JP4531687B2 - 電力増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、参照として本明細書に組み込まれる優先権出願ＥＰ０４２９２８５０．７に基づく。
本発明は、電子入力信号を増幅するための電力増幅器ならびにそのような電力増幅器を装備したマルチバンドが可能なフロントエンドに関する。
電力増幅器は、通信産業で広く使用されている。ＵＭＴＳ、ＷｉＭａｘ、高速データファイバ伝送システムあるいはマイクロ波システムなどの通信応用分野では、広帯域信号、例えばスペクトラム拡散信号を効率的な方式で増幅することができる電力増幅器を必要としている。広帯域電力増幅器は、使用周波数範囲に対してゲインの変動を示すことがしばしばであるので、その電力増幅器がカバーするべき複数の周波数帯域に対して同じ出力電力を供給することは難しい。
例えば、可変減衰器を使用して周波数に対するゲインの変動を補償する。
本発明の目的は、電子入力信号を増幅するための電力増幅器であって、入力部および出力部を有する増幅器トランジスタステージと、増幅器トランジスタステージの出力部と入力部の間に配置された帰還ループを備え、前記帰還ループが、ＲＦ経路にコンデンサおよび抵抗性要素を、ＤＣ給電経路に誘導性要素を備え、前記抵抗性要素が、帰還ループ内に可変抵抗として構成された帰還トランジスタおよびバイアス制御回路を備える電力増幅器によって実現される（ＲＦ＝無線周波数、ＤＣ＝直流）。さらに、本発明は、そのような電力増幅器を１つまたは複数個備える基地送信局または例えばマルチバンド／複数標準対応の携帯電話のようなユーザ端末のためのマルチバンド可能なフロントエンドを対象にしている。
ＲＦ経路にコンデンサが、ＤＣ給電経路に誘導性要素が加えられている前述の帰還ループのＲＦ経路内に帰還トランジスタを使用しているので、増幅器の一定のゲインおよび安定性制御を達成することができる。使用する周波数範囲に対するゲインの変動を補償するにはこのゲインおよび安定性制御で十分である。異なる周波数帯域での出力を調整するためにこのような帰還ループが使用される。本発明は、広帯域の電力増幅器の、周波数に対するゲインの動き（例えば前置増幅チェーン内での）を改善し、したがってマルチバンド可能なフロントエンド、例えばＵＭＴＳ基地局または携帯端末の出力電力の動きを改善する。本発明は、さらに可変減衰器または従来から今までマルチバンド可能なフロントエンドの増幅チェーン内で使用されてきた可変ゲイン増幅器ステージを節約することを可能にし、それによってゲイン変動の問題に対する強力で安価な解決策を提供する。
本発明のさらなる利点は、従属請求項によって示される本発明の実施形態によって実現される。
バイアス制御回路は、帰還トランジスタを異なる入力電圧でバイアスする。それによってバイアス制御回路は、帰還ループを、したがって電力増幅器を電子入力信号の特定の周波数帯域に適合させる。
電力増幅器は、電子入力信号の異なる周波数範囲に対応する異なるバイアス電圧を記憶するルックアップテーブルを備えていることが好ましい。例えば、ルックアップテーブルの値は、１．８ＧＨｚから２．７ＧＨｚまでの周波数範囲をカバーする。バイアス制御回路は、ルックアップテーブルにアクセスし、ルックアップテーブルのバイアス電圧値それぞれに従ったバイアス電圧を帰還トランジスタに印加する。
バイアス制御回路は、電子入力信号の周波数帯域を示す制御信号を受けるための入力部を有することが好ましい。フロントエンドの従属する制御ユニットが、この制御信号を生成することができる。さらに、電力増幅器を据え付ける際に設定されるジャンパまたはスイッチによってその制御信号に影響を与えることができる。
本発明のさらなる実施形態によれば、バイアス制御回路は、電力増幅器の電子入力信号の周波数帯域を決定し、この様にして決定されたデータによってルックアップテーブルから対応するバイアス電圧値を選択する。
