JP5864898B2 - 電力増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力増幅装置に係り、特に電力変換効率を向上させることができる電力増幅装置に関する。

［先行技術の説明］
無線機に用いられる送信用電力増幅装置は、高周波信号を所要の送信電力に増幅するものであり、ほとんどの無線機において最も多くの電力を消費する部分である。
電力増幅装置が消費する電力は、高周波出力に変換されるだけでなく、内部損失となる熱として放出される。そのため、消費電力の低減や信頼性の向上を図るために、電力増幅装置の電力変換効率を上げて、無駄な内部損失を抑えることが要求されている。

ところで、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）や、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）等のように、平均電力に対するピーク電力が高い信号を増幅するには、増幅器の平均出力電力より増幅器の飽和レベルを高くする(バックオフを取る)必要がある。しかし、バックオフを取って使用すると、増幅器の効率は低下してしまう。

例えば、単純なＢ級増幅器では、飽和動作時には理論的な最大効率は７８％であるが、バックオフ１０ｄＢでの動作時における最大理論効率は２６％となる。
ＣＤＭＡやＯＦＤＭ等の無線機では、ピーク電力比の大きな信号を低歪みで増幅する必要があるため、バックオフを大きく取らなければならず、効率が低くなってしまう。

［関連技術］
効率を向上させる増幅装置に関する先行技術としては、特開２００９−５５５１５号公報（出願人：株式会社日立国際電気、特許文献１）がある。
特許文献１には、複数のピーク増幅器を備えたドハティ増幅器において、各増幅器からの出力を線路上で合成することが記載されている。

２００９−５５５１５号公報

しかしながら、上記従来の電力増幅装置では、ＣＤＭＡやＯＦＤＭのように、平均電力に対するピーク電力が高い信号を増幅する場合にはバックオフを大きく取らなければならず、電力変換効率が低くなってしまうという問題点があった。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、ピーク電力比が高い信号を増幅する際の電力変換効率を向上させることができる電力増幅装置を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、電力増幅装置において、互いに異なる特定範囲の電力レベルの信号を入力し、電力レベルの入力信号を飽和に近い状態でそれぞれ増幅する複数の増幅器と、各増幅器により増幅された信号を空間に放射する複数のアンテナと、各増幅器の入力段に設けられ、複数のアンテナから出力される信号が空間合成される際に位相差及び利得差を生じないよう、各増幅器に入力される信号の位相及び振幅を調整する位相振幅調整回路と、各増幅器がそれぞれ飽和に近い状態で動作する最適なドレイン電圧を各増幅器に対して供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、電力レベルを判別するためのしきい値が設定され、入力信号の時間毎の信号レベルとしきい値とを比較して入力信号の時間毎の電力レベルを検出し、検出された電力レベルに応じて入力信号を時間軸で分配し、複数の増幅器の内のいずれかで、検出された電力レベルにおいて飽和に近い状態で動作する増幅器の入力段に設けられた位相振幅調整回路に、時間軸で分配された入力信号を出力する信号分配部とを備え、複数の増幅器は、各特定範囲の電力レベルで飽和に近い状態で動作するよう、増幅器の特性、バイアス電圧、及びドレイン電圧が適宜設定されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記電力増幅装置において、入力された変調信号を複数の帯域に周波数分割して周波数分割信号を出力する周波数分割回路を備え、周波数分割信号を信号分配部の入力信号とすることを特徴としている。

また、本発明は、上記電力増幅装置において、複数の増幅器の出力段に、各増幅器の出力信号のスプリアス成分を低減するバンドパスフィルタを設けたことを特徴としている。

また、本発明は、上記電力増幅装置において、複数のアンテナが、同一の特性を備え、各アンテナからの出力が電磁界干渉を起こさず、且つ位相差が予め設定された許容範囲内となる距離に配置されていることを特徴としている。
特徴としている。

また、本発明は、電力増幅方法において、電力レベルを判別するためのしきい値が設定された信号分配部が、入力信号の時間毎の信号レベルとしきい値とを比較して入力信号の時間毎の電力レベルを検出し、当該検出された電力レベルに応じて入力信号を時間軸で分配して、互いに異なる特定範囲の電力レベルで動作する複数の位相振幅調整回路のいずれかに出力し、各位相振幅調整回路が、時間軸で分配された信号の位相及び振幅を調整して、互いに異なる特定範囲の電力レベルで飽和に近い状態で動作する複数の電力増幅器の内、検出された電力レベルにおいて飽和に近い状態で動作する電力増幅器に出力し、複数の電力増幅器が、時間軸で分配され、位相及び振幅が調整された信号が入力されると、当該信号を飽和に近い状態で増幅して出力し、複数のアンテナが、各増幅器により増幅された信号を空間に放射するものであり、位相振幅調整回路における位相及び振幅の調整は、複数のアンテナから出力される信号が空間合成される際に位相差及び利得差を生じないよう、時間軸で分配された信号の位相及び振幅が調整されることを特徴としている。

また、本発明は、上記電力増幅方法において、周波数分割回路が、入力された変調信号を複数の帯域に周波数分割して、当該周波数分割された信号を、信号分配部の入力信号とすることを特徴としている。

本発明によれば、互いに異なる特定範囲の電力レベルの信号を入力し、電力レベルの入力信号を飽和に近い状態でそれぞれ増幅する複数の増幅器と、各増幅器により増幅された信号を空間に放射する複数のアンテナと、各増幅器の入力段に設けられ、複数のアンテナから出力される信号が空間合成される際に位相差及び利得差を生じないよう、各増幅器に入力される信号の位相及び振幅を調整する位相振幅調整回路と、各増幅器がそれぞれ飽和に近い状態で動作する最適なドレイン電圧を各増幅器に対して供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、電力レベルを判別するためのしきい値が設定され、入力信号の時間毎の信号レベルとしきい値とを比較して入力信号の時間毎の電力レベルを検出し、検出された電力レベルに応じて入力信号を時間軸で分配し、複数の増幅器の内のいずれかで、検出された電力レベルにおいて飽和に近い状態で動作する増幅器の入力段に設けられた位相振幅調整回路に、時間軸で分配された入力信号を出力する信号分配部とを備え、複数の増幅器は、各特定範囲の電力レベルで飽和に近い状態で動作するよう、増幅器の特性、バイアス電圧、及びドレイン電圧が適宜設定されている電力増幅装置としているので、入力信号の電力レベルが大きく変動しても、当該電力レベルにおいて飽和に近い状態で動作する増幅器で増幅動作を行うことができ、平均電力に対するピーク電力の比が大きい信号を増幅する場合でもバックオフを大きく取る必要がなく、電力変換効率を向上させることができ、また、空間合成により合成損失を低減して、増幅装置全体の効率を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、入力された変調信号を複数の帯域に周波数分割して周波数分割信号を出力する周波数分割回路を備え、周波数分割信号を信号分配部の入力信号とする上記電力増幅装置としているので、歪を増大させることなく広帯域の変調信号に適用することができる効果がある。

