JP2009182397A

JP2009182397A - 電力増幅装置および通信装置

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Publication number: JP2009182397A
Application number: JP2008017351A
Authority: JP
Inventors: Akira Nagayama; 昭長山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2028-01-29
Also published as: JP5016506B2

Abstract

【課題】増幅素子の負荷側が所定のインピーダンス条件を満たす帯域の広帯域化を図ることが可能な電力増幅装置を提供する。
【解決手段】電力増幅装置１は、第１の高周波信号を増幅する第１の増幅素子３１と、第２の高周波信号を増幅する第２の増幅素子３２と、第１の増幅素子３１の出力信号に含まれる高調波の少なくとも一部を抑制する第１のフィルタ回路４１と、第２の増幅素子３２の出力信号に含まれる高調波の少なくとも一部を抑制する第２のフィルタ回路４２と、第１の増幅素子３１の出力信号に含まれる高調波の一部と第２の増幅素子３２の出力信号に含まれる高調波の一部とを位相差に応じて抑制する第３のフィルタ回路４３と、第１のフィルタ回路４１の出力信号と第２のフィルタ回路４２の出力信号とをベクトル加算する加算回路５と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波信号を増幅する電力増幅装置および通信装置に関する。

一般に、通信の分野では、包絡線変動を有する信号がよく用いられる。こうした包絡線変動を有する信号を高い電力効率で増幅する方式の一つとして、ＬＩＮＣ（Linear Amplification with Nonlinear Component）方式が知られている。このＬＩＮＣ方式を実現する電力増幅装置では、特許文献１に開示されているように、包絡線変動を有する信号を２つの定包絡線信号に分配し、これらを電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）などの増幅素子を用いてそれぞれ増幅した後、ベクトル加算することによって、包絡線変動を有する信号を増幅する。
特公平６−２２３０２号公報

ところで、実際の電力増幅装置では、増幅素子を高効率で動作させるために、増幅素子の後段にフィルタ回路を設けて、増幅素子の負荷側が所定のインピーダンス条件を満たすようにする。こうした増幅素子を高効率で動作させる方式の一つとして、Ｆ級動作が知られている。Ｆ級動作では、増幅素子の負荷側のインピーダンス条件を入力信号の基本波に対して整合、偶数次高調波に対して短絡、奇数次高調波に対して開放とすることで、電圧と電流とが同時に増幅素子内に存在しないようにして、電力損失を低減し、高効率の動作を実現する。

しかしながら、増幅素子の後段に設けられたフィルタ回路が所定のインピーダンス条件を満たす帯域を広帯域に亘って実現することは困難であった。特に、使用周波数が複数存在する場合には、各使用周波数において所定のインピーダンス条件を満たす帯域を広帯域に亘って実現することが困難であり、このため、各使用周波数に対応して電力増幅装置を個別に設ける必要があった。

本発明は、上記実情に鑑みて為されたものであり、増幅素子の負荷側が所定のインピーダンス条件を満たす帯域の広帯域化を図ることが可能な電力増幅装置および通信装置を提供することをその目的の一つとする。

上記課題を解決するため、本発明の電力増幅装置は、第１の高周波信号を増幅する第１の増幅素子と、前記第１の高周波信号と周波数が同じで位相が異なる第２の高周波信号を増幅する第２の増幅素子と、前記第１の増幅素子の出力端に接続された第１の伝送線路に設けられ、前記第１の増幅素子の出力信号に含まれる基本波に対してインピーダンスが整合するとともに、前記第１の増幅素子の出力信号に含まれる高調波の少なくとも一部を抑制する第１のフィルタ回路と、前記第２の増幅素子の出力端に接続された第２の伝送線路に設けられ、前記第２の増幅素子の出力信号に含まれる基本波に対してインピーダンスが整合するとともに、前記第２の増幅素子の出力信号に含まれる高調波の少なくとも一部を抑制する第２のフィルタ回路と、一端が前記第１の伝送線路に接続され、他端が前記第２の伝送線路に接続されて、前記第１の増幅素子の出力信号に含まれる高調波の一部と前記第２の増幅素子の出力信号に含まれる高調波の一部とを位相差に応じて抑制する第３のフィルタ回路と、前記第１のフィルタ回路の出力信号と前記第２のフィルタ回路の出力信号とをベクトル加算する加算回路と、を含む。

