高周波電力増幅器
【課題】出力電力に応じて出力経路を選択することにより、中出力および低出力における電力効率を向上させた高周波電力増幅器を提供する。
【解決手段】ＰＡモジュール１００は、ＨＢＴ１０１及び１０２が配置された高出力経路ＨＲ１と、ＨＢＴ１０３が配置された中出力経路ＭＲ１と、ＨＢＴ１０４が配置された低出力経路ＬＲ１とを含み、ＨＢＴ１０３の出力ノードに接続されたインピーダンス変換回路１１７と、一端が上記出力ノードと出力端子との間に接続され、他端がコンデンサ１３５に接続されたスイッチ１０５と、ＨＢＴ１０４の出力ノードと出力端子との間に接続されたインピーダンス変換回路１１６とを具備し、スイッチ１０５がオフ状態の場合、上記接続ノードから出力端子を見たインピーダンスを５０Ωより小さいインピーダンスに変換し、ＨＢＴ１０４の出力ノードから出力端子を見たインピーダンスを５０Ωより大きいインピーダンスに変換する。
【解決手段】ＰＡモジュール１００は、ＨＢＴ１０１及び１０２が配置された高出力経路ＨＲ１と、ＨＢＴ１０３が配置された中出力経路ＭＲ１と、ＨＢＴ１０４が配置された低出力経路ＬＲ１とを含み、ＨＢＴ１０３の出力ノードに接続されたインピーダンス変換回路１１７と、一端が上記出力ノードと出力端子との間に接続され、他端がコンデンサ１３５に接続されたスイッチ１０５と、ＨＢＴ１０４の出力ノードと出力端子との間に接続されたインピーダンス変換回路１１６とを具備し、スイッチ１０５がオフ状態の場合、上記接続ノードから出力端子を見たインピーダンスを５０Ωより小さいインピーダンスに変換し、ＨＢＴ１０４の出力ノードから出力端子を見たインピーダンスを５０Ωより大きいインピーダンスに変換する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話端末をはじめとする移動体通信の送信用に用いられる高周波電力増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話端末の小型・軽量・長時間通話を実現するために、バッテリーの小型化に加えて、電力消費量のウエイトが高い送信用電力増幅器の高効率化（省電力化）が重要とされている。携帯電話端末用の送信用電力増幅器は、ＰＡモジュール（Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒモジュール）と呼ばれ、高周波特性と電力変換効率に優れるＧａＡｓ高周波トランジスタが主に用いられている。このＧａＡｓ高周波トランジスタには大別して、電界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴと記す。）とヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと記す。）とがある。
【０００３】
Ｗ−ＣＤＭＡ（Ｗｉｄｅｂａｎｄ−Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）をはじめとするＣＤＭＡ方式では、基地局に到達する高周波電力がほぼ等しくなるように、基地局までの距離や周辺環境に応じて、携帯端末のアンテナから出力する高周波電力を制御する手法が用いられている。一般的には、基地局までの距離が遠い場合には、上記アンテナからの出力電力は高く、逆にその距離が近い場合には、上記アンテナからの出力電力は低い。アンテナからの出力電力は、ＰＡモジュールの出力電力を制御することにより行われる。アンテナからの出力電力は、相対的に低く抑えられて使用される場合が多く、低出力条件におけるＰＡモジュールの高効率化を実現することは、電力消費量を低減するために極めて重要なことである。しかしながら、電力増幅器においては、高出力時に電力効率が最も高くなるように設計されている。このために、その出力電力以下においては電力効率が低下する。
【０００４】
特許文献１では、中出力時の効率を改善する手段として、要求される出力電力に応じて使用する出力経路を切替える２モード切替のＰＡモジュールが提案されている。
【０００５】
図６は、特許文献１に記載されたＰＡモジュールの回路ブロック図である。以下、この図を参照しながら従来のＰＡモジュールを説明する。なお、以降、同じ要素には同一の符号を付与して説明を行う。同図に記載されたＰＡモジュール３００は、一例として、出力端子３２２からの高周波出力が１５ｄＢｍより大きい場合は高出力経路の回路が動作し、１５ｄＢｍ以下の場合には中出力経路の回路が動作するように設計されている。
【０００６】
