JP4001719B2 - 最適化するために入力駆動リミタを使用する線形進行波管増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号を増幅するシステムおよび方法に関し、とくにピークパワー出力を制限せずに進行波管増幅器の平均パワー出力を制限するシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
線形化装置を進行波管増幅器（ＴＷＴ）と結合することにより、パワー増幅器は線形特性を維持しながら、さらに効率よく動作することが可能になる。この利点を完全に利用するために、動作点における最良の効率のためにＴＷＴを最適化することが望ましい。大部分のＴＷＴの設計に対して、バックオフされた動作点で効率を最適化すると、動作点より上に駆動レベルが上昇することによってコレクタバックストリームおよびビームデフォーカス問題のせいでＴＷＴが損傷を受ける可能性が高い状況が生じる。高い駆動レベルを処理するようにＴＷＴを設計することもまた、コスト高および設計の複雑さを招く。
【０００３】
ＴＷＴを保護する１つの可能な方法は、入力駆動リミタを線形化装置中に内蔵することである。残念ながら、駆動レベルの制限は、システムの線形特性と適合しない。多搬送波の動作下において線形特性を提供するために、増幅器は、動作点より上およびそれより下の駆動レベルの範囲に対して線形である振幅変調−振幅変調（ＡＭ−ＡＭ）伝達特性を有していなければならない。これは、多数の搬送波が合計して高いピークパワーが生じるために要求される。たとえば、２つの等しい搬送波に対して、ピークパワーは平均的な個々の搬送波より６ｄＢ上である。多数の搬送波に対して、ピーク値ははるかに高く、すなわち、ランダムな位相にされた８つの搬送波に対してほぼ８．４ｄＢである。任意のリミタが動作点より６ｄＢ以上高いレベルに設定されなければならないが、これにより、ＴＷＴをバックオフで最適化した利点はほとんど全てなくなる。
【０００４】
ＴＷＴを保護する別の方法は、ピークおよび平均パワーの両方を制限するリミタを使用することである。これらは、簡単な飽和増幅器を使用して構成される。このようなリミタはある保護をＴＷＴに提供するが、それらは線形特性を保つために、要求される動作点よりはるか上に動作点を設定されなければならない。この適用において、これはそれらの値を大きく制限する。このタイプのリミタは一般にＴＷＴの飽和点以上に設定され、偶発的な過励振状態からの保護しか行なわない。
【０００５】
進行波管のような非線形増幅器の利得圧縮および位相を補償する回路は従来技術に存在するが、これらの回路のいずれもピークパワーを制限することなく平均パワーを制限するリミタを含んでいない。たとえば、Copeland氏他による米国特許第 5,304,944号明細書には、ＰＩＮダイオードから形成された受動型リミタが開示されているが、このタイプのリミタはピークパワーおよび平均パワーを制限し、したがって所望の動作点付近に設定された場合に線形特性を劣化させ、これでは本発明の求めているような結果は得られない。Abbiari 氏他による米国特許第 5,598,127号明細書には、マイクロ波増幅器における利得歪みの補償を調節するための方法および回路が開示されている。この方法は、平均パワーに対するピークの比を監視し、信号をフィードバックして増幅器の前に補償回路を調節し、出力のピーク対平均パワー比が一定のままであるように制御回路が調節される回路に基づいている。制御回路は、寿命または環境的変化による増幅器の線形性の変化が生じた時に線形特性を維持する手段を提供する。しかし、平均パワーは制御されておらず、増幅器の能力を越えて増加する可能性が高いため、この制御回路には高パワー増幅器に対する保護手段がない。また、この回路は増幅器の出力パワーの監視に依存しているが、それが高パワーシステムを複雑にし、その損失を増加させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
入力駆動レベルの偶発的なエクスカーション（急上昇）からＴＷＴを保護しながら、線形化された進行波管増幅器を動作点での線形特性および効率の両方に対して最適化できるシステムおよび方法が必要とされている。本発明はこの要求を満たす。
【０００７】
上述したように、ＴＷＴの設計は線形性を提供すると同時に、さらにＴＷＴを偶発的な駆動レベルのエクスカーションから保護しなければならない。これらの明らかに両立しない設計目標の問題の解決方法は、ＴＷＴの故障モードおよびＴＷＴの線形特性が明瞭に異なった信号およびパワー力学の影響を受けることの発見に基づいている。本発明は、ＴＷＴ線形特性および過励振レベルからの損傷に対する耐性の両者を提供するためにこれらの信号力学の利点の尺度を有効に使用する。
【０００８】
多搬送波動作中に遭遇する信号ピークは短期間だけ存在し、ＴＷＴに損傷を与えるものではない。ピークパワーと平均パワーとの間の差は、搬送波の数が増加するにつれてさらに顕著になる（予測可能な方法で）。多搬送波状態の下でＴＷＴを動作するとき、平均パワーが最適化された動作点を越えて増加されなければ、損傷は生じない。
【０００９】
しかしながら、ＴＷＴは過度の平均パワーレベルによって損傷を受ける可能性が高い。これらの過度のレベルは一般に、テスト時または動作時の偶発的な状態下でアップリンク信号の大気中における減衰の変化のような減衰変化のために発生する。
【課題を解決するための手段】
上記により、本発明は、平均パワー依存減衰器およびＴＷＴＡを含むシステムを開示しており、要求された場合に、線形特性をさらに改善するために予備歪み線形化装置が追加されることができる。ピークパワーが最小の減衰で送られるが、平均パワーは大きい減衰を受けるように遅い周波数応答特性を有している減衰器がＴＷＴＡの無線周波数（ＲＦ）入力の前に配置される。その結果、平均パワーに依存するＡＭ−ＡＭ伝達特性を有するシステムが得られる。低い平均パワーに対して、要求される動作点をはるかに越える駆動レベルまで伝達曲線は線形である。平均パワーが要求される動作点より上のレベルに増加された場合、入力減衰が変化し、伝達曲線がもっと低い出力パワーにシフトするが、その形状は保持される。このようにして、ＴＷＴＡを所望の動作点およびそれ以下で駆動する平均出力パワーが維持される。
【００１０】
平均パワーリミタは、実質的に平均パワーに比例する非交流または直流（ＤＣ）電圧を生成する検出回路によって駆動される電圧制御減衰回路によって構成されることができる。
【００１１】
上記によると、本発明は、増幅器のピークパワー出力を制限せずに増幅器の平均パワー出力を制限する方法および装置を開示している。
【００１２】
この方法は、増幅器の入力信号の平均パワーに比例し、増幅器の入力信号のピークパワーから実質的に独立している値をダイナミックに決定し、この値にしたがって増幅器の入力信号をダイナミックに減衰し、ダイナミックに減衰された増幅器の入力信号を増幅器に供給して、増幅器の出力信号を生成するステップを含んでいる。
【００１３】
この装置は、入力信号の平均パワーに比例し、入力信号のピークパワーから実質的に独立している検出器信号をダイナミックに生成する検出器と、検出器信号にしたがって入力信号をダイナミックに減衰する、検出器および増幅器と連絡している減衰器とを具備している。
【００１４】
１実施形態において、検出器は、ローパスフィルタと直列のダイオード装置のような電流整流器を含んでおり、これは簡単な抵抗・容量型（ＲＣ）回路によって構成されることができる。別の実施形態において、減衰器は、検出器に結合されたゲートを備えたエンハンスメント電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のようなシャントリミタを含んでいる。
