JP2013236310A - Power amplification device and power amplification method - Google Patents
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Description
本発明は複数の電力増幅器を備えた電力増幅装置と電力増幅方法に関し、特にアレイアンテナ用の電力増幅装置と電力増幅方法に関する。 The present invention relates to a power amplification device and a power amplification method including a plurality of power amplifiers, and more particularly to a power amplification device and a power amplification method for an array antenna.
アンテナ素子と増幅器を一体化したアクティブアンテナとして、非特許文献1の技術が知られている。通信装置は一般にアンテナと送受信機を個別に構成し、RFケーブルにてアンテナと送受信機を接続している。レーダー技術の進展にともない、多数のアンテナ素子を周期配置したアレイアンテナが実用化されている。アレイアンテナを構成するアンテナ素子は電力合成器でトーナメント合成され、送受信機にRFケーブルにて接続される。そして、アレイアンテナで形成するビームを多数の目標に向ける場合、アンテナ素子に給電する信号の位相を制御する。この構成では、アンテナと送受信機は別の装置であり、一体構成されていなかった。アクティブアンテナは、アンテナと電力増幅器を一体化した回路であり、アンテナと電力増幅器の段間整合回路を不要にできること、集積化が可能であるなどの利点がある。 As an active antenna in which an antenna element and an amplifier are integrated, the technique of Non-Patent Document 1 is known. In general, a communication device includes an antenna and a transmitter / receiver separately, and the antenna and the transmitter / receiver are connected by an RF cable. With the progress of radar technology, array antennas in which a large number of antenna elements are periodically arranged have been put into practical use. The antenna elements constituting the array antenna are tournament-synthesized by a power combiner and connected to the transceiver by an RF cable. When the beam formed by the array antenna is directed to a large number of targets, the phase of the signal fed to the antenna element is controlled. In this configuration, the antenna and the transmitter / receiver are separate devices and are not integrally configured. An active antenna is a circuit in which an antenna and a power amplifier are integrated, and has an advantage that an interstage matching circuit between the antenna and the power amplifier can be made unnecessary and can be integrated.
また、アクティブアンテナではないが、複数の電力増幅器を有し、各電力増幅器の入出力特性と遅延特性を高い精度で実現する電力増幅装置として、フィードフォワード構成を適用したマルチポート増幅装置がある(特許文献1,特許文献2)。この電力増幅装置であれば、複数の電力増幅器の入出力特性と遅延特性を均一化しやすい。 Further, as a power amplifying apparatus that is not an active antenna but has a plurality of power amplifiers and realizes input / output characteristics and delay characteristics of each power amplifier with high accuracy, there is a multi-port amplifying apparatus to which a feedforward configuration is applied ( Patent Document 1, Patent Document 2). With this power amplification device, the input / output characteristics and delay characteristics of the plurality of power amplifiers can be easily made uniform.
非特許文献1のようなアクティブアンテナでは、必要な動作帯域幅の確保と低消費電力化の観点から、レーダー技術を応用した高効率広帯域増幅器が使用されている。このため、ビーム幅ならびにビーム方向制御を設計値どおり動作させるために、複数の高効率広帯域増幅器の入出力特性と遅延特性を所定の範囲に確保する必要がある。そして、この要求を満足させるために、製造段階にて回路調整を行い、かつアクティブアンテナ入力信号の振幅と位相を微調整する調整回路を設けている。このように、ビーム幅とビーム方向制御を高精度に行うことは難しいという課題がある。 In an active antenna such as Non-Patent Document 1, a high-efficiency broadband amplifier using radar technology is used from the viewpoint of securing a necessary operating bandwidth and reducing power consumption. Therefore, in order to operate the beam width and beam direction control as designed, it is necessary to ensure the input / output characteristics and delay characteristics of a plurality of high-efficiency broadband amplifiers within a predetermined range. In order to satisfy this requirement, an adjustment circuit that performs circuit adjustment at the manufacturing stage and finely adjusts the amplitude and phase of the active antenna input signal is provided. Thus, there is a problem that it is difficult to control the beam width and beam direction with high accuracy.
