JP5153666B2 - フィードフォワード歪補償増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、主増幅器において発生する相互変調歪等を補償するためのフィードフォワードループを備えた歪補償増幅器に関する。

最近、携帯電話やＰＨＳ（Personal Handyphone System）等の無線移動通信システムが非常に普及してきている。このような無線移動通信システムにおいて、移動体通信用の基地局・中継局では、所定の周波数間隔を有しており、それぞれ適宜変調されている多数の搬送波を含むマルチキャリア信号を、高周波増幅した後に無線送信する。高周波増幅に用いる増幅器の線形性が十分でないと、例えば、相互変調歪等の各種の歪が発生する。

この歪は正常かつ高品質な通信を実現する上で支障となる。そのため、マルチキャリア信号の増幅に用いる増幅器に対して、マルチキャリア信号が属する周波数帯域の全体に対して、良好な線形性が要求されている。このようなマルチキャリア信号の増幅に対して超低歪増幅器を実現する手法として、フィードフォワード歪補償方式が知られている。

特許文献１は、電源投入時の消費電力を抑制して、動作を安定化することができるフィードフォワード型歪補償増幅器の制御方法を示している。

特開２００４−１２０５４５

しかし、特許文献１の従来技術においては、特に入力信号が低出力の場合において規格で定められた歪レベルの範囲で十分に効率的な増幅処理を行っていないという問題がある。

本発明は、入力信号が低出力の場合であっても、規格の歪レベルの範囲内で十分に効率的な増幅処理を行うフィードフォワード歪補償増幅器を提供することを目的とする。

課題を解決するための一実施形態は、
入力信号の利得及び位相を調整する調整部（２，３）と、
前記調整部からの出力信号を増幅する第１増幅器（４）と、
前記入力信号を遅延させる遅延部（５）と、
前記遅延部の出力と前記第１増幅器の出力を結合する結合器（６）と、
前記増幅器の歪成分を検出し、この歪成分に従って前記調整部の動作を制御する第１制御部（２０）と、
前記入力信号の大きさに応じて複数の歪レベルから一つの歪レベルを決定し、決定した歪レベルと前記検出した第１増幅器の歪成分とを比較して、比較結果に応じて前記第１増幅器の増幅率を制御する第２制御部（２２，２１，３１，３４，１１，１２，２３，２５，２４，２６）と、
を具備することを特徴とするフィードフォワード歪補償増幅器である。

入力信号が低出力状態のときでも、増幅器の最適な増幅率を実現することで、要求される歪の規格を満足しつつ、高効率化されたフィードフォワード歪補償増幅器の制御を行うことができる。

一般的なフィードフォワード歪補償増幅器の構成の一例を示す構成図。 本発明の一実施形態に係るフィードフォワード歪補償増幅器の構成の一例を示す構成図。 入力電力に対応する歪レベルをもつ歪レベルテーブルを示す説明図。 増幅器の制御のための段階的な制御電圧をもつ電圧テーブルを示す説明図。 増幅器の段階的な制御方法の一例を示すフローチャート。 歪レベルとドレイン電圧、ゲート電圧との関係をもつ電圧テーブルの一例を示す説明図。

以下、この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。
初めに、一般的なフィードフォワード歪補償増幅器の構成の一例を説明する。図１は、一般的なフィードフォワード歪補償増幅器の構成の一例を示す構成図である。

（フィードフォワード歪補償増幅器）
移動体通信用の基地局・中継局では所定の周波数間隔を有しそれぞれ適宜変調されている多数の搬送波を含むマルチキャリア信号を、高周波増幅した後に無線送信する。高周波増幅に用いる増幅器の線形線が十分良好でないと、例えば相互変調歪等、各種の歪が発生する。この歪は、正常かつ高品質な通信を実現する上で支障になる。そのため、マルチキャリア信号の増幅に用いる増幅器に対しては、マルチキャリア信号が属する周波数帯域全体に亘り、良好な線形性が要求される。マルチキャリア信号の増幅に適する超低歪増幅器を実現する手法としてフィードフォワード歪補償方式がある。

