JP2883894B2 - マイクロ波用の予め歪を与えた線形化回路 - Google Patents

マイクロ波用の予め歪を与えた線形化回路

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JP2883894B2
JP2883894B2 JP7265912A JP26591295A JP2883894B2 JP 2883894 B2 JP2883894 B2 JP 2883894B2 JP 7265912 A JP7265912 A JP 7265912A JP 26591295 A JP26591295 A JP 26591295A JP 2883894 B2 JP2883894 B2 JP 2883894B2
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アーノルド・エル・バーマン
デイビッド・エル・クランプトン
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/32—Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion
    • H03F1/3241—Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion using predistortion circuits
    • H03F1/3276—Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion using predistortion circuits using the nonlinearity inherent to components, e.g. a diode

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  • Amplifiers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力増幅器に信号
を供給して増幅器によって出力された信号を線形化する
のに適した予め歪を与えた線形化回路に関し、特に素子
の個数および物理的寸法が衛星通信システムに有効な大
きさに減少された線形化回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】衛星通信システムを含む種々の状況にお
いて高電力増幅器が使用されており、固体電力増幅器ま
たは進行波管増幅器等の高電力増幅器が衛星から地上ス
テーションまでの伝送に十分な電力レベルに信号を増幅
するために使用される。高電力増幅器の欠点は、入力信
号レベルの関数として変化する利得および位相シフトで
ある。その結果、必要な高電力は増幅および位相の非線
形性が衛星通信リンクを介して伝送された信号に導入さ
れる欠点を有する。したがって、ＲＦ（無線）信号を搬
送する情報には歪みが存在している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】電力増幅器によって導
入された歪みを取除くために、増幅器の歪みの反転した
ものである振幅および位相の両非線形性の形態の歪みを
信号に導入するために増幅器の前の信号路で予め歪を与
えた線形化回路を使用し、それによって増幅器による歪
みを消去して、線形出力信号を供給することが実際的で
ある。マイクロ波回路に関する文献に記載されている大
部分の予め歪を与えた線形化回路は、反射または伝送型
の予め歪を与えた線形化回路を実現するために非線形回
路と共に電力結合ハイブリッドを利用する。これらの回
路は、典型的にその複雑さのために相当大型になる。い
くつかの回路はもっとコンパクトであり、共通ゲートま
たは共通ソース形態のヒ化ガリウム電界効果トランジス
タ（ＧａＡｓ ＦＥＴ）等の能動素子を使用する。この
ような回路の例は、米国特許第5,038,113 号明細書(Gen
eral Electric)および第5,138,275 号明細書(Siemens)
に記載されている。
【０００４】上記の予め歪を与えた線形化回路が所望以
上に複雑で高価であり、振幅および位相非線形性の独立
した制御が不可能であるという問題が生じる。複雑さ
は、必要な動作バイアス電流および電圧をトランジスタ
に供給するバイアス回路が必要とされ、また所望の非線
形性を生成するために比較的複雑な付加的回路を使用す
るためである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の問題は本発明の線
形化回路によって解決される。本発明は、電力増幅器の
増幅特性および位相特性を同時に線形化することによっ
て電力増幅器を線形化するために電力増幅器の入力端子
に接続された線形化回路において、入力端子と、出力端
子と、前記入力および前記出力端子間に接続された３個
の並列な分枝とを具備し、それらの分枝の第１のものが
順方向に接続された第１のダイオードを有し、前記分枝
の第２のものが逆方向に接続された第２のダイオードを
有し、分枝の第３のものが抵抗素子およびリアクタンス
素子の両者を含む第３の分枝インピーダンス装置を有
し、入力端子および出力端子に接続されている入力およ