また、本発明によれば、複数のアンテナが、同一の特性を備え、各アンテナからの出力が電磁界干渉を起こさず、且つ位相差が予め設定された許容範囲内となる距離に配置されている上記電力増幅装置としているので、合成された増幅器出力信号の特性を良好にすることができる効果がある。

また、本発明によれば、電力レベルを判別するためのしきい値が設定された信号分配部が、入力信号の時間毎の信号レベルとしきい値とを比較して入力信号の時間毎の電力レベルを検出し、当該検出された電力レベルに応じて入力信号を時間軸で分配して、互いに異なる特定範囲の電力レベルで動作する複数の位相振幅調整回路のいずれかに出力し、各位相振幅調整回路が、時間軸で分配された信号の位相及び振幅を調整して、互いに異なる特定範囲の電力レベルで飽和に近い状態で動作する複数の電力増幅器の内、検出された電力レベルにおいて飽和に近い状態で動作する電力増幅器に出力し、複数の電力増幅器が、時間軸で分配され、位相及び振幅が調整された信号が入力されると、当該信号を飽和に近い状態で増幅して出力し、複数のアンテナが、各増幅器により増幅された信号を空間に放射するものであり、位相振幅調整回路における位相及び振幅の調整は、複数のアンテナから出力される信号が空間合成される際に位相差及び利得差を生じないよう、時間軸で分配された信号の位相及び振幅が調整される電力増幅方法としているので、入力信号の電力レベルが大きく変動しても、当該電力レベルにおいて飽和に近い状態で動作する増幅器で増幅動作を行うため、平均電力に対するピーク電力の比が大きい信号を増幅する場合でもバックオフを大きく取る必要がなく、電力変換効率を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、周波数分割回路が、入力された変調信号を複数の帯域に周波数分割して、当該周波数分割された信号を、信号分配部の入力信号とする上記電力増幅方法としているので、歪を増大させることなく広帯域の変調信号に適用することができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る電力増幅装置の概略構成を示す構成ブロック図である。 本増幅装置の実施例を示す説明図である。 アナログ回路で構成した信号分配部１２の構成例を示す回路図である。 本発明の別の実施の形態に係る電力増幅装置の概略構成を示す構成ブロック図である。 別の電力増幅装置の実施例の構成を示す説明図である。 分割変調波生成回路４１０の構成ブロック図である。 別の電力増幅装置における時間波形回路４２の構成例を示す回路図である。 別の電力増幅装置における増幅回路４３の構成例を示す構成ブロック図である。 別の電力増幅装置における波形の例を示す模式説明図である。

［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る電力増幅装置は、入力信号を入力レベルに応じて出力先を振り分ける信号分配部と、分配された各信号の位相及び振幅を調整する複数の位相振幅調整回路と、予め設定された特定の入力レベルにおいて飽和に近い状態で動作し、各位相振幅調整回路の出力信号を増幅する複数の増幅器と、各増幅器の出力信号のスプリアス成分を低減する複数のバンドパスフィルタと、各バンドパスフィルタの出力信号を空間に放射する複数のアンテナと、各増幅器が当該増幅器に分配された入力レベルの信号を飽和に近い状態で増幅するよう、最適なドレイン電圧を各増幅器に供給するＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、信号分配部が、検出された入力レベルにおいて最も高効率で動作する増幅器の経路に入力信号を出力するものであり、入力レベルに応じて振り分けられた入力信号を各増幅器が飽和に近い状態で増幅することにより、平均電力に対するピーク電力が高い信号を効率的に増幅できると共に、開空間合成によって合成損失を低減でき、増幅装置全体の効率を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る電力増幅装置は、上記電力増幅装置において、周波数分割回路が、変調信号の周波数帯域を複数に分割し、信号分配部が、得られた周波数分割信号について、信号レベルに応じて出力先を振り分け、増幅器が、予め設定された特定の入力レベルにおいて飽和に近い状態で動作して振り分けられた信号を増幅するものであり、増幅装置全体の効率を向上させると共に、広帯域信号に適用した場合にも、歪の発生を抑制して、良好な特性の出力信号を得ることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る電力増幅装置は、複数のアンテナが同一の特性を備え、アンテナ間の設置距離を、電磁界干渉を起こさず、且つ開空間合成時の位相差が使用信号の規格を満足する距離としており、合成された増幅器出力信号の特性を良好に保つことができるものである。

［実施の形態に係る電力増幅装置の構成：図１］
図１は、本発明の実施の形態に係る電力増幅装置の概略構成を示す構成ブロック図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る電力増幅装置（本増幅装置）は、入力端子１と、信号分配部２と、複数の増幅アンテナ部４-1、４-2、...４-nと、ＤＣ（Direct-Current）−ＤＣコンバータ３０とを備えている。

更に、各増幅アンテナ部４は、増幅器５と、バンドパスフィルタ６と、アンテナ７とを備えている。
増幅アンテナ部４の数ｎは、適宜決定される。その際に、各増幅アンテナ部４の増幅器５は同一特性のものであってもよいし、異なる特性のものであってもよく、アンテナ５は、同一の特性を備えたものとする。