まず、高出力経路の動作を説明する。入力端子３２１から入力された高周波電力は、入力整合回路３１１を通過してＨＢＴ３０１に入力される。ＨＢＴ３０１で増幅された高周波電力は、段間整合回路３１２を通過してＨＢＴ３０２に入力される。ＨＢＴ３０２で増幅された高周波電力は、出力整合回路３１３を通過して出力端子３２２から出力される。
【０００７】
次に、中出力経路の動作を説明する。入力端子３２１から入力された高周波電力は、入力整合回路３１４を通過してＨＢＴ３０３に入力される。ＨＢＴ３０３で増幅された高周波電力は、出力整合回路３１５、出力整合回路３１３を通過して出力端子３２２から出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７１３５９１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図６に記載された従来の２モード切替のＰＡモジュール３００においては、中出力時よりさらに出力レベルの低い低出力動作においては、低消費電力化の実現が困難という問題がある。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑み、回路規模を大きくすることなく、中出力および低出力における電力効率を向上させた高周波電力増幅器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】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高周波電力増幅器は、高周波信号を増幅する複数の経路から、出力電力レベルに応じた経路を選択して使用する高周波電力増幅器であって、前記高周波信号が印加される入力端子と増幅された高周波信号が出力される出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第１のトランジスタが配置された、高出力レベルが要求された場合に選択される高出力経路と、前記入力端子と前記出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第２のトランジスタが配置された、中出力レベルが要求された場合に選択される中出力経路と、前記入力端子と前記出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第３のトランジスタが配置された、低出力レベルが要求された場合に選択される低出力経路とを含み、前記第２のトランジスタの出力ノードに接続された第１のインピーダンス変換回路と、一端が、前記出力ノードと前記出力端子との間であって、前記中出力経路上に接続され、他端が、第１のコンデンサを介して接地された第１のスイッチと、前記第３のトランジスタの出力ノードと前記出力端子との間であって、前記低出力経路上の接続ノードに接続された第２のインピーダンス変換回路とを具備し、前記第１のスイッチがオフ状態の場合、前記第１のインピーダンス変換回路は、前記接続ノードから前記出力端子を見たインピーダンスを、５０Ωより小さいインピーダンスに変換し、前記第２のインピーダンス変換回路は、前記第３のトランジスタの出力ノードから前記出力端子を見たインピーダンスを、５０Ωより大きいインピーダンスに変換することを特徴とするものである。
【００１２】
上記構成の高周波電力増幅器によれば、要求される出力電力レベルに応じて、３つの出力経路を選択することができる。具体的には、低出力時には、第１のスイッチをオフ状態とすることで、第１のインピーダンス変換回路により、出力端子のインピーダンスを、一旦５０Ωより小さいインピーダンス（ＺＡ、ＺＢ）に変換する。また、第２のインピーダンス変換回路は、上記５０Ωより小さくなったインピーダンスを、５０Ωより高いインピーダンスに変換する。これにより、低出力経路における低インピーダンスから高インピーダンスへの変換過程において、インピーダンス不整合による電力ロスを最小限に抑えることができる。よって、従来の２モード切替型のＰＡモジュールと比較して、電力効率を向上させることが可能となる。
【００１３】
また、本発明の一態様は、さらに、前記第１のトランジスタの出力ノードと前記出力端子との間に直列挿入された第２のスイッチと、前記第２のトランジスタの出力ノード及び前記第１のスイッチの接続点と、前記出力端子との間に直列挿入された第３のスイッチとを備えてもよい。
【００１４】
