高周波増幅器
【課題】入力変調信号のエンベロープのダイナミックレンジが大きい場合においても、利得の低下を抑えることができるエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器を提供すること。
【解決手段】変調電源回路１００は、エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号に応じて出力電圧を可変する変調電源１２０と、前記出力電圧が高い第１の電圧領域で最適な動作をする第１の高周波デバイス１４０と、前記出力電圧が第１の電圧領域より低い第２の電圧領域で最適な動作をする第２の高周波デバイス１５０と、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のどちらかの通過経路及び出力信号を切り替える入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０と、入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０を切替制御する切替信号を生成する切替信号生成部１１２とを備える。
【解決手段】変調電源回路１００は、エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号に応じて出力電圧を可変する変調電源１２０と、前記出力電圧が高い第１の電圧領域で最適な動作をする第１の高周波デバイス１４０と、前記出力電圧が第１の電圧領域より低い第２の電圧領域で最適な動作をする第２の高周波デバイス１５０と、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のどちらかの通過経路及び出力信号を切り替える入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０と、入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０を切替制御する切替信号を生成する切替信号生成部１１２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波増幅器に係り、詳細には、ＥＴ（Envelope Tracking）方式の高周波電力増幅器における利得の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動体通信用の基地局アンプに代表される高周波大電力増幅器に対する高効率化の要望が強くなってきている。この解決策の一つの方法として、エンベロープトラッキング方式で構成される高周波増幅器が検討されている。
【０００３】
エンベロープトラッキング方式は、高周波増幅器の高効率化に関する技術である。エンベロープトラッキング方式は、高周波デバイスに供給する電源電圧を入力変調波のエンベロープに応じて変動させて無駄な電力を排除し、高周波デバイスの動作効率を高める。
【０００４】
図１は、エンベロープトラッキング方式の基本構成を示す図である。
【０００５】
図１に示すように、エンベロープトラッキング方式の高周波増幅器１０は、エンベロープ信号生成部１１ａを有し、ＲＦ変調信号とエンベロープ信号を生成するベースバンド信号処理部１１と、エンベロープ信号に応じて出力電圧を可変する変調電源１２と、変調電源１２からの出力電圧で駆動する高周波デバイス１３と、ＲＦ出力端子１４と、を備える。
【０００６】
なお、通常のエンベロープトラッキング方式の動作原理については、例えば非特許文献１などの文献により当業者にとってよく知られているので、詳細な説明は省略する。
【０００７】
一般に知られるように、高周波デバイスは最適な動作をする固有の電圧範囲があり、その電圧範囲より電源電圧を上げると破壊するおそれがあり、下げると利得が大きく低下する。
【０００８】
図２は、高周波デバイスの電圧変動による利得特性を示す図である。
【０００９】
このような特性から、入力変調信号のエンベロープのダイナミックレンジが大きく、高周波デバイスの利得を一定に保つことのできる最適動作電圧範囲に満たない電圧まで下げる場合には、当然のことながら高周波デバイスの動作利得は大きく低下する。高周波デバイスの利得低下は、装置の線形歪みを増加させる。さらには、ドライブアンプに要求される飽和出力が高まり、ドライブアンプに使用する高周波デバイスのパワーランクが上がるので、装置のコストアップを招くことになる。
【００１０】
この解決には、例えば非特許文献２に示されるように、ある閾値電圧以上の電圧範囲では高周波デバイスをエンベロープトラッキング動作させ、高周波デバイスの利得が下がる低電圧の領域では電源電圧を線形特性が良いＡ級又はＡＢ級バイアスに固定するエンベロープトラッキング動作が提案されている。
【００１１】
図３は、エンベロープトラッキング方式における供給電圧の特性曲線を示す図である。
【００１２】
このエンベロープトラッキング方式によれば、高周波デバイスの利得が低下する電圧範囲を使用しないため、利得低下の小さいエンベロープトラッキング動作が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ａｎｄｒｅｉ Ｇｒｅｂｅｎｎｉｋｏｖ，“ＲＦ ａｎｄ Ｍｉｃｒｉｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ”，ＭｃＧＲＡＷ−ＨＩＬＬ ｐ３６１−３６５
【非特許文献２】Ｔｉｍｏ Ｒａｕｔｉｏ，Ｈｅｎｒｉ Ｈａｒｊｕ，Ｓｉｍｏ Ｈｉｅｔａｋａｎｇａｓ ａｎｄ Ｔｉｍｏ Ｒａｈｋｏｅｎ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＶＤＤ−ｄｒｉｖｅｓ ｉｎ ＥＴ ＆ ＥＥＲ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ． Ｉｎ Ｎｏｒｃｈｉｐ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７．２５ｔｈ， Ｐａｇｅ １−４， Ｎｏｖ．２００７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、非特許文献２に記載の技術によれば、高周波増幅器の利得の低下を抑えることはできるものの、入力変調信号のエンベロープのダイナミックレンジが大きく、Ａ級又はＡＢ級で動作する閾値電圧以下となる動作時間が増える場合には無駄な消費電力が増加して装置効率が劣化する課題がある。
【００１５】
すなわち、従来のエンベロープトラッキング方式では、電源電圧を低電圧とした時に高周波増幅器の利得が低下することへの課題認識が無く、対策がとられていない。このため、以下の課題がある。
【００１６】
（１）低電圧動作時にＰＡ（電力増幅器）の利得が低下する。
【００１７】
（２）低電圧動作は利得が低く、アイソレーションが悪い。これは歪み劣化を招く。
【００１８】
（３）利得が低下すると、ドライブ段のパワーランクＵＰが必要となる。
【００１９】
本発明の目的は、入力変調信号のエンベロープのダイナミックレンジが大きい場合においても、利得の低下を抑えることができるエンベロープトラッキング方式の高周波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】
【００２０】
本発明の高周波増幅器は、高周波デバイスに供給する電源電圧を入力変調波のエンベロープに応じて変動させ、前記高周波デバイスの利得が下がる電圧領域では電圧を固定するエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器であって、エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号に応じて出力電圧を可変する変調電源と、前記変調電源からの出力電圧が高い第１の電圧領域で最適な動作をする第１の高周波デバイスと、前記変調電源からの出力電圧が前記第１の電圧領域より低い第２の電圧領域で最適な動作をする第２の高周波デバイスと、前記第１の高周波デバイスと前記第２の高周波デバイスとを切り替えるデバイス切替手段と、前記デバイス切替手段を切替制御する切替信号を生成する切替信号生成手段と、を備える構成を採る。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、入力変調信号の包絡線のダイナミックレンジが大きい場合においても、変調電源の出力電圧範囲に応じて最適な動作をする高周波デバイスを選択することができ、利得低下を抑えたエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来のエンベロープトラッキング方式の基本構成を示す図
【図２】従来の高周波デバイスの電圧変動による利得特性を示す図
【図３】従来のエンベロープトラッキング方式における供給電圧の特性曲線を示す図
【図４】本発明の実施の形態１に係る高周波増幅器の構成を示す図
【図５】上記実施の形態１に係る高周波増幅器の異なる高周波デバイス構造における利得対電圧特性を示す図
【図６】上記実施の形態１に係る高周波増幅器のエンベロープの電圧領域を区分する一例を示す図
