説明

ドハティ増幅器

【課題】簡単な構成で隣接チャネル漏洩電力を抑制しつつ高い効率を得ることができるドハティ増幅器を提供する。
【解決手段】第1電圧とこの第1電圧とは異なる第2電圧とを供給する定電圧源21,22と、増幅部とを備え、増幅部は、入力信号を分配する分配回路11と、定電圧源の第1電圧がドレイン−ソース間に印加され、分配回路により分配された一方の信号を常時増幅するキャリア増幅器1と、定電圧源の第2電圧がドレイン−ソース間に印加され、入力信号が所定レベル以上の場合に分配回路により分配された他方の信号を増幅するピーク増幅器2と、キャリア増幅器の出力とピーク増幅器の出力とが合成されて出力される出力端とを備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高効率を実現することができるドハティ増幅器に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、移動体通信や無線LAN(Local Area Network)などの進歩は著しく、特に携帯電話の爆発的な普及と、それに伴うインフラ整備により、携帯端末のみならず基地局にも低消費電力化が要求されてきている。そこで、基地局において送信に使用される増幅器についても、効率及び線形性の向上に対する要求が一層高まってきている。線形性は入力電力の増加に対する出力電力の増加が直線的に変化する性能である。この線形性が良好であれば、出力信号の歪みが低減されて、隣接チャネル漏洩電力が低減される。
【0003】
しかしながら、一般的な増幅器では、効率と線形性との間にはトレードオフの関係があり、また、効率は増幅器への入力レベルに比例する。したがって、高い効率は、増幅器の出力が飽和出力電力に近づくまで得られないので、増幅器の線形性を実現することは難しい。そこで、ドハティ増幅器等のような高効率で信号を増幅する技術と、その低歪化やフィードフォワード等の歪補償技術とを組み合わせることにより、より高効率で低歪な増幅器が開発されている。
【0004】
このドハティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器とを有し、キャリア増幅器をAB級動作、ピーク増幅器をC級動作するように、ゲート電圧が設定されている。
【0005】
キャリア増幅器とピーク増幅器との出力端の合成点から、ピーク増幅器側を見た負荷インピーダンスを開放(オープン)に近い状態となるように位相線路長を構成する。これにより、小信号動作時では、ピーク増幅器はC級動作しているため、キャリア増幅器しか動作しない状態となり、図5のカーブC2に示すように、効率が向上する。
【0006】
そして、出力電力がキャリア増幅器の飽和する飽和遷移点Pb以上に増加すると、即ち、大信号動作時では、ピーク増幅器も動作するため、図5のカーブC3に示すように、飽和出力電力Paが伸びる。2つの増幅器をAB級動作させるような通常の増幅器は図5のカーブC1のようになり、ドハティ増幅器と同等の飽和出力電力を得るが、飽和出力電力からバックオフをとった領域では、効率は低い。
【0007】
また、同じ飽和出力電力を持つキャリア増幅器とピーク増幅器とで構成されるドハティ増幅器では、図5のカーブカーブC2,C3に示すように、飽和遷移点Pbで効率の不連続点を有し、その効率をほぼ維持しつつ飽和出力電力Paに達するという特徴を有する。
【0008】
しかし、近年の情報通信用信号、例えば、W−CDMA信号等はピーク値と平均値との差の電力比が高いので、一般的なドハティ増幅器では、隣接チャネル漏洩電力を抑制しにくくなる。即ち、飽和出力電力を超える入力電力が入力される(線形性が良くない)と、出力信号の歪みが増加して、隣接チャネル漏洩電力を抑制しにくくなる。
【0009】
このため、飽和出力電力からのバックオフ量を通常のドハティ増幅器より大きくとった領域が効率が高くなるようにすることにより、隣接チャネル漏洩電力を抑制するドハティ増幅器が考案されている。このドハティ増幅器では、キャリア増幅器とピーク増幅器とに使用するデバイスにおいて、ゲート幅が異なるデバイス、即ち、飽和出力電力が異なるデバイスを用いる。
