JP5406442B2

JP5406442B2 - 電力増幅器

Info

Publication number: JP5406442B2
Application number: JP2007236792A
Authority: JP
Inventors: 信久青木; 健高野; 工宮下
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP2009071507A

Description

本発明は電力増幅器に関し、更に詳しくはピーク電力と平均電力の比（ピーク電力／平均電力：ピークファクタ）が所定の値をとる変調方式において、高い効率で動作する電力増幅器に関する。

ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）等の周波数効率の高い多くの線形変調方式では、ピークの電力と平均電力の比（ピークファクタ）が大きくなる。この変調方式の信号を増幅する場合、波形が歪まないようにするためには、増幅器はピークの電力まで増幅できる能力が必要になる、つまり増幅器の飽和電力がピーク電力より高い能力が必要になる。

従来のこの種の装置としては、入力信号を検波器でエンベロープ検波し、レベル検出器により基準の閾値と比較してエンベロープの大小を判別し、切替制御部、バイアス制御部によりエンベロープの大小に応じて、出力電力が大小の増幅器と信号系路上のスイッチとをそれぞれ切り替える構成とした技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３７４１２８号公報（段落００１３〜００２４、図１、図５）

前述した従来の電力増幅器は、平均電力に対して大きなピークの電力を持つ信号に対して効率を低下させないことを目指しているものの、信号経路上のスイッチを切り替え大小の増幅器を選択する構成のため、２つの増幅器のゲイン等で切り替え時の歪が大きくなるという問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、電力効率を低下させることなく歪の少ない電力増幅器を提供することを目的としている。

（１）本願は、ＲＦ信号を入力して少なくとも２方向に分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力を受ける飽和電力の異なった複数の増幅器と、該増幅器の出力を合成して出力する合成回路と、変調波エンベロープ信号の振幅が所定の閾値よりも小さい場合は、当該変調波エンベロープ信号の振幅を変換して、前記複数の増幅器のうち飽和電力が一番大きい増幅器以外の増幅器に供給する電圧を示す複数の信号を出力し、前記変調波エンベロープ信号の振幅が所定の閾値よりも大きい場合は、前記複数の増幅器のうち、飽和電力が一番小さい増幅器に供給する電圧を示す前記信号の出力を停止し、当該飽和電力が一番小さい増幅器以外の増幅器に供給する電圧を示す複数の信号を出力する変調波エンベロープ変換部と、該変調波エンベロープ変換部が出力した各信号に従って、ドレイン電圧、或いはコレクタ電圧を前記増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給するドレイン電圧供給部、或いは、コレクタ電圧供給部とを備えることを特徴とする。

（２）また、本発明は、前記ドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部は、入力信号に応じて出力電圧を変える出力電圧変更回路で構成されたことを特徴とする。
（３）また、本発明は、前記ドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部は、複数の電圧の中から増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給する電圧をスイッチにより切り替えて供給することを特徴とする。

（４）また、本発明は、前記変調波エンベロープが大きくなるに従い、順次飽和電力の高い増幅器を、ドレイン電圧、或いはコレクタ電圧の供給電圧を変えることで動作させることを特徴とする。

（５）また、本発明は、前記変調波エンベロープに従い、その変調波エンベロープに対して複数増幅器の中のいくつかの増幅器をドレイン電圧、或いはコレクタ電圧の供給電圧を変えることで動作させ、他の増幅器を動作させないことを特徴とする。

（６）この発明において、前記増幅器の入力部分にそれぞれの増幅器の入力電力の最大値或いは最大飽和電力に応じたレベルのリミッタを挿入することを特徴とする。
（７）また、この発明において、前記出力電圧変更回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はチャージポンプ回路で構成されることを特徴とする。ここで、チャージポンプ回路とは、コンデンサとスイッチを組み合わせることにより電圧を上昇させる回路で、入力電圧より高い電圧を出力する電源回路に使用されるものである。

（８）また、この発明において、ＲＦ信号を入力して少なくとも２方向に分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力を受ける整合回路と、該整合回路の出力を受ける、飽和電力の異なった複数の増幅器と、該増幅器の出力を受ける整合回路と、該整合回路の出力を受ける合成回路と、変調波エンベロープ信号を受けてその振幅を変換する変調波エンベロープ変換部と、該変調波エンベロープ変換部の出力を受けてドレイン電圧、或いはコレクタ電圧に変換して前記増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給するドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部と、を備え、前記合成回路の出力をその出力とすることを特徴とする。

