不均等入力電力分割を用いた増加されたバックオフ能力および電力付加効率を持つＮウェイＲＦ電力増幅器回路
【課題】ＲＦ電力増幅器の高効率動作
【解決手段】入力電力は分割され、不均等にキャリア増幅器および複数のピーク増幅器に供給されることによって、増加された電力負荷効率（ＰＡＥ）および直線性を実現できる。それぞれのピーク増幅器は、キャリア増幅器へ提供される入力信号レベルより高い入力信号レベルを提供される。ピーク増幅器は、均等電力分割を用いて達成されえるよりも、より効率的にＲＦ信号によって持ち上げられえ、よってスレッショルド近くにトランジスタのトランスコンダクタンス特性を補償し、同じ効率についてのバックオフ能力を増し、または同じバックオフ点における直線性を改善しえる。
【解決手段】入力電力は分割され、不均等にキャリア増幅器および複数のピーク増幅器に供給されることによって、増加された電力負荷効率（ＰＡＥ）および直線性を実現できる。それぞれのピーク増幅器は、キャリア増幅器へ提供される入力信号レベルより高い入力信号レベルを提供される。ピーク増幅器は、均等電力分割を用いて達成されえるよりも、より効率的にＲＦ信号によって持ち上げられえ、よってスレッショルド近くにトランジスタのトランスコンダクタンス特性を補償し、同じ効率についてのバックオフ能力を増し、または同じバックオフ点における直線性を改善しえる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大きくはＲＦ電力増幅器に関し、より具体的には本発明は、ディジタル変調が採用されている基地局において広い範囲の出力電力が必要とされる、現代の無線通信システムに適するＲＦ電力前記増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
基地局における電力増幅器は、ピーク電力よりもずっと低い出力電力レベルおいてしばしば動作する。残念ながらバックオフパワーレベルは、送信機の電力増幅器の効率を下げる。従来の増幅器においては、効率および入力駆動レベルの間には直接の関係がある。したがって高効率（ＤＣからＲＦへの変換効率）は、ＲＦ入力電力レベルが充分に高く増幅器を飽和状態で駆動するまで得られない。マルチキャリア通信システムにおいて増幅器はなるべくリニアを保たなければならないので、高効率のこの領域は使用されえない。
【０００３】
バックオフパワーレベルにおいて改良された効率を提供する従来の電力増幅器設計は、ドハティ増幅器であり、これはメイン増幅器からの電力と、補助またはピーク増幅器からの電力とを結合する。W.H.Dohertyの「A New High-Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves」、Proc. IRE Vol. 24, No. 9, pp. 1163-1182、1936年を参照されたい。図１（Ａ）に示されるように、従来のドハティ構成においては、キャリア増幅器１０およびピーク増幅器１２は、最大電力を負荷Ｒに最適効率で伝達するよう設計される。メインつまりキャリア増幅器は通常のＢ級増幅器であり、一方、ピーク増幅器はある最小スレッショルドを超える信号だけを増幅するように設計される。ＬＤＭＯＳ電力トランジスタについてこれは、Ｃ級に似た動作のために、トランジスタをそのピンチオフ電圧より下にＤＣバイアスすることによって達成されえる。２つの増幅器の出力は、インピーダンスＲの１／４波長伝送線路によって接続され、最適負荷Ｒの半分の負荷がピーク増幅器の出力に付加される。ＲＦ入力電力は、ピーク増幅器への入力において１／４波長の遅延で等しく分割され、よって付加Ｒ／２における２つの増幅器の出力電力は同相になる。
【０００４】
ドハティ増幅器は、Ｂ級キャリア増幅器をその最適付加の２倍より大きい見かけの負荷インピーダンスで動作させることによって圧縮の前に高効率を達成する。（ピーク増幅器がアクティブになる前に、１／４波長トランス１４の存在のために、キャリア増幅器に示される見かけの負荷インピーダンスは２Ｒである。）よって、このキャリア増幅器は、その最大電力の半分において圧縮し、ピーク効率に達する。第２つまりピーク増幅器は、入力信号のピークのあいだだけアクティブにされる。ピーク増幅器がアクティブであるとき、キャリア増幅器の出力での見かけの負荷インピーダンスは低減される。第２増幅器がその最大電力を出力するときにやはり最大効率は達成される。よって第１増幅器は、見かけの電力の６ｄＢの範囲で飽和のぎりぎりのところに維持され、ほとんどピーク効率が維持されえる。
【０００５】
ピーク増幅器をオンにするのにドハティ増幅器への入力ＲＦ電力が充分ではないとき、出力電力の全ては、メインつまりキャリア増幅器によって供給される。図１Ｂに示されるように、ピーク増幅器がオフのとき、その出力インピーダンスは非常に高くキャリア増幅器の出力電力は全体が負荷Ｒ／２に伝達される。上述のように、１／４波長トランス１４にわたってキャリア増幅器に実際に示される負荷は２Ｒである。デバイス電流は、最大電力において伝達されるものの半分であり、一方で電圧は飽和する。これはデバイスがその最大出力電力の半分を伝達することになる。電流のＲＦおよびＤＣ成分の両方がそのピーク値の半分であるので、効率は最大で、最大のリニア効率で負荷に供給されているキャリア増幅器の最大出力電力の半分を持つ。
【０００６】
図１Ａに示されるように、ピーク増幅器が飽和するのに充分な入力ＲＦ電力が提供されるとき、２つのパラレルの増幅器は、等しく最大出力電力を負荷Ｒ／２に伝達している。それぞれの増幅器に見える負荷は、最適負荷Ｒであり、１／４波長トランスの両端における負荷はＲのまま維持される。キャリア増幅器がちょうど飽和し始めるときに、ピーク増幅器は動作を始めるように設計される。最大リニア効率はこの点で得られる。入力ＲＦ駆動がさらに深くなるにつれ、ピーク増幅器がオンになり始め、出力電力を負荷に伝達するようになる。ピーク増幅器によって供給される追加の電流は、１／４波長トランスの出力における負荷インピーダンスを増す効果がある。トランスのキャリア増幅器端における実効的な変化は、見かけの負荷インピーダンスの減少であり、キャリア増幅器がより多くの電力を伝達し、一方でその電圧は飽和したままである。ピーク増幅器のデューティファクタが比較的低いので、限界の間の効率は、最大よりもわずかだけ落ちる。
【０００７】
ドハティ増幅器の高効率動作の範囲を拡張するための試みが行われてきた。例えばIwamotoらは、キャリアおよびピーク増幅器にスケールドトランジスタ（scaled transistors）つまり異なるサイズのトランジスタ群を、そして入力において不均等電力スプリッタを用いて１２ｄＢバックオフ回路を作った。Iwamotoらの「An Extended Doherty Amplifier with High Efficiency Over a Wide Power Range」、2001 IEEE MTT-S Digest, Phoenix, AZを参照されたい。総出力電力が低い（１ワット未満）ときはこの技術は一見うまく働くが、出力電力が１０〜１００ワットＣＷレンジにあるときはあまり改善されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＲＦ電力増幅器の高効率動作の範囲を拡張する要求が存在しつづける。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、ＲＦ電力増幅器回路は、最大バックオフ電力動作のためのキャリア増幅器、および増加された入力電力レベルにおいて順次動作を始めるよう適切にバイアスされた１つ以上のピーク増幅器を含む。それぞれのピーク増幅器は、ピーク効率が維持される電力範囲において６ｄＢの増加を提供しえる。入力信号をキャリア増幅器およびＮ−１ピーク増幅器に供給するためにＮウェイ分割器が必要とされるので、分割器における電力の有限ロスは、実現されえる効率の改善のうちのいくつかを制限しえる。しかし、高い入力電力条件におけるピーク増幅器の使用は、回路の全体的な効率を改善しえる。
【００１０】
ある実施形態において、４ウェイ増幅器回路が提供され、４ウェイ電力分割器によって全て駆動されるキャリア増幅器および３つのピーク増幅器を含む。理論的には、この増幅器は、効率的な電力の範囲を１８ｄＢ伸長しえる。そのような効率的電力範囲の伸長は、平均電力に対するピーク比が１３ｄＢの高さにもなりえるワイドバンドＣＤＭＡ（Ｗ−ＣＤＭＡ）またはＯＦＤＭのような変調方式を用いたディジタル通信システムにおいては非常に重要である。４ウェイ構成は、２ウェイ増幅器構成に比較して３ｄＢｍの全体的な電力増加も提供する。よって１２０ワットピーク増幅器は、それぞれの増幅器パス（キャリア増幅器および３つのピーク増幅器）が３０ワットのトランジスタを利用する４ウェイ構成によって提供されえる。
【００１１】
本発明の実施形態において、入力電力は分割され、不均等にキャリア増幅器および１つ以上のピーク増幅器に供給されることによって、増加された電力負荷効率（ＰＡＥ）および直線性を実現できる。ある実施形態において、それぞれのピーク増幅器は、キャリア増幅器へ提供される入力信号レベルより高い入力信号レベルを提供される。ピーク増幅器は、均等電力分割を用いて達成されえるよりも、より効率的にＲＦ信号によって持ち上げられえ、よってスレッショルド近くにトランジスタのトランスコンダクタンス特性を補償し、同じ効率についてのバックオフ能力を増し、または同じバックオフ点における直線性を改善しえる。４ウェイドハティ構成において、例えば、４つの異なるＲＦ電力レベルがキャリア増幅器および３つのピーク増幅器に提供されえる。不均等分割は、バックオフ効率における向上されたパフォーマンスおよび直線性を提供する。他の実施形態においては、それぞれのピーク増幅器は、キャリア増幅器に提供される入力信号レベルより小さい入力信号レベルを提供される。
