JP5100339B2 - 電力増幅器 - Google Patents
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Description
変調方式によっては、電力増幅器に次のような問題を与える。
例えば、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)が無線通信信号として採用される場合、OFDMは包絡線振幅変動が大きいため、電力増幅器には線形性が求められる。
線形性を得るためには、平均電力と最大瞬時電力の差(ピークファクタ)が大きいOFDMである場合、電力増幅器の動作電力を飽和電力の1/10程度にする必要がある。
このため、電力増幅器の効率が最大効率に比べて大きく低下する問題が生じる。
このバイアス変調方式では、電力増幅器の性能(高効率・低歪み)を得るに際して、電力増幅器に入力されるRF信号とバイアス変調信号との同期の確保が非常に重要である。
ここでのRF信号とバイアス変調信号の同期は、バイアス変調信号を生成するためにRF信号を分岐する分岐点から、RF信号が増幅器のドレイン電極に到達(バイアス変調信号経路)するまでの時間と、分岐されたRF信号に基づいてバイアス制御信号が生成されて、そのバイアス制御信号が増幅器のドレイン電極に到達(帯域信号経路)するまでの時間が一致することである。
即ち、電力増幅器の出力変調信号の歪み量が最小となるように振幅成分又は位相成分の遅延量を信号遅延手段によって変化させる。
もしくは、変調波信号の替わりにチャープ信号を用いて、変調信号が特定の周波数成分を有するように遅延量を変化させることによって、電力増幅器における位相成分と振幅成分の信号のタイミングを一致させて、変調スペクトラムのひずみを低減し、電力増幅器の効率を高めるようにしている。
(1)歪みを観測するためのコスト・回路規模が掛かる。即ち、特許文献1では、「復調したデジタル信号処理を施して歪み周波数成分のレベルを演算する手法や、アナログベースバンド信号に周波数変換した後に歪み成分をフィルタリングしてレベル検波する手法」を備える必要があり、特に後者のレベル検波手法については、信号によってはフィルタに高いスペックを要求することになり、実現が困難である。
(2)変調波を用いる歪み観測の場合、伝送時間の絶対量の初期値の決定が難しい。
(3)チャープ信号を用いる場合、新たな信号源を持つことになり、コスト・回路規模が大きくなる。
即ち、入力されたデジタル信号から分離された二つの信号又は分離されて入力された二つのデジタル信号をアナログ信号に変換するDA変換回路と、そのDA変換回路で変換されたアナログ信号を合成する合成回路と、その合成回路により合成された信号の一部をフィードバック信号として取り出す分配回路と、そのフィードバック信号をデジタル信号に変換するAD変換回路と、そのDA変換回路及びAD変換回路に動作クロック信号を供給する発振回路と、そのAD変換回路で変換されたフィードバック信号を二つの信号に分離する分離回路と、その分離回路により分離された入力信号と、その分離回路で分離されたフィードバック信号とを比較する比較回路とを有し、発振回路が比較回路による比較結果に基づいてその出力を制御する。
このため、変調波のように帯域を有する信号では、タイミングの調整精度が低下する問題を有する。
図1はこの発明の実施の形態1による電力増幅器を示す構成図であり、図において、RF電力増幅トランジスタ2はゲート電極がRF信号入力端子1と接続され、ドレイン電極が電力分配器5と接続され、ソース電極がグランドと接続されており、電圧制御器11から出力されるドレイン電圧信号によってドレイン電極が駆動されて、RF信号入力端子1から入力されたバースト信号であるRF信号(帯域信号)の電力を増幅する。なお、RF電力増幅トランジスタ2は電力増幅手段を構成している。
給電線路4,12は高周波的にハイインピーダンスになるインダクタ等からなる線路である。
電力分配器5はRF電力増幅トランジスタ2により増幅されたRF信号の電力を分配し、そのRF信号をRF信号出力端子6及び電力検波装置7に出力する。
電力検波装置7は電力分配器5により分配されたRF信号を検波する処理を実施する。
なお、電力分配器5及び電力検波装置7から電力検波手段が構成されている。
