JP2017505008A - 包絡線追跡変調器を制御し、静的電圧を適合した電力増幅器装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電力増幅器装置に関し、電力増幅器装置は、制御信号（ｃｔｒｌ）に従って、入力信号（ｓｉ）を受信し、増幅された出力信号（ｓｏ）を提供するように動作可能な増幅器コンポーネント（Ａ）と、静的電圧（ＶＳ）および動的電圧（ＶＤ）に従って、制御信号（ｃｔｒｌ）を提供する、包絡線追跡変調器（ＥＴ）と、静的電圧（ＶＳ）が、所定の持続時間にわたる前記出力信号（ｓｏ）の平均値として決定されるように、電力センサ（ＰＳ）によって、前記増幅された出力信号において実行される測定に従って、前記静的電圧および前記動的電圧を提供する、電源（Ｓ）と、を備える。

Description

本発明は、概して、信号増幅に関し、より詳細には、増幅装置の効率を向上させるための装置および方法に関する。

ワイヤレス装置は、無線周波数（ＲＦ：ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ）を使用して情報を送信する。例えば、携帯電話は、増幅されたＲＦを使用して、音声信号およびデータ信号を基地局に送信し、基地局は、信号が通信ネットワークに中継されるようにする。他の既存のワイヤレス通信装置は、Ｗｉｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷＬＡＮ、３Ｇ／４Ｇの装置、ＵＭＴＳおよびそのＬＴＥ（Ｌｏｎｇ−Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）を含む。

従来のワイヤレス装置では、電力増幅器が、ワイヤレス・システム全体の電力の大部分を消費する。電池で作動するシステムでは、低効率の電力増幅器は、所与の電池寿命に対して通信時間の減少をもたらす。さらに、効率の低下は、熱除去に対する要件の増加をもたらし、それによって、設備コストおよび動作コストが増加し、いくつかのコンポーネントの寿命が減少する恐れがある。さらに、エネルギーの節約は、環境保護運動に貢献する通信事業者にとって大きな必要性がある。

このような理由から、ＲＦ電力増幅器の効率向上に、大きな努力が費やされてきた。

通常使用される種類の増幅器は、ドハティ型（Ｄｏｈｅｒｔｙ−ｔｙｐｅ）電力増幅器である。

この種類の電力増幅器は、１９３６年にＷ．Ｈ．ドハティ（Ｗ．Ｈ．Ｄｏｈｅｒｔｙ）によって設計された。

数十年の間、利用される変調方式（ＡＭおよびＦＭ）は、線形増幅を必要とした。ドハティ増幅器は、その効率の良さにもかかわらず、非線形性のために使用されなかった。

近年の、ドハティ増幅器の需要の回復は、例えば、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）信号のように、入力信号を高いピーク対平均値比（ＰＡＲ：Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ａｖｅｒａｇｅ Ｒａｔｉｏ）で増幅する際の、その非常に高い電力付加効率に基づく。そのような状況では、ドハティ増幅器の適度な非線形性は、アナログおよびデジタル技術によって補償されることができる。

しかしながら、電気通信装置の電力増幅器の効率をさらに改善することが、特に前述の理由からやはり望ましい。

ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．ｃｏｍ／ａｓｓｅｔｓ／ｗｈｉｔｅｐａｐｅｒｓ／ＥｎｖｅｌｏｐｅＴｒａｃｋｉｎｇ−ＷＰ０．ｐｄｆ

本発明の目的は、上述した欠点を少なくとも部分的に軽減することである。

この目的は、電力増幅器装置を用いて達成され、この電力増幅器装置は、
− 制御信号に従って、入力信号を受信し、増幅された出力信号を提供するように動作可能な増幅器コンポーネントと、
− 静的電圧および動的電圧に従って、制御信号を提供する、包絡線追跡変調器と、
− 静的電圧が、所定の持続時間にわたる出力信号の平均値として決定されるように、電力センサによって、増幅された出力信号において実行される測定に従って、静的電圧および動的電圧を提供する、電源と、
を備える。

