JPH10284947A

JPH10284947A - 送信用増幅器

Info

Publication number: JPH10284947A
Application number: JP9096509A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Amano; 茂天野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 1998-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】出力電圧低減時に、その消費電力を低減する送
信用増幅器の提供。【解決手段】同一構造の増幅器１１と１２をバランス型
構成とし、出力電力を低下させる場合には片側の増幅器
の電流電圧を電源スイッチ２１または２２を使用して高
速断し、これにより増幅部の高周波特性を劣化させずに
低消費電力化を実現する。バランス型増幅部の前段の可
変減衰器１５を有し、高速回路切替器３１と組み合わせ
て利得可変を行う。２つの動作の制御回路４１を通した
複合動作として行うことにより、高速な出力電力制御を
実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波帯およ
びミリ波帯送信用増幅器に関し、特に送信用増幅器及び
制御回路の消費電力低減技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】入力電力レベルに大幅な変化がある場合
でも高い電力効率で動作し、低消費電力動作をする増幅
装置として、例えば特開平７−１１５３３１号公報に
は、図３に示すような増幅装置の構成が提案されてい
る。

【０００３】図３を参照して、この従来の増幅装置は、
トランジスタと入力整合回路と出力整合回路からなる単
位増幅器５を縦続接続してなる多段増幅器を備えた増幅
装置において、初段増幅器を含む中出力増幅部と、最終
段増幅器を含む高出力増幅部と、上記高出力増幅部の迂
回路１６と、当該増幅装置の入力電力レベルに応じて上
記中出力増幅部に縦続接続する高出力増幅部もしくは上
記高出力増幅部を迂回する回路のいずれかを選択するス
イッチ１３、１４と、上記高出力増幅部を接続した場合
は当該増幅装置の入力電力レベルに応じて高出力増幅部
の電源電圧を変化する可変電圧電源装置１７と、を備え
ている。図３において、６はマイクロ波またはミリ波信
号（以下、「ＲＦ信号」という）の信号入力端子、７は
ＲＦ信号出力端子を示している。

【０００４】この従来の増幅装置においては、入力電力
レベルが変化する場合、入力電力レベルに応じて、所定
の出力電力に対して効率が高く設定された最終段増幅器
を含む高出力増幅部を選択することにより、高い効率で
増幅器を動作させることを可能としたものであり、また
選択した以外の不使用の高出力増幅部の電源を遮断する
ことにより、不要の消費電力を省いて低消費電力動作で
きるようにしたものである。

【０００５】一例として、図３に示した従来の増幅装置
をマイクロ波およびミリ波携帯端末の送信用増幅器に適
用する場合について考えてみる。

【０００６】携帯端末では、基地局が近距離にある場合
には、送信出力電力を下げることが可能であるので、こ
れにより低消費電力化を図ることが望ましい。送信器が
フルゲインの状態から送信出力電力を下げるとき、ＲＦ
入力電力を一定と仮定すると、増幅器内で利得を低下さ
せればよい。このとき、送信品質を維持するには、送信
出力歪みをフルゲイン時と同じ量に維持すればよいの
で、送信電力出力の低下分だけ、増幅器の飽和出力を下
げることが可能である。すなわち、送信利得低下分だけ
送信飽和出力を低下させることが許容される。

【０００７】利得可変のごく一般的な方法は、ＰＩＮダ
イオードのような可変減衰器を使用する方法であるが、
これでは、送信出力電力の低下が、送信器の消費電力低
減に結びつかない。

【０００８】そこで、図３に示した従来の増幅装置で
は、ＲＦ信号の経路を切り替えて、送信利得を低下さ
せ、ＲＦ信号の通らない単位増幅器の電源を断とするこ
とで、低消費電力動作を図っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示した上記従来の増幅装置は下記記載の問題点を有して
いる。

【００１０】（１）第１の問題点は、上記従来の増幅装
置においては、高出力増幅部の前後に、高周波特性の優
れた回路切替スイッチを必要とする、ということであ
る。

【００１１】その第１の理由は、マイクロ波帯及びミリ
波帯で通過損失の少ない回路切替スイッチを構成するこ
とは難しい、からである。

【００１２】第２の理由は、高周波特性を劣化させるこ
となく、回路切替スイッチを実現するには、スイッチに
高アイソレーションが必要であり、高アイソレーション
スイッチは回路構成が複雑となる、からである。

【００１３】（２）第２の問題点は、上記従来の増幅装
置において、低消費電力動作のために単位増幅器に供給
する電源電圧を低下させると、良好な高周波特性を得る
ことが困難となる、ということである。

