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技術 高周波電力増幅器

出願人 アストリウム・リミテッド
発明者 クリストファー・デイヴィッド・セイモア
出願日 2007年5月4日 (13年9ヶ月経過) 出願番号 2009-508505
公開日 2009年10月8日 (11年4ヶ月経過) 公開番号 2009-536483
状態 特許登録済
技術分野 増幅器一般
主要キーワード 電気的消去書込み可能な読出し専用メモリ デジタル制御ワード 許容線 損失素子 デジタル補償 伝送位相 メイン電圧 入力参照
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (11)

課題・解決手段

複数素子アンテナ単一素子給電するための半導体電力増幅器SSPA)であって、前記SSPAは、前置増幅器と、ドライバ増幅器(16)と、電力出力段(18)とを含む単一の増幅経路を有する高周波増幅器と、前記高周波増幅器の電力出力段(18)に給電するためのDC電圧可変値を与えるための電子電力調整器(EPC)と、前記DC電圧の値を決定するために前記EPCに電圧制御信号を与えるために前記高周波増幅器の入力電力信号(46)を受信するための制御ASIC(40)と、を備え、前記制御ASICは、一定の増幅線形性を維持するために、入力電力の値を変動させるために前記高周波増幅器の利得圧縮を制御するように前記電力出力段(18)への前記DC電圧(36)の値を変動させるように、前記入電力の値を変動させるための制御出力信号出力値を定義する制御ワード集合を保持するEEPROM(42)をアドレス指定する。

概要

背景

通信人工衛星の適用のために特に、複数素子アンテナアレイ、例えば、フェーズドアレイの各素子は、それぞれの電力装置、単一の電力増幅器によって駆動されることが、一般的な要求条件である。各アンテナのために増幅される電力信号は、他のアンテナ素子に対して振幅および位相において正確に制御されるべきである。この目的のために半導体電力増幅器SSPA)を利用することが一般的であるが、その増幅器は、アクティブアンテナアレイにおける動作のために要求される、厳密な線形性効率性、および、利得/位相追従性の性能を満たさなければならない。

増幅器の利得圧縮、効率性、および、線形性の程度は、バイアス条件注意深い選択によって、与えられた高周波出力電力において最適化することができる。しかし、増幅器の駆動が減少するに連れて、増幅器はバックオフし、利得はあまり圧縮されなくなり、結果として劣化した効率性となる。線形性は向上するが、多くの場合においてこれは適用の要求条件ではない。アクティブアンテナアレイにおいて動作するとき、これは、増幅器のうちいくつかまたは全てが、トラフィック負荷およびビーム指向条件に依存して、最適より低い効率性において動作する結果となる(これはアレイにわたる振幅‘テーパ’を強制し、ここで増幅器はアレイにわたる出力振幅を徐々に減少させる)。

疑義を避けるため、上記で使用した用語は次の意味を持つ。
<利得圧縮>:例えば、増幅器の伝達特性非線形性によって引き起こされる‘差分’または‘勾配’利得における減少と定義することができる。利得圧縮は、増幅器が最大の増幅におけるその飽和特性に近づくに連れて、線形の増幅からの逸脱の程度として理解することができる。
<バックオフ>:高い電力条件から離れ、より低い電力条件に向かうその動作特定に沿って増幅器の動作点が移動するに連れて、入力電力および出力電力が減少する量。
<効率性>:送信のための高周波出力電力の、電源によって供給されるDC入力電力に対する比率
<線形性>:ここで説明されるように線形性の様々な基準が存在するが、共通の基準は搬送波相互変調比(Carrier to Intermodulation Ratio)(C/I比 −対象チャネルにおける電力の、マルチキャリアシステム隣接チャネルにおける電力“漏洩”に対する比)

バックオフを有する効率性の劣化を最小化する増幅器のバイアス自動調整は、シリコンバイポーラトランジスタを組み込んだ電力増幅器について、非特許文献1に開示されている。その技術は、バイポーラ出力トランジスタベースエミッタ電圧の調整を含むアナログ技術である。その技術は、電界効果トランジスタFET)を利用する増幅器を用いて動作させることができず、従って、一般に使用される増幅器には厳しく制限される。

