JP2007129727A - 高周波増幅器のバイアス最適化装置及び方法 - Google Patents

高周波増幅器のバイアス最適化装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電力増幅器の入力信号のレベルにより適応的なバイアス電圧を提供するための装置及び方法を提供する。
【解決手段】本発明は、電力増幅器に入力される信号をカップリングするカプラーと、カップリングされた信号のレベルを確認して前記信号レベルによりバイアス電圧を決定するバイアス制御器と、バイアス制御器から提供されたバイアス電圧を用いて前記入力信号を増幅する電力増幅器と、を含むことを特徴とする電力増幅装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は電力増幅器の効率を改善するための装置及び方法に関するもので、特に電力増幅器の入力信号レベルにより最適のバイアス電圧を適応的に供給するための装置及び方法に関するものである。
一般に、電力増幅器は、入力される信号の電力を増幅させて出力信号の電力を増加させるために使用される。この電力増幅器は、線形的に信号の強さのみを増加させることが最も理想的である。しかしながら、電力増幅器は、複数の能動素子からなる。電力増幅器を構成する能動素子の非線形特性のため、電力増幅器の出力信号に歪みが発生するという問題があった。
移動通信システムのように複数の搬送波を増幅させ、或いは周波数の効率が優れたデジタル変調方式を適用した無線送信器を使用する場合に、電力増幅器の非線形特性によって発生する相互変調歪み(Inter Modulation Distortion：ＩＭＤ）は移動通信システムの性能を低下させるという問題点があった。
したがって、電力増幅器の非線形性を補償するために、電力増幅器に入力される信号の線形性が最適化されるように電力増幅器に一定のバイアス電圧を印加する。
図１は、従来技術によるＲＦ電力増幅器の構造を示す。図１を参照すると、電力増幅器１０１は、ＤＣ電力供給器１０３から提供されるゲートバイアス電圧(Gate Bias Voltage）を用いて入力される信号を線形的に増幅させる。すなわち、電力増幅器１０１は、ＤＣ電力供給器１０３から提供されるゲートバイアス電圧を用いて非線形性が補償される。
上述したように、電力増幅器にバイアス電圧を提供することで、電力増幅器の非線形性が補償可能になる。しかしながら、電力増幅器で非線形性を補償するために使用するバイアス電圧は、特定の信号レベルに対する非線形性のみを補償する。そのため、電力増幅器に入力される信号の平均電力が変化する場合に、電力増幅器は、その特性の変化によって最適の効果が得られない。例えば、通信システムで狭帯域の単一副搬送波電力増幅器(Single Carrier Power Amplifier）を使用する際に、出力レベルの低くなる多重副搬送波電力増幅器(Multi Carrier Power Amplifier)が必要な場合(例えば、スマートアンテナ)に、電力増幅器を切り替えなければならないという問題が発生する。
米国特許出願公開第２００６／００３５６００号明細書“RF front-end apparatus in a TDD wireless communication system”
したがって、上記した従来技術の問題点を解決するために、本発明の目的は、電力増幅器の入力信号のレベルにより適応的なバイアス電圧を提供するための装置及び方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、電力増幅器の入力信号のレベルにより適応的にバイアス電圧を提供し、単一副搬送波/多重副搬送波の電力増幅器を一つの電力増幅器で実現するための装置及び方法を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明は、電力増幅器に入力される信号をカップリングするカプラーと、前記カップリングされた信号のレベルを確認して前記信号レベルによりバイアス電圧を決定するバイアス制御器と、前記バイアス制御器から提供されたバイアス電圧を用いて前記入力信号を増幅する電力増幅器と、を含むことを特徴とする電力増幅装置を提供する。
また、本発明は、電力増幅器の線形性を維持するための方法であって、前記電力増幅器に入力される信号をカップリングして前記信号のレベルを確認する段階と、前記入力信号レベルによりバイアス電圧を決定する段階と、前記バイアス電圧を用いて前記入力信号の線形性を維持して増幅する段階と、を有することを特徴とする。
さらに、本発明は、移動通信システムにおける基地局の電力増幅装置であって、電力増幅器に入力される信号をカップリングするカプラーと、前記カップリングされた信号のレベルを確認し、前記信号のレベルによりバイアス電圧を決定するバイアス制御器と、前記バイアス制御器から提供されたバイアス電圧を用いて前記入力信号を増幅する電力増幅器と、を含むことを特徴とする。