【００１５】
上記の構成は、ＴＷＴが要求される動作点より高い出力パワーで動作することを阻止する平均パワーリミタを構成している。このリミタを使用することによって、ＴＷＴは要求される動作点の性能に対して最適化されることが可能になり、その結果効率が高くなり、要求される動作点より高いパワーレベルの増幅器を形成する必要がなくなるため、システムの費用が減少し、その複雑さが軽減される。パワーリミタは、短期間のピークパワーが低損失で通過することを可能にしながら平均パワーを制限することによって、ＴＷＴの線形特性を劣化させずにＴＷＴを保護する。これによって、動作点における線形性および効率の両方に対して最適化され、その一方でＴＷＴを入力駆動レベルの偶発的なエクスカーションから保護する最適化された進行波管増幅器が提供される。本発明は、とくに多搬送波信号で動作するシステムを含む高パワーマイクロ波増幅システムに対して適用可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、同じ参照符号が一貫して対応した部品を表す図面を参照する。
以下の説明において、本発明のいくつかの実施形態の一部分をなし、またそれが例示によって示されている添付図面を参照する。本発明の技術的範囲を逸脱することなく、その他の実施形態を使用してもよく、また構造上の変更を行なってもよいことが理解される。
【００１７】
上述されたように、線形特性を提供するために問題が生じる。ＴＷＴは、それらの最大飽和出力パワー能力よりかなり下で動作される。この結果、性能は部分最適化され、ＴＷＴは故障状態下で発生する可能性のある高い動作パワーで残存することができるように設計されることが要求される。本発明の利点を完全に理解するために、多数の搬送波が存在する時の増幅器性能を説明する。
【００１８】
多搬送波信号により動作しているときに線形特性を得るために、増幅器は、要求された動作点よりかなり上のレベルまで線形のパワー伝達曲線を有していなければならない。パワー伝達が線形でない場合、複合信号のピークは劣化し、その結果、相互変調積が生じる。
【００１９】
図１は、２つのトーン（搬送波周波数ｆ1 およびｆ2 によって表された）の多搬送波入力信号の時間ドメインおよび周波数ドメインを表している。この信号がパワーまたは位相シフトに関して非線形の伝達関数によりＴＷＴを通って送られた場合、出力信号は（２ｆ1 −ｆ2 ）および（２ｆ2 −ｆ1 ）の周波数において相互変調積を含む。これらの望ましくない相互変調積の振幅の比は、相互変調に対する搬送波の比、すなわちＣ／ＩＭとして記載される。
【００２０】
理想的な増幅器におけるパワーの線形伝達は、入力パワーが１ｄＢ増加するたびに出力パワーが１ｄＢ増加する。実際には、ＴＷＴ増幅器は、線形化された場合でも、入力パワーによる出力パワーの増加がｄＢ当り１ｄＢ小さいか、あるいは負の場合もあるパワーレベルで飽和を示す。上述した相互変調歪みのために、線形システムに対して、この飽和点付近またはそれより上での動作は有効ではない。
【００２１】
これらの理由のために、ＴＷＴに対する入力パワーレベルを飽和点より低いレベルに制限することが有効である。線形動作領域におけるこの高いＴＷＴ効率によって、軽減されたパワー処理要求のために複雑性が軽減できる設計が可能となる。これは、設定パワーレベルにおけるリミタを設けることによって実施可能である。これは、最高の可能な点まで線形性を保つためにＴＷＴの飽和点に設定されたリミタを使用することにより達成されることができる。
【００２２】
以下の式によって表される単一の搬送波を有する入力信号の場合を考える：
Ａｓｉｎ（ωｔ）
このような入力信号は、Ａのピーク振幅と、（１／２）Ａ2 に比例する平均振幅を有している。
【００２３】
さらに、２つの異なる周波数における２つの等しい振幅の信号によって示される２つの搬送波を有する入力信号の場合を考える。これは、次の式によって表されることができる：
Ａｓｉｎ（ω１ｔ＋φ１）、および
Ａｓｉｎ（ω２τ＋φ２）
各信号はピーク振幅Ａを有し、（１／２）Ａ2 に比例するポインティング定理を使用して計算されたパワーを搬送する。三角法の角度の和および差の関係を使用して表される結合された信号は：
【数１】
【００２４】
したがって、結合された信号はピーク振幅２Ａを有し、Ａ2 に比例したパワーを搬送する。線形性を保つために、増幅器は２Ａのピーク値まで線形の伝達曲線を有していなければならない。振幅２Ａを有する単一の搬送波は、２Ａ2 に比例したパワー、またはそれぞれ個々の搬送波より６ｄＢ高いパワーを搬送する。したがって、リミタは、それぞれ個々の搬送波より少くとも６ｄＢ高いレベルに設定されなければならない。
【００２５】
図３および４は、ＴＷＴ伝達特性およびハードリミタを備えたＴＷＴに対する３次の相互変調積レベル（Ｃ／３ＩＭ）までの搬送波を決定するための解析を示している。
【００２６】
図３は、図４に示されている結果を発生するために使用される増幅器伝達曲線を示すグラフである。ＴＷＴ伝達曲線（“単一搬送波Ｐout (dB)”のラベルを付けられた）は、ヒューズエレクトロニクス社の電子ダイナミックス部門により生成された増幅器の典型的な曲線であり、限定された曲線（“制限された単一搬送波Ｐout (dB)”のラベルを付けられた）は増幅器の単一搬送波飽和点より１０ｄＢ低いレベルに設定された仮想上の完全なリミタである。“ダイナミックに制限されたＰout ”のラベルを付けられた曲線は、ダイナミックリミタによって曲線をさらに高い入力駆動レベルにシフトすることによって生成される。
【００２７】
図４は、制限された場合および制限されていない両者に対して計算されたＣ／３ＩＭを示すグラフである。制限された場合において、単一搬送波飽和点に関する搬送波当り−１６ｄＢの入力駆動レベルに対してＣ／３ＩＭの劣化が観察される。これはリミタ設定点より６ｄＢ低く、それによって予測される６ｄＢ要求が確認される。ダイナミックに制限された曲線を使用した場合、Ｃ／３ＩＭは制限されたパワーレベルで一定のままである。
【００２８】
図５乃至７は、多搬送波信号の例である。図５は、余弦関数によって変調された正弦波の特性形状を有する２つの搬送波複合信号を示す。これは、図４に示されている解析において使用されたものに類似した信号のグラフ表示である。図５に示されている波形は、信号のピークがその平均値より著しく高いことを示している。
【００２９】
図６は、異なった数のトーンを有する多搬送波信号に対するＲＭＳ電界に対するピークの比較を示すグラフである。２つの搬送波に対するピーク対ＲＭＳ比は２であり、パワー比は２０・Ｌｏｇ（Ｅpeak／ＥRMS ）または６ｄＢである。この比は、搬送波の数が増えるにつれて大きくなる。プロット602 はコヒーレントにフェーズされた（最悪の）場合に対するピーク対ＲＭＳ電界を示し、この場合ピーク対ＲＭＳ電界比は（２Ｎ）1/2 である。プロット604 はランダムにフェーズされた場合に対するピーク対ＲＭＳ電界を示す。この結果は、１．７４ｌｎ（ｌｎ（１１．６・Ｎ））によって表されるラインに適合された曲線であることができる。プロット606 はゼロにされたフェーズ（最良）の場合を示す。
【００３０】
図７は、８つの搬送波信号を時間的に表したグラフを示している。信号の比較的低い平均レベルがそうであるように、短期間にわたる高いピークは容易に観察される。
［入力駆動リミタ動作］