他のより複雑な技術、特にChireix outphasing(LINC(Linear Amplification with Nonlinear Components))増幅器、ドハーティ(Doherty)増幅器が知られている。これらの装置は入力信号を2つの並列増幅経路に分割し、従って、続いて、増幅された信号に結合することを必要とする。そのような技術は、設置することが複雑であり、増幅器がたいへん高い線形性を示す、与えられたバックオフにおいて効率性を最大化することが第1に意図される。
“Recent developments in solid state power amplifier technology and their applicability to third generation mobile space segment systems”,Fourth International Conference on Satellite Systems for Mobile Communications and Navigation,1988年10月,p.264-268
D. Seymour,“L Band Power Amplifier Solutions for theINMARSATSpace Segment”,IEESeminar on Microwave and RF Power Amplifiers,2000年12月7日,p.6/1-6/6

概要

複数素子のアンテナの単一素子給電するための半導体電力増幅器(SSPA)であって、前記SSPAは、前置増幅器と、ドライバ増幅器(16)と、電力出力段(18)とを含む単一の増幅経路を有する高周波増幅器と、前記高周波増幅器の電力出力段(18)に給電するためのDC電圧可変値を与えるための電子電力調整器(EPC)と、前記DC電圧の値を決定するために前記EPCに電圧制御信号を与えるために前記高周波増幅器の入力電力信号(46)を受信するための制御ASIC(40)と、を備え、前記制御ASICは、一定の増幅の線形性を維持するために、入力電力の値を変動させるために前記高周波増幅器の利得圧縮を制御するように前記電力出力段(18)への前記DC電圧(36)の値を変動させるように、前記入力電力の値を変動させるための制御出力信号出力値を定義する制御ワード集合を保持するEEPROM(42)をアドレス指定する。

目的

本発明の目的は、幅広ダイナミックレンジにわたる増幅器の特性を著しく向上させうる増幅システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

少なくとも電力出力段を含む単一の増幅経路を有する高周波増幅手段と、前記高周波増幅手段の少なくとも前記電力出力段に給電するためのDC電圧可変値を与えるための電力供給手段と、制御入力として前記高周波増幅手段の入力電力の信号を受信し、前記制御入力に応答して、前記DC電圧の値を決定するために前記電力供給手段に電圧制御信号を与えるための制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記高周波増幅手段の増幅線形性、増幅の効率性、および、温度散逸のうち少なくとも1つを調整するために、前記入電力の値を変動させるために前記高周波増幅手段の利得圧縮を制御するように前記電力出力段への前記DC電圧の値を変動させるように構成される、アンテナ素子に給電するための増幅システム

請求項2

前記増幅の線形性は、所望の範囲にわたって、一定に、または、予め定められた限界の範囲内に維持される請求項1に記載の増幅システム。

請求項3

前記制御手段は、さらなる制御入力として前記高周波増幅手段の温度信号を有し、前記制御手段は、前記温度信号および前記入力電力の信号の両方に依存して前記電力供給手段に前記電圧制御信号を与えるように構成される請求項1または2に記載の増幅システム。

請求項4

前記高周波増幅手段は、増幅の利得、増幅の利得勾配、および、伝送位相のうち少なくとも1つを変動させる手段を有する前置増幅手段を含み、前記制御手段は、増幅の利得、増幅の利得勾配、および、伝送位相のうち少なくとも1つの制御のために少なくとも1つの制御出力信号を与える請求項1から3のいずれか1項に記載の増幅システム。

請求項5

前記高周波増幅手段はドライバ段を含み、前記電力供給手段は、前記ドライバ段にDC電圧の可変値を与えるように構成される請求項1から4のいずれか1項に記載の増幅システム。

請求項6

前記制御手段は、前記DC電圧の値を決定するために前記電力供給手段に遠隔命令信号を与えるように構成される請求項1から5のいずれか1項に記載の増幅システム。

請求項7

前記制御手段は、前記入力電力の値を変動させるための前記電圧制御信号の値を定義する制御ワード集合を保持する記憶手段を含む請求項1から6のいずれか1項に記載の増幅システム。

請求項8

前記制御ワードの集合は、前記入力電力の信号および前記温度信号の両方の値を変動させるための電圧制御信号の値を定義し、前記制御手段は、入力電力の信号および温度信号の前記制御入力を受信し、それに応答して、前記制御ワードのうち1つにアクセスするために前記記憶手段にアドレス指定し、前記1つの制御ワードによって決定される値を用いて前記電圧制御信号を与えるための回路手段を含む請求項3に従属する請求項7に記載の増幅システム。

請求項9

前記制御ワードの集合は、前記入力電力の信号および/または前記温度信号の値を変動させるために前記1つの制御出力信号の値を定義する請求項4に従属する請求項7または8に記載の増幅システム。

