(57)【要約】      （修正有）【課題】従来のＬＩＮＣ増幅方式は振幅変調された信号と搬送波の積から成る入力信号を加法定理によって和に分解し（ＬＩＮＣ分解）、２つの定振幅分離信号を得ている。その後各の定振幅信号をそれぞれ非線形増幅で効率良く増幅し、再び合成して増幅された線形信号を得ている。しかし従来のＬＩＮＣでは定振幅分離信号のスペクトルに周波数帯域の広がりが生じる。定振幅分離信号の周波数帯域の広がりを抑制したＬＩＮＣ増幅器を提供する。【解決手段】ＬＩＮＣ分解する前段で、入力信号を同相信号と直交信号とに分離し、それぞれについてＬＩＮＣ増幅方式で増幅し、増幅後の同相信号と直交信号を再び直交加算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を定振幅の２個の信号に分離するＬＩＮＣ分離手段と、該ＬＩＮＣ分離手段で分離されたそれぞれの信号を同一の利得で増幅する同一特性の第１および第２の非線形増幅手段と、該第１および第２の非線形増幅手段の出力信号を加算する信号加算手段とからなるＬＩＮＣ増幅手段を有するＬＩＮＣ増幅器において、
前記入力信号を同相信号と直交信号に分離する直交分離手段と、前記同相信号を増幅する前記ＬＩＮＣ増幅手段と同じ構成の第１のＬＩＮＣ増幅手段と、前記直交信号を増幅する前記ＬＩＮＣ増幅手段と同じ構成の第２のＬＩＮＣ増幅手段と、前記第１および第２のＬＩＮＣ増幅手段の出力信号を加算する直交加算手段とを備えたことを特徴とするＬＩＮＣ増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載のＬＩＮＣ増幅器において、
前記第１のＬＩＮＣ増幅手段は前記同相信号の正から負への変化および負から正への変化時に該同相信号の定振幅分離信号の位相変化が連続し、且つ前記第２のＬＩＮＣ増幅手段は前記直交信号の正から負への変化および負から正への変化時に該直交信号の定振幅分離信号の位相変化が連続することを特徴とするＬＩＮＣ増幅器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＬＩＮＣ増幅器において、
前記第１のＬＩＮＣ増幅手段の前記第１および第２の非線形増幅手段並びに前記第２のＬＩＮＣ増幅手段の前記第１および第２の非線形増幅手段の前段又は後段に、それぞれ周波数変換手段を挿入したことを特徴とするＬＩＮＣ増幅器。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載のＬＩＮＣ増幅器において、
前記第１のＬＩＮＣ増幅手段の出力信号と前記第２のＬＩＮＣ増幅手段の出力信号を取り込み直交検波する直交検波手段と、該直交検波手段の検波結果に応じて前記第１のＬＩＮＣ増幅手段の出力信号又は前記第２のＬＩＮＣ増幅手段の出力信号の位相を調整し前記直交加算手段に入力する同相信号と直交信号との直交性を補正する移相手段とを設けたことを特徴とするＬＩＮＣ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部の定振幅分離信号の周波数帯域の広帯域化を抑制したＬＩＮＣ増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＩＮＣ（Linear Amplification with Nonlinear Components）増幅器の原理は、ベル研究所のD.C.Coxによって１９７４年に提案された（非特許文献１）。ＬＩＮＣ増幅器の概略構成を図５に示す。１２は入力信号を２個の定振幅分離信号に分離するＬＩＮＣ分離器、１３，１４は利得がＧで同一特性の非線形増幅器、１５は信号加算器である。
【０００３】
入力信号をＳ(t)とし、これが帯域制限された一定位相の信号であるとすると、
2007150905.tif 000003
で表すことができる。ここで、Ｅ(t)はベースバンド信号成分、cosω0tはキャリア信号成分である。Ｅ(t)≧０である。ここで、ベースバンド信号成分Ｅ(t)が次式ように表されたとする。
2007150905.tif 000004
ＥｍはＥ(t)の最大値を表す。この(2)式により位相情報φ(t)が定義される。
【０００４】
(2)式を(1)式に代入することにより、次式の関係が成り立つ。
2007150905.tif 000005
Ｓａ(t)，Ｓｂ(t)は定振幅分離信号であり、
2007150905.tif 000006
である。この定振幅分離信号Ｓａ(t)，Ｓｂ(t)は振幅一定（Ｅｍ／２）であり、位相φ(t)が入力信号Ｓ(t)に依存して反対方向に回転する。
【０００５】
