特許 6836650 無線機及び無線出力増幅方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6836650

(24)【登録日】2021年2月9日

(45)【発行日】2021年3月3日

(54)【発明の名称】無線機及び無線出力増幅方法

(51)【国際特許分類】

   H03F 3/24 20060101AFI20210222BHJP

   H03F 1/02 20060101ALI20210222BHJP

【ＦＩ】

   H03F3/24

   H03F1/02 111

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2019-534046(P2019-534046)

(86)(22)【出願日】2018年7月23日

(86)【国際出願番号】JP2018027502

(87)【国際公開番号】WO2019026669

(87)【国際公開日】20190207

【審査請求日】2020年1月8日

(31)【優先権主張番号】特願2017-151186(P2017-151186)

(32)【優先日】2017年8月4日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001122

【氏名又は名称】株式会社日立国際電気

(74)【代理人】

【識別番号】100116687

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 爾

(74)【代理人】

【識別番号】100098383

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 純子

(74)【代理人】

【識別番号】100155860

【弁理士】

【氏名又は名称】藤松 正雄

(72)【発明者】

【氏名】堂坂 淳也

(72)【発明者】

【氏名】石神 武

(72)【発明者】

【氏名】渡口 暢人

【審査官】 及川 尚人

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００９／１０１９０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−０９３８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４９８９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１３０７８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２１５１５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０７８５６５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｆ ３／２４

Ｈ０３Ｆ １／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

無線送信する信号を増幅する主増幅器と、前記信号のエンベロープに追従するＥＴ電圧を出力して前記主増幅器に供給するＥＴ出力部とを備えた無線機であって、
前記ＥＴ出力部は、所定周波数のスイッチング波形に基づいて動作しており、
前記ＥＴ電圧とは異なるＡＣ電圧の供給源であるＡＣ電源部と、
前記主増幅器の前段に配置され、前記ＡＣ電源部から供給されるＡＣ電圧を電源として動作する前段増幅器と、
前記ＥＴ電圧を分配するための分配部と、
前記分配部で分配された前記ＥＴ電圧に前記所定周波数の成分を逆相にする変換を施す逆相変換部と、
前記逆相変換部による変換後のＥＴ電圧を、前記ＡＣ電源部から供給されるＡＣ電圧にＡＣ結合して前記前段増幅器に供給するＡＣ結合部とを備えたことを特徴とする無線機。

【請求項2】

請求項１に記載の無線機において、
前記前段増幅器を複数備え、
前記逆相変換部による変換後のＥＴ電圧を、前記ＡＣ電源部から供給されるＡＣ電圧にＡＣ結合して前記複数の前段増幅器の１つ以上に供給することを特徴とする無線機。

【請求項3】

無線送信する信号を増幅する主増幅器と、前記信号のエンベロープに追従するＥＴ電圧を出力して前記主増幅器に供給するＥＴ出力部とを備えた無線機における無線出力増幅方法であって、
前記ＥＴ出力部は、所定周波数のスイッチング波形に基づいて動作しており、
前記無線機は、前記ＥＴ電圧とは異なるＡＣ電圧の供給源であるＡＣ電源部と、前記主増幅器の前段に配置され、前記ＡＣ電源部から供給されるＡＣ電圧を電源として動作する前段増幅器とを更に備え、
前記ＥＴ電圧に前記所定周波数の成分を逆相にする変換を施し、変換後の前記ＥＴ電圧を、前記ＡＣ電源部から供給されるＡＣ電圧にＡＣ結合して前記前段増幅器に供給することを特徴とする無線出力増幅方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線出力を増幅する主増幅器に供給する電圧をＥＴ方式により制御する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

無線機のデジタル変調方式としては、直交変調がアナログ変調かデジタル変調かに大別できる。アナログ方式では、比較的安価に実現でき、カーテシアン等のベースバンドフィードバックの歪補償技術と親和性がよく、ダイレクトに所望の周波数に変換できるという利点がある。一方、振幅バランス、直交度、ＤＣを調整する必要があるという短所がある。デジタル方式では、デジタルで直交するため、振幅バランス、直交度、ＤＣは調整不要という利点がある。一方で、高速なＤＡＣ（Digital Analog Converter）が必要でコスト高になることから、デジタル方式においてダイレクトコンバージョンの採用は難しい。

