JP2010193152A

JP2010193152A - 高周波増幅器および増幅方法

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Publication number: JP2010193152A
Application number: JP2009035196A
Authority: JP
Inventors: Toru Kijima; 徹来島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2010-09-02

Abstract

【課題】高効率な高周波増幅器、及び増幅方法を提供する。
【解決手段】ハイブリッド３ａで分岐した信号をそれぞれエンベロープトラッキングを用いるアンプ６ａ、６ｂで増幅する系統として、その各々の系統に可変位相器４ａ、４ｂを挿入する。出力側にはハイブリッド３ｂを配置して前記両アンプの出力を合成し、高周波増幅器としての出力端子ｏとは反対の出力端子を定インピーダンス終端せず、接地または開放とし、挿入された可変位相器４ａ、４ｂの位相により両アンプ側に出力信号を反射する構成とする。そして、入力信号のエンベロープ信号レベルに応じて、エンベロープアンプ５が出力するバイアス電圧及び、制御器２の出力する信号により可変位相器４ａ、４ｂの位相を制御し出力インピーダンスを調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンベロープトラッキング法を用いた高効率な高周波増幅器および増幅方法に関する。

通信、放送等に用いられるＣＤＭＡ、ＯＦＤＭの多値変調方式は、変調信号のピーク電力と平均電力の比が大きく、増幅器は飽和電力からバックオフをとって使用する必要がある。バックオフをとると、従来のＡ級、ＡＢ級の動作では一般に増幅器の効率が低下するので、バックオフをとった動作点でも増幅器の効率が低下しない高効率化技術の開発が行われている。

その１つの方法としてエンベロープトラッキング法がある。エンベロープトラッキング法を用いた増幅器は、入力信号に応じて増幅器の半導体素子のバイアス電圧（増幅素子がＦＥＴならドレイン電圧）を制御するが、そのバイアス電圧に応じて増幅器の最適負荷インピーダンスも変化するので、その分、理想特性にならない。

このため、例えば、増幅器のバイアス電圧制御時に入出力回路のインピーダンスも同時に制御する提案がなされているが、インピーダンス制御の方法は、可変インピーダンス素子（例えば、可変容量ダイオード）を使用すると記されているのみでその詳細は不明である（例えば、特許文献１。）。

また、特性劣化を改善するためには出力側のインピーダンス制御が効果があるが、大電力を出力する増幅器の場合、それに耐えうる可変容量ダイオード等の可変インピーダンス素子の採用は困難で、また、そのような素子を使用しても挿入損失が劣化し、反対に増幅器の効率が低下する問題が有った。

特開２００８−１２４９４７号公報

従来のバックオフをとりかつ、高効率を確保する為に採用されるエンベロープトラッキングでは、入力信号に応じて増幅器の半導体素子のバイアス電圧を制御するが、その際に、増幅器の最適負荷インピーダンスも変化し、その分、理想特性にならない問題があった。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、高効率な高周波増幅器、及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、本発明の高周波増幅器は、入力信号を検波したエンベロープの信号から生成されるバイアス信号により増幅動作が制御されるエンベロープトラッキング法のアンプによる高周波増幅器において、入力信号を２分岐する第一のハイブリッドカプラと、前記分岐された一方の信号を入力して増幅する第１の前記アンプと、前記分岐された他方の信号を入力して増幅する第２の前記アンプと、第１、および第２の前記アンプそれぞれの入力に挿入される第１、第２の可変位相器と、第１、第２の前記アンプからの出力信号がそれぞれの入力端子へ入力され、一方の出力端子が接地、または、開放状態とされ、他方の出力端子は、入力された両信号を合波して出力する第２のハイブリッドカプラと、前記検波信号から、前記第１、第２の可変位相器が第１、第２の前記アンプへ出力する信号の位相を変化させる位相制御信号を生成して前記第１、第２の可変位相器へ出力する制御手段とを具備することを特徴とする。

