JP2010245626A - 歪補償増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】電源に過負荷のかからないフィードフォワード型歪補償増幅器を提供する。
【解決手段】高周波信号を増幅して増幅信号を出力する主増幅器（１７）と、主増幅器からの増幅信号から歪成分を検出する検出ループ（１４，１５，１６，１７，１８，１９）と、検出ループで検出された歪成分を増幅信号から除去する除去ループ（１８，２０，２１，２２，２３，２４）を有する歪補償増幅器において、検出ループに設けられ、高周波信号のレベルに応じてベクトル調整器の可変減衰器の可動範囲を異ならせるベクトル調整器を更に有する歪補償増幅器。
【選択図】図１

Description

この発明は、歪検出ループのベクトル調整器の可動範囲を入力ゲインに応じて制限したフィードフォワード型歪補償増幅器に関する。

例えば、無線電話システムの基地局および中継装置において、基地局からの電波を増幅し、移動局に対して電波を送出する。この場合、多チャンネルの電波を同時に増幅するため歪補償増幅器として、フィードフォワード（Feed Forward）回路と呼ばれる歪補償増幅器が用いられる。

特許文献１には、最適化時間を短縮させることができるフィードフォワード型歪補償増幅器の一例を開示している。

特開平１０−２７０９５１号公報

しかし、特許文献１のフィードフォワード型歪補償増幅器においては、与えられる高周波入力信号が低レベルから高レベルに急に変動した際に、電源部に高負荷がかかるという問題がある。
本発明は、電源に過負荷のかからないフィードフォワード型歪補償増幅器を提供することを目的とする。

課題を解決する一実施形態は、
高周波信号を増幅して増幅信号を出力する主増幅器（１７）と、
前記主増幅器からの増幅信号から歪成分を検出する検出手段（１４，１５，１６，１７，１８，１９）と、
前記検出手段で検出された歪成分を前記増幅信号から除去する除去手段（１８，２０，２１，２２，２３，２４）を有する歪補償増幅器において、
前記検出手段に設けられ、前記入力信号のレベルに応じてベクトル調整器の可変減衰器の可動範囲を異ならせるベクトル調整器を更に有することを特徴とする歪補償増幅器である。

歪成分検出ループにおけるベクトル調整器により、高周波入力信号の入力レベルに応じて可動範囲を異ならせることで、入力レベルが急上昇した場合でも大電流が発生して電源に負荷がかかるようなことはなくなる。

本発明の一実施形態に係るフィードフォワード型歪補償増幅器の構成の一例を示すブロック図。 該フィードフォワード型歪補償増幅器の入力信号レベルと利得特性の関係の一例を示すグラフ。 該フィードフォワード型歪補償増幅器の入力信号レベルと可変減衰器の可動範囲の関係の一例を示すグラフ。 該フィードフォワード型歪補償増幅器の各部の入力信号レベルと利得特性の関係の一例を示すグラフ。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るフィードフォワード型歪補償増幅器の構成の一例を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係るフィードフォワード型歪補償増幅器１は、図１に示すとおり、入力信号を検波する入力検波器１０と、入力信号が与えられる可変減衰器１２と増幅器１３を有する前置増幅器ユニット１１と、この後段に設けられる方向性結合器１４と、この後段に設けられるベクトル調整器１５と、この後段に設けられパイロット信号が与えられる方向性結合器１６と、この後段に設けられる主増幅器１７と、この後段に設けられる方向性結合器１８と、方向性結合器１４の後段に設けられる遅延器１９を有している。

また、フィードフォワード型歪補償増幅器１は、さらに、方向性結合器１８の後段に設けられる遅延器２０と、この後段に設けられる方向性結合器２１と、方向性結合器１８の後段に設けられる方向性結合器２２と、この後段に設けられるベクトル調整器２３と、この後段に設けられる誤差増幅器２４と、方向性結合器２１の後段に設けられる方向性結合器２５と、方向性結合器２５から出力を受けるパイロット信号送受信部２８と、方向性結合器２２の後段に設けられる検波器２７と、入力検波器１０と、検波器２７およびパイロット信号送受信部２８から出力を受けメモリ部２６−２を有している制御回路部２６と、各部に電源を供給する電源部２９とから構成されている。

尚、一般的に歪補償増幅器は、フィードフォワードの機能上、入力信号を分岐して一方の入力信号を増幅し、増幅による歪成分を含む増幅された入力信号と、他方の増幅されていない入力信号とを逆位相で合成させることによって歪成分信号を出力する歪検出ループと、歪成分を含む増幅された入力信号と歪成分信号とを逆位相で合成して歪成分を除去し、結果的に歪成分を含まない増幅された入力信号を出力する歪除去ループとに大別できる。

