JP2005117599A

JP2005117599A - 高周波増幅器

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Publication number: JP2005117599A
Application number: JP2003383155A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Suzuki; 博鈴木; Satoshi Suyama; 聡須山; Kazuhiko Fukawa; 和彦府川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】本発明は、各増幅器に対して最適な入力を供給するように制御し、各増幅器のバックオフの値に大きな差をつけても安定に動作するとともに、歪を十分抑えた高周波増幅器を提供することを目的とする。
【解決手段】変調用複素包絡線信号から第１被変調信号を生成する第１変調部３と、その第１被変調信号を増幅するキャリア増幅器５と、変調用複素包絡線信号から第２被変調信号を生成する第２変調部４と、その第２被変調信号を増幅するピーク増幅器６と、キャリア増幅器５および該ピーク増幅器６の出力を合成して合成出力信号を出力する合成回路７と、変調用複素包絡線信号、該キャリア増幅器５および該ピーク増幅器６の出力信号、および該合成出力信号を監視して、第１変調部３および該第２変調部４とキャリア増幅器５およびピーク増幅器６とを制御する制御器１２とを有するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波増幅器に関するものである。

高周波を用いる無線通信では、送信電力増幅器により変調された信号を増幅して，アンテナから送信している。この電力増幅器では、直流から高周波に電力が変換されており、その変換効率が高いものが求められている。従来、定振幅変調に対してはＦ級、Ｃ級、Ｂ級など、入出力特性が非線形ではあるが、高効率な増幅器が開発されてきた。しかしながら、近年、無線にはＱＡＭ、ＯＦＤＭ、多重化された信号などが利用されるようになり、また、機器の携帯化、基地局の小形化が進められており、入出力特性が線形の高効率増幅器が求められている。

高効率増幅器としてドハティ増幅器が知られている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
Ｗ．Ｈ．Ｄｏｈｅｒｔｙ、「Ａｎｅｗｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒｍｏｄｕｌａｔｅｄｗａｖｅｓ」Ｐｒｏｃ．ＩＲＥ、ｖｏｌ．２４、ｎｏ．９、ｐｐ．１１６３−１１８２、１９３６Ｆ．Ｒａａｂ他、「ＰｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｓａｎｄｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓｆｏｒＲＦａｎｄｍｉｃｒｏｗａｖｅ」ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．３，ｐｐ．８１４−８２６，２００２（図１８）

ドハティ増幅器の基本構成を図８に示す。入力端子１からのＲＦ入力信号をＲＦ入力電力分配器２１により、９０°の位相差をつけて、キャリア増幅器５とピーク増幅器６にそれぞれ分配し、それら増幅器の出力は、ＲＦ電力合成器２２により位相を調整して直接結合される。以下ではこのタイプの合成器をドハティ形合成器とよぶ。合成された信号は負荷回路１１に出力される。この図では、負荷回路は抵抗５０Ωの抵抗で表示されている。キャリア増幅器は、高効率で線形動作するバックオフ領域を入力信号振幅の出現頻度が最も高いレベルに設定されている。より高入力の領域では、キャリア増幅器が飽和し、利得減衰が起きるのでＢ級などで動作するピーク増幅器で出力を補っている。ピーク増幅器は小信号領域での消費電力は低いので、ドハティ増幅器は広いレンジに渡って高効率となる。