フィードフォワード歪補償増幅器Ｃは、図１に示すように、マルチキャリア信号である入力信号が入力端子を介して印加される方向性結合器１と、これに接続され入力信号を可変減衰処理する可変減衰器２と、これに接続され入力信号の移相処理を行う可変移相器３と、これに接続され入力信号の増幅処理を行う主増幅器４と、方向性結合器１に接続され入力信号の遅延処理を行う遅延部５と、主増幅器４及び遅延部５からの複数の出力を受けて信号を複数に分岐させる方向性結合器６を有している。さらに、フィードフォワード歪補償増幅器Ｃは、方向性結合器６からの信号を遅延させる遅延部１６と、この遅延信号を受ける方向性結合器１７と、方向性結合器６からの信号を受ける方向性結合器１１と、方向性結合器１１からの信号を検波する検波回路１２と、方向性結合器１１からの信号を可変減衰処理する可変減衰器１３と、可変減衰器１３からの信号の移相処理を行う可変移相器１４と、可変移相器１４に接続され入力信号の増幅処理を行う補助増幅器１５と、遅延部１６からの信号と補助増幅器１５からの信号を受ける方向性結合器１７を有している。

このような構成をもつフィードフォワード歪補償増幅器Ｃは、以下のように動作する。すなわち、入力端子ＩＮより信号が印加されると、この信号は方向性結合器１を介して可変減衰器２及び可変移相器３に入力され、制御部２０からの制御信号Ａ１及びＰ１に応じて振幅及び位相調整を受け、更に、主増幅器４により増幅される。主増幅器４により増幅された信号は、方向性結合器６及び遅延部１６を介して方向性結合器１７に入力される。

また、入力端子ＩＮから入力される信号は、方向性結合器１により２分岐される。２個の分岐は成分の周波数構成上は同じ信号であるが、本線側に供給される分岐は主増幅器４にて増幅されるのに対し、歪検出ループＬ１側に供給される分岐に係る信号は、概ねその振幅のまま方向性結合器１から遅延部５を介し方向性結合器６に供給される。遅延部５を介し方向性結合器６に供給された信号は、方向性結合器６により歪成分を含む信号と結合される。

方向性結合器６は、主増幅器４から出力され歪成分を含む信号を２分岐する。２個の分岐は成分の周波数構成上は同じ信号であり、一方の分岐は本線側に、他方の分岐は歪補償ループＬ２側に供給される。方向性結合器６は、後者の分岐に係る信号を歪補償ループＬ２に供給するに際し、この信号と遅延部５経由の信号とを結合させることにより、この信号中の搬送波成分をキャンセルし、かつこの信号から歪成分を取り出す。

この結合の結果得られた信号は、方向性結合器６から方向性結合器１１を介して、歪補償ループＬ２を構成する可変減衰器１３、可変移相器１４及び補助増幅器１５に供給され、可変減衰器１３及び可変移相器１４にて制御部２０からの制御信号Ａ２及びＰ２に応じて振幅及び位相調整を受け、補助増幅器１５により増幅され、方向性結合器１７に入力される。方向性結合器１７に入力された信号は、方向性結合器１７にて遅延部１６経由の信号と結合される。

主増幅器４の出力信号の分岐と遅延部５経由の信号とを結合させることによって搬送波成分をキャンセルし主増幅器４等で発生する歪を取り出すには、主増幅器４の出力信号の分岐に含まれている搬送波成分と、遅延部５経由の信号に含まれている搬送波成分とが、方向性結合器６おける結合時点で互いに同遅延・同振幅・逆位相でなければならない。遅延部５は搬送波成分同士を同遅延にする為の手段である。また、可変減衰器２及び可変移相器３ならびにこれらにおける制御信号Ａ１及び制御信号Ｐ１を最適な値に調整・制御する制御部２０は、搬送波成分同士を同振幅・逆位相にするための手段である。