また本発明の高周波増幅器の増幅方法は、入力信号を検波したエンベロープの信号から生成されるバイアス信号により増幅動作が制御されるエンベロープトラッキング法のアンプと、ハイブリッドと、可変位相器と、位相制御器とを備え、前記入力信号を増幅して出力する高周波増幅器の増幅方法において、第一の前記ハイブリッドカプラが入力信号を２分岐して第１および、第２の前記可変移相器へ出力し、第１の前記可変移相器は、前記分岐された一方の信号を入力して第１の前記アンプへ出力し、第２の前記可変移相器は、前記分岐された他方の信号を入力して第２の前記アンプへ出力し、第１、第２の前記アンプは、それぞれ前記バイアス信号に制御されて増幅した信号をそれぞれ第２のハイブリッドの第１、第２の入力端子へ出力し、第１、および第２の前記アンプから信号が入力される第２のハイブリッドは、一方の出力端子が接地、または、開放状態とされ、他方の出力端子が前記入力された両信号を合波してから出力し、前記位相制御器は、前記エンベロープ信号から、前記第１、第２の可変位相器が第１、第２の前記アンプへ出力する信号の位相を変化させる位相制御信号を生成して前記第１、第２の可変位相器へ出力し、両前記アンプの出力インピーダンスを調整することを特徴とする。

本発明によれば、負荷インピーダンスの変動を抑え高効率である高効率高周波増幅器、及び増幅方法を提供することが出来る。

本発明の実施例に係わる高周波増幅器の動作を説明する機能ブロック図。高周波増幅器の動作の１例を示すスミス線図。高周波増幅器の他の動作の例を示すスミス線図。本発明の高周波増幅器の他の実施例を示す機能ブロック図。出力側ハイブリッドの一方の出力端子を開放した高周波増幅器の機能ブロック図。本発明の別の実施例を示す機能ブロック図。

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関わる高周波増幅器Ａの機能構成を示すブロック図である。

高周波増幅器Ａは、入力信号を検波しそのレベル信号を出力するレベル検波器１、レベル信号が入力され、位相制御信号を出力する制御器２、ハイブリッド３ａ、３ｂ、可変移相器４ａ、４ｂ、エンベロープアンプ５、アンプ６ａ、６ｂ、電気長がθ３の２つの遅延線路７と、および電気長がθ５である遅延線路８とを備える。ハイブリッド３ａ、３ｂは、以下では１８０°ハイブリッドを用いる場合について動作説明を行うが、９０°ハイブリッドを用いる場合であっても得られる効果は同様である。

ここで、遅延線路７、８は、ハイブリッド３ａで分波された信号が再びハイブリッド３ｂに入力され、その一方の出力端子ｏから出力されるまでの電気（経路）長θ３や、ハイブリッド３ｂの他方の出力端子における反射信号の電気（経路）長θ５を調整する位相調整手段である。

また、これ等の遅延線路は、その電気（経路）長に相当する位相量を適宜設定して、言うなれば位相オフセットを与えることにより、後述の出力インピーダンスの調整範囲を設定する調整手段としても機能する。

入力端子ｉへ入力された入力信号は、１８０°ハイブリッド３ａに入力し２分配され、一方の出力は電気長がθ３である遅延線路７、可変位相器４ａを通り、第１の増幅回路であるアンプ６ａに入力される。他方は、可変位相器４ｂを通り第１の増幅回路であるアンプ６ｂに入力される。

また、入力端子ｉへの入力信号は、一部が分岐されて検波器１に入力、検波され入力信号のエンベロープのレベル信号を出力する。このレベル信号を入力するエンベロープアンプ５は、アンプ６ａ、６ｂの増幅率を制御するバイアス電圧（信号）を生成して両アンプ６ａ、６ｂへ供給する。

また、このレベル信号を用いて、両アンプ６ａ、６ｂの入力に挿入された可変位相器４ａ、４ｂの位相変化量を制御する位相制御信号が制御器２から可変位相器４ａ、４ｂへ入力される。ここで２つの可変位相器の制御位相は逆符号となるように制御信号が出力されている。

アンプ６ａの出力信号は、１８０°ハイブリッド３ｂの一方の入力端子に入力され、アンプ６ｂの出力信号は、もう一つの電気長θ３の遅延線路７を介して１８０°ハイブリッド３ｂの他方の入力端子に入力される。１８０°ハイブリッド３ｂの一方の出力端子は、電気長がθ５である遅延線路８を介してアース接続される。この結果、ハイブリッド３ｂの一方の出力端子、即ち接地された端子では入力信号が反射される。

