JP5044681B2 - 電力増幅装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、伝送信号を送信電力に増幅するための電力増幅装置に関する。

ＳＮＧ(Satellite News Gathering)システムは、人工衛星を用いてテレビニュース等の放送番組素材を収集するシステムである。放送番組素材を収集する地球局には、ＳＮＧ車載局やFlyaway（車載用ではない可搬地球局）といったＳＮＧ可搬地球局が設置される。このようなＳＮＧ可搬地球局では、伝送信号を送信電力に増幅するための電力増幅器に電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を用いる固体化電力増幅器（ＳＳＰＡ;solid state power amplifier）が採用されることが多い。

ＳＮＧシステムにおける衛星通信は、一般にＣ帯（４Ｇ〜８ＧＨｚ帯）やＫｕ帯（１２Ｇ〜１８ＧＨｚ帯）で行われる。この周波数領域の電力増幅ＦＥＴには、ガリウムひ素ＦＥＴ（ＧａＡｓＦＥＴ）が多く用いられる。例えばＫｕ帯でのＧａＡｓＦＥＴの利得は、は６ｄＢ程度のため、ＳＮＧシステムで必要とされる６０ｄＢ程度の高利得を実現するためには、ＦＥＴをカスケードに多段接続する必要がある。ＦＥＴは周囲温度によって利得が変動するため、特にカスケード接続した場合には、利得を一定にする補償機能を設ける必要がある。

例えば特許文献１には、主増幅回路及び歪信号増幅回路の近傍に温度センサを配置し、各回路の発熱素子及び温度による特性変化の大きい素子の温度をモニタする技術が記載されている。この技術では、各素子の利得特性の温度による利得特性を予めルックアップテーブルに格納しておき、温度補償が行なわれる。

特開２００７−８２０１６号公報（段落００１４、図１）

しかしながら、ＳＳＰＡにおいてＦＥＴを多段にカスケード接続した場合、前段側のＦＥＴは発熱量が少なく、後段側のＦＥＴは発熱量が多いため、ＳＳＰＡ内部では温度分布が一様ではなくなる。特許文献１に記載の技術のように、増幅回路の近傍に１つの温度センサを配置して１点の温度を検出する方式では、温度検出を行う箇所以外の温度変化による利得変動を補正できない。

本発明は、温度変化による利得変動を安定的に補償できる電力増幅装置を提供することを目的とする。

実施形態によれば、入力信号レベルを制御する可変アッテネータと、前記可変アッテネータの後段にカスケード接続される電力増幅用の複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタのうち少なくとも２以上のトランジスタそれぞれの近傍に配置されて温度を検出する複数の温度センサと、前記複数の温度センサそれぞれの温度検出結果から前記複数のトランジスタの利得変化量を求め、その利得変化量を抑圧するように前記可変アッテネータを制御して前記入力信号レベルを制限する制御器とを備える。これによって温度変化による利得変動を安定させる。

一実施形態に係る電力増幅器の構成を示すブロック図。 図１の電力増幅器をコールドスタートさせた場合に、カスケード前段側のＦＥＴにおいて測定した温度と利得の変化の一例を示す図。 図１の電力増幅器をコールドスタートさせた場合に、カスケード後段側のＦＥＴにおいて測定した温度と利得の変化の一例を示す図。 上記実施形態に係る電力増幅器全体の利得の時間変動の一例を示す図。 上記実施形態において、周囲温度が−２０〜５５℃の範囲で変動する環境下での出力レベルの変動量を示す図。 コールドスタートにおける時間軸の利得安定度を入力レベルが高い場合について示す図。 コールドスタートにおける時間軸の利得安定度を入力レベルが低い場合について示す図。

以下、図面を参照して電力増幅器の実施形態を説明する。

図１は、一実施形態に係る電力増幅器の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る電力増幅器１０は、冷却器（ヒートシンク）２０上に設けられる。この電力増幅器１０は、例えばＳＮＧ可搬地球局における送信電力の増幅に用いられる。

電力増幅器１０は、可変アッテネータ（減衰器）１１、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の４つの電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）、温度センサ１２と１３、及び制御回路１４を備えている。

入力端子から入力した入力信号は、可変アッテネータ１１を通ってＦＥＴ１に供給される。ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４は、例えばガリウムひ素ＦＥＴであり、図１に示すようにカスケード接続されている。入力信号は、これらのＦＥＴによって送信電力に増幅され、出力端子から出力される。なお、図１には一例として４つのＦＥＴが図示されているが、ＦＥＴの数はこれに限定されるものではない。カスケードの一部に、ＦＥＴの並列接続が含まれていてもよい。

