JP2011160159A

JP2011160159A - 高周波電力増幅器および歪補償方法

Info

Publication number: JP2011160159A
Application number: JP2010019710A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Nanba; 由樹難波; Toru Kijima; 徹来島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-08-18

Abstract

【課題】高効率化の為に回路規模を大きくすることなく歪補償を行う高周波用電力増幅器、および歪補償方法を提供する。
【解決手段】カプラ２で分岐された入力信号の一方をカプラ４へ向けて出力し、他方を９０°ハイブリッドの入力端子ｐ１、他方を可変ＡＴＴ６を介して歪み発生ダイオード１１，１２が接続される入力端子ｐ２へ入力する。そして入力端子ｐ３で位相調整を行い、出力端子ｐ４から予歪を与える歪補償信号を生成し、カプラ４で一方の信号と重畳して増幅器５へ供給する。ダイオード１１は歪みを発生すると共に入力信号を検波した信号を可変ＡＴＴを制御する制御部９へ出力することにより、ダイオードが発生する歪み量を調整して増幅器５に対する歪補償を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、増幅回路で発生する歪みを補償して増幅する高周波電力増幅器および歪補償方法に関する。

無線通信システムの送信装置に用いられる電力増幅器は、送信装置の中で消費電力が大きく高効率であることが求められている。電力増幅器を高効率で動作させるために飽和領域近傍で動作させるが、反面、非線形特性が強くなり電力増幅器の出力信号に大きな歪が発生する。低歪み動作が要求される電力増幅器は、入力信号のピークでも歪まないように飽和領域から十分にバックオフした線形領域で使用するため高効率動作が困難である。

つまり、電力増幅器の効率と低歪とはトレードオフの関係にある。近年、無線通信のブロードバンド化に伴い、OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex：直行波数分割多重)などサブキャリアを用いる通信方式が利用されているが従来の通信・変調方式に比べて低歪み、かつ大ピーク出力が要求される。そのため、電力増幅器の歪が発生しない更に大きなバックオフが必要となり効率の低下防止が必要となっている。

この問題を解決する方法の１つとして電力増幅器で発生する歪を打ち消して補償するための予歪みを与える歪補償回路を電力増幅器に付加する。その結果バックオフを小さく済ませるので電力増幅器が高効率化出来る。予歪み発生方法としては、ダイオードに高周波信号を与えて発生する歪み信号を調整する方法がある（例えば、特許文献１、２。）。

図５に従来の歪補償回路を付加した高周波用電力増幅器の一例の構成を示す。
図５において、電力増幅器は、増幅器１０５の発生する歪みを予め補正する歪み成分（予歪信号）をダイオード１１１、１１２で入力信号から生成し、それを入力信号とカプラ１０４で合成して増幅器１０５に供給する。

即ち、外部からの入力信号は入力側のカプラ１０２で分岐され、一方の信号が遅延回路１０３を通過して出力側のカプラ１０４の一方の入力へ入力され、他方が歪補償信号を生成するため、可変ＡＴＴ（アッテネータ、減衰器）１０６へ入力される。可変ＡＴＴ１０６の出力は、可変ＡＴＴ１０６の減衰量を調整する信号を取り出すためのカプラ１０７を介して更に９０°ハイブリッド１１０の入力端子ｐ１へ入力される。９０°ハイブリッド１１０の９０°端子ｐ２には、歪み発生素子としてダイオード１１１、１１２が逆並列接続される。

また、０°端子ｐ３には、入力信号に対する位相調整素子が接続され、例えば、直列にキャパシタ１１３と抵抗１１４が接続される。そして、入力端子ｐ１に入力された信号と、入力信号からダイオード１１１、１１２によって発生される歪み成分とが合成された信号が出力端子ｐ４から出力される。この９０°ハイブリッド１１０とダイオード１１１、１１２、またキャパシタ１１３と抵抗１１４とが構成する点線で囲まれた回路が歪み発生部ｄＸを構成する。

出力端子ｐ４から出力された予歪信号は、更にレベル調整や、位相調整を行う可変ＡＴＴ１１５と可変移相器１１６を経て、カプラ１０４の他方の入力端子へ入力され、遅延回路１０３を経た入力信号と重畳され増幅器１０５へ供給される。

