JP5833094B2

JP5833094B2 - 電力増幅装置、及び電力増幅装置の制御方法

Info

Publication number: JP5833094B2
Application number: JP2013270261A
Authority: JP
Inventors: 広務板垣; 俊弥大朏
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: JP2015126432A; US20160315586A1; EP3089359A1; WO2015098149A1; EP3089359A4; CN105850036A

Description

本発明の実施形態は、電力増幅装置、及び電力増幅装置の制御方法に関する。

従来、高効率に入力電力を増幅する電力増幅装置としては、メインアンプとピークアンプとを組み合わせたドハティアンプが用いられている。電力増幅装置を、例えば地上デジタルテレビ送信に用いる場合、用いられる地域に応じて変調方式が、ＩＳＤＢ−Ｔ,ＤＶＢ,ＡＴＳＣなどといった異なる変調方式となる。そのため、電力増幅器に必要な飽和電力レベルと平均電力レベルとの比（以下、ＰＡＲ（Ｐｅａｋ−ｔо−ＡｖｅｒａｇｅＲａｔｉｏ）という）は、上記変調方式の間では、例えば６ｄＢ〜１０ｄＢの間において異なる。

しかしながら、従来は、電力効率が最大となるＰＡＲが固定的な電力増幅装置が用いられることにより、電力効率が低下する場合があった。

特開２００７−８１８００号公報特開２０１０−３４９５４号公報特開２０１０−１１４５３９号公報

本発明が解決しようとする課題は、異なる変調方式の入力信号を増幅する場合であっても、電力効率を高く維持することができる電力増幅装置、及び電力増幅装置の制御方法を提供することである。

実施形態の電力増幅装置は、ドハティアンプと、電圧調整部と、テーブルと、中央演算処理部とを持つ。ドハティアンプは、入力信号を、メインアンプとピークアンプとによりそれぞれ増幅して増幅後の信号を合成した出力信号を出力する。電圧調整部は、メインアンプ及びピークアンプの各々にドレイン電圧とゲート電圧とを供給する。テーブルは、ドハティアンプの平均出力電力における動作に応じて求められ、入力信号の周波数、及びドハティアンプの飽和出力電力とドハティアンプの平均出力電力との比に関連づけて、ドレイン電圧とゲート電圧との電圧値情報を予め記憶する。中央演算処理部は、平均出力電力における電力効率がピークとなるドレイン電圧とゲート電圧とをテーブルが記憶する電圧値情報に基づいて設定し、この設定したドレイン電圧とゲート電圧とを、電圧調整部がメインアンプ及びピークアンプ毎に供給させる制御を行う。

実施形態の電力増幅装置１の構成を示す図。ドハティアンプを用いた電力増幅装置の電力効率を示す図。中央演算処理部２１が参照するテーブルの一例を示す図。電力増幅装置１の電力効率を示す図。

以下、実施形態の電力増幅装置を、図面を参照して説明する。図１は、実施形態の電力増幅装置１の構成を示す図である。図１に示す電力増幅装置１は、入力整合回路４、メインアンプ５、出力整合回路６、λ／４線路７、λ／４線路８、入力整合回路９、ピークアンプ１０、出力整合回路１１、入力端子１３、出力端子１４、中央演算処理部（ＣＰＵ部）２１、電圧調整回路２３（電圧調整部）、及び電圧調整回路２４（電圧調整部）を持つ。

入力端子１３に入力される入力信号２は、分岐点３を介して、入力整合回路４に入力される。入力整合回路４は、入力信号２とメインアンプ５を構成する増幅素子の入力側との整合を取る回路である。メインアンプ５は、構成する増幅素子がＡ級からＡＢ級ないしはＢ級にバイアスされるため、入力信号２の電力レベルにかかわらず、入力信号２の増幅を行って出力する。出力整合回路６は、メインアンプ５を構成する増幅素子の出力とメインアンプ５の出力との整合を取る回路である。λ／４線路７は、入力信号２が小電力レベルのとき、メインアンプ５の出力をインピーダンス変換する回路として働く。

