JP4167605B2 - 電力増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、無線信号の本来の波形から包絡線成分を分離した波形を用いて、当該無線信号を再生する包絡線再生型の電力増幅器に関するものである。

近年、ＥＥＲ（Envelope Elimination and Reconstruction）式などの包絡線再生型の電力増幅器に関する提案が数多くなされている（例えば、非特許文献１参照）。
２００３年電子情報通信学会総合大会 Ｂ−５−１８１ 「ＥＥＲ式パワーアンプを用いた携帯端末送信系の検討（１）」

上述の包絡線再生型の電力増幅器は、出力レベルのダイナミックレンジが狭い装置に用いられる場合には、良好な利得と高効率化を達成できるという利点がある。しかし、その反面、振幅と位相の合成誤差が特性劣化に大きく影響するため、基地局装置のように出力レベルのダイナミックレンジが広い装置に用いられる場合には、特に、小電力の信号を増幅する場合における当該信号の生成時に量子化誤差が発生し、信号純度が劣化しやすいという問題点があった。

本発明の目的は、出力レベルのダイナミックレンジが広く、かつ、小電力時における信号純度の劣化を防止することができる包絡線再生型の電力増幅器を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の包絡線再生方式の電力増幅器は、非線形増幅器と、入力信号の電圧に応じて出力電圧を可変し、可変した出力電圧を前記非線形増幅器に印加するＤＣ／ＤＣコンバータと、が配置され、当該非線形増幅器により無線信号の増幅が行われる第１の増幅経路と、線形増幅器が配置され、当該線形増幅器により無線信号の増幅が行われる第２の増幅経路と、３チャネル出力型のＤ／Ａコンバータと、振幅変調、周波数変調および位相変調が施された無線信号を前記Ｄ／Ａコンバータから前記第２の増幅経路の前記線形増幅器に出力するためのデータと、振幅変調、周波数変調および位相変調が施された無線信号から振幅包絡線変調成分を分離した無線信号を前記Ｄ／Ａコンバータから前記第１の増幅経路の前記ＤＣ／ＤＣコンバータに出力するためのデータと、振幅変調、周波数変調および位相変調が施された無線信号から周波数変調成分および位相変調成分を分離した無線信号を前記Ｄ／Ａコンバータから前記第１の増幅経路の前記非線形増幅器に出力するためのデータを、前記Ｄ／Ａコンバータに出力する演算処理手段と、前記第１の増幅経路にて増幅された無線信号と前記第２の増幅経路にて増幅された無線信号とをベクトル合成する合成手段と、前記合成手段にてベクトル合成された無線信号を外部に出力する出力手段とを有し、前記出力手段から外部に出力される無線信号は、前記無線信号の振幅値が第１の所定値よりも小さい場合、前記第２の増幅経路にて増幅された無線信号となることを特徴とするものである。

この構成によれば、無線信号の振幅値が第１の所定値よりも小さな小電力領域の範囲内にある場合は、信号純度の良い線形増幅器により無線信号を増幅するため、信号純度の維持を図ることが可能となる。また、無線信号の振幅値が第２の所定値よりも大きな大電力領域の範囲内にある場合は、効率の良い飽和型の非線形増幅器により無線信号を増幅するため、電力増幅器を高効率に運用することが可能となる。それにより、出力レベルのダイナミックレンジを広くすることが可能になるとともに、小電力時における信号純度の劣化を防止することが可能となる。

この構成によれば、電力領域に応じた増幅経路の切り替えを、演算処理手段での無線信号の変調処理による振幅制御と、合成手段での無線信号のベクトル合成とを用いて行うため、無瞬断に切り替えを行うことが可能となる。

以上説明したように、本発明においては、以下に記載するような効果を奏する。

第１の効果は、無線信号の振幅値が第１の所定値よりも小さな小電力領域の範囲内にある場合、Ａ級増幅器に代表される信号純度の良い線形増幅器により無線信号を増幅するため、無線信号の純度を維持し、安定した品質を保つことができるということである。