各構成部分について説明する。
信号分配部２は、入力レベル（電力レベル）に応じて、入力信号をｎ個の増幅アンテナ部の内、当該入力レベルで最も高効率で増幅する増幅アンテナ部４に出力するものである。
増幅アンテナ部４の増幅器５は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）等で構成され、信号分配部２で分配された信号を入力して増幅する。本増幅装置の特徴として、各増幅器５は常に飽和に近い状態で動作するものであり、入力信号の入力レベルに応じて増幅器の特性やバイアス電圧及びドレイン電圧が予め適宜選択／設定されており、最適な効率が得られるようにしている。
これにより、増幅装置全体の効率向上を図るものである。

バンドパスフィルタ６は、増幅器５で増幅された信号を帯域制限して、スプリアスを低減する。
アンテナ７は、増幅された高周波信号を空間に放出する。その際に、各アンテナにおいて位相差及び電力差が生じないよう、分配部２から出力された信号の位相及び電力を予め調整しておく。開空間で合成することにより、合成損失を理想的にはゼロにすることができ、一層の効率向上を図るものである。
また、各アンテナ７間の距離は、電磁界干渉が発生せず、位相差が許容範囲となる程度の距離としている。電磁界干渉及び位相差については後述する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、各増幅器５に対して、それぞれ飽和に近い状態で動作可能とする最適なドレイン電圧を供給する。

［本増幅装置の実施例：図２］
次に、本増幅装置の実施例について図２を用いて説明する。図２は、本増幅装置の実施例の構成を示す説明図である。
本増幅装置の実施例は、信号分配部１２が入力レベルに応じて入力信号を分配するものである。図２の例は、図１に示した増幅アンテナ部４を３組備え、各アンテナ増幅部の入力段に位相振幅調整回路を備えた構成である。
具体的には、本実施例は、図２に示すように、入力端子１１と、信号分配部１２と、位相振幅調整回路３５，３６，３７と、増幅器１６，１７，１８と、バンドパスフィルタ１９，２０，２１と、アンテナ２２，２３，２４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０とを備えている。

各構成部分について説明する。
信号分配部１２は、アナログ回路又はデジタル回路で構成され、入力信号２６０の入力レベルを検出し、入力レベルに応じた出力先に入力信号を出力する。具体的には、入力レベルが大きい場合には分配出力端子１３に出力し、入力レベルが中程度の場合には分配出力端子１４に出力し、入力レベルが小さい場合には分配出力端子１５に出力する。信号分配部１２は、入力信号を時間毎の信号レベルに基づいて、時間軸で分配する時間波形分割回路である。

信号分配部１２には、入力レベルの大きさを判別するための２種類のしきい値ｔｈ１，ｔｈ２（ｔｈ１＜ｔｈ２）が設定されており、検出された入力レベルに応じて、入力信号が増幅器１６，１７，１８の内の当該入力レベルで最も効率よく動作する最適な増幅器で増幅されるように、入力信号を分配端子１３，１４，１５のいずれかに出力する。信号分配部１２の構成及び動作については後述する。

デジタル回路を用いる場合には、信号分配部１２はＤＳＰ等で構成し、信号分配部１２の入力段にＡ／Ｄ変換器を備え、出力段にＤ／Ａ変換器を備えた構成とすれば、他の部分はアナログ回路の場合と同様に構成可能である。

位相振幅調整回路３５，３６，３７は、アンテナから出力された信号が空間合成される際に、位相差及び利得差が生じないよう、各分配信号の位相及び振幅を調整するものである。
具体的には、位相振幅調整回路３５は、分配信号２７０（電力レベル大）を入力して位相及び振幅を調整し、位相振幅調整回路３６は、分配信号２８０（電力レベル中）を入力して位相及び振幅を調整し、位相振幅調整回路３７は、分配信号２９０（電力レベル小）を入力して位相及び振幅を調整する。

増幅器１６，１７，１８は、互いに異なる特定範囲の入力レベルの信号を入力して、それぞれ当該入力レベルにおいて飽和に近い状態で増幅するものであり、増幅器の特性（種類）やバイアス電圧及びドレイン電圧が適宜選択／設定されている。増幅器１６，１７，１８は常に飽和に近い動作を行うため、いずれも高効率で動作する。

本実施例では、増幅器１６は、Ｂ〜Ｃ級にバイアスされており、位相及び振幅が調整された分配信号（電力レベル大）を飽和に近い動作で増幅する。増幅器１６はピーク電力付近の入力信号を増幅する。
増幅器１７は、Ｂ〜Ｃ級にバイアスされ、位相及び振幅が調整された分配信号（電力レベル中）を飽和に近い動作で増幅する。増幅器１７は、平均電力付近の入力信号を増幅する。
増幅器１８は、ＡＢ級にバイアスされ、位相及び振幅が調整された分配信号（電力レベル小）を飽和に近い動作で増幅する。増幅器１８は小電力の入力信号を増幅する。

つまり、本増幅装置では、平均電力に比べてピーク電力が高い信号を増幅する際に、１つの増幅器でピーク電力を考慮してバックオフを大きく取るのではなく、異なる入力レベルの信号をそれぞれ効率よく増幅する複数の増幅器を備え、入力信号を入力レベルに応じて適切な増幅器に振り分けて増幅する構成とし、各増幅器がそれぞれの入力レベルにおいて飽和に近い動作を行うことにより、増幅器全体の効率向上を図るものである。

バンドパスフィルタ１９，２０，２１は、それぞれ増幅器１６，１７，１８から出力された増幅信号を帯域制限してスプリアスを抑制する。
アンテナ２２，２３，２４は、バンドパスフィルタ１９，２０，２１から出力された信号を空中に放出する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、増幅器１６，１７，１８が、各増幅器に入力される入力レベルの信号を飽和に近い状態で増幅動作するよう、ぞれぞれの増幅器にとって最適なドレイン電圧を各増幅器に供給する。ドレイン電圧は、増幅器によって異なる場合もあるし、同じとなる場合もある。
具体的には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、ドレイン電圧供給端子３１から最適なドレイン電圧を増幅器１６に供給する。ドレイン電圧供給端子３１から出力されるドレイン電圧は、増幅器１６が入力レベルの大きい信号を飽和に近い状態で増幅するよう設定された電圧である。
同様に、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、ドレイン電圧供給端子３２から、増幅器１７に平均電力付近の信号を飽和に近い状態で増幅するよう設定されたドレイン電圧を供給し、ドレイン電圧供給端子３３から、増幅器１８に小電力の信号を飽和に近い状態で増幅するよう設定されたドレイン電圧を供給する。

