JP2013005353A

JP2013005353A - 電力増幅器および電力増幅方法

Info

Publication number: JP2013005353A
Application number: JP2011136783A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Katagi; 武片木; Toshinori Doi; 敏則土井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】ＡＣＬＲが劣化しないＴＤＤ方式用の無線送信用電力増幅器および電力増幅方法を提供する。
【解決手段】終段増幅器５は、受信タイミングにはＤＣオフセット信号が入力され、送信タイミングには、入力される前記デジタル変調信号を電力増幅してアンテナへ向けて出力し、制御電源部２３は、ＴＤＤ送信タイミングに合わせて終段増幅器５のＦＥＴのドレインへ最大ピーク電圧のハイレベルのドレイン電圧およびそのＦＥＴがＯＮとなるバイアス電圧と、ＴＤＤ受信タイミングに合わせて前記ＦＥＴのドレインへ低電圧のローレベルのドレイン電圧とそのＦＥＴがＯＮとなるバイアス電圧とを供給する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、無線送信機に使用される電力増幅器および電力増幅方法に関する。

近年、移動体通信では、ＯＦＤＭ等の様な広帯域、かつピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ）が大きい変調信号を無線送信する無線送信機が増えている。これらの送信機は、電源効率が高いことと低歪みなことが要求され、終段の電力増幅器には高速スイッチングが可能なＧａＮ（Gallium Nitride：窒化ガリウム）デバイスが採用され、高出力時におけるバックオフ対策をして低歪化を図るなどデプレッション型のＧａＮＦＥＴの使用が主力となりつつある（例えば、特許文献１。）。

ＷｉＭＡＸやＰＨＳなどで利用されるＴＤＤ(Time Division Duplex：時分割多重)の無線通信方式は、送受信を交互に切り替えることにより同じ周波数帯で双方向通信を可能にし、送信時には電力増幅器ＰＡに電流が流れる（ＯＮ）が受信タイミングには電流が流れない（ＯＦＦ）ため消費電力を抑えることが出来る。

ところが、ＧａＮを終段の電力増幅器に用いたＰＡでは、所定の出力レベルとなる信号入力に対し、立ち上がりの一瞬、所期のレベルよりも大きく出力し、時間が経過すると所期のレベルに近づく。この立ち上がり特性は、ＧａＮデバイスのジャンクション温度が低い状態（ＯＦＦ）から信号を入力（ＯＮ）すると出力レベルが大きくなり、ジャンクション温度が上がるにつれ出力レベルが下がり安定することに関係している。

ＴＤＤ方式では電力増幅器ＰＡを高速に交互にＯＮ／ＯＦＦしているため、ＯＦＦになるとジャンクション温度は下がり、立ち上がり時には所定出力レベルよりもレベルが大きくなり、送信の立ち上がりタイミングにＡＣＬＲ(Adjacent Channel Leakage Ratio：隣接チャネル漏洩電力比)が劣化することがあるという問題があった。

特開２０１１−１５２３９号公報

従来のＧａＮデバイスを使用した電力増幅器は、送信が交互にＯＮ／ＯＦＦされるＴＤＤ無線通信方式（以下、ＴＤＤ方式と称す。）では、ＯＦＦになるとジャンクション温度は下がるので、送信の立ち上がり時には所期出力レベルよりもレベルが大きくなりＡＣＬＲ(Adjacent Channel Leakage Ratio：隣接チャネル漏洩電力比)が劣化することがある問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、送信の立ち上がり時の出力増加を抑えＡＣＬＲの劣化を防ぐことが出来るＴＤＤ方式の電力増幅器および電力増幅方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本実施形態の電力増幅器は、入力されるデジタル変調信号をＴＤＤ送信する無線送信用の電力増幅器において、受信タイミングにはＤＣオフセット信号が入力され、送信タイミングには、入力される前記デジタル変調信号を電力増幅してアンテナへ向けて出力するＧａＮＦＥＴを用いた終段増幅器と、前記ＴＤＤ送信タイミングに合わせて前記終段増幅器のＦＥＴのドレインへハイレベルのドレイン電圧とそのＦＥＴがＯＮとなるバイアス電圧とを供給し、ＴＤＤ受信タイミングに合わせて前記ＦＥＴのドレインへ低電圧のローレベルのドレイン電圧とそのＦＥＴがＯＮとなるバイアス電圧とを供給するスイッチング電源手段とを備えることを特徴とする。

