(57)【要約】【課題】  電源電圧が変動しても効率の低下を緩和することができ、しかも、製造時の歩留まりを向上し得るエンベロープトラッキング法に基づく高周波増幅回路を提供する。【解決手段】  本発明の高周波増幅回路１２ａは、マイクロ波帯の高周波の入力信号が入力される半導体増幅素子２１と、入力信号の包絡線の変動に追随する電源電圧を半導体増幅素子２１に印加する電源回路２２と、半導体増幅素子２１の出力側に接続された出力整合回路２４と、電源電圧が変動しても半導体増幅素子２１の効率が最大となるように当該出力整合回路２４のインピーダンスを調整するインピーダンス調整部とを備えている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波帯の高周波の入力信号が入力される半導体増幅素子と、
前記入力信号の包絡線の変動に追随する電源電圧を前記半導体増幅素子に印加する電源回路と、
前記半導体増幅素子の出力側に接続された出力整合回路と、
前記電源電圧が変動しても前記半導体増幅素子の効率が最大となるように当該出力整合回路のインピーダンスを調整するインピーダンス調整部と
を備えていることを特徴とする高周波増幅回路。
【請求項２】
前記インピーダンス調整部は、前記出力整合回路を構成する可変容量ダイオードと、前記電源電圧の変動に対応して前記ダイオードの容量を変化させることで前記出力整合回路のインピーダンスを調整する容量制御部とを備えている請求項１に記載の高周波増幅回路。
【請求項３】
前記インピーダンス調整部は、前記出力整合回路を構成する可変抵抗ダイオードと、前記電源電圧の変動に対応して前記ダイオードの抵抗を変化させることで前記出力整合回路のインピーダンスを調整する抵抗制御部とを備えている請求項１に記載の高周波増幅回路。
【請求項４】
無線信号を受信するための受信機と、無線信号を送信するための送信機であって請求項１〜３のいずれか１項に記載の高周波増幅回路を内蔵した送信機とを備えている無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯の信号増幅に適した高周波増幅回路とこれを有する無線通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動体通信で主流となっているＷＣＤＭＡ方式やＯＦＤＭ方式等において、高周波増幅回路を高効率化する方法としてエンベロープトラッキング法が注目されている。
このエンベロープトラッキング法は、高周波の入力信号の振幅に応じて半導体増幅素子の電源電圧を調整することにより、不要な消費電力を削減して当該増幅素子の電力効率を改善する方法であり、時間と共に信号振幅が大きく変動する入力信号の増幅に対して特に効果的である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、上記エンベロープトラッキング法の原理を示す概念図であり、図８（ａ）は通常方式を示し、図８（ｂ）は当該エンベロープトラッキング法を示している。
すなわち、図８（ａ）に示すように、通常方式の高周波増幅回路では、増幅素子に入力する電源電圧が一定（固定電圧）であるため消費電力も一定であり、入力信号の振幅が小さいときの無駄な電力消費が大きくなり、効率が悪い。
これに対して、図８（ｂ）に示すように、エンベロープトラッキング法の高周波増幅回路では、入力信号の包絡線を検出し、この包絡線に合わせて電源電圧を低下させることで、消費電力を低減して効率を大幅に改善している。
【０００４】
高周波増幅回路の効率は、その増幅回路に使用される増幅素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタ）そのものの効率や、その周辺の回路構成及び動作点等に依存するが、その一方で、増幅素子に対する負荷条件によっても変化する。この増幅素子の効率が最大になる負荷の状態を効率最大負荷インピーダンス（Γｅｍａｘ）という。
一般的な増幅回路では、電源電圧を変化させることを考慮していないので、通常、ある特定の電源電圧に対応したΓｅｍａｘを負荷インピーダンスとしている。
【０００５】
そして、従来、エンベロープトラッキング法を用いた増幅回路においても、一般的な増幅回路の場合と同様に、電源電圧の変動範囲内のある特定の電源電圧に対応したΓｅｍａｘを負荷インピーダンスとしていた。
