JP2007134994A - 電力増幅器および増幅方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 回路構成が簡単な高周波用の高効率な電力増幅器を提供する。
【解決手段】 入力端子Ｉから入力されハイブリッド３ａで２分された各入力信号は、レベル検波器１が検波した入力信号レベルによって逆極性の位相変化を与える制御器２からの位相制御信号が加えられる各可変位相器４ａ、４ｂに入力される。そして可変位相器４ａ、４ｂからの出力信号はアンプ６ａ、６ｂで増幅され、その各アンプの出力は、反射終端Ｒを有するハイブリッド３ｂに入力され、アンプ６ａ、６ｂは、反射終端Ｒからの反射信号により出力電圧が飽和電圧を保つように動作することにより高効率を保つ動作を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波の高効率な電力増幅器に関する。

近年、ギガヘルツオーダーの高周波でＣＤＭＡ、ＯＦＤＭ等の変調を行った広帯域（高速）通信が行われるようになった。これらの無線通信では出力段の電力増幅器は平均電力に対するピーク電力が高い信号を増幅しなければならないので電力増幅器の飽和レベルを高くする（バックオフをとる）必要が有る。しかし、増幅器の効率は飽和レベルからバックオフをとって使用すると効率が低下する。

この効率改善を図る手段の１つとして負荷変調（ＬＯＡＤ ＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）という方法がある。負荷変調は、出力レベルが低下した時に、電力増幅器の見かけ上の負荷を高くし、電圧は飽和電圧レベルを保つことにより高い効率を保つ方法である。その代表例としてドハティアンプがあるが（例えば、特許文献１。）、ドハティアンプは回路設計パラメータの最適化が難しいという問題があり、また、回路全体が複雑になる問題があった。
特開２００４−２８９５０４号公報 （第７頁、第１図）

バックオフをとった高周波増幅器は、低出力時に効率が低下する問題があり、効率改善のための回路パラメータの最適化が難しく、その回路が複雑になる問題があった。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、回路構成が簡単な高周波用の高効率な電力増幅器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力増幅器は、高周波の電力増幅器であって、入力信号を２分割した系統にして出力する第１のハイブリッドと、前記各系統の信号が入力される２つの入力端子と、前記各系統の信号が同じ位相方向に加算されて出力される第１の出力端子と、反射端子が接続され、且つ前記各系統の信号が逆の位相方向に加算されて出力される第２の出力端子とを備える第２のハイブリッドと、前記第１のハイブリッドの一方の出力端子と前記第２のハイブリッドの一方の入力端子との間に挿入して接続される第１のアンプと、前記第１のハイブリッドの他方の出力端子と前記第２のハイブリッドの他方の入力端子との間に挿入して接続される第２のアンプと、各々が制御入力端子を備え、前記第１のアンプの入力又は、出力に接続される第１の可変位相器、および前記第２のアンプの入力又は、出力に接続される第２の可変位相器と、前記入力信号のレベルを観測し、前記レベルに対応し入力レベルが低い程大きな位相変化を与える位相制御信号を各前記可変位相器の制御入力端子に逆極性で出力する制御手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の電力増幅器の増幅方法は、高周波の電力増幅器の増幅方法であって、前記電力増幅器は、第１および第２のハイブリッドと、第１および第２のアンプと、第１および第２の可変位相器と、制御手段とを備え、前記第１のハイブリッドは、入力信号を２分割した系統にして出力し、一方の系統の信号は、前記第１の可変位相器と前記第１のアンプとを介して前記第２のハイブリッドの一方の入力端子へ入力され、他方の系統の信号は、前記第２の可変位相器と前記第２のアンプとを介して前記第２のハイブリッドの他方の入力端子へ入力され、前記第２のハイブリッドは、前記入力される各系統の信号を同じ位相方向に加算して出力し、第２の出力端子は、反射端子が接続され、且つ前記各系統の信号を逆の位相方向に加算して出力し、前記制御手段は、前記第１のハイブリッドの前記入力信号のレベルを観測し、そのレベルが低い程大きな位相変化を与える位相制御信号を各前記可変位相器の制御入力端子に逆極性で出力することを特徴とする。

