JP2011199370A - 電力増幅装置、電力増幅方法 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い送信電力の範囲でひずみ特性を満足することのできる電力増幅装置を提供すること。
【解決手段】この電力増幅装置は、第１の増幅素子を有し入力信号を増幅する第１の増幅部と、第２の増幅素子を有し第１の増幅部の出力信号を増幅する第２の増幅部と、第１の増幅素子および第２の増幅素子を非線形領域で動作させるバイアス値を第１の増幅素子および第２の増幅素子それぞれに与えるバイアス供給部とを具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば衛星地球局の無線設備などにおいて用いられる電力増幅装置、電力増幅方法に関する。

人工衛星と通信を行う衛星地球局の無線設備には、マイクロ波（特にＳＨＦ帯以上）の周波数の信号を増幅する電力増幅装置が必要である。近年では、効率やメンテナンスなどの観点から電力増幅装置の固体化が進められており、真空管の一種である進行波管を用いた進行波管増幅器（ＴＷＴＡ：Traveling Wave Tube Amplifiers）に代わって、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）を用いた固体化電力増幅器（ＳＳＰＡ：Solid State Power Amplifier）が広まりつつある。この傾向は、電力増幅ＦＥＴの高効率化・大電力化が進むにつれて顕著であり、特に窒化ガリウム系（以下ＧａＮ）の素材を用いたＦＥＴは、ＳＳＰＡの送信出力の向上に大きく貢献した。

ところで、衛星地球局などの無線設備は、電波法などの関連法規や諸々の技術基準を満足することが求められている。三次相互変調積（ＩＭ３）やリグロースで表されるひずみ特性は、かかる無線設備が満足すべき技術的基準の一つである。

ひずみ特性を改善する方法（ひずみ補償）としては、デジタル・プリディストーション、フィードフォワードなど多くの方法が知られているが、特別な回路を必要としないひずみ補償方法として、複数段のＦＥＴ増幅器を用いてひずみを打ち消すものが提案されている（例えば特許文献１）。特許文献１記載の技術は、複数段のＦＥＴ増幅器のうち初段の増幅器においてわざと増幅信号を歪ませ、最終段の増幅器で発生するひずみを打ち消している。そのため、特許文献１記載の技術は簡便性とコストの面で優位である。

しかし衛星通信では、１００Ｗを超える大電力送信から１Ｗにも満たない小電力送信まで様々なレベルダイヤグラムで運用されることが想定されるため、幅広い送信電力の範囲でひずみ特性を満足することが求められる。特許文献１記載の技術では、増幅レベル（送信出力）によってはひずみ特性の改善効果が十分に得られず、幅広い送信電力の範囲でひずみ特性を満足することができないという問題があった。

特開２００４−２２８６６１公報

このように、従来の電力増幅装置、電力増幅方法では、幅広い送信電力の範囲でひずみ特性を満足することができないという問題がある。本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、幅広い送信電力の範囲でひずみ特性を満足することのできる電力増幅装置、電力増幅方法を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために、本発明の一つの態様に係る電力増幅装置は、この電力増幅装置は、第１の増幅素子を有し入力信号を増幅する第１の増幅部と、第２の増幅素子を有し第１の増幅部の出力信号を増幅する第２の増幅部と、第１の増幅素子および第２の増幅素子を非線形領域で動作させるバイアス値を第１の増幅素子および第２の増幅素子それぞれに与えるバイアス供給部とを具備している。

本発明によれば、幅広い送信電力の範囲でひずみ特性を満足することのできる電力増幅装置、電力増幅方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る電力増幅装置で用いる増幅素子の出力電力に対するＩＭ３特性を示す図である。 図１に示す増幅素子のアイドル電流を変化させた場合の出力電力に対するＩＭ３特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力増幅装置の構成を示すブロック図である。 図３に示す電力増幅装置で用いる増幅素子のＩ_ｄｓ−Ｖ_ｇｓ特性を示す図である。 図３に示す電力増幅装置における第１の増幅部と第２の増幅部それぞれのアイドル電流とＩＭ３特性の関係を示す図である。 図３に示す電力増幅装置の特性例を示す図である。

