JP6981359B2 - 無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置に関する。

近年、無線通信における通信データ量の増加に伴い、無線通信装置の送信出力の増大などを図るため、信号を増幅する増幅器を備える無線通信装置が知られている。

特開２０１５−２７０３４号公報 特開２０１７−１２３５３９号公報 特開２００８−１１０８６号公報 国際公開第２０１２／１１１４５１号

しかしながら、ＲＦ（Radio Frequency）信号を出力する増幅器では、例えば図１に示されるように、ＲＦ信号出力時のＲＦストレスによってアイドリング電流Ｉｄｑが変動するＩｄｑドリフトという現象が発生してしまうことがある。アイドリング電流Ｉｄｑは、増幅器にＲＦ信号の入力がない状態（アイドル状態）において、増幅器のドレインに流れる電流（ドレイン電流）を表す。

例えば、送信と受信を時間によって切り替えるＴＤＤ（Time Division Duplex）方式では、図２に示されるように、受信から送信に切り替わると、ＲＦ信号出力時のＲＦストレスによって、増幅器のドレインに流れるドレイン電流は減少する。そして、増幅器に入力されるＲＦ信号がなくなる受信期間では、アイドリング電流Ｉｄｑは回復に向けて漸増する。

アイドリング電流Ｉｄｑが変動してしまうと、増幅器の入出力特性（増幅特性）が変化するため、増幅器から出力される信号に生ずる歪みが増大しやすくなる。

そこで、本開示は、増幅器から出力される信号に生ずる歪みを抑制することができる無線通信装置を提供する。

本開示は、
アンテナと、
入力される送信信号を増幅して前記アンテナに出力する増幅器と、
電波を前記アンテナから送信しない非送信期間と電波を前記アンテナから送信する送信期間との切り替えを制御するタイミング制御回路と、
前記タイミング制御回路からの制御信号に基づいて、前記非送信期間に前記増幅器に印加する電源電圧を、前記送信期間よりも高くする電圧制御部とを備える、無線通信装置を提供する。

本開示によれば、増幅器から出力される信号に生ずる歪みを抑制することができる。

アイドリング電流の変動現象の一例を示す概略図である。 送受信の切り替えとアイドリング電流の変動との関係の一例を示す概略図である。 無線通信装置の第１の構成例を示す図である。 無線通信装置の第１の制御例を示すタイミングチャートである。 無線通信装置の第２の制御例を示すタイミングチャートである。 無線通信装置の第３の制御例を示すタイミングチャートである。 無線通信装置の第２の構成例を示す図である。 無線通信装置の第４の制御例を示すタイミングチャートである。

以下、本実施形態における無線通信装置について説明する。

図３は、本実施形態における無線通信装置の第１の構成例を示す図である。図３に示される無線通信装置１００は、増幅器１０により増幅された高周波信号に基づいて、アンテナ４０から電波を間欠的に送信する。無線通信装置１００は、例えば、所定の繰り返し周期で信号の送受信を行うＴＤＤ方式で無線通信を行う。

無線通信装置１００の具体例として、無線基地局、携帯電話、スマートフォン、ＩｏＴ（Internet of Things）機器などが挙げられるが、その具体例は、これらに限られない。無線通信装置１００は、アンテナ４０と、増幅器１０と、ドレイン電圧制御部２０と、タイミング制御回路３０とを備える。

アンテナ４０は、増幅器１０により増幅された送信信号が供給されることにより、当該送信信号に対応する電波を送信する素子である。アンテナ４０は、アレイアンテナを構成する複数のアンテナ素子のうちの一つでもよい。

増幅器１０は、入力される送信信号を増幅してアンテナ４０に出力する。増幅器１０により増幅された送信信号がアンテナ４０に供給されることにより、当該送信信号に対応する電波がアンテナ４０から送信されるので、無線送信が可能となる。なお、増幅器１０とアンテナ４０との間には、フィルタ等の素子が挿入されてもよい。

