JP2007295234A - 増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて単純化された手段を用いて低歪み、高増幅を実現された増幅装置を提供する。
【解決手段】高周波信号が外部より入力される入力端子と、入力された高周波信号が２つの高周波信号に分配される分配器と、分配された一方の高周波信号に対して位相調整が行なわれる位相調整器と、位相調整された高周波信号に対して振幅調整が行なわれる振幅調整器と、位相調整および振幅調整された高周波信号が増幅される第１の増幅器と、第１の増幅器の増幅回路に用いる半導体増幅素子の半導体デバイス材料と異なる半導体デバイス材料を用いた増幅回路を有し、分配された他方の高周波信号が増幅される第２の増幅器と、第１の増幅器で増幅された高周波信号と第２の増幅器で増幅された高周波信号とがベクトル合成され、ベクトル合成されて高増幅高周波信号が得られる合成器と、高増幅高周波信号が外部へ出力される出力端子と、により構成された。
【選択図】図１

Description

本発明は、増幅器における送信機出力段、増幅器の組み合わせ、特に増幅素子によって発生する雑音の影響を低減するための増幅器の変形に関する。

マイクロ波帯の広帯域高周波信号を低歪み高増幅とするような増幅の行える半導体増幅回路を備えた増幅装置が求められている。半導体増幅素子を用いた増幅装置では通常、複数個の増幅器を並列合成して高増幅を得るようにしている。
並列合成を特にベクトル合成して高増幅信号を得ようとする際、並列複数個のそれぞれの増幅器の帯域内信号の出力波形の位相が同一、振幅が同一であることが必要である。
従来技術では、複数の増幅素子の出力信号をベクトル合成する場合、その回路に用いる増幅素子の特性は、同一仕様のものであって、更に、できるだけ同じ特性値を揃えるようにしている。すなわちＦＥＴなどの半導体プロセスが同一であり、用いる個々の特性値（例えば遅延量、増幅度）も揃ったものとする。
図４は従来技術の増幅装置の回路ブロック図を示す。
高周波信号は入力端子１に入力され、さらに分配器２へ導かれる。例示の分配器は２分配器である。２分配された高周波信号の一方の出力が一方の増幅器１０へ入力され、２分配された高周波信号の他方の出力が他方の増幅器１０へ入力される。それぞれの増幅器で所定の増幅度にて増幅され、その出力である増幅された高周波信号は合成器７にてベクトル合成されて、合成器７の出力である合成された高増幅高周波信号が出力端子８より出力される。
なお、分配器および合成器の回路構成としてアイソレーション特性などを考慮されたウイルキンソン、Ｈｙｂｒｉｄ、３ｄＢカプラなどが用いられる。
また、２つの増幅器１０の出力の位相および振幅を一致させるため、そこに用いる増幅素子の特性は、同一仕様のものであっても、できるだけ同じ特性値を揃えるようにするほか、分配器２の一方の出力側とこれに接続される一方の増幅器１０の入力側との間に、図示してはいないが、位相を調整する位相調整器および振幅を調整する振幅調整器を従属接続させることもある。
図５は従来技術の増幅器の増幅された高周波信号のスペクトラム図を示す。
入力端子１に入力された広帯域の高周波信号の周波数成分（キャリア）はｆ１およびｆ２で代表される。ｆ１およびｆ２の周波数成分の高周波信号が増幅素子で増幅されると増幅素子の特性上から起こる非直線歪み成分（雑音成分）であり、隣接チャネル漏洩電力となる３次歪み周波数成分〔ｆ１−（ｆ２−ｆ１）〕、〔ｆ２＋（ｆ２−ｆ１）〕の高調波の不要成分を伴ったそれぞれの増幅高周波信号となる。２つの増幅器１０の増幅高周波信号が同一位相、同一振幅の出力スペクトラムとなる。
図６は従来技術の増幅装置の増幅された高周波信号の合成ベクトル図を示す。
２つの増幅器１０で増幅された高周波信号は、それぞれキャリア成分Ａとこのキャリア成分に対して位相角θを有する高調波の不要成分ａ（雑音）で表されるベクトルが存在する。２つの増幅器１０の出力は振幅合成されてキャリア成分（Ａ＋Ａ）および高調波の不要成分（ａ＋ａ）となる。２つの増幅器１０のそれぞれのキャリア成分対高調波の不要成分の比Ａ／ａ（ＩＭ；隣接チャネル漏洩電力）と２つの増幅器１０の合成後のキャリア成分対高調波の不要成分の比（Ａ＋Ａ）／（ａ＋ａ）（ＩＭ；隣接チャネル漏洩電力）は変わらない比を保たれてしまう。

