JP2010154458A - 電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のＦ級増幅器では、出力レベルが低いと高調波反射による効率向上の効果が小さくなるという問題点があり、広範囲の出力レベルにわたって高い効率が得られ、更に調整点以外の入力レベルであっても、基本波の入力レベルに応じて常に最適な位相及び振幅の２次高調波を注入して、十分な効率改善を実現できる高周波電力増幅器を提供する。
【解決手段】 高調波反射回路１６を備えた増幅器３の入力段に、２次高調波を発生する高調波発生器３２と、発生した２次高調波の位相を調整する可変移相器３３と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器３４とを備え、基本波信号に２次高調波を注入して増幅器３に入力すると共に、入力された基本波の入力レベルを検出する検波器と、検出された入力レベルに応じて高調波発生器３２のベクトル調整器を制御する制御回路１０を備えた電力増幅器としている。
【選択図】 図７

Description

本発明は、高周波信号を増幅する電力増幅器に係り、特に電力変換効率を向上させることができる電力増幅器に関する。

［先行技術の説明］
送信用電力増幅器は、高周波信号を所要の送信出力に増幅するものであり、ほとんどの無線機において最も多くの電力を消費する部分である。
電力増幅器が消費する電力は、高周波出力に変換されるだけでなく、内部損失となる熱として放出される。
そのため、発熱量を低減して消費電力の低減や信頼性の向上を図るために、電力増幅器の電力変換効率を上げて、無駄な内部損失を抑えることが要求されている。
この要求に応えるために、種々の高効率動作方式を取り入れた増幅器があり、例えばＦ級増幅器がある。

［従来のＦ級増幅器］
従来のＦ級増幅器について簡単に説明する。
Ｆ級増幅器は、能動素子であるＦＥＴのドレイン端子に高調波反射回路を接続して、デバイスから見た負荷インピーダンスを、偶数次高調波周波数に対して短絡、奇数次高調波周波数に対して開放とすることで、ＦＥＴのドレイン電圧とドレイン電流の波形が重ならないようにしたものである。

これにより、ＦＥＴの動作としては、ドレイン電流が流れているときにドレイン電圧がゼロとなり、逆にドレイン電圧が印加されているときにドレイン電流がゼロとなるので、ドレイン端子とソース端子間の消費電力を常にゼロの状態にすることができる。
すなわち、理想的にはＦＥＴのドレイン電圧とドレイン電流の時間波形が重なっていない状態として、ＦＥＴで消費する電力をゼロにすることができ、内部損失を抑えることができるものである。

［先行技術文献］
尚、高効率化を図る増幅器に関する先行技術としては、特開２００５−２０４２０８号公報（特許文献１）がある。
特許文献１には、増幅対象となる基本波信号に対する奇数次の高調波信号を発生させ、当該奇数次の高調波信号を増幅対象となる基本波信号と合成して矩形波信号を生成し、矩形波信号を能動素子により増幅し、当該能動素子の出力端から負荷側を見た場合における奇数次の高調波信号に対するインピーダンスの値を無限大とすると共に、偶数次の高調波信号に対するインピーダンスの値をゼロとするようにして、高効率化を実現できる増幅器が記載されている。

特開２００５−２０４２０８号公報

しかしながら、従来のＦ級増幅器では、必ずしも理論上の電圧電流波形が得られるものではなく、また、増幅素子が飽和であれば高調波も多いが、出力レベルが低いと高調波の出力レベルも低くなって効率向上の効果が小さくなるという問題点があった。

尚、上記特許文献１では、奇数次高調波を増幅器入力に注入することは記載されているが、偶数次高周波を注入することは記載されていない。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、広範囲の出力レベルにわたって、従来の高調波反射回路を用いたＦ級増幅器に比べて高い効率が得られる電力増幅器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器を有する電力増幅器であって、入力信号を分岐し、分岐された一方の信号を更に分配して、分配された一方の信号から２次高調波を発生して、他方の信号と合成して増幅器に入力し、２次高調波の位相とレベルの少なくとも一方を、分岐された他方の信号を検波して検出されたレベルに応じて制御することを特徴としている。

また、本発明は、ベースバンドの入力信号をアナログ変調するアナログ変調部と、アナログ変調された信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器とを有する電力増幅器であって、ベースバンドの入力信号を分岐して、分岐された一方の信号をアナログ変調部に入力すると共に、分岐された他方の信号を更に分配して、分配された一方の信号を２乗して２次高調波のベースバンド信号を生成し、分配された他方の信号のレベルに応じて、予め記憶された複素係数を２次高調波のベースバンド信号に乗算して、位相とレベルの少なくとも一方を調整し、乗算された信号をアナログ変調して、アナログ変調器の出力信号と合成して増幅器に入力することを特徴としている。