しかしながら、従来のドハティ増幅器では以下のような欠点がある。
（１）それぞれのブランチへの入力電力は等しく配分されるため、キャリア増幅器の飽和レベルを越えてもピーク増幅器が立ち上がるまでさらに入力レベルが増やし続ける。このとき、キャリア増幅器は電力付加効率（ＰＡＥ）が最も高くなる領域を通り越して使用されるので、全体の効率が低下する。キャリア増幅器とピーク増幅器の飽和レベルの差は、必要となるバックオフ量に依存するため、バックオフを大きく設計しようとするとこの影響は顕著になり、さらに、過入力によるデバイス破壊の可能性もある。
（２）ピーク増幅器に使用する増幅器のＡＭ／ＡＭ特性およびＡＭ／ＰＭ特性の非線形性が比較的大きい直接結合を行っているので回路の安定設計が難しいなどの問題がある。
（３）電力効率を高くするためには、キャリア増幅器とピーク増幅器への入力配分を最適化しなければならないが、ＲＦ回路ではある一定の配分に固定しなければならないので最適化の範囲が限定されていた。
（４）また、非線形特性を用いているので、線形増幅を行うためには歪補償回路をドハティ増幅器に付加することが必要である（非特許文献４参照）。歪補償のダイナミックレンジはかなり広いので、ひとつの補償回路では十分でないという欠点がある。
以上の点を考慮して、注意深くＲＦ回路を設計しなければならない（非特許文献３参照）。
Ｍ．Ｉｗａｍｏｔｏ他、「ＡｎｅｘｔｅｎｄｅｄＤｏｈｅｒｔｙａｍｐｌｉｆｉｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｖｅｒａｗｉｄｅｐｏｗｅｒｒａｎｇｅ」ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．１２，ｐｐ．２４７２−２４７９，２００１（図８）Ｙ．Ｚｈａｏ他、「ＤｏｈｅｒｔｙａｍｐｌｉｆｉｅｒｗｉｔｈＤＳＰｃｏｎｔｒｏｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎＣＤＭＡｏｐｅｒａｔｉｏｎ」ＩＥＥＥＭＴＴ−ＳＤｉｇｅｓｔ，ｐｐ．６８７−６９０，２００３（図４）

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、各増幅器に対して最適な入力を供給するように制御し、各増幅器のバックオフの値に大きな差をつけても安定に動作するとともに、歪を十分抑えた高周波増幅器を提供することを目的とする。

本発明の高周波増幅器は、変調用複素包絡線信号から第１被変調信号を生成する第１変調部と、該第１被変調信号を増幅するキャリア増幅器と、該変調用複素包絡線信号から第２被変調信号を生成する第２変調部と、該第２被変調信号を増幅するピーク増幅器と、該キャリア増幅器および該ピーク増幅器の出力を合成して合成出力信号を出力する合成回路と、該変調用複素包絡線信号、該キャリア増幅器および該ピーク増幅器および該合成出力信号を監視して、第１変調部と該第２変調部およびキャリア増幅器とピーク増幅器とを制御する制御器とを有するものである。

本発明の高周波増幅器によれば、キャリア増幅器とピーク増幅器に適正な入力レベルの信号を信号処理により正確に入力することができるので、安定に動作させ、歪を十分に抑えながら高効率化を達成できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

まず、高周波増幅器にかかる第１の発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は高周波増幅器の基本構成を示している。データ信号は変調された信号ｓ（ｔ）の複素包絡線を表す変調用複素包絡線信号Ｅ（ｔ）に変換される。なお、ｓ（ｔ）＝Ｒｅ｛Ｅ（ｔ）ｅｘｐ（ｊ２πｆｃｔ）｝の関係がある。ここで、Ｒｅ（ｘ）は複素数ｘの実数成分を表す。ｆｃは搬送波周波数である。第１変調部３は、変調用複素包絡線信号Ｅ（ｔ）から高周波の第１被変調信号ｓ１（ｔ）を生成する。その第１被変調信号ｓ１（ｔ）はキャリア増幅器５により増幅されｖ１（ｔ）となる。同様に、第２変調部４は、変調用複素包絡線信号Ｅ（ｔ）から第２被変調信号ｓ２（ｔ）を生成する。その第２被変調信号ｓ２（ｔ）はピーク増幅器６により増幅されｖ２（ｔ）となる。合成回路７は、キャリア増幅器５および該ピーク増幅器６の出力であるｖ１（ｔ）とｖ２（ｔ）を合成して合成出力信号ｖ（ｔ）を出力する。制御器１２は、変調用複素包絡線信号Ｅ（ｔ）、キャリア増幅器５および該ピーク増幅器６の出力信号ｖ１（ｔ）とｖ２（ｔ）、および合成出力信号ｖ（ｔ）を監視して、第１変調部３および該第２変調部４とキャリア増幅器５およびピーク増幅器６とを制御する。

