JP6901936B2 - 増幅器、無線機及び高調波処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、高調波を処理する高調波処理部を備えた増幅器に関する。

近年、無線信号は線形変調方式が主流となり、増幅器の高効率増幅が求められている。多くの高効率増幅方式が提案されているが、携帯電話に代表されるような小型の装置においては、Ｆ級又は逆Ｆ級動作を行うＦ級増幅器が有効である。なお、Ｆ級動作では、偶数次高調波が短絡、奇数次高調波が解放となり、逆Ｆ級動作では、奇数次高調波が短絡、偶数次高調波が解放となる。本明細書では、Ｆ級と逆Ｆ級を区別せずに、単に「Ｆ級」と記すこととする。

このようなＦ級増幅器に関し、例えば、増幅素子から出力される２次高調波の出力レベル及び高調波反射回路で反射される２次高調波の反射レベルを増大させて、電圧電流波形を最適化し、電力効率を向上させる技術が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００９−１９４４２１号公報

Ｆ級増幅器に搭載される高調波処理回路（例えば、フィルタによる解放又は短絡）は、基本波の数倍の周波数の高調波を扱うことから非常にシビアであり、また、増幅素子を飽和付近まで動作させることで高効率増幅を実現することから、非線形素子である増幅素子は飽和付近の動作になるほど急激にインピーダンスが変動する。そのため、高調波処理回路は、ダイナミックレンジを広くカバーする動作の実現が困難である。また、ＬＴＥ（Long Term Evolution）に代表されるように高速通信（スループットが高い）に必要な変調波は、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）のような、ピーク成分が高く、且つ急激な変動を行う信号を増幅させる必要があるため、高速通信用の高調波処理回路の実現が困難な状態にあった。

本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、高調波を処理する高調波処理部を備えた増幅器において安定した高効率増幅を実現することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、増幅器を以下のように構成した。
すなわち、高調波を処理する高調波処理部を備えた増幅器であって、前記高調波処理部の出力電圧から所定次数の高調波を検波する検波部と、前記検波部により検波された前記所定次数の高調波に基づいて、前記出力電圧に含まれる前記所定次数の高調波が減少するように前記高調波処理部の特性を制御する特性制御部とを備えたことを特徴とすることを特徴とする。

このような構成によれば、高調波処理部の出力電圧における所定次数の高調波を抑制できるので、より理想的な高調波処理を行うことができ、安定した高効率増幅を実現することが可能となる。

本発明に係る増幅器は、より具体的には、以下のように構成することができる。
すなわち、所定次数の高調波以外の帯域に遮断特性を持つ帯域遮断フィルタを更に備え、検波部は、帯域遮断フィルタを通過後の出力電圧から所定次数の高調波を検波する。
また、高調波処理部は、高調波処理した電圧から基本波以外の成分を除去して出力するための出力フィルタを有し、特性制御部は、出力フィルタの特性を制御する。
また、特性制御部は、出力フィルタを構成するコイルとコンデンサの少なくとも一方の特性を制御する。
また、検波部は、所定次数の高調波として、次数が異なる複数の高調波を検波し、特性制御部は、検波部により検波された複数の高調波毎に高調波処理部の特性を制御する。

本発明によれば、高調波を処理する高調波処理部を備えた増幅器において安定した高効率増幅を実現することができる。

従来方式のＦ級増幅器における高調波処理部の構成例を示す図である。 従来方式のＦ級増幅器における高調波処理部の別の構成例を示す図である。 従来方式のＦ級増幅器の構成例を示す図である。 理想的なＦ級増幅器の入出力特性の例を示す図である。 従来方式のＦ級増幅器の入出力特性の例を示す図である。 理想的なインピーダンスの場合におけるＦ級増幅器の回路特性を示す図である。 インピーダンスが低い側にシフト（飽和付近）の場合におけるＦ級増幅器の回路特性を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＦ級増幅器の構成例を示す図である。 図６のＦ級増幅器における高調波処理部の構成例を示す図である。 図６のＦ級増幅器における出力電力（Ｐ１）のスペクトラムの例を示す図である。 図６のＦ級増幅器における出力電力（Ｐ２）のスペクトラムの例を示す図である。 図６のＦ級増幅器における出力電力（Ｐ３）のスペクトラムの例を示す図である。