（９）また、この発明において、ＲＦ信号を入力して少なくとも２方向に分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力を受ける整合回路と、該整合回路の出力を受ける飽和電力の異なった複数の増幅器と、該増幅器の出力を受ける整合回路と、該整合回路の出力を受ける合成回路と、変調波エンベロープ信号を受けてその振幅を変換する変調波エンベロープ変換部と、該変調波エンベロープ変換部の出力を受けてドレイン電圧、或いはコレクタ電圧に変換して前記増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給するドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部と、を備え、前記合成回路の出力をその出力とすることを特徴とする電力増幅器。

（１０）また、この発明において、ＲＦ信号を入力して少なくとも２方向に分岐させる分岐回路と、該分岐回路の出力を受ける飽和電力の異なった複数の増幅器と、該増幅器の出力を受ける整合回路と、該整合回路の出力を受ける合成回路と、変調波エンベロープ信号を受けてその振幅を変換する変調波エンベロープ変換部と、該変調波エンベロープ変換部の出力を受けてドレイン電圧、或いはコレクタ電圧に変換して前記増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給するドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部と、を備え、前記合成回路の出力をその出力とすることを特徴とする電力増幅器。

（１）本発明は、飽和電力の小さな増幅器から大きな増幅器を複数用意し、それぞれのドレイン電圧を入力エンベロープ信号に応じて変えることで、歪の少ない高効率の電力増幅器を実現することができる。

（２）また、本発明は、前記ドレイン電圧供給部は、入力信号に応じて出力電圧を変えることで効率を向上させることができる。
（３）また、本発明は、複数の電圧を予め用意しておき、スイッチで切り替えて増幅器に供給することで、効率を向上させることができる。

（４）また、本発明は、変調波エンベロープが大きくなるに従い、順次飽和電力の高い増幅器を用いるようにすることで、効率を向上させることができる。
（５）また、本発明は、変調波エンベロープに従い、複数増幅器のいくつかを動作させ、それ以外の増幅器は動作させないようにすることで、効率を向上させることができる。

（６）この発明において、入力電力最大定格を越えないようにすることができる。
（７）また、この発明において、出力電圧変更回路として、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はチャージポンプ回路を用いることで、出力電圧を変更することができる。

（８）また、この発明において、、飽和電力の小さな増幅器から大きな増幅器を複数用意し、それぞれのドレイン電圧を入力エンベロープ信号に応じて変えることで、高効率の電力増幅器を実現することができる。

（９）また、この発明において、飽和電力の小さな増幅器から大きな増幅器を複数用意し、それぞれのドレイン電圧を入力エンベロープ信号に応じて変えることで、高効率の電力増幅器を実現することができる。

（１０）また、この発明において、飽和電力の小さな増幅器から大きな増幅器を複数用意し、それぞれのドレイン電圧を入力エンベロープ信号に応じて変えることで、高効率の電力増幅器を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態を示すブロック図である。図において、１はＲＦ信号を入力して少なくとも２方向に分岐させる分岐回路、２は該分岐回路１の出力を受ける整合回路、３は該整合回路２の出力を、又は前記分岐回路１の出力を直接受ける、飽和電力の異なった複数の増幅器、４は該増幅器３の出力を受ける整合回路、５は該整合回路４の出力を受ける合成回路、６は変調波エンベロープ信号を受けてその振幅を変換する変調波エンベロープ変換部、７は該変調波エンベロープ変換部６の出力を受けてドレイン電圧に変換して前記増幅器３のドレイン端子に供給するドレイン電圧供給部である。増幅器３としては、飽和電力が小さいものから大きいものまでが並列に設けられている。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下の通りである。

ＲＦ入力部からは、例えばＯＦＤＭ変調波が入力される。また変調波エンベロープ（包絡線）変換部６には、ＯＦＤＭ変調波のエンベロープ信号が入力される。変調波エンベロープ変換部６は、例えば図２に示すような変換を行なう。図２に示す例は、増幅器３を３段並べた例である。（ａ）はエンベロープ波形、（ｂ）は飽和電力小の増幅器のドレイン電圧、（ｃ）は飽和電力中の増幅器のドレイン電圧、（ｄ）は飽和電力大の増幅器のドレイン電圧である。何れも横軸は時間、縦軸はエンベロープ波形又は出力である。この例では、増幅器３を＃１〜＃３まで用いた場合を示している。

