(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電力増幅器を有する電力増幅装置であって、
前記電力増幅器はそれぞれ、
可変減衰部と可変位相部と増幅部を有する第１経路と、
あらかじめ定めた範囲の特性を有する第２経路と、
入力信号を２つに分け、一方を前記第１経路に、他方を前記第２経路に分配する分配部と、
前記第１経路の出力の一部を前記第２経路の出力と合成して合成信号を生成する方向性結合部と、
前記合成信号が小さくなるように前記可変減衰部と前記可変位相部を制御する制御部と
を備え、
前記第１経路の出力の前記一部以外を前記電力増幅器の出力とする
ことを特徴とする電力増幅装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力増幅装置であって、
すべての前記電力増幅器の前記合成信号の強度を監視する共通制御部も
備える電力増幅装置。
【請求項３】
請求項１記載の電力増幅装置であって、
あらかじめ定めた周波数成分を有するパイロット信号を、前記分配部の入力側に入力するパイロット信号供給部も備え、
前記制御部は、前記合成信号中のパイロット信号の成分が小さくなるように前記可変減衰部と前記可変位相部を制御する
ことを特徴とする電力増幅装置。
【請求項４】
請求項３記載の電力増幅装置であって、
すべての前記電力増幅器の前記合成信号中のパイロット信号の成分の強度を監視する共通制御部も
備える電力増幅装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の電力増幅装置であって、
前記第２経路は、遅延線路で構成されており、
前記あらかじめ定めた範囲の特性は、当該電力増幅装置の出力を入力とするアレイアンテナのビーム幅とビーム方向制御に求められる精度から決められている
ことを特徴とする電力増幅装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の電力増幅装置であって、
前記第２経路は、遅延等化器を有し、
前記あらかじめ定めた範囲の特性は、当該電力増幅装置の出力を入力とするアレイアンテナのビーム幅とビーム方向制御に求められる精度から決められている
ことを特徴とする電力増幅装置。
【請求項７】
複数の電力増幅器を用いた電力増幅方法であって、
前記電力増幅器はそれぞれ、
可変減衰部と可変位相部と増幅部を有す第１経路と、
あらかじめ定めた範囲の特性を有する第２経路と、
入力信号を２つに分け、一方を前記第１経路に、他方を前記第２経路に分配する分配部と、
前記第１経路の出力の一部を前記第２経路の出力と合成して合成信号を生成する方向性結合部と
を備え、
すべての前記電力増幅器において、前記合成信号が小さくなるように前記可変減衰部と前記可変位相部を制御し、
前記第１経路の出力の前記一部以外を前記電力増幅器の出力とする
ことを特徴とする電力増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の電力増幅器を備えた電力増幅装置と電力増幅方法に関し、特にアレイアンテナ用の電力増幅装置と電力増幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アンテナ素子と増幅器を一体化したアクティブアンテナとして、非特許文献１の技術が知られている。通信装置は一般にアンテナと送受信機を個別に構成し、ＲＦケーブルにてアンテナと送受信機を接続している。レーダー技術の進展にともない、多数のアンテナ素子を周期配置したアレイアンテナが実用化されている。アレイアンテナを構成するアンテナ素子は電力合成器でトーナメント合成され、送受信機にＲＦケーブルにて接続される。そして、アレイアンテナで形成するビームを多数の目標に向ける場合、アンテナ素子に給電する信号の位相を制御する。この構成では、アンテナと送受信機は別の装置であり、一体構成されていなかった。アクティブアンテナは、アンテナと電力増幅器を一体化した回路であり、アンテナと電力増幅器の段間整合回路を不要にできること、集積化が可能であるなどの利点がある。
【０００３】
また、アクティブアンテナではないが、複数の電力増幅器を有し、各電力増幅器の入出力特性と遅延特性を高い精度で実現する電力増幅装置として、フィードフォワード構成を適用したマルチポート増幅装置がある（特許文献１，特許文献２）。この電力増幅装置であれば、複数の電力増幅器の入出力特性と遅延特性を均一化しやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１３５１２４号公報
