JP2009303040A

JP2009303040A - 高周波電力増幅器、および増幅方法

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Publication number: JP2009303040A
Application number: JP2008156853A
Authority: JP
Inventors: Toru Kijima; 徹来島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】効率が高く、ダイナミックレンジが広い高周波電力増幅器および、増幅方法を提供する。
【解決手段】入力信号を分割する結合器１と、その出力信号の一方の位相を調整する移相器Ｄと、結合器１の他方の出力信号と移相器出力信号を入力して分岐出力する結合器２を備え、結合器２の出力端子から入力される信号が低レベル時から動作するメインアンプＡの出力と、高レベル時のみ動作するピークアンプＰの出力とを高結合カプラの結合器３に入力して合成出力する電力増幅器を構成する。検波制御器Ｄは、入力信号レベルに応じて移相器Ｐへ位相調整信号を出力し、メインアンプＡの出力飽和開始点以上の入力の場合、結合器２からメインアンプへ出力する信号レベルを減少させ、ピークアンプへ出力する信号レベルが増加するように移相量Φを調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高効率かつダイナミックレンが広い高周波電力増幅器及び増幅方法に関する。

近年、ＣＤＭＡやＯＦＤＭ等の広帯域で多値変調された無線信号により放送や移動体通信が行われる様になった。これらの広帯域な多値変調信号の送信は、低出力レベルから、大出力レベルまで歪みを極力抑え直線性の良い電力増幅を行わなければならないと同時に、電力消費を少なく高効率に増幅することが必要である。

高効率に電力増幅を行う高効率増幅器として、ドハティアンプ（例えば、特許文献１。）が知られているが、他にもカプラを用いてメインアンプとピークアンプとを並列接続して入力レベルが大きくなるとメインアンプとピークアンプとの両者の出力を加算して出力する並列合成アンプがある（例えば、非特許文献１。）。

図５は従来の並列合成を用いた電力増幅器の動作説明をする機能ブロック図である。
図５において電力増幅器ｓａは、メインアンプｍ、ピークアンプｐ、両アンプの出力が入力される９０°カプラである結合器３０と、結合器３０の出力の一方の電力を消費するダミーｒｄとを備える。ピークアンプは、メインアンプｍの出力が飽和を始める入力レベルから増幅を開始し、それ以下の入力レベルでは休止する。

結合器３０は、通常３ｄＢカプラを使用しても良いが、例えば、６ｄＢカプラの様な高結合度カプラを使用すると低損失なカプラ挿入による合成出力が得られる。もし、入力端子ａと入力端子ｂとに等しい電力が入力する場合、出力端子ｄでの出力損失は僅か０．３ｄｂで済むことが非特許文献１で示されている。

しかしながら、この様な高効率な電力増幅器であっても、入力が飽和レベルを過ぎて更に大きくなる場合、メインアンプｍが過飽和を発生する問題があり高効率性が失われ、広いダイナミックレンジと高効率性を両立することが困難な問題があった。
特開２００６−１６６１４１号公報（第１０頁、第１図） Steve Cripps, RF Power Amplifier Wireless Communications 2nd Ed,2006 Artech House P.323