本発明の一実施形態について説明するに先立ち、従来方式の問題点について、より具体的に説明する。
図１には、従来方式のＦ級増幅器における高調波処理部の構成例を示してある。同図の例は、基本波と、それ以外に１つの高調波を用いるためのものである。この高調波は、２次高調波であってもよく、３次高調波であってもよい。ここでは、よく用いられる３次高調波を用いる場合について動作を説明する。

図１の高調波処理部は、入力端子１１と、電源端子１２と、出力端子１３と、ＦＥＴ（Field Effect Transistor；電界効果トランジスタ）１４と、ＲＦチョーク１５と、コンデンサ１６と、３次高調波遮断フィルタ１７（コイルＬ１とコンデンサＣ１の並列回路）と、出力フィルタ１９（コイルＬ２とコンデンサＣ２の並列回路）とを有している。ＦＥＴ１１は、入力された信号を増幅して出力する能動素子であり、ゲート端子（Ｇ）に入力端子１１が接続され、ソース端子（Ｓ）は接地されている。ＦＥＴ１１のドレイン端子（Ｄ）は、コンデンサ１６及び３次高調波遮断フィルタ１７を介して出力端子１３に接続されている。ドレイン端子（Ｄ）とコンデンサ１６の間には、電源端子１２に接続されたＲＦチョーク１５が接続されており、３次高調波遮断フィルタ１７と出力端子１３の間には、接地された出力フィルタ１９が接続されている。

増幅動作に使用するスイッチ電流に３次高調波を含むようにするためには、３次高調波遮断フィルタ１７（Ｌ１，Ｃ１）を入れることによって、スイッチ電流に含まれる３次高調波が出力端子１３側に出ていかないようにすればよい。ＲＦチョーク１５は、基本的に十分な大きさのインダクタンスで入力電流は直流に制限されている。また、出力フィルタ１９（Ｌ２，Ｃ２）によって基本波以外の成分が接地されるので、出力端子１３に接続された負荷（不図示）には基本波成分のみが出力される。３次高調波遮断フィルタ１７により３次高調波は出力フィルタ１９に届かないように遮断されるため、電源端子１２に入力されるスイッチ電圧Ｖｓは３次高調波を含むことができる。このため、スイッチ電圧波形は基本波と３次高調波の和となり、位相と振幅が適切に調整されれば、スイッチがオンの期間はスイッチ電圧が略ゼロに近くなるように調整することができる。

図２には、従来方式のＦ級増幅器における高調波処理部の別の構成例を示してある。同図の例は、基本波と、それ以外に複数の高調波を用いるためのものである。すなわち、３次高調波に加え、更に高次の高調波までピーキングして整形したスイッチ電圧波形を用いる。高調波の次数を無限大にまで増やしていくと、スイッチ電圧波形は矩形波となり、理論ドレイン効率が１００％になる。この場合の回路構成は、図２のようになり、奇数次高調波に対して高インピーダンスとなる伝送線路によって奇数次高調波をピーキングすることにより実現することができる。

図２の高調波処理部は、入力端子１１と、電源端子１２と、出力端子１３と、ＦＥＴ１４と、ＲＦチョーク１５と、コンデンサ１６と、伝送線路１８と、出力フィルタ１９とを有している。すなわち、図１の３次高調波遮断フィルタ１７に代えて、伝送線路１８を設けてある。この回路の動作は、次の仮定の下で行われる。