【００１４】その理由は、電源電圧により、単位増幅器
の利得や入出力反射係数が変化してしまうからである。

【００１５】高出力増幅部のＲＦ入出力端子にアイソレ
ータを接続し、電圧低減による利得低下の効果を見込ん
で補正することで、上記問題の解決を図ることも可能で
はあるが、回路規模が大きくなり高価になるため、実用
的でない。

【００１６】また、ミリ波帯においては、単位増幅器の
高周波特性は電圧依存性が極めて大きいため、電圧を変
えると、良好な高周波特性が得られない、というのが実
状である。

【００１７】したがって、本発明は、上記従来技術の問
題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、高速
な出力電力可変機能を持つと共に低消費電力化を実現す
る送信用増幅装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の送信用増幅装置は、送信出力電力の可変
時、バランス型増幅部の電源を高速に切替制御し、可変
減衰器の減衰量を高速に制御する、構成とされたことを
特徴とする。

【００１９】本発明は、第１、第２の増幅器をバランス
型構成としたバランス型増幅部と、前記第１、第２の増
幅器のバイアス電圧をそれぞれ切替制御する電源スイッ
チと、前記バランス型増幅部の前段に設けられた可変減
衰器と、前記可変減衰器の減衰量を可変に切替制御する
ためのスイッチと、出力電力に応じて前記各スイッチの
切替指示を出力する制御回路と、を含むことを特徴とす
る。

【００２０】［発明の概要］本発明の概要について以下
に説明する。本発明においては、同一構造の増幅器（図
１の１１と１２）をバランス型として構成し、出力電力
を低下させる場合は片側の増幅器の電源電圧を電源スイ
ッチ（図１の２１または２２）を使用して高速断するよ
うにしたものであり、増幅部の高周波特性を劣化させず
に低消費電力化を実現することが特徴である。

【００２１】上記バランス型増幅部の前段に、可変減衰
器（図１の１５）を有し、高速回路切替器（図１の３
１）と組み合わせて利得可変を行う。

【００２２】そして、本発明においては、前記の２つの
動作を、制御回路（図１の４１）を介した複合動作とし
て行うことにより、高速な出力電力制御を実現している
ことも、本発明の他の特徴である。

【００２３】このように、本発明においては、送信用増
幅器はバランス型として構成されているため、片側の増
幅器が、電源通、断し、入出力反射係数が変動しても、
反対側の増幅器からみた反射係数は劣化しないので、バ
ランス型増幅器としての高周波特性は良好である。

【００２４】また、本発明においては、送信用増幅器の
出力電力を下げたい場合、増幅器の電源を切ることがで
きるため、消費電力が低減される。

【００２５】さらに、本発明においては、増幅器の電源
通、断は、高速電源スイッチを使用するため、高速な出
力電力の変更が実現できる。

【００２６】そして、可変減衰器の減衰量制御も、高速
な回路切替器が使用可能であることから、高速制御が可
能である。両者の複合動作により、高速な出力電力の設
定を可能としている。

【００２７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００２８】図１は、本発明の実施の形態の構成を示す
図である。図１を参照すると、本発明の実施の形態は、
同一構造の増幅器１１と１２の高周波信号入力端子を電
力分配器１３に接続し、増幅器１１と１２の高周波信号
出力端子を電力合成器１４に接続して構成される高周波
増幅部と、高周波信号入力側、すなわち電力分配器１３
の前段に可変減衰器１５を有し、増幅器１１と１２のバ
イアス線は、それぞれ電源スイッチ２１と２２を通して
増幅器バイアス回路２３に接続されている。

【００２９】また可変減衰器１５のバイアス線は、回路
切替器３１を通して可変減衰器バイアス回路３２に接続
されている。

【００３０】電源スイッチ２１と２２及び回路切替器３
１において、その切替を制御する信号を入力する制御端
子はそれぞれ制御回路４１に接続されている。なお、図
１において、１は入力端子、２は出力端子である。

【００３１】次に、本発明の実施の形態の動作につい
て、図１を参照して説明する。

【００３２】制御回路４１が、出力電力を低下させる命
令（制御信号）を出力すると、この制御信号を制御端子
に入力する電源スイッチ２１が断（図示のｂ側に切り替
わる）となり、増幅器１１が断となる。このとき、増幅
器１１のバイアス電圧は接地電位に強制されるため、高
速な出力低下が実現する。同時に、回路切替器３１が、
可変減衰器バイアス回路３２の別経路を選択すること
で、可変減衰器１５の出力電力（減衰量）を高速に制御
する。出力電力低下状態では増幅器１１が断となるた
め、増幅器１１の消費電力はゼロとなる。

