(57)【要約】      （修正有）【課題】電力増幅素子のゲインのバラツキによる偶数次歪を低減することによって、偶数次歪除去用（大電力対応）の可変ＬＰＦを小型化する電力増幅装置を提供する。【解決手段】電力増幅器から出力された信号の一部を取り出す方向性結合器と、方向性結合器から入力された信号の分配を行う分配器と、分配器から分配された信号から基本波以外を除去する基本波用の可変ＬＰＦと、分配器から入力された信号から２倍波以外を除去する２倍波用の可変ＢＰＦと、可変ＬＰＦから出力されＡ／Ｄ変換された信号から奇数次歪を、可変ＢＰＦから出力されＡ／Ｄ変換された信号から偶数次歪を検出する歪検出部と、歪検出部からの奇数次歪情報に応じて前置歪補償部を制御する奇数次歪制御部と、歪検出部からの偶数次歪情報に応じて電力増幅器のゲインを調整するゲイン調整部を制御する偶数次歪制御部と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力増幅器の非線型性によって生じる相互変調歪を補償するための前置歪補償部を有する電力増幅装置において、
前記電力増幅器から出力された信号の一部を取り出す方向性結合器と、
前記方向性結合器から入力された信号の分配を行う分配器と、
前記分配器から分配された信号から基本波以外を除去する基本波用の可変ＬＰＦと、
前記分配器から入力された信号から２倍波以外を除去する２倍波用の可変ＢＰＦと、
前記可変ＬＰＦから出力されＡ／Ｄ変換された信号から奇数次歪を、前記可変ＢＰＦから出力されＡ／Ｄ変換された信号から偶数次歪を検出する歪検出部と、
前記歪検出部からの前記奇数次歪情報に応じて前記前置歪補償部を制御する奇数次歪制御部と、
前記歪検出部からの前記偶数次歪情報に応じて前記電力増幅器のゲインを調整するゲイン調整部を制御する偶数次歪制御部と、を有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において、前記ゲイン調整部は、抵抗切り替え方法またはＰＩＮダイオードを用いた方法でゲインの調整を行うことを特徴とする電力増幅装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電力増幅装置において、当該電力増幅装置は、ＨＦ帯の通信機器に用いられることを特徴とする電力増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信の通信機器に広く用いられる電力増幅装置に関し、特に、電力増幅器の非線型性によって生じる相互変調歪を補償する前置歪補償（プリディストーション：ＰＤ）を行う電力増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来のＨＦ帯の通信機器に用いられる電力増幅装置の構成の一例を示すブロック図である。
従来のＨＦ帯の電力増幅装置は、図５に示すように、励振増幅器２と、ｎ分配及びインピーダンス変換トランス３、ＡＭＰ（１）４、ＡＭＰ（ｎ）５及びＮ合成及びインピーダンス変換トランス６を有するＨＦ帯電力増幅器ユニット７と、可変ＬＰＦ（Low  Pass  Filter）８と、ＣＰＵ２９とから構成されている。なお、本例では、ＡＭＰ（増幅器）の構成をＡＭＰ（１）４とＡＭＰ（ｎ）５の２個（ｎ＝２）としているが、ｎが３個以上の構成としてもよい。
【０００３】
従来のＨＦ帯の電力増幅装置では、入力端子１からＨＦ帯ＲＦ信号が入力され、その信号が励振増幅器２で増幅された後、ＨＦ帯電力増幅器ユニット７に入力される。ＨＦ帯電力増幅器ユニット７で増幅された信号は、入力端子３２から入力された周波数情報に基づいてＣＰＵ２９が可変ＬＰＦ８を制御することにより、可変ＬＰＦ８で不要な高調波を除去した後、出力端子９から出力される。
【０００４】