【図７】上記実施の形態１に係る高周波増幅器の電源供給を切替えるタイミングを説明する図
【図８】上記実施の形態１に係る高周波増幅器の入力ＲＦスイッチの構成の一例を示す図
【図９】上記実施の形態１に係る高周波増幅器の入力ＲＦ分配比の一例を示す図
【図１０】本発明の実施の形態２に係る高周波増幅器の構成を示す図
【図１１】上記実施の形態２に係る高周波増幅器の異なる高周波デバイス構造における利得対電圧特性を示す図
【図１２】上記実施の形態２に係る高周波増幅器のエンベロープの電圧領域を区分する一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図４は、本発明の実施の形態１に係る高周波増幅器の構成を示す図である。本実施の形態は、エンベロープトラッキング方式の高周波電力増幅器に適用可能である。
【００２５】
図４に示すように、高周波増幅器１００は、ベースバンド信号処理部１１０、変調電源１２０、ドライブアンプ１３０、第１の高周波デバイス１４０、第２の高周波デバイス１５０、入力ＲＦスイッチ１６０、出力ＲＦスイッチ１７０、及びＲＦ出力端子１８０を備える。上記ドライブアンプ１３０、第１の高周波デバイス１４０、第２の高周波デバイス１５０、入力ＲＦスイッチ１６０、及び出力ＲＦスイッチ１７０は、ＲＦアンプ１９０を構成する。
【００２６】
ベースバンド信号処理部１１０は、エンベロープ信号生成部１１１と、切替信号生成部１１２とを備える。
【００２７】
ベースバンド信号処理部１１０は、入力変調信号を基にＲＦ変調信号を生成し、ＲＦアンプ１９０に出力する。エンベロープ信号生成部１１１は、入力変調信号を基に変調電源制御信号を生成し、変調電源１２０に出力する。
【００２８】
切替信号生成部１１２は、入力変調信号を基にＲＦスイッチ制御信号を生成し、変調電源１２０を介して入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０に出力する。ＲＦスイッチ制御信号は、入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０を切替制御し、高周波デバイスを切り替える切替信号である。切替信号生成部１１２は、第１の高周波デバイス１４０の利得が下がる低電圧領域では、動作電圧が低い前記第２の高周波デバイス１５０に切り替えるＲＦスイッチ制御信号（切替信号）を生成する。
【００２９】
なお、図４では、ベースバンド信号処理部１１０が、切替信号生成部１１２を備える構成としたが、変調電源１２０が切替信号生成部１１２を備える構成としてもよい。
【００３０】
変調電源１２０は、エンベロープ信号を高周波デバイスの電源電圧に電力増幅する。変調電源１２０は、エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号で制御され、変調電源制御信号に応じて可変した出力電圧を高周波デバイス（第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０）へ供給する。
【００３１】
ドライブアンプ１３０は、ベースバンド信号処理部１１０から出力されるＲＦ変調信号を電力増幅する。
【００３２】
第１の高周波デバイス１４０は、変調電源１２０からの出力電圧が高い第１の電圧領域で最適な動作をする。
【００３３】
第２の高周波デバイス１５０は、変調電源１２０からの出力電圧が第１の電圧領域より低い第２の電圧領域で最適な動作をする。
【００３４】
上記第１の高周波デバイス１４０と第２の高周波デバイス１５０は、動作電圧が異なる高周波デバイスである。一般に、異なるデバイス構造の場合、動作電圧が異なる。例えば、第１の高周波デバイス１４０は、ＧａＮデバイス、第２の高周波デバイス１５０は、ＬＤＭＯＳ（Laterally Diffused MOS：横方向拡散MOS）である。また、同一デバイス構造であっても、整合調整により最適な動作電圧範囲を変えることができる。なお、ＧａＮ（窒化ガリウム）は、ガリウムナイトライド（gallium nitride）とも呼ばれる。
【００３５】
入力ＲＦスイッチ１６０は、ベースバンド信号処理部１１０から出力されるＲＦ変調信号の通過経路を第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０に切り替える。
【００３６】
出力ＲＦスイッチ１７０は、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のどちらかの出力信号を選択する。
【００３７】
上記ＲＦスイッチ１６０，１７０には、低損失で高アイソレーションのＲＦ−ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を使用することが好ましい。
【００３８】
以下、上述のように構成された高周波増幅器１００の動作について説明する。
【００３９】
まず、本発明の基本的な考え方について説明する。
【００４０】
エンベロープトラッキング方式では、ある閾値以上の電圧で電源電圧を変動させ、高周波デバイスの利得が下がる電圧領域では電圧を固定する。一般的にデバイスの利得は、電源電圧を下げると利得が下がるので、固定低電圧動作時の利得は低い。
【００４１】
また、高周波パワーデバイスは、素子によって最適な電圧が異なる。例えば、ＧａＡｓデバイスは１２Ｖ、ＬＤＭＯＳは２８Ｖ、ＧａＮデバイスは５０Ｖが一般的に知られている。
【００４２】
本実施の形態は、エンベロープトラッキング方式において、高周波デバイスの利得が下がる低電圧領域では、動作電圧が低い高周波デバイスに切り替える。
【００４３】
具体的には、本高周波増幅器１００は、高電圧動作に対応する第１の高周波デバイス１４０と、低電圧動作に対応する第２の高周波デバイス１５０と、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のどちらかの通過経路及び出力信号を切り替える入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０（デバイス切替手段）と、入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０を切替制御する切替信号を生成する切替信号生成部１１２とを備える。切替信号生成部１１２は、第１の高周波デバイス１４０の利得が下がる低電圧領域では、動作電圧が低い前記第２の高周波デバイス１５０に切り替えるＲＦスイッチ制御信号（切替信号）を生成する。
【００４４】
次に、上記基本的な考え方に基づく高周波増幅器１００の動作を説明する。
【００４５】
本実施の形態に係る変調電源回路１００の基本的な構成及び動作は、従来のエンベロープトラッキング方式の変調電源回路と同様である。
【００４６】
図４に示すように、ベースバンド信号処理部１１０は、入力変調信号を基に、変調電源制御信号とＲＦスイッチ制御信号とＲＦ変調信号を生成する。ベースバンド信号処理部１１０の切替信号生成部１１２は、電源電圧をアナログモニタしてＲＦスイッチ制御信号（切替信号）を生成する。
【００４７】
ベースバンド信号処理部１１０から出力されたＲＦ変調信号は、ＲＦアンプ１９０を構成するドライブアンプ１３０により電力増幅されて入力ＲＦスイッチ１６０へ入力される。
【００４８】
変調電源１２０は、ベースバンド信号処理部１１０からのエンベロープ信号に対応した変調電源制御信号で制御され、変調電源制御信号に応じて可変した出力電圧を、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０へ供給する。
【００４９】
図５は、異なる高周波デバイス構造における利得対電圧特性を示す図である。図６は、エンベロープの電圧領域を区分する一例を示す図である。
【００５０】
図５に示すように、高周波デバイスの利得特性は、ＧａＡｓデバイスが最適な電圧１２Ｖ、ＬＤＭＯＳが最適な電圧２８Ｖであり、利得が一定となる電源電圧範囲は、異なる。
【００５１】
本実施の形態では、第１の高周波デバイス１４０をＧａＮデバイスとし、第２の高周波デバイス１５０をＬＤＭＯＳとする。図６に示すように、低電圧動作では第２の高周波デバイス１５０を、高電圧動作では第１の高周波デバイス１４０を動作させる。
【００５２】
一般的に知られているように、ＧａＮデバイスとＬＤＭＯＳデバイスといった異なるデバイス構造からなる高周波増幅器では、同一の利得を得る回路に調整しても、遅延時間と位相特性も揃えることは非常に困難である。そのため、本実施の形態で２つのデバイスを同一利得として連続に切替える動作が実現できても、遅延時間と位相特性の不連続が生じて、システムの歪み特性などの性能を劣化させる可能性がある。
【００５３】
この課題に関して、遅延時間については遅延時間が短いデバイスの回路に遅延回路を挿入して両デバイスの遅延時間を揃えればよい。位相特性の不連続性については、デジタル歪み補償といった歪み補償を備えることで解決する。
【００５４】