従来の低歪み高周波電力増幅器は、効率を高く取ることが出来ない一方、高効率なスイッチング増幅器は、広い入力レベル変動に対応出来ず、高効率と広いダイナミックレンジが困難な問題が有った。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、効率が高く、ダイナミックレンジが広い高周波電力増幅器および、増幅方法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、本発明の高周波電力増幅器は、入力される高周波の信号が低レベル時から増幅動作するメインアンプと、前記メインアンプの出力が飽和し始めるレベル以上の高入力になると増幅動作を開始するピークアンプとの各出力が入力される高結合度の結合器から両アンプの出力を合成した出力信号を低挿入損失で出力する高周波電力増幅器において、３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラであって、入力される高周波の入力信号を一方の出力端子からの出力を第２の結合器の一方の入力端子へ出力し、他方の出力端子からの出力を移相器へ出力する第一の結合器と、位相調整信号で前記他方の出力端子から入力する信号の位相を調整して前記第２の結合器の他方の入力端子へ出力する移相器と、３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラであって、前記第１の結合器の一方の出力端子が前記一方の入力端子へ入力され、前記移相器を経て入力される信号が前記他方の入力端子に入力され、２つの出力端子を備える有る第２の結合器と、前記第２の結合器の一方の出力端子からの出力信号を増幅して前記高結合度の結合器の一方の入力端子へ出力するメインアンプと、前記第２の結合器の他方の出力端子からの出力信号を増幅して前記高結合度の結合器の他方の入力端子へ出力するピークアンプと、前記第１の結合器への前記入力信号を検波してその信号レベルを測定し、前記高結合器の出力を所要の低挿入損失に留める範囲で、前記メインアンプ出力が飽和し始めるレベルまでは、前記第２の結合器の前記一方の出力端子からの信号の減衰を小さく、前記第２の結合器の他方の出力端子からの信号の減衰を大きく設定する前記位相調整信号を前記移相器へ出力し、前記飽和し始めた以降は、前記第２の結合器の前記一方の出力端子からの出力信号の減衰を前記設定よりも増大させ、前記第２の結合器の他方の出力端子からの出力信号の減衰を前記設定よりも減少させる様に前記移相器の位相を調整する前記位相調整信号を前記移相器へ出力する検波制御手段とを備えることを特徴とする。

また本発明の高周波電力増幅器の増幅方法は、３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラである第１、第２の結合器と、移相器と、検波制御手段とを備え、入力される高周波の信号が低レベル時から増幅動作するメインアンプと、前記メインアンプ出力が飽和し始めるレベル以上の高入力になると増幅動作を開始するピークアンプとの各出力を高結合度の結合器に入力することにより低挿入損失に合成した出力信号をその結合器から出力する高周波電力増幅器の増幅方法において、前記第一の結合器は、入力される高周波の入力信号を一方の出力端子から前記移相器へ出力し、他方の出力端子から前記第２の結合器の一方の入力端子へ出力し、前記第１の結合器の他方の出力端子からの信号が一方の入力端子へ入力される前記第２の結合器は、前記移相器を経て入力される信号が他方の入力端子に入力され、一方の出力端子は、前記メインアンプへ接続され、他方の出力端子は、前記ピークアンプへ接続され、前記メインアンプは、前記第２の結合器の一方の出力端子から入力される信号を増幅して前記高結合度の結合器の一方の入力端子へ出力し、前記ピークアンプは、前記第２の結合器の他方の出力端子から出力される信号を増幅して前記高結合度の結合器の他方の入力端子へ出力し、前記検波制御手段は、前記第１の結合器へ前記入力される高周波信号を検波してその信号レベルを測定し、前記高結合器の出力信号を所要の低挿入損失に留める範囲で、前記メインアンプ出力が飽和し始めるレベルまでは、前記第２の結合器の前記一方の出力端子の出力信号の減衰を小さく、前記他方の出力端子からの出力信号の減衰を大きく設定する前記位相調整信号を前記移相器へ出力し、前記飽和し始めた以降は、前記第２の結合器の前記一方の出力端子の出力信号の減衰を前記設定よりも増大させ、前記他方の出力端子の出力信号の減衰を前記設定よりも減少させる様に前記移相器の位相を調整する前記位相調整信号を前記移相器へ出力することを特徴とする。

本発明によれば、効率が高く、ダイナミックレンジが広い高周波電力増幅器および、増幅方法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わる高周波用の電力増幅器の動作説明をする機能ブロック図、図２および図３は、実施例に係わる電力増幅器の動作を説明する動作特性図である。
図１（ａ）において、実施例の電力増幅器Ｓは、メインアンプＡ、ピークアンプＢ、９０°のハイブリッドカプラであって結合度３ｄＢの結合器１、２、および、結合度８ｄＢの結合器３、結合器１と結合器２との間に挿入される位相器Ｐ、ダミー抵抗Ｒと、入力信号のレベルに応じて移相器Ｐの位相量を調整する位相制御信号を出力する検波制御部Ｄとを備える。

