(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力無線信号を２つの出力端に分配する分配器と、
その分配器の一方の出力端に一端が接続された主増幅器信号経路と、
上記分配器の他方の出力端に一端が接続された線形信号経路と、
上記主増幅器信号経路に挿入された主増幅器と、
上記主増幅器信号経路及び上記線形信号経路の一方に挿入された第１遅延線路と、
上記主増幅器信号経路及び上記線形信号経路の他方に挿入された第１位相調整器と、
上記主増幅器信号経路と上記線形信号経路の各他端に２つの入力端が接続され、一方の出力端に上記主増幅器信号経路の出力信号の一部を出力し、上記主増幅器信号経路の出力信号の一部と上記線形信号経路の出力信号とを逆相合成して、上記主増幅器で発生した歪成分を他方の出力端に出力する分配合成器と、
上記分配合成器の一方の出力端に一端が接続された第２遅延線路と、
上記分配合成器の他方の出力端に一端が接続された第２振幅位相調整器と、
その第２振幅位相調整器の他端に入力端が接続された補助増幅器と、
上記第２遅延線路の他端に接続された第１アンテナと、
上記補助増幅器の出力端に接続され、上記第１アンテナの放射電波と空間的に合成される電波を放射する第２アンテナと
を具備することを特徴とする増幅装置。
【請求項２】
複数の入力無線信号を分配、合成するビーム形成回路と、
そのビーム形成回路のＮ（Ｎは２以上の整数）個の出力端にそれぞれ接続されたＮ個の分配回路と、
これらＮ個の分配回路の各一方の出力端にそれぞれ一端が接続されたＮ個の第１遅延線路と、
上記Ｎ個の分配回路の各他方の出力端にそれぞれ一端が接続されたＮ個の第１振幅位相調整器と、
上記Ｎ個の遅延線路の各他端に入力端がそれぞれ接続されたＮ個の主増幅器と、
これらＮ個の主増幅器の出力端に一方の入力端がそれぞれ接続され、上記Ｎ個の第１振幅位相調整器の他端に他方の入力端が接続され、主増幅器の出力信号の一部が一方の出力端へ出力され、かつ主増幅器の出力信号の一部と第１振幅調整器からの信号を各々逆相で合成して主増幅器で発生した歪成分を他方の出力端へ出力するＮ個の分配合成器と、
これらＮ個の分配合成器の一方の出力端に一端がそれぞれ接続されたＮ個の第２遅延線路と、
これらＮ個の第２遅延線路の他端にそれぞれ接続されたＮ個の第１アンテナ１１と、
上記Ｎ個の分配合成器の他方の出力端にそれぞれ一端が接続されたＮ個の第２振幅位相調整器と、
これらＮ個の第２振幅位相調整器の他端にＮ個の入力端がそれぞれ接続され、そのＮ個の入力端に入力される信号を合成して出力端へ出力する合成器と、
その合成器の出力端に入力端が接続された補助増幅器と、
その補助増幅器の出力端に接続され、上記Ｎ個の第１アンテナから放射される電波と空間的に合成する電波を放射する第２アンテナと、
を具備することを特徴とする増幅装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の増幅装置において、
上記第１アンテナ及び上記第２アンテナの放射合成電波を受信する受信機と、その受信機の受信情報を上記増幅装置へ伝送する伝送手段と、その伝送手段により伝送された受信情報に基づき、上記振幅位相調整器を調整する制御器とを備えることを特徴とする増幅装置。
【請求項４】
請求項２記載の増幅装置において、
上記第２アンテナに対する上記Ｎ個の第１アンテナとの間の各距離が互いに等しくされ、上記Ｎ個の第１アンテナはアレーアンテナを構成していることを特徴とする増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は主として高周波帯で使用される線形増幅装置であって、主増幅器の非線形特性に基づく歪成分を検出してその歪成分を補助増幅器により増幅した後、主増幅器の出力信号と合成して歪成分の相殺を行うフィードフォワード増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信用送信装置の出力段に用いられる複数の無線（高周波）信号を共通に増幅する高出力増幅装置においては、高出力増幅装置の有する非線形性により次に記す運用上の制限が必要となる。
