JP2000244253A - フィードフォワード増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 省電力で小形のフィードフォワード増幅器を
実現する。 【解決手段】 ポートａの入力信号は、電力分配器２で
２分配されポートｂからベクトル調整器３を経由して主
増幅器４で電力増幅され、またまたポートｃから遅延フ
イルタ６で遅延され、両者は歪検出用電力合成器５にお
いて目的の信号の歪成分が等振幅で逆位相になるように
調整されて歪検出用電力合成器５のポートｇから歪成分
のみの信号が出力され、ポートｆからはポートｅから入
力された信号成分が出力される。ポートｇから出力され
た歪成分だけの信号は、ベクトル調整器９と補助増幅器
１０でポートｈの入力の歪成分と逆位相で等振幅になる
よう調整されて歪成分を除去して歪除去用電力合成器８
のポートＪからは目的とする信号成分だけを得、さら
に、バンドパスフィルタ１１で目的の信号成分のみを選
択されて出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は移動体通信機器の基
地局装置などに用いられるフィードフォワード増幅器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、移動体通信機器の基地局の送信装
置には、多数の信号チャンネルを一括して増幅するため
に効率よくかつ線形性のよい電力増幅器が求められ、線
形性についてはフィードフォワード方式による歪補償を
行なうことにより実現されている。

【０００３】フィードフォワード増幅器については、た
とえば John L. B. Walker, "High-Power GaAs FET Amp
lifiers," Artech House, 1993, pp332〜333 にも記さ
れているが、図３に従来のフィードフォワード増幅器の
構成の一例を示す。図において入力端子１０１は電力分
配器１０２のポートａに接続され、電力分配器１０２の
ポートｂからはベクトル調整器１０３を介して入力信号
を電力増幅する主増幅器１０４に接続され、主増幅器１
０４の出力は歪検出用電力合成器１０５のポートｄに接
続されている。また電力分配器１０２のポートｃからは
遅延回路１０６を介して歪検出用電力合成器１０５のポ
ートｅに接続されている。

【０００４】歪検出用電力合成器１０５のポートｆから
は遅延回路１０７を介して歪除去用電力合成器１０８の
ポートｈに、また歪検出用電力合成器１０５のポートｇ
からベクトル調整器１０９、補助増幅器１１０の直列回
路を介して歪除去用電力合成器１０８のポートｉに接続
されている。歪除去用電力合成器１０８のポートｊから
は出力端子１１１に接続されている。

【０００５】このように構成されたフィードフォワード
増幅器の動作を以下に説明する。まず入力端子１０１か
ら入力された多チャンネル成分を含んだ入力信号は、電
力分配器１０２で２分配される。２分配された一方の出
力信号はポートｂからベクトル調整器１０３で位相、振
幅を調整されて主増幅器１０４で増幅され、歪検出用電
力合成器１０５のポートｄに入力される。このとき主増
幅器１０４の非線形性のために入力信号成分の他に多チ
ャンネル信号間の相互変調による歪成分を含んだ信号が
入力される。また２分配された他方の信号は、ポートｃ
から遅延回路１０６で遅延されて、歪検出用電力合成器
１０５のポートｅに入力される。

【０００６】ここでポートｄおよびポートｅに入力され
た信号の入力信号成分が等振幅で逆位相になるように、
可変減衰器と可変位相器からなるベクトル調整器１０３
および遅延回路１０６を調整することにより、ポートｇ
から入力信号成分が相殺された歪成分のみの信号が出力
され、ポートｆからはポートｅから入力された信号成分
が出力される。

【０００７】つぎにポートｆから出力された入力信号成
分と歪成分とを含んだ信号は、遅延回路１０７で遅延さ
れて歪除去用電力合成器１０８のポートｈに入力され
る。またポートｇから出力された歪成分の信号は、ベク
トル調整器１０９を経由して補助増幅器１１０で増幅さ
れ、歪除去用電力合成器１０８のポートｉに入力され
る。ここで、ポートｈおよびポートｉに入力された信号
の歪成分が等振幅で逆位相になるように、ベクトル調整
器１０９おょび遅延回路１０７を調整することにより、
ポートｊから出力端子１１１へ歪成分が相殺された入力
信号成分のみの信号が出力される。

【０００８】図４（ａ）〜（ｄ）に図３のポートａ，
ｄ，ｇおよびｊにおける信号の周波数スペクトルを示
す。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成での課題の１は主増幅器１０４における消費電
力が大きい点である。主増幅器１０４には歪の発生を少
なくするために通常Ａ級増幅器を用いていて、これは歪
みは少ないが電力効率が低く損失が大きい。効率を高め
るためにＡＢ級増幅器を用いると歪が増加し、また基本
波と歪との相互変調も生じて広い周波数範囲にわたって
歪が発生してフィードフォワード方式だけでは十分にキ
ャンセルし切れないという問題が起こる。

