JP2013062750A - 電力増幅器および電力増幅方法 - Google Patents

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】ＣＰＵ７が、終段増幅部５からのループバック信号をＦＦＴ部２２でスペクトラム分析し送信タイミングと同期してＡＣＬＲモニタ部が測定したＡＣＬＲ値を監視し、送信開始直後のタイミングでもそのＡＣＬＲ値が所定の閾値以下になるように制御電源部２３から終段増幅部５に印加するドレイン電圧を調整する。
【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、電源効率が高く、かつ低歪みで有ることが要求され、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)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に電流が流れる（ＯＮ）が受信時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を終段に用いた電力増幅器にでは、所定の出力レベルとなる信号入力に対し、送信開始直後の立ち上がりの一瞬、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冷えている（ＯＦＦ）状態で信号を入力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（ＯＮ）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期出力レベルよりもレベルが大きくなることによ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方式では、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、ＡＣＬＲが劣化しない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送信するタイミングに合わせて終段増幅部にスイッチング電源から電源電圧が印加される無線送信用の電力増幅器において、前記入力されたデジタル変調信号を前記終段増幅部が電力増幅した信号の一部を抽出してデジタル信号に変換されたループバック信号を出力するループバック手段と、前記ループバック信号を入力してＦＦＴ処理したスペクトラム情報を出力する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を測定してモニタするＡＣＬＲモニタ手段と、前記測定されるＡＣＬＲのモニタ値が予め定められたＡＣＬＲ値よりも低くなるように、前記終段増幅部に印加される電源電圧を調整する電源電圧制御手段とを備える事を特徴とする。

また、本実施形態の電力増幅器の電力増幅方法は、ループバック手段と、ＦＦＴ手段と、ＡＣＬＲモニタ手段と、電源電圧制御手段とを備え、入力されるデジタル変調信号をＴＤＤ送信するタイミングに合わせて終段増幅部にスイッチング電源から電源電圧が印加される無線送信用の電力増幅器の電力増幅方法において、前記ループバック手段は、前記入力されたデジタル変調信号を前記終段増幅部が電力増幅した信号の一部を抽出してデジタル信号に変換されたループバック信号を出力し、前記ＦＦＴ手段は、前記ループバック信号を入力してＦＦＴ処理したスペクトラム情報を出力し、ＡＣＬＲモニタ手段は、前記出力される前記スペクトラム情報を入力し、前記無線送信される電波のキャリア周波数に対するＡＣＬＲを測定してモニタし、電源電圧制御手段は、前記モニタされたたＡＣＬＲのモニタ値を予め定められた基準のＡＣＬＲ値と比較し、その基準よりも低くなるように、前記終段増幅部に印加される電源電圧を調整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。 本実施形態の電力増幅器の電源（ドレイン）電圧に対する歪（ＡＣＬＲ）と消費電力の関係を示す図。 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。 本実施形態の制御電源部の動作を説明する機能ブロック図。

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：デジタル予歪処理）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、アンテナへ出力される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ものでも良い。

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と制御電源部２３とは、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。デジタル信号処理回路との間が例えばバスライン接続されているＣＰＵ７は、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、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ＴＤＤ送信タイミング制御情報を取得している。また、ＣＰＵ７には、ダイヤル、スイッチ、または、通信インタフェースを介してパーソナルコンピュータの情報端末等による入力部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、ＦＦＴ(Fast Fourier Transform ：高速フーリエ変換）部２２、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 UpTable)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または、位相差もしくはその両者を調べ、歪が無くなるよう更にＤＰＤの補償値の補正（Adaptive ＤＰＤ）を行う。

また、本実施形態では、ループバック信号がＦＦＴ部２２に入力され、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レベル情報をＤＰＤ推定部２５へ出力する。ＤＰＤ推定部２５は、このスプリアスを所定のレベル以下に抑えるよう、利得、位相を調整する調整信号をＤＰＤ補正部２１に出力し、ＤＰＤ補償を行う。このスプリアス量を調整するための利得、位相の調整量は予め、前記のＬＵＴの補正データとして記憶されている。

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。このスプリアスと電源電圧の関係は予め調べられ、スプリアスに対する電源電圧調整量がＣＰＵ７の内部メモリ（図示せず）に記憶されている。

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、図２（ａ）に示される様にＯＮ・ＯＦＦに伴うジャンクション温度の変化に従ってＯＮ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毎に送信と受信とが交互に入れ替わる。図２（ｂ）に示されるタイミングで終段のドレインに電圧が印加される。そして、図２（ａ）の点線で示される様に送信開始時は、終段増幅器の増幅デバイス（ＧａＮ ＦＥＴ）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。