好適な実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備え、特徴は、部分的な組合せ、または完全な組合せのいずれかで、別々にまたは一緒に取り入れられることができる。
− 電力増幅器装置は、電力センサによって実行される測定に従って、増幅器コンポーネントを、ピーク効率に相当する動作状態に維持するための整合回路をさらに備える。
− 電力センサは、ＲＭＳセンサである。
− 所定の持続時間は、動的電圧が変化する期間よりも、著しく、特におよそ１０億倍長い。
− 整合回路は、ＰＩＮダイオード、可変容量ダイオード、ＭＥＭＳによって構成される群に見るコンポーネントを備える。
− 包絡線追跡変調器は、会社Ｅｍｅｒｓｏｎによって製造される種類のものである。
− 出力信号は、ＷＣＤＭＡまたはＬＴＥ標準に準拠する。

本発明の別の態様は、前述のような電力増幅器装置を備える電気通信装置に関する。

本発明の別の態様は、入力信号を増幅するための方法に関し、この方法は、
− 制御信号に従って、入力信号から増幅された出力信号を提供するステップと、
− 静的電圧および動的電圧に従って、制御信号を提供するステップと、
− 静的電圧が、所定の持続時間にわたる出力信号の平均値として決定されるように、電力センサによって、増幅された出力信号において実行される測定に従って、静的電圧および動的電圧を提供するステップと、
を含む。

この方法の好適な実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備え、特徴は、部分的な組合せ、または完全な組合せのいずれかで、別々にまたは一緒に取り入れられることができる。
− 方法は、電力センサによって実行される測定に従って、増幅器コンポーネントを、ピーク効率に相当する動作状態に維持するステップをさらに含む。
− 電力センサは、ＲＭＳセンサである。
− 所定の持続時間は、動的電圧が変化する期間よりも、著しく、特におよそ１０億倍長い。
− 増幅器コンポーネントを動作状態に維持するステップは、ＰＩＮダイオード、可変容量ダイオード、ＭＥＭＳによって構成される群に見るコンポーネントを備える、整合回路を配備するステップの中にある。
− 制御信号（ｃｔｒｌ）は、会社Ｅｍｅｒｓｏｎによって製造される種類のものである追跡変調器（ＥＴ）によって、静的電圧（Ｖ_Ｓ）および動的電圧（Ｖ_Ｄに従って提供される。
− 出力信号（ｓ_ｏ）は、ＷＣＤＭＡまたはＬＴＥ標準に準拠する。

本発明のさらなる特徴および利点は、この下に列挙された添付図面を参照して、非限定的な例として与えられる、本発明の実施形態の以下の説明から明らかとなるであろう。

本発明による電力増幅器装置についての実施形態を示す。 増幅器についての、尤度密度およびドレイン効率、対ドレイン電圧を示す。 図３ａから図３ｃは、整合回路について、考えられる実施形態を示す。 静的電圧の適合の影響、および整合の影響を、スミス・チャートに示す。 図５ａから図５ｄは、電力増幅器装置の振る舞いを示す、曲線の例を示す。

概して、電力増幅器装置は、増幅器コンポーネントＡを備え、または増幅器コンポーネントＡからなる。この増幅器は、トランジスタからなることができ、入力信号を受信し、増幅された出力信号を提供するように動作可能である。

このトランジスタは、横型ＤＭＯＳ（ＬＤＭＯＳ：Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｙｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、または縦型ＤＭＯＳ（ＶＤＭＯＳ：Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｙｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｙｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ：Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ）もしくは窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）技術に基づくことができる。

増幅器コンポーネントＡに使用される技術によれば、後述する、静的電圧および動的電圧、ならびに整合についての電圧範囲が適合される。

包絡線追跡（ＥＴ：Ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）下にあるトランジスタは、クラスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｆ−１内にあり得る。

市場の増幅器コンポーネントは、包絡線追跡用のアーキテクチャについて、いくつかの典型的な技術特性を有し、概して、電圧による効率を表す曲線が、電圧の所与の区間内で平坦になるように設計される。

この特性は、例えば図２に示され、図２では、曲線ｂは、ＬＤＭＯＳトランジスタからなる増幅器についての、ドレイン効率対ドレイン電圧を表す。曲線は、明らかに、およそ［１７Ｖ，２８Ｖ］の区間内で平坦であることを示している。

増幅された信号がこの平坦なゾーンに見られるとき、効率はその場合に最大であるから、そのような特性は、興味深いものである。しかしながら、電気通信ネットワークでは、電力信号は、変化する可能性があり、その変動域は、このゾーン外に出る可能性もある。そのような場合、効率は著しく下落する。

この図２に示される例では、曲線ａは、尤度密度関数または確率密度関数（ＰＤＦ：ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を表す。このような関数は、電圧の統計分布を表し、送信されたデータ信号および変調方式に従って、電圧は、均等に分布しないが、その逆に、１０Ｖ前後の重大なピークを示す。