また、本発明の一態様では、前記第１のフィルタ回路、前記第２のフィルタ回路および前記第３のフィルタ回路の各々のフィルタリング特性を切り替える切替回路を更に含む。

また、本発明の一態様において、前記第１のフィルタ回路および前記第３のフィルタ回路は、前記第１の増幅素子の出力端から負荷側をみたときのインピーダンスが前記第１の増幅素子の出力信号に含まれる偶数次高調波に対して実質的に短絡となり、奇数次高調波に対して実質的に開放となるように設定され、前記第２のフィルタ回路および前記第３のフィルタ回路は、前記第２の増幅素子の出力端から負荷側をみたときのインピーダンスが前記第２の増幅素子の出力信号に含まれる偶数次高調波に対して実質的に短絡となり、奇数次高調波に対して実質的に開放となるように設定される。

また、本発明の一態様では、包絡線変動を有する入力信号を振幅が同じで位相が異なる第１定包絡線信号および第２定包絡線信号に分配する分配回路を更に含み、前記第１定包絡線信号が前記第１の高周波信号として前記第１の増幅素子に入力され、前記第２定包絡線信号が前記第２の高周波信号として前記第２の増幅素子に入力される。

また、本発明の通信装置は、送信回路に上記電力増幅装置を介してアンテナが接続されている。

また、本発明の通信装置は、送信回路に上記電力増幅装置を介してアンテナが接続され、該アンテナに受信回路が接続されている。

本発明によれば、第３のフィルタ回路を設けることにより、第１の増幅素子の出力信号に含まれる高調波および第２の増幅素子の出力信号に含まれる高調波のうち、比較的逆相に近い高調波の組に対して第３のフィルタ回路を作用させることができる。これにより、比較的逆相に近い高調波の組を、第３のフィルタ回路のみ、或いは第１ないし第３のフィルタ回路の協働によって抑制することができるので、第１および第２のフィルタ回路が満たすべきインピーダンス条件が緩和され、この結果、第１および第２の増幅素子の負荷側が所定のインピーダンス条件を満たす帯域の広帯域化を図ることが容易となる。

本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る電力増幅装置の構成例を示す。電力増幅装置１は、分配回路２、増幅素子３１，３２、フィルタ回路４１〜４３及び加算回路５を主に含んでおり、ＬＩＮＣ（Linear Amplification with Nonlinear Component）方式を実現する。

分配回路（ＬＩＮＣ信号分配回路）２は、包絡線変動を有する入力信号Ｓ_ｉｎを２つの定包絡線信号（高周波信号）Ｓ_１，Ｓ_２に分配する。詳しくは、分配回路２は、生成回路２１、ミキサ回路２２ａ〜２２ｄ、加算回路２３ａ，２３ｂを含む。

生成回路２１は、不図示の直交検波器により入力信号Ｓ_ｉｎが分解されて得られる、互いに直交する２つの直交変調信号Ｓ_Ｉ，Ｓ_Ｑが入力されると、これらから定包絡線信号Ｓ_１に係る直交変調信号Ｓ_１Ｉ，Ｓ_１Ｑと、定包絡線信号Ｓ_２に係る直交変調信号Ｓ_２Ｉ，Ｓ_２Ｑとを生成し、出力する。

ミキサ回路２２ａ〜２２ｄは、アップコンバータ６１から出力される搬送波信号を、直交変調信号Ｓ_１Ｉ，Ｓ_１Ｑ，Ｓ_２Ｉ，Ｓ_２Ｑにそれぞれ混合する。また、このうち直交変調信号Ｓ_１Ｑ，Ｓ_２Ｑには、フェーズシフタ６２により９０°移相された搬送波信号が混合される。なお、これに限らず、搬送波信号の混合は、後述する加算回路５の出力信号Ｓ_ｏｕｔに対して行ってもよい。

