JP4243234B2

JP4243234B2 - Ｅｅｒ高周波増幅器

Info

Publication number: JP4243234B2
Application number: JP2004273890A
Authority: JP
Inventors: 和弘内山; 晋司大川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2024-09-21
Also published as: US7541865B2; JP2006093874A; WO2006033303A1; US20070247232A1

Description

本発明は、振幅信号を入力して電源電圧を制御することにより増幅及び振幅変調を行うＥＥＲ高周波増幅器に関する。

従来より、無線通信機などにおいては、高効率な変調増幅性能を有するＥＥＲ(Envelope Elimination and Restoration：包絡線除去及び復元)変調増幅器を用いた増幅方式が提案されている。このＥＥＲ変調増幅器は、ＢクラスまたはＥクラスの飽和増幅器を用いて高周波信号の増幅を行い、さらに、飽和増幅器における最終段増幅部の電源端子に振幅信号を入力することにより振幅変調を行っている。したがって、このＥＲＲ変調増幅器は、本来の高周波増幅器による線形増幅機能に変調機能が付加された複合機能を有している（例えば、特許文献１参照）。このようなＥＥＲ高周波増幅器では、高周波増幅部は振幅情報のない位相信号のみを増幅し、例えば、ガリウム砒素ＦＥＴ（ＧａＡｓＦＥＴ）で構成された高周波増幅部において、ドレイン電圧によってＧａＡｓＦＥＴの利得が変わることを利用し、振幅信号に応じてドレイン電源電圧を制御することで振幅変調を行っている。このような構成により、高周波増幅部では振幅信号の増幅を行わないため、高周波増幅部には効率の優れた飽和増幅器を使用することができる。その結果として、ＥＥＲ高周波増幅器の効率を向上させることが可能となる。

図５は、従来から用いられているＥＥＲ高周波増幅器の概略的な構成図である。図５において、ＥＥＲ高周波増幅器１０へ高周波信号が入力されると、包絡線検出部１１とリミッタ１２とを通過することによって、高周波信号は振幅成分と位相成分の極性成分にそれぞれ分解される。そして、分解された振幅成分と位相成分はそれぞれ別の経路（つまり、振幅信号経路１３と位相信号経路１４）に流れて別々に増幅される。すなわち、位相信号経路１４を流れる位相信号は高周波増幅部１６で増幅され、振幅信号経路１３を流れる振幅信号はベースバンド増幅部１５で増幅されるが、このとき、ベースバンド増幅部１５で増幅された振幅信号が高周波増幅部１６の電源電圧となることによって、高周波増幅部１６で振幅変調が行われて振幅成分と位相成分が再結合され、線形に増幅された高周波信号が出力される。

しかし、実際のＥＥＲ高周波増幅器では、電源電圧の変化による高周波増幅部１６の利得変動のダイナミックレンジの幅を振幅成分に対して十分に大きく確保しなければ、本来生成すべき振幅信号を正確に表現することができず、結果として所望の高周波信号を出力することはできない。そのため、高周波増幅部１６で広いダイナミックレンジを実現することが必須である。特に、電源電圧を低くして高周波増幅部１６の利得を下げたときには、高周波増幅部１６の入出力間におけるアイソレーションの不足に起因する入力信号の出力側への漏洩が顕著に現れるため、電源電圧に対する利得のダイナミックレンジが制限されてしまうことがある。

このようなアイソレーションの不具合に対する改善策として、高周波増幅器の入出力間に金属板を挿入して、空間による入出力間の電気的な結合を防ぐ方法が知られている。図６は、従来の高周波増幅器において入出力間のアイソレーションを改善するための概念図である。図６に示すように、高周波増幅器１７の入出力間に金属シールド板２０が介在されていて、入力信号ライン１８と出力信号ライン１９を高周波信号に対してアイソレートしている。すなわち、金属シールド板２０によって、高周波増幅器１７の入出力間の空間的な電気結合を抑制してアイソレーションの改善を図ることができる（例えば、非特許文献１参照）。