電力増幅器Ｓへの入力信号は、結合器１の入力端子ｂへ入力され、結合器１の出力端子ｃを経由して移相器Ｐへ入力される。また他方の出力端子ｄは、結合器２の入力端子ｂへ接続される。移相器Ｐの出力は、結合器２の入力端子ａへ接続される。結合器２の出力端子ｃ、出力端子ｄは、それぞれメインアンプＡ、ピークアンプＢに接続される。

メインアンプＡ、ピークアンプＢの出力はそれぞれ結合器３の入力端子ａ、入力端子ｂへ接続される。結合器３の出力端子ｄから信号出力がアンテナへ出力され、出力端子ｃからの出力はダミー抵抗Ｒへ入力され、そこで熱消費される。

メインアンプＡは、低レベル入力でも動作するＡ級動作のような増幅器が使用され、ピークアンプＢは、入力レベルが高くなった時、即ち、メインアンプＡの出力飽和が開始する点に相当する入力レベル以上でのみ動作してメインアンプ１の出力へ追加出力するもので、Ａ級動作でない例えば、ＡＢ級、Ｂ級、Ｃ級の様な大出力増幅器である。

本実施例の高効率の電力増幅器Ｓは、電力増幅器ＳのメインアンプＡに入力する信号レベルが大きくなりメインアンプＡの飽和開始レベル以上になる場合、移相器Ｐの位相変化を調整し、メインアンプＡへの入力レベルを下げ過大入力を防ぐと共にピークアンプＰへの入力レベルを上げることにより、総合的に高効率動作を図っている。ここで一度並列合成増幅器の動作概念について整理する。

図２は、実施例における電力増幅器ＳのメインアンプＡとピークアンプＢの入力レベル（電圧）対出力レベル（電圧）の関係を示す図である。
図２において、メインアンプＡの出力レベル（電圧）ＶＯＡは、低信号レベルの「０」から、出力飽和が開始するレベル、ここでは「０．５」まで直線的に増加し、飽和開始点から後は一定になる（飽和する）。また、ピークアンプＢの出力レベル（電圧）ＶＯＢは、「０．５」以下のメインアンプＡが飽和開始する以下の低い入力レベルでは、非動作状態になり、「０．５」以上になると直線的に増加する動作をする。

そしてこれらの信号は結合器３の入力端子ａ、ｂへそれぞれ入力され、結合器３の出力端子ｃから合成された出力信号（ＶＯＡ＋ＶＯＢ）として出力され入力レベル（電圧）「０」から「１．０」に亘って直線的に増加する。

図３は、電力増幅器Ｓの入力端子に入力された信号の結合器２の電力の出力Ｖ２ｃおよびＶ２ｄと移相器Ｐの位相量Φとの関係を示す動作図、図４は、電力増幅器Ｓの入力端子に入力された信号の結合器３の電力の出力Ｖ３ｃ、Ｖ３ｄと移相器Ｐの位相量との関係を示す動作図である。

図３において、移相器Ｐの位相量Φを０°から１８０°まで変化させた場合、結合器２の出力端子ｃ、ｄの出力レベルＶ２ｃはΦが０°から大きくなるにつれ次第に減衰し、反対に出力レベルＶ２ｄは１８０°から小さくなるにつれ次第に減衰し、Φが９０°の時両者は、等しく３ｄＢ損失となる。

また、図４において、移相器Ｐの位相量Φを０°から１８０°まで変化させた場合、結合器３の出力端子ｄ、即ち、信号出力レベルは、８０°から１８０°までの間で損失は１ｄＢ以下に収まっている。ここでは、高効率結合器３の出力低下が、１ｄＢ以下の場合を所要の挿入損失とする。

