JP4899172B2 - パルスモード増幅器の２ピーク電力レベル制御方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は特に、パルスモードで動作する増幅器の少なくとも２つの電力レベルの制御方法および装置に関する。

本発明は、例えば、通常電力および低電力と呼ばれる２つのピーク電力レベルを供給可能な広帯域パルス高周波（ＲＦ）送電器を制御するピーク電力制御装置に関する。

制御信号の適用によりｎｄＢの低電力を供給する必要のある電力パルス送電器の場合、以下の方法を利用することが知られている。
・送電器の出力に、ｎｄＢ減衰器を有効にする、または有効にしない電力スイッチを追加する、
・２個の低電力段の間に、ｎｄＢ減衰器またはｎｄＢ増幅段のいずれかを有効にする、または有効にしないスイッチを追加する、
・ｎクラスＣバイポーラ段のＤＣ電源を変化させる。

しかし、これらの装置にはある種の欠点がある。すなわち、
特に電源スイッチは損失をもたらす。従って電力増幅器は、自身の動作に必要とされる以上に高出力でなければならない。そのため、常に最大出力で動作する必要がある。更に、減衰器を一体化できるレイアウトでなければならない。
２つの電力レベルの各々について後続段のゲインが同一であることを保証することが困難である。この問題は、広帯域増幅器の場合にたちまち手に負えなくなる。
電力の変動範囲は、クラスＣバイポーラ段毎に２ｄＢに制限される。

本発明は、パルスモードで動作する増幅器の少なくとも２つのピーク電力レベルを制御する装置に関し、少なくとも以下の要素、すなわち、
・少なくとも１個の増幅器および増幅器に矩形波信号を供給するのに適した処理装置を含む第１の増幅段、
・少なくとも１個の増幅器および施された変調の形状と概ね同一の形状を有する信号を供給するのに適した処理装置を含む第２の増幅段、
を少なくとも含む変調前段と、
・増幅サブシステムの出力における信号の少なくとも一部をサンプリングして、ビデオ増幅器へ送信するカプラおよび検知器、
・増幅器向けに変調信号を生成するのに適したピーク検知器およびレベル識別器、
・増幅器用の電力供給手段、
を少なくとも含む電力制御段とを含むことを特徴とする。

本発明の装置および方法は、特に以下の利点をもたらす。
・本システムにより、送信されたガウスパルスの整合性を保証し、注目する周波数帯域全体にわたりそのピーク電力レベルを正確に調整して、温度面で安定した性能レベルを得ることが可能になる。
・オンボード利用のため寸法、重量および容積が小型化されている。
・本システムは、精度を犠牲にすることなく電力変動の十分なアジリティおよび可能な限り広い変動範囲を保証するのに十分高速である。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面と共に、図解する一切限定的でない例示的な実施形態に基づく記述を精査することにより明らかになろう。

本発明の装置および方法は特に、無意味な損失と同義である減衰を許す装置の利用ではなく、増幅サブシステムのｎ段のゲイン制御に依存する。

本発明は特に、一方では伝送信号の検知、他方では可変ゲインＲＦ増幅器の利用を通じて、信号により選択可能な２つ以上のピーク電力レベルを有するデジタル化された制御システムにより制御される振幅のガウス形式のパルス信号を生成することからなる。

図１に、本発明のシステムの例示的なアーキテクチャを模式的に示す。例えば、電力制御段および１個以上の変調前段を含んでいる。これらの段階について以下に詳述する。

第１の増幅段
第１のＲＦ増幅段は例えば、パルス・ドレイン電源と共にクラスＡＢで用いられるＬＤＭＯＳトランジスタ１を使用する。このため、電源２１は送信同期化信号を受信し、これに応じて増幅器用のスイッチモード電力供給を可能にする制御を送信する処理装置３に接続されている。

第１段のゲインは、デジタルポテンショメータ４を制御すべく、例えばＳＥＰＲＯＭ５に格納されている２個のデジタル・テーブルから取得された可変直流電圧４により制御されるため、図にＤＣで示すＤＣ電圧源を介して形状が生成される変調信号の振幅を調整することが可能になる。低電力および通常電力モードにおける周波数の各々が直流電圧に対応する。２個のテーブルは処理装置６により、送信される周波数Ｆｒｅｑおよび「通常電力／低電力」制御信号（以下「Ｐ _{ｎｏｒｍａｌ} ／Ｐ _{ｒｅｄｕｃｅｄ} 」又は「Ｐ _{ｎｏｒｍａｌ} ／Ｐ _{ｒｅｄｕｃｅｄ} 制御信号」という）に応じてアドレス参照される。正当に生成された変調信号は増幅器１へ送られる。

可変ゲインＲＦ増幅器１の出力における結果は、電力差の半分の間隔を有する２つのピーク電力レベルである。２つの電力レベルの各々は周波数に応じて固定されている。必要に応じて、プリエンファシスを組み込むことができる。

増幅器１の出力において、矩形波ＲＦパルスが得られ、そのピーク電力は、低電力制御（ＰＮＲ）の状態に従う周波数に応じて２個の固定値をとる。これらのパルスは第２の電力増幅器へ送られる。