［本実施例の動作：図２］
次に、本実施例における動作について図２を用いて簡単に説明する。
入力端子１１から入力された入力信号２６０は、信号分配部１２で入力レベルが検出され、検出された入力レベルに応じて出力先が選択され、分配出力端子１３，１４，１５のいずれかから出力される。
図２の例では、入力レベルが高レベルの場合は、入力信号は分配出力端子１３から出力され、入力レベルが中レベルの場合は分配出力端子１４から出力され、入力レベルが小レベルの場合は分配出力端子１５から出力される。

分配された信号２７０，２８０，２９０は、それぞれ位相振幅調整回路３５，３６，３７で、アンテナ出力時に位相差と利得差が生じないように位相と振幅が調整され、増幅器１６，１７，１８で増幅される。
更に、バンドパスフィルタ１９，２０，２１でスプリアスが抑制されて、アンテナ２２，２３，２４から放出され、位相差と利得差が生じることなく開空間合成されて出力信号２５０が得られる。

［アンテナ間の距離について：図２］
空間合成を行う場合、アンテナ間の距離を電磁界干渉が起こらない距離に設定する必要がある。また、最も離れたアンテナ同士の距離は、許容できる位相差によって決定される。
まず、各アンテナ間で電磁界干渉が起こらない距離について説明する。
アンテナ２２，２３，２４で電磁界干渉が起こらない距離をΔｌとし、搬送波波長をλｇとすると、Δｌは、
Δｌ＞＞λｇ／２π （式１）
で表される。

また、最も離れているアンテナ２２とアンテナ２４との距離Δｔは、空間合成する際の位相差の許容範囲として表すことができる。許容位相差を１度とし、変調帯域幅をλとすると、
Δｔ＜＜λ／３６０ （式２）
で表される。

仮に、変調度１００％のＡＭ変調で、搬送波として２．１４GHzを使用し、変調帯域幅を１５MHzとした場合、（式１）より、 Δｌ＞＞２．２３［cm］ となり、（式２）より、 Δｔ＜＜５．５６［cm］ となる。

また、図２より、Δｔ＝２Δｌ とすると、Δｌの許容範囲は、
２．２３［cm］＜＜Δｌ＜＜２．７８［cm］ となる。
すなわち、Δｌが上記範囲内であれば、電磁界干渉を起こさず、空間合成した際にも１度以下の位相差で合成することができるものである。
このように、許容位相差が１度以下という厳しい設定にもかかわらず、変調帯域幅を１５MHz取ることができるため、広帯域な信号にも十分使用可能となるものである。

［信号分配部１２の構成例：図３］
次に、図２に示した信号分配部１２の構成例について図３を用いて説明する。図３は、アナログ回路で構成した信号分配部１２の構成例を示す回路図である。
図３に示すように、信号分配部１２は、入力端子１１と、ディバイダ１００と、検波器１１０と、コンパレータ１０１，１０２，１０３，１０４と、ＡＮＤ回路１０５と、スイッチ１０６，１０７，１０８と、分配出力端子１３，１４，１５とを備えている。
図２と同じ部分については同一の符号を付している。

ディバイダ１００は入力信号を２つに分岐する。
検波器１１０は、分岐された一方の入力信号を検波して入力レベル（ａ）を検出する。検出された入力レベルは、コンパレータ１０１，１０２，１０３，１０４に入力される。

そして、本実施例では、コンパレータ１０１〜１０４によって、入力レベルａをしきい値ｔｈ１、ｔｈ２と比較して、その大小に基づいてスイッチ１０６，１０７，１０８のいずれかをオンとして、入力信号を分配出力端子１３，１４，１５のいずれかに出力する。

コンパレータ１０１には、＋端子に第１のしきい値ｔｈ１が設定されており、−端子から入力される入力レベルａがｔｈ１より小さい（ａ＜ｔｈ１）場合に、出力信号がＨレベルとなる。すなわち、信号波形（ｂ）のときにスイッチ１０６がオンとなり、他のスイッチ１０７，１０８はオフとなる。

コンパレータ１０２は、−端子に第１のしきい値ｔｈ１が設定されており、＋端子から入力される入力レベルａがｔｈ１より大きい（ａ＞ｔｈ１）場合に、Ｈレベル信号が出力される。
また、コンパレータ１０３には、＋端子に第２のしきい値ｔｈ２が設定されており、−端子から入力される入力レベルａがｔｈ２より小さい（ａ＜ｔｈ２）場合に、Ｈレベル信号が出力される。

そして、コンパレータ１０２とコンパレータ１０３からの出力が両方ともＨレベルの場合（ｔｈ１＜ａ＜ｔｈ２）のみに、ＡＮＤ回路１０５からの出力がＨレベルとなる。つまり、信号波形（ｃ）のときにスイッチ１０７がオンとなり、他のスイッチ１０６，１０８はオフとなる。

コンパレータ１０４は、−端子に第２のしきい値ｔｈ２が設定されており、＋端子から入力される入力レベルａがｔｈ２より大きい（ａ＞ｔｈ２）場合に、出力信号がＨレベルとなる。つまり、信号波形（ｄ）のときにスイッチ１０８がオンとなり、他のスイッチ１０６，１０７はオフとなる。

スイッチ１０６は、コンパレータ１０１からの出力がＨレベルの場合にオンとなり、ディバイダ１００で分岐された入力信号を出力端子１５に出力する。
スイッチ１０７は、ＡＮＤ回路１０５からの出力がＨレベルの場合にオンとなり、入力信号を出力端子１４に出力する。
スイッチ１０８は、コンパレータ１０４からの出力がＨレベルの場合にオンとなり、入力信号を出力端子１３に出力する。