より具体的には、本発明は、入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器を有する高周波電力増幅器であって、高調波反射回路が、２次高調波周波数を反射する特性を有し、増幅器の入力段に、基本波周波数の入力信号を分配する分配器と、分配された一方の基本波信号から２次高調波を発生する高調波発生器と、高調波発生器で発生した２次高調波の位相を調整する可変位相器と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器と、位相及び振幅が調整された２次高調波と分配された他方の基本波信号とを合成して増幅器に出力する合成器と、入力される基本波信号の入力レベルを検出する検波器と、検出された入力レベルに応じて可変位相器を制御する位相制御信号を出力する第１の演算回路と、入力レベルに応じて可変減衰器を制御する振幅制御信号を出力する第２の演算回路とを備えたことを特徴としている。

また、本発明は、入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器を有する電力増幅器であって、高調波反射回路が、２次高調波周波数を反射する特性を有し、増幅器の入力段に、入力ベースバンド信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換された信号を、基本周波数にアップコンバートして基本波信号を出力する直交変調器と、入力されるベースバンド信号の入力レベルを検出する検波器と、複数の入力レベルに対応して、位相と振幅とを規定する複素係数を記憶するテーブルと、ベースバンド信号を２乗して２次高調波のベースバンド成分を生成する２乗回路と、２次高調波のベースバンド成分に、検波器から入力された入力レベルに対応してテーブルに記憶されている複素係数を乗算して位相及び振幅を調整する複素乗算器と、複素乗算された２次高調波のベースバンド成分をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換された信号を、基本波信号の２倍の周波数にアップコンバートして２次高調波を出力する直交変調器と、基本波信号と２次高調波とを合成して増幅器に出力する合成器とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器を有する電力増幅器で、入力信号を分岐し、分岐された一方の信号を更に分配して、分配された一方の信号から２次高調波を発生して、他方の信号と合成して増幅器に入力し、２次高調波の位相とレベルの少なくとも一方を、分岐された他方の信号を検波して検出されたレベルに応じて制御する電力増幅器としているので、２次高調波の位相と振幅の少なくとも一方を、入力レベルに応じて常に最適な位相及び振幅となるよう調整することができ、特定の調整点だけでなく、低い入力レベルにおいても最適な２次高調波を注入でき、広いダイナミックレンジに渡って電圧電流波形を最適化して、増幅器の効率を十分向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、ベースバンドの入力信号をアナログ変調するアナログ変調部と、アナログ変調された信号を増幅する増幅素子と、増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器とを有する電力増幅器であって、ベースバンドの入力信号を分岐して、分岐された一方の信号をアナログ変調部に入力すると共に、分岐された他方の信号を更に分配して、分配された一方の信号を２乗して２次高調波のベースバンド信号を生成し、分配された他方の信号のレベルに応じて、予め記憶された複素係数を２次高調波のベースバンド信号に乗算して、位相とレベルの少なくとも一方を調整し、乗算された信号をアナログ変調して、アナログ変調器の出力信号と合成して増幅器に入力する電力増幅器としているので、２次高調波の位相と振幅の少なくとも一方を、入力レベルに応じて常に最適となるよう調整することができ、特定の調整点だけでなく、低い入力レベルにおいても最適な２次高調波を注入でき、広いダイナミックレンジに渡って電圧電流波形を最適化して、増幅器の効率を十分向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、高調波反射回路が、２次高調波周波数を反射する特性を有し、増幅器の入力段に、基本波周波数の入力信号を分配する分配器と、分配された一方の基本波信号から２次高調波を発生する高調波発生器と、高調波発生器で発生した２次高調波の位相を調整する可変位相器と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器と、位相及び振幅が調整された２次高調波と分配された他方の基本波信号とを合成して増幅器に出力する合成器と、入力される基本波信号の入力レベルを検出する検波器と、検出された入力レベルに応じて可変位相器を制御する位相制御信号を出力する第１の演算回路と、入力レベルに応じて可変減衰器を制御する振幅制御信号を出力する第２の演算回路とを備えた電力増幅器としているので、２次高調波の位相と振幅を、入力レベルに応じて常に最適な位相及び振幅となるよう調整することができ、特定の調整点だけでなく、低い入力レベルにおいても最適な２次高調波を注入でき、広いダイナミックレンジに渡って電圧電流波形を最適化して、増幅器の効率を十分向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、高調波反射回路が、２次高調波周波数を反射する特性を有し、増幅器の入力段に、入力ベースバンド信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換された信号を、基本周波数にアップコンバートして基本波信号を出力する直交変調器と、入力されるベースバンド信号の入力レベルを検出する検波器と、複数の入力レベルに対応して、位相と振幅とを規定する複素係数を記憶するテーブルと、ベースバンド信号を２乗して２次高調波のベースバンド成分を生成する２乗回路と、２次高調波のベースバンド成分に、検波器から入力された入力レベルに対応してテーブルに記憶されている複素係数を乗算して位相及び振幅を調整する複素乗算器と、複素乗算された２次高調波のベースバンド成分をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換された信号を、基本波信号の２倍の周波数にアップコンバートして２次高調波を出力する直交変調器と、基本波信号と２次高調波とを合成して増幅器に出力する合成器とを備えた電力増幅器としているので、入力レベルに応じて最適な位相と振幅となるような複素係数を記憶しておけば、２次高調波の位相と振幅を、入力レベルに応じて常に最適な位相及び振幅となるよう調整することができ、特定の調整点だけでなく、低い入力レベルにおいても最適な２次高調波を注入でき、広いダイナミックレンジに渡って電圧電流波形を最適化して、増幅器の効率を十分向上させることができる効果がある。

