JP2020005285A - 電力増幅器の制御システム - Google Patents

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Abstract

【課題】利得または位相を制御する処理を簡略化することにより、応答時間を速めた制御システムを提供する。【解決手段】電力増幅器３０１に入力される入力信号の利得および位相を制御する装置であり、入力信号の電力レベルと電力増幅器から出力される増幅信号の電力レベルに基づいて入力信号の利得を制御することにより、予め定められた利得を取得する利得制御ループ３１０と、入力信号から得られる第１の信号と前記増幅信号から得られる第２の信号との位相差に関連するエラー信号に基づいて位相を制御することにより、予め定められた位相を取得する位相制御ループ３２０とを備える。位相制御ループは、エラー信号を取得する前に遅延させた第１の信号と第２の信号とを比較する。利得制御ループは、入力信号の電力レベルと増幅信号の電力レベルとを比較する。制御システムは、利得および位相の両方を制御するフィードフォワード制御ループを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、電力増幅器の制御システムに関する。特に、本発明は、入力信号から得られる遅延させた第１の信号と増幅信号から得られる第２の信号との位相差に関するエラー信号に基づいて電力増幅器を制御する制御システムに関する。
電力増幅器は、通信衛星において無線周波数（ＲＦ）信号を増幅するのに使用される。このような電力増幅器は、非線形を示すことで知られ、このため、増幅した出力ＲＦ信号の利得および位相は、入力信号電力に対して非線形に変化する。この変化を補償するために、入力信号が増幅器段に到達する前に入力信号に利得および位相歪を与えることにより、出力信号の利得および位相を一定にすることができる。
図１に、従来の通信衛星において入力信号の利得および位相の制御に用いられる開ループ制御システムを示す。この制御システムは、電力増幅器１０１と、可変減衰器１０２と、移相器１０３と、入力カプラ１０４と、検出器１０５と、プロセッサ１０６と、メモリ１０７とを備える。初期校正手順が行われ、このとき、電力増幅器１０１の応答はさまざまな信号電力にわたる特徴がある。任意の電力レベルについて入力信号に予め与えておく適切な利得および位相歪みを記録するルックアップテーブル（ＬＵＴ）が作成される。ＬＵＴは、メモリ１０７に格納される。
動作中、検出器１０５は、入力カプラ１０４から受信した結合入力信号の電力レベルを測定する。そして、プロセッサ１０６は、入力カプラ１０４の既知の結合係数に基づき入力信号ＲＦＩＮの電力を判定する。プロセッサ１０６は、ＬＵＴを検索して入力信号の利得および位相をどのように調整するかを決定し、可変減衰器１０２および移相器１０３を制御して上述の適切な利得および位相歪みを予め与える。
しかしながら、この方法の問題点は、校正手順が長く、最長で４８時間もかかり得ることである。
本発明によれば、電力増幅器に入力される入力信号の利得および位相を制御する装置において、入力信号の利得を制御する利得制御手段と、入力信号の位相を制御する位相制御手段と、入力信号の電力レベルと電力増幅器から出力される増幅信号の電力レベルに基づいて、利得制御手段を制御することにより、増幅信号の予め定められた利得を取得するように構成された利得制御ループと、入力信号から得られる第１の信号と増幅信号から得られる第２の信号との位相差に関連するエラー信号を取得し、該エラー信号に基づいて位相制御手段を制御することにより、増幅信号の予め定められた位相を取得するように構成された位相制御ループと、を備え、位相制御ループは、エラー信号を取得する前に第１の信号を遅延させて、エラー信号を取得するために用いる遅延させた第１の信号および第２の信号が入力信号の同じ部分に対応するように配置された、装置が提供される。
利得制御ループは、入力信号から得られる第３の信号および増幅信号から得られる第４の信号を受信するように構成され、第３の信号の電力レベルと第４の信号の電力レベルとを比較し、比較結果に基づいて利得制御手段を制御するように構成されてもよい。
装置は、入力信号を受け取り、第３の信号を出力するように構成され、第１の結合係数を有する入力カプラと、増幅信号を受け取り、第４の信号を出力するように構成され、第２の結合係数を有する出力カプラとをさらに備えていてもよく、第１および第２の結合係数は、増幅信号が予め定められた利得を有するとき、第３の信号と第４の信号とが略同じ電力レベルとなるように選択される。
利得制御ループは、第３の信号の電力レベルを測定するように構成された第１の検出器と、第４の信号の電力レベルを測定するように構成された第２の検出器と、を備えていてもよく、
第１の検出器および第２の検出器は、一致する二乗平均ＲＭＳ検出器であってもよい。
利得制御ループは、第３の信号の電力レベルを測定するように構成された第１の検出器と、第４の信号の電力レベルを測定するように構成された第２の検出器と、第３の信号と第４の信号が同じ電力であるとき、第１の検出器および第２の検出器からの出力が実質的に一致するように、第１の検出器の出力または第２の検出器の出力をスケーリングする手段と、を備えていてもよい。
増幅信号は、電力増幅器によりクリッピングされてもよく、装置は、第１の検出器によって受け取られる第３の信号と第２の検出器によって受け取られる第４の信号とが略同量クリッピングされるように、電力増幅器による増幅信号のクリッピングに対応して入力信号をクリッピングするように構成されたリミッタをさらに備えていてもよい。