【特許文献１】特公平６−６９００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、一般的に、電源電圧の変動に伴い増幅素子の出力インピーダンスが変化するため、増幅素子のΓｅｍａｘも電源電圧とともに変化する。従って、ある特定の電源電圧に対応してΓｅｍａｘを固定値に設定する従来のエンベロープトラッキング法を用いた増幅回路では、負荷インピーダンスを一定としているために、電源電圧の変動と共に負荷条件が最大効率条件から外れることになり、その特定の電源電圧以外では効率の低下が必ず起こることになる。
【０００７】
また、高周波増幅回路の製造過程では、半導体等よりなる増幅素子や負荷インピーダンスの構成素子の品質のばらつきにより、これら素子の調整がなくては効率の低下が起こり、歩留まりの低下や後工程の調整工数の増加を引き起こしている。
本発明は、このような実情に鑑み、電源電圧が変動しても効率の低下を緩和することができ、しかも、製造時の歩留まりを向上し得るエンベロープトラッキング法に基づく高周波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】
【０００８】
本発明は、エンベロープトラッキング法に基づく高周波増幅回路において、電源電圧の変動に応じて負荷インピーダンスをできるだけ各電源電圧におけるΓｅｍａｘに近づくように調整するインピーダンス調整機能を持たせることを骨子とする。
すなわち、本発明の高周波増幅回路は、マイクロ波帯の高周波の入力信号が入力される半導体増幅素子と、前記入力信号の包絡線の変動に追随する電源電圧を前記半導体増幅素子に印加する電源回路と、前記半導体増幅素子の出力側に接続された出力整合回路と、前記電源電圧が変動しても前記半導体増幅素子の効率が最大となるように当該出力整合回路のインピーダンスを調整するインピーダンス調整部とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、上記インピーダンス調整部が、電源電圧が変動しても半導体増幅素子の効率が最大となるように当該出力整合回路のインピーダンスを調整するので、入力信号の包絡線に対応する電源電圧の変動が前提となるエンベロープトラッキング法を採用した高周波増幅回路において、その電源電圧の変動に伴う半導体増幅素子の効率低下を緩和することができる。
また、本発明によれば、インピーダンス調整部によって出力整合回路の負荷インピーダンスを調整できるので、半導体増幅素子を始めとする構成素子のばらつきによるΓｅｍａｘのばらつきを吸収させることもでき、このため、高周波増幅回路の製造時の歩留まりを向上し得るという利点もある。
【００１０】
本発明において、具体的には、前記インピーダンス調整部は、前記出力整合回路を構成する可変容量ダイオードと、前記電源電圧の変動に対応して前記ダイオードの容量を変化させることで前記出力整合回路のインピーダンスを調整する容量制御部とを備えたものとして構成することができる。
また、本発明において、前記インピーダンス調整部は、前記出力整合回路を構成する可変抵抗ダイオードと、前記電源電圧の変動に対応して前記ダイオードの抵抗を変化させることで前記出力整合回路のインピーダンスを調整する抵抗制御部とを備えたものとして構成することもできる。
【００１１】
もっとも、半導体増幅素子の出力側に配置される出力整合回路に対して、そのインピーダンス調整のために可変の抵抗成分を挿入すると、その分だけエネルギー損失が大きくなることから、可変の容量成分を挿入する方が好ましい。
従って、出力整合回路でのエネルギー損失をより小さくするという観点からは、上記二種類のインピーダンス調整部のうち、可変容量ダイオードの容量を制御して出力整合回路の負荷インピーダンスを調整する手段の方が好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上の通り、本発明によれば、電源電圧の変動に伴う半導体増幅素子の効率低下を緩和することができるので、エンベロープトラッキング法を採用した高周波増幅回路の効率低下を抑制することができる。
また、本発明によれば、半導体増幅素子等の構成素子のばらつきによるΓｅｍａｘのばらつきを吸収することで、高周波増幅回路の製造時の歩留まりを向上し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の高周波増幅回路を有する無線通信装置を採用した無線通信システムを示している。