一方、特許文献1,2の電力増幅装置には、効率が悪いという課題がある。特許文献1,2の技術はフィードフォワード増幅器であり、ふたつの電力増幅器(主増幅器と補助増幅器)を用いている。参考文献1(Y. Suzuki, S. Narahashi, and T. Nojima, “Highly efficient feed-forward amplifier employing a harmonic reaction amplifier,” in IEEE Radio and Wireless Symposium 2009, WE1A-5, Jan. 2009.)や参考文献2(特開2009−200678)から分かるように、第三世代携帯電話方式に対応した基地局用電力増幅器を前提としたフィードフォード増幅器の効率は、高効率化を図っても20%程度である。したがって、特許文献1,2の電力増幅装置をアクティブアンテナに適用すると、効率が低いという課題がある。 On the other hand, the power amplifying devices of Patent Documents 1 and 2 have a problem that efficiency is poor. The techniques of Patent Documents 1 and 2 are feedforward amplifiers, which use two power amplifiers (a main amplifier and an auxiliary amplifier). Reference 1 (Y. Suzuki, S. Narahashi, and T. Nojima, “Highly efficient feed-forward amplifier using a harmonic reaction amplifier,” in IEEE Radio and Wireless Symposium 2009, WE1A-5, Jan. 2009.) As can be seen from Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-200688), the efficiency of the Feedford amplifier based on the power amplifier for the base station corresponding to the third generation mobile phone system is about 20% even if the efficiency is increased. is there. Therefore, when the power amplification devices of Patent Documents 1 and 2 are applied to an active antenna, there is a problem that efficiency is low.
本発明は上述の課題を鑑みてなされたものであり、複数の電力増幅器を備えた電力増幅装置において、各電力増幅器の特性を均一にし、かつ高効率化を図ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to make the characteristics of each power amplifier uniform and increase the efficiency in a power amplifying apparatus including a plurality of power amplifiers.
本発明の電力増幅装置は、複数の電力増幅器を有する。本発明の電力増幅装置の各電力増幅器は、第1経路、第2経路、分配部、方向性結合部、制御部を備える。第1経路は、可変減衰部と可変位相部と増幅部を有する。第2経路は、あらかじめ定めた範囲の特性を有する。あらかじめ定めた範囲の特性とは、例えば、周波数ごとの減衰特性や遅延特性があらかじめ定めた範囲という意味である。分配部は、入力信号を2つに分け、一方を第1経路に、他方を第2経路に分配する。方向性結合部は、第1経路の出力の一部を第2経路の出力と合成して合成信号を生成する。なお、第1経路の出力の残りが電力増幅器の出力となる。制御部は、合成信号が小さくなるように可変減衰部と可変位相部を制御する。 The power amplification device of the present invention has a plurality of power amplifiers. Each power amplifier of the power amplification device of the present invention includes a first path, a second path, a distribution unit, a directional coupling unit, and a control unit. The first path includes a variable attenuation unit, a variable phase unit, and an amplification unit. The second route has a predetermined range of characteristics. The characteristic in the predetermined range means, for example, a range in which the attenuation characteristic and delay characteristic for each frequency are predetermined. The distribution unit divides the input signal into two, and distributes one to the first path and the other to the second path. The directional coupling unit generates a combined signal by combining a part of the output of the first path with the output of the second path. The remainder of the output of the first path becomes the output of the power amplifier. The control unit controls the variable attenuation unit and the variable phase unit so that the combined signal becomes small.
