JP2007221418A - Ｅｅｒシステムを用いた電力増幅装置および電力増幅方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力レベルを広いダイナミックレンジで制御可能で、かつ全域にわたって電力の高効率化かつ低歪み化可能なＥＥＲシステムを用いた電力増幅装置および電力増幅方法を提供する。
【解決手段】ＥＥＲシステムにおいて、高周波変調信号とその包絡線成分とを出力する信号生成部と、包絡線成分を増幅する包絡線増幅器と、高周波変調信号を増幅するドライバアンプと、包絡線増幅器の出力電圧を電源電圧とする終段アンプと、入力される高周波変調信号と終段アンプの高周波出力信号との差分を検出する歪み検出ループと、検出した終段アンプの歪み成分を位相反転して増幅した後に終段アンプの出力信号へ結合させる歪み除去ループより構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力増幅装置、特に高周波増幅器の分野におけるフィードフォワード型の歪み補償回路を備えたＥＥＲ(Envelope Elimination and Restoration )システムに関するものである。

従来から高周波電力増幅器に通常用いられるＡ級増幅器やＡＢ級増幅器は、低出力時には線形動作するため低歪みであるが電力効率が低く、高出力時には飽和動作するために高い電力効率が得られるが、歪み特性が劣化する。そのため、高い線形性と電力効率の両立が困難であった。この解決策の一つとして、高周波増幅器を効率の良い飽和動作で使うことのできるＥＥＲシステムが提案されている。ＥＥＲシステムは、当業界では公知の技法である。図４に、ＥＥＲシステムの回路構成を示している。カプラ7と、リミッタ回路８と、高周波増幅器９と、検波回路１１と、包絡線増幅器１２で構成されている。以下その動作について説明する。

ＥＥＲシステムでは、入力された高周波変調信号は、カプラ７で分岐され、一方は検波回路１１によって振幅信号成分が取り出され、包絡線増幅器１２で増幅されて高周波増幅器９の出力と再結合される。また、一方はリミッタ回路８によって位相信号成分のみの高周波信号となるため、電力増幅する高周波増幅器９には振幅の線形増幅が不要となる。従って、高周波増幅器９には、効率の優れたＢ級増幅器やＣ級増幅器といった飽和増幅器を用いることが可能となる。

しかし、この古典的ＥＥＲシステムは高周波増幅器９を常に飽和動作させることが特徴であり、その動作原理からＥＥＲシステムの高周波出力信号のレベルは、高周波増幅器９の最大電源電圧に対する最大出力レベルから変調信号のＰＡＰＲ（Ｐｅａｋ Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）を引いたレベルに一義的に決定される。

図５を用いて、具体的に説明する。古典的ＥＥＲシステムでは、高周波増幅器が飽和動作をする入力レベルを加え続けた状態で、高周波増幅器の電源電圧をVminからVmaxの範囲で変動させることで、変調信号の振幅成分が表現される。
例えば、高周波増幅器が飽和動作するために入力レベルが４０ｄBm必要とし、その入力レベルにおいて、高周波増幅器の電源電圧がVmaxでの出力レベルを５０ｄBm、Vminでの出力レベルを３０ｄBmとする。また、変調信号のＰＡＰＲを８ｄＢとするとき、平均電圧VaveはVmaxから８ｄB低い値、すなわちVmaxの約４０％となる。そのVaveを加えたときに終段アンプが出力する電力がＥＥＲシステムの出力レベルと一義的に決定される。この場合は、４２ｄＢｍに相当する。
つまり、出力レベルをPoutとすると、Poutは式１および式２で求まる。

Pout＝P（Vave） ・・・・・・・・（式１）
＝P（Vmax）−PAPR ＝一定 ・・・・・・・・（式２）
P(Vave)は、電源電圧にVaveを印加したときの終段アンプの出力レベル、P（Vmax）は、Vmaxを印加したときの終段アンプの出力レベルであり、VmaxとPAPRは定数であるため、Poutは一義的に決定される。
このように、古典的なＥＥＲシステムでは、高周波増幅器が飽和動作をする入力レベルで出力レベルのPoutが一義的に決定される。従って、通常の高周波増幅器とは異なり、入力レベルを変えることで出力レベルを自在に制御する動作ができないという欠点がある。