位相制御ループは、第１の信号を遅延させる遅延手段と、第２の信号と遅延させた第１の信号とに基づいてエラー信号を生成するエラー信号生成手段と、エラー信号の電力を測定する検出器と、エラー信号の測定された電力に基づいて位相制御手段を制御するように構成された処理手段と、を備えていてもよく、遅延手段は、電力増幅器を経由してエラー信号生成手段に至る第１の経路の電気長が、遅延手段を経由してエラー信号生成手段に至る第２の経路の電気長と略同じとなるように構成されている。
処理手段は、エラー信号の測定された電力を最小にするために位相制御手段を制御するように構成されていてもよい。
増幅信号の現在の利得および位相は、電力増幅器の動作履歴によって決まってもよい。
電力増幅器は、窒化ガリウム（ＧａＮ）固体電力増幅器であってもよい。
人工衛星は、電力増幅器と、電力増幅器に入力される入力信号の利得および位相を制御するように構成された装置と、を備えていてもよい。
本発明によれば、電力増幅器に入力される入力信号の利得および位相を制御する方法において、入力信号の電力レベルと電力増幅器から出力される増幅信号の電力レベルとに基づいて、入力信号の利得を制御することにより、増幅信号の予め定められた利得を取得することと、入力信号から得られる第１の信号を遅延させることと、遅延させた第１の信号と増幅信号から得られる第２の信号との位相差に関連するエラー信号を取得することと、入力信号の位相をエラー信号に従って制御することにより、増幅信号の予め定められた位相を取得することと、を含み、第１の信号は、エラー信号を取得するために用いる遅延させた第１の信号および第２の信号が入力信号の同じ部分に対応するように遅延させる、方法が提供される。
方法は、入力信号から得られる第３の信号の電力レベルと増幅信号から得られる第４の信号の電力レベルとを比較することをさらに含んでもよく、入力信号の利得は、比較結果に基づいて制御される。
第３の信号および第４の信号は、増幅信号が予め定められた利得を有するとき、同じ電力レベルとなるように構成されていてもよい。
さらに、本発明によれば、入力信号を受け取り、増幅信号を出力する電力増幅器と、入力信号の利得を制御する利得制御手段と、入力信号の位相を制御する位相制御手段と、入力信号から得られる第１の信号と増幅信号から得られる第２の信号との位相差に関連するエラー信号を取得し、該エラー信号に基づいて利得制御手段および位相制御手段を制御することにより、増幅信号の予め定められた利得および位相を取得するように構成された制御ループと、を備え、制御ループは、エラー信号を取得する前に第１の信号を遅延させて、エラー信号を取得するために用いる遅延させた第１の信号および第２の信号が入力信号の同じ部分に対応するように配置された、人工衛星が提供される。
人工衛星は、第１の信号を出力する第１のカプラと、第２の信号を出力する第２のカプラと、第１の信号を遅延させる遅延手段と、遅延させた第１の信号と第２の信号とを受け取り、遅延させた第１の信号と第２の信号との位相差に関連するエラー信号を生成するエラー信号生成手段と、エラー信号の電力を測定する検出器と、エラー信号の測定された電力に基づいて利得制御手段および位相制御手段を制御するように構成された処理手段と、をさらに備えていてもよく、遅延手段は、電力増幅器を経由してエラー信号生成手段に至る第１の経路の電気長が、遅延手段を経由してエラー信号生成手段に至る第２の経路の電気長と略同じとなるように構成されていてもよい。
増幅信号の現在の利得および位相は、電力増幅器の動作履歴によって決まってもよい。
電力増幅器は、窒化ガリウム（ＧａＮ）固体電力増幅器であってもよい。
以下に、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を例示として説明する。
従来の電力増幅器の制御システムを示す。 本発明の一実施形態に係る電力増幅器の制御システムを示す。 本発明の一実施形態に係る、電力増幅器を制御する利得制御ループおよび位相制御ループの詳細を示す。 従来の開ループ制御システムの利得制御性能を図３の制御システムと比較したグラフである。 従来の開ループ制御システムの位相制御性能を図３の制御システムと比較したグラフである。 リミッタを用いて、ＲＦＯＵＴ信号が電力増幅器によってクリッピングされたのと同程度ＲＦＩＮ信号をクリッピングした場合の利得エラーの改善を示すグラフある。 本発明の一実施形態に係る、単一のフィードフォワード制御ループを用いて利得および位相制御を実施する制御システムを示す。 従来の開ループ制御システムの利得制御性能を図７の制御システムと比較したグラフである。 従来の開ループ制御システムの位相制御性能を図７の制御システムと比較したグラフである。
図２に、本発明の一実施形態に係る、電力増幅器の入力信号の利得および位相を制御するシステムを示す。このシステムは、電力増幅器２０１と、利得制御モジュール２０２と、位相制御モジュール２０３と、利得制御モジュール２０２を制御する利得制御ループ２１０と、位相制御モジュール２０３を制御する位相制御ループ２２０とを備える。利得制御モジュール２０２は、例えば、図１に示すような可変減衰器であってもよく、位相制御モジュール２０３は、例えば、図１に示すような移相器であってもよい。利得制御モジュール２０２および位相制御モジュール２０３は、入力ＲＦ信号（ＲＦＩＮ）が電力増幅器２０１に入力される前に、ＲＦＩＮ信号の利得および位相をそれぞれ変更するように制御され得る。図２では、ＲＦＩＮ信号は利得制御モジュール２０２の前に位相制御モジュール２０３に入力されるが、他の実施形態では、位相制御モジュールと利得制御モジュールの順序は逆でもよい。