（ひずみ補償の原理）
本発明は、電力増幅装置を構成する増幅器を所定の動作点で動作させることで、増幅出力中のひずみ成分を抑制する。そこで、まずＩＭ３の発生とひずみ補償の原理について説明する。

ＩＭ３は、同振幅の信号２波を増幅器等に加えた際に発生するひずみ成分の一部である。時間調和の入力信号をｘ、出力信号をｙとすると、非線形ひずみによるスプリアス信号は、次のように表すことができる。

入力信号をＸ_１ｃｏｓω_１ｔとＸ_２ｃｏｓω_２ｔの２波として、（１）式のｘ^３へ代入して第３次成分ｙ_３を求めると、ＩＭ３は、次の式の角周波数（２ω_１−ω_２）と（ω_１−２ω_２）で表される成分となる。

ここで、出力信号ｙとＩＭ３の電力比は、

と表すことができる。すなわち、入力信号の振幅がＸ_１＝Ｘ_２で等しいとき、入力信号の振幅とＩＭ３の振幅の増加比は１：３となる。

しかしＩＭ３は、（３）式で導出したように振幅に係る非線形性から生ずる場合のほか、位相の非線形性からも生じる。入力信号をＸ_１ｃｏｓ｛（ω_０＋Δ_１）ｔ＋φ_１｝とＸ_２ｃｏｓ｛（ω_０＋Δ_２）ｔ＋φ_２｝の２波とし、これらを合成した入力信号ｘをｘ＝Ｘｃｏｓ（ω_０ｔ＋φ）とすると、出力信号ｙは、次の式で表せる。

（４）式は、合成した入力信号の振幅Ｘが増幅されＹ（Ｘ）となり、位相がθ（Ｘ）変化した関数である。（４）式を三角関数の公式を用いて展開すると、発生するＩＭ３の周波数、位相、振幅成分を導出することができる。導出された式の振幅成分が極小の極値となる導関数を求めると、ＡＭ−ＡＭ特性をＹ（Ｘ）／Ｘ、ＡＭ−ＰＭ特性をθ（Ｘ）として、次の式で表される。

これらの導関数の成立条件は、以下の２つである。

（７）式は、（５）式で「Ｙ（Ｘ）／Ｘ＝Ｇ（Ｘ）＝一定、θ（Ｘ）＝一定」が成り立つときを表し、理想的な線形特性では歪が生じないことを示している。（８）式は、入力信号の振幅とＩＭ３の振幅の増加が局所的に１：３の比率にならず、ＩＭ３が極端に改善する領域（極小値）があることを示している。これは、振幅と位相の変化のバランスを取ることで、ＩＭ３に局所的な極小点が得られることを意味している。すなわち、電力増幅装置の増幅器（増幅素子）の動作点を変えることによって、ＩＭ３の改善を図りうることが示されている。

本発明は、電力増幅器の増幅素子の動作点をこの極小値に置くことで、全体のＩＭ３を改善させている。すなわち、電力増幅器を二段構成とし、各電力増幅器の増幅素子の動作点を非線形領域におき、初段増幅も終段増幅も増幅出力を歪ませた状態で動作させる。これにより、電力増幅装置全体としてひずみ成分を相殺させＩＭ３を向上させることができる。

（増幅素子の動作点）
次に、増幅素子の動作点について説明する。図１は、ＧａＮ系ＦＥＴのＩＭ３特性の例を示している。図１に示すように、ＧａＮ系ＦＥＴのＩＭ３特性には、（８）式の補償条件による極小点が明確に表れている（図中矢印）。そこで、ＧａＮ系ＦＥＴの動作点とＩＭ３特性の関係について調べた。

