(57)【要約】      （修正有）【課題】非線形増幅器における歪成分を簡単な構成で検出し、低コストおよび低消費電力で歪成分を抑制することができる高出力増幅回路を提供する。【解決手段】中心周波数が既知の入力信号を増幅して出力する非線形増幅特性を有する非線形増幅器１１と、非線形増幅器１１の出力信号から非線形増幅特性により発生する高調波成分のうち、中心周波数が入力信号の３倍の３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出回路１２と、３次高調波成分を入力し、その強度を検出して非線形増幅器１１で発生する歪成分の強度として出力する歪成分検出回路１３と、歪成分検出回路１３から出力される歪成分の強度に応じて非線形増幅器１１の入力信号を制御し、非線形増幅器１１の歪成分を抑圧する歪成分抑圧回路１４とを備える。【選択図】図１
2011109574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心周波数が既知の入力信号を増幅して出力する非線形増幅特性を有する非線形増幅器と、
前記非線形増幅器の出力信号から前記非線形増幅特性により発生する高調波成分のうち、中心周波数が前記入力信号の３倍の３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出回路と、
前記３次高調波成分を入力し、その強度を検出して前記非線形増幅器で発生する歪成分の強度として出力する歪成分検出回路と、
前記歪成分検出回路から出力される前記歪成分の強度に応じて前記非線形増幅器の入力信号を制御し、前記非線形増幅器の歪成分を抑圧する歪成分抑圧回路と
を備えたことを特徴とする高出力増幅回路。
【請求項２】
請求項１に記載の高出力増幅回路において、
前記歪成分抑圧回路は、前記歪成分の強度に応じて前記非線形増幅器の入力信号の利得を可変設定する構成である
ことを特徴とする高出力増幅回路。
【請求項３】
請求項１に記載の高出力増幅回路において、
前記歪成分抑圧回路は、前記歪成分の強度に応じて前記非線形増幅器で発生する歪の逆位相成分を注入する構成である
ことを特徴とする高出力増幅回路。
【請求項４】
請求項１に記載の高出力増幅回路において、
前記３次高調波抽出回路は、前記非線形増幅器の出力信号を基本波成分と３次高調波成分に分波する分波器である
ことを特徴とする高出力増幅回路。
【請求項５】
請求項１に記載の高出力増幅回路において、
前記歪成分検出回路と前記歪成分抑圧回路との間に、前記歪成分の強度の上限を設定するリミッタ回路を配置した構成である
ことを特徴とする高出力増幅回路。
【請求項６】
請求項１に記載の高出力増幅回路において、
前記歪成分検出回路と前記歪成分抑圧回路との間に、前記歪成分の強度に含まれる雑音成分を除去するローパスフィルタを配置した構成である
ことを特徴とする高出力増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信用機器などに用いられ、特に高効率および高線形性を有する高出力増幅回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、無線通信用機器などの分野で、高周波電力増幅に用いられる高出力増幅回路においては、高効率と高線形性を同時に達成するためにフィードバック型（非特許文献１、非特許文献２）や、プリディストーション型（非特許文献３、非特許文献４）の歪補償回路が導入されているものがある。
【０００３】
図５は、従来の高出力増幅回路の構成例を示す。
図５において、従来の高出力増幅回路は、非線形増幅器１１の入力信号と出力信号を結合器２１−１，２１−２で分岐して検波器２２−１，２２−２にそれぞれ入力し、各２２−１，２２−２でそれぞれ検出される包絡線電力を比較器２３で比較する。比較器２３の出力は、非線形増幅器１１で発生した歪成分の強度に対応するので、その歪成分の強度に応じて非線形増幅器１１の前段に配置した歪成分抑圧回路１４を制御して非線形増幅器１１の非線形特性を補償し、適応的に歪成分を抑制する構成である。
【０００４】
なお、非線形増幅器１１は、飽和領域の前段で入出力特性が抑圧された状態になり、それが歪成分として検出される。したがって、検出される歪成分の強度が大きい場合に、歪成分抑圧回路１４として用いる可変利得増幅器の利得を大きくすることにより、非線形増幅器１１が飽和領域に入るまで入出力特性の線形性を維持し、飽和領域付近で低歪動作させて高効率化を実現する。