【００１２】
本発明およびその目的および特徴は、図面と共に参照されれば以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から容易により明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】従来のドハティ増幅器回路の概略図である。
【図１Ｂ】従来のドハティ増幅器回路の概略図である。
【図２】本発明の実施形態による４ウェイ増幅器回路の概略図である。
【図３】図２による４ウェイ増幅器のより詳細な図である。
【図４】図２および３によるシミュレーションされた電力増幅器についての電力入力対電力出力および電力付加効率を示すグラフである。
【図５】均等入力信号分割の１８０ワットドハティ増幅器回路についての電力入力対電力出力およびＰＡＥを示すグラフである。
【図６】不均等入力信号分割を有する１８０ワットドハティ増幅器回路についての電力入力対電力出力およびＰＡＥを示すグラフである。
【図７】不均等電力分割を持つ３ウェイ９０ワットドハティ増幅器回路の概略図である。
【図８】図７の増幅器についての電力入力対電力出力およびＰＡＥを示すグラフである。
【図９】２ウェイ２０ワット不均等分割ドハティ増幅器回路についての周波数が異なるときのドレイン効率対出力電力を示すグラフである。
【図１０】均等および不均等分割の２ウェイドハティ増幅器回路についての効率曲線の比較を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、複数のピーク増幅器が追加され、Ｎウェイスプリッタがメイン増幅器およびＮ−１個のピーク増幅器のために提供されたドハティ電力増幅器の変形といえる。実際の増幅器の構成を容易にするために、入力におけるピーク増幅器への従来のドハティ増幅器の１／４波長トランス、およびキャリア増幅器の出力における従来のドハティ増幅器の１／４波長トランスが入れ替えられているが、パフォーマンスに影響はない。しかし、その場合、増幅器のためのインピーダンス整合ネットワークは、１／４波長トランスの再配置を計算に入れるよう調整されなければならない。キャリア増幅器入力においては一つの９０°（１／４波長）位相長しか必要とされず、よって、マルチウェイ電力ディバイダを通した複数のピーク増幅器がより簡単に実現できる。
【００１５】
図２は、本発明による電力増幅器のある実施形態の機能ブロック図であり、これは、キャリア増幅器２０および３つのピーク増幅器２１、２２、２３を含み、ピーク増幅器群は、９０°トランス２４、２５、２６を通して出力負荷２８へ接続される。単一の９０°トランス３０は、４ウェイスプリッタ３２をキャリア２０に接続する。ピーク増幅器のそれぞれのＤＣバイアスを適切な値に設定することによって、追加されたピーク増幅器は、ドハティ機能が拡張されることを可能にする。第１のものに加えて追加されたピーク増幅器群のそれぞれについて、電力レンジにおいて６ｄＢの対応する増加が見込め、この分だけピーク効率が維持される。Ｎウェイスプリッタの有限損失のために、効率のある程度の悪化が発生する。４ウェイ増幅器は、効率的な電力の範囲を１８ｄＢの理論値へ拡張する。上述のようにこのような拡張は、平均電力に対するピークの比が１３ｄＢの高さにもなる変調スキームを用いるディジタル通信システムにおいては非常に重要である。４ウェイ構成は、２ウェイの従来のドハティ回路に比べて３ｄＢｍの全体的電力増加を提供する。よって１２０ワットピークの増幅器は、４ウェイドハティ構成によって３０ワットのトランジスタを利用するそれぞれのパス（キャリアおよび３つのピーク増幅器）で提供されえる。
【００１６】
図３は、キャリア増幅器トランジスタ４０および３つのピーク増幅器トランジスタ４１〜４３を含むCREE Microwave, Inc.からの３０ワットＬＤＭＯＳＦＥＴパワートランジスタを利用してシミュレーションされた図２の増幅器のより詳細な回路図である。入力信号の４ウェイ分配は、２ウェイスプリッタ４４、４６および４８によって提供される。キャリア増幅器トランジスタ４０は、スプリッタ４６を入力整合回路５２に接続する９０°トランス５０を含む。ゲートバイアス５４、ドレインバイアス５６、出力整合回路５８、およびオフセットマイクロストリップ位相長６０は、直列に増幅器を位相スプリッタ４６および６２における出力の間で接続し、トランス６４および抵抗負荷６５を含む。ピーク増幅器のそれぞれは、図２に示されるように増幅器回路を負荷に接続する９０°トランス６６を有する。高調波終端、例えばグラウンドに接続されたコイルおよびキャパシタは、出力整合回路５８に含まれえて、出力高調波をトランジスタ出力に戻し、それによってピーク効率を増す。ピーク増幅器回路のそれぞれは、入力信号強度が増すにつれてピーク増幅器を順番に動作させるゲートバイアス回路を持つ類似の入力および出力回路を有する。
【００１７】
図３の４ウェイ増幅器は、ＵＭＴＳバンド（２１１０〜２１７０ＭＨｚ）にわたって出力電力、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得についてApplied Wave Research Microwave Office Simulatorを用いてシミュレーションされた。図４は、２３〜４３ｄＢｍ（２００ミリワットから２０ワット）の範囲で広がる入力電力のレンジにわたって、１５０ワット（５２ｄＢｍ）に近い飽和出力で、ＰＡＥと共に入力ＲＦ電力対出力ＲＦ電力を示す。出力電力レベルが４２ｄＢｍ（１０ｄＢバックオフ）までバックオフするとき、ＰＡＥは４６％である。従来の（すなわち非ドハティ）増幅器は、同じバックオフパワーについては１０％未満のＰＡＥを有する。２ウェイのドハティ増幅器回路は、対応するＰＡＥとして２３％を有しえる。ピーク増幅器のためのバイアス電圧の選択においては、増幅器のダイナミックレンジ全体にわたって利得の直線性を維持するために正しい点においてトランジスタが順番にオンにされることが重要である。
【００１８】
表１は、従来の２ウェイドハティ増幅器、Iwamotoらによって記述された不均等電力スプリット付き２ウェイドハティ増幅器、本発明の実施形態による３ウェイ（２ピーク増幅器を持つキャリア増幅器）、および４ウェイスプリット（３ピーク増幅器を持つキャリア増幅器）の間の比較を示す。４ウェイ増幅器は、２ウェイドハティによるアプローチに比べて１０ｄＢバックオフにおいてＰＡＥの２倍の改善を達成する。
【表１】
【００１９】
本発明によるＮウェイドハティ増幅器は、広い範囲の入力／出力電力レベルにわたってリニア電力増幅器の電力付加効率を大きく改善する。この増幅器は、高電力増幅器に特に適するが、これはそれぞれのトランジスタの電力要件がパワートランジスタの個数Ｎに反比例するからである。２ウェイドハティ構成においては、それぞれのトランジスタのピークパワー要件が総出力電力の半分にせざるを得なかった。そのような条件は、キャリアおよびピーク増幅器の非常に低い入力および出力インピーダンスにつながり、実際には現実化の困難を伴った。Ｎウェイドハティ増幅器回路においては、それぞれのトランジスタは、出力電力の１／Ｎのピーク電力要件を必要とし、よってＮが２より大きいときは、より高い入力および出力インピーダンスにつながる。さらに増幅器中に依然と残る非効率から発生する熱は、より小さな個別のトランジスタ群を用いることによって、より大きな物理的領域に分散されるので、全体的な熱抵抗が下がる。
【００２０】
本発明の他の実施形態において、入力電力は分割され、均等ではないようにキャリアおよび１つ以上のピーク増幅器群に与えられることによって、増加された電力付加効率（ＰＡＥ）および直線性を実現する。
【００２１】
従来のドハティ増幅器回路においては、均等な信号レベルがいわゆるキャリアおよびピーク増幅器に伝達される。ピーク増幅器のバイアス点は意図的にスレッショルドに近く設定されているので、キャリア増幅器と比べ、ピーク増幅器をより高い信号レベルで駆動することは有利でありえる。そのような不均等電力分割は、均等分割のバージョンよりもピーク増幅器がＲＦ信号によってより効率良く「ポンプされる」ことを可能にし、よってトランジスタのトランスコンダクタンス特性をスレッショルドに近いように補償する。
【００２２】
図５および６は、１つのキャリア増幅器および１つのピーク増幅器を有する１８０ワットドハティ増幅器回路についての電力入力および電力出力およびＰＡＥを示すグラフである。図５において、均等分割を持つドハティ増幅器回路のパフォーマンスは、７ｄＢバックオフにおけるＰＡＥが３４％であり、９ｄＢバックオフにおけるＰＡＥが２７％であることを示す。しかし、−１．８ｄＢがピーク増幅器に与えられ、−４．８ｄＢがキャリア増幅器に与えられる不均等電力分割を用いることによって、７ｄＢバックオフにおけるＰＡＥの３％から３７％の改善が実現される。不均等電力分割は、ピーク増幅器がスレッショルドにおいてバイアスされることを可能にし、よってＰＡＥ改善を実現する。
【００２３】