び出力伝送ラインセグメントはそれぞれ入力端子または
出力端子と接地電位との間で抵抗性の特性インピーダン
スを有しており、第１、第２、および第３の分枝は入力
端子における入力信号に対して電力増幅器の増幅特性お
よび位相特性に対して相補的な増幅対振幅特性および位
相対振幅特性を与えるように各分枝の各素子が選定され
ていることを特徴とする。本発明によれば、全ての素子
が受動素子で構成され、インピーダンス素子の調節によ
って電力増幅器を線形化するような振幅及び位相特性の
信号を電力増幅器に供給することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明の上記の観点およびその他
の特徴は、以下の説明および添付図面に示されている。
なお、図面において同じ符号を付けられた素子は異なる
図面でも同一の素子を示す。図１を参照すると、予め歪
を与えた線形化回路10は本発明にしたがって構成され、
減衰器14を介して線形化回路10の入力端子16に接続さ
れ、また調節可能な利得増幅器18によって線形化回路10
の出力端子20に接続された非線形部分12を含む。線形化
回路10は、マイクロ波信号その他のＡＣ（交流）信号の
信号源22と、進行波管（ＴＷＴ）または固体電力増幅器
（ＳＳＰＡ）であってもよい電力増幅器24との間に接続
される。信号源22は、線形化回路10によって処理される
べき典型的に 2乃至18ＧＨｚの範囲の入力信号を入力端
子16に供給し、処理された信号は線形化回路10によって
出力端子20を介して電力増幅器24に供給される。
【０００７】本発明の特徴によると、非線形部分12は受
動電子素子だけから構成されており、回路ノード32と34
の間に接続されたスイッチング装置30として機能する１
対の逆並列ダイオード26および28を含む。非線形部分12
にはインピーダンスを有する主分枝36も含まれ、本発明
の好ましい実施例において、この分枝36はノード32およ
び34の間に並列に接続された抵抗38およびインダクタン
ス40を含む。ダイオード26および28のいずれかの電気特
性に関してよく知られているように、順電圧の大きさが
屈曲点に達するまでダイオード間の順電圧の増加にした
がって比較的小さい電流が順方向に流れ、その結果順イ
ンピーダンスが急速に降下し、比較的大きい電流が流れ
ることができる。屈曲点電圧の大きさはダイオードの構
造タイプに応じて変化し、例えばヒ化ガリウムダイオー
ドの場合には、典型的に0.7 ボルトである。したがっ
て、信号源22の入力信号の比較的低い振幅に対して、ス
イッチング装置30は本質的に開回路である。しかしなが
ら、入力信号42の大きい値に対しては屈曲点電圧を越え
るため電流が主分枝36をバイパスすることを可能にす
る。
【０００８】本発明の好ましい実施例において、信号源
22、減衰器14および調節可能な利得増幅器18は、好まし
くは50オームの特性インピーダンスを有する伝送ライン
に沿って信号を導くことができる。線形化回路10におい
て、50オームの特性インピーダンスはノード32において
抵抗44によって、またノード34において抵抗46によって
示される。
【０００９】図２では、ダイオード26および28が回路の
分離した分枝として示されており、各分枝がある形態の
インピーダンスを有している線形化回路10の一般化され
た形態を示す。３つの分枝のインピーダンスはＺ1 ，Ｚ
2 およびＺ3 によって示されており、ダイオード26はイ
ンピーダンスＺ1 と直列であり、主分枝36はインピーダ
ンスＺ3 を有し、ダイオード28はインピーダンスＺ2 と
直列である。図１の回路の場合、Ｚ1 およびＺ2 は単な
る短絡回路であり、Ｚ3 は抵抗38およびインダクタンス
40の並列の組合せである。しかしながら、一般的な場合
では１以上のインピーダンスＺ1 ，Ｚ2 およびＺ3 はゼ
ロでない値を有してもよく、例えばインピーダンスの任
意の１つがキャパシタまたはインダクタンスと並列の抵
抗より構成され、またはキャパシタまたはインダクタン
スと直列の抵抗より構成され、或は並列の抵抗およびキ
ャパシタと直列のインダクタンス等のさらに複雑な回路
構造を構成してもよい。
【００１０】図３は、図２の非線形部分12の構成をマイ
クロ波マイクロストリップ形態で示し、Ｚ1 およびＺ2
はゼロ（短絡回路）であり、Ｚ3 は抵抗およびキャパシ
タンスの直列の組合わせである。回路は、10ミルの厚さ
のアルミナ等の誘電体材料の基体48、基体48の下側の接
地面50として機能する金属シート、および基体48の上面
52上のマイクロストリップ導体のアレイとによって形成
される。マイクロストリップ導体のアレイは、ノード32
および34とそれぞれ接続された第１の脚部54および第２
の脚部56を含む。マイクロストリップ導体および接地面
は、例えば銅またはアルミニウム等の金属から形成され
てもよい。ノード32において、脚部54は３つの分枝58
ａ、58ｂおよび58ｃに分岐する。ノード34では、脚部56
は３つの分枝60ａ、60ｂおよび60ｃに分岐する。ダイオ
ード26は分枝58ａと60ａの間隔を隔てられた端部間を接
続し、ダイオード28は分枝58ｃおよび60ｃの間隔を隔て
られた端部間を接続し、分枝58ｂおよび60ｂの対向した
両端部間の間隙62はキャパシタ64を提供する。分枝58ｂ