一般に高出力増幅装置は入力電力が上昇し出力飽和点に近づくに従い歪発生量が増加するので、動作点をより低い入力レベルに下げて動作させる。出力飽和点から動作点を下げることをバックオフといい、そのレベル低下量をバックオフ量という。ここでは、入力に対する出力電力が線形的であると予想される点から２ｄＢ下の点である、２ｄＢ−Compression pointを出力飽和点として考える。一方、高出力増幅装置は動作点が出力飽和点近傍動作時に、電力効率と出力電力が最大となり、動作点を下げる（バックオフ量を大きくする）ほど電力効率と出力電力が低くなる。そこで、歪補償回路を用いて高出力増幅装置で発生する歪量の低減を図り、通信条件を満足する歪発生量以下となるバックオフ量を小さくし、効率の高い動作点で高出力増幅装置を運用することが行われている。
【０００３】
従来様々な歪補償方法が提案されているが、フィードフォワード増幅装置は歪の補償量が大きく、プリディストーション型やフィードバック型に比べ帯域も広いため、移動体通信の基地局の増幅装置として用いられている。従来のフィードフォワード増幅装置の例を図６に示す。入力端子１１よりの無線信号は分配器１２により主増幅器信号経路１３と線形信号経路１４とに分配されて分配合成器１５へ供給される。主増幅器信号経路１３には主増幅器１６が挿入され、更にこの例では振幅位相調整器１７が主増幅器１６の前段側に挿入されている。線形信号経路１４には遅延線路１８が挿入されている。分配合成器１５の一方の出力端よりの主増幅器出力信号は遅延線路１９を通じて合成器２１へ供給され、分配合成器１５の他方の出力端よりの歪成分は振幅位相調整器２２を通じ、更に補助増幅器２３で増幅されて合成器２１へ供給され、合成器２１の出力はアンテナ２４へ供給される。
【０００４】
主増幅器１６で発生した相互変調歪成分のみを、分配合成器１５から取り出して補助増幅器２３で増幅し、主増幅器１６の出力と補助増幅器２３の出力を合成器２１で合成する際に相互変調歪成分が逆相となり打消しあうように各振幅位相調整器１７，２２を調整する。例えば図７に示すように２波の無線信号Ｓ１，Ｓ２が入力され、主増幅器１６の出力に信号Ｓ１，Ｓ２以外に歪成分Ｄが発生する。分配合成器１５の一方の出力には、信号Ｓ１，Ｓ２が互いに逆位相で打消され、歪成分Ｄのみが得られ、補助増幅器２３の出力の歪成分Ｄは遅延線路１９の出力信号中の歪成分Ｄと同振幅逆位相とされ、合成器２１、この例では３ｄＢ方向性結合器で両信号が合成され、歪成分Ｄが相殺され、主として無線信号Ｓ１，Ｓ２が出力される。
【０００５】
なお分配合成器１５で歪成分Ｄのみが得られるように逆位相合成は振幅位相調整器１７による調整の他に、分配器１２又は分配合成器１５における入出力端子間の移相量を適当に設定することにより実現するか、主増幅器１６での位相反転を利用するなどの方法で実現する。
しかし、従来のフィードフォワード増幅装置では主増幅器１６の出力と補助増幅器２３の出力とを合成する合成器２１を用いるため、合成器２１で電力損失が生じるという問題点がある。例えば合成器２１での電力損失が１０％の場合、主増幅器１６の信号出力が１ｋＷとすると合成器２１で１００Ｗの電力が失われ熱に変る。
【０００６】
例えば一般的な合成器２１として図７に示すように３ｄＢ方向性結合器を用いた場合、相互変調歪は抵抗素子２５で熱に変るが、信号成分の約半分も、抵抗素子２５で熱に変ってしまう。主増幅器１６の信号出力が１ｋＷの場合５００Ｗは熱に変り、アンテナ２４での出力は５００Ｗしか得られない。
また、主増幅器１６の信号成分の低減を抑えるため、図８に示すように合成器２１として１０ｄＢ方向性結合器を用いた場合、主増幅器１６の損失は小さいが、主増幅器１６の相互変調歪成分を打消すために補助増幅器２３で増幅する相互変調歪成分Ｄは主増幅器１６の出力の相互変調歪成分よりも１０ｄＢ高いレベルが要求される。このため補助増幅器２３はより高い飽和出力が必要となり、補助増幅器２３にかかる電力が増大する。電力効率が最も高くなる出力飽和点近傍では信号対歪比が１２ｄＢ程度となる。このような飽和点近傍の歪を１０ｄＢ方向性結合器を用いたフィードフォワード増幅装置で補償する場合、補助増幅器２３は主増幅器１６と同程度の飽和出力が必要となる。さらに、補助増幅器２３にかかる電力は全て熱となる。
