JP2003046344A - 増幅装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィードフォワード増幅器の合成器における
出力損失、熱発生をなくす。 【解決手段】 入力信号は振幅位相調整器１７−主増幅
器１６を通り、増幅信号が分配合成器１５より遅延線路
１９へ出力され、また遅延線路１８を通り、分配合成器
１５へ供給され、主増幅器１６で発生した歪成分が振幅
位相調整器２２−補助増幅器２３へ供給される。遅延線
路１９の出力、補助増幅器２３の出力はそれぞれアンテ
ナ３１，３２で電波として放射され、これら電波が空間
合成され、無線信号電波中の歪成分と、歪成分電波とが
逆位相段される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は主として高周波帯
で使用される線形増幅装置であって、主増幅器の非線形
特性に基づく歪成分を検出してその歪成分を補助増幅器
により増幅した後、主増幅器の出力信号と合成して歪成
分の相殺を行うフィードフォワード増幅装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】無線通信用送信装置の出力段に用いられ
る複数の無線（高周波）信号を共通に増幅する高出力増
幅装置においては、高出力増幅装置の有する非線形性に
より次に記す運用上の制限が必要となる。一般に高出力
増幅装置は入力電力が上昇し出力飽和点に近づくに従い
歪発生量が増加するので、動作点をより低い入力レベル
に下げて動作させる。出力飽和点から動作点を下げるこ
とをバックオフといい、そのレベル低下量をバックオフ
量という。ここでは、入力に対する出力電力が線形的で
あると予想される点から２ｄＢ下の点である、２ｄＢ−
Compression pointを出力飽和点として考える。一方、
高出力増幅装置は動作点が出力飽和点近傍動作時に、電
力効率と出力電力が最大となり、動作点を下げる（バッ
クオフ量を大きくする）ほど電力効率と出力電力が低く
なる。そこで、歪補償回路を用いて高出力増幅装置で発
生する歪量の低減を図り、通信条件を満足する歪発生量
以下となるバックオフ量を小さくし、効率の高い動作点
で高出力増幅装置を運用することが行われている。

【０００３】従来様々な歪補償方法が提案されている
が、フィードフォワード増幅装置は歪の補償量が大き
く、プリディストーション型やフィードバック型に比べ
帯域も広いため、移動体通信の基地局の増幅装置として
用いられている。従来のフィードフォワード増幅装置の
例を図６に示す。入力端子１１よりの無線信号は分配器
１２により主増幅器信号経路１３と線形信号経路１４と
に分配されて分配合成器１５へ供給される。主増幅器信
号経路１３には主増幅器１６が挿入され、更にこの例で
は振幅位相調整器１７が主増幅器１６の前段側に挿入さ
れている。線形信号経路１４には遅延線路１８が挿入さ
れている。分配合成器１５の一方の出力端よりの主増幅
器出力信号は遅延線路１９を通じて合成器２１へ供給さ
れ、分配合成器１５の他方の出力端よりの歪成分は振幅
位相調整器２２を通じ、更に補助増幅器２３で増幅され
て合成器２１へ供給され、合成器２１の出力はアンテナ
２４へ供給される。

【０００４】主増幅器１６で発生した相互変調歪成分の
みを、分配合成器１５から取り出して補助増幅器２３で
増幅し、主増幅器１６の出力と補助増幅器２３の出力を
合成器２１で合成する際に相互変調歪成分が逆相となり
打消しあうように各振幅位相調整器１７，２２を調整す
る。例えば図７に示すように２波の無線信号Ｓ１，Ｓ２
が入力され、主増幅器１６の出力に信号Ｓ１，Ｓ２以外
に歪成分Ｄが発生する。分配合成器１５の一方の出力に
は、信号Ｓ１，Ｓ２が互いに逆位相で打消され、歪成分
Ｄのみが得られ、補助増幅器２３の出力の歪成分Ｄは遅
延線路１９の出力信号中の歪成分Ｄと同振幅逆位相とさ
れ、合成器２１、この例では３ｄＢ方向性結合器で両信
号が合成され、歪成分Ｄが相殺され、主として無線信号
Ｓ１，Ｓ２が出力される。

【０００５】なお分配合成器１５で歪成分Ｄのみが得ら
れるように逆位相合成は振幅位相調整器１７による調整
の他に、分配器１２又は分配合成器１５における入出力
端子間の移相量を適当に設定することにより実現する
か、主増幅器１６での位相反転を利用するなどの方法で
実現する。しかし、従来のフィードフォワード増幅装置
では主増幅器１６の出力と補助増幅器２３の出力とを合
成する合成器２１を用いるため、合成器２１で電力損失
が生じるという問題点がある。例えば合成器２１での電
力損失が１０％の場合、主増幅器１６の信号出力が１ｋ
Ｗとすると合成器２１で１００Ｗの電力が失われ熱に変
る。