本発明は、移動通信システムの基地局における出力信号を増幅するための方法であって、前記出力信号をカップリングし、前記カップリングされた信号のレベルを確認する段階と、前記出力信号レベルによりバイアス電圧を決定する段階と、前記バイアス電圧を用いて前記出力信号の線形性を維持して増幅する段階と、を有することを特徴とする。
本発明は、電力増幅器で入力信号のレベルによりバイアス電圧を適応的に変化させて印加することによって、すべての出力領域での線形性の特性を改善させ、相互変調歪み(ＩＭＤ)の不均衡現象を除去して前置歪み回路を使用するときにＩＭＤの取り消し(Cancellation)量を増大させることができる。また、本発明は、電力増幅器の入力信号レベルが低下しても常に線形性が最適化されるため、高い出力の単一ＦＡ条件と低い出力の多重ＦＡ条件に対して一つの電力増幅器を使用することができる利点がある。
以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
下記に、本発明に関連した公知の機能或いは構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断された場合に、その詳細な説明を省略する。
本発明は、電力増幅器(Power Amplifier）の入力信号のレベルによりバイアス電圧(Gate Bias Voltage）を適応的に変化させて増幅される信号の非線形性を補償するための技術について説明する。以下の説明では、電力増幅器として、基地局でＲＦ(Radio Frequency)信号を増幅するための高周波電力増幅器(RF Power Amplifier)を例として説明する。ここで、電力増幅器は、基地局の出力信号を増幅するために使用されるため、電力増幅器の入力信号は基地局の出力信号を意味する。
図２は、本発明によるＲＦ電力増幅器の構造を示す。図２に示すように、ＲＦ電力増幅器は、電力増幅器２０１と、カプラー(Coupler)２０３と、バイアス(Bias)制御器２０５と、ＤＣ電力供給器２０７とを含む。
カプラー２０３は、電力増幅器２０１に入力されるＲＦ入力信号をカップリング(Coupling)してバイアス制御器２０５に出力する。
バイアス制御器２０５は、カプラー２０３でカップリングされたＲＦ信号に対して最適の線形性を維持するためのバイアス電圧を選択して電力増幅器２０１に提供する。ここで、バイアス制御器２０５は、予め定められたバイアス電圧テーブルを含み、このバイアス電圧テーブルから入力されるＲＦ信号に該当するバイアス電圧を選択する。
電力増幅器２０１は、バイアス制御器２０５から提供されたバイアス電圧を用いて入力されるＲＦ信号を線形増幅して出力する。
図２で、ＲＦ信号によるバイアス電圧を選択するバイアス制御器２０５は、次の図３のように構成される。
図３は、本発明によるバイアス制御器を詳細に示すブロック構成図である。図３を参照すると、バイアス制御器２０５は、ＲＦ信号検出器３０１と、アナログ/デジタル変換器(Analog/Digital Converter：以下、“ＡＤ変換器”とする)３０３と、バイアス決定器３０５と、デジタル/アナログ変換器(Digital/Analog Converter：以下、“ＤＡ変換器”とする)とを含む。
ＲＦ信号検出器３０１は、カプラー２０３でカップリングされたＲＦ信号を受信してＲＦ信号の電圧を検出する。ＡＤ変換器３０３は、ＲＦ信号検出器３０１から提供されたＲＦ信号の電圧に対するアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。
バイアス決定器３０５は、ＡＤ変換器３０３から受信した信号を用いて電力増幅器２０１に提供するバイアス電圧を決定する。このとき、バイアス決定器３０５は、ＲＦ信号の線形性を維持して増幅するようにＲＦ信号の電圧によるバイアス電圧で構成されたバイアス電圧テーブルを含む。したがって、バイアス決定器３０５は、バイアス電圧テーブルでＲＦ信号検出器３０１から検出されたＲＦ信号のレベル(電圧)に対するバイアス電圧を決定して出力する。ここで、バイアス電圧テーブルは、電力増幅器の線形性を維持するように実験を通じて獲得した入力信号のレベルによる最適のバイアス値を含む。
ＤＡ変換器３０７は、バイアス決定器３０５から提供されたバイアス電圧に対するデジタル出力信号をアナログ信号に変換して電力増幅器２０１に提供する。
図４は、本発明の実施形態によるＲＦ電力増幅器でバイアスを最適化するための手順を示すフローチャートである。図４を参照すると、ＲＦ電力増幅器は、段階４０１で、カプラー２０３を用いて電力増幅器２０１に入力されるＲＦ信号をカップリングする。
ＲＦ電力増幅器は、段階４０３で、ＲＦ信号検出器３０１でカップリングされたＲＦ信号の電圧を確認する。