図２は、ＧａＮ系ＦＥＴを用いた電力増幅器において、ＧａＮ系ＦＥＴのアイドル電流（Ｉ_{ＤＳｓｅｔ}）を、０．５Ａから３．０Ａまで０．５Ａ刻みで変えた場合のＩＭ３の変化を示している。図２に示すように、ＧａＮ系ＦＥＴのＩＭ３特性は、Ｉ_{ＤＳｓｅｔ}を上昇させると、出力信号とＩＭ３特性の増加率が１：３の関係を示す直線に近づいていく。すなわち、増幅出力の変化によりＩＭ３特性も変化する状態となる。

一方、Ｉ_{ＤＳｓｅｔ}を下げていくと、小信号増幅時のＩＭ３が悪化する傾向が見られるものの、Ｉ_{ＤＳｓｅｔ}＝０．５Ａにおいて大信号増幅時に極小点が発生していることが分かる。これは、ＧａＮ系ＦＥＴを用いた電力増幅器において、Ｉ_{ＤＳｓｅｔ}を抑えた動作状態とすることで、増幅出力の変化に対してＩＭ３特性が安定する領域が得られることを示している。

図１および図２に示すように、ＩＭ３が安定する領域は、Ｉ_{ＤＳｓｅｔ}が２．０Ａ前後からみられるようになり、１．５Ａ，１．０Ａと少なくなるにつれてＩＭ３特性の安定領域が広くなる。一方、Ｉ_{ＤＳｓｅｔ}が１．０Ａ以下になるとＩＭ３が局所的に改善する領域が見られるようになる。さらに、Ｉ_{ＤＳｓｅｔ}が０．５Ａを下回ると、ＩＭ３の改善点ピークが鋭くなるとともに利得が下がる傾向にある。すなわち、Ｉ_{ＤＳｓｅｔ}が０．５Ａ〜１．５Ａの範囲において、増幅出力の変化に対してＩＭ３が安定的に改善する領域が現れることがわかる。

なお、図２において、ゲートバイアス電圧Ｖ_ｇを０に設定したときにドレイン端子に流れる電流Ｉ_ｄｓｓは１０Ａであったから、この電流Ｉ_ｄｓｓを基準とすると、電流Ｉ_{ＤＳｓｅｔ}が０．５Ａ〜１．５Ａとなる範囲は、当該基準の５〜１５％の範囲となる。かかる領域で動作させた増幅器を組み合わせると、増幅出力の変化に対して安定したＩＭ３特性をもつ電力増幅装置を得ることができる。

本発明の実施形態では、かかる知見に基づいて、ＩＭ３が安定化する動作点で動作させた増幅器を直列二段に接続することで、結果的に電力増幅装置全体のＩＭ３特性を向上させるとともに、広い出力レベルでＩＭ３を安定化させている。

（実施形態の構成）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図３に示すように、本発明の実施形態に係る電力増幅装置１は、初段増幅器としての第１の増幅部１０と、終段増幅器としての第２の増幅部２０と、バイアス供給部３０とを備えている。この電力増幅装置１は、第１の増幅部１０および第２の増幅部２０の二段構成を有し、入力ＩＮに与えられた送信信号を所定の電力レベルまで増幅して出力ＯＵＴに出力する。

第１の増幅部１０は、例えばＦＥＴなどの第１の増幅素子１２を有する増幅回路から構成され、第２の増幅部２０は、同じくＦＥＴなどの第２の増幅素子２２ａ，２２ｂを有する増幅回路から構成される。第１の増幅素子および第２の増幅素子は、それぞれ複数の素子により構成されてもよい。例えば、第１の増幅部１０は第１の増幅素子１２を１つを用いたシングル増幅回路、第２の増幅部２０は、第２の増幅素子２２ａおよび２２ｂの２つを用いたプッシュプル増幅回路のように構成することができる。