これに対し、他方の出力端子は高周波増幅器Ａ全体の出力端子ｏとなり増幅された信号、即ちハイブリッドへの入力信号を合波して出力する。

従来のエンベロープトラッキング法では、１つの系統の増幅回路で構成され、その系統のアンプのバイアスを増幅信号のエンベロープレベルに応じて制御する回路構成が採られる。本実施例では、入力信号を一旦ハイブリッドを用いて分波した各信号をエンベロープトラッキング法が適用された２系統のアンプで増幅し、その後再び合波する構成を採っている。

アンプ６ａ、６ｂにＦＥＴが用いられる場合、ドレイン電圧が制御され、バイポーラトランジスタであれば、コレクタ電圧が制御されるが、ここでは、素子の種類に共通な用語としてバイアス電圧として総称して説明する。

そして、後述のごとく、分波された信号の位相を、入力信号レベルに応じて変化させることにより出力（合波）側ハイブリッド３ｂでの反射を利用して出力側からみたインピーダンスを変化させ、アンプを理想特性に近づけて動作することを図っている。

以下、本実施例における位相制御による出力インピーダンスの調整方法について説明する。図１における可変位相器４ａ、４ｂでの位相変化量φ＝０°の時は、ハイブリッド３ｂの出力は全て増幅器全体の出力端子ｏから出力され、増幅器からみたインピーダンスは反射波がなく、例えば５０Ω系の回路であれば、そのまま５０Ωとなる。

位相変化量φの値を０以上にすると、出力端子ｏからの出力信号の一部が遅延線路８側の出力端子に出力され、それが、増幅器側に反射されるため、増幅器からみたインピーダンスが５０Ωから変化する。

図２は、高周波増幅器Ａの動作を示す１例のスミス線図で、電気長θ３=１００°電気長θ５＝１３０°の組合せとし、位相器の位相φを０°〜９０°まで変化した時のアンプ６ａ、６ｂ各々からみた出力インピーダンスを示すスミス線図である。

図２において、２つのアンプ６ａ、６ｂのインピーダンスはほぼ同じ値に制御されることが望ましく、本図での制御可能範囲は、０°〜１０°程度の領域である。この領域において、アンプ６ａ、６ｂからみたインピーダンスは５０Ω系とした場合、５０Ω〜７０Ωまで制御できることを示している。

図３は、高周波増幅器Ａの動作を示す他の例のスミス線図で、図１における電気長θ３=１２０°、電気長θ５＝１２０°の組合せとし、両可変位相器の位相φを０°〜９０°まで制御した時の各々の増幅器からみた出力インピーダンスを示している。２つのアンプ６ａ、６ｂのインピーダンスがほぼ同じ値に制御される図３での制御可能範囲は、０°〜３０°程度の領域である。この領域において、アンプ６ａ、６ｂからみたインピーダンスを５０Ω系とした場合、５０Ω〜１５０Ωまで制御できることを示している。

このインピーダンス調整方法により、各アンプ６ａ、６ｂの効率が良くなるインピーダンスを得られる位相となるように可変位相器４ａ、４ｂをエンベロープ信号のレベルによって調節する。即ち、エンベロープアンプ５が両アンプ６ａ、６ｂへ出力するバイアス信号と、制御器２が、両アンプ６ａ、６ｂの前段に挿入された可変移相器４ａ、４ｂへ出力する位相制御信号を、それぞれ入力信号レベルに対応付けて設定すれば良い。

この位相制御信号は、バイアス信号が変化することにより理想動作から外れて効率が低下してしまうアンプ６ａ、６ｂの出力インピーダンスを補正して効率が低下しないようにする様に予め設定する。

その為には、例えば、所要の入力レベル対制御信号の出力レベルをおよび制御器２のメモリに記憶させておき制御信号を出力する。なお、エンベロープアンプ５も同様にエンベロープアンプ５のメモリに記憶させた入力信号とバイアス信号出力レベルを対応させて出力するものであっても良い。

また、位相制御信号は、入力電圧に対して出力がインピーダンス設定に適した所要の出力となるような非直線素子を利用するもので生成されたものであっても良い。

この様に、ハイブリッドで分割された信号をエンベロープトラッキング動作するアンプの増幅系統に挿入された可変位相器を制御してアンプのインピーダンスを変化、調整する方法は、従来の様にインピーダンス調整に半導体の様な非直線素子を用いないので大出力な増幅器に対しても適用出来る。