本発明によれば、回路構成が簡単で高周波用の高効率な電力増幅器を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例に係る高効率な電力増幅器（以下、高効率増幅器と称する。）の機能構成を示すブロック図である。
図１において、高効率増幅器は、高周波信号の入力端子Ｉ、出力端子Ｏ、レベル検波器１、制御器２、９０°型のハイブリッド３ａ、可変位相器４ａ、４ｂ、９０°の位相器５ａ、５ｂ、アンプ６ａ、６ｂ、および反射終端Ｒが接続された９０°型のハイブリッド３ｂとを備えている。

以下、図１により、高効率増幅器の各構成の機能と動作を説明する。

入力端子Ｉへ入力された信号は、ハイブリッド３ａの一方の入力端子へ導かれる。ハイブリッド３ａでは、入力された信号は、一方の出力端子から可変位相器４ａへ入力され、他方の出力端子からは９０°の位相器５ａを経由してもう一つの可変位相器４ｂへ入力される。また、ハイブリッド３ａの他方の入力端子は、抵抗等により入力終端されている。

また、ハイブリッド３ａに入力された信号は、レベル検波器で信号レベルが測定され、その測定結果は制御器２へ出力される。制御器２は、入力された信号レベルのデータから予め設定された位相変化を与える制御信号を生成して可変位相器４ａ、４ｂに出力する。

この制御信号は逆極性であり、可変位相器４ａ、４ｂで逆方向の位相変化（＋φ、−φ）を生じさせる。この位相変化量は、入力レベルが低いほど大きくなる値であり、高効率増幅器の最大出力時には最小、もしくは、０となる。

さて、可変位相器４ａ、４ｂの出力はさらにそれぞれアンプ６ａ、６ｂへ出力される。そして、一方のアンプ６ａの出力は９０°の位相器５ｂを介してハイブリッド３ｂの一方の入力端子へ入力される。また、他方のアンプ６ｂの出力は、ハイブリッド３ｂの他方の入力端子へ入力される。

その結果、ハイブリッド３ａに入力された信号は、２つに分割後アンプ６ａ、６ｂを経由してハイブリッド３ｂの出力の一方から同相で出力端子Ｏへ出力される。また、ハイブリッド３ｂの他方の出力から反射終端Ｒへは逆相の出力が出力される。

図２は、ハイブリッド３ｂから反射終端Ｒへ出力される信号の波形図である。
今、可変位相器４ａ、４ｂでの位相変化が無いとすれば、図２（ａ）の様に反射終端Ｒへは何も出力されない。一方、位相変化があれば、図２（ｂ）の様に反射終端Ｒへは逆相分で打ち消されなかった信号成分が出力され、アンプ６ａ、６ｂへは反射信号が戻る。

反射信号があり、その位相を適切に調節すれば、アンプ６ａ、６ｂから見た負荷は高負荷が接続された場合と見かけ上同じになり、電力効率が高くなった様に振舞うことになる。

従って、制御器２は、入力レベルが少ないとき位相変化を大きく、入力レベルが大きい場合には位相変化を少なくするように位相制御信号を可変位相器４ａ、４ｂへ出力すれば、高効率増幅器を構築することができる。

定格の最大出力になる入力時、制御器２は、可変位相器４ａ、４ｂには位相変化が無い様に制御信号を出力する。一方、入力がＡｄｂ低下した時に、可変位相器４ａ、４ｂに位相変化（φ＝±β°）ずつを与える制御信号を出力する。そして、ハイブリッド３ｂの反射終端Ｒでの位相差は２×β°の差が生じる様にすれば逆相で打消されない成分の反射信号が発生する。

その結果、出力低下時には、発生した反射信号により見かけ上の負荷が高くなり出力電圧が飽和電圧を保つ様にアンプ６ａ、６ｂが動作する。その結果、定格に比べて出力が低下する場合にも反射信号が無い場合に比べて効率が悪くなることを防ぐことができる。

アンプ６ａ、６ｂの出力の低下と効率の低下との関係は、直線的でなく入力レベルと効率は指数関数的変化を示すことが多い。これを補正するために制御器２は、ダイオードの印加電圧と出力電圧間の非直線性を元に基準としてレベル検波器１からのレベル信号から制御信号を生成して出力すれば良い。