利得制御ループ２１０および位相制御ループ２２０は、それぞれ、ＲＦＩＮ信号から得られる信号と出力ＲＦ信号（ＲＦＯＵＴ）から得られる信号とを受け取る。したがって、利得制御ループ２１０および位相制御ループ２２０は、それぞれ、ＲＦＩＮ信号とＲＦＯＵＴ信号の両方を監視することができる。利得制御ループ２１０および位相制御ループ２２０は、それぞれ、利得制御モジュール２０２または位相制御モジュール２０３を制御して、電力増幅器２０１の線形性を維持するためにＲＦＩＮ信号に予め利得および位相歪みを与えるように構成されている。
制御ループ２１０、２２０が出力信号ＲＦＯＵＴを監視するように構成されているため、入力信号ＲＦＩＮの利得および位相は、出力信号の現在の値に基づいて、すなわち、電力増幅器の現在の性能に基づいて調整することができる。したがって、本実施形態では、増幅器の挙動を推測せずに済む。このため、図２に示す制御システムでは、校正手順が不要である。
また、図２の制御システムは、電力増幅器２０１によって生成されるＲＦＯＵＴ信号を監視するため、電力増幅器の現在の性能がその動作履歴によって決まるヒステリシスメモリ効果を示す電力増幅器を正確に制御することができる。すなわち、増幅信号の現在の利得および位相は、電力増幅器の動作履歴によって決まり得る。動作履歴には、例えば入力信号電力、入力信号に適用された利得および／または位相、ならびに、電力増幅器が最近さらされた環境パラメータ等の電力増幅器の最近の動作パラメータを含み得る。例えば、ＲＦＩＮ信号がいかなる電力レベルであっても、または、電力増幅器がいかなる温度であっても、電力増幅器は、最近高電力信号を増幅するのに用いられたか低電力信号を増幅するのに用いられたかによって信号の増幅方法を変更し得る。顕著なメモリ効果を示すこの種の電力増幅器の１つとして、窒化ガリウム（ＧａＮ）増幅器がある。したがって、本発明の実施形態は、ＧａＮ増幅器の制御に特に適し得る。これに対し、図１に示す従来の開ループ制御システムは、ヒステリシスメモリ効果を示す増幅器とともに用いることができない。
さらに、図１に示す従来の制御システムと比較して、図２の制御システムは、別個の制御ループ２１０、２２０を用いて入力信号の利得および位相を制御する。したがって、各ループは１つの変数、すなわち、利得または位相のみを制御するため、各制御ループで行われる処理を簡略化することができる。このため、図２において、制御システムは、図１に示す従来の制御システムよりも応答時間を速めることができる。
図３に、本発明の一実施形態に係る、電力増幅器を制御する利得制御ループおよび位相制御ループの詳細を模式的に示す。図３にはその一構造を示しているが、本発明はこの構成に限定されない。一般に、利得制御ループおよび位相制御ループは、必要な機能性を提供するいかなる構造であってもよい。
図３に示すように、制御システムは、電力増幅器３０１の入力に接続された利得制御モジュール３０２および位相制御モジュール３０３を備える。制御システムは、さらに、第１の入力カプラ３０４と、第２の入力カプラ３０５とを備える。第１の入力カプラ３０４は、ＲＦＩＮ信号の結合部分である第１の結合入力信号を利得制御ループ３１０に導くように構成されている。第２の入力カプラ３０５は、ＲＦＩＮ信号の結合部分である第２の結合入力信号を位相制御ループ３２０に導くように構成されている。制御システムは、さらに、第１の出力カプラ３０６と、第２の出力カプラ３０７とを備える。第１の出力カプラ３０６は、ＲＦＯＵＴ信号の結合部分である第１の結合出力信号を利得制御ループ３１０に導くように構成されている。第２の出力カプラ３０７は、ＲＦＯＵＴ信号の結合部分である第２の結合出力信号を位相制御ループ３２０に導くように構成されている。
第１の入力カプラ３０４および第２の入力カプラ３０５は、単一のユニットによって構成されていてもよく、別個のユニットであってもよい。また、第１の出力カプラ３０６および第２の出力カプラ３０７は、単一のユニットによって構成されていてもよく、別個のユニットであってもよい。第１の入力カプラ３０４および第２の入力カプラ３０５は、同じ結合係数を用いて、第１および第２の結合入力信号が同じ電力レベルとなるようにしてもよい。また、第１の入力カプラ３０４および第２の入力カプラ３０５は、異なる結合係数を用いて、第１および第２の結合入力信号が異なる電力レベルとなるようにしてもよい。同様に、第１の出力カプラ３０６および第２の出力カプラ３０７は、同じ結合係数を用いて、第１および第２の結合出力信号が同じ電力レベルとなるようにしてもよいし、異なる結合係数を用いて、第１および第２の結合出力信号が異なる電力レベルとなるようにしてもよい。第１の入力カプラ３０４および第２の入力カプラ３０５、ならびに、第１の出力カプラ３０６および第２の出力カプラ３０７のそれぞれの結合係数は、電力増幅器３０１および制御システムの通常動作において、第１および第２の結合入力信号ならびに第１および第２の結合出力信号が、利得制御ループ３１０および位相制御ループ３２０によって検出可能な電力レベルとなるように選択され得る。
図３では、別個のカプラ３０４、３０５を用いて第１の結合入力信号および第２の結合入力信号を生成しているが、他の実施形態では、単一の入力カプラを用いてもよい。このような実施形態では、結合入力信号を第１および第２の結合入力信号に分離する手段を設けてもよい。例えば、ラットレースカプラ（ｒａｔ−ｒａｃｅ ｃｏｕｐｌｅｒ）を用いて、結合入力信号を利得制御ループに送られる第１の結合入力信号と位相制御ループに送られる第２の結合入力信号とに分離してもよい。同様に、ラットレースカプラ等の分離手段に接続された単一の出力カプラを用いて、第１および第２の出力信号の両方を生成してもよい。
本実施形態において、利得制御ループ３１０は、第１の入力カプラ３０４からの第１の結合入力信号を受け取るように配置された入力検出器３１１を備える。入力検出器３１１は、第１の結合入力信号の電力レベルを測定して、測定した電力を示す信号を第１の差動増幅器３１３に送るように構成されている。例えば、入力検出器３１１は、第１の結合入力信号の二乗平均（ＲＭＳ）電力を示す電圧を出力するように構成されたＲＭＳ検出器であってもよい。