ここで図７に概略が示された不均等電力分割を持つ３ウェイ９０ワットドハティ増幅器回路を考える。電力分割器７０を用いることによって、−４．８ｄＢの入力電力がキャリア増幅器７２に与えられ、一方、−１．８ｄＢの入力電力が分割器７４に与えられ、これが今度は入力信号の−３ｄＢをピーク増幅器７６に与え、入力信号の−３ｄＢをピーク増幅器７８に与える。増幅器のそれぞれは、異なる入力ゲートバイアスを有し、例えば、あるＬＤＭＯＳトランジスタについては４．３ボルトがキャリア７２に与えられえ、４．１ボルトおよび３．０ボルトがそれぞれピーク増幅器７６および７８に与えられえる。ピーク増幅器７６および７８の電圧バイアスレベルは、キャリア増幅器７２が飽和し始めるときにピーク増幅器７６がちょうどターンオンし始め、かつキャリア増幅器７２およびピーク増幅器７６を備える増幅器回路が飽和し始めるときに、すなわちピーク増幅器７６がアクティブになった点からさらに約６ｄＢのＲＦ入力電力が回路に与えられた後に、ピーク増幅器７８がちょうどターンオンし始めるように選ばれる。理想的には、ピーク増幅器７６および７８についての電圧バイアスレベルは、可能な最大範囲にわたって出力電力対入力電力の直線性および／または効率を最大化するよう選択される。
【００２４】
図７の増幅器のシミュレーションされたパフォーマンスは、図８のグラフに示され、ここで入力電力が出力電力およびＰＡＥに対してプロットされ、シミュレーションされたドハティ増幅器回路について、曲線８０はＰＡＥを表し、曲線８２は電力出力を表す。９０ワットの電力のとき７ｄＢバックオフにおけるＰＡＥは４５％であり、９０ワットの電力のとき９ｄＢバックオフにおけるＰＡＥは３５％である。
【００２５】
図９は、入力電力の−４．７７ｄＢをキャリア増幅器に供給し、入力電力の−１．７７ｄＢをピーク増幅器に供給するよう構成されるウィルキンソン電力分割器を有する２ウェイ２０ワット不均等分割増幅器を用いたいくつかの周波数範囲にわたるドレイン効率対出力電力を示すグラフである。シミュレーションされた増幅器は、１０．５ ＋／−０．７５ｄＢのゲイン、７ｄＢより大きい入力リターンロス、６ｄＢにおいて４２％の効率、および１０ｄＢバックオフにおいて３１．５％の効率を有する。２ワット平均における相互変調成分は−３６ｄＢｃ未満だった。図９において、ドレイン効率（パーセント）対電力出力（ｄＢｍ）は２１１０ＭＨｚ、２１４０ＭＨｚおよび２１７０ＭＨｚの周波数についてプロットされている。
【００２６】
図１０は、９０で示される不均等分割および９２で示される均等分割を持つ均等および不均等分割２ウェイドハティ増幅器回路についての効率曲線の比較を示すプロットである。ここでパフォーマンスは、アナレン（Anaren）電力分割器を用いた２ウェイ２０ワット不均等分割についてである。増幅器ゲインは１１．３ ＋／−０．２ｄＢであり、１１ｄＢより大きい入力リターンロス、６ｄＢバックオフにおいて４０．５％の効率、および１０ｄＢバックオフにおいて３０％の効率である。２ワット平均における相互変調成分は−３２ｄＢｃ未満だった。
【００２７】
ここで効率は、３ＧＰＰ標準によるワイドバンド符号分割マルチプルアクセス（Ｗ−ＣＤＭＡ）ディジタル波長の下で計測された。効率計測は、ドハティ増幅器回路のバックオフ効率および直線性の間の重要な関係を示す。比較は、２ワット平均電力において、単一のトランジスタ（１３％効率）、均等電力分割を持つ２ウェイドハティ増幅器回路（２２．３％効率）および不均等入力電力分割を持つ２ウェイドハティ増幅器回路（２７．２％効率）についてなされた。よってドハティ増幅器回路は単一のトランジスタ増幅器よりも大きくされた効率を提供し、不均等電力分割によるドハティ増幅器回路は、与えられたバックオフ電力において向上された効率および直線性を提供できることがわかる。
【００２８】
同じ設計配慮は、キャリアおよびピーク増幅器におけるＲＦトランジスタのサイズが異なる非対称ドハティ増幅器の場合にも用いられえる。全ての場合において、キャリアおよびピーク増幅器間の入力電力分割の最適化は、電力増幅器全体のゲイン、効率および直線性を改善できる。本発明は、シリコンＬＤＭＯＳＦＥＴを用いる高電力、高効率および高直線性のＲＦおよびマイクロ波増幅器を参照して説明されてきたが、本発明は、シリコンバイポーラ、ガリウムヒ素ＭＥＳＦＥＴ、インジウムガリウムリンＨＢＴ、シリコンカーバイドＭＥＳＦＥＴおよび窒化ガリウムＨＥＭＴのような幅広い半導体技術を用いて実現されえる。
【００２９】
本発明は、具体的な４ウェイ実施形態について説明されてきたが、記載は本発明を例示的に示し、本発明を限定するように意図されていない。添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者にはさまざまな改変および応用が理解されるだろう。
【００３０】
なお、本願は、原出願２００６年５０９８８２号の分割出願であり、
原出願２００６年５０９８８２号の出願当初の特許請求の範囲には、以下の請求項が記載されていた。
〔請求項１〕
広い範囲の電力にわたってＲＦ信号を増幅するＲＦ電力増幅器回路であって、
ａ）電力の第１範囲にわたって前記ＲＦ信号を増幅する、前記広い範囲の電力の最大値より下の電力飽和レベルを持つキャリア増幅器、
ｂ）前記キャリア増幅器に並列に接続された複数のピーク増幅器であって、前記ピーク増幅器のそれぞれは、前記キャリア増幅器が飽和に近づいた後、増幅された出力信号を順次供給するようバイアスされる、複数のピーク増幅器、
ｃ）入力信号を分割し、前記分割された入力信号を前記キャリア増幅器および前記複数のピーク増幅器に与える信号分割器であって、前記キャリア増幅器への前記入力電力は、前記ピーク増幅器への前記入力電力とは異なる、信号分割器および
ｄ）前記キャリア増幅器および前記複数のピーク増幅器からの増幅された出力信号群を受け取り結合する出力
を備えるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項２〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記キャリア増幅器への入力電力は、それぞれのピーク増幅器への前記入力電力よりも大きいＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項３〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記キャリア増幅器への入力電力は、それぞれのピーク増幅器への前記入力電力よりも小さいＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項４〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、それぞれのピーク増幅器は、効率的な電力増幅を６ｄＢ伸長するＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項５〕
請求項４に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記複数のピーク増幅器は、３つのピーク増幅器を備え、前記伸長された効率的電力増幅はほぼ１８ｄＢであるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項６〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記信号分割器は、前記キャリア増幅器の前記入力に接続された１／４波長トランスを含み、前記出力は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、１／４波長トランスを通してそれぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項７〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記信号分割器は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続された１／４波長トランスを含み、前記出力は、前記１／４波長トランスを通して前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、それぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項８〕
請求項７に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記抵抗負荷はＲ／２であり、それぞれの増幅器は、特性インピーダンスＲの１／４波長伝送線路を通して前記負荷に接続されるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項９〕
請求項８に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、飽和未満では前記キャリア増幅器は、見かけの負荷２Ｒに電流を供給することによって、電流が増幅器が飽和しているときの最大電力電流の半分であるようにするＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１０〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記出力は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、１／４波長トランスを通してそれぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１１〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記出力は、１／４波長トランスを通して前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、それぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１２〕