【0010】
図6は従来のこの種のドハティ増幅器の回路を示す(非特許文献1)。ドハティ増幅器は、10Wデバイスからなるキャリア増幅器1a及び20Wデバイスからなるピーク増幅器2aを備える。入力信号は2分配され、一方はキャリア増幅器1aに入力され、他方は1/4波長伝送線路3を経由してピーク増幅器2aに入力される。負荷は、整合回路6aを介してピーク増幅器2aの出力に接続され、キャリア増幅器1aの出力は、一般に、整合回路5a及び1/4波長伝送線路4からなるインピーダンス変換器を介して負荷に接続される。このドハティ増幅器は小信号動作時ではキャリア増幅器1aだけが動作する。
【0011】
小信号動作時では、キャリア増幅器1aからみた負荷インピーダンスがピーク電力でのインピーダンスよりも高いため、キャリア増幅器1aの効率が増加する。出力レベルがキャリア増幅器1aの飽和する飽和遷移点以上に増加すると、ピーク増幅器2aが動作する状態となる。このドハティ増幅器では、10Wのキャリア増幅器1aと20Wのピーク増幅器2aとの飽和電力が異なるデバイスを使用しているので、ピーク値と平均値との差の電力比が高い場合でも、隣接チャネル漏洩電力を抑制することができる。
【0012】
また、図7に示すドハティ増幅器が知られている(特許文献1)。このドハティ増幅器では、方向性結合器7は、入力信号電力の大部分を直交スプリッタ8に供給しつつ入力信号の小部分を検出器9に出力する。直交スプリッタ8は、入力信号を同相信号と直交位相信号とに分離し、同相信号をキャリア増幅器1bに出力し、直交位相信号をピーク増幅器2bに出力する。検出器9の出力は、バイアス制御回路10a,10bに出力される。キャリア増幅器1bは、バイアス制御回路10aの制御の下に直交スプリッタ8からの同相信号を低入力信号レベルにおいて線形な増幅を行う。ピーク増幅器2bは、高出力動作時に直交スプリッタ8からの直交信号を増幅する。キャリア増幅器1bの出力に接続された1/4波長伝送線路4は、出力端OUTにおいてピーク増幅器2bの出力に接続される。
【0013】
このような構成によれば、バイアス制御回路10a,10bが一定の電力利得を与えるように入力信号に応じてキャリア増幅器1b及びピーク増幅器2bのバイアスを制御するので、入力信号の歪みを抑制することができる。
【0014】
また、従来のこの種のドハティ増幅器として特許文献2に記載された高効率増幅器が知られている。
【非特許文献1】石井著:”ドハティ増幅器におけるピーク増幅器の最適化検討”,IEICE2005,C−2−7,p40
【特許文献1】特表2000−513535号公報
【特許文献2】特開2003−188651号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
しかしながら、上述した非特許文献1に開示された従来のドハティ増幅器においては、ゲート幅の異なるデバイスでは、飽和出力電力が10W、20W、90W、180Wなどのように飛び飛びの値しか得られず、飽和出力電力を微調整することができない。
【0016】
また、特許文献1に開示された従来のドハティ増幅器は、直交スプリッタ8、検出器9、バイアス制御回路10a,10bが必要となるので、回路が複雑化するとともに高価になる。
【0017】
本発明の課題は、簡単な構成で隣接チャネル漏洩電力を抑制しつつ高い効率を得ることができるドハティ増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明に係るドハティ増幅器は、上記課題を解決するために、入力信号を分配する分配回路と、前記分配回路により分配された一方の信号を常時増幅するキャリア増幅器と、入力信号が所定レベル以上の場合に前記分配回路により分配された他方の信号を増幅するピーク増幅器と、前記キャリア増幅器の出力と前記ピーク増幅器の出力とが合成されて出力される出力端とを備え、前記分配回路から前記キャリア増幅器の入力端までの線路長と前記分配回路から前記ピーク増幅器の入力端までの線路長とが異なることを特徴とする。