変調電源１２０は、ベースバンド信号処理部１１０からのＲＦスイッチ制御信号に基づいて入力ＲＦスイッチ１６０と出力ＲＦスイッチ１７０を切り替える。変調電源１２０は、高電圧領域の場合には第１の高周波デバイス１４０を、低電圧領域の場合には第２の高周波デバイス１５０を駆動するように、入力ＲＦスイッチ１６０と出力ＲＦスイッチ１７０を切り替える。
【００５５】
入力ＲＦスイッチ１６０は、ベースバンド信号処理部１１０から出力されるＲＦ変調信号の通過経路を第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のいずれか一方に切り替え、出力ＲＦスイッチ１７０は、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のどちらかの出力信号を選択する。ＲＦ変調信号は、選択された高周波デバイスの経路を通過することになる。
【００５６】
ところで、複数の高周波デバイスを切替えて使用する場合、デバイスの立ち上がりが瞬時に完了しなければ利得を一定にして切替えることはできず、本実施の形態の十分な効果を得ることは困難である。
【００５７】
この課題に関しては、例えば、変調電源１２０から出力される高電圧動作の電源と低電圧動作の電源との切替えタイミングに重なり時間を設けることで、デバイスの立ち上がり時による不安定動作を無視することができる。
【００５８】
図７は、電源供給を切替えるタイミングを説明する図であり、電源の切替えタイミングの一例を示す。
【００５９】
図７に示すように、入力ＲＦスイッチ１６０と出力ＲＦスイッチ１７０を切替える時間を基準として、低電圧電源のＯＮ−ＯＦＦ切替えのタイミングと、高電圧電源のＯＮ−ＯＦＦの切替えのタイミングとの間に、Ｔｄｅｌａｙの重なり時間を持たせる。このＴｄｅｌａｙが、第１の高周波デバイス、及び第２の高周波デバイスを電源投入から安定動作するまでの時間より長く設定すれば、両デバイスの切替えによる利得の変動は生じない。
【００６０】
また、別の方法の例として、入力ＲＦスイッチ１６０を、図８に示す構成とすることで解決が可能である。
【００６１】
図８は、入力ＲＦスイッチ１６０の構成の一例を示す図である。
【００６２】
図８に示すように、入力ＲＦスイッチ１６０は、サーキュレータ１６１と、ＲＦスイッチ制御信号で制御される例えばＰｉｎダイオードを用いて無段階にリターンロスの調整が可能なＲＦアッテネータ１６２とから構成される。
【００６３】
図９は、図８の入力ＲＦスイッチ１６０の入力ＲＦ分配比の一例を示す図である。
【００６４】
図９に示すように、入力ＲＦスイッチ１６０は、制御信号に応じて連続的に入力ＲＦ信号の分配比が制御される。
【００６５】
ここで、図４の出力ＲＦスイッチ１７０は、強制的に経路を切替えるスイッチの代わりにウィルキンソン型や結合型などの常に両入力端子からのＲＦ電力を合成するＲＦ合成器を用いる。この場合には、出力ＲＦスイッチの制御信号は使用しなくてもよい。
【００６６】
このような構成を採ることにより、エンベロープの振幅電圧レベルに応じて、サーキュレータ１６１を通過するＲＦ変調信号と、サーキュレータ１６１に反射して戻ってくる電力の比率は連続的に変動する。すなわち、第１の高周波デバイスへの入力と、第２の高周波デバイスへの入力とに分配する電力の比率は、無段階にバランスを取りながら調整されるので、両デバイスの動作が急激に切替わるポイントは存在せず、デバイスを切り替える時の利得の特性変化が滑らかに合成されたＲＦ出力を得ることが可能となる。
【００６７】
また、図７に示した電源の切替えタイミングに加え、図８に示したＲＦ信号経路の構成を用いてもよい。
【００６８】
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、変調電源回路１００は、エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号に応じて出力電圧を可変する変調電源１２０と、前記出力電圧が高い第１の電圧領域で最適な動作をする第１の高周波デバイス１４０と、前記出力電圧が第１の電圧領域より低い第２の電圧領域で最適な動作をする第２の高周波デバイス１５０と、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のどちらかの通過経路及び出力信号を切り替える入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０と、入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０を切替制御する切替信号を生成する切替信号生成部１１２とを備える。
【００６９】
以上の構成により、入力変調信号の包絡線のダイナミックレンジが大きい場合においても、変調電源の出力電圧範囲に応じて最適な動作をする高周波デバイスを選択することができる。
【００７０】
例えば、低電圧領域は、低電圧駆動の第２の高周波デバイス１５０に対応させることで、低電圧領域での高周波増幅器１００の利得低下を抑制することが可能になる。これにより、ＥＴ動作において、平均利得を向上させることができる。電圧と利得の線形性が向上し、歪み補償が容易となる。利得の向上により、ＰＡ（電力増幅器）のアイソレーションが改善する。利得の向上により、プリアンプのパワーランクの低減が可能となる。
【００７１】
また、本実施の形態による高周波デバイス追加を主とする部材のコストアップは、装置のランニングコストの削減量と比べてはるかに小さい。高周波デバイス以外の周辺部品を考慮しても、基地局用の高周波増幅器の使用年数は１０年間程度が一般的であり、部材費のコストアップよりランニングコストの削減量の方がはるかに大きい。
【００７２】
さらに、上述したように、本実施の形態では平均動作利得を向上することができる。動作利得が３ｄＢ向上し、プリアンプ段の高周波デバイスを３Ｗ級から１Ｗ級へ、ランクをダウンできたとすると、この点でもコストダウンが見込める。
【００７３】
以上により、利得低下を抑えたエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器を実現することができる。
【００７４】
（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る高周波増幅器の構成を示す図である。本実施の形態の説明に当たり、図４と同一構成部分には同一番号を付して重複箇所の説明を省略する。
【００７５】
図１０に示すように、高周波増幅器２００は、ベースバンド信号処理部１１０、変調電源２２０、ドライブアンプ１３０、第１の高周波デバイス１４０、第２の高周波デバイス１５０、入力ＲＦスイッチ１６０、出力ＲＦスイッチ１７０、及びＲＦ出力端子１８０を備える。
【００７６】
変調電源２２０は、エンベロープ信号を高周波デバイスの電源電圧に電力増幅する。変調電源２２０は、エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号で制御され、変調電源制御信号に応じて可変した出力電圧を高周波デバイス（第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０）へ供給する。
【００７７】
変調電源２２０は、エンベロープ信号を高周波デバイスの電源電圧に電力増幅する複数の（４つの）ＤＣ／ＤＣ電源２２１〜２２４を有する。具体的には、変調電源２２０は、高電圧領域の出力電圧を供給する高電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２１と、中高電圧領域の出力電圧を供給する中高電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２２と、中低電圧領域の出力電圧を供給する中低電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２３と、低電圧領域の出力電圧を供給する低電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２４と、を備える。
【００７８】
以下、上述のように構成された高周波増幅器２００の動作について説明する。
【００７９】
図１１は、異なる高周波デバイス構造における利得対電圧特性を示す図である。
【００８０】
図１１に示すように、高周波デバイスの利得特性は、デバイスの構造により異なることが知られている。例えば、ＧａＮ−ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）を単体で高周波デバイスとして用いた場合には利得が一定となる電源電圧範囲は２５〜５０Ｖまでとなる。また、ＬＤＭＯＳを単体で高周波デバイスとして用いた場合には利得が一定となる電源電圧範囲は１０〜２５Ｖまでとなり、ＧａＡｓ−ＨＥＭＴを単体で高周波デバイスとして用いた場合には利得が一定となる電源電圧範囲は０〜１０Ｖまでとなる。このため、２５Ｖ以下の出力パワーとしたい場合にはＡ級、又はＡＢ級の動作とする構成を採ればよい。
【００８１】
図１２は、エンベロープの電圧領域を区分する一例を示す図である。
【００８２】
