JP2021150716A

JP2021150716A - 電力増幅器

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Publication number: JP2021150716A
Application number: JP2020046540A
Authority: JP
Inventors: 康崇多田; Yasutaka Tada; 広務板垣; Hiromu Itagaki
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-09-27

Abstract

【課題】電力増幅器がコールドスタンバイから起動する場合においても、スペクトラムマスクの規格である−３７ｄＢを満たすことを可能とする。【解決手段】実施形態の電力増幅器、ゲートバイアス電圧制御部と、ＦＥＴと、ＲＦスイッチと、温度センサと、制御部と、を備える。ＦＥＴは、ＲＦ信号およびゲートバイアス電圧制御部からのゲートバイアス電圧がゲートに印加され、増幅したＲＦ信号をドレインから出力する。ＲＦスイッチは、ゲートに対するＲＦ信号の印加を遮断可能である。温度センサは、ＦＥＴの温度を検出する。制御部は、ＦＥＴの起動が指示された後、温度センサにより検出されるＦＥＴの温度が目標温度に達するまで、ＲＦスイッチを制御して、ゲートに対するＲＦ信号の印加を遮断し、かつ、ゲートバイアス電圧制御部を制御して、ゲートバイアス電圧を定常時のゲートバイアス電圧より高くする。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電力増幅器に関する。

地上デジタルテレビ放送用の送信機は、変調励振部からのＲＦ（Radio Frequency）信号の信号レベルを増幅する電力増幅器を有する。例えば、電力増幅器は、変調励振部から出力されるＲＦ信号の信号レベルを、１ｍＷから４００Ｗに増幅する。また、ＲＦ信号は、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調波における相互変調歪の規格である−４７ｄＢ以下を実現するため、電力増幅器における非線形歪特性を補償するデジタルプリディストーション（ＤＰＤ）による歪補償が行われる。

特開２００４−１２０５４６号公報特開２０１１−０４０８２８号公報

ところで、電力増幅器の電力効率の向上を目的として、Doherty電力増幅回路等の高効率電力増幅回路が採用されている。この増幅回路は、これまでのＡＢ級電力増幅回路と比較して、非線形歪量が大きい傾向にあるが、定常時においては、ＤＰＤによって非線形歪特性が補償されているため、相互変調歪の規格である−４７ｄＢ以下を満たすことが可能である。さらに、電力増幅器は、その環境温度によって非線形歪特性が変動するため、電力増幅器から出力されるＲＦ信号をＤＰＤにフィードバックして、非線形歪特性の変動に追従して補償している。その際、変調励振部は、ＤＰＤにフィードバックされるＲＦ信号の信号レベルが予め設定される閾値以下になると、ＤＰＤによる歪補償を中止し、その時点での非線形歪量を保持し続ける機能を有することが多い。そのため、電力増幅器が定常時から停止した場合、変調励振部は、定常時における非線形歪量を保持し続ける。そして、再び、電力増幅器によるＲＦ信号の増幅を開始する際、ＤＰＤは、変調励振部が保持する非線形歪量を用いて歪補償を行う。

しかしながら、電力増幅器は、コールドスタンバイからの起動直後と、定常状態とで、非線形歪特性が大きく異なるため、コールドスタンバイから起動する際に、変調励振部が保持する非線形歪量を用いて歪補償を行うと、ＤＰＤによる非線形歪特性の補償が追従できず、相互変調歪が大幅に悪化し、スペクトラムマスクの規格である−３７ｄＢ以下を満たすことができない場合がある。ＤＰＤは、電力増幅器から出力されるＲＦ信号に基づいて、非線形歪特性の変動に追従して補償しているが、その応答速度が遅く、電力増幅器の起動時における非線形歪特性の変動に追従することが難しい。

実施形態の電力増幅器、ゲートバイアス電圧制御部と、ＦＥＴと、ＲＦスイッチと、温度センサと、制御部と、を備える。ＦＥＴは、ＲＦ信号およびゲートバイアス電圧制御部からのゲートバイアス電圧がゲートに印加され、増幅したＲＦ信号をドレインから出力する。ＲＦスイッチは、ゲートに対するＲＦ信号の印加を遮断可能である。温度センサは、ＦＥＴの温度を検出する。制御部は、ＦＥＴの起動が指示された後、温度センサにより検出されるＦＥＴの温度が目標温度に達するまで、ＲＦスイッチを制御して、ゲートに対するＲＦ信号の印加を遮断し、かつ、ゲートバイアス電圧制御部を制御して、ゲートバイアス電圧を定常時のゲートバイアス電圧より高くする。