【００３３】逆に、出力電力低下状態から出力電力を増
加させる場合には、制御回路４１が出力電力を増加させ
る命令（制御信号）を出力することで、電源スイッチ２
１が投入され（図示ａ側に切り替わる）、増幅器１１が
高速に動作状態となる。同時に、回路切替器３１が、可
変減衰器バイアス回路３２の別経路を選択することで、
可変減衰器１５の出力電力を高速に制御する。

【００３４】さらに、送信器出力電力を断とする場合に
は、制御回路４１からの制御信号により電源スイッチ２
１と２２をともに断することで、増幅器１１と１２の出
力電力断が実現可能で、電力合成器１４からの出力電力
が断となる。

【００３５】

【実施例】上記した本発明の実施の形態について更に詳
細に説明すべく、本発明の実施例を図面を参照して以下
に説明する。

【００３６】図１を参照すると、本発明の実施例は、ヘ
テロ接合電界効果トランジスタ（Ｈetero Ｊunction
ＦＥＴ、ＨＪ−ＦＥＴ）により構成された増幅器１１
と、これと同一構成の増幅器１１２を備え、これらの高
周波信号入力端子を電力分配器１３に接続し、増幅器１
１と１２の高周波信号出力端子を電力合成器１４に接続
して構成される、バランス型高周波増幅器を備え、その
高周波増幅部の高周波信号入力側に、ＰＩＮダイオード
により構成された可変減衰器１５を有し、増幅器１１と
１２のドレインバイアス線はそれぞれ、コンプリメンタ
リ（相補型）ＭＯＳＦＥＴにより構成される増幅器電源
ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２１と２２を通して増幅器バイア
ス回路２３に接続され、可変減衰器１５のバイアス線は
マルチプレクサ３１を通して可変減衰器バイアス回路３
２に接続され、電源ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２１と２２、
及びマルチプレクサ３１の制御端子が制御回路４１に接
続されている。

【００３７】次に、本発明の実施例の動作について、図
１を参照して説明する。

【００３８】図１に示した送信用増幅器においては、簡
単なため、送信器利得を８ｄＢとし、フルゲインから出
力電力８ｄＢ低下まで１ｄＢステップで９段階の出力電
力制御を行う場合を想定する。

【００３９】制御回路４１が出力電力を低下させる命令
を出力すると、増幅器電源ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２１が
ＯＦＦとなり、スイッチ２１の出力端子電位は強制的に
接地電位となる。

【００４０】ＲＦ周波数を３０ＧＨｚ、フルゲイン時の
送信器飽和出力電力３００ｍＷ、増幅器の動作電圧を５
Ｖとすると、現在実用化されている増幅器のバイアスセ
ット電流値は１００〜２００ｍＡ程度であり、この場
合、高速ＭＯＳＦＥＴスイッチのＯＮ→ＯＦＦ動作によ
り、１００ｎＳｅｃ（ナノ秒）程度での立ち下がり時間
が実現可能である。

【００４１】電力分配器１３をウィルキンソンディバイ
ダで実現する場合、理想的には電力分配器１３の高周波
信号入出力端子間で３ｄＢの出力電力低下が発生する。
同様に、電力合成器１４をウィルキンソンデバイダで実
現する場合、電力合成器の入力２端子への入力電力が等
しければ、理想的には電力分配器１３の高周波信号入出
力端子間で３ｄＢ出力電力が増加する。またウィルキン
ソンディバイダは端子間アイソレーションが得られる。

【００４２】この理想的バランス型増幅器において、増
幅器１１（ＨＪ−ＦＥＴ）のドレインバイアス電圧が０
Ｖになると、電力分配器１３の損失により利得は３ｄＢ
低下する。よって送信用増幅器出力電力は３ｄＢ低下す
る。同時に、増幅器１１がＯＦＦとなっているので、送
信器飽和出力電力も３ｄＢ低下している。ウィルキンソ
ンディバイダの端子間アイソレーションにより、バラン
ス型増幅部で増幅器１１のみＯＦＦした場合と、増幅器
１２の単体特性は理想的には一致する。

【００４３】上記動作と同時に、マルチプレクサ３１
が、可変減衰器バイアス回路３２の別経路を選択するこ
とで、ＰＩＮダイオードのセット電流値を数１０ｎＳｅ
ｃで変化させる。

【００４４】例えば、送信用増幅器の出力電力を５ｄＢ
低下させる場合、増幅器１１をＯＦＦすることで利得３
ｄＢ低下、およびＰＩＮダイオードのセット電流制御に
より利得２ｄＢ低下を組み合わせて、合計５ｄＢの出力
電力低下が実現される。この２動作に要する出力電力立
ち下がり時間は１００ｎＳｅｃ程度となる。

