電力増幅装置
【課題】 平均電力に対するピーク電力の比が高い信号を増幅する際の電力変換効率を向上させることができる電力増幅装置を提供する。
【解決手段】 異なる入力レベルの信号を飽和に近い動作で増幅する増幅器２１〜２３と、入力信号をレベルに応じて適切な増幅器に出力する信号分割処理部１と、各増幅器からの出力を低損失で合成する信号合成部３とを備え、増幅器２１〜２３の出力インピーダンスを同一の値とし、信号合成部３の位相調整線路３０１〜３０３と出力線路３０４の特性インピーダンスを増幅器の出力インピーダンスと同一の値とし、合成点３０５におけるインピーダンスが、動作していない増幅器に対して開放となるよう位相調整線路３０１〜３０３のインピーダンスが調整され、動作している増幅器に対して増幅器の出力インピーダンスとなるよう出力線路３０４のインピーダンスが調整されている電力増幅装置としている。
【解決手段】 異なる入力レベルの信号を飽和に近い動作で増幅する増幅器２１〜２３と、入力信号をレベルに応じて適切な増幅器に出力する信号分割処理部１と、各増幅器からの出力を低損失で合成する信号合成部３とを備え、増幅器２１〜２３の出力インピーダンスを同一の値とし、信号合成部３の位相調整線路３０１〜３０３と出力線路３０４の特性インピーダンスを増幅器の出力インピーダンスと同一の値とし、合成点３０５におけるインピーダンスが、動作していない増幅器に対して開放となるよう位相調整線路３０１〜３０３のインピーダンスが調整され、動作している増幅器に対して増幅器の出力インピーダンスとなるよう出力線路３０４のインピーダンスが調整されている電力増幅装置としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力増幅装置に係り、特に電力変換効率を向上させることができる電力増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
［先行技術の説明］
無線機に用いられる送信用電力増幅装置は、高周波信号を所要の送信電力に増幅するものであり、ほとんどの無線機において最も多くの電力を消費する部分である。
電力増幅装置が消費する電力は、高周波出力に変換されるだけでなく、内部損失となる熱として放出される。そのため、消費電力の低減や信頼性の向上を図るために、電力増幅装置の電力変換効率を上げて、無駄な内部損失を抑えることが要求されている。
【０００３】
ところで、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）や、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）等のように、平均電力に対するピーク電力の比（ＰＡＰＲ：Peak to Average Power Ratio）が高い信号を増幅するには、増幅器の平均出力電力より増幅器の飽和レベルを高くする(バックオフを取る)必要がある。しかし、バックオフを取って使用すると、増幅器の効率は低下してしまう。
【０００４】
例えば、単純なＢ級増幅器では、飽和動作時には理論的な最大効率は７８％であるが、バックオフ１０ｄＢでの動作時における最大理論効率は２６％となる。
ＣＤＭＡやＯＦＤＭ等の信号を増幅する基地局用高出力増幅装置等では、ピーク電力比の大きな信号を低歪みで増幅する必要があるため、バックオフを大きく取らなければならず、効率が低くなってしまう。
【０００５】
［関連技術］
効率を向上させる増幅装置に関する先行技術としては、特開２００９−５５５１５号公報（出願人：株式会社日立国際電気、特許文献１）がある。
特許文献１には、複数のピーク増幅器を備えたドハティ増幅器において、各増幅器からの出力を線路上で合成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−５５５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の電力増幅装置では、ＣＤＭＡやＯＦＤＭのように、ＰＡＰＲが高い信号を増幅する場合にはバックオフを大きく取らなければならず、電力変換効率が低くなってしまうという問題点があった。
【０００８】
尚、特許文献１には、複数の増幅器の出力インピーダンスを同一の値とし、合成点において、増幅器が動作していない場合に開放となるよう調整された位相調整線路と、増幅器が動作している場合に増幅器の出力インピーダンスとするよう調整された出力線路を備え、低損失で合成することは記載されていない。
【０００９】
本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、平均電力に対するピーク電力の比が高い信号を増幅する際の電力変換効率を向上させることができる電力増幅装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、高周波信号を増幅する電力増幅装置であって、互いに異なる電力レベルの信号を入力し、入力された信号を飽和に近い状態でそれぞれ増幅する複数の増幅器と、入力信号を信号レベルに応じて複数の増幅器のいずれかに出力する信号分割処理部と、各増幅器に対応して設けられ、対応する増幅器からの出力信号の位相を調整する複数の位相調整線路と、複数の位相調整線路からの出力を合成する合成点と、合成点からの出力のインピーダンスを調整する出力線路とを有する信号合成部とを備え、複数の増幅器の出力インピーダンスを同一の値とし、複数の位相調整線路と、出力線路の特性インピーダンスを増幅器の出力インピーダンスと同一の値とし、位相調整回路のインピーダンスが、対応する増幅器が動作していない場合に合成点における当該増幅器のインピーダンスを開放とするよう調整され、出力線路のインピーダンスが、動作している増幅器の合成点におけるインピーダンスを増幅器の出力インピーダンスとするよう調整されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高周波信号を増幅する電力増幅装置であって、互いに異なる電力レベルの信号を入力し、入力された信号を飽和に近い状態でそれぞれ増幅する複数の増幅器と、入力信号を信号レベルに応じて複数の増幅器のいずれかに出力する信号分割処理部と、増幅器からの出力を合成する信号合成部とを備え、信号合成部が、各増幅器に対応して設けられ、対応する増幅器からの出力信号の位相を調整する複数の位相調整線路と、複数の位相調整線路からの出力を合成する合成点と、合成点からの出力のインピーダンスを調整する出力線路とを有し、複数の増幅器の出力インピーダンスを同一の値とし、複数の位相調整線路と、出力線路の特性インピーダンスを増幅器の出力インピーダンスと同一の値とし、位相調整回路のインピーダンスが、対応する増幅器が動作していない場合に合成点における当該増幅器のインピーダンスを開放とするよう調整され、出力線路のインピーダンスが、動作している増幅器の合成点におけるインピーダンスを増幅器の出力インピーダンスとするよう調整されている電力増幅装置としているので、各増幅器がそれぞれ飽和に近い動作で増幅を行い、信号合成部で低損失で合成することにより増幅装置全体の効率を向上させ、平均電力に対するピーク電力の比が高い信号を増幅する場合の電力変換効率を向上させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力増幅装置の構成ブロック図である。
【図２】本電力増幅装置における信号波形の分割及び合成を示す説明図である。
【図３】アナログ回路で構成された信号分割処理部１の構成を示す回路図である。
【図４】電源回路２６の回路図である。
【図５】増幅器２３に供給されるゲート電圧波形の例を示す説明図である。
【図６】増幅器２１が信号を出力している場合の信号合成部における信号合成例を示す説明図である。
【図７】増幅器２２が信号を出力している場合の信号合成例を示す説明図である。
【図８】増幅器２３が信号を出力している場合の信号合成例を示す説明図である。