加算回路２３ａ，２３ｂは、搬送波信号が混合された直交変調信号Ｓ_１Ｉ，Ｓ_１Ｑ及び直交変調信号Ｓ_２Ｉ，Ｓ_２Ｑをそれぞれ加算し、定包絡線信号Ｓ_１，Ｓ_２をそれぞれ出力する。ここで、定包絡線信号Ｓ_１，Ｓ_２は、互いに振幅および周波数が同じである一方で、位相が異なっており、位相差θによって入力信号Ｓ_ｉｎの振幅の大きさを表している。

これら加算回路２３ａ，２３ｂから出力された定包絡線信号Ｓ_１，Ｓ_２は、増幅素子３１，３２にそれぞれ入力される。なお、増幅素子３１，３２の前段には、不図示の入力整合回路がそれぞれ設けられる。

増幅素子３１，３２は、定包絡線信号Ｓ_１，Ｓ_２をそれぞれ増幅する。詳しくは、増幅素子３１，３２は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等からなり、ゲートに入力された定包絡線信号Ｓ_１，Ｓ_２をそれぞれ増幅し、これにより得られる増幅信号Ｓ_Ａ１，Ｓ_Ａ２をドレインからそれぞれ出力する。また、各増幅素子３１，３２は、不図示のインダクタンスを介して出力バイアス（ドレインバイアス）が印加され、飽和領域（非線形領域）で増幅を行う。

ここで、増幅素子３１，３２から出力される増幅信号Ｓ_Ａ１，Ｓ_Ａ２は、定包絡線信号Ｓ_１，Ｓ_２の基本波（以下、単に基本波という）に加えて、定包絡線信号Ｓ_１，Ｓ_２の高調波（以下、単に高調波という）をそれぞれ含んでいるため、方形波となっている。

フィルタ回路４１〜４３は、増幅素子３１，３２の負荷側に設けられている。第１のフィルタ回路４１は、第１の増幅素子３１の出力端（ドレイン端）に接続された第１の伝送線路を含んで構成されている。同様に、第２のフィルタ回路４２は、第２の増幅素子３２の出力端（ドレイン端）に接続された第２の伝送線路を含んで構成されている。

また、第３のフィルタ回路４３は、一端が第１のフィルタ回路４１に含まれる第１の伝送線路に接続され、他端が第２のフィルタ回路４２に含まれる第２の伝送線路に接続されている。この第３のフィルタ回路４３は、第１の伝送線路に接続される位置の第１の増幅素子３１の出力端からの距離と、第２の伝送線路に接続される位置の第２の増幅素子３２の出力端からの距離とが等しくなるように設けられる。

各フィルタ回路４１〜４３は、伝送線路の線路長や形状によって、またコイルやコンデンサを適宜含むことによって、所定のフィルタリング特性を有する。これらフィルタ回路４１〜４３には、公知の種々のフィルタ回路をそれぞれ適用できる。

このように設けられたフィルタ回路４１〜４３は、所定のインピーダンス条件を満たすことにより、増幅素子３１，３２を高効率に動作させる。本実施形態では、フィルタ回路４１〜４３は、増幅素子３１，３２の動作をＦ級動作とするためのインピーダンス条件を満たす。なお、これに限らず、Ｄ級動作やＥ級動作などであってもよい。

これにより、増幅信号Ｓ_Ａ１，Ｓ_Ａ２に含まれる高調波がそれぞれ抑制されて、増幅信号Ｓ_Ａ１，Ｓ_Ａ２に含まれる基本波に対応する出力信号Ｓ_Ｆ１，Ｓ_Ｆ２が第１，第２のフィルタ回路４１，４２からそれぞれ取り出される。そして、第１のフィルタ回路４１の出力信号Ｓ_Ｆ１と第２のフィルタ回路４２の出力信号Ｓ_Ｆ２とは、加算回路５によりベクトル加算され、出力信号Ｓ_ｏｕｔとして出力される。

具体的には、第１のフィルタ回路４１は、増幅信号Ｓ_Ａ１に含まれる基本波に対してインピーダンスが整合するとともに、増幅信号Ｓ_Ａ１に含まれる高調波の少なくとも一部を抑制するように設定される。同様に、第２のフィルタ回路４２は、増幅信号Ｓ_Ａ２に含まれる基本波に対してインピーダンスが整合するとともに、増幅信号Ｓ_Ａ２に含まれる高調波の少なくとも一部を抑制するように設定される。ここで、インピーダンスが整合するとは、増幅素子３１，３２の出力インピーダンスと、増幅素子３１，３２の出力端から負荷側をみたときのインピーダンス（負荷インピーダンス）とが整合していることをいう。