さらに、利得制御ループ３１０は、第１の出力カプラ３０６からの第１の結合出力信号を受け取るように配置された出力検出器３１２を備える。出力検出器３１２は、第１の結合出力信号の電力レベルを測定して、測定した電力を示す信号を第２の差動増幅器３１４に送るように構成されている。出力検出器３１２は、入力検出器３１１のように、第１の結合出力信号のＲＭＳ電力を示す電圧を出力するように構成されたＲＭＳ検出器であってもよい。
より詳細には、入力検出器３１１は、同じ直流バイアスが印加された２つの一致するＲＭＳ検出器を有する。これらの検出器のうちの一方は、無線周波数の第１の結合入力信号を受け取り、測定した電力レベルを、第１の差動増幅器３１３の一方の入力に出力する。他方の検出器は、第１の結合入力信号を受け取らず、基準信号を第１の差動増幅器３１３の他方の入力に出力する。したがって、第１の差動増幅器３１３は、第１の結合入力信号の電力レベルを示す増幅信号を出力する。出力検出器３１２および第２の差動増幅器３１４は、入力検出器３１１および第１の差動増幅器３１３と同様に配置されている。なお、他の実施形態では、他の構成によって第１の結合入力信号および第１の結合出力信号の電力レベルを検出してもよい。
本実施形態では、利得制御ループ３１０は、さらに、第１の差動増幅器３１３の出力に接続されたスケーリング増幅器３１５を備える。スケーリング増幅器は、第１の差動増幅器３１３からの信号を増幅するように構成され、入力検出器３１１と出力検出器３１２との間の不一致の主要因となる。すなわち、入力検出器３１１および出力検出器３１２が一致しない場合、各検出器は任意の信号電力レベルに対して異なる電圧を出力し得る。また、入力検出器３１１および出力検出器３１２に一致する検出器を用いてもよく、この場合、スケーリング増幅器３１５を省略することができる。
本実施形態では、一方の検出器によって生成された信号をスケーリングさせる手段として増幅器を設けているが、他の実施形態では、別のスケーリング手段を用いてもよい。一方の検出器からの信号を増幅する代わりに、差動増幅器３１３、３１４の一方の出力を、例えば抵抗分割器を用いて、適当量プルダウンするようにスケーリング手段を配置し、これによって検出器間の不一致を補償してもよい。また、図３では、スケーリング手段すなわちスケーリング増幅器３１５は、第１の差動増幅器３１３の出力に接続されているが、本発明はこの特定の構成に限定されない。例えば、スケーリング増幅器３１５は、第２の差動増幅器３１４の出力に接続されてもよい。
引き続き図３を参照すると、第１の差動増幅器３１３からのスケーリングされた出力および第２の差動増幅器３１４からの出力は、別の差動増幅器３１６の入力に結合される。以下、この差動増幅器をループ増幅器３１６という。ループ増幅器３１６は、第１の差動増幅器３１３からのスケーリングされた出力と第２の差動増幅器３１４からの出力との差を示す利得制御信号を生成する。利得制御信号は、利得制御モジュール３０２に送られ、ここで、利得制御信号の値に基づいてＲＦＩＮ信号に適用された利得を調整するかを判定する。例えば、利得制御モジュール３０２は、ループ増幅器３１６から受け取った利得制御信号の値を最小にするように利得を調整するように構成されてもよい。
要約すると、利得制御ループ３１０は、第１の結合入力信号と第１の結合出力信号との間の電力差に基づいて利得制御モジュール３０２を制御するように構成されている。図３には、利得制御ループ３１０の一構造を示しているが、他の実施形態では他の構成を用いてもよい。
図３に示すように、位相制御モジュール３０３は、別体の位相制御ループ３２０によって制御される。上述したように、位相制御ループ３２０は、第２の入力カプラ３０５から第２の結合入力信号を受け取り、第２の出力カプラ３０７から第２の結合出力信号を受け取る。第２の結合入力信号および第２の結合出力信号は、カプラ３２２で結合される。ただし、第２の結合入力信号は、カプラ３２２に入力される前に遅延線３２１を通される。遅延線３２１は、ＲＦＩＮ信号の各周波数の信号経路の両方が同じ電気長となるように、第２の結合入力信号を遅延させるように構成されている。すなわち、遅延線３２１は、利得制御モジュール３０２および位相制御モジュール３０３と、電力増幅器３０１と、第２の出力カプラ３０７と、カプラ３２２とを含む「全経路」の電気長が、遅延線３２１とカプラ３２２とを含む「結合された全経路」の電気長と同じとなるように構成されている。
このように、任意の時点においてカプラ３２２に到達する第２の結合入力信号および第２の結合出力信号は、元のＲＦＩＮ信号の同じ部分に対応するように制御される。すなわち、位相制御ループ３２０の遅延線３２１は、カプラ３２２がエラー信号を取得する前に第１の信号を遅延させることにより、エラー信号を取得するために用いられた、遅延させた第１の信号および第２の信号が入力信号ＲＦＩＮの同じ部分に対応するように配置されている。したがって、第２の結合入力信号が「前方に送られ」て出力信号ＲＦＯＵＴの対応する部分と比較されるため、位相制御ループ３２０をフィードフォワードループと呼んでもよい。
第２の入力カプラ３０５から遅延線３２１を経由したカプラ３２２までの信号経路を、「フィードフォワード経路」と呼んでもよい。上述したように、位相制御モジュール３０３と、利得制御モジュール３０２と、電力増幅器３０１とを通過して第２の出力カプラ３０７に至る信号経路を、「全経路」とも呼び、第２の出力カプラ３０７からカプラ３２２の信号経路を「結合された全経路」とも呼ぶ。したがって、遅延線３２１は、フィードフォワード経路の電気長が全経路と結合された全経路の電気長を合わせた長さと略同じとなるように構成されている。本実施形態において、遅延線３２１は、必要な遅延を達成するために適切な物理長を有する同軸ケーブルの長さに物理的に組み込まれる。なお、他の実施形態では他の構成を用いてもよい。