しかし、従来のＨＦ帯の電力増幅装置における増幅後の信号の出力特性は、ＨＦ帯電力増幅素子の非線形歪や素子のゲインのバラツキなどにより、奇数次歪の多い出力波形［１］（図６参照）や奇数次歪及び偶数次歪の両方が多い出力波形［２］（図７参照）や奇数次歪及び偶数次歪の両方が多い出力波形［３］（図８参照）になってしまう。この特性を周波数成分で表すと、奇数次歪（相互変調歪）や偶数次歪（高調波歪）の多いスペクトルとなる。図９（ａ）は奇数次歪改善前のスペクトルの例を示しており、また、図１０（ａ）は偶数次歪改善前のスペクトルの例を示している。
【０００５】
そこで、電力増幅装置における歪成分を軽減するための方式がいくつか提案されているが、歪補償手段の一つであるプリディストーション方式の歪補償について、図１１を参照して説明する。図１１は、従来のプリディストーション歪補償機能を備えた電力増幅装置の構成の一例を示すブロック図である。
従来のプリディストーション歪補償機能を備えた電力増幅装置は、図１１に示すように、プリディストータ１０１と、Ｄ／Ａ変換器１０２と、直交変調器１０３と、発信器１０４と、電力増幅器１０５と、方向性結合器１０６と、ミキサ１０７と、発信器１０８と、Ａ／Ｄ変換器１０９と、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部１１０とＩＭ演算部１１１を有する歪検出部１１２と、制御部１１８とから構成されている。
【０００６】
従来のプリディストーション歪補償機能を備えた電力増幅装置では、電力増幅器１０５の非線形歪を補償するプリディストータ１０１を設け、歪検出部１１２で検出した歪値が小さくなるようにプリディストータ１０１を適応的に制御する。歪検出部１１２は、方向性結合器１０６により取り出した電力増幅器１０５出力の信号をミキサ１０７にてＩＦ周波数にダウンコンバートし、Ａ/Ｄ変換器１０９でディジタル信号に変換した後、ＦＦＴ部１１０でスペクトラムを求め、ＩＭ演算部１１１で変調信号のキャリア数とその離調周波数から計算される３次相互変調歪（ＩＭ３）、５次相互変調歪（ＩＭ５）の周波数における電力値を歪値とする。
【０００７】
次に、図１２にプリディストータ１０１のブロック図を、また、図１３に制御部１１８のフローチャートを示し、電力増幅装置の動作を説明する。
なお、電力増幅器１０５の非線形特性が相互変調歪として現れるのは、奇数次歪であるため、電力増幅器１０５の非線形の逆特性を付加するプリディストータ１０１からの出力信号は、以下の（式１）で近似できる。
【数１】
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ここでｘ、ｙはプリディストータ１０１の入力信号及び出力信号で複素数である。制御部１１８は、歪検出部１１２で得られた歪値が小さくなるように摂動法を用いて、α、β、γの値を制御する。また、α、β、γは複素数で、以下の（式２）で示すように、
α＝Ａ３＊ｅｘｐ（ｊ＊Φ３）
β＝Ａ５＊ｅｘｐ（ｊ＊Φ５）                          ・・・（式２）
γ＝Ａ７＊ｅｘｐ（ｊ＊Φ７）
と表され、αはＡ３とΦ３で、βはＡ５とΦ５で、γはＡ７とΦ７で決まる。これらの係数をΦ３→Ａ３→Φ５→Ａ５→Φ７→Ａ７→Φ３・・・という順番で変化させ、歪値が小さくなるようにα、β、γの値を更新する。
【０００８】
次に、図１３を参照して、従来のプリディストーション歪補償機能を備えた電力増幅装置の制御部１１８の動作について詳細に説明する。
先ず、制御部１１８は、更新対象係数、設定回数及び前回の歪値等の初期設定を行い（ステップＳ１０１）、更新する対象の係数ＫをΦ３に設定し、歪検出部１１２で計算された歪値を、前回の歪値と比較する（ステップＳ１０２）。
ここで、前回の歪値に比べて歪値が小さくなっていれば「ＹＥＳ」、更に同じ方向に係数を更新（Ｋ＝Ｋ＋Ｓｔｅｐ）し（ステップＳ１０４）、歪値が大きくなっていれば「ＮＯ」、更新方向を反転（Ｓｔｅｐ＝Ｓｔｅｐ＊（−１））させた後（ステップＳ１０３）に係数の更新を行う。
【０００９】
次に、同じ係数Φ３を連続して何回更新したかをカウントし（ステップＳ１０５）、検出した歪値を保存する（ステップＳ１０６）（次回の歪値比較で用いる）。
