JPH0777330B2 - フィードフォワード増幅器の自動調整回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 トランジスタや電子管等を用いて高周波帯で線型増幅器
を構成する方法の一つにフィードフォワード増幅器構成
があるが、これは二つの信号相殺形ループを基本に構成
されるため、周囲温度変動等によりループの平衡性が失
われると線型性が劣化する基本的問題がある。この発明
はフィードフォワード増幅器のループの平衡を自動的に
達成する自動調整回路に関するものである。

「従来の技術」 フィードフォワード増幅器の基本構成を第５図に示す。
フォードフォワード増幅器は基本的に二つの信号相殺形
ループより構成される。一つは歪検出ループ11であり、
他の一つは歪除去ループ12である。歪検出ループ11は主
増幅器信号経路13と線型信号経路14とから構成され、ま
た歪除去ループ12は主増幅器出力信号経路15と歪注入経
路16とから構成される。さらに主増幅器信号経路13は主
増幅器17から構成され、線形信号経路14は可変減衰器18
と可変遅延線路19とから構成される。主増幅器主信号経
路15は伝送線路からなり、歪注入経路16は可変減衰器21
と可変遅延線路22と補助増幅器23とから構成される。こ
こで特性的に大きな違いが生ずることがないので、可変
減衰器18と可変遅延線路19とは、両方共またはいずれか
一方だけの形で、主増幅器信号経路13に具備される場合
もある。同様に可変減衰器21と可変遅延線路22は、場合
によっては主増幅器出力信号経路15に具備されることも
ある。また電力分配器24と電力合成器25及び26はトラン
ス回路、ハイブリッド回路等で構成した単純な無損失電
力分配器・電力合成器である。まずこの動作について説
明する。

入力端子27に印加された入力信号は、まず電力分配器24
により経路13と経路14とに分配された後、合成器25によ
り電力合成される。ここで可変減衰器18及び可変遅延線
路19は、合成器25の経路16の側に出力される二つの経路
13と14との信号成分に関して互いに振幅、遅延量が等し
くかつ位相が逆相となるように調整される。但し、逆相
の条件は分配器24もしくは合成器25における入出力端子
間の移相量を適当に設定することにより実現するか、も
しくは主増幅器17での位相反転を利用するか、もしくは
第６図に示すようにサーキュレータ28の一つの端子に短
絡終端29を具備した位相反転回路を13か14かのいずれか
の経路に挿入することにより実現する。このように歪検
出ループ11は構成されているから、合成器25の経路16の
側の出力として、結局二つの経路13と14との二つの信号
の差成分が検出されることになる。この差の成分は、ま
さに主増幅器17が発生する歪成分そのものであり、この
ことからこのループは歪検出ループと呼ばれる。

さて次に可変減衰器21と可変遅延線路22は、経路13につ
いての合成器25の入力端子25aから合成器26の出力端子3
1までの二つの経路15と16との伝達関数が、互いに振
幅、遅延量に関して等しくかつ位相に関して逆相となる
ように調整される。ここで経路16の入力信号は、歪検出
ループ11で検出された主増幅器17の歪成分であるから、
経路16は電力合成器26の出力端子31において、主増幅器
17の出力信号に歪成分を逆相等振幅で注入することにな
り、結局、回路全体の出力における歪成分の相殺が実現
される。

以上がフィードフォワード増幅器構成の理想的な動作で
ある。動作原理を簡略的に述べれば、主増幅器17の発生
する歪成分を歪検出ループ11で検出した後、補助増幅器
23でそのレベルを増大し、歪除去ループ12により逆相等
振幅で主増幅器出力に再注入することによって歪を抑圧
し、線型性の高い増幅器を実現するものである。

第７図に示すスペクトラム図は、等振幅２信号を入力し
た場合のフィードフォワード構成素子各点におけるスペ
クトラム例を表すものである。まず第７図Ａは主増幅器
17の出力スペクトラムである。図中f₁,f₂は入力信号が
線型増幅された基本波出力成分であり、2f₁−f₂と2f₂−
f₁は３次相互変調歪成分、3f₁−2f₂と3f₂−2f₁は５次相
互変調歪成分である。次に第７図Ｂは歪検出ループ11の
出力スペクトラムであり、基本波成分が十分抑圧された
歪成分が得られている状態を示す。さらに第７図Ｃは補
助増幅器23の理想的な出力スペクトラムであり、検出さ
れた歪成分が線型増幅された状態を示す。この第７図Ｃ
に示す歪成分が歪除去ループ12で主増幅器出力に注入さ
れ、第７図Ａの歪成分の相殺が達成され、第７図Ｄに示
すように主増幅器が発生した歪成分の存在しない線型出
力が得られる。