【図９】増幅器２１が信号を出力している場合のインピーダンスを示すスミスチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る電力増幅装置は、ピーク対平均電力比の大きい信号を増幅するものであって、異なる入力レベルの信号を飽和に近い動作で増幅する複数の増幅器と、入力信号を信号レベルに応じて適切な増幅器に出力する分配部と、複数の増幅器からの出力信号を線路上で低損失に合成する信号合成部とを備え、信号合成部が、各増幅器からの出力の位相を調整する複数の位相調整線路と、複数の位相調整線路の出力を合成する合成点と、合成点の出力のインピーダンスを調整する出力線路とを備え、位相調整線路のインピーダンスは、合成点におけるインピーダンスが、動作していない増幅器に対して開放となるよう調整され、出力線路のインピーダンスは、動作している増幅器に対して増幅器の出力インピーダンスとなるよう調整されているものであり、各増幅器が常に飽和に近い動作を行うと共に、信号合成部が各増幅器の出力を線路上において低損失で合成して、ＰＡＰＲの大きい信号を効率的に増幅して合成することができ、増幅器全体の効率を向上させることができるものである。
【００１４】
［実施の形態に係る電力増幅装置の構成：図１］
本発明の実施の形態に係る電力増幅装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る電力増幅装置の構成ブロック図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る電力増幅装置（本電力増幅装置）は、主として、入力端子１０と、信号分割処理部１と、増幅部２と、信号合成部３と、出力端子４とを備えている。
更に、増幅部２は、増幅器２１，２２，２３と、電源２４，２５と、電源回路２６とを備えている。
【００１５】
本電力増幅装置の各部について説明する。
信号分割処理部１は、入力端子１０から入力された信号を包絡線検波して、包絡線の電力レベルを検出し、検出された電力レベルに応じて、増幅器２１，２２，２３のいずれに出力するか判定し、分配出力端子１１，１２，１３から出力する。信号分割処理部１の構成及び動作については後述する。
【００１６】
信号分割処理部１は、アナログ回路またはデジタル回路で構成され、出力端子４を基準として位相と振幅を調整し、各段の増幅器２１〜２３や信号合成部３の遅延差を調整した信号を出力する機能を有するものである。
【００１７】
増幅部２の増幅器２１，２２，２３は、互いに異なる特定範囲の入力レベルの信号を入力して、それぞれ当該入力レベルにおいて飽和に近い状態で増幅するものであり、増幅器２の特性（種類）やバイアス電圧及びドレイン電圧が適宜選択／設定されている。増幅器２１，２２，２３は常に飽和に近い動作を行うため、いずれも高効率で動作する。
【００１８】
具体的には、増幅器２１は、大信号を増幅するため出力電力が大きいデバイスを用いて設計し、増幅器２２は、増幅器２１よりも出力電力の少ないデバイスを用い、増幅器２３は更に出力電力の少ないデバイスを用いる。
このとき、電源２４、電源２５、電源回路２６から供給する電源電圧は、信号分割処理部１から出力される分割信号波形１５、分割信号波形１６、分割信号波形１７が、飽和電力に近い状態で増幅するよう設定する。よって、増幅器２１、増幅器２２、増幅器２３はすべて飽和電力に近い状態で増幅するため、高効率動作が可能となる。
【００１９】
増幅器２１は、電源２４から一定の電圧が供給され、Ｃ級動作にて増幅を行う。
増幅器２２は、電源２５から一定の電圧が供給され、Ｃ級動作にて増幅を行う。
増幅器２３は、電源回路２６から搬送波が存在する時間のみ動作するよう制御された電圧を供給され、搬送波が存在する場合のみＡＢ級で増幅を行う。
【００２０】
電源２４は、増幅器２１に適切な電圧値の一定電圧をドレイン電圧として供給する。
同様に、電源２５は、増幅器２２に適切な電圧値の一定電圧をドレイン電圧として供給する。
電源回路２６は、信号分割処理部１からの信号に基づいて、搬送波がある場合のみ動作するよう、増幅器２３のゲート電圧を制御すると共に、ドレイン電圧を供給する。
【００２１】
信号合成部３は、増幅部２の増幅器２１，２２，２３で増幅された信号を、入力端子３１，３２，３３から入力し、線路上で低損失に合成し、出力端子４から出力する。
【００２２】
本電力増幅装置では、増幅部２の各増幅器２１，２２，２３がいずれも飽和電力に近い状態で動作し、更に、信号合成部３で各増幅信号を低損失で合成するので、ＯＦＤＭやＣＤＭＡのようにＰＡＰＲの大きい信号であっても高効率で増幅可能な送信機を実現できるものである。
【００２３】
［本電力増幅装置における信号波形分割合成例：図２］
本電力増幅装置における信号波形の分割及び合成の概略について図２を用いて説明する。図２は、本電力増幅装置における信号波形の分割及び合成を示す説明図である。
図２に示すように、信号分割処理部１では、入力された変調信号波形１４を検波して、信号レベルを検出し、予め記憶されているしきい値ｔｈ１、ｔｈ２（ｔｈ１＜ｔｈ２）と比較して、信号レベルに応じて信号を時間軸で分割し、出力端子１１,１２,１３のいずれかに出力する。
【００２４】
図２の例では、入力信号は、信号レベルがｔｈ１より小さい場合（分割信号波形１７）、信号レベルがｔｈ１とｔｈ２の間の場合（分割信号波形１６）、信号レベルがｔｈ２より大きい場合（分割信号波形１５）の３通りに分割されて、それぞれ、分配出力端子１３，１２，１１に出力されるようになっている。
【００２５】
そして、各分配出力端子１１〜１３から出力された分割信号１５〜１７は、増幅部２の増幅器２１〜２３で増幅され、信号合成部３で低損失に合成されて、増幅された変調信号波形１９が得られるものである。
【００２６】
［信号分割処理部１の構成例：図３］
次に、本電力増幅装置の信号分割処理部１の構成について図３を用いて説明する。図３は、アナログ回路で構成された信号分割処理部１の構成を示す回路図である。
図３に示すように、信号分割処理部１は、入力端子１０と、ディバイダ１０２と、検波器１０３と、コンパレータ１０４，１０５，１０６，１０７と、ＡＮＤ回路１０８と、スイッチ１０９，１１０，１１１と、位相振幅調整回路１１３，１１４，１１５と、分配出力端子１１，１２，１３とを備えている。
また、信号分割処理部１は、図１に示した電源回路２６に対して、信号を分岐して出力する出力端子１８を備えている。
図１，２と同じ部分については同一の符号を付している。
【００２７】
ディバイダ１０２は入力端子１０からの入力信号（変調信号波形）１４を２つに分岐する。
検波器１０３は、分岐された一方の入力信号を検波して入力レベル（ａ）を検出する。検出された入力レベルは、コンパレータ１０４，１０５，１０６，１０７に入力される。
【００２８】
そして、本実施例では、コンパレータ１０４〜１０７によって、入力レベルａをしきい値ｔｈ１、ｔｈ２と比較して、その大小に基づいてスイッチ１０９，１１０，１１１のいずれかをオンとして、位相及び振幅を調整した後、分配出力端子１１，１２，１３のいずれかに出力する。
【００２９】
コンパレータ１０４には、＋端子に第１のしきい値ｔｈ１が設定されており、−端子から入力される入力レベルａがｔｈ１より小さい（ａ＜ｔｈ１）場合に、出力信号がＨレベルとなる。すなわち、検波信号の信号波形が、信号波形１１２ｂ（小信号）のときにスイッチ１０９がオンとなり、他のスイッチ１１０，１１１はオフとなる。
【００３０】
コンパレータ１０５は、−端子に第１のしきい値ｔｈ１が設定されており、＋端子から入力される入力レベルａがｔｈ１より大きい（ａ＞ｔｈ１）場合に、Ｈレベル信号が出力される。
また、コンパレータ１０６には、＋端子に第２のしきい値ｔｈ２が設定されており、−端子から入力される入力レベルａがｔｈ２より小さい（ａ＜ｔｈ２）場合に、Ｈレベル信号が出力される。
【００３１】
そして、コンパレータ１０５とコンパレータ１０６からの出力が両方ともＨレベルの場合（ｔｈ１＜ａ＜ｔｈ２）のみに、ＡＮＤ回路１０８からの出力がＨレベルとなる。つまり、検波出力が信号波形１１２ｃ（中信号）のときにスイッチ１１０がオンとなり、他のスイッチ１０９，１１１はオフとなる。
【００３２】
コンパレータ１０７は、−端子に第２のしきい値ｔｈ２が設定されており、＋端子から入力される入力レベルａがｔｈ２より大きい（ａ＞ｔｈ２）場合に、出力信号がＨレベルとなる。つまり、検波出力が信号波形１１２ｄ（大信号）のときにスイッチ１１１がオンとなり、他のスイッチ１０９，１１０はオフとなる。
【００３３】
スイッチ１０９は、コンパレータ１０４からの出力がＨレベルの場合にオンとなり、ディバイダ１０２で分岐された入力信号を分配出力端子１５に出力する。
スイッチ１１０は、ＡＮＤ回路１０８からの出力がＨレベルの場合にオンとなり、入力信号を分配出力端子１４に出力する。
スイッチ１１１は、コンパレータ１０７からの出力がＨレベルの場合にオンとなり、入力信号を分配出力端子１３に出力する。
