JP2010154460A - 高周波電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電源電圧を可変とする増幅装置の電力効率を更に向上させることができる高周波電力増幅装置を提供する。
【解決手段】 入力された基本波の入力レベルを検出する検波器５と、入力レベルに応じた電源電圧を出力するＤＣ−ＤＣコンバータ６と、高調波反射回路を備えた増幅器４の入力段に、２次高調波を発生する高調波発生器１０ａと、発生した２次高調波の位相を調整する可変移相器１０ｂと、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器１０ｃとを備え、基本波信号に２次高調波を注入して増幅器に入力する高周波電力増幅装置としている。
【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に係り、特に電源電圧を可変とする増幅装置において電力変換効率を向上させることができる高周波電力増幅装置に関する。

［先行技術の説明］
無線通信を行う基地局に使用される電力増幅装置は、コスト面から小型で高効率であることが要求されている。
一方、携帯電話等の無線通信では、通信速度の高速化・広帯域化が進んでおり、基地局向け電力増幅装置としては、広帯域且つ高効率であることが求められている。

［ＥＥＲ方式の増幅装置：図７］
これを実現する手法の一つとして、ＥＥＲ（Envelope Elimination and Restoration）方式がある。
ＥＥＲ方式の増幅装置について図７を用いて説明する。図７は、ＥＥＲ方式の増幅装置の概略構成ブロック図である。
図７に示すように、ＥＥＲ方式の増幅装置は、入力端子１と、出力端子２と、リミッタ３と、増幅器４と、検波器５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ（直流−直流変換器）６とを備えている。
リミッタ３は、入力信号を一定振幅の信号に変換し、位相情報を抽出する。
検波器５は、入力信号を検波して入力信号の振幅情報を検出する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、入力された直流電圧を別の直流電圧に変換する。

そして、上記ＥＥＲ方式の増幅装置では、振幅及び位相変調され入力端子１から入力された入力信号は、分岐され、一方がリミッタ３により一定の振幅の信号に変換されて、増幅器４に入力される。また、分岐された他方の信号は、検波器５で検波されて振幅情報が抽出され、ＤＣ−ＤＣコンバータ６に入力される。
ＤＣ−ＤＣコンバータ６からの出力電圧は、増幅器４における増幅素子の電源電圧（ソース接地ＦＥＴの場合にはドレイン電圧）であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、出力信号が入力信号の振幅変化と同様の振幅変化となるよう電源電圧を変化させ、振幅変調信号を出力する。
増幅器４への入力信号は、リミッタ３により振幅変動がなく、増幅器４を常に飽和動作に近い状態で動作させることができるため、高い電力効率を得ることができるものである。

また、ＥＥＲと類似する方式としてＥＴ（Envelope Tracking）方式があり、これは、増幅器の出力レベルが飽和を起こさない程度に電源電圧を可変とするものである。
ＥＥＲ方式、ＥＴ方式の電力増幅装置の電力効率は、使用する電力増幅器単体の効率に依存する。そのため、高い電力効率を得るためには、高い電力効率で動作する電力増幅器を使用する必要がある。
また、一般に、増幅器の電源電圧を変動させると、増幅器の出力特性が変化して、電力効率が劣化する場合がある。

一方、電力増幅器単体の電力効率を向上させるために、種々の高効率動作方式を取り入れた増幅器があり、例えばＦ級増幅器がある。

［従来のＦ級増幅器］
従来のＦ級増幅器について簡単に説明する。
Ｆ級増幅器は、能動素子であるＦＥＴのドレイン端子に高調波反射回路を接続して、デバイスから見た負荷インピーダンスを、偶数次高調波周波数に対して短絡、奇数次高調波周波数に対して開放とすることで、ＦＥＴのドレイン電圧とドレイン電流の波形が重ならないようにしたものである。

これにより、ＦＥＴの動作としては、ドレイン電流が流れているときにドレイン電圧がゼロとなり、逆にドレイン電圧が印加されているときにドレイン電流がゼロとなるので、ドレイン端子とソース端子間の消費電力を常にゼロの状態にすることができる。
すなわち、理想的にはＦＥＴのドレイン電圧とドレイン電流の時間波形が重なっていない状態として、ＦＥＴで消費する電力をゼロにすることができ、内部損失を抑えることができるものである。

［先行技術文献］
尚、高効率化を図る増幅器に関する先行技術としては、特開２００５−２０４２０８号公報（特許文献１）がある。
特許文献１には、増幅対象となる基本波信号に対する奇数次の高調波信号を発生させ、当該奇数次の高調波信号を増幅対象となる基本波信号と合成して矩形波信号を生成し、矩形波信号を能動素子により増幅し、当該能動素子の出力端から負荷側を見た場合における奇数次の高調波信号に対するインピーダンスの値を無限大とすると共に、偶数次の高調波信号に対するインピーダンスの値をゼロとするようにして、高効率化を実現できる増幅器が記載されている。