【０００６】例えば一般的な合成器２１として図７に示
すように３ｄＢ方向性結合器を用いた場合、相互変調歪
は抵抗素子２５で熱に変るが、信号成分の約半分も、抵
抗素子２５で熱に変ってしまう。主増幅器１６の信号出
力が１ｋＷの場合５００Ｗは熱に変り、アンテナ２４で
の出力は５００Ｗしか得られない。また、主増幅器１６
の信号成分の低減を抑えるため、図８に示すように合成
器２１として１０ｄＢ方向性結合器を用いた場合、主増
幅器１６の損失は小さいが、主増幅器１６の相互変調歪
成分を打消すために補助増幅器２３で増幅する相互変調
歪成分Ｄは主増幅器１６の出力の相互変調歪成分よりも
１０ｄＢ高いレベルが要求される。このため補助増幅器
２３はより高い飽和出力が必要となり、補助増幅器２３
にかかる電力が増大する。電力効率が最も高くなる出力
飽和点近傍では信号対歪比が１２ｄＢ程度となる。この
ような飽和点近傍の歪を１０ｄＢ方向性結合器を用いた
フィードフォワード増幅装置で補償する場合、補助増幅
器２３は主増幅器１６と同程度の飽和出力が必要とな
る。さらに、補助増幅器２３にかかる電力は全て熱とな
る。

【０００７】これは特に通信衛星搭載増幅装置のように
ｋＷ級の大電力が要求され、電力容量、排熱容量が限ら
れたシステムでは非常に問題となる。また、従来のフィ
ードフォワード増幅装置は主増幅器１台に対し補助増幅
器を１台用いていたため、軽量化が求められる衛星搭載
用アクティブフェーズドアレーアンナテ用増幅器として
は適さないという問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、従
来のフィードフォワード増幅装置で生じた主増幅器の出
力と補助増幅器の出力とを合成する電力合成器での電力
損失をなくし、または補助増幅器に必要な電力を低減
し、高効率かつ低歪の増幅装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明はフィードフォ
ワード増幅装置において主増幅器の出力と補助増幅器の
出力とを、合成器を用いず、各々アンテナより電波とし
て空間に放射し、空間的に合成する。この際に信号成分
のメインビーム（電波主ビーム）方向において歪成分が
逆相で合成され、歪成分が低減される。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１に請求項１記載の発明の実施
例を示し、図６と対応する部分に同一参照番号を付けて
ある。この実施例では遅延線路１９の出力側がアンテナ
３１に接続され、補助増幅器２３の出力側がアンテナ３
２に接続される。アンテナ３１とアンテナ３２から放射
された複数無線信号および相互変調歪が空間的に合成
し、所望の信号伝送方向において、相互変調歪成分を、
空間的に逆相で合成させることにより低減させる。

【００１１】図６に示した従来のフィードフォワード増
幅装置における、主増幅器の出力と補助増幅器の出力と
を合成する合成器を用いないで、主増幅器の出力と補助
増幅器の出力を各々アンテナ３１とアンテナ３２に供給
して空間的に合成し、所望の信号伝送方向において歪成
分が低減するように振幅位相調整器２２を調整する。図
２に示すように、主増幅器信号経路１３に遅延線路１８
を挿入し、線形信号経路１４に振幅位相調整器１７を挿
入してもよい。次にＮ台の主増幅器で発生した歪成分を
１台の補助増幅器の出力で、打消すことを空間的に電力
合成により行う実施例を説明する。

【００１２】複数の増幅器を用いてアクティブフェーズ
ドアレーアンテナシステムを構成する場合、図９に示す
ように、複数の入力信号はビーム形成回路３４により、
振幅・位相が設定されて各増幅器３５−１〜３５−Ｎへ
供給される。このような場合、信号成分の位相を増幅器
３５−１〜３５−Ｎの内部で調整する回路構成は望まし
くない。この点より図１に示したように、主増幅器１６
の前段に振幅位相調整器１７を用いるのは好ましくな
く、図２に示したように主増幅器信号経路１３には遅延
線路１８を挿入し、線形信号経路１４に振幅位相調整器
１７を挿入する。このため歪成分の検出、歪成分の相殺
のための振幅・位相調整の際に、主増幅器に入力する信
号成分の振幅・位相が変化しない回路構成となってい
る。