次に、更新回数とあらかじめ設定してした設定回数を比較し（ステップＳ１０７）、更新回数が設定回数以下であれば「ＮＯ」、ステップＳ１０２に戻りΦ３の係数更新を繰り返す。また、更新回数が設定回数を超えると「ＹＥＳ」、更新対象係数を変更する（ステップＳ１０８）。つまり、ＫをΦ３からＡ３に変更し、更新回数をクリアする（ステップＳ１０９）。
このような制御の流れで歪値が小さくなるようにプリディストータ１０１の係数を制御する。このような摂動法により、電力増幅器における非線形の逆特性を、べき級数を用いたプリディストータ１０１で近似することにより、歪補償が可能となる。
【００１０】
特許文献１には、電力増幅器の前置歪み補償を行う場合に、正確かつ高速に歪み補償信号を生成することで、歪み補償の精度を向上し、かつ、収束時間を短縮する歪み補償回路、歪み補償信号生成方法、及び電力増幅器が開示されている。また、特許文献１には、電力増幅器の入力信号と出力信号との差分を取った誤差信号と、その入力信号とから、３次相互変調歪みに関わる係数と５次相互変調歪みに関わる係数と７次相互変調歪みに関わる係数を算出し、その係数に応じて前記相互変調歪みの位相および利得について逆特性となる歪み補償信号を生成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−１８３６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１を含め、従来のＨＦ帯の電力増幅装置では、偶数次歪を意図的に制御することなく、使用する電力増幅素子を選別して、できるだけ特性の近い電力増幅素子を組み合わせて構成するようにしている。
しかし、電力増幅素子のバラツキにより、高次歪が予想以上に発生してしまうという問題がある。
そのため、スプリアスの規格（電波法）を満たすために、出力側に取り付ける可変型ＬＰＦの減衰量を多くとる必要がある。このため大電力の場合、コイルとコンデンサがかなり大きくなり、スペースの確保と装置コストに影響がでてしまう。
【００１３】
本発明は、このような従来の事情に鑑みなされたものであり、電力増幅素子のゲインのバラツキによる偶数次歪を低減することによって、偶数次歪除去用（大電力対応）の可変ＬＰＦの小型化を実現することができ、さらに、一般的な歪補償器と組み合わせることで奇数次歪も除去することが可能な電力増幅装置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】
【００１４】
上記目的を達成するための本発明に係る電力増幅装置は、電力増幅器の非線型性によって生じる相互変調歪を補償するための前置歪補償部を有する電力増幅装置において、前記電力増幅器から出力された信号の一部を取り出す方向性結合器と、前記方向性結合器から入力された信号の分配を行う分配器と、前記分配器から分配された信号から基本波以外を除去する基本波用の可変ＬＰＦと、前記分配器から入力された信号から２倍波以外を除去する２倍波用の可変ＢＰＦと、前記可変ＬＰＦから出力されＡ／Ｄ変換された信号から奇数次歪を、前記可変ＢＰＦから出力されＡ／Ｄ変換された信号から偶数次歪を検出する歪検出部と、前記歪検出部からの前記奇数次歪情報に応じて前記前置歪補償部を制御する奇数次歪制御部と、前記歪検出部からの前記偶数次歪情報に応じて前記電力増幅器のゲインを調整するゲイン調整部を制御する偶数次歪制御部と、を有することを特徴とする。
【００１５】
また、上記目的を達成するための本発明に係る電力増幅装置は、上記した電力増幅装置において、前記ゲイン調整部は、抵抗切り替え方法またはＰＩＮダイオードを用いた方法でゲインの調整を行うことを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的を達成するための本発明に係る電力増幅装置は、上記した電力増幅装置において、当該電力増幅装置は、ＨＦ帯の通信機器に用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電力増幅素子のゲインのバラツキによる偶数次歪を低減することによって、偶数次歪除去用（大電力対応）の可変ＬＰＦの小型化を実現することができ、さらに、一般的な歪補償器と組み合わせることで奇数次歪も除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力増幅装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１におけるゲイン調整部２１，２２の一例を示す図である。