請求項10

少なくとも電力出力段を含む単一の増幅経路を有する高周波増幅手段と、前記高周波増幅手段の少なくとも前記電力出力段に給電するためのDC電圧の可変値を与えるための電力供給手段と、制御入力として前記高周波増幅手段から入力電力の信号を受信し、前記制御入力に応答して、前記DC電圧の値を決定するために前記電力供給手段に電圧制御信号を与えるための制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記入力電力の値を変動させるための前記電圧制御信号の出力値を定義し、それによって前記DC電圧の値を変動させて前記高周波増幅手段の予め定められたパラメータを制御する制御ワードの集合を保持する記憶手段を含む、アンテナ素子に給電するための増幅システム。

請求項11

前記制御手段は、さらなる制御入力として前記高周波増幅手段の温度信号を有し、前記制御ワードの集合は、前記入力電力の信号および前記温度信号の両方の値を変動させるための前記電圧制御信号の値を定義し、前記制御手段は、入力電力の信号および温度信号の前記制御入力を受信し、それに応答して、前記制御ワードのうち1つにアクセスするために前記記憶手段にアドレス指定し、前記1つの制御ワードによって決定される値を用いて前記電圧制御信号を与えるための回路手段を含む請求項10に記載の増幅システム。

請求項12

前記高周波増幅手段は、増幅の利得、増幅の利得勾配、および、伝送位相のうち少なくとも1つを変動させる手段を有する前置増幅手段を含み、前記制御手段は、増幅の利得、増幅の利得勾配、および、伝送位相のうち少なくとも1つの制御のために少なくとも1つの制御出力信号を与え、前記制御ワードの集合は、前記入力電力の信号および/または前記温度信号の値を変動させるために前記1つの制御出力信号の値を定義する請求項10または11に記載の増幅システム。

請求項13

前記電力出力段は少なくとも1つの電力トランジスタを含む請求項1から12のいずれか1項に記載の増幅システム。

請求項14

前記1つの電力トランジスタはFETである請求項13に記載の増幅システム。

請求項15

半導体電力増幅器を備え、1つまたは複数の回路基板上に搭載された前記高周波増幅手段および前記制御手段を含み、前記電力供給手段は電子電力調整器を備える請求項1から14のいずれか1項に記載の増幅システム。

請求項16

前記アンテナ複数素子のアンテナの単一素子である請求項1から15のいずれか1項に記載の増幅システム。

請求項17

少なくとも電力出力段を含む単一の増幅経路を有する高周波増幅手段と、前記高周波増幅手段の少なくとも前記電力出力段に給電するためのDC電圧を与えるための電力供給手段と、を備える、アンテナ素子に給電するための増幅システムにおいて、前記高周波増幅手段への入力電力を監視するステップと、前記入力電力に応答して前記DC電圧の値を変動させ、それによって、前記高周波増幅手段の増幅の線形性、増幅の効率性、および、温度散逸のうち少なくとも1つを調整するために、前記入力電力の値を変動させるために前記高周波増幅手段の利得圧縮を制御するステップと、を有する前記高周波増幅手段を制御する方法。

技術分野

0001

本発明は、高周波電力増幅器に関する。

背景技術

0002

通信人工衛星の適用のために特に、複数素子アンテナアレイ、例えば、フェーズドアレイの各素子は、それぞれの電力装置、単一の電力増幅器によって駆動されることが、一般的な要求条件である。各アンテナのために増幅される電力信号は、他のアンテナ素子に対して振幅および位相において正確に制御されるべきである。この目的のために半導体電力増幅器SSPA)を利用することが一般的であるが、その増幅器は、アクティブアンテナアレイにおける動作のために要求される、厳密な線形性効率性、および、利得/位相追従性の性能を満たさなければならない。

0003

増幅器の利得圧縮、効率性、および、線形性の程度は、バイアス条件注意深い選択によって、与えられた高周波出力電力において最適化することができる。しかし、増幅器の駆動が減少するに連れて、増幅器はバックオフし、利得はあまり圧縮されなくなり、結果として劣化した効率性となる。線形性は向上するが、多くの場合においてこれは適用の要求条件ではない。アクティブアンテナアレイにおいて動作するとき、これは、増幅器のうちいくつかまたは全てが、トラフィック負荷およびビーム指向条件に依存して、最適より低い効率性において動作する結果となる(これはアレイにわたる振幅‘テーパ’を強制し、ここで増幅器はアレイにわたる出力振幅を徐々に減少させる)。