特開２００５−２０４２０８号公報

しかしながら、電源電圧を変化させるＥＥＲ方式やＥＴ方式の増幅装置では、増幅器単体の効率に全体の効率が依存するため、更なる効率向上を図るためには、より効率の高い増幅器が必要であるという問題点があった。

尚、上記特許文献１では、奇数次高調波を増幅器入力に注入することは記載されているが、偶数次高周波を注入することは記載されていない。

本発明は、上記実情を鑑みて為されたもので、電源電圧を変化させる方式の増幅装置において、一層の効率向上を図ることができる高周波電力増幅装置を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、入力信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器に、分岐された入力信号を検波して検出されたレベルに応じた電源電圧を供給する高周波電力増幅装置であって、入力信号を一定振幅に変換して分配し、分配された信号の一方から２次高調波を発生して、他方の信号と合成して前記増幅器に入力することを特徴としている。

また、本発明は、上記高周波電力増幅装置において、２次高調波の位相と振幅の少なくとも一方を、検出されたレベルに応じて制御することを特徴としている。

また、本発明は、上記高周波電力増幅装置において、予め入力信号のレベルと位相又は／及び振幅の制御情報とを対応付けて記憶しておき、２次高調波の位相又は／及び振幅の制御を、記憶されている情報を参照して、検出されたレベルに対応して記憶されている制御情報に基づいて行うことを特徴としている。

より具体的には、本発明は、分岐された入力高周波信号の一方を一定振幅に変換するリミッタと、他方を検波して入力レベルを検出する検波器と、入力レベルに応じて電圧変換し、増幅器の電源電圧として供給するＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた高周波電力増幅装置であって、増幅器が、入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備え、増幅器の入力段に、一定振幅に変換された基本周波数の基本波信号を分配する分配器と、分配された一方の基本波信号から２次高調波を発生する高調波発生器と、高調波発生器で発生した２次高調波の位相を調整する可変位相器と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器と、位相及び振幅が調整された２次高調波と分配された他方の基本波信号とを合成して増幅器に出力する合成器と、検波器で検出された入力レベルに応じて可変位相器を制御する位相制御信号を出力する第１の演算回路と、入力レベルに応じて可変減衰器を制御する振幅制御信号を出力する第２の演算回路とを備えたことを特徴としている。

また、本発明は、分岐された入力ベースバンド信号の一方を一定振幅に変換するリミッタと、他方を検波して入力レベルを検出する検波器と、入力レベルに応じて電圧変換し、増幅器の電源電圧として供給するＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた高周波電力増幅装置であって、増幅器が、入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備え、増幅器の入力段に、一定振幅に変換された入力ベースバンド信号をＤ／Ａ変換する第１のＤ／Ａ変換器と、第１のＤ／Ａ変換器でＤ／Ａ変換された信号を、基本周波数にアップコンバートして基本波信号を出力する第１の直交変調器と、複数の入力レベルに対応して、位相と振幅とを規定する複素係数を記憶するテーブルと、一定振幅に変換されたベースバンド信号を２乗して２次高調波のベースバンド成分を生成する２乗回路と、２次高調波のベースバンド成分に、検波器で検出された入力レベルに対応して前記テーブルに記憶されている複素係数を乗算して位相及び振幅を調整する複素乗算器と、複素乗算された２次高調波のベースバンド成分をＤ／Ａ変換する第２のＤ／Ａ変換器と、第２のＤ／Ａ変換器でＤ／Ａ変換された信号を、前記基本波信号の２倍の周波数にアップコンバートして２次高調波を出力する第２の直交変調器と、基本波信号と２次高調波とを合成して前記増幅器に出力する合成器とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、入力信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器に、分岐された入力信号を検波して検出されたレベルに応じた電源電圧を供給する高周波電力増幅装置であって、入力信号を一定振幅に変換して分配し、分配された信号の一方から２次高調波を発生して、他方の信号と合成して前記増幅器に入力する高周波電力増幅装置としているので、高調波反射回路で反射される高調波のレベルを増大させ、電流と電圧の波形の重なりを低減して効率を向上させることができ、電源電圧を可変とする広帯域対応の増幅装置において一層の効率向上を図ることができる効果がある。

