JP4714184B2 - 無線信号増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線信号増幅装置に関し、特に多段アンプ構成の無線信号増幅装置に関する。

従来、携帯端末やその基地局の無線信号増幅装置として、複数のアンプを従属接続して所望の送信パワーを得るようになされたものがある（例えば特許文献１参照）。

図６に、パワーアンプへの供給電圧とドライバアンプへの供給電圧が異なる場合の無線信号増幅装置の構成例を示す。図６の無線信号増幅装置１０（以下、これを単に増幅装置１０と呼ぶ）は、パワーアンプ１２の前段にドライバアンプ１１が従属接続され、無線信号（ＲＦ信号）をドライバアンプ１１及びパワーアンプ１２によって増幅した後に、アンテナＡＮに供給するようになっている。ドライバアンプ１１及びパワーアンプ１２は、一般に、ドレイン制御型又はコレクタ制御型の増幅器構成となっている。

また、増幅装置１０は、バッテリ等から供給されるシステム電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介してドライバアンプ１１の電源電圧として供給すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介してパワーアンプ１２の電源電圧として供給する。このようにＤＣ／ＤＣコンバータ１３，１４を設けることで、システム電圧のノイズ（変動）成分を除去して、ドライバアンプ１１及びパワーアンプ１２にノイズ変動の無い定電圧を供給する。これにより、増幅動作を安定化できる。

また、近年、終段のパワーアンプを高効率に動作させるための技術として、ＥＴ(envelope tracking)方式、ＥＥＲ（envelope elimination and restoration）方式又はポーラ変調方式と呼ばれるものが注目されている（以下、これらの方式を代表してドレイン変調方式と呼ぶ）。

ドレイン変調方式では、図７に示すように、送信信号をＲＦ成分とエンベロープ（振幅成分）とに分け、無線帯域に変換したＲＦ信号をパワーアンプ２１に入力すると共に、エンベロープ成分を電源変調部２２を介してパワーアンプ２１の電源端子に供給する。

電源変調部２２は、システム電圧をエンベロープ成分に応じて変調するものである。この処理は、エンベロープ成分を増幅してパワーアンプ２１の電源電圧を形成することに相当する。そして、ドレイン変調方式では、パワーアンプ２１を飽和状態で動作させることにより、パワーアンプ２１を高効率で動作させながら、ＲＦ信号とエンベロープ成分とが合成された出力信号を得ることができる。

図８及び図９に、ドレイン変調方式の送信機に、多段アンプ構成の増幅装置を適用した場合の構成例を示す。

図８の増幅装置は、電源変調部３３によってシステム電圧をエンベロープ成分に応じて変調することで、パワーアンプ３２の電源電圧を形成する。また、増幅装置は、システム電圧のノイズ変動をＤＣ／ＤＣコンバータ３４によって除去することで、ドライバアンプ３１の電源電圧を形成する。これにより、パワーアンプ３２にはエンベロープ成分に応じて例えば１０〜５０［Ｖ］の範囲で変動する電源電圧が供給され、ドライバアンプ３１には例えば５０［Ｖ］の固定の電源電圧が供給される。ここで、システム電圧に含まれるノイズは、電源変調部３３での変調時に吸収されるので、電源変調部３３の出力にはシステム電圧のノイズ変動は現れない。

図８との対応部分に同一符号を付して示す図９の増幅装置は、電源変調部３３で得た電源電圧を、パワーアンプ３２の電源電圧としてだけでなく、ドライバアンプ３１の電源電圧としても用いるようにしたものである。これにより、ドライバアンプ専用にＤＣ／ＤＣコンバータを設けなくても済むので、その分だけ構成を簡単化できる。因みに、ドライバアンプ３１及びパワーアンプ３２には共に、エンベロープ成分に応じて例えば１０〜５０［Ｖ］の範囲で変動する電源電圧が供給される。
特表２００５−５１８６８４号公報

ところで、上述したように、ドライバアンプ及びパワーアンプは、一般にドレイン制御型又はコレクタ制御型の増幅器構成となっている。このドレイン制御型又はコレクタ制御型の増幅器は、一般に出力対利得特性（ＡＭ−ＡＭ特性）が一定ではない。

図９のような構成を採用した場合、終段増幅器であるパワーアンプ３２の元信号に対する出力振幅のＡＭ−ＡＭ特性は、図１０の実線で示したように、出力が小さいほど利得が小さくなる。また、パワーアンプ３２の出力振幅を線形にするには、ドライバアンプ３１の出力振幅の元信号振幅に対するＡＭ−ＡＭ特性は、図１０の点線で示したように、出力が小さいほど利得が大きくなる。