また、高周波増幅器の入力または段間にインピーダンス整合回路を介在させると共に、このインピーダンス整合回路に電圧可変素子を設けることによってアイソレーションの改善を図る技術も知られている。この技術によれば、制御電圧によってインピーダンス整合回路の電圧可変素子の常数を変化させることにより反射波／進行波の比（すなわち、ＳＷＲ）を変化させ、実質的にＳＷＲを高くすることによって見掛け上の入力信号を抑えることにより出力側への漏洩信号を減らすことができ、アイソレーションの改善を図ることが可能となる（例えば、特許文献２参照）。
特許第３２０７１５３号公報特開平８−２２２９７３号公報鈴木雅臣著「新・低周波／高周波回路設計マニュアル」ＣＱ出版１９８８年

しかしながら、前記の非特許文献１の技術では、高周波増幅器の入出力間に設けた金属シールド板による物理的なシールド対策を行っているため、高周波増幅器の入出力間における空間の結合のみにしかシールド効果が得られない。そのため、空間と線間を含めた実質的なアイソレーションを向上させることができないので、高周波増幅器の利得のダイナミックレンジを拡大させるには限界がある。また、前記の特許文献２の技術においても、高周波増幅器に使用されるデバイス内部のアイソレーションを向上させることはできないので、利得のダイナミックレンジをそれ程拡大させることはできない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高周波増幅部に使用するデバイスに所定の制御を行うことによってデバイス内部のアイソレーションを向上させ、高周波増幅部の利得のダイナミックレンジを拡大させたＥＥＲ高周波増幅器を提供することを目的とする。

本発明のＥＥＲ変調増幅器は、入力された高周波信号から位相信号と振幅信号とを分離して個別に増幅し、増幅された前記位相信号を高調波増幅部のゲート電圧とし、増幅された前記振幅信号に基づいて前記高周波増幅部のドレイン電圧を制御することにより、前記高周波増幅部から所望の変調増幅信号を出力するＥＥＲ変調増幅器であって、前記振幅信号に応じたドレイン電圧を発生して前記高周波増幅部のドレイン端子に供給するドレイン電圧発生手段と、あらかじめ設定された第１の基準電圧又は前記第１の基準電圧の電圧レベル以上の第２の基準電圧と、前記ドレイン電圧との大きさを比較判定するドレイン電圧判定手段と、前記ドレイン電圧判定手段が判定した前記第１の基準電圧又は前記第２の基準電圧と前記ドレイン電圧との大小関係に基づいて、前記高周波増幅部のゲート電圧を保持する、又は、前記ドレイン電圧に応じて前記高周波増幅部のゲート電圧を可変させるゲート電圧制御手段と、を備える構成を採る。

また、本発明のＥＥＲ変調増幅器は、前記第２の基準電圧は、前記第１の基準電圧より電圧レベルが高く、前記ゲート電圧制御手段は、前記ドレイン電圧が、前記第１の基準電圧以下の場合、初期設定した第１のゲート電圧を保持し、前記ドレイン電圧が、前記第１の基準電圧以上であって前記第２の基準電圧以下の場合、前記高周波増幅部のゲート電圧を前記ドレイン電圧と比例させる構成を採る。

また、本発明のＥＥＲ変調増幅器においては、ドレイン電圧判定手段は、高周波信号から分離された振幅信号を直接検出し、基準電圧と検出した振幅信号との大きさを比較判定することにより、基準電圧とドレイン電圧との大きさの比較判定に置き換えるようにした構成を採る。