平均パワーはＴＷＴ設計を駆動するものである。一般に、高い平均パワーによるＴＷＴに対する損傷に対する熱時定数は、ミリ秒の程度である。一般に、ＴＷＴ熱時定数のために、ミリ秒程度の期間にわたる過度の平均パワーは永続的なＴＷＴ損傷を与えるのに十分である。同時に、信号ピーク（およびしたがってピークパワー）は、歪みを生じることなく通過しなければならない。このような信号ピークは一般に増幅されるマイクロ波信号に基づいた回数に対して存在し、一般にナノ秒以下の程度である。時定数におけるこの大きい分離のために、短い時間尺度で波形を劣化させずに、遅い応答特性を有するＴＷＴを保護することのできる回路の可能性が生まれる。
【００３１】
図８は、このような回路を構成する入力駆動リミタ100 のブロック図を示している。入力駆動リミタ100 は、無線周波数（ＲＦ）入力信号102 と連絡している検出器106 および減衰器108 を含んでいる。入力信号102 は、不飽和領域において増幅器110 から得られた出力信号112 の線形性を増加させるために予め歪みを与えられた線形化装置104 と連絡しているチャンネル前置増幅器103 を含む信号予備調整装置105 によって随意に調整されてもよい。検出器106 は入力信号102 から検出器信号107 をダイナミックに生成し、これは入力信号102 の平均パワーに比例し、実質的に入力信号102 のピークパワーとは無関係である。検出器は、検出器信号107 を減衰器108 に供給する。検出器信号107 は、ここに記載した目的のために信号調整装置109 を介して減衰器108 に随意に供給される。
【００３２】
増幅器110 はＲＦ周波数で出力信号112 を供給し、進行波管114 およびパワー調整装置116 を含んでいる。パワー調整装置116 は、進行波管114 に高電圧入力を供給し、別の素子に電源電圧を供給する。
【００３３】
一般に、入力信号102 と検出器信号107 との間の理想的な関係は、線形比例関係である。すなわち、検出器信号107 は入力信号102 に線形に比例する。しかしながら、入力信号102 の平均パワーと検出器信号との間の比例は理想的には線形であるが、入力信号102 と検出器信号107 との間の線形比例は本発明を実施するのに必要ないことに注意すべきである。たとえば、設計選択の問題として後述する減衰器108 の説明によると、入力信号102 と検出器信号107 との間の非線形比例は、任意のこのような非線形性を説明するように減衰器108 を適切に設計することによって明らかにされることができる。
【００３４】
図９は、入力駆動リミタ100 の１実施形態を示している。この実施形態に示されているように、検出器106 は電流整流器202 およびローパスフィルタ204 を含んでいる。示されている実施形態では、電流整流器202 は、入力信号源203 によって供給される入力信号102 と連絡している陽極207 と、ローパスフィルタ204 に結合された陰極209 とを備えているダイオード206 を含んでいる。電流整流器202 は、交流（ＡＣ）入力信号102 を半波整流された（時間の全ての値に対して正の）信号に変換する。この信号がローパスフィルタ204 によってローパスフィルタされた場合、入力信号102 の平均パワーに比例した検出器信号107 が生成される。電流整流器202 は、類似の機能を有する別の回路素子によって置換可能であることに注意すべきである。たとえば、所望ならば、全波整流信号を生成するために４個のダイオードを使用した２方向または４方向ブリッジを構成することができる。
【００３５】
ローパスフィルタ204 は、並列に結合されたローパスフィルタ抵抗のような抵抗素子208 およびローパスフィルタキャパシタのような容量素子210 を含んでいる。そのように結合されているため、ローパスフィルタ204 は、検出器信号207 が１／ＲＣの１次の時定数関係にしたがってダイオード206 からの整流された信号を遅延する回路を構成する。
【００３６】
いくつかの状況において、多数の次数の時定数を有するローパスフィルタ204 のネットワークが好ましい。この選択は、入力信号102 の平均パワー変化とピークパワーパルスとの間の持続期間関係に依存する。したがって、設計選択の問題であるローパスフィルタは、入力信号の急峻な濾波を示すように設計されることができる。
【００３７】
１実施形態では、検出器信号107 は直接減衰器108 へ送られ、減衰器108 は検出器信号にしたがって入力信号をダイナミックに減衰する。別の実施形態では、検出器信号107 は信号調整装置212 を通過し、信号調整装置212 は検出器信号107 と減衰器108 との間の利得関係を構成する。例えば検出器106 が減衰器回路を適切に駆動するのに必要な信号電圧を提供できないならば、信号調整装置は信号の利得を調節するか、減衰器回路の入力インピーダンスを整合するようにインピーダンスの変化を与えることができる。所望ならば、信号調整装置212 はまた付加的なローまたはハイパス濾波を実行でき、それによって減衰器に入る信号のダイナミック特性は増幅器110 の平均パワーを予め選択されたまたはダイナミックに決定された値に限定し、それによって信号ピークの適切な通過を許容しながらダメージを防止する。
【００３８】
１実施形態では、減衰器108 は入力信号102 を接地226 へ電気的に結合するシャントリミタ装置を構成している。シャントリミタ装置は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）214 を具備できる。図示の実施形態では、ＦＥＴ 214は検出器信号107 が供給される（前述したように信号調整装置212 により選択的に処理されてもよい）ゲート216 を具備している。ＦＥＴ 214はまた入力信号102 を供給されるソース218 と、接地226 と接続されているドレインを具備している。１実施形態では、ＦＥＴ 214は強化されたＦＥＴであり、したがってゲート216 上のゼロ電圧は入力信号102 の接地電位への分路がないことを確実にするのに適している。強化されたＦＥＴは平均パワー検出器回路により与えられたゲート電圧を有する電圧制御シャントリミタとして使用される。結果として回路の減衰は平均パワー入力に依存する。代わりに、他のタイプのＦＥＴ 214は、入力信号102 が適切な時間に適切な量をシャントされ説明した平均パワー限定機能を行うことを確実にするため、（例えば信号調整装置を使用して）これらが適切にバイアスされる限り使用されることができる。
【００３９】
コンポーネントの適切な選択により、短い期間のピークパワーは減衰なしで通過するように低速度の応答時間を有するリミタが実現され、所望の動作点を超えないように平均パワーが限定される。この方法で、ダイナミック利得および位相応答はリミタにより影響を受けず、それ故、相互変調歪は増加されないが、静止利得および位相応答はＴＷＴ 114の保護手段を与えるリミタにより変更される。使用されるこのリミタにより、上方レベルがＴＷＴ 114への平均入力駆動に設定される。
【００４０】
図１０は、本発明の１実施形態の実行に使用されているプロセスステップを示したフローチャートである。第１に、ブロック302 で示されているように、入力信号102 の平均パワーに比例した値は入力信号102 のピークパワーと実質的に無関係に決定される。この決定は時間変化する入力信号102 の測定に基づいており、本質的にダイナミックである。重要なことは、入力信号と前述の値との関係はこの明細書の最初に説明したように線形に比例する必要はない。さらに、値は実質上入力信号102 のピークパワーと無関係であるが、入力信号102 とピークパワーの幾つかの残留関係が許容される。例えば、前述の説明で示されている実施形態では、前述の動作は電流整流装置202 と１次ローパスフィルタ204 を使用して行われ、これは入力信号102 のピークを実質上減衰するが、これらを完全には除去しない。したがって、本発明は検出器信号107 に含まれる短期間のピークの幾らかの残された徴候（manifestation ）で実施されてもよい。先に決定された値はここで説明した本発明の目的、すなわち通常入力信号ピークの線形の通過を許容しながら平均パワー出力を限定するのに必要であるので、入力信号102 のピークパワーと無関係であることだけを必要とする。