【図３】図１におけるゲイン調整部２１，２２の他の例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電力増幅装置における増幅後の出力特性で、奇数次歪及び偶数次歪の調整後の出力波形の例を示す図である。
【図５】従来のＨＦ帯の通信機器に用いられる電力増幅装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図６】従来のＨＦ帯の電力増幅装置における増幅後の出力特性で、奇数次歪の多い出力波形［１］の例を示す図である。
【図７】従来のＨＦ帯の電力増幅装置における増幅後の出力特性で、奇数次歪及び偶数次歪の両方が多い出力波形［２］の例を示す図である。
【図８】従来のＨＦ帯の電力増幅装置における増幅後の出力特性で、奇数次歪及び偶数次歪の両方が多い出力波形［３］の例を示す図である。
【図９】奇数次歪改善前後のスペクトルの例を示す図である。
【図１０】偶数次歪改善前後のスペクトルの例を示す図である。
【図１１】従来のプリディストーション歪補償機能を備えた電力増幅装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１２】図１１におけるプリディストータ１０１の構成の一例を示すブロック図である。
【図１３】図１１における制御部１１８の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態に係る電力増幅装置について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電力増幅装置の構成の一例を示すブロック図である。なお、図５と同様の構成には、同一の部番を付している。
本発明の一実施形態に係る電力増幅装置は、図１に示すように、奇数次歪補償部及び偶数次歪補償部３１と、励振増幅器２と、ＨＦ帯電力増幅器ユニット４１と、方向性結合器１１と、可変ＬＰＦ８（Low  Pass  Filter）と、分配器２６と、可変ＬＰＦ１２と、Ａ／Ｄ変換器１３と、可変ＢＰＦ（Band  Pass  Filter）２７と、Ａ／Ｄ変換器２８と、歪検出部１４とから構成されている。
【００２０】
また、奇数次歪補償部及び偶数次歪補償部３１は、プリディストータ１５と、周波数変換部１６と、Ｄ／Ａ変換器１７と、奇数次歪制御部１８と、偶数次歪制御部２５と、Ｄ／Ａ変換器２３と、Ｄ／Ａ変換器２４と、ＣＰＵ３３と、ＥＥＰＲＯＭ３０とから構成されている。
また、ＨＦ帯電力増幅器ユニット４１は、ｎ分配及びインピーダンス変換トランス３と、ＡＭＰ（１）４と、ＡＭＰ（ｎ）５と、Ｎ合成及びインピーダンス変換トランス６と、ゲイン調整部２１と、ゲイン調整部２２とから構成されている。なお、本実施例では、ＡＭＰ（増幅器）の構成をＡＭＰ（１）４とＡＭＰ（ｎ）５の２個（ｎ＝２）としているが、ｎが３個以上の構成とし、その数に応じてゲイン調整部を設けるようにしてもよい。
【００２１】
つまり、本発明の電力増幅装置は、従来のＨＦ帯電力増幅装置（図５）と従来型プリディストーション歪補償回路を組み合わせた構成に、以下の構成を追加したものである。
歪成分を含んだ信号を取り出す方向性結合器１１と、取り出した信号を分配する分配器２６と、その信号から基本波以外を除去する基本波用の可変ＬＰＦ１２と、２倍波以外を除去する２倍波用の可変ＢＰＦ２７と、アナログ信号からディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１３及び２８と、歪検出部１４と、奇数次歪補償部及び偶数次歪補償部３１と、ゲイン調整部２１及び２２を追加したものである。