［発明の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る電力増幅器は、増幅素子と高調波反射回路を備えた増幅器の入力段に、高調波を発生する高調波発生器と、高調波発生器から出力された高調波の位相及び振幅を調整するベクトル調整器とを備え、ベクトル調整された高調波を、高調波反射回路を備えた増幅器の入力信号に合成することによって、増幅器の高調波出力レベルを増大させ、出力の高調波反射レベルを増大させることができるものであり、電圧電流波形の重なりを減らして効率を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る電力増幅器は、増幅器の入力段に高調波を注入する電力増幅器であって、入力された基本波の入力レベルを検出する検波器と、検出された入力レベルに応じて高調波発生器のベクトル調整器を制御する制御回路とを備えた電力増幅器としており、基本波の入力レベルに応じて常に最適な位相及び振幅の２次高調波を注入することができ、十分な効率改善を実現することができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る電力増幅器は、増幅素子と高調波反射回路を備えた増幅器の入力段に、入力されたベースバンド信号を２乗して２次高調波のベースバンド成分を生成する２乗回路と、当該ベースバンド成分の位相及び振幅を調整する複素乗算器と、複素乗算されたベースバンド成分をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換された信号を、基本波の２倍の周波数にアップコンバートする直交変調器とを備え、２次高調波を高調波反射回路を備えた増幅器の入力信号に合成することによって、増幅器の高調波出力レベルを増大させ、出力の高調波反射レベルを増大させることができるものであり、電圧電流波形の重なりを減らして効率を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る電力増幅器は、増幅器の入力に高調波を注入する電力増幅器であって、入力されたベースバンド信号の入力レベルを検出する検波器と、検出された入力レベルに対応して最適な位相及び振幅を規定する複素係数を記憶するテーブルとを備え、調整点以外の入力レベルであっても、ベースバンド信号の入力レベルに応じて常に最適な位相及び振幅の２次高調波を注入することができ、十分な効率改善を実現することができるものである。

［第１の実施の形態：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る電力増幅器について図１を用いて説明する。図１は、第１の実施の形態に係る電力増幅器（第１の電力増幅器）の構成ブロック図である。
図１に示すように、第１の電力増幅器は、入力端子１と、分配器４と、遅延線５と、合成器６と、増幅器３と、出力端子２と、高調波発生回路７とから構成されており、更に、高調波発生回路７は、高調波発生器７１と、可変移相器７２′と、可変減衰器７３′とから構成されている。

増幅器３は、高調波反射回路を備えた従来のＦ級増幅器である。増幅器３の高調波反射回路（図示せず）は、基本波の周波数に対して出力端子２に接続される負荷との整合をとり、且つ、その２次高調波周波数に対してトランジスタのドレイン端子で低インピーダンスとなる高周波終端回路である。すなわち、高調波反射回路は、２次高調波をよく反射する特性を備えている。

［高調波発生回路７］
第１の電力増幅器の特徴部分である高調波発生回路７は、分配器４で分配された基本波から２次高調波を発生し、更に発生した２次高調波の位相及び振幅を調整して出力するものである。
高調波発生器７１は、入力された基本波から２次高調波を発生する。
可変移相器７２′は、高調波発生器７１で発生した２次高調波の位相を調整する。
可変減衰器７３′は、高調波発生器７１で発生した２次高調波の振幅を調整する。
尚、可変移相器７２′及び可変減衰器７３′から成る部分は、発生した２次高調波のベクトル調整を行うベクトル調整器に相当し、可変移相器７２′と可変減衰器７３′の順序が逆であっても構わない。
ここで、第１の電力増幅器では、信号の特定の入力レベル（調整点）において最も良好な効率が得られるよう、可変移相器７２′と可変減衰器７３′が調整されている。

