有利で
ある。低電力レベルを精密に測定することは特に重要で
ある。方向性結合器の素子同士の間の結合が弱いほど、
伝送されるべき信号の信号径路での方向性結合器に起因
するロスが少なくなる。移動電話の電池の容量が無駄に
消費されないようにロスは小さく保たれなければならな
い。従って移動電話では、方向性結合器の結合が弱く
て、方向性結合器又は検出器と関連して設けられた付加
的回路によって低電力レベルの測定の信頼性が向上する
ような解決法に到達しようとする試みがなされている。
【０００６】方向性結合器と検出器との間に制御可能な
減衰素子を使用する方法が知られている。米国特許第４
３９２２４５号に開示されている装置においては、方向
性結合器と検出器との間にスイッチ制御される減衰手段
があり、この手段は、そのスイッチが閉じられていると
きの該方向性結合器の結合係数が該スイッチが開いてい
るときより約１０ｄＢだけ弱くなるように作用する。こ
のような構成により、大電力レベルでは該減衰手段をオ
ンに切換えることによって検出器の過大な駆動を防止す
ることができるので、測定範囲を主として大電力レベル
の方向に拡張することができる。この特許に開示されて
いる構成では、減衰器のための制御信号を設けなければ
ならず、そのために余分の構成要素を設け、電力消費量
を増大させることになる。米国特許第５２１４３９３号
では、同じ思想を修正して、方向性結合器と検出器との
間に、大電力レベルでは増幅作用が減少する非線形回路
を設けている。このことは、信号の非線形特性を補正す
る補償回路を検出器に設けなければならないことを意味
する。
【０００７】米国特許第５１１７２０２号では、マイク
ロストリップ基板の厚みに影響を及ぼすネジを回転させ
ることにより方向性結合器の結合係数を機械的に変化さ
せるようになっている。この解決法は、当然に、物理的
磨耗、ジャミング、及び、製造許容誤差に起因する問題
などの、機械系の欠点の全てを持っている。
【０００８】或る従来技術では、図２に示されているよ
うに方向性結合器の一方の素子の終端インピーダンス端
部をコンデンサ８及び制御可能なスイッチ９を介して電
力伝送ラインに直接結合させている。この構成の背後に
ある思想は、制御可能なスイッチ９を閉じたままにして
おいて伝送ラインから直接にコンデンサ回路網により低
電力レベルを測定しようとするものである。電力レベル
が増大すると、制御系が制御可能なスイッチ９を開放さ
せ、これにより方向性結合器はその通常の動作原理に従
って機能するようになる。この構成の欠点は、独立の制
御信号１０を必要とすること、並びに、制御可能なスイ
ッチ９が閉じているときには方向性結合器の方向性が失
われることである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、方向
性結合器による電力測定の精度及び信頼性を特に低電力
レベルで向上させることのできる方法及び回路を提供す
ることである。その構成は方向性結合器の方向性を保つ
ものでなければ成らず、また単純で低コストでなければ
ならない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この目的は図３に示され
ている回路構成により達成される。この構成では、方向
性結合器の一方の素子２の終端インピーダンス１２が電
気的に変更される。その変化を制御する信号は、検出器
４の出力、基準信号６、又はこの回路の動作を制御する
マイクロプロセッサ（図示せず）から得られる。
【００１１】本発明の改良された方向性結合器は、該方
向性結合器の第２枝路の終端インピーダンスのインピー
ダンス値を、それに供給された制御信号によって電気的
に変更し得ることを特徴とする。
【００１２】本発明の電力測定方法は、該方向性結合器
の第２枝路の終端インピーダンスのインピーダンス値を
電気的に変更し得ることを特徴とする。
【００１３】方向性結合器の第２素子の終端インピーダ
ンスを増大させると前記第２素子で得られる信号のピー
ク電圧も増大するということが方向性結合器の動作につ
いての理論から周知である。本発明は、制御されるべき
終端インピーダンスの値を、検出器４から生じる出力電
圧に反比例するように変更させるという思想に基づいて
いる。測定されるべき電力レベルが下がり、検出器の出