【００３４】
位相振幅調整回路１１３〜１１５は、アナログ回路またはデジタル回路で構成され、出力端子４を基準として位相と振幅を調整し、各段の増幅器や信号合成部の遅延差を調整した信号を出力する。
【００３５】
上記構成の信号分配部１２の動作について説明する。
入力端子１０から入力された信号は、ディバイダ１０２で２つに分岐されて、一方の分岐信号は、検波器１１０で検波されて入力レベル（ａ）が検出される。
入力レベルａがｔｈ１より小さい場合には（ａ＜ｔｈ１，信号波形１１２ｂ）、コンパレータ１０４の出力のみがＨレベルとなり、スイッチ１０９がオンとなって、ディバイダ１０２で分岐された他方の入力信号は位相振幅調整回路１１５から分配出力端子１３に出力される。
更に、コンパレータ１０４の出力は、出力端子１８を介して電源回路２６に供給される。
【００３６】
また、入力レベルａがｔｈ１とｔｈ２の間（ｔｈ１＜ａ＜ｔｈ２，信号波形１１２ｃ）の場合には、コンパレータ１０５，１０６がＨレベルとなり、スイッチ１１０がオンとなって入力信号は位相振幅調整回路１１４から分配出力端子１２に出力される。
入力レベルａがｔｈ２より大きい（ａ＞ｔｈ２，信号波形１１２ｄ）場合には、コンパレータ１０７がＨレベルとなり、スイッチ１１１がオンとなって入力信号は位相振幅調整回路１１３から分配出力端子１１に出力される。
上記以外の状態においては、スイッチ１０９〜１１１はオフとなる。
【００３７】
このようにして、本電力増幅装置では、入力信号が入力レベルに応じて最適な増幅器の経路に分配され、図１に示した増幅器２１，２２，２３のいずれかにおいて飽和に近い状態で効率よく増幅されるものである。
【００３８】
［電源回路２６：図１、図３、図４］
次に、電源回路２６について図１、図３、図４を用いて説明する。図４は、電源回路２６の回路図である。
図１に示した電源回路２６は、搬送波が存在する時間のみ動作するよう、増幅器２３のゲート電圧を制御する。
具体的には、電源回路２６は、ゲート電圧制御回路を備えており、ゲート電圧制御回路が、コンパレータ１０４からの信号を信号分割処理部１の出力端子１８と電源回路２６の入力端子２７を介して入力し、当該信号を用いてゲート電圧を制御する。
ゲート電圧の制御回路は、アナログ回路もしくはデジタル回路で構成される。
【００３９】
［電源回路２６の構成：図４］
図４では、アナログ回路で構成された電源回路２６の例を示している。
図４に示すように、電源回路２６は、直流電圧源２０４と、電源供給端子２９とからなる電源供給部と、直流電圧源２０５と、抵抗２０１，２０２と、スイッチ２０３と、入力端子２７と、ゲート電圧制御端子２８とを備えたゲート電圧制御回路とを備えている。
【００４０】
電源供給部は、電源供給端子２９から増幅器２３に安定したドレイン電圧を供給する。
ゲート電圧制御回路は、直流電圧源２０３からの電圧を、抵抗２０１、抵抗２０２によって分圧し、入力端子２７から入力されるコントロール信号によってスイッチ２０３を制御して、２段階の電圧の内適切なゲート電圧に切り替えて出力端子２８から出力する。
具体的には、スイッチ２０３が直流電圧源２０５側に切り替えられると、ＡＢ級に対応した電圧が出力され、スイッチ２０３が分圧側に切り替えられるとＣ級に対応した電圧が出力されて、増幅器２３にゲート電圧として供給される。
【００４１】
そして、電源回路２６では、入力端子２７からコンパレータ１０４の出力が入力された場合（搬送波がある場合）には、スイッチ２０３を電源電圧側に切り替えて、ＡＢ級のゲート電圧を供給し、入力端子２７からの入力がない場合には、スイッチ２０３を分圧側に切り替えてＣ級のゲート電圧を供給する。
【００４２】
［増幅器２３のゲート電圧の例：図５］
ここで、増幅器２３に供給されるゲート電圧波形の例について図５を用いて説明する。図５は、増幅器２３に供給されるゲート電圧波形の例を示す説明図である。
図５に示すように、増幅器２３のゲート電圧波形２１０は、ＡＢ級バイアスである電圧Ｈ−ＶＧＳと、Ｃ級バイアスである電圧Ｌ−ＶＧＳを切り替えることによって生成される。
【００４３】
つまり、コンパレータ１０４の出力信号（搬送波）１７が存在する時間は、増幅器２３のゲート電圧は電圧Ｈ−ＶＧＳとなってＡＢ級で動作し、コンパレータ１０４の出力信号１７がない時間は、ゲート電圧は電圧Ｌ−ＶＧＳとなってＣ級で動作する。
これにより、後述するように、増幅器２３が増幅動作を行っていない場合のインピーダンスを開放にして、低損失とすることができるものである。
【００４４】
［信号合成部３：図６，７，８］
次に、本電力増幅装置の特徴部分である信号合成部３について図６〜８を用いて説明する。図６〜８は、信号合成部３の構成及び合成の動作を示す説明図であり、図６は、増幅器２１が信号を出力している場合の信号合成例を示し、図７は、増幅器２２が信号を出力している場合の信号合成例を示し、図８は、増幅器２３が信号を出力している場合の信号合成例を示している。
本電力増幅装置の信号合成部３は、増幅部２の３つの増幅器２１，２２，２３の内、一つの増幅器が信号を出力している場合には、他の増幅器からの出力はないという条件で、低損失に合成する機能を有するものである。
【００４５】
［信号合成部３の構成］
図６に示すように、信号合成部３は、入力端子３１，３２，３３と、位相調整線路３０１，３０２，３０３と、合成点３０５と、出力線路３０４とを備えている。
入力端子３１，３２，３３は、それぞれ、増幅器２１，２２，２３からの信号を入力する。
位相調整線路３０１，３０２，３０３は、それぞれ、入力端子３１，３２，３３からの信号の位相を調整する。
合成点３０５は、位相調整線路３０１，３０２，３０３からの信号を合成する。
出力線路３０４は、出力端子４に出力する増幅器出力のインピーダンスを調整する。
【００４６】
［信号合成部３の動作］
次に、信号合成部３における合成の動作について図６〜８を用いて具体的に説明する。まず、本電力増幅装置における動作の前提について説明する。
増幅器２１〜２３は、時間分割された分割波形１５〜１７を増幅するため、１つの増幅器が増幅動作を行っている場合は他の２つの増幅器は増幅動作していない。
また、ここでは、増幅器２１〜２３は、増幅動作をしている場合には、出力インピーダンスが５０Ｏｈｍとなるよう、増幅器内部の出力整合回路が調整されている。尚、ここでは、増幅器２１〜２３の出力インピーダンスを５０Ｏｈｍとしているが、これに限るものではない。
【００４７】
増幅器２１,２２はＣ級増幅器であり、また、増幅器２３は、上述した電源回路２６によるゲート電圧制御に基づいて、ＡＢ級又はＣ級動作を行う。
位相調整線路３０１，３０２，３０３の特性インピーダンスは、それぞれ５０Ｏｈｍである。
また、出力線路３０４の特性インピーダンスも増幅器の出力インピーダンスと同じく、５０Ｏｈｍとしている。
【００４８】
［増幅器２１が信号を出力している場合のインピーダンス：図６、図９］
［増幅器２１のインピーダンス］
上述した前提条件を踏まえ、増幅器２１が信号を出力している場合の、合成点３０５から各増幅器を見たインピーダンスについて図６及び図９を用いて説明する。
図９は、増幅器２１が信号を出力している場合のインピーダンスを示すスミスチャートである。
入力端子３１から位相調整線路３０１を見たインピーダンスをＺｉｎ、位相調整線路３０１の特性インピーダンスをＺ０、位相調整線路３０１の電気長をθ、出力線路３０４の特性インピーダンスをＺＬとすると、Ｚｉｎは（式１）で表される。
【００４９】
【数１】
【００５０】
位相調整線路３０１と出力線路３０４の特性インピーダンスは等しく、共に５０Ｏｈｍなので、θの値を変えても、Ｚｉｎ＝Ｚ０＝ＺＬ＝５０Ｏｈｍとなる。
よって、増幅器２１が動作している場合、位相調整線路３０１の長さに関わらず、入力端子３１から見た負荷インピーダンス（図６ではＺｔ１）は５０Ｏｈｍとなる。
同様に、合成点３０５から増幅器２１を見たインピーダンスも５０Ｏｈｍとなる。
また、入力端子３１、合成点３０５のインピーダンスをスミスチャートに示すと、図９のインピーダンス３０６となる。
【００５１】
［増幅器２２のインピーダンス：図４、図９］
次に、増幅器２１が信号を出力している場合の増幅器２２のインピーダンスについて説明する。
増幅器２１が信号を出力している場合、Ｃ級にバイアスされた増幅器２２は信号を出力しておらず、ドレイン電流がほとんど流れていないため、増幅素子出力端でのインピーダンスは理想的には無限大（∞）となる。