【００４１】
次に、ブロック304 で示されているように、入力信号102 は先に生成された値にしたがってダイナミックに減衰される。ダイナミックに減衰された入力信号102 はその後増幅器110 へ与えられる。
【００４２】
図１１は、ダイナミックに値を決定し、入力信号102 を減衰する前述の動作を示したフローチャートである。ブロック402 および404 に示されているように、入力信号は整流され、検出器信号107 を発生するようにローパスフィルタで濾波される。その後検出器信号107 は整流され、ローパスフィルタで濾波された入力信号にしたがってシャントされる。
【００４３】
以下の表１は図９で示されているものと類似するコンピュータモデル回路を使用した初期解析結果を示している。
入力 Ｖdet Ｖgate Ｖｓ Ｖload 減衰
1Asin(at)cos(bt) 1.2 -2 0.2Ｖ 0.2Ｖ ０
2Asin(ωt 1.5 -1 0.2Ｖ ＜75ｍＶ 8.5ｄＢ
検出器と減衰器回路は別々にモデル化された。モデル化された２つのケースは（１）低損失で通過しなければならない２搬送波複素数信号と、（２）少なくとも３ｄＢだけ減衰されなければならない同一のピーク振幅を有する１つの搬送波信号であった。表１で示されているように、検出器信号107 の電圧は、さらに高い平均パワー信号が存在するとき約０．３ボルトまたは約２５％の増加を示している。この電圧は単独ではＦＥＴ 214を所望の伝導レベルまで駆動するのに十分ではなく、増幅器のような信号調整装置212 がＦＥＴ 214のゲート216 を駆動するため３ボルトレベルの増加を行うために使用された。さらに高い平均パワー信号が存在するとき、ＦＥＴ 214は導電状態になるように駆動され、８．５ｄＢの減衰が与えられる。信号調整装置212 の調節により、任意の所望の減衰特性が与えられる。
［結論］
本発明の好ましい実施形態の説明を完結する。要約すると、本発明は増幅器のピークパワー出力を制限せずに増幅器の平均パワー出力を制限する方法および装置を開示している。
【００４４】
この方法は、増幅器入力信号の平均パワーに比例した値を、増幅器入力信号のピークパワーと実質的に無関係にダイナミックに決定し、その値にしたがって増幅器入力信号をダイナミックに減衰し、ダイナミックに減衰された増幅器入力信号を増幅器へ提供して増幅器出力信号を発生するステップを有する。
【００４５】
この装置は、入力信号の平均パワーに比例した検出器信号を、入力信号のピークパワーと実質的に無関係にダイナミックに発生する検出器と、その検出器信号にしたがって入力信号をダイナミックに減衰するために検出器および増幅器に接続された減衰器とを具備している。
【００４６】
本発明は特に線形化された衛星用進行波管システムに応用可能である。多数のシステムは、増幅器が線形性を得るために出力バックオフで動作することを必要とし、典型的な出力バックオフの要求は３ｄＢ以上である。残念ながら、誤った状況のために、増幅器が十分に飽和された出力パワーへ駆動される時間が存在し、それ故増幅器はこのパワーを処理することができなければならない。本発明はこの要求を除去し、それによって増幅器はさらに高い誤状況ではなく必要な動作パワーだけを処理しさえすればよい。これにより結果的に増幅器の複雑性を減少し（さらに廉価で進行波管システムの製造を可能にする）、動作点で増幅器をさらに最適にする能力（性能を増加する）を生じる。
【００４７】
本発明の好ましい実施形態の前述の説明は例示および説明のために与えられた。これは本発明を説明した形態に完全に正確に限定することを意図するものではない。多数の変形および変更が前述の説明を考慮して可能である。例えば平均パワーとピークパワーとの関係はデータ信号で使用される複数の搬送波の少なくとも部分的な関数であるので、前述の本発明は信号で使用される複数のキャリアを決定し、時定数または信号調整装置または検出器／信号調整装置の組合わせの他のダイナミック特性を設定するためにこの決定を使用することによって実施されてもよい。これは（キャパシタ210 または抵抗208 のような）可変特性を有するコンポーネントを使用し、適切な特性を有する幾つかのコンポーネントのうちの１つを切換えることによって実行されることができる。また、本発明により行われる信号調整はコンピュータまたはその他のプロセッサにより実行されることができ、デジタル濾波を行う命令を実行することも考えられる。
【００４８】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって限定され、詳細な説明によっては限定されない。前述の明細書の実施形態およびデータは、本発明の構成および製造の完全な説明と使用を与えている。本発明の多数の実施形態は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われることができるので、本発明は特許請求の範囲によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 相互変調積とＴＷＴ伝達関数の線形性との関係を示した図。
【図２】 理想的なＴＷＴ増幅器の伝達関数と実世界のＴＷＴ増幅器特性とを比較したグラフ。
【図３】 搬送波と３次相互変調積レベルとの関係（Ｃ／３ＩＭ）の解析に使用された伝送曲線のグラフ。
【図４】 図３で示されている伝送曲線に対する搬送波と３次相互変調積レベルとの関係（Ｃ／３ＩＭ）のグラフ。
【図５】 ２搬送波の複素数信号のグラフ。
【図６】 異なる数のトーンを有する多搬送波信号のピークと二乗平均平方根（ＲＭＳ）電界強度とを比較したグラフ。
【図７】 時間における８搬送波信号のグラフ表示図。
【図８】 入力駆動リミタを使用している線形進行波管増幅器のトップレベル表示を示したブロック図。
【図９】 入力駆動リミタの１実施形態を示した概略図。
【図１０】 本発明の１実施形態の実行に使用されているプロセスステップを示したフローチャート。
【図１１】 入力信号の平均パワーを検出し、それを使用して平均パワーを限定するために使用されるプロセスステップを示したフローチャート。
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号を増幅するシステムおよび方法に関し、とくにピークパワー出力を制限せずに進行波管増幅器の平均パワー出力を制限するシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
線形化装置を進行波管増幅器（ＴＷＴ）と結合することにより、パワー増幅器は線形特性を維持しながら、さらに効率よく動作することが可能になる。この利点を完全に利用するために、動作点における最良の効率のためにＴＷＴを最適化することが望ましい。大部分のＴＷＴの設計に対して、バックオフされた動作点で効率を最適化すると、動作点より上に駆動レベルが上昇することによってコレクタバックストリームおよびビームデフォーカス問題のせいでＴＷＴが損傷を受ける可能性が高い状況が生じる。高い駆動レベルを処理するようにＴＷＴを設計することもまた、コスト高および設計の複雑さを招く。
【０００３】
