JP5472488B2

JP5472488B2 - 増幅装置

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Publication number: JP5472488B2
Application number: JP2012549514A
Authority: JP
Inventors: 重一木村
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: EP2658115A4; US8686794B2; EP2658115A1; US20130249638A1; WO2012086015A1; JPWO2012086015A1

Description

この発明は、増幅装置に関する。

高効率な線形増幅装置の一つとして、ＬＩＮＣ（ＬｉｎｅａｒＡｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈＮｏｎｌｉｎｅａｒＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）による飽和増幅器を用いた高周波増幅装置がある。従来、このような増幅装置は、一対の増幅器と合成器を備えており、各増幅器の出力信号を合成器で合成して出力する。合成器にはハイブリッドや３ｄＢカプラなどが用いられている。

従来、高周波信号を振幅一定で位相差を有する二つの信号に分離してそれぞれの信号を増幅し、増幅された各信号をそれぞれλ／４の長さの伝送線路で伝送して合成する構成の増幅装置において、一方の伝送線路にλ／８のオープンスタブが接続されており、他方の伝送線路に３λ／８のオープンスタブが接続されたものがある。また、フィルタリング特性を有する一方の伝送線路とフィルタリング特性を有する他方の伝送線路とが、それぞれの伝送線路の前段に設けられた各増幅器から等距離の位置においてフィルタ回路により接続された構成の増幅装置がある。また、増幅器の出力トランスの２次側に周波数マッチング用の複数のキャパシタとスイッチ回路を備え、スイッチ回路を切り替えることにより出力トランスの２次側のキャパシタを選択する構成の増幅装置がある。また、純粋な誘導性回路素子から構成されており、周波数が同じで位相が異なる二つの信号を組み合わせて二つの信号の和または差に比例した信号を発生する装置がある。

特開２００８−１３５８２９号公報特開２００９−１８２３９７号公報特開２００９−１３０８９７号公報特開平７−１３１２７８号公報

しかしながら、従来の増幅器では、ハイブリッドや３ｄＢカプラなどの合成器で信号を合成するときに３ｄＢの損失が発生してしまう。一方、一対の増幅器を、合成器アイソレーションのない合成器により互いの負荷に適切な影響を与えるように結合した場合、従来の増幅器よりも広いダイナミックレンジにわたって効率を維持することが可能となる。

図１は、合成器アイソレーションのない合成器を用いた増幅装置を示す図である。図１に示す増幅装置は、合成器アイソレーションのない合成器として、長さの異なる伝送線路４，５を備えている。増幅装置は、信号生成部１において包絡線変動を伴う入力信号から定振幅で位相差を有する一対の信号を生成し、信号生成部１の出力信号を各増幅器２，３で増幅し、各増幅器２，３の出力信号を伝送線路４，５で合成して出力する構成となっている。

しかし、図１に示すような増幅装置では、一対の増幅器を、広いダイナミックレンジにわたって効率を維持するように結合した状態では、合成器から出力される電力の振幅のダイナミックレンジは、望ましいダイナミックレンジよりも著しく狭くなってしまう。つまり、増幅装置への入力信号の振幅変調を再現することができない。

増幅装置の出力電力において振幅変調を再現できない原因の一つとして、一対の増幅器に入力される信号の振幅のバランスがとれていないことが考えられる。従って、一対の増幅器に入力される信号の振幅を個別に調整することにより振幅のバランスをとることができると考えられる。しかしながら、例えばＬＩＮＣ方式の増幅装置のように、増幅器を飽和状態で使用することにより効率を上げている増幅装置では、増幅器への入力信号の振幅を大きくしても増幅器から出力される電力はほとんど変化しない。一方、増幅器への入力信号の振幅を小さくすると、増幅器が飽和状態で動作しなくなるため、効率特性が劣化してしまう。