また、本発明は、上記高周波電力増幅装置において、２次高調波の位相と振幅の少なくとも一方を、検出されたレベルに応じて制御する高周波電力増幅装置としているので、２次高調波の位相と振幅のいずれか一方又は両方を、入力レベルに応じて変化する電源電圧に合わせて最適となるよう調整することができ、変化する電源電圧に対応して最適な２次高調波を注入して、電源電圧を可変とする増幅装置の効率を一層向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、上記高周波電力増幅装置において、予め入力信号のレベルと位相又は／及び振幅の制御情報とを対応付けて記憶しておき、２次高調波の位相又は／及び振幅の制御を、記憶されている情報を参照して、検出されたレベルに対応して記憶されている制御情報に基づいて行う高周波電力増幅装置としているので、入力レベルに応じて変化する電源電圧に合わせて最適な位相／振幅となるような制御情報を記憶しておけば、２次高調波の位相／振幅を、電源電圧に応じて常に最適となるよう調整することができ、変化する電源電圧に対応して最適な２次高調波を注入して、電源電圧を可変とする増幅装置の効率を一層向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、分岐された入力高周波信号の一方を一定振幅に変換するリミッタと、他方を検波して入力レベルを検出する検波器と、入力レベルに応じて電圧変換し、増幅器の電源電圧として供給するＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた高周波電力増幅装置であって、増幅器が、入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備え、増幅器の入力段に、一定振幅に変換された基本周波数の基本波信号を分配する分配器と、分配された一方の基本波信号から２次高調波を発生する高調波発生器と、高調波発生器で発生した２次高調波の位相を調整する可変位相器と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器と、位相及び振幅が調整された２次高調波と分配された他方の基本波信号とを合成して増幅器に出力する合成器と、検波器で検出された入力レベルに応じて可変位相器を制御する位相制御信号を出力する第１の演算回路と、入力レベルに応じて可変減衰器を制御する振幅制御信号を出力する第２の演算回路とを備えた高周波電力増幅装置としているので、２次高調波の位相と振幅を、入力レベルに応じて変化する電源電圧に合わせて、常に最適な位相及び振幅となるよう調整することができ、変化する電源電圧に対応して最適な２次高調波を注入して、電源電圧を可変とする増幅装置の効率を一層向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、分岐された入力ベースバンド信号の一方を一定振幅に変換するリミッタと、他方を検波して入力レベルを検出する検波器と、入力レベルに応じて電圧変換し、増幅器の電源電圧として供給するＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた高周波電力増幅装置であって、増幅器が、入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備え、増幅器の入力段に、一定振幅に変換された入力ベースバンド信号をＤ／Ａ変換する第１のＤ／Ａ変換器と、第１のＤ／Ａ変換器でＤ／Ａ変換された信号を、基本周波数にアップコンバートして基本波信号を出力する第１の直交変調器と、複数の入力レベルに対応して、位相と振幅とを規定する複素係数を記憶するテーブルと、一定振幅に変換されたベースバンド信号を２乗して２次高調波のベースバンド成分を生成する２乗回路と、２次高調波のベースバンド成分に、検波器で検出された入力レベルに対応して前記テーブルに記憶されている複素係数を乗算して位相及び振幅を調整する複素乗算器と、複素乗算された２次高調波のベースバンド成分をＤ／Ａ変換する第２のＤ／Ａ変換器と、第２のＤ／Ａ変換器でＤ／Ａ変換された信号を、前記基本波信号の２倍の周波数にアップコンバートして２次高調波を出力する第２の直交変調器と、基本波信号と２次高調波とを合成して前記増幅器に出力する合成器とを備えた高周波電力増幅装置としているので、入力レベルに応じて変化する電源電圧に合わせて最適な位相と振幅となるような複素係数を記憶しておけば、２次高調波の位相と振幅を、電源電圧に応じて常に最適な位相及び振幅となるよう調整することができ、変化する電源電圧に対応して最適な２次高調波を注入して、電源電圧を可変とする増幅装置の効率を一層向上させることができる効果がある。

［発明の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅装置は、増幅器の電源電圧を変化させる高周波電力増幅装置において、増幅器の入力段に２次高調波を発生する２次高調波発生回路を備えると共に、増幅器の出力段に高調波反射回路を備えたものであり、２次高調波を高調波反射回路を備えた増幅器の入力信号に合成することによって、増幅器の高調波出力レベルを増大させ、出力の高調波反射レベルを増大させて、電圧電流波形の重なりを減らして効率を向上させることができ、電源電圧を可変とする高周波電力増幅装置の効率を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅装置は、上記高周波電力増幅装置において、入力レベルに応じて高調波発生回路のベクトル調整器を制御する演算回路とを備えており、入力レベルに応じて電源電圧が変化しても常に最適な位相及び振幅の２次高調波を注入することができ、電源電圧を可変とする高周波電力増幅装置の効率を一層改善することができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅装置は、増幅器の電源電圧を変化させる高周波電力増幅装置において、増幅器の入力段に、入力されたベースバンド信号からデジタル処理によって２次高調波を生成する高調波発生部を備え、増幅器の出力段に高調波反射回路を備えたものであり、ベースバンド信号から生成した２次高調波を高調波反射回路を備えた増幅器の入力信号に合成することによって、増幅器の高調波出力レベルを増大させ、出力の高調波反射レベルを増大させて電圧電流波形の重なりを減らして効率を向上させることができ、電源電圧を可変とする高周波電力増幅装置の効率を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅装置は、上記高周波電力増幅装置において、検出された入力レベルに対応して最適な位相及び振幅を規定する複素係数を記憶するテーブルを備え、電源電圧が入力レベルに応じて変化しても、常に最適な位相及び振幅の２次高調波を注入することができ、電源電圧を可変とする高周波電力増幅装置の効率を一層改善することができるものである。