第２の効果は、無線信号の振幅値が第２の所定値よりも大きな大電力領域の範囲内にある場合、ＡＢ級増幅器、Ｂ級増幅器、Ｃ級増幅器に代表される効率の良い飽和型の非線形増幅器により無線信号を増幅するため、高効率運用を行うことができるということである。

第３の効果は、無線信号の振幅値が小電力領域または大電力領域のいずれの範囲内にある場合にも、電力領域に応じた最適な方式で無線信号を増幅するため、出力レベルのダイナミックレンジを広くすることができるということである。

第４の効果は、電力領域に応じた増幅経路の切り替えを、演算処理手段での無線信号の変調処理による振幅制御と、合成手段での無線信号のベクトル合成とを用いて行うため、無瞬断に切り替えを行うことができるということである。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１に、本発明の一実施形態による電力増幅器の構成を示す。

図１を参照すると、本実施形態による電力増幅器は、演算処理部１１と、Ｄ／Ａコンバータ１２と、フィルタ１３〜１５と、位相調整器２１，２２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、トランジスタ４１，４２と、合成器５０と、出力端子６０とを有している。このうち、演算処理部１１、Ｄ／Ａコンバータ１２、およびフィルタ１３〜１５は、トランジスタ４１，４２によって増幅される無線信号の波形を生成する波形生成部１０を構成している。

演算処理部１１は、高集積化された集積回路であり、外部から無線信号の直交変調に用いられる同相信号Ｉおよび直交信号Ｑが入力され、同相信号Ｉおよび直交信号Ｑの直交変調を行う。そして、演算処理部１１は、変調処理が施された複数チャネル（本実施形態では３チャネル）の無線信号をＤ／Ａコンバータ１２にて生成させるため、これらの無線信号に各々対応するデータをＤ／Ａコンバータ１２に出力する。

Ｄ／Ａコンバータ１２は、複数チャネル出力型（本実施形態では３チャネル）のＤ／Ａコンバータであり、演算処理部１１から出力された３チャネルのデータを各々量子化して、変調が施された無線アナログ信号を生成する。この３チャネルの無線信号は、量子化時に発生する高調波成分を除去して変調信号に必要な帯域制限を行うフィルタ１３，１４，１５を各々通して、Ｄ／Ａコンバータ１２から経路Ａ，Ｂ，Ｃに出力される。なお、経路Ａはトランジスタ４２の増幅経路である第２の増幅経路に相当し、経路Ｂ，Ｃはトランジスタ４１の増幅経路である第１の増幅経路に相当する。

ここで、演算処理部１１は、振幅変調・周波数変調・位相変調が施された本来得られる理想の無線信号を、Ｄ／Ａコンバータ１２から経路Ａに出力させる。ただし、理想の無線信号の電力領域が大電力領域（無線信号の振幅値が基準となる第２所定値よりも大きい領域）にある場合には、その無線信号の振幅を一定値に制限した上で経路Ａに出力する。経路Ａの無線信号は、位相調整器２２を経由してトランジスタ４２に入力され、トランジスタ４２にて増幅される。

また、演算処理部１１は、本来得られる理想の無線信号から周波数／位相変調成分のみを分離した無線信号、すなわち、周波数変調・位相変調のみが施された定振幅無線信号を、Ｄ／Ａコンバータ１２から経路Ｃに出力させる。経路Ｃの無線信号は、位相調整器２１を経由してトランジスタ４１に入力され、トランジスタ４１にて増幅される。

また、演算処理部１１は、本来得られる理想の無線信号から振幅包絡線成分のみを分離した無線信号、すなわち、包絡線成分の振幅変調のみが施された無線信号を、Ｄ／Ａコンバータ１２から経路Ｂに出力させる。経路Ｂの無線信号は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に入力される。