また、入力レベルと位相補正量の関係を予めテーブル化して制御器２の内部の図示されないメモリで記憶し、同じく図示されないＣＰＵがこのメモリの内容とレベル検波器１からの入力を比較して位相補正の制御電圧を出力するようにするようにしても良い。

図３は本発明の実施例に係る高効率増幅器の他の機能構成の例を示すブロック図である。
図３においては、ハイブリッド３ｃ、３ｄに１８０°型のものを用いて、図１における位相器５ａ、５ｂの９０°型の位相器を省略する方法である。この方法でも図１の場合と同様に、出力側のハイブリッド３ｄに接続された反射終端Ｒには逆相の信号が出力される。入力信号（出力信号）のレベルに対する位相変化を制御する制御部２の動作は、図１における場合と同様なので詳細説明を省略する。

図４は、振幅と位相歪補償を合わせ持つ高効率増幅器の構成を示す機能ブロック図である。
図４において、図１における制御器２は、位相歪補償信号と振幅歪補償信号を更に出力する制御器２ａに代わり、入力信号は、ＡＴＴ（可変減衰器）２ｃを介してハイブリッド３ａに入力する。

高効率の増幅器は、効率が良いが故に逆に振幅や位相歪を伴う場合が生じ、折角バックオフを取ったにもかかわらず、効率化が十分生かせない場合も生じる。従来のフィードバックアンプによる歪改善は効率化とは相容れず無い問題がある。

そこで、本発明の実施例においては、高効率増幅器の入力信号レベルに対する非直線性の補償は、制御器２ａがレベル検波器１から入力される信号を予め定めた振幅歪補償信号をＡＴＴ２ｃへ出力して行われる。また、入力信号位相に対する非直線性をあわせて補正する位相歪補償信号は、同一極性のバイアスで位相変化値（ψ）として可変位相器４ａ、４ｂへ入力される。

図４における高効率増幅器は、効率改善と歪補償のためのプリディストーション回路を上記の２系統の増幅回路の系統と一体化して、小型かつ容易な回路構成とする効果を有している。なお、これらの振幅歪と位相歪を補償するプレディストーションは、両方を兼ねしなえなくても、振幅歪、または移相歪のいずれか一つだけを補正するものであっても良い。

言い換えれば、入力レベルに対応してＡＴＴｃが省略され振幅歪補償を行わない場合、又は、同一極性のバイアスで移相歪補償を行う制御信号が制御部２から出力されないものであっても良い。

なお、図１、図３、図４における可変位相器４ａ、４ｂは、アンプ６ａ、６ｂの入力側に位置する独立した存在で無くても良く、出力側に位置するものであっても良い。また、上記のアンプ６ａ、６ｂが位相調整手段を備えるものであれば、その位相調整手段に制御部２が位相制御信号を供給するものであっても良い。更に、図１、図３においては可変位相器を２つ備えることなく、可変位相器４ａまたは、可変位相器４ｂのいずれか一方のみであっても良い。

また、図１、図４における９０°位相器５ａ、５ｂの位置もアンプ６ａ、６ｂの前後いずれに位置するものであっても良い。

以上説明した如く、本発明による高効率増幅器は、回路構成が簡単で高効率な高周波増幅器を提供することができる。

本発明の実施例に係わる高効率増幅器の機能構成を示すブロック図。 ハイブリッドから反射終端へ出力される信号波形の図。 本発明の実施例に係わる高効率増幅器の他の機能構成を示すブロック図。 本発明の実施例に係わる振幅と位相歪補償を合わせ持つ高効率増幅器の構成を示す機能ブロック図。

符号の説明

１ レベル検波器
２ 制御器
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ ハイブリッド
４ａ、４ｂ 可変位相器
５ａ、５ｂ 位相器（９０°）
６ａ、６ｂ アンプ
Ｉ 入力端子
Ｏ 出力端子
Ｒ 反射終端

Claims (12)