分岐点３で分岐された入力信号２は、λ／４線路８により、位相を９０度遅らされ、入力整合回路９に入力される。入力整合回路９は、位相が９０度遅らされた入力信号２とピークアンプ１０を構成する増幅素子の入力側との整合を取る回路である。ピークアンプ１０は、構成する増幅素子がＣ級にバイアスされるため、入力信号２が小電力レベルのときは非動作状態となり、大電力レベルのときに動作状態となって入力信号２を増幅して出力する。出力整合回路１１は、ピークアンプ１０を構成する増幅素子の出力とピークアンプ１０の出力との整合を取る回路である。λ／４線路７の出力と、出力整合回路１１の出力とは、合成点１２において合成される。合成点１２において合成された信号は、出力端子１４から出力信号１５として出力される。

以上の構成を備える電力増幅装置１では、その入出力電力の特性において、入力信号２の入力電力が所定の入力電力レベルより低いときはメインアンプ５のみによってリニアな電力増幅が行われる。一方、電力増幅装置１では、その入出力電力の特性において、入力信号２の入力電力が所定の入力電力レベル以上になると、メインアンプ５に加えてピークアンプ１０によるリニアな電力増幅動作が行われる。これにより、メインアンプ５の増幅特性が飽和してもドハティアンプ全体の電力増幅特性のリニア性を維持することができる。

図２は、ドハティアンプを用いた電力増幅装置の電力効率を示す図である。図２では、横軸に出力信号１５の出力電力レベルを、縦軸に電力効率を表している。図２に示すように、出力電力レベルが飽和出力電力レベル３１の場合、メインアンプ５とピークアンプ１０とが飽和電力レベルで増幅する状態となる。この場合に電力効率３０がピークとなる。この電力効率がピークとなる点を飽和点３４とする。

一方、電力増幅装置１では、出力信号１５の出力電力レベルが飽和出力電力レベル３１から８ｄＢ低い出力電力レベル（ＰＡＲ＝８ｄＢ）では、メインアンプ５のみが飽和電力レベルで増幅する状態となり、ピークアンプ１０は増幅していない状態となる。この場合も電力効率３０はピークとなる。この電力効率がピークとなる点を飽和点３６とする。このように、図１に示す電力増幅装置１では、電力効率がピークとなる出力電力レベルが、飽和点３４と転換点３５とにおいて２箇所あるため、電力効率が高い出力電力レベルの範囲を大きくすることができる。

ところで、放送用の送信機に用いる電力増幅装置などでは、入力信号２としてデジタル変調信号を使用する際、電力増幅装置が設置される地域により、変調方式が異なるため、変調方式に応じてＰＡＲが変化する。例えば、ＰＡＲ＝８ｄＢに設定した電力増幅器を、ＰＡＲ＝６ｄＢで使用する場合、電力効率が図２で矢印の方向へ、すなわち電力効率がピークとなるポイントから低下した状態（例えば、図２に示すポイント３８）で、すなわち低効率で電力増幅装置を稼働させてしまうという問題があった。

そこで、図１に示す電力増幅装置１では、中央演算処理部２１、電圧調整回路２３、及び電圧調整回路２４を設け、ドハティアンプを構成する各アンプに印加するゲート電圧、及びドレイン電圧を、ＰＡＲ、及び入力信号の搬送波周波数に応じて、電力効率における上述の飽和点、及び転換点の位置を変化させる。
具体的には、中央演算処理部２１は、メインアンプ５を構成する増幅素子と、ピークアンプ１０を構成する増幅素子とへ、電圧調整回路２３及び電圧調整回路２４が印加する制御電圧の情報（ゲート電圧値、及びドレイン電圧値）を、例えば内蔵するテーブルを参照して、ＰＡＲと入力信号の周波数帯域とに応じて決定する。

図３は、中央演算処理部２１が参照するテーブルの一例を示す。このテーブルには、電力増幅装置１の入力信号２の周波数帯域、及びＰＡＲに関連づけて、メインアンプ５に印加するゲート電圧ＶＧＧ、ドレイン電圧ＶＤＤの電圧値情報、ピークアンプ１０に印加するゲート電圧ＶＧＧ、ドレイン電圧ＶＤＤの電圧値情報が記憶されている。
図３に示すテーブルでは、入力信号２の搬送波周波数として、周波数帯域１〜周波数帯域５（以下、１つの周波数帯域を周波数帯域ｉとする）の５つの周波数帯域が記憶されている。