［第１の実施の形態：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅装置について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅装置（第１の増幅装置）の構成ブロック図である。
図１に示すように、第１の増幅装置は、図７に示した従来のＥＥＲ方式の増幅装置と同様の部分として、入力端子１と、出力端子２と、リミッタ３と、増幅器４と、検波器５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６とを備え、第１の増幅装置の特徴部分として、分配器７と、遅延線８と、合成器９と、高調波発生回路１０とを備えている。更に、高調波発生回路１０は、高調波発生器１０ａと、可変位相器１０ｂと、可変減衰器１０ｃとから構成されている。図７に示した増幅装置と同様の部分については説明を省略する。

増幅器４は、高調波反射回路を備えた従来のＦ級増幅器である。増幅器４の高調波反射回路（図示せず）は、基本波の周波数に対して出力端子２に接続される負荷と整合をとり、且つ、その２次高調波周波数に対してトランジスタのドレイン端子で低インピーダンスとなる高周波終端回路である。すなわち、高調波反射回路は、２次高調波をよく反射する特性を備えている。

［高調波発生回路１０］
第１の増幅装置の特徴部分である高調波発生回路１０は、分配器７で分配された基本波から２次高調波を発生し、更に発生した２次高調波の位相及び振幅を調整して出力するものである。
高調波発生器１０ａは、入力された基本波から２次高調波を生成する。
可変位相器１０ｂは、高調波発生器１０ａで発生した２次高調波の位相を調整する。
可変減衰器１０ｃは、高調波発生器１０ａで発生した２次高調波の振幅を調整する。
尚、可変位相器１０ｂ及び可変減衰器１０ｃから成る部分は、発生した２次高調波のベクトル調整を行うベクトル調整器に相当し、可変位相器１０ｂと可変減衰器１０ｃの順序が逆であっても構わない。
また、可変位相器１０ｂ及び可変減衰器１０ｃは、特定の電源電圧のときに２次高調波の位相及び振幅が最適となるよう調整されている。

［高調波発生器１０ａ］
高調波発生回路１０の高調波発生器１０ａの構成について簡単に説明する。
高調波発生器１０ａは、入力端子と、入力整合回路と、ダイオードと、出力整合回路と、出力端子とが直列に接続された構成である。そして、ダイオードは入力端子から入力された基本波を入力して２次高調波を発生する。入力整合回路は、入力される信号を無駄なく伝達するために基本波に整合されたインピーダンス変換回路であり、出力整合回路は、ダイオードから発生する２次高調波をできるだけ無駄なく出力するために、２次高調波に整合されたインピーダンス変換回路である。尚、ダイオードの代わりにトランジスタを用いてもよい。

［第１の増幅装置の動作］
第１の増幅装置においては、入力端子１から入力された入力信号は、２つに分岐されて、一方は検波器５に入力されて振幅が検出され、ＤＣ−ＤＣコンバータ６において電圧が変換されて増幅器４の電源電圧として供給される。
分岐された他方の入力信号は、リミッタ３で振幅が制限されて、分配器７で分配され、その一方は高調波発生回路１０に入力される。
高調波発生回路１０に入力された信号は、高調波発生器１０ａに入力されて２次高調波が発生され、可変位相器１０ｂ、可変減衰器１０ｃで２次高調波の位相と振幅が調整され、合成器９に入力される。

分配器７で分配された他方の信号は、遅延線８で高調波発生回路１０における遅延量と同じになるように遅延され、合成器９において高調波と合成され、増幅器４に入力される。
そして、２次高調波が合成された信号は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６からの電源電圧によって増幅器４で増幅されて、出力端子２に出力される。
また、増幅器４では、高調波反射回路（図示せず）によって、高調波が反射されて増幅効率を向上させることができるものである。

［第１の実施の形態の効果］
第１の増幅装置によれば、増幅器４の電源電圧を可変とすると共に、高調波発生回路１０を設けて基本波の２次高調波を発生させて、増幅器４に入力される基本信号に２次高調波を注入しているので、増幅器４から出力される高調波のレベルを増大させて、高調波反射回路で反射される高調波のレベルを増大させ、電流と電圧の波形の重なりを低減して効率を向上させることができ、電源電圧を可変とする広帯域対応の増幅装置において一層の効率向上を図る効果がある。