本実施形態において、位相制御ループ３２０は、電力増幅器３０１によって出力される増幅されたＲＦＯＵＴ信号が正しい位相を有する場合に、第２の結合入力信号および第２の結合出力信号がカプラ３２２に同相で到達するように構成されている。第２の入力カプラ３０５および第２の出力カプラ３０７の結合係数は、電力増幅器３０１が所望の利得で動作している場合に、第２の結合入力信号および第２の結合出力信号が同じ電力レベルとなるように選択され得る。これに代えて、減衰器を用いて、第２の結合入力信号または第２の結合出力信号を正しい電力レベルまでプルダウンしてもよい。
カプラ３２２は１８０度カプラであるため、第２の結合入力信号および第２の結合出力信号がカプラ３２２において結合されると、電力増幅器３０１から出力された増幅されたＲＦＯＵＴ信号が正しい位相を有していれば、カプラ３２２の出力で相殺される。実際には、位相制御ループ３２０は、第２の結合出力信号から第２の結合入力信号を減算することによりこれら２つの信号の差をエラー信号として取得するように配置されている。ただし、ＲＦＯＵＴ信号が正しい位相を有していない場合、カプラ３２２に到達したときに第２の結合出力信号は第２の結合入力信号と同相ではなくなる。この場合、これらの信号は完全には相殺されず、カプラ３２２から出力されるエラー信号の振幅がこれらの信号の位相差を示す。したがって、位相制御ループ３２０は、ＲＦＯＵＴ信号の位相が、例えば電力増幅器３０１によって与えられた非線形位相歪みの結果、所望の値からずれているかを検出することができる。
カプラ３２２から出力されたエラー信号は、検出器３２３に送られる。検出器３２３は、利得制御ループ３１０の入力検出器３１１および出力検出器３１２と同様のＲＭＳ検出器であってもよい。検出器３２３は、エラー信号の電力レベルを測定し、測定した電力を示す信号をプロセッサ３２４に出力する。プロセッサは、位相制御モジュール３０３によってＲＦＩＮ信号に施された位相調整を調整することにより、検出器３２３によって測定されるエラー信号の電力レベルを最小にするように構成されている。
本実施形態では、結合された入力信号と出力信号の差をとることによりエラー信号を取得しているが、他の実施形態では、位相制御ループ３２０は、結合された信号を加算することによりエラー信号を生成するように構成されてもよい。例えば、第２の結合入力信号および第２の結合出力信号は、カプラ３２２に到達するときに同相となり、相殺ではなく加算されるように構成することができる。この場合、プロセッサは、測定されたエラー信号の電力を最大にするようにＲＦＩＮ信号に適用される位相を変化させるように構成することができる。
上述したように、別個の制御ループを用いてＲＦＩＮ信号に適用される利得および位相を制御することにより、各制御ループは１つの変数しか扱わないので、従来の制御システムと比べて処理アルゴリズムを簡略化することができるという利点がある。したがって、図３に示すような制御システムは、従来の制御システムに比べ、短い応答時間で動作することができる。さらに、電力増幅器が飽和状態またはそれに近い状態で動作しているときに典型的に生じる、利得制御が移相器のような挙動をする場合であっても、利得および位相制御を正確に適用することができる。この場合、利得を変化させるとＲＦＯＵＴ信号の位相に影響し得るが、別体の位相制御ループによりこの変化を検出し、自動的に位相を調整して補償することができる。
図３の実施形態では、アナログの構成要素を用いて利得制御ループを実現しているが、他の実施形態では、利得制御ループはデジタルであってもよい。例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を、利得制御モジュールを制御するために、図３のアナログ利得制御ループと同様の機能を提供するように構成してもよい。さらに、本実施形態では、利得制御ループおよび位相制御ループはＲＦ電力増幅器を制御するのに用いられているが、他の実施形態では、他の周波数で、すなわちＲＦに限らずに用いられてもよい。
図３に示す実施形態では、位相制御ループは、フィードフォワード線形化回路の信号キャンセル回路と同様のフィードフォワードループである。図３の位相制御ループは、フィードフォワード線形化回路のエラーキャンセル回路で通常起こるような、カプラ３２２によって得られたエラー信号が、相互変調積を打ち消すように電力増幅器の出力信号ＲＦＯＵＴと十分に結合していない点で、フィードフォワード線形化回路とは異なる。代わりに、エラー信号の電力が検出され、これを用いて入力信号ＲＦＩＮに適用される位相を決定する。
次に、図４に、従来の開ループ制御システムの利得制御性能を図３の制御システムと比較したグラフを示す。このグラフは、出力信号ＲＦＯＵＴの電力レベルの範囲に対する利得エラーの変化（ΔＧ）を示す。利得エラーは、実際の利得と目標の利得との差である。図４に実線で示される第１の曲線４０１は、図３の制御システムを用いてＧａＮ電力増幅器を制御したときの出力電力レベルの範囲に対する利得エラーを示す。図４に点線で示される第２の曲線４０２は、図１に示すような従来の開ループ制御システムを用いて同じＧａＮ電力増幅器を制御したときと同じ電力範囲に対する利得エラーを示す。図４に示すように、図３の制御システムは、従来の開ループ制御システムで可能な利得制御よりも実質的により安定した利得制御を達成している。