例えば、入力信号２の周波数が周波数帯域１にある場合、ＰＡＲ＝６ｄＢに対応して、電圧調整回路２３がメインアンプ５のゲート端子に印加するゲート電圧ＶＧＧのレベルとしてＶ１ａ、ドレイン端子に印加するドレイン電圧ＶＤＤとしてＶ２ａが、それぞれ記憶されている。また、電圧調整回路２４がピークアンプ１０のゲート端子に印加するゲート電圧ＶＧＧのレベルとしてＶ３ａ、ドレイン端子に印加するドレイン電圧ＶＤＤとしてＶ４ａが、それぞれ記憶されている。
また、入力信号２の周波数が周波数帯域１にある場合、ＰＡＲ＝８ｄＢに対応して、電圧調整回路２３がメインアンプ５のゲート端子に印加するゲート電圧ＶＧＧのレベルとしてＶ５ａ、ドレイン端子に印加するドレイン電圧ＶＤＤとしてＶ６ａが、それぞれ記憶されている。また、電圧調整回路２４がピークアンプ１０のゲート端子に印加するゲート電圧ＶＧＧのレベルとしてＶ７ａ、ドレイン端子に印加するドレイン電圧ＶＤＤとしてＶ４８が、それぞれ記憶されている。

このように、中央演算処理装置は、入力信号２の周波数、及びドハティアンプの飽和出力電力とドハティアンプの平均出力電力との比（ＰＡＲ）に関連づけて、ドレイン電圧とゲート電圧との電圧値情報を予め記憶するテーブルを参照し、電圧調整回路２３、２４がメインアンプ５及びピークアンプ１０各々に供給するドレイン電圧とゲート電圧とを決定する。
なお、図３に示すテーブルでは、ＰＡＲ＝６ｄＢ、ＰＡＲ＝８ｄＢの場合について示しているが、このテーブルは他の変調方式、すなわちＰＡＲの値が異なる場合についても、ドレイン電圧及びゲート電圧の情報を記憶する構成としてよい。例えば、ＰＡＲ＝１０の場合について、メインアンプ５及びピークアンプ１０に印加するゲート電圧及びドレイン電圧の電圧情報を記憶する構成としてよい。

テーブルに記憶される各制御電圧の組は、実験により平均出力電力に対応して求められる。例えば、この実験は、電力増幅装置１を、例えば出力モニタ回路を出力端子１４に接続して稼働させ、メインアンプ５、及びピークアンプ１０それぞれに印加するゲート電圧ＶＧＧ、及びドレイン電圧ＶＤＤを変化させつつ、平均出力電力時の電力効率と飽和出力電力とを確認しながら、最適な制御電圧（転換点における電力効率がピークとなるゲート電圧、及びドレイン電圧）を決定する実験である。また、この実験は、図３に示すテーブルに記憶されるゲート電圧ＶＧＧ、及びドレイン電圧ＶＤＤを、入力信号２の搬送波周波数、ＰＡＲの値に対応して決定していく実験である。このような実験を、例えば電力増幅装置１の製造後に行うことにより、各制御電圧が、入力信号２の周波数帯域、及びＰＡＲに対応付けてテーブルに記憶される。なお、入力信号２の周波数帯域に対応して各制御電圧を求める理由は、入力信号２の周波数によって、飽和点、及び転換点のピークの高さが異なるためである。このように入力信号２の周波数帯域に対応付けて制御電圧を求めていくことにより、入力信号２の搬送波周波数、及びＰＡＲに応じて、電力増幅装置１を、電力効率が最適な（効率のもっとも高い）状態で、平均出力電力で稼働させることができる。