このように、入力信号Ｓ(t)はＬＩＮＣ分離器１２によって(4)式で表される定振幅分離信号Ｓａ(t)，Ｓｂ(t)となり、特性の揃った利得Ｇの非線形増幅器１３，１４によりそれぞれ増幅されて、信号ＧＳａ(t)，ＧＳｂ(t)となる。そして、その非線形増幅器１３，１４の出力段で２信号間の差信号を信号加算器１５によって取り出すと、
2007150905.tif 000007
となり、入力信号Ｓ(t)が利得Ｇで線形増幅されていることが判る。
【０００６】
同様に考えることにより、より一般的な帯域制限された信号についても、定振幅分離信号に分離し増幅した後に合成することにより、振幅および位相変調された信号の線形増幅が可能なことが判る。
【０００７】
一般化のため、入力信号Ｓ(t)を下式のようにキャリア信号成分が位相情報θ(t)を含む信号とする。
2007150905.tif 000008
ここで、Ｅ(t)≧０であり、Ｅ(t)が(2)式で表されるとすると、
2007150905.tif 000009
となる。ここで、定振幅分離信号Ｓａ(t)，Ｓｂ(t)は、
2007150905.tif 000010
である。
【０００８】
よって、(6)式で示されるような一般的な帯域制限された入力信号Ｓ(t)であっても、これをＬＩＮＣ分離器１２で２個の定振幅分離信号に分離し、特性の揃った利得Ｇの非線形増幅器１３，１４によりそれぞれ増幅し、加算器１５により２信号間の差信号を取り出すことにより、その入力信号Ｓ(t)を利得Gで線形増幅できることが判る。
【０００９】
このように、ＬＩＮＣ増幅器では非線形増幅器１３，１４を使用するので電力効率が高くなり、しかも線形増幅されるので、無線通信システムにおいて、基地局と移動局の低消費電力化等を実現するための重要な技術として注目されている。
【非特許文献１】ID.C.COX,"Linear Amplification with Nonlinear Components",IEEE TRANSACTION ON COMMUNICATION,Vol.COM-22,pp.1942-1945,Dec.,1974
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＬＩＮＣ増幅器の問題点は入力信号の変調帯域に関わる。一般化した入力信号は(6)式の形で表現でき、帯域制限された信号を定振幅の信号に分離すると、(8)式の定振幅分離信号Ｓａ(t)，Ｓｂ(t)となる。図６のように、入力信号Ｓ(t)が位相平面上でＳ(t1)からＳ(t2)へと軌跡を描く場合、定包絡線３１上をベクトル先端が移動する定振幅分離信号Ｓａ(t)，Ｓｂ(t)の単位時間当たりの移動角度（位相変化）は、入力信号Ｓ(t)の位相面での単位時間あたりの移動角度よりも大きい場合がある。このような大きな角度の変化量は、定振幅分離信号Ｓａ(t)，Ｓｂ(t)の周波数帯域が大きく広くなることを意味する。この帯域広がりが顕著な場合は、図７に示すような信号点が位相面原点近傍を通る場合である。このように、入力信号Ｓ(t)に対して定振幅分離信号Ｓａ(t)，Ｓｂ(t)はその帯域が広くなる。図８に入力信号Ｓ(t)の周波数スペクトルを、図９に定振幅分離信号Ｓａ(t)，Ｓｂ(t)の周波数スペクトルを示した。
【００１１】
ＬＩＮＣ増幅器では、入力信号を定包絡線の軌跡上を変化する２個の定振幅分離信号に分離して増幅するが、周波数帯域がその入力信号に比較して広帯域を必要とすることになれば、たとえ定包絡線で信号の増幅が可能な非線形のユニットが実現できたとしても、各々のユニットに広帯域特性が要求されることとなり、定包絡線であることのメリットは半減することとなる。
【００１２】
以上のように、入力する信号が振幅変調だけでなく位相変調をも受けた信号である場合には、ＬＩＮＣ増幅器で増幅するときに、定振幅分離信号が元信号の原点付近を通過するほど周波数帯域が広がる問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、ＬＩＮＣ分離部に入力する信号を位相が変化せず振幅のみが変化する同相信号または直交信号に限らせ、上記した周波数帯域の広がりを抑制したＬＩＮＣ増幅器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、入力信号を定振幅の２個の信号に分離するＬＩＮＣ分離手段と、該ＬＩＮＣ分離手段で分離されたそれぞれの信号を同一の利得で増幅する同一特性の第１および第２の非線形増幅手段と、該第１および第２の非線形増幅手段の出力信号を加算する信号加算手段とからなるＬＩＮＣ増幅手段を有するＬＩＮＣ増幅器において、前記入力信号を同相信号と直交信号に分離する直交分離手段と、前記同相信号を増幅する前記ＬＩＮＣ増幅手段と同じ構成の第１のＬＩＮＣ増幅手段と、前記直交信号を増幅する前記ＬＩＮＣ増幅手段と同じ構成の第２のＬＩＮＣ増幅手段と、前記第１および第２のＬＩＮＣ増幅手段の出力信