本発明の電力増幅装置によれば、すべての電力増幅器は、あらかじめ定めた範囲の特性を有する第2経路を備えている。したがって、第2経路を通過した信号は、すべての電力増幅器でほぼ等しくなる。その上で、各電力増幅器は、第2経路を通過した信号を基準として第1経路の可変減衰部と可変位相部を制御する。したがって、各電力増幅器の特性(例えば、増幅特性、遅延特性など)を均一にできる。また、第2経路に増幅器が必要ないこと、方向性結合部の結合度は広い範囲で自由に調整できることから、電力増幅装置の高効率化が可能である。 According to the power amplifying device of the present invention, all the power amplifiers are provided with the second path having characteristics in a predetermined range. Therefore, the signals that have passed through the second path are substantially equal in all the power amplifiers. In addition, each power amplifier controls the variable attenuation unit and the variable phase unit of the first path with reference to the signal that has passed through the second path. Therefore, the characteristics (for example, amplification characteristics, delay characteristics, etc.) of each power amplifier can be made uniform. In addition, since an amplifier is not required in the second path and the degree of coupling of the directional coupling unit can be freely adjusted in a wide range, the efficiency of the power amplification device can be increased.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In addition, the same number is attached | subjected to the structure part which has the same function, and duplication description is abbreviate | omitted.
図1に実施例1の電力増幅装置の機能構成例を、図2に電力増幅器の構成例を示す。電力増幅装置10は、N個(Nは2以上の整数)の電力増幅器100−1,…,Nを有する。また、電力増幅装置10は、共通制御部180も備えてもよい。電力増幅器100−n(nは1以上N以下の整数)は、第1経路110−n、第2経路120−n、分配部130−n、方向性結合部140−n、制御部150−n、入力信号用の端子191−n、出力信号用の端子192−nを備える。
FIG. 1 shows an example of a functional configuration of the power amplification device according to the first embodiment, and FIG. 2 shows an example of the configuration of the power amplifier. The power amplifying
第1経路110−nは、可変減衰部111−nと可変位相部112−nと増幅部113−nを有する。第2経路120−nは、あらかじめ定めた範囲の特性を有する。あらかじめ定めた範囲の特性とは、例えば、周波数ごとの減衰特性や遅延特性があらかじめ定めた範囲という意味である。第2経路の具体例としては、図2に示したような遅延線路121−nを用いてもよいし、遅延フィルタなどを用いた遅延等化器を用いてもよい。電力増幅装置10を用いてアレイアンテナ(図示していない)のビーム幅とビーム方向制御を高精度に行うためには、電力増幅器100−1,…,N個々の増幅率の周波数特性や線形性などよりも、各電力増幅器100−1,…,Nのこれらの特性が均一なことである。言い換えると、いくら個々の電力増幅器100−1,…,Nの周波数特性や線形性などの特性がよくても、個体差が大きいとアレイアンテナのビーム幅とビーム方向制御を高精度に行うことはできない。したがって、第2経路120−nとして遅延線路121−nを用いても遅延等化器を用いてもよいが、すべての第2経路120−1,…,Nがあらかじめ定めた範囲の特性を満たしていることが重要である。また、範囲は、アレイアンテナのビーム幅とビーム方向制御に求められる精度から適宜定めればよい。
The first path 110-n includes a variable attenuation unit 111-n, a variable phase unit 112-n, and an amplification unit 113-n. The second path 120-n has a predetermined range of characteristics. The characteristic in the predetermined range means, for example, a range in which the attenuation characteristic and delay characteristic for each frequency are predetermined. As a specific example of the second path, a delay line 121-n as shown in FIG. 2 may be used, or a delay equalizer using a delay filter or the like may be used. In order to control the beam width and beam direction of an array antenna (not shown) with high accuracy using the
分配部130−nは、端子191−nから入力された入力信号を2つに分け、一方を第1経路110−nに、他方を第2経路120−nに分配する。分配部130−nは、例えばカプラ131−nで構成すればよい。方向性結合部140−nは、第1経路110−nの出力の一部を第2経路120−nの出力と合成して合成信号を生成する。方向性結合部140−nは、例えば方向性結合器141−nで構成すればよい。なお、第1経路の出力の残りが電力増幅器の出力となり、端子192−nから出力される。制御部150−nは、合成信号が小さくなるように可変減衰部111−nと可変位相部112−nを制御する。分配部130−nでの分配比率や、方向性結合部140−nでどれだけの第1経路の出力を第2経路の出力に合成するかは、増幅部113−nの電力利得や、後述するドレイン効率などを考慮して決めればよい。 The distribution unit 130-n divides the input signal input from the terminal 191-n into two, and distributes one to the first path 110-n and the other to the second path 120-n. The distribution unit 130-n may be configured by a coupler 131-n, for example. The directional coupler 140-n combines a part of the output of the first path 110-n with the output of the second path 120-n to generate a combined signal. The directional coupler 140-n may be configured with a directional coupler 141-n, for example. The remaining output of the first path becomes the output of the power amplifier and is output from the terminal 192-n. The control unit 150-n controls the variable attenuation unit 111-n and the variable phase unit 112-n so that the combined signal becomes small. The distribution ratio in the distribution unit 130-n and how much of the output of the first path to be combined with the output of the second path in the directional coupling unit 140-n depends on the power gain of the amplification unit 113-n, which will be described later. The drain efficiency may be determined in consideration of the drain efficiency.