1. 高周波の電力増幅器であって、
   入力信号を２分割した系統にして出力する第１のハイブリッドと、
   前記各系統の信号が入力される２つの入力端子と、前記各系統の信号が同じ位相方向に加算されて出力される第１の出力端子と、反射端子が接続され、且つ前記各系統の信号が逆の位相方向に加算されて出力される第２の出力端子とを備える第２のハイブリッドと、
   前記第１のハイブリッドの一方の出力端子と前記第２のハイブリッドの一方の入力端子との間に挿入して接続される第１のアンプと、
   前記第１のハイブリッドの他方の出力端子と前記第２のハイブリッドの他方の入力端子との間に挿入して接続される第２のアンプと、
   制御入力端子を備え、前記第１のアンプの入力又は、出力に接続される第１の可変位相器と、
   制御入力端子を備え、前記第２のアンプの入力又は、出力に接続される第２の可変位相器と、
   前記入力信号のレベルを観測し、前記レベルに対応し入力レベルが低い程大きな位相変化を与える位相制御信号を各前記可変位相器の制御入力端子に逆極性で出力する制御手段とを
   備えることを特徴とする電力増幅器。
2. 高周波の電力増幅器であって、
   入力信号を２分割して出力する１８０°型の第１のハイブリッドと、
   前記各系統の信号が入力される２つの入力端子と、前記各系統の信号が同じ位相方向に加算されて出力される第１の出力端子と、反射端子が接続され、且つ前記各系統の信号が逆の位相方向に加算されて出力される第２の出力端子とを備える１８０°型の第２のハイブリッドと、
   前記第１のハイブリッドの一方の出力端子と前記第２のハイブリッドの一方の入力端子との間に挿入して接続される第１のアンプと、
   前記第１のハイブリッドの他方の出力端子と前記第２のハイブリッドの他方の入力端子との間に挿入して接続される第２のアンプと、
   制御入力端子を備え、前記第１のアンプの入力又は、出力に接続される第１の可変位相器と、
   制御入力端子を備え、前記第２のアンプの入力又は、出力に接続される第２の可変位相器と、
   前記入力信号のレベルを観測し、前記レベルに対応し入力レベルが低い程大きな位相変化を与える位相制御信号を各前記可変位相器の制御入力端子に逆極性で出力する制御手段とを備えることを特徴とする電力増幅器。
3. 高周波の電力増幅器であって、
   入力信号を２分割して出力する９０°型の第１のハイブリッドと、
   前記各系統の信号が入力される２つの入力端子と、前記各系統の信号が同じ位相方向に加算されて出力される第１の出力端子と、反射端子が接続され、且つ前記各系統の信号が逆の位相方向に加算されて出力される第２の出力端子とを備える９０°型の第２のハイブリッドと、
   前記第１のハイブリッドの一方の出力端子と前記第２のハイブリッドの一方の入力端子との間に挿入して接続される第１の９０°型ハイブリッドおよび第１のアンプと、
   前記第１のハイブリッドの他方の出力端子と前記第２のハイブリッドの他方の入力端子との間に挿入して接続される第２の９０°型ハイブリッドおよび第２のアンプと、
   各々が制御入力端子を備え、前記第１のアンプの入力又は、出力に接続される第１の可変位相器と、
   制御入力端子を備え、前記第２のアンプの入力又は、出力に接続される第２の可変位相器と、
   前記入力信号のレベルを観測し、前記レベルに対応し入力レベルが低い程大きな位相変化を与える位相制御信号を各前記可変位相器の制御入力端子に逆極性で出力する制御手段とを備えることを特徴とする電力増幅器。
4. 前記第１又は、第２の可変位相器が省略されていることを特徴とする請求項１、２又は３いずれか１項記載の電力増幅器。
5. 前記制御手段は、
   前記第１、第２の可変移相器へ前記送信される位相制御信号に加え、更に同一極性の位相バイアスを与える第２の位相制御信号を前記第１、第２の可変移相器へ出力することを特徴とする請求項１、２又は３いずれか１項記載の電力増幅器。
6. 前記第１のハイブリッドの前記入力端子は、更に可変減衰器を介して前記入力信号が入力され、
   前記制御手段は、前記入力信号のレベルを観測しそのレベルに応じて前記可変減衰器の制御端子へ、前記可変減衰器の減衰量を調節する制御信号を出力することを特徴とする請求項１、２又は３いずれか１項記載の電力増幅器。