力電圧がそれに応じて低下するとき、終端インピーダン
スのインピーダンス値は大きくなり、それにより方向性
結合器の第２素子に印加される信号のピーク電圧が高ま
り、従って検出器は終端インピーダンスが一定である場
合より大きな信号を与える。そのために、低電力レベル
では、検出器から得られる電圧のノイズその他の干渉に
対する比が大きくなるために測定の精度及び信頼性が向
上する。電力伝送ラインにおける電力レベルが高くなる
とき、終端インピーダンスが減少し、そのために方向性
結合器の第２素子に印加される信号のピーク電圧も低下
し、従って検出器の過大な駆動が防止される。
【００１４】本発明によると、低電力レベルでは、終端
インピーダンスを変化させず、方向性結合器は本質的に
線形の構成である。即ち、検出器から生じる信号のレベ
ルは、測定されるべき出力電力に正比例することにな
る。本発明によると、終端インピーダンスが増大し、そ
のために方向性結合器の第２素子に印加される電圧信号
が大きくなって、検出器から生じる電圧の値が低電力レ
ベルでは高電力レベルのときより大幅に増大するので、
この構成は非線形となる。方向性結合器による測定に基
づいて送信装置の電力増幅器の動作を制御する制御ルー
プを設計するときにはこのことを考慮に入れなければな
らない。
【００１５】本発明の回路網の好ましい実施例において
は、終端インピーダンスを制御する信号は検出器の出力
から直接得られるので、外来の制御信号は不要である。
ロスを引き起こすような余分の回路網を電力伝送ライン
に結合させる必要はない。後述する好ましい実施例は、
フィードバック回路と制御可能な終端インピーダンスと
を在来の素子で容易に実現し得ることを示すものであ
る。追加された構成要素は、電力測定装置の電流消費量
をそれほど増やすものではない。
【００１６】次に、添付図面を参照して２つの好ましい
実施例を説明することを通して本発明を詳しく説明す
る。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１及び２については従来技術と
の関係で既に説明してある。以下の本発明に関する説明
では主として図３乃至図７を参照する。各図においては
対応する部分に同じ参照符を用いてある。
【００１８】図３は方向性結合器を示しており、送信装
置から生じたＲＦ電力（無線周波の電力）は電力伝送ラ
インに沿って第１素子１を介して左から右へと進む。方
向性結合器の第２素子２の右端には、即ち測定されるべ
き電力の入力とは反対の側の端部には、制御可能な終端
インピーダンス１２があり、測定されるべき電力の入力
側の端部には検出器４があり、この検出器は、第２素子
２に結合された電力を検出し測定して、それを測定され
るべき送信電力に比例する大きさの電圧信号に変換す
る。検出器４の出力側にはフィードバック回路１１が接
続されており、この回路１１は、検出器４の出力電圧が
増大するときにはフィードバック回路１１が終端インピ
ーダンス１２の値を減少させ、逆に検出器４の出力電圧
が減少するときにはフィードバック回路１１が終端イン
ピーダンス１２の値を増大させることとなるように、制
御可能な終端インピーダンス１２を制御する。
【００１９】図４は前記の種類の回路構成を示すもので
あるけれども、制御可能な終端インピーダンス１２のイ
ンピーダンス値は基準信号６により変更されるようにな
っており、方向性結合器におけるその主な用途は、図３
には示されていない差動増幅器により伝送電力の調整を
制御する信号を作り出すために行う、検出器４の出力電
圧との比較である。その比較の原理は図１に示されてい
るのと似ており、それは従来技術の構成であって、本発
明の見地からは本質的ではない。この実施例において本
質的なのは、この構成での不可欠の要件である基準信号
６を使っていることであって、このことは他の外部制御
信号が不要であることを意味する。
【００２０】図５は、システム全体の動作を制御するマ
イクロプロセッサμＰにより生成される信号によって、
制御可能な終端インピーダンス１２のインピーダンス値
を変更するようになっている回路構成を示す。
【００２１】
【実施例】図６は図３の回路構成の好ましい実施例を示
す。この実施例においては制御可能な終端インピーダン
ス１２は回路装置から成っていて、その回路装置におい