温度センサ１２は、最後段のＦＥＴ４の近傍に設けられ、ＦＥＴ４の温度を検出する。検出された温度は、制御回路１４に送信される。また、温度センサ１３は、最前段のＦＥＴ１の近傍に設けられ、ＦＥＴ１の温度を検出する。検出された温度は、制御回路１４に送信される。図１では一例として２つの温度センサが図示されているが、ＦＥＴ１とＦＥＴ４の間には更に多数の温度センサが備えられてもよい。それぞれの温度センサによって検出された温度の情報は、制御回路１４に送信される。

制御回路１４は、温度センサ１２及び１３の温度検出結果に基づいて、可変アッテネータ１１を制御して、電力増幅器１０全体の利得ΔＧを補償する。

ガリウムひ素ＦＥＴの利得の温度勾配は、０．０１５［ｄＢ／℃］であることが広く知られている。このためガリウムひ素ＦＥＴの利得は、温度が低いと上昇し、温度が高いと低下する。ガリウムひ素ＦＥＴに限らず、シリコン結晶や窒化ガリウム素材も同様の温度特性を有する。

図１に示すようにＦＥＴをカスケードに多段接続した場合の利得変動ΔＧは、一般に式（１）によって表される。

ΔG [dB] = 0.015 [dB/℃] ×ΔT [℃] ×X [段] (1)
式（１）において、Ｘはカスケードの段数、ΔＴは温度変化を表す。

例えば１０段のガリウムひ素ＦＥＴがカスケードに接続されている場合、−２０℃〜６０℃の温度変化が生じれば、利得変動は式（２）から１２［ｄＢ］と求まる。

ΔG = 0.015×(60 − (-20)) ×10 = 12 [dB] (2)
このように、ＳＳＰＡの利得の変動は、温度変化に応じた一意の関数で表すことができる。このため、ＳＳＰＡ内部の温度変化が検出できれば、式（１）から補償すべき利得量を算出することができる。

しかしながら、ＦＥＴを多段にカスケード接続した場合、前段側のＦＥＴ１では発熱量が少ないが、後段側のＦＥＴ４では発熱量が多く、冷却器２０上の温度分布は一定ではなくなる。このため、電力増幅器１０内部の場所によって、温度変化量及び変化の勾配が異なることになる。このような温度分布による利得変動幅が互いに加算されていくと、利得を一定にする補償処理がより困難となる。

特にカスケードの前段側の地点では、発熱量の大きい後段のＦＥＴの熱が冷却器２０を介して伝わる。このため、後段のＦＥＴが熱平衡に達してからも、前段のＦＥＴが熱平衡に達するには時間がかかり、前段側のＦＥＴでは利得の変化が起こり続ける（温度が一定になるまでの時間が長い、すなわち時定数が長い）。

従って、電力増幅器１０内の１点の温度変化のみを検出して、可変アッテネータ１１を変化させる方式では、利得を短時間で安定化することができない。

また電力増幅器１０では、周囲温度に応じた温度変化以外にも、装置をコールドスタートしてからの温度上昇変化や、映像回線や連絡回線といった回線種類に応じた送信出力の増減による温度変化が生じる。従って、急峻に変化する温度に応じて時間的にセンシティブな利得補償を行う必要がある。

図２は、装置をコールドスタートさせた場合に、カスケード前段側のＦＥＴ１において測定した温度Ｔの変化と利得Ｇの変化の一例を示す図である。図２においてグラフＡ１はＦＥＴ１の温度の時間変化を、グラフＢ１はＦＥＴ１の利得の時間変化を表す。

また図３は、装置をコールドスタートさせた場合に、カスケード後段側のＦＥＴ４において測定した温度Ｔの変化と利得Ｇの変化の一例を示す図である。図３においてグラフＡ４はＦＥＴ４の温度の時間変化を、グラフＢ４はＦＥＴ４の利得の時間変化を表す。

図２及び図３に示すように、どちらのＦＥＴでも急激な温度変化に伴って急激な利得の変動が生じる。また後段側のＦＥＴ４は発熱量が大きいため利得の低下も大きいが、温度が一定になるまでの時間（時定数）は小さい。一方、前段側のＦＥＴ１には、後段のＦＥＴからの熱が冷却器２０を介して伝えられるため、熱平衡に達して温度が一定になるまでの時間（時定数）が大きくなる。

本実施形態に係る電力増幅器１０は、温度センサを複数（温度センサ１２と１３）具備するため、複数の温度検出点において温度変化を検出することができる。従って、カスケード接続されたＦＥＴの温度変化をより高感度に検出することができる。