【０００５】
また、歪成分抑圧回路１４として歪入力回路を用いるプリディストーション型歪補償回路では、非線形増幅器１１の入力信号に歪の逆位相成分を注入することで歪成分を抑制する構成であり、歪成分の強度に応じて注入する歪の逆位相成分を調整することにより歪成分を抑制する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Arthanayake, et. al.,“Linear amplification using envelope feedback, ” IEEE Electronics Letters, vol.7, pp.145-146, April, 1971
【非特許文献２】小杉裕昭, 他, “包絡線フィードバック制御を用いた高効率線形電力増幅器, ”電子情報通信学会論文誌 C-I, vol. J76-C-I, no.11, pp.407-413, 1993
【非特許文献３】安達誠幸, 他, “アナログプリディストーションを用いた７ＧHz帯電力増幅器の開発, ”日本無線技報, No.51, 2006
【非特許文献４】J. Kathleen, et. al., “Look-Up Table Techniques for Adaptive Digital Predistortion: A Development and Comparison,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol.49, no.5, Sep., 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の高出力増幅回路は、歪成分の強度を検出するために、非線形増幅器の前後に配置する結合器を介して入力信号および出力信号を取り出し、それぞれの包絡線電力を比較する構成になっていた。すなわち、２組の結合器および検波器を用意する必要があるため、高出力増幅回路の回路規模が増大し、高コスト化や消費電力の増加をもたらす問題があった。
【０００８】
本発明は、非線形増幅器における歪成分を簡単な構成で検出し、低コストおよび低消費電力で歪成分を抑制することができる高出力増幅回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の高出力増幅回路は、中心周波数が既知の入力信号を増幅して出力する非線形増幅特性を有する非線形増幅器と、非線形増幅器の出力信号から非線形増幅特性により発生する高調波成分のうち、中心周波数が入力信号の３倍の３次高調波成分を抽出する３次高調波抽出回路と、３次高調波成分を入力し、その強度を検出して非線形増幅器で発生する歪成分の強度として出力する歪成分検出回路と、歪成分検出回路から出力される歪成分の強度に応じて非線形増幅器の入力信号を制御し、非線形増幅器の歪成分を抑圧する歪成分抑圧回路とを備える。
【００１０】
歪成分抑圧回路は、歪成分の強度に応じて非線形増幅器の入力信号の利得を可変設定する構成である。また、歪成分抑圧回路は、歪成分の強度に応じて非線形増幅器で発生する歪の逆位相成分を注入する構成である。
【００１１】
３次高調波抽出回路は、非線形増幅器の出力信号を基本波成分と３次高調波成分に分波する分波器である。
【００１２】
歪成分検出回路と歪成分抑圧回路との間に、歪成分の強度の上限を設定するリミッタ回路を配置した構成としてもよい。また、歪成分検出回路と歪成分抑圧回路との間に、歪成分の強度に含まれる雑音成分を除去するローパスフィルタを配置した構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の高出力増幅回路は、非線形増幅器の出力信号から非線形増幅器で発生した３次高調波成分を抽出することで容易に歪成分を検出し、この歪成分の強度に応じて歪成分抑圧回路を制御することができる。これにより、回路規模が小さく、低コストおよび低消費電力の高出力増幅回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の高出力増幅回路の実施例１の構成例を示す図である。
【図２】非線形増幅器１１の出力信号の周波数スペクトルを示す図である。
