JP2005502237A

JP2005502237A - 電力増幅器

Info

Publication number: JP2005502237A
Application number: JP2003524827A
Authority: JP
Inventors: スーング‐イル、ナム
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2005-01-20
Also published as: WO2003020546A1; EP1433251A2; CN1579046A; GB0121390D0; WO2003020546A8; US20030045252A1; KR20040039330A

Abstract

少なくとも２つの周波数帯域で用いる無線周波電力増幅器（１６）は、受動的な可調入力マッチングネットワーク（３０）と、受動的な可変出力電力マッチングネットワーク（３４、３６）と、電力増幅器が少なくとも２つの周波数帯域のうちの所定の一方で狭帯域増幅器として機能するように入力および出力ネットワークを調整する同調電圧源（４８）とを含む電力増幅器（３２）を備えている。同調電圧源はルックアップテーブルを具備してもよい。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信機で用いるために適した電力増幅器に係わり、特に、しかし限定されるものではないが、ＧＳＭ（移動通信用グローバルシステム）、ＤＣＳ（デジタル通信システム）、ＰＣＳおよびＵＭＴＳ（ユニバーサル移動電話システム）用の機器のような移動通信機器に適用される送信機で用いるために適した電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力増幅器は、電圧スイングが大きく、しかも、出力電力が高いので、トランシーバの中で集積化することが最も難しい部品の一つである。その結果として、かなりの量の基板ノイズが生じ、この基板ノイズは、集積回路チップの他の区分に結合し、電圧制御発振器（ＶＣＯ）のプリング効果(pulling effects)のようなノイズ問題および不安定性を発生させる。これらの問題を緩和するため、電力増幅器は、通常、分離型のＲＦモジュールに実装される。移動通信アプリケーションでは、４０％を上回る効率が分離型のＲＦモジュールを使用して達成されている。その上、高抵抗シリコン基板、ＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）、および、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロ・メカニカル・システム）技術の利用によって、ある程度の更なる改良がもたらされる。このようなシステムで使用される従来のハンドセットは、上記の移動通信システムで要求される広い周波数帯域をカバーするため１つまたは２つの電力増幅器を使用する。それにもかかわらず、上記のアプリケーションにおけるマルチバンド電力増幅器の設計では、広帯域増幅器が依然として普及している。広帯域増幅器は出力電力と出力効率の妥協案である。特に、低電力マルチバンドハンドセットの移動通信アプリケーション（ＧＳＭ／ＤＣＳ／ＰＣＳ／ＵＭＴＳ）では、この広帯域設計は、個々の周波数帯域について高効率の電力増幅器設計を提供し得ない。送信機電力効率の低下はバッテリーの寿命を短縮する。例えば、４０％電力効率（３Ｖ電源）の３種類の電力増幅器（例えば、３３ｄＢｍ、３０ｄＢｍおよび２４ｄＢｍ）を用いることは、２．７４アンペアの電流消費を必要とし、一方、総ての３周波数帯域に対して単一の共通電力増幅器は、２．１アンペアしか消費しない（スイッチ損失を考慮して最大出力電力は３４ｄＢｍであると仮定している。）。
【０００３】
欧州特許明細書ＥＰ−Ａ１−０６３７１３１号は、増幅器用の可変インピーダンス・負荷インピーダンスマッチング回路（a variable impedance load impedance matching circuit）を有するマイクロ波増幅器を開示している。可変負荷インピーダンスは、増幅器の負荷インピーダンスの分散（divergence）を減少させるため外部制御され、これにより、増幅器で使用される送信周波数において最大電力効率が得られる。このマイクロ波増幅器を含む携帯電話機は、増幅器の電力効率が動作中に基地局によって割り当てられ、あるいは、使用される送信周波数において最大化されるように、インピーダンスマッチング回路に供給される外部制御電圧を制御する。システムで使用される周波数に対応したＤＣ制御電圧に関するデータは、電話機の動作前にメモリに記憶される。そのデータは、８２４ＭＨｚから８４９ＭＨｚまでの周波数帯域で５ＭＨｚの区域毎に記憶される。可変インピーダンスマッチング回路は、増幅器の最終段に用いられる負荷インピーダンスの一部となっているデュプレクサの影響に対処するために、マイクロ波増幅器の出力側に置かれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は可変出力電力増幅器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様によれば、少なくとも２つの周波数帯域で用いる無線周波電力増幅器が提供され、この無線周波電力増幅器は、受動的な可調入力マッチングネットワークと、受動的な可変出力電力マッチングネットワークと、電力増幅器が少なくとも２つの周波数帯域のうちの所定の一方で狭帯域増幅器として機能するように入力および出力ネットワークを調整する手段と、を含む電力増幅器を備えている。
【０００６】
広帯域増幅器ではなく、単一の狭帯域増幅器として機能させるように適応させることは、最大で２７％の更なる効率の改良を提供することがわかった。
【０００７】