増幅器１０は、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）デバイス等のトランジスタにより形成されるパワーアンプである。ＧａＮデバイスは、他の半導体デバイス（例えば、Ｓｉ−ＬＤＭＯＳ（シリコン横方向拡散金属酸化膜半導体）やＧａＡｓ−ＦＥＴ（ガリウム砒素電界効果トランジスタ）等）と比較し、バンドギャップが広くて移動度も高いため、優れた高周波出力特性を有する。

しかしながら、ＧａＮデバイス等のトランジスタでは、図１に示した場合と同様に、送信信号の増幅出力時のＲＦストレスによってアイドリング電流Ｉｄｑが変動するＩｄｑドリフトという現象が発生してしまうことがある。この場合のアイドリング電流Ｉｄｑは、トランジスタのゲートに対して増幅すべき送信信号の入力がない状態（アイドル状態）において、電源電圧が印加されるドレインから、増幅後の送信信号を出力するソースに流れる電流（ドレイン電流）を表す。

そのため、図２に示した場合と同様に、非送信期間から送信期間に切り替わり、送信信号が増幅器１０のトランジスタのゲートに入力されると、送信信号の増幅出力時のＲＦストレスによって、当該トランジスタのドレインに流れるドレイン電流は減少する。そして、当該トランジスタのゲートに入力される送信信号がなくなる非送信期間では、アイドリング電流Ｉｄｑは回復に向けて漸増する。

ここで、アイドリング電流Ｉｄｑが変動する理由についてより詳細に説明する。トランジスタが送信信号を増幅して出力する時、外部から印加されているドレイン電圧の３倍程度の電圧が、当該トランジスタのドレイン電極に短時間生じるＲＦストレスが発生する。基本的に、ドレイン電圧が大きいほどＧａＮの半導体層のトラップ準位に捕獲される電子の量が増加し、アイドリング電流Ｉｄｑが減少する。このため、図１，２に示されるように、トランジスタが送信信号を増幅して出力するＲＦ ＯＮ時は、アイドリング電流Ｉｄｑが減少する。一方、送信信号がトランジスタに入力されないＲＦ ＯＦＦ時は、ＲＦストレスの発生が無いことによりドレイン電圧がＲＦ ＯＮ時よりも低くなる。そのため、図１，２に示されるように、アイドリング電流Ｉｄｑは元の設定電流値に戻るように回復に向けて漸増し始める。

このように、アイドリング電流Ｉｄｑが変動してしまうと、増幅器１０のトランジスタの増幅特性が変化するため、増幅器１０から出力される信号に生ずる歪みが増大しやすくなる。特に、アイドリング電流Ｉｄｑの変動中は、増幅器１０の利得や増幅器１０から出力される信号の位相の変動が大きくなるため、ＤＰＤ（Digital Pre-Distortion）による歪み補償が行われても、その補償精度は低下しやすくなる。

そこで、図３の本実施形態の無線通信装置１００は、電波をアンテナ４０から送信しない非送信期間に増幅器１０内のトランジスタのドレインに印加するドレイン電圧を、電波をアンテナ４０から送信する送信期間よりも高くするドレイン電圧制御部２０を備える。ドレイン電圧制御部２０は、非送信期間に増幅器１０に印加する電源電圧を、送信期間に増幅器１０に印加する電源電圧よりも高くする電圧制御部の一例である。

非送信期間に増幅器１０に印加するドレイン電圧が、送信期間に増幅器１０に印加するドレイン電圧よりも高くなることにより、図４に示されるように、非送信期間におけるアイドリング電流Ｉｄｑの回復が抑制される。ドレイン電圧が大きいほどＧａＮの半導体層のトラップ準位に捕獲される電子の量が増加し、アイドリング電流Ｉｄｑが減少するからである。非送信期間におけるアイドリング電流Ｉｄｑの回復が抑制されることにより、アイドリング電流Ｉｄｑが減少したまま一定に保たれた状態で、増幅器１０は送信期間に送信信号を増幅して出力することができる。これにより、増幅器１０から出力される信号にＩｄｑドリフトにより生ずる歪みを抑制することができる。