変調電源２２０は、図１２ａに示す高電圧領域の出力電圧を供給する高電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２１と、図１２ｂに示す中高電圧領域の出力電圧を供給する中高電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２２と、図１２ｃに示す中低電圧領域の出力電圧を供給する中低電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２３と、図１２ｄに示す低電圧領域の出力電圧を供給する低電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２４と、を備える。
【００８３】
図１２に示すように、変調電源２２０は、出力電圧が図１２ａ−ｃに示す中高電圧領域の場合には、第１の高周波デバイス１４０を駆動する。また、変調電源２２０は、出力電圧が図１２ｄに示す低電圧領域の場合には、第２の高周波デバイス１５０を駆動する。
【００８４】
ベースバンド信号処理部１１０は、変調電源２２０が、上記中高電圧領域では第１の高周波デバイス１４０を、上記低電圧領域では第２の高周波デバイス１５０を駆動するように、入力ＲＦスイッチ１６０と出力ＲＦスイッチ１７０を切り替えるＲＦスイッチ制御信号を出力する。
【００８５】
本実施の形態では、第１の高周波デバイス１４０をＧａＮ−ＨＥＭＴとし、第２の高周波デバイス１５０をＬＤＭＯＳとすることで、装置の利得が一定となる電源電圧範囲を５〜５０Ｖまで拡大したエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器２００を実現することができる。
【００８６】
ここで、図１２ａ−ｃに示す中高電圧領域の場合には、第１の高周波デバイス１４０をＧａＮ−ＨＥＭＴとし、図１２ｄに示す低電圧領域の場合には、第２の高周波デバイス１５０をＬＤＭＯＳとしているについて説明したが、第１の高周波デバイス１４０と第２の高周波デバイス１５０は、電圧変動による利得の低下を補うことができる他のデバイス構造の組み合わせであってもよい。
【００８７】
例えば、第１の高周波デバイス１４０をＧａＮデバイス（高電圧動作）とし、第２の高周波デバイス１５０をＬＤＭＯＳ（低電圧動作）とする組み合わせがある。また、第１の高周波デバイス１４０をＧａＮデバイス（高電圧動作）とし、第２の高周波デバイス１５０をＧａＡｓデバイス（低電圧動作）とする組み合わせがある。さらに、第１の高周波デバイス１４０をＬＤＭＯＳ（高電圧動作）とし、第２の高周波デバイス１５０をＧａＡｓデバイス（低電圧動作）とする組み合わせがある。その他、動作電圧が異なるデバイスの組み合わせでも同様な効果を得ることができる。
【００８８】
また、ＧａＮ−ＨＥＭＴとＧａＡｓ−ＨＥＭＴの組み合わせでは、Ｖｇｓを共通化可能である利点がある。
【００８９】
以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
【００９０】
上記各実施の形態では、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor FET）又はトランジスタは、化合物半導体デバイスを使用した例について説明したが、どのようなトランジスタでもよい。例えば、ＭＩＳ（Metal Insulated Semiconductor）、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタであってもよい。またこのＭＩＳトランジスタは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造のシリコン基板上に形成されたＭＩＳトランジスタでもよい。さらに、ＨＥＭＴ、ＢＴ（Bipolar Transistor）、又はこれらの組み合わせであってもよい。但し、化合物半導体デバイスが高周波域でのパワーゲインの点で有利であることは言うまでもない。
【００９１】
また、上記各実施の形態では、第１の高周波デバイス１４０と第２の高周波デバイス１５０は異なるデバイス構造のトランジスタを例に挙げて説明したが、整合調整で最適な動作電圧範囲を変えた同一構造の高周波デバイスによる組み合わせであってもよい。
【００９２】
また、上記各実施の形態では、高周波デバイスを２個用いた２段階の切り替え動作としたが、高周波デバイスをｎ個とし、入力ＲＦスイッチ１６０と出力ＲＦスイッチ１７０をｎ個の接点で構成して、高周波デバイスを多段に切り替える構成・動作してもよい。このように構成することで、更に定利得動作の範囲が広いエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器を実現することができる。
【００９３】
なお、上記各実施の形態では、ベースバンド信号処理部１１０が、切替信号生成部１１２を備える構成としたが、入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０を制御するＲＦスイッチ制御信号は、変調電源１２０，２２０で生成してもよい。
【００９４】
また、図１０では、変調電源２２０は、４つのＤＣ／ＤＣ電源２２１〜２２４から構成する例で示したが、同様の機能を有する他の構成を用いてもよい。またその個数・電圧領域も任意である。
【００９５】
また、上記各実施の形態では、高周波増幅器という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、ＲＦパワーアンプ、高周波電力増幅器等であってもよい。
【００９６】
さらに、上記高周波増幅器を構成する各回路部、例えばＲＦスイッチの種類、高周波デバイスの種類・段数などは前述した実施の形態に限られない。当然のことながら、本高周波増幅器に、各種補償用の回路を付加してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明に係る高周波増幅器は、エンベロープトラッキング方式の高周波電力増幅器において有用である。また、エンベロープトラッキング方式の高周波増幅器以外にも、例えば電動モータなどの定格出力の複数の電気機器を必要な出力に応じて切り替えるといった回路構成に対しても有効である。
【符号の説明】
【００９８】
１００，２００ 高周波増幅器
１１０ ベースバンド信号処理部
１２０，２２０ 変調電源
１３０ ドライブアンプ
１４０ 第１の高周波デバイス
１５０ 第２の高周波デバイス
１６０ 入力ＲＦスイッチ
１６１ サーキュレータ
１６２ ＲＦアッテネータ
１７０ 出力ＲＦスイッチ
１８０ ＲＦ出力端子
１９０ ＲＦアンプ
２２１ 高電圧ＤＣ／ＤＣ電源
２２２ 中高電圧ＤＣ／ＤＣ電源
２２３ 中低電圧ＤＣ／ＤＣ電源
２２４ 低電圧ＤＣ／ＤＣ電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波増幅器に係り、詳細には、ＥＴ（Envelope Tracking）方式の高周波電力増幅器における利得の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動体通信用の基地局アンプに代表される高周波大電力増幅器に対する高効率化の要望が強くなってきている。この解決策の一つの方法として、エンベロープトラッキング方式で構成される高周波増幅器が検討されている。
【０００３】
エンベロープトラッキング方式は、高周波増幅器の高効率化に関する技術である。エンベロープトラッキング方式は、高周波デバイスに供給する電源電圧を入力変調波のエンベロープに応じて変動させて無駄な電力を排除し、高周波デバイスの動作効率を高める。
【０００４】
図１は、エンベロープトラッキング方式の基本構成を示す図である。
【０００５】
図１に示すように、エンベロープトラッキング方式の高周波増幅器１０は、エンベロープ信号生成部１１ａを有し、ＲＦ変調信号とエンベロープ信号を生成するベースバンド信号処理部１１と、エンベロープ信号に応じて出力電圧を可変する変調電源１２と、変調電源１２からの出力電圧で駆動する高周波デバイス１３と、ＲＦ出力端子１４と、を備える。
【０００６】
なお、通常のエンベロープトラッキング方式の動作原理については、例えば非特許文献１などの文献により当業者にとってよく知られているので、詳細な説明は省略する。
【０００７】
一般に知られるように、高周波デバイスは最適な動作をする固有の電圧範囲があり、その電圧範囲より電源電圧を上げると破壊するおそれがあり、下げると利得が大きく低下する。
【０００８】
図２は、高周波デバイスの電圧変動による利得特性を示す図である。
【０００９】
このような特性から、入力変調信号のエンベロープのダイナミックレンジが大きく、高周波デバイスの利得を一定に保つことのできる最適動作電圧範囲に満たない電圧まで下げる場合には、当然のことながら高周波デバイスの動作利得は大きく低下する。高周波デバイスの利得低下は、装置の線形歪みを増加させる。さらには、ドライブアンプに要求される飽和出力が高まり、ドライブアンプに使用する高周波デバイスのパワーランクが上がるので、装置のコストアップを招くことになる。
【００１０】