図１に示す構成では、カスケード接続されたＦＥＴのうち、前段側のＦＥＴ１と後段側のＦＥＴ４の２箇所の温度変化が検出される。制御回路１４では、温度センサ１２の検出温度の時間変化ΔＴ１２と、温度センサ１３の検出温度の時間変化ΔＴ１３に基づいて、可変アッテネータ１１の制御量を決定する。

制御回路１４は、例えばカスケード接続をＦＥＴ１とＦＥＴ２による前段の接続とＦＥＴ３とＦＥＴ４による後段の接続に分け、それぞれについて部分的な利得変化ΔＧ１とΔＧ２を式（１）より算出して式（３）のように互いに加算し、加算後の利得変化に応じて可変アッテネータ１１を制御することができる。

ΔG = ΔG1 ＋ΔG2 （３）
但し、ΔG1 = 0.015×ΔT13×2,
ΔG2 = 0.015×ΔT12×2
この場合、一例として、ＦＥＴ１とＦＥＴ２による前段の接続についての温度変化が温度センサ１３の検出温度の時間変化ΔＴ１３で表され、ＦＥＴ３とＦＥＴ４による後段の接続についての温度変化が温度センサ１２の検出温度の時間変化ΔＴ１２で表されるとする。またＦＥＴ１とＦＥＴ２による前段の接続についての部分的な利得変化がΔＧ１で、ＦＥＴ３とＦＥＴ４による後段の接続についての部分的な利得変化がΔＧ２で表される。

式（３）に示すように、ＦＥＴ１とＦＥＴ２による前段の接続についての部分的な利得変化ΔＧ１は、式（１）においてΔＴにΔＴ１３を代入し、Ｘに２を代入して算出される。同様にＦＥＴ３とＦＥＴ４による後段の接続についての部分的な利得変化ΔＧ２は、式（１）においてΔＴにΔＴ１２を代入し、Ｘに２を代入して算出される。

制御回路１４は、ΔＧ１とΔＧ２の和ΔＧ（＝ΔＧ１＋ΔＧ２）に基づいて可変アッテネータ１１を制御し、利得補償を行なう。

また、部分的な利得変化ΔＧ１、ΔＧ２を算出するための分割を変更してもよい。

例えばカスケード接続は、ＦＥＴ１のみによる前段の接続とＦＥＴ２、ＦＥＴ３及びＦＥＴ４による後段の接続に分けられてもよい。この場合も同様に、それぞれの接続について部分的な利得変化ΔＧ１とΔＧ２を式（１）より算出して式（４）のように互いに加算し、加算後の利得変化に応じて可変アッテネータ１１を制御する。

ΔG = ΔG1 ＋ΔG2 （４）
但し、ΔG1 = 0.015×ΔT13×1,
ΔG2 = 0.015×ΔT12×3
この場合、ＦＥＴ１についての部分的な利得変化がΔＧ１で、ＦＥＴ２〜ＦＥＴ４による後段の接続についての部分的な利得変化がΔＧ２で表される。ΔＧ１は、式（１）においてΔＴにΔＴ１３を代入し、Ｘに１を代入して算出される。同様にΔＧ２は、式（１）においてΔＴにΔＴ１２を代入し、Ｘに３を代入して算出される。

制御回路１４は、ΔＧ１とΔＧ２の和ΔＧ（＝ΔＧ１＋ΔＧ２）に基づいて可変アッテネータ１１を制御し、利得補償を行なう。ΔＧ１とΔＧ２の加算の際に、それぞれに対して重み付けが行われてもよい。また制御回路１４が、電力増幅器１０の周囲環境や用途に応じて分割の仕方を制御するように構成されてもよい。

あるいは制御回路１４は、ΔＴ１２とΔＴ１３とを比較して、変化率が大きい方の値に基づいて温度利得補償制御を行ってもよい。例えば装置のコールドスタート時や、送信電力の増減によって温度変化が生じる場合には、後段側のＦＥＴ４の温度変化が大きい。このような場合には温度センサ１２が検出した温度の温度変化ΔＴ１２に基づいて、可変アッテネータ１１を制御する温度利得補償が行なわれる。

その後、図３に示す時刻ｔ１において、温度センサ１２が検出する温度が一定になると（ΔＴ１２＝０）、制御回路１４は、温度センサ１３による検出結果に基づいて温度補償のための利得制御を行なうように切換えられる。図２に示すように、前段側のＦＥＴ１では、後段から伝わる熱のために、時刻ｔ１になっても漸進的な温度変化が続いている。このため時刻ｔ１以降は、ΔＴ１３に基づく利得補償が行なわれる。更にその後、図２に示す時刻ｔ２で温度センサ１３が検出する温度の値が一定になる（ΔＴ１３＝０）。

