JP2014183463A - 電力増幅器の制御装置及び制御方法 - Google Patents

電力増幅器の制御装置及び制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電力増幅器の高効率化を図る。
【解決手段】電力増幅器40への入力信号のレベルを制限するリミッタ42と、リミッタ42の動作中は、電力増幅器40の動作電圧を一定として前記入力信号の振幅に応じ電力増幅器40の出力整合回路43の負荷を制御し、前記リミッタ42の非動作中は、前記出力整合回路43の負荷を一定とし、前記動作電圧を制御する制御部45と、を備える。
【選択図】図2

Description

本発明の一態様は、電力増幅器の制御装置及び制御方法に関する。
携帯電話等の無線通信端末や移動体通信基地局装置等の無線装置においては、省電性に優れ、かつ歪みの少ない増幅器が求められる。一般に、送信機における電力増幅器は、歪性能を満足するため、飽和出力から十分にバックオフを取った線形性の良好な出力レベルで使用されている。
しかし、これは電力増幅器を電力効率の悪い状態で使用することになり、消費電力を増加させる原因となっている。従って、無線通信端末や移動体通信基地局装置等において、電力増幅器の高効率化は重要な課題である。
一般に、電力増幅器は正弦波で励振した場合、例えば図20に示すように、最大出力電力にて最大効率が得られ、最大出力電力から入力信号の振幅(レベル)が下がるに従って急速に効率が低下する傾向にある。
従って、近年の移動体通信システムに用いられるOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)のようなPAPR(Peak-to-Average Power Ratio)が大きい信号を増幅する場合、電力増幅器に大きなバックオフが必要となり、電力効率(平均効率)が低下する。
次表1に、GSM(登録商標、Global System for Mobile communications)、WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)、及び、LTE(Long Term Evolution)に使用される電力増幅器の一般的な平均効率の関係を示す。
Figure 2014183463
特開2011−244070号公報 特開2008−124947号公報 特開2011−229122号公報 特開2006−93896号公報 特開2009−253809号公報
表1に例示するように、LTEにおいてOFDM信号を増幅する電力増幅器では、GSMやWCDMAに比べて電力効率が顕著に低いことがわかる。PAPRの大きい信号に対して平均効率を向上するには、以下の(1)及び(2)に例示するような2種類のアプローチが考えられる。
(1)負荷変調(LM:Load Modulation)方式
一般に電力増幅器においては、最大出力が得られる負荷インピーダンス、及び、最大効率が得られる負荷インピーダンスは、入力電力毎に異なっている。図21(B)に電力増幅器のスミスチャートの一例を示す。
図21(B)において、「等出力円」は中心から離れるほど電力増幅器の出力が低くなる負荷の等高線を表しており、「等効率円」は、中心から離れるほど電力増幅器の平均効率が低くなる負荷の等高線を表している。
図21(B)において、入力信号のエンベロープ(振幅)に対して負荷を適切に選ぶように制御すれば、常に電力増幅器を飽和出力電力で動作させることが可能になる。この方式として負荷変調(LM:Load Modulation)方式が検討されている。
図21(A)にLM方式の電力増幅器の構成例を示す。図21(A)に例示する電力増幅器は、パワーアンプ(PA)、固定電圧源、振幅検出部、制御部、及び、(可変)整合回路を備える。PAは、固定電圧源から固定電圧を受けて入力信号の増幅を行なう。振幅検出部は、入力信号のエンベロープ(振幅)を検出する。制御部は、振幅検出部で検出されたエンベロープに応じて可変制御回路(負荷)を制御することで、PAを飽和出力電力で動作させる。
(2)ドレイン電圧制御(DVC:Drain Voltage Control)方式
