JP2011160297A - 電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度分布の変動による利得変動を安定的に補償する電力増幅装置を提供する。
【解決手段】カスケード接続の最終段において、電界効果型トランジスタＦＥＴ６−１〜ＦＥＴ６−８は並列に配置されている。温度センサ１２〜１５は、カスケード接続最終段の電界効果型トランジスタのうち少なくとも２以上の電界効果型トランジスタの近傍に設けられる。可変アッテネータ１１は、各電界効果型トランジスタの利得を制御する。制御回路１６は、温度センサ１２〜１５の温度検出結果に基づいて、可変アッテネータ１１を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力増幅装置に関する。

ＳＮＧ(Satellite News Gathering)システムは、人工衛星を用いてテレビニュース等の放送番組素材を収集するシステムである。放送番組素材を収集する地上拠点には、ＳＮＧ車載局やFlyaway（車載用ではない可搬地球局）といったＳＮＧ可搬地球局が設置される。このようなＳＮＧ可搬地球局では、送出信号を送信電力に増幅するための電力増幅器に電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を用いる固体化電力増幅器（ＳＳＰＡ;solid state power amplifier）が採用されることが多い。

ＳＮＧシステムでは、高画質の映像素材を高ビットレートで伝送することが求められる。従って、情報量の多い放送用の映像素材の伝送は広帯域で行われ、必要とされるＥＩＲＰ(Equivalent Isotropicaly Radiated Power)も高くなる。このため、窒化ガリウム系高電子移動度トランジスタ(ＧａＮ ＨＥＭＴ)を使用して１００Ｗ級の飽和電力数を実現する大電力ＳＳＰＡも放送事業者向けに提供されている。

ＳＮＧシステムにおける衛星通信は、一般にＣ帯（４Ｇ〜８ＧＨｚ帯）やＫｕ帯（１２Ｇ〜１８ＧＨｚ帯）で行われるが、ＳＮＧシステムで必要とされる６０ｄＢ程度の高利得を実現するためには、ＦＥＴをカスケードに多段接続する必要がある。また大電力ＳＳＰＡの電力増幅部は、大電力送信時に所望の無線特性を満足するよう、カスケード接続の最終段においてＦＥＴを並列に配置して信号を分配することでＦＥＴの動作点の充分なバックオフを確保している。

ＦＥＴは周囲温度によって利得が変動するため、特にカスケード接続した場合には、利得を一定にする補償機能が必要とされる。例えば特許文献１には、主増幅回路及び歪信号増幅回路の近傍に温度センサを配置し、各回路の発熱素子及び温度による特性変化の大きい素子の温度をモニタする技術が記載されている。この技術では、各素子の温度による利得特性を予めルックアップテーブルに格納しておき、温度補償が行なわれる。

特開２００７−８２０１６号公報（段落００１４、図１）

しかしながら、Ｋｕ帯等で通信を行う衛星通信用のＳＳＰＡでは、入力信号を複数系統に分配するために複数のＦＥＴを並列して配置する場合、その高い周波数のため基板精度や調整公差が原因で分配器の各出力ポートの分配損にばらつきが生じかねない。カスケード接続最終段のＦＥＴの動作点がばらつくと、それぞれのＦＥＴの発熱量にもばらつきが生じる。このため、並列されたＦＥＴ間に温度差が生じてしまいかねない。特許文献１に記載の技術のように、増幅回路の近傍に１つの温度センサを配置して１点の温度を検出する方式では、温度検出を行う箇所以外の温度変化による利得変動を補正できない。

本発明は、前記のような問題に鑑みなされたもので、温度分布の変動による利得変動を安定的に補償する電力増幅装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る電力増幅装置は、カスケード接続された複数の電界効果型トランジスタであって、前記カスケード接続の最終段においては複数の電界効果型トランジスタが並列に配置されている、複数の電界効果型トランジスタと、前記カスケード接続最終段の複数の電界効果型トランジスタのうち少なくとも２以上の電界効果型トランジスタの近傍に設けられた複数の温度センサと、前記複数の電界効果型トランジスタの利得を制御する可変アッテネータと、前記複数の温度センサの温度検出結果に基づいて、前記可変アッテネータを制御する制御手段を具備する。