【図３】本発明の高出力増幅回路の実施例２の構成例を示す図である。
【図４】本発明の高出力増幅回路の実施例３の構成例を示す図である。
【図５】従来の高出力増幅回路の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の高出力増幅回路の実施例１の構成例を示す。
図１(1) において、実施例１の高出力増幅回路は、非線形増幅器１１の前段に歪成分抑圧回路１４を配置し、後段に３次高調波抽出回路１２を配置し、３次高調波抽出回路１２で非線形増幅器１１の出力信号から３次高調波成分を抽出して歪成分検出回路１３に入力する。歪成分検出回路１３は３次高調波成分の強度を検出し、非線形増幅器１１の出力信号の歪成分の強度として歪成分抑圧回路１４に入力する。
【００１６】
歪成分抑圧回路１４は、具体的には図１(2) に示す可変利得増幅器１５または図１(3) に示す歪入力回路１６で対応することができる。可変利得増幅器１５は３次高調波成分から検出される歪成分の強度に応じて、非線形増幅器１１の入力信号の利得を制御する構成であり、歪入力回路１６は３次高調波成分から検出される歪成分の強度に応じて、非線形増幅器１１の入力信号に歪の逆位相成分を注入する構成であり、いずれも従来のものと同じ機能を有する。
【００１７】
本実施例の特徴は、非線形増幅器１１の出力信号から抽出した３次高調波成分から非線形増幅器１１の歪成分の強度を検出し、その歪成分の強度に応じて歪成分抑圧回路１４を制御するところにある。従来の高出力増幅回路が非線形増幅器１１の前後に結合器を配置し、それぞれ分岐した入力信号と出力信号の包絡線強度を比較して歪成分の強度を検出する構成であったのに対して、本実施例では、非線形増幅器１１の後段に配置した３次高調波抽出回路１２で抽出した３次高調波成分から歪成分の強度を検出する構成であり、回路規模の縮小が可能になっている。
【００１８】
以下、非線形増幅器１１の出力信号の３次高調波成分から歪成分の強度を推定できる原理について説明する。
【００１９】
非線形増幅器１１の簡単な入出力特性は、入力信号をＸ、出力信号をＹ、非線形増幅器１１の固有値をa1，a2，a3とすると、以下の多項式で近似的に表記できる。
Ｙ＝a1Ｘ＋a2Ｘ2＋a3Ｘ3 
【００２０】
ここで、入力信号Ｘとして変調信号を模擬したツートーン信号を仮定し、振幅をＡ、角周波数をω1 ，ω2 （ω1 ＜ω2 ）とすると、
Ｘ＝Ａcos(ω1t)＋Ａcos(ω2t)
となり、出力信号Ｙは発生する周波数成分ごとに分けて表記すると、
Ｙ＝a2Ａ2＋a2Ａ2cos(ω2−ω1)                          …ＤＣ成分
＋(a1Ａ＋(9/4)a3Ａ3)(cos(ω1t)＋cos(ω2t)) 
＋(3/4)a3Ａ3(cos(2ω1−ω2)t＋cos(2ω2−ω1)t)     …基本波成分
＋(1/2)a2Ａ2(cos(2ω1t)＋cos(2ω2t))
＋a2Ａ2cos(ω1＋ω2)t                              …２次高調波成分
＋(1/4)a3Ａ3(cos(3ω1t)＋cos(3ω2t)) 
＋(3/4)a3Ａ3(cos(2ω1＋ω2)t＋cos(2ω2＋ω1)t)     …３次高調波成分
となる。
【００２１】
非線形増幅器１１の出力信号の周波数スペクトルを図２に示す。所望信号１０１の周辺に発生する歪成分１０２が抑制すべき信号である。この歪成分１０２は、３次高調波成分１０３と同じ周波数間隔および同じ強度比をもった信号である。このため、非線形増幅器１１の出力信号Ｙから３次高調波成分のみを抽出し、その強度から歪成分１０２の強度に比例する値を検出することができる。なお、３次高調波成分の強度は、基本波成分に発生する歪成分の強度よりも１／３程度低い値を示す。
【００２２】
なお、３次高調波成分には、
(1/4)a3Ａ3(cos(3ω1t)＋cos(3ω2t)) 
および
(3/4)a3Ａ3(cos(2ω1＋ω2)t＋cos(2ω2＋ω1)t) 
で示される成分が存在するが、これらの中心周波数は入力信号Ｘの中心周波数(ω1＋ω2)／２の３倍の周波数に相当する。したがって、入力信号Ｘの中心周波数が既知であるとき、３次高調波抽出回路１２の３次高調波成分を分波するポートの透過中心周波数を入力信号Ｘの中心周波数の３倍に設定し、基本波および２次高調波が透過しないように帯域幅を設定すれば、効率よく３次高調波成分を分波することができる。