なお、共通制御部180も備える場合は、共通制御部180は、すべての電力増幅器100−1,…,Nの合成信号の強度を監視する。具体的には、すべての制御部150−1,…,Nから合成信号の強度についての情報を集める。そして、あらかじめ定めた範囲に合成信号の強度が制御できていない電力増幅器100−nがないかを監視すれば、故障を発見できる。さらには、制御部150−1,…,Nから、可変減衰部111−nと可変位相部112−nの設定情報も集めれば、あらかじめ定めた範囲に合成信号の強度が制御できていない制御部150−nに対して他の制御部の設定情報で制御することを指示することも可能である。
If the
上述のように制御部150−nが、合成信号が小さくなるように可変減衰部111−nと可変位相部112−nを制御するので、第1経路110−nを通過して方向性結合部140−nで取り出されて合成される信号と、第2経路120−nを通過した信号は、等振幅かつ逆位相となるように制御される。つまり、すべての第2経路120−1,…,Nの特性が均一(あらかじめ定めた範囲の特性)であれば、電力増幅器100−1,…,Nの特性(例えば、増幅特性、遅延特性など)を均一にできる。 As described above, since the control unit 150-n controls the variable attenuation unit 111-n and the variable phase unit 112-n so that the composite signal becomes small, the control unit 150-n passes through the first path 110-n and is a directional coupling unit. The signal extracted and synthesized at 140-n and the signal that has passed through the second path 120-n are controlled to have equal amplitude and opposite phase. That is, if the characteristics of all the second paths 120-1,..., N are uniform (characteristics in a predetermined range), the characteristics (for example, amplification characteristics, delay characteristics, etc.) of the power amplifiers 100-1,. ) Can be made uniform.
次に、電力増幅器100−nの効率について検討する。電力増幅器100−nの構成の特徴は、フィードフォワード増幅器の補助増幅器のように遅延線路に線形増幅器を持たないことと、増幅部113−nの出力側回路の損失をなるべく少なくすることにある。増幅部113−nの出力電力をPO,個別増幅器の供給電力をPDC,方向性結合器の結合量をC2とすれば、電力増幅器の基本構成のドレイン効率ηは、 Next, the efficiency of the power amplifier 100-n will be examined. The features of the configuration of the power amplifier 100-n are that there is no linear amplifier in the delay line like the auxiliary amplifier of the feedforward amplifier, and that the loss of the output side circuit of the amplifier 113-n is minimized. If the output power of the amplifying unit 113-n is P O , the supply power of the individual amplifier is P DC , and the coupling amount of the directional coupler is C 2 , the drain efficiency η of the basic configuration of the power amplifier is
となる。この式から方向性結合部140−nの結合度により電力増幅器100−nのドレイン効率が決まる。なお、可変減衰部111−nと可変位相部112−nでの消費電力は一般に僅少であることから、上記の式で考慮しなかった。図3に上記の式のドレイン効率計算結果を示す。横軸は結合度(Coupling Factor)C2、縦軸はドレイン効率(Drain Efficiency)ηである。増幅部113−nの最大ドレイン効率(Maximum Drain Efficiency)を50%,75%,80%とした。いずれの場合も、結合度C2が20dB以上あれば、最大ドレイン効率に近い数値が得られると予測される。方向性結合部140−nの結合度は広い範囲で自由に調整できるので、結合度を20dB以上に設定することも可能であり、電力増幅器100−nのドレイン効率へ影響を少なくできる。また、第2経路には増幅器が必要ないので、電力増幅装置10の高効率化が可能である。
It becomes. From this equation, the drain efficiency of the power amplifier 100-n is determined by the degree of coupling of the directional coupler 140-n. Note that the power consumption in the variable attenuator 111-n and the variable phase unit 112-n is generally small, and thus is not considered in the above formula. FIG. 3 shows the drain efficiency calculation result of the above formula. The horizontal axis represents the coupling factor C 2 , and the vertical axis represents the drain efficiency η. The maximum drain