0004

疑義を避けるため、上記で使用した用語は次の意味を持つ。
<利得圧縮>:例えば、増幅器の伝達特性非線形性によって引き起こされる‘差分’または‘勾配’利得における減少と定義することができる。利得圧縮は、増幅器が最大の増幅におけるその飽和特性に近づくに連れて、線形の増幅からの逸脱の程度として理解することができる。
<バックオフ>:高い電力条件から離れ、より低い電力条件に向かうその動作特定に沿って増幅器の動作点が移動するに連れて、入力電力および出力電力が減少する量。
<効率性>:送信のための高周波出力電力の、電源によって供給されるDC入力電力に対する比率
<線形性>:ここで説明されるように線形性の様々な基準が存在するが、共通の基準は搬送波相互変調比(Carrier to Intermodulation Ratio)(C/I比 −対象チャネルにおける電力の、マルチキャリアシステム隣接チャネルにおける電力“漏洩”に対する比)

0005

バックオフを有する効率性の劣化を最小化する増幅器のバイアス自動調整は、シリコンバイポーラトランジスタを組み込んだ電力増幅器について、非特許文献1に開示されている。その技術は、バイポーラ出力トランジスタベースエミッタ電圧の調整を含むアナログ技術である。その技術は、電界効果トランジスタFET)を利用する増幅器を用いて動作させることができず、従って、一般に使用される増幅器には厳しく制限される。

0006

他のより複雑な技術、特にChireix outphasing(LINC(Linear Amplification with Nonlinear Components))増幅器、ドハーティ(Doherty)増幅器が知られている。これらの装置は入力信号を2つの並列増幅経路に分割し、従って、続いて、増幅された信号に結合することを必要とする。そのような技術は、設置することが複雑であり、増幅器がたいへん高い線形性を示す、与えられたバックオフにおいて効率性を最大化することが第1に意図される。
“Recent developments in solid state power amplifier technology and their applicability to third generation mobile space segment systems”,Fourth International Conference on Satellite Systems for Mobile Communications and Navigation,1988年10月,p.264-268
D. Seymour,“L Band Power Amplifier Solutions for theINMARSATSpace Segment”,IEESeminar on Microwave and RF Power Amplifiers,2000年12月7日,p.6/1-6/6

発明が解決しようとする課題

0007

上記技術のいずれも現在のアクティブアレイアンテナにおいて動作する増幅器の要求条件を解決しない。そのような増幅器のための必須の前提条件は、利得および伝送位相において、および、多くの場合、増幅器が異なる駆動レベルおよび温度において動作して、それらが互いに追従しなければならないことである。

0008

非特許文献2において、利得、利得勾配および位相の特性が多数の半導体増幅器(SSPA)のアレイの他のSSPAに関して正確に一定に維持され、追従するように、利得、利得勾配および位相においてSSPAを制御するためのシステムが開示されている。このシステムは電子電力調整器(EPC)を含み、これは宇宙での適用において使用するために構成された電源である。制御ASIC(application specific integrated circuit)は、増幅器の温度信号および増幅器の入力電力信号を受信し、受信信号に応じて、増幅器の利得、利得勾配、および、位相の制御のために適切なアナログの制御信号を与えるためにEEPROM(electrically erasable programmable read-only memory)内に保持されるデジタル補償データにアクセスする。

課題を解決するための手段

0009

本発明の目的は、幅広ダイナミックレンジにわたる増幅器の特性を著しく向上させうる増幅システムを提供することである。
第1の態様において、本発明は、
少なくとも電力出力段を含む単一の増幅経路を有する高周波増幅手段と、
前記高周波増幅手段の少なくとも前記電力出力段に給電するためのDC電圧可変値を与えるための電力供給手段と、
制御入力として前記高周波増幅手段の入力電力の信号を受信し、前記制御入力に応答して、前記DC電圧の値を決定するために前記電力供給手段に電圧制御信号を与えるための制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記高周波増幅手段の増幅の線形性、増幅の効率性、および、温度散逸のうち少なくとも1つを調整するために、前記入力電力の値を変動させるために前記高周波増幅手段の利得圧縮を制御するように前記電力出力段への前記DC電圧の値を変動させるように構成される、アンテナ素子に給電するための増幅システムを提供する。