号を加算する直交加算手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のＬＩＮＣ増幅器において、前記第１のＬＩＮＣ増幅手段は前記同相信号の正から負への変化および負から正への変化時に該同相信号の定振幅分離信号の位相変化が連続し、且つ前記第２のＬＩＮＣ増幅手段は前記直交信号の正から負への変化および負から正への変化時に該直交信号の定振幅分離信号の位相変化が連続することを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のＬＩＮＣ増幅器において、前記第１のＬＩＮＣ増幅手段の前記第１および第２の非線形増幅手段並びに前記第２のＬＩＮＣ増幅手段の前記第１および第２の非線形増幅手段の前段又は後段に、それぞれ周波数変換手段を挿入したことを特徴とする。
請求項４にかかる発明は、請求項１、２又は３に記載のＬＩＮＣ増幅器において、前記第１のＬＩＮＣ増幅手段の出力信号と前記第２のＬＩＮＣ増幅手段の出力信号を取り込み直交検波する直交検波手段と、該直交検波手段の検波結果に応じて前記第１のＬＩＮＣ増幅手段の出力信号又は前記第２のＬＩＮＣ増幅手段の出力信号の位相を調整し前記直交加算手段に入力する同相信号と直交信号との直交性を補正する移相手段とを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、入力信号を同相信号と直交信号に直交分離して、それらを個々のＬＩＮＣ増幅手段によって個別に増幅しその後直交加算するため、それら同相信号と直交信号はＩ軸上あるいはＱ軸上のみを変化するので、入力信号が振幅変調だけでなく位相変化を含み元信号が原点付近を通過するときであっても、同相信号や直交信号から分離された定振幅分離信号が必要以上に周波数帯域を広げることはなく、構成要素に対する広帯域化の要求を緩和することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
[第１の実施例]
図１は本発明の第１の実施例のＬＩＮＣ増幅器の構成を示すブロック図である。１１は入力信号Ｓ(t)を直交分離して同相信号ＳI(t)と直交信号ＳQ(t)にする直交分離器、１２Ａは同相信号ＳI(t)を定振幅分離信号ＳIa(t)、ＳIb(t)に分離するＬＩＮＣ分離器、１２Ｂは直交信号ＳQ(t)を定振幅分離信号ＳQa(t)、ＳQb(t)に分離するＬＩＮＣ分離器、１３Ａ，１３Ｂ，１４Ａ，１４Ｂは利得Ｇで特性が揃った非線形増幅器、１５Ａは信号ＧＳIa(t)と信号ＧＳIb(t)を加算する信号加算器、１５Ｂは信号ＧＳQa(t)と信号ＧＳQb(t)を加算する信号加算器、１６は信号ＧＳI(t)と信号ＧＳQ(t)を直交加算する直交加算器である。つまり、本実施例は、入力信号を同相信号と直交信号に２分割して振幅成分のみが変化するようにしてからそれぞれの分割信号をＬＩＮＣ方式で増幅することにより、信号の周波数帯域を必要以上に広げないようにしたものである。
【００１７】
入力信号Ｓ(t)を複素数表現に直して、
2007150905.tif 000011
と変形すると、入力信号Ｓ(t)はベースバンド信号成分Ｅ(t)cosθ(t)＋ｊＥ(t)sinθ(t)でキャリア信号成分cosω0(t)を変調していることが分かる。そこで、本実施例では、入力信号を実数部（同相信号）と虚数部（直交信号）に２分し、その２分された信号に対して各々ＬＩＮＣ方式の増幅を行い、最後に直交加算する。
【００１８】
このようにした場合、同相信号ＳI(t)、直交信号ＳQ(t)は、
2007150905.tif 000012
となる。ここで、同相信号ＳI(t)、直交信号ＳQ(t)は各々振幅成分のみとなり、位相成分を含まない。従って、このように入力信号Ｓ(t)を直交する同相信号ＳI(t)、直交信号ＳQ(t)に分離することにより、急激な位相変化（信号が位相平面で原点近傍を通過する際に生じる）は、各々の同相信号ＳI(t)、直交信号ＳQ(t)には発生しない。
【００１９】
図２はこれを説明する位相平面図である。入力信号Ｓ(t)が図２(a)に示すような場合、その信号Ｓ(t)は同相信号ＳI(t)、直交信号ＳQ(t)に分離されるが、同相信号ＳI(t)はＩ軸上において振幅を正又は負方向に増減するのみであるので、図２(b)に示すように、そのＬＩＮＣ分離成分である定振幅分離信号ＳIa(t)、ＳIb(t)もその位相は大きく変化しない。また直交信号ＳQ(t)はＱ軸上において振幅を正又は負方向に増減するのみであるので、図２(c)に示すように、そのＬＩＮＣ分離成分である定振幅分離信号ＳQa(t)、ＳQb(t)もその位相は大きく変化しない。以下、詳しく説明する。
【００２０】
ここで、従来例(1)式に対する(2)式とは異なり、(10)式を変形して、