efficiency of the amplifying unit 113-n was set to 50%, 75%, and 80%. In either case, the degree of coupling C 2 is if more than 20 dB, value close to the maximum drain efficiency is expected to be obtained. Since the degree of coupling of the directional coupling unit 140-n can be freely adjusted in a wide range, the degree of coupling can be set to 20 dB or more, and the influence on the drain efficiency of the power amplifier 100-n can be reduced. Moreover, since an amplifier is not required for the second path, the efficiency of the
[変形例]
図4に変形例の機能構成を示す。電力増幅装置20は、各電力増幅器200−nがパイロット信号供給部260−nを備える点と、制御部250−n、共通制御部280の処理が実施例1の電力増幅装置10と異なる。その他は電力増幅装置10と同じである。なお、共通制御部280は備えなくてもよい。
[Modification]
FIG. 4 shows a functional configuration of the modified example. The
パイロット信号供給部260−nは、あらかじめ定めた周波数成分と強度を有するパイロット信号を分配部130−nの入力側に入力する。したがって、パイロット信号は、端子191−nから入力された入力信号と合成された状態で第1経路110−nと第2経路120−nを通過して方向性結合部140−nで合成され、制御部250−nに入力される。したがって、合成信号にはパイロット信号の成分が含まれている。制御部250−nは、合成信号中のパイロット信号の成分が小さくなるように、可変減衰部111−nと可変位相部112−nを制御する。 The pilot signal supply unit 260-n inputs a pilot signal having a predetermined frequency component and intensity to the input side of the distribution unit 130-n. Accordingly, the pilot signal passes through the first path 110-n and the second path 120-n while being combined with the input signal input from the terminal 191-n, and is combined by the directional coupling unit 140-n. It is input to the controller 250-n. Therefore, the composite signal includes a component of a pilot signal. The control unit 250-n controls the variable attenuation unit 111-n and the variable phase unit 112-n so that the component of the pilot signal in the combined signal becomes small.
実施例1の電力増幅装置10の場合、制御対象の信号が入力信号(増幅したい信号そのもの)である。この場合、電力増幅器100−nごとに入力信号(増幅したい信号そのもの)は異なるので、制御対象の信号の不均一によって電力増幅器の均一性が低下する可能性がある。パイロット信号を用いる方法の場合、制御対象の信号を入力部分で同一にできるので、さらに電力増幅器の均一性を向上できる。なお、パイロット信号には、通信に使用していない周波数帯の中から1つの周波数(狭い帯域の信号)を選べば、合成信号中のパイロット信号の成分の強度を小さく制御しやすい。しかし、帯域幅を持つ周波数帯を選んでも、制御対象の信号を入力部分で同一にできるので、均一性の向上という効果は得られる。また、あらかじめ定めた周波数成分と強度は、電力増幅装置に求められる均一性の条件から適宜定めればよい。
In the case of the
また、共通制御部280を備える場合には、共通制御部280は、すべての電力増幅器200−1,…,Nの合成信号中のパイロット信号の成分の強度を監視する。具体的には、すべての制御部250−1,…,Nから合成信号中のパイロット信号の成分の強度についての情報を集める。そして、あらかじめ定めた範囲に強度が制御できていない電力増幅器200−nがないかを監視すれば、故障を発見できる。さらには、制御部250−1,…,Nから、可変減衰部111−nと可変位相部112−nの設定情報も集めれば、あらかじめ定めた範囲に合成信号中のパイロット信号の成分の強度が制御できていない制御部250−nに対して他の制御部の設定情報で制御することを指示することも可能である。
When the
10、20 電力増幅装置 100、200 電力増幅器
110 第1経路 111 可変減衰部
112 可変位相部 113 増幅部
120 第2経路 121 遅延線路
130 分配部 131 カプラ
140 方向性結合部 141 方向性結合器
150、250 制御部 180、280 共通制御部
191、192 端子 260 パイロット信号供給部
10, 20
Claims (7)
前記電力増幅器はそれぞれ、
可変減衰部と可変位相部と増幅部を有する第1経路と、
あらかじめ定めた範囲の特性を有する第2経路と、
入力信号を2つに分け、一方を前記第1経路に、他方を前記第2経路に分配する分配部と、
前記第1経路の出力の一部を前記第2経路の出力と合成して合成信号を生成する方向性結合部と、
前記合成信号が小さくなるように前記可変減衰部と前記可変位相部を制御する制御部と
を備える電力増幅装置。 A power amplifying device having a plurality of power amplifiers,
Each of the power amplifiers is
