(57)【要約】  無線周波電力増幅器（１０）は、直列に結合され、一方がＦ級で動作し、他方が逆Ｆ級で動作する第１及び第２の増幅段（１５，１７）と、入力信号のエンベロープを検出するエンベロープ検出器（１３）と、電気的供給電圧を第１及び第２の増幅段（１５，１７）に供給するよう結合された電源（１９）とを有し、入力信号のエンベロープに追従するように電気的供給電圧が制御される。このような増幅器は、入力信号に無関係に第１及び第２の増幅段（１５，１７）のＦ級、逆Ｆ級動作を維持することを可能にする。好ましくは、これは、第１及び第２の増幅段の飽和レベルが入力信号のエンベロープに追従するように電気的供給電圧を制御することにより行われる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波入力信号を受ける入力と、
直列に結合され、一方がＦ級で動作し、他方が逆Ｆ級で動作する第１及び第２の増幅段と、
前記入力信号のエンベロープを検出するエンベロープ検出器と、
前記入力信号のエンベロープに追従するように制御された電気的供給電圧を前記第１及び第２の増幅段に供給するよう結合された電源とを備えた無線周波電力増幅器。
【請求項２】
前記第１及び第２の増幅段のＦ級、逆Ｆ級動作を維持するために、前記入力信号のエンベロープに追従するように前記電気的供給電圧が制御される、請求項１に記載の無線周波電力増幅器。
【請求項３】
前記第１及び第２の増幅段の飽和レベルが前記入力信号のエンベロープに追従するように前記電気的供給電圧が制御される、請求項１に記載の無線周波電力増幅器。
【請求項４】
前記第１の増幅段がＦ級で動作し、前記第２の増幅段が逆Ｆ級で動作する、請求項１に記載の無線周波電力増幅器。
【請求項５】
無線周波入力信号を受ける入力と、直列に結合され、一方がＦ級で動作し、他方が逆Ｆ級で動作する第１及び第２の増幅段と、電気的供給電圧を前記第１及び第２の増幅段に供給するよう結合された電源とを有する無線周波電力増幅器の動作方法であって、
前記入力信号のエンベロープを検出し、
前記入力信号のエンベロープに追従するように前記供給電圧を制御する方法。
【請求項６】
前記第１及び第２の増幅段のＦ級、逆Ｆ級動作を維持するために、前記入力信号のエンベロープに追従するように前記電気的供給電圧が制御される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１及び第２の増幅段の飽和レベルが前記入力信号のエンベロープに追従するように前記電気的供給電圧が制御される、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の増幅段がＦ級で動作し、前記第２の増幅段が逆Ｆ級で動作する、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列に接続され、一方がＦ級、他方が逆Ｆ級で動作する、Ｆ級及び逆Ｆ級増幅段を用いた無線周波電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような無線周波電力増幅器は、電力効率が高いのでよく用いられる。Ｆ級動作では、複数増幅段をスイッチング増幅器として動作させ、この時、増幅段及び/又はその素子が飽和状態又はこれに近い状態で駆動される。これは、搬送波及び情報を搬送する側波帯において高調波歪みを生じさせる。この高調波歪みは、高調波トラップとも呼ばれるフィルタにより除去することができる。
【０００３】