【0003】

一般に、狭帯域無線では、高効率・低歪・安価で増幅する技術、つまりカーテシアンを用いることができることから、アナログ方式の直交変調を採用することが多い。更に近年では、無線機の小型化、低消費化のために、増幅部において高効率動作を実現する観点から、ＥＴ（Envelope Tracking）方式の電力増幅部を用いた無線技術が利用されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１５／０４１０６７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図１には、従来方式の無線機における無線部及び増幅器電力供給部の概略構成を示してある。
増幅器電力供給部は、ＤＣ電源部１３０と、ＥＴ出力部１４０と、制御部１５０とを備え、無線部を構成する主増幅器１１０に電力を供給する。無線部は、制御部１５０と、ＤＡＣ１２１，１２２、アナログ直交変調部１２３と、主増幅器（ＰＡ：Power Amplifier）１１０とを備えて構成されている。ここで、制御部１５０は、電力供給部の一部として機能するとともに無線部の一部として機能する。

【0006】

制御部１５０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）１５１と、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１５２とを備えて構成されており、ＩＱ信号を取得する。制御部１５０は、無線部の一部として機能する場合は、Ｉ信号及びＱ信号のそれぞれをＤＡＣ１２１，１２２に出力する。また、制御部１５０は、増幅器電力供給部の一部として機能する場合は、ＥＴ出力部１４０を制御することで、主増幅器１１０への供給電圧を制御する。例えば、制御部１５０は、いわゆるパワー演算によりＩＱ信号からエンベロープを算出し、算出結果をＥＴ出力部１４０に出力する。

【0007】

ＤＡＣ１２１，１２２は、Ｉ信号及びＱ信号をアナログ変換してアナログ直交変調部１２３に出力する。アナログ直交変調部１２３で変調された信号は、主増幅器１１０で増幅され、アンテナから送信される。また、主増幅器１１０の出力は、アナログ直交変調部１２３に帰還し、所定のカーテシアンフィードバックが構成される。なお、アナログ直交変調部１２３のＬｏ信号を可変とすることで、各種の周波数に対応可能となっている。

【0008】

ＥＴ出力部１４０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）部１４１と、Ｄ級アンプ１４５と、フィルタ１４６とを備える。ＰＷＭ部１４１は、ＤＡＣ１４２と、三角波発生回路１４３と、コンパレータ１４４とを備える。ＤＡＣ１４２は、制御部１５０から取得したエンベロープの算出結果をアナログ信号に変換し、コンパレータ１４４に出力する。コンパレータ１４４は、ＤＡＣ１４２から出力されるエンベロープのアナログ波形と、三角波発生回路１４３が出力する三角波（スイッチング波形）とから、ＥＴ用のＰＷＭ信号を生成する。ＥＴ用のＰＷＭ信号は、ＤＣ電源部１３０からのＤＣ電圧に基づいてＤ級アンプ１４５で増幅され、フィルタ１４６で元のアナログ波形（エンベロープ）に戻され、ＥＴ電圧として主増幅器１１０に供給される。

【0009】

上記のように、ＥＴ出力部におけるＤ級アンプの後段には、ＰＷＭ信号を元のアナログ波形（エンベロープ）に戻すためにフィルタが必要となる。しかしながら、ＥＴ電圧は、増幅における最終段の主増幅器に使用することが多いため、フィルタの特性によってはスイッチング周波数がそのまま増幅素子に重畳され、増幅結果にスプリアス（図６Ａ参照）として現れるという問題がある。スプリアスを防ぐには、ＥＴ電圧からスイッチング周波数の成分を除去できるようにフィルタに急峻な特性を持たせることが必要となり、結果的にフィルタが大型化し、無線機の小型化・低コスト化を妨げる結果となる。

【0010】

本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、ＥＴ方式により無線出力を増幅する無線機におけるＥＴ出力部のフィルタを小型化するのに有効な技術を提案することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記の目的を達成するために、本発明では、無線機を以下のように構成した。
すなわち、本発明の第１の側面は、無線送信する信号を増幅する主増幅器と、当該信号のエンベロープに追従するＥＴ電圧を出力して主増幅器に供給するＥＴ出力部とを備えた無線機であって、ＥＴ出力部は、所定周波数のスイッチング波形に基づいて動作しており、ＥＴ電圧を主増幅器の前段の増幅器に分配するための分配部と、分配部で分配されたＥＴ電圧に所定周波数の成分を逆相にする変換を施す逆相変換部とを備え、逆相変換部による変換後のＥＴ電圧を前段の増幅器に供給することを特徴とする。