この解決には、例えば非特許文献２に示されるように、ある閾値電圧以上の電圧範囲では高周波デバイスをエンベロープトラッキング動作させ、高周波デバイスの利得が下がる低電圧の領域では電源電圧を線形特性が良いＡ級又はＡＢ級バイアスに固定するエンベロープトラッキング動作が提案されている。
【００１１】
図３は、エンベロープトラッキング方式における供給電圧の特性曲線を示す図である。
【００１２】
このエンベロープトラッキング方式によれば、高周波デバイスの利得が低下する電圧範囲を使用しないため、利得低下の小さいエンベロープトラッキング動作が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ａｎｄｒｅｉ Ｇｒｅｂｅｎｎｉｋｏｖ，“ＲＦ ａｎｄ Ｍｉｃｒｉｗａｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ”，ＭｃＧＲＡＷ−ＨＩＬＬ ｐ３６１−３６５
【非特許文献２】Ｔｉｍｏ Ｒａｕｔｉｏ，Ｈｅｎｒｉ Ｈａｒｊｕ，Ｓｉｍｏ Ｈｉｅｔａｋａｎｇａｓ ａｎｄ Ｔｉｍｏ Ｒａｈｋｏｅｎ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＶＤＤ−ｄｒｉｖｅｓ ｉｎ ＥＴ ＆ ＥＥＲ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ． Ｉｎ Ｎｏｒｃｈｉｐ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７．２５ｔｈ， Ｐａｇｅ １−４， Ｎｏｖ．２００７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、非特許文献２に記載の技術によれば、高周波増幅器の利得の低下を抑えることはできるものの、入力変調信号のエンベロープのダイナミックレンジが大きく、Ａ級又はＡＢ級で動作する閾値電圧以下となる動作時間が増える場合には無駄な消費電力が増加して装置効率が劣化する課題がある。
【００１５】
すなわち、従来のエンベロープトラッキング方式では、電源電圧を低電圧とした時に高周波増幅器の利得が低下することへの課題認識が無く、対策がとられていない。このため、以下の課題がある。
【００１６】
（１）低電圧動作時にＰＡ（電力増幅器）の利得が低下する。
【００１７】
（２）低電圧動作は利得が低く、アイソレーションが悪い。これは歪み劣化を招く。
【００１８】
（３）利得が低下すると、ドライブ段のパワーランクＵＰが必要となる。
【００１９】
本発明の目的は、入力変調信号のエンベロープのダイナミックレンジが大きい場合においても、利得の低下を抑えることができるエンベロープトラッキング方式の高周波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】
【００２０】
本発明の高周波増幅器は、高周波デバイスに供給する電源電圧を入力変調波のエンベロープに応じて変動させ、前記高周波デバイスの利得が下がる電圧領域では電圧を固定するエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器であって、エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号に応じて出力電圧を可変する変調電源と、前記変調電源からの出力電圧が高い第１の電圧領域で最適な動作をする第１の高周波デバイスと、前記変調電源からの出力電圧が前記第１の電圧領域より低い第２の電圧領域で最適な動作をする第２の高周波デバイスと、前記第１の高周波デバイスと前記第２の高周波デバイスとを切り替えるデバイス切替手段と、前記デバイス切替手段を切替制御する切替信号を生成する切替信号生成手段と、を備える構成を採る。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、入力変調信号の包絡線のダイナミックレンジが大きい場合においても、変調電源の出力電圧範囲に応じて最適な動作をする高周波デバイスを選択することができ、利得低下を抑えたエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来のエンベロープトラッキング方式の基本構成を示す図
【図２】従来の高周波デバイスの電圧変動による利得特性を示す図
【図３】従来のエンベロープトラッキング方式における供給電圧の特性曲線を示す図
【図４】本発明の実施の形態１に係る高周波増幅器の構成を示す図
【図５】上記実施の形態１に係る高周波増幅器の異なる高周波デバイス構造における利得対電圧特性を示す図
【図６】上記実施の形態１に係る高周波増幅器のエンベロープの電圧領域を区分する一例を示す図
【図７】上記実施の形態１に係る高周波増幅器の電源供給を切替えるタイミングを説明する図
【図８】上記実施の形態１に係る高周波増幅器の入力ＲＦスイッチの構成の一例を示す図
【図９】上記実施の形態１に係る高周波増幅器の入力ＲＦ分配比の一例を示す図
【図１０】本発明の実施の形態２に係る高周波増幅器の構成を示す図
【図１１】上記実施の形態２に係る高周波増幅器の異なる高周波デバイス構造における利得対電圧特性を示す図
【図１２】上記実施の形態２に係る高周波増幅器のエンベロープの電圧領域を区分する一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図４は、本発明の実施の形態１に係る高周波増幅器の構成を示す図である。本実施の形態は、エンベロープトラッキング方式の高周波電力増幅器に適用可能である。
【００２５】
図４に示すように、高周波増幅器１００は、ベースバンド信号処理部１１０、変調電源１２０、ドライブアンプ１３０、第１の高周波デバイス１４０、第２の高周波デバイス１５０、入力ＲＦスイッチ１６０、出力ＲＦスイッチ１７０、及びＲＦ出力端子１８０を備える。上記ドライブアンプ１３０、第１の高周波デバイス１４０、第２の高周波デバイス１５０、入力ＲＦスイッチ１６０、及び出力ＲＦスイッチ１７０は、ＲＦアンプ１９０を構成する。
【００２６】
ベースバンド信号処理部１１０は、エンベロープ信号生成部１１１と、切替信号生成部１１２とを備える。
【００２７】
ベースバンド信号処理部１１０は、入力変調信号を基にＲＦ変調信号を生成し、ＲＦアンプ１９０に出力する。エンベロープ信号生成部１１１は、入力変調信号を基に変調電源制御信号を生成し、変調電源１２０に出力する。
【００２８】
切替信号生成部１１２は、入力変調信号を基にＲＦスイッチ制御信号を生成し、変調電源１２０を介して入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０に出力する。ＲＦスイッチ制御信号は、入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０を切替制御し、高周波デバイスを切り替える切替信号である。切替信号生成部１１２は、第１の高周波デバイス１４０の利得が下がる低電圧領域では、動作電圧が低い前記第２の高周波デバイス１５０に切り替えるＲＦスイッチ制御信号（切替信号）を生成する。
【００２９】
なお、図４では、ベースバンド信号処理部１１０が、切替信号生成部１１２を備える構成としたが、変調電源１２０が切替信号生成部１１２を備える構成としてもよい。
【００３０】
変調電源１２０は、エンベロープ信号を高周波デバイスの電源電圧に電力増幅する。変調電源１２０は、エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号で制御され、変調電源制御信号に応じて可変した出力電圧を高周波デバイス（第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０）へ供給する。
【００３１】
ドライブアンプ１３０は、ベースバンド信号処理部１１０から出力されるＲＦ変調信号を電力増幅する。
【００３２】
第１の高周波デバイス１４０は、変調電源１２０からの出力電圧が高い第１の電圧領域で最適な動作をする。
【００３３】
第２の高周波デバイス１５０は、変調電源１２０からの出力電圧が第１の電圧領域より低い第２の電圧領域で最適な動作をする。
【００３４】
上記第１の高周波デバイス１４０と第２の高周波デバイス１５０は、動作電圧が異なる高周波デバイスである。一般に、異なるデバイス構造の場合、動作電圧が異なる。例えば、第１の高周波デバイス１４０は、ＧａＮデバイス、第２の高周波デバイス１５０は、ＬＤＭＯＳ（Laterally Diffused MOS：横方向拡散MOS）である。また、同一デバイス構造であっても、整合調整により最適な動作電圧範囲を変えることができる。なお、ＧａＮ（窒化ガリウム）は、ガリウムナイトライド（gallium nitride）とも呼ばれる。
【００３５】
入力ＲＦスイッチ１６０は、ベースバンド信号処理部１１０から出力されるＲＦ変調信号の通過経路を第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０に切り替える。
【００３６】
出力ＲＦスイッチ１７０は、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のどちらかの出力信号を選択する。
【００３７】