【００１０】また課題の２として、遅延回路１０６，１
０７に用いる遅延素子は、たとえば同軸ケーブルをスパ
イラル状に巻いたもので、ケーブルの長さは約３ｍ程度
必要であり、大きなスペースを必要とし、また大電力の
場合の通過電力損失も大きいという問題点があった。

【００１１】本発明はこのような従来の課題を解決し、
消費電力を低減し、かつ遅延素子のスペースも小さくて
済み、その中での損失も少ないフィードフォワード増幅
器の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のフィードフォワード増幅器は、第１の構成に
おいては、入力信号を２分配する電力分配器と、前記電
力分配器の２分配した一方の出力信号の振幅と位相を調
整する第１のベクトル調整器と、前記第１のベクトル調
整器の出力を入力して電力増幅する主増幅器と、前記電
力分配器の２分配した他方の出力信号の位相を遅延させ
る第１の遅延回路と、前記主増幅器の出力と前記第１の
遅延回路の出力とを逆位相で合成する歪検出用電力合成
器と、前記歪検出用電力合成器の合成信号を２分配した
一方の出力を遅延させる第２の遅延回路と、前記歪検出
用電力合成器の合成信号を２分配した他方の出力信号の
振幅と位相を調整する第２のベクトル調整器と、前記第
２のベクトル調整器の出力を増幅する補助増幅器と、前
記第２の遅延回路の出力と前記補助増幅器の出力とを逆
位相で合成する歪除去用電力合成器とを備え、前記歪検
出用電力合成器において前記第２のベクトル調整器への
入力信号が目的とする信号成分が打ち消されて歪成分だ
けになるように前記第１のベクトル調整器と前記第１の
遅延回路とを調整し、前記歪除去用電力合成器の２つの
入力信号の歪成分が打ち消されて目的とする信号成分だ
けが出力されるように前記第２のベクトル調整器と前記
第２の遅延回路とを調整し、かつ少なくとも前記第２の
遅延回路が、または前記第１および第２の遅延回路が位
相遅延特性を持ったフィルタで構成されたことを特徴と
する。

【００１３】この構成によって遅延回路素子の容積を大
幅に小さくでき、特に第２の遅延フィルタの場合は主増
幅器で電力増幅された大電力の信号が通過するが、従来
の同軸遅延回路よりも遅延フィルタを用いるほうが容積
が小さくなるだけではなく通信号に対する損失も少なく
できるよう作用する。

【００１４】また本発明のフィードフォワード増幅器の
第２の構成は、第１の構成において目的とする信号周波
数のみを通過させる帯域通過フィルタを出力端に備えた
ことを特徴とするもので、この構成によってフィードフ
ォワード回路で除去し切れなかった歪を除去するように
作用する。

【００１５】また本発明のフィードフォワード増幅器の
第３の構成は、第２の構成において、主増幅器がＡＢ級
電力増幅器であるということを特徴とするもので、この
構成によって増幅器の電力効率を高めて省電力化でき、
ＡＢ級電力増幅によって相互変調歪の増加する分はバン
ドパスフィルタで抑圧するように作用する。

【００１６】また本発明のフィードフォワード増幅器の
第４の構成は、入力信号を複数系統の出力に分配する分
配器と、前記分配器の複数の分配出力をそれぞれ入力し
て増幅する請求項１−３のいずれかに記載の複数のフィ
ードフォワード増幅器と、前記複数のフィードフォワー
ド増幅器の出力を合成する合成器と、前記合成器の出力
端に、目的とする信号周波数のみを通過させる帯域通過
フィルタを備えたことを特徴とするものである。

【００１７】この構成によって単体のフィードフォワー
ド増幅器ではできない高出力が得られ、また冗長性を持
たせることにより、作動中にいずれかの単体のフィード
フォワード増幅器に故障が生じても出力が低下するのみ
にて継続して作動でき、システムの信頼性を高めるよう
作用し、総合的に小形かつ省電力のフィードフォワード
増幅器を実現することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、図面に基
づいて本発明の実施の形態１のフィードフォワード増幅
器について説明する。本実施形態のフィードフォワード
増幅器のブロック図を示す図１において、入力端子１は
電力分配器２のポートａに接続され、電力分配器２のポ
ートｂからは位相と振幅を調整するベクトル調整器３を
介して入力信号を電力増幅する主増幅器４に接続され、
主増幅器４の出力は歪検出用電力合成器５のポートｄに
接続される。また電力分配器２のポートｃからは遅延フ
ィルタ６を介して歪検出用電力合成器５のポートｅに接
続される。遅延フィルタ６は、たとえば図示のように互
いに容量で結合した並列共振回路２個を接続したもので
通過する信号を遅延させる。この並列共振回路はストリ
ップラインで実現できる。