なお、テーブルに記憶された制御電圧のうち、いずれのＰＡＲに対応する制御電圧の組を用いるかは、電力増幅装置１の出荷時に、製造者が、例えば中央演算処理部２１に対して設けられた入力装置から、いずれの変調方式で稼働させるかを表す信号を入力する。これにより、中央演算処理部２１は、テーブルの中から製造者が入力したＰＡＲを記憶し、このＰＡＲに対応する制御電圧を読み出す構成としている。また、変調方式が同じ地域において、入力信号２の周波数の周波数帯域を変えて稼働させる場合、例えば電力増幅装置の設置者が、中央演算処理部２１に対して設けられた入力装置から、いずれの周波数帯域で稼働させるかを表す信号を入力する。これにより、中央演算処理部２１は、テーブルの中から設置者が入力した周波数帯域を記憶し、この周波数帯域に対応する制御電圧を読み出す構成としている。

図１に戻って、電圧調整回路２３は、供給される電源の電圧レベルを、中央演算処理部２１が決定する制御電圧のレベルに変換して、変換後のゲート電圧及びドレイン電圧を、メインアンプ５を構成する増幅素子のゲート端子、ドレイン端子へそれぞれ印加する。
電圧調整回路２４は、ドレイン電源の電圧レベルを、中央演算処理部２１が決定する制御電圧のレベルに変換して、変換後の電圧（制御電圧）を、ピークアンプ１０を構成する増幅素子のゲート端子、及びドレイン端子へ印加する。このように、実施形態の電力増幅装置１では、メインアンプ５、及びピークアンプ１０各々のゲート電圧、及びドレイン電圧を、出力信号１５の平均出力電圧レベルに応じて独立に設定することが可能な構成となっている。

続いて、電力増幅装置１を変調方式に応じて稼働させる場合について、図面を参照して説明する。図４は、図１に示す電力増幅装置１の電力効率を示す図である。図４では、横軸に出力信号１５の出力電力レベルを、縦軸に電力効率を表している。
図４に示す電力効率のうち、実線で示す電力効率８０は、電力増幅装置１のＰＡＲ＝８ｄＢにおける電力効率を示している。ＰＡＲ＝８ｄＢで動作させる場合、中央演算処理部２１は、テーブルに記憶された制御電圧の複数の組から、ＰＡＲ＝８ｄＢに対応する、一組の制御電圧値（メインアンプに印加するＶＧＧ、ＶＤＤ、ピークアンプに印加するＶＧＧ、ＶＤＤ）を読み出す。例えば、入力信号２の搬送波周波数が周波数帯域１である場合、周波数帯域１に関連付けられた制御電圧値の組のうち、ＰＡＲ＝８ｄＢに対応するメインアンプ５に印加するゲート電圧値Ｖ５ａ、ドレイン電圧Ｖ６ａ値、ピークアンプ１０に印加するゲート電圧値Ｖ７ａ、ドレイン電圧値Ｖ８ａがテーブルから読み出される。

中央演算処理部２１は、電圧調整回路２３、２４を制御して、この電圧値に相当するゲート電圧、及びドレイン電圧を、メインアンプ５、及びピークアンプ１０に印加させる。この制御電圧が印加された状態で、メインアンプ５とピークアンプ１０に印加されるドレイン電圧、及びゲート電圧が別々になるため、電力増幅装置１の電力効率は、図４における電力効率８０で示される。電力効率８０において、飽和出力電力レベル８１からバックオフ分８ｄＢ下がったポイントにおいて、電力効率８０がピークとなっている転換点８５がある。この転換点８５が電力増幅装置１のＰＡＲ＝８における平均出力電力レベル８２であるので、平均出力電力レベル８２における高効率動作が可能となっている。つまり、電力増幅装置１は、ＰＡＲ＝８ｄＢの変調方式を用いる地域において、周波数帯域１にある入力信号２を、電力効率がピークとなる転換点８５のポイントを平均出力電力としつつ、高効率で増幅することができる。

また、電力増幅装置１を変調方式の異なる地域で動作させる場合、例えばＰＡＲ＝６ｄＢで動作させる場合、中央演算処理部２１は、テーブルに記憶された制御電圧の複数の組から、ＰＡＲ＝６ｄＢに対応する、一組の制御電圧値（メインアンプに印加するＶＧＧ、ＶＤＤ、ピークアンプに印加するＶＧＧ、ＶＤＤ）を読み出す。例えば、入力信号２の搬送波周波数が周波数帯域１である場合、周波数帯域１に関連付けられた制御電圧値の組のうち、ＰＡＲ＝６ｄＢに対応するメインアンプ５に印加するゲート電圧値Ｖ１ａ、ドレイン電圧Ｖ２ａ値、ピークアンプ１０に印加するゲート電圧値Ｖ３ａ、ドレイン電圧値Ｖ４ａがテーブルから読み出される。

