JP2006191196A

JP2006191196A - 電力増幅器

Info

Publication number: JP2006191196A
Application number: JP2004381890A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Itagaki; 芳夫板垣; Naoko Ono; 直子小野; Keiichi Yamaguchi; 恵一山口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-20

Abstract

【課題】無線システム全体の歪を考慮ししかも低送信電力時でも電力効率の高い無線システム用電力増幅器を提供すること。
【解決手段】動作角を制御することが可能であり、入力信号の高調波成分を含む擬似矩形波信号を出力する第１増幅部と、この第１増幅部の出力信号を入力とし増幅信号を出力する第２増幅部と、この第２増幅部から出力された擬似矩形波信号を入力とし、その基本波を出力信号とする高調波処理部と、この高調波処理部の出力信号又は前記入力信号に含まれる歪成分を検知する歪検知手段と、この歪検知手段により検知された歪成分が所定の基準値以下になるように、前記第１増幅部の動作角を制御する動作角制御部と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、広範囲な出力電力の送信を必要とする無線システムに係り、特に電力効率を向上させることが可能な無線通信システム用の電力増幅器に関する。

従来の技術、例えば特許文献１では、動作角調整部により入力信号を歪ませ、電力効率の最も良くなる動作角にて通信を行っている。

しかし、無線通信システム用の電力増幅器では、出力信号の歪成分を予め隣接チャネル漏洩電力などにより規定される歪の規定値以下にしなければならない。第１の増幅部では、動作角について効率だけでなく、無線システム全体の歪を考慮した調整が必要となる。上記のような例では、電力効率の向上にのみ注目し、電力増幅器の出力信号の歪に関する議論はなかった。
特開平８−２３７０４３号公報（図１，図７）

本発明は従来の上述の問題点にかんがみてなされたもので、無線システム全体の歪を考慮ししかも低送信電力時でも電力効率の高い電力増幅器を提供することを目的とする。

本発明の請求項１によれば、動作角を制御することが可能であり、入力信号の高調波成分を含む擬似矩形波信号を出力する第１増幅部と、この第１増幅部の出力信号を入力とし増幅信号を出力する第２増幅部と、この第２増幅部から出力された擬似矩形波信号を入力とし、その基本波を出力信号とする高調波処理部と、この高調波処理部の出力信号又は前記入力信号に含まれる歪成分を検知する歪検知手段と、この歪検知手段により検知された歪成分が所定の基準値以下になるように、前記第１増幅部の動作角を制御する動作角制御部と、を有して成ることを特徴とする電力増幅器を提供する。

本発明の請求項２によれば、動作角を制御することが可能であり、入力信号の高調波成分を含む擬似矩形波信号を出力する第１増幅部と、この第１増幅部の出力信号を入力とし増幅信号を出力する第２増幅部と、この第２増幅部から出力された擬似矩形波信号を入力とし、その基本波を出力信号とする高調波処理部と、この高調波処理部の出力信号に含まれる歪成分と前記第１増幅部の動作角の関係をテーブルとして予め記憶したテーブル記憶部と、このテーブル記憶部に記憶されているテーブルを参照し、前記高調波処理部の出力信号に含まれる歪成分を検知して、この歪成分が所定の基準値以下になるように、前記第１増幅部の動作角を制御する動作角制御部と、を有して成ることを特徴とする電力増幅器を提供する。

本発明の請求項３によれば、動作角を制御することが可能であり、入力信号の高調波成分を含む擬似矩形波信号を出力する第１増幅部と、動作角を制御することが可能であり、前記第１増幅部の出力信号を入力としその高調波成分を含む擬似矩形波信号を出力する第２増幅部と、この第２増幅部から出力された擬似矩形波信号を入力とし、その基本波を出力信号とする高調波処理部と、前記入力信号の歪成分と前記第１増幅部及び第２増幅部の動作角の関係を予め記憶しており、前記入力信号に含まれる歪成分を検知して、この歪成分が所定の基準値以下になるように、前記第１増幅部及び前記第２増幅部の動作角を制御する動作角制御部と、を有して成ることを特徴とする電力増幅器を提供する。

本発明によれば、無線システム全体の歪を考慮ししかも低送信電力時でも電力効率の高い電力増幅器が得られる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