［高調波発生器７１］
高調波発生回路７の高調波発生器７１の構成について簡単に説明する。
高調波発生器７１は、入力端子と、入力整合回路と、ダイオードと、出力整合回路と、出力端子とが直列に接続された構成である。そして、ダイオードは入力端子から入力された基本波を入力して２次高調波を発生する。入力整合回路は、入力される信号を無駄なく伝達するために基本波に整合されたインピーダンス変換回路であり、出力整合回路は、ダイオードから発生する２次高調波をできるだけ無駄なく出力するために、２次高調波に整合されたインピーダンス変換回路である。尚、ダイオードの代わりにトランジスタを用いることも可能である。

［第１の電力増幅器の動作］
第１の電力増幅器においては、入力端子１から入力された基本波は分配器４で分配され、高調波発生回路７に入力された信号は、高調波発生器７１に入力されて２次高調波が発生され、可変移相器７２′、可変減衰器７３′で２次高調波の位相と振幅が調整され、合成器６に入力される。

分配器４で分配された他方の信号は、遅延線５で高調波発生回路７における遅延量と同じになるように遅延され、合成器６において高調波と合成され、増幅器３に入力される。
そして、２次高調波が合成された基本信号は、増幅器３で増幅されて、出力端子２に出力される。

［第１の実施の形態の効果］
第１の電力増幅器によれば、高調波発生回路７を設けて基本波の２次高調波を発生させて、増幅器３に入力される基本信号に２次高調波を注入しているので、増幅器３入力される高調波のレベルを増大させて、高調波反射回路で反射される高調波のレベルを増大させ、電流と電圧の波形の重なりを低減して効率向上を図る効果があり、更に、注入される高調波の位相と振幅とを最適に調整して、一層の効率向上を図る効果がある。

特に、第１の増幅器では、発生する高調波の中でもレベルが高い２次高調波に着目して、増幅器の入力に２次高調波を注入した上、出力では高調波反射回路で無駄なく２次高調波を反射させる構成としているので、効率向上の効果が大きくなるものである。

［第２の実施の形態：図２］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る電力増幅器について図２を用いて説明する。図２は、第２の実施の形態に係る電力増幅器（第２の電力増幅器）の構成ブロック図である。
第１の電力増幅器は、ＲＦ信号に変換された基本波信号から高調波を発生させるものであったが、第２の電力増幅器は、入力されるベースバンド信号からデジタル処理により２次高調波を発生させるようにしている。

図２に示すように、第２の電力増幅器は、入力端子１と、出力端子２と、増幅器３と、合成器６と、遅延回路１１と、Ｄ／Ａ変換器１２と、直交変調器１３と、局部発振器１４と、基準信号発生器１５と、２乗回路１６と、乗算器１７と、Ｄ／Ａ変換器１８と、直交変調器１９と、局部発振器２０とから構成されている。
ここで、２乗回路１６と、複素乗算器１７と、Ｄ／Ａ変換器１８と、直交変調器１９と、局部発振器２０で構成される回路が、高調波発生回路となっている。

第２の電力増幅器の特徴部分について説明する。
２乗回路１６は、入力されたベースバンド信号についてU(n)・U^*(n)（^*：共役複素数）の複素演算を行って２次高調波のベースハンド信号を出力する。
乗算器１７は、複素乗算器であり、２乗回路１６から出力されるベースバンド信号に複素数の係数Ａを乗算して、振幅と位相を調整する。係数Ａは、振幅をα、位相をβとすると、Ａ＝α・ｅ^jβで表され、増幅器３の効率が改善するように、振幅αと位相βとを調整するようになっている。
尚、第２の電力増幅器においても、特定の入力レベル（調整点）において最も効率が改善されるように、振幅及び位相が調整されている。

Ｄ／Ａ変換器１８は、デジタル信号をアナログ信号に変換する。
局部発振器２０は、基準信号発生器１５から出力される基準信号ｆｃの２倍の周波数２ｆｃを出力する。
直交変調器１９は、Ｄ／Ａ変換器１８から出力された信号を周波数２ｆｃにアップコンバートする。尚、請求項に記載された「アナログ変調部」は、Ｄ／Ａ変換器１８と直交変調器１９とを合わせた構成に相当している。

［第２の電力増幅器の動作］
第２の電力増幅器では、入力端子１から入力されたベースバンド信号は、遅延回路１１で遅延されてＤ／Ａ変換器１２でアナログ信号に変換され、直交変調器１３において、局部発振器１４からの周波数ｆｃにアップコンバートされ、合成器６に入力される。