ＴＷＴを保護する１つの可能な方法は、入力駆動リミタを線形化装置中に内蔵することである。残念ながら、駆動レベルの制限は、システムの線形特性と適合しない。多搬送波の動作下において線形特性を提供するために、増幅器は、動作点より上およびそれより下の駆動レベルの範囲に対して線形である振幅変調−振幅変調（ＡＭ−ＡＭ）伝達特性を有していなければならない。これは、多数の搬送波が合計して高いピークパワーが生じるために要求される。たとえば、２つの等しい搬送波に対して、ピークパワーは平均的な個々の搬送波より６ｄＢ上である。多数の搬送波に対して、ピーク値ははるかに高く、すなわち、ランダムな位相にされた８つの搬送波に対してほぼ８．４ｄＢである。任意のリミタが動作点より６ｄＢ以上高いレベルに設定されなければならないが、これにより、ＴＷＴをバックオフで最適化した利点はほとんど全てなくなる。
【０００４】
ＴＷＴを保護する別の方法は、ピークおよび平均パワーの両方を制限するリミタを使用することである。これらは、簡単な飽和増幅器を使用して構成される。このようなリミタはある保護をＴＷＴに提供するが、それらは線形特性を保つために、要求される動作点よりはるか上に動作点を設定されなければならない。この適用において、これはそれらの値を大きく制限する。このタイプのリミタは一般にＴＷＴの飽和点以上に設定され、偶発的な過励振状態からの保護しか行なわない。
【０００５】
進行波管のような非線形増幅器の利得圧縮および位相を補償する回路は従来技術に存在するが、これらの回路のいずれもピークパワーを制限することなく平均パワーを制限するリミタを含んでいない。たとえば、Copeland氏他による米国特許第 5,304,944号明細書には、ＰＩＮダイオードから形成された受動型リミタが開示されているが、このタイプのリミタはピークパワーおよび平均パワーを制限し、したがって所望の動作点付近に設定された場合に線形特性を劣化させ、これでは本発明の求めているような結果は得られない。Abbiari 氏他による米国特許第 5,598,127号明細書には、マイクロ波増幅器における利得歪みの補償を調節するための方法および回路が開示されている。この方法は、平均パワーに対するピークの比を監視し、信号をフィードバックして増幅器の前に補償回路を調節し、出力のピーク対平均パワー比が一定のままであるように制御回路が調節される回路に基づいている。制御回路は、寿命または環境的変化による増幅器の線形性の変化が生じた時に線形特性を維持する手段を提供する。しかし、平均パワーは制御されておらず、増幅器の能力を越えて増加する可能性が高いため、この制御回路には高パワー増幅器に対する保護手段がない。また、この回路は増幅器の出力パワーの監視に依存しているが、それが高パワーシステムを複雑にし、その損失を増加させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
入力駆動レベルの偶発的なエクスカーション（急上昇）からＴＷＴを保護しながら、線形化された進行波管増幅器を動作点での線形特性および効率の両方に対して最適化できるシステムおよび方法が必要とされている。本発明はこの要求を満たす。
【０００７】
上述したように、ＴＷＴの設計は線形性を提供すると同時に、さらにＴＷＴを偶発的な駆動レベルのエクスカーションから保護しなければならない。これらの明らかに両立しない設計目標の問題の解決方法は、ＴＷＴの故障モードおよびＴＷＴの線形特性が明瞭に異なった信号およびパワー力学の影響を受けることの発見に基づいている。本発明は、ＴＷＴ線形特性および過励振レベルからの損傷に対する耐性の両者を提供するためにこれらの信号力学の利点の尺度を有効に使用する。
【０００８】
多搬送波動作中に遭遇する信号ピークは短期間だけ存在し、ＴＷＴに損傷を与えるものではない。ピークパワーと平均パワーとの間の差は、搬送波の数が増加するにつれてさらに顕著になる（予測可能な方法で）。多搬送波状態の下でＴＷＴを動作するとき、平均パワーが最適化された動作点を越えて増加されなければ、損傷は生じない。
【０００９】
しかしながら、ＴＷＴは過度の平均パワーレベルによって損傷を受ける可能性が高い。これらの過度のレベルは一般に、テスト時または動作時の偶発的な状態下でアップリンク信号の大気中における減衰の変化のような減衰変化のために発生する。
【課題を解決するための手段】
上記により、本発明は、平均パワー依存減衰器およびＴＷＴＡを含むシステムを開示しており、要求された場合に、線形特性をさらに改善するために予備歪み線形化装置が追加されることができる。ピークパワーが最小の減衰で送られるが、平均パワーは大きい減衰を受けるように遅い周波数応答特性を有している減衰器がＴＷＴＡの無線周波数（ＲＦ）入力の前に配置される。その結果、平均パワーに依存するＡＭ−ＡＭ伝達特性を有するシステムが得られる。低い平均パワーに対して、要求される動作点をはるかに越える駆動レベルまで伝達曲線は線形である。平均パワーが要求される動作点より上のレベルに増加された場合、入力減衰が変化し、伝達曲線がもっと低い出力パワーにシフトするが、その形状は保持される。このようにして、ＴＷＴＡを所望の動作点およびそれ以下で駆動する平均出力パワーが維持される。
【００１０】
平均パワーリミタは、実質的に平均パワーに比例する非交流または直流（ＤＣ）電圧を生成する検出回路によって駆動される電圧制御減衰回路によって構成されることができる。
【００１１】
上記によると、本発明は、増幅器のピークパワー出力を制限せずに増幅器の平均パワー出力を制限する方法および装置を開示している。
【００１２】
この方法は、増幅器の入力信号の平均パワーに比例し、増幅器の入力信号のピークパワーから実質的に独立している値をダイナミックに決定し、この値にしたがって増幅器の入力信号をダイナミックに減衰し、ダイナミックに減衰された増幅器の入力信号を増幅器に供給して、増幅器の出力信号を生成するステップを含んでいる。
【００１３】
この装置は、入力信号の平均パワーに比例し、入力信号のピークパワーから実質的に独立している検出器信号をダイナミックに生成する検出器と、検出器信号にしたがって入力信号をダイナミックに減衰する、検出器および増幅器と連絡している減衰器とを具備している。
【００１４】
１実施形態において、検出器は、ローパスフィルタと直列のダイオード装置のような電流整流器を含んでおり、これは簡単な抵抗・容量型（ＲＣ）回路によって構成されることができる。別の実施形態において、減衰器は、検出器に結合されたゲートを備えたエンハンスメント電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のようなシャントリミタを含んでいる。
【００１５】
上記の構成は、ＴＷＴが要求される動作点より高い出力パワーで動作することを阻止する平均パワーリミタを構成している。このリミタを使用することによって、ＴＷＴは要求される動作点の性能に対して最適化されることが可能になり、その結果効率が高くなり、要求される動作点より高いパワーレベルの増幅器を形成する必要がなくなるため、システムの費用が減少し、その複雑さが軽減される。パワーリミタは、短期間のピークパワーが低損失で通過することを可能にしながら平均パワーを制限することによって、ＴＷＴの線形特性を劣化させずにＴＷＴを保護する。これによって、動作点における線形性および効率の両方に対して最適化され、その一方でＴＷＴを入力駆動レベルの偶発的なエクスカーションから保護する最適化された進行波管増幅器が提供される。本発明は、とくに多搬送波信号で動作するシステムを含む高パワーマイクロ波増幅システムに対して適用可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、同じ参照符号が一貫して対応した部品を表す図面を参照する。