第１の増幅素子１２および第２の増幅素子２２ａ，２２ｂは、非線形性領域となる範囲が広い半導体素子を用いることが望ましい。ＧａＮ系ＦＥＴは、ＧａＡｓ系ＦＥＴなどと比べて非線形性領域となる動作範囲が広く、前述の通りＩ_{ＤＳｓｅｔ}を抑えた場合にＩＭ３特性の良好な領域が得られることから、第１および第２の増幅素子として好適である。

バイアス供給部３０は、第１の増幅部１０に備えられた第１の増幅素子１２および第２の増幅部２０に備えられた第２の増幅素子２２ａ，２２ｂが、それぞれ所定の動作点となるバイアス電圧Ｖ_ｇ１およびＶ_ｇ２を生成し、第１および第２の増幅素子それぞれに供給する。

（実施形態の動作点の例）
図４は、実施形態に係る電力増幅装置の第１および第２の増幅素子の、ゲート電圧に対するドレイン電流の特性例を示す図である。ここでは、第１および第２の増幅素子として、図１および図２に示す特性を得たＧａＮ系ＦＥＴを用いた。前述のとおり、図１および図２にて説明したＧａＮ系ＦＥＴは、ゲートバイアス電圧Ｖ_ｇを０に設定したときにドレイン端子に流れる電流Ｉ_ｄｓｓを基準として５〜１５％程度の範囲とした場合に、ＩＭ３特性が安定化する。

図４に示すように、第１の増幅素子１２および第２の増幅素子２２ａ，２２ｂそれぞれに供給されるバイアス電圧Ｖ_ｇ１およびＶ_ｇ２は、増幅素子たるＦＥＴのゲート−ソース間を短絡したとき（ゲートバイアス電圧Ｖ_ｇを０に設定したとき）にドレイン端子に流れる電流Ｉ_ｄｓｓを基準として、５〜１５％程度のドレイン電流Ｉ_{ｄｓｅｔ１}，Ｉ_{ｄｓｅｔ２}となる電圧Ｖ_ｇ１およびＶ_ｇ２に設定する。これは、ＦＥＴ単体で規定される標準電流（標準の線形増幅動作をするドレイン電流）に対して、２５〜５０％の範囲に相当する。

ドレイン電流が基準の電流Ｉ_ｄｓｓの５〜１５％となる領域では、前述の通りＧａＮ系ＦＥＴのＩＭ３特性が安定化する。この領域では、増幅回路の入力−出力特性が非線形特性の領域となり、本来増幅出力にひずみ成分が多く含まれている動作状態でもある。すなわち、この実施形態では、電力増幅装置１を構成する２つの増幅部を両方とも歪みの多い非線形領域で動作させることになる。かかる動作により、初段である第１の増幅部１０で発生するノイズ成分と、終段である第２の増幅部２０で発生するノイズ成分とを相殺させ、増幅出力のレベルにかかわらず十分なＩＭ３特性を得ることが可能となる。

図５は、第１および第２の増幅素子をそれぞれＧａＮ系ＦＥＴとした場合の、それぞれのバイアス電圧Ｖ_ｇ１，Ｖ_ｇ２を供給した場合におけるドレイン電流（アイドル電流）Ｉ_{ｄｓｅｔ１}，Ｉ_{ｄｓｅｔ２}と、それらのドレイン電流設定による電力増幅装置１全体のＩＭ３特性との関係を示す図である。図５に示すように、第１の増幅部１０および第２の増幅部２０のドレイン電流Ｉ_{ｄｓｅｔ１}およびＩ_{ｄｓｅｔ２}が１．５Ａ以下となると、ＩＭ３が−３０ｄＢｃ程度得られていることがわかる。

なお、図５に示すように、Ｉ_{ｄｓｅｔ１}の変化によるＩＭ３特性の変化とＩ_{ｄｓｅｔ２}の変化によるＩＭ３特性の変化とは異なっている。これは、第１の増幅部１０と第２の増幅部２０とでレベルダイヤグラム上のレベルが異なり、増幅利得が異なっていることに起因すると考えられる。この実施形態では、第１の増幅部１０のＩ_{ｄｓｅｔ１}を基準の電流Ｉ_ｄｓｓの５〜１５％程度、第２の増幅部２０のＩ_{ｄｓｅｔ２}を同じく略５％程度とした場合に特に良好なＩＭ３特性が得られた。すなわち、終段の第２の増幅部２０を初段の第１の増幅部１０よりも増幅出力を歪ませた動作とした場合に、電力増幅装置全体のＩＭ３特性が良好となった。