位相可変装置10は制御信号入力端子9から矩形波信号である制御信号AF(バイアス変調信号)を入力し、位相制御装置8から出力された位相制御信号に応じて制御信号AFの位相を調整する処理を実施する。
電圧制御器11は位相可変装置10から出力された位相調整後の制御信号AFをドレイン電圧信号に変換し、そのドレイン電圧信号をRF電力増幅トランジスタ2のドレイン電極に印加する処理を実施する。
なお、位相可変装置10及び電圧制御器11から入力タイミング制御手段が構成されている。
RF信号入力端子1には、図2に示すようなRF信号(バースト信号)が入力され、制御信号入力端子9には、バイアス変調信号である制御信号AF(矩形波信号)が入力される。
しかしながら、制御信号入力端子9から入力される制御信号AFが、RF信号入力端子1から入力されるRF信号よりも時間αだけ遅延が生じると、RF電力増幅トランジスタ2のドレイン電極(地点A)において、RF信号と制御信号AFに対応するドレイン電圧信号との入力タイミングにずれが発生して、電力増幅器として得られる出力電力が減少する(状態Qを参照)。
電力分配器5は、RF電力増幅トランジスタ2により増幅されたRF信号の電力を分配し、そのRF信号をRF信号出力端子6及び電力検波装置7に出力する。
位相制御装置8は、電力検波装置7がRF信号を検波すると、そのRF信号の電力から、RF電力増幅トランジスタ2のドレイン電極に対するRF信号とドレイン電圧信号の入力タイミングのずれを検出する。
以下、位相制御装置8の処理内容を具体的に説明する。
次に、位相制御装置8は、制御信号AFに対応するドレイン電圧信号がRF信号より時間差αだけ遅れていれば、時間差αだけ制御信号AFの位相を進ませる旨を示す位相制御信号を位相可変装置10に出力する。
一方、制御信号AFに対応するドレイン電圧信号がRF信号より時間差αだけ進んでいれば、時間差αだけ制御信号AFの位相を遅らせる旨を示す位相制御信号を位相可変装置10に出力する。
即ち、位相可変装置10は、位相制御信号が時間差αだけ制御信号AFの位相を進ませる旨を示していれば、制御信号AFの位相を時間差αだけ進める調整を行う。
一方、位相制御信号が時間差αだけ制御信号AFの位相を遅らせる旨を示していれば、制御信号AFの位相を時間差αだけ遅らせる調整を行う。
これにより、RF電力増幅トランジスタ2のドレイン電極(地点A)において、RF信号とドレイン電圧信号との入力タイミングが一致する。
なお、RF信号の電力を評価するに際して、電力検波装置7を実装する必要があるが、電力増幅器を搭載しているシステム内に、例えば、ALC(Automatic Level Control)などの電力検出機能を有する装置があれば、この装置を利用することができる。
即ち、RF電力増幅トランジスタ2に入力されるRF信号が変調波の包絡線であり、制御信号AF(バイアス変調信号)が上記包絡線に基づく変調信号である場合、変調波には帯域幅に亘る周波数成分が存在し、低い周波数成分が支配的であれば、電力増幅器の出力電力がこの低周波数成分に依存して、時間差αの検出精度が劣化することがあるが、RF信号として、バースト信号を用いれば、周波数に関わらず、時間差αを把握することができる。
上記実施の形態1では、RF信号入力端子1から幅tのRF信号が入力され、制御信号入力端子9から幅tの制御信号AFが入力されるものについて示したが、図3に示すように、制御信号入力端子9から入力される幅tの制御信号AFが、RF信号に対応する部分の電圧が零で、他の部分がHレベルの電位を有している信号(信号レベルが反転されている図2のRF信号に相当する信号)であってもよい。
しかしながら、制御信号入力端子9から入力される制御信号AFが、RF信号入力端子1から入力されるRF信号よりも時間αだけ遅延が生じると、RF電力増幅トランジスタ2のドレイン電極(地点A)において、RF信号と制御信号AFに対応するドレイン電圧信号との入力タイミングにずれが発生して、電力増幅器として得られる出力電力が増加する(状態Sを参照)。
ただし、電力増幅器として出力電力が得られないようにするのは、入力タイミングのずれを解消する電力増幅器の初期設定時に限るものであり、入力タイミングのずれが解消された後は、RF信号入力端子1から入力されるRF信号の信号レベルを反転して、図2に示すようなRF信号に戻して、電力増幅器として最大の出力電力が得られるようにする。