請求項１１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記抵抗負荷はＲ／２であり、それぞれの増幅器は、特性インピーダンスＲの１／４波長伝送線路を通して前記負荷に接続されるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１３〕
請求項１２に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、飽和未満では前記キャリア増幅器は、見かけの負荷２Ｒに電流を供給することによって、電流が増幅器が飽和しているときの最大電力電流の半分であるようにするＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１４〕
広い範囲の電力にわたってＲＦ信号を増幅するＲＦ電力増幅器回路であって、
ａ）電力の第１範囲にわたって前記ＲＦ信号を増幅する、前記広い範囲の電力の最大値より下の電力飽和レベルを持つキャリア増幅器、
ｂ）前記キャリア増幅器に並列に接続された少なくとも１つのピーク増幅器であって、前記少なくとも１つのピーク増幅器は、前記キャリア増幅器が飽和に近づいた後、増幅を始めるようバイアスされる、少なくとも１つのピーク増幅器、および
ｃ）入力信号を不均等に分割し、前記分割された入力信号を前記キャリア増幅器および前記少なくとも１つのピーク増幅器に与える信号分割器
を備えるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１５〕
請求項１４に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記キャリア増幅器は、前記少なくとも１つのピーク増幅器が受け取るよりも小さい入力信号電力を受け取るＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１６〕
請求項１４に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記キャリア増幅器は、前記少なくとも１つのピーク増幅器が受け取るよりも大きい入力信号電力を受け取るＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１７〕
広い範囲の電力にわたってＲＦ信号を増幅するＲＦ電力増幅器回路であって、
ａ）電力の第１範囲にわたって前記ＲＦ信号を増幅する第１トランジスタを備え、前記広い範囲の電力の最大値より下の電力飽和レベルを持つキャリア増幅器、
ｂ）前記キャリア増幅器に並列に接続された第２トランジスタを備える少なくとも１つのピーク増幅器であって、前記第２トランジスタは、前記キャリア増幅器が飽和に近づいた後、増幅を始めるようバイアスされる、少なくとも１つのピーク増幅器、および
ｃ）入力信号を不均等に分割し、前記分割された入力信号を前記キャリア増幅器および前記少なくとも１つのピーク増幅器に与える信号分割器
を備えるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１８〕
請求項１７に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記キャリア増幅器は、前記少なくとも１つのピーク増幅器が受け取るよりも小さい入力信号電力を受け取るＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１９〕
請求項１７に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記第１トランジスタは、前記第２トランジスタとサイズが異なるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項２０〕
請求項１９に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記第１トランジスタは、前記第２トランジスタよりサイズが小さいＲＦ電力増幅器回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大きくはＲＦ電力増幅器に関し、より具体的には本発明は、ディジタル変調が採用されている基地局において広い範囲の出力電力が必要とされる、現代の無線通信システムに適するＲＦ電力前記増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
基地局における電力増幅器は、ピーク電力よりもずっと低い出力電力レベルおいてしばしば動作する。残念ながらバックオフパワーレベルは、送信機の電力増幅器の効率を下げる。従来の増幅器においては、効率および入力駆動レベルの間には直接の関係がある。したがって高効率（ＤＣからＲＦへの変換効率）は、ＲＦ入力電力レベルが充分に高く増幅器を飽和状態で駆動するまで得られない。マルチキャリア通信システムにおいて増幅器はなるべくリニアを保たなければならないので、高効率のこの領域は使用されえない。
【０００３】
バックオフパワーレベルにおいて改良された効率を提供する従来の電力増幅器設計は、ドハティ増幅器であり、これはメイン増幅器からの電力と、補助またはピーク増幅器からの電力とを結合する。W.H.Dohertyの「A New High-Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves」、Proc. IRE Vol. 24, No. 9, pp. 1163-1182、1936年を参照されたい。図１（Ａ）に示されるように、従来のドハティ構成においては、キャリア増幅器１０およびピーク増幅器１２は、最大電力を負荷Ｒに最適効率で伝達するよう設計される。メインつまりキャリア増幅器は通常のＢ級増幅器であり、一方、ピーク増幅器はある最小スレッショルドを超える信号だけを増幅するように設計される。ＬＤＭＯＳ電力トランジスタについてこれは、Ｃ級に似た動作のために、トランジスタをそのピンチオフ電圧より下にＤＣバイアスすることによって達成されえる。２つの増幅器の出力は、インピーダンスＲの１／４波長伝送線路によって接続され、最適負荷Ｒの半分の負荷がピーク増幅器の出力に付加される。ＲＦ入力電力は、ピーク増幅器への入力において１／４波長の遅延で等しく分割され、よって付加Ｒ／２における２つの増幅器の出力電力は同相になる。
【０００４】
ドハティ増幅器は、Ｂ級キャリア増幅器をその最適付加の２倍より大きい見かけの負荷インピーダンスで動作させることによって圧縮の前に高効率を達成する。（ピーク増幅器がアクティブになる前に、１／４波長トランス１４の存在のために、キャリア増幅器に示される見かけの負荷インピーダンスは２Ｒである。）よって、このキャリア増幅器は、その最大電力の半分において圧縮し、ピーク効率に達する。第２つまりピーク増幅器は、入力信号のピークのあいだだけアクティブにされる。ピーク増幅器がアクティブであるとき、キャリア増幅器の出力での見かけの負荷インピーダンスは低減される。第２増幅器がその最大電力を出力するときにやはり最大効率は達成される。よって第１増幅器は、見かけの電力の６ｄＢの範囲で飽和のぎりぎりのところに維持され、ほとんどピーク効率が維持されえる。
【０００５】
ピーク増幅器をオンにするのにドハティ増幅器への入力ＲＦ電力が充分ではないとき、出力電力の全ては、メインつまりキャリア増幅器によって供給される。図１Ｂに示されるように、ピーク増幅器がオフのとき、その出力インピーダンスは非常に高くキャリア増幅器の出力電力は全体が負荷Ｒ／２に伝達される。上述のように、１／４波長トランス１４にわたってキャリア増幅器に実際に示される負荷は２Ｒである。デバイス電流は、最大電力において伝達されるものの半分であり、一方で電圧は飽和する。これはデバイスがその最大出力電力の半分を伝達することになる。電流のＲＦおよびＤＣ成分の両方がそのピーク値の半分であるので、効率は最大で、最大のリニア効率で負荷に供給されているキャリア増幅器の最大出力電力の半分を持つ。
【０００６】
図１Ａに示されるように、ピーク増幅器が飽和するのに充分な入力ＲＦ電力が提供されるとき、２つのパラレルの増幅器は、等しく最大出力電力を負荷Ｒ／２に伝達している。それぞれの増幅器に見える負荷は、最適負荷Ｒであり、１／４波長トランスの両端における負荷はＲのまま維持される。キャリア増幅器がちょうど飽和し始めるときに、ピーク増幅器は動作を始めるように設計される。最大リニア効率はこの点で得られる。入力ＲＦ駆動がさらに深くなるにつれ、ピーク増幅器がオンになり始め、出力電力を負荷に伝達するようになる。ピーク増幅器によって供給される追加の電流は、１／４波長トランスの出力における負荷インピーダンスを増す効果がある。トランスのキャリア増幅器端における実効的な変化は、見かけの負荷インピーダンスの減少であり、キャリア増幅器がより多くの電力を伝達し、一方でその電圧は飽和したままである。ピーク増幅器のデューティファクタが比較的低いので、限界の間の効率は、最大よりもわずかだけ落ちる。
【０００７】