また、本実施形態の電力増幅器の電力増幅方法は、ＧａＮＦＥＴを用いた終段増幅器と、スイッチング電源手段とを備え、入力されるデジタル変調信号をＴＤＤ送信する無線送信用の電力増幅器の電力増幅方法において、前記終段増幅器は、受信タイミングにはＤＣオフセット信号が入力され、送信タイミングには、入力される前記デジタル変調信号を電力増幅してアンテナへ向けて出力し、前記スイッチング電源手段は、前記ＴＤＤ送信タイミングに合わせて前記終段増幅器のＦＥＴのドレインへハイレベルのドレイン電圧とそのＦＥＴがＯＮとなるバイアス電圧とを供給し、ＴＤＤ受信タイミングに合わせて前記ＦＥＴのドレインへ低電圧のローレベルのドレイン電圧とそのＦＥＴがＯＮとなるバイアス電圧とを供給することを特徴とする。

本実施形態に係わる電力増幅器の動作を説明する機能ブロック図。本実施形態の終段増幅器の電源電圧設定を示す図。本実施形態の送信電波のキャリアからの離調周波数のスペクトラムの一例を示す図。本実施形態の電源電圧の制御手順を説明するフローチャート。

以下実施形態の電力増幅器を図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係わる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ＰＡは、入力されるデジタル変調信号にＤＰＤ（Digital Pre Distortion）を施して出力するＤＰＤ部２、その出力信号をデジタル−アナログ変換するＤ／Ａ３、アナログ変換された信号をＲＦ帯の信号に変換するミキサ４、そのＲＦ信号をＧａＮＦＥＴデバイスで電力増幅する終段増幅器５、アンテナ６、アンテナから送信された信号の一部をループバック信号として抽出するカプラ６１、ループバック信号をＩＦ帯の信号へ変換するミキサ４１、ＩＦ帯のループバック信号をアナログ−デジタル変換し、ＤＰＤ部２へ出力するＡ／Ｄ３１と、ＣＰＵ７と、終段増幅器５の電源電圧を制御する制御電源部２３とを備えている。また入力部７１は、ＣＰＵ７が制御するプログラムや、動作パラメータを設定するもので、ダイヤル、スイッチのほか、情報端末を接続する物でも良い。

電力増幅器ＰＡは、デジタル変調信号が入力されると共に、図示されない変調部、または制御部等の外部からＴＤＤ送信するための送信タイミング、受信タイミングを同期するための同期信号が入力される。この同期信号を元に後述の図２に示される電源出力制御が行われる。

ＤＰＤ部２及び制御電源部２３は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）の様なＬＳＩまたは、ゲートアレイ回路等によるデジタル信号処理回路によって以下の所定の機能を実行するように構成される。ＣＰＵ７は、デジタル信号処理回路との間が、バスライン等で接続され、予め設定されたプログラムにより、そのＦＰＧＡの動作を監視すると共に、その動作条件を変化させるパラメータを制御する。

ＣＰＵ７は、入力される同期信号を参照してＴＤＤ送信タイミング制御を実行するか、または、図示されないＴＤＤ送信制御手段からそのタイミング制御情報を取得している。また、ＣＰＵ７は、ダイヤル、スイッチ、または、通信インタフェース等によりパーソナルコンピュータ等の情報端末による入力部７１が接続され、電力増幅器ＰＡの各種動作設定入力が行われる。たとえば、後述のＡＣＬＲモニタ部２４が監視測定する為のキャリア中心周波数、隣接チャネル周波数帯域等もこの設定事項に含まれる。

ＤＰＤ部２は、入力されるデジタル変調信号を増幅する際の利得、位相を調整するＤＰＤ補正部２１と、ＤＰＤ補正部２１が補正処理をする際に必要な補正パラメータを出力するＤＰＤ推定部２５と、ＦＦＴ(Fast Fourier Transform ：高速フーリエ変換）部２２と、ＡＣＬＲモニタ部２４とを備えている。

Ａ／Ｄ３１からのループバック信号は、ＤＰＤ推定部２５へ入力される。例えば、ＤＰＤ推定部２５の内部の記憶手段にリストされているＬＵＴ(Look Up Table)に従って補正される出力信号の想定値とループバック信号とのレベル差（位相差でも良い。）を調べ、その差が無くなるよう更にＤＰＤの補償値の補正（Adaptive ＤＰＤ）を行ってもよい。

また、本実施形態では、このループバック信号がＦＦＴ部２２にも入力され、ＦＦＴ部２２で高速フーリエ変換された信号がＡＣＬＲモニタ部２４へ入力される。ＡＣＬＲモニタ部２４は、送信電波（信号）のスペクトラム分析を行い、隣接チャネルへの不要出力成分（スプリアス）を監視し、この歪に当たるスプリアス情報（ＡＣＬＲ）をＤＰＤ推定部２５へ出力する。ＤＰＤ推定部２５は、歪量を補正するＬＵＴを参照して歪量を所定のレベル以下に抑えるようＤＰＤ補正部２１にＤＰＤの補償値の補正（Adaptive ＤＰＤ）を行う。