一般に電力増幅器においては、ドレイン電圧を高く設定するほど飽和電力も上がる。従って、入力信号のエンベロープ(振幅)に対して、ドレイン電圧を適切に制御すれば、常に電力増幅器を飽和出力電力で動作させることが可能になる。この方式としてDVC方式が検討されている。
図22(A)にDVC方式の電力増幅器の構成例を示す。図22(A)に例示する電力増幅器は、パワーアンプ(PA)、可変電圧電源、振幅検出部、制御部、及び、(固定)整合回路を備える。振幅検出部は、入力信号のエンベロープ(振幅)を検出する。制御部は、振幅検出部で検出されたエンベロープに応じて可変電圧電源を制御することにより、PAのドレイン電圧を制御する。図22(B)に例示するように、入力信号のエンベロープに対してドレイン電圧Vdsが制御されることで、PAを飽和出力電力で動作させることが可能となる。
無線基地局等の無線装置に用いる電力増幅器では、LM方式により入力信号に応じて負荷を制御(図24中の矢印で示す軌跡を参照)しても、例えば図23に示すように、高効率領域が飽和出力電力から6dB程度であり、当該領域以外の小信号領域では効率が著しく劣化する。
また、DVC方式により、PAの入出力特性が線形(例えば図25(C)参照)になるようにドレイン電圧Vdsを制御(例えば図25(B)参照)すると、ドレイン電圧Vdsに高電圧(高電流)が必要となる。
そのため、PAを飽和出力電力で動作させようとすると、高電圧及び高電流での高速な電源制御が必要になる。例えば図25(A)は、PAの出力電力Pout(dBm:横軸)に対するドレイン電流Ids(mA:右側縦軸)及び平均効率Drain Eff(%:左側縦軸)の特性をそれぞれ表している。
図25(A)において、下側の軌跡がドレイン電流Idsの軌跡を表し、上側の軌跡が平均効率Drain Effの軌跡を表している。この図25(A)に例示するように、PAの飽和出力電力から例えば6dB以内の出力電力を制御しようとすると、PAのドレインに関して高電圧及び高電流での高速な電源制御が必要となる。しかし、このような電源制御は非常に困難である。
本発明の目的の1つは、簡易な制御で電力増幅器の高効率化を図ることにある。
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための最良の形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。
電力増幅装置の一態様は、電力増幅器への入力信号のレベルを制限するリミッタと、前記リミッタの動作中は、前記電力増幅器の動作電圧を一定として前記入力信号の振幅に応じ前記電力増幅器の出力整合回路の負荷を制御し、前記リミッタの非動作中は、前記出力整合回路の負荷を一定とし、前記動作電圧を制御する制御部と、を備える。
上記電力増幅装置によれば、簡易な制御で電力増幅器の高効率化を図ることができる。
一実施形態に係る無線装置の構成例を示すブロック図である。 一実施形態に係る電力増幅器の構成例を示すブロック図である。 図2に例示するリミッタ機能部のリミッタ機能を説明すべく電力増幅器の入出力特性の一例を示す図である。 図2に例示する電力増幅器の入出力特性の一例を示す図である。 図2に例示する電力増幅器における負荷制御の一例を説明するスミスチャートである。 図2に例示する電力増幅器におけるドレイン電圧制御を説明する図である。 図2に例示する電力増幅器の具体例(ドライバアンプがリミッタ機能を有する場合)を示すブロック図である。 図2に例示する電力増幅器の具体例(ベースバンド処理部がリミッタ機能を有する場合)を示すブロック図である。 図7に例示する電力増幅器の動作例を説明するフローチャートである。 図8に例示する電力増幅器の動作例を説明するフローチャートである。 第1変形例に係る電力増幅器の構成例を示すブロック図である。 第1変形例に係る電力増幅器の動作例を模式的に示す図である。 第2変形例に係る電力増幅器の構成例を示すブロック図である。 第2変形例に係る電力増幅器の動作例を模式的に示す図である。 第3変形例に係る電力増幅器の構成例を示すブロック図である。 第3変形例に係る電力増幅器の動作例を模式的に示す図である。 一実施形態に係る電力増幅器の効率特性の一例を示す図である。 図17に例示する効率特性との比較例を示す図である。 図17に例示する効率特性との比較例を説明するためのスミスチャートである。 電力増幅器の入出力特性及び効率特性の一例を示す図である。 (A)及び(B)は負荷変調(LM)制御を説明するための図である。 (A)及び(B)はドレイン電圧制御(DVC)を説明するための図である。 電力増幅器の効率特性の一例を示す図である。 LM制御を説明するためのスミスチャートである。 (A)〜(C)はDVCを説明するための特性図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。なお、以下の実施形態で用いる図面において、同一符号を付した部分は、特に断らない限り、同一若しくは同様の部分を表す。