ドハティ増幅器の高効率動作の範囲を拡張するための試みが行われてきた。例えばIwamotoらは、キャリアおよびピーク増幅器にスケールドトランジスタ（scaled transistors）つまり異なるサイズのトランジスタ群を、そして入力において不均等電力スプリッタを用いて１２ｄＢバックオフ回路を作った。Iwamotoらの「An Extended Doherty Amplifier with High Efficiency Over a Wide Power Range」、2001 IEEE MTT-S Digest, Phoenix, AZを参照されたい。総出力電力が低い（１ワット未満）ときはこの技術は一見うまく働くが、出力電力が１０〜１００ワットＣＷレンジにあるときはあまり改善されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＲＦ電力増幅器の高効率動作の範囲を拡張する要求が存在しつづける。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、ＲＦ電力増幅器回路は、最大バックオフ電力動作のためのキャリア増幅器、および増加された入力電力レベルにおいて順次動作を始めるよう適切にバイアスされた１つ以上のピーク増幅器を含む。それぞれのピーク増幅器は、ピーク効率が維持される電力範囲において６ｄＢの増加を提供しえる。入力信号をキャリア増幅器およびＮ−１ピーク増幅器に供給するためにＮウェイ分割器が必要とされるので、分割器における電力の有限ロスは、実現されえる効率の改善のうちのいくつかを制限しえる。しかし、高い入力電力条件におけるピーク増幅器の使用は、回路の全体的な効率を改善しえる。
【００１０】
ある実施形態において、４ウェイ増幅器回路が提供され、４ウェイ電力分割器によって全て駆動されるキャリア増幅器および３つのピーク増幅器を含む。理論的には、この増幅器は、効率的な電力の範囲を１８ｄＢ伸長しえる。そのような効率的電力範囲の伸長は、平均電力に対するピーク比が１３ｄＢの高さにもなりえるワイドバンドＣＤＭＡ（Ｗ−ＣＤＭＡ）またはＯＦＤＭのような変調方式を用いたディジタル通信システムにおいては非常に重要である。４ウェイ構成は、２ウェイ増幅器構成に比較して３ｄＢｍの全体的な電力増加も提供する。よって１２０ワットピーク増幅器は、それぞれの増幅器パス（キャリア増幅器および３つのピーク増幅器）が３０ワットのトランジスタを利用する４ウェイ構成によって提供されえる。
【００１１】
本発明の実施形態において、入力電力は分割され、不均等にキャリア増幅器および１つ以上のピーク増幅器に供給されることによって、増加された電力負荷効率（ＰＡＥ）および直線性を実現できる。ある実施形態において、それぞれのピーク増幅器は、キャリア増幅器へ提供される入力信号レベルより高い入力信号レベルを提供される。ピーク増幅器は、均等電力分割を用いて達成されえるよりも、より効率的にＲＦ信号によって持ち上げられえ、よってスレッショルド近くにトランジスタのトランスコンダクタンス特性を補償し、同じ効率についてのバックオフ能力を増し、または同じバックオフ点における直線性を改善しえる。４ウェイドハティ構成において、例えば、４つの異なるＲＦ電力レベルがキャリア増幅器および３つのピーク増幅器に提供されえる。不均等分割は、バックオフ効率における向上されたパフォーマンスおよび直線性を提供する。他の実施形態においては、それぞれのピーク増幅器は、キャリア増幅器に提供される入力信号レベルより小さい入力信号レベルを提供される。
【００１２】
本発明およびその目的および特徴は、図面と共に参照されれば以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から容易により明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】従来のドハティ増幅器回路の概略図である。
【図１Ｂ】従来のドハティ増幅器回路の概略図である。
【図２】本発明の実施形態による４ウェイ増幅器回路の概略図である。
【図３】図２による４ウェイ増幅器のより詳細な図である。
【図４】図２および３によるシミュレーションされた電力増幅器についての電力入力対電力出力および電力付加効率を示すグラフである。
【図５】均等入力信号分割の１８０ワットドハティ増幅器回路についての電力入力対電力出力およびＰＡＥを示すグラフである。
【図６】不均等入力信号分割を有する１８０ワットドハティ増幅器回路についての電力入力対電力出力およびＰＡＥを示すグラフである。
【図７】不均等電力分割を持つ３ウェイ９０ワットドハティ増幅器回路の概略図である。
【図８】図７の増幅器についての電力入力対電力出力およびＰＡＥを示すグラフである。
【図９】２ウェイ２０ワット不均等分割ドハティ増幅器回路についての周波数が異なるときのドレイン効率対出力電力を示すグラフである。
【図１０】均等および不均等分割の２ウェイドハティ増幅器回路についての効率曲線の比較を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、複数のピーク増幅器が追加され、Ｎウェイスプリッタがメイン増幅器およびＮ−１個のピーク増幅器のために提供されたドハティ電力増幅器の変形といえる。実際の増幅器の構成を容易にするために、入力におけるピーク増幅器への従来のドハティ増幅器の１／４波長トランス、およびキャリア増幅器の出力における従来のドハティ増幅器の１／４波長トランスが入れ替えられているが、パフォーマンスに影響はない。しかし、その場合、増幅器のためのインピーダンス整合ネットワークは、１／４波長トランスの再配置を計算に入れるよう調整されなければならない。キャリア増幅器入力においては一つの９０°（１／４波長）位相長しか必要とされず、よって、マルチウェイ電力ディバイダを通した複数のピーク増幅器がより簡単に実現できる。
【００１５】
図２は、本発明による電力増幅器のある実施形態の機能ブロック図であり、これは、キャリア増幅器２０および３つのピーク増幅器２１、２２、２３を含み、ピーク増幅器群は、９０°トランス２４、２５、２６を通して出力負荷２８へ接続される。単一の９０°トランス３０は、４ウェイスプリッタ３２をキャリア２０に接続する。ピーク増幅器のそれぞれのＤＣバイアスを適切な値に設定することによって、追加されたピーク増幅器は、ドハティ機能が拡張されることを可能にする。第１のものに加えて追加されたピーク増幅器群のそれぞれについて、電力レンジにおいて６ｄＢの対応する増加が見込め、この分だけピーク効率が維持される。Ｎウェイスプリッタの有限損失のために、効率のある程度の悪化が発生する。４ウェイ増幅器は、効率的な電力の範囲を１８ｄＢの理論値へ拡張する。上述のようにこのような拡張は、平均電力に対するピークの比が１３ｄＢの高さにもなる変調スキームを用いるディジタル通信システムにおいては非常に重要である。４ウェイ構成は、２ウェイの従来のドハティ回路に比べて３ｄＢｍの全体的電力増加を提供する。よって１２０ワットピークの増幅器は、４ウェイドハティ構成によって３０ワットのトランジスタを利用するそれぞれのパス（キャリアおよび３つのピーク増幅器）で提供されえる。
【００１６】
図３は、キャリア増幅器トランジスタ４０および３つのピーク増幅器トランジスタ４１〜４３を含むCREE Microwave, Inc.からの３０ワットＬＤＭＯＳＦＥＴパワートランジスタを利用してシミュレーションされた図２の増幅器のより詳細な回路図である。入力信号の４ウェイ分配は、２ウェイスプリッタ４４、４６および４８によって提供される。キャリア増幅器トランジスタ４０は、スプリッタ４６を入力整合回路５２に接続する９０°トランス５０を含む。ゲートバイアス５４、ドレインバイアス５６、出力整合回路５８、およびオフセットマイクロストリップ位相長６０は、直列に増幅器を位相スプリッタ４６および６２における出力の間で接続し、トランス６４および抵抗負荷６５を含む。ピーク増幅器のそれぞれは、図２に示されるように増幅器回路を負荷に接続する９０°トランス６６を有する。高調波終端、例えばグラウンドに接続されたコイルおよびキャパシタは、出力整合回路５８に含まれえて、出力高調波をトランジスタ出力に戻し、それによってピーク効率を増す。ピーク増幅器回路のそれぞれは、入力信号強度が増すにつれてピーク増幅器を順番に動作させるゲートバイアス回路を持つ類似の入力および出力回路を有する。
【００１７】
図３の４ウェイ増幅器は、ＵＭＴＳバンド（２１１０〜２１７０ＭＨｚ）にわたって出力電力、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得についてApplied Wave Research Microwave Office Simulatorを用いてシミュレーションされた。図４は、２３〜４３ｄＢｍ（２００ミリワットから２０ワット）の範囲で広がる入力電力のレンジにわたって、１５０ワット（５２ｄＢｍ）に近い飽和出力で、ＰＡＥと共に入力ＲＦ電力対出力ＲＦ電力を示す。出力電力レベルが４２ｄＢｍ（１０ｄＢバックオフ）までバックオフするとき、ＰＡＥは４６％である。従来の（すなわち非ドハティ）増幅器は、同じバックオフパワーについては１０％未満のＰＡＥを有する。２ウェイのドハティ増幅器回路は、対応するＰＡＥとして２３％を有しえる。ピーク増幅器のためのバイアス電圧の選択においては、増幅器のダイナミックレンジ全体にわたって利得の直線性を維持するために正しい点においてトランジスタが順番にオンにされることが重要である。
【００１８】
表１は、従来の２ウェイドハティ増幅器、Iwamotoらによって記述された不均等電力スプリット付き２ウェイドハティ増幅器、本発明の実施形態による３ウェイ（２ピーク増幅器を持つキャリア増幅器）、および４ウェイスプリット（３ピーク増幅器を持つキャリア増幅器）の間の比較を示す。４ウェイ増幅器は、２ウェイドハティによるアプローチに比べて１０ｄＢバックオフにおいてＰＡＥの２倍の改善を達成する。