【0012】

このような構成によれば、ＥＴ出力部から出力されるＥＴ電圧にスイッチング周波数の成分が含まれる場合でも、その成分を逆相にしたＥＴ電圧を主増幅器の前段の増幅器に供給することで、主増幅器の出力におけるスプリアスの発生を抑制するすることができる。従って、ＥＴ出力部に設けるフィルタを小型化してもスプリアスの発生が抑制されるので、無線機の小型化・低コスト化を実現することが可能となる。

【0013】

ここで、前段の増幅器がＡＣ電圧で動作する構成の場合には、逆相変換部による変換後のＥＴ電圧をＡＣ電圧にＡＣ結合するＡＣ結合部を設ければよい。また、増幅器の前段に複数の増幅器を有する場合には、逆相変換部による変換後のＥＴ電圧を複数の増幅器の１以上に供給すればよい。

【0014】

本発明の第２の側面は、無線送信する信号を増幅する主増幅器と、当該信号のエンベロープに追従対応するＥＴ電圧を出力して主増幅器に供給するＥＴ出力部とを備えた無線機であって、ＥＴ出力部は、所定周波数のスイッチング波形に基づいて動作しており、ＥＴ電圧に含まれることが想定される所定周波数の成分に対応する逆位相の波形を発生させる逆波形発生部を備え、逆波形発生部で発生された波形をＥＴ電圧に重畳することを特徴とする。

【0015】

このような構成によれば、ＥＴ出力部から出力されるＥＴ電圧にスイッチング周波数の成分が含まれる場合でも、それとは逆位相の波形をＥＴ電圧に重畳してスイッチング波形の成分を相殺させることで、主増幅器の出力におけるスプリアスの発生を抑制するすることができる。従って、ＥＴ出力部に設けるフィルタを小型化してもスプリアスの発生が抑制されるので、無線機の小型化・低コスト化を実現することが可能となる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、ＥＴ方式により無線出力を増幅する無線機におけるＥＴ出力部のフィルタを小型化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】従来方式の無線機における無線部及び増幅器電力供給部の概略構成を示す図である。

【図2】本発明の第１実施例に係る増幅器電力供給部の構成例を示す図である。

【図3】本発明の第２実施例に係る増幅器電力供給部の構成例を示す図である。

【図4】本発明の第３実施例に係る増幅器電力供給部の構成例を示す図である。

【図5】フィルタの小型化について説明する図である。

【図6A】従来方式による無線出力の増幅結果について説明する図である。

【図6B】本発明方式による無線出力の増幅結果について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では、主に、従来方式と相違する部分に着目して説明する。また、以下の第１〜第３実施例に係る増幅器電力供給部で用いる各フィルタ（２２３，３２３，４２３）は、従来方式のものに比べて小型化してある。フィルタの小型化は、例えば図５に示すように、フィルタを構成する部品であるコイル（Ｌ）やコンデンサ（Ｃ）の小型化や、これら部品の数を減らして簡素化することで、実現することができる。

【0019】

（第１実施例）
図２には、本発明の第１実施例に係る増幅器電力供給部の構成例を示してある。本例の増幅器電力供給部は、ＤＳＰ２０１と、ＦＰＧＡ２０２と、ＰＷＭ部２２１及びＤ級アンプ２２２及びフィルタ２２３を有するＥＴ出力部２２０と、ＤＣ電源部２１１とを備え、無線部を構成する主増幅器（ＰＡ）２５１に電力を供給する。

【0020】

ＤＳＰ２０１は、いわゆるパワー演算によりＩＱ信号からエンベロープを算出する。ＦＰＧＡ１５１は、エンベロープの算出結果を受けて、ＰＷＭ部２２１に設定する。ＰＷＭ部２２１は、エンベロープの算出結果をＤＡＣによりアナログ信号に変換し、所定周波数のスイッチング波形（例えば、１ＭＨｚの三角波）を用いてＥＴ用のＰＷＭ信号を生成する。ＰＷＭ部２２１から出力されるＰＷＭ信号は、ＤＣ電源部２１１からのＤＣ電圧に基づいてＤ級アンプ２２２で増幅され、フィルタ２２３で元のアナログ波形（エンベロープ）に戻され、ＥＴ電圧として主増幅器２５３に供給される。