「発明が解決しようとする課題」 以上が理想的なフィードフォワード増幅器の動作である
が、実際には二つのループの平衡性を完全にすることは
容易ではなく、また仮に初期設定が完全であっても周囲
温度等の変動によって増幅器の特性が変動するために時
間的に安定して良好な平衡性を維持することは通常極め
て困難である。第８図はループを構成する二つの経路の
振幅と位相が等振幅逆相条件からずれた偏差量と信号の
圧縮量との関係を計算した結果である。図から例えば30
dB以上の圧縮量を得るためには位相及び振幅の偏差がそ
れぞれ±２°以内及び±0.3dB以内であることが必要で
あり、二つの経路の伝送特性の平衡度及び調整の完全性
について厳しい条件が要求されることがよく分かる。歪
検出ループ11の平衡性が劣化すると補助増幅器23の入力
に歪成分よりも大きなレベルで主信号が相加するために
不要な歪を発生させ、また歪除去ループ12の平衡性が劣
化すると圧縮量の劣化した分フィードフォワード増幅器
としての歪改善量を劣化させる。このように従来のフィ
ードフォワード増幅器では、ループの安定性が十分でな
かったために良好な線型増幅器を実現できない基本的な
欠点があった。

この発明の目的は、このようなフィードフォワード増幅
器の特性の不安定性を解決する自動調整回路を提供する
ことにある。

「課題を解決するための手段」 この発明によれば、主増幅器の非線型歪成分を検出する
歪検出ループと、その検出した歪成分を補助増幅器を用
いて増幅した後主増幅器出力に再び注入することによっ
て歪成分の相殺を行う歪除去ループとを有するフィード
フォワード増幅器において、歪検出ループに第１電気的
可変減衰器及び第１電気的可変移相器が挿入され、歪除
去ループに第２電気的可変減衰器及び第２電気的可変移
相器が挿入され、補助増幅器の信号経路に信号レベルを
検出するレベル検出手段が設けられ、フィードフォワー
ド増幅器出力経路に歪成分のレベルを検出する歪検出手
段が設けられ、レベル検出手段の検出レベルが最小にな
るように第１電気的可変減衰器及び第１電気的可変移相
器が制御回路で制御され、かつ歪検出手段の検出レベル
が最小になるように第２電気的可変減衰器及び第２電気
的可変移相器が制御回路で制御される。

歪検出手段に代えて、歪検出ループに特定周波数のパイ
ロット信号を注入する手段が設けられ、かつフィードフ
ォワード増幅器出力経路にパイロット信号を検出する手
段が設けられ、その検出したパイロット信号のレベルが
最小になるように第２電気的可変減衰器及び第２電気的
可変移相器が制御回路により制御される。

レベル検出手段に代え、フィードフォワード増幅器の入
力経路に特定周波数のパイロット信号を注入する手段が
設けられ、かつ補助増幅器出力経路にパイロット信号を
検出する手段が設けられ、その検出したパイロット信号
のレベルが最小になるように第１電気的可変減衰器及び
第１電気的可変移相器が制御回路により制御される。

「作用」 フォードフォワード増幅器の二つのループの信号相殺条
件の不完全性に起因して生じる残留信号成分がレベル検
出手段、歪検出手段、又はパイロット信号検出手段によ
り検出され、これらの検出レベルを監視しつつ、それが
最小値をとるようにループの伝送特性が自動調整され
る。

「実施例」 第１図はこの発明の実施例を示し、第５図と対応する部
分には同一符号を付けてある。歪検出ループ11の線形信
号線路14に電気的に調整可能な可変減衰器33と電気的に
調整可能な可変移相器（可変遅延線路でもよい）34とが
挿入される。歪除去ループ12の歪注入経路16に電気的に
調整可能な可変減衰器35と電気的に調整可能な可変移相
器36とが挿入される。これらはPINダイオードとバラク
タダイオードとを用いて容易に構成でき、市販の製品も
利用できる。補助増幅器23の出力経路に方向性結合器37
を介してレベル検出器38が結合される。フィードフォワ
ード増幅器出力経路に方向性結合器41を介して歪検出器
42が結合される。レベル検出器38、歪検出器42の各出力
が制御回路43に入力され、制御回路43は可変減衰器33,3
5、可変移相器34,36を制御する。