【００１３】この場合の実施例を図３に示す。入力され
た複数の無線信号ビーム形成回路３４で分配、合成さ
れ、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の信号として出力され
る。これらＮ個の出力信号はＮ個の分配器１２−１〜１
２−Ｎへ供給される。各分配器１２−ｉ（ｉ＝１，２，
…，Ｎ）より後段は、図２に示した構成に対し、補助増
幅器２３及びアンテナ３２が省略されている以外は同様
に構成される。つまり各分配器１２−ｉに対し、遅延線
路１８−ｉ−主増幅器１６−ｉと振幅位相調整器１７−
ｉが接続され、これらの出力側に分配合成器１５−ｉが
接続され、この分配合成器１５−ｉに対し遅延線路１９
−ｉ−アンテナ３１−ｉと振幅位相調整器２２−ｉとが
接続されている。

【００１４】この実施例ではＮ個の振幅位相調整器２２
−１〜２２−Ｎよりの各歪成分は合成器４１で合成され
て補助増幅器２３に供給され、補助増幅器２３の出力が
アンテナ３２より電波として放射される。アンテナ３１
−１〜３１−Ｎからの放射された各無線信号電波とアン
テナ３２から放射された相互変調歪成分電波とが空間的
に合成され、所望の信号伝送方向において、相互変調歪
成分電波と無線信号電波中の相互変調歪成分電波とが空
間的に逆相で合成され、それぞれの無線信号電波中の相
互変調歪成分が低減される。

【００１５】図１及び図２に示した各実施例では主増幅
器１６の１台に対し補助増幅器２３を１台用いたが図３
に示した実施例ではＮ台（Ｎは２以上の整数）の主増幅
器１６−１〜１６−Ｎに対し、１台の補助増幅器２３を
用いている。この場合、飽和電力が大きい補助増幅器２
３が必要となるが、補助増幅器２３の個数および補助増
幅器２３を接続するアンテナ３２の個数も各々１つで済
むため部品点数の削減につながる。これは装置の軽量化
が求められる衛星搭載機器にとって非常に有用である。

【００１６】次に無線信号電波の歪成分と歪成分電波と
を空間的により確実に相殺させる実施例を図４Ａに示
し、図２と対応する部分に同一参照番号を付けてある。
この実施例ではこの増幅装置の出力信号を電波として受
信する相手の受信機４３の受信情報に基づき、振幅位相
調整器２２の振幅位相を調整して空間的相殺作用がより
確実に行われるようにする。例えば主増幅器１６におけ
る複数増幅段の途中に注入器４４を挿入し、パイロット
信号発生器４５から、無線信号周波数帯外であるが、主
増幅器１６の増幅周波数帯の周波数のパイロット信号を
注入する。このパイロット信号は増幅器１６の歪成分と
共に分配合成器１５から振幅位相調整器２２へ入力され
ることになる。受信機４３でアンテナ３１及び３２より
両電波の合成されたものが受信され、受信機４３の受信
信号からパイロット抽出器４６によりパイロット信号を
取出し、そのパイロット信号を送信機４７により増幅装
置の受信機４８へ送信する。受信機４８は受信したパイ
ロット信号を制御器４９へ供給し、制御器４９はパイロ
ット信号のレベルが小さくなるように振幅位相調整器２
２を調整する。

【００１７】このようにして無線信号電波中の歪成分
と、歪成分電波との空間的合成による相殺をより確実に
行うことができる。なおパイロット抽出器４６によるパ
イロット信号の抽出は必要に応じて受信信号を増幅した
後に行ってもよい。パイロット信号の制御器４９への送
信は有線によってもよい。このような受信情報により、
歪成分の空間的相殺をより確実に行わせることは図１及
び図３に示した実施例にも適用でき、その場合は、図４
Ａに示したように受信情報の伝送手段、振幅位相調整器
２２又は２２−ｉに対する制御器を設ければよい。例え
ば図４Ｂに示すように図３に示した増幅装置が通信衛星
５１に搭載され、この通信衛星５１の電波を受信する受
信局装置５２−１〜５２−Ｎより上述したような受信情
報も通信衛星５１へ送信する。

