JP2010177771A

JP2010177771A - 高周波増幅回路

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Publication number: JP2010177771A
Application number: JP2009015507A
Authority: JP
Inventors: Masashi Ishida; 正志石田; Tamaki Yoda; 環誉田; Akira Yamada; 山田　　明; Hiroshi Morita; 洋守田; Kunihiko Furuki; 邦彦古木
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: JP5258597B2

Abstract

【課題】温度変動における増幅素子の特性のばらつきを補正可能な高周波増幅回路を提供する。
【解決手段】高周波増幅回路１は、増幅素子５３の雰囲気温度を検出する温度ＩＣ３４と、増幅素子に入力される高周波信号のレベルを調整する電圧可変減衰器３６、Ｄ／Ａ変換器１１及び演算増幅器３５と、増幅素子の雰囲気温度に対する利得特性を記憶する補正テーブル５２と、温度ＩＣ３４により測定された温度と補正テーブル５２に記憶された利得特性とに基づいて制御するＣＰＵ１２と、を有し、ＣＰＵ１２は、増幅素子の雰囲気温度と補正テーブル５２に記憶された利得特性から増幅素子５３の入力が予め決められたレベルになるように電圧可変減衰器３６を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力された高周波信号を増幅素子によって増幅して出力する高周波増幅回路に関し、特に増幅素子の温度補償が可能な高周波増幅回路に関する。

従来より、無線通信機の高周波回路では、トランジスタ、ＦＥＴ、ＭＭＩＣ等を用いた高周波増幅回路が一般的であり、特に携帯電話や携帯電話用基地局等に多く用いられている。近年、携帯電話の普及に伴い、基地局の出力、回線数及び通信方式（Ｗ−ＣＤＭＡ等）の採用による通信速度の向上が図られ、基地局における高周波増幅回路の高出力化が進められた。

一般的に、高周波増幅回路は、デバイスや回路の個体差により定格レベルの高周波信号を入力しても、出力レベルには個体別に差異が観測される。この為、個体バラツキを補正し、利得を許容範囲に調整する利得調整回路が必要となる。また、高周波増幅回路は広い環境温度範囲（例えば、−２０℃〜５０℃）での動作を求められる為、増幅素子において温度変化による利得の変動が発生しても増幅回路としては利得を所定の範囲内に抑える必要があり、温度補償が必要となる。

図８は従来の高周波増幅回路１００の一例を示している。高周波増幅回路１００には、個体バラツキを調整する為のボリューム１０２と、温度上昇により低下する利得を補償する為、温度上昇に伴って抵抗値が減少する感温抵抗とが、増幅素子１０１の入力側に接続されている。しかし、増幅素子の利得温度変化特性には個体バラツキがあり、感温抵抗との組み合わせによっても許容範囲を超える場合があり、この場合は感温抵抗の交換作業が発生していた。

このような交換を回避する方法として、温度変化と抵抗変化を任意に設定することができるように、感温抵抗の抵抗変化をＡ／Ｄ変換器により検出してＤ／Ａ変換器により抵抗を変化させる閉ループ制御が望まれていた。

特許文献１には、高周波増幅回路において、Ａ／Ｄ変換器によりドレイン電流を測定し、測定した電流値に基づいてＤ／Ａ変換器によりゲート電圧を調整することでバイアス変動を低減させる技術が開示されている。

特開平１０−２９０１２９号公報

上述したように、感温抵抗にて温度補正を行う場合には、初期設定として感温抵抗の特性確認とオフセット等のばらつきを調整するボリューム調整と、場合によっては感温抵抗の交換が必要であった。これを解決する目的で、温度変化と抵抗変化を任意に設定することができるように、感温抵抗の抵抗変化をＡ／Ｄ変換器により検出してＤ／Ａ変換器により抵抗を変化させる閉ループ制御を組み込むことは、高周波増幅回路のコストアップとなる。

また、特許文献１では、コンピュータを用いて閉ループ制御によりバイアス変動を低減させることは可能であるが、温度変動における利得調整は制御されておらず、増幅素子の出力レベルのずれに対応できない場合がある。

