JP5010542B2 - 高周波電力増幅器、および増幅方法 - Google Patents

Description

本発明は、高効率かつダイナミックレンが広い高周波電力増幅器及び増幅方法に関する。

近年、ＣＤＭＡやＯＦＤＭ等の広帯域で多値変調された無線信号により放送や移動体通信が行われる様になった。これらの広帯域な多値変調信号の送信は、低出力レベルから、大出力レベルまで歪みを極力抑え直線性の良い電力増幅を行わなければならないと同時に、電力消費を少なく高効率に増幅することが必要である。

低歪みな電力増幅を行う方法として、負帰還（ＮＦＢ）増幅、フィードフォワード補償等方法が取られるがその結果、電力増幅器（以下、ＰＡと略す。）は、低出力時の電力効率が下がる。

図６は、従来のフィードフォワード補償（以下、ＦＦと略す。）を用いた電力増幅器（以下ＰＡと略す。）の動作説明をする機能ブロック図、図７は、ＰＡの動作を説明する動作特性図である。
図６においてＦＦを用いる従来のＰＡは、低歪みな増幅を目的としているため入力されるＲＦ信号がハイブリッドＨ１で分岐され、その一方が、メインアンプ１０へ、他方が、遅延線ｄ２を経てハイブリッドＨ２の入力の一方へ供給される。メインアンプ１０の出力はデバイダｃ２の分岐出力の一方がハイブリッドＨ２の入力の他方へ供給される。

サブアンプ２０の出力はカプラｃ１へ入力され、メインアンプ１０のデバイダｃ２からの出力が更に遅延線ｄ１を経てカプラｃ１の他方の入力に供給された信号と合成されて出力される。遅延線ｄ１、ｄ２は、両アンプにおける遅延を揃えるものである。従来のＰＡは、サブアンプ２０の出力がメインアンプ１０の歪み成分を打ち消す関係にあり、またメインアンプ１０の利得特性の飽和を補う利得特性を備えている。

図７（ａ）は、メインアンプ１０の入力レベルに対する利得の特性を示す。メインアンプ１０は、Ａ級動作の様な直線性の良い動作が要求される。しかし、入力が大きくなるにつれ出力が入力に対してリニヤでなく飽和する様になり図７（ａ）の点線の様な利得特性を示す。

そこで、ＰＡに入力する入力が大きくなりメインアンプ１０の出力が出力飽和点になると、その利得低下を補う様に、即ち、ＰＡを外部から見ると図７（ｂ）の出力特性を持ったように様にサブアンプが動作をするが、図７（ｂ）に示す如くサブアンプ２０の入力レベルに対して出力が上昇する様になり、ピークレベルと平均レベルとの電力比が大きくなるとともに、サブアンプも大出力動作が必要である。

そこで効率を良くするために、メインアンプ、サブアンプが電源を独立して備えるようにして効率改善を図った例がある（例えば、特許文献１。）。しかし、メインアンプ１０は、小出力時でもバックオフを大きく取る必要があるため、効率が低い動作になってしまい、ＰＡ全体としても効率が悪くなってしまう問題があった。

一方、効率の良い増幅器としては、Ｄ級、又は、Ｅ級、Ｆ級とよばれるスイッチング増幅器が知られている。しかし、これらのスイッチング増幅器は高効率ではあるがダイナミックレンジ、即ち増幅器の入力レベル変動が広い場合には対応出来ない欠点があった。
特開２００７−１２４１０３号公報 （第５頁、第１図）

従来の低歪み高周波電力増幅器は、効率を高く取ることが出来ない一方、高効率なスイッチング増幅器は、広い入力レベル変動に対応出来ず、高効率と広いダイナミックレンジが両立出来ない問題が有った。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、効率が高く、ダイナミックレンジが広い高周波電力増幅器および、増幅方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の高周波電力増幅器は、高周波の入力信号をメインアンプとサブアンプとで増幅し、前記メインアンプとサブアンプの増幅信号を加算して出力する高周波電力増幅器において、前記高周波の入力信号を第１の出力端子からメインアンプへ向けて分岐出力すると共に、第２の出力端子からサブアンプに向けて分岐出力する第１のハイブリッドと、前記第１のハイブリッドの第２の出力端子から前記分岐出力された信号が入力され、それが前記入力信号の所定の平均入力レベル以下では非動作となり、前記所定のレベルよりも高くなった場合に動作して増幅した増幅信号を出力するサブアンプと、前記第１のハイブリッドの第１の出力端子から前記分岐出力された信号が自分の第１の入力端子へ入力されると共に、前記サブアンプから出力された前記増幅信号の一部が自分の第２の入力端子へ入力され、前記サブアンプから入力された増幅信号と、前記第１のハイブリッドから入力される信号とが逆相で加算されることにより前記入力信号のレベルが前記所定のレベルを越える場合、自分の出力端子から前記メインアンプに出力される出力信号のレベルが抑えられる第２のハイブリッドと前記第２のハイブリッドからの出力信号を入力してスイッチング増幅した増幅信号を出力するメインアンプとを備え、前記メインアンプが出力する前記増幅信号と前記サブアンプが出力する前記増幅信号とを同相で加算した合成信号を出力することを特徴とする。