このため、ドライバアンプ３１の出力電圧波形とパワーアンプ３２の出力電圧波形のＰＡＰＲ(Peak to Average Power Ratio)が異なるので、同じ電源電圧Ｖ１をドライバアンプ３１とパワーアンプ３２に供給すると、ドライバアンプ３１が動作不能になる場合がある。

これを、図１１を用いて説明する。図１１Ａはドライバアンプ３１から出力すべき出力電圧波形Ｖ３と電源電圧Ｖ１との関係を示し、図１１Ｂはパワーアンプ３２から出力すべき出力電圧波形Ｖ４と電源電圧Ｖ１との関係を示す。図１１Ａからも分かるように、時点ｔ１〜時点ｔ２の期間は、ドライバアンプ３１から出力すべき出力電圧Ｖ３が電源電圧Ｖ１よりも大きくなってしまい、この期間ではドライバアンプ３１が動作不能となる。

このように、図９に示す構成を採用すれば、ドライバアンプ専用にＤＣ／ＤＣコンバータを設けなくても済むので、その分だけ構成を簡単化できるが、ドライバアンプ３１から所望の電圧を出力できないおそれがある。この結果、最終的に得られるパワーアンプ３２からの出力電圧波形（送信信号）Ｖ４の品質も劣化するおそれがある。

本発明は、かかる点を考慮してなされたものであり、多段アンプ構成を採用した場合に、電源系統を簡単化しても、所望の送信信号波形を得ることができる無線信号増幅装置を提供する。

本発明の無線信号増幅装置の一つの態様は、第１の増幅手段と、前記第１の増幅手段の前段側に接続された第２の増幅手段と、システム電圧を変調して、前記第１の増幅手段の電源電圧を形成する電源変調手段と、前記電源変調手段により形成された電源電圧を平滑化して、前記第２の増幅手段の電源電圧を形成する平滑化手段と、を具備する構成を採る。

この構成によれば、平滑化手段によって、電源変調手段において形成された電源電圧の低レベル部分が持ち上げられるので、第２の増幅手段に第２の増幅手段の出力電圧よりも常に大きな値の平滑化電圧を供給できる。これにより、第２の増幅手段が動作不能となることを回避できる。

本発明の無線信号増幅装置の一つの態様は、第１の増幅手段と、システム電圧を変調して、前記第１の増幅手段の電源電圧を形成する電源変調手段と、前記電源変調手段により形成され電源電圧を所定値以上の電圧に制限するリミッタ手段と、前記第１の増幅手段の前段側に接続され、前記リミッタ手段により制限された電圧を電源電圧とする第２の増幅手段と、を具備する構成を採る。

この構成によれば、リミッタ手段によって、第２の増幅手段に第２の増幅手段の出力電圧よりも常に大きな値のリミッタ電圧を供給できる。これにより、第２の増幅手段が動作不能となることを回避できる。

本発明によれば、多段アンプ構成を採用した場合に、電源系統を簡単化しても、所望の送信信号波形を得ることができる無線信号増幅装置を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１に係る無線信号増幅装置１００を用いた送信装置２００の構成を示す。送信装置２００は、ＥＴ方式、ＥＥＲ方式又はポーラ変調方式と呼ばれる方式で送信信号を送信するものであり、例えば無線基地局に設けられる。

送信装置２００は、無線信号増幅装置１００を有する。無線信号増幅装置１００は、元信号のエンベロープ信号をエンベロープ信号検波部１１０で検出し、検出したエンベロープ信号を電源変調部１０３に送出する。

また、無線信号増幅装置１００は、ディジタルプリディストーション部（ＤＰＤ）１０５によってプリディストーション処理し、周波数変換部１１１によってプリディストーション処理後の信号を無線周波数に周波数変換し、これにより得たＲＦ信号をドライバアンプ１０１に入力する。ドライバアンプ１０１の後段側にはパワーアンプ１０２が接続され、パワーアンプ１０２の出力側にはアンテナＡＮが接続されている。これにより、ＲＦ信号は、ドライバアンプ１０１及びパワーアンプ１０２によって増幅された後に、アンテナＡＮから送信される。ここで、ドライバアンプ１０１及びパワーアンプ１０２は、ドレイン制御型又はコレクタ制御型のアンプである。