電力分配器5は、RF電力増幅トランジスタ2により増幅されたRF信号の電力を分配し、そのRF信号をRF信号出力端子6及び電力検波装置7に出力する。
位相制御装置8は、電力検波装置7がRF信号を検波すると、そのRF信号の電力から、RF電力増幅トランジスタ2のドレイン電極に対するRF信号とドレイン電圧信号の入力タイミングのずれを検出する。
以下、位相制御装置8の処理内容を具体的に説明する。
次に、位相制御装置8は、制御信号AFに対応するドレイン電圧信号がRF信号より時間差αだけ遅れていれば、時間差αだけ制御信号AFの位相を進ませる旨を示す位相制御信号を位相可変装置10に出力する。
一方、制御信号AFに対応するドレイン電圧信号がRF信号より時間差αだけ進んでいれば、時間差αだけ制御信号AFの位相を遅らせる旨を示す位相制御信号を位相可変装置10に出力する。
即ち、位相可変装置10は、位相制御信号が時間差αだけ制御信号AFの位相を進ませる旨を示していれば、制御信号AFの位相を時間差αだけ進める調整を行う。
一方、位相制御信号が時間差αだけ制御信号AFの位相を遅らせる旨を示していれば、制御信号AFの位相を時間差αだけ遅らせる調整を行う。
これにより、RF電力増幅トランジスタ2のドレイン電極(地点A)において、RF信号とドレイン電圧信号との入力タイミングが一致する。
図4はこの発明の実施の形態3による電力増幅器を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
位相制御装置13は電力検波装置7により検波されたRF信号の電力から、RF電力増幅トランジスタ2に対するRF信号とドレイン電圧信号の入力タイミングのずれを検出し、ずれの検出結果に応じた位相制御信号を位相可変装置14に出力する処理を実施する。
なお、位相制御装置13はずれ検出手段を構成している。
位相可変装置14はRF信号入力端子1からRF信号を入力し、位相制御装置8から出力された位相制御信号に応じてRF信号の位相を調整する処理を実施する。
なお、位相可変装置14は入力タイミング制御手段を構成している。
位相制御装置13及び位相可変装置14以外は、上記実施の形態1,2と同様であるため、ここでは、位相制御装置13及び位相可変装置14の動作のみを説明する。
次に、位相制御装置13は、制御信号AFに対応するドレイン電圧信号がRF信号より時間差αだけ遅れていれば、時間差αだけRF信号の位相を遅らせる旨を示す位相制御信号を位相可変装置14に出力する。
一方、制御信号AFに対応するドレイン電圧信号がRF信号より時間差αだけ進んでいれば、時間差αだけRF信号の位相を進ませる旨を示す位相制御信号を位相可変装置14に出力する。
即ち、位相可変装置14は、位相制御信号が時間差αだけRF信号の位相を遅らせる旨を示していれば、RF信号の位相を時間差αだけ遅らせる調整を行う。
一方、位相制御信号が時間差αだけRF信号の位相を進ませる旨を示していれば、RF信号の位相を時間差αだけ進ませる調整を行う。
上記実施の形態1では、RF信号入力端子1から幅tのRF信号が入力され、制御信号入力端子9から幅tの制御信号AFが入力されるものについて示したが、図5に示すように、RF信号入力端子1から入力されるRF信号のバースト幅が段階的に狭められる場合(図5の例では、RF信号のバースト幅が周期Tから周期T/2に狭められている)、位相可変装置10が位相制御装置8の指示の下で、制御信号AFの矩形波幅を段階的に狭めるようにしてもよい(図5の例では、制御信号AFの矩形波幅が周期Tから周期T/2に狭められている)。
入力タイミングのずれを解消する電力増幅器の初期設定時において、最初は時間差αが不明であるため、位相制御装置8から出力される位相制御信号の初期値を適切に決定する必要がある。
そこで、初期設定時の最初の段階では、分解時間能は粗くても、広範囲に亘って時間差αを探索することができるようにするために、RF信号入力端子1からバースト幅が広いRF信号(バースト幅が周期TのRF信号)が入力される。
位相可変装置10は、位相制御装置8の指示の下、初期設定時の最初の段階では、制御信号AFの矩形波幅を周期Tに設定する。