さて、カプラ１０７の分岐出力は検波器１０８へ供給され、その検波信号から振幅制限信号が制御回路１０９で生成されて可変ＡＴＴ１０６へ出力される。可変ＡＴＴ１０６の出力レベルにより、ダイオード１１１、１１２から３次、５次等の高調波歪みが発生される。

言い換えれば、入力信号レベルに対して非直線動作する様にダイオードを用いた歪発生回路を構成しているが、歪発生回路での入力信号レベルを検波して歪発生回路に歪の制御信号を出力している。歪発生回路へ入力する信号レベルを監視するためにカプラを配置して分岐した信号を検波器に入力することにより制御信号を生成するのが一般的であるが、この構成では消費電力と回路規模が大きくなる問題がある。

特開２０００−２６１２５２号公報特開２００４―２９７４５８号公報

従来の予歪補償を用いる高周波用電力増幅器では、歪発生回路の入力信号レベルを検波して歪発生回路に歪補償（制御）信号を出力しており、カプラを配置して入力信号を分岐し、更に分岐された信号を検波器で検波して歪補償信号を生成するため消費電力と回路規模が大きくなる問題があった。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、高効率化の為に回路規模を大きくすることなく歪補償を行う高周波用電力増幅器、および歪補償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、入力信号を入力カプラで２分岐した一方の信号をダイオードに印加して生じる歪成分から予歪信号を生成し、予歪信号と前記分岐された他方の信号とを出力カプラで再合成した信号を増幅器が入力して増幅する高周波用電力増幅器において、前記入力カプラから前記一方の信号が入力され、入力された信号を供給される制御信号に従ってレベルを調整した第２信号として出力するレベル調整手段と、前記第２信号が入力される第１の端子と、前記ダイオードを介してアースとの間が接続され、第１の端子に対し９０°の位相差を持つ前記第２信号が前記印加される第２の端子と、第１の端子と同相で前記第２信号の位相を調整する位相調整部品が接続される第３の端子と、前記第２および第３の端子に生じた信号を合成して前記予歪信号として前記出力カプラへ向けて出力する第４の端子とを具備する電力分配手段と、前記第２の端子に接続される前記ダイオードにより検波して取り出した検波信号を入力して前記制御信号を生成し、前記レベル調整手段へ供給するレベル制御手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明の高周波電力増幅器の歪補償方法は、入力カプラと、出力カプラと、増幅器と、レベル調整手段と、４端子の９０°ハイブリッドと、レベル制御手段とを備え、入力信号を入力カプラで２分岐した一方の信号をダイオードに印加して生じる歪成分から予歪信号を生成し、予歪信号と前記分岐された他方の信号とを出力カプラで再合成した信号を増幅器が入力して増幅する高周波用電力増幅器の歪補償方法において、レベル調整手段は、前記入力カプラから前記一方の信号が入力され、入力された信号を供給される制御信号に従ってレベルを調整した第２信号として前記９０°ハイブリッドの第１の端子へ出力し、前記第１の端子は、前記第２信号が入力され、第２の端子は、前記ダイオードを介してアースとの間が接続されて第１の端子に対し９０°の位相差を持つ前記第２信号が前記印加され、第３の端子は、前記第１の端子と同相である前記第２信号の位相を調整する位相調整部品が接続され、第４の端子は、前記第２および第３の端子に生じた信号を合成して前記予歪信号として前記出力カプラへ向けて出力し、前記レベル制御手段は、前記第２の端子に接続される前記ダイオードで検波して取り出した検波信号が入力され、入力される前記検波信号から前記制御信号を生成して前記レベル調整手段へ供給することを特徴とする。

本発明によれば、高効率化の為に回路規模を大きくすることなく歪補償を行う高周波用電力増幅器、および歪補償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用電力増幅器の動作を説明する機能ブロック図。本発明の高周波用電力増幅器の歪み発生回路の機能構成を説明するブロック図。本発明の高周波用電力増幅器の歪み発生回路の変形例を説明する機能ブロック図。本発明の高周波用電力増幅器の歪み発生回路の応用例の機能構成を説明するブロック図。従来の歪補償回路を付加した高周波用電力増幅器の一例の構成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、本発明の実施例に係わる高周波用電力増幅器の動作を説明する機能ブロック図である。
図１において、電力増幅器２０は、入力ＡＴＴ１、カプラ２、遅延線３、カプラ４、増幅器５、可変ＡＴＴ６，１５、制御部９、電力分配手段である９０°ハイブリッド１０、ダイオード１１，１２、キャパシタ１３，ｃ２、抵抗１４，ＲＬ、可変移相器１６を備える。