なお、上記の例では出力インピーダンスの虚数部を最少とし、実数部を主に制御した場合であるが、他のθ３、θ５の値を選択することにより、アンプ６ａ、６ｂの出力インピーダンスが虚数部をもつように制御して良いことは言うまでも無い。

エンベロープトラッキングは、入力信号のエンベロープ信号の大きさ、即ち検波信号レベルに応じて、アンプ６ａ、６ｂのバイアス（ドレイン電圧）を制御する。本発明は、バイアス（ドレイン電圧）制御に伴う出力インピーダンスの変化を様々な動作形態に対応した位相制御により理想動作に近づくよう補正することが可能である。

例えば、位相制御を入力信号のＣＣＤＦ（complementary-cumulative-distribution function）平均値付近に対応する出力電力で効率が高くなるような出力インピーダンスとなり、かつ、入力信号のＣＣＤＦのピーク値付近に対応する出力電力で最も飽和が伸びるような出力インピーダンスとなる様に制御器２が出力する位相制御信号を設定する等により、高周波増幅器Ａの性能を更に改善することができる。

以上整理すれば、本発明は、ハイブリッドで分岐した入力信号を増幅する様にエンベロープトラッキング法を用いる増幅器を並列に配置してその各増幅系統に位相器を挿入する。両増幅器の出力側にハイブリッドを配置して出力を合成し、増幅器としての出力端子でない側の端子を定インピーダンス終端せず、入力信号を反射せしめるべく接地または開放とし、挿入された各位相器の位相に応じて、増幅器側に出力信号を反射する構成とし出力インピーダンスを調整することにより増幅器の負荷インピーダンス変動を調整する。

そして、増幅器の入力のエンベロープ信号レベルに応じて、増幅器のバイアス電圧及び、増幅器入力の位相を制御して高効率動作となる出力インピーダンス調整を行う。本発明は、上記の主旨を逸脱しない範囲で、構成の組合せ、処理手順が変更されても良い。

信号を分合波するハイブリッドの動作については、周知の技術のため詳細説明は省略するが、例えば、図１において、ハイブリッド３ａ、３ｂに１８０°ハイブリッドの代わりに９０°ハイブリッドを使用してもよい。

図４は、本発明の他の実施例を示す機能ブロック図であって、電気長θ５の遅延線路８を、図１におけるアンプ６ａ、６ｂと出力側のハイブリッド３ｂとの間に入れてもよい。

図５は、ハイブリッドの一方の出力端子を開放とする場合の機能ブロック図である。
この場合、電気長θ５の遅延線路８が、図４と同様にアンプ６ａ、６ｂと出力側のハイブリッド３ｂとの間に接地される。この場合の動作に対応するスミスチャート表記は省略するが、θ３とθ５の値を適宜設定することにより、出力インピーダンスの調整範囲を設定する事が可能である。

図６は、本発明の他の実施例を示す機能ブロック図で、入力側に挿入する可変位相器を1個の可変位相器４ａだけで済ませて高周波増幅器Ａとしての効率の改善を図るものであっても良い。