次に、図５に、従来の開ループ制御システムの位相制御性能を図３の制御システムと比較したグラフを示す。このグラフは、図４で用いた同じ電力範囲に対する位相エラーの変化（ΔＰ）を示す。図５に実線で示される第１の曲線５０１は、図３の制御システムを用いてＧａＮ電力増幅器を制御したときの位相エラーを示す。図５に点線で示される第２の曲線５０２は、従来の開ループ制御システムを用いてＧａＮ電力増幅器を制御したときの利得エラーを示す。図５に示すように、図３の制御システムは、従来の開ループ制御システムで可能な位相制御よりも実質的により安定した位相制御を達成している。
利得制御ループの入力検出器および出力検出器は、ＲＭＳ検出器であることが好ましい。なお、検出器が良好なＲＭＳ検出器ではない場合、入力信号ＲＦＩＮが第１の入力カプラに到達する前に、リミッタを用いて入力信号ＲＦＩＮをクリッピングすることができる。より詳細には、ＲＦＩＮ信号のピーク対平均値比（ＰＡＲ）が高い場合、電力増幅器によって生成された増幅信号ＲＦＯＵＴは、電力増幅器が高い利得レベルに駆動されると、クリッピングされ得る。この場合、ＲＦＯＵＴ信号は、ＲＦＩＮ信号よりもＰＡＲが低くなり、これにより、第１の結合出力信号は、第１の結合入力信号よりもＰＡＲが低くなる。入力検出器および出力検出器が良好なＲＭＳ検出器ではない場合、これらの検出器は、信号のＲＭＳ電力が同じであっても、ＰＡＲが異なる信号に対して異なる測定電力を与える。したがって、ＲＦＯＵＴ信号がＲＦＩＮ信号に対してクリッピングされ、検出器が良好なＲＭＳ検出器ではない場合、信号が同じＲＭＳ電力レベルであっても、入力検出器および出力検出器によって異なる電力レベルが測定され得る。この結果、利得制御が不正確に適用され得る。
これを補償するため、本発明の実施形態では、検出器が良好なＲＭＳ検出器ではない場合、第１の入力カプラの入力に接続されたリミッタをさらに備えてもよい。リミッタは、電力増幅器によってＲＦＯＵＴ信号がクリッピングされるのと同程度ＲＦＩＮ信号をクリッピングするように構成されている。これにより、第１の結合入力信号および第１の結合出力信号は、同程度クリッピングされ、利得制御エラーを避けることができる。
図６は、利得制御ループの入力検出器および出力検出器が良好なＲＭＳ検出器ではない場合の、出力電力レベルの範囲に対する利得エラーを示すグラフである。図６に実線で示される第１の曲線６０１は、リミッタを用いてＲＦＩＮ信号をクリッピングしたときの利得エラーを示す。比較のために、図６に点線で示される第２の曲線６０２も描かれ、ＲＦＩＮ信号がクリッピングされていない場合の利得エラーを示す。図６に示すように、リミッタがない場合、利得エラーは±１．１ｄＢ変動するが、リミッタを用いることにより、これを±０．８３ｄＢに改善することができる。比較として、図３の実施形態において良好なＲＭＳ検出器を用いた場合、図４に示すように、利得エラーは±０．１３ｄＢ変動する。
次に、図７を参照して、本発明の別の実施形態を説明する。図７に示す制御システムは、通信衛星等の人工衛星に備えられ、人工衛星の電力増幅器を制御し得る。この実施形態では、単一のフィードフォワード制御ループ７２０を用いて利得および位相制御を行う。図３の実施形態と同様に、本実施形態は、電力増幅器７０１と、電力増幅器７０１の入力に接続された利得制御モジュール７０２および位相制御モジュール７０３と、結合入力信号および結合出力信号をそれぞれフィードフォワード制御ループ７２０に導くように構成された入力カプラ７０５および出力カプラ７０７とを備える。また、図３の実施形態と同様に、フィードフォワード制御ループ７２０は、結合入力信号および結合出力信号を結合させるカプラ７２２と、結合入力信号がカプラ７２２に入力される前に遅延させる遅延線７２１とを含む。カプラ７２２は、エラー信号を検出器７２３に出力し、検出器７２３は、エラー信号の電力レベルを測定して、測定した電力を示す信号をプロセッサ７２４に送る。図３の位相制御ループ３２０と同様に、図７のフィードフォワード制御ループ７２０は、エラー信号を取得する前に第１の信号を遅延させて、エラー信号を取得するために用いられた、遅延させた第１の信号および第２の信号が入力信号ＲＦＩＮの同じ部分に対応するように配置されている。
エラー信号は図３の実施形態と同様に取得されるため、簡潔にするために、フィードフォワード制御ループ７２０の動作の詳細な説明は省略する。ただし、本実施形態では、プロセッサ７２４は、エラー信号の測定電力に基づいて、電力増幅器７０１に入力される前にＲＦＩＮ信号に適用された利得および位相を調整するかを決定する。このため、プロセッサ７２４は、利得制御モジュール７０２および位相制御モジュール７０３の両方に接続されて、ＲＦＩＮ信号の利得および位相を制御する。したがって、本実施形態では、利得および位相制御が単一の制御ループを用いて実施される。
次に、図８に、従来の開ループ制御システムの利得制御性能を図７の制御システムと比較したグラフを示す。このグラフは、ＲＦＯＵＴの電力レベルの範囲に対する利得エラーの変化を示す。図８に実線で示される第１の曲線８０１は、図７の制御システムを用いてＧａＮ電力増幅器を制御した場合の、ＲＦＯＵＴの電力レベルの範囲に対する利得エラーを示す。図８に点線で示される第２の曲線８０２は、図１に示すような従来の開ループ制御システムを用いてＧａＮ電力増幅器を制御した場合の、同じ電力範囲に対する利得エラーを示す。図８に示すように、図７の制御システムは、従来の開ループ制御システムで可能な利得制御よりも実質的により安定した利得制御を達成している。