合成器５０は、トランジスタ４１，４２で各々増幅された無線信号のベクトル合成を行う合成器であり、例えば、ウィルキンソン型の合成器にて構成することができる。

位相調整器２１，２２は、フィルタ１４から経路Ｃに出力された無線信号、フィルタ１５から経路Ａに出力された無線信号を各々遅延させて、両無線信号が合成器５０に入力される際の位相を合わせるための調整器である。この調整は、合成器５０による無線信号のベクトル合成によって最大の振幅が得られることに寄与する。

トランジスタ４１は、比較的大電力の無線信号を増幅する大電力増幅トランジスタであり、ＡＢ級増幅器、Ｂ級増幅器、Ｃ級増幅器などに代表される飽和型の非線形増幅器である。

トランジスタ４２は、比較的小電力の無線信号を増幅する小電力増幅トランジスタであり、Ａ級増幅器に代表される線形増幅器である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、経路Ｂの無線信号を入力し、その無線信号の入力電圧に応じて出力電圧を可変し、可変した出力電圧を電源電圧としてトランジスタ４１に印加する電源である。この電圧制御、いわゆる電源電圧変調制御を行うことにより、本来、経路Ｃの定振幅無線信号の増幅を行うトランジスタ４１の利得が変化する。

したがって、経路Ｃの周波数変調・位相変調のみが施された定振幅無線信号は、トランジスタ４１によって、振幅が増幅された上で、さらに振幅変調されるため、振幅変調・周波数変調・位相変調が施された無線信号に変換されることになる。これらの動作は、Ａ級振幅器が行う線形増幅と等価の動作となるため、本実施形態では、飽和型増幅器であるトランジスタ４１による高効率化と線形増幅との両立を図ることが可能となる。

一方、経路Ａの振幅変調・周波数変調・位相変調が施された無線信号は、トランジスタ４２によって振幅が増幅される。

トランジスタ４１によって増幅される源信号となる経路Ｃの無線信号は、比較的小電力（振幅小）領域では、Ｄ／Ａコンバータ１２による量子化誤差が大きいために、所定の純度が得られにくい。そこで、本実施形態では、演算処理部１１によって理想の無線信号から振幅包絡線変調成分を分離して振幅制御を行った波形を経路Ｂの無線信号とすることで、無線信号が小電力領域（無線信号の振幅値が基準となる第１所定値よりも小さい領域。以下同じ）にある場合は、経路Ｂの無線信号の振幅値を抑圧し、トランジスタ４１の振幅変調動作を停止する。このことにより、トランジスタ４１による無線信号の振幅増幅動作自体が停止されることになる。そのため、無線信号が小電力領域にある場合は、出力端子６０から外部出力される無線信号は、結果的にトランジスタ４２の増幅経路のみによって増幅された信号となる。トランジスタ４２はＡ級増幅を行うため、経路Ａの振幅変調・周波数変調・位相変調が施された無線信号を忠実に増幅する。それにより、無線信号の純度を損なうこと無く運用することができる。

一方、トランジスタ４２によって増幅される源信号となる経路Ａの無線信号は、トランジスタ４２によって忠実に増幅されるため、比較的大電力（振幅大）領域では、ダイナミックレンジが不足する。そこで、本実施形態では、無線信号の電力領域が振幅上限値に近づくような大電力領域（無線信号の振幅値が基準となる第２所定値よりも大きい領域。以下同じ）にある場合、演算処理部１１によって経路Ａの無線信号の振幅値を徐々に一定に制限する。このことにより、トランジスタ４２の出力は徐々に制限されることになるため、無線信号が大電力領域にある場合は、出力端子６０から外部出力される無線信号は、結果的にトランジスタ４１の増幅経路のみによって増幅された信号となる。

すなわち、トランジスタ４１，４２の出力は、無線信号の電力領域に応じて動作が異なる。トランジスタ４１は、無線信号が大電力領域にある場合は、本来得られる理想の無線信号に対して線形増幅と等価の動作を行った増幅信号を出力するが、小電力領域にある場合は増幅動作を停止する。一方、トランジスタ４２は、無線信号が小電力領域にある場合は、理想の無線信号に対して線形増幅を行った増幅信号を出力するが、大電力領域にある場合は、理想の無線信号の振幅を制限した波形を出力する。トランジスタ４１，４２で各々増幅された無線信号は、合成器５０によりベクトル合成される。