（１）回路の受動素子は全て理想素子とする。（すなわち、ＲＣチョーク１５は十分にインダクタンスが大きく直流電流のみ流し、コンデンサ１６は直流ブロックキャパシタであり直流電圧のみ遮断することとする。）
（２）伝送線路は１／４波長（λ／４）の無損失線路で、特性インピーダンスは５０オーム系である。
（３）能動スイッチは理想スイッチとして動作し（すなわち、ＯＮ抵抗はゼロ、ＯＦＦ抵抗は無限大、スイッチ状態の遷移時間はゼロとする）、スイッチデューティ比（オン・オフ時間比率）は５０％である。
（４）基本波周波数を共振周波数とするＬＣ並列回路（出力フィルタ）の帯域遮断特性は理想的であるとする。（すなわち、基本波周波数においてインピーダンスが無限大で、基本波周波数以外においてインピーダンスがゼロとする。）
一方、奇数次高調波においては、伝送線路の電気長はλ／４の整数倍なので、伝送線路の入力インピーダンスは無限大である。また、偶数次高調波においては、伝送線路の電気調波λ／２の整数倍なので、伝送線路の入力インピーダンスはゼロである。この偶数次高調波は、ＬＣ並列回路のインピーダンスがゼロのため、接地されてコレクタ電圧には発生しない。

図３には、従来方式のＦ級増幅器の構成例を示してある。同図のＦ級増幅器は、図１や図２に例示したような構成の高調波処理部２１と、方向性結合器２２と、検波器２３と、Ａ／Ｄ変換器２４とを備えている。高調波処理部２１からの出力電圧は、方向性結合器２２で分岐されて検波器２３で電力レベルが検波され、Ａ／Ｄ変換器２４でアナログ値からデジタル値に変換される。方向性結合器２２、検波器２３及びＡ／Ｄ変換器２４は、一般的に、出力電力の監視を目的として設けられる。

上述した従来方式のＦ級増幅器における高調波処理部は、増幅素子であるＦＥＴが非線形であるため、出力が飽和付近に近づくと、歪（高調波）や素子のインピーダンスが変動する。また、近年採用されている無線技術では、その変調信号が線形変調であることから、例えばＯＦＤＭ信号（ＬＴＥ等）であれば、約１０ｄＢ程度の瞬時電力変動があり、使用したい動作点が変化する。ＦＥＴは非線形動作するため、特に、Ｃｇｓ（ゲート・ソース間容量）、Ｃｇｄ（ゲート・ドレイン間容量）、Ｉｄｓ（ドレイン電流）は非常に非線形で動作する。また、Ｆ級動作の際的ポイントも変動する。そのため、例えば、あるインピーダンスに合わせて設計されたＦ級の高調波処理部は、理想的な動作とならず、高調波処理を正しく行えないという問題が生じる。

図４Ａには、理想的なＦ級増幅器における基本波の入出力特性３１及び３次高調波入出力特性３２を例示してあり、図４Ｂには、従来方式のＦ級増幅器における基本波の入出力特性３３及び３次高調波入出力特性３４を例示してある。なお、図４Ａでは、基本波の入出力特性３１のＡ点及びＢ点と３次高調波入出力特性３２のａ点及びｂ点とがそれぞれ対応関係にあることを表している。
図４Ａに示すように、基本波の入出力特性３１及び３次高調波の入出力特性３２は線形となることが理想である。しかしながら、現実には、図４Ｂに示すように、基本波の入出力特性３３及び３次高調波の入出力特性３４は共に飽和付近で非線形に変動する。

入出力特性が非線形となる飽和付近で変動する入力信号３５が増幅対象として入力されると、高調波処理を正しく行えなくなる。これは、図１及び図２に示すように、Ｌ２，Ｃ２を並列接続して構成された出力フィルタは共振回路であることから、インピーダンスのズレが特性の変化を引き起こすためである。
図５Ａには、理想的なインピーダンスの場合におけるＦ級増幅器の回路特性を示してあり、図５Ｂには、インピーダンスが低い側にシフト（飽和付近）の場合におけるＦ級増幅器の回路特性を示してある。これらは、出力フィルタを並列共振で構成した場合の波形であり、インピーダンスのズレに伴って回路特性が変化していることを理解できる。