て直列接続のＰＩＮダイオードＤ１およびコンデンサＣ
２と、抵抗器Ｒ１は、方向性結合器の第２素子２の端部
とアース電位との間に並列に接続されている。ＰＩＮダ
イオードＤ１とコンデンサＣ２は、ＰＩＮダイオードＤ
１のカソードが方向性結合器の素子の端部に接続され、
そのアノードがコンデンサＣ２を介してアース電位に接
続されることとなるように接続されている。フィードバ
ック回路１１は、ＮＰＮトランジスタＱ１、抵抗器Ｒ２
及びチョークＬ１から成る。トランジスタＱ１のコレク
タは正電位Ｖｃｃに接続され、ベースは検出器の出力側
に接続され、エミッタは、抵抗器Ｒ２とチョークＬ１と
を介してＰＩＮダイオードＤ１のアノードに、即ちＰＩ
ＮダイオードＤ１とコンデンサＣ２との間に、接続され
ている。
【００２２】図６の回路装置において、抵抗器Ｒ１、Ｐ
ＩＮダイオードＤ１、及びコンデンサＣ２の大きさは、
ＰＩＮダイオードＤ１に順方向のバイアスがかかってい
るときには該ダイオードとコンデンサＣ２とから成る信
号径路のインピーダンスが抵抗器Ｒ１から成る信号径路
のインピーダンスより小さくなっているように、設定さ
れる。ＰＩＮダイオードＤ１に順方向のバイアスがかか
っていないときには、該ダイオードとコンデンサＣ２と
から成る信号径路のインピーダンスは抵抗器Ｒ１から成
る信号径路のインピーダンスより大きい。このバイアス
はトランジスタＱ１、抵抗器Ｒ２及びチョークＬ１によ
って生成される。
【００２３】検出器４の出力電圧が大きいときには、ト
ランジスタＱ１は導通状態であり、ＰＩＮダイオードＤ
１に順方向のバイアスがかかる。この場合には該ダイオ
ードとコンデンサＣ２とから成る信号径路のインピーダ
ンスが方向性結合器の第２素子の終端インピーダンス１
２の値を殆ど決定する。検出器４の出力電圧が小さいと
きには、トランジスタＱ１は導通状態ではなくてＰＩＮ
ダイオードＤ１に順方向のバイアスはかからないので、
終端インピーダンスの値は主として抵抗器Ｒ１により決
まることになる。回路素子の値が前述したように設定さ
れているために、終端インピーダンス１２の値は後者の
場合の方が大きいので、方向性結合器の第２素子２に印
加されるピーク電圧と、したがってまた検出器４から得
られる電圧とは大きく、該回路装置は本発明の目的に沿
って弱い測定信号を増幅する。
【００２４】図７は図３の回路装置の第２の好ましい実
施例を示す。この実施例では制御可能な終端インピーダ
ンス１２は回路網から成り、その回路網においては抵抗
器Ｒ１とＰＩＮダイオードＤ１とが方向性結合器の第２
素子２の端部とアース電位との間に並列に接続されてい
る。ＰＩＮダイオードＤ１のアノードは方向性結合器の
素子の端部に接続され、カソードはアース電位に接続さ
れている。ＮＰＮトランジスタＱ１、抵抗器Ｒ２及びチ
ョークＬ１によりフィードバック回路１１が形成されて
いる。トランジスタＱ１のコレクタは正電位Ｖｃｃに接
続され、ベースは検出器の出力側に接続され、エミッタ
は抵抗器Ｒ２及びチョークＬ１を介してＰＩＮダイオー
ドＤ１のアノードに接続されている。
【００２５】図７の回路網においては、ＰＩＮダイオー
ドＤ１に順方向のバイアスがかかっているときには該ダ
イオードから成る信号径路のインピーダンスが抵抗器Ｒ
１から成る信号径路のインピーダンスより小さくなるよ
うに抵抗器Ｒ１及びＰＩＮダイオードＤ１の大きさが設
定される。ＰＩＮダイオードＤ１に順方向のバイアスが
かかっていないときには、該ダイオードから成る信号径
路のインピーダンスは抵抗器Ｒ１から成る信号径路のイ
ンピーダンスより大きい。バイアスはトランジスタＱ
１、抵抗器Ｒ２及びチョークＬ１により生成される。
【００２６】検出器４の出力電圧が大きいときには、ト
ランジスタＱ１は導通状態であり、ＰＩＮダイオードＤ
１に順方向のバイアスがかかる。この場合には、該ダイ
オードから成る信号径路のインピーダンスが主として方
向性結合器の第２素子の終端インピーダンスの値を決定
する。検出器４の出力電圧が小さいときには、トランジ
スタＱ１は導通状態ではなく、ＰＩＮダイオードＤ１に
順方向のバイアスはかからないので、終端インピーダン
スの値は主として抵抗器Ｒ１により決定される。上記し
たように回路素子の値が設定されているので、終端イン
ピーダンス１２の値は後者の場合の方が大きく、後者の
場合には方向性結合器の第２素子２に印加されるピーク