図１は、本実施形態にかかる電力増幅器を適用した地上デジタルテレビ放送用送信機の構成の一例を示す図である。図２は、本実施形態にかかる地上デジタルテレビ放送用送信機が有する電力増幅器の具体的な構成の一例を示す図である。図３は、本実施形態にかかる地上デジタルテレビ放送用送信機が有する電力増幅器によるＲＦ信号の増幅処理の一例を説明するための図である。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかる電力増幅器を適用した地上デジタルテレビ放送用送信機の一例について説明する。

図１は、本実施形態にかかる電力増幅器を適用した地上デジタルテレビ放送用送信機の構成の一例を示す図である。

まず、図１を用いて、本実施形態にかかる地上デジタルテレビ放送用送信機の構成の一例について説明する。

本実施形態にかかる地上デジタルテレビ放送用送信機は、図１に示すように、変調励振器１と、電力増幅器２と、ＢＰＦ３と、アンテナ４と、を備える。

変調励振器１は、図示しない生成部により生成されるＴＳ信号を、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）変調したＲＦ信号を生成する。ここで、ＴＳ信号は、画像や音声等のデジタルデータである。

また、変調励振器１は、電力増幅器２からフィードバックされるＲＦ信号（言い換えると、電力増幅器２により電力が増幅されたＲＦ信号）に基づいて、ＲＦ信号に対して、電力増幅器２において発生する非線形歪を補償する歪補償（ＤＰＤ：Digital Pre-Distortion）を実行する信号処理部（所謂、プリディストータ）の一例である。

具体的には、変調励振器１は、ＲＦ信号に対して、電力増幅器２のＡＭ−ＡＭ歪特性およびＡＭ−ＰＭ歪特性とは異なるＲＦ信号を生成する歪補償を実行する。ここで、ＡＭ−ＡＭ特性は、電力増幅器２（後述するＦＥＴ２０６）に入力するＲＦ信号の信号レベル（以下、入力レベルと言う）に対する、電力増幅器２（後述するＦＥＴ２０６）によって電力が増幅されたＲＦ信号の信号レベル（以下、出力レベルと言う）の変化を言う。

また、ＡＭ−ＰＭ特性は、電力増幅器２（後述するＦＥＴ２０６）に入力するＲＦ信号の入力レベルに対する、入出力間位相差の変化を言う。ここで、入出力間位相差は、電力増幅器２（後述するＦＥＴ２０６）に入力するＲＦ信号と、電力増幅器２（後述するＦＥＴ２０６）によって電力が増幅されたＲＦ信号と、の位相差である。

電力増幅器２は、変調励振器１からのＲＦ信号の電力を増幅する電力増幅器である。電力増幅器２の具体的な構成の一例については後述する。

ＢＰＦ（Band Path Filter）３は、電力増幅器２から出力されるＲＦ信号のうち、送信チャネル帯域外の信号を除去するフィルタである。

アンテナ４は、ＢＰＦ３から出力されるＲＦ信号であるＲＦ出力信号を、電波として放射する送信アンテナである。

図２は、本実施形態にかかる地上デジタルテレビ放送用送信機が有する電力増幅器の具体的な構成の一例を示す図である。

次に、図２を用いて、本実施形態にかかる地上デジタルテレビ放送用送信機が有する電力増幅器２の具体的な構成の一例について説明する。

本実施形態では、電力増幅器２は、図２に示すように、制御部２０１、ゲートバイアス電圧制御部２０２、ドレイン電源部２０３、ＲＦスイッチ２０４、温度センサ２０５、およびＦＥＴ（Field Effect Transistor）２０６を備える。

ゲートバイアス電圧制御部２０２は、制御部２０１により制御され、ＦＥＴ２０６に電力を供給する電源部の一例である。本実施形態では、ゲートバイアス電圧制御部２０２は、ＦＥＴ２０６のゲートＧに電力を供給する。