特に、第１の増幅装置では、発生する高調波の中でもレベルが高い２次高調波に着目して、増幅器の入力に２次高調波を注入した上、出力では高調波反射回路で無駄なく２次高調波を反射させる構成としているので、効率向上の効果が大きくなるものである。

［第２の実施の形態：図２］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る高周波電力増幅装置について図２を用いて説明する。図２は、本発明の第２の実施の形態に係る高周波電力増幅装置（第２の増幅装置）の構成ブロック図である。
第１の増幅装置は、ＲＦ信号に変換された基本波信号から高調波を発生させるものであったが、第２の増幅装置は、入力されるベースバンド信号からデジタル処理により２次高調波を発生させるようにしている。

図２に示すように、第２の増幅装置は、図７に示した従来のＥＥＲ方式の増幅装置と同様の部分として、入力端子１と、出力端子２と、リミッタ３と、増幅器４と、検波器５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６とを備え、第２の増幅装置の特徴部分として、遅延回路１１と、Ｄ／Ａ変換器（第１のＤ／Ａ変換器）１２と、直交変調器（第１の直交変調器）１３と、局部発振器１４と、基準信号発生器１５と、２乗回路１６と、乗算器１７と、Ｄ／Ａ変換器（第２のＤ／Ａ変換器）１８と、直交変調器（第２の直交変調器）１９と、局部発振器２０と、合成器９とから構成されている。
ここで、２乗回路１６と、複素乗算器１７と、Ｄ／Ａ変換器１８と、直交変調器１９と、局部発振器２０で構成される回路が、高調波発生回路となっている。また、増幅器４は、高調波反射回路を備えたＦ級増幅器である。
尚、図７と同様の部分については説明を省略する。

第２の増幅装置の特徴部分について説明する。
２乗回路１６は、入力されたベースバンド信号についてU(n)・U^*(n)（^*：共役複素数）の複素演算を行って２次高調波のベースハンド信号を出力する。
乗算器１７は、複素乗算器であり、２乗回路１６から出力されるベースバンド信号に複素数の係数Ａを乗算して、振幅と位相を調整する。係数Ａは、振幅をα、位相をβとすると、Ａ＝α・ｅ^jβで表され、増幅器４の効率が改善するように、振幅αと位相βとを調整するようになっている。尚、係数Ａは、通常、特定の電源電圧のときに最適となるように設定されている。

Ｄ／Ａ変換器１８は、デジタル信号をアナログ信号に変換する。
局部発振器２０は、基準信号発生器１５から出力される基準信号ｆｃの２倍の周波数２ｆｃを出力する。
直交変調器１９は、Ｄ／Ａ変換器１８から出力された信号を周波数２ｆｃにアップコンバートする。
合成器９は、直交変調器１３から出力される周波数ｆｃの信号と、直交変調器１９から出力される２次高調波（周波数２ｆｃ）とを合成して、増幅器４に入力する。

［第２の増幅装置の動作］
第２の増幅装置では、入力端子１から入力されたベースバンド信号は、２つに分岐されて、一方は検波器５に入力されて振幅が検出され、ＤＣ−ＤＣコンバータ６において電圧が変換されて増幅器４の電源電圧として供給される。
分岐された他方の入力ベースバンド信号は、リミッタ３で振幅が制限されて、分配され、その一方は、遅延回路１１で遅延されてＤ／Ａ変換器１２でアナログ信号に変換され、直交変調器１３において、局部発振器１４からの周波数ｆｃにアップコンバートされ、合成器９に入力される。

一方、高調波発生回路に入力された信号は、２乗回路１６でU(n)・U^*(n)（^*：共役複素数）の複素演算が行われて２次高調波のベースバンド成分が算出され、複素乗算器１７において振幅と位相の調整が行われ、Ｄ／Ａ変換器１８でアナログ信号に変換される。そして、直交変調器１９で、局部発振器２０から出力される周波数ｆｃの２倍の周波数２ｆｃにアップコンバートされて、合成器９に入力される。

ここで、局部発振器１４と局部発振器２０とは同期していなければならないため、共通の基準信号発生器１５を備えている。
そして、直交変調器１３から出力される基本信号と、直交変調器１９から出力される２次高調波は、合成器６で合成されて増幅器４に入力され、ＤＣ−ＤＣコンバータ６からの電源電圧によって増幅器４で増幅されて出力端子２に出力される。
また、増幅器４では、高調波反射回路（図示せず）によって、高調波が反射されて増幅効率を向上させることができるものである。

［第２の実施の形態の効果］
第２の電力増幅器によれば、増幅器４の電源電圧を可変とすると共に、入力信号のベースバンド信号からディジタル処理によって２次高調波を発生させて、増幅器４に入力される基本信号に２次高調波を注入して高調波のレベルを増大させているので、高調波反射回路で反射される高調波のレベルを増大させて電流と電圧の波形の重なりを低減して効率を向上させることができ、電源電圧を可変とする広帯域対応の増幅装置において一層の効率向上を図る効果がある。