この値は、典型的には、ＷＣＤＭＡ（Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）またはＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）のような、大きな変調を伴う信号に相当する。

言い換えると、１０Ｖの信号を有する確率は高いが、そのような信号は、低い効率（４５前後）に相当し、一方、低い発生確率に相当する電圧値の場合、効率は最高値（５５前後）にある。

結果的に、そのような構成での全体の効率は、最適には程遠い。

したがって、本発明の１つの目的は、確率密度関数および効率曲線を合致させるように、増幅器コンポーネントの動作状態を修正することにある。単純にかつ視覚的に言うと、それは、曲線ａのピークが平坦なゾーンに相当するように、曲線ｂを動かすことを意味する。そのような動作状態の修正によって、図示した例における、曲線ｃをもたらすことができる。

このような理由から、増幅器コンポーネントは、増幅された出力信号に従って、その動作状態を修正するように制御される。

したがって、増幅された出力信号は、電力センサによって測定され、これらの動作状態を修正するために調整信号をフィードバックする。

図１は、本発明による電力増幅器装置についての実施形態を示す。

この実施形態では、増幅器コンポーネントＡは、包絡線追跡変調器ＥＴによって提供される制御信号ｃｔｒｌに従って、入力信号ｓ_ｉを受信し、増幅された出力信号ｓ_ｏを提供するように動作可能である。

このような包絡線追跡変調器ＥＴは、例えば、会社Ｅｍｅｒｓｏｎによって設計された製品のような、既製品であることができる。

この種の製品および技術の説明は、例えば、会社Ｅｍｅｒｓｏｎのホームページで入手できる。
ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．ｃｏｍ／ａｓｓｅｔｓ／ｗｈｉｔｅｐａｐｅｒｓ／ＥｎｖｅｌｏｐｅＴｒａｃｋｉｎｇ−ＷＰ０．ｐｄｆ

この包絡線追跡変調器は、動的電圧Ｖ_Ｄおよび静的電圧Ｖ_Ｓの２つの入力を有する。電力センサＰＳによって、増幅された出力信号ｓ_ｏにおいて実行される測定に従って、双方の電圧は、電源Ｓによって提供される。

そうすることにより、増幅器に向けて出力信号が測定されることからフィードバック制御が実行され、その結果、増幅器コンポーネントＡが、出力信号に関わらず、効率が最大である動作状態にあり続ける。

このことは、所定の持続時間にわたる出力信号ｓ_ｏの平均値に従って、静的電圧Ｖ_Ｓを、直接修正することによって可能となる。

動的に修正されるとはいえ、この静的電圧Ｖ_Ｓは、やはり「静的」とみなされるべきである。なぜなら、その時間にわたる変化は、動的電圧Ｖ_Ｄよりも著しく緩やかで、動的電圧は、出力信号ｓ_ｏにリアルタイムに追従するからである。その逆に、静的電圧は、７０マイクロ秒（すなわち、ＬＴＥの実装におけるシンボル時間の前後）から最大１秒くらいまでの時間間隔にわたる平均値として決定される。

静的電圧Ｖ_Ｓの修正は、出力電力および出力電圧Ｖ_Ｏに直接影響を与えるネットワーク状態に、増幅器装置を適合させることを目的とする。例えば、増幅器装置が、電気通信ネットワークの基地局内の場所に置かれる場合、出力電力は、所与の時間に接続されるモバイル装置の数に応じて変化することとなる。

一方、この数、ひいてはこの出力電力は、送信された信号それ自体の変化（制御信号ｃｔｒｌによってキャプチャされる）とはまったく異なるリズムで変化する。

その結果、それに従って平均値を決定する所定の持続時間は、制御信号ｃｔｒｌが変化する期間よりも著しく、特におよそ１万４千倍から１００億倍長い。

静的電圧Ｖ_Ｓについての平均値の決定は、ＲＭＳセンサ（「二乗平均平方根」（ＲＭＳ：ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）についての）によって、単純に実行されることができる。そのような種類の電力センサは、通常、電気通信システムにおいて使用され、使用される信号変調の種類に関わらず、測定された出力電力を決定するように適合される。