ＲＦ信号の電圧を確認した後に、ＲＦ電力増幅器は、段階４０５で、予め定められたバイアス電圧テーブルで確認されたＲＦ信号に該当するバイアス電圧を選択する。ここで、バイアス電圧テーブルは、電力増幅器の線形性を維持するように実験を通じて獲得した入力信号のレベルによる最適のバイアス値を含む。
ＲＦ電力増幅器は、段階４０７に進行して、選択されたバイアス電圧を電力増幅器２０１に提供し、入力されるＲＦ信号の線形性を維持して増幅する。その後、ＲＦ電力増幅器は本アルゴリズムを終了する。
上述したように、電力増幅器は、電力増幅器に入力される信号のレベルによりバイアス電圧を調節して信号を線形的に増幅させることができる。したがって、一つの電力増幅器のバイアス電圧を調節して単一搬送波電力増幅器と多重搬送波電力増幅器がすべて使用可能である。
図５Ａ〜図５Ｃは、本発明の実施形態によるＲＦ電力増幅器のＡＣＬＲ(Adjacent Channel Leakage power Ratio)特性を示すグラフである。以下の説明で、横軸は入力されるＲＦ信号の電力(dBm）を、縦軸は隣接チャンネル漏洩電力比(ＡＣＬＲ)[-dBr]を、それぞれ示す。また、従来技術と本発明による一つの周波数帯域(Frequency Allocation：ＦＡ）を基準として中心対比-４.７７MHzオフセットと＋４.７７MHzオフセットでのＡＣＬＲ特性の差を示す。
図５Ａは従来技術によるＲＦ電力増幅器のＡＣＬＲ特性を示すグラフで、図５Ｂは本発明によるＲＦ電力増幅器のＡＣＬＲ特性を示すグラフで、図５Ｃは従来技術と本発明によるＲＦ電力増幅器のＡＣＬＲ特性を比較するグラフである。
図５Ａに示すように、従来技術による電力増幅器のＡＣＬＲ特性は約４１dBmで最適化する。しかしながら、±４.７７MHzオフセットのスペクトラムデルタマーカー(Spectrum Delta Marker)値が最適のレベル以下(約４０dBm以下)では相互に一致しない。すなわち、電力増幅器のＡＣＬＲが不均衡(imbalance)に現れる。電力増幅器でＡＣＬＲが不均衡であるということは、メモリ効果(Memory effect)が存在することを意味し、出力レベルが変化することによってＡＣＬＲが低下する可能性もある。ここで、メモリ効果は、変調周波数(Modulation Frequency)によって生じた相互変調歪み(Inter Modulation Distortion：以下、“ＩＭＤ”とする)のハーモニック成分の中で、周波数帯域において２次ハーモニック成分が更に動作周波数帯域に影響を与えて周波数側面でＩＭＤ不均衡形態で現れることを意味する。
その反面、図５Ｂに示すように、本発明による電力増幅器では、入力されるＲＦ信号のレベルによりゲートバイアスを調節することによって、全領域に対する±４.７７MHzオフセットのＡＣＬＲ特性が一致するようになる。したがって、電力増幅器は、入力信号のレベルが変化しても信号の歪みなしに増幅可能である。
また、図５Ｃに示すように、従来技術による電力増幅器のＡＣＬＲ特性は、本発明による電力増幅器のＡＣＬＲ特性に比べて一定レベル以下(約４１dBm以下)では特性自体が全体的に低下する。
図６は、本発明の実施形態によるＲＦ電力増幅器のバイアス電圧の変化を示すグラフである。以下の説明で、横軸は入力されるＲＦ信号の電力(dBm）を、縦軸はバイアス電圧(Vgs）を、それぞれ示す。図６に示すように、従来技術による電力増幅器に提供されるゲートバイアス電圧は、全領域で一定の電圧を有する反面、本発明による電力増幅器に提供されるゲートバイアス電圧は、電力増幅器に入力される信号レベルの変化により印加される電圧が変化する。ここで、電力増幅器の入力信号レベルによるゲートバイアス電圧は、実験を通じて予め決定される。
図７は、本発明の実施形態による電力増幅器の入力信号レベルによるＲＦ電力増幅器の消費電流の変化を示すグラフである。以下の説明で、横軸は入力されるＲＦ信号の電力(dBm）を、縦軸はドレーン効率(drain efficiency）を、それぞれ示す。図７では、電力増幅器の入力信号レベルによるその効率特性を示し、従来技術と本発明で消費電流の変化が少ないため、その効率変化も少ないことを示す。
以上、本発明の詳細な説明においては具体的な実施形態に関して説明したが、形式や細部についての様々な変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。したがって、本発明の範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。
