JPH04119707A - 高効率増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は衛星搭載通信機器、移動通信用無線装置、多
重無線装置などの高周波電力増幅器に通用され、エンベ
ロープが変化する入力信号でも効率よく増幅する高効率
増幅器に関する。

「従来の技術」 Ａ級にバイアスされた増幅器の効率は（平均出力電力／
飽和出力電力）×飽和時効率であり、Ｂ級にバイアスさ
れた増幅器の効率は（平均出力電力／飽和出力電力）ｌ
／ｌ×飽和時効率である。飽和出力電力、飽和時効率は
それぞれ増幅器で一定であるから平均出力電力に応じて
増幅器の効率が変化する。従って帯域制限された位相変
調波やマルチキャリア信号（複数の搬送波の合成信号）
などのようにエンベロープが変動する信号、つまり平均
電力が変動する信号を増幅する場合は、そのエンベロー
プのレベル（平均電力）が下った状態では増幅器の効率
が顕著に低下し、全体として増幅器を効率よく使用でき
なかった。

この問題を解決するため従来においては第８図に示す増
幅が提案されている。すなわち入力端子１１からの入力
信号が高周波電力増幅器１２で増幅されて出力端子１３
へ出力される際に高周波電力増幅器１２の入力側に方向
性結合器１４が挿入され、方向性結合器１４で分岐され
た入力信号のエンベロープが高周波検波器１５で検出さ
れ、その検出出力により電圧可変形スイッチング電源（
パルス幅制御形安定化電源）１６が制御され、スイッチ
ング電源１６から前記検出出力に応した電圧、例えば比
例した電圧が出力され、この電圧が高周波電力増幅器１
２へその能動素子の動作電圧、例えばＦＥＴのドレイン
電圧として供給される。例えば検出した入力信号のエン
ベロープがしきい値以上では電力増幅器１２の能動素子
動作電圧を第１の電圧とし、エンベロープがしきい値以
下では能動素子動作電圧を、第１の電圧より低い第２の
電圧とする。このようにして入力信号のエンベロープ（
平均電力）が下ると、電力増幅器１２の直流入力電力が
自動的に減少されて効率の低下が防止される。

「発明が解決しようとする課題」 電圧可変形スイッチング電源１６はそのスイッチング周
波数のほぼ十分の一程度以下のエンベロープの変動にし
か出力電圧を追随させることができない、従って現在で
は最高のスイッチング周波数のスイッチング周波数１６
を用いたとしてもエンベロープの変動周波数が１００ｋ
Ｈ２程度のものまでしか、エンベロープに応した能動素
子動作電圧の制御を行うことができず、例えば数十門Ｈ
ｚの振幅変調成分（エンベロープ）をもつ信号が入力さ
れると、スイッチング電源１６の出力電圧がそのエンベ
ロープの変動に追随できないため、増幅器１２の効率が
悪く、かつ歪発生量が多くなる。

「課題を解決するための手段」 請求項１の発明によれば入力信号のエンベロープが第１
高周波検波器で検出され、その検出出力はピーク検波器
でピーク検波され、そのピーク検波出力に応じて電圧可
変形スイッチング電源が制御され、そのスイッチング電
源の出力電圧がトランジスタなどの可変抵抗素子の一端
へ印加され、その可変抵抗素子の抵抗値は第１高周波検
波器の出力で制御され、可変抵抗素子の他端の電圧が、
高周波電力増幅器の能動素子の動作電圧として供給され
る。このようにして高い周波数のエンベロープ変動でも
、これに応じて可変抵抗素子の抵抗値が制御され、高周
波電力増幅器の電源電圧が制御され、増幅器の効率が高
いものとなる。この時、可変抵抗素子の消費電力が増加
し全体としての効率の変化はないが増幅器の消費電力は
小さくなっており、能動素子の温度上昇が小さくなり、
高周波増幅の性能が良くなる。さらに増幅器の歪は改善
される。一方低い周波数のエンベロープ変動はエンベロ
ープのピークの変動に応じて可変抵抗素子に対する印加
電圧が制御され、可変抵抗素子での電力消費が小とされ
る。

請求項２の発明によれば増幅器の出力信号のエンベロー
プが第２高周波検波器で検出され、第２高周波検波器の
出力と第１高周波検波器の出力との差が第１差動増幅器
でとられ、この第１差動増幅器の出力が、第１高周波検
波器の出力のかわりにピーク検波器へ供給され、また第
１差動増幅器の出力で第１高周波検波器の出力のかわり
に可変抵抗素子が制御される。このようにして高周波電
力増幅器の入出力特性の非直線性にかかわらず、出力信
号のエンベロープに応じて能動素子の動作電圧を下げて
全体としての入出力特性が直線性となる。