図１において、方向性結合器１４から方向性結合器１８までが歪検出ループを構成し、方向性結合器１８から方向性結合器２１までが歪除去ループを構成してフィードフォワードの機能を実現している。
このようなフィードフォワード型歪補償増幅器１の各部について、以下に簡単に説明する。入力検波器１０は、入力信号を検波して、検波結果を制御回路部２６に供給する。前置増幅器ユニット１１は、入力される高周波信号を後続のフィードフォワード部分に対して、所定のレベルまで上昇させて入力するプリアンプの役割を果たすものである。

前置増幅器ユニット１１内の可変減衰器１２は、装置全体としての利得を調整する目的で用いられ、減衰量は電圧またはデジタル信号により可変できるもので、温度による補正などを予め設定された特定の減衰量で利得の調整が行われる場合もある。
増幅器１３は、可変減衰器１２で減衰された高周波信号を後続のフィードフォワード部分に対して所定のレベルになるまで増幅する増幅器である。

方向性結合器１４は、入力される高周波信号を２つに分岐出力し、ベクトル調整器１５及び遅延器１９に出力するものである。
ベクトル調整器１５は、後述する制御回路部２６から制御される調整量で、入力信号の位相のシフト及び振幅の減衰処理調整（ベクトル調整）を行うもので、可変位相器及び可変減衰器等で構成される。
方向性結合器１６は、ベクトル調整器１５でベクトル調整された高周波信号と、後述するパイロット信号送受信部２８から供給されるパイロット信号との合成を行い、合成された入力信号を主増幅器１７に出力するものである。
主増幅器１７は、入力される高周波信号、又は入力される高周波信号とパイロット信号との合成信号を増幅する本増幅器におけるメインの増幅器である。特に高出力装置になると増幅素子を合成し、低歪化、高効率化をはかることが多い。また、後述で説明するが、低歪化を実現するためにプリディストーション歪補償回路を導入する場合もある。通常、主増幅器１７では、増幅の際に、入力信号の本来の周波数である基本周波数成分に対して、基本周波数成分の近傍に周波数を持つ歪成分が生成される。

遅延器１９は、方向性結合器１４から出力された入力信号を遅延させ、方向性結合器１８に出力するもので、ベクトル調整器１５、方向性結合器１６や主増幅器１７における入力信号の増幅で入力信号が遅延するため、これに同調させるため設けられたものである。
方向性結合器１８は、主増幅器１７で増幅された入力信号をそのまま遅延器２０に出力すると共に、主増幅器１７で増幅された歪成分信号を含む増幅された入力信号と、遅延器１９から出力された歪成分を含まない入力信号を逆位相で合成し、合成結果である歪成分信号を方向性結合器２２に出力するものである。

遅延器２０は、方向性結合器１８から出力された歪成分信号を含む増幅された入力信号を遅延させ、方向性結合器２１に出力するもので、方向性結合器２２、ベクトル調整器２３や誤差増幅器２４における歪成分信号の増幅で歪成分信号が遅延するため、これに同調させるために設けられた。
ベクトル調整器２３は、後述する制御回路部２６から制御される調整量で、方向性結合器１８から出力された歪成分信号の位相及び振幅の調整（ベクトル調整）を行うもので、可変位相器及び可変減衰器等で構成される。
誤差増幅器２４は、ベクトル調整器２３でベクトル調整された歪成分信号を増幅し、方向性結合器２１に出力するものである。
方向性結合器２１は、遅延器２０から出力された歪成分を含む増幅された入力信号と、誤差増幅器２４で増幅された歪成分信号とを逆位相で合成し歪成分信号を除去し、合成結果である増幅された入力信号のみを出力するものである。尚、方向性結合器２１において、出力端子の一方には終端抵抗が接続されている。

方向性結合器２５は、方向性結合器２１から出力され増幅された入力信号を出力端子とパイロット信号送受信部２８に分岐して出力するものである。
方向性結合器２２は、方向性結合器１８から出力される歪成分信号をベクトル調整器２３に出力すると共に、分岐して検波器２７に入力するものである。
検波器２７は、歪成分信号を検波し、検波結果を制御回路部２６に出力するものである。
パイロット信号送受信部２８は、方向性結合器２５で分岐された増幅された信号を入力し、増幅された信号に含まれるパイロット信号を相関検出して検出したレベルを制御回路部２６に出力するものである。