しかし、増幅素子の内部抵抗や整合回路により、実際の出力インピーダンスは無限大にはならない。そのため、入力端子３２から増幅器２２を見たインピーダンスは、図９のインピーダンス３０９となる。
【００５２】
ここで、合成点３０５から増幅動作をしていない増幅器２２を見たインピーダンスを算出する。
合成点３０５のインピーダンスをＺｉｎとし、位相調整線路３０２の特性インピーダンスをＺ０、位相調整線路３０２の電気長をθ、入力端子３２から増幅器２２を見たインピーダンス（インピーダンス３０９）をＺＬとすると、（式１）より、Ｚｉｎは、位相調整線路３０２の長さを変えることにより変化する。
【００５３】
すなわち、合成点３０５から増幅器２２を見たインピーダンスは、図９のインピーダンス３０９から伸びた破線のように回る。
インピーダンス３０９がインピーダンス３１０となるよう位相調整線路３０２の電気長を調整し、後述する（式２）を用いて合成点３０５での反射係数Γｒを計算する。
【００５４】
合成点３０５で観測されるインピーダンスをＺｏｕｔ、合成点３０５から増幅器２２をみたインピーダンスをＺｒとすると、反射係数Γｒは以下のように表される。
【数２】
【００５５】
合成点３０５で観測されるインピーダンスは、上述したように５０Ｏｈｍであり、インピーダンス３１０はハイインピーダンスであって、Ｚｏｕｔに比べて十分大きいため、反射係数Γｒは、Γｒ≒＋１となる。
つまり、本増幅装置では、位相調整線路３０２の電気長を調整することにより、増幅器２２が信号を出力していない場合、合成点３０５から増幅器２２を見たインピーダンスを開放とするものである。
図６ではＺｒ２＝∞と表している。
【００５６】
［増幅器２３のインピーダンス：図４、図９］
次に、増幅器２１が信号を出力している場合の増幅器２３のインピーダンスについて説明する。
ＡＢ級に設定された増幅器２３では、Ｃ級と違って、信号を出力していない場合でもドレイン電流が流れている。
入力端子３３から増幅器２３を見たインピーダンスは、図９のインピーダンス３０７となる。増幅器２２と同様に合成点３０５で開放とするため、位相調整線路３０３の電気長を調整すると、インピーダンス３０７からインピーダンス３０８に伸びた破線のようにまわり、ハイインピーダンスとはならないので、合成点３０５から増幅器２１を見たインピーダンスは開放とならない。
【００５７】
そこで、本電力増幅装置では、上述したように、電源回路２６で増幅器２３のゲート電圧を制御して、動作していない時はＣ級に設定するようにしている。
増幅器２３をＣ級とすることで、増幅器２２の場合と同様に、位相調整線路３０３の電気長を調整することによって、インピーダンス３１０に調整することが可能となり、合成点３０５から動作していない増幅器２３を見たインピーダンスは開放となる。図６ではＺｒ３＝∞と表している。
【００５８】
［負荷の反射係数］
上述した各増幅器のインピーダンスを踏まえ、増幅器２１が増幅動作を行っている場合の負荷の反射係数を算出する。
増幅器２１が増幅動作している場合の出力インピーダンスをＺｏｕｔ、入力端子３１から出力端子４までの負荷インピーダンスをＺｒとして、負荷の反射係数Γｒを（式２）を用いて算出する。
【００５９】
上述したように、増幅器２２、２３は、合成点３０５で開放となるので接続されていないものとみなすと、Ｚｏｕｔ＝Ｚｒ＝５０Ｏｈｍとなるため、（式２）より、反射係数は、
Γｒ＝０となる。
よって、増幅器２１の出力信号は、入力端子３１、位相調整線路３０１、合成点３０５、出力線路３０４を損失なく通過して、出力端子４に入力されることになる。
【００６０】
［増幅器２２が信号を出力している場合：図７］
増幅器２２が増幅動作を行う場合には、図７に示すように、合成点３０５から見た増幅器２１,２３のインピーダンスは開放となる（Ｚｒ１＝∞，Ｚｒ３＝∞）ので、増幅器２２のみが接続されているとみなすことができる。
よって、図６の場合と同様に、入力端子３２から出力端子４までの負荷インピーダンスは増幅器２２の出力インピーダンスと同じ５０Ｏｈｍ（Ｚｔ２＝５０Ｏｈｍ）となり、信号合成部３に入力された増幅信号は、損失なく出力端子４に入力される。
【００６１】
［増幅器２３が信号を出力している場合：図８］
同様に、増幅器２３が増幅動作を行う場合には、図８に示すように、合成点３０５から見た増幅器２１,２２のインピーダンスは開放（Ｚｒ１＝∞，Ｚｒ２＝∞）、入力端子３３から出力端子４までの負荷インピーダンスは、増幅器２３の出力インピーダンスと等しい５０Ｏｈｍとなり（Ｚｔ３＝５０Ｏｈｍ）、増幅信号は損失なく出力端子４に入力される。
【００６２】
すなわち、本電力増幅装置では、入力信号の信号レベルに応じて、当該信号レベルで飽和に近い動作を行う増幅器が増幅動作を行い、図６，７，８のいずれかの状態で合成が行われるため、合成による損失はなく、動作している増幅器で増幅された信号は低損失で出力され、高効率の電力増幅装置を実現することができるものである。
理想的には、位相調整線路３０１〜３０３と出力線路３０４の通過損失のみが合成損失となるため、低損失での合成が可能となる。
【００６３】
［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る電力増幅装置によれば、異なる入力レベルの信号を飽和に近い動作で増幅する複数の増幅器２１，２２，２３と、入力信号を信号レベルに応じて適切な増幅器に出力する信号分割処理部１と、各増幅器からの出力を合成する信号合成部３とを備え、信号合成部３が、増幅器２１，２２，２３の出力信号の位相を調整する位相調整線路３０１，３０２，３０３と、位相調整線路３０１，３０２，３０３からの出力を合成する合成点３０５と、合成点３０５からの出力のインピーダンスを調整する出力線路３０４とを備え、増幅器２１，２２，２３の出力インピーダンスを同一の値とすると共に、位相調整線路３０１，３０２，３０３及び出力線路３０４の特性インピーダンスを増幅器の出力インピーダンスと同一の値としておき、合成点３０５におけるインピーダンスが、動作していない増幅器に対して開放となるよう位相調整線路３０１，３０２，３０３の電気長が調整され、動作している増幅器に対して増幅器の出力インピーダンスとなるよう出力線路３０４の電気長が調整されているので、各増幅器２１〜２３が常に飽和に近い動作を行うと共に、信号合成部が各増幅器２１〜２３からの出力を線路上で低損失で合成して、ＰＡＰＲの大きい信号であっても高効率で増幅して合成することができ、増幅器全体の電力変換効率を向上させることができる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、平均電力に対するピーク電力の比が高い信号を増幅する際の電力変換効率を向上させることができる電力増幅装置に適している。
【符号の説明】
【００６５】
１...信号分割処理部、 ２...増幅部、 ３...信号合成部、 ４，１８...出力端子、 １０，２７，３１，３２，３３...入力端子、 ２１，２２，２３...増幅器、 ２４，２５...電源、 ２６...電源回路、 ２８...ゲート電圧制御端子、 ２９...電源供給端子、 １１，１２，１３...分配出力端子、 １４...変調信号波形、 １５，１６，１７...分割信号波形、 １０２...ディバイダ、 １０３...検波器、 １０４，１０５，１０６，１０７...コンパレータ、 １０８...ＡＮＤ回路、 １０９，１１０，１１１...スイッチ、 １１２...信号波形、 １１３，１１４，１１５...位相振幅調整回路、 ２０１，２０２...抵抗、 ２０３...スイッチ、 ２０４，２０５...直流電圧源、 ２１０...ゲート電圧波形、 ３０１，３０２，３０３...位相調整線路、 ３０４...出力線路、 ３０５...合成点、 ３０６，３０７，３０８，３０９，３１０...インピーダンス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力増幅装置に係り、特に電力変換効率を向上させることができる電力増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
［先行技術の説明］
無線機に用いられる送信用電力増幅装置は、高周波信号を所要の送信電力に増幅するものであり、ほとんどの無線機において最も多くの電力を消費する部分である。