［２次高調波を注入したドレイン電流：図６］
次に、基本波に２次高調波を注入した場合のドレイン電流について図６を用いて説明する。図６は、基本波に２次高調波を注入した場合のドレイン電流を示す説明図である。
図６に示すように、入力電圧として基本波のみをトランジスタに入力した場合（２次高調波注入なし）に出力されるドレイン電流の波形に比べて、２次高調波を注入した場合には、電流が流れる期間が短くなり、Ｆ級増幅器における偶数次高調波周波数を短絡した波形のようになる。
基本波のみの入力では、出力される高調波のレベルが低く波形の形状変化が少ないが、２次高調波を注入することで、ドレイン電圧とドレイン電流との重なりを小さくして効率向上を図るものである。

［第３の高周波電力増幅装置：図３］
上述した第１及び第２の増幅装置においては、ある特定の電源電圧の条件下における効率改善が最大となるように、基本波に注入される２次高調波の位相及び振幅を調整しているため、ＥＥＲ方式やＥＴ方式のように増幅器の電源電圧が変動する場合には、２次高調波の位相及び振幅の調整が最適とはならず、効率が十分改善されなくなってしまうことがあった。

例えば、増幅器の電源電圧が変化すると、ソース・ドレイン間容量等、トランジスタが持つ特性が変化するため、トランジスタの出力端における高調波振幅及び位相の条件が最適条件からずれてしまう場合がある。

そこで、本発明の第３の実施の形態では、更に、増幅器に注入する２次高調波の位相及び振幅を、電源電圧の変化に対応して最適な値に調整することにより、電源電圧を可変としても高い電力効率を維持することができる高周波電力増幅装置を提供する。

本発明の第３の実施の形態に係る高周波電力増幅装置について図３を用いて説明する。図３は、本発明の第３の実施の形態に係る高周波電力増幅装置（第３の増幅装置）の構成ブロック図である。
図３に示すように、第３の増幅装置は、基本的な構成は、図１に示した第１の増幅装置の構成とほぼ同様であり、図１と同様の部分として、入力端子１と、出力端子２と、リミッタ３と、増幅器４と、検波器５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６と、分配器７と、遅延線８と、合成器９と、高調波発生回路１０とを備え、第３の増幅装置の特徴部分として、第１の演算回路２２と、第２の演算回路２３とを備えている。

また、高調波発生回路１０は、第１の増幅装置と同様に、高調波発生器１０ａと、可変位相器１０ｂと、可変減衰器１０ｃとから構成されている。尚、可変位相器１０ｂ及び可変減衰器１０ｃはベクトル調整器を構成しており、可変位相器１０ｂと可変減衰器１０ｃの順序が逆になってもかまわない。更に、高調波発生器１０ａとベクトル調整器の順序が逆になってもかまわない。

［第１、第２の演算回路］
第３の増幅装置の特徴部分について説明する。
増幅器４の電源電圧は、検波器５で検出された入力信号の入力レベルの変化に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ６で調整された電圧であるから、入力レベルに応じて可変位相器１０ｂを制御することにより、増幅器４の電源電圧に応じた位相制御を行うことができるものである。

第１の演算回路２２は、検波器５で検出された入力レベルに応じて、高調波発生回路１０の可変位相器１０ｂでの位相調整量を制御する位相制御電圧信号を出力するものである。位相制御電圧信号は、入力レベルに応じた電源電圧に合わせて、電源電圧に応じた最適な位相となるよう可変位相器１０ｂを制御する制御電圧である。

第２の演算回路２３は、検波器５で検出された入力レベルに応じて、可変減衰器１０ｃでの振幅調整量を制御する振幅制御電圧信号を出力するものである。振幅制御電圧信号は、入力レベルに応じた電源電圧に合わせて、最適な振幅調整を行うよう可変減衰器７３を制御する制御電圧である。

［可変位相器１０ｂ、可変減衰器１０ｃ］
第３の増幅装置の高調波発生回路１０の可変位相器１０ｂは、第１の演算回路２２からの指示に基づいて、随時、入力レベルに応じた２次高調波の位相調整を行い、可変減衰器１０ｃは、第２の演算回路２３からの指示に基づいて、随時、入力レベルに応じた２次高調波の位相調整、振幅調整を行うものである。

具体的には、第３の増幅装置の可変位相器１０ｂは、第１の演算回路２２から出力される位相制御電圧信号に基づいて２次高調波の位相を制御する。
また、可変減衰器１０ｃは、第２の演算回路２３から出力される振幅制御電圧信号に基づいて２次高調波の振幅を制御する。