本発明によれば、温度分布の変動による利得変動を安定的に補償する電力増幅装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電力増幅器の構成を示すブロック図。 １つのＦＥＴの温度検出結果に基づいて利得補償量を算出し、小信号を増幅する場合の周波数と利得の関係の一例を示す図。 図２と同じ１つのＦＥＴの温度検出結果に基づいて利得補償量を算出し、大信号を増幅する場合の周波数と利得の関係の一例を示す図。 小信号の増幅時における各温度センサによるＦＥＴの温度検出結果の一例を示す図。 図４の例における信号を大信号まで増幅させた場合の温度検出結果の一例を示す図。 図５の例と同じ大信号増幅を行なう場合の温度検出結果の一例を示す図。 本実施形態に係る電力増幅器によって大信号を増幅する場合の周波数と利得の関係の一例を示す図。

以下、図面を参照して本発明による電力増幅装置の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力増幅器の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力増幅器１０は、冷却器（ヒートシンク）２０上に設けられる。この電力増幅器１０は、例えばＳＮＧ可搬地球局における送信電力の増幅に用いられるＳＰＰＡとして構成される。

電力増幅器１０は、可変アッテネータ１１、温度センサ１２〜１５、制御回路１６、複数の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）、及び分配器Ｄ−１〜Ｄ−７を備えている。複数のＦＥＴのそれぞれは、例えばガリウムひ素ＦＥＴであり、入力された信号を増幅する機能を有する。図１には、これらのＦＥＴによる６段のカスケード接続が図示されている。分配器Ｄ−１〜Ｄ−７としては、たとえば高周波回路用のブランチライン型分配器が用いられ得る。

入力端子から入力した入力信号は、可変アッテネータ１１を通って、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３に供給される。ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３は、それぞれカスケード接続の１〜３段目に対応する。ＦＥＴ３から出力された信号は、分配器Ｄ−１によって２系統に分配され、４段目のＦＥＴ４−１とＦＥＴ４−２にそれぞれ供給される。

ＦＥＴ４−１からの出力は分配器Ｄ−２によって更に２系統に分配され、５段目のＦＥＴ５−１とＦＥＴ５−２にそれぞれ供給される。またＦＥＴ４−２からの出力は分配器Ｄ−３によって更に２系統に分配され、５段目のＦＥＴ５−３とＦＥＴ５−４にそれぞれ供給される。

同様に、ＦＥＴ５−１からの出力は分配器Ｄ−４によって２系統に分配され、６段目のＦＥＴ６−１とＦＥＴ６−２に供給される。ＦＥＴ５−２からの出力は分配器Ｄ−５によって２系統に分配され、６段目のＦＥＴ６−３とＦＥＴ６−４に供給される。ＦＥＴ５−３からの出力は分配器Ｄ−６によって２系統に分配され、６段目のＦＥＴ６−５とＦＥＴ６−６に供給される。ＦＥＴ５−４からの出力は分配器Ｄ−７によって２系統に分配され、６段目のＦＥＴ６−７とＦＥＴ６−８に供給される。

以上のように図１に示す電力増幅器１０では、カスケードの最終段である６段目においてＦＥＴ６−１〜ＦＥＴ６−８が並列に配置されている。入力信号は、この６段目において８系統に分配されている。８系統に分配された入力信号は、ＦＥＴ６−１〜ＦＥＴ６−８から出力された後、再び合成されて出力端子から出力される。

なお、図１には一例として６段のカスケード接続が図示されているが、カスケードの段数はこれに限定されない。例えばＦＥＴ２とＦＥＴ３の間に、更に他のＦＥＴがカスケード接続されてもよい。また、図１には入力信号を８系統に分配して増幅する例が示されているが、分配される系統の数はこれに限定されない。入力信号は更に多数（又は少数）の系統に分配されてもよい。

温度センサ１２は最終段のＦＥＴ６−１の近傍に設けられ、ＦＥＴ６−１の温度を検出する。また温度センサ１３はＦＥＴ６−３の近傍に設けられ、ＦＥＴ６−３の温度を検出する。同様に温度センサ１４はＦＥＴ６−５の近傍に設けられ、ＦＥＴ６−５の温度を検出する。温度センサ１５はＦＥＴ６−７の近傍に設けられ、ＦＥＴ６−７の温度を検出する。検出された温度は、それぞれ制御回路１６に送信される。

図１では一例として４つの温度センサが図示されているが、最終段の他のＦＥＴの温度を検出するために更に多数の温度センサが備えられてもよい。それぞれの温度センサによって検出された温度の情報は、制御回路１６に送信される。

制御回路１６は、温度センサ１２〜１５の温度検出結果に基づいて利得補償量を算出し、算出された利得補償量によって電力増幅器１０全体の利得が補償されるように可変アッテネータ１１を制御する。