本発明のさらなる実施形態によれば、バイアス制御回路は増幅器トランジスタステージの出力信号を分析し、自動的にバイアス電圧を適応させて所与のゲインを達成する。
増幅器のトランジスタステージは、高周波数の、特に１ＧＨｚより高い周波数の電子信号を増幅するようになされた１つまたは複数の増幅器トランジスタを備えていることが好ましい。例えば、電力増幅器トランジスタステージは、電界効果トランジスタ１つあるいはこの様なトランジスタを２つ以上並列に配置したものを備えている。
帰還ループのＦＲ経路は、帰還ループを帰還トランジスタおよび／または増幅器トランジスタステージの特性に適合させるために使用される誘導性要素をさらに備えることが好ましい。
本発明のこれらのならびにその他の特徴および利点は、現状での好ましい例示的な実施形態についての下記の詳細説明を添付図面とともに読めばより良く理解されよう。
図１は、電子入力信号５１を増幅する広帯域電力増幅器を示し、電力増幅器は、増幅器トランジスタステージ１、入力整合回路網２、出力整合回路網３および帰還ループ４を有する。
入力整合回路網２および出力整合回路網３は、電力増幅器の入力／出力の動きを増幅チェーンの隣接する構成要素に適合させる適合回路網である。例えば、入力整合回路網は、ここでは２つの伝送線２１および２２ならびにコンデンサ２３を備える。例えば、出力整合回路網３はここでは伝送線３１を備える。
増幅器トランジスタステージ１は、電界効果トランジスタ１１を備える。電界効果トランジスタ１１のゲートは、入力整合回路網２に接続されている。電界効果トランジスタ１１のドレーンは、出力整合回路網３に接続されている。さらに、増幅器トランジスタステージによって供給することができるＲＦ出力を改善するために、並列に配置された２つ以上の電界効果トランジスタを増幅器トランジスタステージ１に備えることが可能である。
さらに増幅トランジスタとして、他の種類のトランジスタ、例えばバイポーラトランジスタを使用することが可能である。
増幅器トランジスタステージ１は、入力５２および出力５３を有する。増幅器トランジスタステージのこの出力５３とこの入力５２の間に帰還ループ４が配置されている。帰還ループ４は、ＲＦ経路内にコンデンサ４１および帰還トランジスタ４５を有する。ＤＣをＲＦ経路から阻止するためにＤＣ給電経路に誘導性要素４２を使用する。
コンデンサ４１の一端子は増幅器トランジスタステージ１の出力部５３に接続されている。コンデンサ４１のその他の端子は、帰還トランジスタ４５のドレーンおよびＤＣ給電経路内の誘導性要素４２に接続されている。帰還トランジスタ４５のソースは増幅器トランジスタステージ１１の入力部５２に接続されている。誘導性要素４２のその他の端子は電源電圧４３に接続されている。帰還トランジスタ４５のゲートはバイアス制御回路４６に接続されている。
コンデンサ４１は帰還ループ４に印加されたＤＣ電圧を阻止する。誘導性要素４２はＲＦ信号をＤＣ給電から阻止する。例えば、その誘導性要素はコンデンサと接続されたλ／４のラインである。
バイアス制御回路４６は、帰還トランジスタ４５を異なる入力電圧でバイアスする。バイアス制御回路４６によって印加された入力電圧は電子入力信号５１の周波数帯域に依存することが好ましい。
例えば、図１に例示されている電力増幅器は、ＵＭＴＳ通信システムのマイクロＢＴＳ（ノードＢ）のためのマルチバンド電力増幅器である（ＢＴＳ＝ベーストランシーバステーション；ＵＭＴＳ＝ユニバーサルモバイルテレコミュニケーションシステム）。これはいくつかの周波数帯域、例えば１．８から２．０ＧＨｚ帯域および２．５〜２．７ＧＨｚ帯域をカバーしている。
帰還トランジスタの適切なバイアス電圧は、各周波数帯域のためのゲート電圧を含むルックアップテーブルを使用して調整することができるか、あるいは増幅器出力信号を分析することにより適応可能とすることができる。