上記構成の信号分配部１２の動作について説明する。
入力端子１１から入力された信号は、ディバイダ１００で２つに分岐されて、一方の分岐信号は、検波器１１０で検波されて入力レベル（ａ）が検出される。
入力レベルａがｔｈ１より小さい場合には（ａ＜ｔｈ１，信号波形ｂ）、コンパレータ１０１の出力のみがＨレベルとなり、スイッチ１０６がオンとなって、ディバイダ１００で分岐された他方の入力信号は分配出力端子１５から出力位相振幅調整回路３７に出力される。

また、入力レベルａがｔｈ１とｔｈ２の間（ｔｈ１＜ａ＜ｔｈ２，信号波形ｃ）の場合には、コンパレータ１０２，１０３がＨレベルとなり、スイッチ１０７がオンとなって入力信号は分配出力端子１４から出力位相振幅調整回路３６に出力される。
入力レベルａがｔｈ２より大きい（ａ＞ｔｈ２，信号波形ｄ）場合には、コンパレータ１０４がＨレベルとなり、スイッチ１０８がオンとなって入力信号は分配出力端子１３から出力位相振幅調整回路３５に出力される。
分配出力端子１３，１４，１５以降の動作は、図２の場合と同様である。
このようにして、本実施例では、入力信号が入力レベルに応じて最適な増幅器の経路に分配され、図２に示した増幅器１６，１７，１８のいずれかにおいて飽和に近い状態で効率よく増幅されるものである。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る電力合成増幅器によれば、入力信号の入力レベルを検出し、検出された入力レベルに応じて選択した出力先に入力信号を出力する時間波形分割回路としての信号分配部１２と、分配された入力信号の位相及び振幅を調整する位相振幅調整回路３７，３６，３５と、入力レベルが第１のしきい値よりも小さい入力信号を飽和に近い状態で増幅する第１の増幅器１８と、入力レベルが第１のしきい値と第２のしきい値との間である入力信号を飽和に近い状態で増幅する第２の増幅器１７と、入力レベルが第２のしきい値よりも大きい入力信号を飽和に近い状態で増幅する増幅器１６と、増幅器１８，１７，１６で増幅された信号についてそれぞれスプリアスを低減するバンドパスフィルタ２１，２０，１９と、バンドパスフィルタ２１，２０，１９の出力をそれぞれ空間放射するアンテナ２４，２３，２２と、増幅器１８，１７，１６がそれぞれの増幅器に入力される入力信号の入力レベルで飽和に近い状態で動作するよう、各増幅器１８，１７，１６に最適なドレイン電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ３０を備え、信号分配部１２が、検出された入力レベルにおいて飽和に近い動作を行う増幅器を含む経路に入力信号を出力する電力増幅装置としているので、入力信号の入力レベルの変動が大きくても、各入力レベルにおいてそれぞれ飽和状態で増幅動作を行う増幅器で増幅することで電力変換効率を向上させ、特に平均電力に対するピーク電力が高い信号の増幅において効率を向上させることができ、また、開空間合成することにより、合成損失を低減して増幅器全体の効率を向上させることができる効果がある。

また、本電力増幅装置によれば、複数のアンテナの特性を同一とし、アンテナ間の距離を、電磁界干渉を起こさず、位相差がシステムの許容範囲となる距離となるよう各アンテナを設置しているので、空間合成された増幅器出力の特性を良好に保つことができる効果がある。
尚、本実施の形態では、一層の効率向上を図るために増幅された信号を複数のアンテナから出力することにより開空間で合成する構成について記載したが、開空間に限らず、有線上で合成する閉空間（線路上）の構成としてもよい。

［別の実施の形態］
次に、本発明の別の実施の形態に係る電力増幅装置（別の電力増幅装置）について説明する。
上述した実施の形態に係る電力増幅装置のように信号レベルに応じて時間分配された信号を増幅して送信する場合、広帯域信号に適用すると、時間波形分割回路（信号分配部）のコンパレータやスイッチの応答特性に限界があるため、分割した信号の歪が大きくなって、空間で合成した信号の品質が劣化してしまうことがある。

そこで、別の電力増幅装置では、信号を周波数領域で分割し、分割された信号について時間波形分割することにより、効率を向上させると共に、広帯域信号でも歪の発生を抑え、空間で合成した信号の品質を良好にするようにしている。

［別の電力増幅装置の構成：図４］
別の電力増幅装置の構成について図４を用いて説明する。図４は、本発明の別の実施の形態に係る電力増幅装置の概略構成を示す構成ブロック図である。
図４に示すように、別の電力増幅装置は、変調波源回路４０と、周波数分割回路４１と、複数の時間波形分割回路４２と、複数の増幅回路４３と、複数のバンドパスフィルタ４４と、複数のアンテナ４５とを備えている。

変調波源回路４０は、特定の変調方式で変調して変調信号を出力する。
周波数分割回路４１は、別の電力増幅装置の特徴部分であり、入力された変調信号３１０を周波数軸に沿って特定の帯域幅の複数の周波数分割信号に分割する。ここでは、周波数分割信号３１０ａ、３１０ｂ、...３１０ｎのｎ個の周波数分割信号に分割している。

時間波形分割回路４２は、図３に示した信号分配部１２と同様の構成及び動作であるが、別の電力増幅装置では、特定帯域に周波数分割された信号を入力して、入力信号のレベルに応じてｍ個の出力端子に分配し、後述する増幅回路４３のｍ個の増幅器の内、最適な増幅器に出力する。

増幅回路４３は、ｍ個の増幅器を備え、各増幅器は、入力された特定レベルの信号を飽和に近い状態で増幅する。各増幅器は、上述した実施の形態における増幅器１６，１７，１８と同様に、入力される信号レベルで飽和に近い状態で増幅動作を行うために適切なドレイン電圧が印加されている。

つまり、時間波形分割回路４２と増幅回路４３の数は、周波数分割回路４１において分割される帯域の数（ｎ）に対応しており、各増幅回路４３を構成する増幅器の数は、時間波形分割回路３２で分割される信号レベル範囲の数（ｍ）に対応している。