上記ＲＦスイッチ１６０，１７０には、低損失で高アイソレーションのＲＦ−ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を使用することが好ましい。
【００３８】
以下、上述のように構成された高周波増幅器１００の動作について説明する。
【００３９】
まず、本発明の基本的な考え方について説明する。
【００４０】
エンベロープトラッキング方式では、ある閾値以上の電圧で電源電圧を変動させ、高周波デバイスの利得が下がる電圧領域では電圧を固定する。一般的にデバイスの利得は、電源電圧を下げると利得が下がるので、固定低電圧動作時の利得は低い。
【００４１】
また、高周波パワーデバイスは、素子によって最適な電圧が異なる。例えば、ＧａＡｓデバイスは１２Ｖ、ＬＤＭＯＳは２８Ｖ、ＧａＮデバイスは５０Ｖが一般的に知られている。
【００４２】
本実施の形態は、エンベロープトラッキング方式において、高周波デバイスの利得が下がる低電圧領域では、動作電圧が低い高周波デバイスに切り替える。
【００４３】
具体的には、本高周波増幅器１００は、高電圧動作に対応する第１の高周波デバイス１４０と、低電圧動作に対応する第２の高周波デバイス１５０と、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のどちらかの通過経路及び出力信号を切り替える入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０（デバイス切替手段）と、入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０を切替制御する切替信号を生成する切替信号生成部１１２とを備える。切替信号生成部１１２は、第１の高周波デバイス１４０の利得が下がる低電圧領域では、動作電圧が低い前記第２の高周波デバイス１５０に切り替えるＲＦスイッチ制御信号（切替信号）を生成する。
【００４４】
次に、上記基本的な考え方に基づく高周波増幅器１００の動作を説明する。
【００４５】
本実施の形態に係る変調電源回路１００の基本的な構成及び動作は、従来のエンベロープトラッキング方式の変調電源回路と同様である。
【００４６】
図４に示すように、ベースバンド信号処理部１１０は、入力変調信号を基に、変調電源制御信号とＲＦスイッチ制御信号とＲＦ変調信号を生成する。ベースバンド信号処理部１１０の切替信号生成部１１２は、電源電圧をアナログモニタしてＲＦスイッチ制御信号（切替信号）を生成する。
【００４７】
ベースバンド信号処理部１１０から出力されたＲＦ変調信号は、ＲＦアンプ１９０を構成するドライブアンプ１３０により電力増幅されて入力ＲＦスイッチ１６０へ入力される。
【００４８】
変調電源１２０は、ベースバンド信号処理部１１０からのエンベロープ信号に対応した変調電源制御信号で制御され、変調電源制御信号に応じて可変した出力電圧を、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０へ供給する。
【００４９】
図５は、異なる高周波デバイス構造における利得対電圧特性を示す図である。図６は、エンベロープの電圧領域を区分する一例を示す図である。
【００５０】
図５に示すように、高周波デバイスの利得特性は、ＧａＡｓデバイスが最適な電圧１２Ｖ、ＬＤＭＯＳが最適な電圧２８Ｖであり、利得が一定となる電源電圧範囲は、異なる。
【００５１】
本実施の形態では、第１の高周波デバイス１４０をＧａＮデバイスとし、第２の高周波デバイス１５０をＬＤＭＯＳとする。図６に示すように、低電圧動作では第２の高周波デバイス１５０を、高電圧動作では第１の高周波デバイス１４０を動作させる。
【００５２】
一般的に知られているように、ＧａＮデバイスとＬＤＭＯＳデバイスといった異なるデバイス構造からなる高周波増幅器では、同一の利得を得る回路に調整しても、遅延時間と位相特性も揃えることは非常に困難である。そのため、本実施の形態で２つのデバイスを同一利得として連続に切替える動作が実現できても、遅延時間と位相特性の不連続が生じて、システムの歪み特性などの性能を劣化させる可能性がある。
【００５３】
この課題に関して、遅延時間については遅延時間が短いデバイスの回路に遅延回路を挿入して両デバイスの遅延時間を揃えればよい。位相特性の不連続性については、デジタル歪み補償といった歪み補償を備えることで解決する。
【００５４】
変調電源１２０は、ベースバンド信号処理部１１０からのＲＦスイッチ制御信号に基づいて入力ＲＦスイッチ１６０と出力ＲＦスイッチ１７０を切り替える。変調電源１２０は、高電圧領域の場合には第１の高周波デバイス１４０を、低電圧領域の場合には第２の高周波デバイス１５０を駆動するように、入力ＲＦスイッチ１６０と出力ＲＦスイッチ１７０を切り替える。
【００５５】
入力ＲＦスイッチ１６０は、ベースバンド信号処理部１１０から出力されるＲＦ変調信号の通過経路を第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のいずれか一方に切り替え、出力ＲＦスイッチ１７０は、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のどちらかの出力信号を選択する。ＲＦ変調信号は、選択された高周波デバイスの経路を通過することになる。
【００５６】
ところで、複数の高周波デバイスを切替えて使用する場合、デバイスの立ち上がりが瞬時に完了しなければ利得を一定にして切替えることはできず、本実施の形態の十分な効果を得ることは困難である。
【００５７】
この課題に関しては、例えば、変調電源１２０から出力される高電圧動作の電源と低電圧動作の電源との切替えタイミングに重なり時間を設けることで、デバイスの立ち上がり時による不安定動作を無視することができる。
【００５８】
図７は、電源供給を切替えるタイミングを説明する図であり、電源の切替えタイミングの一例を示す。
【００５９】
図７に示すように、入力ＲＦスイッチ１６０と出力ＲＦスイッチ１７０を切替える時間を基準として、低電圧電源のＯＮ−ＯＦＦ切替えのタイミングと、高電圧電源のＯＮ−ＯＦＦの切替えのタイミングとの間に、Ｔｄｅｌａｙの重なり時間を持たせる。このＴｄｅｌａｙが、第１の高周波デバイス、及び第２の高周波デバイスを電源投入から安定動作するまでの時間より長く設定すれば、両デバイスの切替えによる利得の変動は生じない。
【００６０】
また、別の方法の例として、入力ＲＦスイッチ１６０を、図８に示す構成とすることで解決が可能である。
【００６１】
図８は、入力ＲＦスイッチ１６０の構成の一例を示す図である。
【００６２】
図８に示すように、入力ＲＦスイッチ１６０は、サーキュレータ１６１と、ＲＦスイッチ制御信号で制御される例えばＰｉｎダイオードを用いて無段階にリターンロスの調整が可能なＲＦアッテネータ１６２とから構成される。
【００６３】
図９は、図８の入力ＲＦスイッチ１６０の入力ＲＦ分配比の一例を示す図である。
【００６４】
図９に示すように、入力ＲＦスイッチ１６０は、制御信号に応じて連続的に入力ＲＦ信号の分配比が制御される。
【００６５】
ここで、図４の出力ＲＦスイッチ１７０は、強制的に経路を切替えるスイッチの代わりにウィルキンソン型や結合型などの常に両入力端子からのＲＦ電力を合成するＲＦ合成器を用いる。この場合には、出力ＲＦスイッチの制御信号は使用しなくてもよい。
【００６６】
このような構成を採ることにより、エンベロープの振幅電圧レベルに応じて、サーキュレータ１６１を通過するＲＦ変調信号と、サーキュレータ１６１に反射して戻ってくる電力の比率は連続的に変動する。すなわち、第１の高周波デバイスへの入力と、第２の高周波デバイスへの入力とに分配する電力の比率は、無段階にバランスを取りながら調整されるので、両デバイスの動作が急激に切替わるポイントは存在せず、デバイスを切り替える時の利得の特性変化が滑らかに合成されたＲＦ出力を得ることが可能となる。
【００６７】
また、図７に示した電源の切替えタイミングに加え、図８に示したＲＦ信号経路の構成を用いてもよい。
【００６８】
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、変調電源回路１００は、エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号に応じて出力電圧を可変する変調電源１２０と、前記出力電圧が高い第１の電圧領域で最適な動作をする第１の高周波デバイス１４０と、前記出力電圧が第１の電圧領域より低い第２の電圧領域で最適な動作をする第２の高周波デバイス１５０と、第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０のどちらかの通過経路及び出力信号を切り替える入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０と、入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０を切替制御する切替信号を生成する切替信号生成部１１２とを備える。
【００６９】
以上の構成により、入力変調信号の包絡線のダイナミックレンジが大きい場合においても、変調電源の出力電圧範囲に応じて最適な動作をする高周波デバイスを選択することができる。
