JP2013247501A - 電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンベロープ振幅に対して一様ではないＩｄｑドリフトが発生する場合においても、入出力特性の線形性の劣化を抑え、歪み補償性能を向上させる電力増幅装置を提供する。
【解決手段】Ｉｄｑドリフト判定回路１０４は、Ｉｄｑ基準電圧が設定されており、ドレイン電流検出回路１０３から出力された電圧とＩｄｑ基準電圧とを比較する。電圧がＩｄｑ基準電圧未満になった場合、Ｉｄｑドリフトが発生したと判定し、電圧とＩｄｑ基準電圧との差分がなくなるまで所定の電圧をゲート電圧調整回路１０５に出力する。ゲート電圧調整回路１０５は、Ｉｄｑ初期設定ゲート電圧が設定されており、Ｉｄｑドリフト判定回路１０４から出力された電圧をＩｄｑ初期設定ゲート電圧に加算し、加算した結果を調整後のゲート電圧としてＲＦデバイス１０１に印加する。
【選択図】図５

Description

本発明は、出力レベルを高出力から低出力に制御した場合に、アイドル電流（Ｉｄｑ）が所定の値以下となるＩｄｑドリフトが発生する高周波（ＲＦ）デバイスを用いた電力増幅装置に関する。

近年、高効率な送信増幅器用高周波パワートランジスタとして、ＧａＮ（窒化ガリウム）デバイスが主流となりつつある。このＧａＮデバイスは、出力レベルを高出力から低出力に制御した場合に、アイドル電流（Ｉｄｑ）が所定の値以下となるＩｄｑドリフトが発生し、入出力特性の線形性が変動するという問題がある。この結果、ＧａＮデバイスの様なＩｄｑドリフトの発生するＲＦデバイスを用いた無線信号増幅装置では、歪み補償効果が十分に得られなくなる。

なお、Ｉｄｑドリフトとは、ＲＦデバイスの初期設定のアイドル電流（Ｉｄｑ）が変動することをいう。また、アイドル電流は、ＲＦデバイスに信号が印加されていない状態のドレイン電流である。

Ｉｄｑドリフトによって発生する利得変動を補償する技術として特許文献１に開示の増幅器が知られている。特許文献１には、ＧａＮデバイスを用いて信号を増幅するトランジスタのドレイン端子に流れる電流を電圧変換により電位差として検出し、検出した電位差に基づいて利得補償を行うと判定した場合に、検出した電位差に応じた利得補償を行う増幅器が開示されている。

ここで、図１において、Ｉｄｑドリフトのない理想的なデバイスのドレイン電流（実線）とＩｄｑドリフトのあるデバイスのドレイン電流（点線）とを比較する。図１から分かるように、Ｉｄｑドリフトのないデバイスでは、ドレイン電流がＩｄｑ以下にならず、Ｉｄｑドリフトが発生しない。一方、Ｉｄｑドリフトのあるデバイスでは、ドレイン電流がＩｄｑ以下になり、Ｉｄｑドリフトが発生する。

Ｉｄｑドリフトのあるデバイスでは、図２に示すように、出力パワーが小さいほどＩｄｑドリフトが小さく、出力パワーが大きいほどＩｄｑドリフトが大きくなる。図２において、太い実線が出力パワー大、細い実線が出力パワー中、点線が出力パワー小を示している。

この結果、ＡＭ−ＡＭ特性（入出力特性）は図３に示すようになる。図３では、横軸が出力パワーを、縦軸が利得を示している。また、太い実線が理想的なＡＭ−ＡＭ特性を、一点差線がＩｄｑドリフト小のＡＭ−ＡＭ特性を、点線がＩｄｑドリフト中のＡＭ−ＡＭ特性を、細い実線がＩｄｑドリフト大のＡＭ−ＡＭ特性をそれぞれ示している。図３から分かるように、出力パワーが小さいほど、Ｉｄｑドリフトは小さくなり、理想的な特性に近づくものの、出力パワーが大きいほど、Ｉｄｑドリフトが大きくなり、理想的な特性から離れ、利得も大きく変動する。