および60ｂには、キャパシタ64と直列に接続された薄膜
抵抗66および68も含まれる。薄膜抵抗66および68は、窒
化タンタルから製造され、それぞれ 100オームの値を有
してもよい。キャパシタ64は、数ピコファラッドの値を
有してもよい。抵抗およびリアクタンス素子の実際の値
は、以下説明するように本発明の過程にしたがって明ら
かになる。
【００１１】ダイオード26および28等のダイオードは、
信号源22の信号42等の高周波信号の結合をノード32およ
び34の間で行うキャパシタンスを有していることが認め
られる。このようなキャパシタンスは、線形化回路10の
帯域幅を減少させる傾向があり、各インピーダンスＺ1
およびＺ2 内における直列のインダクタンス（示されて
いない）の付加によって同調されなければならない。線
形化回路10の最大帯域幅に対して、比較的小さいキャパ
シタンスを有するショッツキダイオードのようなダイオ
ードを使用することが好ましく、本発明の好ましい実施
例ではヒューレット・パッカード社製のショッツキバリ
アダイオードタイプＨＰ9101が使用されている。
【００１２】本発明の使用に関して、増幅器24等の高電
力増幅器は、低い電力レベルでで動作された時に、線形
利得を有する出力電力対入力電力伝送特性を有している
ことが認められる。これは、線形または小信号動作と呼
ばれる。増幅器に対する入力電力が増加すると、出力電
力は非線形的に動作し、入力電力と同じ比率で増加しな
い。結局、入力電力が増加すると、出力電力は増幅器の
飽和出力電力を制限する。この入力電力の増加に伴う利
得の減少は、利得圧縮と呼ばれる。増幅器に対する入力
電力が増加されると、利得だけでなく増幅器における位
相シフトもまた非線形性の影響を受ける。増幅器の設計
に応じて、位相シフトは、増幅器が利得圧縮状態にされ
ると増加するか、或は減少することができる。
【００１３】本発明の動作において、ダイオード26およ
び28は、駆動レベルが増加されると高インピーダンスか
ら低インピーダンスに変化するダイナミックなスイッチ
として動作する。線形化回路10は、電力増幅器24の利得
圧縮を補償する利得膨脹を行い、結果的に信号源22の入
力信号が線形増幅される。線形化回路10はまた電力増幅
器24によって導入された位相シフトをゼロにするよう
に、電力増幅器24によって導入された位相シフトを補償
する位相シフトを生じさせる。簡単に例示すると、電力
増幅器24および調節可能な増幅器18は結合された電圧利
得の値が１０である。最大所望出力電圧は 9ボルトであ
る。線形増幅は、 0.7Ｖの屈曲点電圧の10倍の 7ボルト
まで得られる。電力増幅器24が線形ならば、電力増幅器
24から所望の 9ボルトを得るために非線形部分12から0.
9 ボルトを出力するだけでよい。しかしながら、電力増
幅器24の飽和のために、電力増幅器24から所望の 9ボル
トの出力を得るために非線形部分12から1.0 ボルトを出
力する必要がある。Ｚ1 、Ｚ2 およびＺ3 のインピーダ
ンス値は、1.0 ボルトの屈曲点電圧より上で利得膨脹を
行ない、非線形部分12からの出力電圧を0.9 ボルトから
1.0 ボルトに上昇させるように設定される。同様にし
て、キャパシタンスおよび、またはインダクタンスの値
は、入力ノード32で入力信号電圧に対して発生する位相
シフトに変化を生じさせるように選択され、この電圧は
屈曲点電圧を越えた入力信号電圧に対して、位相シフト
にインクレメントおよびデクレメントを導入し、それが
飽和に近付いた時に電力増幅器24により導入されたこの
ような位相シフトをゼロにする。
【００１４】図４は、必要なインピーダンスの選択の一
例を示す。抵抗38が 250オームの抵抗を有する場合、図
４のグラフは、ノード32に入力された１ミリワット（グ
ラフの水平軸）に関するデシベル単位の入力電力の関数
として、線形化回路10の非線形部分12によって出力され
た電力利得をデシベル（上方のグラフの垂直軸）で、ま
た位相シフトを度数（下方のグラフの垂直軸）で示す。
このグラフに示された電力利得および位相シフトは、イ
ンダクタンス40のインダクタンス値の関数としてナノヘ
ンリィ（ｎｈ）で表されている。インダクタンスに対す
る３つの値の結果、すなわち 5ｎｈ、35ｎｈおよび15ｎ
ｈが示されている。グラフはまた出力位相シフトが一定
であり、入力電力と無関係であるが、電力利得および位
相シフトがインダクタンスと共に変化することを示して
いる。より高い値の入力電力に対して、利得は上昇し、
３つのインダクタンス値の全てに対して＋20ｄＢｍの入
力電力においてほぼ−１ｄＢで横ばい状態になる傾向が
ある。位相シフトに関して、位相シフトの正および負の
両値が得られるが、しかしながら−10ｄＢｍより上に増
加した入力電力値に対して、位相シフトは減少し、３つ
のインダクタンス値の全てに対してほぼ０度で横ばい状
態になる傾向がある。
【００１５】グラフは、Ｚ1 およびＺ2 がゼロの場合の
飽和を示している。しかしながら、グラフの利得曲線の
形状を変える一例として、ダイオード26と直列の抵抗で
Ｚ1を構成し、ダイオード28と直列の抵抗でＺ2 を構成
することによって利得膨脹が減少されることができる。
ダイオード26および28の屈曲点電圧に対応した入力信号