出力電力の振幅特性を改善することができる増幅装置を提供することを目的とする。

増幅装置は、第１の増幅器、第２の増幅器、第１の伝送線路、第２の伝送線路及び振幅バランス調整用の素子を備えている。第１の増幅器は第１の信号を増幅する。第１の信号の振幅は一定である。第２の増幅器は第２の信号を増幅する。第２の信号は、第１の信号と同じ振幅でかつ第１の信号に対して位相差を有する。第１の伝送線路の一端は第１の増幅器の出力端子に接続されている。第２の伝送線路の一端は第２の増幅器の出力端子に接続されている。第２の伝送線路の他端は第１の伝送線路の他端に接続されている。第１の伝送線路と第２の伝送線路とは、長さが異なる。振幅バランス調整用の素子は第１の伝送線路または第２の伝送線路に接続されている。増幅装置は、第１の伝送線路と第２の伝送線路との接続ノードから、第１の増幅器の出力信号と第２の増幅器の出力信号とを合成した信号を出力する。

出力電力の振幅特性を改善することができるという効果を奏する。

図１は、合成器アイソレーションのない合成器を用いた増幅装置を示す図である。図２は、合成器アイソレーションのない合成器を用いた増幅装置における効率及び振幅のシミュレーション結果を示す図である。図３は、実施例１にかかる増幅装置を示す図である。図４は、実施例２にかかる増幅装置を示す図である。図５は、実施例２にかかる増幅装置のシミュレーション結果を示す図である。図６は、実施例２にかかる増幅装置のシミュレーション結果を示す図である。図７は、実施例２にかかる増幅装置の要部の一例を示す図である。図８は、実施例３にかかる増幅装置を示す図である。図９は、実施例４にかかる増幅装置を示す図である。

以下に、この発明にかかる増幅装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。増幅装置は、一対の増幅器の出力端子間に直列に接続された第１の伝送線路または第２の伝送線路に振幅バランス調整用の素子を接続したものである。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図２は、合成器アイソレーションのない合成器を用いた増幅装置における効率及び振幅のシミュレーション結果を示す図である。この増幅装置では、一対の増幅器が、広いダイナミックレンジにわたって効率を維持するように結合されている。図２に示すように、合成器から出力される電力の振幅のダイナミックレンジ（図２、「出力電力」）は、望ましいダイナミックレンジ（図２、「望ましい出力電力」）よりも著しく狭い。

（実施例１）
図３は、実施例１にかかる増幅装置を示す図である。図３に示すように、増幅装置は第１の増幅器１１、第２の増幅器１２、第１の伝送線路１３、第２の伝送線路１４及び振幅バランス調整用の素子１５を備えている。第１の増幅器１１は第１の信号を増幅する。第１の信号の振幅は一定である。第２の増幅器１２は第２の信号を増幅する。第２の信号は、第１の信号と同じ振幅でかつ第１の信号に対して位相差を有する。

第１の伝送線路１３の一端は第１の増幅器１１の出力端子に接続されている。第２の伝送線路１４の一端は第２の増幅器１２の出力端子に接続されている。第２の伝送線路１４の他端は第１の伝送線路１３の他端に接続されている。第１の伝送線路１３と第２の伝送線路１４とは、長さが異なる。

振幅バランス調整用の素子１５は第１の伝送線路１３または第２の伝送線路１４に接続されている。図示例では、振幅バランス調整用の素子１５は第２の伝送線路１４に接続されている。増幅装置は、第１の伝送線路１３と第２の伝送線路１４との接続ノードから、第１の増幅器１１の出力信号と第２の増幅器１２の出力信号とを合成した信号を出力する。

実施例１によれば、第１の伝送線路１３または第２の伝送線路１４に振幅バランス調整用の素子１５が接続されていることにより、第１の増幅器１１の出力信号の振幅と第２の増幅器１２の出力信号の振幅とのバランスを取ることができる。従って、第１の増幅器１１の出力信号と第２の増幅器１２の出力信号とを第１の伝送線路１３及び第２の伝送線路１４により合成したときの出力電力の振幅特性を改善することができる。

（実施例２）
・増幅装置の説明
実施例２は、実施例１にかかる増幅装置をＬＩＮＣ方式の増幅装置に適用した例である。なお、実施例１にかかる増幅装置は、ＬＩＮＣ方式の増幅装置に限らず、特性の同じ一対の増幅器で増幅された信号を合成して出力する増幅装置に適用することができる。実施例２にかかる増幅装置を備えた装置の一例として、例えば移動体通信システムの基地局や移動局や中継局などに備えられている無線送信装置が挙げられる。

