JP2013239962A - 電力増幅装置 - Google Patents

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哲也 金子
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孝俊 河合
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Abstract

【課題】パワーデバイスの特性ばらつきにかかわらず、歪み特性及び効率の劣化を回避する電力増幅装置を提供する。
【解決手段】切替制御部105は、歪み特性算出部111から出力された歪み特性を示すACLRと信号生成部101から出力されたACLR目標値とに基づいて、閾値電圧を調整する。切替制御部105は、信号生成部101から出力された変調電圧信号と閾値電圧との比較結果に応じて、SW部107の各スイッチのON/OFFを制御するスイッチ制御信号を生成する。SW部107は、切替制御部105から出力されたスイッチ制御信号に基づいてスイッチを切り替え、多出力DC電源部106から出力された複数のDC電圧を用いて、所望のDC電圧をRFAMP部108に出力する。
【選択図】図4

Description

本発明は、エンベロープトラッキング(以下、「ET:Envelope Tracking」という)方式を用いた電力増幅装置に関する。
近年、移動体通信分野において、CDMA(Code Division Multiple Access)又はOFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)等の伝送方式が実用化されている。CDMA及びOFDM方式に用いられる電力増幅器(パワーアンプ)は、広帯域及び高ダイナミックレンジの信号を低消費電力(高効率)、かつ、低歪みで線形性を維持して増幅し、また、不要電波の放射(送信帯域外への電波放出)を抑制しつつ増幅することが求められる。
このような効率の高い電力増幅装置として、ET方式の電力増幅装置が検討されている。ET方式は、高周波(RF)信号の振幅(エンベロープ)に応じて、電力増幅器に供給する電源電圧を変化させることにより、熱(損失)となっていた無駄な電力消費を削減し、電力増幅器を高効率に動作させる方式である。
ET方式の電力増幅装置は、例えば、特許文献1に開示されている。特許文献1には、図1に示すように、電圧制御部2において、送信信号の振幅を求め、この振幅を関数Fに代入し、振幅に基づいた電圧信号を生成することが開示されている。ここで、関数Fは、例えば、振幅値が所定値α(αは、送信信号の最大振幅の数分の1程度)未満では一定値の電圧信号とし、振幅値が所定値αを超えると、振幅値に比例した値の電圧信号とするような関係である。
ET方式においては、RF信号のエンベロープに応じて離散的な電源電圧を出力するスイッチモード変調電源方式が知られている。スイッチモード変調電源は、飽和領域で用いるため、電源単体では理論的に100%の効率が得られることがメリットである。
そこで、特許文献1に開示の技術をベースにスイッチモード変調電源を組み合わせた電力増幅装置の構成を図2に示す。図2に示す電力増幅装置では、RF信号のエンベロープ(点線)と電圧制御部からの電圧(電力増幅器に印加されるドレイン電圧)(実線)との関係が図3に示すようになる。
特開2010−226198号公報
しかしながら、上記特許文献1に開示の技術では、電力増幅装置を構成するパワーデバイスの特性ばらつきにより、関数Fを一意に決定するのは困難であり、Fの決め方によっては、電力増幅器の歪み特性及び効率が劣化してしまう。
また、図2に示した電力増幅装置では、電圧制御部による電力増幅器のドレインへの印加電圧は、電力増幅器の歪み特性と効率を大きく左右するが、電圧V1〜V4の適用を判定するエンベロープ閾値(例えば、V1th〜V3th)を決定する際、効率を優先して、印加電圧をエンベロープ波形に近づけ過ぎてしまうと、DPD(Digital Pre-Distortion)による歪み補償性能が劣化してしまう。
また、電力増幅器(パワーデバイス)は特性のばらつきが大きく、エンベロープ閾値を一意に決めるのは困難である。
本発明の目的は、パワーデバイスの特性ばらつきにかかわらず、歪み特性及び効率の劣化を回避する電力増幅装置を提供することである。