増幅器の非直線歪みを改善するものとして、増幅の動作階級であるＡＢ級のＭＯＳ型のＦＥＴ素子を用いた増幅回路に直列に接続された、これと逆特性を有する増幅の動作階級であるＣ級のＧａＡｓ型のＦＥＴ素子を用いた回路により低歪み化を図り、入出力の直線
性を改善したものがある。（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２４４２５５号公報（図１）

以上説明したように従来技術の増幅装置では、複数個の増幅器を合成により高増幅を得ようとする場合、並列合成方式であれば、複数個の増幅器は同じ特性値を有する増幅素子が用いられて実現するものであった。そこで高増幅を得る増幅装置の歪み改善をマイコン制御回路および検出回路等によりフィードバック系を構成するなどして行われるような複雑な信号処理手段を用いての実現では、小形化、原価低減上において問題であり、極めて単純化された手段を用いて実現し、増幅装置の製品原価を抑え、小形化することが課題であった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、極めて単純化された手段を用いて低歪み、高増幅を実現された増幅装置を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明の増幅装置は、高周波信号が外部より入力される入力端子と、
該入力された高周波信号が２つの該高周波信号に分配される分配器と、
該分配された一方の高周波信号に対して位相調整が行なわれる位相調整器と、
該位相調整された高周波信号に対して振幅調整が行なわれる振幅調整器と、
前記位相調整および振幅調整された高周波信号が増幅される第１の増幅器と、
前記第１の増幅器の増幅回路に用いる半導体増幅素子の半導体デバイス材料と異なる半導体デバイス材料を用いた増幅回路を有し、前記分配された他方の高周波信号が増幅される第２の増幅器と、
前記第１の増幅器で増幅された高周波信号と前記第２の増幅器で増幅された高周波信号とがベクトル合成され、該ベクトル合成されて高増幅高周波信号が得られる合成器と、
前記高増幅高周波信号が外部へ出力される出力端子と、により構成された。

本発明を実施すれば、半導体プロセスの異なる増幅素子を用いるという単純化された手段によって高増幅高周波信号に含まれる３次歪み成分の低減が実現されるので、低原価、小形化、省電力化とされた増幅装置が提供され、部品点数が少なく信頼性向上にも寄与する。

図１は本発明の実施例として増幅装置の構成を表す回路ブロック図である。なお、図１と図４の同一符号の回路ブロック図は同一機能の回路構成を有する。
１は、送信信号として変調された高周波信号を外部のベースバンド信号処理装置より入力させる入力端子である。
２は、入力端子に接続されて高周波信号を入力とし、位相と振幅の同一信号として２分配された２つの高周波信号出力を得る分配器である。
３は、分配器２の一方から出力される分配された高周波信号を入力とし、この高周波信号に対して位相量を変化させて位相調整された高周波信号出力とする位相調整器である。
４は、位相調整器３にて位相調整された高周波信号を入力とし、その高周波信号に対して振幅量を変化させて振幅調整された高周波信号出力とする振幅調整器である。
５は、位相調整器３にて位相が、および振幅調整器４にて振幅がそれぞれ調整された高周波信号を入力とし、その高周波信号を所定の増幅度にて電力増幅して増幅された高周波
信号出力とする増幅器Ａである。
増幅器Ａの増幅回路に用いる半導体増幅素子は、例えば単体半導体の半導体デバイス材料としてＳｉ（シリコン）を用いたＬＤ−ＭＯＳＦＥＴ（Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｏｐｅｄ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｅｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とする。
６は、分配器２の他方から出力される分配された高周波信号を入力とし、その高周波信号を所定の増幅度にて電力増幅して増幅された高周波信号出力とする増幅器Ｂである。
増幅器Ｂに用いる半導体増幅素子は、増幅器Ａに用いる半導体増幅素子の半導体プロセスの異なる半導体デバイス材料として例えば化合物半導体のＧａＡｓ ＦＥＴ素子とする。
増幅器Ｂに用いる半導体増幅素子の増幅出力の飽和振幅レベルは増幅器Ａに用いる増幅素子のそれに等しいものが望ましい。
更に、増幅器Ｂに用いる半導体増幅素子の増幅出力の歪み成分となる高調波の不要成分振幅は増幅器Ａに用いる増幅素子のそれに等しく、双方の高調波の不要成分の位相が１８０°近傍まで異なるものが望ましい。
７は、増幅器Ａで増幅された高周波信号出力および増幅器Ｂで増幅された高周波信号出力であり、２つの増幅された高周波信号は同位相、同振幅とされた信号であり、この２つの増幅された高周波信号を入力とし、入力された２つの増幅された高周波信号をベクトル加算合成して振幅合成された高増幅高周波信号を出力とする合成器である。
また、位相調整器３と振幅調整器４による増幅器Ａの出力振幅と出力位相の調整はキャリアの合成値に損失が生じることが無く、２倍の振幅値が得られるように行なわれる。
なお、位相調整器３と振幅調整器４による増幅器の出力振幅と出力位相の調整は、増幅器Ａの位置に代え、分配器２に他方の出力側と増幅器Ｂの入力側との間に当該回路を挿入して調整を行ってもよい。
８は合成器７から出力される高増幅高周波信号を図示されてはいないアンテナなどの外部装置へ接続させる出力端子である。

