JP2013055449A - Ｅｅｔ電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＡ増幅部の非線形歪を小さくし、且つ、電力効率の高いＥＴ電力増幅装置を提供する。
【解決手段】 ＥＴ電力増幅装置は、増幅対象の入力信号を電源電圧によって増幅するＰＡ増幅部２０１と、入力信号の振幅を検出し、振幅−電源電圧特性に基づいた制御信号を出力する電源制御部２０２と、制御信号に応じた電源電圧をＰＡ増幅部に供給するＰＡ電源部２０３と、を備え、振幅−電源電圧特性は、振幅に対して電源電圧を線形とし且つ当該電源電圧に下限を設定した振幅−電源電圧特性である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、高品質化及び高効率化を実現するＥＴ電力増幅装置に関する。

電力増幅装置には、低非線形歪、高効率化及び広帯域化が求められる。現在では、ドハティ増幅器で高効率化し、ＤＰＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｐｒｅ−Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）で歪補償を行う方法が一般的である。
例えば、第３世代以降の携帯電話では、ＷＣＤＭＡ（Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）やＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）などのＰＡＰＲ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）の大きい信号が用いられ、システムの帯域幅は数十ＭＨｚである。第４世代では、更に広帯域な信号が用いられるが、ドハティ増幅器ではＰＡＰＲに応じたバックオフが必要であるため高効率化に限界がある。また、１／４波長線路を用いた負荷変調を行うため、広帯域化が困難である。

そこで、増幅する信号の振幅に応じて増幅器の電源電圧を制御することによって、常に飽和に近い状態で動作させる方式が研究されている。この方式を用いると、理想的にはバックオフは不要となるため高効率化を実現でき、また、増幅する信号の周波数に依存しないため広帯域化を期待できる。この方式の代表的な技術として、ＥＴ（Ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）方式や、ＥＥＲ（Ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ）方式が挙げられる。

図１には、一般的なＥＴ方式の電力増幅装置の構成例を概念的に示してある。
このＥＴ電力増幅装置は、電力増幅部（ＰＡ：Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１０１、振幅検出部１０２、ＰＡ電源部１０３を備えたアナログ方式のものである。
入力信号は、ＣＤＭＡ信号やＯＦＤＭ信号などの大きなＰＡＰＲを持つ変調信号を無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の搬送波に乗せたＲＦ信号である。

このＥＴ電力増幅装置において行われる動作の例を示す。
入力信号は、振幅検出部１０２で振幅を検出される。ＰＡ電源部１０３では、検出された振幅の大きさに応じて、ＰＡ１０１に与える電源電圧の大きさを制御する。ＰＡ１０１では、入力信号が入力され、電力を増幅して出力信号を出力する。
このとき、ＰＡ１０１で入力信号の振幅の大小に対応して増減する電源が供給されるように、ＰＡ１０１の入力側又は電源供給側に、適宜、遅延回路（図示せず）を挿入して時間調整が行われる。

このＥＴ電力増幅装置を実施する一例としては、振幅検出部１０２にはダイオード検波器を用い、ＰＡ電源部１０３にはＤ級増幅器を用い、ＰＡ１０１には電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やバイポーラトランジスタを用いる。その他、様々な公知の技術で実現できる。

図２には、ＰＡ１０１に与える電源電圧の大きさを固定にしたもの（従来方式：Ｃｏｎｂｖｅｎｔｉｏｎａｌ）と、ＰＡ１０１に与える電源電圧の大きさを制御するＥＴ方式の電力増幅装置との電力効率の比較例を示してある。なお、同図に示すグラフの横軸は時間（Ｔｉｍｅ）を表しており、縦軸は一例としてＦＥＴ（ＰＡ１０１）に印加するドレイン電圧（Ｖｄｄ）を表している。
従来方式では、最大電力に合わせた固定の電源電圧（Ｆｉｘｅｄ Ｖｄｄ）を印加していたのに対し、ＥＴ電力増幅装置では入力信号の振幅（点線で示したＥｎｖｅｌｏｐｅ）に応じた電源電圧を印加して飽和に近い状態で増幅器（ＰＡ）を動作させる。従って、図２に灰色で示す部分の供給電圧を低減できる、すなわち、ＰＡ１０１への供給する電源電力を低減できるので、高効率となる。