中央演算処理部２１は、電圧調整回路２３、２４を制御して、この電圧値に相当するゲート電圧、及びドレイン電圧を、メインアンプ５、及びピークアンプ１０に印加させる。この制御電圧が印加された状態で、メインアンプ５とピークアンプ１０に印加されるドレイン電圧、及びゲート電圧が別々になるため、電力増幅装置１の電力効率は、図４における電力効率６０で示される。電力効率６０において、飽和出力電力レベル６１からバックオフ分６ｄＢ下がったポイントにおいて、電力効率６０がピークとなっている転換点６５がある。この転換点６５が電力増幅装置１のＰＡＲ＝６における平均出力電力レベル８２であるので、平均出力電力レベル８２における高効率動作が可能となっている。つまり、電力増幅装置１は、ＰＡＲ＝６ｄＢの変調方式を用いる地域において、周波数帯域１にある入力信号２を、電力効率がピークとなる転換点６５のポイントを平均出力電力としつつ、高効率で増幅することができる。

例えば、変調方式に応じてメインアンプ５とピークアンプ１０とで個別にゲート電圧、及びドレイン電圧を印加する構成を有さない、ＰＡＲ＝８ｄＢに設定された電力増幅装置を、ＰＡＲ＝６で稼働させる場合、ＰＡＲ＝８ｄＢの電力効率８０におけるポイント８８のあたりで動作することになる。そのため、電力増幅装置は電力効率の低い状態で稼働することになってしまう。
これに対して、実施形態の電力増幅装置１では、減力動作における電力効率は、上述の様に、図４に示す電力効率６０である。そのため、転換点６５における出力電力レベルを平均出力電力レベルとして動作させることができ、電力効率の高い、すなわち高効率で増幅することができる。

また、電力増幅装置１を変調方式の異なる地域で動作させる場合、例えばＰＡＲ＝１０ｄＢで動作させる場合、中央演算処理部２１は、テーブルに記憶された制御電圧の複数の組から、ＰＡＲ＝１０ｄＢに対応する、一組の制御電圧値（メインアンプに印加するＶＧＧ、ＶＤＤ、ピークアンプに印加するＶＧＧ、ＶＤＤ）を読み出す。例えば、入力信号２の搬送波周波数が周波数帯域１である場合、周波数帯域１に関連付けられた制御電圧値の組のうち、ＰＡＲ＝１０ｄＢに対応するメインアンプ５に印加するゲート電圧値、ドレイン電圧、ピークアンプ１０に印加するゲート電圧値、ドレイン電圧値がテーブルから読み出される。

中央演算処理部２１は、電圧調整回路２３、２４を制御して、この電圧値に相当するゲート電圧、及びドレイン電圧を、メインアンプ５、及びピークアンプ１０に印加させる。この制御電圧が印加された状態で、メインアンプ５とピークアンプ１０に印加されるドレイン電圧、及びゲート電圧が別々になるため、電力増幅装置１の電力効率は、図４における電力効率１００で示される。電力効率１００において、飽和出力電力レベル１０１からバックオフ分１０ｄＢ下がったポイントにおいて、電力効率６０がピークとなっている転換点１０５がある。この転換点１０５が電力増幅装置１のＰＡＲ＝１０における平均出力電力レベル８２であるので、平均出力電力レベル８２における高効率動作が可能となっている。つまり、電力増幅装置１は、ＰＡＲ＝１０ｄＢの変調方式を用いる地域において、周波数帯域１にある入力信号２を、電力効率がピークとなる転換点１０５のポイントを平均出力電力としつつ、高効率で増幅することができる。