ドレイン波形を形成するために高調波共振器を出力ネットワーク内で用いることにより、Ｆ級は効率と出力を増強する。電圧波形は一つ又は複数の奇数高調波と略矩形波を含み、一方、電流は偶数高調波と略半サイン波を含む。これとは異なり、逆Ｆ級では、電圧は半サイン波であり、電流は矩形波とすることができる。高調波数が増えると、理想電力増幅器の効率が５０％（Ａ級）から１（Ｄ級）に向かい、利用率が１/８（Ａ級）から１/２π（Ｄ級）に向かう。トランジスタの電流源動作により、原理的には、必要な高調波を形成することができる。しかし、実際には、ＲＦサイクルの一部分で飽和状態になるようにトランジスタが駆動され、飽和するＣ級の自己調整動作に似た自己調整動作より高調波が形成される。高調波の電圧を用いるには、ドレインを高インピーダンス（実際には、典型的には、負荷インピーダンスの約３乃至１０倍）とすることが必要であり、一方、高調波の電流を用いるには、低インピーダンス（実際には、典型的には、負荷インピーダンスの約１/３乃至１/１０）とすることが必要である。他の増幅器に比べて、Ｆ級は更に複雑な出力フィルタを必要とし、僅かな特定の周波数でインピーダンスが正しくなければならない。集中定数素子によるトラップがより低い周波数で用いられ、伝送線がマイクロ波周波数で用いられる。典型的には、ドレインから１/４又は１/２波長離れた所に短絡スタブが設けられる。異なる高調波に対して複数のスタブが互いに作用しあい、ドレイン・キャパシタンスとボンディングワイヤ・インダクタンスの前に「仮想ドレイン」で開放又は短絡が起きなくてはいけないので、適切なネットワークを実装することは芸術的な感がある。それにも係わらず、Ｆ級増幅器はＭＦからＫａ帯までに正しく実装される。
【０００４】
Ｃ級，Ｅ級及びＦ級の間では多様な態様の動作が可能である。可能な最大効率は高調波数により異なる（１乃至５高調波では、各々、０．５、０．７０７、０．８１６５、０．８６５６、０．９０４５）。利用率は、高調波インピーダンスにより異なり、理想Ｆ級動作で最も高い。
【０００５】
Ｆ級動作は高調波インピーダンスに関して特定され、従って、伝送線ネットワークが如何に用いられるか見るのが比較的簡単である。ドレイン・キャパシタンス、ボンディングワイヤリード・インダクタンス等の一組の寄生要素により出力ネットワークから切り離される仮想理想ドレインで、必要なインピーダンスが形成されなければならない。典型的には、ドレインと負荷の間の伝送線が基本周波数ドレイン・インピーダンスの所望値をもたらす。注目される高調波で１/４波長であり、一端で開放されているスタブが他端で短絡状態をもたらす。ドレインから１/４又は１/２の波長に在る主伝送線に沿ってスタブが設けられ、ドレインを開放又は短絡状態とする。電源端を迂回する１/２波長線を介して、又は、集中定数素子によるチョークにより電源電圧がドレインに供給される。多くのスタブが用いられる場合は、最も高次に制御された高調波のためのスタブがドレインの最も近くに設けられる。低次高調波のためのスタブは徐々に離され、互いに作用するように、それらスタブの長さとインピーダンスが調整される。「開放」は比較的高インピーダンスを意味し、典型的には、基本周波数インピーダンスの３乃至１０倍であり、「短絡」は比較的低インピーダンスを意味し、典型的には、基本周波数インピーダンスの１/１０乃至１/３以下である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ｆ級増幅器は、通常、非常に効率の良いＲＦ増幅器と考えられ、非線形動作により生じた高調波を適切に終端（開放又は短絡）させる高調波トラップ（Ｌ−Ｃフィルタ又は１/４波長伝送線）を用いて高能率が達成される。理想としては、矩形波ドレイン電圧と、このドレイン電圧と位相が１８０度ずれているピーク半正弦波ドレイン電流が形成される。このような理想状態では、如何なる時間においても、ドレイン電圧又はドレイン電流のみが存在し、増幅器の電力消費がゼロで、理論的には効率１００％となる。実際には、効率はもっと低い。このように、効率が非常に高いと、通常、線形性が良くない。
【０００７】
一方、線形電力増幅器は、歪みは少ないが、エネルギ効率が比較的低い。エネルギ効率が悪いと、動作コストに直接影響し、そして、基地局送信機に発熱の問題を生じさせ、さらには、移動局送信機のバッテリ寿命を短くさせる。従って、線形性と効率との間で妥協が電力増幅器設計者に強いられる。