各構成要素のうち、高周波回路の設定は、従来のドハティ増幅器の設定と概ね同じである。たとえば、キャリア増幅器は平均電力付近以下の小信号領域で電力効率を高めるように設定する。そのため、キャリア増幅器のバックオフ付近が平均電力付近になるように設定される。一方、ピーク増幅器はそれより大きな大信号領域で動作するように設定する。増幅される信号の分布によって、２つの増幅器のバックオフを設計する。しかしながら、ディジタル変調器が各増幅器に対応して配置されている点が従来の構成とは大きく異なる。各増幅器への入力信号電力は、従来、固定的に配分されいてたが、本発明では、変調器により可変的に配分制御を最適化できる。

以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、可変的にキャリア増幅器とピーク増幅器への入力電力を供給できるので、動作の最適化を図ることができる。また、キャリア増幅器へ過大入力が入る心配がないので、小信号用の素子を適用し、設計の自由度が広がる。また、各部を監視し、変調部により適応的に制御を変えることができる。変調部はディジタル信号処理を適用できるので、２つの増幅器を状況の変化に応じて、多様に、高精度に、最適化動作させることができる。

つぎに、高周波増幅器にかかる第２の発明を実施するための最良の形態について説明する。図２は、第１および第２変調部の内部構成を示したものである。入力端子は後述するモニタ端子１６に接続されている。歪補償器１９と直交変調器２０が従属に接続されており、その出力は、キャリア増幅器またはピーク増幅器に接続されている。歪補償器は、制御器１２からの制御端子１７または１８からの制御信号により制御される。

具体的には、変調用複素包絡線信号Ｅ（ｔ）を信号レベルに応じて第１変調部であればＥ１（ｔ）また第２変調部であればＥ２（ｔ）に変換する。この変換は２つの変換から成る。第１の変換は、キャリア増幅器への電力配分とピーク増幅器への電力配分を決定するためのものである。第２の変換は増幅器の非線形歪をおさえるためのプリディストーション処理である。これらの処理はすべてベースバンドでディジタル信号処理により行うことができるので、性能を最適化することができる。

図３にプリディストーションの原理図を示す。出力電力Ｐ１を得たいときに、線形であれば、増幅器入力としてレベルＰ２の信号を入力とすればよいが、実際には非線形のため図のようにＰ３の入力が必要である。プリディストーション処理ではこのＰ３に相当するＥ１（ｔ）またはＥ２（ｔ）に変換する。なお、実際には、非線形特性のために位相が変化する場合もあるので、その場合には位相のプレディストーション処理も行う。また、同図のＰ４のような出力を出そうとすると、この付近の出力変化に対する入力の変化が大きいので誤差が増え、制御が不正確になる。そのため、このような領域は避ける必要がある。しかしながら、Ｐ１を余り低くすると電力効率が悪くなるのでバランスを考えて設定する。

以上のことから、本発明によれば電力配分を最適に行うことができる。また、各増幅器に対応して歪補償を最適化して行うことができる。処理はすべてベースバンドでディジタル信号処理により行うことができるので、精度良く行うことができる。また、ディジタル処理により精度の良い補償が可能となり、Ｐ１を可能な限り大きくすることができ、電力効率を改善できる。

つぎに、高周波増幅器にかかる第３および第４の発明を実施するための最良の形態について説明する。図４は、合成回路を示す。

第３の発明では合成回路に同図（ａ）のような同相合成回路が用いられる。この回路は配置が対称になるので、一般に２つの回路のバランスがよく、広帯域に安定した合成特性が得られる。また、多少のアンバランスは、変調部で容易にディジタル信号処理により補償することができる。

第４の発明では合成回路に同図（ｂ）のようなドハティ形合成回路が用いられる。この場合、λ／４線路が非対称に入るので、第２変調部において９０°の位相補償が必要である。これは歪補償部でも直交変調部でも容易に行うことができる。この回路では、λ／４線路が非対称に入るので、広帯域に安定性を保つことが難しい。しかしながら、λ／４線路がインバータとして、インピーダンスを変換し、高効率動作に適した動作をすることが知られている（非特許文献２、３）。

以上のことから、位相を同相合成することが容易であり、ＲＦ回路の精度が多少悪くてもディジタル信号処理で容易に補正することができる。

つぎに、高周波増幅器にかかる第５の発明を実施するための最良の形態について説明する。図５は、ＲＦ入力とする場合の構成を示す。図１と似ているが、図１はデータ入力であり、図５はＲＦ入力である。図５においてＲＦ入力端子２３からＩＱ検波器２４に増幅したいＲＦ信号が入力される。これをＩＱ検波器に入れると、ＲＦ入力信号の複素包絡線が抽出される。以降は既に述べた図１の増幅器の動作と同じである。ただし、ＩＱ検波器２４と第１および第２変調部における基準搬送波位相は一致していなければならないので、局部発振器には同一のものを使用する。また、局部発振器から各部までの線路長による位相差は各変調部において補償する。