また本発明の高周波電力増幅器の増幅方法は、メインアンプと、サブアンプと、第１、第２のハイブリッドとを備え、高周波の入力信号を電力増幅する高周波電力増幅器の増幅方法において、前記第１のハイブリッドは、前記高周波の入力信号を第１の出力端子から前記第２のハイブリッドを介して前記メインアンプへ向けて出力すると共に、第２の出力端子からサブアンプに向けて出力し、前記第１のハイブリッドの第２の出力端子から前記出力された信号が入力される前記サブアンプは、それが前記入力信号の平均レベルに対応する所定のレベル以下では非動作となり、前記所定のレベルよりも高くなった場合に動作して前記メインアンプの出力に加算するための信号を出力し、前記第１のハイブリッドの第１の出力端子からの出力が自分の第１の入力端子へ入力される第２のハイブリッドは、前記サブアンプから出力された前記増幅信号の一部が自分の第２の入力端子へ入力され、前記サブアンプから入力された増幅信号と前記第１のハイブリッドから入力される信号とが逆相で加算されることにより前記入力信号のレベルが前記所定のレベルを越える場合、自分の出力端子から前記メインアンプに出力信号のレベルが抑えられて出力され、前記第２のハイブリッドから出力される信号が入力される前記メインアンプは、入力された信号をスイッチング増幅して出力し、前記メインアンプが出力する前記増幅信号と前記サブアンプが出力する前記増幅信号とを同相で加算した合成信号を出力することを特徴とする高周波電力増幅器の増幅方法。

本発明によれば、効率が高く、ダイナミックレンジが広い高周波電力増幅器および、増幅方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例に係わる電力増幅器（以下ＰＡと略す。）の動作説明をする機能ブロック図、図２は、実施例に係わるＰＡの動作を説明する動作特性図である。
図１（ａ）において、実施例のＰＡは、従来のＦＦを用いたＰＡのメインアンプとサブアンプとの配置が入れ替わっている。即ち、入力されるＲＦ信号がハイブリッドＨ１で分岐され、その一方が、サブアンプ２へ、他方が、遅延線ｄ２を経てハイブリッドＨ２の入力の一方へ供給される。

サブアンプ２の出力はデバイダｃ２の分岐出力の一方がハイブリッドＨ２の入力の他方へ供給される。メインアンプ１の出力はカプラｃ１へ入力され、サブアンプ２のデバイダｃ２を介しての出力が更に遅延線ｄ１を経てカプラｃ１の他方の入力に供給された信号と合成されて出力される。遅延線ｄ１、ｄ２は、両アンプにおける遅延を揃えるものである。

実施例のＰＡは、入力レベルが平均入力レベルに達するまでは出力が飽和しないスイッチング動作により高効率な増幅を行うメインアンプ１と、入力レベルが高くなった時のみ動作してメインアンプ１の出力へ追加出力する大出力増幅器のサブアンプ２との組合せで増幅する。

スイッチング動作して増幅する増幅器としては、Ｄ級又は、Ｅ級、Ｆ級と呼ばれる各種のものがあるが、ここでは、電圧波形と、電流波形とが時間的にオーバラップする領域を小さくすることにより終段の増幅素子で発生する損失を低減させることにより効率を高めているものである。

また、サブアンプ２は、図２（ａ）の様にＣ級動作するバイアス調整がなされ、入力レベルが低い時は非動作となり、入力レベルが高くなった時のみメインアンプの出力を増補する動作するので電力の消費が大きく抑えられる。

この様に、実施例による高周波増幅器では、常時、スイッチング動作を行い高効率な増幅をするメインアンプと、メインアンプの出力を補う時のみ動作するサブアンプとを組み合わせて用いることにより、格段の高効率な広いダイナミックレンジを有する高周波増幅器を実現することが出来る。

メインアンプ１に入力される信号は、ＰＡに入力され、ハイブリッドＨ１で分岐された信号と、サブアンプ２の出力信号がデバイダｃ２で分岐された信号との差（言い換えればＰＡの入力に対して両アンプの出力が逆相で加算される。）となり、入力レベルが高くなっても、変動が少なくなるように制御される（図２（ｂ）参照。）。