次に、上述したＥＴ電力増幅装置の例はアナログ信号に対する実現方法であったが、図３には、デジタル信号に対するデジタル方式のＥＴ電力増幅装置の構成例を示してある。
このデジタル方式ＥＴ電力増幅装置は、電力増幅部（ＰＡ）２０１、電源制御部２０２、ＰＡ電源部２０３、Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ）変換器２０４〜２０６、直交変調部２０７を備えている。
ここに、電力増幅部（ＰＡ）２０１とＰＡ電源部２０３は、図１に示したアナログ方式のＰＡ１０１とＰＡ電源部１０３と同じ構成要素である。アナログ方式との違いは、電源制御部２０２、Ｄ／Ａ変換器２０４〜２０６、直交変調部２０７を備える点である。

本デジタル方式ＥＴ電力増幅装置において行われる動作の例を示す。
入力信号はＩ相及びＱ相のデジタル信号Ｉ（ｔ）、Ｑ（ｔ）である。
電源制御部２０２はデジタル部に備えられ、入力信号の瞬時振幅Ｅｎｖ（ｔ）を（式１）で求める。ここで、Ｉ（ｔ）、Ｑ（ｔ）、Ｅｎｖ（ｔ）は時間ｔの関数である。
Ｅｎｖ（ｔ）＝√（Ｉ^２（ｔ）＋Ｑ^２（ｔ））・・・・・・（式１）

そして、電源制御部２０２が、図５（ａ）に示す振幅−電源電圧特性のように、瞬時振幅に応じたＰＡ２０１に与える電源電圧の制御信号を生成する。この例では、電源制御値が大きいほど、ＰＡ２０１の電源電圧は大きくなる。この機能は、サンプル毎に生成する方法や、ＬＵＴ（Ｌｏｏｋ−Ｕｐ Ｔａｂｌｅ）を用いる方法などで実現される。
電源制御部２０２の出力信号はＤ／Ａ変換器２０４でアナログ信号に変換される。ＰＡ電源部２０３はアナログ方式と等しい。

また、入力信号はＤ／Ａ変換器２０５、２０６でアナログ信号に変換され、直交変調部２０７で直交変調され、ＰＡ２０１で電力を増幅される。ＰＡ２０１では、直交変調部２０７からの信号が電力を増幅される。
なお、無線周波数によっては、通常、周波数変換器アップコンバータが用いられるが図示を省略している。

特開２００４−１０４１９４号公報 特開２００９−１５９２１８号公報

ＥＴ電力増幅装置を実現しようとした場合に、二つの点が問題となる。
一つ目は、電源部にも広帯域化が求められることである。上記のように通信システムの広帯域化に伴って、ＥＴ電力増幅装置は広帯域な変調信号の振幅に応じて制御するので、電源電圧も広帯域となる。しかし、数十ボルトを出力する電源部を広帯域かつ高効率にすることは困難である。
二つ目は、電源制御を適切に行わないとＰＡの非線形歪が極めて大きくなることである。詳細な説明は後述する。

本発明は上記課題に対し、ＰＡの非線形歪を小さくし、かつ、電源電圧を狭帯域にすることを可能にすることを目的としている。

まず、本発明の要点は、次のとおりである。
振幅−電源電圧特性を線形にすることにより、電源部を狭帯域にする。
電源電圧に下限を持たせることにより、ＰＡの電力効率を向上させ且つ非線形歪を小さくする。
振幅−電源電圧特性の傾きを調整し、下限電源電圧を与えた場合にPAの線形領域で動作させることにより、ＰＡの電力効率を向上させ且つ非線形歪を小さくする。