7. 高周波の電力増幅器の増幅方法であって、
   前記電力増幅器は、
   第１および第２のハイブリッドと、第１および第２のアンプと、第１および第２の可変位相器と、制御手段とを備え、
   前記第１のハイブリッドは、
   入力信号を２分割した系統にして出力し、一方の系統の信号は、前記第１の可変位相器と前記第１のアンプとを介して前記第２のハイブリッドの一方の入力端子へ入力され、他方の系統の信号は、前記第２の可変位相器と前記第２のアンプとを介して前記第２のハイブリッドの他方の入力端子へ入力され、
   前記第２のハイブリッドは、
   前記入力される各系統の信号を同じ位相方向に加算して出力し、第２の出力端子は、反射端子が接続され、且つ前記各系統の信号を逆の位相方向に加算して出力し、
   前記制御手段は、
   前記第１のハイブリッドの前記入力信号のレベルを観測し、そのレベルが低い程大きな位相変化を与える位相制御信号を各前記可変位相器の制御入力端子に逆極性で出力する
   ことを特徴とする電力増幅器の増幅方法。
8. 高周波の電力増幅器の増幅方法であって、
   前記電力増幅器は、
   各１８０°型の第１および第２のハイブリッドと、第１および第２のアンプと、第１および第２の可変位相器と、制御手段とを備え、
   前記第１のハイブリッドは、
   入力信号を２分割した系統にして出力し、一方の系統の信号は、前記第１の可変位相器と前記第１のアンプとを介して前記第２のハイブリッドの一方の入力端子へ入力され、他方の系統の信号は、前記第２の可変位相器と前記第２のアンプとを介して前記第２のハイブリッドの他方の入力端子へ入力され、
   前記第２のハイブリッドは、
   前記入力される各系統の信号を同じ位相方向に加算して出力し、第２の出力端子は、反射端子が接続され、且つ前記各系統の信号を逆の位相方向に加算して出力し、
   前記制御手段は、
   前記第１のハイブリッドの前記入力信号のレベルを観測し、そのレベルが低い程大きな位相変化を与える位相制御信号を各前記可変位相器の制御入力端子に逆極性で出力する
   ことを特徴とする電力増幅器の増幅方法。
9. 高周波の電力増幅器の増幅方法であって、
   前記電力増幅器は、
   各９０°型の第１および第２のハイブリッドと、第１および第２のアンプと、第１および第２の可変位相器と、第１および第２の９０°型の位相器と、制御手段とを備え、
   前記第１のハイブリッドは、
   入力信号を２分割した系統にして出力し、一方の系統の信号は、前記第１の可変位相器と前記第１の９０°型の位相器と前記第１のアンプとを介して前記第２のハイブリッドの一方の入力端子へ入力され、他方の系統の信号は、前記第２の可変位相器と前記第２の９０°型の位相器と、前記第２のアンプとを介して前記第２のハイブリッドの他方の入力端子へ入力され、
   前記第２のハイブリッドは、
   前記入力される各系統の信号を同じ位相方向に加算して出力し、第２の出力端子は、反射端子が接続され、且つ前記各系統の信号を逆の位相方向に加算して出力し、
   前記制御手段は、
   前記第１のハイブリッドの前記入力信号のレベルを観測し、そのレベルが低い程大きな位相変化を与える位相制御信号を各前記可変位相器の制御入力端子に逆極性で出力する
   ことを特徴とする電力増幅器の増幅方法。
10. 前記第１又は、第２の可変位相器が省略されていることを特徴とする請求項７、８又は９いずれか１項記載の電力増幅器の増幅方法。
11. 前記制御手段は、
    前記第１、第２の可変移相器へ前記送信される位相制御信号に加え、更に同一極性の位相バイアスを与える第２の位相制御信号を前記第１、第２の可変移相器へ出力することを特徴とする請求項７、８又は９いずれか１項記載の電力増幅器の増幅方法。
12. 前記第１のハイブリッドの前記入力端子は、更に可変減衰器を介して前記入力信号が入力され、
    前記制御手段は、前記入力信号のレベルを観測しそのレベルに応じて前記可変減衰器の制御端子へ、前記可変減衰器の減衰量を調節する制御信号を出力することを特徴とする請求項７、８又は９いずれか１項記載の電力増幅器の増幅方法。

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