本発明によれば、高周波増幅部のドレイン電圧とあらかじめ設定した基準電圧とを比較して、ドレイン電圧が基準電圧以下のとき（または、以上のとき）には、高周波増幅部に使用するデバイスのゲート電圧を制御することによってデバイスの利得を抑え、デバイス内部のアイソレーションを向上させている。これによって、高周波増幅部の利得のダイナミックレンジを拡大させることができる。つまり、ドレイン電圧に応じてゲート電圧を制御することにより、高周波増幅部の入出力間のアイソレーションを向上させているので、構成部品を追加することなく高周波増幅部の利得のダイナミックレンジを拡大させることができる。

また、本発明によれば、高周波増幅を構成するデバイス（例えば、ＧａＡｓＦＥＴ）の入出力間のアイソレーションはゲート電圧により変化することを利用して、高周波増幅部のドレイン電圧が予め設定した第１の基準電圧より低い場合は、初期設定した第１のゲート電圧を保持し、ドレイン電圧が第１の基準電圧より高い場合はゲート電圧をドレイン電圧と比例させて制御している。このようにしてゲート電圧を制御することにより、アイソレーションを向上させることができると共に高周波増幅部の利得のダイナミックレンジを増加させることができる。

本発明は、構成部品の追加や基板の変更を行うことなく、必要に応じて高周波増幅部に使用するデバイスのゲート電圧を制御することによってデバイス内部のアイソレーションを向上させ、ＥＥＲ高周波増幅器全体の利得のダイナミックレンジを拡大させるようにしたことを特徴とする。したがって、従来のＥＥＲ高周波増幅器と変わらない単純な回路構成で利得のダイナミックレンジを拡大させることができるので、ＥＥＲ高周波増幅器のコストパフォーマンスを一段と向上させることが可能となる。以下、本発明のＥＥＲ高周波増幅器について好適な実施の形態について説明するが、実施の形態で用いる各図面において共通する構成要素は同一符号を付し、かつ重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施の形態におけるＥＥＲ高周波増幅器の構成図である。図１において、ＥＥＲ高周波増幅器１は、入力された高周波信号の包絡線を検出して振幅成分を抽出する包絡線検出部２と、入力された高周波信号から位相成分を抽出するリミッタ３と、包絡線検出部２によって振幅成分に分離された振幅信号を増幅するベースバンド増幅部４と、位相成分に分離された位相信号を増幅すると共にベースバンド増幅部４で増幅された振幅信号を電源として振幅変調を行う、デプレッション型のＧａＡｓＦＥＴ５ａからなる高周波増幅部５と、高周波増幅部５におけるＧａＡｓＦＥＴ５ａのゲート電圧を制御するゲート電圧制御部６とを備えた構成となっている。

次に、図１に示すＥＥＲ高周波増幅器１の動作について説明する。高周波信号がＥＥＲ高周波増幅器１へ入力されると、包絡線検出部２が高周波信号の包絡線を検出して振幅成分を抽出し、リミッタ３が高周波信号から位相成分を抽出する。そして、ベースバンド増幅部４が、包絡線検出部２から入力された振幅成分に含まれる振幅信号に応じた電圧を発生し、その電圧を高周波増幅部５におけるＧａＡｓＦＥＴ５ａのドレイン（Ｄ）の電源電圧として供給する。このドレイン電圧はゲート電圧制御部６によって常時モニタされている。そして、ドレイン電圧があらかじめ設定した基準電圧以下（または以上）になると、ゲート電圧制御部６はゲート電圧Ｖｇｓを可変させてＧａＡｓＦＥＴ５ａの入出力間のアイソレーションを増減させる。