本発明の電力増幅装置は、複数のDC電圧を供給する多出力DC電源手段と、前記複数のDC電圧を組み合わせて所望のDC電圧を出力するスイッチ手段と、前記所望のDC電圧に応じて、入力信号の電力を増幅する電力増幅器と、前記電力増幅器によって増幅された信号の隣接チャネル漏洩電力比を算出する算出手段と、送信信号のエンベロープレベルに対する複数の閾値を、前記隣接チャネル漏洩電力比に応じて制御し、制御した前記複数の閾値と前記エンベロープレベルとに基づいて、前記スイッチ手段を制御する切替制御手段と、を具備する構成を採る。
本発明によれば、パワーデバイスの特性ばらつきにかかわらず、歪み特性及び効率の劣化を回避することができる。
特許文献1に開示の電力増幅装置の構成を示す図 スイッチモード変調電源を用いた電力増幅装置の構成を示す図 RF信号のエンベロープ波形と、電圧波形との関係を示す図 本発明の実施の形態1に係る電力増幅装置の構成を示すブロック図 図4に示す切替制御部の閾値電圧設定手順の説明に供する図 図4に示す切替制御部の他の閾値電圧設定手順の説明に供する図 本発明の実施の形態2に係る電力増幅装置の構成を示すブロック図 送信信号のエンベロープ波形と、電圧波形との関係を示す図 本発明の実施の形態2に係る電力増幅装置の他の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態3に係る電力増幅装置の構成を示すブロック図 送信信号のエンベロープ波形と、電圧波形との関係を示す図 理想的なRFAMP部の入力電力−利得特性を示す図 実際のRFAMP部の入力電力−利得特性を示す図 本発明の実施の形態3に係る電力増幅装置の他の構成を示すブロック図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、実施の形態において、同一機能を有する構成には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。
(実施の形態1)
図4は、本発明の実施の形態1に係る電力増幅装置100の構成を示すブロック図である。以下、図4を用いて電力増幅装置100の構成について説明する。
信号生成部101は、送信信号及び送信信号のエンベロープを生成し、送信信号をDPD(Digital Pre-distortion)部102に出力し、送信信号のエンベロープを切替制御部105に出力する。また、信号生成部101は、歪み特性を示す隣接チャネル漏洩電力比(ACLR:Adjacent Channel Leakage Ratio)の目標値を設定し、切替制御部105に出力する。
DPD部102は、信号生成部101から出力された送信信号と、LPF(Low Pass Filter)110から出力された信号から、電力増幅器(以下、「RFAMP部」という)108の逆特性を推定し、信号生成部101から出力された送信信号に前記逆特性を加えたプリディストーション信号を生成する。このプリディストーションされた送信信号は遅延部103に出力される。
遅延部103は、DPD部102から出力された送信信号がRFAMP部108において、DC電圧の信号経路の遅延時間と一致するように送信信号の遅延時間を調整し、直交変調部104に出力する。
直交変調部104は、遅延部103から出力された送信信号を直交変調し、RFAMP部108に出力する。
切替制御部105は、歪み特性算出部111から出力された歪み特性を示すACLRと信号生成部101から出力されたACLR目標値とに基づいて、エンベロープ閾値(以下、「閾値電圧」という)を調整する。切替制御部105は、信号生成部101から出力された変調電圧信号と閾値電圧との比較結果に応じて、SW(スイッチ)部107の各スイッチのON/OFFを制御するスイッチ制御信号を生成し、SW部107に出力する。なお、切替制御部105の詳細については後述する。
多出力DC電源部106は、複数の異なる値のDC電圧、ここでは、V0〜V4をSW部107に出力する。
SW部107は、切替制御部105から出力されたスイッチ制御信号に基づいてスイッチを切り替え、多出力DC電源部106から出力された複数のDC電圧を用いて、所望のDC電圧をRFAMP部108に出力する。
RFAMP部108は、SW部107から出力されたDC電圧に応じて、直交変調部104から出力された送信信号を増幅して、電力増幅装置100外へ出力すると共に、増幅した送信信号をフィードバック信号として直交復調部109に出力する。
直交復調部109は、RFAMP部108から出力されたフィードバック信号を直交復調し、LPF110に出力する。
LPF110は、直交復調部109から出力されたフィードバック信号に対してイメージ信号を抑圧し、歪み特性算出部111及びDPD部102に出力する。なお、イメージ信号とは、周波数軸上で、局部発振周波数に対して、希望周波数とは対称な位置の周波数を有する妨害信号のことである。