具体的には、本発明に係るＥＴ電力増幅装置は、増幅対象信号を増幅する増幅部と、増幅対象信号の振幅を検出する振幅検出部と、振幅検出部が検出した振幅に応じた電源電圧を前記増幅部に供給する電源部と、を備え、前記電源部は、振幅に対して電源電圧を線形とし且つ当該電源電圧に下限を設定した振幅−電源電圧特性に基づいて、検出した振幅に応じた電源電圧を前記増幅部に供給し、前記増幅部は前記電源部から供給された電源電圧によって増幅対象信号を増幅する。
したがって、振幅−電源電圧特性を線形にすることで電源部が狭帯域化され、しかも、電源電圧に下限を持たせることで増幅部の効率を向上させ且つ非線形歪を小さくすることができる。

ここで、本発明に係るＥＴ電力増幅装置では、前記振幅−電源電圧特性は、一次式の傾きが、出力電力が飽和する直前、あるいは、適切なマージンを持たせた入力振幅で、電源電圧の下限電圧と交わるように設定されているのが好ましい。
このように設定することにより、電源部の狭帯域化、増幅部の高効率化及び非線形歪低減に加えて、増幅部の良好なゲインを実現することができる。

更に、本発明に係るＥＴ電力増幅装置では、前記振幅−電源電圧特性は、一次式の傾きが、増幅器の入出力特性を微分、または、導関数を求め、“0”の有無、または、符号反転の有無を検出し、符号反転がある場合は傾きを小さくし、符号反転がない場合は傾きを大きくする、ことにより設定されているのが好ましい。
このように設定することにより、更に、振幅−電源電圧特性の傾きを適切なものに容易に設定することができる。

本発明によると、適切な振幅−電源電圧特性を用いることによって、非線形性は弱く、且つ、電力効率のよいＥＴ電力増幅装置を実現することができる。
また、本発明によると、振幅−電源電圧特性を適切な特性に自動収束させて設定することができ、これによって、温度変化や経年変化などの環境変化に適応することができ、常に最適な増幅を行なうＥＴ電力増幅装置を実現することができる。

アナログ方式のＥＴ電力増幅装置の一例を説明する構成図である。 ＥＴ電力増幅装置の電力効率を説明する図である。 デジタル方式のＥＴ電力増幅装置の一例を説明する構成図である。 本発明に係る振幅−電源電圧特性を説明する図である。 振幅−電源電圧特性による課題を説明する図である。

本発明は、入力信号（すなわち、増幅対象の信号）の振幅に応じた電源電圧を増幅部（ＰＡ）に供給することを要旨としていることから、図１に例示したアナログ方式のＥＴ電力増幅装置と、図３に例示したデジタル方式のＥＴ電力増幅装置とのいずれの方式においても実施することができる。

例えば、図１に示したアナログ方式のＥＴ電力増幅装置で実施する場合には、振幅検出部１０２に後述する振幅−電源電圧特性を設定しておき、振幅−電源電圧特性に基づいて、振幅検出部１０２が入力信号から検出した振幅に応じた電源電圧をＰＡ１０１に供給する制御信号をＰＡ電源部１０３へ出力し、この制御信号にしたがってＰＡ電源部１０３がＰＡ１０１に電源電圧を供給して入力信号を電力増幅する構成とすることができる。

一方、図３に例示したデジタル方式のＥＴ電力増幅装置で実施する場合には、電源制御部２０２に入力信号Ｉ（ｔ）、Ｑ（ｔ）の振幅を検出する機能を設けるとともに後述する振幅−電源電圧特性を設定しておき、振幅−電源電圧特性に基づいて、電源制御部２０２が入力信号から検出した振幅に応じた電源電圧をＰＡ２０１に供給する制御信号をＰＡ電源部２０３へ出力し、この制御信号にしたがってＰＡ電源部２０３がＰＡ２０１に電源電圧を供給して入力信号を電力増幅する構成とすることができる。
なお、下記のＥＴ電力増幅装置は、図３に示したデジタル方式のもの適用した例である。