図４は、図３に示される無線通信装置１００の第１の制御例を示すタイミングチャートである。上から１段目の波形において、データ送信がＯＮの期間は、電波をアンテナ４０から送信する送信期間を表し、データ送信がＯＦＦの期間は、電波をアンテナ４０から送信しない非送信期間を表す。上から２段目の波形は、ドレイン電圧制御部２０が増幅器１０のトランジスタのドレインに印加する電圧（ドレイン電圧）を表す。ドレイン電圧制御部２０は、送信期間に増幅器１０に印加するドレイン電圧の値を電圧値Ｖｄ１に設定し、非送信期間に増幅器１０に印加するドレイン電圧の値を電圧値Ｖｄ２に設定する。電圧値Ｖｄ２は、電圧値Ｖｄ１よりも大きい。上から３段目の波形は、増幅器１０のトランジスタのゲートに抵抗を介して印加されるバイアス電圧（ゲートバイアス電圧）を表す。図４の第１の制御例では、トランジスタの閾値電圧よりも電圧値が大きな一定の電圧値Ｖｇ１のバイアス電圧が、送信期間と非送信期間とに常に印加される。

ドレイン電圧制御部２０は、増幅器１０に送信期間に印加する電源電圧よりも電圧値が高い電源電圧を増幅器１０に非送信期間に印加する。ドレイン電圧制御部２０が非送信期間のドレイン電圧を増加させることにより、非送信期間のアイドリング電流Ｉｄｑの回復を抑制することができる。送信期間に発生するＲＦストレスによりドレインに発生する電圧と同程度の電圧を当該ドレインに非送信期間に外部から印加すると、非送信期間でのアイドリング電流Ｉｄｑの回復が抑制される。よって、非送信期間に印加されるドレイン電圧の電圧値Ｖｄ２は、送信期間に印加されるドレイン電圧の電圧値Ｖｄ１の２倍程度が好ましい。ドレインに印加する電圧が高すぎると、増幅器１０の消費電力が増加し、増幅器１０の寿命が低下するおそれがあるためである。

ドレイン電圧制御部２０は、図４に示されるように、増幅器１０のドレイン電流が送信期間に一定になるように、非送信期間に増幅器１０に印加するドレイン電圧を、送信期間よりも高くする。これにより、送信期間でのアイドリング電流Ｉｄｑ（ドレイン電流）が一定になるため、増幅器１０の出力信号に生ずる歪みを抑制する効果が一層高まる。ドレイン電圧制御部２０の具体例として、スイッチングレギュレータ等のＤＣ−ＤＣコンバータが挙げられる（ＤＣ：Direct Current）。しかし、ドレイン電圧制御部２０は、これに限られない。

図３に示されるように、ドレイン電圧制御部２０は、例えば、タイミング制御回路３０からの制御信号に基づいて、増幅器１０に印加するドレイン電圧の電圧値を送信期間と非送信期間とで切り替える。タイミング制御回路３０は、電波をアンテナ４０から送信する送信期間と、電波をアンテナ４０から送信しない非送信期間との切り替えを制御する。

タイミング制御回路３０は、電波をアンテナ４０から送信するタイミングのときは、送信期間を知らせる制御信号を出力し、電波をアンテナ４０から送信しないタイミングのときは、非送信期間を知らせる制御信号を出力する。送信期間は、送信信号が増幅器１０に入力され得る期間であり、非送信期間は、送信信号が増幅器１０に入力されない期間である。

図５は、図３に示される無線通信装置１００の第２の制御例を示すタイミングチャートである。アイドリング電流Ｉｄｑは、送信期間が始まるまでに、その送信期間にＲＦストレスによりドレイン電流が低下する電流値まで抑制されていればよい。