図1は、一実施形態に係る無線装置の構成例を示すブロック図である。無線装置は、例示的に、無線基地局や移動局等である。図1に示す無線装置は、例示的に、ベースバンド処理部10、DAC(Digital to Analog Converter)20、直交変調部(QMOD)30、電力増幅器(PA)40、送信フィルタ50、送受信アンテナ60、受信フィルタ70、低雑音増幅器(LNA)80、直交復調部(QDEM)90、ADC(Analog to Digital Converter)100、及び、ローカル発振器110を備える。
ベースバンド処理部10は、送信デジタル信号及び受信デジタル信号のベースバンド信号処理を行なう。
DAC20は、送信デジタル信号をアナログ信号に変換する。
QMOD30は、DAC20によりアナログ信号に変換された信号を、ローカル発振器110から入力されるキャリア信号を用いて直交変調(例えばQAM変調)することでアップコンバートし、送信無線信号を得る。
PA40は、QMOD30での直交変調により得られた送信無線信号を所定の送信出力レベルに増幅する。
送信フィルタ50は、PA40により増幅された送信無線信号のノイズ成分等を除去するバンドパスフィルタである。
送受信アンテナ60は、送信フィルタ50を通過した無線信号を通信相手である無線装置(基地局あるあいは移動局等:図示省略)に向けて空間に放射する一方、通信相手である無線装置から空間に放射された無線信号を受信する。
受信フィルタ70は、送受信アンテナで受信された無線信号のノイズ成分を除去するバンドパスフィルタである。
LNA80は、受信フィルタ70を通過した受信無線信号を所定の受信レベルに増幅する。
QDEM90は、LNA80で増幅された受信無線信号を、ローカル発振器110から入力されるキャリア信号を用いて直交復調(例えばQAM復調)することでダウンコンバートし、受信ベースバンド信号を得る。
ADC100は、QDEM90での直交復調により得られた受信ベースバンド信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換してベースバンド処理部に入力する。
図2に例示するように、PA40の前段(入力側)には、振幅検出部41及びリミッタ機能部(以下、単に「リミッタ」ともいう。)42が設けられ、PA40の後段(出力側)には、負荷が可変の出力整合回路(以下「可変整合回路」ともいう。)43が設けられる。
また、無線装置は、PA40に対して可変のドレイン電圧を与える可変電圧源44と、可変電圧源44(PAのドレイン電圧)及び可変整合回路(負荷)43の一方を選択的に制御する制御部45と、を備える。振幅検出部41、リミッタ42、及び、制御部45は、PA40の制御装置の一例を成す。
振幅検出部41は、入力信号(例えば、QMOD30から入力される直交変調信号)のエンベロープ(振幅)を例えば包絡線検波により検出する。検出結果である包絡線情報は、制御部45に与えられる。
リミッタ42は、PA40への入力信号のレベルをリミッタレベル(閾値)以下に制限する(例えば図3参照)。入力信号レベルがリミッタレベルに達している場合(リミッタ機能が動作している場合)、リミッタ機能部42は、その旨を示す信号(以下「リミッタ動作通知」と称することがある。)を制御部45に与える。
制御部45は、リミッタ機能部42からのリミッタ動作通知の有無に応じて、可変電圧源44(PA40のドレイン電圧)及び可変整合回路(負荷)43の一方を選択的に制御する。以下において、ドレイン電圧の制御を「可変電圧制御(DVCモード)」と称し、可変整合回路(負荷)の制御を「可変負荷制御(LM制御モード)」と称することがある。