一方、高調波発生回路に入力された信号は、２乗回路１６でU(n)・U^*(n)（^*：共役複素数）の複素演算が行われて２次高調波のベースバンド成分が算出され、複素乗算器１７において振幅と位相の調整が行われ、Ｄ／Ａ変換器１８でアナログ信号に変換される。そして、直交変調器１９で、局部発振器２０から出力される周波数ｆｃの２倍の周波数２ｆｃにアップコンバートされて、合成器６に入力される。

ここで、局部発振器１４と局部発振器２０とは同期していなければならないため、共通の基準信号発生器１５を備えている。
そして、直交変調器１３から出力される基本信号と、直交変調器１９から出力される２次高調波は、合成器６で合成されて、増幅器３で増幅されて出力端子２に出力される。

［第２の実施の形態の効果］
第２の電力増幅器によれば、入力信号のベースバンド信号からディジタル処理によって２次高調波を発生させて、増幅器３に入力される基本信号に２次高調波を注入して高調波のレベルを増大させているので、高調波反射回路で反射される高調波のレベルを増大させて電流と電圧の波形の重なりを低減して効率向上を図る効果があり、更に、注入される高調波の位相と振幅とを最適に調整して、一層の効率向上を図る効果がある。

［２次高調波を注入したドレイン電流：図３］
次に、基本波と、基本波に２次高調波を注入した場合のドレイン電流について図３を用いて説明する。図３は、基本波と２次高調波を注入した場合のドレイン電流を示す説明図である。
図３に示すように、入力電圧として基本波のみをトランジスタに入力した場合（２次高調波注入なし）に出力されるドレイン電流の波形に比べて、２次高調波を注入した場合には、電流が流れる期間が短くなり、Ｆ級増幅器における偶数次高調波周波数を短絡した波形のようになる。
これにより、ドレイン電圧とドレイン電流との重なりを小さくして、効率向上を図るものである。

［基本波と２次高調波のレベル比：図４〜図６］
次に、第１の電力増幅器における基本波と２次高調波の入出力特性について図４〜図６を用いて説明する。図４〜図６は、基本波と２次高調波の入出力特性を示す模式説明図であり、図４及び図６は基本波と２次高調波とで入出力特性が異なる場合、図５は基本波と２次高調波の入出力特性がほぼ等しい場合を示している。
図４に示すように、基本波の入出力特性では、入力レベルを１ｄＢ増やすと出力レベルも１ｄＢ増える関係にあるが、２次高調波は傾きが２倍であり、入力レベルを１ｄＢ増やすと出力レベルは２ｄＢ増えている。高調波発生器７１をダイオードやトランジスタで構成した場合、図４に示す特性になる。

上述したように、第１の電力増幅器では、入力端子１から入力される信号の特定の入力レベル（調整点）において最も良好な効率が得られるよう、可変移相器７２′と可変減衰器７３′とを調整しておき、運用中は通常は固定されている。

ところが、図４に示すように、調整点における基本波と２次高調波のレベル比は、最適なレベル比となっているが、調整点よりも低い入力レベルにおいては、生成される高調波のレベルはかなり低くなるため、基本波に対するレベル比が小さくなってしまい、２次高調波を注入してもドレイン電流が流れる時間があまり短縮されず、十分な効率改善の効果が得られないことがある。

一方、図５に示すように、２次高調波の入出力特性を基本波と同じになるよう制御すれば、基本波の入力レベルが変動しても常に２次高調波の入力レベル比は一定となるものである。

また、実際には、基本波の入出力特性は、増幅器のＡＭ−ＡＭ変換特性、ＡＭ−ＰＭ変換特性のために線形ではなく、高調波発生回路の入出力特性も、温度変化や素子のばらつき等により直線にはならず、入力レベル対位相特性も温度変化や素子のばらつき等により線形性がくずれてしまう。

つまり、上述した第１及び第２の電力増幅器においては、調整点において効率改善が最大となるように、基本波に注入される２次高調波の位相及び振幅を調整しているため、入力レベルが調整点からずれると、基本波に対する２次高調波のレベルが最適とはならず、効率が十分改善されなくなってしまうことがあった。

そこで、本発明では更に、調整点以外の入力レベルでも、特に入力レベルが調整点より小さい場合でも、２次高調波の位相及び振幅を最適な値に制御して、広い範囲の入力レベルにおいて２次高調波注入により十分な効率改善を実現することができる電力増幅器を提供することを目的とする。

また、図６は、入力レベルが低いときは２次高調波の入力レベル比が大きく、入力レベルが高いときは２次高調波の入力レベル比を小さくした特性である。
電力増幅器の効率特性は、入力レベルが小さい時には効率が低く、飽和に近づくにつれて効率が高くなるため、入力レベルが低いときには２次高調波注入の効率改善効果がより大きくなるよう設定し、入力レベルが高いときには高調波発生回路７の消費電力を抑えるために注入レベル比を低く設定した特性である。
高調波発生回路７の消費電力を考慮して、基本波と２次高調波の入出力特性を図６のように設定してもよい。