したがって、無線信号が大電力領域で用いられる場合は、出力端子６０から外部出力される増幅信号は、トランジスタ４１の増幅経路による増幅信号が支配的となるため、高効率の電力増幅を行うことができる。一方、無線信号が小電力領域で用いられる場合は、出力端子６０から外部出力される増幅信号は、トランジスタ４２の増幅経路による増幅信号が支配的となるため、信号純度の高い電力増幅を行うことができる。

それにより、本実施形態による電力増幅器は、ダイナミックレンジが広く、かつ、信号純度の安定した電力増幅を行うことができる。また、電力領域に応じた増幅経路の切り替えを、演算処理部１１での変調処理による振幅制御と、合成器５０でのベクトル合成とによって行うため、無線信号が瞬断されること無く増幅経路を切り替えることができる。

以下に、図１に示した電力増幅器の動作について、図２〜図４を参照して詳細に説明する。

演算処理部１１は、外部から入力された同相信号Ｉおよび直交信号Ｑの直交変調を行い、Ｄ／Ａコンバータ１２にて直交変調されたアナログ無線信号を生成するためのデータを演算して出力し、Ｄ／Ａコンバータ１２は、このデータを量子化して無線信号を得る。このとき得られた無線信号の変調波形を図２（ａ）に示す。なお、図２（ａ）の波形は、無線信号が小電力領域で用いられる場合における、本来得られる理想の変調波形を示している。さらに、演算処理部１１は、図２（ａ）の変調波形から振幅包絡線変調成分を分離した変調波形と、周波数／位相変調成分を分離した変調波形とをＤ／Ａコンバータ１２にて生成するためのデータも各々演算して出力し、Ｄ／Ａコンバータ１２は、これらのデータを各々量子化して無線信号を得る。このとき得られた、振幅包絡線変調成分のみを含む無線信号の変調波形を図２（ｂ）に、周波数／位相変調成分のみを含む定振幅の無線信号の変調波形を図２（ｃ）に示す。図２（ａ）〜（ｃ）の無線信号は、フィルタ１３〜１５を通して、経路Ａ〜Ｃに各々出力される。ただし、経路Ｂには、図２（ｂ）の波形のプラス側もしくはマイナス側のいずれかの波形が出力されることになる。

ここで、各々の無線信号は、振幅出力タイミングと位相出力タイミングが、電力増幅器の端部で同期していることが必要である。

飽和型増幅器であるトランジスタ４１は、図２（ｃ）の定振幅無線信号を電力増幅するが、同時にＤＣ／ＤＣコンバータ３０から出力された電源電圧による利得制御を受けるため、電力増幅した無線信号の波形に対してさらに振幅変調を施す。

図３に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の関係、およびＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖ２とトランジスタ４１の出力電力Ｐの関係を示す。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、経路Ｂの無線信号が入力されると、その無線信号の入力電圧Ｖ１（図１参照）に応じて出力電圧Ｖ２（図１参照）を可変し、トランジスタ４１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０から印加された出力電圧Ｖ２により利得制御を受けて、図２（ｃ）の無線信号を電力増幅した上でさらに振幅変調を施し、出力電力Ｐ（図１参照）の無線信号を出力する。すなわち、本実施形態では、図２（ｃ）の無線信号の増幅信号の振幅を、図２（ｂ）の無線信号を用いて変調することで、図２（ａ）の無線信号の増幅信号と同等の振幅を実現している。

