(57)【要約】【課題】各種アンテナ出力を必要とする送信機内の電力増幅器において、送信機出力が異なる場合であっても、同デバイス、同整合回路という、共通化構成を実現すると共に、高効率な電力増幅器を提供することを課題とする。【解決手段】電力増幅器の電源電圧を変化させ、各種送信機の送信出力電力に対応して、電力増幅器を最適化し、それに伴うインピーダンスの変化分を、インピーダンス調整手段によって自動的に補正することで、電力増幅器の共通化、高効率化を実現するようにしたものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信に用いられる電力増幅器であって、伝搬状況、通信間距離により要求される送信出力電力に応じて、電力増幅器の電源電圧を最適化する手段を具備することを特徴とする電力増幅器。
【請求項２】
請求項１記載の電力増幅器において、
前記電源電圧の変動に伴うインピーダンスの変化を補正せしめるインピーダンス調整器を具備することを特徴とする電力増幅器。
【請求項３】
請求項２記載の電力増幅器において、
前記インピーダンス調整器に、位相調整器と、可変コンデンサを有する電力増幅器。
【請求項４】
請求項２〜３記載の電力増幅器において、
前記電源電圧を検出してインピーダンス調整器の自動調整を行う手段を具備することを特徴とする電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
【従来の技術】
無線通信に利用する送信機においては、通信システムの仕様や電波伝搬状況、通信間距離等によって、必要なアンテナ出力電力が異なる。例えば、市町村防災無線システムの場合、基地局、屋外子局がそれぞれ存在し、その間の距離、屋外子局の設置台数、設置場所等によって必要な送信電力が異なる。それに伴って、送信機内の電力増幅器に要求される出力電力も異なってくる。ここで、送信機出力１Ｗ用、３Ｗ用、５Ｗ用の３種類の電力増幅器について考える。
【０００３】
図１０は１Ｗ用電力増幅器、図１２は３Ｗ用電力増幅器、図１３は５Ｗ用電力増幅器の構成を示す。図１０の動作について説明する。入力端子１から入力された送信信号は、入力整合回路１８を介して、トランジスタ１９に入力される。トランジスタ１９により増幅された送信信号は、出力整合回路２０を介して整合が取られ出力される。電源３はチョークコイル４を、電源７はチョークコイル８を介して、トランジスタ１９のベース、コレクタに供給され、トランジスタ１９を動作させている。
【０００４】
変調方式が１６ＱＡＭ（α＝０．２）の場合を例として考える１Ｗ用電力増幅器の平均電力Ｐaveは、電力増幅器出力〜アンテナまでのローパスフィルタ等の電力損失を2dBとすると、Ｐave＝アンテナ出力（＋30dBm）＋電力損失（2dB）＝＋32dBmとなる。また、必要となる最大電力Ｐmaxは、ピークファクタ62dB、マージンを2dBと考えると、Ｐmax≧電力増幅器平均出力（＋32dBm）＋ピークファクタ（6dB）＋マージン（2dB）＝＋40dBm（１０Ｗ）となる。
【０００５】
このように、電力増幅器は図１１に示すように、最大電力から8dB以上バックオフをとった点で、動作させる必要がある。また、一般に電力増幅器は、バックオフが少なくなるほど効率は良くなる。この二つを考慮すると、バックオフ8dBの点で動作させるのが最適と考えられる。以上より、１Ｗ用電力増幅器に用いるデバイスは最大出力が１０Ｗであるものを選定し、そのデバイスに合った整合回路を製作することで、１Ｗ用電力増幅器を実現する。
【０００６】
次に、３Ｗ用電力増幅器について図１２を用いて説明する。構成については図１０と同様である。この場合、アンテナ出力が３Ｗ（＋34.8dBm）であるため、アンテナまでの損失を考慮すると、電力増幅器平均出力は、34.8dBm＋2dB＝３６．８dBmとなり、最大出力は36.8dBm＋8dB＝44.8dBm（３０Ｗ）となる。よって、３Ｗ用電力増幅器に用いるデバイスは最大出力が３０Ｗであるものを選定し、そのデバイスに合った整合回路を製作することで、３Ｗ用電力増幅器を実現する。
【０００７】
また、５Ｗ用電力増幅器について図１３を用いて説明する。構成については図１０と同様である。この場合アンテナ出力が５Ｗ（＋37dBm）であるため、アンテナまでの損失を考慮すると、電力増幅器平均出力は37dBm＋2dB＝39dBmとなり、最大出力は39dBm＋8dB＝47dBm（５０Ｗ）となる。よって、５Ｗ用電力増幅器に用いるデバイスは最大出力５０Ｗであるものを選定し、そのデバイスに合った整合回路を製作することで、５Ｗ用電力増幅器を実現する。
【０００８】