図２〜図５は、異なるバイアス電圧についての周波数に対する信号ゲイン、Ｋファクタ、入力反射および出力反射を示している。電力増幅器が取り扱わなくてはならない周波数帯域に依存して、バイアス制御回路が帰還トランジスタ４５のゲートに特定のバイアス電圧を印加する。
例えば、ルックアップテーブル４７は、異なる周波数範囲に対応する異なるバイアス電圧値を記憶する。
初期化ステップの最中に、電力増幅器が取り扱う周波数範囲それぞれについて対応するバイアス電圧値が決められる。選択されるバイアス電圧値は、それぞれの周波数帯域での動作のために使用可能な信号ゲイン、Ｋファクタ、入力お反射よび出力反射に依存する。例えば、Ｋファクタは１より大きな値を有しなければならないし、信号ゲインは予め決められた最低値を有しなければならない。入出力整合の品質は帰還ループ４にも影響され、したがって帰還トランジスタのバイアス範囲を選ぶときには入力および出力反射を考慮に入れなければならない。次いで、例えば、シミュレーションまたは測定によって計算された図２〜図５のような図表によりバイアス電圧値が選定される。
バイアス制御回路４６は、例えば、ディジタル／アナログコンバータによってルックアップテーブル４７のディジタルバイアス電圧値を、帰還トランジスタ４５のゲートに印加するアナログバイアス電圧に変換する。
例えば、バイアス制御回路は、電子入力信号５１の周波数帯域を示す制御信号６を受ける。バイアス制御回路４６は、ルックアップテーブル４７にアクセスし、制御信号６内に示された周波数帯域にリンクするバイアス電圧値を選定し、ルックアップテーブ４７のその選択されたバイアス電圧値に対応するバイアス電圧を帰還トランジスタ４５のゲートに印加する。
本発明のさらなる実施形態によれば、バイアス制御回路４６は、電子入力信号５１の周波数帯域を例えば帯域通過フィルタバンクによって決定する。
本発明のさらなる実施形態によれば、バイアス制御回路はさらなる帰還ループを介して増幅器トランジスタステージ１の出力部５３に接続されている。バイアス制御回路は、この帰還ループを通して出力信号の信号レベルを決定し、帰還トランジスタ４５に供給されるバイアス電圧を適合させて出力部５３の平均信号レベルが所与の閾値内に設定されるようにする。
２つのトランジスタ、増幅トランジスタ１１と帰還トランジスタ４５を、そのパッケージを通して導く４つのコネクタをもつ単一のチップの上で集積することが可能である。４つのコネクタは、コンデンサ４１および誘導性要素４２を接続するために使用される。このように設計者は、適切なＤＣ阻止コンデンサを使用するためのあらゆる選択肢を有する。
本発明による電力増幅器のブロック図である。 周波数に対する信号ゲインを示す図表である。 周波数に対するＫファクタを示す図表である。 周波数に対する入力反射を示す図表である。 周波数に対する出力反射を示す図表である。
符号の説明
１、１１ 増幅器トランジスタステージ
２ 入力整合回路網
３ 出力整合回路網
４ 帰還ループ
６ 制御信号
２１、２２、３１ 伝送線
２３、４１ コンデンサ
１１ 電界効果トランジスタ
４２ 誘導性要素
４３ 電源電圧
４４ 抵抗性要素
４５ 帰還トランジスタ
４６ バイアス制御回路
４７ ルックアップテーブル
５１ 電子入力信号
５２ 入力
５３ 出力

Claims (7)

  1. 電子入力信号を増幅するための電力増幅器であって、入力部および出力部を有する増幅器トランジスタステージと、増幅器トランジスタステージの出力部と入力部の間に配置された帰還ループを備え、前記帰還ループが、ＲＦ経路にコンデンサおよび抵抗性要素を、ＤＣ給電経路に誘導性要素を備え、前記抵抗性要素が、帰還ループ内に可変抵抗として構成された帰還トランジスタおよびバイアス制御回路を備え、コンデンサの一端子が増幅器トランジスタステージの出力部に接続され、コンデンサのその他の端子が、帰還トランジスタおよび誘導性要素に接続され、バイアス制御回路が、帰還トランジスタを異なる入力電圧でバイアスするようになされており、