［第３の実施の形態：図７］
本発明の第３の実施の形態に係る電力増幅器について図７を用いて説明する。図７は、本発明の第３の実施の形態に係る電力増幅器（第３の電力増幅器）の構成ブロック図である。
図７に示すように、第３の電力増幅器は、基本的な構成は、図１に示した第１の電力増幅器の構成とほぼ同様であり、図１と同様の部分として、入力端子１と、分配器４と、遅延線５と、合成器６と、増幅器３と、出力端子２と、高調波発生回路７とを備え、第３の電力増幅器の特徴部分として、分配器８と、遅延線９と、高調波制御回路１０とを備えている。

次に、第３の増幅器の特徴部分について説明する。
分配器８は、入力端子１から入力された基本波信号を２つに分配する。
遅延線９は、高周波制御回路１０における遅延分に合わせるために信号を遅延する。

［高調波発生回路７］
高調波発生回路７は、第１の電力増幅器と同様に、高調波発生器７１と、可変位相器７２と、可変減衰器７３とから構成されている。尚、可変位相器７２及び可変減衰器７３はベクトル調整器を構成しており、可変位相器７２と可変減衰器７３の順序が逆になってもかまわない。更に、高調波発生器７１とベクトル調整器の順序が逆になってもかまわない。

そして、上述した第１の電力増幅器における可変位相器７２′、可変減衰器７３′は、特定の入力レベルにおいて２次高調波の位相及び振幅が最適となるよう調整され、運用中は固定されているものであったが、第３の増幅器の可変移相器７２、可変減衰器７３は、高調波制御回路１０からの指示に基づいて、随時、入力レベルに応じた２次高調波の位相調整、振幅調整を行うものである。

具体的には、第３の電力増幅器の可変位相器７２は、高調波制御回路１０の第１の演算回路１０２から出力される位相制御電圧信号に基づいて２次高調波の位相を制御する。
また、可変減衰器７３は、高調波制御回路１０の第２の演算回路１０３から出力される振幅制御電圧信号に基づいて２次高調波の振幅を制御する。

［高調波制御回路１０］
高調波制御回路１０は、第３の増幅器の特徴部分であり、入力された基本波の入力レベルに応じて、高周波発生回路７の可変移相器７２及び可変減衰器７３を制御するものである。
図３に示すように、高周波制御回路１０は、検波器１０１と、第１の演算回路１０２と、第２の演算回路１０３とを備えている。

検波器１０１は、分配器８で分配された基本波信号の入力レベルを検出する。尚、分配された基本波信号の入力レベルは、入力端子１から入力される入力信号のレベルに応じて変動し、入力信号の入力レベルに対応したものとなる。
第１の演算回路１０２は、検波器１０１で検出された入力レベルに応じて、可変移相器７２での位相調整量を制御する位相制御電圧信号を出力するものである。位相制御電圧信号は、広い入力レベルの範囲にわたって、入力レベルに応じた最適な位相となるよう可変位相器７２を制御する制御電圧である。

第２の演算回路１０３は、検波器１０１で検出された入力レベルに応じて、可変減衰器７３での振幅調整量を制御する振幅制御電圧信号を出力するものである。振幅制御電圧信号は、入力レベルに応じた最適な振幅調整を行うよう可変減衰器７３を制御する制御電圧である。

これにより、第３の電力増幅器では、基本波の特定の入力レベルだけでなく、低入力から飽和点までの広いダイナミックレンジにおいて、２次高調波の位相及び振幅を最適に調整することができ、基本波の入力レベルに応じて最適にレベル調整された２次高調波が合成点６に入力されるため、どのような基本波の入力レベルにおいても十分な効率改善を実現することができるものである。

［第３の電力増幅器の動作］
第３の電力増幅器において、図１と同様の部分については動作も同様であるため説明は省略する。
高調波制御回路１０の検波器１０１は、入力信号の入力レベルを検出し、第１の演算回路１０２は、入力レベルに応じて位相制御電圧信号を出力し、第２の演算回路１０３は、入力レベルに応じて振幅制御電圧信号を出力する。
高調波発生回路７では、高調波発生器７１で２次高調波を発生し、可変位相器７２は、第１の演算回路１０２からの位相制御電圧信号に基づいて２次高調波の位相を調整し、可変減衰器７３は、第２の演算回路１０３からの振幅制御電圧信号に基づいて２次高調波の振幅を調整する。
そして、入力レベルに応じて最適に位相及び振幅が調整された２次高調波が合成器６に入力される。