レベル検出器38は入力信号の全電力レベルを検出するよ
うに構成する場合と、入力信号の特定の周波数成分のみ
のレベルを検出するような、周波数変換器と狭帯域フィ
ルタ及び検波器を具備した選択レベル計のように構成す
る場合とがある。また歪検出器42は選択レベル計で構成
され、主増幅器17が発生した歪成分のうち、本来の信号
の占有周波数の隙間もしくは帯域外に落ち込む成分のレ
ベルを検出する機能を有する。制御回路43は基本回路と
してのA/D変換器、マイクロプロセッサ、D/A変換器から
構成され、レベル検出器38及び歪検出器42からの入力信
号を監視しつつ、可変減衰器33,35及び可変移相器34,36
の設定点を調整する機能を有する。

この調整制御動作は次のようになる。まず最初にフィー
ドフォワード増幅器に信号を入力する。入力信号として
は、例えば周波数が特定した幾つかの連続信号の組み合
わせを用いる。この時レベル検出器38は、歪検出ループ
11で抑圧しきれなかった信号を含む主増幅器の歪成分を
検出する。ここで選択レベル計でレベル検出器38を構成
した場合には、選択周波数を前記連続信号に設定してお
くことにより、歪検出ループ11で抑圧しきれなかった信
号のレベルのみを検出できる。制御回路43は、レベル検
出器38の出力が最小値をとるように可変減衰器33と可変
移相器34との設定点を調整する。この制御法としては、
例えば設定点を僅かずつステップ的に変化させ、レベル
検出器38の出力が最小となる点を検出した後その点の制
御電圧を保持する方法が適用できる。これにより補助増
幅器23の出力が最小となる条件、すなわち歪検出ループ
11の抑圧量が最大となる状態を実現できる。なおレベル
検出器38で歪成分をも検出しても、可変減衰器33、可変
移相器34で制御されるのは信号成分のみであり、レベル
検出器38で一定レベルの歪成分を加えた状態でこれが最
小になるように調整することになる。

次に、歪検出器42はフィードフォワード増幅器出力中
の、本来の信号の占有周波数の隙間もしくは帯域外に落
ち込む残留歪成分を検出するから、この歪検出レベルに
ついて最小値をとるように可変減衰器35、可変移相器36
について歪検出ループの制御と同様な制御を実行するこ
とにより、歪除去ループ12の抑圧量が最小となる状態を
実現できる。

以上の二つの制御を常時または間欠的に実行することに
より、フィードフォワード増幅器の最適動作条件を実現
できる。またこの説明では、制御実行時の入力信号とし
て、周波数の特定した連続波の組み合わせを用いるとし
たが、例えば自動車電話の基地局送信信号のように、周
波数の特定したチャネル信号を常時含むものがあり、そ
のような場合には実際の送信信号を制御用信号として直
接用いることができる。

第２図はこの発明の他の実施例を示す。周波数の特定し
たパイロット信号を発生するための周波数シンセサイザ
等の発振器44が方向性結合器45を介して主増幅器17の出
力側に結合される。方向性結合器41には同期検波回路46
が結合され、同期検波回路46はミクサ47、低域ろ波器48
及び直流増幅器40から構成され、発振器44からのローカ
ル信号で同期検波することによりフィードフォワード増
幅器出力信号中のパイロット信号レベルを高感度に検出
することができる。同期検波回路46の機能はパイロット
信号レベルを高感度に検出することであり、同期検波回
路の他にも選択レベル計を用いることもできる。

さてこの回路の動作は、第１図の場合と同様に信号が入
力されるとまずレベル検出器38が補助増幅器出力全電力
レベルもしくは特定の周波数成分の信号レベルを検出す
る。このレベルが最小となるように制御回路43は前述に
おける制御動作と同様にして電気的可変減衰器33と電気
的可変移相器34との設定点を調整し、歪検出ループ11の
動作について、これを構成する二つの経路の伝送特性が
互いに等振幅、逆位相となる所望の平衡状態になるよう
にする。次に制御回路43は同期検波回路46の出力レベル
が最小値をとるように同様に電気的可変減衰器35と電気
的可変移相器36の設定点を調整する。これは主増幅器17
がパイロット信号と同一成分の歪を発生したと見なせる
からこの制御が有効であり、歪除去ループ12についてこ
れを構成する二つの経路の伝送特性が互いに等振幅、逆
位相となる所望の平衡状態を実現することになる。この
結果二つのループの最適調整点が自動的に設定され、線
型性の良好なフィードフォワード増幅動作が実現され
る。特に歪除去ループ12を自動調整するに際して、前記
したように周波数の特定したパイロット信号の狭帯域検
波出力を利用する高感度検波を行っているため、主増幅
器17の歪電力レベルより低レベルのパイロット信号を利
用することができる。従って本来の信号成分の周波数ス
ペクトラムの間隙や帯域外に前記パイロット周波数を配
置することにより、信号に影響を与えることなく制御を
実行することができる。