電源変調部１０３は、システム電圧をエンベロープ信号に応じて変調することで、エンベロープ波形に応じた電源電圧Ｖ１０を形成する。電源電圧Ｖ１０は、パワーアンプ１０２の電源電圧として供給される。ここで、システム電圧に含まれるノイズ変動は、電源変調部１０３での変調によって吸収される。

かかる構成に加えて、無線信号増幅装置１００は、電源変調部１０３とドライバアンプ１０１の電源端子との間に平滑部１０４が設けられており、電源電圧Ｖ１０を平滑部１０４によって平滑化（積分）した後に、ドライバアンプ１０１の電源電圧として供給するようになされている。

これにより、無線信号増幅装置１００においては、ドライバアンプ１０１から出力されるべき出力電圧Ｖ１３よりも、常に電圧値の大きい平滑化電圧Ｖ１１を得て、この平滑化電圧Ｖ１１によってドライバアンプ１０１を動作させるので、ドライバアンプ１０１が動作不能となることを回避できる。因みに、ドライバアンプ１０１は、パワーアンプ１０２よりも低電圧で動作可能な構成とされている（例えばＧａＡｓ等により構成されている）。

図２に、電源変調部１０３から出力される電源電圧Ｖ１０と、平滑化電圧Ｖ１１と、ドライバアンプ１０１から出力されるべき出力電圧Ｖ１３との関係を示す。なお、図２は、電源電圧Ｖ１０の変動幅が１０〜５０［Ｖ］の場合を例に示したものである。図からも分かるように、ドライバアンプ１０１に電源電圧Ｖ１０を直接供給すると、出力電圧Ｖ１３よりも電源電圧Ｖ１０が小さくなる箇所が生じるが、本実施の形態の構成を用いれば、平滑部１０４によって電源電圧Ｖ１０の低レベル部分が持ち上げられ、ドライバアンプ１０１に出力電圧Ｖ１３よりも常に大きな値の平滑化電圧Ｖ１１を供給できる。これにより、ドライバアンプ１０１を動作不能とすることなく、常にドライバアンプ１０１から所望の出力電圧Ｖ１３を出力させることができる。

図３に、平滑部１０４の具体的な構成例を示す。図３の平滑部１０４は、アイソレータ１０６と、大容量のコンデンサ１０７とを有する。平滑部１０４は、アイソレータ１０６によってパワーアンプ１０２の電源ラインとドライバアンプ１０１の電源ラインとのアイソレーションを確保しつつ、コンデンサ１０７による積分機能によって平滑化電圧Ｖ１１を得るようになっている。

以上のように、本実施の形態によれば、電源変調部１０３によって形成した電源電圧Ｖ１０をパワーアンプ１０２に供給すると共に、電源変調部１０３によって形成した電源電圧Ｖ１０を平滑部１０４によってほぼ一定の電圧に平滑化してドライバアンプ１０１に供給したことにより、電源変調部１０３によって形成した電源電圧をパワーアンプ１０２とドライバアンプ１０１で共通に用いる場合でも、ドライバアンプ１０１が動作不能となることを防ぐことができ、パワーアンプ１０２から所望の出力電圧波形（送信信号）を得ることができる。この結果、多段アンプ構成を採用した場合に、電源系統を簡単化しても、所望の送信信号波形を得ることができる無線信号増幅装置１００を実現できる。

なお、無線信号増幅装置１００は、ディジタルプリディストーション部１０５が設けられているので、平滑部１０４によってドライバアンプ１０１の電源電圧を平滑化することによる影響を、プリディストーション処理によって容易に補償することができる。ここで、プリディストーション処理は、ＥＴ方式、ＥＥＲ方式又はポーラ変調方式では一般に用いられている処理なので、本実施の形態は、この処理を有効に活用したものであると言うこともできる。

（実施の形態２）
図３との対応部分に同一符号を付して示す図４に、実施の形態２の無線信号増幅装置の構成を示す。

本実施の形態の無線信号増幅装置１００は、平滑部１０４に代えて、リミッタ３０１が設けられている。リミッタ３０１は、電源変調部１０３により形成され電源電圧Ｖ１０を所定値以上の電圧に制限する。本実施の形態の場合、図５に示すように、リミッタ３０１は、１０〜５０［Ｖ］の範囲で変動する電源電圧Ｖ１０を、その下限値である１０［Ｖ］にリミットしてこれをドライバアンプ３０２の電源電圧Ｖ２０として出力する。