0010

第2の態様において、本発明は、
少なくとも電力出力段を含む単一の増幅経路を有する高周波増幅手段と、
前記高周波増幅手段の少なくとも前記電力出力段に給電するためのDC電圧の可変値を与えるための電力供給手段と、
制御入力として前記高周波増幅手段から入力電力の信号を受信し、前記制御入力に応答して、前記DC電圧の値を決定するために前記電力供給手段に電圧制御信号を与えるための制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記入力電力の値を変動させるための前記電圧制御信号の出力値を定義し、それによって前記DC電圧の値を変動させて前記高周波増幅手段の予め定められたパラメータを制御する制御ワード集合を保持する記憶手段を含む、アンテナ素子に給電するための増幅システムを提供する。

0011

本発明による増幅システムは、宇宙、空中、地上を基にした伝送のために単一素子のアンテナに給電することが可能である。しかし、この増幅システムは、特に、宇宙船のために複数素子のアンテナまたはアンテナアレイのそれぞれの素子を駆動するために構成される。従って、複数のそのような増幅システムは、それぞれのアンテナ素子を駆動するために設けられ、例えば、好ましくは、マトリックス電力増幅器(MPA)として構成される。

0012

前記増幅システムは、好ましくは、宇宙の適用のために構成された半導体電力増幅器(SSPA)であり、これは、高周波増幅器、電子電力調整器、および、制御部を含む。制御部は、高周波増幅素子と同一の回路基板上に搭載され、または、高周波増幅素子と統合される。高周波増幅器は、一般に、前置増幅器ドライバ増幅器、および、電力増幅器または電力出力段を含む増幅経路を有する。好ましくは、電力出力段は、直列/並列の配列に配置された複数の増幅器を備える。

0013

前記出力段は、1つまたは複数の電力トランジスタを含みうる。現在の技術を用いて好ましくは、電力トランジスタはFETであるが、バイポーラトランジスタ、または、一般に商業的に使用されていないトランジスタとすることが可能である。各種のトランジスタが存在し、全てFET、例えば、HFETヘテロ構造電界効果型トランジスタ)、PHEMT高周波トランジスタ)とされる。電力トランジスタは、高品質GaAsまたはGaN、または、Si、SiGe、SiC、ダイアモンドプラスチックのような他の物質とすることが可能である。TWTA(進行波管増幅器)のような熱電子素子は除外されない。

0014

前記増幅システムの電力供給手段は電子電力調整器(EPC)を備え、宇宙の適用において使用するために構成され、宇宙船の電力バスから電力を受け入れ、高周波増幅手段および制御手段に給電するために制御されるDC供給電圧メイン二次電圧)を与える。FETを用いた増幅器のために、1つのDC電圧はFETのドレイン電圧を表わす。本発明によれば、高周波増幅器の出力段に供給されるDC供給電圧の大きさは、制御手段から電力供給への制御入力に依存して制御される。好ましくは、高周波増幅器のドライバ段に供給されるDC供給電圧の大きさは同様に制御される。

0015

SSPAが使用される場合、制御手段は、高周波増幅器と同一の回路基板上に搭載される集積回路とすることが可能であり、その代わりに、増幅器と別個に構成することが可能である。そのような制御手段は、増幅器からの制御入力、主として、入力電力および温度を受け入れ、(前置増幅器の特性を調整するために、)増幅器の選択されたパラメータ、例えば、利得、伝送位相、および、利得勾配を制御するために制御出力を与える。本発明によれば、増幅器の選択されたパラメータを制御するために、電力増幅器の出力電力段へのDC供給電圧を変動させるために、制御手段は、電力供給手段に制御出力を与える。制御のための基本パラメータは線形性および効率性である。しかし、他のパラメータ、例えば、温度散逸を制御することが可能である。上述したように、線形性の重要な基準はC/I比であるが、ノイズ電力比(NPR)または隣接チャネル電力比(ACPR)のような他の基準を使用することが可能である。C/I比は、一般に、マルチキャリアシステムのために使用されるが、ACPRは単一キャリアシステムのために使用され、メインローブにおける電力に関して単一キャリアのサイドローブにおける電力を決定することが可能である。

0016

好ましい制御方法は、線形性(搬送波対相互変調比(C/I))を一定に、または、所望の限界の範囲内に維持し、高周波電力出力値の所望の範囲にわたって増幅器の入力値を変動させるために許容可能な限界の範囲内に効率性を維持することである。その代わりに、温度散逸または効率性を一定に維持してもよい。これを行うために、本発明は、高周波増幅器の電力出力段へのDC供給電圧を変動させることによって、入力電力のレベルを変動させるために、利得圧縮を制御する。