【表１】
【００１９】
本発明によるＮウェイドハティ増幅器は、広い範囲の入力／出力電力レベルにわたってリニア電力増幅器の電力付加効率を大きく改善する。この増幅器は、高電力増幅器に特に適するが、これはそれぞれのトランジスタの電力要件がパワートランジスタの個数Ｎに反比例するからである。２ウェイドハティ構成においては、それぞれのトランジスタのピークパワー要件が総出力電力の半分にせざるを得なかった。そのような条件は、キャリアおよびピーク増幅器の非常に低い入力および出力インピーダンスにつながり、実際には現実化の困難を伴った。Ｎウェイドハティ増幅器回路においては、それぞれのトランジスタは、出力電力の１／Ｎのピーク電力要件を必要とし、よってＮが２より大きいときは、より高い入力および出力インピーダンスにつながる。さらに増幅器中に依然と残る非効率から発生する熱は、より小さな個別のトランジスタ群を用いることによって、より大きな物理的領域に分散されるので、全体的な熱抵抗が下がる。
【００２０】
本発明の他の実施形態において、入力電力は分割され、均等ではないようにキャリアおよび１つ以上のピーク増幅器群に与えられることによって、増加された電力付加効率（ＰＡＥ）および直線性を実現する。
【００２１】
従来のドハティ増幅器回路においては、均等な信号レベルがいわゆるキャリアおよびピーク増幅器に伝達される。ピーク増幅器のバイアス点は意図的にスレッショルドに近く設定されているので、キャリア増幅器と比べ、ピーク増幅器をより高い信号レベルで駆動することは有利でありえる。そのような不均等電力分割は、均等分割のバージョンよりもピーク増幅器がＲＦ信号によってより効率良く「ポンプされる」ことを可能にし、よってトランジスタのトランスコンダクタンス特性をスレッショルドに近いように補償する。
【００２２】
図５および６は、１つのキャリア増幅器および１つのピーク増幅器を有する１８０ワットドハティ増幅器回路についての電力入力および電力出力およびＰＡＥを示すグラフである。図５において、均等分割を持つドハティ増幅器回路のパフォーマンスは、７ｄＢバックオフにおけるＰＡＥが３４％であり、９ｄＢバックオフにおけるＰＡＥが２７％であることを示す。しかし、−１．８ｄＢがピーク増幅器に与えられ、−４．８ｄＢがキャリア増幅器に与えられる不均等電力分割を用いることによって、７ｄＢバックオフにおけるＰＡＥの３％から３７％の改善が実現される。不均等電力分割は、ピーク増幅器がスレッショルドにおいてバイアスされることを可能にし、よってＰＡＥ改善を実現する。
【００２３】
ここで図７に概略が示された不均等電力分割を持つ３ウェイ９０ワットドハティ増幅器回路を考える。電力分割器７０を用いることによって、−４．８ｄＢの入力電力がキャリア増幅器７２に与えられ、一方、−１．８ｄＢの入力電力が分割器７４に与えられ、これが今度は入力信号の−３ｄＢをピーク増幅器７６に与え、入力信号の−３ｄＢをピーク増幅器７８に与える。増幅器のそれぞれは、異なる入力ゲートバイアスを有し、例えば、あるＬＤＭＯＳトランジスタについては４．３ボルトがキャリア７２に与えられえ、４．１ボルトおよび３．０ボルトがそれぞれピーク増幅器７６および７８に与えられえる。ピーク増幅器７６および７８の電圧バイアスレベルは、キャリア増幅器７２が飽和し始めるときにピーク増幅器７６がちょうどターンオンし始め、かつキャリア増幅器７２およびピーク増幅器７６を備える増幅器回路が飽和し始めるときに、すなわちピーク増幅器７６がアクティブになった点からさらに約６ｄＢのＲＦ入力電力が回路に与えられた後に、ピーク増幅器７８がちょうどターンオンし始めるように選ばれる。理想的には、ピーク増幅器７６および７８についての電圧バイアスレベルは、可能な最大範囲にわたって出力電力対入力電力の直線性および／または効率を最大化するよう選択される。
【００２４】
図７の増幅器のシミュレーションされたパフォーマンスは、図８のグラフに示され、ここで入力電力が出力電力およびＰＡＥに対してプロットされ、シミュレーションされたドハティ増幅器回路について、曲線８０はＰＡＥを表し、曲線８２は電力出力を表す。９０ワットの電力のとき７ｄＢバックオフにおけるＰＡＥは４５％であり、９０ワットの電力のとき９ｄＢバックオフにおけるＰＡＥは３５％である。
【００２５】
図９は、入力電力の−４．７７ｄＢをキャリア増幅器に供給し、入力電力の−１．７７ｄＢをピーク増幅器に供給するよう構成されるウィルキンソン電力分割器を有する２ウェイ２０ワット不均等分割増幅器を用いたいくつかの周波数範囲にわたるドレイン効率対出力電力を示すグラフである。シミュレーションされた増幅器は、１０．５ ＋／−０．７５ｄＢのゲイン、７ｄＢより大きい入力リターンロス、６ｄＢにおいて４２％の効率、および１０ｄＢバックオフにおいて３１．５％の効率を有する。２ワット平均における相互変調成分は−３６ｄＢｃ未満だった。図９において、ドレイン効率（パーセント）対電力出力（ｄＢｍ）は２１１０ＭＨｚ、２１４０ＭＨｚおよび２１７０ＭＨｚの周波数についてプロットされている。
【００２６】
図１０は、９０で示される不均等分割および９２で示される均等分割を持つ均等および不均等分割２ウェイドハティ増幅器回路についての効率曲線の比較を示すプロットである。ここでパフォーマンスは、アナレン（Anaren）電力分割器を用いた２ウェイ２０ワット不均等分割についてである。増幅器ゲインは１１．３ ＋／−０．２ｄＢであり、１１ｄＢより大きい入力リターンロス、６ｄＢバックオフにおいて４０．５％の効率、および１０ｄＢバックオフにおいて３０％の効率である。２ワット平均における相互変調成分は−３２ｄＢｃ未満だった。
【００２７】
ここで効率は、３ＧＰＰ標準によるワイドバンド符号分割マルチプルアクセス（Ｗ−ＣＤＭＡ）ディジタル波長の下で計測された。効率計測は、ドハティ増幅器回路のバックオフ効率および直線性の間の重要な関係を示す。比較は、２ワット平均電力において、単一のトランジスタ（１３％効率）、均等電力分割を持つ２ウェイドハティ増幅器回路（２２．３％効率）および不均等入力電力分割を持つ２ウェイドハティ増幅器回路（２７．２％効率）についてなされた。よってドハティ増幅器回路は単一のトランジスタ増幅器よりも大きくされた効率を提供し、不均等電力分割によるドハティ増幅器回路は、与えられたバックオフ電力において向上された効率および直線性を提供できることがわかる。
【００２８】
同じ設計配慮は、キャリアおよびピーク増幅器におけるＲＦトランジスタのサイズが異なる非対称ドハティ増幅器の場合にも用いられえる。全ての場合において、キャリアおよびピーク増幅器間の入力電力分割の最適化は、電力増幅器全体のゲイン、効率および直線性を改善できる。本発明は、シリコンＬＤＭＯＳＦＥＴを用いる高電力、高効率および高直線性のＲＦおよびマイクロ波増幅器を参照して説明されてきたが、本発明は、シリコンバイポーラ、ガリウムヒ素ＭＥＳＦＥＴ、インジウムガリウムリンＨＢＴ、シリコンカーバイドＭＥＳＦＥＴおよび窒化ガリウムＨＥＭＴのような幅広い半導体技術を用いて実現されえる。
【００２９】
本発明は、具体的な４ウェイ実施形態について説明されてきたが、記載は本発明を例示的に示し、本発明を限定するように意図されていない。添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者にはさまざまな改変および応用が理解されるだろう。
【００３０】
なお、本願は、原出願２００６年５０９８８２号の分割出願であり、
原出願２００６年５０９８８２号の出願当初の特許請求の範囲には、以下の請求項が記載されていた。
〔請求項１〕
広い範囲の電力にわたってＲＦ信号を増幅するＲＦ電力増幅器回路であって、
ａ）電力の第１範囲にわたって前記ＲＦ信号を増幅する、前記広い範囲の電力の最大値より下の電力飽和レベルを持つキャリア増幅器、
ｂ）前記キャリア増幅器に並列に接続された複数のピーク増幅器であって、前記ピーク増幅器のそれぞれは、前記キャリア増幅器が飽和に近づいた後、増幅された出力信号を順次供給するようバイアスされる、複数のピーク増幅器、
ｃ）入力信号を分割し、前記分割された入力信号を前記キャリア増幅器および前記複数のピーク増幅器に与える信号分割器であって、前記キャリア増幅器への前記入力電力は、前記ピーク増幅器への前記入力電力とは異なる、信号分割器および
ｄ）前記キャリア増幅器および前記複数のピーク増幅器からの増幅された出力信号群を受け取り結合する出力
を備えるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項２〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記キャリア増幅器への入力電力は、それぞれのピーク増幅器への前記入力電力よりも大きいＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項３〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記キャリア増幅器への入力電力は、それぞれのピーク増幅器への前記入力電力よりも小さいＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項４〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、それぞれのピーク増幅器は、効率的な電力増幅を６ｄＢ伸長するＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項５〕