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とおく。さらに、
2007150905.tif 000014
とおく。ここで、
2007150905.tif 000015
とする。
【００２１】
このようにすることにより、位相面の原点を通過する信号の場合、すなわち、「ＥI(t)、ＥQ(t)が正から負、もしくは、負から正への変化」に対して、(12)式で汎関数ＥI(t)、ＥQ(t)を決める関数ρ(t)、σ(t)は(13)式の範囲で連続となる。また、原点を通過する際の位相変化は、ρ(t)、σ(t)がπ／２を通過するときの変化であるため、汎関数を構成する関数ρ(t)、σ(t)においても、急激な位相変化は無い。
【００２２】
(12)式を(11)式に代入すると、
2007150905.tif 000016
となる。ここで、
2007150905.tif 000017
となる。(16)式、(17)式は定振幅分離信号である。
【００２３】
このように、(9)式で与えられる入力信号Ｓ(t)は(10)式で与えられる同相信号ＳI(t)、直交信号ＳQ(t)に分割でき、これらの同相信号ＳI(t)、直交信号ＳQ(t)は各々(16)式、(17)式で与えられる定振幅分離信号とすることができる。
【００２４】
以上により、定振幅分離信号ＳIa(t)、ＳIb(t)、ＳQa(t)、ＳQb(t)を利得がＧで特性の揃った非線形増幅器１３Ａ，１４Ａ，１３Ｂ，１４Ｂで増幅し、ＳIa(t)とＳIb(t)、ＳQa(t)とＳQb(t)を信号加算器１５Ａ，１５Ｂで各々加算し、その加算信号を直交加算器１６で直交加算することにより、入力信号をＧ倍に増幅することができ、このとき帯域が大きく広がることはない。
【００２５】
[第２の実施例]
図３は第２の実施例のＬＩＮＣ増幅器の構成を示すブロック図である。ここでは、非線形増幅器１３Ａ，１４Ａ，１３Ｂ，１４Ｂの前段に乗算器１７Ａ，１８Ａ，１７Ｂ，１８Ｂを挿入し、発振器１９からキャリア信号cosωa(t)を入力して周波数変換を行うようにしている。このうように、各々周波数変換してからＲＦ信号で加算及び直交加算することもできる。なお、乗算器１７Ａ，１８Ａ，１７Ｂ，１８Ｂは、非線形増幅器１３Ａ，１４Ａ，１３Ｂ，１４Ｂの後段に挿入してもよい。
【００２６】
[第３の実施例]
図４は第３の実施例のＬＩＮＣ増幅器の構成を示すブロック図である。ここでは、直交加算器１６に入力する信号ＧＳI(t)とＧＳQ(t)の直交性を直交検波器２０で検出して、その検出信号を積分器２１で積分し、その結果により、信号加算器１５Ａの後段に挿入した移相器２２によって一方の信号ＧＳQ(t)の位相を制御し、信号ＧＳI(t)とＧＳQ(t)の直交性を補正できるようにしたものである。なお、移相器２２を信号加算器１５Ａの後段に挿入して、他方の信号ＧＳQ(t)の位相を制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施例のＬＩＮＣ増幅器のブロック図である。
【図２】図１の動作説明用のベクトル図である。
【図３】本発明の第２の実施例のＬＩＮＣ増幅器のブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施例のＬＩＮＣ増幅器のブロック図である。
【図５】従来のＬＩＮＣ増幅器のブロック図である。
【図６】図５のＬＩＮＣ増幅器の動作説明用のベクトル図である。
【図７】図５のＬＩＮＣ増幅器の動作説明用のベクトル図である。
【図８】入力信号の周波数スペクトル図である。
【図９】図５のＬＩＮＣ増幅器内部信号の周波数スペクトル図である。
【符号の説明】
【００２８】
１１：直交分離器
１２，１２Ａ，１２Ｂ：ＬＩＮＣ分離器
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１４，１４Ａ，１４Ｂ：非線形増幅器
１５，１５Ａ，１５Ｂ：信号加算器
１６：直交加算器
１７Ａ，１７Ｂ，１８Ａ，１８Ｂ：乗算器
１９：発振器
２０：直交検波器
２１：積分器
２２：移相器
３１：定包絡線
【図１】
2007150905.tif 000018
【図２】
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【図３】
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【図４】
2007150905.tif 000021
【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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