このため、メインアンプ１は、平均入力レベル以上の出力飽和開始点付近、即ち飽和付近でスイッチング動作して増幅するので効率が非常に高い。また、サブアンプ２は、平均入力レベルに近づくまでは、非動作に近い状態とするため、時間平均でみると、消費電力は小さい。この２つのアンプを組み合わせることにより高効率な増幅動作をすることができる。

メインアンプ１とサブアンプ２の出力はカプラｃ１により合成され、ＰＡへの入力に対して合成出力が直線的になる様にメインアンプ１のバックオフおよび飽和特性、サブアンプ８の入出力特性（動作条件）が調整される。

図１（ｂ）は、図１（ａ）を単純化し、部品点数を減らした回路構成例である。メインアンプ１では、ハイブリッド１からの入力が所定の入力以上になるような大きな入力になると、ハイブリッドＨ２で、サブアンプ２の出力が逆相になった入力と合成されることにより入力レベルが一定に抑えられる。また、メインアンプ１の出力とサブアンプ２の出力は同相になるように結合されているので、両アンプの合成出力は、大入力時になると動作を開始するサブアンプ２の出力が加算され、効率の良い増幅動作が可能になる。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示される回路構成から、カプラｃ１、デバイダｃ２を省略して簡略化した構成を示したが、カプラｃ１、デバイダｃ２のうちいずれか一方を簡略化した構成としたものでも良いことは言うまでも無い。

以下に、図２（ｃ）を参照して各アンプへの動作条件の設定例を示す。両アンプの出力側のカプラｃ１の結合度、は６ｄＢとし、サブアンプ２の飽和レベルはメインアンプ１の飽和レベルの２倍としている。また、入力が６ｄＢバックオフでサブアンプ２が立ち上がるように、サブアンプ２のＣ級バイアス点を調整している。ここでは、６ｄＢバックオフ点における出力側の結合器の損失は１．２５ｄＢである。

この値は、ＧＨｚ帯のフィードフォワード回路に使用する、メインアンプ１の出力側の分配器、遅延線路、結合器の総和の値の一例である。６ｄＢバックオフ点のメインアンプの出力レベルは最大出力レベル点から約１．５ｄＢ程度低いだけであり、バックオフ６ｄＢ点で、飽和出力近くで動作していることがわかる。また、６ｄＢバックオフ点でサブアンプが動作しないようにする。このように、平均電力とピーク電力の差が大きな信号に対して、６ｄＢバックオフをとったレベルで効率を高めることができる。

この結果の動作例が図２（ｃ）に示されている。サブアンプの入力と出力が小点線のＪ字カーブで示された点から立ち上がる。また、メインアンプの出力が大点線の円弧カーブで示され、図１のカプラｃ１の出力に相当する合成出力が実線の直線となっている。

なおここで、出力側の結合器の結合度を６ｄＢ、メインアンプとサブアンプの飽和電力差を３ｄＢ、サブアンプ２がオン（動作）となるレベルを６ｄＢバックオフとしたが、他の設定値で合成出力が直線状になるように調整しても良いことは言うまでもない。

図３は、本実施例の第１の変形例のＰＡの機能構成を示す機能ブロック図である。
図３において、ＰＡのメインアンプ１、サブアンプ２の両者の入力に補償回路３１、３２が挿入されている。補償回路は、それぞれのアンプの位相及び振幅を詳細に補正するための減衰器、移相器であって、入出力特性を更に改善させるものである。

また、図３のメインアンプ１の入力に予歪（プレディストーション）回路を挿入するものであっても良い。例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を用いたプレディストーション回路により上述の高効率化ＰＡの歪み補正を精度良く行うことにより高出力、極低歪率高周波電力増幅器を構成することが可能になる。（この場合、図３の補償回路３１、３２を削除してもプレディストーション回路で補償を合わせ行う様にしても良いことは、言うまでも無い。）。

図４は、本実施例の第２の変形例のＰＡの機能構成を示す機能ブロック図である。
図４において、サブアンプ２の入力対出力特性を精確に設定する為、サブアンプの入力レベルを測定する為の検波器６を設けている。そして検波器６の出力レベルでサブアンプ２のＣ級動作のバイアス制御を行うことにより、更に広い出力範囲に於いて精度の良い出力制御を行うことが可能になる。通常、このバイアスによる立ち上がり点は、メインアンプの出力飽和開始点に対応する入力レベルに設定される。

以上説明した如く、本発明の実施例によれば、効率の良い高周波電力増幅器を提供することができる。また、上記主旨を脱しない範囲で、上記実施例の構成や処理手順の変更や組合せを行っても良い。

図５は、本実施例の第３の変形例のＰＡの動作を説明する機能ブロック図と動作特性図である。
図５（ａ）は、第３の変形例のＰＡの機能ブロック図で、メインアンプ１の入力信号レベルを検波器６により測定し、その測定レベルによりサブアンプ２の利得を調整している。