【００７０】
例えば、低電圧領域は、低電圧駆動の第２の高周波デバイス１５０に対応させることで、低電圧領域での高周波増幅器１００の利得低下を抑制することが可能になる。これにより、ＥＴ動作において、平均利得を向上させることができる。電圧と利得の線形性が向上し、歪み補償が容易となる。利得の向上により、ＰＡ（電力増幅器）のアイソレーションが改善する。利得の向上により、プリアンプのパワーランクの低減が可能となる。
【００７１】
また、本実施の形態による高周波デバイス追加を主とする部材のコストアップは、装置のランニングコストの削減量と比べてはるかに小さい。高周波デバイス以外の周辺部品を考慮しても、基地局用の高周波増幅器の使用年数は１０年間程度が一般的であり、部材費のコストアップよりランニングコストの削減量の方がはるかに大きい。
【００７２】
さらに、上述したように、本実施の形態では平均動作利得を向上することができる。動作利得が３ｄＢ向上し、プリアンプ段の高周波デバイスを３Ｗ級から１Ｗ級へ、ランクをダウンできたとすると、この点でもコストダウンが見込める。
【００７３】
以上により、利得低下を抑えたエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器を実現することができる。
【００７４】
（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る高周波増幅器の構成を示す図である。本実施の形態の説明に当たり、図４と同一構成部分には同一番号を付して重複箇所の説明を省略する。
【００７５】
図１０に示すように、高周波増幅器２００は、ベースバンド信号処理部１１０、変調電源２２０、ドライブアンプ１３０、第１の高周波デバイス１４０、第２の高周波デバイス１５０、入力ＲＦスイッチ１６０、出力ＲＦスイッチ１７０、及びＲＦ出力端子１８０を備える。
【００７６】
変調電源２２０は、エンベロープ信号を高周波デバイスの電源電圧に電力増幅する。変調電源２２０は、エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号で制御され、変調電源制御信号に応じて可変した出力電圧を高周波デバイス（第１の高周波デバイス１４０又は第２の高周波デバイス１５０）へ供給する。
【００７７】
変調電源２２０は、エンベロープ信号を高周波デバイスの電源電圧に電力増幅する複数の（４つの）ＤＣ／ＤＣ電源２２１〜２２４を有する。具体的には、変調電源２２０は、高電圧領域の出力電圧を供給する高電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２１と、中高電圧領域の出力電圧を供給する中高電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２２と、中低電圧領域の出力電圧を供給する中低電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２３と、低電圧領域の出力電圧を供給する低電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２４と、を備える。
【００７８】
以下、上述のように構成された高周波増幅器２００の動作について説明する。
【００７９】
図１１は、異なる高周波デバイス構造における利得対電圧特性を示す図である。
【００８０】
図１１に示すように、高周波デバイスの利得特性は、デバイスの構造により異なることが知られている。例えば、ＧａＮ−ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）を単体で高周波デバイスとして用いた場合には利得が一定となる電源電圧範囲は２５〜５０Ｖまでとなる。また、ＬＤＭＯＳを単体で高周波デバイスとして用いた場合には利得が一定となる電源電圧範囲は１０〜２５Ｖまでとなり、ＧａＡｓ−ＨＥＭＴを単体で高周波デバイスとして用いた場合には利得が一定となる電源電圧範囲は０〜１０Ｖまでとなる。このため、２５Ｖ以下の出力パワーとしたい場合にはＡ級、又はＡＢ級の動作とする構成を採ればよい。
【００８１】
図１２は、エンベロープの電圧領域を区分する一例を示す図である。
【００８２】
変調電源２２０は、図１２ａに示す高電圧領域の出力電圧を供給する高電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２１と、図１２ｂに示す中高電圧領域の出力電圧を供給する中高電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２２と、図１２ｃに示す中低電圧領域の出力電圧を供給する中低電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２３と、図１２ｄに示す低電圧領域の出力電圧を供給する低電圧ＤＣ／ＤＣ電源２２４と、を備える。
【００８３】
図１２に示すように、変調電源２２０は、出力電圧が図１２ａ−ｃに示す中高電圧領域の場合には、第１の高周波デバイス１４０を駆動する。また、変調電源２２０は、出力電圧が図１２ｄに示す低電圧領域の場合には、第２の高周波デバイス１５０を駆動する。
【００８４】
ベースバンド信号処理部１１０は、変調電源２２０が、上記中高電圧領域では第１の高周波デバイス１４０を、上記低電圧領域では第２の高周波デバイス１５０を駆動するように、入力ＲＦスイッチ１６０と出力ＲＦスイッチ１７０を切り替えるＲＦスイッチ制御信号を出力する。
【００８５】
本実施の形態では、第１の高周波デバイス１４０をＧａＮ−ＨＥＭＴとし、第２の高周波デバイス１５０をＬＤＭＯＳとすることで、装置の利得が一定となる電源電圧範囲を５〜５０Ｖまで拡大したエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器２００を実現することができる。
【００８６】
ここで、図１２ａ−ｃに示す中高電圧領域の場合には、第１の高周波デバイス１４０をＧａＮ−ＨＥＭＴとし、図１２ｄに示す低電圧領域の場合には、第２の高周波デバイス１５０をＬＤＭＯＳとしているについて説明したが、第１の高周波デバイス１４０と第２の高周波デバイス１５０は、電圧変動による利得の低下を補うことができる他のデバイス構造の組み合わせであってもよい。
【００８７】
例えば、第１の高周波デバイス１４０をＧａＮデバイス（高電圧動作）とし、第２の高周波デバイス１５０をＬＤＭＯＳ（低電圧動作）とする組み合わせがある。また、第１の高周波デバイス１４０をＧａＮデバイス（高電圧動作）とし、第２の高周波デバイス１５０をＧａＡｓデバイス（低電圧動作）とする組み合わせがある。さらに、第１の高周波デバイス１４０をＬＤＭＯＳ（高電圧動作）とし、第２の高周波デバイス１５０をＧａＡｓデバイス（低電圧動作）とする組み合わせがある。その他、動作電圧が異なるデバイスの組み合わせでも同様な効果を得ることができる。
【００８８】
また、ＧａＮ−ＨＥＭＴとＧａＡｓ−ＨＥＭＴの組み合わせでは、Ｖｇｓを共通化可能である利点がある。
【００８９】
以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
【００９０】
上記各実施の形態では、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor FET）又はトランジスタは、化合物半導体デバイスを使用した例について説明したが、どのようなトランジスタでもよい。例えば、ＭＩＳ（Metal Insulated Semiconductor）、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタであってもよい。またこのＭＩＳトランジスタは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造のシリコン基板上に形成されたＭＩＳトランジスタでもよい。さらに、ＨＥＭＴ、ＢＴ（Bipolar Transistor）、又はこれらの組み合わせであってもよい。但し、化合物半導体デバイスが高周波域でのパワーゲインの点で有利であることは言うまでもない。
【００９１】
また、上記各実施の形態では、第１の高周波デバイス１４０と第２の高周波デバイス１５０は異なるデバイス構造のトランジスタを例に挙げて説明したが、整合調整で最適な動作電圧範囲を変えた同一構造の高周波デバイスによる組み合わせであってもよい。
【００９２】
また、上記各実施の形態では、高周波デバイスを２個用いた２段階の切り替え動作としたが、高周波デバイスをｎ個とし、入力ＲＦスイッチ１６０と出力ＲＦスイッチ１７０をｎ個の接点で構成して、高周波デバイスを多段に切り替える構成・動作してもよい。このように構成することで、更に定利得動作の範囲が広いエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器を実現することができる。
【００９３】
なお、上記各実施の形態では、ベースバンド信号処理部１１０が、切替信号生成部１１２を備える構成としたが、入力ＲＦスイッチ１６０及び出力ＲＦスイッチ１７０を制御するＲＦスイッチ制御信号は、変調電源１２０，２２０で生成してもよい。