そこで、本発明の高周波増幅回路は増幅素子を単体又は並列接続する構成とした場合でも、温度変動における増幅素子間の特性のばらつきを補正するレベル調整手段を設けることで増幅素子の特性のばらつきと温度補償の精度のばらつきを予め決められた範囲内に調整することのできる高周波増幅回路を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る高周波増幅回路は、入力された高周波信号を増幅素子によって増幅して出力する高周波増幅回路において、増幅素子の雰囲気温度を検出する温度検出手段と、入力された高周波信号のレベルを調整するレベル調整手段と、増幅素子の雰囲気温度に対する利得特性を記憶する記憶手段と、温度検出手段により検出された温度と記憶手段に記憶された利得特性とに基づいてレベル調整手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、増幅素子の雰囲気温度と記憶手段に記憶された利得特性から増幅素子の出力が予め決められたレベルになるように制御する制御値をレベル調整手段へ出力し、レベル調整手段は、増幅素子に入力される高周波信号のレベルを制御値により調整することを特徴とする。

また、本発明に係る高周波増幅回路において、前記増幅素子は、並列接続された複数の増幅素子からなる増幅素子群であることを特徴とする。

また、本発明に係る高周波増幅回路は、高周波信号を並列接続された複数の増幅素子に入力し、各増幅素子からの出力を合成して出力する高周波増幅回路において、各増幅素子の雰囲気温度を検出する温度検出手段と、複数の増幅素子にそれぞれ対応して設けられ、入力された各高周波信号の利得を調整するレベル調整手段と、各増幅素子の雰囲気温度に対する利得特性を記憶する記憶手段と、温度検出手段により測定された温度と記憶手段に記憶された利得特性とに基づいて各レベル調整手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、各増幅素子の雰囲気温度と記憶手段に記憶された利得特性から各増幅素子の出力が予め決められたレベルであり、かつ、均一値になるように制御する制御値を各レベル調整手段へ出力し、各レベル調整手段は、各増幅素子に入力される高周波信号のレベルを制御値により調整することを特徴とする。

本発明に係る高周波増幅回路は、コストアップを抑え、増幅素子の特性のばらつきと温度補償の精度のばらつきを補正可能とすると共に、増幅素子に過大入力があった際も、レベル調整手段により増幅素子の保護ができるという効果がある。

本発明の第１の実施形態に係る高周波増幅回路の構成を示す回路図である。本発明の第１の実施形態における利得特性を示す特性図である。第１の実施形態に係る高周波増幅回路の制御の処理の流れを示すフローチャート図である。第１の実施形態に係る高周波増幅回路の初期設定の処理の流れを示すフローチャート図である。第１の実施形態に係る高周波増幅回路の実動作の処理の流れを示すフローチャート図である。第２の実施形態に係る高周波増幅回路の構成を示す回路図である。第３の実施形態に係る高周波増幅回路の構成を示す回路図である。従来の感温抵抗を用いた高周波増幅回路の構成を示す回路図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
（第１の実施形態）

図１は第１の実施形態に係る高周波増幅回路１の構成を示している。高周波増幅回路１は、基地局の最終段増幅器の回路であり、高周波増幅回路から出力された信号は図示しないアンテナ装置に供給される。高周波増幅回路１は、高周波信号を増幅する増幅素子５３と、増幅素子５３の前段に接続される電圧可変減衰器３６と、増幅素子５３の雰囲気温度を検出する温度ＩＣ３４と、温度ＩＣ３４で検出された温度と補正テーブル５２の補償値とに基づいてＤ／Ａ変換器１１に制御信号を出力させるＣＰＵ１２と、Ｄ／Ａ変換器１１からの制御信号を増幅して電圧可変減衰器３６に出力する演算増幅器３５と、を有する。ＣＰＵ１２は、温度変化によって特性が変化する増幅素子５３に対し、増幅素子５３への入力レベルを電圧可変減衰器３６を用いて調整することで増幅素子５３の出力レベルを制御する。