そこで、図５の第１の制御例では、ドレイン電圧制御部２０は、非送信期間のうちの特定の期間（図５の場合、送信期間が開始する直前の期間）に増幅器１０に印加するドレイン電圧を、送信期間よりも高くする。第１の制御例では、この直前の期間は、一の非送信期間の中央タイミングと、その一の非送信期間の次の送信期間の開始タイミングとの間に含まれる期間を表す。ドレイン電圧制御部２０は、非送信期間の開始を知らせる制御信号をタイミング制御回路３０から受信してから所定の遅延時間の経過時にドレイン電圧を増加させ、ドレイン電圧を増加させてから所定の増加期間の経過時にドレイン電圧を元の電圧に減少させる。

図５に示されるように、非送信期間のうちドレイン電圧を増加させない期間は、アイドリング電流Ｉｄｑは、回復し始めるが、ドレイン電圧を増加させる期間にアイドリング電流Ｉｄｑは再度減少し始める。その結果、送信期間の開始タイミングまでにはアイドリング電流Ｉｄｑが送信期間での電流値まで低下するので、増幅器１０から送信期間に出力される信号に生ずる歪みを抑制することができる。また、図５の第２の制御例では、図４の第１の制御例と比較して、ドレイン電圧を増加させる時間が短いので、増幅器１０の消費電力を抑制できる。

図６は、図３に示される無線通信装置１００の第３の制御例を示すタイミングチャートである。アイドリング電流Ｉｄｑは、送信期間が始まるまでに、その送信期間にＲＦストレスによりドレイン電流が低下する電流値まで抑制されていればよい。また、上述の図５では、送信期間の開始直前の期間のみドレイン電圧を増加させているが、増幅器のＩｄｑドリフトの特性によっては、アイドリング電流Ｉｄｑの回復が遅い場合がある。この場合、例えば図６のように、送信期間の終了直後の期間のみドレイン電圧を増加させてもよい。

図６の第３の制御例では、ドレイン電圧制御部２０は、非送信期間のうちの特定の期間（図６の場合、送信期間が終了した直後の期間）に増幅器１０に印加するドレイン電圧を、送信期間よりも高くする。第３の制御例では、この直後の期間は、一の送信期間の終了タイミングと、その一の送信期間の次の非送信期間の中央タイミングとの間に含まれる期間を表す。ドレイン電圧制御部２０は、非送信期間の開始を知らせる制御信号をタイミング制御回路３０から受信した時にドレイン電圧を増加させ、ドレイン電圧を増加させてから所定の増加期間の経過時にドレイン電圧を元の電圧に減少させる。

図６に示されるように、アイドリング電流Ｉｄｑの回復が送信期間の終了から遅れる増幅器１０であっても（点線参照）、アイドリング電流Ｉｄｑの増加は、ドレイン電圧の増加により送信期間が始まるまでに抑制される。その結果、送信期間の開始タイミングまでにはアイドリング電流Ｉｄｑが送信期間での電流値まで低下するので、増幅器１０から送信期間に出力される信号に生ずる歪みを抑制することができる。また、図６の第３の制御例では、図４の第１の制御例と比較して、ドレイン電圧を増加させる時間が短いので、増幅器１０の消費電力を抑制できる。

図７は、本実施形態における無線通信装置の第２の構成例を示す図である。第１の構成例と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略する。図７に示される無線通信装置２００は、図３の構成に対して、ゲート電圧制御部５０が追加されている。

ゲート電圧制御部５０は、非送信期間に増幅器１０内のトランジスタのゲートに抵抗を介して印加するバイアス電圧を、送信期間よりも低くする回路である。ゲート電圧制御部５０は、増幅器１０に非送信期間に印加するバイアス電圧を、送信期間よりも低くする第２の電圧制御部の一例である。

非送信期間に増幅器１０に印加するバイアス電圧が送信期間に増幅器１０に印加するバイアス電圧よりも低くなることにより、図８に示されるように、非送信期間でのアイドリング電流Ｉｄｑを低減することができる。ゲート電圧制御部５０は、非送信期間でのアイドリング電流Ｉｄｑの低減度合いを高めるため、非送信期間に増幅器１０に印加するバイアス電圧の電圧値を閾値電圧まで低下させるとよい。