また、非特許文献１には、Ｅ−ＴＭ１．１（E-UTRA Test Model 1.1）によって定義された最大トラフィックの信号と、Ｅ−ＴＭ２（E-UTRA Test Model 2）によって定義された最低トラフィックの信号とが開示されている。図４に示すように、最大トラフィックの信号は、電力がほぼ一定であり、最低トラフィックの信号は、時間軸上で電力が大きく変動（バースト）する。Ｗ−ＣＤＭＡ（Wideband - Code Division Multiple Access）、ＣＤＭＡ、ＥＶＤＯ（Evolution Data Only (Optimized)）、ＷｉＭＡＸ及びＬＴＥ（Long Term Evolution）などの多重通信方式ではバーストが発生する。また、複信方式では、ＴＤＤ（Time Division Duplex）でもバーストが発生する。バーストが発生すると、一様ではないＩｄｑドリフトが生じ易い。

特開２０１０−２６８３９３号公報

3GPP TS 36.141 V11.0.0

しかしながら、上述した特許文献１に開示の増幅器では、出力レベルを高出力から低出力に制御（例えば、２０ｄＢ低減）した場合に、エンベロープ振幅に対して一様ではないＩｄｑドリフト、すなわち、ヒステリシスなＩｄｑドリフトが発生することにより、入出力特性の線形性が劣化する。この結果、歪み補償性能が劣化する。

本発明の目的は、エンベロープ振幅に対して一様ではないＩｄｑドリフトが発生する場合においても、入出力特性の線形性の劣化を抑え、歪み補償性能を向上させ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、ゲートに印加されるゲート電圧に応じてＩｄｑを設定し、入力信号を増幅するＲＦデバイスと、前記ＲＦデバイスのドレイン電流を検出するドレイン電流検出手段と、検出された前記ドレイン電流を電圧に変換した電圧値と、所定の閾値とを比較し、前記電圧値が前記閾値未満の場合、Ｉｄｑドリフトが発生したと判定し、前記電圧値と前記閾値との差分がなくなるまで所定の電圧を生成する判定手段と、前記ゲート電圧の初期値に前記所定の電圧を加算し、加算後の電圧をゲート電圧として前記ＲＦデバイスに印可するゲート電圧調整手段と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、エンベロープ振幅に対して一様ではないＩｄｑドリフトが発生する場合においても、入出力特性の線形性の劣化を抑え、歪み補償性能を向上させることができる。

Ｉｄｑドリフトのない理想的なデバイスのドレイン電流と、Ｉｄｑドリフトのあるデバイスのドレイン電流とを比較した様子を示す図 出力パワー毎にＩｄｑドリフトの大きさが異なる様子を示す図 出力パワー毎にＡＭ−ＡＭ特性が異なる様子を示す図 非特許文献１に開示された最大トラフィックの信号及び最低トラフィックの信号の信号電力を示す図 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図 本発明の実施の形態１に係るドレイン電流の変化の様子を示す図 本発明の実施の形態１に係る電力増幅装置の回路構成を示す図 温度とＩｄｑ基準電圧との対応関係を有する温度テーブルを示す図 Ｉｄｑドリフト判定回路の他の回路構成を示す図 本発明の実施の形態１に係る電力増幅装置の他の構成を示す図 本発明の実施の形態１に係る電力増幅装置のさらに他の構成を示す図 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図 本発明の実施の形態２に係る電力増幅装置のさらに他の構成を示す図 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図 本発明の実施の形態４に係る電力増幅装置の構成を示す図 本発明の実施の形態４に係る電力増幅装置の他の構成を示す図 本発明の実施の形態４に係る電力増幅装置のさらに他の構成を示す図 本発明の実施の形態５に係る電力増幅装置の構成を示す図 本発明の実施の形態５に係る電力増幅装置の他の構成を示す図 本発明の実施の形態５に係る電力増幅装置のさらに他の構成を示す図

