JP2001527722A - 効率的な信号電力増幅のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 装置１００は、合成回路１２５からの電力回復を利用して効率を改善する。電力合成装置１２５は入力信号１１３，１１４を合成して複数の出力信号１２７，１３３を生成する。電力合成装置の出力の１つが電力回復回路１３５に結合され、エネルギが回復されて、好ましくは後で用いるために蓄積される。

Description

【発明の詳細な説明】 効率的な信号電力増幅のための方法および装置 技術分野 本発明は、一般に無線周波数（RF）増幅器に関し、さらに詳しくは、複数の信 号経路からの信号のための電力合成に関する。 発明の背景 周波数変調（FM:frequency modulation）などのアナログ信号化法は、従来、 無線機の設計者が極めて効率的な非線形電力増幅器を用いて無線周波数（RF）電 力信号を送信することを可能にしてきた。しかし、デジタル変調では線形電力増 幅を必要とすることが多い。これは、デジタル情報が被送信信号の振幅および位 相で表現される場合が多いためである。一般に、線形増幅器は、ある種の非線形 増幅器ほど効率的ではないが、これは線形増幅器が被増幅信号のサイクル全体を 通じて能動状態にあり電力を放出するためである。それに対して、クラスＣ，Ｄ ，Ｅ，Ｆ，ＧおよびＳなどの非線形増幅器は、被増幅信号のサイクルの半分未満 の間しか電力を放出しない。種々の用途、特に移動お よび携帯電子無線製品のためのデジタル情報が普及するにつれ、線形増幅のため の、通常は非線形電力増幅に伴う電力効率を得ることが必要になる。従来技術は 、線形増幅器の効率を高めるために用いられる方法を開示する。これらの方法は 、一般に効率を高めるために負荷または電源変調を行う。しかし、このような方 法は複雑な装置を必要とする傾向がある。あまり複雑にせずに効率的な信号電力 増幅を行うことが望ましい。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明による無線機のブロック図である。 第２図は、電力合成装置を詳細に示す概略図である。 第３図は、本発明による電力合成装置の第２実施例である。 第４図は、電力回復回路の好適な実施例の概略図である。 好適な実施例の説明 本発明は、複数の増幅経路の信号を合成する場合など、複数の信号を合成する 場合のエネルギ回復を行う。電力合成装置(power combiner）は、入力信号を合 成して複数の出力信号を生成する。電力合成装置からの出力信号の１つが電力回 復回路に結合され、そのエネルギが回復されて、 好ましくは後に使用されるために蓄積される。 第１図は、本発明による無線機１００を示す簡単なブロック図である。無線機 １００は、無線機の動作制御を行うコントローラ１０５を備える。無線機１００ は、送信機１４０および受信機１１５を備え、これらは送信／受信（T/R）スイ ッチ１３０を通じてアンテナ１３９に結合される。無線機は、RF受信信号１３７ がアンテナ１３９から受信機１１５に向けられる受信モードにおいて動作可能で ある。受信機１１５は、RF受信信号１３７から導かれる受信ベースバンド信号１ ０８をコントローラ１０５に提供する。 無線機は、コントローラ１０５が送信機１４０を動作させてベースバンド信号 １０７を処理する送信モードにおいても動作可能である。送信機１４０は、信号 変調器１１０および線形増幅器１５０を備える。好ましくは、線形増幅器１５０ は、非線形構成部分を伴う線形増幅器型（LINC:linear amplifier with non-lin ear components）である。信号変調器１１０は、コントローラ１０５から送信ベ ースバンド信号１０７を受信し、RF変調信号１１３，１１４を生成する。線形増 幅器１５０は、RF変調信号１１３，１１４を増幅し入力信号１２０，１２３を電 力合成装置１２５に送る増幅経路または回路１１７，１１９を備える。ある実施 例においては、増幅回路１１７，１１９はクラスＣ増幅モードにおいて動作され る。LINC増幅に関しては、 RF変調信号１１３，１１４は、等しく一定の振幅を有するように設計され、信号 変調器１１０によって、RF信号１１３，１１４の間に特定の可変位相関係が存在 するように変調される。電力合成装置１２５は、入力信号１２０，１２３を受信 するように結合され、それらを合成して出力信号１２７を形成する。ある実施例 においては、出力信号１２７は増幅変調RF信号であり、その中では情報は第１出 力信号１２７の位相および振幅の両方で表される。