【００１９】歪検出用電力合成器５のポートｆからは遅
延フィルタ６と同様な構成の第２の遅延フィルタ７を介
して歪除去用電力合成器８のポートｈに接続され、また
歪検出用電力合成器５のポートｇから位相と振幅を調整
するベクトル調整器９、補助増幅器１０の直列回路を介
して歪除去用電力合成器８のポートｉに接続されてい
る。歪除去用電力合成器８のポートｊからは目的とする
信号の周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタ１１
を介して出力端子１２に接続されている。

【００２０】遅延フィルタ６，７は一種のバンドパスフ
ィルタであるが、帯域通過特性よりも遅延特性に重点を
おいて設計したものであり、バンドパスフィルタ１１は
遅延よりも帯域通過特性を重点にして設計されたもので
ある。

【００２１】破線で囲ったフィードフォワードユニット
２０は、実施の形態２で説明する複数のフィードフォワ
ード増幅器を並列運転する場合の単位となる。

【００２２】このように構成されたフィードフォワード
増幅器の動作を以下に説明する。まず入力端子１から入
力された多チャンネル成分を含んだ入力信号は、電力分
配器２で２分配される。２分配された一方の出力信号は
ポートｂからベクトル調整器３で位相と振幅を調整され
て主増幅器４で電力増幅され、歪検出用電力合成器５の
ポートｄに入力される。このとき主増幅器４の非線形性
のために入力信号成分の他に相互変調による歪成分を含
んだ信号が入力される。また２分配された他方の信号
は、ポートｃから遅延フイルタ６で遅延を受けて、歪検
出用電力合成器５のポートｅに入力される。遅延フィル
タ６での遅延は主増幅器４における遅延と同程度の遅延
を得るように設定する。

【００２３】ここでポートｄおよびポートｅに入力され
た信号の入力信号成分が等振幅で逆位相になるように、
ベクトル調整器３および遅延フィルタ６を調整すること
により、ポートｇから入力信号成分が相殺された歪成分
のみの信号が出力され、ポートｆからはポートｅから入
力された信号成分が出力される。逆位相にするためには
ベクトル調整器３での遅延を大にしてポートｄからの入
力信号をポートｅからの入力信号と逆位相にするか、ま
たはベクトル調整器３では位相の微調整を行ない、ポー
トｄからの信号とポートｅからの信号とを同位相とし、
歪検出用電力合成器５内でポートｄからの信号の位相と
ポートｅからの信号の位相とを逆にして加算するように
してもよい。

【００２４】つぎにポートｆから出力された入力信号成
分と歪成分とを含んだ信号は、遅延フィルタ７で遅延を
受けて歪除去用電力合成器８のポートｈに入力される。
またポートｇから出力された歪成分の信号は、ベクトル
調整器９で振幅と位相を調整されて補助増幅器１０で増
幅され、歪除去用電力合成器８のポートｉに入力され
る。ここで、ポートｈおよびポートｉに入力された信号
の歪成分が等振幅で逆位相になるように、ベクトル調整
器９、補助増幅器１０おょび遅延フィルタ７を調整して
ポートｈとポートｉからの歪成分を同振幅・逆位相にす
ることにより、ポートｊから歪成分が相殺された入力信
号成分のみの信号が出力される。この場合も遅延フィル
タ７での遅延は補助増幅器１０における遅延と同程度の
遅延を得るように設定し、ベクトル調整器９での遅延を
大にしてポートｈへの入力信号の歪成分とポートｉへの
歪信号とを逆位相にして入力するか、またはベクトル調
整器９では位相の微調整のみを行ない、歪除去用電力合
成器８内でポートｈとポートｉからの入力歪成分の位相
を逆にして加算して歪成分を除去してポートｊから出力
する。

【００２５】このような構成に加えて主増幅器４には、
従来のＡ級電力増幅器に代えてＡＢ級電力増幅器を用い
ることによって電力増幅器の電力効率を高めることがで
きる。ＡＢ級電力増幅ではＡ級増幅器の場合よりもさら
に相互変調歪が増加するが、歪除去用電力合成器１０の
ポートｊと出力端子１２との間にバンドパスフィルタ１
１を挿入することによって目的とする信号のみを通過さ
せて相互変調によって生じた歪成分を除去して問題のな
いレベルまで低下させることができる。このバンドパス
フィルタ１１は主増幅器４がＡ級増幅であればなくても
よい。