最大電力と低電力の差は、この段の逆ゲインにより制限される。良好な精度を維持して制御電圧範囲内に留まるために、帯域幅の制約を前提として可能な限り小さい差の値を求める。到達可能な最大の差は、例えば７〜８ｄＢに限られる。

第２の増幅段
第２のＲＦ増幅段は、例えば、パルス・ドレイン電源２２と共にクラスＡＢで用いられるＬＤＭＯＳトランジスタ７を使用する。この段のゲインは、可変振幅変調電圧により制御される。

この段は、トランジスタの入力に存在する２つの電力レベルの差が７〜８ｄＢを超える場合に用いられる。

変調信号の最大振幅情報は、送信される周波数ならびにＰ _{ｎｏｒｍａｌ} ／Ｐ _{ｒｅｄｕｃｅｄ} に従いアドレス参照されるＳＥＰＲＯＭ８に格納されているｎ^＊２個のデジタル・テーブルから取得され、ｎは送信されたパルスの中間振幅幅の測定結果に従いアドレス参照されており、従って、生成された信号の域幅もまた制御される。処理装置９は、送信同期化信号、ＰＮＲおよび送信に必要とされる周波数Ｆｒｅｑを受信する。

変調信号の形状は、Ｐ_{ｎｏｒｍａｌ}／Ｐ_{ｒｅｄｕｃｅｄ}制御信号により選択されたｎ^＊２個のデジタル・テーブルから、デジタル・アナログ変換器ＤＡＣ（変調ソース）３０を介して生成する。これは送信制御により同期化される。ポテンショメータ１０を用いて変調信号（変調信号２）の振幅を変化させることができる。

この変調信号は、電力制御段で用いたものと同一または概ね同一である。２個の連続する段階にわたる変調により、送信されるパルスの下降形状の整合性を保持することが可能になる。電力レベルに応じてｎ^＊２個の異なるテーブルを用いる場合、ＬＤＭＯＳ増幅段のゲイン曲線の非線形性が伴う。

第２の増幅段の出力（増幅器７の出力）におけるこの結果は、全ての必要な電力差の間隔を置いた２つの出力ピーク電力レベルとなる。２つの電力レベルの各々は、周波数により固定される。必要に応じて、プリエンファシスを組み込むことができる。

第２の増幅段の出力において、ＲＦパルスは従って、施された変調（トランジスタゲート分極による変調）に対応する形状で得られ、そのピーク電力は低電力制御（ＰＮＲ）の状態に従い周波数に応じて２個の固定値をとることができる。その幅は、変調信号を制御することにより制御される。

電力制御段
電力段は特に、
可変ゲインＲＦ増幅器２０、
特に温度が安定している、２１で示すカプラおよび検知器
を含んでいる。

検知信号
がビデオ増幅器２２に適用され、そのゲインはシリアル制御バスを備えたデジタルポテンショメータにより制御されていてＲＦ増幅器に周波数および温度補償を与える。更に、ビデオ増幅器２２は低電力制御（ＰＮＲ）に応じて２個のゲイン設定範囲を有する。

ピーク検知器２４およびレベル識別器２５は、セットポイント値「ＲｅｆＤＥＣ」から、上／下インタフェースを備えたデジタルポテンショメータ２７の値を増減すべく同期化された制御を生成する処理制御装置２６へピーク電力情報を送ることにより、Ｐ _{ｎｏｒｍａｌ} ／Ｐ _{ｒｅｄｕｃｅｄ} （先の段で使用されたものと同一の）により選択された２個のデジタル・テーブルから、ＤＡＣコンバータ２８を介して生成された変調信号からＲＦ段の変調信号を生成する。

出力ピーク電力は従って、１パルス毎に一定の値にサーボ制御されて、ビデオ増幅器電力２２として検知される信号がこのセットポイントに等しいか概ね等しくなるようにする。ＲＦ出力電力は特に、周波数、温度、およびＰＮＲで索引付けられたデジタル化テーブル２９から導かれたゲイン制御により制御されるビデオ増幅器のゲインに依存する。
式中、
Ｋ：検知システムの周波数および温度、並びに適当な場合、出力電力サンプリング・カプラ（２１）とビデオ増幅器のＲＦ出力との間に挿入されたサーボ制御ループ外の要素（サーキュレータ、高周波フィルタ等）の感度に応じて変動する。
Ａ：ビデオ増幅器のゲインは、本システムにより制御され、周波数、温度、およびＰＮＲで索引付けられたデジタル化テーブルから生成される。これはＫの影響を補償する。Ｐ_ｐｅａｋが一定であるために積ＡＫは一定でなければならない。
セットポイント値：電圧基準を用いて生成される。

レベル識別器は、２個の最大および最小閾値（基準電圧の分数）から、２個の指標すなわち最大閾値に対する電力値の指標Ｐおよび最小閾値に対する電力値の指標Ｐを生成する。最大値と最小値の電圧差から、ロッキングの収束が得られることによりロッキング精度の決定に必要なヒステリシスが生じる。