制御回路部２６は、ベクトル調整器１５又はベクトル調整器２３における位相及び振幅の調整量を制御する制御信号を出力するもので、入力検波器１０の検波結果からベクトル調整器１５の可変減衰器１２の可動範囲を制御回路部２６で判断し、ベクトル調整器１５の可変減衰器１２の可動範囲を設定する。また、制御回路部２６は、検波器２７からの歪成分信号の検波レベルに基づいて、当該検波レベルが最小値となるようにベクトル調整器１５の調整量を最適化し、またパイロット信号送受信部２８からのパイロット信号のレベルに基づいて、当該信号レベルが０（ゼロ）となるようにベクトル調整器２３の調整量を最適化する。

次に、ドゥハティ（Doherty）回路について簡単に説明する。ドハティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器の二つの増幅器を備えており、この二つの増幅器を１／４波長の位相差をつけて分配合成することで、大きな飽和電力と高効率な増幅器を構成することができる。

キャリア増幅器は、Ａ級、ＡＢ級、あるいは、Ｂ級にバイアスされた増幅器で、ピーク増幅器は、Ｂ級よりも電流を絞った状態、すなわち、Ｃ級にバイアスされた増幅器である。キャリア増幅器は無線信号の電力レベルが小さくても、電力レベルに係わらず無線信号の電力を増幅する。一方、ピーク電力はＣ級にバイアスされているため、無線信号の電力レベルが小さく所定の閾値未満の場合には、オフ状態となって、増幅動作を行わない。この場合には、ピーク増幅器で消費される電力が小さいため、ドハティ増幅器全体としての効率が高くなる。

一方、無線信号の電力レベルが所定の閾値以上の場合には、ピーク増幅器がオン状態となり、無線信号の電力レベルがキャリア増幅器とピーク増幅器の双方で増幅される。そして、キャリア増幅器の出力電力とピーク増幅器の出力電力とが合成されることにより、大きな飽和電力を得ることができる。このようにして全体として大きな飽和電力を得ることができ、高い効率を維持できるようになる。

次に、プリディストーション型歪補償について簡単に説明する。プリディストーション型歪補償増幅器においては、増幅器の非線形特性により増幅器からの出力信号に生じる歪成分を打ち消すためにプリディストーション（前置歪）を増幅器への入力信号に予め与えることで歪補償を行なう。これにより、装置全体で低歪化することが可能となる。

（電源負荷の解消方法）
上述したフィードフォワード型歪補償増幅器１は、以下に述べるように、入力信号が低レベルから高レベルに一気に上昇した際に、電源に大きな負荷がかかってしまう。すなわち、前述したように主増幅器１７は高出力装置になると低歪化、高効率化が大きな課題となるために増幅素子を合成したり（例えば、ドゥハティ回路）、ＰＤ素子（プリディストータ歪補償）を用いて低歪回路を構成する場合がある。この場合、主増幅器の飽和を持ち上げるため、低出力時には利得が低くなる場合がある。

図２に増幅素子をドハティ合成した時の入力レベル（横軸）に対する利得（縦軸）を表したグラフを示す。図２は一例であり、全ての合成増幅素子にあてはまるわけではない。図２では、規定ＭＡＸ入力レベルから比べると低入力レベルの時は利得が低くなっている。利得が変動した時のフィードフォワード型歪補償動作を図１を使って説明する。

主増幅器１７の利得が変動した場合、従来の歪補償増幅器では主増幅器１７の利得変動に対して常に最適ポイントになるようにベクトル調整器１５は動作するようになっている。
主増幅器１７の利得が高い場合 ・・・ ベクトル調整器１５の利得低
主増幅器１７の利得が低い場合 ・・・ ベクトル調整器１５の利得高
入力レベルが低い状態（主増幅器１７の利得が低い状態）から一気に規定ＭＡＸ入力レベルまで入力レベルを上昇させた場合、ベクトル調整器１５の利得は高くなっているため、瞬間的ではあるが、「主増幅器１７の利得が高」＋「ベクトル調整器１５の利得高」という状態になる。このような入力レベルの変動が生じた場合、瞬間的に規定ＭＡＸ以上の出力となり、その結果、大電流が発生してしまい、電源部２９に高負荷がかかってしまう。

このような電源部２９の高負荷を回避するべく、本発明に係るフィードフォワード型歪補償増幅器１においては、以下のように対応している。すなわち、入力レベルからベクトル調整器１５の可動範囲を制限することで、急激な入力レベルの増加があっても過出力状態（＝過電流状態）となることはないので、電源に高負荷がかからなくなる。