【００１８】図３に示した増幅装置において、図５Ａに
示すように補助増幅器２３の出力を電波として放射する
アンテナ３２に対する、無線信号電波を放射する各アン
テナ３１−１〜３１−Ｎまでの各距離Ｌ１〜ＬＮが Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝…＝ＬＮ となるようなアンテナ３１−１〜３１−Ｎ，３２をアレ
ーアンテナとすることが好ましい場合がある。衛星搭載
用機器は信頼性を高めるため部品点数を削減することが
望まれるため、アクティブフェーズドアレーアンテナで
は同じ特性の増幅器を用いることが多い。またアレーア
ンテナではグレーティングローブを抑えるために、アン
テナの素子間隔を半波長から１波長の間に設定すること
が多い。同様に歪成分のグレーティングローブを抑える
には、主増幅器が接続されたアンテナ３１−ｉと補助増
幅器が接続されたアンテナ３２との素子間隔も半波長か
ら１波長の間にすることが望ましい。複数無線信号の共
通増を行う場合どの主増幅器１６−ｉも同じ周波数帯の
信号を出力するため、アンテナ素子間隔は等しい場合解
析や調整が単純である。そのため補助増幅器２３が接続
されたアンテナ３２を中心とした同心円上に主増幅器１
６−ｉが接続されたアンテナ３１−ｉを配置する場合が
最も有用である。例えば図５Ｂに示すように三角配列７
素子平面アレーアンテナの場合の構成例を示す。アンテ
ナ３１−１〜３１−６はアンテナ３２を中心とする円上
にこの例では等間隔で配される。アンテナ３２は、主増
幅器１６−１〜１６−６の各相互変調歪成分を合成し補
助増幅器２３により増幅して放射する。アンテナ３１−
１〜３１−６は主増幅器１６−１〜１６−６でそれぞれ
増幅された信号および発生した相互変調歪成分を放射す
る。アンテナ３２とアンテナ３１−１〜３１−６からそ
れぞれ放射された電力は空間的に合成され、所望の信号
伝送方向においては相互変調歪成分は逆相となり打ち消
し合うように振幅位相調整器２２−１〜２２−６を調整
する。

【００１９】

【発明の効果】この発明の効果を確認するための計算機
シミュレーションの結果を以下に示す。図５Ｂに示した
実施例において、アンテナ３１−１〜アンテナ３１−６
から信号成分のみを放射し、アンテナ３２からは信号を
放射しない場合のアレーファクタを図１０Ａに示す。図
５Ｂにおいて、アンテナアンテナ３１−１〜３１−６、
３２の中心、図においてはアンテナ３２を示す円の中心
を座標の原点と、これらアンテナ３１−１〜３１−６、
３２の配列面に直交するＸ軸、Ｙ軸をとり、これらＸ軸
とＹ軸と直交するＺ軸をとり、Ｙ−Ｚ面内のアレーファ
クタを示す。θはＺ軸上を０度とし、Ｚ軸に対する角度
である。θ＝０度方向にピークがある。

【００２０】一方、アンテナ３１−１〜３１−６から同
振幅、同位相で歪成分のみを放射し、中心アンテナ３２
からその６倍の振幅で逆位相の歪成分を放射させた場合
のアレーファクタの計算結果を図１０Ｂに示す。この図
１０Ｂよりθ＝０度、つまり信号の伝送方向では零点を
もち、歪成分がよく相殺され、信号伝送方向では信号対
歪比が高くなり、通信品質を高めることが理解できる。
以上述べたようにこの発明によれば、従来のフィードフ
ォワード増幅器における主増幅器の出力と補助増幅器の
出力とを合成する合成器を用いずに、これら両出力を空
間に放射し、空間的に合成して歪成分を相殺しているた
め、電力合成器が不要であり、その電力合成器での電力
損失が生じない。これにより増幅装置全体の高効率化が
可能となる。また従来熱に変っていた歪成分を空間に分
散することにより発生する熱を低減できるため、特に排
熱能力に限りのある衛星搭載用増幅器への適用において
非常に有用である。

【００２１】また複数のフィードフォワード増幅器をア
レーに配列する場合において、１つの補助増幅器を共通
とする場合は、補助増幅器の数を削減できるため、増幅
器全体の軽量化が可能である。これは特に軽量化が要求
される衛星搭載用増幅器にとって非常に重要である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示すブロック図。

【図２】この発明の第２実施例を示すブロック図。

【図３】アレーアンテナを適用したこの発明の第３実施
例を示すブロック図。

【図４】受信情報で振幅位相調整するようにしたこの発
明の実施例を示すブロック図。

【図５】アンテナ配置を考慮したこの発明の実施例の要
部を示す図。

【図６】従来のフィードフォワード増幅器を示すブロッ
ク図。

【図７】従来のフィードフォワード増幅器の合成器の問
題点を説明するための図。

【図８】従来のフィードフォワード増幅器の合成器の問
題点を説明するための他の例を示す図。

【図９】ビーム形成回路を用いたアクティブフェーズド
アレー装置の構成例を示す図。

【図１０】この発明の効果を説明するための計算機シミ
ュレーションによるアレーファクタを示す図。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年８月３０日（２００１．８．３
０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項４