この解決には、例えば、（特許文献１）に出力レベルのダイナミックレンジが広く、かつ小電力時における信号純度の劣化を防止することができる包絡線再生型の電力増幅器が提案されている。

この技術では、図６に示すように、飽和型の第一の電力増幅経路２９と線形型の第二の電力増幅経路２８から構成され、大信号入力時と小信号入力時で増幅経路を切り替える事ができるため、出力レベルのダイナミックレンジを広くすることが可能となる。
また、小電力出力時の増幅経路はＡ級増幅器とするので低歪み化に効果がある。
特開２００５−２３６５１２号公報

しかしながら、特開２００５−２３６５１２号公報に開示された公知技術によれば、大電力出力となるＥＥＲ動作時には、Ｂ級やＣ級といった飽和増幅器を用いるために高効率化には効果があるが、低歪み化を実現する手段は無い。更に、電力増幅部を二経路切り替える方式のために、切り替え動作の不連続性により歪が生じるといった課題がある。
ところで、従来より、古典的ＥＥＲシステムは歪みレベルが高く、その原因として包絡線増幅器の周波数特性、入出力電圧の直線性、高周波増幅器の線形性等が存在する。

また、振幅成分を抽出する手段として検波器を用いるために、動作する周波数帯域が検波器のデバイス特性で制限されるといった課題がある。
本発明は上記従来の課題を解決するもので、入力レベルに応じて広いダイナミックレンジで連続動作が可能で、かつ全動作領域で低歪み化を実現できるＥＥＲシステムを用いた電力増幅器および電力増幅方法を提供することを目的とする。

本発明は、高周波変調信号と高周波変調信号の包絡線成分とを出力する信号生成部と、包絡線成分を増幅する包絡線増幅器と、高周波変調信号を増幅するドライバアンプと、包絡線増幅器の出力電圧を電源電圧とし、ドライバアンプの出力に接続される終段アンプと、入力される高周波変調信号と終段アンプの高周波出力信号との差分を検出する歪み検出ループと、検出した差分成分を位相反転して増幅した後に終段アンプの出力信号へ結合させる歪み除去ループとから構成されることを特徴とする。
本構成により、大電力領域では高効率なＥＥＲシステムとして動作し、その出力歪みをフィードフォワード型歪み補償で行うため、出力信号の歪みを十分に低減することが可能である。更に、入力レベルが低下した小電力領域では、Ａ級やＡＢ級といった線形動作に連続して移行し、その動作状態でもフィードフォワード型歪み補償の構成は維持されるため、同様の歪み補償効果が得られる。小電力領域から大電力領域への移行時も同様である。
また、本発明は、高周波変調信号のレベルに応じて適応的にドライバアンプと終段アンプのバイアスレベルを制御するバイアス制御部を具備する事を特徴とする。
本構成により、大電力出力時の電力効率を向上させることが可能で、かつ広いダイナミックレンジにおいて歪みを低減できる。

本発明によれば、入力レベルに応じて小電力領域から大電力領域まで広いダイナミックレンジで連続動作が可能であり、かつフィードフォワード型歪み補償動作により全動作領域で低歪み化を実現できるＥＥＲシステムの電力増幅器が実現できる。特に大電力領域で高い電力効率を実現できる。