まず、本発明に係る振幅−電源電圧特性を説明する。
図５（ｂ）にはＰＡ２０１のゲイン特性を示す。同図の横軸はＰＡの入力電力Ｐｉｎ〔ｄＢ〕＝入力信号の振幅であり、縦軸はＰＡのゲインである。
同図には、ＰＡ２０１の電源電圧（Ｖｄｄ）を最大（ＶｄｄMAX）から最小（ＶｄｄMIN）まで変化させた場合の特性を複数示してある。

同図から分かるように、電源電圧（Ｖｄｄ）が大きい領域では、電源電圧（Ｖｄｄ）の変化にほぼ比例してＰＡ２０１のゲインが変化する。すなわち、ＰＡの電力効率がよい。
一方、電源電圧（Ｖｄｄ）が小さい領域では、電源電圧（Ｖｄｄ）の変化に対してＰＡのゲインが著しく減少する特徴が見られる。すなわち、ＰＡの電力効率が著しく小さくなることが知られている。

このように電力効率の悪い領域でＰＡを動作させることを避けるため、図５（ａ）に示したように、ＰＡに供給する電源電圧に下限を設けるのが一般的である。
しかしながら、図５（ａ）に示すように振幅−電源電圧特性が曲線である場合、電源電圧は広帯域となる。例えば、図５（ｃ）に示す電源電圧の周波数パワースペクトルのように、振幅−電源電圧特性が３次成分、５次成分を持つ場合、電源電圧の信号帯域は広くなることが分かる。したがって、上記の課題を生じてしまう。

これに対して、本発明では、その一例として、図４（ａ）に示す振幅−電源電圧特性（線形＋下限あり）を電源制御部２０２に設定する。
すなわち、振幅に対して電源電圧を線形とし且つ当該電源電圧に下限を設定した振幅−電源電圧特性を電源制御部２０２に設定し、この振幅−電源電圧特性に基づいて、入力信号から検出した振幅に応じた電源電圧をＰＡ電源部２０３がＰＡ２０１に供給するようにする。

図４（ｂ）には、上記の振幅−電源電圧特性（線形＋下限あり）を設定したときの周波数パワースペクトルを示す。
振幅−電源電圧特性が、線形であるため周波数の広がりは小さく、狭帯域であり、そして、下限が一定電圧であるためＤＣ成分が大きくなって、電力効率が高くなる。
なお、図４（ｂ）に点線で示した部分で帯域は広がるが、そのパワー成分は小さく無視できる。
したがって、本発明によると、下限を設けた線形の振幅−電源電圧特性を用い、ＰＡ２０１の非線形歪を小さくして、且つ、電力効率を大きくすることができる。

次に、本発明に係る振幅−電源電圧特性を更に詳しく説明する。
図４（ｃ）には複数の振幅−電源電圧特性（線形＋下限あり）を示し、図４（ｄ）にはそれぞれの振幅−電源電圧特性を用いた場合のＰＡ２０１のゲイン特性を示す。なお、両図中に示すＡ〜Ｃは対応している。

図４（ｃ）にＡで示す振幅−電源電圧特性を用いた場合、電力効率は良いが、図４（ｄ）に示すようにゲイン特性は強い非線形性を持つので非線形歪は大きくなる。したがって、歪補償を用いる場合でも、複雑な非線形性を補償しなければならないため、回路規模は大きくなるという問題がある。
図４（ｃ）にＣで示す振幅−電源電圧特性を用いた場合、非線形性は弱くなるが、必要以上の供給電力を消費するので電力効率は小さくなるという問題がある。

本発明では、図４（ｃ）にＢで示すように、ＡとＣとの中間的な傾きをもつ振幅−電源電圧特性を用いることで、非線形性は弱く、且つ、電力効率は良いＥＴ電力増幅装置を実現する。
このように下限電圧を有し、且つ、最適な傾き（Ｂ）を有する振幅−電源電圧特性は、一例として、次のようにして決定することができる。