歪み特性算出部111は、LPF110から出力されたフィードバック信号の歪み特性としてACLRを算出し、切替制御部105に出力する。
次に、上述した切替制御部105の閾値電圧設定手順について図5を用いて説明する。図5は、横軸が時間、縦軸が電圧値を示し、また、太い実線がDC電圧、太い点線が送信信号のエンベロープ波形を示している。ここでは、目標ACLRを−50dBcとする。
切替制御部105は、まず、図5(a)に示すように、閾値電圧(Vnth:1≦n≦4)を十分小さい値の初期値に設定する。このとき、ACLRが−55dBc、効率ηが40%であり、歪み特性は良好であるが、効率が悪い。
切替制御部105は、図5(b)〜(e)に示すように、徐々にVnthを上げ、その都度、ACLRを評価する。具体的には、図5(b)では、ACLR=−55dBc、効率η=43%、図5(c)では、ACLR=−53dBc、効率η=46%、図5(d)では、ACLR=−51dBc、効率η=50%、図5(e)では、ACLR=−49.5dBc、効率η=60%となる。ここで、目標ACLRを−50dBcとしているため、図5(e)に示すVnthでは、目標値を下回っているため、その直前の図5(d)に示すVnthを最終的な閾値電圧に決定する。
このように、閾値電圧Vnthを徐々に上げていくと、ACLRが増加、すなわち、歪み特性が劣化していくのに対し、効率ηが向上する。このため、目標ACLR未満であって、かつ、目標ACLRに最も近いVnthが、効率を最大化することができ、望ましい。
なお、ここでは、Vnthを同時に増加させる場合を例に説明したが、切替制御部105は、V4th、V3th、V2th、V1thの順に設定してもよい。この設定手順について図6を用いて説明する。
切替制御部105は、手順1において、Vnth(1≦n≦4)を十分小さい値の初期値に設定する。ここでは、V1thを25V、V2thを30V、V3thを35V、V4thを40Vに設定する。このときのACLRが−56dBcとする。
手順2において、V1th〜V3thを固定したまま、V4thを41Vに増加させる。このときのACLRが−54dBcであり、目標ACLRの−50dBcまでまだ余裕があるため、目標ACLRを超えるまで、すなわち、手順5までV4thを1Vずつ増加させる。
手順5では、ACLRが−49dBCとなり、目標ACLRを超えるので、手順6において、V4thを手順4の43Vに設定し、V1th、V2th、V4thを固定したまま、V3thを36Vに増加させる。V3thについてもV4thと同様に手順7、8と行い、手順8において、ACLRが−49dBcとなるので、手順9において、V3thを手順7の37Vに設定する。
V2th、V1thについても上記同様に手順9〜14まで行い、最終的にV1thを27V、V2thを31V、V3thを37V、V4thを43Vにそれぞれ設定する。
このように、実施の形態1によれば、十分に小さい初期値に設定した閾値電圧Vnthを徐々に増加させ、ACLRが目標ACLR未満であって、かつ、目標ACLRに最も近いVnthに設定することにより、歪み特性を満たしつつ、効率を最大化することができる。また、閾値電圧を可変とすることにより、パワーデバイスの特性ばらつき及び経年変化にかかわらず、歪み特性及び効率の劣化を回避することができる。
(実施の形態2)
一般に、電力増幅装置は、実運用上、設計上の最大出力を出力している期間は短く、通常時の出力電力は低い。このため、低出力時に電力増幅器の電力効率を向上させることができれば、実運用上の消費電力を削減することができる。そこで、本発明の実施の形態2では、低出力時に電力増幅器の電力効率を向上させる構成について説明する。
図7は、本発明の実施の形態2に係る電力増幅装置200の構成を示すブロック図である。以下、図7を用いて電力増幅装置200の構成について説明する。図7が図4と異なる点は、PWM(Pulse Width Modulation)信号生成部201を追加し、多出力DC電源部106を多出力DC電圧部202に変更した点である。
PWM信号生成部201は、信号生成部101から出力される送信信号の平均電力に応じて、振幅又はデューティー比(オンオフ比)を調整したPWM信号を生成し、多出力DC電圧部202に出力する。
多出力DC電圧部202は、一次側においてPWM信号生成部201からPWM信号を入力し、二次側に複数のタップを備えるマルチタップトランスを用いて、二次側に複数のPWM信号を出力する。多出力DC電圧部202は、複数のPWM信号をそれぞれ整流して複数のDC電圧を生成し、SW部107に出力する。なお、PWM信号に応じた複数のDC電圧は、各DC電圧比が一定比でまとまって変化し、DC電圧の下限値は固定とする。