【特許文献２】国際公開第２００１／０２２５７４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】K. Chang, R. A. York, P. S. hall, and T. Itoh, “Active integrated antennas,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique, vol. 50, no. 3, pp. 937-644, March 2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１のようなアクティブアンテナでは、必要な動作帯域幅の確保と低消費電力化の観点から、レーダー技術を応用した高効率広帯域増幅器が使用されている。このため、ビーム幅ならびにビーム方向制御を設計値どおり動作させるために、複数の高効率広帯域増幅器の入出力特性と遅延特性を所定の範囲に確保する必要がある。そして、この要求を満足させるために、製造段階にて回路調整を行い、かつアクティブアンテナ入力信号の振幅と位相を微調整する調整回路を設けている。このように、ビーム幅とビーム方向制御を高精度に行うことは難しいという課題がある。
【０００７】
一方、特許文献１，２の電力増幅装置には、効率が悪いという課題がある。特許文献１，２の技術はフィードフォワード増幅器であり、ふたつの電力増幅器（主増幅器と補助増幅器）を用いている。参考文献１（Y. Suzuki, S. Narahashi, and T. Nojima, “Highly efficient feed-forward amplifier employing a harmonic reaction amplifier,” in IEEE Radio and Wireless Symposium 2009, WE1A-5, Jan. 2009.）や参考文献２（特開２００９−２００６７８）から分かるように、第三世代携帯電話方式に対応した基地局用電力増幅器を前提としたフィードフォード増幅器の効率は、高効率化を図っても２０％程度である。したがって、特許文献１，２の電力増幅装置をアクティブアンテナに適用すると、効率が低いという課題がある。
【０００８】
本発明は上述の課題を鑑みてなされたものであり、複数の電力増幅器を備えた電力増幅装置において、各電力増幅器の特性を均一にし、かつ高効率化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電力増幅装置は、複数の電力増幅器を有する。本発明の電力増幅装置の各電力増幅器は、第１経路、第２経路、分配部、方向性結合部、制御部を備える。第１経路は、可変減衰部と可変位相部と増幅部を有する。第２経路は、あらかじめ定めた範囲の特性を有する。あらかじめ定めた範囲の特性とは、例えば、周波数ごとの減衰特性や遅延特性があらかじめ定めた範囲という意味である。分配部は、入力信号を２つに分け、一方を第１経路に、他方を第２経路に分配する。方向性結合部は、第１経路の出力の一部を第２経路の出力と合成して合成信号を生成する。なお、第１経路の出力の残りが電力増幅器の出力となる。制御部は、合成信号が小さくなるように可変減衰部と可変位相部を制御する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電力増幅装置によれば、すべての電力増幅器は、あらかじめ定めた範囲の特性を有する第２経路を備えている。したがって、第２経路を通過した信号は、すべての電力増幅器でほぼ等しくなる。その上で、各電力増幅器は、第２経路を通過した信号を基準として第１経路の可変減衰部と可変位相部を制御する。したがって、各電力増幅器の特性（例えば、増幅特性、遅延特性など）を均一にできる。また、第２経路に増幅器が必要ないこと、方向性結合部の結合度は広い範囲で自由に調整できることから、電力増幅装置の高効率化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の電力増幅装置の機能構成例を示す図。
【図２】電力増幅器の構成例を示す図。
【図３】ドレイン効率計算結果を示す図。
【図４】変形例の電力増幅装置の機能構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
【実施例１】
【００１３】