本実施形態に係る高周波増幅回路１は、コストダウンの為に、故障診断等他の目的にも使用しているＣＰＵ１２に温度制御機能を兼用させている。また、Ａ／Ｄ変換器を削除するために本実施形態では従来の感温抵抗の替わりに温度ＩＣ３４とし、温度補償用の補正テーブル５２を作成するための補正用ＣＰＵ６５と電力計６６が用いられている。

更に、ＣＰＵ１２に接続されている温度ＩＣ３４は、シリアル通信ポートを有する半導体温度センサであるため、増幅素子５３近傍の磁界及び電界に影響されることなく、感温抵抗などの温度センサに比べて正確な温度測定が可能である。

なお、本実施形態では、高周波増幅回路１の補正テーブル作成時のみ補正用ＣＰＵ６５とＣＰＵ１２とをシリアル回線で接続し、電力計６６を高周波増幅回路１に接続して補正テーブル５２を作成することで、補正テーブル作成時に増幅素子５３の特性を把握することが可能となる。

図２には本実施形態の増幅器５０の利得特性を示し、図中横軸は基板温度、縦軸は利得を示している。図中点線は補正テーブル作成前の「利得個別ばらつき補償・温度補償無し」の利得の変化を示し、図中実線は補正テーブル作成後の「利得個別ばらつき補償・温度補償有り」の利得の変化を示している。本実施形態では、図１の電圧可変減衰器３６により、常温における利得個別ばらつき（オフセット：Ａ）を補正し、温度補償による基板温度変化に対する傾き（傾き：Ｂ）を補正して低温から高温までの間において、一定の利得を実現している。

図３は高周波増幅回路の制御の概要を示し、図中のステップＳ１の初期設定は、例えば、製造ラインにおける初期設定処理を示す。ステップＳ２は初期設定で得られた温度補償データをロードする処理であり、ステップＳ３は電源投入後の温度補償実動作の処理を示している。また、ステップＳ１とステップＳ３とは、複数の処理を実行するサブルーチンであり、その詳細を図４（初期設定）と図５（実動作）に示している。

図３のステップＳ１では、増幅器を雰囲気温度を自由に変えることのできる恒温槽に入れて温度補償データを作成する。これらの処理は、図１のＣＰＵ１２と補正用ＣＰＵ６５とにより実行される。

図４には初期設定の処理の流れの詳細が示されている。ステップＳ１０において、操作者が図１の高周波増幅回路１を恒温漕に設置する。ステップＳ１２において、利得個別ばらつき（オフセット）補償を行うため、操作者は、恒温漕を常温状態（例えば２５度）にして増幅器５０へ定格入力を与え、その際の出力レベルを図１の補正用ＣＰＵ６５を用いて電力計６６で測定させ、補正用ＣＰＵ６５を介して高周波増幅回路１のＣＰＵ１２へ送信させる。ＣＰＵ１２は、増幅器５０の定格利得となるように電圧可変減衰器３６への制御値を調整してその制御値をＣＰＵ１２が補正テーブル５２に記憶する。以降、増幅器５０の電源を投入した際には、増幅器５０が定格利得となるよう、電圧可変減衰器３６が制御されることになる。

次に、ステップＳ１４において、操作者は恒温槽内を増幅器５０の仕様上の最低温度（例えば−２０度）に設定して、ステップＳ１２と同じ要領で図１の増幅器５０の利得を規定値に設定する。また、ＣＰＵ１２は、その際の電圧可変減衰器３６の制御値と増幅器５０の雰囲気温度を温度ＩＣ３４で検出して補正テーブル５２に記憶する。

次に、ステップＳ１６において、操作者は恒温槽内を増幅器５０の仕様上の最高温度（例えば５０度）に設定して、ステップＳ１２と同じ要領で図１の増幅器５０の利得を規定値に設定する。また、ＣＰＵ１２は、その際の電圧可変減衰器３６の制御値と増幅器５０の雰囲気温度を温度ＩＣ３４で検出して補正テーブル５２に記憶する。