これにより、高出力動作時には第３のスイッチをオフさせることで中出力経路が完全に切り離され、また、中出力動作時及び低出力動作時には第２のスイッチをオフさせることで高出力経路が完全に切り離されるので、アイソレーション特性を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明の一態様は、前記第１のインピーダンス変換回路は、一端が、前記第２のトランジスタの出力ノードに接続された第１のインダクタと、一端が、前記第１のインダクタの他端に接続され、他端が接地された第２のコンデンサとを備えることが好ましい。
【００１６】
これにより、従来では、第２のトランジスタから出力される高周波電力がコレクタ電源端子に漏れることを防止するために一般的に設けられるチョークコイルとして機能していた第１のインダクタを、本発明では、低出力増幅時の低インピーダンス化に寄与させるべく、低インダクタンス化することにより小型化に寄与できる。
【００１７】
また、本発明の一態様は、前記第１のスイッチがオン状態の場合、前記第１のインダクタのリアクタンスと前記第１のコンデンサのリアクタンスとの和が実質的に０となることが好ましい。
【００１８】
これにより、中出力動作時には第１のスイッチをオン状態とすることで、中出力増幅時のリアクタンス成分を除去して、中出力経路のインピーダンスを、５０Ωに調整できる。
【００１９】
また、本発明の一態様は、前記第２のインピーダンス変換回路は、一端が、前記第２のトランジスタの出力ノードと前記第１のスイッチの一端との間であって前記中出力経路上に接続され、他端が前記第３のトランジスタの出力ノードに接続された第２のインダクタと、一端が、前記第３のトランジスタの出力ノードに接続され、他端が接地された第３のコンデンサとを備えることが好ましい。
【００２０】
これにより、第３のトランジスタの出力ノードから出力端子を見たインピーダンスを、５０Ωより高いインピーダンスに変換することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、要求される出力電力に応じて、高出力経路と中出力経路と低出力経路を切替えて動作させることで、低出力時の電力効率を改善することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の高周波電力増幅器の実施の形態１に係るＰＡモジュールの回路ブロック図である。
【図２】実施の形態１に係るＰＡモジュールの低出力経路におけるＺＡ、ＺＢ、ＺＣの関係を示すスミスチャートである。
【図３】実施の形態１に係る比較例を示すＰＡモジュールの回路ブロック図である。
【図４】実施の形態１に係る比較例を示すＰＡモジュールの低出力経路におけるＺＡ１、ＺＢ１、ＺＣ１の関係を示すスミスチャートである。
【図５】本発明の高周波電力増幅器の実施の形態２に係るＰＡモジュールの回路ブロック図である。
【図６】特許文献１に記載されたＰＡモジュールの回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る高周波電力増幅器の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の高周波電力増幅器の実施の形態１に係るＰＡモジュールの回路ブロック図である。同図に記載されたＰＡモジュール１００は、３モード切替型のＰＡモジュールであり、高出力電力用の経路である高出力経路ＨＲ１と、中出力電力用の経路である中出力経路ＭＲ１と、低出力電力用の経路である低出力経路ＬＲ１とを含む。
【００２５】
高出力経路ＨＲ１は、入力端子１２１と出力端子１２２とに接続され、当該経路には、入力整合回路１１１と、ＨＢＴ１０１と、段間整合回路１１２と、ＨＢＴ１０２と出力整合回路１１３とが配置されている。ＨＢＴ１０１及び１０２は、入力高周波信号を増幅する第１のトランジスタである。上記構成により、高出力経路ＨＲ１は、高出力レベルが要求された場合に選択される。
【００２６】
中出力経路ＭＲ１は、入力端子１２１と出力端子１２２とに接続され、当該経路には、入力整合回路１１４と、ＨＢＴ１０３とが配置されている。ＨＢＴ１０３は、入力高周波信号を増幅する第２のトランジスタである。上記構成により、中出力経路ＭＲ１は、中出力レベルが要求された場合に選択される。
【００２７】
低出力経路ＬＲ１は、入力端子１２１と出力端子１２２とに接続され、当該経路には、入力整合回路１１５と、ＨＢＴ１０４とが配置されている。ＨＢＴ１０４は、入力高周波信号を増幅する第３のトランジスタである。上記構成により、低出力経路ＬＲ１は、低出力レベルが要求された場合に選択される。
【００２８】