次に、図９に、従来の開ループ制御システムの位相制御性能を図７の制御システムと比較したグラフを示す。このグラフは、ＲＦＯＵＴの電力レベルの範囲に対する位相エラーの変化を示す。図９に実線で示される第１の曲線９０１は、図７の制御システムを用いてＧａＮ電力増幅器を制御した場合の、信号電力の範囲に対する位相エラーを示す。図９に点線で示される第２の曲線９０２は、従来の開ループ制御システムを用いてＧａＮ電力増幅器を制御した場合の、同じ電力範囲に対する位相エラーを示す。図９に示すように、図７の制御システムは、従来の開ループ制御システムで可能な位相制御よりも実質的により安定した位相制御を達成している。
図３の実施形態と比較して、図７の制御システムは、単一の制御ループを用いて利得および位相の両方を制御しているため、出力信号電力の任意の範囲に対してより不安定な利得制御を提供する。単一の制御ループで利得および位相の両方を制御する場合、より複雑な処理アルゴリズムが必要であり、このため、図７のフィードフォワード制御ループ７２０の応答時間は、図３の利得制御ループ３１０および位相制御ループ３２０に比べて遅くなる。それでもなお、図７の実施形態は、従来の開ループ制御システムに比べて実質的な改善を提供する。
より詳細には、従来の開ループ制御システムを用いて利得および位相を制御する場合、図４および図８に示すように、利得エラーは±２ｄＢの範囲でしか制御できない。図７の実施形態のように、単一のフィードフォワード制御ループを用いて利得および位相の両方を制御する場合、図８に示すように、この制御範囲は±０．２３ｄＢに改善される。図３の実施形態のように、別個の閉ループを用いて利得を制御する場合、図４に示すように、この制御範囲はさらに±０．１３ｄＢに改善される。
同様に、従来の開ループ制御システムを用いて利得および位相を制御する場合、図５および図９に示すように、位相エラーは±２０°の範囲でしか制御できない。図７の実施形態のように、単一のフィードフォワード制御ループを用いて利得および位相の両方を制御する場合、図９に示すように、この制御範囲は±２．２°に改善される。図３の実施形態のように、別個のフィードフォワード制御ループを用いて位相を制御する場合、図５に示すように、この制御範囲はさらに±１．８°に改善される。
図４、図５、図８および図９に示す結果は、比較的低品質の構成要素を用いて構成された実施形態の予備試験で得られたものである。それにもかかわらず、これらの初期の実施形態であっても、上述したように、図１の標準的な開ループ制御システムに対して測定可能な程度の改善を提供しており、その後のさらなる最適化により、より大幅な改善が期待される。
本発明の実施形態を、ヒステリシスのようなメモリ効果を示すＧａＮ電力増幅器の制御に関して説明したが、他の実施形態は、このようなメモリ効果を示さない、例えばＧａＡｓベースの装置等の電力増幅器の制御に用いられてもよい。この場合にも、本発明に係る制御システムは、入力信号電力の変化に応じてより迅速に利息および位相歪みを調整することができる改善された応答時間により、図１に示す従来の開ループ制御システムに比べて利点を提供する。
さらに、利得制御ループが入力信号および出力信号の両方を監視する本発明の実施形態を説明した。しかしながら、ある実施形態では、入力信号が既知の一定の電力を有する用途に用いられるように構成されてもよく、このような実施形態では、入力信号の電力レベルが既知であるため、利得制御ループは、入力信号を監視せずに増幅信号の現在の利得を決定する。
さらに、入力信号および出力信号から得られた信号の電力レベルが測定される本発明の実施形態を説明した。これにより、入力信号および／または増幅信号が高電力信号であっても、低電力検出器を用いることができる。これに代えて、ある実施形態では、入力信号および／または増幅信号の電力レベルが直接検出されてもよく、この場合、図３の第１および／または第２のカプラならびに第１および／または第２の検出器を省略することができる。
本発明のいくつかの実施形態を上述したが、当業者には、特許請求の範囲に定める本発明の範囲を逸脱せずに多くの変形および変更が可能であることが理解される。特に、記載されたどの実施形態におけるどの特徴も、他の実施形態の他の特徴とともに用いることができる。

Claims (15)

  1. 電力増幅器に入力される入力信号の利得および位相を制御する装置であって、
    前記入力信号の前記利得を制御する利得制御手段と、
    前記入力信号の前記位相を制御する位相制御手段と、
    前記入力信号の電力レベルと前記電力増幅器から出力される増幅信号の電力レベルに基づいて、前記利得制御手段を制御することにより、前記増幅信号の予め定められた利得を取得する利得制御ループと、
    前記入力信号から得られる第１の信号と前記増幅信号から得られる第２の信号との位相差に関連するエラー信号を取得し、該エラー信号に基づいて前記位相制御手段を制御することにより、前記増幅信号の予め定められた位相を取得する位相制御ループと、
    を備え、
    前記位相制御ループは、前記エラー信号を取得する前に前記第１の信号を遅延させて、前記エラー信号を取得するために用いる遅延させた前記第１の信号および前記第２の信号が前記入力信号の同じ部分に対応するように配置される、装置。
  2. 前記利得制御ループは、前記入力信号から得られる第３の信号および前記増幅信号から得られる第４の信号を受信し、
    前記利得制御ループは、前記第３の信号の電力レベルと前記第４の信号の電力レベルとを比較し、比較結果に基づいて前記利得制御手段を制御する、請求項１に記載の装置。
  3. 第１の結合係数を有し、前記入力信号を受け取り、前記第３の信号を出力する入力カプラと、
    第２の結合係数を有し、前記増幅信号を受け取り、前記第４の信号を出力する出力カプラと、
    をさらに備え、
    前記第１および第２の結合係数は、前記増幅信号が前記予め定められた利得を有するとき、前記第３の信号と前記第４の信号とが略同じ電力レベルとなるように選択される、請求項２に記載の装置。