【００２２】
次に、本発明の一実施形態に係る電力増幅装置の動作について、図１を参照して説明する。
最初に、奇数次歪を改善する方法について説明する。
図１１での説明と同様に、ＨＦ帯電力増幅器ユニット４１における非線形歪の逆特性を、べき級数を用いたプリディストータ１５で近似することにより、歪補償が可能である。
方向性結合器１１で取り出した信号は分配器２６で分配され、基本波以外を除去する基本波用の可変ＬＰＦ１２に入力される。その後、Ａ／Ｄ変換器１３でＡ／Ｄ変換された信号を歪検出部１４で検出し、奇数次歪制御部１８に渡す。奇数次歪制御部１８は奇数次歪が少なくなるようにプリディストータ１５を調整する。調整後の特性は、図９（ｂ）に示すように、奇数次歪が改善されたスペクトルとなる。
【００２３】
次に、偶数次歪を改善する方法について説明する。
方向性結合器１１で取り出した信号は分配器２６で分配され、２倍波以外を除去する２倍波用の可変ＢＰＦ２７に入力される。その後、Ａ／Ｄ変換器２８でＡ／Ｄ変換された信号を歪検出部１４で検出し、偶数次歪制御部２５に渡す。偶数次歪制御部２５は偶数次歪が少なくなるようにゲイン調整部２１及び２２をＤ／Ａ変換器２３及び２４を経由して調整する。調整後の特性は、図１０（ｂ）に示すように、偶数次歪が改善されたスペクトルとなる。
【００２４】
上記したように、奇数次歪と偶数次歪を調整することにより、波形歪が改善され、図４に示す出力波形となる。
なお、ゲイン調整部２１及び２２は、図２または図３のように、例えば、抵抗切り替え方法やＰＩＮダイオードを用いた方法でゲイン調整を実現することができる。
さらに、ＣＰＵ３３とＥＥＰＲＯＭ３０も備えているため、歪パラメータを保持したり、呼び出したり、周波数ごとのテーブルを持ったりすることが可能であり、ＨＦ帯のような広い周波数帯に対応できるような構成となっている。さらに、外部より周波数情報と信号情報も受け取ることが可能であり、周波数ごとに情報（歪パラメータ）やフィルタ特性などを切り替え可能である。
【００２５】
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る電力増幅装置によれば、電力増幅素子のゲインのバラツキによる偶数次歪を低減することによって、偶数次歪除去用（大電力対応）の可変ＬＰＦの小型化を実現することができ、さらに、一般的な歪補償器と組み合わせることで奇数次歪も除去することができる。
【００２６】
なお、上記した実施形態の構成及び動作は例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実行することができることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００２７】
１：入力端子、２：励振増幅器、３：ｎ分配及びインピーダンス変換トランス、４：ＡＭＰ（１）、５：ＡＭＰ（ｎ）、６：Ｎ合成及びインピーダンス変換トランス、７：ＨＦ帯電力増幅器ユニット、８：可変ＬＰＦ、９：出力端子、１１：方向性結合器、１２：可変ＬＰＦ、１３：Ａ／Ｄ変換器、１４：歪検出部、１５：プリディストータ、１６：周波数変換部、１７：Ｄ／Ａ変換器、１８：奇数次歪制御部、２１：ゲイン調整部、２２：ゲイン調整部、２３：Ｄ／Ａ変換器、２４：Ｄ／Ａ変換器、２５：偶数次歪制御部、２６：分配器、２７：可変ＢＰＦ、２８：Ａ／Ｄ変換器、２９：ＣＰＵ、３０：ＥＥＰＲＯＭ、３１：奇数次歪補償部及び偶数次歪補償部、３２：入力端子、３３：ＣＰＵ、４１：ＨＦ帯電力増幅器ユニット、１０１：プリディストータ、１０２：Ｄ／Ａ変換器、１０３：直交変調器、１０４：発信器、１０５：電力増幅器、１０６：方向性結合器、１０７：ミキサ、１０８：発信器、１０９：Ａ／Ｄ変換器、１１０：ＦＦＴ部、１１１：ＩＭ演算部、１１２：歪検出部、１１８：制御部。
【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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