＜実施形態１＞
以下、本発明の実施形態１について図１、図２、図３を参照しながら説明する。図１に示すように、この実施形態を構成する電力増幅器は、入力信号１１を順次、増幅する第１増幅部１０１と第２増幅部１０２、第２増幅部の出力信号から高調波成分を処理する高調波処理部１０３、高調波処理部１０３の出力端から分岐した出力分岐信号１２から第２増幅部１０２の出力信号電力を検知し、それに応じて第１増幅部１０１の動作角を調整するためにコレクタ電圧Ｖｃとベース電圧Ｖｂを制御する動作角制御信号１３を送信する動作角制御部１０４、検知した電力に応じた情報を動作角制御部１０４に送信するテーブル記憶部１０５により構成されている。

入力信号が第１増幅部１０１及び第２増幅部にて増幅される。第１増幅部１０１はバイアス点を、動作角制御部１０４からの制御信号により制御することによって、出力信号を歪ませ、矩形波に近づける。各増幅部１０１，１０２の出力信号波形は、矩形波に近いので電力効率が高くなる。動作角制御部１０４から出力される制御信号は、増幅部で増幅される信号の特徴に応じて可変であり、無線システムで定められた歪の規定の範囲に入るように、第１増幅部１０１の動作角を調整している。

本発明のこの実施形態では、第１増幅部１０１及び第２増幅部１０２において増幅される信号の特徴から、含まれる歪成分を検知し無線システム全体の歪値を満足する範囲において、第１増幅部１０１の動作角を制御する制御部を有する。

動作角制御部１０４から出力される動作角制御信号１３によって、入力信号１１が第１増幅部１０１で線形増幅可能な最大入力電力を超えるようにバイアス条件を制御する。

入力信号１１は第１増幅部１０１において増幅される。このとき第１増幅部１０１はA級動作で動作させる。図２の左部分のベース電流Ibとコレクタ電流Icの関係図より、バイス条件を決定すると、増幅可能な電流値の上限は決まる。図２の左図より、入力信号１１の電流成分が、ベース電流の最大値Ibmax以上の場合、コレクタ電流IcはImax、ベース電流の最小値Ibmin以下の場合、コレクタ電流Icは0である。したがって、第１増幅部１０１の出力信号の電流成分ic(θ)は、図２の右図に示すように、正弦波の上下がクリップされたような矩形波に近い波形となる。

増幅器はA級動作をしており、このときの負荷線２１を図２の中央図に示す。負荷線が求まると、出力信号の電圧成分vc(θ)は決定できる。vc(θ)は、図２の中央図下のような波形となり、これもまた正弦波の上下がクリップされたような波形となる。ic(θ)の最大電流または最小電流となる横軸θはそれぞれ、αまたはπ−αであり、αは第１増幅部１０１の動作角である。

図２に示されるクリップされた正弦波は、第２増幅部１０２において増幅された後、高調波処理部１０３を通過し高次の高調波成分が取り除かれる。そして、一方が出力信号として出力され、もう一方が出力分岐信号１２として制御部に入力される。

ここで、この実施形態における第１増幅部１０１と第２増幅部１０２のコレクタ効率を求める。クリップされた正弦波ic(θ)は、基本波f₀と基本波の整数倍の周波数である高調波の総和で示され、ic(θ)は図２より次の（１）式で表せる。

i(θ)=I_max (−α<θ<α)
= I_max /2+( I_max /2cosα)cosθ (−π+α<θ<π−α,α<θ<π−α) ・・・(1)
=0 (−π<θ<−π+α,π−α<θ<π)
(1)式をフーリエ変換して、基本波成分i₁と三次の高調波成分i₃ついて求めると、
i₁=(2/π)I_max(sin2α+π−2α)/4cosα ・・・(2)
i₃=-(2/π)I_maxsin³α ・・・(3)
である。コレクタ効率ηは、基本波電力をP₁、直流電力をP_DCとすると、
η=(1/2)( P₁/ P_DC)² (4)
と表せる。

上記（２）式、（３）式において、I_maxを定数とし、横軸をα、縦軸を最大線形出力時のコレクタ効率で規格化すると、図３に示すように表せる。図３において、横軸には動作角αを、縦軸にはコレクタ効率を取っている。

電力増幅器が、A級動作で線形増幅しているときの最大コレクタ電圧は50%である。入力信号が大きく、増幅器の動作角αが90°に近いとき、増幅器がA級動作していると最大コレクタ効率は、約80%となることが計算により求められる。

同様に、第２増幅部１０２をA級動作で動作させ、i_c (θ)を入力信号とすると、第２増幅部１０２の出力波形は、正弦波がクリップされた波形が出力される。第１増幅部１０１および第２増幅部１０２は、矩形波に近い信号を増幅するので、増幅器自身が歪を発生しない場合には、コレクタ効率はともに同振幅の正弦波出力時の約1.6倍となり、全体のコレクタ効率も約1.6倍となる。しかし、無線システムには定められた歪基準値が存在し、実際には動作角αについても制限がある。