以下の説明において、本発明のいくつかの実施形態の一部分をなし、またそれが例示によって示されている添付図面を参照する。本発明の技術的範囲を逸脱することなく、その他の実施形態を使用してもよく、また構造上の変更を行なってもよいことが理解される。
【００１７】
上述されたように、線形特性を提供するために問題が生じる。ＴＷＴは、それらの最大飽和出力パワー能力よりかなり下で動作される。この結果、性能は部分最適化され、ＴＷＴは故障状態下で発生する可能性のある高い動作パワーで残存することができるように設計されることが要求される。本発明の利点を完全に理解するために、多数の搬送波が存在する時の増幅器性能を説明する。
【００１８】
多搬送波信号により動作しているときに線形特性を得るために、増幅器は、要求された動作点よりかなり上のレベルまで線形のパワー伝達曲線を有していなければならない。パワー伝達が線形でない場合、複合信号のピークは劣化し、その結果、相互変調積が生じる。
【００１９】
図１は、２つのトーン（搬送波周波数ｆ1 およびｆ2 によって表された）の多搬送波入力信号の時間ドメインおよび周波数ドメインを表している。この信号がパワーまたは位相シフトに関して非線形の伝達関数によりＴＷＴを通って送られた場合、出力信号は（２ｆ1 −ｆ2 ）および（２ｆ2 −ｆ1 ）の周波数において相互変調積を含む。これらの望ましくない相互変調積の振幅の比は、相互変調に対する搬送波の比、すなわちＣ／ＩＭとして記載される。
【００２０】
理想的な増幅器におけるパワーの線形伝達は、入力パワーが１ｄＢ増加するたびに出力パワーが１ｄＢ増加する。実際には、ＴＷＴ増幅器は、線形化された場合でも、入力パワーによる出力パワーの増加がｄＢ当り１ｄＢ小さいか、あるいは負の場合もあるパワーレベルで飽和を示す。上述した相互変調歪みのために、線形システムに対して、この飽和点付近またはそれより上での動作は有効ではない。
【００２１】
これらの理由のために、ＴＷＴに対する入力パワーレベルを飽和点より低いレベルに制限することが有効である。線形動作領域におけるこの高いＴＷＴ効率によって、軽減されたパワー処理要求のために複雑性が軽減できる設計が可能となる。これは、設定パワーレベルにおけるリミタを設けることによって実施可能である。これは、最高の可能な点まで線形性を保つためにＴＷＴの飽和点に設定されたリミタを使用することにより達成されることができる。
【００２２】
以下の式によって表される単一の搬送波を有する入力信号の場合を考える：
Ａｓｉｎ（ωｔ）
このような入力信号は、Ａのピーク振幅と、（１／２）Ａ2 に比例する平均振幅を有している。
【００２３】
さらに、２つの異なる周波数における２つの等しい振幅の信号によって示される２つの搬送波を有する入力信号の場合を考える。これは、次の式によって表されることができる：
Ａｓｉｎ（ω１ｔ＋φ１）、および
Ａｓｉｎ（ω２τ＋φ２）
各信号はピーク振幅Ａを有し、（１／２）Ａ2 に比例するポインティング定理を使用して計算されたパワーを搬送する。三角法の角度の和および差の関係を使用して表される結合された信号は：
【数１】
したがって、結合された信号はピーク振幅２Ａを有し、Ａ2 に比例したパワーを搬送する。線形性を保つために、増幅器は２Ａのピーク値まで線形の伝達曲線を有していなければならない。振幅２Ａを有する単一の搬送波は、２Ａ2 に比例したパワー、またはそれぞれ個々の搬送波より６ｄＢ高いパワーを搬送する。したがって、リミタは、それぞれ個々の搬送波より少くとも６ｄＢ高いレベルに設定されなければならない。
【００２５】
図３および４は、ＴＷＴ伝達特性およびハードリミタを備えたＴＷＴに対する３次の相互変調積レベル（Ｃ／３ＩＭ）までの搬送波を決定するための解析を示している。
【００２６】
図３は、図４に示されている結果を発生するために使用される増幅器伝達曲線を示すグラフである。ＴＷＴ伝達曲線（“単一搬送波Ｐout (dB)”のラベルを付けられた）は、ヒューズエレクトロニクス社の電子ダイナミックス部門により生成された増幅器の典型的な曲線であり、限定された曲線（“制限された単一搬送波Ｐout (dB)”のラベルを付けられた）は増幅器の単一搬送波飽和点より１０ｄＢ低いレベルに設定された仮想上の完全なリミタである。“ダイナミックに制限されたＰout ”のラベルを付けられた曲線は、ダイナミックリミタによって曲線をさらに高い入力駆動レベルにシフトすることによって生成される。
【００２７】
図４は、制限された場合および制限されていない両者に対して計算されたＣ／３ＩＭを示すグラフである。制限された場合において、単一搬送波飽和点に関する搬送波当り−１６ｄＢの入力駆動レベルに対してＣ／３ＩＭの劣化が観察される。これはリミタ設定点より６ｄＢ低く、それによって予測される６ｄＢ要求が確認される。ダイナミックに制限された曲線を使用した場合、Ｃ／３ＩＭは制限されたパワーレベルで一定のままである。
【００２８】
図５乃至７は、多搬送波信号の例である。図５は、余弦関数によって変調された正弦波の特性形状を有する２つの搬送波複合信号を示す。これは、図４に示されている解析において使用されたものに類似した信号のグラフ表示である。図５に示されている波形は、信号のピークがその平均値より著しく高いことを示している。
【００２９】
図６は、異なった数のトーンを有する多搬送波信号に対するＲＭＳ電界に対するピークの比較を示すグラフである。２つの搬送波に対するピーク対ＲＭＳ比は２であり、パワー比は２０・Ｌｏｇ（Ｅpeak／ＥRMS ）または６ｄＢである。この比は、搬送波の数が増えるにつれて大きくなる。プロット602 はコヒーレントにフェーズされた（最悪の）場合に対するピーク対ＲＭＳ電界を示し、この場合ピーク対ＲＭＳ電界比は（２Ｎ）1/2 である。プロット604 はランダムにフェーズされた場合に対するピーク対ＲＭＳ電界を示す。この結果は、１．７４ｌｎ（ｌｎ（１１．６・Ｎ））によって表されるラインに適合された曲線であることができる。プロット606 はゼロにされたフェーズ（最良）の場合を示す。
【００３０】
図７は、８つの搬送波信号を時間的に表したグラフを示している。信号の比較的低い平均レベルがそうであるように、短期間にわたる高いピークは容易に観察される。
［入力駆動リミタ動作］
平均パワーはＴＷＴ設計を駆動するものである。一般に、高い平均パワーによるＴＷＴに対する損傷に対する熱時定数は、ミリ秒の程度である。一般に、ＴＷＴ熱時定数のために、ミリ秒程度の期間にわたる過度の平均パワーは永続的なＴＷＴ損傷を与えるのに十分である。同時に、信号ピーク（およびしたがってピークパワー）は、歪みを生じることなく通過しなければならない。このような信号ピークは一般に増幅されるマイクロ波信号に基づいた回数に対して存在し、一般にナノ秒以下の程度である。時定数におけるこの大きい分離のために、短い時間尺度で波形を劣化させずに、遅い応答特性を有するＴＷＴを保護することのできる回路の可能性が生まれる。
【００３１】
図８は、このような回路を構成する入力駆動リミタ100 のブロック図を示している。入力駆動リミタ100 は、無線周波数（ＲＦ）入力信号102 と連絡している検出器106 および減衰器108 を含んでいる。入力信号102 は、不飽和領域において増幅器110 から得られた出力信号112 の線形性を増加させるために予め歪みを与えられた線形化装置104 と連絡しているチャンネル前置増幅器103 を含む信号予備調整装置105 によって随意に調整されてもよい。検出器106 は入力信号102 から検出器信号107 をダイナミックに生成し、これは入力信号102 の平均パワーに比例し、実質的に入力信号102 のピークパワーとは無関係である。検出器は、検出器信号107 を減衰器108 に供給する。検出器信号107 は、ここに記載した目的のために信号調整装置109 を介して減衰器108 に随意に供給される。