【０００７】
これは特に通信衛星搭載増幅装置のようにｋＷ級の大電力が要求され、電力容量、排熱容量が限られたシステムでは非常に問題となる。
また、従来のフィードフォワード増幅装置は主増幅器１台に対し補助増幅器を１台用いていたため、軽量化が求められる衛星搭載用アクティブフェーズドアレーアンナテ用増幅器としては適さないという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、従来のフィードフォワード増幅装置で生じた主増幅器の出力と補助増幅器の出力とを合成する電力合成器での電力損失をなくし、または補助増幅器に必要な電力を低減し、高効率かつ低歪の増幅装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明はフィードフォワード増幅装置において主増幅器の出力と補助増幅器の出力とを、合成器を用いず、各々アンテナより電波として空間に放射し、空間的に合成する。この際に信号成分のメインビーム（電波主ビーム）方向において歪成分が逆相で合成され、歪成分が低減される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に請求項１記載の発明の実施例を示し、図６と対応する部分に同一参照番号を付けてある。
この実施例では遅延線路１９の出力側がアンテナ３１に接続され、補助増幅器２３の出力側がアンテナ３２に接続される。
アンテナ３１とアンテナ３２から放射された複数無線信号および相互変調歪が空間的に合成し、所望の信号伝送方向において、相互変調歪成分を、空間的に逆相で合成させることにより低減させる。
【００１１】
図６に示した従来のフィードフォワード増幅装置における、主増幅器の出力と補助増幅器の出力とを合成する合成器を用いないで、主増幅器の出力と補助増幅器の出力を各々アンテナ３１とアンテナ３２に供給して空間的に合成し、所望の信号伝送方向において歪成分が低減するように振幅位相調整器２２を調整する。
図２に示すように、主増幅器信号経路１３に遅延線路１８を挿入し、線形信号経路１４に振幅位相調整器１７を挿入してもよい。
次にＮ台の主増幅器で発生した歪成分を１台の補助増幅器の出力で、打消すことを空間的に電力合成により行う実施例を説明する。
【００１２】
複数の増幅器を用いてアクティブフェーズドアレーアンテナシステムを構成する場合、図９に示すように、複数の入力信号はビーム形成回路３４により、振幅・位相が設定されて各増幅器３５−１〜３５−Ｎへ供給される。このような場合、信号成分の位相を増幅器３５−１〜３５−Ｎの内部で調整する回路構成は望ましくない。この点より図１に示したように、主増幅器１６の前段に振幅位相調整器１７を用いるのは好ましくなく、図２に示したように主増幅器信号経路１３には遅延線路１８を挿入し、線形信号経路１４に振幅位相調整器１７を挿入する。このため歪成分の検出、歪成分の相殺のための振幅・位相調整の際に、主増幅器に入力する信号成分の振幅・位相が変化しない回路構成となっている。
【００１３】
この場合の実施例を図３に示す。
入力された複数の無線信号ビーム形成回路３４で分配、合成され、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の信号として出力される。これらＮ個の出力信号はＮ個の分配器１２−１〜１２−Ｎへ供給される。各分配器１２−ｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）より後段は、図２に示した構成に対し、補助増幅器２３及びアンテナ３２が省略されている以外は同様に構成される。つまり各分配器１２−ｉに対し、遅延線路１８−ｉ−主増幅器１６−ｉと振幅位相調整器１７−ｉが接続され、これらの出力側に分配合成器１５−ｉが接続され、この分配合成器１５−ｉに対し遅延線路１９−ｉ−アンテナ３１−ｉと振幅位相調整器２２−ｉとが接続されている。
【００１４】