図１に実施例１の電力増幅装置の機能構成例を、図２に電力増幅器の構成例を示す。電力増幅装置１０は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の電力増幅器１００−１，…，Ｎを有する。また、電力増幅装置１０は、共通制御部１８０も備えてもよい。電力増幅器１００−ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）は、第１経路１１０−ｎ、第２経路１２０−ｎ、分配部１３０−ｎ、方向性結合部１４０−ｎ、制御部１５０−ｎ、入力信号用の端子１９１−ｎ、出力信号用の端子１９２−ｎを備える。
【００１４】
第１経路１１０−ｎは、可変減衰部１１１−ｎと可変位相部１１２−ｎと増幅部１１３−ｎを有する。第２経路１２０−ｎは、あらかじめ定めた範囲の特性を有する。あらかじめ定めた範囲の特性とは、例えば、周波数ごとの減衰特性や遅延特性があらかじめ定めた範囲という意味である。第２経路の具体例としては、図２に示したような遅延線路１２１−ｎを用いてもよいし、遅延フィルタなどを用いた遅延等化器を用いてもよい。電力増幅装置１０を用いてアレイアンテナ（図示していない）のビーム幅とビーム方向制御を高精度に行うためには、電力増幅器１００−１，…，Ｎ個々の増幅率の周波数特性や線形性などよりも、各電力増幅器１００−１，…，Ｎのこれらの特性が均一なことである。言い換えると、いくら個々の電力増幅器１００−１，…，Ｎの周波数特性や線形性などの特性がよくても、個体差が大きいとアレイアンテナのビーム幅とビーム方向制御を高精度に行うことはできない。したがって、第２経路１２０−ｎとして遅延線路１２１−ｎを用いても遅延等化器を用いてもよいが、すべての第２経路１２０−１，…，Ｎがあらかじめ定めた範囲の特性を満たしていることが重要である。また、範囲は、アレイアンテナのビーム幅とビーム方向制御に求められる精度から適宜定めればよい。
【００１５】
分配部１３０−ｎは、端子１９１−ｎから入力された入力信号を２つに分け、一方を第１経路１１０−ｎに、他方を第２経路１２０−ｎに分配する。分配部１３０−ｎは、例えばカプラ１３１−ｎで構成すればよい。方向性結合部１４０−ｎは、第１経路１１０−ｎの出力の一部を第２経路１２０−ｎの出力と合成して合成信号を生成する。方向性結合部１４０−ｎは、例えば方向性結合器１４１−ｎで構成すればよい。なお、第１経路の出力の残りが電力増幅器の出力となり、端子１９２−ｎから出力される。制御部１５０−ｎは、合成信号が小さくなるように可変減衰部１１１−ｎと可変位相部１１２−ｎを制御する。分配部１３０−ｎでの分配比率や、方向性結合部１４０−ｎでどれだけの第１経路の出力を第２経路の出力に合成するかは、増幅部１１３−ｎの電力利得や、後述するドレイン効率などを考慮して決めればよい。
【００１６】
なお、共通制御部１８０も備える場合は、共通制御部１８０は、すべての電力増幅器１００−１，…，Ｎの合成信号の強度を監視する。具体的には、すべての制御部１５０−１，…，Ｎから合成信号の強度についての情報を集める。そして、あらかじめ定めた範囲に合成信号の強度が制御できていない電力増幅器１００−ｎがないかを監視すれば、故障を発見できる。さらには、制御部１５０−１，…，Ｎから、可変減衰部１１１−ｎと可変位相部１１２−ｎの設定情報も集めれば、あらかじめ定めた範囲に合成信号の強度が制御できていない制御部１５０−ｎに対して他の制御部の設定情報で制御することを指示することも可能である。
【００１７】
上述のように制御部１５０−ｎが、合成信号が小さくなるように可変減衰部１１１−ｎと可変位相部１１２−ｎを制御するので、第１経路１１０−ｎを通過して方向性結合部１４０−ｎで取り出されて合成される信号と、第２経路１２０−ｎを通過した信号は、等振幅かつ逆位相となるように制御される。つまり、すべての第２経路１２０−１，…，Ｎの特性が均一（あらかじめ定めた範囲の特性）であれば、電力増幅器１００−１，…，Ｎの特性（例えば、増幅特性、遅延特性など）を均一にできる。
【００１８】
次に、電力増幅器１００−ｎの効率について検討する。電力増幅器１００−ｎの構成の特徴は、フィードフォワード増幅器の補助増幅器のように遅延線路に線形増幅器を持たないことと、増幅部１１３−ｎの出力側回路の損失をなるべく少なくすることにある。増幅部１１３−ｎの出力電力をＰＯ，個別増幅器の供給電力をＰＤＣ，方向性結合器の結合量をＣ２とすれば、電力増幅器の基本構成のドレイン効率ηは、
【００１９】
【数１】
0005822784.tif 000002
【００２０】