Δ１は飽和電力小の増幅器が動作する領域、Δ２は飽和電力中の増幅器が動作する領域、Δ３は飽和電力大の増幅器が動作する領域である。変調波エンベロープ変換部６は、（ａ）に示すようなエンベロープ信号が入ってくると、飽和電力小の増幅器＃１に対しては（ｂ）に示すようなドレイン電圧値になるようエンベロープを変換してドレイン電圧供給部７に出力する。また、飽和電力中の増幅器＃２に対しては（ｃ）に示すようなドレイン電圧値になるようにエンベロープを変換してドレイン電圧供給部７へ出力する。

更に、飽和電力大の増幅器＃３に対しては、（ｄ）に示すようなドレイン電圧値になるようにエンベロープを変換してドレイン電圧供給部７へ出力する。ドレイン電圧供給部７は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータやチャージポンプ回路で構成され、増幅器＃１〜＃３へドレイン電圧を供給する。ドレイン電圧供給部７としてＤＣ／ＤＣコンバータやチャージポンプ回路を用いることで、出力電圧を変更する回路を実現することができる。

図３は複数の電圧の切り替えの説明図である。図では、０Ｖ，ａ１Ｖ，ａ２Ｖ，ａ３Ｖ，ａ４Ｖ，ａ５Ｖの電圧を用意しておき、これら電圧をそれぞれスイッチＳＷ１〜ＳＷ６で切り替えて増幅器３のドレイン端子に供給する。各スイッチＳＷ１〜ＳＷ６は、変調波エンベロープ変換部６からの制御信号によりそのオン／オフが制御される。

飽和電力小の増幅器＃１を例にとると、図４に示すようなドレイン電圧を供給する。ドレイン電圧は、エンベロープ波形に応じて変調波エンベロープ変換部６からの制御信号に応じてドレイン電圧供給部７を制御し、０Ｖ〜ａ５Ｖまでの電圧を出力するようになっている。

それぞれの増幅器＃１〜＃３は図５に示すような入出力特性を持っている。それぞれの増幅器の入出力特性は、入力と出力がリニアに変化する領域があり、リニア領域を越えると、入力電力が増加してもその出力電圧が一定となる飽和領域がある。また、それぞれの増幅器３は、図６に示すような効率を持っている。ｆ１は増幅器＃１の特性を、ｆ２は増幅器＃２の特性を、ｆ３は＃３の特性をそれぞれ示す。

図中、破線がドレイン電圧をただ単にオン／オフした特性であり、図３にて０Ｖとａ５Ｖを切り替えるような動作の場合で、実線がドレイン電圧をエンベロープに従い変えるものである。図６において、縦軸が効率、横軸が入力電力をそれぞれ示している。なお、「ドレイン電圧２値」とは、増幅器がオンの時とオフの時があることを示している。

図７は変調波エンベロープに従い、複数増幅器を動作させ、合成したＲＦ信号の入出力特性を示す図である。増幅器＃１をオンにした場合と、増幅器＃２をオンにした場合と、増幅器＃３をオンにした場合の入力電力に対する出力電力の関係を示している。図８はその場合の効率を表したものである。縦軸は効率を、横軸は入力電力をそれぞれ示している。

エンベロープが低い場合は、飽和電力の大きい増幅器を動作させず、全ての増幅器を飽和電力付近の効率のよい領域で動作させるので、平均効率を高くすることができる。実線はエンベロープに応じたドレイン電圧の場合を、破線（点線）はドレイン電圧２値の場合をそれぞれ示している。

また、例えば図８において、効率の目標値を目標値２にした場合、２値のドレイン電圧を切り替える場合は、増幅器３つだと目標を満足せず、その部分の目標値を満たす増幅器を増やさなければならないが、ドレイン電圧をエンベロープに従い変えることにより、目標値２を満たすことができ、増幅器の数を減らすことができる。

以上、説明したように、本発明によれば飽和電力の小さな増幅器から大きな増幅器を複数用意し、それぞれのドレイン電圧を入力エンベロープ信号に応じて変えることで、高効率の電力増幅器を実現することができる。また、ドレイン電圧供給部７は、入力信号に応じて出力電圧を変えることで効率を向上させることができる。また、本発明によれば複数の電圧を予め用意しておき、スイッチで切り替えて増幅器に供給することで効率を向上させることができる。また、変調波エンベロープが大きくなるに従い、順次飽和電力の高い増幅器を用いるようにすることで、効率を向上させることができる。

