JP2010288132A - 電源制御増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】負帰還ループを有する電源制御増幅器において、負帰還ループの安定性を維持しつつループ利得を増大させることで、エンベロープ増幅器で発生する各種劣化の抑圧量を向上し、電源制御増幅器全体として線形性とバックオフ効率の改善を図ることを目的とする。
【解決手段】負帰還ループを有する電源制御増幅器の負帰還ループに、使用周波数帯域においてエンベロープ増幅器８が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する構成の位相進み回路１４を挿入接続する。エンベロープ増幅器８の出力の一部を位相進み回路１４を介してエンベロープ増幅器８の入力側に設けられた比較器９へフィードバックする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電源制御増幅器に関し、より詳細には、負帰還ループを有する電源制御増幅器に関する。

衛星通信、地上マイクロ波通信、移動体通信では、高周波信号を高い効率で線形に増幅することが望まれている。近年無線通信では入力変調波信号の包絡線成分が時間とともに大きく変化するデジタル変調波信号が使われている。この様な信号を用いた場合、線形性を確保するためには増幅器を飽和からバックオフをとった領域で使用する必要がある。このため、増幅器ではバックオフを大きくとった領域での効率（バックオフ効率）を高めることが重要となる。増幅器のバックオフ効率を高める手法として入力信号の包絡線変動にほぼ比例して電圧を制御する手法がある（例えば、特許文献１参照）。図７に示す従来の電源制御増幅器では、エンベロープ増幅器８で入力変調波信号の包絡線成分に応じて高出力増幅器４へ供給される電源電圧を制御しながら、飽和電力を確保しつつ、高出力増幅器４の効率が高くなるような電圧を印加する。これにより、電源制御増幅器全体としてのバックオフ効率を高めることができる。
一方、この電源制御増幅器ではエンベロープ増幅器８で発生する雑音や各種歪みによる劣化により、電源制御増幅器全体としての線形性が劣化する問題があり、その対策として負帰還処理を適用する手法が提案されている。図８にエンベロープ増幅器の入力側に負帰還処理を行ったときのエンベロープ増幅器の構成を示し（非特許文献１参照）、図９にエンベロープ増幅器と並列に負帰還ループを設けたときのエンベロープ増幅器の構成を示す（特許文献２参照）。エンベロープ増幅器に負帰還ループを適用することで、エンベロープ増幅器で発生する各種劣化を抑圧しながら従来の増幅器と比較して高いバックオフ効率を実現することができる。

特開昭６２−２７４９０６号公報 特開２００７−２１５１５８号公報

F.H.Raab, B.E.Sigmon, R.G.Myers, and R.M.Jackson, "L-band transmitter using Kahn EER technique", IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol.46, no.12, Dec.1998.

従来の電源制御増幅器では線形性とバックオフ効率の改善の両立を図るために、エンベロープ増幅器に負帰還ループを適用することで、エンベロープ増幅器で発生する各種劣化を抑圧する手法がとられてきた。しかしながら、この様な負帰還ループを用いる方法では、負帰還ループ内の回路が有する周波数特性や遅延によってループの安定性に制約が生じるため、雑音や各種歪みの抑圧量に限界があった。

本発明は、負帰還ループを有する電源制御増幅器において、負帰還ループの安定性を維持しつつループ利得を増大させることで、エンベロープ増幅器で発生する各種劣化の抑圧量を向上し、電源制御増幅器全体として線形性とバックオフ効率の改善を図ることを目的とする。

この発明に係わる電源制御増幅器は、入力される振幅変化する変調波信号を増幅する高出力増幅器と、前記振幅変化する変調波信号の包絡線成分が入力される比較器と、前記比較器の出力として入力される前記振幅変化する変調波信号の包絡線成分に応じて前記高出力増幅器へ供給される電源電圧を制御する信号を出力するエンベロープ増幅器と、前記エンベロープ増幅器の出力を分岐して前記比較器に戻し、前記エンベロープ増幅器へ入力される前記包絡線成分に負帰還処理する負帰還ループと、を備えた電源制御増幅器において、前記負帰還ループ内に前記エンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する位相補償回路を設けたものである。

この発明は、負帰還ループ内にエンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する位相補償回路を設けたので、電源制御増幅器全体として線形性とバックオフ効率の改善が図れる効果がある。