これら、遅延部５、可変減衰器２、可変移相器３及び制御部２０は、専ら歪成分のみを含み搬送波成分を含まない信号が補助増幅器１５に供給されるように方向性結合器６の出力を調整する手段である。この具体的制御方法としては、方向性結合器１１によって可変減衰器１３へ入力される信号を分岐させこの信号を検波回路１２によって検波する。この検波信号が最小となるように、制御部２０が制御信号Ａ１及び制御信号Ｐ１によって、可変減衰器２及び可変移相器３を適切に制御することにより、専ら歪成分のみを含み搬送波成分を含まない信号を取り出すことできる。

また、遅延部１６経由の信号と補助増幅器１５経由の信号とを結合させることによって歪を補償するには、遅延部１６経由の信号中の歪成分と補助増幅器１５経由の信号中の歪成分を表す信号とが、方向性結合器１７における結合時点で互いに同遅延・同振幅・逆位相でなければならない。遅延部１６は歪成分同士を同遅延にするための手段である。制御部２０は、制御信号Ａ２及び制御信号Ｐ２によって、可変減衰器１３及び可変移相器１４を適切に制御することにより、歪成分同士を同振幅・逆位相にして、専ら歪成分のみを含み搬送波成分を含まない信号を取り出すことできる。

このようなフィードフォワード歪補償増幅器においては、通常、規定された最大出力電力時に十分に歪補償できるように主増幅器の出カバックオフを確保して設計されている。そのため、最大出力電力よりも低い出力電力の時は、主増幅器のバックオフが十分にあり歪の発生量は少ない。また補助増幅器へ入力される電力も小さくなるため、補助増幅器の出力電力も小さくなる。従って、低出力電力状態の時は、補助増幅器に要求される飽和電力も最大出力電力に比べて小さくてよい。低い出力電力の時には、主増幅器および補助増幅器は必要以上のバックオフがある状態であり、装置の消費電力という面でみると最適な状態とはいえない。

（電力値に応じて増幅率を最適化したフィードフォワード歪補償増幅器）
次に、出力電力の値に応じて増幅率を最適化することで、入力信号の電力値が低いときも高いときも満遍なく効率的な増幅処理を行うフィードフォワード歪補償増幅器を図面を用いて詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るフィードフォワード歪補償増幅器の構成の一例を示す構成図、図３は、入力電力に対応する目標歪レベルの一例を示すテーブル、図４は、段階的な制御電圧の一例をもつ電圧テーブル、図５は、増幅器の段階的な制御方法の一例を示すフローチャート、図６は、制御度数に応じた段階的な制御電圧の一例を示した電圧テーブルを示している。

すなわち、電力値に応じて増幅率を最適化したフィードフォワード歪補償増幅器Ｃ’は、図２に示すように、基本的に図１に示したフィードフォワード歪補償増幅器Ｃと共通した構成を有している。ここでは、フィードフォワード歪補償増幅器Ｃには存在しない構成のみを更に説明する。

フィードフォワード歪補償増幅器Ｃ’は、マルチキャリア信号である入力信号が入力端子を介して印加される方向性結合器２２と、方向性結合器２２からの信号を検波する検波回路２１を更に有しており、検波回路２１は検波信号を制御部２０に供給する。また、方向性結合器２２は、分岐した信号を方向性結合器１に供給する。

更に、フィードフォワード歪補償増幅器Ｃ’は、制御部２０に制御されゲート電圧を主増幅器４に供給するゲート電圧供給部２３と、制御部２０に制御されドレイン電圧を主増幅器４に供給するドレイン電圧供給部２５と、制御部２０に制御されゲート電圧を補助増幅器１５に供給するゲート電圧供給部２４と、制御部２０に制御されドレイン電圧を補助増幅器１５に供給するドレイン電圧供給部２６を更に有している。

更に、フィードフォワード歪補償増幅器Ｃ’が有する制御部２０は、検波回路２１から検波信号を受け電圧を判定する入力電圧判定部３１と、複数の電力値に対応する目標歪レベルを有する目標歪レベルテーブル３２と、複数の制御度数に応じて複数のドレイン電圧値、ゲート電圧値を有する電圧テーブル３３と、歪レベルの程度を判定する歪レベル判定部３４と、上述したゲート電圧供給部２３・ドレイン電圧供給部２５・ゲート電圧供給部２４・ドレイン電圧供給部２６を制御する電圧制御部３５を有している。