電力増幅装置が消費する電力は、高周波出力に変換されるだけでなく、内部損失となる熱として放出される。そのため、消費電力の低減や信頼性の向上を図るために、電力増幅装置の電力変換効率を上げて、無駄な内部損失を抑えることが要求されている。
【０００３】
ところで、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）や、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）等のように、平均電力に対するピーク電力の比（ＰＡＰＲ：Peak to Average Power Ratio）が高い信号を増幅するには、増幅器の平均出力電力より増幅器の飽和レベルを高くする(バックオフを取る)必要がある。しかし、バックオフを取って使用すると、増幅器の効率は低下してしまう。
【０００４】
例えば、単純なＢ級増幅器では、飽和動作時には理論的な最大効率は７８％であるが、バックオフ１０ｄＢでの動作時における最大理論効率は２６％となる。
ＣＤＭＡやＯＦＤＭ等の信号を増幅する基地局用高出力増幅装置等では、ピーク電力比の大きな信号を低歪みで増幅する必要があるため、バックオフを大きく取らなければならず、効率が低くなってしまう。
【０００５】
［関連技術］
効率を向上させる増幅装置に関する先行技術としては、特開２００９−５５５１５号公報（出願人：株式会社日立国際電気、特許文献１）がある。
特許文献１には、複数のピーク増幅器を備えたドハティ増幅器において、各増幅器からの出力を線路上で合成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−５５５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の電力増幅装置では、ＣＤＭＡやＯＦＤＭのように、ＰＡＰＲが高い信号を増幅する場合にはバックオフを大きく取らなければならず、電力変換効率が低くなってしまうという問題点があった。
【０００８】
尚、特許文献１には、複数の増幅器の出力インピーダンスを同一の値とし、合成点において、増幅器が動作していない場合に開放となるよう調整された位相調整線路と、増幅器が動作している場合に増幅器の出力インピーダンスとするよう調整された出力線路を備え、低損失で合成することは記載されていない。
【０００９】
本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、平均電力に対するピーク電力の比が高い信号を増幅する際の電力変換効率を向上させることができる電力増幅装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、高周波信号を増幅する電力増幅装置であって、互いに異なる電力レベルの信号を入力し、入力された信号を飽和に近い状態でそれぞれ増幅する複数の増幅器と、入力信号を信号レベルに応じて複数の増幅器のいずれかに出力する信号分割処理部と、各増幅器に対応して設けられ、対応する増幅器からの出力信号の位相を調整する複数の位相調整線路と、複数の位相調整線路からの出力を合成する合成点と、合成点からの出力のインピーダンスを調整する出力線路とを有する信号合成部とを備え、複数の増幅器の出力インピーダンスを同一の値とし、複数の位相調整線路と、出力線路の特性インピーダンスを増幅器の出力インピーダンスと同一の値とし、位相調整回路のインピーダンスが、対応する増幅器が動作していない場合に合成点における当該増幅器のインピーダンスを開放とするよう調整され、出力線路のインピーダンスが、動作している増幅器の合成点におけるインピーダンスを増幅器の出力インピーダンスとするよう調整されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高周波信号を増幅する電力増幅装置であって、互いに異なる電力レベルの信号を入力し、入力された信号を飽和に近い状態でそれぞれ増幅する複数の増幅器と、入力信号を信号レベルに応じて複数の増幅器のいずれかに出力する信号分割処理部と、増幅器からの出力を合成する信号合成部とを備え、信号合成部が、各増幅器に対応して設けられ、対応する増幅器からの出力信号の位相を調整する複数の位相調整線路と、複数の位相調整線路からの出力を合成する合成点と、合成点からの出力のインピーダンスを調整する出力線路とを有し、複数の増幅器の出力インピーダンスを同一の値とし、複数の位相調整線路と、出力線路の特性インピーダンスを増幅器の出力インピーダンスと同一の値とし、位相調整回路のインピーダンスが、対応する増幅器が動作していない場合に合成点における当該増幅器のインピーダンスを開放とするよう調整され、出力線路のインピーダンスが、動作している増幅器の合成点におけるインピーダンスを増幅器の出力インピーダンスとするよう調整されている電力増幅装置としているので、各増幅器がそれぞれ飽和に近い動作で増幅を行い、信号合成部で低損失で合成することにより増幅装置全体の効率を向上させ、平均電力に対するピーク電力の比が高い信号を増幅する場合の電力変換効率を向上させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力増幅装置の構成ブロック図である。
【図２】本電力増幅装置における信号波形の分割及び合成を示す説明図である。
【図３】アナログ回路で構成された信号分割処理部１の構成を示す回路図である。
【図４】電源回路２６の回路図である。
【図５】増幅器２３に供給されるゲート電圧波形の例を示す説明図である。
【図６】増幅器２１が信号を出力している場合の信号合成部における信号合成例を示す説明図である。
【図７】増幅器２２が信号を出力している場合の信号合成例を示す説明図である。
【図８】増幅器２３が信号を出力している場合の信号合成例を示す説明図である。
【図９】増幅器２１が信号を出力している場合のインピーダンスを示すスミスチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る電力増幅装置は、ピーク対平均電力比の大きい信号を増幅するものであって、異なる入力レベルの信号を飽和に近い動作で増幅する複数の増幅器と、入力信号を信号レベルに応じて適切な増幅器に出力する分配部と、複数の増幅器からの出力信号を線路上で低損失に合成する信号合成部とを備え、信号合成部が、各増幅器からの出力の位相を調整する複数の位相調整線路と、複数の位相調整線路の出力を合成する合成点と、合成点の出力のインピーダンスを調整する出力線路とを備え、位相調整線路のインピーダンスは、合成点におけるインピーダンスが、動作していない増幅器に対して開放となるよう調整され、出力線路のインピーダンスは、動作している増幅器に対して増幅器の出力インピーダンスとなるよう調整されているものであり、各増幅器が常に飽和に近い動作を行うと共に、信号合成部が各増幅器の出力を線路上において低損失で合成して、ＰＡＰＲの大きい信号を効率的に増幅して合成することができ、増幅器全体の効率を向上させることができるものである。
【００１４】
［実施の形態に係る電力増幅装置の構成：図１］
本発明の実施の形態に係る電力増幅装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る電力増幅装置の構成ブロック図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る電力増幅装置（本電力増幅装置）は、主として、入力端子１０と、信号分割処理部１と、増幅部２と、信号合成部３と、出力端子４とを備えている。
更に、増幅部２は、増幅器２１，２２，２３と、電源２４，２５と、電源回路２６とを備えている。
【００１５】
本電力増幅装置の各部について説明する。
信号分割処理部１は、入力端子１０から入力された信号を包絡線検波して、包絡線の電力レベルを検出し、検出された電力レベルに応じて、増幅器２１，２２，２３のいずれに出力するか判定し、分配出力端子１１，１２，１３から出力する。信号分割処理部１の構成及び動作については後述する。
【００１６】
信号分割処理部１は、アナログ回路またはデジタル回路で構成され、出力端子４を基準として位相と振幅を調整し、各段の増幅器２１〜２３や信号合成部３の遅延差を調整した信号を出力する機能を有するものである。
【００１７】
増幅部２の増幅器２１，２２，２３は、互いに異なる特定範囲の入力レベルの信号を入力して、それぞれ当該入力レベルにおいて飽和に近い状態で増幅するものであり、増幅器２の特性（種類）やバイアス電圧及びドレイン電圧が適宜選択／設定されている。増幅器２１，２２，２３は常に飽和に近い動作を行うため、いずれも高効率で動作する。