しかしながら、基地局装置のように出力レベルのダイナミックレンジが広い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０にて制御が行われる大電力の電力領域だけではダイナミックレンジが不足するため、小電力領域にも対応する必要がある。しかし、小電力領域では、Ｄ／Ａコンバータ１２の量子化誤差が増大し、無線信号の純度が劣化するという問題がある。そこで、本実施形態では、小電力領域では、通常は線形増幅を行うトランジスタ４２により増幅された無線信号を合成して信号劣化を補うことにより上記の問題を解決している。

図４に、図１に示した電力増幅器の内部での増幅前後の無線信号の振幅値の関係を示す。なお、図４において、カーブ４０１〜４０３の振幅値はデシベル（ｄＢ）表現で示されている。

カーブ４０１は、横軸を図２（ｃ）の波形の振幅値、縦軸をトランジスタ４１の出力波形の振幅値としたカーブである。演算処理部１１は、無線信号の振幅値が電力領域５０２の範囲内にある場合には、無線信号の振幅値が小さくなるに従って、経路Ｂの無線信号（図２（ｂ））の振幅値を急激に小さくすることにより、トランジスタ４１の利得を急激に小さくしている。このように、無線信号が電力領域５０２の範囲内にある場合には、図２（ｃ）の波形を増幅したトランジスタ４１の出力は急激に小さくなり、さらに、電力領域５０１の範囲内になると、トランジスタ４１の出力は無視できるほど充分に小さくなっている。そのため、無線信号が小電力領域（図４では電力領域５０１）にある場合には、トランジスタ４１の増幅経路が遮断される。

カーブ４０２は、横軸を図２（ａ）の波形（後述の振幅制御が行われる前の理想の変調波形）の振幅値、縦軸をトランジスタ４２の出力波形の振幅値としたカーブである。演算処理部１１は、無線信号の振幅値が電力領域５０１の範囲内にある場合には、理想の変調波形である図２（ａ）の波形を経路Ａの無線信号とする。しかし、無線信号の振幅値が電力領域５０２の範囲内にある場合には、無線信号の振幅値が大きくなるに従って、図２（ａ）の波形の振幅値を徐々に制限し、さらに、電力領域５０３の範囲内になると、図２（ａ）の波形の振幅値をほぼ一定にしている。そのため、無線信号が大電力領域（図４では電力領域５０３）にある場合には、トランジスタ４２の出力が一定に制限されるため、トランジスタ４２の増幅経路による増幅信号は一定に制限される。

カーブ４０３は、横軸を図２（ａ）の波形（後述の振幅制御が行われる前の理想の変調波形）の振幅値、縦軸をトランジスタ４１，４２の出力をベクトル合成した合成器５０の出力波形の振幅値としたカーブである。無線信号が大電力領域である電力領域５０３の範囲内にある場合には、カーブ４０２で示されるトランジスタ４２の出力振幅は飽和状態にあるため、トランジスタ４２の出力は無視することができ、合成器５０の出力は、カーブ４０１で示されるトランジスタ４１による増幅信号の振幅値が支配的となる。また、無線信号が小電力領域である電力領域５０１の範囲内にある場合には、カーブ４０１で示されるトランジスタ４１による増幅信号の出力は充分に小さいために無視することができ、合成器５０の出力は、カーブ４０２で示されるトランジスタ４２による増幅信号の振幅値が支配的となる。また、無線信号が、小電力領域、大電力領域のいずれにも属さない電力領域５０２の範囲内にある場合には、合成器５０の出力は、カーブ４０１，４０２で各々示されるトランジスタ４１，４２による増幅信号をベクトル合成した値、すなわち増幅信号の電力の和となる。この電力領域５０２の範囲内においては、演算処理部１１は、カーブ４０３の線形性を維持するように、Ｄ／Ａコンバータ１２から出力される無線信号の波形制御を行う。したがって、カーブ４０３の入出力特性は、図４に示すように線形性が維持される。