そこで動作角制御部１０４は、出力電力値を検知し、その値をテーブル記憶部１０５に出力する。この値に応じてテーブル記憶部１０５は記憶されているテーブル（対応表）を参照し、コレクタバイアス電圧とベースバイアス電圧の設定情報を動作角制御部１０４に送信する。動作角制御部１０４は、その情報を元に動作角制御信号１３を出力し、第１増幅部１０１のコレクタバイアス電圧とベースバイアス電圧を調整、動作角αを決定する。テーブル記憶部１０５に記憶されているテーブルで与えられる出力電力値に対応する情報は、無線システムで定められた歪基準値を満足するように、動作角制御部１０４が第１増幅部１０１の動作角を制御するデータである。

このデータを取得するための構成及び方法を図４を用いて説明する。上述の第１増幅部１０１、第２増幅部１０２、高調波処理部１０３を接続する。次に、入力端子４１に入力電力測定器４０１を接続すると共に、出力端子４２に出力電力及び信号歪測定器４０２を接続する。第１増幅器１０１のバイアス条件を変化させ動作角αを調整すると、αに応じて高調波処理部１０３から出力される信号に含まれる歪が変化するので出力電力及び信号歪測定器４０２によって測定する。

上述の測定を各出力信号レベル毎に行うことにより、出力信号と無線システムで定められた歪基準値内であることを満足するαのデータを求めることができる。この実施形態では、予め図４に示す方法で測定を行い、第１増幅部１０１の動作角αと高調波処理部１０３の出力信号の歪成分の関係より対応関係が求められ、その対応関係がテーブル記憶部１０５にテーブルとして記憶されている。

本実施形態では、第２増幅部１０２が線形動作している低出力時のコレクタ効率の向上に注目する。第２増幅部１０２が線形動作しているので、歪が生じるのはクリップされた正弦波を出力する第１増幅部１０１である。一般に、増幅器の入力電圧をVin、出力電圧をVoutとすると、出力電圧は次に示す（５）式で表せる。

Vout≒k₁AVin+k₂A²Vin²+k₃A³Vin³ (5)
Vin=cosθ₁+cosθ₂に書き直すと、三次の相互変調波の周波数成分は、三次の高調波の周波数成分の三倍であることが理解される。例えば、信号の歪Dを、
D=10log(9×三次の高調波電力/基本波の電力) (6)
で規定すると、第１増幅器の動作角α、歪Dは、図５に示すような関係となる。

図５において、横軸は動作角α、縦軸には信号の歪Ｄをとっている。例えば、歪の基準値がD=−30以下である場合、第１増幅部の動作角αは17°となる。また、このときのコレクタ効率は、第１増幅部１０１では53.5%、第２増幅部１０２では同程度の振幅を持つ正弦波信号入力時より、7%向上した値となる。

以上、述べたように、この実施形態の電力増幅器によれば、特に低出力時における電力効率を向上できる利点がある。

＜実施形態２＞
次に本発明による電力増幅器の実施形態２について説明する。図６にこの実施形態の構成例を示す。この電力増幅器は、入力信号から歪を検出していることと、第１増幅部だけでなく第２増幅部の動作角も調整制御している点で、上述の実施形態１と異なる。

この電力増幅器は、入力信号６１を増幅する第１増幅部６０１と、この第１増幅部６０１の出力信号を増幅する第２増幅部６０２と、第２増幅部６０２の出力信号から高調波成分を処理する高調波処理部６０３と、動作角制御部６０４とから構成される。

動作各制御部６０４は、入力信号６１から分岐した入力分岐信号６２中の歪を検知し、第１増幅部６０１及び第２増幅部６０２に、それらのコレクタ電圧とベース電圧を制御する動作角制御信号６３ａ，６３ｂを、各々送信する。

動作角制御信号６３ａ，６３ｂの決定方法を図４の構成を用いて説明する。この場合、第１増幅部１０１、第２増幅部１０２、高調波処理部１０３の代わりに第１増幅部６０１、第２増幅部６０２、高調波処理部６０３が接続されることになる。

次に、第１増幅器６０１のバイアス条件を変化させ動作角αを調整すると、この動作角αに応じて高調波処理部６０３から出力される信号に含まれる歪が変化するので、入力電力測定器４２から入力電力を、出力電力および信号歪測定器４４によって出力信号歪を測定する。

