JP5971284B2 - 増幅装置及び無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、増幅装置及びこれを用いた無線通信装置に関するものである。

近年、携帯電話等の移動無線通信システムでは広帯域化が進められており、電力増幅器においても、広い周波数帯域における高効率化や低歪特性、さらにΔゲインの抑圧等、広帯域での増幅特性の向上がより望まれている。
ここで、Δゲインとは、所定周波数帯域の入力信号を増幅したときにおける利得の最大値と最小値との差である。

高効率化を実現するための電力増幅器としては、メインアンプとピークアンプとを有しているドハティ型の増幅器（以下、「ドハティ増幅器」ともいう）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
上記ドハティ増幅器は、通常、ドライバ増幅器の後段に接続されて用いられる。

特開２０１３−２６６５８号公報

ドハティ増幅器と、ドライバ増幅器との間には、ドライバ増幅器からドハティ増幅器に向けて出力される信号による反射波を抑制するためにアイソレータが接続されることがある。
しかし、アイソレータでは、前記反射波を適切に改善できない場合があり、ドハティ増幅器と、ドライバ増幅器との間のインピーダンス整合がとれず（例えば、通信機器において一般的な値である５０Ωとなっていない）、ドハティ増幅器の増幅特性に影響を与えることがある。
さらに、インピーダンス整合のためにドライバ増幅器の後段に接続されているキャパシタの容量や実装位置のばらつきがドハティ増幅器の増幅特性に影響を与えることもある。

このため、ドライバ増幅器とドハティ増幅器とを接続した全体としての増幅特性にも影響が生じ、ドライバ増幅器とドハティ増幅器とを備えた増幅装置を製造する際に、製造される増幅装置それぞれで増幅特性のばらつきが大きくなり、周波数帯域がより広帯域に設定された中で要求されるΔゲインを満たすことが製品個々で困難になるという問題を有していた。
Δゲインを満たすことが製品個々で困難になると、当該増幅装置を製造する際の歩留まりの悪化を生じさせてしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、入力信号の周波数帯域がより広帯域に設定されたとしてもΔゲインを抑圧することができる増幅装置及び無線通信装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る増幅装置は、入力信号を増幅して出力信号を出力する増幅装置であって、前記入力信号を増幅する第１増幅器と、前記第１増幅器の後段に設けられ、前記第１増幅器が出力する信号を増幅して前記出力信号を出力する第２増幅器と、前記第１増幅器と前記第２増幅器との間に設けられ、前記第１増幅器が出力する信号の位相を調整し前記第２増幅器に与える移相器と、を備え、前記移相器は、所定の周波数帯域内の前記入力信号を増幅したときの前記出力信号の利得変化の増減幅が抑圧されるように前記第１増幅器が出力する信号の位相を調整する制御部を備えている。

また、本発明の実施形態に係る無線通信装置は、上記増幅装置を備えている。

本発明によれば、入力信号の周波数帯域がより広帯域に設定されたとしてもΔゲインを抑圧することができる。

一実施形態に係る増幅装置を有する無線通信装置の構成を示すブロック図である。 可変移相器の構成を示す回路図である。 評価試験の結果の一例を示すグラフである。 他の実施形態に係る増幅装置を有する無線通信装置の構成を示すブロック図である。

［本願発明の実施形態の説明］
まず最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本発明の実施形態に係る増幅装置は、
入力信号を増幅して出力信号を出力する増幅装置であって、
前記入力信号を増幅する第１増幅器と、
前記第１増幅器の後段に設けられ、前記第１増幅器が出力する信号を増幅して前記出力信号を出力する第２増幅器と、
前記第１増幅器と前記第２増幅器との間に設けられ、前記第１増幅器が出力する信号の位相を調整し前記第２増幅器に与える移相器と、を備え、
前記移相器は、所定の周波数帯域内の前記入力信号を増幅したときの前記出力信号の利得変化の増減幅が抑圧されるように前記第１増幅器が出力する信号の位相を調整する制御部を備えている。