0017

上記制御が、デジタルおよびアナログ回路によって、および、遠隔命令信号によって、少なくとも部分的に上記制御方法を提供することが可能でありうる。制御手段の回路は、任意の使いやすい形態で設けることが可能であり、例えば、ASICが使いやすいことが分かる。本発明によれば、所望の増幅出力条件を達成するために、制御ワードの配列の形態で、制御出力値を定義するデータを保持するEEPROMまたは他の不揮発性記憶手段を設けることが好ましい。従って、高周波入力電力の値を変動させるために所望の範囲にわたって線形性を一定に維持することが望しいならば、制御ワードは高周波入力電力を変動させるためにDC電力電圧を表わす配列を備える。温度のような他の入力、および、高周波出力電力および位相のような他の出力が設けられる場合、配列の次元および制御ワードのセクション数は対応して増加する。

0018

制御ワードを提供するために、増幅システムの初期特性決定処理が実行され、線形性のような増幅器の所望のパラメータは、動作の要求条件の全範囲にわたって入力電力を変動させるが、テスト装置によって一定値にデジタルで制御される。線形性を一定に維持するために、増幅出力段の利得圧縮を要求される値に維持するためにDC供給電圧がデジタルで制御される。入力電力の値についてDC供給電圧の適切な値を表わす制御ワードが記録される。制御ワードの限定された集合を記憶することが可能であり(主要点)、中間の入力/出力の値のための制御ワードを定義するために補間処理を実行することが可能である。

0019

従って、本発明は、少なくとも好ましい形態において、統合された、基板上の、自律的な、かつ/または、遠隔命令可能な制御技術であり、(実地テストから得られた)データを含む電子メモリに結合されたアナログおよびデジタル混電子回路によって、半導体電力増幅器の
・利得
・利得対周波数応答
・伝送位相
のうちいずれか、または、全てのパラメータとともに、
・線形性、および
・電力が付加された効率性
は、(ほぼ)一定レベルに、かつ、予め定められた閾値より上に、同時に自動的に維持され、増幅器は、出力電力レベルの広い範囲にわたって駆動され、温度の変化に従う。

0020

本発明は、統合された基板上の制御技術を含み、増幅の利得圧縮の程度を制御することによって、出力電力レベルの広い範囲にわたって増幅の効率性における著しい向上を示すことができる。これを行う機能は、異なる増幅器の種類および適用について様々な包含を有し、本発明の機能は、要求されるならば、増幅器の他のパラメータを同時に制御するように拡張することができる。宇宙船において有効搭載量レベルで使用される場合、本発明は、柔軟な地上の適用範囲のために高性能のアクティブアンテナアレイの達成において可能にする要因であり、損失が多く高価な出力回路を除去するための可能性を与える。

0021

任意の現実の適用のために、アナログ手段によって達成することが受け入れられず、非常に難しい/非現実的である増幅の利得との潜在的に課題を有する相互作用が存在するので、本発明は、ユニークな程度の増幅器の柔軟性を提供する。温度にわたる動作のための典型的な要求条件が考慮に入れられるとき、これはさらに強調される。

0022

本発明の代わりの形態において、増幅の利得圧縮および効率性の制御を達成するアプローチは遠隔命令による。この場合において、増幅器は、離散的な遠隔命令される出力電力設定においてのみ、要求される利得圧縮および効率性を示す。

発明を実施するための最良の形態

0023

ここで、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
まず、図10を参照すると、1つの典型的な形態における本発明の増幅システムは半導体電力増幅器(SSPA)として実現され、電力供給部は電子電力調整器(EPC)10を備え、高周波増幅部12は、前置増幅器14、ドライバ増幅器16(ドライバ段)、および、電力増幅器18(出力段)を含む増幅経路を有する。制御部はデジタル制御機構(DCS)20を備え、デジタル制御機構20は、前置増幅器14およびEPC10に制御出力を与える。特に、DCS20は、ライン22においてアナログ制御信号をEPC10に、ライン24においてデジタル信号を前置増幅器14内の位相制御26に(代わりに、アナログ位相制御を使用することが可能である)、ライン28においてアナログ制御信号を利得勾配制御30に、ライン32においてアナログ制御信号を前置増幅器14内の利得制御34に与える。EPC10は可変DC供給電圧36(ドレイン電圧またはドレインソース電圧)を出力段18およびドライバ段16に与える。