このように、別の電力増幅装置では、周波数分割回路４１で狭い帯域に分割された信号について、上述した実施の形態の電力増幅装置と同様に時間波形分割することにより、時間波形分割回路４２における歪の発生を抑え、効率を向上させると共に信号品質を向上させることができるものである。

周波数分割される周波数分割信号の数（ｎ）及び時間波形分割回路４２でレベルに応じて分割される信号の数（ｍ）は、システムに応じて任意に設定可能であり、それに対応して時間波形分割回路４２と増幅回路４３の数、及び各増幅回路４３内の増幅器の数を決めればよい。

ハンドパスフィルタ４４は、増幅回路４３で増幅された信号を帯域制限して、スプリアスを低減する。
アンテナ４５は、図１及び図２に示したものと同様に、増幅された高周波信号を空間に放出するものであり、各アンテナ４５の特性は同一としている。また、アンテナ４５間の距離は、電磁界干渉を起こさず、位相差がシステムの許容範囲となる距離としている。

［別の電力増幅装置の動作：図４］
上記構成の別の電力増幅装置における動作について図４を用いて簡単に説明する。
変調波源回路４０で変調された変調信号３１０は、周波数分割回路４１で、複数の周波数分割信号３１０ａ、３１０ｂ、...３１０ｎに分割され、各周波数分割信号は、時間波形分割回路４２で信号レベルに応じて更に時間分割される。

そして、時間分割された信号は、増幅回路４３において、各信号レベルに応じて飽和動作する増幅器で増幅され、バンドパスフィルタ４４で帯域制限され、アンテナ４５から放出され、開空間合成されて、合成信号３２０が得られる。開空間で合成されることにより、理想的には合成損失を無くすことができるものである。

［別の電力増幅装置の実施例：図５］
次に、別の電力増幅装置の実施例について図５を用いて説明する。図５は、別の電力増幅装置の実施例の構成を示す説明図である。
図５に示す実施例（別の実施例）は、ＯＦＤＭ信号に適用した例を示しており、変調信号の帯域を３つの周波数帯域に分割し、更に、各分割周波数帯域の信号を３つに時間波形分割して増幅するようにしている。
図５に示すように、別の実施例の電力増幅装置は、分割変調波生成回路４１０と、時間波形分割回路４２と、増幅回路４３と、バンドパスフィルタ４４と、アンテナ４５とを備えている。

ここで、別の実施例の分割変調生成回路４１０は、サブキャリアを生成した後、複数個のサブキャリアを合成して所望の帯域幅の周波数分割信号を生成する構成としているが、他に複数のバンドパスフィルタを備えて変調信号を分割する構成も可能である。分割変調波生成回路４１０については後で説明する。

時間波形分割回路４２は、３つに周波数分割された各周波数分割信号を、信号レベルに応じて例えばレベル大、中、小の３つに分けて、接続された増幅回路４３の複数の増幅器の内、当該入力レベルの信号の増幅を飽和に近い状態で行う最適な増幅器に出力する。時間波形分割回路４２については後で説明する。
ＯＦＤＭのような広帯域信号に適用した場合でも、各時間波形分割回路４２は、周波数分割された狭い帯域の信号を時間波形分割すればよいので、歪の発生を抑えることができるものである。

［別の実施例の動作：図５］
分割変調波生成回路４１において、生成された変調信号は３つの帯域に分割され、各周波数分割信号は、出力端子４１ａ、４１ｂ、４１ｃから出力されて、時間波形分割回路４２の入力端子４２ａに入力される。
そして、各周波数分割信号は、時間波形分割回路４２で時間軸で信号レベルに応じて分割され、分割された信号は、出力端子４２ｂ、４２ｃ、４３ｄのいずれかから増幅回路４３の対応する入力端子４３ａ、４３ｂ、４３ｃに入力される。

増幅回路４３では、周波数分割且つ時間波形分割された信号が信号レベルに応じて高効率で増幅され、出力端子４３ｄ、４３ｅ、４３ｆから対応するバンドパスフィルタ４４に出力されて、アンテナ４５から放射され、開空間で合成される。

ここで、アンテナ４５間の距離について説明する。
アンテナ４５間で電磁界干渉が起こらない距離をΔｌとし、同一の増幅回路４４からの信号を放出するアンテナ４５の内、最も離れているアンテナ４５間で位相差が許容範囲（１度）となる距離をΔｔとし、上述した搬送波及び変調帯域幅１５MHzの条件とすると、上述した実施の形態の電力増幅装置と同様に、Δｌの許容範囲は、２．２３［cm］＜＜Δｌ＜＜２．７８［cm］となる。
これにより、広帯域信号に十分適用可能であることがわかる。

［分割変調波生成回路４１０：図６］
次に、図５に示した分割変調波生成回路４１０について図６を用いて説明する。図６は、分割変調波生成回路４１０の構成ブロック図である。
分割変調波生成回路４１０は、別の電力増幅装置の特徴部分であり、図６に示すように、直列並列変換部５０と、サブキャリア合成回路５２とを備えている。
直列並列変換部５０は、送信データを直列並列変換し、複素変調により複数のサブキャリアに分割し、複数のサブキャリア信号５１を出力する。

サブキャリア合成回路５２は、生成された複数のサブキャリア信号５１から、変調信号の帯域を３つに分割した周波数分割信号を生成する。具体的には、サブキャリア合成回路５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、複数のサブキャリア信号５１から周波数順に、Ｎ個ずつのサブキャリア信号５１を合成して、予め設定された帯域幅の周波数分割信号を生成し、出力する。

例えば、サブキャリア合成回路５２ａは、最も周波数の低い帯域のサブキャリアをＮ個合成して、出力端子４１ａから時間波形回路４２に出力し、サブキャリア合成回路５２ｂは、中間の帯域のサブキャリアを合成し、サブキャリア合成回路５２ｃは、最も周波数の高い帯域のサブキャリアを合成して、それぞれ出力端子４１ｂ、４１ｃから時間波形回路４２に出力する。
これにより、３つの周波数分割信号が得られる。