となる。この式から方向性結合部１４０−ｎの結合度により電力増幅器１００−ｎのドレイン効率が決まる。なお、可変減衰部１１１−ｎと可変位相部１１２−ｎでの消費電力は一般に僅少であることから、上記の式で考慮しなかった。図３に上記の式のドレイン効率計算結果を示す。横軸は結合度（Coupling Factor）Ｃ２、縦軸はドレイン効率（Drain Efficiency）ηである。増幅部１１３−ｎの最大ドレイン効率（Maximum Drain Efficiency）を５０％，７５％，８０％とした。いずれの場合も、結合度Ｃ２が２０ｄＢ以上あれば、最大ドレイン効率に近い数値が得られると予測される。方向性結合部１４０−ｎの結合度は広い範囲で自由に調整できるので、結合度を２０ｄＢ以上に設定することも可能であり、電力増幅器１００−ｎのドレイン効率へ影響を少なくできる。また、第２経路には増幅器が必要ないので、電力増幅装置１０の高効率化が可能である。
【００２１】
［変形例］
図４に変形例の機能構成を示す。電力増幅装置２０は、各電力増幅器２００−ｎがパイロット信号供給部２６０−ｎを備える点と、制御部２５０−ｎ、共通制御部２８０の処理が実施例１の電力増幅装置１０と異なる。その他は電力増幅装置１０と同じである。なお、共通制御部２８０は備えなくてもよい。
【００２２】
パイロット信号供給部２６０−ｎは、あらかじめ定めた周波数成分と強度を有するパイロット信号を分配部１３０−ｎの入力側に入力する。したがって、パイロット信号は、端子１９１−ｎから入力された入力信号と合成された状態で第１経路１１０−ｎと第２経路１２０−ｎを通過して方向性結合部１４０−ｎで合成され、制御部２５０−ｎに入力される。したがって、合成信号にはパイロット信号の成分が含まれている。制御部２５０−ｎは、合成信号中のパイロット信号の成分が小さくなるように、可変減衰部１１１−ｎと可変位相部１１２−ｎを制御する。
【００２３】
実施例１の電力増幅装置１０の場合、制御対象の信号が入力信号（増幅したい信号そのもの）である。この場合、電力増幅器１００−ｎごとに入力信号（増幅したい信号そのもの）は異なるので、制御対象の信号の不均一によって電力増幅器の均一性が低下する可能性がある。パイロット信号を用いる方法の場合、制御対象の信号を入力部分で同一にできるので、さらに電力増幅器の均一性を向上できる。なお、パイロット信号には、通信に使用していない周波数帯の中から１つの周波数（狭い帯域の信号）を選べば、合成信号中のパイロット信号の成分の強度を小さく制御しやすい。しかし、帯域幅を持つ周波数帯を選んでも、制御対象の信号を入力部分で同一にできるので、均一性の向上という効果は得られる。また、あらかじめ定めた周波数成分と強度は、電力増幅装置に求められる均一性の条件から適宜定めればよい。
【００２４】
また、共通制御部２８０を備える場合には、共通制御部２８０は、すべての電力増幅器２００−１，…，Ｎの合成信号中のパイロット信号の成分の強度を監視する。具体的には、すべての制御部２５０−１，…，Ｎから合成信号中のパイロット信号の成分の強度についての情報を集める。そして、あらかじめ定めた範囲に強度が制御できていない電力増幅器２００−ｎがないかを監視すれば、故障を発見できる。さらには、制御部２５０−１，…，Ｎから、可変減衰部１１１−ｎと可変位相部１１２−ｎの設定情報も集めれば、あらかじめ定めた範囲に合成信号中のパイロット信号の成分の強度が制御できていない制御部２５０−ｎに対して他の制御部の設定情報で制御することを指示することも可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１０、２０  電力増幅装置                １００、２００  電力増幅器
１１０  第１経路                        １１１  可変減衰部
１１２  可変位相部                      １１３  増幅部
１２０  第２経路                        １２１  遅延線路
１３０  分配部                          １３１  カプラ
１４０  方向性結合部                    １４１  方向性結合器
１５０、２５０  制御部                  １８０、２８０  共通制御部
１９１、１９２  端子                    ２６０  パイロット信号供給部
【図１】
0005822784.tif 000003
【図２】
0005822784.tif 000004
【図３】
0005822784.tif 000005
【図４】
0005822784.tif 000006