そこで、電力増幅器Ｓに入力する信号レベルと、メインアンプＡの出力電圧が飽和開始する対応を予め調べておき、入力が飽和開始点に近づくにつれ位相器Ｐの位相を変化させ、メインアンプＡの飽和を避けるようにすればメインアンプＡの過大入力を防ぎ、またピークアンプＰで出力を補追した合成出力を得ることが出来る。

即ち、検波制御部Ｄは、メインアンプＡの出力電圧が飽和開始するレベルを記憶し、入力信号のレベルと移相器Ｐに出力する位相調整電圧を対応させ、入力信号を検波したレベルに対応する位相調整電圧を出力すればよい。

例えば、検波制御部Ｄは、低レベル入力時、例えば、図２における入力レベル０．４までは、位相Φを１８０°にする電圧を出力する。この場合、図３により、結合器２からは、メインアンプＡに信号が殆ど出力され、ピークアンプＢには入力が無い状態であり、図４により結合器３から０．５ｄｂ程の損失で出力信号が得られていることが分かる。

そして、入力レベルがそれ以上になると、位相Φを次第に小さくする調整電圧を出力する。例えば、入力レベルが０．５になった時、位相が１００°になる調整電圧にすれば、メインアンプＡへは２ｄＢ強の減衰した信号が入力される一方、ピークアンプＢには、結合器２から４ｄＢ弱の信号が入力されるようになり、最終的に結合器３から０．３ｄＢ程度の損失で信号が出力されている。

更に入力信号のレベルが増加する場合には、位相量Φをもっと減らす制御を行えば、Φが９０°以下であってもピークアンプＢへの入力が増え、メインアンプＡへの入力が更に低減される。そして、メインアンプでの過大入力が防げると共に、両アンプが相補的に動作することにより、直線性とダイナミックレンジが広がり、かつメインアンプＡが電力を無駄に消費することがないので電力増幅器Ｓは高効率で動作することが可能である。

検波制御部Ｄの位相調整信号の生成方法は、例えば、メインアンプの入力退出力特性の測定、又は、設計条件から、予め入力レベルに対応する位相調整信号をテーブル化した参照データにして検波制御部Ｄ内でメモリに記憶させ、入力データとこのテーブルを照合して位相調整信号を出力させる方法がある。

また、別の方法としては、図示しないが、メインアンプで飽和が生じない状態で入力信号と、メインアンプの出力信号とが同じレベルになるように比較信号を取り出し、それらを差動増幅器に入力して飽和が生じた場合、その差分出力が生じないように差動増幅器から位相調整信号を出力する様にフィードバック回路を構成する方法をとっても良い。

また、メインアンプＡに、特に高効率性を持たせる場合、スイッチング動作して増幅する増幅器としては、Ｄ級又は、Ｅ級、Ｆ級と呼ばれる様な電圧波形と電流波形とが時間的にオーバラップする領域を小さくした増幅手段により終段の増幅素子で発生する損失を低減させ、更に効率を高めても良い。

この場合、メインアンプＡを、平均入力レベル以上の出力飽和開始点付近、即ち飽和付近でスイッチング動作して増幅する様にすれば効率を非常に高くすることが出来る。また、ピークアンプＢは、平均入力レベルに近づくまでは、非動作に近い状態となるため、時間平均でみると、消費電力は小さい。この２つのアンプを組み合わせることにより高効率な増幅動作をすることができる。

更に、検波制御部Ｄは、入力レベルに応じて位相器Ｐの位相制御の電圧を出力しているが、この位相調整電圧同様、入力レベルに応じて、メインアンプ、ピークアンプのバイアスを制御する制御信号を生成し、アンプの動作クラスを変化させるようにしても良い。

例えば、メインアンプを低レベルではＡ級の様なリニヤ動作とし、平均動作レベルでは、Ｅ級、又はＦ級の様なスイッチング動作となるように終段アンプのＦＥＴ等の増幅素子の動作点を変えるようにバイアス制御しても良い。

この場合、図示しないが、メインアンプＡには、バイアス調整端子が設けられ、直流レベル、又は、動作クラスに応じて準備されたバイアス回路に切り替えるスイッチング信号等のバイアス制御信号が入力される。