このような構成を有することから、送信信号の低出力時、PWM信号のデューティー比を小さく(またはPWM信号の電圧振幅を低減)することにより、DC電圧のステップ幅が小さくなり、SW部107に入力するDC電圧を低下させることができる。そして、低下させたDC電圧に応じた電圧閾値でSW部107を切替制御することにより、送信信号のエンベロープとDC電圧の差分である電圧誤差を低減し、電力効率を改善することができる。また、マルチタップトランスを用いることにより、送信信号のエンベロープに応じて、SW部107へのDC電圧を容易に可変することができる。
ここで、DC電圧及び送信信号のエンベロープについて電力増幅装置200の最大出力時を図8(a)に、低出力時を図8(b)に示す。図8では、横軸が時間、縦軸が電圧値を示し、また、実線がDC電圧、点線が送信信号のエンベロープ波形を示している。また、図8(b)では、一点鎖線がV1〜V4を固定した場合のDC電圧を示している。ただし、図8において、DC電圧下限値はV0に固定している。
図8(a)に示すように、最大出力時にDC電圧をV0〜V4とするのに対して、低出力時は、図8(b)に示すように、V0、V1’(<V1)、V2’(<V2)、V3’(<v3)、V4’(<V4)となっている。図8(b)において、一点鎖線の示すDC電圧より実線の示すDC電圧がエンベロープ波形により近い値となり、電圧誤差が小さくなっていることが分かる。
このように、実施の形態2によれば、送信信号の電力に応じて、振幅又はデューティー比を調整したPWM信号を生成し、マルチタップトランスを用いて、一次側から入力したPWM信号を二次側から複数のPWM信号として出力し、複数のPWM信号をそれぞれ整流して、複数のDC電圧を生成することにより、電圧誤差を低減し、電力効率を改善することができるので、消費電力を削減することができる。
なお、本実施の形態では、エラーアンプを備えない構成について説明したが、図9に示すように、エラーアンプを備える構成が一般的であり、エラーアンプにより電圧誤差を改善可能である。一方、エラーアンプは、誤差分を正確に増幅する必要があるため、一般的に線形増幅器であり、効率が悪いという特徴を有する。
図9において、遅延部203は、信号生成部101から出力され、エラーアンプを経由する送信信号がRFAMP部108において、DC電圧の信号経路の遅延時間と一致するように送信信号の遅延時間を調整し、エラーアンプ204に出力する。
エラーアンプ204は、SW部107から出力されたDC電圧に対して、送信信号のエンベロープとの誤差を低減し、電源電圧をRFAPM部108に印加させる。
上述した実施の形態2では、エラーアンプ204の出力電力を低減することができ、よって、エラーアンプ204の消費電力を低減することができる。また、これにより、電力増幅器の消費電力を低減することができる。
ちなみに、実施の形態1でもエラーアンプを備えていないが、上記同様、エラーアンプを備える構成が一般的である。
(実施の形態3)
上述した通り、電力増幅装置においてはエラーアンプを備えることにより、歪み特性の改善を図っているが、装置規模の小型化及び装置の低コスト化の要請が高まっている現況に鑑み、本発明の実施の形態3では、エラーアンプを削減した構成について説明する。
図10は、本発明の実施の形態3に係る電力増幅装置300の構成を示すブロック図である。以下、図10を用いて電力増幅装置300の構成について説明する。図10が図7と異なる点は、切替制御部105を切替制御部301に変更し、電圧−利得特性フィルタ302を追加した点である。
切替制御部301は、歪み特性算出部111から出力された歪み特性を示すACLRと信号生成部101から出力されたACLR目標値とに基づいて、閾値電圧を調整する。切替制御部301は、信号生成部101から出力された送信信号のエンベロープと閾値電圧との比較結果に応じて、SW部107の各スイッチのON/OFFを制御するスイッチ制御信号を生成し、SW部107に出力する。また、切替制御部301は、送信信号のエンベロープと閾値電圧との比較結果により求まるDC電圧、及び、閾値電圧に応じたフィルタ切替信号を電圧−利得特性フィルタ302に出力する。