増幅器５の発生する歪みを予め補正する歪み成分（予歪信号）が９０°ハイブリッド１０に接続されたダイオード１１、１２で入力信号から生成され、それを入力信号とカプラ４で合成・重畳して増幅器５に供給する。

即ち、外部からの入力信号は入力ＡＴＴ１を経た後、入力側のカプラ２で分岐され、一方の信号が遅延回路３を通過して出力側のカプラ４の一方の入力へ入力され、他方が歪補償信号を生成するため、可変ＡＴＴ（アッテネータ、減衰器）６へ入力される。可変ＡＴＴ６の出力は、９０°ハイブリッド１０の入力端子ｐ１へ入力される。９０°ハイブリッド１０の９０°端子ｐ２には、歪み発生素子としてダイオード１１、１２が逆接続され、ダイオード１１のカソードは、抵抗ＲＬとキャパシタｃ２により接地される。

また、９０°ハイブリッド１０の０°端子ｐ３には、入力信号に対する位相調整素子が接続され、例えば、直列にキャパシタ１３と抵抗１４が接続される。そして、端子ｐ３に生じる信号と、入力信号からダイオードによって端子ｐ２に発生される歪み成分とが合成された信号が出力端子ｐ４から出力される。この９０°ハイブリッド１０とダイオード１１、１２、またキャパシタ１３，ｃ２と抵抗ＲＬ，１４とが構成する点線で囲まれた回路が歪み発生部ＤＰを構成する。

出力端子ｐ４から出力された予歪信号は、更にレベル調整や、位相調整を行う可変ＡＴＴ１５と可変移相器１６を経て、カプラ４の他方の入力端子へ入力され、遅延回路３を経た入力信号と重畳され増幅器５へ供給される。

カプラ４に入力される予歪み信号と入力信号とは、遅延時間、位相が所定の範囲に収まる様に遅延線３と可変位相回路で予め調整され、また、可変ＡＴＴ１５によって振幅が揃う様に調整される。

さて、ダイオード１１のアノードは、更に制御部９の入力に接続される。キャパシタｃ２は、ダイオード１１のカソードを高周波的にアース（地絡）するものである。ダイオード１１は、９０°ハイブリッド１０の９０°端子ｐ２に現れる高周波信号の歪み信号を発生するが、同時にそのアノードから検波信号が負荷抵抗ＲＬに出力され、図５に示される従来使用していたカプラ１０７と検波器１０８とを用いることなく歪み発生機能および検波機能を同時に果たしている。

検波信号は、制御回路９で可変ＡＴＴ６を制御する信号に変換されて可変ＡＴＴ６へ出力される。可変ＡＴＴ６の出力レベルにより、ダイオード１１、１２で発生する３次、５次等の高調波歪の出力が制御される。本実施例の歪補償方法は、予歪を発生させるための検波回路および検波信号を取り出すためのカプラを省略することと、更に検波回路を歪みを発生させるダイオードが兼用することにより回路規模を大きくすることを防いでいる。

図２、図３は、歪み発生回路の詳細を説明する機能ブロック図である。
歪み発生回路は、図１、図２ではダイオードのアノードから検波信号を取り出している。この場合検波信号の極性は（＋）の正極性で有るが、代わりに図３の様にカソード側から取り出しても良い。この場合検波信号は（−）の負極性になる。

また、図２，図３では、９０°ハイブリッド１０のｐ２と各ダイオード１１，１２との間にキャパシタｃ１が歪み発生の高周波成分のみを通過する様に挿入されている。

図４は、歪補償をより精確に実施するために検波信号を９０°ハイブリッド１０の出力側の可変ＡＴＴ１５を制御する信号としても用いる例を示している。図１〜図３では、９０°ハイブリッド１０の入力側のレベルを調節することにより歪み発生量を制御しているが、レベルが低い場合は、低次高調波の歪みが中心であるがレベルが高くなると５次以上の高次の高調波成分が増えてくる様にレベルに応じて歪みの発生形態（パターン）が異なってくる。

そこで、入力側の可変ＡＴＴ６で歪みの発生形態を制御し、出力側の可変ＡＴＴ１５で歪み発生の全体レベルを調整することにより、予歪を精確に制御することを可能にしている。