このような構成をもつフィードフォワード歪補償増幅器Ｃ’においては、入力電力を検出している検波回路２１により検出された信号と、補助増幅器の入力段にあり歪抽出に使用している検波回路１２により検出された信号（以下歪レベル）を利用し、その入力電力の大きさに適合した主増幅器および補助増幅器の動作条件を設定し、高効率化を実現している。以下に、フィードフォワード歪補償増幅器Ｃ’の動作を図５のフローチャートを用いて説明する。

入力端子ＩＮにＲＦ信号が入力され、主増幅器４の出力信号の分岐と遅延部５経由の信号とを結合させることによって搬送波成分をキャンセルし主増幅器４等で発生する歪を取り出すべく、主増幅器４の出力信号の分岐に含まれている搬送波成分と、遅延部５経由の信号に含まれている搬送波成分とが方向性結合器６おける結合時点で互いに同遅延・同振幅・逆位相に調整・制御するべく、制御信号Ａ１及び制御信号Ｐ１を制御部２０から最適な値にして可変減衰器２及び可変移相器３に供給することで、これを実現する（ステップＳ１１）。すなわち、制御部２０は、補助増幅器の入力部にある検波回路１２によって検出される電力を最小とするように、上記Ａ１、Ｐ１を最適な値に設定する。ここまでの動作は、図１のフィードフォワード歪補償増幅器Ｃと同等である。

更に、入力端子ＩＮに入力された信号は、方向性結合器２２により分岐され、検波回路２１によって入力電力を検出する。制御部２０では、図３が示す歪レベルテーブルの複数の目標歪レベルの一例から、入力電力の値に対応する、制御の目標となる歪レベルを示す目標歪レベルを決定する（ステップＳ１２）。この目標歪レベルは、制御値Ａ１、Ｐ１が最適に制御されている場合、主増幅器の歪成分のみを含み搬送波成分を含まない信号のレベルであり、つまり歪成分の大きさを表しており、一例として、図３において、入力電力が１００ｍＷのとき、その約５％である５ｍＷとする。すなわち、目標歪レベルは、主増幅器の増幅素子の特性を考慮し、最大出力時から低出力時における主増幅器の搬送波成分と歪成分の比（以下ＩＭ）がほぼ同等となるような歪電力の絶対値を表している。

そして、制御部２０は、初めに、図４の電圧テーブルにより予め定められているように、制御度数Ｚ＝１とし（ステップＳ１３）、例えば、制御度数Ｚ＝１の際の主増幅器の増幅素子に供給するドレイン電圧を一例として０．１Ｖ、ゲート電圧を０．２Ｖとして設定または変更する（ステップＳ１４）。この時の目標歪レベルとドレイン電圧、ゲート電圧の関係を図６のテーブルに示す。

制御部２０は、次に、決定された目標歪レベルと現在の検波回路２１で検出している歪レベルとを比較し、
（目標歪レベル）−（歪レベル）＜Ｘ
かどうか、すなわち、現在の歪レベルと目標歪レベルの差が、任意に定められる定数Ｘよりも大きいかどうかを判断する（ステップＳ１５）。

ここで、制御部２０は、（目標歪レベル）−（歪レベル）＜Ｘ
であると判断すれば、すなわち、現在の（歪レベル）と（目標歪レベル）の差がゼロか、Ｘの値の範囲内に収まっていると判断すれば、制御は十分行われているとして処理を終了する。もし、現在の（歪レベル）と（目標歪レベル）の差がＸの値の範囲内に収まっていないと判断すれば、制御部２０はステップＳ１６に進み、制御度数Ｚの値を一つ増加させ、例えば、Ｚ＝１からＺ＝２とし、図４の示すように、制御度数２の際の、ドレイン電圧を０．２Ｖ，ゲート電圧を０．４Ｖに変更し（ステップＳ１４）、再び、
（目標歪レベル）−（歪レベル）＜Ｘ
となるかどうかを判断する。