以降、上記実施の形態1と同様にして、時間差αが算出されて、位相制御装置8から位相制御信号の初期値が出力される。
このときの時間差αの分解時間能は分解時間bであるが(図5を参照)、広範囲に亘って時間差αが探索される。
位相可変装置10は、位相制御装置8の指示の下、制御信号AFの矩形波幅を周期T/2に狭める。
以降、上記実施の形態1と同様にして、時間差αが算出されて、位相制御装置8から位相制御信号が出力される。
このときの時間差αの分解時間能は分解時間aであり(図5を参照)、最初の段階より、時間差αの分解時間能が高められる。
図5の例では、RF信号のバースト幅及び制御信号AFの矩形波幅を1回だけ狭めているものを示しているが、2回以上狭めるようにしてもよい。
即ち、制御信号入力端子9から入力される制御信号AFの矩形波幅が段階的に狭められる場合(図5の例では、制御信号AFの矩形波幅が周期Tから周期T/2に狭められている)、位相可変装置14が位相制御装置13の指示の下で、RF信号のバースト幅を段階的に狭めるようにしてもよい(図5の例では、RF信号のバースト幅が周期Tから周期T/2に狭められている)。
上記実施の形態1〜4では、RF信号入力端子1から入力されるRF信号がバースト信号であり、制御信号入力端子9から入力される制御信号AFが矩形波信号であるものについて示したが、図6に示すように、RF信号入力端子1から入力されるRF信号が変調波の包絡線(変調波が重畳されたRF信号)であり、制御信号入力端子9から入力される制御信号AFが上記包絡線に基づく変調信号であってよい(図中、実線の制御信号AFは入力タイミングが一致しており、点線の制御信号AFは入力タイミングがずれている)。
この場合も、上記実施の形態1〜4と同様の処理で、入力タイミングのずれを解消して、高効率化と低歪み化を実現することができる。
図7はこの発明の実施の形態6による電力増幅器を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
信号品質監視装置21は電力分配器5により分配されたRF信号の信号品質を監視する処理を実施する。なお、信号品質監視装置21は信号品質監視手段を構成している。
位相制御装置22は図1の位相制御装置8と同様に、電力検波装置7により検波されたRF信号の電力から、RF電力増幅トランジスタ2に対するRF信号とドレイン電圧信号の入力タイミングのずれを検出し、ずれの検出結果に応じた位相制御信号を位相可変装置23に出力するほか、位相可変装置23により制御信号AFの位相調整が行われたのち、信号品質監視装置21の監視結果に応じて入力タイミングの微調整を指示する微調整信号を位相可変装置23に出力する処理を実施する。なお、位相制御装置22はずれ検出手段を構成している。
RF電力増幅トランジスタ2に対するRF信号とドレイン電圧信号の入力タイミングのずれを零にすることができれば、通常、信号品質も最良になる。
しかしながら、RF信号経路の周波数振幅特性をはじめとする信号品質の劣化要因は多岐にわたり、RF電力増幅トランジスタ2に対するRF信号とドレイン電圧信号の入力タイミングのずれが零でも、信号品質が最良にならないことがある。
そこで、この実施の形態6では、上記実施の形態1と同様にして、RF電力増幅トランジスタ2に対するRF信号とドレイン電圧信号の入力タイミングのずれを解消してから、RF信号の信号品質(例えば、誤り特性BER,EVM(Error Vector Magnitude))を監視する信号品質監視装置21の監視結果に応じて入力タイミングの微調整を行うようにする。
位相制御装置22は、図1の位相制御装置8と同様に、電力検波装置7により検波されたRF信号の電力から、RF電力増幅トランジスタ2に対するRF信号とドレイン電圧信号の入力タイミングのずれを検出し、ずれの検出結果に応じた位相制御信号を位相可変装置23に出力する。
位相可変装置23は、図1の位相可変装置10と同様に、制御信号入力端子9から矩形波信号である制御信号AFを入力し、位相制御装置22から出力された位相制御信号に応じて制御信号AFの位相を調整する。
位相制御装置22は、位相可変装置23が制御信号AFの位相を調整したのち、信号品質監視装置21から信号品質の監視結果を受けると、その監視結果に応じて入力タイミングの微調整を指示する微調整信号を位相可変装置23に出力する。