受信時（終段デバイスがＯＦＦ時）に終段増幅器５のＧａＮＦＥＴ（デバイス）のゲートソース間に加えるバイアスを「０Ｖ」とした場合、受信時は完全な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。次に、ＴＤＤ方式におけるキャリア送信開始時の出力増大に伴うＡＣＬＲ劣化をモニタし、それを改善できるようにフィードバック制御を行う方法について説明する。

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、このスプリアスは、所望チャネル信号Ｓｓに対して規定出力以下で有る様に設定されているが、従来スプリアスを送信中に高速で制御することはなされず、平均レベルを監視して電力増幅器の動作制御を行う程度であった。

本実施形態では、終段増幅器５のデバイスの温度変化に伴う歪み発生にも対応出来るよう、ＦＦＴ部２２が、送信開始後、数無線送信シンボル分、すなわち数１００μｓの間測定したスペクトラム情報を出力する。そしてＡＣＬＲモニタ部２４が隣接チャネルのスプリアスを測定した値が所定の値を保つことが出来る様にＴＤＤの送信タイミング中の電源電圧を高速制御している。

図４は、本実施形態の電力増幅器の電源(ドレイン)電圧に対する歪と消費電力の関係を示す図、図５は、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である。
図４の曲線ＰＡ１〜ＰＡ３は、電力増幅器ＰＡ１〜ＰＡ３それぞれの歪み特性を示し、下のカーブほど低歪の増幅器である事を示している。また、直線は、ＶｄがＯＦＦ（受信時）の場合の消費電力である。以下、図１〜図５を参照して電源電圧制御の処理手順を説明する。

ＡＣＬＲモニタ２４は、制御電源部２３からドレイン印加電圧が出力されるタイミングと同期して、送信開始とともにＦＦＴ処理されたループバック信号の図３のＳｄｄとＳｄｕの領域に当たる歪成分の電力ＡＣＬＲを測定してＣＰＵ７へ出力する（図５のステップｓ１）。

ＣＰＵ７は、ＡＣＬＲを調べ、その値が図４の歪許容値（閾値１、ここでは約−４１ｄＢｃ）以下になるようにドレイン電圧を設定する制御信号を制御電源部２３へ出力する（ステップｓ２）。

制御電源部２３には、図示されないが入力される制御信号に従って出力電圧が設定される例えば、スイッチング電源が用いられている。

先に述べたように、ＡＣＬＲの測定は、送信開始直後の数百μｓで行われ、その期間は、デバイス（ＧａＮＦＥＴ）の出力が大きくなっている。そこで、ＣＰＵ７は、隣接チャネルへの出力、すなわちＡＣＬＲが所定のレベル以下（図４では−４１ｄＢｃ。）に収まる範囲で、制御電源部２３が終段増幅部５のデバイスに供給するドレイン電圧Ｖｄ（電源電圧）を、例えば、図２（ｂ）の５０Ｖよりも低く５０αＶにする。

ドレイン電圧Ｖｄが高い状態では出力ピークレベルが高くなるので歪が減少しているが、この電圧を下げている範囲でも消費電力は大きいままである。そこでＣＰＵ７は、更に消費電力が所定の消費電力（閾値２、ここではＱＷ）以下になるように電源（ドレイン電圧Ｖｄ）電圧を設定する（ステップｓ３）。なお、これらの閾値１、２は、予めＣＰＵ７の内部メモリに設定されている。その後、デバイスの発熱によりドレイン電圧Ｖｄを高くしないと所要の出力レベルが得られなくなるので電源電圧を高くするが、その分消費電力が大きくなる。従って、ＡＣＬＲが所定のレベルを確保でき、かつ、所定の消費電力以下の範囲に電源電圧の増加を抑える様にバランスが取れる電圧設定信号を出力してＣＰＵ７は電力増幅の制御動作を行う。

このようにすることで、ＡＣＬＲ（歪）を低く抑えるとともに、消費電力を低く抑えることが可能なＴＤＤ用の無線送信機の電力増幅器が実現できる。

終段増幅器５のＦＥＴの細密なドレイン電圧（電源電圧）制御方法として、次の様にしても良い。

図６は、電源制御部２３の機能を説明する機能ブロック図の一例である。
図６において、制御電源部２３は、可変電圧出力のスイッチング電源２３１、ワンショット回路２３２、レベル調整部２３３、加算部２３４とを備える。

スイッチング電源２３１からは、上記説明と同様に、送信タイミングと同期して、図２（ｃ）の様な終段増幅部５へのドレイン電圧（ここでは５０αＶ）が出力される。また、ワンショット回路２３２は、ドレイン電圧の立ち上がりにより、図１のΔＴ（数１００μｓ）の時間の負極性のパルス電圧が出力される。レベル調整部２３３は、ワンショット回路からの出力電圧をＣＰＵ７からの電圧制御信号に従ってレベル調整をして出力する。