［時間波形分割回路４２：図７］
次に、図４，５に示した時間波形分割回路４２について図７を用いて説明する。図７は、別の電力増幅装置における時間波形回路４２の構成例を示す回路図である。
図７に示すように、時間波形分割回路４２は、入力端子４２ａと、ディバイダ３０１と、検波器３０２と、コンパレータ３０３，３０４，３０５，３０６と、ＡＮＤ回路３０７と、スイッチ３０７，３０８，３０９と、分配出力端子４２ｂ，４２ｃ，４２ｄとを備えている。

時間波形回路４２は、図３に示した信号分配部１２と構成及び動作は同じであるため、ここでは簡単に説明する。
ディバイダ３０１は、入力信号１２０を２つに分岐し、一方をスイッチ３０７，３０８，３０９に出力し、他方を検波器３０２に出力する。
検波器３０２は、分岐された一方の信号を検波して、検波波形１２０ａを入力レベルとして出力する。

コンパレータ３０３には、＋端子に第１のしきい値ｔｈ１が設定されており、−端子から入力される入力レベル１２０ａがｔｈ１より小さい（１２０ａ＜ｔｈ１）場合に、出力信号がＨレベルとなる。すなわち、信号波形１２０ｂのときにスイッチ３０７がオンとなり、ディバイダ３０１からの信号が分配出力端子４２ｄから増幅回路４３に出力される。

コンパレータ３０４は、−端子に第１のしきい値ｔｈ１が設定されており、＋端子から入力される入力レベル１２０ａがｔｈ１より大きい（１２０ａ＞ｔｈ１）場合に、Ｈレベル信号を出力する。
また、コンパレータ３０５には、＋端子に第２のしきい値ｔｈ２が設定されており、−端子から入力される入力レベル１２０ａがｔｈ２より小さい（１２０ａ＜ｔｈ２）場合に、Ｈレベル信号を出力する。

そして、コンパレータ３０４とコンパレータ３０５からの出力が両方ともＨレベルの場合（ｔｈ１＜１２０ａ＜ｔｈ２）のみに、ＡＮＤ回路３０７からの出力がＨレベルとなる。つまり、信号波形１２０ｃのときにスイッチ３０８がオンとなり、ディバイダ３０１からの信号が分配出力端子４２ｃから増幅回路４３に出力される。

コンパレータ３０６は、−端子に第２のしきい値ｔｈ２が設定されており、＋端子から入力される入力レベル１２０ａがｔｈ２より大きい（ａ＞ｔｈ２）場合に、出力信号がＨレベルとなる。つまり、信号波形１２０ｄのときにスイッチ３０９がオンとなり、ディバイダ３０１からの信号が分配出力端子４２ｃから増幅回路４３に出力される。

これにより、別の電力増幅装置では、入力信号が入力レベルに応じて最適な増幅器の経路に分配され、後述する増幅回路４３の増幅器のいずれかにおいて飽和に近い状態で効率よく増幅されるものである。

［増幅回路４３：図８］
次に、図４，５に示した増幅回路４３の構成について図８を用いて説明する。図８は、別の電力増幅装置における増幅回路４３の構成例を示す構成ブロック図である。
図８に示すように、増幅回路４３は、位相振幅調整回路４６ａ，４６ｂ，４６ｃと、増幅器４７ａ，４７ｂ，４７ｃと、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８とを備えている。
各構成部分は、図２に示した位相振幅調整回路３７、増幅器１６〜１８、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０と同様の構成及び動作である。
位相振幅調整回路４６と増幅器４７の数は、時間波形分割回路４２において分割される信号レベルの数に対応しており、任意に設定可能である。ここでは３個としている。

そして、上記増幅回路４３においては、時間波形分割回路４２において信号レベルに応じて分割された信号は、増幅回路４３のいずれかの位相振幅調整回路４６に入力されて、アンテナ出力時に位相差と利得差が生じないように位相と振幅が調整され、増幅器４７で飽和に近い状態で増幅される。
具体的には、時間波形分割回路４２の出力端子４２ｂから出力されたレベル大の信号は、増幅回路４３の入力端子４３ａに入力されて、位相振幅回路４６ａで位相及び振幅が調整され、増幅器４７ａで増幅される。

また、時間波形分割回路４２の出力端子４２ｃから出力されたレベル中の信号は、増幅回路４３の入力端子４３ｂに入力されて、位相振幅回路４６ｂで位相及び振幅が調整され、増幅器４７ｂで増幅される。

同様に、時間波形分割回路４２の出力端子４２ｄから出力されたレベル小の信号は、増幅回路４３の入力端子４３ｃに入力されて、位相振幅回路４６ｃで位相及び振幅が調整され、増幅器４７ｃで増幅される。

各増幅器４７ａ，４７ｂ，４７ｃには、入力信号のレベルに対応して、飽和状態に近い動作が行われるよう、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８の端子４９ａ，４９ｂ，４９ｃから適切なドレイン電圧が供給される。

［波形の例：図９］
次に、別の電力増幅装置の実施例における波形の例について図９を用いて説明する。図９は、別の電力増幅装置における波形の例を示す模式説明図である。
図９に示すように、分割変調波生成回路４１０の直列並列変換部５０で生成される変調信号波形６０は、変調帯域幅Δｆｃの波形である（横軸は周波数）。

この信号をサブキャリア合成回路５２により、所定の帯域幅に分割して、周波数分割信号を得る（横軸は周波数）。周波数分割信号の波形は、分割変調波形６１で表され、ここでは変調帯域幅Δｆｃを３つに分割している。各波形は、帯域の中心周波数が異なっている。
周波数分割信号（分割変調波形６１）の帯域幅をΔｆｓとすると、
Δｆｓ＝Δｆｃ／Ｍ で表される。Ｍは分割数であり、ここでは３である。

そして、各周波数分割信号は、更に時間波形分割回路４２によって、包絡線の電圧レベルに応じて時間分割され、ここでは９つの時間分割波形６２が得られる（横軸は時間）。
そして、各時間分割波形６２は、それぞれ対応する増幅器で増幅された後、アンテナ４５から空間放射されて、開空間で合成され、合成変調信号波形６３が得られるものである。