ＥＥＲシステムにおける低歪み化、高電力効率化、および小電力領域から大電力領域までの動作の広ダイナミックレンジ化という目的を、最小の部品点数で実現した。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＥＥＲシステムを用いた電力増幅器を示す図である。包絡線信号と変調信号を生成する信号生成部１と、変調信号を増幅するドライバアンプ２と、包絡線信号を増幅する包絡線増幅器３と、ドライブアンプ２の出力信号を所望の出力レベルまで増幅する終段アンプ４と、変調信号をドライバアンプ２と歪み検出ループ５に分配する第一の方向性結合器１９と、歪み検出ループ５のベクトル調整を行うための第一のベクトル調整器２０と、歪み検出ループ５の第一の遅延調整器２３と、終段アンプ４の出力信号と第一の方向性結合器１９で分配された変調信号との差分である歪み信号を抽出する第二の方向性結合器２１と、歪み除去ループ６の第二のベクトル調整器２４と、方向性結合器２１で抽出された歪み信号を反転増幅する補助アンプ２５と、歪み除去ループ６の第二の遅延調整器２６と、終段アンプ４の出力信号と補助アンプ２５の出力を合成して歪み信号を除去するための第三の方向性結合器２２より構成されている。なお、ベクトル調整器２０および２４は、例えば３ｄBカプラとバリキャップ等の高周波回路で構成される。実際の電力増幅部は終段アンプ４、ドライバアンプ２、および包絡線増幅器３で構成されている。
また、信号生成部１は、例えば図７に示すようなデジタル信号から包絡線信号を生成する演算処理部３３と、デジタル信号をアナログ信号に変換する３つのD/A部３４、３５、３６と、アナログ信号に変換された包絡線信号を増幅する利得調整可能なアナログアンプ部３７と、ベースバンド信号を高周波信号に変換する変調部３８と、高周波信号を発生する高周波信号発生器３９の構成で実現する。なお、本例はその一例であり、同様の機能を有する他の構成としても良い事は言うまでも無い。
また、歪み検出ループ５は第一の方向性結合器１９と、第一のベクトル調整器２０と、ドライバアンプ２と、終段アンプ４と、第二の方向性結合器２１より構成され、電力増幅部の歪み信号を抽出する。歪み除去ループ６は第二のベクトル調整器２４と、補助アンプ２５と、第二の遅延調整器２６と、第三の方向性結合器２２より構成され、歪み信号を除去する。

なお、歪み検出ループと歪み除去ループより構成する歪み補償方式はフィードフォワード型歪み補償と呼ばれ、当業界では公知の技術である。図３は、フィードフォワード型歪み補償回路を示す図である。入力信号３２は主増幅器１４で増幅され、その出力信号の歪みは、歪み検出ループ１６によりその入力信号との差分として検出される。検出された歪みは補助増幅器１５で位相を反転して増幅され、歪み除去ループ１７により主増幅器１４の出力信号と合成される。そのため、主増幅器１４の出力信号に含まれる歪み成分は除去されるので出力端子１８には歪みの無い信号が出力される。

以上の様に構成されたＥＥＲシステムを用いた電力増幅器において、図１を用いてその動作について説明する。本実施の形態では、ドライバアンプ２と終段アンプ４に対し、予め小信号の電力レベルにおいて線形性の良いＡ級、あるいはＡＢ級といった直流バイアスを調整して印加する。一般に高周波増幅器は、直流バイアスで決定される動作負荷線の範囲内の振幅入力であれば線形動作をするが、動作負荷線の範囲を超えた入力信号すなわち変調信号の振幅レベルでは、出力振幅は飽和して非線形動作に移る。更に直流バイアスが無視できるほど大きな入力信号の振幅を加えると、デバイスの動作効率に優れるＢ級やＣ級の動作をしていると見なすことが出来る。
よって、小信号の電力レベルでＡ級やＡＢ級のバイアス設定としても、入力信号の振幅レベルが増えると、バイアス設定の条件とは無関係にＢ級やＣ級動作といった飽和動作に徐々に近づき、増幅器の動作効率が向上する。そのため、本実施の構成においては、小信号電力の領域であるＡ級やＡＢ級動作にバイアスを固定して設定しているが、入力レベルを上がると、ドライバアンプ２と終段アンプ４が飽和動作に近づき、最終的には完全に飽和して効率が最大となる。また、包絡線信号は予め信号生成部１で生成されるため、図２の従来構成の検波回路１１といった素子による帯域制限を受けることなく出力される。そして、終段アンプ４は信号生成部１から出力されるこの広帯域の包絡線信号に応じた振幅変調を受けるため、広い変調帯域で入力変調信号を高精度に増幅可能なＥＥＲシステムとして動作する。

更に、入力される変調信号を基準信号として、歪み検出ループ５と歪み除去ループ６によってフィードフォワード型歪み補償回路を構成している。従って、終段アンプ４の出力信号の歪み成分は除去される。