例えば図3に示すように、制御部45は、リミッタ動作通知により入力信号レベルがリミッタレベルに達しておりリミッタ機能が動作している場合(リミッタ動作中)、可変負荷制御を実施する。入力信号レベルがリミッタレベルに達していない場合(リミッタ非動作中)には、制御部45は、可変電圧制御を実施する。
可変負荷(LM)制御モードでは、PAの動作ドレイン電圧を一定とし、且つ、入力信号レベルをリミッタ機能により制限した一定の状態で、振幅検出部41による入力信号のエンベロープ(包絡線情報)に応じて、可変整合回路(負荷)43を制御する。
非限定的な一例として、制御部45は、図5に例示するスミスチャートにおいて、等出力円の中心から離れるとともに等効率線の中心に向かう方向(PAの出力電力が減少するにつれてPAの電力効率が上がる方向)に沿って軌跡を描くように負荷を可変制御する。これにより、制御部45は、PAの飽和出力電力から例えば6dB以内の出力電力を制御することができる。
一方、可変電圧制御(DVC)モードでは、制御部45は、負荷43を最小電力時の負荷に固定し、振幅検出部41による入力信号のエンベロープに応じて、PA40のドレイン電圧を可変制御する。その際、制御部45は、例えば図6に示すようにPA40の入出力特性が線形になるようにドレイン電圧を制御する。
なお、図6においては、非限定的な一例として、入力電力が12dBm〜22dBmの領域において線形制御が実施され、入力電力が22dBm以上の領域ではドレイン電圧が固定されて、図5に例示したLM制御が実施されることを表している。つまり、22dBmという値は、既述のリミッタレベル(閾値)の一例である。
図5及び図6により上述した制御により、PA40の入出力特性は、図4に例示するようになる。すなわち、入力電力が12dBm〜22dBmの領域(範囲)においてはDVCが実施され、入力電力が22dBmを超える範囲についてはLM制御が実施される。
このように、入力信号のエンベロープに対して動的にPA40を制御する。すなわち、PA40の高出力電力領域では固定電圧でLM制御を実施し、低出力電力領域では固定負荷でDVCを実施することで、PAPRの大きなシステムに対してPAの電力効率を向上できる。
別言すると、PA40の入力信号のエンベロープに対して、PA40の出力電力が相対的に大きい領域では負荷を、PA40の出力電力が相対的に小さい領域ではPA40のドレイン電圧を適切に選ぶことで、PA40の平均効率を飛躍的に向上させることが可能である。
図17に、本実施形態におけるPAの効率特性の一例を示す。図17に例示するように、OFDM信号のようなPAPRが大きな信号でも高効率な特性が得られる。すなわち、出力電力が30dBm〜42dBmの12dBのダイナミックレンジで70%以上の平均効率を得ることができる。
なお、図17には、LM制御とDVCとを出力電力37dBmにおいて切り替えた場合の効率特性を例示している。比較例として、図18に、出力電力35dBmでLM制御とDVCとを切り替えた場合の効率特性を示す。
図19に例示するスミスチャートから理解されるように、出力電力35dBmでの切り替えでは、負荷インピーダンスが等効率円のより効率の低いポイントにある。そのため、図18に例示するように、出力電力35dBm付近で最大効率から約8%程度の効率低下がみられる。別言すると、LM制御とDVCとを切り替える負荷によって、効率特性が異なる。
また、DVC及びLM制御のうちDVCのみを適用した場合(図17において点線で示す効率特性)に比べて、低出力電力時の効率を10%程度向上することができる。これは、DVCとLM制御との単なる組合せより効果が大きい。
さらに、PAは入力信号レベルに応じて負荷特性が変動するが、リミッタ機能部を設けることで、入力信号レベルを一定に制限して負荷特性の変動を抑えた状態で制御できるので、制御性が向上する。LM制御とDVCとを単純に組み合わせた場合では、入力信号レベルに応じて負荷特性が変動するため、最適な負荷と電圧とを選ぶことが難しく、制御が複雑化する。
これに対し、上述したように、入力信号レベルがリミッタレベルを超える場合には固定ドレイン電圧及び負荷制御を実施し、入力信号レベルがリミッタレベル以下の場合には固定負荷及びドレイン電圧制御を実施することで、制御性を向上できる。