なお、図４においてもダイオード１１の検波信号の取り出し方は、カソード側ではなくアノード側から取り出しても同様の効果が得られることに変わりは無い。また、例えば、可変ＡＴＴ６、１５の少なくとも何れか１つを図示しないが可変利得増幅器に置き換えても良い様に、本発明は、上記の主旨を逸脱しない範囲で、処理手順、構成の組合せを変えても適用出来る。

１ＡＴＴ
２，４カプラ
３遅延線
５増幅器
６，１２可変ＡＴＴ
９制御部
１０９０°カプラ
１１，１２ダイオード
１３，ｃ１，ｃ２キャパシタ１３，ｃ１，ｃ２
１４ＲＬ抵抗
１６可変移相器

Claims

入力信号を入力カプラで２分岐した一方の信号をダイオードに印加して生じる歪成分から予歪信号を生成し、予歪信号と前記分岐された他方の信号とを出力カプラで再合成した信号を増幅器が入力して増幅する高周波用電力増幅器において、
前記入力カプラから前記一方の信号が入力され、入力された信号を供給される制御信号に従ってレベルを調整した第２信号として出力するレベル調整手段と、
前記第２信号が入力される第１の端子と、前記ダイオードを介してアースとの間が接続され、第１の端子に対し９０°の位相差を持つ前記第２信号が前記印加される第２の端子と、第１の端子と同相で前記第２信号の位相を調整する位相調整部品が接続される第３の端子と、前記第２および第３の端子に生じた信号を合成して前記予歪信号として前記出力カプラへ向けて出力する第４の端子とを具備する電力分配手段と、
前記第２の端子に接続される前記ダイオードにより検波して取り出した検波信号を入力して前記制御信号を生成し、前記レベル調整手段へ供給するレベル制御手段と
を具備することを特徴とする高周波電力増幅器。
前記電力分配手段の第２の端子には、第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードとが高周波的に共通接続され、前記ダイオードのうち、何れか一方のダイオードの前記共通接続側の反対電極がそのまま接地され、他方のダイオードの反対電極がキャパシタを介して高周波的に接地され、前記キャパシタと前記ダイオードとの接続点から前記検波信号が前記取り出されていることを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器。
電力分配手段の前記第４の端子と前記出力カプラとの間には、更に前記予歪信号のレベルを調整する第２のレベル調整手段が設置され、
前記検波信号から前記第２のレベル調整手段を制御する第２の制御信号を出力する第２のレベル制御手段を更に備えている
ことを特徴とする請求項１または２記載の高周波電力増幅器。
入力カプラと、出力カプラと、増幅器と、レベル調整手段と、４端子の９０°ハイブリッドと、レベル制御手段とを備え、入力信号を入力カプラで２分岐した一方の信号をダイオードに印加して生じる歪成分から予歪信号を生成し、予歪信号と前記分岐された他方の信号とを出力カプラで再合成した信号を増幅器が入力して増幅する高周波用電力増幅器の歪補償方法において、
レベル調整手段は、前記入力カプラから前記一方の信号が入力され、入力された信号を供給される制御信号に従ってレベルを調整した第２信号として前記９０°ハイブリッドの第１の端子へ出力し、
前記第１の端子は、前記第２信号が入力され、第２の端子は、前記ダイオードを介してアースとの間が接続されて第１の端子に対し９０°の位相差を持つ前記第２信号が前記印加され、第３の端子は、前記第１の端子と同相である前記第２信号の位相を調整する位相調整部品が接続され、第４の端子は、前記第２および第３の端子に生じた信号を合成して前記予歪信号として前記出力カプラへ向けて出力し、
前記レベル制御手段は、前記第２の端子に接続される前記ダイオードで検波して取り出した検波信号が入力され、入力される前記検波信号から前記制御信号を生成して前記レベル調整手段へ供給する
ことを特徴とする高周波電力増幅器の歪補償方法。
前記第２の端子には、第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードとが高周波的に共通接続され、前記ダイオードのうち、何れか一方のダイオードの前記共通接続側の反対電極がそのまま接地され、他方のダイオードの反対電極がキャパシタを介して高周波的に接地され、前記キャパシタと前記ダイオードとの接続点から前記検波信号が前記取り出されていることを特徴とする請求項４記載の高周波電力増幅器の歪補償方法。