例えば、ＧａＡｓＦＥＴ５ａのドレイン電圧が第１の基準電圧以下になると、ゲート電圧制御部６はゲート電圧Ｖｇｓを減少させてＧａＡｓＦＥＴ５ａの入出力間のアイソレーションを増加させ、ドレイン電圧が第１の基準電圧以上で所定の電圧までのときはゲート電圧とドレイン電圧を比例させて通常の増幅制御を行う。さらに、ＧａＡｓＦＥＴ５ａのドレイン電圧が、第１の基準電圧より高い電圧レベルに設定された第２の基準電圧以上になると、ゲート電圧制御部６は、ゲート電圧Ｖｇｓを減少させてＧａＡｓＦＥＴ５ａの入出力間のアイソレーションを増加させ、ドレイン電圧が第２の基準電圧以下で第１の基準電圧以上のときは、ゲート電圧とドレイン電圧を比例させて通常の増幅制御を行う。このようなゲート電圧制御を行うことにより、ＧａＡｓＦＥＴ５ａの入出力間のアイソレーションを制御して、高周波増幅部５における利得のダイナミックレンジを向上させている。

図２は、図１のＥＥＲ高周波増幅器１によって実現されるＧａＡｓＦＥＴのゲート電圧（Ｖｇｓ）に対する利得（Ｇａｉｎ）の関係を示す特性図である。すなわち、図２の特性図は、ＧａＡｓＦＥＴ５ａのドレイン電圧（Ｖｄｓ）を０Ｖに固定し、ゲート電圧（Ｖｇｓ）を可変させたときの利得（Ｇａｉｎ）の変動を示している。

通常、ＥＥＲ高周波増幅器１では、ＧａＡｓＦＥＴ５ａのドレイン電圧（Ｖｄｓ）が０Ｖのときには、ＧａＡｓＦＥＴ５ａの入出力間には結合がない（すなわち、アイソレーションが無限大である）ことが理想であるので、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）が０ＶのときにはＧａＡｓＦＥＴ５ａの利得（Ｇａｉｎ）は小さいほどよいことになる。言い換えれば、ＧａＡｓＦＥＴ５ａを飽和増幅器として動作させるためのバイアス電圧（つまり、ゲート電圧（Ｖｇｓ））は、通常、Ｖｇｓ＝−１．３Ｖ程度であるので、図２の特性図に示すように、ＧａＡｓＦＥＴ５ａのゲート電圧（Ｖｇｓ）を−１．３Ｖから０Ｖまで可変することによって、利得（Ｇａｉｎ）が−１４ｄＢから−２８ｄＢまで約１４ｄＢほど減少する。このような利得（Ｇａｉｎ）の減少量は、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）が０Ｖのときのアイソレーションの改善量を意味している。

図３は、図１のゲート電圧制御部６における内部の回路構成の一例を示す図である。図３に示すように、ゲート電圧制御部６における内部回路は、第１のオペアンプ７、第２のオペアンプ８、ドレイン電圧判定部（ドレイン電圧判定手段）９、及び複数の周辺抵抗を備えた構成となっている。したがって、図１と図３を参照しながらゲート電圧制御部６の動作を説明する。ベースバンド増幅部４の出力電圧（つまり、ドレイン電圧）は、第１のオペアンプ７及び第２のオペアンプ８で増幅されて、高周波増幅部５におけるＧａＡｓＦＥＴ５ａのゲート電圧（Ｖｇｓ）となるが、ドレイン電圧判定部９が常時ドレイン電圧（Ｖｄｓ）を監視している。

そして、ドレイン電圧判定部９が、ＧａＡｓＦＥＴ５ａのドレイン電圧（Ｖｄｓ）が基準電圧（Ｖｒｅｆ）を下回る（または上回る）電圧となったことを検出すると、ゲート電圧制御部６はゲート電圧（Ｖｇｓ）の制御を開始する。すなわち、ドレイン電圧が第１の基準電圧（Ｖｒｅｆ）以下のときには、初期設定したゲート電圧（Ｖｇｓ）を保持し、ドレイン電圧が第１の基準電圧（Ｖｒｅｆ）以上で所定の電圧以下のときにはゲート電圧（Ｖｇｓ）をドレイン電圧（Ｖｄｓ）と比例させて制御して行く。あるいは、ドレイン電圧が第１の基準電圧より高い第２の基準電圧（Ｖｒｅｆ）以上のときには、初期設定したゲート電圧（Ｖｇｓ）を保持し、ドレイン電圧が第２の基準電圧（Ｖｒｅｆ）以下で第１の基準電圧以上のときにはゲート電圧（Ｖｇｓ）をドレイン電圧（Ｖｄｓ）と比例させて制御して行く。