本実施の形態のドライバアンプ３０２は、図５に示すように、出力電圧Ｖ２１の最大出力電圧がリミッタ３０１から供給される電源電圧Ｖ２０以下となるように構成されている。これにより、電源変調部１０３によって形成した電源電圧Ｖ１０をパワーアンプ１０２とドライバアンプ３０２で共通に用いる場合でも、ドライバアンプ３０２が動作不能となることを防ぐことができ、パワーアンプ１０２から所望の出力電圧波形（送信信号）を得ることができる。

なお、本実施の形態では、リミッタ３０１において、電源変調部１０３からの電源電圧１０［Ｖ］の固定電圧に制限する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、リミッタ３０１は、ドライバアンプ３０２に供給する電源電圧Ｖ２０の最低電圧値を、ドライバアンプ３０２の最大出力電圧以上の値になるように制限するものであればよい。

本発明の無線信号増幅装置は、多段アンプ構成を採用した場合に、電源系統を簡単化しても、所望の送信信号波形を得ることができるといった効果を有し、例えばＥＴ方式、ＥＥＲ方式又はポーラ変調方式の無線送信装置に適用して好適である。

本発明の実施の形態１に係る送信装置及び無線信号増幅装置の構成を示すブロック図 電源変調部から出力される電源電圧Ｖ１０と、平滑化電圧Ｖ１１と、ドライバアンプから出力されるべき出力電圧Ｖ１３との関係を示す図 平滑部の構成例を示すブロック図 実施の形態２の無線信号増幅装置の構成を示すブロック図 電源変調部から出力される電源電圧Ｖ１０と、リミッタ電圧Ｖ２０と、ドライバアンプからの出力電圧Ｖ２１との関係を示す図 従来の多段アンプ構成の無線信号増幅装置の構成例を示す接続図 ドレイン変調方式の説明に供する接続図 ドレイン変調方式に多段アンプ構成の無線信号増幅装置を適用する場合の従来の構成例を示す図 ドレイン変調方式に多段アンプ構成の無線信号増幅装置を適用する場合の従来の構成例を示す図 従属接続されたドライバアンプとパワーアンプのＡＭ−ＡＭ特性を示す図 図１１Ａはドライバアンプから出力すべき出力電圧波形Ｖ３と電源電圧Ｖ１との関係を示す図、図１１Ｂはパワーアンプから出力すべき出力電圧波形Ｖ４と電源電圧Ｖ１との関係を示す図

符号の説明

１００ 無線信号増幅装置
１０１，３０２ ドライバアンプ
１０２ パワーアンプ
１０３ 電源変調部
１０４ 平滑部
１０５ ディジタルプリディストーション部（ＤＰＤ）
３０１ リミッタ

Claims (7)

1. 第１の増幅手段と、
   前記第１の増幅手段の前段側に接続された第２の増幅手段と、
   システム電圧を変調して、前記第１の増幅手段の電源電圧を形成する電源変調手段と、
   前記電源変調手段により形成された電源電圧を平滑化して、前記第２の増幅手段の電源電圧を形成する平滑化手段と、
   を具備する無線信号増幅装置。
2. 前記第２の増幅手段は、前記第１の増幅手段よりも低い電源電圧で動作可能な構成とされている
   請求項１に記載の無線信号増幅装置。
3. 第１の増幅手段と、
   システム電圧を変調して、前記第１の増幅手段の電源電圧を形成する電源変調手段と、
   前記電源変調手段により形成され電源電圧を所定値以上の電圧に制限するリミッタ手段と、
   前記第１の増幅手段の前段側に接続され、前記リミッタ手段により制限された電圧を電源電圧とする第２の増幅手段と、
   を具備する無線信号増幅装置。
4. 前記リミッタ手段が制限する前記所定値は、前記第２の増幅手段の最大出力電圧以上の値である
   請求項３に記載の無線信号増幅装置。
5. 前記第１の増幅手段の出力電圧に基づいて、前記第２の増幅手段に入力される信号をプリディストーションするプリディストーション手段を、さらに具備する、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載の無線信号増幅装置。
6. 前記第１及び第２の増幅手段は、ドレイン制御型又はコレクタ制御型の増幅器である
   請求項１から請求項５のいずれかに記載の無線信号増幅装置。
7. 前記請求項１から請求項６のいずれかに記載の無線信号増幅装置は、ＥＴ方式、ＥＥＲ方式又はポーラ変調方式の無線送信装置に用いられ、
   前記第２の増幅手段は、ＲＦ位相信号を入力し、
   前記電源変調手段は、エンベロープ信号を入力して、当該エンベロープ信号に基づいて前記システム電圧を変調する。

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