これにより、第３の増幅装置では、特定の電源電圧の場合だけでなく、入力レベルに応じて調整される電源電圧に応じて、２次高調波の位相及び振幅を最適に調整することができ、基本波の入力レベルに応じて最適にレベル調整された２次高調波が合成点９に入力されるため、どのような電源電圧であっても十分な効率改善を実現することができるものである。

［第３の増幅装置の動作］
第３の増幅装置において、図１と同様の部分については動作も同様であるため説明は省略する。
第３の増幅装置では、検波器５で入力レベルが検出され、第１の演算回路２２は、入力レベルに応じて位相制御電圧信号を出力し、第２の演算回路２３は、入力レベルに応じて振幅制御電圧信号を出力する。
高調波発生回路１０では、高調波発生器１０ａで２次高調波を発生し、可変位相器１０ｂは、第１の演算回路２２からの位相制御電圧信号に基づいて２次高調波の位相を調整し、可変減衰器１０ｃは、第２の演算回路２３からの振幅制御電圧信号に基づいて２次高調波の振幅を調整する。
そして、電源電圧に最適に位相及び振幅が調整された２次高調波が合成器９に入力されるようになっている。

［第３の実施の形態の効果］
第３の増幅装置によれば、第１の電力増幅器の構成に加えて、入力信号の入力レベルに応じて高調波発生回路１０の可変位相器１０ｂを制御する第１の演算回路２２と、可変減衰器１０ｃを制御する第２の演算回路２３を設けているので、第１の電力増幅器の効果に加えて、入力レベルに合わせて調整される増幅器４の電源電圧に応じて、２次高調波の位相及び振幅が最適となるよう制御でき、最適な２次高調波を注入することにより、電源電圧が変化しても良好な効率改善を維持することができる効果がある。
尚、ここでは、十分大きな効果が得られるよう、可変位相器１０ｂと可変減衰器１０ｃの両方を制御する構成としているが、いずれか一方を制御するようにしてもよく、わずかな構成の追加で効率改善の効果が得られるものである。

［第４の実施の形態：図４］
次に、本発明の第４の実施の形態に係る高周波電力増幅装置について図４を用いて説明する。図４は、本発明の第４の実施の形態に係る高周波電力増幅装置（第４の増幅装置）の構成ブロック図である。
図４に示すように、第４の増幅装置の基本的な構成は、図２に示した第２の増幅装置の構成とほぼ同様であり、図２と同様の部分として、入力端子１と、出力端子２と、リミッタ３と、増幅器４と、検波器５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６と、遅延回路１１と、Ｄ／Ａ変換器１２と、直交変調器１３と、局部発振器１４と、基準信号発生器１５と、２乗回路１６と、乗算器１７と、Ｄ／Ａ変換器１８と、直交変調器１９と、局部発振器２０と、合成器９とを備え、更に、第４の増幅装置の特徴部分として、ＬＵＴ（Look Up Table）２１とを備えている。第２の増幅装置と同様の部分については説明を省略する。

第４の増幅装置の特徴部分について説明する。
ＬＵＴ２１は、乗算器１７において乗算される複素係数を記憶しており、検波器５からの入力レベルに応じて対応する複素係数を出力する。
上述したように、複素係数は、位相及び振幅を制御するための係数であり、複数の入力レベルと、各入力レベルでのベースバンド信号の最適な位相及び振幅を規定する複素係数とを対応付けて記憶している。複素係数Ａは、上述したように、Ａ＝α・ｅ^jβで表される（振幅をα、位相をβとする）。
また、振幅又は位相のいずれか一方を定数とし、他方のみを入力レベルに応じて変えた複素係数を記憶しておいてもよい。尚、ＬＵＴ２１に記憶されている複素係数は、請求項に記載した「制御情報」に相当している。

増幅器４の電源電圧は、検波器５で検出された入力信号の入力レベルに応じてＤＣ−ＤＣコンバータ６で調整された電圧であるから、入力レベルに応じて適切な係数を設定しておくことにより、増幅器４の電源電圧に応じた位相及び振幅の制御を行うことができるものである。

ベースバンド信号の最適な位相及び振幅とは、それぞれの電源電圧の場合において増幅器４で最大の効率改善が得られる２次高調波を出力するための、ベースバンド信号の位相及び振幅の値である。
そして、ＬＵＴ２１は、検波器５から、検出された入力レベルが入力されると、入力レベルの値に対応して記憶されている複素係数を乗算器１７に出力する。

［第４の増幅装置の動作］
第４の増幅装置において、第２の増幅装置と同じ構成の部分については動作も同様であるため、説明は省略する。
検波器５は、入力されたベースバンド信号を検波して入力レベルを検出し、ＬＵＴ２１は、入力レベルに応じて記憶されている複素係数を乗算器１７に出力する。乗算器１７は、予め特定の電源電圧に合わせて設定された特定の複素係数ではなく、ＬＵＴ２２から出力される複素係数を２乗回路１６の出力に乗算して、ベースバンド信号の位相及び振幅を入力レベルに応じて最適に調整する。