１レベル検波器
２制御器
３ａ、３ｂハイブリッド
４ａ、４ｂ可変移相器
５エンベロープアンプ、
６ａ、６ｂアンプ
７、８遅延線路

Claims

入力信号を検波したエンベロープの信号から生成されるバイアス信号により増幅動作が制御されるエンベロープトラッキング法のアンプによる高周波増幅器において、
入力信号を２分岐する第一のハイブリッドカプラと、
前記分岐された一方の信号を入力して増幅する第１の前記アンプと、
前記分岐された他方の信号を入力して増幅する第２の前記アンプと、
第１、および第２の前記アンプそれぞれの入力に挿入される第１、第２の可変位相器と、
第１、第２の前記アンプからの出力信号がそれぞれの入力端子へ入力され、一方の出力端子が接地、または、開放状態とされ、入力された両信号を合波して他方の出力端子から出力する第２のハイブリッドカプラと、
前記検波信号から、前記第１、第２の可変位相器が第１、第２の前記アンプへ出力する信号の位相を変化させる位相制御信号を生成して前記第１、第２の可変位相器へ出力する制御手段とを
具備することを特徴とする高周波増幅器。
前記制御手段は、
前記検波信号のレベルに応じて前記第１、および第２の前記アンプの出力インピーダンスを変化させるよう前記位相制御信号を出力する
ことを特徴とする請求項１記載の高周波増幅器。
前記位相制御信号は、
前記第１、および第２の前記アンプの出力インピーダンスが前記バイアス信号により変化することを補償するように、前記第１、第２の可変位相器の位相制御を行う
ことを特徴とする請求項２記載の高周波増幅器。
前記位相制御信号は、
前記第１、第２の可変位相器の出力する信号が互いに逆相となるように位相制御を行う
ことを特徴とする請求項２、又は３に記載の高周波増幅器。
前記高周波増幅器は、
更に、前記第１と、第２とのハイブリッドカプラの間の電気長を補正する遅延線路と、第２のハイブリッドの前記一方の出力端が接地されるまでの電気長を補正する遅延線路とを備え、
前記電気長２種類の組合せにより、前記出力インピーダンスの範囲を調整することを特徴とする請求項３又は４に記載の高周波増幅器。
前記位相制御信号は、
入力信号のＣＣＤＦ（complementary-cumulative-distribution function）平均値付近に対応する出力電力で最も効率が高くなるような出力インピーダンスとなる様にかつ、入力信号のＣＣＤＦのピーク値付近に対応する出力電力で最も飽和が伸びるような出力インピーダンスとなる様に前記第１、第２の可変位相器の位相制御を行う
ことを特徴とする請求項２記載の高周波増幅器。
入力信号を検波したエンベロープの信号から生成されるバイアス信号により増幅動作が制御されるエンベロープトラッキング法のアンプと、ハイブリッドと、可変位相器と、位相制御器とを備え、前記入力信号を増幅して出力する高周波増幅器の増幅方法において、
第一の前記ハイブリッドカプラが入力信号を２分岐して第１および、第２の前記可変移相器へ出力し、
第１の前記可変移相器は、前記分岐された一方の信号を入力して第１の前記アンプへ出力し、第２の前記可変移相器は、前記分岐された他方の信号を入力して第２の前記アンプへ出力し、
第１、第２の前記アンプは、それぞれ前記バイアス信号に制御されて増幅した信号をそれぞれ第２のハイブリッドの第１、第２の入力端子へ出力し、
第１、および第２の前記アンプから信号が入力される第２のハイブリッドは、一方の出力端子が接地、または、開放状態とされ、他方の出力端子から前記入力された両信号を合波して出力し、
前記位相制御器は、
前記エンベロープ信号から、前記第１、第２の可変位相器が第１、第２の前記アンプへ出力する信号の位相を変化させる位相制御信号を生成して前記第１、第２の可変位相器へ出力し、両前記アンプの出力インピーダンスを調整する
ことを特徴とする高周波増幅器の増幅方法。
前記位相制御器は、
前記検波信号のレベルに応じて前記第１、および第２の前記アンプの出力インピーダンスを変化させ、前記第１、および第２の前記アンプの出力インピーダンスが前記バイアス信号により変化することを補償するように、前記第１、第２の可変位相器の位相制御を行う
前記位相制御信号を出力する
ことを特徴とする請求項７記載の高周波増幅器の増幅方法。
前記位相制御信号は、
入力信号のＣＣＤＦ（complementary-cumulative-distribution function）平均値付近に対応する出力電力で最も効率が高くなるような出力インピーダンスとなる様にかつ、入力信号のＣＣＤＦのピーク値付近に対応する出力電力で最も飽和が伸びるような出力インピーダンスとなる様に前記可変位相器を制御する
ことを特徴とする請求項８記載の高周波増幅器の増幅方法。
前記高周波増幅器は、
更に、前記第１と、第２とのハイブリッドカプラの間の電気長を補正する遅延線路と、第２のハイブリッドの前記一方の出力端が接地されるまでの電気長を補正する遅延線路とを備え、
前記電気長２種類の組合せにより、前記出力インピーダンスの範囲を調整する
ことを特徴とする請求項７に記載の高周波増幅器の増幅方法。