電圧と、したがってまた検出器４から得られる電圧とは
大きく、該回路装置は本発明の目的に沿って弱い測定信
号を増幅する。
【００２７】上記した実施例では、使用されている制御
可能な終端インピーダンス１２は並列接続であり、その
１枝路はＰＩＮダイオードから成り、他方の枝路は抵抗
器から成る。この場合、インピーダンスの制御は、ＰＩ
Ｎダイオードに順方向のバイアスをかけ、或いは全くバ
イアスをかけず、或いは逆方向のバイアスをかけること
により行われる。このような構成は、検出器４の出力電
圧によりその状態を決定することのできる単純な回路で
そのバイアスを決定することができるので、特に有利で
ある。しかし、本発明の背後にある思想は、上記した実
施例に限定されるものではなく、当業者が知っている他
の方法でも制御可能なインピーダンスを実現することが
できる。フィードバック回路１１に関しても、上記した
実施例の他に、当業者にとっては明白な他の実現方法が
ある。
【００２８】
【発明の効果】本発明の方法及び回路は単純であり、こ
の回路の製造コストは僅かである。伝送路を進行する電
力を特に低電力レベルで測定するようになっているあら
ゆる無線周波装置にこれを適用することができる。自明
の用途は、低ロスで特に大きなダイナミックレンジで送
信電力を測定する必要のある、デジタルデータ転送通信
網で使用されるようになっている移動電話である。
【図面の簡単な説明】
【図１】周知の方向性結合器の一般的原理を示す図であ
る。
【図２】低電力レベルでの方向性結合器の測定精度を改
善するための或る公知の構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の回路構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の回路構成を示す図である。
【図５】本発明の第３の回路構成を示す図である。
【図６】本発明の好ましい実施例を示す図である。
【図７】本発明の第２の好ましい実施例を示す図であ
る。
【符号の説明】 １…方向性結合器の第１導電体素子 ２…方向性結合器の第２導電体素子 ４…検出器 １１…フィードバック回路 １２…終端インピーダンス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｂ 3/46 Ｈ０４Ｂ 3/46 Ｍ

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１端部及び第２端部を各々有する第１
    導電体素子（１）及び第２導電体素子（２）から成る方
    向性結合器と、 入力ポート及び出力ポートを持っていて、その入力ポー
    トが該第２導電体素子（２）の該第１端部に接続されて
    いて、該第１導電体素子（１）から該第２導電体素子
    （２）に結合される電力のレベルを検出し、前記電力レ
    ベルに対する応答として出力信号を供給する検出器
    （４）と、 該第２導電体素子（２）の該第２端部とアース電位との
    間に接続されている終端インピーダンス（１２）とから
    成る無線周波電力を測定するための方向性結合器装置に
    おいて、 前記終端インピーダンス（１２）のインピーダンス値
    が、該終端インピーダンスに供給される制御信号により
    電気的に変更されうることを特徴とする方向性結合器装
    置。
  2. 【請求項２】 前記検出器（４）の出力信号に基づいて
    前記制御信号を生じさせるために前記検出器（４）と前
    記終端インピーダンス（１２）との間に制御回路（１
    １）が設けられている、請求項１に記載の方向性結合器
    装置。
  3. 【請求項３】 前記終端インピーダンス（１２）は並列
    に接続された２つの枝路から成っており、その第１の枝
    路のインピーダンスが前記制御信号によって該第２の枝
    路のインピーダンスより小さくされたり大きくされたり
    するようにした、請求項１又は２に記載の方向性結合器
    装置。
  4. 【請求項４】 前記第１枝路はＰＩＮダイオード（Ｄ
    １）から成り、そのバイアス電圧が前記制御信号であ
    る、請求項３に記載の方向性結合器装置。
  5. 【請求項５】 前記制御回路は、該ＰＩＮダイオード