上記構成の増幅装置によれば、第１増幅器と第２増幅器との間に移相器を設けたので、第１増幅器と第２増幅器との間の実際の整合条件に合わせて、第１増幅器が出力する信号の位相を調整することができる。
これにより、入力信号の周波数帯域がより広帯域に設定された場合であっても、実際の整合条件に応じて第１増幅器と第２増幅器との間のインピーダンス整合をとることができ、所定の周波数帯域内の入力信号を増幅したときの出力信号の利得変化の増減幅の最大値であるΔゲインを抑圧することができる。

（２）上記増幅装置において、前記第１増幅器及び前記第２増幅器の状態を示す状態情報を取得する取得部をさらに備えている場合、前記制御部は、前記状態情報に基づいて前記第１増幅器が出力する信号の位相を調整するように構成されていることが好ましい。
この場合、前記第１増幅器及び前記第２増幅器の状態に応じて第１増幅器が出力する信号の位相をより適切に調整することができる。
（３）なお、前記状態情報は、前記増幅器の温度を示す情報、又は前記増幅器の使用経過期間を示す情報であることが好ましい。

（４）また、本発明の実施形態に係る無線通信装置は、上記（１）に記載の増幅装置を備えている。

［本願発明の実施形態の詳細］
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、一実施形態に係る増幅装置を有する無線通信装置の構成を示すブロック図である。この無線通信装置１は、移動体通信システムにおける基地局装置などに用いられ、通信信号の送受信を行う。なお、図１では、通信信号を送信するための送信部のみを示している。

無線通信装置１は、通信信号の信号処理を行うための信号処理部２と、信号処理部２から与えられる通信信号を増幅する増幅装置３とを備えている。
増幅装置３は、信号処理部２から与えられる通信信号を入力信号Ｐ_ｉｎとして受け付け、受け付けた入力信号Ｐ_ｉｎを増幅し出力信号Ｐ_ｏｕｔをアンテナ４に対して出力する。
本実施形態の増幅装置３は、例えば、２．５〜２．７ＧＨｚの間の周波数帯域の信号の増幅が可能に構成されており、広帯域の通信信号に対応している。

増幅装置３は、ドライバアンプ（ドライバ増幅器）５と、ドライバアンプ５の後段に設けられたパワーアンプ（電力増幅器）６とを備えている。
第１増幅器としてのドライバアンプ５は、増幅素子としてＬＤ−ＭＯＳＦＥＴ（Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含むパッケージによって構成されており、信号処理部２から与えられる入力信号Ｐ_ｉｎを増幅する。

第２増幅器としてのパワーアンプ６は、増幅素子としてＬＤ−ＭＯＳＦＥＴを含むパッケージを用いて非対称型のドハティ増幅器として構成されており、ドライバアンプ５が出力する信号Ｐ_１を所定の送信電力まで増幅し、増幅した信号を出力信号Ｐ_ｏｕｔとして出力する。
ドライバアンプ５は、パワーアンプ６が所定の送信電力にまで増幅できる程度に入力信号Ｐ_ｉｎを増幅する。

また、ドライバアンプ５と、パワーアンプ６との間には、可変移相器７と、アイソレータ８とが接続されている。
可変移相器７は、ドライバアンプ５が出力する信号Ｐ_１の位相を調整し、パワーアンプ６に与える。可変移相器７は、制御部９によって信号Ｐ_１の移相が制御される。
これら可変移相器７及び制御部９については、後に詳述する。

アイソレータ８は、可変移相器７とパワーアンプ６との間に接続されたサーキュレータ８ａと、一端がサーキュレータ８ａに他端が接地された抵抗器８ｂとによって構成されている。アイソレータ８は、可変移相器７からの信号については、パワーアンプ６への供給を許容し、パワーアンプ６からの反射波については、抵抗器８ｂに導いて終端させる。
これによって、パワーアンプ６からの反射波の影響を抑制することができる。