この実施例ではＮ個の振幅位相調整器２２−１〜２２−Ｎよりの各歪成分は合成器４１で合成されて補助増幅器２３に供給され、補助増幅器２３の出力がアンテナ３２より電波として放射される。
アンテナ３１−１〜３１−Ｎからの放射された各無線信号電波とアンテナ３２から放射された相互変調歪成分電波とが空間的に合成され、所望の信号伝送方向において、相互変調歪成分電波と無線信号電波中の相互変調歪成分電波とが空間的に逆相で合成され、それぞれの無線信号電波中の相互変調歪成分が低減される。
【００１５】
図１及び図２に示した各実施例では主増幅器１６の１台に対し補助増幅器２３を１台用いたが図３に示した実施例ではＮ台（Ｎは２以上の整数）の主増幅器１６−１〜１６−Ｎに対し、１台の補助増幅器２３を用いている。この場合、飽和電力が大きい補助増幅器２３が必要となるが、補助増幅器２３の個数および補助増幅器２３を接続するアンテナ３２の個数も各々１つで済むため部品点数の削減につながる。これは装置の軽量化が求められる衛星搭載機器にとって非常に有用である。
【００１６】
次に無線信号電波の歪成分と歪成分電波とを空間的により確実に相殺させる実施例を図４Ａに示し、図２と対応する部分に同一参照番号を付けてある。この実施例ではこの増幅装置の出力信号を電波として受信する相手の受信機４３の受信情報に基づき、振幅位相調整器２２の振幅位相を調整して空間的相殺作用がより確実に行われるようにする。例えば主増幅器１６における複数増幅段の途中に注入器４４を挿入し、パイロット信号発生器４５から、無線信号周波数帯外であるが、主増幅器１６の増幅周波数帯の周波数のパイロット信号を注入する。このパイロット信号は増幅器１６の歪成分と共に分配合成器１５から振幅位相調整器２２へ入力されることになる。受信機４３でアンテナ３１及び３２より両電波の合成されたものが受信され、受信機４３の受信信号からパイロット抽出器４６によりパイロット信号を取出し、そのパイロット信号を送信機４７により増幅装置の受信機４８へ送信する。受信機４８は受信したパイロット信号を制御器４９へ供給し、制御器４９はパイロット信号のレベルが小さくなるように振幅位相調整器２２を調整する。
【００１７】
このようにして無線信号電波中の歪成分と、歪成分電波との空間的合成による相殺をより確実に行うことができる。なおパイロット抽出器４６によるパイロット信号の抽出は必要に応じて受信信号を増幅した後に行ってもよい。パイロット信号の制御器４９への送信は有線によってもよい。
このような受信情報により、歪成分の空間的相殺をより確実に行わせることは図１及び図３に示した実施例にも適用でき、その場合は、図４Ａに示したように受信情報の伝送手段、振幅位相調整器２２又は２２−ｉに対する制御器を設ければよい。例えば図４Ｂに示すように図３に示した増幅装置が通信衛星５１に搭載され、この通信衛星５１の電波を受信する受信局装置５２−１〜５２−Ｎより上述したような受信情報も通信衛星５１へ送信する。
【００１８】
図３に示した増幅装置において、図５Ａに示すように補助増幅器２３の出力を電波として放射するアンテナ３２に対する、無線信号電波を放射する各アンテナ３１−１〜３１−Ｎまでの各距離Ｌ１〜ＬＮが
Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝…＝ＬＮ
となるようなアンテナ３１−１〜３１−Ｎ，３２をアレーアンテナとすることが好ましい場合がある。
衛星搭載用機器は信頼性を高めるため部品点数を削減することが望まれるため、アクティブフェーズドアレーアンテナでは同じ特性の増幅器を用いることが多い。またアレーアンテナではグレーティングローブを抑えるために、アンテナの素子間隔を半波長から１波長の間に設定することが多い。同様に歪成分のグレーティングローブを抑えるには、主増幅器が接続されたアンテナ３１−ｉと補助増幅器が接続されたアンテナ３２との素子間隔も半波長から１波長の間にすることが望ましい。複数無線信号の共通増を行う場合どの主増幅器１６−ｉも同じ周波数帯の信号を出力するため、アンテナ素子間隔は等しい場合解析や調整が単純である。そのため補助増幅器２３が接続されたアンテナ３２を中心とした同心円上に主増幅器１６−ｉが接続されたアンテナ３１−ｉを配置する場合が最も有用である。