請求項３の発明によれば第１差動増幅器の出力が分岐さ
れて第２差動増幅器へ供給され、第２差動増幅器により
極性が反転され、その出力により高周波電力増幅器の能
動素子のバイアス電圧が制御され、高出力時はＢ級増幅
として動作し、低出力時はＡ級増幅に近づき、高出力で
も低出力でも全体としての入出力特性が直線的なものが
得られる。

「実施例」 第１図に請求項１の発明の実施例を示し、第８図と対応
する部分に同一符号を付けである。この実施例において
は高周波検波器１５の検出エンベロープはピーク検波器
１７へ供給されてピーク検波され、そのピーク検波出力
が電圧可変形スイッチング’Ｈ１１６へ制ｍ電圧として
供給される。このスイッチング電源１６の出力電圧は可
変抵抗素子としてのトランジスタ１８のコレクタへ印加
され、トランジスタ１８のベースに高周波検波器１５の
出力が供給されて、トランジスタ１８のコレクタ、エミ
ッタ間の抵抗値が制御され、トランジスタ１８のエミッ
タが高周波電力増幅器１２の能動素子の動作電圧端子、
例えばＦＥＴのドレイン電圧端子１９へ供給される。

この構成によれば入力信号のエンベロープに比例してト
ランジスタ１８のエミッタ電圧、つまり動作電圧端子１
９の電圧が制御され、例えば第２図の曲線２１のように
変化する。またこのエンベロープのピークに追随してス
イッチング電源１６の出力電圧が変化し、この電圧は理
想的には第２図の曲線２２のように曲線２１のピークの
ゆっくりした包絡、例えば変動周波数がエンベロープの
変動の十分の一以下となるようにされる。

トランジスタ１８として例えば富士通株式会社製のシリ
コントランジスタ２５Ｃ３７０１を使用すれば、これは
８６０ＭＨｚで利得６ｃｊＢ、コレクタ電１１２Ａ、コ
レクタ、エミッタ電圧３５Ｖ、最大コレクタ損失９０Ｗ
であり、エンベロープの変化周波数１０〜３０ＭＨｚの
３０〜８０倍の周波数成分まで増幅することができ、入
力端子１１の入力信号のエンベロープの変化周波数が高
くてもこれに追随して比例的に電力増幅器１２の能動素
子の動作電圧が変化し、電力増幅器１２は常に飽和に近
い状態で動作し、つまり高い効率で動作する。この能動
素子の動作電圧制御は、トランジスタ１８のコクレタ、
エミンタ間抵抗値が制御されて行われるが、トランジス
タ１日のコレクタ電圧が、スイッチングｉｉ源１６の出
力電圧で制御され、第２図に示すように、動作電圧端子
１９の電圧が全体的に低い場合はトランジスタ１８のコ
レクタ電圧が低くなり、トランジスタ１８のコレクタ、
エミッタ間の抵抗値が著しく大きくされることがなく、
つまりトランジスタ１８での電力消費が大きくなること
がなく、かつ動作電圧端子１９の電圧がエンベロープの
ピークに応じて変化できるように、スイッチング１ｉｉ
ｆｆ１６の出力電圧がエンベロープのピーク検波で制御
されるため、全体として効率が高いものとなる。

このように第１図に示した増幅器によればエンベロープ
が高速に変動する場合でも高い効率が得られる。しかし
、一般に半導体デバイスを用いた電力増幅器は供給電圧
に、増幅器の利得が依存し、入出力特性の直線性がよく
ない。つまり高周波電力増幅器１２の入力電力に対する
出力電力特性は例えば電力増幅器１２の能動素子がＦＥ
Ｔの場合は第３図に示すようになり、例えば入力Ｐ　７
４で出力Ａ１の状態で、入力がＰｉ３に下ると、供給電
圧がＶＤ＝１０Ｖのままでは出力はＡ２となる。出力が
直線的に低下するにはｖ、＝Ｂｖとする必要があるが、
入力信号のエンベロープのみでこの値に制御することは
難しい。従って第１図に示した増幅器では歪の改善量に
は限界がある。

なお入出力特性が非直線の増幅器の場合は、例えば帯域
制限された位相変調信号を増幅する時に、レベルが下る
と、波形がクリップされ、波形が滑らかでなくなり、制
限された帯域よりも占有周波数帯域が広がり、隣接チャ
ネルに干渉することになり、また複数搬送波が入力され
るマルチキャリヤ信号の場合は、増幅器の非直線性で相
互変調歪が発生する。