【００１８】
具体的には、増幅器２１は、大信号を増幅するため出力電力が大きいデバイスを用いて設計し、増幅器２２は、増幅器２１よりも出力電力の少ないデバイスを用い、増幅器２３は更に出力電力の少ないデバイスを用いる。
このとき、電源２４、電源２５、電源回路２６から供給する電源電圧は、信号分割処理部１から出力される分割信号波形１５、分割信号波形１６、分割信号波形１７が、飽和電力に近い状態で増幅するよう設定する。よって、増幅器２１、増幅器２２、増幅器２３はすべて飽和電力に近い状態で増幅するため、高効率動作が可能となる。
【００１９】
増幅器２１は、電源２４から一定の電圧が供給され、Ｃ級動作にて増幅を行う。
増幅器２２は、電源２５から一定の電圧が供給され、Ｃ級動作にて増幅を行う。
増幅器２３は、電源回路２６から搬送波が存在する時間のみ動作するよう制御された電圧を供給され、搬送波が存在する場合のみＡＢ級で増幅を行う。
【００２０】
電源２４は、増幅器２１に適切な電圧値の一定電圧をドレイン電圧として供給する。
同様に、電源２５は、増幅器２２に適切な電圧値の一定電圧をドレイン電圧として供給する。
電源回路２６は、信号分割処理部１からの信号に基づいて、搬送波がある場合のみ動作するよう、増幅器２３のゲート電圧を制御すると共に、ドレイン電圧を供給する。
【００２１】
信号合成部３は、増幅部２の増幅器２１，２２，２３で増幅された信号を、入力端子３１，３２，３３から入力し、線路上で低損失に合成し、出力端子４から出力する。
【００２２】
本電力増幅装置では、増幅部２の各増幅器２１，２２，２３がいずれも飽和電力に近い状態で動作し、更に、信号合成部３で各増幅信号を低損失で合成するので、ＯＦＤＭやＣＤＭＡのようにＰＡＰＲの大きい信号であっても高効率で増幅可能な送信機を実現できるものである。
【００２３】
［本電力増幅装置における信号波形分割合成例：図２］
本電力増幅装置における信号波形の分割及び合成の概略について図２を用いて説明する。図２は、本電力増幅装置における信号波形の分割及び合成を示す説明図である。
図２に示すように、信号分割処理部１では、入力された変調信号波形１４を検波して、信号レベルを検出し、予め記憶されているしきい値ｔｈ１、ｔｈ２（ｔｈ１＜ｔｈ２）と比較して、信号レベルに応じて信号を時間軸で分割し、出力端子１１,１２,１３のいずれかに出力する。
【００２４】
図２の例では、入力信号は、信号レベルがｔｈ１より小さい場合（分割信号波形１７）、信号レベルがｔｈ１とｔｈ２の間の場合（分割信号波形１６）、信号レベルがｔｈ２より大きい場合（分割信号波形１５）の３通りに分割されて、それぞれ、分配出力端子１３，１２，１１に出力されるようになっている。
【００２５】
そして、各分配出力端子１１〜１３から出力された分割信号１５〜１７は、増幅部２の増幅器２１〜２３で増幅され、信号合成部３で低損失に合成されて、増幅された変調信号波形１９が得られるものである。
【００２６】
［信号分割処理部１の構成例：図３］
次に、本電力増幅装置の信号分割処理部１の構成について図３を用いて説明する。図３は、アナログ回路で構成された信号分割処理部１の構成を示す回路図である。
図３に示すように、信号分割処理部１は、入力端子１０と、ディバイダ１０２と、検波器１０３と、コンパレータ１０４，１０５，１０６，１０７と、ＡＮＤ回路１０８と、スイッチ１０９，１１０，１１１と、位相振幅調整回路１１３，１１４，１１５と、分配出力端子１１，１２，１３とを備えている。
また、信号分割処理部１は、図１に示した電源回路２６に対して、信号を分岐して出力する出力端子１８を備えている。
図１，２と同じ部分については同一の符号を付している。
【００２７】
ディバイダ１０２は入力端子１０からの入力信号（変調信号波形）１４を２つに分岐する。
検波器１０３は、分岐された一方の入力信号を検波して入力レベル（ａ）を検出する。検出された入力レベルは、コンパレータ１０４，１０５，１０６，１０７に入力される。
【００２８】
そして、本実施例では、コンパレータ１０４〜１０７によって、入力レベルａをしきい値ｔｈ１、ｔｈ２と比較して、その大小に基づいてスイッチ１０９，１１０，１１１のいずれかをオンとして、位相及び振幅を調整した後、分配出力端子１１，１２，１３のいずれかに出力する。
【００２９】
コンパレータ１０４には、＋端子に第１のしきい値ｔｈ１が設定されており、−端子から入力される入力レベルａがｔｈ１より小さい（ａ＜ｔｈ１）場合に、出力信号がＨレベルとなる。すなわち、検波信号の信号波形が、信号波形１１２ｂ（小信号）のときにスイッチ１０９がオンとなり、他のスイッチ１１０，１１１はオフとなる。
【００３０】
コンパレータ１０５は、−端子に第１のしきい値ｔｈ１が設定されており、＋端子から入力される入力レベルａがｔｈ１より大きい（ａ＞ｔｈ１）場合に、Ｈレベル信号が出力される。
また、コンパレータ１０６には、＋端子に第２のしきい値ｔｈ２が設定されており、−端子から入力される入力レベルａがｔｈ２より小さい（ａ＜ｔｈ２）場合に、Ｈレベル信号が出力される。
【００３１】
そして、コンパレータ１０５とコンパレータ１０６からの出力が両方ともＨレベルの場合（ｔｈ１＜ａ＜ｔｈ２）のみに、ＡＮＤ回路１０８からの出力がＨレベルとなる。つまり、検波出力が信号波形１１２ｃ（中信号）のときにスイッチ１１０がオンとなり、他のスイッチ１０９，１１１はオフとなる。
【００３２】
コンパレータ１０７は、−端子に第２のしきい値ｔｈ２が設定されており、＋端子から入力される入力レベルａがｔｈ２より大きい（ａ＞ｔｈ２）場合に、出力信号がＨレベルとなる。つまり、検波出力が信号波形１１２ｄ（大信号）のときにスイッチ１１１がオンとなり、他のスイッチ１０９，１１０はオフとなる。
【００３３】
スイッチ１０９は、コンパレータ１０４からの出力がＨレベルの場合にオンとなり、ディバイダ１０２で分岐された入力信号を分配出力端子１５に出力する。
スイッチ１１０は、ＡＮＤ回路１０８からの出力がＨレベルの場合にオンとなり、入力信号を分配出力端子１４に出力する。
スイッチ１１１は、コンパレータ１０７からの出力がＨレベルの場合にオンとなり、入力信号を分配出力端子１３に出力する。
【００３４】
位相振幅調整回路１１３〜１１５は、アナログ回路またはデジタル回路で構成され、出力端子４を基準として位相と振幅を調整し、各段の増幅器や信号合成部の遅延差を調整した信号を出力する。
【００３５】
上記構成の信号分配部１２の動作について説明する。
入力端子１０から入力された信号は、ディバイダ１０２で２つに分岐されて、一方の分岐信号は、検波器１１０で検波されて入力レベル（ａ）が検出される。
入力レベルａがｔｈ１より小さい場合には（ａ＜ｔｈ１，信号波形１１２ｂ）、コンパレータ１０４の出力のみがＨレベルとなり、スイッチ１０９がオンとなって、ディバイダ１０２で分岐された他方の入力信号は位相振幅調整回路１１５から分配出力端子１３に出力される。
更に、コンパレータ１０４の出力は、出力端子１８を介して電源回路２６に供給される。
【００３６】
また、入力レベルａがｔｈ１とｔｈ２の間（ｔｈ１＜ａ＜ｔｈ２，信号波形１１２ｃ）の場合には、コンパレータ１０５，１０６がＨレベルとなり、スイッチ１１０がオンとなって入力信号は位相振幅調整回路１１４から分配出力端子１２に出力される。
入力レベルａがｔｈ２より大きい（ａ＞ｔｈ２，信号波形１１２ｄ）場合には、コンパレータ１０７がＨレベルとなり、スイッチ１１１がオンとなって入力信号は位相振幅調整回路１１３から分配出力端子１１に出力される。
上記以外の状態においては、スイッチ１０９〜１１１はオフとなる。
【００３７】
このようにして、本電力増幅装置では、入力信号が入力レベルに応じて最適な増幅器の経路に分配され、図１に示した増幅器２１，２２，２３のいずれかにおいて飽和に近い状態で効率よく増幅されるものである。
【００３８】
［電源回路２６：図１、図３、図４］
次に、電源回路２６について図１、図３、図４を用いて説明する。図４は、電源回路２６の回路図である。
図１に示した電源回路２６は、搬送波が存在する時間のみ動作するよう、増幅器２３のゲート電圧を制御する。
具体的には、電源回路２６は、ゲート電圧制御回路を備えており、ゲート電圧制御回路が、コンパレータ１０４からの信号を信号分割処理部１の出力端子１８と電源回路２６の入力端子２７を介して入力し、当該信号を用いてゲート電圧を制御する。