本発明の第２の態様によれば、少なくとも２つの周波数帯域で用いる無線周波電力増幅器を含む送信機が提供され、この電力増幅器は、受動的な可調入力マッチングネットワークと、受動的な可変出力電力マッチングネットワークと、電力増幅器が少なくとも２つの周波数帯域のうちの所定の一方で狭帯域増幅器として機能するように入力および出力ネットワークを調整する手段と、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、一例として一枚のみの図面（図１とする）を参照して本発明を説明する。
【０００９】
図１を参照すると、送信機ブランチＴｘおよび受信機ブランチＲｘを備えたトランシーバが示されている。送信機ブランチＴｘは、音声エンコーダ１２に結合されたマイクロホン１０を含む。音声エンコーダ１２からの出力は変調器１４へ供給され、変調器１４には無線周波（ＲＦ）電力増幅器１６が接続される。ＲＦ電力増幅器１６の出力はデュプレクサ１８へ結合され、デュプレクサ１８の出力には、信号伝搬器、例えば、アンテナ２０が結合されている。
【００１０】
受信機ブランチＲｘは、デュプレクサ１８の出力に結合された入力を有する無線周波フロントエンドステージ２２を含む。フロントエンドステージ２２の出力は復調器２４に結合され、復調器２４の出力は音声デコーダ２６に結合されている。ラウドスピーカー２８はデコーダ２６の出力に結合されている。
【００１１】
ＲＦ電力増幅器１６は、電力増幅器（ＰＡ）ステージ３２を備え、このＰＡステージ３２は単一の電力増幅トランジスタを含んでよい。受動的な可変共振器マッチングステージ３０は、ＰＡステージ３２の入力３１に結合されている。２つの受動的な可変マッチングネットワーク３４および３６は、ＰＡステージ３２の出力３３に接続されている。ネットワーク３４は増幅された信号の虚部に基づいて動作し、ネットワーク３６は増幅された信号の実部に基づいて動作する。マッチングネットワーク３４および３６の各々は、可変キャパシタ、例えば、ＭＥＭＳ技術を利用して実現された可調ｈｉｇｈ−Ｑ値型の受動コンポーネントを含む。バイアス電圧源３８は、ネットワーク３４の出力とネットワーク３６の入力の間の導電路に接続される。同調電圧は、マッチングステージ３０、ネットワーク３４およびネットワーク３６のそれぞれの制御入力４０、４２および４４に供給される。同調電圧は、ＲＦ電力増幅器１６が所望の周波数帯域に亘って狭帯域増幅器として機能するようにＲＦ電力増幅器１６を適応させる。更に、個々のシステムのフィルタリングの要件が緩和される。
【００１２】
プロセッサ４６は、同調電圧およびバイアス電圧源３８を制御する。ルックアップテーブル４８は、アプリケーション毎に、最大出力電力を最高効率で得るために受動的なネットワークを適応させる際に使用する同調電圧を記憶する。このように、ユーザは移動通信システムを選択し、および／または、プロセッサ４６はトランシーバがどのシステムに従って動作しているかを認識し、さらに、プロセッサ４６は、ＲＦ増幅器を狭帯域増幅器として機能させることができるように、ルックアップテーブル４８に予め記憶されている各同調電圧を読み出させる。可調受動マッチングネットワークを使用することにより、送信機効率は、最低でも２３％まで増加させることが可能であり、その結果として、線形性が高くなり、電力損失が低下し、バッテリの寿命が長くなる。
【００１３】
より詳細には、出力マッチングネットワーク３４および３６は、個別の動作モード毎に、狭帯域マッチングネットワークとして共同で動作する。これらの可変マッチングネットワークは可変キャパシタを用いて実現される。入力可変共振器型マッチングネットワーク３０は、ある程度の周波数フィルタリングを提供する。入力マッチングネットワークが決定すると、出力インピーダンスは、最大出力電力と、最小ＩＭＰ_３（３次混変調積）と、最小位相シフト、最大電力付加効率を得るために最適化される。入力マッチングネットワーク３０は、増幅器３２の出力電力、特に、その線形性および出力安定性に影響を与え、安定および高利得条件の下で設計される。性能を最適化するためには、出力インピーダンスは、最適負荷インピーダンスを見つけるために全般的にスミスチャート（Smith chart）に沿うべきである。
【００１４】
入力マッチングネットワークは、共役整合（Γ_ｓ＝Γ_ｉｎ ^＊）に合わせて設計され、５０Ωマッチングをもたらす。出力ポートからの実部マッチングネットワーク３６は、負荷インピーダンスの実部、即ち、レジスタンスを生成する。このブロックは、５０Ωからのレジスタンスを必要なレジスタンスに変換し、この必要なレジスタンスは周波数帯域に応じて相違する。虚部マッチングネットワーク３４は、リアクタンスを変えることによって負荷インピーダンスの虚部を制御する。シャントキャパシタンスを用いる虚部は、スミスチャート上を反時計回りに移動する。直列キャパシタンスを選択することにより、時計回りの動作が得られる。このように、電力マッチングを、狭周波数帯域に亘って最大電力および効率点（efficiency point）へ動かすことが可能である。正確な受動マッチングネットワークを実現するため、低損失受動素子（低寄生またはｈｉｇｈ−Ｑ値部品）を用いることが必要である。ｈｉｇｈ−Ｑ値素子はＭＥＭＳ技術で実現可能である。
【００１５】
電力増幅器はＲＦモジュールの一部として実現してもよい。
【００１６】
本明細書および特許請求の範囲において、構成要素の前に置かれた（「ａ」または「ａｎ」のような）単数を表す単語は、このような構成要素が複数個存在することを除外するものではない。更に、「備える」、「有する」、「含む」、「具備する」のような単語は、列挙された構成要素またはステップ以外の構成要素またはステップの存在を除外するものではない。
【００１７】
本発明の開示を読むことにより、他の様々な変更が当業者にとって明白であろう。このような変更は、ＲＦ電力増幅器とその構成部品の設計、製造、および、使用法において既に知られている他の特徴を包含し、これらの他の特徴は、既にここで説明した特徴の代わりとして、または、それに付加して用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
通信用の無線送信機。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による無線周波電力増幅器を含む送信機のブロック構成図である。