ドレイン電源部２０３は、制御部２０１により制御され、ＦＥＴ２０６に電力を供給する電源部の一例である。本実施形態では、ドレイン電源部２０３は、ＦＥＴ２０６のドレインＤに電力を供給する。

ＦＥＴ２０６は、変調励振器１から出力されるＲＦ信号を増幅する。

ここで、ＦＥＴ２０６は、そのゲートＧに対して、変調励振器１から出力されるＲＦ信号、およびゲートバイアス電圧制御部２０２からのゲートバイアス電圧が印加される。また、ＦＥＴ２０６は、そのドレインＤに対して、ドレイン電源部２０３からドレインバイアス電圧が印加される。また、ＦＥＴ２０６は、ソースＳが接地されている。

ＲＦスイッチ２０４は、ＦＥＴ２０６のゲートＧに対するＲＦ信号の印加を遮断可能なスイッチの一例である。

温度センサ２０５は、ＦＥＴ２０６の温度を検出する温度センサの一例である。本実施形態では、温度センサ２０５は、ＦＥＴ２０６の周囲の温度を検出する。例えば、温度センサ２０５は、ＦＥＴ２０６が有する放熱器の温度を検出する。

制御部２０１は、ゲートバイアス電圧制御部２０２およびドレイン電源部２０３からＦＥＴ２０６に対する電力の供給、およびＲＦスイッチ２０４によるＦＥＴ２０６に対するＲＦ信号の印加等の制御処理を実行する制御部の一例である。

具体的には、制御部２０１には、起動／停止制御信号が入力される。ここで、起動／停止制御信号は、ＦＥＴ２０６の起動または停止を指示する信号である。

そして、制御部２０１は、入力される起動／停止制御信号によってＦＥＴ２０６の起動が指示されてから、温度センサ２０５により検出されるＦＥＴ２０６の温度が目標温度に達するまで、ＲＦスイッチ２０４を制御して、ＦＥＴ２０６のゲートＧに対するＲＦ信号の印加を遮断し、かつ、ゲートバイアス電圧制御部２０２を制御して、ＦＥＴ２０６のゲートＧに印加するゲートバイアス電圧を、定常時の当該ゲートバイアス電圧より高くする。

言い換えると、制御部２０１は、起動／停止制御信号によってＦＥＴ２０６の起動が指示されてから、温度センサ２０５により検出されるＦＥＴ２０６の温度が目標温度に達するまで、ＲＦスイッチ２０４を制御して、ＦＥＴ２０６のゲートＧに対するＲＦ信号の印加を遮断し、かつ、ゲートバイアス電圧制御部２０２を制御して、ＦＥＴ２０６のドレインＤに流れるドレインバイアス電流が、ＦＥＴ２０６のゲートＧに対するＲＦ信号の印加が遮断された状態における定常時の当該ドレインバイアス電流より大きくなるように、ＦＥＴ２０６のゲートＧに印加するゲートバイアス電圧を制御する。

ここで、目標温度は、ＦＥＴ２０６が最後に停止した際に温度センサ２０５により検出されるＦＥＴ２０６の温度である。本実施形態では、制御部２０１は、起動／停止制御信号によってＦＥＴ２０６の停止が指示されたい際に温度センサ２０５により検出されるＦＥＴ２０６の温度を目標温度として記憶しておくものとする。また、ここで、定常時のゲートバイアス電圧は、ＦＥＴ２０６の電力特性が最良となるドレインバイアス電流がドレインＤに流れるゲートバイアス電圧である。

これにより、電力増幅器２がコールドスタンバイから起動する場合においても、ＦＥＴ２０６の温度を直ちに目標温度まで上げて、電力増幅器２の非線形歪特性を、定常状態の非線形歪特性に近づけて、変調励振器１による非線形歪特性の補償を追従させることができる。その結果、電力増幅器２がコールドスタンバイから起動する場合においても、スペクトラムマスクの規格である−３７ｄＢを満たすことが可能となる。