他方、第３のフィルタ回路４３は、増幅信号Ｓ_Ａ１に含まれる高調波の一部と増幅信号Ｓ_Ａ２に含まれる高調波の一部とを位相差に応じて抑制するように設定される。詳しくは、増幅信号Ｓ_Ａ１，Ｓ_Ａ２は複数次の高調波をそれぞれ含んでおり、第３のフィルタ回路４３は、このうち比較的逆相に近い高調波の組に対してフィルタリング特性を比較的発揮し易く、他方、比較的同相に近い高調波の組に対してフィルタリング特性を比較的発揮し難い。換言すると、第３のフィルタ回路４３は、高調波同士の位相差が逆相に近くなるのに応じてフィルタリング特性を発揮する度合いが高まる。このため、第３のフィルタ回路４３は、このような比較的逆相に近い高調波の組を抑制するように設定される。

例えば、定包絡線信号Ｓ_１，Ｓ_２の位相差θが１８０°である場合、増幅信号Ｓ_Ａ１，Ｓ_Ａ２にそれぞれ含まれる偶数次高調波は互いに同相となり、奇数次高調波は互いに逆相となる。従って、この場合、互いに逆相となっている奇数次高調波の組に対して第３のフィルタ回路４３のフィルタリング特性を発揮させることができる。

以上より、増幅信号Ｓ_Ａ１，Ｓ_Ａ２にそれぞれ含まれる高調波のうち、比較的逆相に近い高調波の抑制を第３のフィルタ回路４３に主に担わせることで、第１，第２のフィルタ回路４１，４２が満たすべきインピーダンス条件を緩和することができる。すなわち、第１，第２のフィルタ回路４１，４２は、比較的同相に近い高調波の抑制を主に担えばよくなるので、満たすべきインピーダンス条件が緩和される。これにより、フィルタ回路４１〜４３が所定のインピーダンス条件を満たす帯域の広帯域化を図ることができる。ここで、比較的逆相に近い高調波の抑制は、第３のフィルタ回路４３が単独で行ってもよいし、第３のフィルタ回路４３と第１，第２フィルタ回路４１，４２との協働で行ってもよい。

ここで、本実施形態では、増幅素子３１，３２の動作をＦ級動作とするため、フィルタ回路４１〜４３は、以下のインピーダンス条件を満たすように設定される。第１のフィルタ回路４１及び第３のフィルタ回路４３は、第１の増幅素子３１の出力端から負荷側をみたときのインピーダンスが増幅信号Ｓ_Ａ１に含まれる偶数次高調波に対して実質的に短絡、奇数次高調波に対して実質的に開放となるように設定される。また、第２のフィルタ回路４２及び第３のフィルタ回路４３は、第２の増幅素子３２の出力端から負荷側をみたときのインピーダンスが増幅信号Ｓ_Ａ２に含まれる偶数次高調波に対して実質的に短絡、奇数次高調波に対して実質的に開放となるように設定される。

次に、電力増幅装置１は、フィルタ回路４１〜４３の各々のフィルタリング特性を切り替える切替回路７を更に含んでいる。この切替回路７は、上位の機器から受け入れた指令に応じてフィルタ回路４１〜４３の各々のフィルタリング特性を切り替える。フィルタリング特性の切り替えは、各フィルタ回路４１〜４３の回路定数を変更することによって行われる。

ここで、上位の機器は、使用する入力信号Ｓ_ｉｎの周波数に応じて指令を出力する。これにより、フィルタ回路４１〜４３の各々のフィルタリング特性を、使用する入力信号Ｓ_ｉｎの周波数（すなわち、定包絡線信号Ｓ_１，Ｓ_２の周波数）に適した状態に切り替えることができるので、フィルタ回路４１〜４３が上記インピーダンス条件を満たす帯域の更なる広帯域化を図ることができる。

次に、上述の電力増幅装置１を用いた通信装置について説明する。図２に、本発明の一実施形態に係る通信装置としての送信機１００の構成例を示す。送信機１００は、送信回路９５に電力増幅装置１を介してアンテナ９６が接続されている。