以上のことから、ＲＦ信号であっても、一旦はそれをＩＱ検波器により精度よくベースバンドに変換することができるので、容易にＲＦ入力の増幅器を形成することができる。

つぎに、高周波増幅器にかかる第６の発明を実施するための最良の形態について説明する。本発明は制御器の動作に関するものである。図６は制御した結果を示している。

小信号出力時には、ピーク増幅器の出力を０とし、また合成出力信号をキャリア増幅器のみから供給するように第１変調部からの被変調信号を制御する。大信号出力時には、第１被変調信号のレベルを一定に保ち、また合成出力信号が所望の信号となるように、第２被変調信号を制御する。通常のドハティ増幅器では、ピーク電力増幅器の小信号時の出力をバイアス設定だけで、抑圧しているので、精度が悪い。また、大信号出力時においてもキャリア増幅器への入力が不必要に増加し、過入力によるデバイス破壊の可能性もある．

以上のことから、本発明によれば、ピーク電力増幅器の動作開始点、大信号出力時のキャリア増幅器の入力制御を精度よく行えるので、動作の安定性、制御性が増大する。

つぎに、高周波増幅器にかかる第７の発明を実施するための最良の形態について説明する。本発明は制御器の動作に関するものである。図７は制御した結果を示している。

小信号出力時には、ピーク増幅器の出力を０とし、また合成出力信号をキャリア増幅器のみから供給するように第１変調部からの被変調信号を制御する。中信号出力時には、第１変調部における前置歪補償器の状態をそのままに保存させ、ピーク増幅器の出力停止制御を解除して、合成出力信号が所望の信号となるように、第１被変調信号を補うように第２被変調信号を制御する。大信号出力時には、第１被変調信号のレベルを一定に保ち、また合成出力信号が所望の信号となるように、第２被変調信号を制御する。

前発明では、２段階の制御であったが、このように３段階の制御を導入することにより、制御はより容易になる。図６では、小信号動作から大信号動作に切り替わるときにピーク増幅器の出力が突然増加する。しかしながら、制御精度が低いとその制御は困難な場合がある。本発明の場合には図７のようになり、ピーク増幅器は中信号出力時から制御するので制御が簡易になる。ただし、あまり、レベルの低いところでピーク増幅器を動作させると電力効率が低下するので、バランスを考えて設定する必要がある。

つぎに、高周波増幅器にかかる第８の発明を実施するための最良の形態について説明する。本発明は制御器の動作に関するものである。

制御器により、図１に示したキャリア電力信号モニタ１３、ピーク電力信号モニタ１４、合成出力モニタ１５、複素包絡線出力端子１６を用いて、キャリア増幅器およびピーク増幅器の各入力レベルに対応した出力電力、バイアス電流、前記合成出力電力を観測し、また、その観測結果から、それらの関係を推定する。制御器は、第１変調部制御端子１７、第２変調部制御端子１８を用いて、変調を制御して最適制御を行う。制御器からの制御を適切に行うためには、２つの増幅器の状態、回路のバランス、不完全性を考慮しなければならない。これらは、上記モニタの結果をもとに推定される。そのためには、素子のモデルがあると効率的に精度のよい推定が可能になる。モデルについては、たとえば、非特許文献５があり、モニタの観測値をもとに最小２乗法でパラメータを推定できる。なお、図１の増幅器出力側の３個のモニタには冗長性があるので、どれか１つは省略可能である。
飯塚文隆、荻野剛士、鈴木博、府川和彦、「ドレイン電流の入力電力依存性を考慮した移動通信用高効率電力増幅器モデル」電子情報通信学会技術報告ＭＷ２００３−８８、２００３年７月

以上のことから、本発明によれば、素子の状態、回路の不完全性を個々に観測して対応できるので、個々の素子のばらつき、経年変化、発熱による変化に対応でき、増幅器を精度よく動作させることができる。