なお、既述のリミッタ機能部42は、図7に例示するように、リミッタ機能を有するドライバアンプ(以下「リミッタアンプ」ともいう。)422を用いて実現してもよいし、図8に例示するように、ベースバンド処理部10に設けられたDSP(Digital Signal Processor)11を用いて実現してもよい。DSP11は、デジタル信号処理回路の一例である。別言すると、PA40へ入力される高周波信号レベルの制限(リミッタ動作)は、アナログ的に実現してもよいし、デジタル的に実現してもよい。
図7の場合、リミッタアンプ422の入出力側それぞれに振幅検出器421及び423を設けて、各振幅検出器421及び423で検出されたエンベロープを制御部45に与える。なお、振幅検出器421及び423は、既述の振幅検出部41に相当する。制御部45は、リミッタアンプ422の入出力信号のエンベロープにより、リミッタ機能が動作しているか否かを判断することができる。
一方、図8の場合、DSP11にてPA40への入力信号のエンベロープを検出することができ、当該DSP11によりエンベロープ及びリミッタ動作通知を制御部45に与えることができる。
図9に図7の場合の電力制御動作例(フローチャート)を示し、図10に図8の場合の電力制御動作例(フローチャート)を示す。
図9に例示するように、ドライバアンプ422がリミッタ機能を有する場合、QMOD30から高周波信号が入力されると(ステップS10)、当該高周波信号は、各振幅検出器421及び423を経由して制御部45に出力される経路と、PA40に出力される経路とに分岐される(ステップS20)。
各振幅検出器421及び423では、包絡線検波が行なわれて入力高周波信号のエンベロープが検出され、検出されたエンベロープが制御部45に与えられる(ステップS30)。制御部45は、リミッタアンプ422がリミッタ動作しているか否かを判定する(ステップS40)。
リミッタアンプ422がリミッタ動作していれば(ステップS40でYESの場合)、制御部45は、各振幅検出器421及び423から与えられるエンベロープを基に、可変整合回路43の負荷を計算し(ステップS50及びS60)、計算結果に従って可変整合回路43の負荷を制御(変更)する(ステップS70)。
これに対し、リミッタアンプ422がリミッタ動作していなければ(ステップS40でNOの場合)、制御部45は、各振幅検出器421及び423から与えられるエンベロープを基に、PA40のドレイン電圧を計算し(ステップS80及びS90)、計算結果に従って可変電圧源の出力電圧(ドレイン電圧)を制御する(ステップS100)。
一方、図10に例示するように、ベースバンド処理部10がリミッタ機能を有する場合、PA40への出力信号の一部がDSP11に分岐され(ステップS110)、DSP11において包絡線検波が行なわれる(ステップS120)。包絡線検波により得られたエンベロープ及び当該エンベロープに基づいたリミッタ動作通知が制御部45に与えられる。
制御部45は、リミッタ動作通知がDSP11から与えられていれば(ステップS130でYESの場合)、DSP11から与えられるエンベロープを基に、可変整合回路43の負荷を計算し(ステップS140及びS150)、計算結果に従って可変整合回路43の負荷を制御(変更)する(ステップS160)。
これに対し、リミッタアンプ動作通知がDSP11から与えられていなければ(ステップS130でNOの場合)、制御部45は、DSP11から与えられるエンベロープを基に、PA40のドレイン電圧を計算し(ステップS170及びS180)、計算結果に従って可変電圧源44の出力電圧(ドレイン電圧)を制御する(ステップS190)。
なお、ステップS200は、リミッタ動作通知の有無に関わらず、ベースバンド処理部10からDAC20及びQMOD30を通じて高周波信号がPA40に出力されることを表している。
(第1変形例)
図11は、図2に例示した構成の第1変形例を示すブロック図である。図11に例示する電力増幅器は、図2に例示した構成に比して、可変電圧源44からPA40に与えられるドレイン電流(動作電流)を検出する動作電流検出部46が追加的に備えられている点が異なる。