本発明の実施の形態１に係わる電源制御増幅器の構造を示す構成説明図である。 本発明に係わる電源制御増幅器の位相進み回路の構成例を示す説明図である。 本発明に係わる電源制御増幅器の位相進み回路の構成例を示す説明図である。 本発明に係わる電源制御増幅器の位相進み回路の構成例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係わる位相進み回路の通過利得および通過位相特性の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係わる電源制御増幅器の構造を示す構成説明図である。 従来の電源制御増幅器の構造を示す構成説明図である。 エンベロープ増幅器の入力側に負帰還処理を行った従来の電源制御増幅器の構造を示す構成説明図である。 エンベロープ増幅器と並列に負帰還ループを設けた従来の電源制御増幅器の構造を示す構成説明図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる電源制御増幅器の構造を示す構成説明図である。図において、１はＲＦ入力端子、２はＲＦ出力端子、３は包絡線入力端子、４は高出力増幅器（ＨＰＡ）、５はパルス幅変調器（ＰＷＭ）、６はスイッチング増幅器、７は低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、８はエンベロープ増幅器、９は比較器、１４は位相進み回路、１２と１３は位相進み回路１４の入力端子と出力端子、１５はベースバンド増幅器である。
本実施の形態１では、ＲＦ入力端子１から入力した変調波信号は高出力増幅器４により増幅されてＲＦ出力端子２から出力される。このとき、包絡線入力端子３から入力した前記ＲＦ入力端子１から入力する変調波信号の包絡線成分はエンベロープ増幅器８により増幅されて、時間的な包絡線変動にほぼ比例した電源電圧として高出力増幅器４に対して印加される。
ここで、エンベロープ増幅器８は、パルス幅変調器５、ベースバンド増幅器１５、スイッチング増幅器６、低域通過フィルタ７により構成される。パルス幅変調器５では入力した信号包絡線の振幅の大きさに比例したパルス幅を有するパルス列を生成する。パルス列はベースバンド増幅器１５及びスイッチング増幅器６で増幅された後、低域通過フィルタ７によって波形整形され、その出力の一部が位相進み回路１４を介してエンベロープ増幅器８の入力側に設けられた比較器９へとフィードバックされる。
また、位相進み回路１４は周波数に対して位相が進む特性を有する回路であり、その構成例を図２，図３または図４に示す。図２に例示する位相進み回路は、負帰還ループに対して直列に接続された抵抗２０とキャパシタ２２からなる並列回路と負帰還ループに対して並列に接続された抵抗２３とキャパシタ２５からなる直列回路とを備え、使用周波数帯域においてエンベロープ増幅器８が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する構成で、位相進み回路の入力端子１２と出力端子１３で負帰還ループに挿入接続される。図３に例示する位相進み回路は、負帰還ループに対して直列に接続された抵抗２０とキャパシタ２２からなる並列回路を多段接続した構成を備え（図３では抵抗２０とキャパシタ２２の同じ構成の３段の場合を示すが、各段の抵抗２０とキャパシタ２２は異なるものでもよい。）、使用周波数帯域において前記エンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する構成で、位相進み回路の入力端子１２と出力端子１３で負帰還ループに挿入接続される。図４に例示する位相進み回路は、負帰還ループに対して直列に接続された抵抗２０とキャパシタ２２とインダクタ２１からなる並列回路と負帰還ループに対して並列に接続された抵抗２３とキャパシタ２５とインダクタ２４からなる直列回路および負帰還ループに対して並列に接続された抵抗２６とキャパシタ２８とインダクタ２７からなる直列回路とを備え、使用周波数帯域においてエンベロープ増幅器８が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する構成で、位相進み回路の入力端子１２と出力端子１３で負帰還ループに挿入接続される。
なお、図５に図２に例示する位相進み回路を用いた場合の通過利得および通過位相特性の一例を示す。図５に見られるように、所望の周波数faからfbの間の周波数帯域において、周波数に対する位相進み特性が得られている。

以上のように、本実施の形態では、エンベロープ増幅器８は自身が有する遅延のために、周波数に対して位相が遅れる特性を有するが、図５の様な特性を有する位相進み回路１４を、負帰還ループ内に設けることで前述のエンベロープ増幅器８が有する遅延による位相遅れ特性を相殺して補償することができる。
したがって、本実施の形態に係わる電源制御増幅器では、位相進み回路１４の効果によりループの安定性が向上するため、ループ利得を増大させることができる。その結果、エンベロープ増幅器８で発生する雑音や各種歪みによる劣化の抑圧量を増大することが可能となり、電源制御増幅器全体として線形性とバックオフ効率の改善を図ることができる。