0024

図1および図9を参照すると、DCS20は、アナログ/デジタル信号混合の制御ASIC40および電気的消去書込み可能な読出し専用メモリ(EEPROM)42からなる。制御ASICは、2つのアナログ入力参照ポート44、46、および、ユーザに利用可能な3つのアナログ(22,28,32)および1つのシリアルデジタル(24)出力制御ポートを有する。基本的に、入力参照44、46(通常、温度および増幅器の入力電力)はA/D変換器48においてデジタル化され、制御ASICのデジタル処理装置49を制御してEEPROM内に保持されている関連する制御ワードを読み出す。好ましくは、制御ワード50は、電力入力について行、温度入力について列として図示されているように、行列形式で記憶することが可能である。そして、アクセスされた制御ワードは、ASICによって処理され、デジタル表現され、D/A変換器52において出力ポート22〜32における制御信号を与える。制御ASIC40はI2Cプログラミングインタフェース54(他の標準インタフェースを利用することが可能である)を有し、それによって、増幅器の設定または特性決定処理の間、EEPROM42は、アドレス指定され、ロードされ、および、読み出されることができる。

0025

ここで説明される全ての実施形態について、DCS20の基本動作は、生産工程の一部として、動作の要求条件、特に入力電力範囲および温度の全範囲にわたって増幅器が‘特性決定’される。この特性決定処理の間、制御されることが必要なパラメータは、DCSとインタフェースするソフトウェアおよびテスト装置によって、所望の値およびデジタル‘制御ワード’にデジタルで制御され、従って、抽出および記録される。このようにして、デジタル制御ワード50の配列または‘主要点(cardinal point)’が収集される。ソフトウェアは、EEPROM42にロードされる全‘訂正配列’に到達するように主要点の間で補間することが可能である。その代わりに、ASIC40によって補間がリアルタイムに行われ、主要点のみがEEPROM42内に記憶される。両方の機構において、結果は、ASIC内の回路によってEEPROMデータが使用され、必要な性能を達成するために増幅の構造に含まれる訂正素子を駆動する。

0026

図2は、本発明の第1実施形態を表わし、図1、9、10(続く全ての図についても)の構成要素と同様な構成要素は同一の参照符号によって示されている。この場合において、DCS20は、高周波増幅器12から単一の入力参照46を用いて供給され、それは、その入力電力に関する電圧である。DCSアナログ出力のうち1つ、22のみが使用され、これはドライバおよび出力FETドレイン16、18へのメイン電圧供給36を制御するためにEPC10とインタフェースする。特性決定処理の間、増幅器は、その全ての入力電力のダイナミックレンジにわたって、上述したソフトウェアおよびテスト装置によって訓練され、一定のC/I比を維持するために、高周波増幅ドライバおよび出力段16、18を要求される利得圧縮に維持するために、EPCメイン出力電圧36がデジタルで制御される。

0027

図2の実施形態は最小構成である。実際、ドライバおよび出力FETへのドレイン供給が調整され、処理しなければならない温度効果が存在するので、増幅の利得は変化する。従って、図3に表わされている第2実施形態は、より実用的な使用の、本発明の構成を表わし、DCS20は、動作ダイナミックレンジおよび温度にわたって増幅器の全体の利得を一定レベルに維持するために使用される。ここで、第2参照入力44は、増幅器の基板上に搭載された温度センサ60からDCS20に与えられ、第2アナログ出力32は、高周波機構内で可変減衰器34(または他のデジタルまたはアナログ可変利得損失素子)を駆動するために使用される。ここで、特性決定処理は、その全ての入力電力のダイナミックレンジにわたって、および、動作温度範囲にわたって増幅器を訓練する。このようにして、入力ドライバを用いて利得圧縮を調整するだけでなく、温度による利得圧縮および絶対利得における望ましくない変動を除去するために、データが収集される。

0028

図4および図5には、特定の出力電力の要求条件について最適化された固定クラスA/Bのバイアスされた増幅器の性能と、本発明を用いて予想される性能との間の比較が表わされている。増幅器はGaAsのドライバおよび出力FETを使用し、利得を上げる前置増幅部を含む。図4は、固定バイアスの場合を表わし、バイアス条件、特にドレイン電圧供給は、この場合、12.0dBWよりわずかに下の通常動作点(NOP)において最適性能を達成するために調整および固定される。対応する3つのトーンの20dBの搬送波対相互変調比(C/I)において、31%のピークの効率性が達成され、この値は、移動電力増幅器のための価値のある典型的な数値であることが分かる。しかし、増幅器がバックオフするとき、効率性の劣化はたいへん早く、C/Iにおける向上が存在するが、これは、一般に、システムの要求条件ではない。ダイナミックレンジにわたって全ての増幅の利得を制御するように構成されたDCSにこの増幅器が設けられるので、増幅器はNOPにおいて2dB利得圧縮される事実が隠蔽される。