位相可変装置23は、位相制御装置22から微調整信号を受けると、その微調整信号に応じて制御信号AFの位相を微調整する。
位相制御装置22及び位相可変装置23の処理は、RF信号の信号品質が最良になるまで、制御信号AFの位相を繰り返し微調整する。
なお、微調整の幅は、予め、位相可変装置23に設定されていてもよいし、位相制御装置22が出力する微調整信号に微調整の幅を含めるようにしてもよい。
図8はこの発明の実施の形態7による電力増幅器を示す構成図であり、図において、図4及び図7と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
位相制御装置24は図4の位相制御装置13と同様に、電力検波装置7により検波されたRF信号の電力から、RF電力増幅トランジスタ2に対するRF信号とドレイン電圧信号の入力タイミングのずれを検出し、ずれの検出結果に応じた位相制御信号を位相可変装置25に出力するほか、位相可変装置25によりRF信号の位相調整が行われたのち、信号品質監視装置21の監視結果に応じて入力タイミングの微調整を指示する微調整信号を位相可変装置25に出力する処理を実施する。なお、位相制御装置24はずれ検出手段を構成している。
位相可変装置25は図4の位相可変装置14と同様に、RF信号入力端子1からRF信号を入力し、位相制御装置24から出力された位相制御信号に応じてRF信号の位相を調整するほか、位相制御装置24から出力された微調整信号に応じてRF信号の位相を微調整する処理を実施する。なお、位相制御装置24は入力タイミング制御手段を構成している。
この実施の形態7によれば、RF電力増幅トランジスタ2に対するRF信号とドレイン電圧信号の入力タイミングのずれを解消してから、RF信号の信号品質を監視する信号品質監視装置21の監視結果に応じて入力タイミングの微調整を行うように構成したので、上記実施の形態6と同様に、RF信号の信号品質を最良に保つことができる効果を奏する。
上記実施の形態1〜7では、アナログ信号処理で入力タイミングのずれを解消するものについて示したが、図1、図4、図7や図8の電力検波装置7、位相制御装置8(または、13,22,24)及び位相可変装置10(または,14,23,25)をデジタル信号処理装置で構成して、デジタル信号処理で入力タイミングのずれを解消するようにしてもよい。
図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
RF電力増幅トランジスタ30は図1のRF電力増幅トランジスタ2と同様に、RF信号の電力を増幅する処理を実施する。
低周波濾波器であるLPF31は電力分配器5の出力信号からRF信号を濾波して、そのRF信号をデジタル信号処理装置32に出力する。
デジタル信号処理装置32のADC33はLPF31から出力されたRF信号を量子化し、その量子化結果である量子化帯域信号を電力検知部34に出力する処理を実施する。
電力検知部34はADC33から出力された量子化帯域信号を振幅信号に変換し、その振幅信号を位相制御部35に出力する。
なお、LPF31、ADC33及び電力検知部34は、図1の電力検波装置7に相当している。
なお、位相制御部35は、図1の位相制御装置8に相当している。
デジタルフィルタであるFIR37は位相制御部35から出力された位相制御信号にしたがって、シフトレジスタ36から出力された量子化制御信号に遅延を与える処理を実施する。
DAC39はクロック発振器38から出力されるクロックに同期して、FIR37により遅延された量子化制御信号を逆量子化する処理を実施する。
なお、シフトレジスタ36、FIR37、クロック発振器38及びDAC39は、図1の位相可変装置10に相当している。
DAC41はクロックフェーズシフタ40から出力されるクロックに同期して、量子化帯域信号(RF信号が量子化された信号)を逆量子化する処理を実施する。
LPF43はデジタル信号処理装置32におけるDAC41の出力信号からRF信号を濾波して、そのRF信号をRF電力増幅トランジスタ30に出力する。