この詳細を、図３を用いて詳細に説明する。図３は、該フィードフォワード型歪補償増幅器の入力信号レベルとベクトル調整器１５内部の可変減衰器の可動範囲の関係の一例を示すグラフである。図３において、入力レベルが規定ＭＡＸ時（Ａの状態）では、可変減衰器を最大の可動範囲で動作させ、入力レベルが規定ＭＡＸレベルより低い場合はそのレベルに応じて可動範囲を狭めていくように制御回路部２６で設定する。これにより、入力レベルが低いときでもベクトル調整器１５の利得が高くなることはなくなるので、その結果、一気に規定ＭＡＸ入力レベルを入力しても過出力状態になることは回避される。この結果、電源部２９に高負荷がかからなくなる。

尚、図３の入力レベルがＤ〜Ｚの場合、ベクトル調整器１５内部の可変減衰器が最適なポイント（歪補償が最も効率的に行えるポイント）に達することができないことにより誤差増幅器２４に過入力となる。従って、誤差増幅器２４が歪まない程度の可動範囲を制御回路部２６により設定する必要がある。

さらに、装置利得について、図１、図３、図４を用いて説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るフィードフォワード型歪補償増幅器１の各点ａ〜ｆの入力信号レベルと、一般的なフィードフォワード型歪補償増幅器の各点ａ〜ｆの入力信号レベルの関係の一例を示すグラフである。図４の各点ａ〜ｆの中側２本の線はキャリア（Carrier）である。図４の外側２本の線は、送信相互変調歪を表している。

図４の点ａ，点ｂでは一般的なフィードフォワード型歪補償増幅器の場合の信号も、本発明に係るフィードフォワード型歪補償増幅器の場合の信号も、ともに同じであることを示している。図３の入力レベルがＤ〜Ｚの場合、ベクトル調整器１５内部の可変減衰器が最適ポイント（歪補償が最も効率的に行えるポイント）まで到達できないため、図１の点ｃでは一般に比べて出力レベルが低くなる。点ｄでは、一般では、キャリアが完全に相殺されて歪成分信号しか残らないが、本発明では歪検出ループ内で遅延器ルートの方が利得が高くなるため、若干、キャリアが残ることになる。但し、歪成分信号とは逆位相である。点ｅは、これを誤差増幅器２４で増幅したものである。点ｆでは、一般では歪のみ逆位相で相殺するのに対し（ｃ＋ｅ）、本発明では歪は逆位相で相殺し、キャリアは同位相で合成される。そのため、本発明において、歪検出ループ内の利得は低くなるが、トータルの利得は一般のものと変わりはない。

このような図４に示す動作を制御回路部２６で実現することにより、電源部２９に高負荷のかからないフィードフォワード型歪補償増幅器１を実現するものである。
以上、本発明の一実施形態であるフィードフォワード型歪補償増幅器によれば、入力信号が低レベルから高レベルに急変した場合も、電源部の負荷を最低限に抑制することが可能となるため、従来より電力の小さな電源を利用することができる。これにより、電源部の信頼性が増し、コスト低減、電源サイズを小さくすることができる。

以上記載した様々な実施形態は複数同時に実施することが可能であり、これらの記載により、当業者は本発明を実現することができるが、更にこれらの実施形態の様々な変形例を思いつくことが当業者によって容易であり、発明的な能力をもたなくとも様々な実施形態へと適用することが可能である。従って、本発明は、開示された原理と新規な特徴に矛盾しない広範な範囲に及ぶものであり、上述した実施形態に限定されるものではない。

１…フィードフォワード型歪補償増幅器、１０…入力検波器、１１…前置増幅器ユニット、１２…可変減衰器、１３…増幅器、１４…方向性結合器、１５…ベクトル調整器、１６…方向性結合器、１７…主増幅器、１８…方向性結合器、１９…遅延器、２０…遅延器、２１…方向性結合器、２２…方向性結合器、２３…ベクトル調整器、２４…誤差増幅器、２５…方向性結合器、２６…制御回路部、２６−２…メモリ部、２７…検波器、２８…パイロット信号送受信部、２９…電源部。

Claims (1)

1. 高周波信号を増幅して増幅信号を出力する主増幅器と、
   前記主増幅器からの増幅信号から歪成分を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された歪成分を前記増幅信号から除去する除去手段を有する歪補償増幅器において、
   前記検出手段に設けられ、前記入力信号のレベルに応じてベクトル調整器の可変減衰器の可動範囲を異ならせるベクトル調整器を更に有することを特徴とする歪補償増幅器。

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