［増幅器の効率特性の比較：図８］
第１の増幅器と、第３の増幅器と、２次高調波を注入しない従来のＦ級増幅器の効率特性について図８を用いて説明する。図８は、増幅器の効率特性を比較する模式説明図である。
図８に示すように、広い入力レベルの範囲において、第１の増幅器及び第３の増幅器は高調波を注入しない従来のＦ級増幅器に比べて効率が改善されている。

更に、図８に示すように、調整点以上の入力レベルにおいては、第１の増幅器と、第３の増幅器の効率は等しい。しかし、調整点より低い入力レベルにおいては、第１の増幅器では最適な２次高調波レベルからずれるために効率が低下するのに対し、第３の増幅器では、２次高調波のレベル及び位相が最適に制御されているために効率の低下が少ないことがわかる。

尚、２次高調波の入力レベルは、理論的には図５に示したように制御することが考えられるが、実際には基本波と２次高調波の入出力特性の傾きが一致する必要はなく、第３の増幅器では、あらゆる入力レベルにおいて最適な効率が得られるように、各入力レベルに応じた２次高調波の位相及び振幅の最適な制御電圧信号を実験的に求めて、当該最適な制御電圧信号が出力されるよう、回路の設計を行っている。

また、実際には基本波の入出力特性は、増幅器のＡＭ−ＡＭ変換特性により線形とはならず、高調波発生回路の入出力特性も温度の変化や素子のばらつきによって直線にはならないため、２次高調波の入出力特性を直線にするように第２の演算回路１０３を設計する必要はない。
更に、可変位相器７２の制御についても、増幅器のＡＭ−ＰＭ変換特性や、高調波発生回路７の入力レベル対位相特性も線形成が崩れるため、第１の演算回路１０２を線形特性にする必要はない。
すなわち、第１の演算回路１０２及び第２の演算回路１０３から出力される制御電圧信号によって、広い入力レベルの範囲において良好な効率改善が得られるように、回路設計を行うものである。

［第３の実施の形態の効果］
第３の電力増幅器によれば、第１の電力増幅器の構成に加えて、入力信号の入力レベルに応じて高調波発生回路７の可変位相器７２と可変減衰器７３とを制御する高調波制御回路１０を設けているので、第１の電力増幅器の効果に加えて、調整点以外の広い入力レベルの範囲において、増幅器３の入力信号に注入される２次高調波を最適な位相及び振幅に制御して、最適なレベルの２次高調波を注入でき、広い範囲の入力レベルにおいて良好な効率改善を実現することができる効果がある。
尚、ここでは、十分大きな効果が得られるよう、可変位相器７２と可変減衰器７３の両方を制御する構成としているが、いずれか一方を制御するようにしてもよく、わずかな構成の追加で効率改善の効果が得られるものである。

［第４の実施の形態：図９］
次に、本発明の第４の実施の形態に係る電力増幅器について図９を用いて説明する。図９は、本発明の第４の実施の形態に係る電力増幅器（第４の電力増幅器）の構成ブロック図である。
図９に示すように、第４の電力増幅器の基本的な構成は、図２に示した第２の電力増幅器の構成とほぼ同様であり、図２と同様の部分として、入力端子１と、出力端子２と、増幅器３と、合成器６と、遅延回路１１と、Ｄ／Ａ変換器１２と、直交変調器１３と、局部発振器１４と、基準信号発生器１５と、２乗回路１６と、乗算器１７と、Ｄ／Ａ変換器１８と、直交変調器１９と、局部発振器２０とを備え、更に、第４の増幅器の特徴部分として、検波器２１と、ＬＵＴ（Look Up Table）２２とを備えている。

第４の電力増幅器の特徴部分について説明する。
検波器２１は、入力されるベースバンド信号を検波してレベルを検出する。ここで検出されるレベルは、入力端子１から入力されるベースバンド信号の入力レベルに応じて変化するものであり、入力レベルに応じた値となっている。
ＬＵＴ２２は、乗算器１７において位相及び振幅を制御するための複素係数を出力するものであり、複数の入力レベルと、各入力レベルでのベースバンド信号の最適な位相及び振幅を規定する複素係数とを対応付けて記憶している。複素係数Ａは、上述したように、Ａ＝α・ｅ^jβで表される（振幅をα、位相をβとする）。

ベースバンド信号の最適な位相及び振幅とは、各入力レベルにおいて増幅器３で最大の効率改善が得られる２次高調波を出力するための、ベースバンド信号の位相及び振幅の値である。
また、振幅又は位相のいずれか一方を定数とし、他方のみを入力レベルに応じて変えた複素係数を記憶しておいてもよい。
そして、検波器２１から、検出された入力レベルが入力されると、入力レベルの値に対応して記憶されている複素係数を乗算器１７に出力する。