図２は、可変移相器７の構成を示す回路図である。図２に示すように、本実施形態の可変移相器７は、９０度ハイブリッドカプラ１０と、一対のバラクタダイオード１１、１２と、制御部９とを備えている。

９０度ハイブリッドカプラ１０は、第１端子１０ａ、第２端子１０ｂ、第３端子１０ｃ、及び第４端子１０ｄを有している。９０度ハイブリッドカプラ１０は、第１端子１０ａに与えられた信号を互いに位相が９０度異なる２つの信号に分離し、第３端子１０ｃ及び第４端子１０ｄに分配する。また９０度ハイブリッドカプラ１０は、第３端子１０ｃ及び第４端子１０ｄそれぞれに与えられる信号を１つの信号に合成して第２端子１０ｂから出力する。

バラクタダイオード１１、１２は、それぞれ、９０度ハイブリッドカプラ１０の第３端子１０ｃ及び第４端子１０ｄに接続されている。
バラクタダイオード１１は、カソード側が第３端子１０ｃに接続されており、アノード側が接地されている。また、同様にバラクタダイオード１２は、カソード側が第４端子１０ｄに接続されており、アノード側が接地されている。

９０度ハイブリッドカプラ１０の第１端子１０ａには、ドライバアンプ５の出力端子が接続されている。よって、第１端子１０ａにはドライバアンプ５が出力する信号Ｐ_１が与えられる。
第１端子１０ａに与えられた信号Ｐ_１は、互いに位相が９０度異なる２つの信号に分離されて第３端子１０ｃ及び第４端子１０ｄから出力され、バラクタダイオード１１、１２に与えられる。

バラクタダイオード１１、１２に与えられた２つの信号は、当該バラクタダイオード１１、１２で反射し、再度、第３端子１０ｃ及び第４端子１０ｄに与えられる。
第３端子１０ｃ及び第４端子１０ｄに与えられた２つの信号は、９０度ハイブリッドカプラ１０によって再び合成され第２端子１０ｂから出力される。

ここで、バラクタダイオード１１と９０度ハイブリッドカプラ１０とを接続している電路１３には、制御部９に接続されている分岐路１４が設けられている。
また、バラクタダイオード１２と９０度ハイブリッドカプラ１０とを接続している電路１５には、制御部９に接続されている分岐路１６が設けられている。

制御部９は、分岐路１４、１６を通じてバラクタダイオード１１、１２のカソード側に電圧を印加する機能を有している。
制御部９は、バラクタダイオード１１、１２に印加する電圧を制御することで、当該バラクタダイオード１１、１２の容量を調整する機能を有している。
制御部９は、バラクタダイオード１１、１２の容量を調整することで、バラクタダイオード１１、１２に与えられる２つの信号に対する反射特性を変化させる。

これによって、制御部９は、バラクタダイオード１１、１２に印加する電圧を制御することで、９０度ハイブリッドカプラ１０の第２端子１０ｂから出力される信号の位相を任意に調整することができる。
このように、可変移相器７は、ドライバアンプ５が出力する信号Ｐ_１の位相を調整し、パワーアンプ６に与える機能を有している。

ここで、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間の整合条件は、接続されている各要素のばらつき等によって想定される条件とは異なっている場合がある。
これに対して、本実施形態の増幅装置３は、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間に可変移相器７を設けたので、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間の実際の整合条件に合わせて、ドライバアンプ５が出力する信号Ｐ_１の位相を調整することができる。

これにより、入力信号Ｐ_ｉｎの周波数帯域が、増幅装置３として対応している２．５〜２．７ＧＨｚの間の周波数帯域（所定の周波数帯域）といったように広帯域に設定された中で、実際の整合条件に応じてドライバアンプ５とパワーアンプ６との間のインピーダンス整合をとることができ、入力信号Ｐ_ｉｎを増幅したときの出力信号Ｐ_ｏｕｔの利得変化の増減幅の最大値であるΔゲインを抑圧することができる。