また、制御部２０１は、起動／停止制御信号によってＦＥＴ２０６の起動が指示された場合、目標温度と、温度センサ２０５により検出されるＦＥＴ２０６の温度と、に基づいて、ＦＥＴ２０６のゲートＧに印加するゲートバイアス電圧を制御することも可能である。具体的には、制御部２０１は、目標温度と、ＦＥＴ２０６の温度と、の差分が大きくなるに従って、ＦＥＴ２０６のゲートＧに印加するゲートバイアス電圧を高くする。

これにより、電力増幅器２がコールドスタンバイから起動する場合に、ＦＥＴ２０６の温度が目標温度に上がるまでの時間を短縮することができるので、電力増幅器２がコールドスタンバイから起動してから、ＲＦ信号の増幅を開始するまでの時間を短縮することができる。

または、制御部２０１は、起動／停止制御信号によってＦＥＴ２０６の起動が指示されてから、予め設定された期間、ＦＥＴ２０６のゲートＧに印加するゲートバイアス電圧を、定常時のゲートバイアス電圧より高くしても良い。これにより、電力増幅器２がコールドスタンバイから起動する場合に、ＦＥＴ２０６の温度を直ちに目標温度まで上げて、電力増幅器２の非線形歪特性を、定常状態の非線形歪特性に近づけて、変調励振器１による非線形歪特性の補償を追従させることができる。その結果、電力増幅器２がコールドスタンバイから起動する場合においても、スペクトラムマスクの規格である−３７ｄＢを満たすことが可能となる。

また、制御部２０１は、起動／停止制御信号によってＦＥＴ２０６の起動が指示された場合、温度センサ２０５により検出されるＦＥＴ２０６の温度が目標温度に達するまで、ドレイン電源部２０３を制御して、ＦＥＴ２０６のドレインＤに対して印加するドレインバイアス電圧を、定常時のドレインバイアス電圧より高くする。ここで、定常時のドレインバイアス電圧は、ＦＥＴ２０６の電力特性が最良となるドレインバイアス電流がドレインＤに流れるドレインバイアス電圧である。

また、制御部２０１は、ＦＥＴ２０６の温度が目標温度に達すると、ＲＦスイッチ２０４を制御して、ＦＥＴ２０６のゲートＧに対してＲＦ信号を印加し、かつ、ゲートバイアス電圧制御部２０２を制御して、ＦＥＴ２０６のドレインＤに流れるドレインバイアス電流が、ＦＥＴ２０６のゲートＧに対してＲＦ信号が印加された状態における定常時のドレインバイアス電流となるように、ＦＥＴ２０６のゲートＧに印加するゲートバイアス電圧を制御する。

これにより、ＦＥＴ２０６が最後に停止した際に電力増幅器２において発生していた非線形歪が電力増幅器２において再現され、変調励振器１において当該非線形歪を補償することができる。その結果、電力増幅器２がコールドスタンバイから起動し、ＦＥＴ２０６の温度が目標温度に達した後も、変調励振器１によって、電力増幅器２の非線形歪を補償することができ、相互変調歪の規格を満たすことができる。

図３は、本実施形態にかかる地上デジタルテレビ放送用送信機が有する電力増幅器によるＲＦ信号の増幅処理の一例を説明するための図である。図３において、横軸は、時間ｔを表す。また、図３において、縦軸は、起動／停止制御信号、ドレインバイアス電流、ゲートソース電圧、ＦＥＴ２０６の温度、ＲＦスイッチ２０４のオン／オフ、ＦＥＴ２０６からのＲＦ信号の出力の有無、およびＦＥＴ２０６へのＲＦ信号の入力の有無を表す。

次に、図３を用いて、本実施形態にかかる地上デジタルテレビ放送用送信機が有する電力増幅器２によるＲＦ信号の増幅処理の流れの一例について説明する。

制御部２０１は、図３に示すように、時間ｔ１において、外部装置から入力される起動／停止制御信号によってＦＥＴ２０６の起動が指示されると、ゲートバイアス電圧制御部２０２を制御して、ＦＥＴ２０６のゲートＧにゲートバイアス電圧を印加する。その際、制御部２０１は、ＦＥＴ２０６のゲートＧに印加するゲートバイアス電圧を、定常時のゲートバイアス電圧より高くする。

図３に示すように、ＦＥＴ２０６のゲートＧにゲートバイアス電圧が印加されると、ＦＥＴ２０６のドレインＤに流れるドレインバイアス電流が大きくなり、温度センサ２０５により検出されるＦＥＴ２０６の温度が上昇する。