    電力増幅器が、電子入力信号の異なる周波数範囲に対応する異なるバイアス電圧値をもつルックアップテーブルを備え、バイアス制御回路が、ルックアップテーブルにアクセスし、ルックアップテーブルのバイアス電圧値に従ったバイアス電圧を帰還トランジスタに印加するように構成されている電力増幅器。
  2. 電子入力信号を増幅するための電力増幅器であって、入力部および出力部を有する増幅器トランジスタステージと、増幅器トランジスタステージの出力部と入力部の間に配置された帰還ループを備え、前記帰還ループが、ＲＦ経路にコンデンサおよび抵抗性要素を、ＤＣ給電経路に誘導性要素を備え、前記抵抗性要素が、帰還ループ内に可変抵抗として構成された帰還トランジスタおよびバイアス制御回路を備え、コンデンサの一端子が増幅器トランジスタステージの出力部に接続され、コンデンサのその他の端子が、帰還トランジスタおよび誘導性要素に接続され、バイアス制御回路が、帰還トランジスタを異なる入力電圧でバイアスするようになされており、
    バイアス制御回路が、電子入力信号の周波数帯域を示す制御信号を受けるための入力部を有し、バイアス制御回路が、示された周波数帯域にバイアス電圧を調整するように構成されている電力増幅器。
  3. 増幅器トランジスタステージが、高周波数、特に１ＧＨｚより高い周波数の電子入力信号を増幅するようになされた１つまたは複数の増幅器トランジスタを備える請求項１または２に記載の電力増幅器。
  4. 帰還ループが、ＲＦ経路にさらなる誘導性要素をさらに備える請求項１または２に記載の電力増幅器。
  5. 増幅器トランジスタステージが、並列に配置された２つ以上のトランジスタを備える請求項１または２に記載の電力増幅器。
  6. 電子入力信号を増幅する１つまたは複数の電力増幅器を備えるマルチバンド可能なフロントエンドであって、電力増幅器が、入力部および出力部を有する増幅器トランジスタステージと、増幅器トランジスタステージの出力部と入力部の間に配置された帰還ループを備え、前記帰還ループが、ＲＦ経路にコンデンサおよび抵抗性要素を、ＤＣ給電経路に誘導性要素を備え、前記抵抗性要素が、帰還ループ内に可変抵抗として構成された帰還トランジスタおよびバイアス制御回路を備え、コンデンサの一端子が増幅器トランジスタステージの出力部に接続され、コンデンサのその他の端子が、帰還トランジスタおよび誘導性要素に接続され、バイアス制御回路が、帰還トランジスタを異なる入力電圧でバイアスするようになされており、
    電力増幅器が、電子入力信号の異なる周波数範囲に対応する異なるバイアス電圧値をもつルックアップテーブルとを備え、バイアス制御回路が、ルックアップテーブルにアクセスし、ルックアップテーブルのバイアス電圧値に従ったバイアス電圧を帰還トランジスタに印加するように構成されている、マルチバンド可能なフロントエンド。
  7. 電子入力信号を増幅する１つまたは複数の電力増幅器を備えるマルチバンド可能なフロントエンドであって、電力増幅器が、入力部および出力部を有する増幅器トランジスタステージと、増幅器トランジスタステージの出力部と入力部の間に配置された帰還ループを備え、前記帰還ループが、ＲＦ経路にコンデンサおよび抵抗性要素を、ＤＣ給電経路に誘導性要素を備え、前記抵抗性要素が、帰還ループ内に可変抵抗として構成された帰還トランジスタおよびバイアス制御回路を備え、コンデンサの一端子が増幅器トランジスタステージの出力部に接続され、コンデンサのその他の端子が、帰還トランジスタおよび誘導性要素に接続され、バイアス制御回路が、帰還トランジスタを異なる入力電圧でバイアスするようになされており、バイアス制御回路が、電子入力信号の周波数帯域を示す制御信号を受けるための入力部を有し、バイアス制御回路が、示された周波数帯域にバイアス電圧を調整するように構成されている、マルチバンド可能なフロントエンド。
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