【0021】

第１実施例に係る無線出力増幅部の主な特徴は、ＥＴ出力部から出力されるＥＴ電圧を、主増幅器の前段にある別の増幅器にも分配することである。なお、第１実施例では、主増幅器の前段にある別の増幅器が、主増幅器と同様にＤＣ電圧で動作することを前提としている。図２の例では、主増幅器２５１の前段に２つの増幅器（ＡＭＰ）２５２，２５３があり、そのうちの増幅器２５３に対してＥＴ電圧を分配するための分配部２３１を備えている。また、ＥＴ電圧をそのまま増幅器２５３に供給するのではなく、スイッチング周波数の成分を逆相に変換して増幅器２５３に供給するために逆相変換部２３２を設けてある。

【0022】

逆相変換部２３２は、分配器２３１から分配された信号をコンパレータを用いて逆相波形を生成する。そして、逆相変換部２３２で生成された逆相波形が増幅器２５３に供給されるので、スプリアス成分の逆相成分が増幅器２５３で増幅される。その信号を主増幅器２５１が分配器２３１から入力されたＥＴ電圧に基づいて増幅するので、主増幅器２５１での増幅によってスプリアスの発生が抑止される。

【0023】

このように、第１実施例に係る無線機は、無線送信する信号を増幅する主増幅器２５１と、当該信号のエンベロープに追従するＥＴ電圧を出力して主増幅器２５１に供給するＥＴ出力部２２０とを備え、ＥＴ出力部２２０は、所定周波数のスイッチング波形に基づいて動作している。第１実施例に係る無線機は更に、ＥＴ電圧を主増幅器２５１の前段の増幅器２５３に分配するための分配部２３１と、分配部２３１で分配されたＥＴ電圧にスイッチング周波数の成分を逆相にする変換を施す逆相変換部２３２とを備え、逆相変換部２３２による変換後のＥＴ電圧を前段の増幅器２５３に供給する構成となっている。

【0024】

第１実施例では、フィルタを小型化したことでＥＴ電圧にスイッチング周波数の成分が残るが、スイッチング周波数の成分を逆相にして主増幅器の前段の増幅器に供給するので、主増幅器での増幅によって発生するスプリアスを打ち消すような成分を持つ入力信号を前段の増幅器で発生させて主増幅器に与えることができる。これにより、ＥＴ電圧にスイッチング周波数の成分が含まれていても、図６Ｂに示すように、主増幅器での増幅結果からスプリアスを除去又は低減することが可能となる。従って、ＥＴ出力部に設けるフィルタを小型化してもスプリアスの発生を抑制することができるので、無線機の小型化・低コスト化を実現できる。

【0025】

なお、図２の例では、主増幅器２５１の前段にある２つの増幅器２５２，２５３のうち、主増幅器２５１の直前の増幅器２５３にＥＴ電圧を分配しているが、その前の増幅器２５２（或いは更に前の増幅器）にＥＴ電圧を分配してもよい。また、ＥＴ電圧を分配する増幅器は複数であってもよく、スプリアスを効果的に除去又は低減できるように分配比率などを調整すればよい。

【0026】

（第２実施例）
図３には、本発明の第２実施例に係る増幅器電力供給部の構成例を示してある。
第１実施例では、ＥＴ電圧の分配先となる増幅器が主増幅器と同様にＤＣ電圧で動作する場合について説明したが、第２実施例では、ＥＴ電圧の分配先となる増幅器がＡＣ電圧で動作する場合について説明する。

【0027】

第２実施例に係る無線出力増幅部の主な特徴は、ＥＴ出力部から出力されるＥＴ電圧を、主増幅器の前段にある別の増幅器を動作させるＡＣ電圧にＡＣ結合することである。図３の例では、主増幅器２５１の前段に、ＡＣ電源部２４１から供給されるＡＣ電圧で動作する２つの増幅器（ＡＭＰ）２５４，２５５があり、そのうちの増幅器２５４に対してＥＴ電圧を分配するための分配部２３１を備えている。また、ＥＴ電圧をそのまま増幅器２５４に供給するのではなく、スイッチング周波数の成分を逆相に変換する逆相変換部２３２を設けると共に、逆相変換部２３２による変換後のＥＴ電圧を増幅器２５４への供給電圧にＡＣ結合するＡＣ結合部２３３を設けてある。

【0028】

これにより、主増幅器とは異なってＡＣ電圧で動作する増幅器に対しても、主増幅器に供給するＥＴ電圧を分配して、主増幅器での増幅結果からスプリアスを除去又は低減することが可能となる。従って、ＥＴ出力部に設けるフィルタを小型化してもスプリアスの発生を抑制することができるので、無線機の小型化・低コスト化を実現できる。なお、第１実施例と同様に、ＥＴ電圧の分配先となる増幅器の配置及び個数は任意であり、スプリアスを除去又は低減する効果が得られればよい。