以上のようにして、送信機出力に応じた各種出力の電力増幅器を実現する。また、他の例として、５Ｗ用の電力増幅器を製作し、入力、または出力を減衰器により制限することで３Ｗ用、１Ｗ用電力増幅器を実現する従来例もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来例では、各種送信機出力に応じて最適な電力増幅器を求める場合、最適なデバイスを個々に選定、製作しなければならない。そのため、部品定数、調整工数が増大してしまうという問題が有った。また、入力、または出力を制限して各種出力の電力増幅器を実現した場合、効率が劣化してしまうという問題が有った。
【００１０】
本発明は、送信機出力が異なる場合であっても、同デバイス、同整合回路という、共通化構成を実現すると共に、高効率な電力増幅器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、電力増幅器の電源電圧を変化させ、各種送信機出力によって電力増幅器を最適化し、それに伴うインピーダンスの変化分をインピーダンス調整器によって調整することで、電力増幅器の共通化、高効率化を行うようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について、図１〜図６を用いて説明する。本発明の一実施例の構成を図１に示し、先ず、これについて説明する。図１において、入力端子１は、入力整合回路２を介し、トランジスタ５に接続される。トランジスタ５は出力整合回路１１に接続され、出力整合回路１１はインピーダンス調整器１２を介して出力端子１３に接続される。電源３はチョークコイル４を介し、電源７はＤＣ／ＤＣコンバータ６、チョークコイル８を介し、それぞれトランジスタ５に接続される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータは電圧検出器９、制御部１０を介し、インピーダンス調整器１２に接続される。
【００１３】
以下、この実施例の動作について説明する。入力端子１より入力した送信信号は、入力整合回路２に入力され、トランジスタ５の入力と整合がとられる。トランジスタ５に入力された信号は所望の電力に増幅される。出力整合回路１１により整合がとられた信号は、インピーダンス調整器１２によりインピーダンスを微調整され、出力端子１３より出力される。また、電源３はチョークコイル４により、電源７はＤＣ／ＤＣコンバータ６を介し、チョークコイル８によりトランジスタ５に供給される。前述したように、各種送信機出力によって要求される電力増幅器の最大出力が異なる場合、電源７は固定電源のため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６によりトランジスタ５へ供給電圧を変化させることで実現する。ここで、トランジスタ５への供給電圧の変化に伴いインピーダンスに変化が生じるため、電圧検出器９により電圧を検出し、制御部１０によりインピーダンス調整器１２を用いインピーダンス補正を行う。
【００１４】
この動作について以下に詳しく説明する。変調方式１６ＱＡＭ（α＝０．２）、アンテナ出力が５Ｗ、３Ｗ、１Ｗ用の電力増幅器が要求されている場合について図２を用いて説明する。図２は電力増幅器の入出力特性を示している。前述したように、５Ｗ用の電力増幅器の平均電力は＋39dBm（８Ｗ）、必要とされる最大出力は、ピークファクタ、マージンを考慮して47dBm（５０Ｗ）となる。つまり、図２に示すように、バックオフ8dBの点で動作させる。ここに、電源電圧２８Ｖ時、最大電力が＋47dBm（５０Ｗ）であるデバイスＡがあるとする。まず、ＤＣ／ＤＣコンバータによりトランジスタへの供給電圧を２８Ｖとして、５Ｗ用電力増幅器として出力整合回路の最適調整を行う。
【００１５】
次に、３Ｗ用電力増幅器が要求された場合、前述したように平均出力＋36.8dBm、必要とされる最大出力＋44.8dBm（３０Ｗ）となる。ここで、電力Ｐ、電圧Ｖ、負荷抵抗Ｒとすると、Ｐ＝Ｖ2 ／Ｒとなり、Ｐ∝Ｖ2 …（１）の関係から、最大出力電力が３０Ｗにするためには、デバイスＡに印加する電圧は、上記（１）式より、２１．６Ｖと求めることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータにより、電源電圧を２８Ｖから２１．６Ｖに設定する。
【００１６】
また、電源電圧を変化させることで、デバイスのインピーダンスも変化する。その変化分を補正する方法について図３〜図６を用いて説明する。まず、各素子を接続した場合のスミスチャート上の動きについて、図３、図４を用いて簡単に説明する。図４のように、インダクタを直列（Ｌ1）に接続した場合は、定抵抗円上を時計回りに動き、コンデンサを並列（Ｃ1）に接続した場合、定コンダクタンス円上を時計回りに動き、コンデンサを直列（Ｃ2）に接続した場合、定抵抗円上を反時計回りに動き、インダクタを並列（Ｌ2）に接続した場合、定コンダクタンス円上を反時計回りに動く。例えば、図３のように接続した場合、入力インピーダンスＺin＝１５Ｑからスタートし、Ｌ1，Ｃ1，Ｃ2，Ｌ2とそれぞれ図３のような軌跡を描き、出力インピーダンスＺout＝Ｒ＋ｊＸに移動するようになる。
【００１７】