図２は本発明の増幅器で増幅された高周波信号出力のスペクトラム図を示す。
入力端子１に入力された広帯域の高周波信号の周波数成分（キャリア）はｆ１およびｆ２で代表される。
増幅器に入力された広帯域内の高周波信号ｆ１およびｆ２が増幅素子で増幅されると、その出力には、増幅素子のＣ級増幅などの特性上から起こる非直線歪み成分（雑音成分）であり、特に帯域外の隣接チャネル漏洩電力となる３次歪み（２ｆ１−ｆ２）、（２ｆ２−ｆ１）の高調波の不要成分を伴った増幅高周波信号となって現れる。
このような３次歪み成分は、半導体増幅素子単体で構成された増幅回路において、半導体増幅素子を低電圧・大電流駆動とし、飽和領域まで増幅するような電力増幅を行なう場合には避けられない。
図２（イ）は、半導体プロセスとしてＬＤ−ＭＯＳＦＥＴを用いた増幅器Ａの増幅された出力信号のスペクトラムを示す。ｆ１およびｆ２がキャリア成分である広帯域の高周波信号スペクトラムであり、〔ｆ１−(ｆ２−ｆ１)＋θ１〕および〔ｆ２＋(ｆ２−ｆ１)＋θ２〕が増幅によって発生し、キャリア成分の位相に対して位相回転θ１およびθ２を伴った３次歪み成分のスペクトラムである。
図２（ロ）は、半導体プロセスとしてＧａＡｓ ＦＥＴを用いた増幅器Ｂの増幅された出力信号のスペクトラムを示す。ｆ１およびｆ２がキャリア成分である広帯域の高周波信号スペクトラムであり、このキャリア成分のスペクトラムの位相と振幅は増幅器Ａのそれと同一にされている。更に、〔ｆ１−(ｆ２−ｆ１)＋θ１’〕および〔ｆ２＋(ｆ２−ｆ
１)＋θ２’〕が増幅によって発生し、キャリア成分の位相に対して増幅器Ａでの３次歪
み成分の位相回転θ１およびθ２とは異なる位相回転θ１’およびθ２’を伴った３次歪み成分のスペクトラムである。
即ち、増幅器Ｂの出力に含まれる３次歪み成分のスペクトラムは半導体プロセスが増幅
器Ａのそれと異なるので内部ストレー容量の差異、帯域幅の遮断特性の差異などにより位相回転量が異なりθ１≠θ１’、θ２≠θ２’となる。また、３次歪み成分それぞれの振幅値は概ね同じ場合、異なる場合が生じる。