なお、本実施形態においては、経路Ｂ，Ｃを伝達された無線信号に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０およびトランジスタ４１によって、Ａ級振幅器による線形増幅と等価の動作を実現しているが、本発明はこれに限定されず、増幅領域が異なる線形増幅器を並列接続し、その後段に合成器を設けた構成とし、各々の線形増幅器で経路Ｂ，Ｃを伝達された無線信号を増幅し、その後段に合成器で増幅信号を合成することもできる。この構成の場合、フィルタ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は省略することが可能である。

本発明の一実施形態による電力増幅器の構成を示す図である。 図１に示した波形生成部１０にて生成された無線信号の変調波形の一例を示す図であり、（ａ）は経路Ａに伝達される無線信号、（ｂ）は経路Ｂに伝達される無線信号、（ｃ）は経路Ｃに伝達される無線信号である。 図１に示したＤＣ／ＤＣコンバータ３０の入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の関係、およびＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖ２とトランジスタ４１の出力電力Ｐの関係を示す。 図１に示した電力増幅器の内部での増幅前後の無線信号の振幅値の関係を示す図である。

符号の説明

１０ 波形生成部
１１ 演算処理部
１２ Ｄ／Ａコンバータ
１３〜１５ フィルタ
２１，２２ 位相調整器
３０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４１，４２ トランジスタ
５０ 合成器
６０ 出力端子

Claims (5)

1. 包絡線再生方式の電力増幅器において、
   非線形増幅器と、入力信号の電圧に応じて出力電圧を可変し、可変した出力電圧を前記非線形増幅器に印加するＤＣ／ＤＣコンバータと、が配置され、当該非線形増幅器により無線信号の増幅が行われる第１の増幅経路と、
   線形増幅器が配置され、当該線形増幅器により無線信号の増幅が行われる第２の増幅経路と、
   ３チャネル出力型のＤ／Ａコンバータと、
   振幅変調、周波数変調および位相変調が施された無線信号を前記Ｄ／Ａコンバータから前記第２の増幅経路の前記線形増幅器に出力するためのデータと、振幅変調、周波数変調および位相変調が施された無線信号から振幅包絡線変調成分を分離した無線信号を前記Ｄ／Ａコンバータから前記第１の増幅経路の前記ＤＣ／ＤＣコンバータに出力するためのデータと、振幅変調、周波数変調および位相変調が施された無線信号から周波数変調成分および位相変調成分を分離した無線信号を前記Ｄ／Ａコンバータから前記第１の増幅経路の前記非線形増幅器に出力するためのデータを、前記Ｄ／Ａコンバータに出力する演算処理手段と、
   前記第１の増幅経路にて増幅された無線信号と前記第２の増幅経路にて増幅された無線信号とをベクトル合成する合成手段と、
   前記合成手段にてベクトル合成された無線信号を外部に出力する出力手段とを有し、
   前記出力手段から外部に出力される無線信号は、前記無線信号の振幅値が第１の所定値よりも小さい場合、前記第２の増幅経路にて増幅された無線信号となる、電力増幅器。
2. 前記演算処理手段は、振幅変調、周波数変調および位相変調が施された無線信号を、当該無線信号の振幅値が前記第２の所定値よりも大きい場合は一定に制限した上で、前記Ｄ／Ａコンバータから前記第２の増幅経路の前記線形増幅器に出力するためのデータを、前記Ｄ／Ａコンバータに出力し、
   前記出力手段から外部に出力される無線信号は、前記無線信号の振幅値が第２の所定値よりも大きい場合、前記第１の増幅経路にて増幅された無線信号となる、請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記演算処理手段は、前記無線信号の振幅値が前記第１の所定値以上で前記第２の所定値以下である場合は、前記合成手段にてベクトル合成された波形の線形性を維持するような無線信号を前記Ｄ／Ａコンバータから出力するためのデータを、前記Ｄ／Ａコンバータに出力する、請求項１または２に記載の電力増幅器。
4. 前記非線形増幅器は、ＡＢ級増幅器、Ｂ級増幅器、またはＣ級増幅器のいずれかである、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力増幅器。
5. 前記線形増幅器は、Ａ級増幅器である、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力増幅器。

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