これをふまえて、図５、図６を用いて、電源電圧を変動させたことによって、デバイスのインピーダンスが変化した場合のインピーダンス調整器による補正方法について説明する。例として、送信周波数６０ＭＨｚ、出力整合回路が図５のように、直列Ｌ（４０ｎＨ）、並列Ｃ（１３０ｐＦ）、直列Ｃ（０．１μＦ）の３素子より整合をとっているとする。電源変動により、デバイスの出力インピーダンスがＺdev→Ｚdev'に変化した場合、それに伴って出力インピーダンスＺout→Ｚout'に変化する。Ｚoutの変化分をインピーダンス調整器により補正する。
【００１８】
これを電圧検出器、制御部を用いて自動制御する方法を以下に説明する。まず、それぞれの電源電圧においてのデバイスの出力インピーダンスＺdevを測定する。各電源電圧の出力インピーダンスＺdevにおける整合回路の出力インピーダンスＺoutを求める。整合回路の出力インピーダンスＺoutが求まれば、インピーダンス調整器によるインピーダンス補正分も求められる。各電源電圧におけるインピーダンス変換器での補正分をテーブルとして作成しておき、電源電圧を検出して作成したテーブルに基づき、インピーダンス調整器を制御部により自動調整するようにする。以下により、３Ｗ用電力増幅器として最適化することができる。
【００１９】
また、１Ｗ用電力増幅器についても同様に考えると、上記（１）式より電源電圧を１２．５Ｖに設定し、出力インピーダンスの補正をインピーダンス調整器により行うことで、１Ｗ用電力増幅器として最適化することができる。以上により、電源電圧を設定することで、各種送信機出力に応じた最適な電力増幅器を実現することができる。
【００２０】
次に、本発明の他の実施例について、図７〜図９を用いて説明する。他の実施例の構成を図７に示し、先ずこれについて説明する。図７において、入力端子１は、入力整合回路２を介し、トランジスタ５に接続される。トランジスタ５は出力整合回路１１に接続され、出力整合回路１１は位相調整器１４、可変コンデンサ１５を介して出力端子１３に接続される。電源３はチョークコイル４を介し、電源７はＤＣ／ＤＣコンバータ６、チョークコイル８を介し、それぞれトランジスタ５に接続される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータは電圧検出器９、制御部１０を介し、位相調整器１４、可変コンデンサ１５に接続される。
【００２１】
以下、この実施例の動作について説明する。入力端子１より入力した送信信号は、入力整合回路２に入力され、トランジスタ５の入力と整合がとられる。トランジスタ５に入力された信号は所望の電力に増幅される。出力整合回路１１により整合がとられた信号は、位相調整器１４、可変コンデンサ１５によりインピーダンスを微調整され出力端子１３より出力される。同様に、各種アンテナ出力により電力増幅器を最適化するため、電源電圧を変化させた時に生じるインピーダンスの変化分を、図８に示すように、位相調整器、可変コンデンサにより調整する。同様に、電源電圧を検出して、位相調整器と可変コンデンサを自動調整するようにする。以上により、各アンテナ出力において必要となる電源電圧を設定することで、各出力に最適な電力増幅器を実現することができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、各種アンテナ出力に対応するように電力増幅器の電源電圧を最適化し、それに伴うインピーダンスの変化分をインピーダンス調整器により自動補正することで、各種アンテナ出力での送信機の共通化、高効率化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の構成を示す回路図。
【図２】本発明の一実施例の動作を説明するグラフ。
【図３】本発明の一実施例の動作を説明する図。
【図４】本発明の一実施例の動作を説明するスミスチャート。
【図５】本発明の一実施例の動作を説明する図。
【図６】本発明の一実施例の動作を説明するスミスチャート。
【図７】本発明の他の実施例の構成を示す回路図。
【図８】本発明の他の実施例の動作を説明する図。
【図９】本発明の他の実施例の動作を説明するスミスチャート。
【図１０】従来技術の一例を示す回路図。
【図１１】従来技術の動作例を説明するグラフ。
【図１２】従来技術の一例を示す回路図。
【図１３】従来技術の一例を示す回路図。
【符号の説明】
１：入力端子、２，１８，２１，２４：入力整合回路、３，７：電源、４，８：チョークコイル、５，１９，２２，２５：トランジスタ、６：ＤＣ／ＤＣコンバータ、９：電圧検出器、１０：制御部、１１，２０，２３，２６：出力整合回路、１２：インピーダンス調整器、１３：出力端子、１４：位相調整器、１５：可変コンデンサ。
【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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