加算部２３４は、ここでは、５０αＶのドレイン電圧と、レベル調整された負極性パルスを加算する図２（ｅ）（図２（ｃ）＋図２（ｄ））と、立ち上がりのＯＮ抵抗が低いタイミングではドレイン電圧が５０αからＸＶ低い電源電圧を出力する。

ＣＰＵ７は、この立ち上がりタイミングに集中してレベル調整部２３３で「−ＸＶ」の電源電圧をＡＣＬＲが所定の値以下になるよう制御することにより、歪発生を微細なタイミングで制御する。

また、加算部２３４に利得調整機能を持たせ、ＣＰＵ７は、利得調整を行うことにより電圧設定信号をさらに加算部２３４へ供給するようにして、ドレイン電圧を「５０αＶ」ではなく更に「５０βＶ」に変化させるようにしても良い。こうすることにより、更に電源消費電力を低く抑える事が可能になる。

なお、上記説明では、終段増幅部５にＧａＮＦＥＴを用いた場合を例に説明したが、発熱に伴うＯＮ抵抗の変化は半導体デバイスに共通であり、他の半導体デバイスを用いた場合でも本実施形態の電源電圧を制御する電力増幅方法は共通に適用可能である。

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、ＦＦＴにより送信信号のＡＣＬＲを測定するＡＣＬＲモニタ手段と、そのＡＣＬＲを規定の値になるよう終段増幅部のドレイン電圧を調整する電源電圧制御手段を持つことにより、低消費電力、かつＡＣＬＲが劣化しない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。

２ ＤＰＤ部
２１ ＤＰＤ補正部
２２ ＦＦＴ部
２３ 制御電源部
２３１ スイッチング電源
２３２ ワンショット回路
２３３ レベル調整部
２３４ 加算部
２４ ＡＣＬＲモニタ部
２５ ＤＰＤ推定部
３ Ｄ／Ａ（デジタル−アナログ変換部）
３１ Ａ／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
７ ＣＰＵ

Claims (6)

1. 入力されるデジタル変調信号をＴＤＤ送信するタイミングに合わせて終段増幅部にスイッチング電源から電源電圧が印加される無線送信用の電力増幅器において、
   前記入力されたデジタル変調信号を前記終段増幅部が電力増幅した信号の一部を抽出してデジタル信号に変換されたループバック信号を出力するループバック手段と、
   前記ループバック信号が入力されＦＦＴ処理したスペクトラム情報を出力する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を測定するＡＣＬＲモニタ手段と、
   前記測定されるＡＣＬＲ値が予め定められたＡＣＬＲ値よりも低くなるように、前記終段増幅部に印加される電源電圧を調整する電源電圧制御手段とを備える事を特徴とする電力増幅器。
2. 前記電源電圧制御手段は、予め許容された消費電力の設定範囲内で前記電源電圧を前記調整する事を特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
3. 前記電源電圧制御手段は、
   前記ＴＤＤ送信を開始した直後のタイミングに、前記ＡＣＬＲが所定の値以下になるよう前記電源電圧を調整することを特徴とする請求項１または２記載の電力増幅器。
4. ループバック手段と、ＦＦＴ手段と、ＡＣＬＲモニタ手段と、電源電圧制御手段とを備え、入力されるデジタル変調信号をＴＤＤ送信するタイミングに合わせて終段増幅部にスイッチング電源から電源電圧が印加される無線送信用の電力増幅器の電力増幅方法において、
   前記ループバック手段は、
   前記入力されたデジタル変調信号を前記終段増幅部が電力増幅した信号の一部を抽出してデジタル信号に変換されたループバック信号を出力し、
   前記ＦＦＴ手段は、
   前記ループバック信号を入力してＦＦＴ処理したスペクトラム情報を出力し、
   前記ＡＣＬＲモニタ手段は、
   前記出力される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値を測定し、
   前記電源電圧制御手段は、
   前記測定されたＡＣＬＲ値を予め定められた基準のＡＣＬＲ値と比較し、その基準よりも低くなるように、前記終段増幅部に印加される電源電圧を調整する
   ことを特徴とする電力増幅器の電力増幅方法。
5. 前記電源電圧制御手段は、
   予め許容された消費電力の設定範囲内で前記電源電圧を前記調整する事を特徴とする請求項４記載の電力増幅器の電力増幅方法。
6. 前記電源電圧制御手段は、
   前記ＴＤＤ送信の開始直後に、前記ＡＣＬＲが所定の値以下になるよう前記電源電圧を調整することを特徴とする請求項４または５記載の電力増幅器の電力増幅方法。

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