本実施形態に係る可変移相器７の制御部９は、増幅装置３として対応している２．５〜２．７ＧＨｚの間の周波数帯域内の信号を入力信号Ｐ_ｉｎとして増幅したときのΔゲインができるだけ抑圧されるように信号Ｐ_１の位相を調整する。
つまり、制御部９は、バラクタダイオード１１、１２に印加すべき電圧値を、Δゲインができるだけ抑圧される信号Ｐ_１の位相に調整することができる値に設定している。

次に、本発明者が行った、上記構成の増幅装置３に関する評価試験について説明する。
本発明者は、上記増幅装置３におけるドライバアンプ５とパワーアンプ６との間の構成をコンピュータシミュレーションによってモデル化し、一定電力の入力信号Ｐ_ｉｎを与えたときの入力信号Ｐ_ｉｎの周波数と、出力信号Ｐ_ｏｕｔの利得との関係を求め、入力信号Ｐ_ｉｎが所定の周波数帯域とされたときのΔゲインを求めた。

モデル化した構成としては、図１に示したドライバアンプ５とパワーアンプ６との間に可変移相器７とアイソレータ８とを設けた構成（実施例）と、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間にアイソレータ８を設け可変移相器７を設けていない構成（比較例）とを設定した。
なお、上記実施例では、例えば、ドライバアンプ５及びパワーアンプ６の温度が一定であるものとし、入力信号Ｐ_ｉｎの位相を２１０度回転させるように設定した。

本評価試験では、入力信号Ｐ_ｉｎの周波数帯域を２．５〜２．６ＧＨｚの範囲に設定し、この周波数帯域内におけるΔゲインを求め、評価を行った。

図３は、評価試験の結果の一例を示すグラフである。
図中、横軸は入力信号Ｐ_ｉｎの周波数、縦軸は出力信号Ｐ_ｏｕｔの利得を示している。
また、図中、実線は実施例品、破線は比較例品を示している。

図中、入力信号Ｐ_ｉｎの周波数が２．５ＧＨｚである位置ｍ１、入力信号Ｐ_ｉｎの周波数が２．５５ＧＨｚである位置ｍ２、及び、入力信号Ｐ_ｉｎの周波数が２．６ＧＨｚである位置ｍ３それぞれにおける実施例の出力信号Ｐ_ｏｕｔの利得は、下記のように求められた。
実施例の出力信号Ｐ_ｏｕｔの利得
位置ｍ１：３０．５９９ ｄＢ
位置ｍ２：３０．７５８ ｄＢ
位置ｍ３：３０．８４１ ｄＢ

同じく位置ｍ１、位置ｍ２、及び位置ｍ３それぞれにおける比較例の出力信号Ｐ_ｏｕｔの利得は、下記のように求められた。
比較例の出力信号Ｐ_ｏｕｔの利得
位置ｍ１：３０．２４２ ｄＢ
位置ｍ２：３０．７３５ ｄＢ
位置ｍ３：３０．９６６ ｄＢ

図３及び上記値から、入力信号Ｐ_ｉｎの周波数帯域が２．５〜２．６ＧＨｚの範囲である場合、実施例及び比較例それぞれにおいて位置ｍ１が最小の利得であり、位置ｍ３が最大の利得となっている。
よって、この場合、比較例のΔゲインは、約０．７ｄＢと比較的大きいが、実施例のΔゲインは、０．３ｄＢ以下と比較例の場合よりも、より低い値に抑圧されていることが判る。

上記結果から、本実施形態による増幅装置３によれば、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間に可変移相器７を設けたので、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間の実際の整合条件に応じてインピーダンス整合をとることができ、入力信号の周波数帯域がより広帯域に設定されたとしてもΔゲインを抑圧できることを確認することができた。