上記実施の形態1〜8では、例えば、電圧制御器11が位相可変装置10から出力された位相調整後の制御信号AFをドレイン電圧信号に変換し、そのドレイン電圧信号をRF電力増幅トランジスタ2のドレイン電極に印加するものについて示したが、図10に示すように、電圧制御器11が位相可変装置10から出力された位相調整後の制御信号AFをゲート電圧信号に変換し、そのゲート電圧信号をRF電力増幅トランジスタ50のゲート電極(地点B)に印加するようにしてもよく、上記実施の形態1〜8と同様の効果を奏することができる。
Claims (8)
- バイアス変調信号にしたがって帯域信号の電力を増幅する電力増幅手段と、上記電力増幅手段により増幅された帯域信号の電力を検波する電力検波手段と、上記電力検波手段により検波された帯域信号の電力から、上記電力増幅手段に対する上記帯域信号と上記バイアス変調信号の入力タイミングのずれを検出するずれ検出手段と、上記ずれ検出手段の検出結果に応じて上記電力増幅手段に対する上記バイアス変調信号の入力タイミングを制御して、上記帯域信号と上記バイアス変調信号の入力タイミングのずれを解消する入力タイミング制御手段とを備え、上記ずれ検出手段は、帯域信号とバイアス変調信号の入力タイミングのずれとして、電力検波手段により検波された帯域信号の電力が最大または最小になる時間と、上記帯域信号の電力が規定電力になる時間との時間差を検出することを特徴とする電力増幅器。
- バイアス変調信号にしたがって帯域信号の電力を増幅する電力増幅手段と、上記電力増幅手段により増幅された帯域信号の電力を検波する電力検波手段と、上記電力検波手段により検波された帯域信号の電力から、上記電力増幅手段に対する上記帯域信号と上記バイアス変調信号の入力タイミングのずれを検出するずれ検出手段と、上記ずれ検出手段の検出結果に応じて上記電力増幅手段に対する上記帯域信号の入力タイミングを制御して、上記帯域信号と上記バイアス変調信号の入力タイミングのずれを解消する入力タイミング制御手段とを備え、上記ずれ検出手段は、帯域信号とバイアス変調信号の入力タイミングのずれとして、電力検波手段により検波された帯域信号の電力が最大または最小になる時間と、上記帯域信号の電力が規定電力になる時間との時間差を検出することを特徴とする電力増幅器。
- 電力増幅手段に入力されるバイアス変調信号が矩形波信号であり、帯域信号がバースト信号であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の電力増幅器。
- 入力タイミング制御手段は、電力増幅手段に入力されるバイアス変調信号が矩形波信号であり、帯域信号がバースト信号である場合において、上記帯域信号のバースト幅が段階的に狭められる場合、上記バイアス変調信号の矩形波幅を段階的に狭めることを特徴とする請求項1記載の電力増幅器。
- 入力タイミング制御手段は、電力増幅手段に入力されるバイアス変調信号が矩形波信号であり、帯域信号がバースト信号である場合において、上記バイアス変調信号の矩形波幅が段階的に狭められる場合、上記帯域信号のバースト幅を段階的に狭めることを特徴とする請求項2記載の電力増幅器。
- 電力増幅手段に入力される帯域信号が変調波の包絡線であり、バイアス変調信号が上記包絡線に基づく変調信号であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の電力増幅器。
- 電力増幅手段により増幅された帯域信号の信号品質を監視する信号品質監視手段を設け、タイミング制御手段が上記電力増幅手段に対するバイアス変調信号の入力タイミングを制御したのち、上記信号品質監視手段の監視結果に応じて当該入力タイミングを微調整することを特徴とする請求項1記載の電力増幅器。
- 電力増幅手段により増幅された帯域信号の信号品質を監視する信号品質監視手段を設け、タイミング制御手段が上記電力増幅手段に対する帯域信号の入力タイミングを制御したのち、上記信号品質監視手段の監視結果に応じて当該入力タイミングを微調整することを特徴とする請求項2記載の電力増幅器。
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JP2009141411A (ja) | 2009-06-25 |
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