図６は、図１，２，４に示す特性のＧａＮ系ＦＥＴを利用した電力増幅装置（第１の増幅部１０のアイドリング電流Ｉ_{ｄｓｅｔ１}を基準の電流Ｉ_ｄｓｓの１５％、第２の増幅部２０のアイドリング電流Ｉ_{ｄｓｅｔ２}を基準の電流Ｉ_ｄｓｓの５％としたもの）の特性例である。図６に示すように、増幅出力が大きい場合にＩＭ３特性が大幅に改善され、広範囲の増幅出力レベルにおいてＩＭ３特性が安定していることがわかる。

このように、この実施形態の電力増幅装置では、二つの増幅器を増幅出力に対してＩＭ３が安定化する領域で動作させたので、広い増幅出力レベルにわたって安定したＩＭ３特性を得ることができる。また、この実施形態の電力増幅装置では、構成する増幅器全ての動作点を、増幅出力が歪む状態に設定している。すなわち、非線形領域が広いほど補償しうる増幅出力レンジも広いことになる。特に、ＧａＮ系ＦＥＴのように非線形領域が極めて広い増幅素子を用いた場合、ひずみ補償可能な信号レベルを広範に取ることが可能になる。

また、この実施形態の電力増幅装置では、第１の増幅部１０および第２の増幅部２０の全ての段について、アイドル電流が標準の動作点よりも小さくなるようにバイアスを設定している。従って、電力増幅装置全体の効率が向上するとともに、無送信時の待機消費電力を抑えることができる。

なお、本発明は上記実施形態およびその動作例のみに限定されるものではない。本発明は、上記実施形態そのまま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構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明は、電気機器製造業において利用することができる。

１０…第１の増幅部、２０…第２の増幅部、３０…バイアス供給部。

Claims (5)

1. 第１の増幅素子を有し入力信号を増幅する第１の増幅部と、
   第２の増幅素子を有し前記第１の増幅部の出力信号を増幅する第２の増幅部と、
   前記第１の増幅素子および前記第２の増幅素子を非線形領域で動作させるバイアス値を前記第１の増幅素子および前記第２の増幅素子それぞれに与えるバイアス供給部と
   を具備したことを特徴とする電力増幅装置。
2. 前記第１の増幅素子および前記第２の増幅素子は、ＧａＮ系ＦＥＴ素子であり、
   前記バイアス供給部は、前記第１の増幅素子および前記第２の増幅素子にバイアスを与えない状態のアイドリング電流を基準として、５〜１５％の範囲のアイドリング電流となるよう前記バイアス値を設定すること
   を特徴とする請求項１記載の電力増幅装置。
3. 前記バイアス供給部は、前記第２の増幅素子のアイドリング電流が前記第１の増幅素子のアイドリング電流よりも小さくなるよう前記バイアス値を設定することを特徴とする請求項２記載の電力増幅装置。
4. 前記バイアス供給部は、
   前記第１の増幅素子に与えるバイアス値を、バイアスを与えない状態のアイドリング電流を基準として、５〜１５％のアイドリング電流となるように設定し、
   前記第２の増幅素子に与えるバイアス値を、バイアスを与えない状態のアイドリング電流を基準として、略５％のアイドリング電流となるように設定すること
   を特徴とする請求項２または３記載の電力増幅装置。
5. 入力信号を非線形領域で動作させた第１の増幅素子で増幅し、
   前記第１の増幅素子で増幅された信号を、非線形領域で動作させた第２の増幅素子で増幅すること
   を特徴とする電力増幅方法。

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