【００４５】３ｄＢ以上の出力電力低下状態では、増幅
器１１が断となるため、増幅器１１の消費電力はゼロと
なる。この仮定の場合、０．５〜１Ｗの消費電力低減と
なる。

【００４６】なお、可変減衰器であるＰＩＮダイオード
の消費電力は増加するが、０．０５Ｗ程度であり、無視
できる。

【００４７】逆に、出力電力５ｄＢ低下状態から出力電
力をフルゲインまで増加させる場合は、制御回路４１が
出力電力をフルゲインに増加させる命令を出力すること
で、電源ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２１がＯＦＦ→ＯＮに投
入され、増幅器１１に高速に動作状態となる。同時にマ
ルチプレクサ３１が、可変減衰器バイアス回路３２の別
経路を選択することで、可変減衰器１５を構成するＰＩ
Ｎダイオードのセット電流値を高速制御する。この仮定
の場合、増幅器１１の出力電力立ち上がり時間は数１０
〜１００ｎＳｅｃで実現可能である。

【００４８】出力電力３ｄＢ低下の実現は、増幅器１１
のドレイン電圧のＯＦＦにより可能であるため、０〜８
ｄＢの出力電力可変のためには、８チャンネルのマルチ
プレクサを用意すればよい。

【００４９】そして、本実施例の送信用増幅器を時分割
多重方式の送信器に適用する場合には、送信器出力電力
をＯＮ／ＯＦＦする必要がある。この場合は、制御回路
４１からの制御信号により電源ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２
１と２２をともにＯＮ／ＯＦＦすることで、増幅器１１
と１２の出力電力のＯＮ／ＯＦＦ制御が実現可能であ
り、これにより電力合成器１４からの出力電力がＯＮ／
ＯＦＦされる。

【００５０】なお、上記の説明では、バランス型増幅器
の実現例として、電力分配器と電力合成器にウィルキン
ソンディバイダを使用したが、電力合成・分配時の位相
差が０度である必要はない。端子間アイソレーションが
確保される限りにおいて、９０度ハイブリッドや１８０
度バランを使用することも可能である。この条件を満足
すれば、電力分配・合成器はパッシブデバイスはもちろ
ん、アクティブデバイスによる実現も可能である。

【００５１】また、このバランス型増幅器は、ディスク
リートデバイスによる高周波増幅器とアルミナセラミッ
ク基板による電力分配・合成器とを組み合わせた、ハイ
ブリットＩＣによって実現しても良いし、ＭＭＩＣ（Ｍ
onolithic Ｍicrowave ＩＣ）により実現しても良い
し、マルチチップモジュールの形式で実現しても良い。
ただし、増幅器１１と１２のドレイン電圧が個別に制御
できる必要がある。

【００５２】増幅器１１と１２には、増幅素子としてＨ
Ｊ−ＦＥＴを例にとって説明したが、ガリウム砒素ＦＥ
Ｔやヘテロバイポーラトランジスタを使用しても良い。

【００５３】次に、本発明の第２の実施例について、図
２を参照して説明する。図２は、本発明の第２の実施例
の構成を示す図である。

【００５４】図２を参照すると、本発明の第２の実施例
は、図１に示した第１の実施例のうち、バランス型増幅
部をシリーズに接続して構成される。すなわち、図２を
参照して、本実施例は、縦続接続された前段バランス増
幅器１５０、後段バランス増幅器１５１、及び各段の増
幅器に対応して電源スイッチ１２１、１２２、及び１２
４、１２５を備えている。可変減衰器１１５、回路切替
器１３１、可変減衰器用バイアス回路１３２は前記第１
の実施例と同様である。前記第１の実施例と同様に、バ
ランス型増幅器の電力利得を１段あたり８ｄＢとし、図
２に示す送信用増幅器のフルゲインを１６ｄＢと仮定し
て説明する。

【００５５】今、送信用増幅器の送信出力電力を８ｄＢ
低下させたいとする。制御回路１４１が出力電力を８ｄ
Ｂ低下させる命令を出力すると、増幅器電源ＯＮ／ＯＦ
Ｆスイッチ１２１と１２４がＯＦＦとなり、出力端子電
位は強制的に接地電位となる。