【0019】
また、本発明に係るドハティ増幅器は、第1電圧とこの第1電圧とは異なる第2電圧とを供給する定電圧源と、増幅部とを備え、前記増幅部は、入力信号を分配する分配回路と、前記定電圧源の第1電圧が主電極間に印加され、前記分配回路により分配された一方の信号を常時増幅するキャリア増幅器と、前記定電圧源の第2電圧が主電極間に印加され、入力信号が所定レベル以上の場合に前記分配回路により分配された他方の信号を増幅するピーク増幅器と、前記キャリア増幅器の出力と前記ピーク増幅器の出力とが合成されて出力される出力端とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
本発明に係るドハティ増幅器によれば、簡単な構成で隣接チャネル漏洩電力を抑制しつつ高い効率を得ることができる。
【0021】
また、キャリア増幅器の主電極間に定電圧源から第1電圧が印加され、ピーク増幅器の主電極間に定電圧源から第2電圧が印加されるので、飽和出力電力が異なるデバイスとして動作させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下、本発明の実施の形態に係るドハティ増幅器を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例1】
【0023】
図1は、本発明の実施例1に係るドハティ増幅器の構成を示す回路図である。このドハティ増幅器は、入力端、90°ハイブリッドカップラ11、位相補正用線路13、キャリア増幅器1、ピーク増幅器2、キャリア出力段整合回路5、ピーク出力段整合回路6、定電圧源21,22、35Ω線路14及び出力端OUTから構成されている。
【0024】
90°ハイブリッドカップラ11は、本発明の分配回路に対応し、第1乃至第4端子を有する方向性結合器からなり、第1端子が入力端に接続され、第2端子が50Ω終端(器)に接続され、第3端子が位相補正用線路13を介してキャリア増幅器1に接続され、第4端子がピーク増幅器2に接続されている。90°ハイブリッドカップラ11は、入力端からの入力信号を等電力で2分配して3dBダウンした第1信号と第1信号に対して90°位相が遅れた第2信号とに分離し、第1信号を位相補正用線路13を介してキャリア増幅器1に出力し、第2信号をピーク増幅器2に出力する。
【0025】
実施例1のドハティ増幅器は、位相補正用線路13からなるブロックAと、キャリア増幅器1及びピーク増幅器2からなるブロックBと、キャリア出力段整合回路5及びピーク出力段整合回路6からなるブロックCとを設けたことを特徴とする。以下、各ブロックについて順番に説明する。
【0026】
(キャリア増幅器1及びピーク増幅器2からなるブロックB)
キャリア増幅器1とピーク増幅器2とに用いるデバイスは、同じゲート幅を持つデバイスであり同じ飽和出力電力を有し、例えば、GaN-HEMT(Gallium Nitride-High Electron Mobility Transistor)からなり、例えば、飽和出力電力が90Wのものを用いる。このGaN-HEMTのドレイン電圧(ドレイン−ソース間電圧)は公称値で50Vである。
【0027】
キャリア増幅器1は、GaN-HEMT(本発明の第1増幅素子に対応)のドレイン−ソース間(本発明の主電極間に対応)に定電圧源21から40V(本発明の第1電圧に対応)が印加されている。キャリア増幅器1は、出力の高低に拘わらずゲート電圧の設定により常にAB級動作し、位相補正用線路13を介して90°ハイブリッドカップラ11の第3端子から送られてくる第1信号を増幅してキャリア出力段整合回路5に送る。
【0028】
ピーク増幅器2は、GaN-HEMT(本発明の第2増幅素子に対応)のドレイン−ソース間(本発明の主電極間に対応)に定電圧源22から50V(本発明の第2電圧に対応)が印加されている。ピーク増幅器2は、高出力動作時、即ち、キャリア増幅器1が飽和遷移点Pbに達した以降のみゲート電圧の設定によりC級動作し、90°ハイブリッドカップラ11の第4端子から送られてくる第2信号を増幅してピーク出力段整合回路6に送る。