【０００８】
逆Ｆ級動作の欠点は、高能率動作が維持される、非線形のあるレベルでの飽和状態に近いダイナミックレンジが狭いことである。ＧａＡｓＦＥＴ、ＬＤＭＯＳＴ素子等の電界効果トランジスタ等の電圧制御素子を用いた増幅器段の場合は、理想入力信号は矩形電圧波形で、バイポーラ・ジャンクション・トランジスタ（ＢＪＴｓ）等の電流制御素子では、逆Ｆ級のための必要な矩形出力電流波形を形成する矩形入力電流を必要とする。
【０００９】
入力信号の幅広いダイナミックレンジでの逆Ｆ級動作を導入する上での主な欠点は、電力レベルに無関係な入力信号電圧/電流の必要な波形を維持することにある。高能率並びに所望の出力電圧波形を得るためには、入力信号のＲＦ搬送波に所望の高調波が存在することが必須となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、無線周波入力信号を受ける入力と、直列に結合され、一方がＦ級で動作し、他方が逆Ｆ級で動作する第１及び第２の増幅段と、前記入力信号のエンベロープを検出するエンベロープ検出器と、前記入力信号のエンベロープに追従するように制御された電気的供給電圧を前記第１及び第２の増幅段に供給するよう結合された電源とを備えた無線周波電力増幅器を提供することにより上記問題を解決する。
【００１１】
このような無線周波増幅器は、入力信号に無関係に第１及び第２の増幅段のＦ級、逆Ｆ級動作を維持することを可能にする。好ましくは、これは、第１及び第２の増幅段の飽和レベルが入力信号のエンベロープに追従するように電気的供給電圧を制御することにより行われる。
【００１２】
本発明が、添付図面を参照しながら説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１の無線周波（ＲＦ）電力増幅器１０は、例えば、搬送周波数ｆ０を有する信号で振幅変調された信号である無線周波入力信号を受信する入力１１を有する。ＲＦカプラ１２が入力信号をセンスし、入力信号に比例した信号をエンベロープ検出器１３に与える。エンベロープ検出器１３は入力信号のエンベロープを検出する。入力信号は、遅延線１４を介して、第１の増幅段１５に与えられる。ドレイン電圧として示されている第１の増幅段１５の出力がＦ級中間段高調波マッチングフィルタ１６に与えられ、マッチングフィルタ１６の出力が第２の増幅段１７に与えられる。第１、第２の増幅段は、各々、単一の電界効果トランジスタとして示されているが、両者とも、通常は、示されている以上に複雑である。これもドレイン電圧として示されている第２の増幅段１６の出力が逆Ｆ級出力高調波マッチングフィルタ１８に与えられる。逆Ｆ級出力高調波マッチングフィルタ１８の出力は電力増幅器１０の出力としてとらえられ、例えば、伝送アンテナに送出されることができる。第１、第２の増幅段１５，１７は電源１９から供給電圧を受け取り、電源１９は、エンベロープ検出器１３に結合されて、入力信号の検出されたエンベロープを検出する。
【００１４】
図１の無線周波電力増幅器１０は振幅変調されたＲＦ信号を受信し、増幅する。図２に示されているのは、搬送波周波数ｆ０を有するＲＦ信号の周波数スペクトラムであり、図３には、如何にＲＦ搬送信号が変化するかが示されている。説明のために、振幅がａからｂを介してｃに増加している。図４は、検出されたエンベロープ信号Ｖｅｎｖを示しており、これは電源１９に与えられる。電源１９は、入力信号のエンベロープに追従する供給電圧を第１、第２の増幅段１５，１７に与える。
【００１５】
第１の増幅段１５はＦ級で動作する駆動段であり、これは、増幅段１５が「オフ」状態又は「オン」状態である飽和状態のいずれかに駆動されるスイッチのように機能することを意味する。入力信号のエンベロープに追従するように第１の増幅段１５への供給電圧を制御することにより、入力信号の瞬間的な振幅に無関係に、いつでもＦ級動作が維持できる。図６に示されているのは、図４のエンベロープ信号のレベルａ、ｂ、ｃに対応する三つの負荷線ａ、ｂ、ｃであり、図７に示されているのは、第１の増幅段の対応する出力電圧ＶＤ及び出力電流ＩＤである。第１の増幅段１５からの出力電圧ＶＤにおいては、基本高調波及び３次高調波がほとんどであり、出力電圧ＶＤは略矩形波である。