ガリウムひ素ＦＥＴの利得の温度勾配が０．０１５［ｄＢ／℃］であることは、広く知られている。このためガリウムひ素ＦＥＴの利得は、温度が低いと上昇し、温度が高いと低下する。ガリウムひ素ＦＥＴに限らず、シリコン結晶や窒化ガリウム素材も同様の温度特性を有する。

ＦＥＴをカスケードに多段接続した場合の利得変動ΔＧは、一般に式（１）によって表される。

式（１）において、Ｘはカスケードの段数、ΔＴは温度変化を表す。

例えば１０段のガリウムひ素ＦＥＴがカスケードに接続されている場合、−２０℃〜６０℃の温度変化が生じれば、利得変動は式（２）から１２［ｄＢ］と求まる。

このように、ＳＳＰＡの利得の変動は、温度変化に応じた関数で表すことができる。このため、ＳＳＰＡ内部の温度変化が検出できれば、式（１）から補償すべき利得量を算出することができる。

しかしながら、入力信号を複数系統に分配するために複数のＦＥＴを並列して配置する電力増幅器１０では、高周波信号の増幅の際に、基板精度や調整公差が原因で分配器Ｄ−１〜Ｄ−７の各出力ポートの分配損にばらつきが生じかねない。

電力増幅器１０におけるカスケード接続最終段のＦＥＴ（ＦＥＴ６−１〜ＦＥＴ６−８）の動作点がばらつくと、それぞれのＦＥＴの発熱量にもばらつきが生じる。また、フランジ-ジャンクション間の熱抵抗、電力効率などといったＦＥＴの特性差などを原因としても、発熱量の個体差が生じる。更に、高周波回路パターンとＦＥＴには周波数特性があるため、発熱量のばらつきの傾向は、周波数にも依存して変動する。

カスケードの最終段において複数のＦＥＴを並列に配置する電力増幅器では、装置の個体差や周波数に依存する発熱量のばらつきが顕著となりやすい。従って、電力増幅器１０内の１点の温度変化のみを検出して、可変アッテネータ１１を変化させる方式では、利得を短時間で安定化することができない。また、周波数や回路の設定を変更することによっても各ＦＥＴの発熱量が変動するため、適切な温度検出点を一意に定めることも困難である。

発熱量の少ないＦＥＴのみの温度を検出して利得補償を行う場合、特定の周波数については式（１）に基づいて適切な利得補償量が算出できたとしても、異なる周波数についてはＦＥＴの周波数特性に依存して利得が劣化することがある。

図２は、１つのＦＥＴの温度検出結果に基づいて利得補償量を算出し、小信号を増幅する場合の周波数と利得の関係の一例を示す図である。また図３は、図２と同じ１つのＦＥＴの温度検出結果に基づいて利得補償量を算出し、大信号を増幅する場合の周波数と利得の関係の一例を示す図である。

図２に示すように、小信号の増幅時には、発熱量の少ない周波数ｆ１でも発熱量の多い周波数ｆ２でも同様に適切な利得Ｇ１が得られる。しかしながら大信号を増幅する場合には、温度検出の対象となるＦＥＴの周波数特性に従って利得の劣化が生じる。すなわち、発熱量の少ない周波数ｆ１では利得補償によって適切な利得Ｇ１が得られるが、発熱量の多い周波数ｆ２では利得補償量が足りなくなり、Ｇ１より小さい利得Ｇ２しか得られなくなる。

これに対し、本実施形態に係る電力増幅器１０では、複数の温度センサ１２〜１５を具備するため、複数の温度検出点において温度変化を検出することができる。従って、並列配置されたＦＥＴそれぞれの固体差に応じたＦＥＴの温度変化をより高感度に検出することができる。

制御回路１６は、最終段の複数のＦＥＴを並列的に監視し、複数のＦＥＴの検出温度の平均値を算出する。そして、算出した平均温度に基づいて式（１）より利得補償量を算出する。可変アッテネータ１１は、各ＦＥＴの平均温度に基づいて算出された利得補償量に応じて制御される。従って、本実施形態に係る電力増幅器１０では、回路パターン、ＦＥＴの個体差、又は周波数による温度変化のばらつきの影響を受けずに、温度利得補償を行なうことができる。更に、温度センサ１２〜１５の温度検出結果を平均化することで、温度センサの検出精度のばらつきの影響も取り除くことができる。

温度センサ１２〜１５によって検出されるそれぞれのＦＥＴの温度は、電力増幅器１０の回路パターンやＦＥＴの個体差によるばらつき、周波数によるばらつき、あるいは温度検出精度のばらつきにより、通常は互いに異なる値を取る。