【0029】

（第３実施例）
図４には、本発明の第３実施例に係る増幅器電力供給部の構成例を示してある。
第３実施例に係る無線出力増幅部の主な特徴は、ＥＴ電圧中のスイッチング周波数の成分を打ち消すような波形を発生させてＥＴ電圧に重畳することである。図４の例では、ＥＴ電圧に重畳させる波形を発生させる逆波形発生部２３４を設けてある。逆波形発生部２３４は、ＦＰＧＡ２０２の制御に基づいて、ＥＴ電圧に含まれることが想定されるスイッチング周波数の成分に対応する逆位相の波形を発生させる。逆波形発生部２３４で発生された波形は、ＥＴ出力部２２０から出力されるＥＴ電圧に重畳される。

【0030】

逆波形発生部２３４は、例えばＤＡＣであり、ＦＰＧＡ２０２から入力された信号をアナログ信号に変換することで逆位相波形のアナログ信号を生成する。ＦＰＧＡ２０２はＰＷＭ部２２１の制御を行うため、スイッチングノイズおよびその逆相電圧の生成を行うことができ、これを逆波形発生器２３４に入力して逆位相の波形を発生させる。

【0031】

このように、第３実施例に係る無線機は、無線送信する信号を増幅する主増幅器２５１と、当該信号のエンベロープに追従するＥＴ電圧を出力して主増幅器２５１に供給するＥＴ出力部２２０とを備え、ＥＴ出力部２２０は、所定周波数のスイッチング波形に基づいて動作している。第３実施例に係る無線機は更に、ＥＴ電圧に含まれることが想定されるスイッチング周波数の成分に対応する逆位相の波形を発生させる逆波形発生部２３４を備え、逆波形発生部２３４で発生された波形をＥＴ電圧に重畳する構成となっている。

【0032】

第３実施例によれば、ＥＴ電圧にスイッチング周波数の成分が含まれていても、ＥＴ電圧からスイッチング周波数の成分を除去又は低減させて主増幅器に供給することができ、主増幅器での増幅結果からスプリアスを除去又は低減することが可能となる。従って、ＥＴ出力部に設けるフィルタを小型化してもスプリアスの発生を抑制することができるので、無線機の小型化・低コスト化を実現できる。
なお、第３実施例は、第１実施例（又は第２実施例）と組み合わせて適用することもできる。すなわち、図２（又は図３）の構成に、図４の逆波形発生部２３４を追加してもよい。

【0033】

ここで、本発明に係るシステムや装置などの構成としては、必ずしも以上に示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。例えば、本発明は、無線機の構成上、アナログ直交部のＬｏ信号を可変させることで各種の周波数に対応できることから、ソフトウェアラジオ化におけるマルチバンド無線部のハードアーキテクチャに適用することができる。更に、近年注目されているホワイトスペース（２次利用）の無線部ハードアーキテクチャとしても適用できる。
また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法や方式などとして提供することも可能である。

【0034】

この出願は、２０１７年８月４日に出願された日本出願特願２０１７−１５１１８６を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本発明は、主増幅器に供給する電圧をＥＴ方式により制御する種々の形式の無線機に利用することができる。

【符号の説明】

【0036】

１１０：主増幅器、 １２１，１２２：ＤＡＣ、 １２３：アナログ直交変調部、 １３０：ＤＣ電源部、 １４０：ＥＴ出力部、 １４１：ＰＷＭ分、 １４２：ＤＡＣ、 １４３：三角波発生回路、 １４４：コンパレータ、 １４５：Ｄ級ＡＭＰ、 １４６：フィルタ、 １５０：制御部、 １５１：ＦＰＧＡ、 １５２：ＤＳＰ、 ２０１：ＤＳＰ、 ２０２：ＦＰＧＡ、 ２１１：ＤＣ電源部、 ２２０：ＥＴ出力部、 ２２１：ＰＷＭ部、 ２２２：Ｄ級ＡＭＰ、 ２２３：フィルタ、 ２３１：分配部、 ２３２：逆相変換部、 ２３３：ＡＣ結合部、 ２３４：逆波形発生部、 ２４１：ＡＣ電源部、 ２５１：主増幅器、 ２５２，２５３：増幅器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】