制御部２０はこのような処理を、（目標歪レベル）−（歪レベル）＜Ｘ
となるまで段階的に継続することで、入力電力の値に最適なドレイン電圧、ゲート電圧を主増幅器４、補助増幅器１５に供給する。

一般的に、増幅素子に供給するドレイン電圧を下げると増幅素子の出力可能な最大電力（飽和電力）は低くなり出力バックオフも小さくなるため、同じ出力電力で比較した場合、歪は大きくなる。また、ゲート電圧は、それぞれのドレイン電圧に対応してアイドリング電流が一定となるように設定されたものである。このようにドレイン電圧及びゲート電圧を段階的に変化させることにより主増幅器の歪電力を変化させ、歪レベルが目標歪レベルに最も近付くような制御をする。これにより、特に、入力電力が低い場合すなわち主増幅器の出力電力が低い場合でも、高出力電力時とほぼ一定のＩＭとなるようにすることが可能である。

また、補助増幅器に関しても、上記で決定された歪レベルに応じて、図６のようにあらかじめ設定された最適な増幅素子に供給するドレイン電圧（Ｖｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）を設定する。このドレイン電圧（Ｖｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）は、補助増幅器の増幅素子の特性を考慮し、入力される歪レベルすなわち補助増幅器への入力電力に対して必要な分だけのバックオフを考慮した値とする。

以上、本発明の一実施形態に係るフィードフォワード歪補償増幅器Ｃ’によれば、例えば低出力状態のときでも要求される歪の規格を満足させながら、増幅処理を高効率化して行うことが可能である。

以上記載した様々な実施形態は複数同時に実施することが可能であり、これらの記載により、当業者は本発明を実現することができるが、更にこれらの実施形態の様々な変形例を思いつくことが当業者によって容易であり、発明的な能力をもたなくとも様々な実施形態へと適用することが可能である。従って、本発明は、開示された原理と新規な特徴に矛盾しない広範な範囲に及ぶものであり、上述した実施形態に限定されるものではない。

Ｃ…フィードフォワード歪補償増幅器、１…方向性結合器、２…可変減衰器、３…可変移相器、４…主増幅器、５…遅延部、６…方向性結合器、１１…方向性結合器、１２…検波回路、１３…可変減衰器、１４…可変移相器、１５…補助増幅器、１６…遅延部、１７…方向性結合器、２０…制御部、２１…検波回路、２２…方向性結合器、２３…ゲート電圧供給部、２４…ゲート電圧供給部、２５…ドレイン電圧供給部、２６…ドレイン電圧供給部、３１…入力電圧判定部、３２…目標歪レベルテーブル、３３…電圧テーブル、３４…歪レベル判定部、３５…電圧制御部。

Claims (3)

1. 入力信号の利得及び位相を調整する調整部と、
   前記調整部からの出力信号を増幅する第１増幅器と、
   前記入力信号を遅延させる遅延部と、
   前記遅延部の出力と前記第１増幅器の出力を結合する結合器と、
   前記増幅器の歪成分を検出し、この歪成分に従って前記調整部の動作を制御する第１制御部と、
   前記入力信号の大きさに応じて複数の歪レベルから一つの歪レベルを決定し、決定した歪レベルと前記検出した第１増幅器の歪成分とを比較し、比較結果に応じて前記第１増幅器の増幅率を制御する第２制御部と、
   を具備することを特徴とするフィードフォワード歪補償増幅器。
2. 前記第１増幅器からの出力信号を増幅する第２増幅器を更に有し、
   前記第２制御部は、前記比較結果に応じて前記第１増幅器及び第２増幅器を制御することを特徴とする請求項１記載のフィードフォワード歪補償増幅器。
3. 前記第２制御部は、前記第１増幅器のゲート電圧及びドレイン電圧と、前記第２増幅器のゲート電圧及びドレイン電圧を、前記比較結果に従って最適化することで、前記第１増幅器及び第２増幅器を制御することを特徴とする請求項２記載のフィードフォワード歪補償増幅器。

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