【００１６】
第１の増幅段１５からの出力電圧ＶＤはＦ級中間段高調波マッチングフィルタ１６に与えられ、このフィルタ１６は、理想的には、搬送周波数ｆ０の偶数高調波に対して短絡（低インピーダンス）となり、搬送周波数ｆ０の奇数高調波に対して開放（高インピーダンス）となる。実際には、２次、３次高調波２ｆ０、３ｆ０等の限られた数の低次高調波のみを取り扱うように、Ｆ級中間段高調波マッチングフィルタ１６が設計される。さらに、Ｆ級中間段高調波マッチングフィルタ１６はｆ０のインピーダンス・トランスフォーマとしても機能する。これは、一塊の素子でも良いし、又は、その出力に略矩形電圧波形をもたらすために基本波高調波ｆ０及びすべての高次高調波を含む所望の周波数帯に一定の群遅延を与える分配伝送線インピーダンス・トランスフォーマでも良い。Ｆ級中間段高調波マッチングフィルタ１６、さらに、基本信号のすべての偶数電流高調波２ｆ０、４ｆ０等を最大にし、そして、すべての奇数電圧高調波３ｆ０、５ｆ０等を最大にすることにより、第１の増幅段１５のＦ級動作条件を与える。
【００１７】
第２の増幅段１７は逆Ｆ級で動作する電力出力段である。Ｆ級中間段高調波マッチングフィルタ１６からの略矩形波信号が第２の増幅段１７の入力として用いられる。この信号が図１１及び１２に示されており、高調波の内容が示されている。図１３，１４，及び１５に示されている第２の増幅段１７からの出力信号が逆Ｆ級出力高調波マッチングフィルタ１８により濾波され、逆Ｆ級出力高調波マッチングフィルタ１８は、理想的には、基本周波数ｆ０のすべての偶数高調波に対して短絡（高インピーダンス）となり、基本周波数ｆ０のすべての奇数高調波に対して開放（低インピーダンス）となる。ここでも、また、２次、３次高調波２ｆ０、３ｆ０等の限られた数の低次高調波のみが取り扱われる。高調波マッチングフィルタ１８は、基本信号のすべての偶数電圧高調波２ｆ０、４ｆ０等を最大にし、そして、すべての奇数電流高調波３ｆ０、５ｆ０等を最大にすることにより、第２の増幅段１７の逆Ｆ級動作条件を与える、出力インピーダンス・トランスフォーマである。
【００１８】
結果としての出力信号は、図５に示される入力信号のレプリカであり、そして、この発明の増幅器によりダイナミックレンジが拡大される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態を概略的に示す図である。
【図２】無線周波搬送波信号の周波数スペクトラムを示す図である。
【図３】振幅が増加した無線周波搬送波入力信号を示す図である。
【図４】図３の搬送波信号のエンベロープを示す図である。
【図５】図１の電力増幅器の出力信号を示す図である。
【図６】図３の入力信号のための図１の第１増幅段の負荷線を示す図である。
【図７】図３の入力信号のための図１のＦ級で動作する第１増幅段の出力電圧、出力電流を示す図である。
【図８】図７の出力電圧の周波数スペクトラムを示す図である。
【図９】第１増幅段の基本波及び３次高調波の出力電圧波形を示す図である。
【図１０】第１増幅段の出力電圧、出力電流を示す図である。
【図１１】第２増幅段の入力電圧を示す図である。
【図１２】第２増幅段の入力電圧の周波数スペクトラムを示す図である。
【図１３】第２増幅段の出力波形を示す図である。
【図１４】第２増幅段の基本波及び２次高調波の出力電圧波形を示す図である。
【図１５】第２増幅段の出力電圧、出力電流を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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