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、同一の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５は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅装置１００の構成を示す図である。以下、図５を用いて電力増幅装置１００の構成について説明する。

ＲＦデバイス１０１は、ゲート電圧調整回路１０５から出力されたゲート電圧が印加され、入力信号を増幅し、増幅した信号を出力信号として出力する。

Ｉｄｑドリフト補償部１０２は、ドレイン電流検出回路１０３、Ｉｄｑドリフト判定回路１０４及びゲート電圧調整回路１０５を備えている。

ドレイン電流検出回路１０３は、ＲＦデバイス１０１のドレイン電流を検出し、検出したドレイン電流を電圧に変換して、Ｉｄｑドリフト判定回路１０４に出力する。

Ｉｄｑドリフト判定回路１０４は、Ｉｄｑ基準電圧が設定されており、ドレイン電流検出回路１０３から出力された電圧とＩｄｑ基準電圧（閾値）とを比較する。その結果、電圧がＩｄｑ基準電圧未満になった場合、Ｉｄｑドリフトが発生したと判定し、電圧とＩｄｑ基準電圧との差分がなくなるまである電圧をゲート電圧調整回路１０５に出力する。電圧がＩｄｑ基準電圧以上の場合は、Ｉｄｑドリフト判定回路１０４における以降の動作を実行しないと判定する。なお、Ｉｄｑドリフト判定回路１０４は、Ｉｄｑ初期設定時において、Ｉｄｑ基準電圧より高い電圧をかけておき、Ｉｄｑドリフト判定回路１０４の判定動作を実行しない（出力を０）としておく。

ゲート電圧調整回路１０５は、Ｉｄｑ初期設定ゲート電圧が設定されており、Ｉｄｑドリフト判定回路１０４から出力された電圧をＩｄｑ初期設定ゲート電圧に加算し、加算した結果を調整後のゲート電圧としてＲＦデバイス１０１に印加する。

電力増幅回路１００は、上記構成を有することにより、図６に示すように、ドレイン電流がＩｄｑ以下とならず、Ｉｄｑドリフトの発生を抑えることができる。

なお、参考のため、図５に示したドレイン電流検出回路１０３、Ｉｄｑドリフト判定回路１０４及びゲート電圧調整回路１０５の回路構成を図７に示す。

このように、実施の形態１によれば、ドレイン電流を検出し、検出したドレイン電流を電圧に変換してＩｄｑ基準電圧と比較し、この電圧がＩｄｑ基準電圧未満となった場合、Ｉｄｑドリフトが発生したと判定し、Ｉｄｑ基準電圧以上となるまである電圧をＩｄｑ初期設定ゲート電圧に加算することにより、Ｉｄｑドリフトの発生を抑えることができるので、入出力特性の線形性の劣化を抑え、歪み補償性能を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、Ｉｄｑドリフト判定回路１０４は、Ｉｄｑ基準電圧を固定とした場合について説明したが、図８に示すように、温度とＩｄｑ基準電圧との対応関係を有する温度テーブルを備え、温度毎に異なるＩｄｑ基準電圧に切り替えてもよい。また、Ｉｄｑドリフト判定回路において、図９に示すような抵抗分圧に、サーミスタ等を直列または並列に接続し、温度毎に異なるＩｄｑ基準電圧となるように温度補償を行ってもよい。さらに、使用する通信方式毎に異なるＩｄｑ基準電圧に切り替えてもよい。

また、一般に、ＧａＮデバイスのＩｄｑドリフトは、−４０℃〜−２０℃程度の低温時に顕著に発生するため、低温時にドレイン電流検出回路とＩｄｑドリフト判定回路とを接続するようにスイッチを制御するようにしてもよい。この場合の構成を図１０に示す。

図１０において、温度計１０６は、外気温を計測し、計測した温度を制御部１０７に出力し、制御部１０７は、温度計１０６から出力された温度が所定の温度（例えば、−２０℃）以下の場合、ドレイン電流検出回路１０３とＩｄｑドリフト判定回路１０４とを接続するようにスイッチ１０８を制御する。