0029

図5は、図3の実施形態に組み込まれた同じ増幅器の向上した性能を表わす。この場合において、DCS20の機能は、増幅器のC/Iを3dBをわずかに超える出力電力のダイナミックレンジにわたって20dBのレベルに自動的に維持するように拡張される。これを達成する利得圧縮の制御は、全体の増幅の利得を制御するDCSによって隠蔽される。固定バイアスの場合よりピークの効率性が高くないが、バックオフにおける効率性は大きく向上し、出力電力範囲10.5Wから22Wにおいて30%より良いことがすぐに分かる。この性能を達成することができるダイナミックレンジは要求される最小許容線形性(C/I)に依存するが、結局、ドライバおよび出力FETについての許容電圧限界によって制限される。

0030

本発明は、与えられたダイナミックレンジにわたる一定の効率性または一定の散逸特性を達成するために等しく適用できることに留意すべきである。

0031

本発明は、ガリウム化物(GaN)広帯域ギャップ技術を組み込んだFETに適用することが可能であり、これらの部品を用いて可能となるより大きなドレイン電圧範囲によって、ずっと広いダイナミックレンジを達成することができる。

0032

図6は、C/Iを20dBに一定に維持するために適用される本発明を用いて、マルチキャリア動作における単一のGaN出力段の予想される性能を表わす。この場合において、4dB近く(63Wから26W)の出力電力のダイナミックレンジにわたって45%より良い効率性が維持される。

0033

図7は、単一のキャリア動作における同じGaN出力段についての予想される性能を表わし、この場合において、利得圧縮は、一定の2dBに制御された。126Wから52Wの出力電力範囲にわたって56%より良い効率性が維持されることが分かる。

0034

図8は、本発明の第3実施形態を表わし、DCS20は移動衛星伝送のフェーズドアレイアンテナにおいて動作する増幅器に適用されるような十分な容量に拡張される。ここで、増幅器は、異なる高周波駆動レベルで動作するが、全て、温度にわたって利得および伝送位相において互いに追従することが要求される。従って、図3の第2実施形態と比較して、位相および利得勾配26および30を制御する制御ライン24、28が設けられる。ここで、DCSは、要求されるダイナミックレンジおよび温度にわたって増幅器を同時に制御するが、図5から図7において示される性能
・全体の利得
・伝送位相
・振幅対周波数応答
を達成するために使用される。

0035

本発明の変形において、増幅の利得圧縮および効率性の制御を達成するためのアプローチは遠隔命令による。この場合において、増幅器は、不連続な、遠隔命令された出力電力設定においてのみ要求される利得圧縮および効率性を示す。EPC10への遠隔命令入力に応答して、EPC10は、高周波増幅器12へのドレイン供給電圧36を予め定められた値に変更する。いくつかのそのような値を命令することができる。これは、いくつかの状況において許容可能な制御の近似の形態を与える。

0036

実際、命令されたドレイン電圧が変化するとき増幅の利得は変化し、これは補償されなければならない。さらに利得の温度補償が要求されうる。従って、そのような遠隔命令の代替は、好ましくは、利得の変化を補償するためにEEPROM42を含むDCS20を含む。増幅器がフェーズドアレイにおける動作の要求される一定の利得および位相の性能を示すことが要求されるならば、図8におけるDCSに類似のDCSを使用することが可能であり、EEPROMデータ訂正行列は各々の遠隔命令されるレベルについて記憶される。

図面の簡単な説明

0037

本発明の好ましい実施形態において使用される典型的な制御手段の図である。
本発明の第1の好ましい実施形態のブロック図である。
本発明の第2の好ましい実施形態のブロック図である。
先行技術のSSPAの性能特性を表わすグラフである。
本発明を用いて予想される性能特性を表わすグラフである。
出力段においてGaN電力トランジスタを使用する、マルチキャリアシステムのための本発明を用いて予想される性能特性を表わすグラフである。
出力段においてGaN電力トランジスタを使用する、シングルキャリアシステムのための本発明を用いて予想される性能特性を表わすグラフである。
本発明の第3の好ましい実施形態のブロック図である。
図1の制御手段のより詳細な図である。
SSPAとして例示される、本発明の増幅システムの概念的なブロック図である。

符号の説明

0038

10電力供給部
12高周波増幅部
14前置増幅器
16ドライバ増幅器
18電力増幅器
20 制御部
40 制御ASIC
42 EEPROM

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