上記のような問題を解決するために、本発明に係る増幅器は、高調波処理部の出力電圧から所定次数の高調波を検波し、出力電圧に含まれる所定次数の高調波が減少するように高調波処理部の特性を制御する構成となっている。すなわち、増幅器の動作点に応じて変動する増幅素子側のインピーダンスに追従するように高調波処理部の特性を制御する。これにより、高調波処理部を備えた増幅器において安定した高効率増幅を実現する。

図６には、本発明の一実施形態に係るＦ級増幅器の構成例を示してある。
本例のＦ級増幅器は、高調波処理部４１と、方向性結合器４２と、検波器４３と、Ａ／Ｄ変換器４４と、帯域遮断フィルタ４５と、検波器４６と、特性制御部４７とを備えている。高調波処理部４１、方向性結合器４２、検波器４３、Ａ／Ｄ変換器４４の基本的な動作は、従来方式で説明した図３の高調波処理部２１、方向性結合器２２、検波器２３、Ａ／Ｄ変換器２４と同様である。

ここでは、３次高調波を使用してＦ級動作させることを想定して説明する。帯域遮断フィルタ４５は、３次高調波以外の帯域に遮断特性を持つフィルタであり、方向性結合器２２で分岐された高調波処理部２１からの出力電圧を入力する。検波器４６は、帯域遮断フィルタ４５を通過後の出力電力から３次高調波の電力レベルを検波する。特性制御部４７は、検波器４６で検波された３次高調波の電力レベルに基づいて、出力電圧に含まれる３次高調波が減少するように高調波処理部４１の特性を制御する。

図７には、図６のＦ級増幅器における高調波処理部４１の構成例を示してある。高調波処理部４１は、従来方式で示した図２の高調波処理部をベースにした構成であり、出力フィルタ１９に代えて、特性制御部４７により制御される可変出力フィルタ５０を設けてある。すなわち、出力電圧から基本波以外を除去するための出力フィルタ１９を、フィルタ特性を制御できる可変出力フィルタ５０に変更してある。

Ｆ級増幅器は、理想的な場合には、高調波処理部の出力電圧のスペクトラムに３次高調波は観測されない。しかしながら、先に述べた問題により、増幅素子の非線形特性によってＦ級動作がずれる。その結果、図８Ａに例示するように、高調波処理部４１の出力電圧（Ｐ１）のスペクトラムに、基本波５１だけでなく３次高調波５２も観測されることになる。出力電圧の一部は、帯域遮断フィルタ４５を通過することで３次高調波以外の成分が除去される。図８Ｂには、帯域遮断フィルタ４５を通過後の出力電圧（Ｐ２）のスペクトラムを示しており、３次高調波５２のみが観測される。検波器４６は、出力電圧（Ｐ２）から３次高調波の電力レベルを検波し、特性制御部４７に出力する。特性制御部４７は、検波器４６で検波された３次高調波の電力レベルが減少するように、可変出力フィルタ５０を調整して高調波処理部４１の特性を制御する。そして、検波器４６で検波される３次高調波の電力レベルが最小（理想的にはゼロ）になるように高調波処理部４１の特性を制御することで、理想的なＦ級動作を実現する。その結果、図８Ｃに例示するように、基本波５１のみが現れる（３次高調波５２が無い）スペクトルの出力電圧（Ｐ３）を得ることが可能となる。

なお、高調波処理部４１としては、図１の高調波処理部又は他の適切な構造の高調波処理部をベースにしてもよい。また、本例では、可変出力フィルタ５０として、印加電圧の調整により容量を変更できるバリキャプダイオード５１をＬ，Ｃ並列回路のＣ側に設けることでフィルタ特性を可変にしたものを用いるが、可変出力フィルタ５０の構造は任意である。すなわち、コイル又はフィルタの一方の特性を可変にしたものや、両方の特性を可変にしたものなど、フィルタ特性を変更できる種々の構造のフィルタを用いることができる。