【００２３】
３次高調波抽出回路１２は、電力分配器または結合器などの分岐手段で非線形増幅器１１の出力信号を分岐し、分岐した出力信号からバンドパスフィルタやハイパスフィルタなどをフィルタ手段で３次高調波成分を抽出する構成により実現可能である。
【００２４】
また、３次高調波抽出回路１２は、非線形増幅器１１の出力信号を基本波成分と３次高調波成分に分波する分波器を用い、基本波成分を高出力増幅回路の出力とするとともに、３次高調波成分を歪成分検出回路１３に入力する構成としてもよい。このような分波器は、２つの出力ポートの一方が３次高調波成分に対して低インピーダンス（基本波成分および２次高調波成分に対して高インピーダンス）、他方が３次高調波成分に対して高インピーダンス（基本波成分に対して低インピーダンス）となるように設計されたものを用いる。
【実施例２】
【００２５】
図３は、本発明の高出力増幅回路の実施例２の構成例を示す。
図３において、実施例２の高出力増幅回路は、非線形増幅器１１の前段に歪成分抑圧回路１４（可変利得増幅器１５）を配置し、後段に３次高調波抽出回路１２を配置し、３次高調波抽出回路１２で非線形増幅器１１の出力信号から３次高調波成分を抽出して歪成分検出回路１３に入力する。歪成分検出回路１３は３次高調波成分の強度を検出し、非線形増幅器１１の出力信号の歪成分の強度としてリミッタ回路１７を介して歪成分抑圧回路１４（可変利得増幅器１５）に入力する。
【００２６】
歪成分抑圧回路１４として用いる可変利得増幅器１５は、非線形増幅器１１の入力信号の利得を上げることにより非線形増幅器１１が飽和領域に入るまで入出力特性の線形性を維持し、歪成分を抑制する構成である。しかし、歪成分検出回路１３で検出される３次高調波成分（歪成分）の強度が大きい場合に、可変利得増幅器１５の利得を大きくすると非線形増幅器１１が飽和領域に入る可能性がある。この場合、発生する歪成分が増加し、さらに可変利得増幅器１５の利得を大きくしようとする発振状態になる可能性がある。そこで、実施例２では歪成分検出回路１３と可変利得増幅器１５との間にリミッタ回路１７を配置し、可変利得増幅器１５に入力する歪成分の強度に上限を設定する。これにより、非線形増幅器１１が飽和領域に入ることを防ぎ、安定して歪成分を抑制する制御を行うことができる。
【実施例３】
【００２７】
図４は、本発明の高出力増幅回路の実施例３の構成例を示す。
図４において、実施例３の高出力増幅回路は、非線形増幅器１１の前段に歪成分抑圧回路１４（可変利得増幅器１５または歪入力回路１６）を配置し、後段に３次高調波抽出回路１２を配置し、３次高調波抽出回路１２で非線形増幅器１１の出力信号から３次高調波成分を抽出して歪成分検出回路１３に入力する。歪成分検出回路１３は３次高調波成分の強度を検出し、非線形増幅器１１の出力信号の歪成分の強度としてローパスフィルタ（ＬＰＦ）１８を介して歪成分抑圧回路１４に入力する。
【００２８】
３次高調波成分を抽出するステップでは、予期しない雑音が外部から入る可能性がある。歪成分検出回路１３は、３次高調波成分と雑音成分を合せて歪成分の強度として出力すると、歪成分抑圧回路１４で正しい歪成分抑圧処理ができない可能性がある。そこで、実施例３では歪成分検出回路１３と歪成分抑圧回路１４との間にローパスフィルタ１８を配置し、歪成分抑圧回路１４に入力する歪成分の強度に雑音成分が含まれないようにする。これにより、歪成分抑圧回路１４が雑音に影響されずに安定して歪成分を抑制する制御を行うことができる。なお、ローパスフィルタ１８の帯域は、所望信号帯域の３倍程度あれば十分である。
【符号の説明】
【００２９】
１１  非線形増幅器
１２  ３次高調波抽出回路
１３  歪成分検出回路
１４  歪成分抑圧回路
１５  可変利得増幅器
１６  歪入力回路
１７  リミッタ回路
１８  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２１  結合器
２２  検波器
２３  比較器
【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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