42の振幅レベルを設定するために減衰器14を使用するこ
とによりさらに調節が行われる。調節可能な増幅器18は
例えば−６ｄＢ乃至＋６ｄＢの調節範囲を有することが
でき、電力増幅器24の入力電圧範囲に整合するように非
線形部分12によって出力された電圧を基準化するように
機能する。線形化回路10の使用の効果を示すと、図１で
入力電圧42は時間と共に直線的に上昇してその後一定に
なり、その後直線的に下降する振幅エンベロープで表さ
れている。これは、上昇ランプ、一定領域および下降ラ
ンプとして特徴付けられる。直線ランプを有し、利得圧
縮のない同じ形状の振幅エンベロープは、電力増幅器24
の出力信号に対して70で示されている。また、位相シフ
トは出力信号70において一定であり、電力増幅器24の非
線形性により偏向されない。
【００１６】上記の本発明の実施例は単なる一例に過ぎ
ず、当業者はその修正を認識できることを理解すべきで
ある。したがって、本発明はここに記載された実施例に
限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲に
よってのみ制限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による予め歪を与えた線形化回路の概略
回路図。
【図２】図１の予め歪を与えた線形化回路を一般化した
概略ブロック図。
【図３】マイクロ波集積回路の形態である、本発明の予
め歪を与えた線形化回路のマイクロストリップ形態の実
施例の斜視図。
【図４】素子の値の選択によって変化される予め歪を与
えた線形化回路の振幅および位相特性を示したグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイビッド・エル・クランプトン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90807、ロング・ビーチ、クレールデ ル・ナンバー 544 4700 (56)参考文献 特開 昭63−86603（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−165802（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−260847（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−102718（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−122918（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭53−62248（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭49−130751（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H03F 1/32

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電力増幅器の増幅特性および位相特性を
    同時に線形化することによって電力増幅器を線形化する
    ために電力増幅器の入力端子に接続された線形化回路に
    おいて、入力端子と、出力端子と、 前記入力および前記出力端子
    間に接続された３個の並列な分枝とを具備し、 前記分枝の第１のものが順方向に接続された第１のダイ
    オードを有し、前記分枝の第２のものが逆方向に接続さ
    れた第２のダイオードを有し、前記分枝の第３のものが
    抵抗素子およびリアクタンス素子の両者を含む第３の分
    枝インピーダンス装置を有し、前記入力端子および前記出力端子に接続されている入力
    および出力伝送ラインセグメントはそれぞれ前記入力端
    子または前記出力端子と接地電位との間で抵抗性の特性
    インピーダンスを有しており、 前記第１、第２、および第３の分枝は前記入力端子にお
    ける入力信号に対して前記電力増幅器の増幅特性および
    位相特性に対して相補的な増幅対振幅特性および位相対
    振幅特性を与えるように各分枝の各素子が選定されてい
    ることを特徴とする線形化回路。
  2. 【請求項２】 前記リアクタンス素子は誘導性素子であ
    ることを特徴とする請求項１記載の回路。
  3. 【請求項３】 前記抵抗素子および前記リアクタンス素
    子は並列に接続されていることを特徴とする請求項１記
    載の回路。
  4. 【請求項４】 前記リアクタンス素子は容量性素子であ
    ることを特徴とする請求項１記載の回路。
  5. 【請求項５】 前記リアクタンス素子は誘導性素子およ
    び容量性素子の両者を含むことを特徴とする請求項１記
    載の回路。
  6. 【請求項６】 さらに、前記第１のダイオードと直列に
    前記第１の分枝中に配置された第１の分枝インピーダン
    ス装置を含んでいることを特徴とする請求項１記載の回
    路。
  7. 【請求項７】 さらに、前記第２のダイオードと直列に
    前記第２の分枝中に配置された第２の分枝インピーダン