最後に、ステップＳ１８において、ＣＰＵ１２は、ステップＳ１２〜Ｓ１６の測定結果から規定の利得となる電圧可変減衰器３６の制御値と雰囲気温度との結果から電圧可変減衰器３６の制御値の傾きを計算して補正テーブル５２を作成する。図４のステップＳ１８では、このようにして得られた温度補償データを統計データとして組み入れ、例えば、最小二乗法を適用して多項式近似式を求めて、代表値を作成する。以上の処理が終了すると図３のステップＳ２へ移ることになる。また、量産時において生産ロット内で温度補償データが安定した場合には、ステップＳ２において、完成した温度補償データの代表値のロードのみを行う処理としてもよい。なお、初期設定中にアイドル電流設定値のばらつきを統計的に把握することで、生産ロット毎の特性把握が可能となる。

図５は高周波増幅回路１の温度補償実動作におけるサブルーチン処理の流れを示している。実動作（図３のステップＳ３）の温度取得処理であるステップＳ２０において、温度ＩＣ３４により雰囲気温度を常時測定する。次に、ステップＳ２２において、ＣＰＵ１２は補正テーブル５２を参照して各温度で増幅器５０の利得が一定となる制御値を求め、ステップＳ２４にて、制御値をＤ／Ａ変換器１１に出力し、制御信号を電圧可変減衰器３６に出力して増幅器５０の入力レベルを制御して最初に戻ることになる。このような処理を繰り返すことで、増幅器５０の出力レベルの温度補正が可能となる。
（第２の実施形態）

図６には、高出力化のため二つの増幅素子５３を並列接続した高周波増幅回路２の構成が示されている。第２の実施形態に係る高周波増幅回路２は、増幅素子５３を並列接続して一群化した増幅素子群（第３段増幅器５０）として一つの温度ＩＣ３４により雰囲気温度を検出し、ＣＰＵ１２が一つの補正テーブル５２に基づいて電圧可変減衰器３６を制御することで温度補償を行うものである。

本実施形態の高周波増幅回路２では、並列接続された増幅素子５３を駆動するための第１段増幅器１０及び第２段増幅器２０を設け、上流側である第１段増幅器１０の入力に電圧可変増幅器３６を接続することにより、基板上の雰囲気温度がほぼ等しいと仮定し、第１増幅器１０と第２増幅器２０とを含めて温度補償を行っている。

なお、本実施形態では増幅素子５３を並列２個接続したが、これに限るものではなく、並列３個以上接続してもよい。また、本実施形態では電圧減衰器が上流側である第１段増幅器の入力に接続したが、第２段増幅器又は第３段増幅器の入力に設けることも可能であり、本発明の及ぶ範囲を限定するものではない。
（第３の実施形態）

次に、複数の増幅素子を個別の温度ＩＣ及び補正デーブルにより温度補償を行う第３の実施形態について説明する。図７は、第３段Ａ増幅器と第３段Ｂ増幅器を並列接続し、第３段Ａ増幅器と第３段Ｂ増幅器とに、増幅素子５３と、温度ＩＣ３４と、電圧可変減衰器３６と、演算増幅器３５と、対応する補正テーブルと、をそれぞれ設けた高周波増幅回路３の構成を示している。

入力端子ＩＮに入力された入力信号は、第１段増幅器１０と第２段増幅器２０とで増幅され、第３段増幅器５０に入力される。第３段増幅器５０に入力された高周波信号は、第３段Ａ増幅器と第３段Ｂ増幅器にそれぞれ入力される。ＣＰＵ１２は、各温度ＩＣ３４にて各増幅素子５３の雰囲気温度を測定し、各補正テーブル５２の補正値に基づいて、各Ｄ／Ａ変換器１１及び各演算増幅器３５により各電圧可変減衰器３６を制御する。各電圧可変減衰器はそれぞれ温度補償が行われた入力を各増幅素子５３に供給し、均一な出力レベルとなった出力信号が合成されて第３段増幅器５０の出力端子ＯＵＴから出力される。