【補正方法】変更

【補正内容】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒木 克彦 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 中川 匡夫 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5J090 AA01 AA41 CA21 CA36 FA19 GN02 GN07 KA15 KA16 KA68 MA14 TA01 TA02 5J091 AA01 AA41 CA21 CA36 FA19 HA25 KA00 KA15 KA16 KA68 MA14 QA04 SA14 TA01 TA06

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力無線信号を２つの出力端に分配する
   分配器と、 その分配器の一方の出力端に一端が接続された主増幅器
   信号経路と、 上記分配器の他方の出力端に一端が接続された線形信号
   経路と、 上記主増幅器信号経路に挿入された主増幅器と、 上記主増幅器信号経路及び上記線形信号経路の一方に挿
   入された第１遅延線路と、 上記主増幅器信号経路及び上記線形信号経路の他方に挿
   入された第１位相調整器と、 上記主増幅器信号経路と上記線形信号経路の各他端に２
   つの入力端が接続され、一方の出力端に上記主増幅器信
   号経路の出力信号の一部を出力し、上記主増幅器信号経
   路の出力信号の一部と上記線形信号経路の出力信号とを
   逆相合成して、上記主増幅器で発生した歪成分を他方の
   出力端に出力する分配合成器と、 上記分配合成器の一方の出力端に一端が接続された第２
   遅延線路と、 上記分配合成器の他方の出力端に一端が接続された第２
   振幅位相調整器と、 その第２振幅位相調整器の他端に入力端が接続された補
   助増幅器と、 上記第２遅延線路の他端に接続された第１アンテナと、 上記補助増幅器の出力端に接続され、上記第１アンテナ
   の放射電波と空間的に合成される電波を放射する第２ア
   ンテナとを具備することを特徴とする増幅装置。
2. 【請求項２】 複数の入力無線信号を分配、合成するビ
   ーム形成回路と、 そのビーム形成回路のＮ（Ｎは２以上の整数）個の出力
   端にそれぞれ接続されたＮ個の分配回路と、 これらＮ個の分配回路の各一方の出力端にそれぞれ一端
   が接続されたＮ個の第１遅延線路と、 上記Ｎ個の分配回路の各他方の出力端にそれぞれ一端が
   接続されたＮ個の第１振幅位相調整器と、 上記Ｎ個の遅延線路の各他端に入力端がそれぞれ接続さ
   れたＮ個の主増幅器と、 これらＮ個の主増幅器の出力端に一方の入力端がそれぞ
   れ接続され、上記Ｎ個の第１振幅位相調整器の他端に他
   方の入力端が接続され、主増幅器の出力信号の一部が一
   方の出力端へ出力され、かつ主増幅器の出力信号の一部
   と第１振幅調整器からの信号を各々逆相で合成して主増
   幅器で発生した歪成分を他方の出力端へ出力するＮ個の
   分配合成器と、 これらＮ個の分配合成器の一方の出力端に一端がそれぞ
   れ接続されたＮ個の第２遅延線路と、 これらＮ個の第２遅延線路の他端にそれぞれ接続された
   Ｎ個の第１アンテナ１１と、 上記Ｎ個の分配合成器の他方の出力端にそれぞれ一端が
   接続されたＮ個の第２振幅位相調整器と、 これらＮ個の第２振幅位相調整器の他端にＮ個の入力端
   がそれぞれ接続され、そのＮ個の入力端に入力される信
   号を合成して出力端へ出力する合成器と、 その合成器の出力端に入力端が接続された補助増幅器
   と、 その補助増幅器の出力端に接続され、上記Ｎ個の第１ア
   ンテナから放射される電波と空間的に合成する電波を放
   射する第２アンテナと、を具備することを特徴とする増
   幅装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の増幅装置におい
   て、 上記第１アンテナ及び上記第２アンテナの放射合成電波
   を受信する受信機と、その受信機の受信情報を上記増幅
   装置へ伝送する伝送手段と、その伝送手段により伝送さ
   れた受信情報に基づき、上記振幅位相調整器を調整する
   制御器とを備えることを特徴とする増幅装置。
4. 【請求項４】 請求項２記載の増幅装置において、 上記第２アンテナとに対する上記Ｎ個の第１アンテナと
   の間の各距離が互いに等しくされ、上記Ｎ個の第１アン
   テナはアレーアンテナを構成していることを特徴とする
   増幅装置。