    ス装置を含んでいることを特徴とする請求項６記載の回
    路。
  8. 【請求項８】 さらに、前記入力端子に入力される入力
    信号の振幅を調節する手段を前記入力端子において具備
    していることを特徴とする請求項１記載の回路。
  9. 【請求項９】 さらに、前記出力端子によって出力され
    た出力信号の振幅を調節する手段を前記出力端子におい
    て具備し、 前記入力信号の振幅および出力信号の振幅並びに前記第
    ３の分枝インピーダンス装置は、前記電力増幅器を線形
    化するために前記出力信号の振幅の関数として前記増幅
    および位相の相補的特性を前記出力信号に導入するよう
    に調節されることを特徴とする請求項８記載の回路。
  10. 【請求項１０】 上面および下面を有する誘電体材料の
    絶縁層と、 前記絶縁層の下面に配置された接地面層と、前記絶縁層の前記上面に配置され、 入力端子および出力
    端子を有し、前記入力端子と前記出力端子との間に並列
    に接続された主分枝およびスイッチング分枝を有してい
    るマイクロストリップ回路とを具備し、前記入力端子および前記出力端子に接続されている入力
    および出力伝送ラインセグメントはそれぞれ前記入力端
    子または前記出力端子と接地電位との間で抵抗性特性イ
    ンピーダンスを有しており、 前記主分枝はリアクタンス素子および抵抗素子により構
    成されている主分枝インピーダンス装置を含み、 前記スイッチング分枝は１対の逆並列ダイオードを含ん
    でいることを特徴とする予め歪を与えた線形化回路。
  11. 【請求項１１】 前記抵抗素子および前記リアクタンス
    素子は直列であることを特徴とする請求項１０記載の回
    路。
  12. 【請求項１２】 前記リアクタンス素子は容量性素子で
    あることを特徴とする請求項１０記載の回路。
  13. 【請求項１３】 回路は２乃至１８ギガヘルツの周波数
    範囲で動作し、前記出力端子はこの出力端子へ電力増幅
    器を接続するときに電力増幅器を駆動するように機能
    し、 前記入力信号の振幅および出力信号の振幅並びに前記主
    分枝インピーダンス装置は、前記電力増幅器を線形化す
    るために前記電力増幅器の振幅および位相特性に対して
    相補的である前記入力信号の振幅の関数として振幅およ
    び位相の関係を前記出力信号に導入するように調節され
    ることを特徴とする請求項１０記載の回路。
  14. 【請求項１４】 入力信号の比較的小さい値に対して入
    力信号の実質的に線形の増幅を行うが、入力信号の比較
    的大きい値に対しては利得減少および入力信号の位相シ
    フトが導入されて結果的に入力信号に歪みが与えられた
    信号が出力される、非線形増幅特性および非線形位相特
    性を有する電力増幅器に対する交流入力信号に対して電
    力増幅器により生成される歪みに対して相補的な歪みを
    予め与えることによって電力増幅器から出力される信号
    を線形化する方法において、 入力端子および出力端子と、それら入力端子と出力端子
    との間に接続された１対の逆並列ダイオードとを有する
    スイッチング回路を設け、抵抗素子およびリアクタンス素子よりなる 受動電気素子
    のみにより構成されたインピーダンス回路を前記スイッ
    チング回路の前記入力端子と前記出力端子との間に接続
    し、前記入力端子および前記出力端子に接続されている入力
    および出力伝送ラインセグメントによる前記入力端子ま
    たは前記出力端子と接地電位との間の抵抗性の特性イン
    ピーダンスにより前記入力端子および前記出力端子を終
    端し、 前記スイッチング回路の前記入力端子に入力信号を供給
    し、 前記入力信号の振幅の関数として前記入力信号に前記電
    力増幅器により生成される歪みに対して相補的な歪みを
    導入するように前記インピーダンス回路のインピーダン
    ス素子の値を選択し、 歪みを与えられた入力信号を前記電力増幅器に出力して
    前記電力増幅器を線形化することを特徴とする線形化方
    法。
JP7265912A 1994-10-13 1995-10-13 マイクロ波用の予め歪を与えた線形化回路 Expired - Lifetime JP2883894B2 (ja)

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US322255 1994-10-13
US08/322,255 US5523716A (en) 1994-10-13 1994-10-13 Microwave predistortion linearizer

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JPH08181544A JPH08181544A (ja) 1996-07-12
JP2883894B2 true JP2883894B2 (ja) 1999-04-19

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