図４は、他の実施形態に係る増幅装置を有する無線通信装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態による増幅装置３は、ドライバアンプ５及びパワーアンプ６の温度を検出するための温度センサ２１、２２を備えている点、及び可変移相器７の制御部９が温度センサ２１、２２から与えられる情報に基づいてドライバアンプ５が出力する信号Ｐ_１の位相を調整する点において、上記実施形態と相違している。

温度センサ２１は、ドライバアンプ５の温度を検出し、その検出結果を示す検出信号を制御部９に与える。
温度センサ２２は、パワーアンプ６の温度を検出し、その検出結果を示す検出信号を制御部９に与える。
これら温度センサ２１、２２は、各アンプ５、６の状態である温度を示す情報（状態情報）を取得する取得部を構成しており、取得した情報を検出信号として制御部９に与える。

本実施形態の制御部９は、温度センサ２１、２２からの検出信号が示すドライバアンプ５及びパワーアンプ６の温度に応じて、Δゲインが抑圧されるように信号Ｐ_１の位相を調整する。
制御部９は、ドライバアンプ５及びパワーアンプ６の温度と、バラクタダイオード１１、１２に印加する電圧値とを対応付けたテーブルを記憶している。

このテーブルに登録されているバラクタダイオード１１、１２に印加する電圧値は、予め実験等によって把握した、ドライバアンプ５及びパワーアンプ６の温度の変化に対する増幅装置３のゲイン特性に基づいて設定されており、各温度においてΔゲインをできるだけ抑圧することができる値に設定されている。

制御部９は、温度センサ２１、２２から検出信号が与えられると、上記テーブルを参照し、テーブルに登録されている内容に従ってバラクタダイオード１１、１２に印加すべき電圧値を設定する。
これによって、制御部９は、ドライバアンプ５及びパワーアンプ６の温度に応じて、Δゲインが抑圧されるように信号Ｐ_１の位相を調整することができる。

ドライバアンプ５及びパワーアンプ６は、その温度に応じてゲイン特性が変化する。本実施形態によれば、ドライバアンプ５及びパワーアンプ６の温度を検出し、その温度に応じて信号Ｐ_１の位相を調整するので、温度に応じてゲイン特性が変化したとしても適切な調整を行うことができる。

なお、本実施形態では、ドライバアンプ５及びパワーアンプ６の状態を示す情報として温度を示す情報を取得し、これに基づいてΔゲインが抑圧されるように信号Ｐ_１の位相を調整する場合を示したが、ドライバアンプ５及びパワーアンプ６が実際に使用を開始されてから経過した期間である使用経過期間を制御部９がカウントすることができる場合、制御部９は、ドライバアンプ５及びパワーアンプ６の状態を示す情報として使用経過期間に基づいてΔゲインが抑圧されるように信号Ｐ_１の位相を調整してもよい。

ドライバアンプ５及びパワーアンプ６は、その使用経過期間に応じてゲイン特性が経時変化する場合がある。この点、上記構成によれば、ドライバアンプ５及びパワーアンプ６に経時変化が生じたとしても、Δゲインが抑圧されるように信号Ｐ_１の位相をより適切に調整することができる。

なお本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記各実施形態では、９０度ハイブリッドカプラとバラクタダイオードとを備えた可変移相器を用いた場合を例示したが、他の構成の可変移相器を用いることもできる。

また、上記実施形態では、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間に、可変移相器７に加えてアイソレータ８を設けた場合を例示したが、このアイソレータ８を省略した構成とすることもできる。この場合、構成がより簡略化される。
アイソレータ８を設けた場合、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間の反射波を抑制することができるので、より好適にドライバアンプ５とパワーアンプ６との間のインピーダンス整合をとることができ、Δゲインを効果的に抑圧することができるとともに、ドライバアンプ５の出力整合回路を簡略化（小型化）することができる。