また、バースト信号が生じる通信方式においても、Ｉｄｑドリフトが顕著に発生するため、バースト信号が顕著に生じる通信方式（例えば、ＣＤＭＡ（ＥＶＤＯ）及びＬＴＥ、ＴＤＤなど）を用いる場合にドレイン電流検出回路１０３とＩｄｑドリフト判定回路１０４とを接続するようにスイッチを制御するようにしてもよい。この場合の構成を図１１に示す。

図１１において、ベースバンドユニット１０９は、通信方式に応じた変調及び復調を行い、通信方式を制御部１１０に出力し、制御部１１０は、ベースバンドユニット１０９から出力された通信方式がバースト信号を顕著に生じる通信方式である場合、ドレイン電流検出回路１０３とＩｄｑドリフト判定回路１０４とを接続するようにスイッチ１０８を制御する。

（実施の形態２）
実施の形態１では、１つのＲＦデバイスを用いた場合について説明したが、本発明の実施の形態２では、複数のＲＦデバイスを直列に接続した場合について説明する。

図１２は、本発明の実施の形態２に係る電力増幅装置２００の構成を示す図である。図１２に示すように、電力増幅装置２００では、複数のＲＦデバイス２０１−１〜２０１−ｎが直列に接続されている。図１２において、Ｉｄｑドリフト補償部２０２は、終段のＲＦデバイス２０１−ｎのドレイン電流を検出し、検出したドレイン電流に基づいて、Ｉｄｑドリフトを補償する調整電圧を生成し、生成した調整電圧をゲート電圧として終段のＲＦデバイス２０１−ｎに印加する。

ここでは、終段のＲＦデバイス２０１−ｎが無線性能に大きな影響を及ぼし、かつ、電力を最も消費するため、この終段のＲＦデバイス２０１−ｎからドレイン電流を検出している。

このように、実施の形態２によれば、直列に接続した複数のＲＦデバイスを備える電力増幅装置において、終段のＲＦデバイスのドレイン電流を検出し、検出したドレイン電流を用いて、終段のＲＦデバイスのゲート電圧を調整することにより、ドレイン電流がＩｄｑ以下とならず、Ｉｄｑドリフトの発生を抑えることができる。この結果、入出力特性の線形性の劣化を抑え、歪み補償性能を向上させることができる。

なお、Ｉｄｑドリフト補償部は、図１２に示した配置に限らず、図１３に示すように、電力増幅装置２００全体に供給する電源からドレイン電流を検出する構成でもよい。

また、図１４に示すように、ＲＦデバイスの各段にＩｄｑドリフト補償部２０２−１〜２０２−ｎを配置し、各段のＲＦデバイス２０１−１〜２０１−ｎのゲート電圧を個々に調整してもよい。

（実施の形態３）
実施の形態２では、複数のＲＦデバイスを直列に接続した場合について説明したが、本発明の実施の形態３では、複数のＲＦデバイスを並列に接続した場合について説明する。

図１５は、本発明の実施の形態３に係る電力増幅装置３００の構成を示す図である。図１５に示すように、電力増幅装置３００では、複数のＲＦデバイス３０１−１〜３０１−ｎが並列に接続されている。図１５において、Ｉｄｑドリフト補償部３０２−１〜３０２−ｎは、各段のＲＦデバイス３０１−１〜３０１−ｎのドレイン電流を検出し、検出したドレイン電流に基づいて、Ｉｄｑドリフトを補償する調整電圧を生成し、生成した調整電圧をゲート電圧として各段のＲＦデバイス３０１−１〜３０１−ｎのそれぞれに印加する。