この無線通信システムは、無線通信装置としての無線基地局１ａと、同じく無線通信装置としての端末装置１ｂ，１ｃ，１ｄとを備えている。これらの無線通信装置１ａ〜１ｄは、ＷＣＤＭＡ方式又はＯＦＤＭ方式でマイクロ波帯の周波数を使用して無線通信するものであり、その無線信号を受信するための受信機１１と、無線信号を送信するための送信機１２と、送受信信号の処理を行う処理部１３とをそれぞれ備えている。
【００１４】
上記受信機１１は、線形変調信号を受信するものであり、その変調信号を受信して増幅するために低雑音増幅回路１１ａを有している。また、送信機１２は、線形変調信号を送信するものであり、その変調信号を電力増幅する高周波増幅回路１２ａを有している。
図２は、本発明の一実施形態に係る高周波増幅回路１２ａの回路構成を示している。
図２に示すように、この高周波増幅回路１２ａは、前記エンベロープトラッキング法によって消費電力を低減するものであり、半導体増幅素子２１と、入力信号の包絡線の変動に追随する電源電圧を半導体増幅素子２１に印加する電源回路２２と、半導体増幅素子２１の入力側に接続された入力整合回路２３と、半導体増幅素子２１の出力側に接続された出力整合回路２４とから主構成されている。
【００１５】
上記半導体増幅素子２１は、ソース接地の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）よりなる。この増幅素子２１のゲートは、入力整合回路２３を介して当該増幅回路１２ａの信号入力端子２５に繋がっていて、この入力端子２５にはマイクロ波帯の高周波の入力信号が入力される。また、上記入力整合回路２３は、半導体増幅素子２１の入力側と信号源との間のインピーダンス整合を行う。
なお、この入力整合回路２３と半導体増幅素子２１のゲートの間には、直流阻止用のコンデンサ２６が挿入されている。また、このコンデンサ２６と半導体増幅素子２１のゲートの間には、当該素子２１にゲートバイアス電圧Ｖｇを印加する高周波阻止用のインダクタ２６ａが設けられている。
【００１６】
また、半導体増幅素子２１のドレインには、当該素子２１に電源供給するための前記電源回路２２が接続されており、この電源回路２２は、包絡線検波器２７と、直流増幅器２８と、電圧制御回路２９とから構成されている。
このうち、包絡線検波器２７は、高周波の入力信号の時系列における包絡線のみを取り出す回路である。この包絡線検波器２７の回路構成としては、入力信号をダイオードに通して、その出力を抵抗器とコンデンサの並列回路で受けるものである。抵抗器とコンデンサの時定数を適切に設計すると、その出力波形は入力波形の包絡線に近い波形となる。
【００１７】
包絡線検波器２７が出力する包絡線信号は、直流増幅器２８によって増幅されて電圧制御回路２９に入力される。この電圧制御回路２９は、電源入力端子３０の電源電圧を包絡線信号に応じて変化させ半導体増幅素子２１のドレインに印加するもので、電源電圧をトランジスタやダイオードを用いて包絡線に応じて変調する回路構成や、スイッチングレギュレータの周波数を可変にして出力電圧を可変にした電圧可変の直流・直流変換回路等より構成することができる。
なお、この電圧制御回路２９と半導体増幅素子２１のドレインの間には、高周波阻止用のチョークコイル３１が挿入されている。
【００１８】
前記出力整合回路２４は、半導体増幅素子２１のドレインと負荷が接続される出力端子３２との間に設けられており、半導体増幅素子２１の出力側における負荷インピーダンスの整合を行うものである。
本実施形態の出力整合回路２４は、接地コイル３３と、このコイル３３に直列接続されたコンデンサ３４と、このコンデンサ３４に並列接続された可変容量ダイオード（バリキャップ）３５とから構成されており、当該出力制御回路２４には、可変容量ダイオード３５の容量を変動させる容量制御部として機能する制御器３６が接続されている。
【００１９】
なお、この出力整合回路２４と制御器３６の間には、高周波阻止用のチョークコイル３７が挿入され、同整合回路２４と半導体増幅素子２１のドレインのとの間、及び、同整合回路２４と出力端子３２との間には、直流阻止用のコンデンサ３８が挿入されている。
上記制御器３６は、例えば図３に示すように、オペアンプ３９を利用した反転増幅回路によって構成することができる。この制御器３６の入力端子には、前記電圧制御回路２９の出力電圧が印加され、この制御器３６の出力端子は出力整合回路２４の可変容量ダイオード３５に繋がっており、当該制御器３６は、包絡線の変動に追随する電源電圧に比例した制御電圧を生成する
【００２０】