なお、本実施の形態において、パルス幅変調器５の代わりにデルタ変調器またはデルタシグマ変調器のいずれかを使用しても良い。

また、本実施の形態において、位相進み回路１４を負帰還ループ内に設けるかわりに、
比較器９とエンベロープ増幅器８の間またはエンベロープ増幅器８の内部に設けても良い。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係わる電源制御増幅器を示す構成説明図である。図６において、１１はデルタ変調器、１６はベースバンド増幅器である。なお、図中、実施の形態１の図１と同一または相当するものには同一符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態２では、ＲＦ入力端子１から入力した変調波信号は高出力増幅器４により増幅されてＲＦ出力端子２から出力される。このとき、包絡線入力端子３から入力した前記ＲＦ入力端子１から入力する変調波信号の包絡線成分はエンベロープ増幅器８により増幅されて、時間的な包絡線変動にほぼ比例した電源電圧として高出力増幅器４に対して印加される。
ここで、エンベロープ増幅器８は、デルタ変調器１１、低域通過フィルタ７により構成される。デルタ変調器１１では入力した信号包絡線の振幅の大きさに比例した密度を有するパルス列を生成する。パルス列は低域通過フィルタ７によって波形整形され、その出力の一部が位相進み回路１４を介してエンベロープ増幅器８と並列に接続された比較器９へとフィードバックされる。比較器９では入力信号の包絡線成分と低域通過フィルタ７からの出力が比較された後、ベースバンド増幅器１６により増幅されて低域通過フィルタ７からの出力信号と合成される。

また、実施の形態２の位相進み回路１４も実施の形態１と同様の構成の回路が適用でき、本実施の形態においても、エンベロープ増幅器８は自身が有する遅延のために、周波数に対して位相が遅れる特性を有するが、位相進み回路１４を負帰還ループ内に設けることで前述のエンベロープ増幅器８が有する遅延による位相遅れ特性を相殺して補償することができる。

したがって、本実施の形態に係わる電源制御増幅器では、位相進み回路１４の効果によりループの安定性が向上するため、ループ利得を増大させることができる。その結果、エンベロープ増幅器８で発生する雑音や各種歪みによる劣化の抑圧量を増大することが可能となり、電源制御増幅器全体として線形性とバックオフ効率の改善を図ることができる。

なお、本実施の形態において、デルタ幅変調器１１の代わりにパルス幅変調器またはデルタシグマ変調器のいずれかを使用しても良い。

また、本実施の形態において、位相進み回路１４を負帰還ループ内に設けるかわりに、入力包絡線成分の分岐分配点とエンベロープ増幅器８の間またはエンベロープ増幅器８の内部に設けても良い。

ここで、上記実施の形態１および実施の形態２では、エンベロープ増幅器８は自身が有する遅延のために、使用する周波数に対して位相が遅れる特性を有する想定で、本発明の位相補償回路として、使用する所望の周波数faからfbの間の周波数帯域において、周波数に対する位相進み特性が得られる位相進み回路を用いて相殺する場合を例示して説明しているが、本発明ではこれに限らず、使用周波数においてエンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する位相補償回路であれば良い。

１ ＲＦ入力端子、２ ＲＦ出力端子、３ 包絡線入力端子、４ 高出力増幅器（ＨＰＡ）、５ パルス幅変調器（ＰＷＭ）、６ スイッチング増幅器、７ 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、８ エンベロープ増幅器、９ 比較器、１０ 減衰器、１１ デルタ変調器、１２ 位相進み回路の入力端子、１３ 位相進み回路の出力端子、１４ 位相進み回路、１５、１６ ベースバンド増幅器、２０、２３、２６ 抵抗、２１、２４、２７ インダクタ、２２、２５，２８ キャパシタ。

Claims (10)