また、信号生成部１から出力される変調信号のレベルを下げていくと、ドライバアンプ２と終段アンプ４は、共に飽和動作から初期に設定したＡＢ級、若しくはＡ級の線形動作に移る。
同時に、所望のＲＦ出力レベルに対応させて、信号生成部１におけるアナログアンプ３７の利得を制御することで、信号生成部１から出力される包絡線信号の振幅を変化させる。ＲＦ出力レベルが大きいときには、図５における包絡線信号の最大振幅Vmaxを直流電源の電圧値まで大きくして完全なＥＥＲとして動作させる。そしてＲＦ出力レベルが下がるに従って包絡線信号の最大振幅Vmaxを小さくすることでVaveが低下するので、ＲＦ出力レベルPoutを下げることができる。更にＲＦ出力レベルを下げたいときには、包絡線信号の出力電圧を固定としてドライバアンプ２と終段アンプ４を共に古典的なＡ級やＡＢ級といった線形高周波増幅器の動作に移す。周知のように、Ａ級やＡＢ級動作では、入力レベルを調整することで出力レベルを自在に変化させることが可能なので、本発明の構成で出力レベルを任意のレベルに制御する事が可能となる。
また、このときにもフィードフォワード歪み補償ループが継続して構成されて動作を続けるので、ＲＦ出力端子でモニタされる信号は歪が十分に除去される。

よって、大電力および小電力領域いずれにおいてもＥＥＲの出力歪みをフィードフォワード型歪み補償で行うため、出力される信号は十分に低歪み化される。

以上の様に、本実施の形態によれば、入力レベルに応じた出力レベルの調整とフィードフォワード歪み補償技術により、ＥＥＲシステムにおける低歪み化、高効率化、および小電力領域から大電力領域までの広ダイナミックレンジでの連続動作を実現できる。

なお、本実施の形態は本発明の目的を実現する一例であり、同様の機能を有する他の構成としても良い事は言うまでも無い。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２を示している。図１と同じ番号の構成要素は図１と同じ構成であり、同じ動作を行う。相違点は、ドライバアンプ２と終段アンプ４のバイアス電圧（または電流）を制御するバイアス制御部１３、および図１の第一の方向性結合器１９の代わりにその分岐方向に加え、更に変調信号すなわち入力信号をバイアス制御部１３へ分岐する第四の方向性結合器３１を具備することである。バイアス制御部１３は、例えば検波ダイオードとオペアンプ等により実現する。同様の機能を有する他の構成としても構わない事は言うまでも無い。

次にその動作について説明する。実施の形態１の動作に加えて、バイアス制御部１３は、ドライバアンプ２と終段アンプ４のバイアス設定を入力信号のレベルに応じて制御する動作を行なう。つまりバイアス制御部１３は、大電力レベルの領域ではＢ級またはＣ級の直流バイアスとして、入力電力レベルが下がるに従ってＡ級、若しくはＡＢ級の直流バイアスとなるようにバイアス電圧（または電流）を制御する。再び入力電力レベルが上がると、Ｂ級またはＣ級の直流バイアスとなる様に設定する。

以上の様に、本実施の形態によれば、バイアス制御部１３により入力電力レベルに従って適応的にバイアス電圧（または電流）の設定が可能となる。
一般的に飽和動作時において、アイドル電流を必要とするＡ級やＡＢ級より、アイドル電流を流さないＢ級やＣ級バイアスの方が大電力出力時の効率は高い。また、飽和動作領域では、バイアス制御部１３として、上記の級のバイアスだけでなく、Ｄ級、Ｅ級、およびＦ級バイアスを制御する構成とすることで、一層の高効率が可能となる。そのため、バイアス制御部１３により、大電力領域では入力電力レベルに応じて終段アンプ４、およびドライブアンプ２は、効率が最適に調整されたＢ級、Ｃ級、Ｄ級、Ｅ級、およびＦ級といった動作が可能となる。小電力領域では同様にバイアスが調整されてＡ級やＡＢ級といった低歪み動作となるが、何れの電力領域においてもフィードフォワード型歪み補償が効果的に動作する。従って、本実施例では入力電力レベルに応じてバイアス制御部１３で適応的にバイアス電圧（または電流）が設定できるので、大電力出力時の効率を向上させることが可能で、かつ広いダイナミックレンジにおいて歪みを低減できる効果がある。
なお、本実施の形態は本発明の目的を実現する一例であり、同様の機能を有する他の構成としても良い事は言うまでも無い。