このため、制御器３６が生成した制御電圧を出力整合回路２４の可変容量ダイオード３５に印加して当該ダイオード３５の容量を変化させることにより、出力整合回路２４のインピーダンスを変化させ増幅素子の負荷インピーダンスを電源電圧の変動に対応した効率最大負荷インピーダンス（Γｅｍａｘ）に設定できるようになっている。
このように、本実施形態の高周波増幅回路１２ａでは、上記制御器３６と、出力整合回路２４の構成要素である可変容量ダイオード３５とから、電源電圧が変動しても増幅素子の負荷インピーダンスを効率最大となるように当該出力整合回路２４のインピーダンスを調整するインピーダンス調整部が構成されている。
【００２１】
ここで、例えば、電圧制御回路２９の電源電圧の変動範囲をＶ２≦Ｖ≦Ｖ１とすると、図２の出力整合回路２４の場合、その負荷インピーダンスは図７のスミスチャートにおいて矢印Ａのように変動する。
【００２２】
なお、本実施形態では、制御電圧の傾きやオフセットを調整する簡単な回路の制御器３６（図３）を採用しているが、より正確に出力整合回路２４の可変容量ダイオード３５に制御電圧を付与する手段としては、デジタル信号処理で最適な制御信号を発生させる手段を採用し得る。
【００２３】
図４〜図６は、本発明の他の実施形態に係る高周波増幅回路１２ａを示している。
このうち、図４の高周波増幅回路１２ａは、可変容量ダイオード３５を対地間に接続した点で図２の場合と相違しており、その他の構成は図２の場合と同様である。この図４の高周波増幅回路１２ａにおいて、可変容量ダイオード３５の容量を変化させると、出力整合回路２４の負荷インピーダンスは図７のスミスチャートの矢印Ｂのように変動する。
【００２４】
また、図５及び図６の高周波増幅回路１２ａは、可変容量ダイオード３５ではなく、可変抵抗ダイオード４０を使用した点で図２の場合と相違している。この可変抵抗ダイオード３５は、前記制御器３６からの制御電圧によって抵抗が変化するものであり、この抵抗の変化によって出力整合回路２４の負荷インピーダンスを可変にしている。
もっとも、図５や図６のように、半導体増幅素子２１の出力側に配置される出力整合回路２４に対し、そのインピーダンス調整のために可変抵抗ダイオード４０を挿入すると、その分だけエネルギー損失が大きくなる。このため、出力整合回路２４の負荷インピーダンスを可変にする手段としては、図２や図４のように、可変容量ダイオード３５を採用する方が好ましい。
【００２５】
なお、図５の高周波増幅回路１２ａにおいて、可変抵抗ダイオード４０の抵抗を変化させると、出力整合回路２４の負荷インピーダンスは図７のスミスチャートの矢印Ｃのように変動する。
また、図６の高周波増幅回路１２ａにおいて、可変抵抗ダイオード４０の抵抗を変化させると、出力整合回路２４の負荷インピーダンスは図７のスミスチャートの矢印Ｄのように変動する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】無線通信システムの全体構成図である。
【図２】高周波増幅回路の一実施形態を示す回路構成図である。
【図３】制御器の一例を示す回路構成図である。
【図４】高周波増幅回路の他の実施形態を示す回路構成図である。
【図５】高周波増幅回路の他の実施形態を示す回路構成図である。
【図６】高周波増幅回路の他の実施形態を示す回路構成図である。
【図７】効率最大負荷インピーダンスの変化を示すスミスチャートである。
【図８】エンベロープトラッキング法の原理を示す概念図である。
【符号の説明】
【００２７】
１ａ：無線基地局（無線通信装置）、１ｂ：端末装置（無線通信装置）、
１ｃ：端末装置（無線通信装置）、１ｄ：端末装置（無線通信装置）、
１１：受信機、１１ａ：低雑音増幅回路、１２：送信機、１２ａ：高周波増幅回路、
２１：半導体増幅素子、２２：電源回路、２３：入力整合回路、２４：出力整合回路、
２５：信号入力端子、２６：コンデンサ（直流阻止用）、２７：包絡線検波器、
２８：直流増幅器、２９：電圧制御回路、３０：電源入力端子、
３１：チョークコイル（高周波阻止用）、３２：出力端子、３３：接地コイル、
３４：コンデンサ、３５：可変容量ダイオード、
３６：制御器（容量制御部、抵抗制御部）、３７：チョークコイル（高周波阻止用）、
３８：コンデンサ（直流阻止用）、３９：オペアンプ、４０：可変抵抗ダイオード
【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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