【0029】
なお、2つの定電圧源21,22はそれぞれ異なる電圧を供給するが、例えば、1つの定電圧源が第1電圧と第2電圧とを供給しても良い。
【0030】
GaN-HEMTは、ドレイン電圧50Vよりも40Vの方が出力電力に対するドレイン効率が高い。このため、キャリア増幅器1は高効率が得られ、ピーク増幅器2は、高線形性が得られる。なお、キャリア増幅器1に印加されるドレイン電圧は、40Vに限らず、例えば38Vでも良く、50V以下であればその他の値でも良い。
【0031】
入力電力が小さいときは、ピーク増幅器2はC級動作となるようにバイアスされているため、キャリア増幅器1のみが動作する。このとき、キャリア増幅器1は、ドレイン電圧が40Vに設定されているため、ドレイン電圧を公称値50Vに設定しているよりも高い効率を得ることができる。
【0032】
徐々に入力電力が増加するとキャリア増幅器1が徐々に飽和遷移点Pbに達してくるが、この飽和遷移点Pbがドレイン電圧50Vの時の飽和遷移点よりも数dB小さくなる。そして、この飽和遷移点以上になると、C級バイアスに設定しているピーク増幅器2が動作を開始する。このため、全体として6dB以上バックオフした領域で高効率を得ることができる。
【0033】
このように、キャリア増幅器1のドレイン電圧は、ピーク増幅器2のドレイン電圧よりも低く設定されているので、飽和出力電力が異なるデバイスとして動作させることができる。従って、簡単な構成で隣接チャネル漏洩電力を抑制しつつ高い効率を得ることができる。
【0034】
また、キャリア増幅器1のドレイン電圧の設定値により、飽和出力電力の微調整が可能となる。このため、従来の特許文献1のように、飽和出力電力が10W、20W、90W、180Wなどのように飛び飛びの値になることはない。
【0035】
図3は本発明の実施例1に係るドハティ増幅器のキャリア増幅器とピーク増幅器との各々に40Vまたは50Vを印加したときの出力電力に対するドレイン効率を示す図である。図4は本発明の実施例1に係るドハティ増幅器のキャリア増幅器とピーク増幅器との各々に40Vまたは50Vを印加したときの出力電力に対する隣接チャネル漏洩電力を示す図である。
【0036】
図3に示すように、キャリア増幅器1のドレイン電圧40Vで且つピーク増幅器2のドレイン電圧50Vのときは、飽和遷移点Pbでの効率が最も高く、しかもキャリア増幅器1のドレイン電圧50Vで且つピーク増幅器2のドレイン電圧50Vのときよりも高い効率を得ていることがわかる。
【0037】
また、図4に示すように、キャリア増幅器1のドレイン電圧40Vで且つピーク増幅器2のドレイン電圧50Vのときは、使用すべき出力電力(この例では45dBm)付近において隣接チャネル漏洩電力がキャリア増幅器1のドレイン電圧50Vで且つピーク増幅器2のドレイン電圧50Vのときと同様、規定された隣接チャネル漏洩電力(この例では−35dBc)以下になっていることがわかる。
【0038】
(キャリア出力段整合回路5及びピーク出力段整合回路6からなるブロックC)
キャリア増幅器1に印加するドレイン電圧が40V、50V、あるいはそれ以外の電圧では、GaN-HEMTの負荷インピーダンスが変化するため、各々の負荷インピーダンスが互いに異なる。このため、キャリア出力段整合回路5は、キャリア増幅器1の負荷インピーダンスに整合させ、且つキャリア増幅器1の出力とピーク増幅器2の出力との合成点からピーク増幅器2を見たインピーダンスがオープンになるような線路長を有して構成されている。これにより、高効率で且つ印加しているドレイン電圧において良好な歪み特性が得られる。ピーク出力段整合回路6は、ピーク増幅器2の負荷インピーダンスに整合させるための線路長を有して構成されている。
【0039】
また、合成点からピーク増幅器2を見たインピーダンスがオープンになるように設定しているため、キャリア増幅器1のみ動作しているときは、ピーク増幅器2側へ電力漏洩はほぼないため、余計な電力損失は発生しない。
【0040】