このメインアンプやピークアンプの動作制御を行うバイアス制御信号は、前述の入力信号レベルと位相調整量を設定するテーブルを利用する方法と同様に入力レベルに対応するバイアス値をテーブルで記憶させ照合する方法で生成すればよい。

また、従来の並列合成増幅する方法では、ピークアンプへは、メインアンプへの入力を単純に分岐するため、動作開始点を入力レベルに対してバイアスを設けた前述、ＡＢ級、Ｂ級、Ｃ級等の歪みの大きい増幅器を用いる結果となっている。

実施例の位相調整方法では、入力信号のレベルを検出して移相器Ｄとハイブリッドカプラの結合器２によりピークアンプＢの動作開始点を制御している。組合せ出力時にも低歪み特性を維持したい場合、低レベル入力時には、ピークアンプへ上述の様に結合器２から信号が入力されないので、低歪みのアンプを用いて待機状態にすることも可能であるがその分効率が犠牲になる。

そこで、検波制御部からのバイアス制御信号によってピークアンプの動作クラスを調整し、低レベル入力時には、例えばＣ級増幅器に設定して待機させ、メインアンプの出力が飽和するレベル近傍以上のレベル入力時にはＡ級動作する様にすることにより高効率と一層の低歪みな電力増幅器Ｓを構成することも可能である。

以上述べた如く本発明によれば、高効率でダイナミックレンジが広い高周波電力増幅器を提供することが出来る。

本発明の実施例に係わる電力増幅器の動作説明をする機能ブロック図実施例に係わる高周波電力増幅器のメインアンプとピークアンプの入力対出力特性図。結合器２の出力端子の出力レベルと移相器Ｐの位相量Φとの関係を示す動作図。結合器３の出力端子の出力レベルと移相器Ｐの位相量Φとの関係を示す動作図。従来の並列合成型電力増幅器の動作説明をする機能ブロック図。