図８は、図７に示される無線通信装置２００の第４の制御例を示すタイミングチャートである。各波形の凡例は、上述の図４と同様である。ゲート電圧制御部５０は、送信期間に増幅器１０に印加するバイアス電圧の値を電圧値Ｖｇ１に設定し、非送信期間に増幅器１０に印加するバイアス電圧の値を電圧値Ｖｇ２に設定する。電圧値Ｖｇ２は、電圧値Ｖｇ１よりも小さい。図８の第４の制御例では、図４の第１の制御例と比較して、非送信期間でのバイアス電圧とアイドリング電流Ｉｄｑが低くなるので、増幅器１０の消費電力を更に抑制できる。ゲート電圧制御部５０は、例えば、タイミング制御回路３０からの制御信号に基づいて、増幅器１０に印加するバイアス電圧の電圧値を送信期間と非送信期間とで切り替える。

以上、無線通信装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
アンテナと、
入力される送信信号を増幅して前記アンテナに出力する増幅器と、
電波を前記アンテナから送信しない非送信期間と電波を前記アンテナから送信する送信期間との切り替えを制御するタイミング制御回路と、
前記タイミング制御回路からの制御信号に基づいて、前記非送信期間に前記増幅器に印加する電源電圧を、前記送信期間よりも高くする電圧制御部とを備える、無線通信装置。
（付記２）
前記電圧制御部は、前記増幅器のドレイン電流が前記送信期間に一定になるように、前記非送信期間に前記増幅器に印加する電源電圧を、前記送信期間よりも高くする、付記１に記載の無線通信装置。
（付記３）
前記電圧制御部は、前記非送信期間のうちの特定の期間に前記増幅器に印加する電源電圧を、前記送信期間よりも高くする、付記１又は２に記載の無線通信装置。
（付記４）
前記特定の期間は、前記送信期間が開始する直前の期間である、付記３に記載の無線通信装置。
（付記５）
前記特定の期間は、前記送信期間が終了した直後の期間である、付記３に記載の無線通信装置。
（付記６）
前記タイミング制御回路からの制御信号に基づいて、前記非送信期間に前記増幅器に印加するバイアス電圧を、前記送信期間よりも低くする第２の電圧制御部を更に備える、付記１から５のいずれか一項に記載の無線通信装置。
（付記７）
アンテナと、
入力される送信信号を増幅して前記アンテナに出力する増幅器と、
前記送信信号が前記増幅器に入力されない非入力期間に前記増幅器に印加する電源電圧を、前記送信信号が前記増幅器に入力される入力期間よりも高くする電圧制御部とを備える、無線通信装置。
（付記８）
入力される送信信号を増幅してアンテナに出力する増幅器を制御する方法であって、
電波を前記アンテナから送信しない非送信期間に前記増幅器に印加する電源電圧を、電波を前記アンテナから送信する送信期間よりも高くする、増幅器制御方法。

１０ 増幅器
２０ ドレイン電圧制御部
３０ タイミング制御回路
４０ アンテナ
５０ ゲート電圧制御部
１００，２００ 無線通信装置

Claims (4)

1. アンテナと、
   入力される送信信号を増幅して前記アンテナに出力する増幅器と、
   電波を前記アンテナから送信しない非送信期間と電波を前記アンテナから送信する送信期間との切り替えを制御するタイミング制御回路と、
   前記タイミング制御回路からの制御信号に基づいて、前記非送信期間に前記増幅器に印加する電源電圧を、前記送信期間よりも高くする電圧制御部とを備える、無線通信装置。
2. 前記電圧制御部は、前記増幅器のドレイン電流が前記送信期間に一定になるように、前記非送信期間に前記増幅器に印加する電源電圧を、前記送信期間よりも高くする、請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記電圧制御部は、前記非送信期間のうちの特定の期間に前記増幅器に印加する電源電圧を、前記送信期間よりも高くする、請求項１又は２に記載の無線通信装置。
4. 前記タイミング制御回路からの制御信号に基づいて、前記非送信期間に前記増幅器に印加するバイアス電圧を、前記送信期間よりも低くする第２の電圧制御部を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の無線通信装置。

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