一方、上記実施形態では、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間に可変移相器７を設けたので、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間の実際の整合条件に合わせて、ドライバアンプ５が出力する信号Ｐ_１の位相を調整することができる。
このため、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間に多少の反射波が生じたとしても、その反射波に起因するインピーダンスの整合条件の変化に応じて信号Ｐ_１の位相を調整できる。

よって、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間の反射波を抑制するためのアイソレータ８を省略したとしても、Δゲインが抑圧された好適な増幅特性を得ることができる。
上記理由から、増幅装置３において、ドライバアンプ５とパワーアンプ６との間に設けたアイソレータ８を省略した構成とすることができる。

さらに、アイソレータ８を設けた場合においても、可変移相器７が信号Ｐ_１の位相を調整することによって良好な増幅特性を得ることができるので、良好なアイソレーション特性を有する高コストなアイソレータを用いる必要がない。よって、よりコスト的に有利なアイソレータを用いることができ、低コスト化が可能となる。

また、本実施形態では、ドライバアンプ５とパワーアンプ６の増幅素子としてＬＤ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合を例示したが、他の増幅素子、例えば、ＧａＮ−ＨＥＭＴ（ＧａＮ−Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を増幅素子として用いた増幅器を用いてもよい。
また、本実施形態では、パワーアンプ６に非対称型のドハティ増幅器を用いた場合を例示したが、対称型のドハティ増幅器を用いて構成することもできる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 無線通信装置
２ 信号処理部
３ 増幅装置
４ アンテナ
５ ドライバアンプ
６ パワーアンプ
７ 可変移相器
８ アイソレータ
８ａ サーキュレータ
８ｂ 抵抗器
９ 制御部
１０ ９０度ハイブリッドカプラ
１０ａ 第１端子
１０ｂ 第２端子
１０ｃ 第３端子
１０ｄ 第４端子
１１ バラクタダイオード
１２ バラクタダイオード
１３ 電路
１４ 分岐路
１５ 電路
１６ 分岐路
２１ 温度センサ
２２ 温度センサ
ｍ１ 位置
ｍ２ 位置
ｍ３ 位置
Ｐ_ｉｎ 入力信号
Ｐ_ｏｕｔ 出力信号
Ｐ_１ 信号

Claims (5)

1. 入力信号を増幅して出力信号を出力する増幅装置であって、
   前記入力信号を増幅する第１増幅器と、
   前記第１増幅器の後段に設けられ、前記第１増幅器が出力する信号を増幅して前記出力信号を出力する第２増幅器と、
   前記第１増幅器と前記第２増幅器との間に設けられ、前記第１増幅器が出力する信号の位相を調整し前記第２増幅器に与える移相器と、を備え、
   前記移相器は、所定の周波数帯域内の前記入力信号を増幅したときの前記出力信号の利得変化の増減幅が抑圧されるように前記第１増幅器が出力する信号の位相を調整することで前記第１増幅器と前記第２増幅器との間のインピーダンスを整合させる制御部を備えている増幅装置。
2. 前記移相器と前記第２増幅器との間に接続されたアイソレータをさらに備え、
   前記アイソレータは、前記第１増幅器が出力する信号が前記第２増幅器に向けて通過するのを許容するとともに、前記第１増幅器が出力する信号が前記第２増幅器で反射した前記第２増幅器からの反射波を終端させる請求項１に記載の増幅装置。
3. 前記第１増幅器及び前記第２増幅器の状態を示す状態情報を取得する取得部をさらに備え、
   前記制御部は、前記状態情報に基づいて前記第１増幅器が出力する信号の位相を調整する請求項１又は請求項２に記載の増幅装置。
4. 前記状態情報は、前記増幅器の温度を示す情報、又は前記増幅器の使用経過期間を示す情報である請求項３に記載の増幅装置。
5. 請求項１又は請求項２に記載の増幅装置を備えている無線通信装置。

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