【００２６】このように本実施形態では、遅延回路に代
えて遅延フィルタを用いることによって素子の容積を大
幅に小さくでき、また主増幅器にＡＢ級電力増幅器を用
いることにより増幅器の電力効率を高めて省電力化で
き、その際相互変調歪の増加する分はバンドパスフィル
タで抑圧して、小形かつ省電力のフィードフォワード増
幅器を実現することができる。特に遅延フィルタ７の場
合は主増幅器４で電力増幅された信号が通過するが、従
来の同軸遅延回路よりも遅延フィルタ７を用いるほうが
容積が小さくなるだけではなく通過信号に対する損失も
少なくできるという効果が得られる。したがって何れか
を従来の遅延回路に代替するとすれば遅延フィルタ６よ
りも遅延フィルタ７のほうを優先すべきである。

【００２７】（実施の形態２）以下実施の形態２のフィ
ードフォワード増幅器のブロック図を示す図２を用いて
説明する。この実施形態では冗長性を持たせるために２
系統のフィードフォワードユニットを用い、１系統が故
障しても他の系統により作動を続けられるように構成し
たものである。

【００２８】入力端子２１はウイルキンソン形分配器２
２に接続され、このウイルキンソン形分配器２２は増幅
すべき周波数の波長に対して４分の１波長に相当する４
分の１波長線路２３，２４のそれぞれの一端が接続さ
れ、それぞれの他端は、吸収抵抗器２５の両端に接続さ
れて構成される。吸収抵抗器２５の両端は、それぞれ単
独のフィードフォワードユニット２０ａ，２０ｂの入力
に接続されている。フィードフォワードユニット２０
ａ，２０ｂは、それぞれ図１のフィードフォワードユニ
ット２０と同じものである。

【００２９】そして各フィードフォワードユニットの出
力端子はウイルキンソン形合成器２６に接続され、この
ウイルキンソン形合成器２６は吸収抵抗器２７の両端に
それぞれ４分の１波長線路２８，２９が接続されてい
る。４分の１波長線路２８，２９の他端はバンドパスフ
ィルタ３０の一端に接続され、バンドパスフィルタ３０
の他端は出力端子３１に接続されている。バンドパスフ
ィルタ３０が存在していて、かつ重複して図１のバンド
パスフィルタ１１を加えても差し支えない。

【００３０】この実施形態ではフィードフォワードユニ
ットは２組の場合を示したが、出力電力を高めるために
ウイルキンソン形分配器、合成器の４分の１波長線路、
吸収抵抗器を追加して３組以上のフィードフォワードユ
ニットを組み合わせてもよい。ウイルキンソン形分配
器、合成器の詳細については、たとえば総合電子出版社
刊、小西良弘著「高周波・マイクロ波回路の構成法」１
９９３年６月２０日発行、ｐｐ．１３４〜１３５に示さ
れている。

【００３１】図２を用いて動作を説明する。入力端子２
１からの入力はウイルキンソン形分配器２２で２分配さ
れてそれぞれのフィードフォワードユニット２０ａ，２
０ｂで増幅され、歪を低減された後、ウイルキンソン形
合成器２６で電力が合成され、バンドパスフィルタ３０
で信号帯域外の歪成分を除去されて出力端子３１に出力
される。このとき、たとえばフィードフォワードユニッ
ト２０ａ，２０ｂのいずれか、たとえば２０ｂが故障し
たとすると、入力側においては吸収抵抗器２５によって
故障したフィードフォワードユニット２０ｂの入力端子
の影響がほとんど無視でき、またフィードフォワードユ
ニット２０ａの出力端子から見て故障したフィードフォ
ワードユニット２０ｂの出力端子の影響は吸収抵抗器２
７によってほとんど無視できるので、出力は低下するが
総合したシステムを継続して作動させることができる。

【００３２】このように本実施形態によれば、入力信号
をウイルキンソン形分配器で複数個に分配し、実施の形
態１のフィードフォワードユニットを複数組用いて増幅
し、それぞれの出力をウイルキンソン形合成器で合成
し、発生した歪をバンドパスフィルタで除去することに
よって省電力で高出力を得ることができ、単体のフィー
ドフォワードユニットの故障のときにも継続して作動で
きる小形で効率の高いフィードフォワード増幅器を提供
することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明のフィードフ
ォワード増幅器は、請求項１の構成により、遅延回路素
子の容積を大幅に小さくでき、特に第２の遅延フィルタ
の場合は主増幅器で電力増幅された大電力の信号が通過
するが、従来の同軸遅延回路よりも遅延フィルタを用い
るほうが容積が小さくなるだけではなく通過信号に対す
る損失も少なくできるという効果が得られる。