第３図に示すようにパイロット発振器44とパイロット信
号を注入する方向性結合器45を線形信号経路14に挿入し
てもよい。

第４図にこの発明の更に他の実施例を示す。この実施例
では第３図の構成にさらにフィードフォワード増幅器入
力経路にパイロット注入用の方向性結合器51が挿入さ
れ、更に信号切り換え器52,53が新たに設けられてい
る。切り換え器52,53は発振器44と同期検波回路46を共
用するために用いるもので、それぞれ別にもう一系統設
けた場合には不要となる。切り換え器52と53が実線の如
く接続された場合は、動作は第３図におけるものと同様
であり、歪除去ループ11の自動調整を実行できる。また
切り換え器52,53が破線の如く接続された場合は、方向
性結合器51で注入されたパイロットについて方向性結合
器37で分岐出力し、同期検波回路46でレベル検出を行
う。このようにして検出されるパイロットは、歪検出ル
ープ11の二つの経路13,14の等振幅逆相条件からのずれ
によって生ずる、本来完全に抑圧されるべき信号成分と
同じ性質を有する。従ってこの検出レベルが最小となる
ような可変減衰器33と可変移相器34の調整点を検出しそ
の状態にそれらを設定することにより、歪検出ループ11
の不平衡に起因する残留信号成分を良好に低減すること
が可能となりループの最適動作状態を実現できる。

「発明の効果」 以上説明したようにこの発明により、温度変化、電源変
動等によって生じるフィードフォワード増幅器の特性劣
化を救済することが可能となるから、無線通信、放送等
における送信用高出力増幅器はもとより有線通信中継
器、オーディオ機器等の実用的な線型増幅器としてフィ
ードフォワード増幅器を広範に適用することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すブロック図、第２図乃
至第４図はそれぞれこの発明の他の実施例を示すブロッ
ク図、第５図はフィードフォワード増幅器を示すブロッ
ク図、第６図はサーキュレータを用いた位相反転回路を
示す図、第７図はフィードフォワード増幅器の動作原理
を説明するための信号スペクトラム図、第８図はループ
の振幅、位相不平衡度と圧縮量の計算例を示す図であ
る。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主増幅器の非線型歪成分を検出する歪検出
   ループと、その検出した歪成分を補助増幅器を用いて増
   幅した後主増幅器出力に再び注入することによって歪成
   分の相殺を行う歪除去ループとを有するフィードフォワ
   ード増幅器において、 上記歪検出ループに挿入された第１電気的可変減衰器及
   び第１電気的可変移相器と、 上記歪除去ループに挿入された第２電気的可変減衰器及
   び第２電気的可変移相器と、 上記補助増幅器の出力信号経路の信号レベルを検出する
   レベル検出手段と、 上記フィードフォワード増幅器出力経路の歪成分のレベ
   ルを検出する歪検出手段と、 上記レベル検出手段の検出レベルが最小になるように上
   記第１電気的可変減衰器及び上記第１電気的可変移相器
   を制御し、かつ上記歪検出手段の検出レベルが最小にな
   るように上記第２電気的可変減衰器及び上記第２電気的
   可変移相器を制御する制御回路とを具備するフィードフ
   ォワード増幅器の自動調整回路。
2. 【請求項２】上記歪検出手段に代えて、上記歪検出ルー
   プに特定周波数のパイロット信号を注入する手段と、上
   記フィードフォワード増幅器出力経路のパイロット信号
   を検出する手段とが設けられ、その検出したパイロット
   信号のレベルが最小になるように上記第２電気的可変減
   衰器及び上記第２電気的可変移相器が上記制御回路によ
   り制御されることを特徴とする請求項１に記載のフィー
   ドフォワード増幅器の自動調整回路。
3. 【請求項３】上記レベル検出手段に代えて、上記フィー
   ドフォワード増幅器の入力経路に特定周波数のパイロッ
   ト信号を注入する手段と、上記補助増幅器の出力経路の
   パイロット信号を検出する手段とが設けられ、その検出
   したパイロット信号のレベルが最小になるように上記第
   １電気的可変減衰器及び上記第１電気的可変移相器が上
   記制御回路により制御されることを特徴とする請求項１
   又は２に記載のフィードフォワード増幅器の自動調整回
   路。