この後も制御回路１４は、温度センサ１２と温度センサ１３の検出温度の時間変化ΔＴ１２とΔＴ１３を比較し、大きい方の温度変化に基づく温度利得補償を行ってもよい。制御回路１４にヒステリシスを持たせた温度センサの切り替え動作を行わせることで、わずかな温度変化率の違いでも頻繁に温度センサが切り替わらないようにすることができる。

図４は、本実施形態に係る電力増幅器１０全体の利得の時間変動の一例を示す図である。図４において、実線は本実施形態に係る電力増幅器１０全体の利得の時間変動を示す。また破線は、１点のみの温度を検出して式（１）に基づく温度補償が行われた場合の利得の時間変動を示す。

図４に示すように、１点の温度を検出する場合よりも、複数点の温度を検出して利得補償を行なう本実施形態の方が、利得が安定するのに要する時間が短くなる（時定数が短い）。このため、急峻な温度変化に対してよりセンシティブに対応することができる。

また、利得の変動幅（グラフにおける縦方向の変化量）も縮小されているので、コールドスタートしてからの温度上昇や、送信出力の増減によって急峻に変化する温度に対し、十分な利得安定度が得られる。

ところで、上記実施形態では、可変アッテネータ１１の温度特性が理想的であるものとして説明したが、実際には可変アッテネータ１１の素子自体が温度特性を持っており、その温度特性は入力信号の振幅レベルや指定される減衰量によって傾向が異なる。

そこで、電力増幅器１０において、ＦＥＴ近傍と共に可変アッテネータ１１の近傍でも温度を検出し、その温度変化量を求めて対応する温度利得補償量を計算し、ＦＥＴ近傍の温度変化に対応する温度利得補償量に加算する。これにより、可変アッテネータ１１の温度特性による変動分を含めて全体の利得を補償することができる。

上記実施形態の電力増幅器１０における具体例を図５乃至図７に示す。

図５は、周囲温度が−２０〜５５℃の範囲で変動する環境下での出力レベルの変動量を示している。図５から周囲温度によらず、ほぼ安定した出力（1.55dBの範囲）が得られることがわかる。

図６、図７は、それぞれコールドスタートにおける時間軸の利得安定度を示しており、図６は入力レベルが高い場合、図７は入力レベルが低い場合を示しており、ａは従来の場合、ｂは本実施形態の場合を示している。

この特性を見るに、入力レベルが高い場合でも0.31dB程度の変動に抑えることができ、入力レベルが低い場合には、ほぼ一定に安定させることが可能である。

本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、前記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、１つの実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されたり、幾つかの実施形態に示される構成要件が組み合わされても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除されたり組み合わされた構成が発明として抽出され得るものである。

１０…電力増幅器、１１…可変アッテネータ、１２…温度センサ、１３…温度センサ、１４…制御回路、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ４…電界効果型トランジスタ、２０…冷却器。

Claims (3)

1. 入力信号レベルを制御する可変アッテネータと、
   前記可変アッテネータの後段にカスケード接続される電力増幅用の複数のトランジスタと、
   前記複数のトランジスタを分割した複数のグループそれぞれの近傍に配置されて温度を検出する複数の温度センサと、
   前記複数の温度センサがそれぞれ検出した温度の時間変化を求め、それぞれの検出温度の時間変化量に基づいて前記グループ単位のトランジスタの利得変化量を算出し、算出された前記グループ毎の利得変化量を加算し、加算された利得変化量を抑圧するように前記可変アッテネータを制御して前記入力信号レベルを制限する制御器と
   を具備することを特徴とする電力増幅装置。
2. 入力信号レベルを制御する可変アッテネータと、
   前記可変アッテネータの後段にカスケード接続される電力増幅用の複数のトランジスタと、
   前記複数のトランジスタを分割した複数のグループそれぞれの近傍に配置されて温度を検出する複数の温度センサと、
   前記複数の温度センサがそれぞれ検出した温度の時間変化を求め、それぞれの検出温度の時間変化量のうち最も大きい変化量に基づいて前記複数のトランジスタ全体の利得変化量を求め、その利得変化量を抑圧するように前記可変アッテネータを制御して前記入力信号レベルを制限する制御器と
   を具備することを特徴とする電力増幅装置。
3. 前記複数の温度センサのいずれかは、前記可変アッテネータの近傍に配置されて温度を検出し、
   前記制御器は、前記可変アッテネータの近傍の温度の検出結果に基づいて前記可変アッテネータの温度補償量を求め、この温度補償量を前記利得変化量に加算し、この加算結果に基づいて前記可変アッテネータを制御することを特徴とする請求項１または２記載の電力増幅装置。

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