A first path having a variable attenuation section, a variable phase section, and an amplification section;
A second path having a predetermined range of characteristics;
A distribution unit that divides an input signal into two and distributes one to the first path and the other to the second path;
A directional coupling unit configured to combine a part of the output of the first path with the output of the second path to generate a combined signal;
A power amplifying apparatus comprising: the variable attenuation unit and a control unit that controls the variable phase unit so that the combined signal becomes small.
すべての前記電力増幅器の前記合成信号の強度を監視する共通制御部も
備える電力増幅装置。 The power amplification device according to claim 1,
A power amplifying apparatus comprising a common control unit that monitors the intensity of the combined signal of all the power amplifiers.
あらかじめ定めた周波数成分を有するパイロット信号を、前記分配部の入力側に入力するパイロット信号供給部も備え、
前記制御部は、前記合成信号中のパイロット信号の成分が小さくなるように前記可変減衰部と前記可変位相部を制御する
ことを特徴とする電力増幅装置。 The power amplification device according to claim 1,
A pilot signal supply unit that inputs a pilot signal having a predetermined frequency component to the input side of the distribution unit is also provided,
The control unit controls the variable attenuation unit and the variable phase unit so that a component of a pilot signal in the combined signal becomes small.
すべての前記電力増幅器の前記合成信号中のパイロット信号の成分の強度を監視する共通制御部も
備える電力増幅装置。 The power amplifying device according to claim 3,
A power amplifying apparatus comprising a common control unit that monitors the intensity of a component of a pilot signal in the combined signal of all the power amplifiers.
前記第2経路は、遅延線路で構成されている
ことを特徴とする電力増幅装置。 The power amplifying device according to any one of claims 1 to 4,
The second path is configured with a delay line.
前記第2経路は、遅延等化器を有する
ことを特徴とする電力増幅装置。 The power amplifying device according to any one of claims 1 to 4,
The second path has a delay equalizer. A power amplifying apparatus, wherein:
前記電力増幅器はそれぞれ、
可変減衰部と可変位相部と増幅部を有す第1経路と、
あらかじめ定めた範囲の特性を有する第2経路と、
入力信号を2つに分け、一方を前記第1経路に、他方を前記第2経路に分配する分配部と、
前記第1経路の出力の一部を前記第2経路の出力と合成して合成信号を生成する方向性結合部と
を備え、
すべての前記電力増幅器において、前記合成信号が小さくなるように前記可変減衰部と前記可変位相部を制御する電力増幅方法。 A power amplification method using a plurality of power amplifiers,
Each of the power amplifiers is
A first path having a variable attenuation section, a variable phase section, and an amplification section;
A second path having a predetermined range of characteristics;
A distribution unit that divides an input signal into two and distributes one to the first path and the other to the second path;
A directional coupling unit configured to combine a part of the output of the first path with the output of the second path to generate a combined signal;
A power amplification method for controlling the variable attenuating unit and the variable phase unit so that the combined signal becomes small in all the power amplifiers.
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