出力信号１２７は、次にT/R スイッチ１３０に配信され、アンテナ１３９を通じて送信される。電力合成装置 １２５はまた、送信／受信スイッチ１３０に配信されないRF電力を、電力回復信 号として機能する別の出力信号１３３を介して電力回復回路１３５に分流させる 。好適な実施例においては、電力回復回路１３５は、エネルギ・セルなど、電力 回復信号から充電され無線機１００に電力を供給するために使用されるエネルギ 蓄積装置を備える。 第２図は、本発明のある好適な実施例を示す回路図である。RF変調信号１１３ ，１１４は、それぞれ第１および第２増幅回路１１７，１１９に結合される。電 力合成装置１２５は、２つの入力ポート２１０，２２０と２つの出力ポート２１ ５，２３０とを備える。出力ポート２１５は、合成装置からのRF出力電力を選択 的に伝え、アンテナなどの送信要素に結合される。別の出力ポート２３０は、電 力合成装置１２５からRF電力を選択的に伝え、電力回復 回路１３５に結合される。これについては後述する。２つの増幅回路１１７，１ １９はそれぞれ、入力信号を合成装置の入力ポート２１０，２２０に送るように 結合される。好適な実施例においては、増幅回路１１７，１１９は非線形増幅器 であり、増幅回路１１７，１１９によって生成される入力信号１２０，１２３は 、RF変調信号１１３，１１４にも存在する振幅が一定で位相が独自の関係を保持 する。４つのインピーダンス・トランスフォーマ２３５，２３７，２４０，２４ ３が電力合成装置１２５に含まれ、１つのインピーダンス・トランスフォーマは 各入力ポートと各出力ポートとの間に結合される。各インピーダンス・トランス フォーマは出力ポート２１５，２３０における電力信号の合成を促進するように 選択される位相シフトを有して、最大電力が２つの出力ポートの一方に存在する ときは、他方の出力ポートに最小電力が存在する。出力ポート２１５，２３０の いずれかに存在する電力レベルはそれぞれ、基本的には、入力信号１２０，１２ ３の和と差であり、RF変調信号１１３，１１４の相対位相を調整することによっ て制御可能である。好適な実施例においては、インピーダンス・トランスフォー マ２３５，２３７，２４０，２４３は送信線であり、それぞれ９０度，９０度， ２７０度および９０度の位相シフトを有する。 第３図は、ウィルキンソン型合成装置（Wilkinson type combiner）１７０を 用いる本発明の第２実施例を示す。第 ２図に示されるように、RF変調信号１１３，１１４はそれぞれ、第１および第２ 増幅回路１１７，１１９に結合される。ウィルキンソン合成装置１７０は、２つ の入力ポート３１０，３２０と１つの出力ポート３１５とを備える。出力ポート ３１５は、合成装置１７０からRF出力電力を選択的に伝え、アンテナなどの送信 要素に結合される。２つの増幅回路１１７，１１９はそれぞれの入力ポート３１ ０，３２０に被増幅RF電力信号を送るように合成装置１７０に結合される。差分 RF−直流（DC）変換器３３５の形の電力回復回路も入力ポート３１０，３２０に 結合され、入力ポート３１０，３２０に存在する信号が１８０度位相がずれてい るとき、差分RF−DC変換器３３５が最大DC電力を生成するように動作する。入力 ポート３１０，３２０に存在する信号が同相の場合は、RF/DC変換器３３５は最 小DC電力を生成する。入力ポート３１０，３２０に存在する信号が同相であると きに出力ポート３１５には最大RF電力が存在し、入力ポート３１０，３２０の信 号が１８０度位相がずれているときに、最小電力が出力ポート３１５に存在する 。ウィルキンソン合成装置１７０は、２つのインピーダンス・トランスフォーマ ３２５，３３０を備え、これらは１つのインピーダンス・トランスフォーマが１ つの入力ポートと１つの出力ポートとの間に結合されるように設定される。好ま しくは、インピーダンス・トランスフォーマ３２５，３３０は、それぞれ同じ位 相シフトを 有する。ある実施例においては、インピーダンス・トランスフォーマ３２５，３ ３０は、それぞれ９０度の位相シフトを有する。 第４図は、単端RF−DC変換器１３５の好適な実施例を示す概略図である。単端 RF−DC変換器１３５は、単端入力ポート４４０を有する全波整流器回路である。 単端RF−DC変換器１３５は、電力回復信号１３３を、直列キャパシタ４３５を介 して、第１ダイオード４２５の陽極と、第２ダイオード４３０の陰極とに結合す る。第２ダイオード４３０の陽極と、第１ダイオード４２５の陰極とは、充電キ ャパシタ４２０を通じて結合される。電力回復信号が存在するとき、DC電力が充 電キャパシタ４２０の両端に蓄積される。好ましくは、ダイオード４２５，４３ ０は、ショットキー・ダイオードである。 