被制御ＲＦ段のゲインがほぼ一定のままであるため、２つの電力状態の制御を備えた変調前段を用いて、通常電力または低電力のいずれが適用されていようとも、極めて近接するサーボ制御段を変調する信号（変調信号３）を得ることができる。これにより、通常電力から低電力への最短遷移時間が得られ、後者が送信パルスの個数および変調レベル制御電位計修正ステップの値に依存することに留意すれば逆もまた同様である。

図２Ａ、２Ｂは、増幅サブシステムの各種の位置における制御および変調信号のタイミング図を表わす。

最上位から始めて、時間軸に沿って以下が表わされる。
ＰＮ／ＰＲ処理動作の場合
同期化信号、
サブシステムの各種トランジスタへの電力制御、
ＰＮ／ＰＲ制御、
第１段変調信号、
第２段変調信号、
第１段の出力で得られる電力、
第２段の出力で得られる電力、

ピーク電力処理の場合
同期化信号
変調信号、
第３段の出力電力、

幅処理の場合
同期化信号
変調信号、
第３段の出力電力。

図３は、電力ＲＦ増幅を備えたパルスモードで動作するＬＤＭＯＳトランジスタを表わす。

トランジスタのゲートＧは周波数変調された信号を受信し、ゲート電源から電力を供給される。ドレインＤは、低損失スイッチ３１によりＤＣ電源に接続される。スイッチ３１は、変調された信号の送信同期化信号ｓｙｎｃにより制御される。ドレイン電流は、ドレインに電力供給されている場合のみ存在する。高速二方向電圧ピーククリッピング装置３３は、ドレインのピーク電力供給とＬＤＭＯＳトランジスタのドレイン−ソース・フラッシュオーバー電圧の間の値により、この種の動作に固有の過電圧に対する効果的な保護を与える。コンデンサ３４はＲＦデカップリングを施す。

必要な瞬間エネルギーは、電解コンデンサ３２により供給される。電解コンデンサ３２の値は、送電器の充電率を含む等価直列抵抗と低い直列抵抗に従い計算される。コンデンサは、損失を最小化すべく選択されている。

低損失スイッチは、例えばＭＯＳＰＯＷＥＲトランジスタを用いて実装される。これは従って、実装が容易であり、且つ高ピークドレイン電流に対する抵抗および低損失の全ての特性を与える。

ゲート電源ＶＧは、
・可変ゲイン制御直流電圧、例えば可変ゲイン増幅器、
・変調器として用いられる段階への変調信号、
であってよい。ゲート電圧は振幅制御されていて、非稼動ドレイン流を変調し、この段のＲＦゲインを変調することができる。

本発明による２ピーク電力レベルの制御に利用可能な装置のアーキテクチャである。 制御信号および変調信号に対応する、異なるタイミング図である。 本発明によるスキームで利用可能なパルス化された電圧制御増幅器用のアーキテクチャである。

Claims (7)

1. パルスモードで動作する増幅器の少なくとも２つのピーク電力レベルを制御する装置であって、少なくとも以下の要素、すなわち、
   ・少なくとも１個の増幅器（１）および前記増幅器（１）に矩形波信号を供給するように構成された処理装置（６）を含む第１の増幅段、
   ・少なくとも１個の増幅器（７）および施された変調の形状と概ね同一の形状を有する信号を供給するように構成された処理装置（９）を含む第２の増幅段、
   を少なくとも含む変調前段と、
   ・増幅サブシステムの出力における信号の一部をサンプリングして、ビデオ増幅器（２２）へ送信するカプラおよび検知器（１１）、
   ・増幅器（２０）向けに変調信号を生成するのに適したピーク検知器（２４）およびレベル識別器（２５）、
   ・前記増幅器用の電力供給手段（２１、２２、２３）、
   を少なくとも含む電力制御段と
   を含むことを特徴とする装置。
2. 前記第１の増幅段が、パルス・ドレイン電源と共にクラスＡＢで用いられるＬＤＭＯＳトランジスタを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の増幅段のゲインが、送信される周波数ならびに通常電力／低電力比に従いアドレス参照されるデジタル・テーブルから取得された可変ＤＣ電圧により制御されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記第２の増幅段が、パルス・ドレイン電源と共にクラスＡＢで用いられるＬＤＭＯＳトランジスタを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記段のゲインが、可変振幅変調電圧により制御されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 送信される周波数ならびにＰ _{ｎｏｒｍａｌ} ／Ｐ _{ｒｅｄｕｃｅｄ} に従いアドレス参照される２個のデジタル・テーブルを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. パルスモードで動作する増幅サブシステムにおいて少なくとも２つのピーク電力レベルを制御または生成する方法であって、
   ・矩形波または概ね矩形波の信号を生成して、前記信号を第１の増幅器に適用するステップと、
   ・増幅される信号と概ね同一の形状を有する変調信号を生成し、これを第２の増幅ステップに適用するステップと、
   ・ピーク電力レベルおよび制御された幅の信号を生成し、これを前記第２増幅ステップから得られた信号に適用するステップと
   を少なくとも含むことを特徴とする方法。