ＡＣＬＲモニタ部２４からＣＰＵ７へ同様に隣接チャネルへのスプリアス情報（ＡＣＬＲ）が出力される。ＣＰＵ７は、ＡＣＬＲの値が所定のレベル以下になるよう制御電源部２３が出力する電源電圧を制御する。

図２は、本実施形態の終段増幅器５の電源電圧設定を示す図である。
ＧａＮデバイスは、先に述べたように、ＯＮ／ＯＦＦに伴うジャンクション温度の変化に伴い、ＯＮした直後、すなわち送信開始直後には出力が高くなる。送信ピーク出力は、ＤＰＤと併用されるピークカットなどの処理により制限されるが、低レベルの信号出力が上方へシフトするので、図２（ａ）に示したように歪み成分も増えてしまう。

ＴＤＤ方式では、例えば、図２（ａ）に示すように、送信出力信号は、５ｍｓ毎に送信と受信のサイクルが交互に入れ替わる。図２（ａ）の点線で示される送信開始時は、終段増幅器の増幅デバイス（ＧａＮＦＥＴ）が温度が低温側にあるので出力が高くなり、その後温度上昇とともに出力が定常状態になることを示している。

実際には図２（ｂ）に示すように終段増幅部５は、送信タイミングの直前、直後の僅かな時間Δｔを含めてＯＮの期間を設けた「ハイレベル」、すなわちピーク出力のドレイン電圧Ｖｄ（ここでは、５０Ｖ）が送信タイミングと同期して制御電源部２３（高速スイッチング電源）から印加され、増幅動作をする。

受信タイミング（終段デバイスがＯＦＦ時）に終段増幅器５のＧａＮＦＥＴ（デバイス）のゲートソース電圧Ｖｇｓ、すなわちバイアスを「−２Ｖ」にした場合、受信タイミングは完全なＯＦＦとなるのでデバイスの冷却が進み、その結果送信開始時の出力が大きくなり歪が増えることになる。

そこで、この受信タイミングでも図２（ｃ）の様にＦＥＴをＯＮにするバイアス（ゲートソース電圧Ｖｇｓ）をかけるとともに、ドレイン電圧を完全に０にするのではなく、例えば、受信タイミングの２．５Ｖの様な低い電圧をかける。そうすることにより受信タイミングにもＧａＮＦＥＴ（デバイス）に電力消費の増加を低く抑えて発熱をさせ、ＯＦＦからＯＮへ切り替えた時の出力変動を低く下げている。先に述べたように終段増幅器に用いるＦＥＴは、デプレッション型のＧａＮＦＥＴが用いられる事が多い。

この終段増幅器５のドレイン電圧Ｖｄ（ここでは、２．５Ｖ）とＦＥＴをＯＮにするバイアス電圧とは、ＡＣＬＲが所要の値になるように調整して設定される。受信タイミングではバイアス（ゲートソース電圧Ｖｇｓ）は、例えば、―１Ｖの一定に保たれたままで、かつ終段増幅器には出力、綱和知ドレイン電圧Ｖｄが２．５Ｖとなるように、小レベルのＤＣオフセット信号が入力される。そしてオフセット信号を電力増幅することによりＦＥＴが発熱を継続するので送信タイミングの開始時も出力増加を低く抑えることが可能になる。

なお、別の方法として、終段のＧａＮＦＥＴのドレインには常時５０Ｖのドレイン電圧Ｖｄをかけておき、受信タイミングには、送信タイミングとは別のバイアス（ゲートソース電圧Ｖｇｓ）、例えば、―１．８Ｖを加え、小電流を流すことによって発熱をさせ、送信開始時の出力増加を抑えるようにしても良い。

更に別の方法として受信タイミングにドレイン電圧Ｖｄを２．５Vと低くすると共にバイアスのゲートソース電圧Ｖｇｓを、例えば−１．６Ｖにして消費電力が少なくなるように調整するようにしても良い。

また、新たな方法として送信タイミングに図１に示されるようにループバック信号をＦＦＴ部２２でスペクトラム分析する。そして、このドレイン電圧とバイアス電圧とをパラメータにして、ＡＣＬＲ部２４が分析データからＡＣＬＲを測定する。この測定結果は前述の如くＣＰＵ７に通知され、ＣＰＵ７は制御電源部２３の出力電圧を制御する。その結果制御電源部２３は、ＡＣＬＲモニタ値が所要の規格値になる様に終段増幅器５の受信タイミングのドレイン電圧（例えば、図２（ｃ）の５０Ｖと２．５Ｖとの間）と、ＦＥＴをＯＮにするバイアスの電圧（例えば、図２（ｄ）のゲートソース電圧Ｖｇｓが−１Ｖと−１．８Ｖとの間）とを出力する。）。