そこで効率がよく、しかも入出力特性がさらに線形であ
るようにしたのが請求項２の発明であり、その実施例を
第４図に第１図と対応する部分に同−符号を付けて示す
。この例では高周波電力増幅器１２の出力側に方向性結
合器２３が挿入され、方向性結合器２３により出力信号
が分岐され、その出力信号が高周波検波器２４へ供給さ
れて、エンベロープが検出される。この場合方向性結合
器２３の結合度を高周波増幅器１２の利得分だけ方向性
結合器１４の結合度より小さくしておく。高層検波器１
５の出力を差動増幅器２５の非反転入力側へ供給し、高
周波検波器２４の出力を差動増幅器２５の反転入力側へ
供給する。差動増幅器２５の出力をピーク検波器１７及
びトランジスタ１８のベースへ供給する。

この構成によれば第１図の増幅器と同様に動作するが、
出力信号のエンベロープが検出されて入力信号のエンベ
ロープを基準として動作電圧に負帰還制御されているた
め、例えば第３図において人力Ｐ　ｉｌで出力Ａ、の状
態から入力がＰｉｆｆに下ると、入出力特性が直線性の
線２６に対するずれΔＶだけ入力に対し、出力が大とな
り、これが差動増＄ＭＨ２５で検出され、しかもその極
性が負であって、動作電圧端子】９の電圧を下げるよう
に作用し、出力がＡ、となり、入出力特性が直線性の線
２６となる。

Ａ級バイアスの増幅器では第４図に示した構成で十分直
線性とすることができるが、電力増幅器１２が８級バイ
アスで使用される場合は、その人出力特性は、例えば電
力増幅器１２の能動素子がＦＥＴの場合第５図に示すよ
うになり、入出力が直線性の線２６に対し、例えば■。

＝８Ｖの特性曲線は２度交差しており、入力が小さい部
分では能動素子の動作電圧だけを制御しても入出力特性
を直線性とすることはできない。そこで請求項３の発明
では第６図に第４図と対応する部分に同一符号を付けて
示すように、差動増幅器２５の出力を分岐して差動増幅
器２７の反転入力側へ供給し、差動増幅器２７の非反転
入力側には端子２８より基準電圧を与え、差動増幅器２
７により極性反転され、かつ基準電圧だけ差し引かれた
差動増幅器２５の出力で高周波電力増幅器１２の能動素
子のバイアス電圧、能動素子がＦＥＴの場合ゲート電圧
を、バイアス端子２９より制御する。つまり例えば第７
図に示すように出力レベルが下るに従ってバイアスが小
さくなり、Ａ級（−１，５Ｖ）に近づくように制御され
る。このようにして全体としての入出力特性は直線性（
線２６）となる。

上述においてトランジスタ１８としてはバイポーラトラ
ンジスタのみならず、ＦＥＴでもよく、他の可変抵抗素
子でもよい。

「発明の効果」 以上述べたように請求項１の発明によれば入力信号のエ
ンベロープが高速に変動してもこれに追随して増幅器の
能動素子の動作電圧を変化することができ、増幅器の効
率が高く、直線性も改善される。請求項２の発明によれ
ば、効率が高い上に入出力特性が直線的となり、低歪の
増幅が可能となる。請求項３の発明によればＢ級バイア
ス増幅の場合も高効率でかつ入出力が直線性のものとす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１の発明の実施例を示すブロック図、第
２図はこの能動素子動作電圧変化とスイッチング電源の
出力電圧の例を示すタイムチャート、第３図は入出力特
性図、第４図は請求項２の発明の実施例を示すブロック
図、第５図はＢ級増幅の入出力特性を示す図、第６図は
請求項３の発明の実施例を示すブロック図、第７図は第
６図の実施例における入出力特性の例を示す図、第８図
は従来の高効率電力増幅器を示すブロック図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波電力増幅器と、 その高周波電力増幅器の入力信号のエンベロープを検出
   する第１高周波検波器と、 その第１高周波検波器の出力をピーク検波するピーク検
   波器と、 そのピーク検波器の出力に応じて出力電圧のレベルが制
   御される電圧可変形スイッチング電源と、そのスイッチ
   ング電源の出力電圧が一端に供給され、上記第１高周波
   検波器の出力により抵抗値が制御され、他端より上記高
   周波電力増幅器へその能動素子動作電圧を供給する可変
   抵抗素子と、を有する高効率増幅器。
2. （２）上記高周波電力増幅器の出力信号のエンベロープ
   を検出する第２高周波検波器と、 その第２高周波検波器の出力と上記第１高周波検波器の
   出力との差を出力し、その差出力を、上記第１高周波検
   波器の出力にかえて上記ピーク検波器へ供給すると共に
   上記第１高周波検波器の出力にかえて上記差出力で上記
   可変抵抗素子を制御する第１差動増幅器とを含むことを
   特徴とする請求項１記載の高効率増幅器。
3. （３）上記第１差動増幅器の出力が供給され、極性を反
   転して出力し、上記高周波電力増幅器へその能動素子に
   対するバイアス電圧を供給する第２差動増幅器を含むこ
   とを特徴とする請求項２記載の高効率増幅器。