このように、実施の形態３によれば、並列に接続した複数のＲＦデバイスを備える電力増幅装置において、各段のＲＦデバイスのドレイン電流を検出し、検出したドレイン電流を用いて、各段のＲＦデバイスのゲート電圧をそれぞれ調整することにより、ドレイン電流がＩｄｑ以下とならず、Ｉｄｑドリフトの発生を抑えることができる。この結果、入出力特性の線形性の劣化を抑え、歪み補償性能を向上させることができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、ＲＦデバイスを用いた主増幅器と補助増幅器とからなるドハティ増幅器のゲート電圧を調整する場合について説明する。

図１６は、本発明の実施の形態４に係る電力増幅装置４００の構成を示す図である。図１６において、ドハティ増幅器４０１は、主増幅器（ＲＦデバイス）４０２と補助増幅器（ＲＦデバイス）４０３とが並列に接続して構成されている。また、ドハティ増幅器４０１の前段には、ＲＦデバイス４０４が接続されている。

Ｉｄｑドリフト補償部４０５は、主増幅器４０２のドレイン電流を検出し、検出したドレイン電流に基づいて、Ｉｄｑドリフトを補償する調整電圧を生成し、生成した調整電圧をゲート電圧として主増幅器４０２に印加する。

このように、実施の形態４によれば、ドハティ増幅器を備える電力増幅装置において、主増幅器からドレイン電流を検出し、検出したドレイン電流を用いて、主増幅器のゲート電圧を調整することにより、ドレイン電流がＩｄｑ以下とならず、Ｉｄｑドリフトの発生を抑えることができる。この結果、入出力特性の線形性の劣化を抑え、歪み補償性能を向上させることができる。

なお、Ｉｄｑドリフト補償部４０５は、図１６に示した配置に限らず、図１７に示すように、ドハティ増幅器４０１全体のドレイン電流を検出する構成でもよいし、図１８に示すように、電力増幅装置４００全体に供給する電源からドレイン電流を検出する構成でもよい。

また、本実施の形態では、主増幅器と補助増幅器とを並列に接続したドハティ増幅器を例に説明したが、本発明はこれに限らず、主増幅器と補助増幅器はそれぞれ直列接続、並列接続された構成のドハティ増幅器であってもよい。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５では、ドレインモジュレーション型増幅器のゲート電圧を調整する場合について説明する。ドレインモジュレーションとは、ドレイン電圧制御（ＤＶＣ：Drain Voltage Control）のことであり、入力信号の包絡線（エンベロープ）成分でドレイン電圧を変調することにより、高効率な増幅を実現することができる。

図１９は、本発明の実施の形態５に係る電力増幅装置５００の構成を示す図である。図１９において、Ｉｄｑドリフト補償部５０１は、ドレインモジュレーション型増幅器５０３のドレイン電流を検出し、検出したドレイン電流に基づいて、Ｉｄｑドリフトを補償する調整電圧を生成し、生成した調整電圧をゲート電圧としてドレインモジュレーション型増幅器５０３に印加する。

変調電源部５０２は、入力信号の包絡線（エンベロープ）成分で変調した電圧をドレイン電圧としてドレインモジュレーション型増幅器（ＲＦデバイス）５０３に印加する。

ドレインモジュレーション型増幅器５０３は、Ｉｄｑドリフト補償部５０１から印加されたゲート電圧に基づいて、前段のＲＦデバイス５０４から出力された入力信号を増幅し、増幅した信号を出力信号として出力する。

このように、実施の形態５によれば、ドレインモジュレーション型増幅器を備える電力増幅装置において、ドレインモジュレーション型増幅器のドレイン電流を検出し、検出したドレイン電流を用いて、ドレインモジュレーション型増幅器のゲート電圧を調整することにより、ドレイン電流がＩｄｑ以下とならず、Ｉｄｑドリフトの発生を抑えることができる。この結果、入出力特性の線形性の劣化を抑え、歪み補償性能を向上させることができる。

なお、Ｉｄｑドリフト補償部５０１は、図１９に示した配置に限らず、図２０に示すように、変調電源部５０２後段に配置してもよいし、図２１に示すように、電力増幅装置５００全体に供給する電源からドレイン電流を検出する構成でもよい。