キャリア出力段整合回路5の出力及びピーク出力段整合回路6の出力は合成されて1/4波長の35Ω線路14を介して出力端OUTから出力される。35Ω線路14は、キャリア出力段整合回路5の出力とピーク出力段整合回路6の出力との合成点(この合成点ではインピーダンス25Ω)において出力端に接続される図示しない負荷のインピーダンス50Ωと整合をとるようにインピーダンスを変換する。
【0041】
(位相補正用線路13からなるブロックA)
キャリア増幅器1及びピーク増幅器2のGaN-HEMTに印加されるドレイン電圧が40V、50V、あるいはそれ以外の電圧では、デバイスの通過位相が互いに異なる。この場合、キャリア増幅器1のドレイン電圧40Vがピーク増幅器2のドレイン電圧50Vより低い値であるため、デバイスの通過位相はキャリア増幅器1の方が遅れる。そのため、ハイブリッドカプラから増幅器1,2までの線路長が等しい場合には、大信号動作時には、合成点においてキャリア増幅器1の出力とピーク増幅器2の出力とが合成されると、通過位相差により合成損失が発生する。そのため、本実施形態の回路では、位相補正用線路13を有する。
【0042】
位相補正用線路13は、前記位相差をなくすように線路長により位相補正を行う。即ち、ドレイン電圧40Vと50Vとによるキャリア増幅器1とピーク増幅器2との通過位相差に応じて、90°ハイブリッドカップラ11からキャリア増幅器1の入力端までの線路長と90°ハイブリッドカップラ11からピーク増幅器2の入力端までの線路長とが異なっている。
【0043】
デバイス側で位相の調整を行うと、高線形性及び高効率に合わせたインピーダンス整合がずれるため、入力側で位相補正用線路13により位相を調整した方が良い。ここでは、ピーク増幅器2の通過位相が例えば100°でキャリア増幅器1の通過位相が例えば80°であれば、位相補正用線路13は、線路長により位相を20°に設定する。
【0044】
(実施例1の具体例)
図2は本発明の実施例1に係るドハティ増幅器を基板上に形成されたパターンで構成した実際の回路図である。図2において、入力端から線路パターンP1を介して90°ハイブリッドカプラ11の第1端子に接続され、第2端子は線路パターンP2を介して50Ω終端12に接続される。
【0045】
90°ハイブリッドカプラ11の第3端子は、線路パターンP3と線路パターンP4とを介してキャリア増幅器1のゲート電極G1に接続される。90°ハイブリッドカプラ11の第4端子は、線路パターンP5を介してピーク増幅器2のゲート電極G2に接続される。線路パターンP3と線路パターンP4との合計の線路長は、線路パターンP5の線路長よりも長く設定され、突起状の線路パターンP4が位相補正用線路13に対応し、この線路長で位相が補正される。
【0046】
キャリア増幅器1のドレイン電極D1には定電圧源21(負極側が接地)から電圧が印加され、ソース電極S1は接地されている。ピーク増幅器2のドレイン電極D2には定電圧源22(負極側が接地)から電圧が印加され、ソース電極S2は接地されている。キャリア増幅器1のドレイン電極D1から線路パターンP6と突起状の線路パターンP7とを介して35Ω線路14の入力端(合成点)に接続される。ピーク増幅器2のドレイン電極D2から線路パターンP8と突起状の線路パターンP9とを介して35Ω線路14の入力端(合成点)に接続される。
【0047】
線路パターンP6及び線路パターンP7のインピーダンスと、線路パターンP8及び線路パターンP9のインピーダンスとの各々は、50Ωであり、これらは合成点で並列となるため、合成点で25Ωとなる。線路パターンP10は、35Ω線路14を構成し、1/4波長線路からなる。
【0048】
なお、各々の線路パターンは、基板上に形成されたパターンから構成されており、各特性インピーダンスは、そのパターン長、パターン幅、パターン厚、基板の比誘電率、基板の厚さ、通過させる信号の周波数などによって決定される。
【産業上の利用可能性】
【0049】
本発明のドハティ増幅器は、携帯電話等に用いられる電力増幅器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1】本発明の実施例1に係るドハティ増幅器の構成を示す回路図である。