例えば図５Ｂに示すように三角配列７素子平面アレーアンテナの場合の構成例を示す。アンテナ３１−１〜３１−６はアンテナ３２を中心とする円上にこの例では等間隔で配される。アンテナ３２は、主増幅器１６−１〜１６−６の各相互変調歪成分を合成し補助増幅器２３により増幅して放射する。アンテナ３１−１〜３１−６は主増幅器１６−１〜１６−６でそれぞれ増幅された信号および発生した相互変調歪成分を放射する。アンテナ３２とアンテナ３１−１〜３１−６からそれぞれ放射された電力は空間的に合成され、所望の信号伝送方向においては相互変調歪成分は逆相となり打ち消し合うように振幅位相調整器２２−１〜２２−６を調整する。
【００１９】
【発明の効果】
この発明の効果を確認するための計算機シミュレーションの結果を以下に示す。図５Ｂに示した実施例において、アンテナ３１−１〜アンテナ３１−６から信号成分のみを放射し、アンテナ３２からは信号を放射しない場合のアレーファクタを図１０Ａに示す。図５Ｂにおいて、アンテナアンテナ３１−１〜３１−６、３２の中心、図においてはアンテナ３２を示す円の中心を座標の原点と、これらアンテナ３１−１〜３１−６、３２の配列面に直交するＸ軸、Ｙ軸をとり、これらＸ軸とＹ軸と直交するＺ軸をとり、Ｙ−Ｚ面内のアレーファクタを示す。θはＺ軸上を０度とし、Ｚ軸に対する角度である。θ＝０度方向にピークがある。
【００２０】
一方、アンテナ３１−１〜３１−６から同振幅、同位相で歪成分のみを放射し、中心アンテナ３２からその６倍の振幅で逆位相の歪成分を放射させた場合のアレーファクタの計算結果を図１０Ｂに示す。この図１０Ｂよりθ＝０度、つまり信号の伝送方向では零点をもち、歪成分がよく相殺され、信号伝送方向では信号対歪比が高くなり、通信品質を高めることが理解できる。
以上述べたようにこの発明によれば、従来のフィードフォワード増幅器における主増幅器の出力と補助増幅器の出力とを合成する合成器を用いずに、これら両出力を空間に放射し、空間的に合成して歪成分を相殺しているため、電力合成器が不要であり、その電力合成器での電力損失が生じない。これにより増幅装置全体の高効率化が可能となる。また従来熱に変っていた歪成分を空間に分散することにより発生する熱を低減できるため、特に排熱能力に限りのある衛星搭載用増幅器への適用において非常に有用である。
【００２１】
また複数のフィードフォワード増幅器をアレーに配列する場合において、１つの補助増幅器を共通とする場合は、補助増幅器の数を削減できるため、増幅器全体の軽量化が可能である。これは特に軽量化が要求される衛星搭載用増幅器にとって非常に重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例を示すブロック図。
【図２】この発明の第２実施例を示すブロック図。
【図３】アレーアンテナを適用したこの発明の第３実施例を示すブロック図。
【図４】受信情報で振幅位相調整するようにしたこの発明の実施例を示すブロック図。
【図５】アンテナ配置を考慮したこの発明の実施例の要部を示す図。
【図６】従来のフィードフォワード増幅器を示すブロック図。
【図７】従来のフィードフォワード増幅器の合成器の問題点を説明するための図。
【図８】従来のフィードフォワード増幅器の合成器の問題点を説明するための他の例を示す図。
【図９】ビーム形成回路を用いたアクティブフェーズドアレー装置の構成例を示す図。
【図１０】この発明の効果を説明するための計算機シミュレーションによるアレーファクタを示す図。
【図１】
0003750992.tif 000002
【図２】
0003750992.tif 000003
【図３】
0003750992.tif 000004
【図４】
0003750992.tif 000005
【図５】
0003750992.tif 000006
【図６】
0003750992.tif 000007
【図７】
0003750992.tif 000008
【図８】
0003750992.tif 000009
【図９】
0003750992.tif 000010
【図１０】
0003750992.tif 000011