  4. 前記利得制御ループは、
    前記第３の信号の電力レベルを測定する第１の検出器と、
    前記第４の信号の電力レベルを測定する第２の検出器と、
    を備え、
    前記第１の検出器および第２の検出器は、一致する二乗平均ＲＭＳ検出器である、請求項２または３に記載の装置。
  5. 前記利得制御ループは、
    前記第３の信号の電力レベルを測定する第１の検出器と、
    前記第４の信号の電力レベルを測定する第２の検出器と、
    前記第３の信号と前記第４の信号が同じ電力であるとき、前記第１の検出器および前記第２の検出器からの出力が実質的に一致するように、前記第１の検出器の出力または前記第２の検出器の出力をスケーリングする手段と、
    を備える、請求項２または３に記載の装置。
  6. 前記増幅信号は、前記電力増幅器によりクリッピングされ、
    前記装置は、前記第１の検出器によって受け取られる前記第３の信号と前記第２の検出器によって受け取られる第４の信号とが略同量クリッピングされるように、前記電力増幅器による前記増幅信号のクリッピングに対応して前記入力信号をクリッピングするリミッタをさらに備える、請求項５に記載の装置。
  7. 前記位相制御ループは、
    前記第１の信号を遅延させる遅延手段と、
    前記第２の信号と遅延させた前記第１の信号とに基づいて前記エラー信号を生成するエラー信号生成手段と、
    前記エラー信号の電力を測定する検出器と、
    前記エラー信号の前記測定された電力に基づいて前記位相制御手段を制御する処理手段と、
    を備え、
    前記遅延手段は、前記電力増幅器を経由して前記エラー信号生成手段に至る第１の経路の電気長が、前記遅延手段を経由して前記エラー信号生成手段に至る第２の経路の電気長と略同じとなるように構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
  8. 前記処理手段は、前記エラー信号の前記測定された電力を最小にするために位相制御手段を制御する、請求項７に記載の装置。
  9. 前記増幅信号の現在の利得および位相は、前記電力増幅器の動作履歴によって決まる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
  10. 電力増幅器と、
    前記電力増幅器に入力される入力信号の利得および位相を制御する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置と、
    を備える、人工衛星。
  11. 電力増幅器に入力される入力信号の利得および位相を制御する方法であって、
    前記入力信号の電力レベルと前記電力増幅器から出力される増幅信号の電力レベルとに基づいて、前記入力信号の利得を制御することにより、前記増幅信号の予め定められた利得を取得することと、
    前記入力信号から得られる第１の信号を遅延させることと、
    前記遅延させた第１の信号と前記増幅信号から得られる第２の信号との位相差に関連するエラー信号を取得することと、
    前記入力信号の位相を前記エラー信号に従って制御することにより、前記増幅信号の予め定められた位相を取得することと、
    を含み、
    前記第１の信号は、前記エラー信号を取得するために用いる遅延させた前記第１の信号および前記第２の信号が前記入力信号の同じ部分に対応するように遅延させる、方法。
  12. 前記入力信号から得られる第３の信号の電力レベルと前記増幅信号から得られる第４の信号の電力レベルとを比較することをさらに含み、
    前記入力信号の前記利得は、比較結果に基づいて制御される、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第３の信号および第４の信号は、前記増幅信号が前記予め定められた利得を有するとき、同じ電力レベルとなる、請求項１２に記載の方法。
  14. 入力信号を受け取り、増幅信号を出力する電力増幅器と、
    前記入力信号の利得を制御する利得制御手段と、
    前記入力信号の位相を制御する位相制御手段と、
    前記入力信号から得られる第１の信号と前記増幅信号から得られる第２の信号との位相差に関連するエラー信号を取得し、該エラー信号に基づいて前記利得制御手段および前記位相制御手段を制御することにより、前記増幅信号の予め定められた利得および位相を取得する制御ループと、
    を備え、
    前記制御ループは、前記エラー信号を取得する前に前記第１の信号を遅延させて、前記エラー信号を取得するために用いる遅延させた前記第１の信号および前記第２の信号が前記入力信号の同じ部分に対応するように配置された、人工衛星。
  15. 前記制御ループは、
    前記第１の信号を出力する第１のカプラと、
    前記第２の信号を出力する第２のカプラと、
    前記第１の信号を遅延させる遅延手段と、
    遅延させた前記第１の信号と前記第２の信号とを受け取り、遅延させた前記第１の信号と前記第２の信号との位相差に関連するエラー信号を生成するエラー信号生成手段と、
    前記エラー信号の電力を測定する検出器と、
    前記エラー信号の前記測定された電力に基づいて前記利得制御手段および前記位相制御手段を制御する処理手段と、
    を備え、
    前記遅延手段は、前記電力増幅器を経由して前記エラー信号生成手段に至る第１の経路の電気長が、前記遅延手段を経由して前記エラー信号生成手段に至る第２の経路の電気長と略同じとなるように構成されている、請求項１４に記載の人工衛星。
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