また、図３に、本発明の一実施形態に係る通信装置としての無線通信機２００の構成例を示す。無線通信機２００は、送信回路９５に電力増幅装置１を介してアンテナ９６が接続され、このアンテナ９６に受信回路９７が接続されている。また、送信回路９５及び受信回路９７と、アンテナ９６との間には、送受信を切り替えるスイッチ回路９８が介挿されている。

これら送信機１００及び無線通信機２００では、電力増幅装置１を含むことによって、送信信号を高い電力効率で増幅しつつ、送信信号の高調波を広帯域に亘って十分に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る電力増幅装置の構成例を表すブロック図である。本発明の一実施形態に係る通信装置の構成例を表すブロック図である。本発明の一実施形態に係る通信装置の構成例を表すブロック図である。

符号の説明

１電力増幅装置、２分配回路、２１生成回路、２２ａ〜２２ｄミキサ回路、２３ａ，２３ｂ加算回路、３１第１の増幅素子、３２第２の増幅素子、４１第１のフィルタ回路、４２第２のフィルタ回路、４３第３のフィルタ回路、５加算回路、６１アップコンバータ、６２フェーズシフタ、７切替回路、９５送信回路、９６アンテナ、９７受信回路、９８スイッチ回路、１００送信機、２００無線通信機。

Claims

第１の高周波信号を増幅する第１の増幅素子と、
前記第１の高周波信号と周波数が同じで位相が異なる第２の高周波信号を増幅する第２の増幅素子と、
前記第１の増幅素子の出力端に接続された第１の伝送線路に設けられ、前記第１の増幅素子の出力信号に含まれる基本波に対してインピーダンスが整合するとともに、前記第１の増幅素子の出力信号に含まれる高調波の少なくとも一部を抑制する第１のフィルタ回路と、
前記第２の増幅素子の出力端に接続された第２の伝送線路に設けられ、前記第２の増幅素子の出力信号に含まれる基本波に対してインピーダンスが整合するとともに、前記第２の増幅素子の出力信号に含まれる高調波の少なくとも一部を抑制する第２のフィルタ回路と、
一端が前記第１の伝送線路に接続され、他端が前記第２の伝送線路に接続されて、前記第１の増幅素子の出力信号に含まれる高調波の一部と前記第２の増幅素子の出力信号に含まれる高調波の一部とを位相差に応じて抑制する第３のフィルタ回路と、
前記第１のフィルタ回路の出力信号と前記第２のフィルタ回路の出力信号とをベクトル加算する加算回路と、
を含む電力増幅装置。
前記第１のフィルタ回路、前記第２のフィルタ回路および前記第３のフィルタ回路の各々のフィルタリング特性を切り替える切替回路を更に含む、
請求項１に記載の電力増幅装置。
前記第１のフィルタ回路および前記第３のフィルタ回路は、前記第１の増幅素子の出力端から負荷側をみたときのインピーダンスが前記第１の増幅素子の出力信号に含まれる偶数次高調波に対して実質的に短絡となり、奇数次高調波に対して実質的に開放となるように設定され、
前記第２のフィルタ回路および前記第３のフィルタ回路は、前記第２の増幅素子の出力端から負荷側をみたときのインピーダンスが前記第２の増幅素子の出力信号に含まれる偶数次高調波に対して実質的に短絡となり、奇数次高調波に対して実質的に開放となるように設定される、
請求項１に記載の電力増幅装置。
包絡線変動を有する入力信号を振幅が同じで位相が異なる第１定包絡線信号および第２定包絡線信号に分配する分配回路を更に含み、
前記第１定包絡線信号が前記第１の高周波信号として前記第１の増幅素子に入力され、前記第２定包絡線信号が前記第２の高周波信号として前記第２の増幅素子に入力される、
請求項１に記載の電力増幅装置。
送信回路に請求項１ないし４の何れかに記載の電力増幅装置を介してアンテナが接続されている、
ことを特徴とする通信装置。
送信回路に請求項１ないし４の何れかに記載の電力増幅装置を介してアンテナが接続され、該アンテナに受信回路が接続されている、
ことを特徴とする通信装置。