請求項４に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記複数のピーク増幅器は、３つのピーク増幅器を備え、前記伸長された効率的電力増幅はほぼ１８ｄＢであるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項６〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記信号分割器は、前記キャリア増幅器の前記入力に接続された１／４波長トランスを含み、前記出力は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、１／４波長トランスを通してそれぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項７〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記信号分割器は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続された１／４波長トランスを含み、前記出力は、前記１／４波長トランスを通して前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、それぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項８〕
請求項７に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記抵抗負荷はＲ／２であり、それぞれの増幅器は、特性インピーダンスＲの１／４波長伝送線路を通して前記負荷に接続されるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項９〕
請求項８に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、飽和未満では前記キャリア増幅器は、見かけの負荷２Ｒに電流を供給することによって、電流が増幅器が飽和しているときの最大電力電流の半分であるようにするＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１０〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記出力は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、１／４波長トランスを通してそれぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１１〕
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記出力は、１／４波長トランスを通して前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、それぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１２〕
請求項１１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記抵抗負荷はＲ／２であり、それぞれの増幅器は、特性インピーダンスＲの１／４波長伝送線路を通して前記負荷に接続されるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１３〕
請求項１２に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、飽和未満では前記キャリア増幅器は、見かけの負荷２Ｒに電流を供給することによって、電流が増幅器が飽和しているときの最大電力電流の半分であるようにするＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１４〕
広い範囲の電力にわたってＲＦ信号を増幅するＲＦ電力増幅器回路であって、
ａ）電力の第１範囲にわたって前記ＲＦ信号を増幅する、前記広い範囲の電力の最大値より下の電力飽和レベルを持つキャリア増幅器、
ｂ）前記キャリア増幅器に並列に接続された少なくとも１つのピーク増幅器であって、前記少なくとも１つのピーク増幅器は、前記キャリア増幅器が飽和に近づいた後、増幅を始めるようバイアスされる、少なくとも１つのピーク増幅器、および
ｃ）入力信号を不均等に分割し、前記分割された入力信号を前記キャリア増幅器および前記少なくとも１つのピーク増幅器に与える信号分割器
を備えるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１５〕
請求項１４に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記キャリア増幅器は、前記少なくとも１つのピーク増幅器が受け取るよりも小さい入力信号電力を受け取るＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１６〕
請求項１４に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記キャリア増幅器は、前記少なくとも１つのピーク増幅器が受け取るよりも大きい入力信号電力を受け取るＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１７〕
広い範囲の電力にわたってＲＦ信号を増幅するＲＦ電力増幅器回路であって、
ａ）電力の第１範囲にわたって前記ＲＦ信号を増幅する第１トランジスタを備え、前記広い範囲の電力の最大値より下の電力飽和レベルを持つキャリア増幅器、
ｂ）前記キャリア増幅器に並列に接続された第２トランジスタを備える少なくとも１つのピーク増幅器であって、前記第２トランジスタは、前記キャリア増幅器が飽和に近づいた後、増幅を始めるようバイアスされる、少なくとも１つのピーク増幅器、および
ｃ）入力信号を不均等に分割し、前記分割された入力信号を前記キャリア増幅器および前記少なくとも１つのピーク増幅器に与える信号分割器
を備えるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１８〕
請求項１７に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記キャリア増幅器は、前記少なくとも１つのピーク増幅器が受け取るよりも小さい入力信号電力を受け取るＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項１９〕
請求項１７に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記第１トランジスタは、前記第２トランジスタとサイズが異なるＲＦ電力増幅器回路。
〔請求項２０〕
請求項１９に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記第１トランジスタは、前記第２トランジスタよりサイズが小さいＲＦ電力増幅器回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広い範囲の電力にわたってＲＦ信号を増幅するＲＦ電力増幅器回路であって、
ａ）電力の第１範囲にわたって前記ＲＦ信号を増幅する、前記広い範囲の電力の最大値より下の電力飽和レベルを持つキャリア増幅器、
ｂ）前記キャリア増幅器に並列に接続された複数のピーク増幅器であって、前記ピーク増幅器のそれぞれは、前記キャリア増幅器が飽和に近づいた後、増幅された出力信号を順次供給するようバイアスされる、前記複数のピーク増幅器、
ｃ）入力信号を分割し、前記分割された入力信号を前記キャリア増幅器および前記複数のピーク増幅器に与える信号分割器であって、前記キャリア増幅器への入力電力は、前記ピーク増幅器の全てへの総入力電力とは異なり、前記キャリア増幅器への入力電力は、各ピーク増幅器への入力電力よりも小さく、前記ピーク増幅器のそれぞれに与えられる前記入力信号が等しい、前記信号分割器および
ｄ）前記キャリア増幅器および前記複数のピーク増幅器からの増幅された出力信号群を受け取り結合する出力
を備えるＲＦ電力増幅器回路。
【請求項２】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、それぞれのピーク増幅器は、効率的な電力増幅を６ｄＢ伸長するＲＦ電力増幅器回路。
【請求項３】
請求項２に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記複数のピーク増幅器は、３つのピーク増幅器を備え、前記伸長された効率的電力増幅はほぼ１８ｄＢであるＲＦ電力増幅器回路。
【請求項４】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記信号分割器は、前記キャリア増幅器の前記入力に接続された１／４波長トランスを含み、前記出力は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、１／４波長トランスを通してそれぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