【００３４】また請求項２の構成によってフィードフォ
ワード回路で除去し切れなかった歪を除去できるという
効果が得られる。

【００３５】また請求項３の構成によって増幅器の電力
効率を高めて省電力化でき、ＡＢ級電力増幅によって相
互変調歪の増加する分はバンドパスフィルタで抑圧する
ことによって低下させることができる。

【００３６】さらに請求項４の構成によって単体のフィ
ードフォワード増幅器ではできない高出力が得られ、ま
た冗長性を持たせることにより、作動中にいずれかの単
体のフィードフォワードユニットに故障が生じても出力
が低下するのみにて継続して作動でき、システムの信頼
性を高めるよう作用し、総合的に小形かつ省電力のフィ
ードフォワード増幅器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１のフィードフォワード増
幅器のブロック図

【図２】同じく実施の形態２のフィードフォワード増幅
器のブロック図

【図３】従来のフィードフォワード増幅器のブロック図

【図４】従来のフィードフォワード増幅器の図３のポー
トａ，ｄ，ｇ，ｊでの信号の周波数スペクトル図

【符号の説明】

１，２１ 入力端子 ２ 電力分配器 ３，９ ベクトル調整器 ４ 主増幅器 ５ 歪検出用電力合成器 ６，７ 遅延フィルタ ８ 歪除去用電力合成器 １０ 補助増幅器 １１，３０ バンドパスフィルタ １２，３１ 出力端子 ２０，２０ａ，２０ｂ フィードフォワードユニット ２２ ウイルキンソン形分配器 ２３，２４，２８，２９ １／４波長線路 ２５，２７ 吸収抵抗器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小杉 裕昭 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 久郷 伸一 神奈川県横浜市港北区網島東四目３番１号 松下通信工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5J090 AA04 AA41 CA21 CA92 FA14 FA20 GN02 GN05 GN07 HA25 HA29 HN03 HN16 KA13 KA15 KA44 KA68 MA14 MA20 SA14 TA01 TA03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力信号を２分配する電力分配器と、 前記電力分配器の２分配した一方の出力信号の振幅と位
   相を調整する第１のベクトル調整器と、 前記第１のベクトル調整器の出力を入力して電力増幅す
   る主増幅器と、 前記電力分配器の２分配した他方の出力信号の位相を遅
   延させる第１の遅延回路と、 前記主増幅器の出力と前記第１の遅延回路の出力とを逆
   位相で合成する歪検出用電力合成器と、 前記歪検出用電力合成器の合成信号を２分配した一方の
   出力を遅延させる第２の遅延回路と、 前記歪検出用電力合成器の合成信号を２分配した他方の
   出力信号の振幅と位相を調整する第２のベクトル調整器
   と、 前記第２のベクトル調整器の出力を増幅する補助増幅器
   と、 前記第２の遅延回路の出力と前記補助増幅器の出力とを
   逆位相で合成する歪除去用電力合成器とを備え、 前記歪検出用電力合成器において前記第２のベクトル調
   整器への入力信号が目的とする信号成分が打ち消されて
   歪成分だけになるように前記第１のベクトル調整器と前
   記第１の遅延回路とを調整し、 前記歪除去用電力合成器の２つの入力信号の歪成分が打
   ち消されて目的とする信号成分だけが出力されるように
   前記第２のベクトル調整器と前記第２の遅延回路とを調
   整し、 かつ少なくとも前記第２の遅延回路が、または前記第１
   および第２の遅延回路が位相遅延特性を持ったフィルタ
   で構成されたことを特徴とするフィードフォワード増幅
   器。
2. 【請求項２】 目的とする信号周波数のみを通過させる
   帯域通過フィルタを出力端に備えたことを特徴とする請
   求項１記載のフィードフォワード増幅器。
3. 【請求項３】 主増幅器がＡＢ級電力増幅器である請求
   項２記載のフィードフォワード増幅器。
4. 【請求項４】 入力信号を複数系統の出力に分配する分
   配器と、 前記分配器の複数の分配出力をそれぞれ入力して増幅す
   る請求項１−３のいずれかに記載の複数のフィードフォ
   ワード増幅器と、 前記複数のフィードフォワード増幅器の出力を合成する
   合成器と、 前記合成器の出力端に、目的とする信号周波数のみを通
   過させる帯域通過フィルタを備えたことを特徴とするフ
   ィードフォワード増幅器。