【００９４】
また、図１０では、変調電源２２０は、４つのＤＣ／ＤＣ電源２２１〜２２４から構成する例で示したが、同様の機能を有する他の構成を用いてもよい。またその個数・電圧領域も任意である。
【００９５】
また、上記各実施の形態では、高周波増幅器という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、ＲＦパワーアンプ、高周波電力増幅器等であってもよい。
【００９６】
さらに、上記高周波増幅器を構成する各回路部、例えばＲＦスイッチの種類、高周波デバイスの種類・段数などは前述した実施の形態に限られない。当然のことながら、本高周波増幅器に、各種補償用の回路を付加してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明に係る高周波増幅器は、エンベロープトラッキング方式の高周波電力増幅器において有用である。また、エンベロープトラッキング方式の高周波増幅器以外にも、例えば電動モータなどの定格出力の複数の電気機器を必要な出力に応じて切り替えるといった回路構成に対しても有効である。
【符号の説明】
【００９８】
１００，２００ 高周波増幅器
１１０ ベースバンド信号処理部
１２０，２２０ 変調電源
１３０ ドライブアンプ
１４０ 第１の高周波デバイス
１５０ 第２の高周波デバイス
１６０ 入力ＲＦスイッチ
１６１ サーキュレータ
１６２ ＲＦアッテネータ
１７０ 出力ＲＦスイッチ
１８０ ＲＦ出力端子
１９０ ＲＦアンプ
２２１ 高電圧ＤＣ／ＤＣ電源
２２２ 中高電圧ＤＣ／ＤＣ電源
２２３ 中低電圧ＤＣ／ＤＣ電源
２２４ 低電圧ＤＣ／ＤＣ電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波デバイスに供給する電源電圧を入力変調波のエンベロープに応じて変動させ、前記高周波デバイスの利得が下がる電圧領域では電圧を固定するエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器であって、
エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号に応じて出力電圧を可変する変調電源と、
前記変調電源からの出力電圧が高い第１の電圧領域で最適な動作をする第１の高周波デバイスと、
前記変調電源からの出力電圧が前記第１の電圧領域より低い第２の電圧領域で最適な動作をする第２の高周波デバイスと、
前記第１の高周波デバイスと前記第２の高周波デバイスとを切り替えるデバイス切替手段と、
前記デバイス切替手段を切替制御する切替信号を生成する切替信号生成手段と、
を備える高周波増幅器。
【請求項２】
前記切替信号生成手段は、前記第１の高周波デバイスの利得が下がる低電圧領域では、動作電圧が低い前記第２の高周波デバイスに切り替える切替信号を生成する、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項３】
前記第２の高周波デバイスは、動作電圧が異なる複数のデバイスを備え、
前記デバイス切替手段は、前記第１の高周波デバイスと前記複数のデバイスのいずれかを切り替える、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項４】
ベースバンド信号処理部を備え、
前記切替信号生成手段は、前記ベースバンド信号処理部から出力されるＲＦ変調信号の通過経路を前記第１の高周波デバイス又は前記第２の高周波デバイスに切り替える入力ＲＦスイッチと、
前記第１の高周波デバイス又は前記第２の高周波デバイスのどちらかの出力信号を取り出す出力ＲＦスイッチと、
を備える請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項５】
前記第１の高周波デバイスと前記第２の高周波デバイスは、異なるデバイス構造である、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項６】
前記第１の高周波デバイスと前記第２の高周波デバイスは、整合調整により最適な動作電圧範囲を変えた同一デバイス構造である、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項７】
前記第１の高周波デバイスは、ＧａＮデバイス、前記第２の高周波デバイスは、ＬＤＭＯＳである、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項８】
前記第１の高周波デバイスは、ＧａＮデバイス、前記第２の高周波デバイスは、ＧａＡｓデバイスである、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項９】
前記第１の高周波デバイスは、ＬＤＭＯＳ、前記第２の高周波デバイスは、ＧａＡｓデバイスである、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項１０】
前記第１の高周波デバイスは、ＧａＮ−ＨＥＭＴ、前記第２の高周波デバイスは、ＬＤＭＯＳ又はＧａＡ−ＨＥＭＴである、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項１】
高周波デバイスに供給する電源電圧を入力変調波のエンベロープに応じて変動させ、前記高周波デバイスの利得が下がる電圧領域では電圧を固定するエンベロープトラッキング方式の高周波増幅器であって、
エンベロープ信号に対応した変調電源制御信号に応じて出力電圧を可変する変調電源と、
前記変調電源からの出力電圧が高い第１の電圧領域で最適な動作をする第１の高周波デバイスと、
前記変調電源からの出力電圧が前記第１の電圧領域より低い第２の電圧領域で最適な動作をする第２の高周波デバイスと、
前記第１の高周波デバイスと前記第２の高周波デバイスとを切り替えるデバイス切替手段と、
前記デバイス切替手段を切替制御する切替信号を生成する切替信号生成手段と、
を備える高周波増幅器。
【請求項２】
前記切替信号生成手段は、前記第１の高周波デバイスの利得が下がる低電圧領域では、動作電圧が低い前記第２の高周波デバイスに切り替える切替信号を生成する、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項３】
前記第２の高周波デバイスは、動作電圧が異なる複数のデバイスを備え、
前記デバイス切替手段は、前記第１の高周波デバイスと前記複数のデバイスのいずれかを切り替える、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項４】
ベースバンド信号処理部を備え、
前記切替信号生成手段は、前記ベースバンド信号処理部から出力されるＲＦ変調信号の通過経路を前記第１の高周波デバイス又は前記第２の高周波デバイスに切り替える入力ＲＦスイッチと、
前記第１の高周波デバイス又は前記第２の高周波デバイスのどちらかの出力信号を取り出す出力ＲＦスイッチと、
を備える請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項５】
前記第１の高周波デバイスと前記第２の高周波デバイスは、異なるデバイス構造である、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項６】
前記第１の高周波デバイスと前記第２の高周波デバイスは、整合調整により最適な動作電圧範囲を変えた同一デバイス構造である、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項７】
前記第１の高周波デバイスは、ＧａＮデバイス、前記第２の高周波デバイスは、ＬＤＭＯＳである、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項８】
前記第１の高周波デバイスは、ＧａＮデバイス、前記第２の高周波デバイスは、ＧａＡｓデバイスである、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項９】
前記第１の高周波デバイスは、ＬＤＭＯＳ、前記第２の高周波デバイスは、ＧａＡｓデバイスである、請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項１０】
前記第１の高周波デバイスは、ＧａＮ−ＨＥＭＴ、前記第２の高周波デバイスは、ＬＤＭＯＳ又はＧａＡ−ＨＥＭＴである、請求項１記載の高周波増幅器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−４８２１（Ｐ２０１２−４８２１Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３７５４４（Ｐ２０１０−１３７５４４）
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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