従来技術による電力増幅器の構造を示す図である。 本発明によるＲＦ電力増幅器の構造を示す図である。 本発明によるバイアス制御器を詳細に示すブロック構成図である。 本発明の実施形態によるＲＦ電力増幅器でバイアス電圧を最適化するための手順を示すフローチャートである。 従来技術によるＲＦ電力増幅器のＡＣＬＲ特性を示すグラフである。 本発明によるＲＦ電力増幅器のＡＣＬＲ特性を示すグラフである。 従来技術と本発明によるＲＦ電力増幅器のＡＣＬＲ特性を比較するグラフである。 本発明の実施形態によるＲＦ電力増幅器のバイアス電圧の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態による電力増幅器の入力レベルによるＲＦ電力増幅器の消費電流の変化を示すグラフである。
符号の説明
２０１ 増幅器
２０３ カプラー
２０５ バイアス制御器
２０７ ＤＣ電力供給器
３０１ ＲＦ信号検出器
３０３ ＡＤ変換器
３０５ バイアス決定器
３０７ ＤＡ変換器

Claims (14)

  1. 電力増幅器に入力される信号をカップリングするカプラーと、
    前記カップリングされた信号のレベルを確認して前記信号レベルによりバイアス電圧を決定するバイアス制御器と、
    前記バイアス制御器から提供されたバイアス電圧を用いて前記入力信号を増幅する電力増幅器と、
    を含むことを特徴とする電力増幅装置。
  2. 前記バイアス制御器は、
    前記カップリングされた信号のレベルを確認する信号検出器と、
    前記確認された信号のレベルによりバイアス電圧を決定するバイアス決定器と、
    を含んでなることを特徴とする請求項１記載の電力増幅装置。
  3. 前記バイアス決定器は、
    前記入力信号のレベルによるバイアス電圧情報を含むバイアス電圧テーブルを含み、前記バイアス電圧テーブルから前記信号検出器で確認された信号のレベルによるバイアス電圧を選択することを特徴とする請求項２記載の電力増幅装置。
  4. 前記バイアス電圧テーブルは、実験を通じて各入力信号のレベルによるバイアス電圧を検索して生成することを特徴とする請求項３記載の電力増幅装置。
  5. 電力増幅器の線形性を維持するための方法であって、
    前記電力増幅器に入力される信号をカップリングして前記信号のレベルを確認する段階と、
    前記入力信号レベルによりバイアス電圧を決定する段階と、
    前記バイアス電圧を用いて前記入力信号の線形性を維持して増幅する段階と、
    を有することを特徴とする方法。
  6. 前記バイアス電圧を決定する段階は、
    前記入力信号のレベルによるバイアス電圧情報を含むバイアス電圧テーブルから前記入力信号レベルに対応するバイアス電圧を選択する段階を有することを特徴とする請求項５記載の方法。
  7. 前記バイアス電圧テーブルは、実験を通じて各入力信号のレベルによるバイアス電圧を検索して生成することを特徴とする請求項６記載の方法。
  8. 移動通信システムにおける基地局の電力増幅装置であって、
    電力増幅器に入力される信号をカップリングするカプラーと、
    前記カップリングされた信号のレベルを確認し、前記信号のレベルによりバイアス電圧を決定するバイアス制御器と、
    前記バイアス制御器から提供されたバイアス電圧を用いて前記入力信号を増幅する電力増幅器と、
    を含むことを特徴とする装置。
  9. 前記バイアス制御器は、
    前記カップリングされた信号のレベルを確認する信号検出器と、
    前記確認された信号のレベルによりバイアス電圧を決定するバイアス決定器と、
    を含んでなることを特徴とする請求項８記載の装置。
  10. 前記バイアス決定器は、
    前記入力信号のレベルによるバイアス電圧情報を含むバイアス電圧テーブルを含み、前記バイアス電圧テーブルから前記信号検出器で確認された信号のレベルによるバイアス電圧を選択することを特徴とする請求項９記載の装置。
  11. 前記バイアス電圧テーブルは、実験を通じて各入力信号のレベルによるバイアス電圧を検索して生成することを特徴とする請求項１０記載の装置。
  12. 移動通信システムの基地局における出力信号を増幅するための方法であって、
    前記出力信号をカップリングし、前記カップリングされた信号のレベルを確認する段階と、
    前記出力信号レベルによりバイアス電圧を決定する段階と、
    前記バイアス電圧を用いて前記出力信号の線形性を維持して増幅する段階と、
    を有することを特徴とする方法。
  13. 前記バイアス電圧を決定する段階は、
    前記出力信号のレベルによるバイアス電圧情報を含むバイアス電圧テーブルから前記出力信号のレベルに対応するバイアス電圧を選択する段階を有することを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 前記バイアス電圧テーブルは、実験を通じて各出力信号のレベルによるバイアス電圧を検索して生成することを特徴とする請求項１３記載の方法。
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