【００５６】前記第１の実施例と同様、ＲＦ周波数を３
０ＧＨｚ、フルゲイン時の送信器飽和出力電力３００ｍ
Ｗ、増幅器の動作電圧を５Ｖと仮定し、現在実用化され
ている増幅器の実力を考慮すると、前段バランス型増幅
器１５０のバイアスセット電流値は２５〜５０ｍＡ程
度、後段バランス型増幅器１５１のバイアスセット電流
値は１００〜２００ｍＡ程度であり、この場合、高速Ｍ
ＯＳＦＥＴスイッチのＯＮ→ＯＦＦ動作により１００ｎ
Ｓｅｃ程度での立ち下がり時間が実現可能である。

【００５７】上記動作と同時に、マルチプレクサ１３１
が、可変減衰器バイアス回路１３２の別経路を選択する
ことで、ＰＩＮダイオードのセット電流値を数１０ｎＳ
ｅｃで変化させる。例えば、送信器の出力電力を８ｄＢ
低下させる場合、増幅器１１１と１１６をＯＦＦするこ
とで利得６ｄＢ低下、およびＰＩＮダイオードのセット
電流制御により利得２ｄＢ低下を組み合わせて合計で８
ｄＢの出力電力低下が実現される。

【００５８】この２動作に要する出力電力立ち下がり時
間は１００ｎＳｅｃ程度となる。６ｄＢ以上の出力電力
低下状態では増幅器１１１と１１６の消費電力はゼロと
なる。この仮定の場合、０．６２５〜１．２５Ｗの消費
電力低減となる。なお、可変減衰器であるＰＩＮダイオ
ードの消費電力は増加するが、０．０５Ｗ程度であり無
視できる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば下
記記載の効果を奏する。

【００６０】（１）本発明の第１の効果は、出力電力低
減時に送信用増幅器の高周波特性を劣化させることな
く、消費電力の低減を実現できる、ということである。

【００６１】その理由は、本発明においては、バランス
型増幅器の採用により、片側動作を断することで、その
部分の消費電力をゼロとすることを可能としているため
である。

【００６２】（２）本発明の第２の効果は、送信用増幅
器の出力電力を細かく制御できる、ということである。

【００６３】その理由は、本発明においては、バランス
型増幅器の片側動作断と可変減衰器による減衰量制御を
併用することで、可変減衰器制御用回路切替器の容量分
の精度が得られる、からである。

【００６４】（３）本発明の第３の効果は、送信用増幅
器の出力電力を高速制御できる、ということである。

【００６５】その理由は、本発明によれば、バランス型
増幅器の電圧制御に電源スイッチを使用することで、動
作電圧を強制的にＯＮ／ＯＦＦしているためである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す図である。

【図２】本発明の他の実施例の構成を示す図である。

【図３】従来の増幅装置の構成の一例を示す図である。

【符号の説明】

１高周波信号入力端子２高周波信号出力端子１１、１２高周波増幅器１３電力分配器１４電力合成器１５可変減衰器２１、２２高周波増幅器用電源スイッチ２３高周波増幅器用バイアス回路３１可変減衰器用回路切替器３２可変減衰器用バイアス回路４１制御回路１１１、１１２、１１６、１１７増幅器１１３、１１８電力分配器１１４、１１９電力合成器１１５可変減衰器１２１、１２２、１２４、１２５電源スイッチ１２３増幅器用バイアス回路１３１回路切替器１３２可変減衰器用バイアス回路１４１制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送信出力電力の可変時、バランス型増幅部
の電源を高速に切替制御し、可変減衰器の減衰量を高速
に制御する、構成とされたことを特徴とする送信用増幅
器。
【請求項２】第１、第２の増幅器をバランス型構成とし
たバランス型増幅部と、前記第１、第２の増幅器のバイアス電圧をそれぞれ切替
制御する電源スイッチと、前記バランス型増幅部の前段に設けられた可変減衰器
と、前記可変減衰器の減衰量を可変に切替制御するためのス
イッチと、出力電力に応じて前記各スイッチの切替指示を出力する
制御回路と、を含むことを特徴とする送信用増幅器。
【請求項３】出力電力を低下させる場合には、前記電源
スイッチを介して前記バランス型増幅部の前記第１、第
２の増幅器の一方を断し、必要に応じて前記可変減衰器
の減衰量の切替と組み合わせて所望の減衰量分出力電力
を低下させる、ことを特徴とする請求項２記載の送信用
増幅器。
【請求項４】前記バランス型増幅部が、電力分配器、前
記電力分配器の出力を入力とする互いに同一構造とされ
た前記第１、第２の増幅器、及び、前記第１、第２の増
幅器がの出力を入力とする電力合成器を備えたことを特
徴とする請求項２記載の送信用増幅器。
【請求項５】前記バランス型増幅部を複数段縦続接続
し、前記各バランス型増幅部に対応して前記電源スイッ
チを備えたことを特徴とする請求項２記載の送信用増幅
器。