電圧−利得特性フィルタ302は、RFAMP部108の電圧−利得特性、信号生成部101から出力された送信信号のエンベロープ、及び、切替制御部301から出力されたDC電圧に基づいて、RFAMP部108の電圧−利得特性の逆特性をDPD部102から出力された送信信号に付与して、遅延部103に出力する。なお、電圧−利得特性フィルタ302は、多項式又はLUT(Look Up Table)によってフィルタを構成し、また、電圧閾値に応じて変化するRFAMP部108の特性に合わせて複数のフィルタを備え、切替制御部301からのフィルタ切替信号によってフィルタを切り替える。
ここで、上記電圧−利得特性フィルタ302の原理について説明する。DPD部102だけでは十分に歪みを補償することができないが、その理由として、主に以下の2つの理由がある。1つには、図11に示すように、送信信号のエンベロープとDC電圧との差分である電圧誤差が一定ではないこと、2つには、RFAMP部108が非線形な電圧−利得特性を有していることである。
RFAMP部108が理想的な電圧−利得特性を有しているとすると、図12に示すように、入力電力(エンベロープに相当)及びDC電圧に依らず利得が一定となる。しかしながら、実際には、RFAMP部108は、上述したように、非線形な電圧−利得特性を有しているため、図13に示すような特性となる。図13では、各DC電圧を一定とした場合の特性を点線で示し、実際の入力電力とDC電圧とから求まる特性を実線で示している。
電圧−利得特性フィルタ302は、図13の実線で示す特性と逆特性のフィルタを構成し、DPD部102から出力された送信信号にフィルタ処理を施すことにより、図12に示すような理想的な特性に補償する。これにより、エラーアンプを削減した構成においても、歪み特性を改善することができる。よって、装置規模の小型化及び装置の低コスト化を実現することができる。
このように、実施の形態3によれば、DPD処理された送信信号にRFAMP部の電圧−利得特性の逆特性を付与することにより、エラーアンプを削減した構成においても、歪み特性を改善することができ、装置規模の小型化及び装置の低コスト化を実現することができる。
なお、本実施の形態では、RFAMP部の周波数特性又は温度特性を考慮した電圧−利得特性フィルタを備え、これらの特性に応じてフィルタを切り替えるようにしてもよい。
また、本実施の形態では、実施の形態2の図7に示した構成を基に、電圧−利得特性フィルタを備える場合について説明したが、図14に示すように、実施の形態1の図4に示した構成を基に、電圧−利得特性フィルタを備えてもよい。
本発明にかかる電力増幅装置は、例えば、移動通信システムにおける無線通信装置などに適用できる。
100、200、300 電力増幅装置
101 信号生成部
102 DPD部
103、203 遅延部
104 直交変調部
105、301 切替制御部
106 多出力DC電源部
107 SW部
108 RFAMP部
109 直交復調部
110 LPF
111 歪み特性算出部
201 PWM信号生成部
202 多出力DC電圧部
204 エラーアンプ
302 電圧−利得特性フィルタ

Claims (5)

  1. 複数のDC電圧を供給する多出力DC電源手段と、
    前記複数のDC電圧を組み合わせて所望のDC電圧を出力するスイッチ手段と、
    前記所望のDC電圧に応じて、入力信号の電力を増幅する電力増幅器と、
    前記電力増幅器によって増幅された信号の隣接チャネル漏洩電力比を算出する算出手段と、
    送信信号のエンベロープレベルに対する複数の閾値を、前記隣接チャネル漏洩電力比に応じて制御し、制御した前記複数の閾値と前記エンベロープレベルとに基づいて、前記スイッチ手段を制御する切替制御手段と、
    を具備する電力増幅装置。
  2. 前記切替制御手段は、前記隣接チャネル漏洩電力比を目標値未満であって、かつ、目標値に最も近くなるように前記複数の閾値を設定する、
    請求項1に記載の電力増幅装置。
  3. 前記多出力DC電源手段は、二次側に複数のタップを備えるマルチタップトランスを備え、一次側にPWM(Pulse Width Modulation)信号を入力し、二次側から出力される複数のPWM信号をそれぞれ整流して、DC電圧を生成する、
    請求項1に記載の電力増幅装置。
  4. 前記送信信号のエンベロープに応じて、振幅又はデューティー比を調整して前記PWM信号を生成するPWM信号生成手段を具備する、
    請求項3に記載の電力増幅装置。
  5. 前記電力増幅器の電圧−利得特性、前記送信信号のエンベロープ、及び、前記所望のDC電圧に基づいて、前記電力増幅器の電圧−利得特性の逆特性を入力信号に付与する電圧−利得特性フィルタを具備する、
    請求項1に記載の電力増幅装置。
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