【００３２】
増幅器110 はＲＦ周波数で出力信号112 を供給し、進行波管114 およびパワー調整装置116 を含んでいる。パワー調整装置116 は、進行波管114 に高電圧入力を供給し、別の素子に電源電圧を供給する。
【００３３】
一般に、入力信号102 と検出器信号107 との間の理想的な関係は、線形比例関係である。すなわち、検出器信号107 は入力信号102 に線形に比例する。しかしながら、入力信号102 の平均パワーと検出器信号との間の比例は理想的には線形であるが、入力信号102 と検出器信号107 との間の線形比例は本発明を実施するのに必要ないことに注意すべきである。たとえば、設計選択の問題として後述する減衰器108 の説明によると、入力信号102 と検出器信号107 との間の非線形比例は、任意のこのような非線形性を説明するように減衰器108 を適切に設計することによって明らかにされることができる。
【００３４】
図９は、入力駆動リミタ100 の１実施形態を示している。この実施形態に示されているように、検出器106 は電流整流器202 およびローパスフィルタ204 を含んでいる。示されている実施形態では、電流整流器202 は、入力信号源203 によって供給される入力信号102 と連絡している陽極207 と、ローパスフィルタ204 に結合された陰極209 とを備えているダイオード206 を含んでいる。電流整流器202 は、交流（ＡＣ）入力信号102 を半波整流された（時間の全ての値に対して正の）信号に変換する。この信号がローパスフィルタ204 によってローパスフィルタされた場合、入力信号102 の平均パワーに比例した検出器信号107 が生成される。電流整流器202 は、類似の機能を有する別の回路素子によって置換可能であることに注意すべきである。たとえば、所望ならば、全波整流信号を生成するために４個のダイオードを使用した２方向または４方向ブリッジを構成することができる。
【００３５】
ローパスフィルタ204 は、並列に結合されたローパスフィルタ抵抗のような抵抗素子208 およびローパスフィルタキャパシタのような容量素子210 を含んでいる。そのように結合されているため、ローパスフィルタ204 は、検出器信号207 が１／ＲＣの１次の時定数関係にしたがってダイオード206 からの整流された信号を遅延する回路を構成する。
【００３６】
いくつかの状況において、多数の次数の時定数を有するローパスフィルタ204 のネットワークが好ましい。この選択は、入力信号102 の平均パワー変化とピークパワーパルスとの間の持続期間関係に依存する。したがって、設計選択の問題であるローパスフィルタは、入力信号の急峻な濾波を示すように設計されることができる。
【００３７】
１実施形態では、検出器信号107 は直接減衰器108 へ送られ、減衰器108 は検出器信号にしたがって入力信号をダイナミックに減衰する。別の実施形態では、検出器信号107 は信号調整装置212 を通過し、信号調整装置212 は検出器信号107 と減衰器108 との間の利得関係を構成する。例えば検出器106 が減衰器回路を適切に駆動するのに必要な信号電圧を提供できないならば、信号調整装置は信号の利得を調節するか、減衰器回路の入力インピーダンスを整合するようにインピーダンスの変化を与えることができる。所望ならば、信号調整装置212 はまた付加的なローまたはハイパス濾波を実行でき、それによって減衰器に入る信号のダイナミック特性は増幅器110 の平均パワーを予め選択されたまたはダイナミックに決定された値に限定し、それによって信号ピークの適切な通過を許容しながらダメージを防止する。
【００３８】
１実施形態では、減衰器108 は入力信号102 を接地226 へ電気的に結合するシャントリミタ装置を構成している。シャントリミタ装置は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）214 を具備できる。図示の実施形態では、ＦＥＴ 214は検出器信号107 が供給される（前述したように信号調整装置212 により選択的に処理されてもよい）ゲート216 を具備している。ＦＥＴ 214はまた入力信号102 を供給されるソース218 と、接地226 と接続されているドレインを具備している。１実施形態では、ＦＥＴ 214は強化されたＦＥＴであり、したがってゲート216 上のゼロ電圧は入力信号102 の接地電位への分路がないことを確実にするのに適している。強化されたＦＥＴは平均パワー検出器回路により与えられたゲート電圧を有する電圧制御シャントリミタとして使用される。結果として回路の減衰は平均パワー入力に依存する。代わりに、他のタイプのＦＥＴ 214は、入力信号102 が適切な時間に適切な量をシャントされ説明した平均パワー限定機能を行うことを確実にするため、（例えば信号調整装置を使用して）これらが適切にバイアスされる限り使用されることができる。
【００３９】
コンポーネントの適切な選択により、短い期間のピークパワーは減衰なしで通過するように低速度の応答時間を有するリミタが実現され、所望の動作点を超えないように平均パワーが限定される。この方法で、ダイナミック利得および位相応答はリミタにより影響を受けず、それ故、相互変調歪は増加されないが、静止利得および位相応答はＴＷＴ 114の保護手段を与えるリミタにより変更される。使用されるこのリミタにより、上方レベルがＴＷＴ 114への平均入力駆動に設定される。
【００４０】
図１０は、本発明の１実施形態の実行に使用されているプロセスステップを示したフローチャートである。第１に、ブロック302 で示されているように、入力信号102 の平均パワーに比例した値は入力信号102 のピークパワーと実質的に無関係に決定される。この決定は時間変化する入力信号102 の測定に基づいており、本質的にダイナミックである。重要なことは、入力信号と前述の値との関係はこの明細書の最初に説明したように線形に比例する必要はない。さらに、値は実質上入力信号102 のピークパワーと無関係であるが、入力信号102 とピークパワーの幾つかの残留関係が許容される。例えば、前述の説明で示されている実施形態では、前述の動作は電流整流装置202 と１次ローパスフィルタ204 を使用して行われ、これは入力信号102 のピークを実質上減衰するが、これらを完全には除去しない。したがって、本発明は検出器信号107 に含まれる短期間のピークの幾らかの残された徴候（manifestation ）で実施されてもよい。先に決定された値はここで説明した本発明の目的、すなわち通常入力信号ピークの線形の通過を許容しながら平均パワー出力を限定するのに必要であるので、入力信号102 のピークパワーと無関係であることだけを必要とする。
【００４１】
次に、ブロック304 で示されているように、入力信号102 は先に生成された値にしたがってダイナミックに減衰される。ダイナミックに減衰された入力信号102 はその後増幅器110 へ与えられる。
【００４２】
図１１は、ダイナミックに値を決定し、入力信号102 を減衰する前述の動作を示したフローチャートである。ブロック402 および404 に示されているように、入力信号は整流され、検出器信号107 を発生するようにローパスフィルタで濾波される。その後検出器信号107 は整流され、ローパスフィルタで濾波された入力信号にしたがってシャントされる。
【００４３】
以下の表１は図９で示されているものと類似するコンピュータモデル回路を使用した初期解析結果を示している。
入力 Ｖdet Ｖgate Ｖｓ Ｖload 減衰
1Asin(at)cos(bt) 1.2 -2 0.2Ｖ 0.2Ｖ ０
2Asin(ωt 1.5 -1 0.2Ｖ ＜75ｍＶ 8.5ｄＢ