このようにしてＧａＡｓＦＥＴ５ａのゲート電圧（Ｖｇｓ）の制御を行うことにより、通常の使用領域での増幅動作を妨げることなく、かつ、ＧａＡｓＦＥＴ５ａの入出力間のアイソレーションを増減させて、利得（Ｇａｉｎ）のダイナミックレンジを拡大させることができる。尚、図３では、ドレイン電圧判定部９にダイオードＤを用いた例を示したが、同じ機能を有する他のデバイスで構成してもよいことは云うまでもない。また、ドレイン電圧判定部は、同じ機能を有する他の回路構成としても構わない。また、ドレイン電圧判定部９へ入力される信号は、包絡線検出部の出力信号（つまり、振幅信号）を直接利用してもよい。また、高周波増幅部に用いるデバイスにはＧａＡｓＦＥＴを例として説明したが、同じ機能を有する他のデバイスを用いてもよいことは云うまでもない。

尚、ゲート電圧制御部６は上述したようなゲート電圧制御を行うことのみに限定させるものではなく、例えば、ゲート電圧制御部６がドレイン電圧と反比例するような制御を行って、ＧａＡｓＦＥＴ５ａの入出力間のアイソレーションを制御することにより、高周波増幅部５における利得のダイナミックレンジを向上させることもできる。あるいは、ゲート電圧制御部６がドレイン電圧と対数比例するような制御を行ったり、ドレイン電圧と逆対数比例するような制御を行っても、ＧａＡｓＦＥＴ５ａの入出力間のアイソレーションを制御することができるので、高周波増幅部５における利得のダイナミックレンジを向上させることが可能である。

図４は、本発明のＥＥＲ高周波増幅器１において、図３に示すようなゲート電圧制御部の回路を使用したときのダイナミックレンジの改善を実験した特性図であり、横軸にドレイン電圧（Ｖｄｓ）を表わし、縦軸に利得（Ｇａｉｎ）を表わしている。図４に示すように、ゲート電圧（Ｖｇｓ）の制御なし（Ｖｇｓ制御無し）のときは、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）を０．１Ｖ以下まで下げても利得（Ｇａｉｎ）は約−１３ｄＢ以下までしか下がらない。しかし、ゲート電圧（Ｖｇｓ）の制御あり（Ｖｇｓ制御有り）のときは、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）を０．００１Ｖとしたときの利得（Ｇａｉｎ）は約−２９ｄＢまで下がり、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）を０．１Ｖ以下まで下げたときでも利得（Ｇａｉｎ）は約−２０ｄＢまで下がっている。すなわち、ゲート電圧を制御することによってアイソレーションが約１６ｄＢ改善され、結果的に、高周波増幅器の利得（Ｇａｉｎ）のダイナミックレンジが約１６ｄＢほど向上したことになる。

以上説明したように、本発明のＥＥＲ高周波増幅器を用いることにより、高周波増幅部に使用するデバイス内部のアイソレーションを一段と向上させることができる。したがって、本発明のＥＥＲ高周波増幅器は、移動体通信における基地局装置や端末機器のみならず、地上波ディジタルのテレビ送信機や高速な無線データ通信装置などにも適用することができる。

本発明の一実施の形態におけるＥＥＲ高周波増幅器の構成図図１のＥＥＲ高周波増幅器によって実現されるＧａＡｓＦＥＴのゲート電圧に対する利得の関係を示す特性図図１のゲート電圧制御部における内部の回路構成の一例を示す図図３に示すゲート電圧制御部の回路を使用したときのダイナミックレンジの改善を実験した特性図従来から用いられているＥＥＲ高周波増幅器置の概略的な構成図従来の高周波増幅器において入出力間のアイソレーションを改善するための概念図