また、ＰＡＲ＝８ｄＢの地域において、入力信号２の搬送波周波数が周波数帯域２である場合、周波数帯域２に関連付けられた制御電圧値の組のうち、ＰＡＲ＝８ｄＢに対応するメインアンプ５に印加するゲート電圧値Ｖ５ｂ、ドレイン電圧値Ｖ６ｂ、ピークアンプ１０に印加するゲート電圧値Ｖ７ｂ、ドレイン電圧値Ｖ８ｂがテーブルから読み出される。

中央演算処理部２１は、電圧調整回路２３、２４を制御して、この電圧値に相当するゲート電圧、及びドレイン電圧を、メインアンプ５、及びピークアンプ１０に印加させる。この制御電圧が印加された状態で、メインアンプ５とピークアンプ１０に印加されるドレイン電圧、及びゲート電圧が別々になるため、電力増幅装置１の電力効率は、入力信号２の搬送波周波数に対応して、飽和出力電力レベル８１からバックオフ分８ｄＢ下がったポイントにおいて、電力効率がピークとなる転換点を持つことになる。この転換点は、電力増幅装置１のＰＡＲ＝８における平均出力電力レベルであるので、この平均出力電力における高効率動作が可能となる。つまり、電力増幅装置１は、所定の変調方式を用いる地域において、任意の周波数帯域にある入力信号２を、電力効率がピークとなる転換点のポイントを平均出力電力としつつ、高効率で増幅することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、中央演算処理部が、ドハティアンプの飽和出力電力とドハティアンプの平均出力電力との比に基づいて、電圧調整部を制御してメインアンプ及びピークアンプの各々にドレイン電圧とゲート電圧とを供給させることにより、異なる変調方式の入力信号を増幅する場合であっても、電力効率を高く維持することができる電力増幅装置、及び電力増幅装置の制御方法を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００…電力増幅装置、１…入力端子、２…入力信号、４，９…整合回路、６，１１…出力整合回路、５…メインアンプ、７，８…λ／４線路、１０…ピークアンプ、１４…出力端子、１５…出力信号、２１…中央演算処理部、２２…出力モニタ回路、２３，２４…電圧調整回路

Claims

入力信号を、メインアンプとピークアンプとによりそれぞれ増幅して増幅後の信号を合成した出力信号を出力するドハティアンプと、
前記メインアンプ及び前記ピークアンプの各々にドレイン電圧とゲート電圧とを供給する電圧調整部と、
前記ドハティアンプの平均出力電力における動作に応じて求められ、前記入力信号の周波数、及び前記ドハティアンプの飽和出力電力と前記ドハティアンプの平均出力電力との比に関連づけて、前記ドレイン電圧と前記ゲート電圧との電圧値情報を予め記憶するテーブルと、
前記平均出力電力における電力効率がピークとなる前記ドレイン電圧と前記ゲート電圧とを前記テーブルが記憶する電圧値情報に基づいて設定し、この設定した前記ドレイン電圧と前記ゲート電圧とを、前記電圧調整部が前記メインアンプ及び前記ピークアンプ毎に供給させる制御を行う中央演算処理部と、
を備える電力増幅装置。
入力信号を、メインアンプとピークアンプとによりそれぞれ増幅して増幅後の信号を合成した出力信号を出力するドハティアンプと、
前記メインアンプ及び前記ピークアンプの各々にドレイン電圧とゲート電圧とを供給する電圧調整部と、
前記ドハティアンプの平均出力電力における動作に応じて求められ、前記入力信号の周波数、及び前記ドハティアンプの飽和出力電力と前記ドハティアンプの平均出力電力との比に関連づけて、前記ドレイン電圧と前記ゲート電圧との電圧値情報を予め記憶するテーブルと、
前記電圧調整部が前記メインアンプ及び前記ピークアンプ毎に供給させる制御を行う中央演算処理部と、
を備える電力増幅装置の制御方法であって、
前記中央演算処理部が、前記平均出力電力における電力効率がピークとなる前記ドレイン電圧と前記ゲート電圧とを前記テーブルが記憶する電圧値情報に基づいて設定し、この設定した前記ドレイン電圧と前記ゲート電圧とを、前記電圧調整部が前記メインアンプ及び前記ピークアンプ毎に供給させる制御を行う、電力増幅装置の制御方法。