図３は、本実施形態の送信電波のキャリアからの離調周波数のスペクトラムの一例を示す図、図４は、ＡＣＬＲを測定して受信タイミングのドレイン電圧とＦＥＴをＯＮにするバイアス電圧を設定するフローチャートである。
図３において、送信電波は、符号Ｓｓで示される所望チャネル信号成分と、符号ＳｄｄとＳｄｕで示されるその上下の周波数（隣接チャネル）領域に現れる歪によるスペクトラム広がり部分（スプリアス）が生じる。

通常、ＡＣＬＲ部２４がこのスプリアスを測定し（図４のステップｓ１）そのデータからＣＰＵ７は、例えばスプリアスの規格値以下で有れば「１」、以上で有れば「０」の様な制御フラグを制御電源部２３へ入力する。制御電源部２３は、所望チャネル信号Ｓｓに対して、フラグが「１」、すなわち規定出力以下になる様に、受信タイミングのドレイン電圧とＦＥＴをＯＮにするバイアス電圧を設定する。ここで、ドレイン電圧は制御するが、ＦＥＴをＯＮにするバイアス電圧を一定のままとする方が制御は容易であり、回路、部品点数も少なくて済むのでバイアス電圧制御は省略しても良い。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の電力増幅器および電力増幅方法によれば、受信タイミングにおいても終段増幅部のＦＥＴをＯＮにして直流のドレイン電圧を出力させて発熱を継続し、ＴＤＤ送信開始タイミングの出力増大を防ぎ送信出力の一定化を図ることによりＡＣＬＲが劣化を防ぐことが出来るＴＤＤ方式の無線送信用の電力増幅器提供することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

２ＤＰＤ部
２１ＤＰＤ補正部
２２ＦＦＴ部
２３制御電源部
２４ＡＣＬＲモニタ部
２５ＤＰＤ推定部
３Ｄ／Ａ（デジタル−アナログ変換部）
３１Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル変換部）
４、４１ミキサ
５終段増幅器
６アンテナ
６１カプラ６１
７ＣＰＵ７

Claims

入力されるデジタル変調信号をＴＤＤ送信する無線送信用の電力増幅器において、
受信タイミングにはＤＣオフセット信号が入力され、送信タイミングには、入力される前記デジタル変調信号を電力増幅してアンテナへ向けて出力するＧａＮＦＥＴを用いた終段増幅器と、
前記ＴＤＤ送信タイミングに合わせて前記終段増幅器のＦＥＴのドレインへハイレベルのドレイン電圧およびそのＦＥＴがＯＮとなるバイアス電圧を供給し、ＴＤＤ受信タイミングに合わせて前記ＦＥＴのドレインへ低電圧のローレベルのドレイン電圧およびそのＦＥＴがＯＮとなるバイアス電圧を供給するスイッチング電源手段とを
備えることを特徴とする電力増幅器。
前記電力増幅器が出力する信号の一部をループバック信号として取り出して出力するループバック手段と、
前記ループバック手段から入力される信号をＦＦＴ処理してスペクトラム情報として出力するＦＦＴ手段と、
前記スペクトラム情報が入力され、前記無線送信される電波のキャリア周波数に対するＡＣＬＲを測定したモニタ結果を出力するＡＣＬＲモニタ手段と、
前記測定されるＡＣＬＲのモニタ結果を入力し、そのモニタ結果が予め定められたＡＣＬＲ値よりも低くなるように、前記ＦＥＴのドレインに供給されるドレイン電圧を調整する電源制御手段とを
更に備えることを特徴とする電力増幅器。
ＧａＮＦＥＴを用いた終段増幅器と、スイッチング電源手段とを備え、入力されるデジタル変調信号をＴＤＤ送信する無線送信用の電力増幅器の電力増幅方法において、
前記終段増幅器は、受信タイミングにはＤＣオフセット信号が入力され、送信タイミングには、入力される前記デジタル変調信号を電力増幅してアンテナへ向けて出力し、
前記スイッチング電源手段は、前記ＴＤＤ送信タイミングに合わせて前記終段増幅器のＦＥＴのドレインへハイレベルのドレイン電圧およびそのＦＥＴがＯＮとなるバイアス電圧を供給し、ＴＤＤ受信タイミングに合わせて前記ＦＥＴのドレインへ低電圧のローレベルのドレイン電圧およびそのＦＥＴがＯＮとなるバイアス電圧を供給する
ことを特徴とする電力増幅器の電力増幅方法。