1. 入力される振幅変化する変調波信号を増幅する高出力増幅器と、
   前記振幅変化する変調波信号の包絡線成分が入力される比較器と、
   前記比較器の出力として入力される前記振幅変化する変調波信号の包絡線成分に応じて前記高出力増幅器へ供給される電源電圧を制御する信号を出力するエンベロープ増幅器と、
   前記エンベロープ増幅器の出力を分岐して前記比較器に戻し、前記エンベロープ増幅器へ入力される前記包絡線成分に負帰還処理する負帰還ループと、
   を備えた電源制御増幅器において、
   前記負帰還ループ内に前記エンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する位相補償回路を設けたことを特徴とする電源制御増幅器。
2. 入力される振幅変化する変調波信号を増幅する高出力増幅器と、
   前記振幅変化する変調波信号の包絡線成分が入力される比較器と、
   前記比較器の出力として入力される前記振幅変化する変調波信号の包絡線成分に応じて前記高出力増幅器へ供給される電源電圧を制御する信号を出力するエンベロープ増幅器と、
   前記エンベロープ増幅器の出力を分岐して前記比較器に戻し、前記エンベロープ増幅器へ入力される前記包絡線成分に負帰還処理する負帰還ループと、
   を備えた電源制御増幅器において、
   前記比較器と前記エンベロープ増幅器の間または前記エンベロープ増幅器の内部に前記エンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する位相補償回路を設けたことを特徴とする電源制御増幅器。
3. 入力される振幅変化する変調波信号を増幅する高出力増幅器と、
   前記振幅変化する変調波信号の包絡線成分が分岐分配され、分配された一方の包絡線成分が入力された前記包絡線成分に応じて前記高出力増幅器へ供給される電源電圧を制御する信号を出力するエンベロープ増幅器と、
   分配された他方の包絡線成分が入力された比較器と、
   前記比較器の出力が入力されるベースバンド増幅器と、
   前記エンベロープ増幅器の出力と前記ベースバンド増幅器の出力の合成信号の一部を前記比較器へ入力される前記包絡線成分に負帰還処理する負帰還ループと、
   を備えた電源制御増幅器において、
   前記負帰還ループ内に前記エンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する位相補償回路を設けたことを特徴とする電源制御増幅器。
4. 入力される振幅変化する変調波信号を増幅する高出力増幅器と、
   前記振幅変化する変調波信号の包絡線成分が分岐分配され、分配された一方の包絡線成分が入力された前記包絡線成分に応じて前記高出力増幅器へ供給される電源電圧を制御する信号を出力するエンベロープ増幅器と、
   分配された他方の包絡線成分が入力された比較器と、
   前記比較器の出力が入力されるベースバンド増幅器と、
   前記エンベロープ増幅器の出力と前記ベースバンド増幅器の出力の合成信号の一部を前記比較器へ入力される前記包絡線成分に負帰還処理する負帰還ループと、
   を備えた電源制御増幅器において、
   前記包絡線成分の分岐分配点と前記エンベロープ増幅器の間または前記エンベロープ増幅器の内部に前記エンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する位相補償回路を設けたことを特徴とする電源制御増幅器。
5. 前記エンベロープ増幅器は、入力端から出力端へ順次パルス幅変調器とスイッチング増幅器と低域通過フィルタを直列接続して構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源制御増幅器。
6. 前記エンベロープ増幅器は、入力端から出力端へ向けて順次デルタ変調器と低域通過フィルタを直列接続して構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源制御増幅器。
7. 前記エンベロープ増幅器は、入力端から出力端へ向けて順次デルタシグマ変調器と低域通過フィルタを直列接続して構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源制御増幅器。
8. 前記位相補償回路は、入力端子と出力端子とを有し、前記入力端子から出力端子への経路に直列に接続された抵抗とキャパシタからなる並列回路と、前記入力端子から出力端子への経路に並列に接続された抵抗とキャパシタからなる直列回路とを備え、使用周波数帯域において前記エンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する構成であって、前記入力端子と前記出力端子を介して挿入接続されて設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電源制御増幅器。
9. 前記位相補償回路は、入力端子と出力端子とを有し、前記入力端子から出力端子への経路に直列に接続された抵抗とキャパシタからなる並列回路を多段接続した回路を備え、使用周波数帯域において前記エンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する構成であって、前記入力端子と前記出力端子を介して挿入接続されて設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電源制御増幅器。
10. 前記位相補償回路は、入力端子と出力端子とを有し、前記入力端子から出力端子への経路に直列に接続された抵抗とキャパシタとインダクタからなる並列回路と、前記入力端子から出力端子への経路に並列に接続された抵抗とキャパシタとインダクタからなる直列回路とを備え、使用周波数帯域において前記エンベロープ増幅器が有する位相の周波数特性を相殺して低減する位相の周波数特性を有する構成であって、前記入力端子と前記出力端子を介して挿入接続されて設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電源制御増幅器。

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