そして、電源電圧に応じて位相及び振幅が最適に調整されたベースバンド信号をＤ／Ａ変換器１８でＤ／Ａ変換し、直交変調器１９で基本周波数の２倍の周波数にアップコンバートして２次高調波を生成して、合成器９に入力する。
このようにして、第４の電力増幅器の動作が行われる。

［第４の実施の形態の効果］
第４の増幅装置によれば、第２の増幅装置の構成に加えて、入力レベルに応じた最適な位相及び振幅を規定する複素係数を記憶するＬＵＴ２１を備え、乗算器１７が、検出された入力レベルに対応する複素係数を、ベースバンド信号に乗算してその位相及び振幅を調整するようにしているので、第２の電力増幅器の効果に加えて、入力レベルに合わせて調整される増幅器４の電源電圧に応じて、２次高調波の位相及び振幅が最適となるよう制御でき、最適な２次高調波を注入することにより、電源電圧が変化しても良好な効率改善を維持することができる効果がある。
また、ＬＵＴ２１に、位相又は振幅のいずれか一方を定数として、他方を入力レベルに応じて規定する複素係数を記憶しておき、２次高調波の位相又は振幅のいずれか一方を制御するようにしても、効率改善の効果は得られるものである。

［増幅器の効率特性の比較：図５］
次に、本発明の実施の形態に係る増幅装置の効率について図５を用いて説明する。図５は、増幅器の効率特性を比較する模式説明図である。
図５では、従来のＥＥＲ方式の増幅装置（図では「従来構成のＥＥＲ」）と、第１及び第２の増幅装置（図では「実施例１・実施例２」）と、第３及び第４の増幅装置（図では「実施例３・実施例４」）について、電源電圧と電力効率とを示している。
図５に示すように、広い電源電圧の範囲において、第１、第２の増幅器及び第３、第４の増幅器は、いずれも、高調波を注入しない従来のＥＥＲ方式の増幅装置に比べて効率が改善されている。

また、第１、第２の増幅装置では特定の電源電圧の場合に合わせて、２次高調波の位相及び振幅を調整しているために、電源電圧がその点から変化すると効率が低下するのに対し、第３、第４の増幅装置では、２次高調波の位相及び振幅が電源電圧に応じて最適に制御されるので、電源電圧を変化させても効率の低下が少なく、高い効率を維持できることがわかる。

また、本発明の実施の形態に係る増幅装置を、歪補償方式であるＤＰＤ（Digital Pre-distortion）やＦＦ（Feed Forward）方式と組み合わせてもよく、高効率で且つ歪の小さい特性を備えた高周波電力増幅装置を提供することができるものである。

また、ここでは２次高調波のみについて、入力信号に注入することや入力レベルに応じて位相及び振幅を最適化することを説明したが、高調波発生回路から２次以外の偶数次高調波が発生する場合には、これらの高次高調波についても同様に注入や位相及び振幅の最適化を適用することも可能である。

本発明は、電源電圧を可変とする方式の増幅装置において、電力変換効率を向上させることができる高周波電力増幅装置に適している。

本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅装置（第１の増幅装置）の構成ブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る高周波電力増幅装置（第２の増幅装置）の構成ブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る高周波電力増幅装置（第３の増幅装置）の構成ブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る高周波電力増幅装置（第４の増幅装置）の構成ブロック図である。 増幅器の効率特性を比較する模式説明図である。 基本波に２次高調波を注入した場合のドレイン電流を示す説明図である。 ＥＥＲ方式の増幅装置の概略構成ブロック図である。

符号の説明

１…入力端子、 ２…出力端子、 ３…リミッタ、 ４…増幅器、 ５…検波器、 ６…ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ７…分配器、 ８…遅延線、 ９…合成器、 １０…高調波発生回路、 １０ａ…高調波発生器、 １０ｂ…可変位相器、 １０ｃ…可変減衰器、 １１…遅延回路、 １２，１８…Ｄ／Ａ変換器、 １３，１９…直交変調器、 １４，２０…局部発振器、 １５…基準信号発生器、 １６…２乗回路、 １７…複素乗算器、 ２１…ＬＵＴ、 ２２…第１の演算回路、 ２３…第２の演算回路

Claims (2)

1. 入力信号を増幅する増幅素子と、前記増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器に、分岐された前記入力信号を検波して検出されたレベルに応じた電源電圧を供給する高周波電力増幅装置であって、
   前記入力信号を一定振幅に変換して分配し、前記分配された信号の一方から２次高調波を発生して、他方の信号と合成して前記増幅器に入力することを特徴とする高周波電力増幅装置。
2. ２次高調波の位相と振幅の少なくとも一方を、検出されたレベルに応じて制御することを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅装置。

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