高周波分野におけるＥＥＲシステム以外にも、飽和増幅器を用いたシステムにおいて、出力レベルの広ダイナミックレンジ化および低歪み化が不可欠な用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１を示す構成図 本発明の実施の形態２を示す構成図 一般的なフィードフォワード型歪み補償回路を示した図 一般的なＥＥＲシステムの構成図 ＥＥＲ動作による出力レベルを説明するグラフ 特開２００５−２３６５１２に示された従来の構成図 信号生成器の具体的な構成図

符号の説明

１ 信号生成器
２ ドライバアンプ
３ 包絡線増幅器
４ 終段アンプ
５ 歪み検出ループ
６ 歪み除去ループ
７ カプラ
８ リミッタ
９ 遅延回路
１０ ＲＦ増幅器
１１ 検波回路
１２ 包絡線増幅器
１３ バイアス制御部
１４ 主増幅器
１５ 補助増幅器
１６ 歪み検出ループ
１７ 歪み除去ループ
１８ ＲＦ出力端子
１９ 第一の方向性結合器
２０ 第一のベクトル調整器
２１ 第二の方向性結合器
２２ 第三の方向性結合器
２３ 第一の遅延調整器
２４ 第二のベクトル調整器
２５ 補助アンプ
２６ 第二の遅延調整器
２７ 波形生成部
２８ 小電力用の増幅経路
２９ 中・大電力用の増幅経路
３０ 包絡線増幅器
３１ 第四の方向性結合器
３２ ＲＦ入力端子
３３ 演算増幅器
３４ ディジタル／アナログ変換器
３５ ディジタル／アナログ変換器
３６ ディジタル／アナログ変換器
３７ アナログアンプ
３８ 変調器
３９ 高周波信号発生器

Claims (4)

1. 高周波変調信号と前記高周波変調信号の包絡線成分とを出力する信号生成部と、
   前記包絡線成分を増幅する包絡線増幅器と、
   前記高周波変調信号を増幅するドライバアンプと、
   前記包絡線増幅器の出力電圧を電源電圧とし、前記ドライバアンプの出力に接続される終段アンプと、
   前記高周波変調信号と前記終段アンプの高周波出力信号との差分成分を検出する歪み検出ループと、
   検出した前記差分成分を位相反転して増幅した後に前記終段アンプの出力信号へ結合させる歪み除去ループと、
   から構成されることを特徴とする電力増幅装置。
2. 高周波変調信号と前記高周波変調信号の包絡線成分とを出力する信号生成部と、
   前記包絡線成分を増幅する包絡線増幅器と、
   前記高周波変調信号を増幅するドライブアンプと、
   前記包絡線増幅器の出力電圧を電源電圧とし、前記ドライバアンプの出力に接続される終段アンプと、
   前記高周波変調信号のレベルに応じて前記ドライバアンプと前記終段アンプのバイアスレベルを制御するバイアス制御部と、
   前記高周波変調信号と前記終段アンプの高周波出力信号との差分成分を検出する歪み検出ループと、
   検出した前記差分成分を位相反転して増幅した後に前記終段アンプの出力信号へ結合させる歪み除去ループと、
   から構成されることを特徴とする電力増幅装置。
3. 高周波変調信号と前記高周波変調信号の包絡線成分とを出力するステップと、
   前記包絡線成分を増幅するステップと、
   前記高周波変調信号を増幅するステップと、
   増幅された前記包絡線成分を終段アンプの電源電圧とするステップと、
   増幅された前記高周波変調信号を前記終段アンプに入力するステップと、
   入力される前記高周波変調信号と終段アンプの高周波出力信号との差分成分を検出するステップと、
   検出した前記差分成分を位相反転して増幅した後に前記終段アンプの出力信号へ結合させるステップと、
   から構成されることを特徴とする電力増幅方法。
4. 高周波変調信号と前記高周波変調信号の包絡線成分とを出力するステップと、
   前記包絡線成分を増幅するステップと、
   前記高周波変調信号を増幅するステップと、
   増幅された前記包絡線成分を終段アンプの電源電圧とするステップと、
   増幅された前記高周波変調信号を前記終段アンプに入力するステップと、
   前記高周波変調信号のレベルに応じて前記終段アンプのバイアスレベルを制御するステップと、
   前記高周波変調信号と前記終段アンプの高周波出力信号との差分成分を検出するステップと、
   検出した前記差分成分を位相反転して増幅した後に前記終段アンプの出力信号へ結合させるステップと、
   から構成されることを特徴とする電力増幅方法。

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