［第４の電力増幅器の動作］
第４の電力増幅器において、第２の電力増幅器と同じ構成の部分については動作も同様であるため、説明は省略する。
検波器２１は、入力されたベースバンド信号を検波して入力レベルを検出し、ＬＵＴ２２は、入力レベルに応じて記憶されている複素係数を乗算器１７に出力する。乗算器１７は、予め調整点に合わせて設定された特定の複素係数ではなく、ＬＵＴ２２から出力される複素係数を乗算して、ベースバンド信号の位相及び振幅を入力レベルに応じて最適に調整する。

そして、入力レベルに応じて位相及び振幅が最適に調整されたベースバンド信号をＤ／Ａ変換器１８でＤ／Ａ変換し、直交変調器１９で基本周波数の２倍の周波数にアップコンバートして２次高調波を生成して、合成器６に入力する。
このようにして、第４の電力増幅器の動作が行われる。

［第４の実施の形態の効果］
第４の電力増幅器によれば、第２の電力増幅器の構成に加えて、入力ベースバンド信号の入力レベルを検出する検波器２１と、入力レベルに応じた最適な位相及び振幅を規定する複素係数を記憶するＬＵＴ２２とを備え、乗算器１７が、検出された入力レベルに対応する複素係数を、ベースバンド信号に乗算してその位相及び振幅を調整するようにしているので、第２の電力増幅器の効果に加えて、調整点以外の広い入力レベルの範囲において、増幅器３の入力信号に注入される２次高調波を最適な位相及び振幅に制御して、最適なレベルの２次高調波を注入でき、広い範囲の入力レベルにおいて良好な効率改善を実現することができる効果がある。
また、ＬＵＴ２１に、位相又は振幅のいずれか一方を定数として、他方を入力レベルに応じて規定する複素係数を記憶しておき、２次高調波の位相又は振幅のいずれか一方を制御するようにしても、効率改善の効果は得られるものである。

本発明は、電力変換効率を向上させることができる高周波電力増幅器に適している。

第１の実施の形態に係る電力増幅器（第１の電力増幅器）の構成ブロック図である。 第２の実施の形態に係る電力増幅器（第２の電力増幅器）の構成ブロック図である。 基本波と２次高調波を注入した場合のドレイン電流を示す説明図である。 基本波と２次高調波の入出力特性の例を示す模式説明図である。 基本波と２次高調波の入出力特性の例を示す模式説明図である。 基本波と２次高調波の入出力特性の例を示す模式説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る電力増幅器（第３の電力増幅器）の構成ブロック図である。 増幅器の効率特性を比較する模式説明図である。 本発明の第４の実施の形態に係る電力増幅器（第４の電力増幅器）の構成ブロック図である。

符号の説明

１…入力端子、 ２…出力端子、 ３…増幅器、 ４…分配器、 ６…合成器、 ７…高調波発生回路、 １１…遅延回路、 １２，１８…Ｄ／Ａ変換器、 １３，１９…直交変調器、 １４，２０…局部発振器、 １５…基準信号発生器、 １６…２乗回路、 １７…複素乗算器、 ２１…検波器、 ２２…ＬＵＴ、 ７１…高調波発生器、 ７２…可変移相器、 ７３…可変減衰器、 １０…高調波制御回路、 １０１…検波器、 １０２…第１の演算回路、 １０３…第２の演算回路

Claims (2)

1. 入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、
   前記増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器を有する電力増幅器であって、
   前記入力信号を分岐し、前記分岐された一方の信号を更に分配して、
   前記分配された一方の信号から２次高調波を発生して、他方の信号と合成して前記増幅器に入力し、
   前記２次高調波の位相とレベルの少なくとも一方を、前記分岐された他方の信号を検波して検出されたレベルに応じて制御することを特徴とする電力増幅器。
2. ベースバンドの入力信号をアナログ変調するアナログ変調部と、
   前記アナログ変調された信号を増幅する増幅素子と、前記増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備えた増幅器とを有する電力増幅器であって、
   前記ベースバンドの入力信号を分岐して、前記分岐された一方の信号を前記アナログ変調部に入力すると共に、前記分岐された他方の信号を更に分配して、
   前記分配された一方の信号を２乗して２次高調波のベースバンド信号を生成し、
   前記分配された他方の信号のレベルに応じて、予め記憶された複素係数を前記２次高調波のベースバンド信号に乗算して、位相とレベルの少なくとも一方を調整し、
   前記乗算された信号をアナログ変調して、前記アナログ変調器の出力信号と合成して前記増幅器に入力することを特徴とする電力増幅器。

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