本発明は、従来技術に比して大幅な改善を提供する。合成装置から出力される が有用な負荷に向けられない電力が単純に放出されずに、蓄積されて特定の製品 内でさらなる用途のために用いられる。合成技術を被線形増幅器および電力回復 回路と組み合わせて用いて、極めて効率的な線形増幅器を形成する。さらに、効 率的な線形増幅器のための他の技術とは異なり、本発明は帰還ループ帯域幅の制 約を含まない。 数多くの修正，変更，変形，置き換えおよび等価物が、添付の請求項に定義さ れる本発明の精神および範囲から逸 脱することなく、当業者には可能であろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＡＬ，ＡＭ，Ａ Ｔ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ， ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ， ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１および第２入力信号に応答して、前記第１および第２入力信号の和を 表す第１出力信号と、前記第１および第２入力信号の差を表す第２出力信号を生 成する電力合成装置；および 前記第１および第２出力のうち一方に結合される電力回復回路； によって構成されることを特徴とする装置。 ２．前記合成装置が第１，第２，第３および第４ポートを備えること； 前記第１および第２ポートが前記第１および第２入力信号にそれぞれ結合され ること； 前記第３および第４ポートが前記第１および第２出力信号をそれぞれ提供する こと； 前記第１出力信号が前記第１入力信号の部分と前記第２入力信号の部分とから 生成され、これらの部分がその間に第１位相差を有すること；および 前記第２出力信号が前記第１入力信号の部分と前記第２入力信号の部分とから 生成され、これらの部分が、前記第１位相差プラス１８０度に実質的に等しい第 ２位相差をその間に有すること； を特徴とする請求項１記載の装置。 ３．前記第１および第３ポートの間に結合される第１イ ンピーダンス・トランスフォーマ； 前記第２および第３ポートの間に結合される第２インピーダンス・トランスフ ォーマ； 前記第２および第４ポートの間に結合される第３インピーダンス・トランスフ ォーマ； 前記第４および第１ポートの間に結合される第４インピーダンス・トランスフ ォーマ； によってさらに構成され、前記第１，第２および第４インピーダンス・トラン スフォーマがそれぞれ実質的に９０度の位相シフトを有し、前記第３インピーダ ンス・トランスフォーマが実質的に２７０度の位相シフトを有することを特徴と する請求項２記載の装置。 ４．効率的な電力増幅の方法であって： ２つの無線周波数入力信号を合成して、１つの振幅変調信号と１つの電力回復 信号とを生成する段階；および 前記電力回復信号から導かれるエネルギを再利用のために電源として蓄積する 段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ５．前記２つの入力信号が一定の振幅と可変する位相関係とを互いに有するこ とを特徴とする請求項４記載の方法。 ６．２つの無線周波数入力信号を合成する前記段階が： 前記２つの入力信号の間に、互いに第１量だけ位相シフトを提供して、前記振 幅変調信号を生成する段階；および 前記２つの入力信号の間に前記第１量プラス実質的に１ ８０度の追加の位相シフト分だけ位相シフトを提供して、前記電力回復信号を生 成する段階； によって構成されることを特徴とする請求項５記載の方法。 ７．無線周波数エネルギを送信機内で回復する方法であって： 特定の可変する位相関係を有し、実質的に一定の振幅を有する第１および第２ 被増幅無線周波数信号を生成する段階； 前記第１および第２被増幅無線周波数信号を合成して、振幅変調無線周波数信 号と電力回復無線周波数信号とを生成する段階；および 前記電力回復無線周波数信号を直流電力信号に変換する段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ８．前記直流電力信号を用いてエネルギ・セルを再充電する段階をさらに含む ことを特徴とする請求項７記載の方法。 ９．実質的に非線形の構成部分によって構成される線形増幅器を有する送信機 ；および 前記線形増幅器に結合され前記送信機からの未使用エネルギを蓄積する電力回 復回路； によって構成されることを特徴とする通信装置。 １０．前記非線形回路が非線形動作クラスで動作する少 なくとも２つの増幅器を備えることを特徴とする請求項９記載の通信装置。