    （Ｄ１）のバイアス電圧を制御するためのトランジスタ
    （Ｑ１）から成る、請求項４に記載の方向性結合器装
    置。
  6. 【請求項６】 前記トランジスタ（Ｑ１）はバイポーラ
    トランジスタであり、そのベースは前記検出器（４）の
    出力ポートに接続され、コレクタは正電圧（Ｖｃｃ）に
    接続され、エミッタは前記ＰＩＮダイオード（Ｄ１）の
    アノードに接続されている、請求項５に記載の方向性結
    合器装置。
  7. 【請求項７】 コンデンサ（Ｃ２）が設けられており、
    前記ＰＩＮダイオード（Ｄ１）のカソードは該方向性結
    合器の該第２素子（２）の第２端部に接続され、そのア
    ノードは前記コンデンサ（Ｃ２）を介してアース電位に
    接続されている、請求項４〜６のいずれか一項に記載の
    方向性結合器装置。
  8. 【請求項８】 前記ＰＩＮダイオード（Ｄ１）のアノー
    ドは該方向性結合器の該第２素子（２）の第２端部に接
    続され、そのカソードはアース電位に接続されている、
    請求項４〜６のいずれか一項に記載の方向性結合器装
    置。
  9. 【請求項９】 第１導電体素子と第２導電体素子とから
    成る方向性結合器から成る方向性結合器装置で無線周波
    の電力を測定する方法において、該方向性結合器の１枝
    路は終端インピーダンス（１２）で終端しており、該方
    向性結合器の該第１枝路から他方の枝路に結合される電
    力のレベルが検出器で検出され、該検出器は前記電力レ
    ベルに基づいて出力信号を生じさせ、前記方向性結合器
    の１端部の終端インピーダンスのインピーダンス値を電
    気的に変更することを特徴とする、方向性結合器装置に
    おける電力測定方法。
  10. 【請求項１０】 前記出力信号に基づいて制御信号を生
    じさせ、該制御信号により該方向性結合器の１端部の終
    端インピーダンスのインピーダンス値を電気的に変更す
    るようにした、請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記出力信号の値が増大するとき前記
    終端インピーダンスのインピーダンス値が小さくされ、
    前記出力信号の値が減少するときには前記終端インピー
    ダンスのインピーダンス値が大きくされるようにした、
    請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記終端インピーダンス（１２）はＰ
    ＩＮダイオード（Ｄ１）から成り、前記出力信号の値が
    増大するときには前記ＰＩＮダイオード（Ｄ１）に順方
    向のバイアスをかけ、前記出力信号の値が減少するとき
    には前記ＰＩＮダイオード（Ｄ１）の順方向バイアスを
    ゼロバイアスに向けて減少させるようにした、請求項１
    ０又は１１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記終端インピーダンス（１２）はＰ
    ＩＮダイオード（Ｄ１）から成り、前記出力信号の値が
    増大するときに前記ＰＩＮダイオード（Ｄ１）に順方向
    のバイアスをかけ、前記出力信号の値が減少するときに
    は前記ＰＩＮダイオード（Ｄ１）に逆方向のバイアスを
    かけるようにした、請求項１０又は１１に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記方向性結合器装置は前記電力レベ
    ルを制御するための基準信号を備えており、前記基準信
    号により該方向性結合器の１端部の終端インピーダンス
    のインピーダンス値を電気的に変更するようにした、請
    求項９に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 該装置の動作を制御するプロセッサに
    より生成された電気信号により前記終端インピーダンス
    のインピーダンス値を変更するようにした、請求項９に
    記載の方法。
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