このような高周波増幅回路３は、高周波信号を並列接続された複数の増幅素子で増幅する。特に、各増幅素子が別基板で実装されるような場合では、雰囲気温度が一様でないため増幅素子毎の利得にばらつきや出力レベルにばらつきが発生し、出力信号に歪みが発生し易くなる。このような場合には、複数増幅素子の入力レベル調整をそれぞれの増幅素子毎に設けられた電圧可変減衰器３６を用いて各増幅素子の出力レベルを均一に保つことが好適である。

並列接続により実現された数百ワット級の高周波増幅回路の場合には、増幅素子の雰囲気温度が、例えば、５０度に近づくに従い、増幅素子の性能劣化が顕著となることから、単なる温度補償だけでなく過熱保護をする必要がある。本実施形態では、ＣＰＵ１２が温度ＩＣ３４にて常時温度検出を行い、過熱を防止すべく各増幅器の出力レベルを均一に保ちながら利得を制御することが可能である。

以上、上述したように、本実施形態に係る高周波増幅回路は、コストアップを抑えて閉ループ制御を実現し、増幅素子の利得のばらつきと温度補償の精度のばらつきを補正すると共に、増幅素子に過大入力があった際も、レベル調整手段により増幅素子の保護が可能となる。また、本実施形態で説明した高周波増幅回路では、ケースに組み込まれて基地局アンテナの近傍もしくは直射日光が当たる高所に配置され日照により高温、さらに、放射冷却で低温となり易いため、本発明で示した精度の高い温度補償機能は極めて好適である。

本発明に係る高周波増幅器は、特に増幅素子の温度補償が可能な高周波増幅回路に関し、入力された高周波信号を増幅素子によって増幅して出力する高周波増幅回路に利用することが可能である。

１，２，３，１００高周波増幅回路、１０第１段増幅器、１１Ｄ／Ａ変換器、１２ＣＰＵ、２０第２段増幅器、５０第３段増幅器、５１第３段Ａ増幅器、３５演算増幅器、３４温度ＩＣ、３６電圧可変減衰器、５３，１０１増幅素子、６１第３段Ｂ増幅器、５２補償テーブル、６５補正用ＣＰＵ，６６電力計、１０２ボリューム、１０３感温抵抗。

Claims

入力された高周波信号を増幅素子によって増幅して出力する高周波増幅回路において、
増幅素子の雰囲気温度を検出する温度検出手段と、
入力された高周波信号のレベルを調整するレベル調整手段と、
増幅素子の雰囲気温度に対する利得特性を記憶する記憶手段と、
温度検出手段により検出された温度と記憶手段に記憶された利得特性とに基づいてレベル調整手段を制御する制御手段と、
を有し、
制御手段は、増幅素子の雰囲気温度と記憶手段に記憶された利得特性から増幅素子の出力が予め決められたレベルになるように制御する制御値をレベル調整手段へ出力し、
レベル調整手段は、増幅素子に入力される高周波信号のレベルを制御値により調整することを特徴とする高周波増幅回路。
請求項１に記載の高周波増幅回路において、
前記増幅素子は、並列接続された複数の増幅素子からなる増幅素子群であることを特徴とする高周波増幅回路。
高周波信号を並列接続された複数の増幅素子に入力し、各増幅素子からの出力を合成して出力する高周波増幅回路において、
各増幅素子の雰囲気温度を検出する温度検出手段と、
複数の増幅素子にそれぞれ対応して設けられ、入力された各高周波信号の利得を調整するレベル調整手段と、
各増幅素子の雰囲気温度に対する利得特性を記憶する記憶手段と、
温度検出手段により測定された温度と記憶手段に記憶された利得特性とに基づいて各レベル調整手段を制御する制御手段と、
を有し、
制御手段は、各増幅素子の雰囲気温度と記憶手段に記憶された利得特性から各増幅素子の出力が予め決められたレベルであり、かつ、均一値になるように制御する制御値を各レベル調整手段へ出力し、
各レベル調整手段は、各増幅素子に入力される高周波信号のレベルを制御値により調整することを特徴とする高周波増幅回路。