ゲート電圧の制御回路は、アナログ回路もしくはデジタル回路で構成される。
【００３９】
［電源回路２６の構成：図４］
図４では、アナログ回路で構成された電源回路２６の例を示している。
図４に示すように、電源回路２６は、直流電圧源２０４と、電源供給端子２９とからなる電源供給部と、直流電圧源２０５と、抵抗２０１，２０２と、スイッチ２０３と、入力端子２７と、ゲート電圧制御端子２８とを備えたゲート電圧制御回路とを備えている。
【００４０】
電源供給部は、電源供給端子２９から増幅器２３に安定したドレイン電圧を供給する。
ゲート電圧制御回路は、直流電圧源２０３からの電圧を、抵抗２０１、抵抗２０２によって分圧し、入力端子２７から入力されるコントロール信号によってスイッチ２０３を制御して、２段階の電圧の内適切なゲート電圧に切り替えて出力端子２８から出力する。
具体的には、スイッチ２０３が直流電圧源２０５側に切り替えられると、ＡＢ級に対応した電圧が出力され、スイッチ２０３が分圧側に切り替えられるとＣ級に対応した電圧が出力されて、増幅器２３にゲート電圧として供給される。
【００４１】
そして、電源回路２６では、入力端子２７からコンパレータ１０４の出力が入力された場合（搬送波がある場合）には、スイッチ２０３を電源電圧側に切り替えて、ＡＢ級のゲート電圧を供給し、入力端子２７からの入力がない場合には、スイッチ２０３を分圧側に切り替えてＣ級のゲート電圧を供給する。
【００４２】
［増幅器２３のゲート電圧の例：図５］
ここで、増幅器２３に供給されるゲート電圧波形の例について図５を用いて説明する。図５は、増幅器２３に供給されるゲート電圧波形の例を示す説明図である。
図５に示すように、増幅器２３のゲート電圧波形２１０は、ＡＢ級バイアスである電圧Ｈ−ＶＧＳと、Ｃ級バイアスである電圧Ｌ−ＶＧＳを切り替えることによって生成される。
【００４３】
つまり、コンパレータ１０４の出力信号（搬送波）１７が存在する時間は、増幅器２３のゲート電圧は電圧Ｈ−ＶＧＳとなってＡＢ級で動作し、コンパレータ１０４の出力信号１７がない時間は、ゲート電圧は電圧Ｌ−ＶＧＳとなってＣ級で動作する。
これにより、後述するように、増幅器２３が増幅動作を行っていない場合のインピーダンスを開放にして、低損失とすることができるものである。
【００４４】
［信号合成部３：図６，７，８］
次に、本電力増幅装置の特徴部分である信号合成部３について図６〜８を用いて説明する。図６〜８は、信号合成部３の構成及び合成の動作を示す説明図であり、図６は、増幅器２１が信号を出力している場合の信号合成例を示し、図７は、増幅器２２が信号を出力している場合の信号合成例を示し、図８は、増幅器２３が信号を出力している場合の信号合成例を示している。
本電力増幅装置の信号合成部３は、増幅部２の３つの増幅器２１，２２，２３の内、一つの増幅器が信号を出力している場合には、他の増幅器からの出力はないという条件で、低損失に合成する機能を有するものである。
【００４５】
［信号合成部３の構成］
図６に示すように、信号合成部３は、入力端子３１，３２，３３と、位相調整線路３０１，３０２，３０３と、合成点３０５と、出力線路３０４とを備えている。
入力端子３１，３２，３３は、それぞれ、増幅器２１，２２，２３からの信号を入力する。
位相調整線路３０１，３０２，３０３は、それぞれ、入力端子３１，３２，３３からの信号の位相を調整する。
合成点３０５は、位相調整線路３０１，３０２，３０３からの信号を合成する。
出力線路３０４は、出力端子４に出力する増幅器出力のインピーダンスを調整する。
【００４６】
［信号合成部３の動作］
次に、信号合成部３における合成の動作について図６〜８を用いて具体的に説明する。まず、本電力増幅装置における動作の前提について説明する。
増幅器２１〜２３は、時間分割された分割波形１５〜１７を増幅するため、１つの増幅器が増幅動作を行っている場合は他の２つの増幅器は増幅動作していない。
また、ここでは、増幅器２１〜２３は、増幅動作をしている場合には、出力インピーダンスが５０Ｏｈｍとなるよう、増幅器内部の出力整合回路が調整されている。尚、ここでは、増幅器２１〜２３の出力インピーダンスを５０Ｏｈｍとしているが、これに限るものではない。
【００４７】
増幅器２１,２２はＣ級増幅器であり、また、増幅器２３は、上述した電源回路２６によるゲート電圧制御に基づいて、ＡＢ級又はＣ級動作を行う。
位相調整線路３０１，３０２，３０３の特性インピーダンスは、それぞれ５０Ｏｈｍである。
また、出力線路３０４の特性インピーダンスも増幅器の出力インピーダンスと同じく、５０Ｏｈｍとしている。
【００４８】
［増幅器２１が信号を出力している場合のインピーダンス：図６、図９］
［増幅器２１のインピーダンス］
上述した前提条件を踏まえ、増幅器２１が信号を出力している場合の、合成点３０５から各増幅器を見たインピーダンスについて図６及び図９を用いて説明する。
図９は、増幅器２１が信号を出力している場合のインピーダンスを示すスミスチャートである。
入力端子３１から位相調整線路３０１を見たインピーダンスをＺｉｎ、位相調整線路３０１の特性インピーダンスをＺ０、位相調整線路３０１の電気長をθ、出力線路３０４の特性インピーダンスをＺＬとすると、Ｚｉｎは（式１）で表される。
【００４９】
【数１】
【００５０】
位相調整線路３０１と出力線路３０４の特性インピーダンスは等しく、共に５０Ｏｈｍなので、θの値を変えても、Ｚｉｎ＝Ｚ０＝ＺＬ＝５０Ｏｈｍとなる。
よって、増幅器２１が動作している場合、位相調整線路３０１の長さに関わらず、入力端子３１から見た負荷インピーダンス（図６ではＺｔ１）は５０Ｏｈｍとなる。
同様に、合成点３０５から増幅器２１を見たインピーダンスも５０Ｏｈｍとなる。
また、入力端子３１、合成点３０５のインピーダンスをスミスチャートに示すと、図９のインピーダンス３０６となる。
【００５１】
［増幅器２２のインピーダンス：図４、図９］
次に、増幅器２１が信号を出力している場合の増幅器２２のインピーダンスについて説明する。
増幅器２１が信号を出力している場合、Ｃ級にバイアスされた増幅器２２は信号を出力しておらず、ドレイン電流がほとんど流れていないため、増幅素子出力端でのインピーダンスは理想的には無限大（∞）となる。
しかし、増幅素子の内部抵抗や整合回路により、実際の出力インピーダンスは無限大にはならない。そのため、入力端子３２から増幅器２２を見たインピーダンスは、図９のインピーダンス３０９となる。
【００５２】
ここで、合成点３０５から増幅動作をしていない増幅器２２を見たインピーダンスを算出する。
合成点３０５のインピーダンスをＺｉｎとし、位相調整線路３０２の特性インピーダンスをＺ０、位相調整線路３０２の電気長をθ、入力端子３２から増幅器２２を見たインピーダンス（インピーダンス３０９）をＺＬとすると、（式１）より、Ｚｉｎは、位相調整線路３０２の長さを変えることにより変化する。
【００５３】
すなわち、合成点３０５から増幅器２２を見たインピーダンスは、図９のインピーダンス３０９から伸びた破線のように回る。
インピーダンス３０９がインピーダンス３１０となるよう位相調整線路３０２の電気長を調整し、後述する（式２）を用いて合成点３０５での反射係数Γｒを計算する。
【００５４】
合成点３０５で観測されるインピーダンスをＺｏｕｔ、合成点３０５から増幅器２２をみたインピーダンスをＺｒとすると、反射係数Γｒは以下のように表される。
【数２】
【００５５】
合成点３０５で観測されるインピーダンスは、上述したように５０Ｏｈｍであり、インピーダンス３１０はハイインピーダンスであって、Ｚｏｕｔに比べて十分大きいため、反射係数Γｒは、Γｒ≒＋１となる。
つまり、本増幅装置では、位相調整線路３０２の電気長を調整することにより、増幅器２２が信号を出力していない場合、合成点３０５から増幅器２２を見たインピーダンスを開放とするものである。
図６ではＺｒ２＝∞と表している。
【００５６】
［増幅器２３のインピーダンス：図４、図９］
次に、増幅器２１が信号を出力している場合の増幅器２３のインピーダンスについて説明する。
ＡＢ級に設定された増幅器２３では、Ｃ級と違って、信号を出力していない場合でもドレイン電流が流れている。
入力端子３３から増幅器２３を見たインピーダンスは、図９のインピーダンス３０７となる。増幅器２２と同様に合成点３０５で開放とするため、位相調整線路３０３の電気長を調整すると、インピーダンス３０７からインピーダンス３０８に伸びた破線のようにまわり、ハイインピーダンスとはならないので、合成点３０５から増幅器２１を見たインピーダンスは開放とならない。