図４は、実施例２にかかる増幅装置を示す図である。図４に示すように、増幅装置は、信号生成部２１、第１の増幅器として例えば増幅器２２、第２の増幅器として例えば増幅器２３、第１の伝送線路として例えば伝送線路２４、第２の伝送線路として例えば伝送線路２５、及び振幅バランス調整用の素子の一例として例えばオープンスタブ２６を備えている。

信号生成部２１には包絡線変動を伴う入力信号が入力される。入力信号は、振幅変調及び位相変調（角度変調）を伴う変調信号である。信号生成部２１は、入力信号から、その振幅に応じた位相差を有する第１の信号及び第２の信号を分離する。第１の信号及び第２の信号は、定包絡線となる一定振幅の位相変調を伴う変調信号である。

増幅器２２及び増幅器２３は信号生成部２１に接続されている。増幅器２２，２３は、例えばソース接地の電界効果トランジスタを含む。電界効果トランジスタにおいて、ゲート端子は信号生成部２１に接続されており、ソース端子は接地されている。ゲート端子及びドレイン端子にはそれぞれ所定のゲート電圧及びドレイン電圧が印加される。増幅器２２の電界効果トランジスタと増幅器２３の電界効果トランジスタとは同じ電気的特性を有するように造り込まれている。

増幅器２２は、ゲート端子に入力される第１の信号を増幅してドレイン端子から出力する。増幅器２３は、ゲート端子に入力される第２の信号を増幅してドレイン端子から出力する。なお、増幅器２２，２３は、例えばゲート接地やドレイン接地の電界効果トランジスタを含んでいてもよいし、電界効果トランジスタの代わりに増幅作用を有する別の素子を含んでいてもよい。

伝送線路２４の一端は増幅器２２の出力端子、すなわちドレイン端子に接続されている。伝送線路２５の一端は増幅器２３の出力端子、すなわちドレイン端子に接続されている。伝送線路２５の他端は伝送線路２４の他端に接続されている。伝送線路２４と伝送線路２５とは、長さが異なっていてもよい。例えば伝送線路２４の電気長及び伝送線路２５の電気長はλ／４と異なっていてもよい。λは、伝送線路２４，２５で伝送される信号の波長である。

増幅装置は、伝送線路２４と伝送線路２５との接続ノードから、増幅器２２の出力信号と増幅器２３の出力信号とを合成した信号を出力する。伝送線路２４の長さ及び伝送線路２５の長さは、伝送線路２４と伝送線路２５との接続ノードから出力される電力の効率が良くなる、すなわち効率のダイナミックレンジが広くなるように、設定されている。

オープンスタブ２６の一端は例えば伝送線路２５に接続されている。オープンスタブ２６の長さは、伝送線路２４と伝送線路２５との接続ノードから出力される電力の振幅が良くなるように、すなわち振幅のダイナミックレンジが広くなるように、設定されている。なお、オープンスタブ２６が伝送線路２４に接続されていてもよいし、伝送線路２４と伝送線路２５の両方にオープンスタブが接続されていてもよい。また、振幅バランス調整用の素子はオープンスタブに限らず、増幅器２２の出力信号の振幅と増幅器２３の出力信号の振幅とのバランスを調整することができる素子であればよい。

・シミュレーション結果の説明
図５及び図６は、実施例２にかかる増幅装置のシミュレーション結果を示す図である。図５に示すシミュレーション結果は、図４に示す増幅装置において伝送線路２４の電気長を１０度とし、伝送線路２５の電気長を１６０度とし、オープンスタブ２６の電気長を３５度とした場合のものである。図６に示すシミュレーション結果は、図４に示す増幅装置において伝送線路２４の電気長を１０度とし、伝送線路２５の電気長を１６０度とし、オープンスタブ２６の電気長を４０度とした場合のものである。