図５（ｂ）は、第３の変形例のＰＡのメインアンプ１の入力レベルが大きくなり検波電圧がある値以上になった場合、その検波電圧が一定になるようにとサブアンプの利得（ゲート電圧）を制御している。この立ち上がり点に相当する入力レベルは、メインアンプの出力の飽和開始点に相当するレベルである。

この場合、ハイブリッドＨ１からの入力が大きくなっても、それを打ち消す逆極性でサブアンプ２の出力はデバイダｃ２を介してハイブリッドＨ２へ入力される。メインアンプ１では入力は一定に保たれるが、メインアンプが飽和しても、サブアンプ２が増幅したＲＦ信号が加算されるので効率よく大出力が得られる。

本発明の実施例に係わるＦＦを用いた高周波電力増幅器の動作説明をする機能ブロック図。 実施例に係わる高周波電力増幅器の動作を説明する動作特性図。 本実施例の第１の変形例による高周波電力増幅器の機能構成を示す機能ブロック図。 本実施例の第２の変形例による高周波電力増幅器の機能構成を示す機能ブロック図。 本実施例の第３の変形例による高周波電力増幅器の機能構成を示す機能ブロック図。 従来のフィードフォワード補償を用いた電力増幅器の動作説明をする機能ブロック図。 従来の高周波電力増幅器の動作を説明する動作特性図。

符号の説明

１ メインアンプ
２ サブアンプ
３１、３２ 補償回路
６ 検波器
Ｈ１、Ｈ２ ハイブリッド
ｃ１ カプラ
ｃ２ デバイダ
ｄ１、ｄ２ 遅延線

Claims (3)

1. 高周波の入力信号をメインアンプとサブアンプとで増幅し、前記メインアンプとサブアンプの増幅信号を加算して出力する高周波電力増幅器において、
   前記高周波の入力信号を第１の出力端子からメインアンプへ向けて分岐出力すると共に、第２の出力端子からサブアンプに向けて分岐出力する第１のハイブリッドと、
   前記第１のハイブリッドの第２の出力端子から前記分岐出力された信号が入力され、それが前記入力信号の所定の平均入力レベル以下では非動作となり、前記所定のレベルよりも高くなった場合に動作して増幅した増幅信号を出力するサブアンプと、
   前記第１のハイブリッドの第１の出力端子から前記分岐出力された信号が自分の第１の入力端子へ入力されると共に、前記サブアンプから出力された前記増幅信号の一部が自分の第２の入力端子へ入力され、前記サブアンプから入力された増幅信号と、前記第１のハイブリッドから入力される信号とが逆相で加算されることにより前記入力信号のレベルが前記所定のレベルを越える場合、自分の出力端子から前記メインアンプに出力される出力信号のレベルが抑えられる第２のハイブリッドと
   前記第２のハイブリッドからの出力信号を入力してスイッチング増幅した増幅信号を出力するメインアンプとを備え、
   前記メインアンプが出力する前記増幅信号と前記サブアンプが出力する前記増幅信号とを同相で加算した合成信号を出力する
   ことを特徴とする高周波電力増幅器。
2. 前記サブアンプは、Ｃ級動作を行う事を特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器。
3. メインアンプと、サブアンプと、第１、第２のハイブリッドとを備え、
   高周波の入力信号を電力増幅する高周波電力増幅器の増幅方法において、
   前記第１のハイブリッドは、
   前記高周波の入力信号を第１の出力端子から前記第２のハイブリッドを介して前記メインアンプへ向けて出力すると共に、第２の出力端子からサブアンプに向けて出力し、
   前記第１のハイブリッドの第２の出力端子から前記出力された信号が入力される前記サブアンプは、
   それが前記入力信号の平均レベルに対応する所定のレベル以下では非動作となり、前記所定のレベルよりも高くなった場合に動作して増幅した増幅信号を出力し、
   前記第１のハイブリッドの第１の出力端子からの出力が自分の第１の入力端子へ入力される第２のハイブリッドは、
   前記サブアンプから出力された前記増幅信号の一部が自分の第２の入力端子へ入力され、前記サブアンプから入力された増幅信号と前記第１のハイブリッドから入力される信号とが逆相で加算されることにより前記入力信号のレベルが前記所定のレベルを越える場合、自分の出力端子から前記メインアンプに出力信号のレベルが抑えられて出力され、
   前記第２のハイブリッドから出力される信号が入力される前記メインアンプは、入力された信号をスイッチング増幅して増幅信号を出力し、
   前記メインアンプが出力する前記増幅信号と前記サブアンプが出力する前記増幅信号とを同相で加算した合成信号を出力する
   ことを特徴とする高周波電力増幅器の増幅方法。

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