【００５７】
そこで、本電力増幅装置では、上述したように、電源回路２６で増幅器２３のゲート電圧を制御して、動作していない時はＣ級に設定するようにしている。
増幅器２３をＣ級とすることで、増幅器２２の場合と同様に、位相調整線路３０３の電気長を調整することによって、インピーダンス３１０に調整することが可能となり、合成点３０５から動作していない増幅器２３を見たインピーダンスは開放となる。図６ではＺｒ３＝∞と表している。
【００５８】
［負荷の反射係数］
上述した各増幅器のインピーダンスを踏まえ、増幅器２１が増幅動作を行っている場合の負荷の反射係数を算出する。
増幅器２１が増幅動作している場合の出力インピーダンスをＺｏｕｔ、入力端子３１から出力端子４までの負荷インピーダンスをＺｒとして、負荷の反射係数Γｒを（式２）を用いて算出する。
【００５９】
上述したように、増幅器２２、２３は、合成点３０５で開放となるので接続されていないものとみなすと、Ｚｏｕｔ＝Ｚｒ＝５０Ｏｈｍとなるため、（式２）より、反射係数は、
Γｒ＝０となる。
よって、増幅器２１の出力信号は、入力端子３１、位相調整線路３０１、合成点３０５、出力線路３０４を損失なく通過して、出力端子４に入力されることになる。
【００６０】
［増幅器２２が信号を出力している場合：図７］
増幅器２２が増幅動作を行う場合には、図７に示すように、合成点３０５から見た増幅器２１,２３のインピーダンスは開放となる（Ｚｒ１＝∞，Ｚｒ３＝∞）ので、増幅器２２のみが接続されているとみなすことができる。
よって、図６の場合と同様に、入力端子３２から出力端子４までの負荷インピーダンスは増幅器２２の出力インピーダンスと同じ５０Ｏｈｍ（Ｚｔ２＝５０Ｏｈｍ）となり、信号合成部３に入力された増幅信号は、損失なく出力端子４に入力される。
【００６１】
［増幅器２３が信号を出力している場合：図８］
同様に、増幅器２３が増幅動作を行う場合には、図８に示すように、合成点３０５から見た増幅器２１,２２のインピーダンスは開放（Ｚｒ１＝∞，Ｚｒ２＝∞）、入力端子３３から出力端子４までの負荷インピーダンスは、増幅器２３の出力インピーダンスと等しい５０Ｏｈｍとなり（Ｚｔ３＝５０Ｏｈｍ）、増幅信号は損失なく出力端子４に入力される。
【００６２】
すなわち、本電力増幅装置では、入力信号の信号レベルに応じて、当該信号レベルで飽和に近い動作を行う増幅器が増幅動作を行い、図６，７，８のいずれかの状態で合成が行われるため、合成による損失はなく、動作している増幅器で増幅された信号は低損失で出力され、高効率の電力増幅装置を実現することができるものである。
理想的には、位相調整線路３０１〜３０３と出力線路３０４の通過損失のみが合成損失となるため、低損失での合成が可能となる。
【００６３】
［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る電力増幅装置によれば、異なる入力レベルの信号を飽和に近い動作で増幅する複数の増幅器２１，２２，２３と、入力信号を信号レベルに応じて適切な増幅器に出力する信号分割処理部１と、各増幅器からの出力を合成する信号合成部３とを備え、信号合成部３が、増幅器２１，２２，２３の出力信号の位相を調整する位相調整線路３０１，３０２，３０３と、位相調整線路３０１，３０２，３０３からの出力を合成する合成点３０５と、合成点３０５からの出力のインピーダンスを調整する出力線路３０４とを備え、増幅器２１，２２，２３の出力インピーダンスを同一の値とすると共に、位相調整線路３０１，３０２，３０３及び出力線路３０４の特性インピーダンスを増幅器の出力インピーダンスと同一の値としておき、合成点３０５におけるインピーダンスが、動作していない増幅器に対して開放となるよう位相調整線路３０１，３０２，３０３の電気長が調整され、動作している増幅器に対して増幅器の出力インピーダンスとなるよう出力線路３０４の電気長が調整されているので、各増幅器２１〜２３が常に飽和に近い動作を行うと共に、信号合成部が各増幅器２１〜２３からの出力を線路上で低損失で合成して、ＰＡＰＲの大きい信号であっても高効率で増幅して合成することができ、増幅器全体の電力変換効率を向上させることができる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、平均電力に対するピーク電力の比が高い信号を増幅する際の電力変換効率を向上させることができる電力増幅装置に適している。
【符号の説明】
【００６５】
１...信号分割処理部、 ２...増幅部、 ３...信号合成部、 ４，１８...出力端子、 １０，２７，３１，３２，３３...入力端子、 ２１，２２，２３...増幅器、 ２４，２５...電源、 ２６...電源回路、 ２８...ゲート電圧制御端子、 ２９...電源供給端子、 １１，１２，１３...分配出力端子、 １４...変調信号波形、 １５，１６，１７...分割信号波形、 １０２...ディバイダ、 １０３...検波器、 １０４，１０５，１０６，１０７...コンパレータ、 １０８...ＡＮＤ回路、 １０９，１１０，１１１...スイッチ、 １１２...信号波形、 １１３，１１４，１１５...位相振幅調整回路、 ２０１，２０２...抵抗、 ２０３...スイッチ、 ２０４，２０５...直流電圧源、 ２１０...ゲート電圧波形、 ３０１，３０２，３０３...位相調整線路、 ３０４...出力線路、 ３０５...合成点、 ３０６，３０７，３０８，３０９，３１０...インピーダンス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号を増幅する電力増幅装置であって、
互いに異なる電力レベルの信号を入力し、前記入力された信号を飽和に近い状態でそれぞれ増幅する複数の増幅器と、
入力信号を信号レベルに応じて前記複数の増幅器のいずれかに出力する信号分割処理部と、
前記各増幅器に対応して設けられ、前記対応する増幅器からの出力信号の位相を調整する複数の位相調整線路と、前記複数の位相調整線路からの出力を合成する合成点と、前記合成点からの出力のインピーダンスを調整する出力線路とを有する信号合成部と備え、
前記複数の増幅器の出力インピーダンスを同一の値とし、
前記複数の位相調整線路と、前記出力線路の特性インピーダンスを前記増幅器の出力インピーダンスと同一の値とし、
前記位相調整回路のインピーダンスが、前記対応する増幅器が動作していない場合に前記合成点における当該増幅器のインピーダンスを開放とするよう調整され、
前記出力線路のインピーダンスが、動作している増幅器の前記合成点におけるインピーダンスを前記増幅器の出力インピーダンスとするよう調整されていることを特徴とする電力増幅装置。
【請求項１】
高周波信号を増幅する電力増幅装置であって、
互いに異なる電力レベルの信号を入力し、前記入力された信号を飽和に近い状態でそれぞれ増幅する複数の増幅器と、
入力信号を信号レベルに応じて前記複数の増幅器のいずれかに出力する信号分割処理部と、
前記各増幅器に対応して設けられ、前記対応する増幅器からの出力信号の位相を調整する複数の位相調整線路と、前記複数の位相調整線路からの出力を合成する合成点と、前記合成点からの出力のインピーダンスを調整する出力線路とを有する信号合成部と備え、
前記複数の増幅器の出力インピーダンスを同一の値とし、
前記複数の位相調整線路と、前記出力線路の特性インピーダンスを前記増幅器の出力インピーダンスと同一の値とし、
前記位相調整回路のインピーダンスが、前記対応する増幅器が動作していない場合に前記合成点における当該増幅器のインピーダンスを開放とするよう調整され、
前記出力線路のインピーダンスが、動作している増幅器の前記合成点におけるインピーダンスを前記増幅器の出力インピーダンスとするよう調整されていることを特徴とする電力増幅装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１１０４８７（Ｐ２０１３−１１０４８７Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５２２８７（Ｐ２０１１−２５２２８７）
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
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