図３に示すように、時間ｔ２において、温度センサ２０５により検出されるＦＥＴ２０６の温度が目標温度に達すると、制御部２０１は、ゲートバイアス電圧制御部２０２を制御して、ＦＥＴ２０６のゲートＧに印加するゲートバイアス電圧を、定常時のゲートバイアス電圧に調整する。それに伴い、図３に示すように、ＦＥＴ２０６のドレインＤに流れるドレインバイアス電流が小さくなる。

次いで、図３に示すように、起動／停止制御信号によってＦＥＴ２０６の起動が指示されてから、予め設定された期間が経過した時間ｔ３において、制御部２０１は、ＲＦスイッチ２０４をオンして、ＦＥＴ２０６のゲートＧに対するＲＦ信号の印加（出力）を開始する。図３に示す例では、制御部２０１は、ＦＥＴ２０６の温度が目標温度に達したとしても、起動／停止制御信号によってＦＥＴ２０６の起動が指示されてから予め設定された時間経過するまでは、ＦＥＴ２０６のゲートＧに対するＲＦ信号の印加を開始していないが、ＦＥＴ２０６の温度が目標温度に達した時点で、ＦＥＴ２０６のゲートＧに対するＲＦ信号の印加を開始しても良い。

その後、図３に示すように、時間ｔ４において、外部装置から入力される起動／停止制御信号によってＦＥＴ２０６の停止が指示されると、制御部２０１は、ＲＦスイッチ２０４をオフして、ＦＥＴ２０６のゲートＧに対するＲＦ信号の印加（出力）を停止する。

このように、本実施形態にかかる地上デジタルテレビ放送用送信機によれば、電力増幅器２がコールドスタンバイから起動する場合においても、ＦＥＴ２０６の温度を直ちに目標温度まで上げて、電力増幅器２の非線形歪特性を、定常状態の非線形歪特性に近づけて、変調励振器１による非線形歪特性の補償を追従させることができる。その結果、電力増幅器２がコールドスタンバイから起動する場合においても、スペクトラムマスクの規格である−３７ｄＢを満たすことが可能となる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１変調励振器
２電力増幅器
３ＢＰＦ
４アンテナ
２０１制御部
２０２ゲートバイアス電圧制御部
２０３ドレイン電源部
２０４ＲＦスイッチ
２０５温度センサ
２０６ＦＥＴ
Ｄドレイン
Ｇゲート
Ｓソース

Claims

ゲートバイアス電圧制御部と、
ＲＦ（Radio Frequency）信号および前記ゲートバイアス電圧制御部からのゲートバイアス電圧がゲートに印加され、増幅した前記ＲＦ信号をドレインから出力するＦＥＴと、
前記ゲートに対する前記ＲＦ信号の印加を遮断可能なＲＦスイッチと、
前記ＦＥＴの温度を検出する温度センサと、
前記ＦＥＴの起動が指示された後、前記温度センサにより検出される前記ＦＥＴの温度が目標温度に達するまで、前記ＲＦスイッチを制御して、前記ゲートに対する前記ＲＦ信号の印加を遮断し、かつ、前記ゲートバイアス電圧制御部を制御して、前記ゲートバイアス電圧を定常時の前記ゲートバイアス電圧より高くする制御部と、
を備える電力増幅器。
前記目標温度は、前記ＦＥＴが最後に停止した際に前記温度センサにより検出される温度であり、
前記制御部は、前記ＦＥＴの起動が指示された場合、前記目標温度と、前記温度センサにより検出される現在の前記ＦＥＴの温度と、に基づいて、前記ゲートバイアス電圧を制御する請求項１に記載の電力増幅器。
ドレイン電源部をさらに備え、
前記制御部は、さらに、前記ＦＥＴの起動が指示された場合、前記温度センサにより検出される前記ＦＥＴの温度が前記目標温度に達するまで、前記ドレイン電源部を制御して、前記ドレイン電源部によって前記ドレインに対して印加されるドレインバイアス電圧を、定常時の前記ドレインバイアス電圧より高くする請求項１または２に記載の電力増幅器。