静的電圧Ｖ_Ｓおよび動的電圧Ｖ_Ｄの双方が、入力として調整信号ｒｅｇを取り入れる電源Ｓによって提供され、測定およびこれらの測定の代表に基づいて、電力センサＰＳによって出力されることができる。したがって、静的電圧および動的電圧は、出力信号ｓ_ｏの変化に適合されることができる。

電源Ｓは、また、コマンド信号ｃｍｄを提供して、整合回路Ｍを調整することができる。この整合回路の目的は、増幅器Ａを、そのピーク効率に相当する動作状態に維持することである。

整合回路Ｍについて、異なる実施形態が考えられる。図３ａ、３ｂ、３ｃは、考えられる実施形態を示す。

図３ａでは、アイソレータ１０が、増幅器コンポーネントＡの出力に置かれる。第３のポートは、コンポーネント１１によって整合されないままとなる。このコンポーネント１１は、ＰＩＮダイオード、可変容量ダイオード、ＭＥＭＳであり得る。コンポーネント１１は、高い電力レベルに対応しなければならない。

図３ｂでは、ハイブリッド結合器２０が、増幅器コンポーネントＡの出力に置かれる。入力ポートは、前の例と同様に、コンポーネント２１によって整合されないままとなる。この場合も、このコンポーネントは、ＰＩＮダイオード、可変容量ダイオード、ＭＥＭＳであることができる。

図３ｃでは、増幅器コンポーネントＡの２つの整合ネットワークは、追加されたコンポーネント３５および３６によって修正される。これらのコンポーネントは、ＰＩＮダイオード、可変容量ダイオード、ＭＥＭＳであることができる。

図４は、静的電圧Ｖ_Ｓの適合の影響、および整合の影響を、スミス・チャートに表す。このチャートでは、１つの一定な静的電圧Ｖ_Ｓに対し、各閉曲線が、異なるインピーダンス値に対する同一のトランジスタ効率を表す。これらの曲線全てが、同一のファミリーを形成する。最も小さな曲線が、最大効率についてのものであり、ファミリーの中心周辺の最も近くに位置する。実線４０は、静的電圧Ｖ_Ｓの高い値に相当する第１のファミリーを表し、破線４０は、静的電圧Ｖ_Ｓの低い値に相当する第２のファミリーを表す。

二重線４３は、静的電圧Ｖ_Ｓの低い値から高い値へのファミリーの中心の経路を表す。インピーダンスが、この経路に沿って維持されて最大効率を持続するように、増幅器コンポーネントＡは、整合回路Ｍによって整合される。

図３ａ、３ｂおよび３ｃに戻って、増幅器コンポーネントＡの効率が、最大値で維持されるように、コンポーネント１１、２１、３５、３６は、スミス・チャート上で示される経路に従って、修正されたインピーダンスを有することを意味する。

図５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、電力増幅器装置の振る舞いを示す、曲線の例を示す。

図５ａは、出力電力Ｐ_ｏｕｔによる包絡線追跡（ＥＴ）下にある電力増幅器装置の効率を示す、理論曲線を示す。

破線は、出力電力Ｐ_ｏｕｔの領域を２つの小領域に分割する。左の第１の小領域Ｓ１は、出力電力および電圧についての低い値に相当し、図５ｂに相当する。右の第２の小領域Ｓ２は、出力電力および電圧の高い値に相当し、図５ｃに相当する。

図５ｃでは、曲線Ｃ_１は、信号包絡線を表し、曲線Ｃ_３は、静的電圧Ｖ_Ｓを表す。包絡線追跡変調器ＥＴは、制御信号ｃｔｒｌに相当するドレイン電圧を伝達する。この制御信号は、曲線Ｃ_２によって図示され、曲線Ｃ_２は、この信号が静的電圧Ｃ_３を超えるときは包絡線Ｃ_１を追っていき（すなわち、「追跡し」）、信号がその値より低いときは静的電圧Ｃ_３に制限される。

この振る舞いの結果、効率は、最大であり、図５ａの右の小領域の曲線は、平坦な曲線である。

図５ｄは、静的電圧Ｖ_Ｓの適合が、静的電圧の低い値に対してまったく保証されない、潜在的な状況を示す。このような状況は、本発明に対応しておらず、説明がより明瞭で容易に理解できるようにするためだけに、ここで説明する。この図は、出力電圧が低下している場合に、それが１点で完全にＶ_{ＤＤＭＡＸ}／２の一定の静的電圧よりも低くなることを示す。