動作電流検出部46による検出結果は、制御部45に与えられる。制御部45は、例えば図12に模式的に示すように、動作電流に応じてDVCとLM制御とを切り替える。この場合、動作電流に基づく切り替え制御をリミッタ動作通知に基づく切り替え制御よりも優先してよい。エンベロープ検出には一般的にダイオードを用いるが、電流検出の場合には1つの抵抗で構成できるので、構成の簡易化を図ることができる。
(第2変形例)
既述のリミッタ機能部は、図13に例示するように、リミッタレベルを制御部45からの制御に応じて可変できるようにしてもよい。リミッタレベルを変更することで、例えば図14に模式的に示すように、DVCとLM制御との切り替え点を変更することができる。第2変形例は、システム変更が可能なソフトウェア無線機に用いると有利である。
(第3変形例)
図15に例示するように、リミッタ機能部42と制御部45との間に遅延回路47を設けて、制御部45に与えられるリミッタ動作通知に遅延を与えてもよい(つまり、リミッタ検出の信号を遅延させてもよい)。リミッタ動作通知に遅延を与えることで、例えば図16に模式的に例示するように、DVCとLM制御とを部分的にオーバーラップさせることができる。
10 ベースバンド処理部
20 DAC
30 直交変調部(QMOD)
40 PA
41 振幅検出部
42 リミッタ機能部
43 可変整合回路
44 可変電圧電源
45 制御部
46 動作電流検出部
47 遅延回路
50 送信フィルタ(バンドパスフィルタ)
60 送受信アンテナ
70 受信フィルタ(バンドパスフィルタ)
80 低雑音増幅器(LNA)
90 直交復調部(QDEM)
100 ADC
110 ローカル発振器
421,423 振幅検出器
422 ドライバアンプ(リミッタアンプ)

Claims (8)

  1. 電力増幅器への入力信号のレベルを制限するリミッタと、
    前記リミッタの動作中は、前記電力増幅器の動作電圧を一定として前記入力信号の振幅に応じ前記電力増幅器の出力整合回路の負荷を制御し、前記リミッタの非動作中は、前記出力整合回路の負荷を一定とし、前記動作電圧を制御する制御部と、
    を備えた、電力増幅器の制御装置。
  2. 前記リミッタは、前記電力増幅器の前段に設けられた、リミッタ機能を有するドライバアンプであり、
    前記入力信号の前記振幅は、前記ドライバアンプの入出力側に設けられた振幅検出器によって検出される、請求項1に記載の電力増幅器の制御装置。
  3. 前記リミッタは、前記電力増幅器へ出力する前記入力信号をベースバンド信号処理するベースバンド処理部に設けられたデジタル信号処理回路であり、
    前記入力信号の前記振幅は、前記デジタル信号処理回路による前記ベースバンド信号処理において検出される、請求項1に記載の電力増幅器の制御装置。
  4. 前記制御部は、前記リミッタの前記非動作中において前記電力増幅器の入出力特性が線形となるように前記動作電圧の制御を行なう、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力増幅器の制御装置。
  5. 前記電力増幅器の動作電流を検出する動作電流検出部を更に備え、
    前記制御部は、前記動作電流検出部で検出された動作電流に応じて前記負荷の制御と前記動作電圧の制御とを切り替える、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力増幅器の制御装置。
  6. 前記制御部は、前記リミッタが前記入力信号を制限するレベルを可変制御する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電力増幅器の制御装置。
  7. 前記リミッタが動作中か否かを前記制御部に示すリミッタ通知を時間的に遅延させる遅延回路を備えた、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力増幅器の制御装置。
  8. 電力増幅器への入力信号のレベルをリミッタによって制限する処理と、
    前記リミッタの動作中は、前記電力増幅器の動作電圧を一定として前記入力信号の振幅に応じ前記電力増幅器の出力整合回路の負荷を制御し、前記リミッタの非動作中は、前記出力整合回路の負荷を一定とし、前記動作電圧を制御する処理と、
    を含む、電力増幅器の制御方法。
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