Claims

電力増幅器を備え、少なくとも２つの周波数帯域で用いる無線周波電力増幅器であって、
前記電力増幅器は、
受動的な可調入力マッチングネットワークと、
受動的な可変出力電力マッチングネットワークと、
前記少なくとも２つの周波数帯域のうちの所定の一方で前記電力増幅器が狭帯域増幅器として機能するように、前記入力および出力ネットワークを調整する手段とを含むことを特徴とする無線周波電力増幅器。
前記出力電力マッチングネットワークは、可変実部マッチングネットワークおよび可変虚部マッチングネットワークを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
前記虚部マッチングネットワークは可変シャントキャパシタンスを備えたことを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
前記可変シャントキャパシタンスはｈｉｇｈ−Ｑキャパシタンスを備えたことを特徴とする請求項３に記載の電力増幅器。
前記実部マッチングネットワークは可変レジスタンスを備えたことを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
前記可調入力マッチングネットワークは可変共振器型マッチングネットワークを備えたことを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
前記可変実部マッチングネットワーク、前記可変虚部マッチングネットワーク、および、前記可変共振器型マッチングネットワークのうちの少なくとも一つの特性を変更する同調電圧を供給する手段によって特徴付けられた請求項６に記載の電力増幅器。
前記同調電圧を供給する手段は、前記少なくとも２つの周波数帯域の各々に適用できる同調電圧を記憶するルックアップテーブルを備えたことを特徴とする請求項７に記載の電力増幅器。
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の電力増幅器を備えたモジュール。
少なくとも２つの周波数帯域で用いる無線周波電力増幅器を含む送信機であって、
前記電力増幅器は、
受動的な可調入力マッチングネットワークと、
受動的な可変出力電力マッチングネットワークと、
前記少なくとも２つの周波数帯域のうちの所定の一方で前記電力増幅器が狭帯域増幅器として機能するように、前記入力および出力ネットワークを調整する手段とを含むことを特徴とする送信機。