また、本例のＦ級増幅器では、出力電圧に１つの高調波が含まれる場合を想定して、帯域遮断フィルタ４５、検波器４６、特性制御部４７を１系統備えているが、複数の高調波（例えば、３次高調波と５次高調波）が含まれる場合を想定して、帯域遮断フィルタ４５、検波器４６、特性制御部４７を複数の系統備え、複数の高調波毎に高調波処理部の特性を制御するようにしてもよい。

ここで、本発明に係るシステムや装置などの構成としては、必ずしも以上に示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。例えば、本発明は、上記のような高調波処理部を備えた増幅器を具備し、送信対象の信号を当該増幅器で増幅させて無線出力する無線機として把握することもできる。
また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法や方式などとして提供することも可能である。

本発明は、高調波を処理する高調波処理部を備えた種々の形式の増幅器に利用することができる。

１１：入力端子、 １２：電源端子、 １３：出力端子、 １４：ＦＥＴ、 １５：ＲＦチョーク、 １６：コンデンサ、 １７：３次高調波遮断フィルタ、 １８：伝送線路、 １９：出力フィルタ、 ２１：高調波処理部、 ２２：方向性結合器、 ２３：検波器、 ２４：Ａ／Ｄ変換器、 ４１：高調波処理部、 ４２：方向性結合器、 ４３：検波器、 ４４：Ａ／Ｄ変換器、 ４５：帯域遮断フィルタ、 ４６：検波器、 ４７：特性制御部、 ５０：出力フィルタ、 ５１：バリキャプダイオード

Claims (5)

1. 高調波を処理する高調波処理部を備えた増幅器であって、
   前記高調波処理部の出力電圧から所定次数の高調波を検波する検波部と、
   前記検波部により検波された前記所定次数の高調波に基づいて、前記出力電圧に含まれる前記所定次数の高調波が減少するように前記高調波処理部の特性を制御する特性制御部とを備え、
   前記高調波処理部は、高調波処理した電圧から基本波以外の成分を除去して出力するための出力フィルタを有し、
   前記特性制御部は、前記出力フィルタを構成するコイルとコンデンサの少なくとも一方の特性を制御することを特徴とする増幅器。
2. 請求項１に記載の増幅器において、
   前記所定次数の高調波以外の帯域に遮断特性を持つ帯域遮断フィルタを備え、
   前記検波部は、前記帯域遮断フィルタを通過後の前記出力電圧から前記所定次数の高調波を検波することを特徴とする増幅器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の増幅器において、
   前記検波部は、前記所定次数の高調波として、次数が異なる複数の高調波を検波し、
   前記特性制御部は、前記検波部により検波された前記複数の高調波毎に前記高調波処理部の特性を制御することを特徴とする増幅器。
4. 高調波を処理する高調波処理部を備えた増幅器を具備し、送信対象の信号を当該増幅器で増幅させて無線出力する無線機であって、
   前記高調波処理部の出力電圧から所定次数の高調波を検波する検波部と、
   前記検波部により検波された前記所定次数の高調波に基づいて、前記出力電圧に含まれる前記所定次数の高調波が減少するように前記高調波処理部の特性を制御する特性制御部とを備え、
   前記高調波処理部は、高調波処理した電圧から基本波以外の成分を除去して出力するための出力フィルタを有し、
   前記特性制御部は、前記出力フィルタを構成するコイルとコンデンサの少なくとも一方の特性を制御することを特徴とする無線機。
5. 高調波を処理する高調波処理部の出力電圧を、所定次数の高調波が減少するように制御する高調波処理方法であって、
   前記高調波処理部は、高調波処理した電圧から基本波以外の成分を除去して出力するための出力フィルタを有しており、
   前記高調波処理部の出力電圧から所定次数の高調波を検波し、前記出力電圧に含まれる前記所定次数の高調波が減少するように、前記高調波処理部の前記出力フィルタを構成するコイルとコンデンサの少なくとも一方の特性を制御することを特徴とする高調波処理方法。

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