検出器と減衰器回路は別々にモデル化された。モデル化された２つのケースは（１）低損失で通過しなければならない２搬送波複素数信号と、（２）少なくとも３ｄＢだけ減衰されなければならない同一のピーク振幅を有する１つの搬送波信号であった。表１で示されているように、検出器信号107 の電圧は、さらに高い平均パワー信号が存在するとき約０．３ボルトまたは約２５％の増加を示している。この電圧は単独ではＦＥＴ 214を所望の伝導レベルまで駆動するのに十分ではなく、増幅器のような信号調整装置212 がＦＥＴ 214のゲート216 を駆動するため３ボルトレベルの増加を行うために使用された。さらに高い平均パワー信号が存在するとき、ＦＥＴ 214は導電状態になるように駆動され、８．５ｄＢの減衰が与えられる。信号調整装置212 の調節により、任意の所望の減衰特性が与えられる。
［結論］
本発明の好ましい実施形態の説明を完結する。要約すると、本発明は増幅器のピークパワー出力を制限せずに増幅器の平均パワー出力を制限する方法および装置を開示している。
【００４４】
この方法は、増幅器入力信号の平均パワーに比例した値を、増幅器入力信号のピークパワーと実質的に無関係にダイナミックに決定し、その値にしたがって増幅器入力信号をダイナミックに減衰し、ダイナミックに減衰された増幅器入力信号を増幅器へ提供して増幅器出力信号を発生するステップを有する。
【００４５】
この装置は、入力信号の平均パワーに比例した検出器信号を、入力信号のピークパワーと実質的に無関係にダイナミックに発生する検出器と、その検出器信号にしたがって入力信号をダイナミックに減衰するために検出器および増幅器に接続された減衰器とを具備している。
【００４６】
本発明は特に線形化された衛星用進行波管システムに応用可能である。多数のシステムは、増幅器が線形性を得るために出力バックオフで動作することを必要とし、典型的な出力バックオフの要求は３ｄＢ以上である。残念ながら、誤った状況のために、増幅器が十分に飽和された出力パワーへ駆動される時間が存在し、それ故増幅器はこのパワーを処理することができなければならない。本発明はこの要求を除去し、それによって増幅器はさらに高い誤状況ではなく必要な動作パワーだけを処理しさえすればよい。これにより結果的に増幅器の複雑性を減少し（さらに廉価で進行波管システムの製造を可能にする）、動作点で増幅器をさらに最適にする能力（性能を増加する）を生じる。
【００４７】
本発明の好ましい実施形態の前述の説明は例示および説明のために与えられた。これは本発明を説明した形態に完全に正確に限定することを意図するものではない。多数の変形および変更が前述の説明を考慮して可能である。例えば平均パワーとピークパワーとの関係はデータ信号で使用される複数の搬送波の少なくとも部分的な関数であるので、前述の本発明は信号で使用される複数のキャリアを決定し、時定数または信号調整装置または検出器／信号調整装置の組合わせの他のダイナミック特性を設定するためにこの決定を使用することによって実施されてもよい。これは（キャパシタ210 または抵抗208 のような）可変特性を有するコンポーネントを使用し、適切な特性を有する幾つかのコンポーネントのうちの１つを切換えることによって実行されることができる。また、本発明により行われる信号調整はコンピュータまたはその他のプロセッサにより実行されることができ、デジタル濾波を行う命令を実行することも考えられる。
【００４８】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって限定され、詳細な説明によっては限定されない。前述の明細書の実施形態およびデータは、本発明の構成および製造の完全な説明と使用を与えている。本発明の多数の実施形態は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われることができるので、本発明は特許請求の範囲によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 相互変調積とＴＷＴ伝達関数の線形性との関係を示した図。
【図２】 理想的なＴＷＴ増幅器の伝達関数と実世界のＴＷＴ増幅器特性とを比較したグラフ。
【図３】 搬送波と３次相互変調積レベルとの関係（Ｃ／３ＩＭ）の解析に使用された伝送曲線のグラフ。
【図４】 図３で示されている伝送曲線に対する搬送波と３次相互変調積レベルとの関係（Ｃ／３ＩＭ）のグラフ。
【図５】 ２搬送波の複素数信号のグラフ。
【図６】 異なる数のトーンを有する多搬送波信号のピークと二乗平均平方根（ＲＭＳ）電界強度とを比較したグラフ。
【図７】 時間における８搬送波信号のグラフ表示図。
【図８】 入力駆動リミタを使用している線形進行波管増幅器のトップレベル表示を示したブロック図。
【図９】 入力駆動リミタの１実施形態を示した概略図。
【図１０】 本発明の１実施形態の実行に使用されているプロセスステップを示したフローチャート。
【図１１】 入力信号の平均パワーを検出し、それを使用して平均パワーを限定するために使用されるプロセスステップを示したフローチャート。
Claims (8)
- 進行波管増幅器システムへの入力信号(102)の平均パワーに比例し、進行波管増幅器システムへの入力信号のピークパワーから実質的に独立している検出器信号(107)をダイナミックに生成する検出器(106)と、
検出器信号(107)にしたがって進行波管増幅器システムへの入力信号(102)をダイナミックに減衰する、検出器(106)および増幅器(110)と連絡している減衰器(108)とを具備している進行波管増幅器システム。 - 検出器(106)は、ローパスフィルタ(204)に直列に結合された電流整流器(202)を含んでいる請求項１記載のシステム。
- ローパスフィルタ(204)は、少くとも１つの容量素子(210)に並列に結合された少くとも１つの抵抗素子(208)を含んでいる請求項１または２記載のシステム。
- 抵抗素子(208)の抵抗と容量素子(210)のキャパシタンスは、検出器の応答時間を実質的に１０マイクロ秒より長い期間に制限するように選択される請求項３記載のシステム。
- 減衰器(108)は、検出器信号(107)にしたがって進行波管増幅器システムへの入力信号を接地に電気的に結合するシャントリミタを含んでいる請求項１または２または３または４記載のシステム。
- シャントリミタは、検出器信号(107)が結合されるゲート(216)および接地電位(226)に接続されているソース(220)を備えた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）(214)を含んでいる請求項５記載のシステム。
- 進行波管増幅器システムへの入力信号(102)の平均パワーに比例し、進行波管増幅器システムへの入力信号(102)のピークパワーから実質的に独立している値をダイナミックに決定し、
この値にしたがって進行波管増幅器システムへの入力信号(102)をダイナミックに減衰し、
ダイナミックに減衰された入力信号を進行波管増幅器(110)に供給して、出力信号を生成するステップを含んでいる進行波管増幅器システムへの入力信号(102)の処理方法。 - 進行波管増幅器システムへの入力信号(102)の平均パワーに比例し、進行波管増幅器システムへの入力信号(102)のピークパワーから実質的に独立している値を決定するステップは、
進行波管増幅器システムへの入力信号(102)を整流し、
整流された入力信号(102)をローパスフィルタで濾波するステップを含んでいる請求項７記載の方法。
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