シミュレーションの手順としては、まず、図４に示す増幅装置においてオープンスタブ２６を接続していない構成とし、伝送線路２４の電気長を１５度とし、伝送線路２５の電気長を１５５度としてシミュレーションを行う。その結果が、図２に示す効率の曲線と出力電力の曲線である。効率のダイナミックレンジは広いが、出力電力の振幅のダイナミックレンジは狭い。

次いで、電気長を３５度としたオープンスタブ２６を伝送線路２５に付加し、伝送線路２４の電気長を１０度とし、伝送線路２５の電気長を１６０度として、オープンスタブ２６の付加の影響を軽減したものの結果が、図５に示す効率の曲線と出力電力の曲線である。図５に示す結果より、図２に示す結果と比べて、効率のダイナミックレンジ及び出力電力の振幅のダイナミックレンジがともに改善されていることがわかる。

次いで、電気長を４０度としたオープンスタブ２６を伝送線路２５に付加し、伝送線路２４の電気長を１０度とし、伝送線路２５の電気長を１６０度としたものの結果が、図６に示す効率の曲線と出力電力の曲線である。図６に示す結果より、図２に示す結果と比べて、効率のダイナミックレンジ及び出力電力の振幅のダイナミックレンジがともに改善されていることがわかる。このように、効率のダイナミックレンジが広くなるように伝送線路２４，２５の長さを調整した後、出力電力の振幅のダイナミックレンジが広くなるような長さのオープンスタブ２６を付加し、伝送線路２４，２５の長さを微調整することによって、効率のダイナミックレンジ及び出力電力の振幅のダイナミックレンジを改善することができる。

図７は、実施例２にかかる増幅装置の要部の一例を示す図である。図７に示すように、オープンスタブ２６を、複数の伝送線路３１，３２，３３を直列に接続した構成とし、容量３６により伝送線路２４または伝送線路２５に結合させてもよい。伝送線路３１，３２，３３の間にはスイッチ３４，３５が接続されており、スイッチ３４，３５のオン／オフを切り替えることによりオープンスタブ２６の長さを調整することができる。

例えばスイッチ３４をオフにすると、オープンスタブ２６は伝送線路３１となる。例えばスイッチ３４をオンにしてスイッチ３５をオフにすると、オープンスタブ２６は伝送線路３１，３２となる。スイッチ３４，３５は例えばダイオード、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタまたはＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ、メムス）スイッチなどでできていてもよい。スイッチ３４，３５がダイオードでできている場合、ダイオードのアノード電圧を制御することによって、ダイオードのオン／オフを制御することができる。

実施例２によれば、実施例１と同様の効果が得られる。また、伝送線路２４及び伝送線路２５のいずれか一方にオープンスタブ２６を接続する場合には、伝送線路２４及び伝送線路２５の両方にオープンスタブを接続する場合に比べて、振幅のダイナミックレンジを容易に調整することができる。

（実施例３）
図８は、実施例３にかかる増幅装置を示す図である。図８に示すように、実施例３は、実施例２においてオープンスタブの代わりに、振幅バランス調整用の素子として電気的特性を制御可能な素子を用いたものである。実施例３では、振幅バランス調整用の素子の一例として例えば可変容量ダイオード４１を用いたものである。可変容量ダイオード４１の代わりに、ＭＥＭＳコンデンサなど、印加電圧により容量を制御することができる素子を用いてもよい。

伝送線路２４と伝送線路２５との接続ノードから出力される信号は、カプラ４２を介して例えば信号生成部２１にフィードバックされる。信号生成部２１は、伝送線路２４と伝送線路２５との接続ノードから出力される電力の振幅のダイナミックレンジを監視する。信号生成部２１は、出力電力の振幅にピークが出現するときの位相差における出力電力の振幅のダイナミックレンジを監視してもよい。例えば図６に示す例では、位相差が４５度のときの出力電力の振幅のダイナミックレンジを監視してもよい。