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。

１０１、２０１−１〜２０１−ｎ、３０１−１〜３０１−ｎ、４０２、４０３、４０４、５０３、５０４ ＲＦデバイス
１０２、２０２、２０２−１〜２０２−ｎ、３０２−１〜３０２−ｎ、４０５、５０１ Ｉｄｑドリフト補償部
１０３ ドレイン電流検出回路
１０４ Ｉｄｑドリフト判定回路
１０５ ゲート電圧調整回路
１０６ 温度計
１０７、１１０ 制御部
１０８ スイッチ
１０９ ベースバンドユニット
４０１ ドハティ増幅器
５０２ 変調電源部

Claims (9)

1. ゲートに印加されるゲート電圧に応じてＩｄｑを設定し、入力信号を増幅するＲＦデバイスと、
   前記ＲＦデバイスのドレイン電流を検出するドレイン電流検出手段と、
   検出された前記ドレイン電流を電圧に変換した電圧値と、所定の閾値とを比較し、前記電圧値が前記閾値未満の場合、Ｉｄｑドリフトが発生したと判定し、前記電圧値と前記閾値との差分がなくなるまで所定の電圧を生成する判定手段と、
   前記ゲート電圧の初期値に前記所定の電圧を加算し、加算後の電圧をゲート電圧として前記ＲＦデバイスに印可するゲート電圧調整手段と、
   を具備する電力増幅装置。
2. 前記判定手段は、温度に対応付けた前記閾値を複数備え、温度に応じて前記閾値を切り替える、
   請求項１に記載の電力増幅装置。
3. 前記判定手段は、通信方式に対応付けた前記閾値を複数備え、使用する前記通信方式に応じて前記閾値を切り替える、
   請求項１に記載の電力増幅装置。
4. 気温を計測する温度計と、
   計測された前記気温が所定の温度以下の場合、前記ドレイン電流検出手段と、前記判定手段とを接続する制御手段と、
   を具備する請求項１に記載の電力増幅装置。
5. 通信方式に応じた変調又は復調を行うベースバンド手段と、
   前記通信方式がバースト信号を生じる通信方式の場合、前記ドレイン電流検出手段と、前記判定手段とを接続する制御手段と、
   を具備する請求項１に記載の電力増幅装置。
6. 複数の前記ＲＦデバイスが直列に接続され、
   前記ドレイン電流検出手段は、終段の前記ＲＦデバイスのドレイン電流、または、電力増幅装置全体に供給する電源からドレイン電流を検出し、
   前記ゲート電圧調整手段は、終段の前記ＲＦデバイスのゲート電圧を調整して印加する、
   請求項１に記載の電力増幅装置。
7. 複数の前記ＲＦデバイスが直列又は並列に接続され、
   前記ドレイン電流検出手段は、前記ＲＦデバイスの各段のドレイン電流を検出し、
   前記ゲート電圧調整手段は、各段の前記ＲＦデバイスのゲート電圧をそれぞれ調整して印加する、
   請求項１に記載の電力増幅装置。
8. 前記ＲＦデバイスを用いた主増幅器と補助増幅器とからドハティ増幅器が構成され、
   前記ドレイン電流検出手段は、前記主増幅器、前記ドハティ増幅器のドレイン電流、または、電力増幅装置全体に供給する電源からドレイン電流を検出し、
   前記ゲート電圧調整手段は、前記主増幅器のゲート電圧を調整して印加する、
   請求項１に記載の電力増幅装置。
9. 入力信号の包絡線成分によってドレイン電圧が変調される、前記ＲＦデバイスを用いたドレインモジュレーション型増幅器を備え、
   前記ドレイン電流検出手段は、前記ドレインモジュレーション型増幅器のドレイン電流、または、電力増幅装置全体に供給する電源からドレイン電流を検出し、
   前記ゲート電圧調整手段は、前記ドレインモジュレーション型増幅器のゲート電圧を調整して印加する、
   請求項１に記載の電力増幅装置。
   

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