図９はエンベロープ波形と飽和電力に応じたドレイン電圧波形を示す図である。（ａ）はエンベロープ波形、（ｂ）は飽和電力小の増幅器のドレイン電圧を示している。（ａ），（ｂ）に示すように、飽和電力の小さな増幅器は、増幅器が動作を始めるエンベロープの領域とその１つ上のエンベロープの領域のみ動作し、それ以上大きなエンベロープが入ってきた場合は、その増幅器の動作を止めてしまう動作をする。（ｂ）の領域Ａがその場合を示している。

大きなエンベロープが入ってきた場合、全ての増幅器を合成した出力電圧に対して、小さな増幅器の出力電力は小さくなるので、小さな増幅器を動作させなくてもよいからである。この実施の形態によれば、変調波エンベロープに従い、複数増幅器のいくつかを動作させ、それ以外の増幅器は動作させないようにすることができ、効率を向上させることができる。

図１０は本発明の他の実施の形態を示すブロック図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態は、図１に示す構成に対して、分岐回路と入力部の整合回路との間にそれぞれの増幅器の入力電力最大定格を越えないようにリミッタを入れたものである。図において、１０が分岐回路１とそれぞれの整合回路２の間に挿入されたリミッタである。なお、このリミッタは最大定格の増幅器に対しては入れる必要がないので、＃ｎの増幅器３には入っていない。その他の回路の構成については、全く図１に示す回路と同じであり、説明は繰り返さない。このように、分岐回路１と整合回路２の間にリミッタ１０を儲けると、それぞれの増幅器の入力電力最大定格を越えないようにすることができる。

上述の実施の形態においては、増幅器としてＦＥＴ（ドレイン，ソース，ゲートよりなる電界効果トランジスタ）を用いた場合を例にとった。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、その他の素子、例えば通常のコレクタ，エミッタ，ベースを有するトランジスタ（バイポーラトランジスタ）を用いてもよい。本発明は増幅器として通常のトランジスタを用いた回路にも全く同様に適用することができる。

（付記１）
ＲＦ信号を入力して少なくとも２方向に分岐させる分岐回路と、
該分岐回路の出力を受ける飽和電力の異なった複数の増幅器と、
該増幅器の出力を受ける合成回路と、
変調波エンベロープ信号を受けてその振幅を変換する変調波エンベロープ変換部と、
該変調波エンベロープ変換部の出力を受けてドレイン電圧、或いはコレクタ電圧に変換して前記増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給するドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部と、
を備え、前記合成回路の出力をその出力とする、
ことを特徴とする電力増幅器。

（付記２）
前記ドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部は、入力信号に応じて出力電圧を変える出力電圧変更回路で構成されたことを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。

（付記３）
前記ドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部は、複数の電圧の中から増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給する電圧をスイッチにより切り替えて供給することを特徴とする付記１記載の電力増幅器。

（付記４）
前記変調波エンベロープが大きくなるに従い、順次飽和電力の高い増幅器を、ドレイン電圧、或いはコレクタ電圧の供給電圧を変えることで動作させることを特徴とする付記１乃至３の何れかに記載の電力増幅器。

（付記５）
前記変調波エンベロープに従い、その変調波エンベロープに対して複数増幅器の中のいくつかの増幅器をドレイン電圧、或いはコレクタ電圧の供給電圧を変えることで動作させ、他の増幅器を動作させないことを特徴とする付記１乃至３の何れかに記載の電力増幅器。

（付記６）
前記増幅器の入力部分にそれぞれの増幅器の入力電力の最大値或いは最大飽和電力に応じたレベルのリミッタを挿入することを特徴とする付記１乃至５の何れかに記載の電力増幅器。

（付記７）
前記出力電圧変更回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はチャージポンプ回路で構成されることを特徴とする付記２記載の電力増幅器。

（付記８）
ＲＦ信号を入力して少なくとも２方向に分岐させる分岐回路と、
該分岐回路の出力を受ける整合回路と、
該整合回路の出力を、又は該整合回路を削除して前記分岐回路の出力を受ける、飽和電力の異なった複数の増幅器と、
該増幅器の出力を受ける整合回路と、
該整合回路の出力を受ける合成回路と、
変調波エンベロープ信号を受けてその振幅を変換する変調波エンベロープ変換部と、
該変調波エンベロープ変換部の出力を受けてドレイン電圧、或いはコレクタ電圧に変換して前記増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給するドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部と、
を備え、前記合成回路の出力をその出力とすることを特徴とする電力増幅器。