図４は、小信号の増幅時における各温度センサによるＦＥＴの温度検出結果の一例を示す図である。図４に示すようにＦＥＴごとに検出温度にばらつきが生じている。図５は、図４の例における信号を大信号まで増幅させた場合の温度検出結果の一例を示す図である。図５に示すように、大信号増幅時にはＦＥＴ間の温度差が拡大する。

図６は、図５の例とは異なる周波数で、図５の例と同じ大信号増幅を行なう場合の温度検出結果の一例を示す図である。周波数が変動すると、回路の周波数特性やＦＥＴの周波数特性に応じて各ＦＥＴの発熱量も変動する。このため、同じ大信号増幅時でも、図５及び図６に示すように、温度検出結果も周波数によって異なる。すなわち、同じカスケードの６段目内の温度分布が変動し、それぞれのＦＥＴで温度が異なることとなる。

本実施形態に係る電力増幅器１０では、制御回路１６が温度センサ１２〜１５の検出温度の平均値を算出して、利得補償量を決定する。従って、例えば図４に示す例では、平均温度Ｔ１に基づいて利得補償量が決定される。また、図５の例と図６の例では、温度分布は異なるものの、平均温度は同じＴ２である。制御回路１６は、どちらの例でも平均温度Ｔ２に基づいて利得補償量を決定することができる。図５及び図６の例のように、１つの温度検出点では温度分布の変動に応じて温度検出結果がばらつくような場合でも、本実施形態では最終段のＦＥＴの平均温度に基づく補償を行なうので、補償量のばらつきを抑えることが可能となる。

図７は、本実施形態に係る電力増幅器１０によって大信号を増幅する場合の周波数と利得の関係の一例を示す図である。図３に示す例では、大信号の増幅時には発熱量の多い周波数ｆ２では利得補償量に不足が生じていた。しかしながら、本実施形態に係る電力増幅器１０では、発熱量の少ない周波数ｆ１でも発熱量の多い周波数ｆ２でも適切な利得補償量Ｇ´が適切に算出され、精度良く利得補償が行なえる。

また制御回路１６は、温度センサ１２〜１５による検出温度のうち、最大値と最小値を除外して平均温度を算出し、この平均温度に基づいて利得補償量を決定してもよい。あるいは制御回路１６は、所定の温度範囲から外れた検出温度を除外して平均温度を算出し、この平気温度に基づいて利得補償量を決定してもよい。また制御回路１６は、他の温度センサの検出結果とは大きくかけ離れた検出温度を除外して平均温度を算出し、この平均温度に基づいて利得補償量を決定してもよい。このような構成によれば、温度センサがノイズ等によって誤った温度（異常温度）を検知した場合でも、当該異常温度に基づく誤った利得補償が行なわれないような制御が可能となる。

本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、前記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、１つの実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されたり、幾つかの実施形態に示される構成要件が組み合わされても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除されたり組み合わされた構成が発明として抽出され得るものである。

１０…電力増幅器、１１…可変アッテネータ、１２〜１５…温度センサ、１６…制御回路、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ３…電界効果型トランジスタ、ＦＥＴ４−１〜ＦＥＴ４−２…電界効果型トランジスタ、ＦＥＴ５−１〜ＦＥＴ５−４…電界効果型トランジスタ、ＦＥＴ６−１〜ＦＥＴ６−９…電界効果型トランジスタ、Ｄ−１〜Ｄ７…分配器、２０…冷却器。

Claims (4)

1. カスケード接続された複数の電界効果型トランジスタであって、前記カスケード接続の最終段においては複数の電界効果型トランジスタが並列に配置されている、複数の電界効果型トランジスタと、
   前記カスケード接続最終段の複数の電界効果型トランジスタのうち少なくとも２以上の電界効果型トランジスタの近傍に設けられた複数の温度センサと、
   前記複数の電界効果型トランジスタの利得を制御する可変アッテネータと、
   前記複数の温度センサの温度検出結果に基づいて、前記可変アッテネータを制御する制御手段と、
   を具備する電力増幅装置。
2. 前記複数の温度センサは、前記少なくとも２以上の電界効果型トランジスタの温度をそれぞれ検出し、
   前記制御手段は、前記複数の温度センサが検出した温度の平均値を算出し、算出した平均値に基づいて前記可変アッテネータを制御する請求項１に記載の電力増幅装置。
3. 前記制御手段は、前記複数の温度センサが検出した温度から特異値を除外して前記平均値を算出する請求項２に記載の電力増幅装置。
4. 前記制御手段は、前記複数の温度センサが検出した温度から最大値及び最小値の少なくとも一方を除外して前記平均値を算出する請求項３に記載の電力増幅装置。

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