符号の説明

１ＥＥＲ高周波増幅器
２包絡線検出部
３リミッタ
４ベースバンド増幅部
５高周波増幅部
５ａＧａＡｓＦＥＴ
６ゲート電圧制御部

Claims

入力された高周波信号から位相信号と振幅信号とを分離して個別に増幅し、増幅された前記位相信号を高調波増幅部のゲート電圧とし、増幅された前記振幅信号に基づいて前記高周波増幅部のドレイン電圧を制御することにより、前記高周波増幅部から所望の変調増幅信号を出力するＥＥＲ変調増幅器であって、
前記振幅信号に応じたドレイン電圧を発生して前記高周波増幅部のドレイン端子に供給するドレイン電圧発生手段と、
あらかじめ設定された第１の基準電圧又は前記第１の基準電圧の電圧レベル以上の第２の基準電圧と、前記ドレイン電圧との大きさを比較判定するドレイン電圧判定手段と、
前記ドレイン電圧判定手段が判定した前記第１の基準電圧又は前記第２の基準電圧と前記ドレイン電圧との大小関係に基づいて、前記高周波増幅部のゲート電圧を保持する、又は、前記ドレイン電圧に応じて前記高周波増幅部のゲート電圧を可変させるゲート電圧制御手段と、
を備えることを特徴とするＥＥＲ変調増幅器。
前記第２の基準電圧は、前記第１の基準電圧より電圧レベルが高く、
前記ゲート電圧制御手段は、
前記ドレイン電圧が、前記第１の基準電圧以下の場合、初期設定した第１のゲート電圧を保持し、前記ドレイン電圧が、前記第１の基準電圧以上であって前記第２の基準電圧以下の場合、前記高周波増幅部のゲート電圧を前記ドレイン電圧と比例させることを特徴とする請求項１に記載のＥＥＲ変調増幅器。
前記第２の基準電圧は、前記第１の基準電圧より電圧レベルが高く、
前記ゲート電圧制御手段は、
前記ドレイン電圧が、前記第１の基準電圧以下の場合、初期設定した第１のゲート電圧を保持し、前記ドレイン電圧が、前記第１の基準電圧以上であって前記第２の基準電圧以下の場合、前記高周波増幅部のゲート電圧を前記ドレイン電圧と反比例させることを特徴とする請求項１に記載のＥＥＲ変調増幅器。
前記第２の基準電圧は、前記第１の基準電圧より電圧レベルが高く、
前記ゲート電圧制御手段は、
前記ドレイン電圧が、前記第１の基準電圧以下の場合、初期設定した第１のゲート電圧を保持し、前記ドレイン電圧が、前記第１の基準電圧以上であって前記第２の基準電圧以下の場合、前記高周波増幅部のゲート電圧を前記ドレイン電圧と対数比例させることを特徴とする請求項１に記載のＥＥＲ変調増幅器。
前記第２の基準電圧は、前記第１の基準電圧より電圧レベルが高く、
前記ゲート電圧制御手段は、
前記ドレイン電圧が、前記第１の基準電圧以下の場合、初期設定した第１のゲート電圧を保持し、前記ドレイン電圧が、前記第１の基準電圧以上であって前記第２の基準電圧以下の場合、前記高周波増幅部のゲート電圧を前記ドレイン電圧と逆対数比例させることを特徴とする請求項１に記載のＥＥＲ変調増幅器。
前記ドレイン電圧判定手段は、
前記高周波信号から分離された振幅信号を直接検出し、前記基準電圧と前記振幅信号との大きさを比較判定することにより、前記基準電圧と前記ドレイン電圧との大きさの比較判定に置き換えることを特徴とする請求項１に記載のＥＥＲ変調増幅器。