以上の測定を、各入力信号レベルごとに行えば、入力信号と無線システムで定められた歪基準値内であることを満足するαのデータを求めることができる。この実施形態では、予め図４に示す構成により測定を行っており、第１増幅部６０１の動作角αと、高調波処理部６０３の出力信号の歪成分の関係よりデータを取得済みである。この対応関係のデータは、動作角制御部６０４に記憶されている。

動作角制御部６０４は、予め前記データから回路的にコレクタバイアス電圧およびベースバイアス電圧を出力する機能を有しており、無線システムの歪基準値を満足する範囲内で第１増幅部６０１の動作角を制御する動作角制御信号６３ａを、第１増幅部６０１に送信する。また動作角制御部６０４出力の動作角制御信号６３ｂは、高調波処理部６０３の出力信号の波形の大きさに応じて、第２増幅部６０２のコレクタバイアス電圧とベースバイアス電圧を調整する。

以上の構成以外では、上述の実施形態１と同様な構成となっているので、詳細な説明を省く。例えば、歪の基準値がD=−30以下である場合、第１増幅部６０１の動作角αは17°となる。またこのときのコレクタ効率は、第１増幅部６０１は53.5%、第２増幅部６０２は同程度の振幅を持つ正弦波信号入力時より7%向上した値となる。動作角制御信号６３ｂを用いることにより、第２増幅部６０２のコレクタ効率はこのとき53.5％であり、電力増幅器全体のコレクタ効率は53.5%となる。

本発明のこの実施形態によれば、更に効率のよい、電力増幅器を得られる利点がある。

本発明一実施形態の構成例を示す図。本発明一実施形態における動作などを説明するための図。本発明一実施形態などにおける、動作角αとコレクタ効率の関係を示す図。本発明一実施形態などにおいて、動作角と歪成分の関係を測定する方法を説明するための図。本発明の一実施形態などにおける、動作角αと信号の歪の関係を示す図。本発明の他の実施形態の構成例を示す図。従来の電力増幅器の構成例を示す図。

符号の説明

１１，６１・・・入力信号、
１２・・・出力分岐信号、
１３，６３ａ，６３ｂ・・・動作角制御信号、
４１・・・入力端子、
４２・・・出力端子、
６２・・・入力分岐信号、
１０１，６０１・・・第１増幅部、
１０２，６０２・・・第２増幅部、
１０３，６０３・・・高調波処理部、
１０４，６０４・・・動作角制御部、
１０５・・・テーブル記憶部、
４０１・・・入力電力測定器、
４０２・・・出力電力及び信号歪測定器。

Claims

動作角を制御することが可能であり、入力信号の高調波成分を含む擬似矩形波信号を出力する第１増幅部と、
この第１増幅部の出力信号を入力とし増幅信号を出力する第２増幅部と、
この第２増幅部から出力された擬似矩形波信号を入力とし、その基本波を出力信号とする高調波処理部と、
この高調波処理部の出力信号又は前記入力信号に含まれる歪成分を検知する歪検知手段と、
この歪検知手段により検知された歪成分が所定の基準値以下になるように、前記第１増幅部の動作角を制御する動作角制御部と、
を有して成ることを特徴とする電力増幅器。
動作角を制御することが可能であり、入力信号の高調波成分を含む擬似矩形波信号を出力する第１増幅部と、
この第１増幅部の出力信号を入力とし増幅信号を出力する第２増幅部と、
この第２増幅部から出力された擬似矩形波信号を入力とし、その基本波を出力信号とする高調波処理部と、
この高調波処理部の出力信号に含まれる歪成分と前記第１増幅部の動作角の関係をテーブルとして予め記憶したテーブル記憶部と、
このテーブル記憶部に記憶されているテーブルを参照し、前記高調波処理部の出力信号に含まれる歪成分を検知して、この歪成分が所定の基準値以下になるように、前記第１増幅部の動作角を制御する動作角制御部と、
を有して成ることを特徴とする電力増幅器。
動作角を制御することが可能であり、入力信号の高調波成分を含む擬似矩形波信号を出力する第１増幅部と、
動作角を制御することが可能であり、前記第１増幅部の出力信号を入力としその高調波成分を含む擬似矩形波信号を出力する第２増幅部と、
この第２増幅部から出力された擬似矩形波信号を入力とし、その基本波を出力信号とする高調波処理部と、
前記入力信号の歪成分と前記第１増幅部及び第２増幅部の動作角の関係を予め記憶しており、前記入力信号に含まれる歪成分を検知して、この歪成分が所定の基準値以下になるように、前記第１増幅部及び前記第２増幅部の動作角を制御する動作角制御部と、
を有して成ることを特徴とする電力増幅器。