【図2】本発明の実施例1に係るドハティ増幅器を基板上に形成されたパターンで構成した実際の回路図である。
【図3】本発明の実施例1に係るドハティ増幅器のキャリア増幅器とピーク増幅器との各々に40Vまたは50Vを印加したときの出力電力に対するドレイン効率を示す図である。
【図4】本発明の実施例1に係るドハティ増幅器のキャリア増幅器とピーク増幅器との各々に40Vまたは50Vを印加したときの出力電力に対する隣接チャネル漏洩電力を示す図である。
【図5】従来のドハティ増幅器の小信号レベルと大信号レベルとにおける出力電力に対する効率を示す図である。
【図6】従来のドハティ増幅器の構成を示す回路図である。
【図7】従来の他のドハティ増幅器の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【0051】
1…キャリア増幅器、2…ピーク増幅器、3…1/4波長伝送線路、4…1/4波長伝送線路、5…キャリア出力段整合回路、6…ピーク出力段整合回路、7…方向性結合器、8…直交スプリッタ、9…検出器、10a,10b…バイアス制御回路、11…90°ハイブリッドカップラ、12…50Ω終端、13…位相補正用線路、14…35Ω線路、21,22…定電圧源、P1〜P10…線路パターン、G1,G2…ゲート電極、S1,S2…ソース電極、D1,D2…ドレイン電極。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1電圧とこの第1電圧とは異なる第2電圧とを供給する定電圧源と、増幅部とを備え、前記増幅部は、
入力信号を分配する分配回路と、
前記定電圧源の第1電圧が主電極間に印加され、前記分配回路により分配された一方の信号を常時増幅するキャリア増幅器と、
前記定電圧源の第2電圧が主電極間に印加され、入力信号が所定レベル以上の場合に前記分配回路により分配された他方の信号を増幅するピーク増幅器と、
前記キャリア増幅器の出力と前記ピーク増幅器の出力とが合成されて出力される出力端とを備えることを特徴とするドハティ増幅器。
【請求項2】
前記キャリア増幅器に印加される第1電圧の値は、前記ピーク増幅器に印加される第2電圧の値未満に設定されることを特徴とする請求項1記載のドハティ増幅器。
【請求項3】
前記第1電圧と前記第2電圧とによる前記キャリア増幅器と前記ピーク増幅器との通過位相差に応じて、前記分配回路から前記キャリア増幅器の入力端までの線路長と前記分配回路から前記ピーク増幅器の入力端までの線路長とが異なることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のドハティ増幅器。
【請求項4】
入力信号を分配する分配回路と、
前記分配回路により分配された一方の信号を常時増幅するキャリア増幅器と、
入力信号が所定レベル以上の場合に前記分配回路により分配された他方の信号を増幅するピーク増幅器と、
前記キャリア増幅器の出力と前記ピーク増幅器の出力とが合成されて出力される出力端とを備え、
前記分配回路から前記キャリア増幅器の入力端までの線路長と前記分配回路から前記ピーク増幅器の入力端までの線路長とが異なることを特徴とするドハティ増幅器。
【請求項5】
前記ピーク増幅器と前記キャリア増幅器が同仕様のデバイスで構成され、印加されるバイアス電圧が異なることを特徴とする請求項4記載のドハティ増幅器。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2008−167300(P2008−167300A)
【公開日】平成20年7月17日(2008.7.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−356253(P2006−356253)
【出願日】平成18年12月28日(2006.12.28)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】