［別の実施の形態の効果］
本発明の別の実施の形態に係る電力増幅装置によれば、周波数分割回路４１が、変調信号の変調帯域を複数に分割して周波数分割信号を生成し、複数の時間波形分割回路４２が、各周波数分割信号について入力レベルに応じて選択した出力先に入力信号を出力し、増幅回路４３の各位相振幅調整回路４６が、分配された入力信号の位相及び振幅を調整し、各増幅器４７が、入力された信号を飽和に近い状態で増幅し、バンドパスフィルタ４４が、増幅された信号を帯域制限してスプリアスを低減し、アンテナ４５が空間放射し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８が、各増幅器４７に所定の入力レベルで飽和に近い状態で高効率動作を行う適切なドレイン電圧を印加する電力増幅装置としているので、増幅器全体の効率を向上させると共に、ＯＦＤＭ信号のような広帯域信号についても、歪の発生を抑えて増幅器出力の品質を良好にすることができる効果がある。

また、別の電力増幅装置によれば、複数のアンテナ４５の特性を同一とし、アンテナ４５間の距離を、電磁界干渉を起こさず、位相差がシステムの許容範囲となる距離となるよう各アンテナ４５を設置しているので、空間合成された増幅器出力の特性を良好に保つことができる効果がある。

本発明は、電力変換効率を向上させる増幅器に適しており、特に平均電力に対するピーク電力の比が大きい信号を増幅する際の効率を向上させ、広帯域信号にも適用可能な電力増幅装置に適している。

１，１１...入力端子、 ２，１２...信号分配部、 ４...増幅アンテナ部、 ５，１６，１７，１８，４７...増幅器、 ６...バンドパスフィルタ、 ７...アンテナ、 １３，１４，１５...分配出力端子、 １９，２０，２１，４４...バンドパスフィルタ、 ２２，２３，２４，４５...アンテナ、 ２５０，３２０...出力信号、 ２６０，３１０，１２０...入力信号、 ２７０，２８０，２９０...分配信号、 ３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ...周波数分割信号、 ３０，４８...ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ３１，３２，３３...ドレイン電圧供給端子、 ３５，３６，３７，４６...位相振幅調整回路、 ５０...直列並列変換部、 ５１...サブキャリア、 ５２サブキャリア合成回路、 １００，３０１...ディバイダ、 １１０，３０２...検波器、 １０１，１０２，１０３，１０４，３０３，３０４，３０５，３０６...コンパレータ、１０５，３０７...ＡＮＤ回路、 １０６，１０７，１０８，３０７，３０８，３０９...スイッチ、 ４０...変調波源回路、 ４１...周波数分割回路、 ４２...時間波形分割回路、 ４３...増幅回路

Claims (6)

1. 互いに異なる特定範囲の電力レベルの信号を入力し、前記電力レベルの入力信号を飽和に近い状態でそれぞれ増幅する複数の増幅器と、
   前記各増幅器により増幅された信号を空間に放射する複数のアンテナと、
   前記各増幅器の入力段に設けられ、前記複数のアンテナから出力される信号が空間合成される際に位相差及び利得差を生じないよう、前記各増幅器に入力される信号の位相及び振幅を調整する位相振幅調整回路と、
   前記各増幅器がそれぞれ飽和に近い状態で動作する最適なドレイン電圧を前記各増幅器に対して供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   電力レベルを判別するためのしきい値が設定され、入力信号の時間毎の信号レベルと前記しきい値とを比較して前記入力信号の時間毎の電力レベルを検出し、前記検出された電力レベルに応じて前記入力信号を時間軸で分配し、前記複数の増幅器の内のいずれかで、前記検出された電力レベルにおいて飽和に近い状態で動作する増幅器の入力段に設けられた位相振幅調整回路に、前記時間軸で分配された入力信号を出力する信号分配部とを備え、
   前記複数の増幅器は、各特定範囲の電力レベルで飽和に近い状態で動作するよう、増幅器の特性、バイアス電圧、及びドレイン電圧が適宜設定されていることを特徴とする電力増幅装置。
2. 入力された変調信号を複数の帯域に周波数分割して周波数分割信号を出力する周波数分割回路を備え、
   前記周波数分割信号を前記信号分配部の入力信号とすることを特徴とする請求項１記載の電力増幅装置。
3. 前記複数の増幅器の出力段に、前記各増幅器の出力信号のスプリアス成分を低減するバンドパスフィルタを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の電力増幅装置。
4. 前記複数のアンテナが、同一の特性を備え、前記各アンテナからの出力が電磁界干渉を起こさず、且つ位相差が予め設定された許容範囲内となる距離に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の電力増幅装置。
5. 電力レベルを判別するためのしきい値が設定された信号分配部が、入力信号の時間毎の信号レベルと前記しきい値とを比較して前記入力信号の時間毎の電力レベルを検出し、当該検出された電力レベルに応じて前記入力信号を時間軸で分配して、互いに異なる特定範囲の電力レベルで動作する複数の位相振幅調整回路のいずれかに出力し、
   前記各位相振幅調整回路が、前記時間軸で分配された信号の位相及び振幅を調整して、互いに異なる特定範囲の電力レベルで飽和に近い状態で動作する複数の電力増幅器の内、前記検出された電力レベルにおいて飽和に近い状態で動作する電力増幅器に出力し、
   前記複数の電力増幅器が、前記時間軸で分配され、位相及び振幅が調整された信号が入力されると、当該信号を飽和に近い状態で増幅して出力し、
   複数のアンテナが、前記各増幅器により増幅された信号を空間に放射するものであり、
   前記位相振幅調整回路における位相及び振幅の調整は、前記複数のアンテナから出力される信号が空間合成される際に位相差及び利得差を生じないよう、前記時間軸で分配された信号の位相及び振幅が調整されることを特徴とする電力増幅方法。
6. 周波数分割回路が、入力された変調信号を複数の帯域に周波数分割して、当該周波数分割された信号を、信号分配部の入力信号とすることを特徴とする請求項５記載の電力増幅方法。

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