最大振幅が入力された場合の電源電圧は、出力電力（＝平均電力）にＰＡＰＲをデシベル加算（実数では乗算）して求められる最大電力を出力でき、且つ、最小となる電源電圧に決定する。
電源電圧の下限は、小信号を入力した場合に、ゲインが小さくなり過ぎず、且つ、電力効率が小さくなりすぎない電源電圧に決定する。
線形部分の傾きは、電源電圧の下限を印加した場合に、出力電力が飽和する直前、あるいは、適切なマージンを持たせた入力振幅で、下限電圧と交わるように決定する。
このようにして、図４（ｄ）にＢで示すようなゲイン特性を実現する振幅−電源電圧特性（Ｂ）を決定することができる。

また、下限電圧を有し、且つ、最適な傾き（Ｂ）を有する振幅−電源電圧特性を決定する方法として、上記の例の他に、次のように振幅−電源電圧特性の傾きを自動収束させる方法を用いることができる。
まず、ＰＡの入力信号と、ＰＡの出力信号の一部をフィードバックした信号を用いて、ＰＡのゲイン特性を求める。一般的には波形比較法と呼ばれ、プリディストーション歪補償方式でよく使用される手法である。

次に、ゲイン特性について、極の有無を調べる。
図４（ｄ）に示すゲイン特性Ａには極がある。極の有無を決定する方法の一例として、入出力特性の一階微分を求めて“０”の有無を検索する方法や、極小範囲の差分を計算して符号反転の有無を検索する方法など、さまざまな既知の方法がある。
このようにゲイン特性に極があった場合は傾きを小さく（図４（ｃ）のＣの方向）し、極がなかった場合は傾きを大きく（図４（ｃ）のＡの方向）する。

このように、ＰＡのゲイン特性を求め、ゲイン特性の極を判定し、極の有無によって傾きを変更することを繰り返すことによって、最適な振幅−電源電圧特性を決定することができる。
そして、例えば、電力制御部２０２に、ＰＡのゲイン特性を求める機能、ゲイン特性の極を判定する機能、極の有無によって振幅−電源電圧特性の傾きを変更する機能、これら処理を繰り返す機能を備えるようにしてもよく、これによって、振幅−電源電圧特性が最適なものに自動更新されて、環境変化に対して常に最適なＥＴ電力増幅装置を実現することができる。

上記のように、本発明に係る振幅−電源電圧特性を用いることによって、非線形性は弱く、且つ、電力効率は良いＥＴ電力増幅装置を実現できる。
そして、振幅−電源電圧特性を自動収束させる方法を採用すれば、これによって、温度変化や経年変化などの環境変化に適応することができ、常に最適なＥＴ電力増幅装置を実現できる。

１０１：電力増幅部（ＰＡ）、 １０２：振幅検出部、 １０３：ＰＡ電源部、 ２０１：電力増幅部（ＰＡ）、 ２０２：電源制御部（振幅検出部）、 ２０３：ＰＡ電源部、

Claims (3)

1. 増幅対象信号を増幅する増幅部と、
   増幅対象信号の振幅を検出する振幅検出部と、
   振幅検出部が検出した振幅に応じた電源電圧を増幅部に供給する電源部と、を備え、
   前記電源部は、振幅に対して電源電圧を線形とし且つ当該電源電圧に下限を設定した振幅−電源電圧特性に基づいて、検出した振幅に応じた電源電圧を前記増幅部に供給し、前記増幅部は前記電源部から供給された電源電圧によって増幅対象信号を増幅することを特徴とするＥＴ電力増幅装置。
2. 請求項１に記載のＥＴ電力増幅装置において、
   前記振幅−電源電圧特性は、一次式の傾きが、出力電力が飽和する直前、あるいは、適切なマージンを持たせた入力振幅で、電源電圧の下限電圧と交わるように設定されていることを特徴とするＥＴ電力増幅装置。
3. 請求項２に記載のＥＴ電力増幅装置において、
   前記振幅−電源電圧特性は、一次式の傾きが、増幅部の入出力特性を微分、または、導関数を求め、“０”の有無、または、符号反転の有無を検出し、符号反転がある場合は傾きを小さくし、符号反転がない場合は傾きを大きくする、ことにより設定されていることを特徴とするＥＴ電力増幅装置。

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