（付記９）
ＲＦ信号を入力して少なくとも２方向に分岐させる分岐回路と、
該分岐回路の出力を受ける整合回路と、
該整合回路の出力を受ける飽和電力の異なった複数の増幅器と、
該増幅器の出力を受ける整合回路と、
該整合回路の出力を受ける合成回路と、
変調波エンベロープ信号を受けてその振幅を変換する変調波エンベロープ変換部と、
該変調波エンベロープ変換部の出力を受けてドレイン電圧、或いはコレクタ電圧に変換して前記増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給するドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部と、
を備え、前記合成回路の出力をその出力とすることを特徴とする電力増幅器。

（付記１０）
ＲＦ信号を入力して少なくとも２方向に分岐させる分岐回路と、
該分岐回路の出力を受ける飽和電力の異なった複数の増幅器と、
該増幅器の出力を受ける整合回路と、
該整合回路の出力を受ける合成回路と、
変調波エンベロープ信号を受けてその振幅を変換する変調波エンベロープ変換部と、
該変調波エンベロープ変換部の出力を受けてドレイン電圧、或いはコレクタ電圧に変換して前記増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給するドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部と、
を備え、前記合成回路の出力をその出力とすることを特徴とする電力増幅器。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば飽和電力が小さな増幅器から大きな増幅器を複数用意し、その増幅器を変調波のエンベロープに応じて、効率がよい増幅器を動作させることができるので、全ての入力振幅に対して高効率になる。また、ドレイン電圧を制御することで増幅器単体の効率もよく、全体の効率をよりよくすることができる。更に、１つの増幅器が低い電力から所定の効率を満足するため、増幅器の個数を少なくすることもできる。

本発明の一実施の形態を示すブロック図である。エンベロープ波形と飽和電圧に応じたドレイン電圧波形を示す図である。複数の電圧の切り替えの説明図である。エンベロープ波形と飽和電圧小の増幅器のドレイン電圧との関係を示す図である。入力電力と出力電力との関係を示す図である。入力電力と効率の関係を示す図である。入力電力と出力電力との関係を示す図である。入力電力と効率の関係を示す図である。エンベロープ波形と飽和電力に応じたドレイン電圧波形を示す図である。本発明の他の実施の形態を示すブロック図である。

符号の説明

１分岐回路
２整合回路
３増幅器
４整合回路
５合成回路
６変調波エンベロープ変換部
７ドレイン電圧供給部

Claims

ＲＦ信号を入力して少なくとも２方向に分岐させる分岐回路と、
該分岐回路の出力を受ける飽和電力の異なった複数の増幅器と、
該増幅器の出力を合成して出力する合成回路と、
変調波エンベロープ信号の振幅が所定の閾値よりも小さい場合は、当該変調波エンベロープ信号の振幅を変換して、前記複数の増幅器のうち飽和電力が一番大きい増幅器以外の増幅器に供給する電圧を示す複数の信号を出力し、前記変調波エンベロープ信号の振幅が所定の閾値よりも大きい場合は、前記複数の増幅器のうち、飽和電力が一番小さい増幅器に供給する電圧を示す前記信号の出力を停止し、当該飽和電力が一番小さい増幅器以外の増幅器に供給する電圧を示す複数の信号を出力する変調波エンベロープ変換部と、
該変調波エンベロープ変換部が出力した各信号に従って、ドレイン電圧、或いはコレクタ電圧を前記増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給するドレイン電圧供給部、或いは、コレクタ電圧供給部と
を備えることを特徴とする電力増幅器。
前記ドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部は、各信号に応じて出力電圧を変える出力電圧変更回路で構成されたことを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
前記ドレイン電圧供給部、或いはコレクタ電圧供給部は、複数の電圧の中から増幅器のドレイン端子、或いはコレクタ端子に供給する電圧をスイッチにより切り替えて供給することを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
前記変調波エンベロープが大きくなるに従い、順次飽和電力の高い増幅器を、ドレイン電圧、或いはコレクタ電圧の供給電圧を変えることで動作させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の電力増幅器。
前記変調波エンベロープに従い、その変調波エンベロープに対して複数増幅器の中のいくつかの増幅器をドレイン電圧、或いはコレクタ電圧の供給電圧を変えることで動作させ、他の増幅器を動作させないことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の電力増幅器。
前記増幅器の入力部分にそれぞれの増幅器の入力電力の最大値或いは最大飽和電力に応じたレベルのリミッタを挿入することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１つに記載の電力増幅器。