【請求項５】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記信号分割器は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続された１／４波長トランスを含み、前記出力は、前記１／４波長トランスを通して前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、それぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
【請求項６】
請求項５に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記抵抗負荷はＲ／２であり、それぞれの増幅器は、特性インピーダンスＲの１／４波長伝送線路を通して前記負荷に接続されるＲＦ電力増幅器回路。
【請求項７】
請求項６に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、飽和未満では前記キャリア増幅器は、見かけの負荷２Ｒに電流を供給することによって、電流が増幅器が飽和しているときの最大電力電流の半分であるようにするＲＦ電力増幅器回路。
【請求項８】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記出力は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、１／４波長トランスを通してそれぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
【請求項９】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記出力は、１／４波長トランスを通して前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、それぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
【請求項１０】
請求項９に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記抵抗負荷はＲ／２であり、それぞれの増幅器は、特性インピーダンスＲの１／４波長伝送線路を通して前記負荷に接続されるＲＦ電力増幅器回路。
【請求項１１】
請求項１０に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、飽和未満では前記キャリア増幅器は、見かけの負荷２Ｒに電流を供給することによって、電流が増幅器が飽和しているときの最大電力電流の半分であるようにするＲＦ電力増幅器回路。
【請求項１２】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記信号スプリッタが、不均等分割を提供するように構成された第１の信号スプリッタと、前記第１の信号スプリッタの第１の出力を受けるように構成され且つ均等分割を提供する第２の信号スプリッタとを含み、前記ピーク増幅器が、第２の信号スプリッタの出力によって駆動され、且つ前記キャリア増幅器が、前記第１のスプリッタの第２の出力によって駆動されるＲＦ電力増幅器回路。
【請求項１】
広い範囲の電力にわたってＲＦ信号を増幅するＲＦ電力増幅器回路であって、
ａ）電力の第１範囲にわたって前記ＲＦ信号を増幅する、前記広い範囲の電力の最大値より下の電力飽和レベルを持つキャリア増幅器、
ｂ）前記キャリア増幅器に並列に接続された複数のピーク増幅器であって、前記ピーク増幅器のそれぞれは、前記キャリア増幅器が飽和に近づいた後、増幅された出力信号を順次供給するようバイアスされる、前記複数のピーク増幅器、
ｃ）入力信号を分割し、前記分割された入力信号を前記キャリア増幅器および前記複数のピーク増幅器に与える信号分割器であって、前記キャリア増幅器への入力電力は、前記ピーク増幅器の全てへの総入力電力とは異なり、前記キャリア増幅器への入力電力は、各ピーク増幅器への入力電力よりも小さく、前記ピーク増幅器のそれぞれに与えられる前記入力信号が等しい、前記信号分割器および
ｄ）前記キャリア増幅器および前記複数のピーク増幅器からの増幅された出力信号群を受け取り結合する出力
を備えるＲＦ電力増幅器回路。
【請求項２】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、それぞれのピーク増幅器は、効率的な電力増幅を６ｄＢ伸長するＲＦ電力増幅器回路。
【請求項３】
請求項２に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記複数のピーク増幅器は、３つのピーク増幅器を備え、前記伸長された効率的電力増幅はほぼ１８ｄＢであるＲＦ電力増幅器回路。
【請求項４】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記信号分割器は、前記キャリア増幅器の前記入力に接続された１／４波長トランスを含み、前記出力は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、１／４波長トランスを通してそれぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
【請求項５】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記信号分割器は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続された１／４波長トランスを含み、前記出力は、前記１／４波長トランスを通して前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、それぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
【請求項６】
請求項５に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記抵抗負荷はＲ／２であり、それぞれの増幅器は、特性インピーダンスＲの１／４波長伝送線路を通して前記負荷に接続されるＲＦ電力増幅器回路。
【請求項７】
請求項６に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、飽和未満では前記キャリア増幅器は、見かけの負荷２Ｒに電流を供給することによって、電流が増幅器が飽和しているときの最大電力電流の半分であるようにするＲＦ電力増幅器回路。
【請求項８】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記出力は、前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、１／４波長トランスを通してそれぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
【請求項９】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記出力は、１／４波長トランスを通して前記キャリア増幅器の前記出力に接続され、それぞれのピーク増幅器の前記出力に接続された抵抗負荷を含むＲＦ電力増幅器回路。
【請求項１０】
請求項９に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記抵抗負荷はＲ／２であり、それぞれの増幅器は、特性インピーダンスＲの１／４波長伝送線路を通して前記負荷に接続されるＲＦ電力増幅器回路。
【請求項１１】
請求項１０に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、飽和未満では前記キャリア増幅器は、見かけの負荷２Ｒに電流を供給することによって、電流が増幅器が飽和しているときの最大電力電流の半分であるようにするＲＦ電力増幅器回路。
【請求項１２】
請求項１に記載のＲＦ電力増幅器回路であって、前記信号スプリッタが、不均等分割を提供するように構成された第１の信号スプリッタと、前記第１の信号スプリッタの第１の出力を受けるように構成され且つ均等分割を提供する第２の信号スプリッタとを含み、前記ピーク増幅器が、第２の信号スプリッタの出力によって駆動され、且つ前記キャリア増幅器が、前記第１のスプリッタの第２の出力によって駆動されるＲＦ電力増幅器回路。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−７５１９３（Ｐ２０１２−７５１９３Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３８１９（Ｐ２０１２−３８１９）
【出願日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【分割の表示】特願２００６−５０９８８２（Ｐ２００６−５０９８８２）の分割
【原出願日】平成１６年４月９日（２００４．４．９）
【出願人】（５９２０５４８５６）クリー インコーポレイテッド (468)
【氏名又は名称原語表記】ＣＲＥＥ ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【分割の表示】特願２００６−５０９８８２（Ｐ２００６−５０９８８２）の分割
【原出願日】平成１６年４月９日（２００４．４．９）
【出願人】（５９２０５４８５６）クリー インコーポレイテッド (468)
【氏名又は名称原語表記】ＣＲＥＥ ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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