符号の説明

Ａメインアンプ
Ｂピークアンプ
Ｄ検波制御部
Ｐ移相器
１、２、３結合器

Claims

入力される高周波の信号が低レベル時から増幅動作するメインアンプと、前記メインアンプの出力が飽和し始めるレベル以上の高入力になると増幅動作を開始するピークアンプとの各出力が入力される高結合度の結合器から両アンプの出力を合成した出力信号を低挿入損失で出力する高周波電力増幅器において、
３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラであって、入力される高周波の入力信号を一方の出力端子からの出力を第２の結合器の一方の入力端子へ出力し、他方の出力端子からの出力を移相器へ出力する第一の結合器と、
位相調整信号で前記他方の出力端子から入力する信号の位相を調整して前記第２の結合器の他方の入力端子へ出力する移相器と、
３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラであって、前記第１の結合器の一方の出力端子が前記一方の入力端子へ入力され、前記移相器を経て入力される信号が前記他方の入力端子に入力され、２つの出力端子を備える有る第２の結合器と、
前記第２の結合器の一方の出力端子からの出力信号を増幅して前記高結合度の結合器の一方の入力端子へ出力するメインアンプと、
前記第２の結合器の他方の出力端子からの出力信号を増幅して前記高結合度の結合器の他方の入力端子へ出力するピークアンプと、
前記第１の結合器への前記入力信号を検波してその信号レベルを測定し、前記高結合器の出力を所要の低挿入損失に留める範囲で、前記メインアンプ出力が飽和し始めるレベルまでは、前記第２の結合器の前記一方の出力端子からの信号の減衰を小さく、前記第２の結合器の他方の出力端子からの信号の減衰を大きく設定する前記位相調整信号を前記移相器へ出力し、前記飽和し始めた以降は、前記第２の結合器の前記一方の出力端子からの出力信号の減衰を前記設定よりも増大させ、前記第２の結合器の他方の出力端子からの出力信号の減衰を前記設定よりも減少させる様に前記移相器の位相を調整する前記位相調整信号を前記移相器へ出力する検波制御手段
とを備える
ことを特徴とする高周波電力増幅器。
前記メインアンプ又は、およびピークアンプは、
更にバイアス信号入力手段を備え、
前記検波制御手段は、
更に前記入力信号レベルに応じて前記メインアンプ又は、およびピークアンプの動作クラスを設定するバイアス制御信号を生成し、前記メインアンプ又は、およびピークアンプへ出力する
ことを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器。
前記検波制御手段は、
低入力レベルでは、Ａ級増幅を行い、平均入力レベル付近では、スイッチング動作する前記バイアス制御信号を前記メインアンプに出力する
ことを特徴とする請求項２記載の高周波電力増幅器。
前記検波制御手段は、
前記メインアンプが飽和するまではＣ級の動作を行い、前記飽和の開始以降は、Ａ級の増幅動作を行う前記バイアス制御信号を前記ピークアンプに出力する
ことを特徴とする請求項２記載の高周波電力増幅器。
３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラである第１、第２の結合器と、移相器と、検波制御手段とを備え、入力される高周波の信号が低レベル時から増幅動作するメインアンプと、前記メインアンプ出力が飽和し始めるレベル以上の高入力になると増幅動作を開始するピークアンプとの各出力を高結合度の結合器に入力することにより低挿入損失に合成した出力信号をその結合器から出力する高周波電力増幅器の増幅方法において、
前記第一の結合器は、
入力される高周波の入力信号を一方の出力端子から前記移相器へ出力し、他方の出力端子から前記第２の結合器の一方の入力端子へ出力し、
前記第１の結合器の他方の出力端子からの信号が一方の入力端子へ入力される前記第２の結合器は、
前記移相器を経て入力される信号が他方の入力端子に入力され、
一方の出力端子は、前記メインアンプへ接続され、他方の出力端子は、前記ピークアンプへ接続され、
前記メインアンプは、前記第２の結合器の一方の出力端子から入力される信号を増幅して前記高結合度の結合器の一方の入力端子へ出力し、
前記ピークアンプは、前記第２の結合器の他方の出力端子から出力される信号を増幅して前記高結合度の結合器の他方の入力端子へ出力し、
前記検波制御手段は、
前記第１の結合器へ前記入力される高周波信号を検波してその信号レベルを測定し、前記高結合器の出力信号を所要の低挿入損失に留める範囲で、前記メインアンプ出力が飽和し始めるレベルまでは、前記第２の結合器の前記一方の出力端子の出力信号の減衰を小さく、前記他方の出力端子からの出力信号の減衰を大きく設定する前記位相調整信号を前記移相器へ出力し、前記飽和し始めた以降は、前記第２の結合器の前記一方の出力端子の出力信号の減衰を前記設定よりも増大させ、前記他方の出力端子の出力信号の減衰を前記設定よりも減少させる様に前記移相器の位相を調整する前記位相調整信号を前記移相器へ出力する
ことを特徴とする高周波電力増幅器の増幅方法。
前記メインアンプ又は、およびピークアンプは、
更にバイアス信号入力手段を備え、
前記検波制御手段は、
更に前記入力信号レベルに応じて前記メインアンプ又は、およびピークアンプの動作クラスを設定するバイアス制御信号を生成し、前記メインアンプ又は、およびピークアンプへ出力する
ことを特徴とする請求項５記載の高周波電力増幅器の増幅方法。
前記前記検波制御手段は、
低入力レベルでは、Ａ級増幅を行い、平均入力レベル付近では、スイッチング動作する様に制御する前記バイアス制御信号を前記メインアンプへ出力する
ことを特徴とする請求項６記載の高周波電力増幅器の増幅方法。
前記検波制御手段は、
前記メインアンプが飽和するまではＣ級の増幅動作をし、前記飽和が開始した以降は、Ａ級の増幅動作を行う前記バイアス制御信号を前記ピークアンプへ出力する
ことを特徴とする請求項６記載の高周波電力増幅器の増幅方法。