信号生成部２１は、振幅のダイナミックレンジが狭くなったことを検出すると、その狭くなった程度に応じて可変容量ダイオード４１に印加するバイアスを制御する。それによって、可変容量ダイオード４１の容量が変化し、オープンスタブ２６の長さを調整した場合と同様に、伝送線路２４と伝送線路２５との接続ノードから出力される電力の振幅のダイナミックレンジを調整することができる。

実施例３によれば、実施例２と同様の効果が得られる。また、増幅装置の稼働中に、出力電力の振幅の変化に基づいて振幅バランス調整用の素子の電気的特性が動的に制御されるので、増幅装置の部品や素子の経時的な変化や温度の変化などの原因によって出力電力の振幅のダイナミックレンジが変化してしまうのを抑制することができる。

（実施例４）
図９は、実施例４にかかる増幅装置を示す図である。図９に示すように、実施例４は、実施例３において可変容量ダイオード４１やＭＥＭＳコンデンサなどの振幅バランス調整用の素子の容量などの電気的特性を、温度変化に基づいて制御するようにしたものである。実施例４にかかる増幅装置では、伝送線路２４と伝送線路２５との接続ノードから出力される信号のフィードバックループの代わりに、温度検出部４６及び差動増幅器４７を備えている。

温度検出部４６は、温度検出素子、Ｄ／Ａコンバータ（ＤｉｇｉｔａｌｔｏＡｎａｌｏｇＣｏｎｖｅｒｔｅｒ、デジタル／アナログ変換器）及びＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）などのメモリを含んでいる。温度検出素子は、検出した温度に応じた電圧を出力する。メモリは、温度検出素子の出力電圧に対応する温度係数を予め記憶している。Ｄ／Ａコンバータは、メモリから読み出された温度係数をアナログの電圧信号に変換する。

差動増幅器４７は、温度検出部４６の出力電圧を、予め設定された常温での基準電圧と比較し、その差分に応じた電圧を、可変容量ダイオード４１に印加するバイアスとして出力する。可変容量ダイオード４１には、差動増幅器４７の出力電圧が印加される。それによって、可変容量ダイオード４１の容量が変化し、オープンスタブ２６の長さを調整した場合と同様に、伝送線路２４と伝送線路２５との接続ノードから出力される電力の振幅のダイナミックレンジを温度変化に応じて調整することができる。

実施例４によれば、実施例２と同様の効果が得られる。また、増幅装置の稼働中に、温度の変化に基づいて振幅バランス調整用の素子の電気的特性が動的に制御されるので、温度の変化によって出力電力の振幅のダイナミックレンジが変化してしまうのを抑制することができる。

１１，２２第１の増幅器
１２，２３第２の増幅器
１３，２４第１の伝送線路
１４，２５第２の伝送線路
１５，２６，４１振幅バランス調整用の素子
４６温度検出部

Claims

振幅が一定の第１の信号を増幅する第１の増幅器と、
前記第１の信号と同じ振幅でかつ前記第１の信号に対して位相差を有する第２の信号を増幅する第２の増幅器と、
一端が前記第１の増幅器の出力端子に接続された第１の伝送線路と、
一端が前記第２の増幅器の出力端子に接続され、かつ他端が前記第１の伝送線路の他端に接続され、かつ前記第１の伝送線路と長さの異なる第２の伝送線路と、
前記第１の伝送線路または前記第２の伝送線路に接続された振幅バランス調整用の素子と、
を備え、
前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路との接続ノードから、前記第１の増幅器の出力信号と前記第２の増幅器の出力信号とを合成した信号を出力することを特徴とする増幅装置。
前記振幅バランス調整用の素子は、一端が前記第１の伝送線路または前記第２の伝送線路に接続されたオープンスタブを含むことを特徴とする請求項１に記載の増幅装置。
前記振幅バランス調整用の素子は、印加する電圧を変えることによって電気的特性を制御可能な素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の増幅装置。
前記電圧は、前記接続ノードから出力される信号に基づいて変わることを特徴とする請求項３に記載の増幅装置。
温度を検出して該検出した温度に応じた電圧を出力する温度検出部を備え、
前記温度検出部の出力電圧に基づいて、前記振幅バランス調整用の素子に印加する電圧が変わることを特徴とする請求項３に記載の増幅装置。