なお、上述した各発明を実施するための最良の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本増幅器は、電力効率が極めて高いので、一般に伝送システムの省エネルギー対策となる。特に、無線では、限られた電力源を利用することが多いので有効である。たとえば、携帯電話、無線ＬＡＮにおける基地局の送信機あるいは移動機の送信機に利用すると大きな効果が得られる。

本発明による高周波増幅器の基本構成を示す図である。変調部の内部構成例を示す図である。前置歪補償の動作を説明する図である。合成回路の内部構成例を示す図である。（ａ）はウィルキンソン形合成回路、（ｂ）はドハティ形合成回路を示す図である。ＲＦ入力とした基本構成を示す図である．本発明における電力配分の第１の例を示す図である。本発明における電力配分の第２の例を示す図である。従来のドハティ形増幅器の構成を示す図である。

符号の説明

１：入力端子、２：複素包絡線生成器、３：第１変調部、４：第２変調部、
５：キャリア増幅器、６ピーク増幅器、７：合成器、８：合成器第１入力端子、
９：合成器第２入力端子、１０：合成器出力端子、１１：負荷回路、１２：制御回路、
１３：キャリア電力信号モニタ、１４：ピーク電力信号モニタ、１５：合成出力モニタ、
１６：複素包絡線出力端子、１７：第１変調部制御端子、１８：第２変調部制御端子、
１９：前置歪補償器、２０：直交変調器、２１：ＲＦ入力電力分配器、
２２：ＲＦ電力合成器、２３：ＲＦ入力端子、２４：ＩＱ検波器

Claims

変調用複素包絡線信号から第１被変調信号を生成する第１変調部と、該第１被変調信号を増幅するキャリア増幅器と、該変調用複素包絡線信号から第２被変調信号を生成する第２変調部と、該第２被変調信号を増幅するピーク増幅器と、該キャリア増幅器および該ピーク増幅器の出力を合成して合成出力信号を出力する合成回路と、該変調用複素包絡線信号、該キャリア増幅器および該ピーク増幅器および該合成出力信号を監視して、第１変調部と該第２変調部およびキャリア増幅器とピーク増幅器とを制御する制御器とを有することを特徴とする高周波増幅器。
請求項１に記載の前記第１変調部と前記第２変調部の内部構成が、前置歪補償器と直交変調器の従属接続であることを特徴とする請求項１に記載の高周波増幅器。
請求項１に記載の前記合成回路において、同相合成回路を用いることを特徴とする請求項１に記載の高周波増幅器。
請求項１に記載の前記合成回路において、ドハティ形合成回路を用いるとともに、前記第２変調部において、該ドハティ形合成回路における位相シフトに対応する位相分を補償することを特徴とする請求項１に記載の高周波増幅器。
請求項１に記載の前記変調用複素包絡線信号として、被変調信号から抽出された複素包絡線信号を用いることを特徴とする請求項１に記載の高周波増幅器。
請求項１に記載の前記制御器により、小信号出力時には、前記ピーク増幅器の出力を０とし、また前記合成出力信号を前記キャリア増幅器のみから供給するように第１変調部からの被変調信号を制御し、大信号出力時には、前記第１被変調信号のレベルを一定に保ち、また該合成出力信号が所望の信号となるように、前記第２被変調信号を制御することを特徴とする請求項１に記載の高周波増幅器。
請求項１に記載の前記制御器により、小信号出力時には、前記ピーク増幅器の出力を０とし、また前記合成出力信号を前記キャリア増幅器のみから供給するように第１変調部からの被変調信号を制御し、中信号出力時には、請求項２に記載の前記第１変調部における前記前置歪補償器の状態をそのままに保存させ、該ピーク増幅器の出力停止制御を解除して、該合成出力信号が所望の信号となるように、該第１被変調信号を補うように前記第２被変調信号を制御し、大信号出力時には、該第１被変調信号のレベルを一定に保ち、また該合成出力信号が所望の信号となるように、該第２被変調信号を制御することを特徴とする請求項１に記載の高周波増幅器。
請求項１に記載の前記制御器により、前記キャリア増幅器および前記ピーク増幅器の各入力レベルに対応した出力電力、バイアス電流、前記合成出力電力を観測し、また、その観測結果から、それらの関係を推定することを特徴とする請求項１に記載の高周波増幅器。