このような状況では、増幅器の効率は、著しく低下し、この効率の低下は、図５ａにおいて左の小領域の点線で示される。

本発明によって、静的電圧は、もはや一定ではないが、出力電力に左右される。図５ｂは、出力電圧の低い値に対して、静的電圧が低下した状況を示す。したがって、その状況は、出力信号Ｃ_２が、静的電圧Ｖ_Ｓを越える場合に信号包絡線Ｃ_１を追跡し、包絡線が下落するときにそれによって制限され得るという意味において、図５ｂに示されるものと同様になる。こうして、効率は、図５ａの左の小領域の平坦な実線によって示されるように、最大に維持される。

本発明は、好適な実施形態を参照して説明された。しかしながら、本発明の範囲内において、多くの変化形が考えられる。

Claims (15)

1. 制御信号（ｃｔｒｌ）に従って、入力信号（ｓ_ｉ）を受信し、増幅された出力信号（ｓ_ｏ）を提供するように動作可能な増幅器コンポーネント（Ａ）と、
   静的電圧（Ｖ_Ｓ）および動的電圧（Ｖ_Ｄ）に従って、前記制御信号（ｃｔｒｌ）を提供する、包絡線追跡変調器（ＥＴ）と、
   前記静的電圧（Ｖ_Ｓ）が、所定の持続時間にわたる前記出力信号（ｓ_ｏ）の平均値として決定されるように、電力センサ（ＰＳ）によって、前記増幅された出力信号において実行される測定に従って、前記静的電圧および前記動的電圧を提供する、電源（Ｓ）と、
   を備える、電力増幅器装置。
2. 前記電力センサによって実行される測定に従って、前記増幅器コンポーネントを、ピーク効率に相当する動作状態に維持するための整合回路（Ｍ）をさらに備える、請求項１に記載の電力増幅器装置。
3. 前記電力センサ（ＰＳ）は、ＲＭＳセンサである、請求項１または２に記載の電力増幅器装置。
4. 前記所定の持続時間は、前記動的電圧（Ｖ_Ｄ）が変化する期間よりも、著しく、特におよそ１０億倍長い、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力増幅器装置。
5. 前記整合回路（Ｍ）は、ＰＩＮダイオード、可変容量ダイオード、ＭＥＭＳによって構成される群に見るコンポーネントを備える、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電力増幅器装置。
6. 前記包絡線追跡変調器（ＥＴ）は、会社Ｅｍｅｒｓｏｎによって製造される種類のものである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力増幅器装置。
7. 前記出力信号（ｓ_ｏ）は、ＷＣＤＭＡまたはＬＴＥ標準に準拠する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力増幅器装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電力増幅器装置を備える、電気通信装置。
9. 入力信号（ｓ_ｉ）を増幅するための方法であって、
   制御信号（ｃｔｒｌ）に従って、前記入力信号（ｓ_ｉ）から増幅された出力信号（ｓ_ｏ）を提供するステップと、
   静的電圧（Ｖ_Ｓ）および動的電圧（Ｖ_Ｄ）に従って、前記制御信号（ｃｔｒｌ）を提供するステップと、
   前記静的電圧（Ｖ_Ｓ）が、所定の持続時間にわたる前記出力信号（ｓ_ｏ）の平均値として決定されるように、電力センサ（ＰＳ）によって、前記増幅された出力信号において実行される測定に従って、前記静的電圧および前記動的電圧を提供するステップと、
   を含む、方法。
10. 前記電力センサによって実行される測定に従って、前記増幅器コンポーネントを、ピーク効率に相当する動作状態に維持するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記電力センサ（ＰＳ）は、ＲＭＳセンサである、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記所定の持続時間は、前記動的電圧（Ｖ_Ｄ）が変化する期間よりも、著しく、特におよそ１０億倍長い、請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記増幅器コンポーネントを動作状態に維持するステップは、ＰＩＮダイオード、可変容量ダイオード、ＭＥＭＳによって構成される群に見るコンポーネントを備える、整合回路（Ｍ）を配備するステップの中にある、請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記制御信号（ｃｔｒｌ）は、会社Ｅｍｅｒｓｏｎによって製造される種類のものである追跡変調器（ＥＴ）によって、静的電圧（Ｖ_Ｓ）および動的電圧（Ｖ_Ｄに従って提供される、請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記出力信号（ｓ_ｏ）は、ＷＣＤＭＡまたはＬＴＥ標準に準拠する、請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の方法。

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