図３は本発明の増幅装置の増幅された高周波信号の合成ベクトル図を示す。
増幅器Ａにて増幅された高周波信号出力は、キャリア成分のベクトル（Ａ）と、このベクトル（Ａ）に対して位相角θを有する高調波の不要成分（３次歪み成分）のベクトル（ａ）とのベクトル図で表される。
増幅器Ｂにて増幅された高周波信号出力は、キャリア成分のベクトル（Ｂ）とこのベクトル（Ｂ）に対して位相角θ’を有する高調波の不要成分（３次歪み成分）のベクトル（ｂ’）とのベクトル図で表される。
２つの増幅器Ａ、Ｂの出力はベクトル加算合成されて高増幅高周波信号とされたキャリア成分の合成ベクトル（Ａ＋Ｂ）および３次歪み成分の合成ベクトル（ａ＋ｂ’）で表されるベクトル図となる。
キャリア成分のベクトル（Ａ）とベクトル（Ｂ）は同振幅、同位相に調整されるので合成された合成ベクトル（Ａ＋Ｂ）は増幅器Ａ、Ｂの各出力に対して振幅値２倍の高増幅高周波信号となる。
３次歪み成分のベクトル（ａ）とベクトル（ｂ’）は概ね同振幅または異なる振幅、異なる位相であるので、３次歪み成分の合成ベクトルは、２つの３次歪み成分のベクトルが同振幅、同位相で合成された合成値に比較して、ベクトル（ａ）とベクトル（ｂ’）との合成値は振幅の小さな値で表される低減されたベクトル値となる。
図示されてはいないが、３次歪み成分のベクトル（ａ）とベクトル（ｂ’）が逆位相（１８０°）に近い値の増幅素子が選ばれていれば、２つの３次歪み成分のベクトルどうしでキャンセルされ、３次歪み成分の合成ベクトル（ａ＋ｂ’）はゼロに近いものとなる。
増幅器Ａの増幅された高周波信号のキャリア成分対３次歪み成分の高調波の不要成分の比（Ａ／ａ）（ＩＭ；隣接チャネル漏洩電力）と増幅器Ｂの増幅された高周波信号のキャリア成分対３次歪み成分の高調波の不要成分の比（Ｂ／ｂ’）において、高増幅高周波信号とされた合成後のキャリア成分対３次歪み成分の高調波の不要成分の比（Ａ＋Ｂ／ａ＋ｂ’）は、増幅器Ａおよび増幅器Ｂに同一の半導体プロセスを用いた増幅素子が揃えられた構成による増幅・合成回路に有するキャリア成分および３次歪み成分ともに同振幅、同位相の信号合成後のキャリア成分対３次歪み成分の高調波の不要成分の比（２Ａ／２ａ）または（２Ｂ／２ｂ）に比較して低減される。
更に、歪み成分の合成ベクトル（ａ＋ｂ’）はゼロに近いものであれば、単独の増幅器にて得られるＩＭ値（Ａ／ａ）および（Ｂ／ｂ’）に比較して合成後のＩＭ値（Ａ＋Ｂ／ａ＋ｂ’）は限りなく小さな値となりＩＭ（隣接チャネル漏洩電力）の更なる低減が図られる。
以上の説明では増幅素子の一方にＬＤ−ＭＯＳＦＥＴプロセスの半導体を用い、他方にＧａＡｓ ＦＥＴプロセスの半導体を用いたが、互いに異なる半導体プロセスであれば他の種類で構成されてあってもよい。
また、合成が並列２合成についての例示であるが並列３合成〜並列ｎ合成（ｎは整数）の構成にされても同様の効果が得られることは云うまでもない。

本発明は、移動通信又は固定通信に用いられる無線通信システムに適用されて通信事業等に利用することができる。

本発明の増幅装置の回路ブロック図である。 本発明の増幅器の増幅された高周波信号のスペクトラム図である。 本発明の増幅装置の増幅された高周波信号の合成ベクトル図である。 従来技術の増幅装置の回路ブロック図である。 従来技術の増幅器の増幅された高周波信号のスペクトラム図である。 従来技術の増幅装置の増幅された高周波信号の合成ベクトル図である。

符号の説明

１ 入力端子
２ 分配器
３ 位相調整器
４ 振幅調整器
５ 増幅器Ａ
６ 増幅器Ｂ
７ 合成器
８ 出力端子
１０ 増幅器

Claims (1)

1. 高周波信号が外部より入力される入力端子と、
   該入力された高周波信号が２つの該高周波信号に分配される分配器と、
   該分配された一方の高周波信号に対して位相調整が行なわれる位相調整器と、
   該位相調整された高周波信号に対して振幅調整が行なわれる振幅調整器と、
   前記位相調整および振幅調整された高周波信号が増幅される第１の増幅器と、
   前記第１の増幅器の増幅回路に用いる半導体増幅素子の半導体デバイス材料と異なる半導体デバイス材料を用いた増幅回路を有し、前記分配された他方の高周波信号が増幅される第２の増幅器と、
   前記第１の増幅器で増幅された高周波信号と前記第２の増幅器で増幅された高周波信号とがベクトル合成され、該ベクトル合成されて高増幅高周波信号が得られる合成器と、
   前記高増幅高周波信号が外部へ出力される出力端子と、
   により構成され、前記高増幅高周波信号に含まれる３次歪み成分が低減されることを特徴とする増幅装置。

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