また、ＨＢＴ１０３の出力ノードには、第１のインピーダンス変換回路であるインピーダンス変換回路１１７が接続されている。
【００２９】
また、ＨＢＴ１０３の出力ノードと出力端子１２２との間であって、中出力経路ＭＲ１上には、スイッチ１０５の一端が接続されている。スイッチ１０５の他端は、コンデンサ１３５を介して接地されている。
【００３０】
また、ＨＢＴ１０４の出力ノードと出力端子１２２との間であって、低出力経路ＬＲ１上の接続ノードには、第２のインピーダンス変換回路であるインピーダンス変換回路１１６が接続されている。
【００３１】
インピーダンス変換回路１１７は、インダクタ１３３及びコンデンサ１３４で構成される。インダクタ１３３は、第１のインダクタであり、一端がＨＢＴ１０３の出力ノードに接続され、他端がコンデンサ１３４の一端に接続されている。コンデンサ１３４は、第２のコンデンサであり、他端が接地されている。また、インダクタ１３３とコンデンサ１３４との接続点には、コレクタ電源端子１４３が接続されている。インダクタ１３３のインダクタンス値は、高周波電力がコレクタ電源端子１４３に漏れることを防止するために一般的に設けられるチョークコイルの値よりも小さく、中出力経路ＭＲ１及び低出力経路ＬＲ１のインピーダンス整合に影響を与える。
【００３２】
上記構成において、中出力動作時にはスイッチ１０５をオンさせ、低出力動作時にはスイッチ１０５をオフさせる。
【００３３】
インピーダンス変換回路１１６は、インダクタ１３１及びコンデンサ１３２で構成される。インダクタ１３１は、第２のインダクタであり、一端がＨＢＴ１０３の出力ノードとスイッチ１０５の一端との間であって中出力経路ＭＲ１上に接続され、他端がＨＢＴ１０４の出力ノードに接続されている。コンデンサ１３２は、第３のコンデンサであり、一端がＨＢＴ１０４の出力ノードに接続され、他端が接地されている。
【００３４】
一例として、ＰＡモジュール１００は、要求される出力電力である出力端子１２２からの高周波出力が１５ｄＢｍより大きい場合は高出力経路ＨＲ１が動作し、７ｄＢｍより大きく１５ｄＢｍ以下の範囲では中出力経路ＭＲ１が動作し、７ｄＢｍ以下の場合には低出力経路ＬＲ１が動作するように設計されている。
【００３５】
まず、高出力経路ＨＲ１における動作を説明する。入力端子１２１から入力された高周波電力は、入力整合回路１１１を通過してＨＢＴ１０１に入力される。ＨＢＴ１０１で増幅された高周波電力は、段間整合回路１１２を通過してＨＢＴ１０２に入力される。ＨＢＴ１０２で増幅された高周波電力は、出力整合回路１１３を通過して出力端子１２２から出力される。
【００３６】
次に、中出力経路ＭＲ１における動作を説明する。中出力動作時には、スイッチ１０５をオンする。その結果、インダクタ１３３及びコンデンサ１３５により、中出力経路ＭＲ１のインピーダンスは、５０Ωに変換される。これは、スイッチ１０５がオンの場合、インダクタ１３３のリアクタンスとコンデンサ１３５のリアクタンスとの和が実質的に０となることで、中出力経路ＭＲ１のインピーダンスのリアクタンス成分が打ち消されることによる。この構成により、入力端子１２１から入力された高周波電力は、入力整合回路１１４を通過してＨＢＴ１０３に入力され、ＨＢＴ１０３で増幅された高周波電力が、出力端子１２２から出力される。
【００３７】
次に、低出力経路ＬＲ１における動作を説明する。低出力動作時には、スイッチ１０５をオフとする。その結果、コンデンサ１３５がオープン状態となる。ここで、図１の回路ブロック図において、インダクタ１３１の出力ノードのうちＨＢＴ１０３の出力ノード側の点をＡとし、インダクタ１３１の出力ノードのうちＨＢＴ１０４の出力ノード側の点をＢとし、ＨＢＴ１０４のコレクタ端子側の点をＣとし、ＨＢＴ１０３の出力ノードとインダクタ１３１との接続点をＤとし、点Ａから点Ｄを見たインピーダンスをＺＡ、点Ｂから点Ａを見たインピーダンスをＺＢ、及び点Ｃから点Ｂを見たインピーダンスをＺＣとする。
【００３８】
図２は、実施の形態１に係るＰＡモジュールの低出力経路ＬＲ１におけるＺＡ、ＺＢ、ＺＣの関係を示すスミスチャートである。スイッチ１０５がオフとなりコンデンサ１３５がオープンとなった結果、インダクタ１３３の影響によりＺＡのインピーダンスは低インピーダンスとなる。そして、低インピーダンスとなったＺＡから、ＺＢを経て、コンデンサ１３２により、ＺＣが高インピーダンスへと変換される。
【００３９】
つまり、インピーダンス変換回路１１７は、低出力経路ＬＲ１では、スイッチ１０５をオフとすることで、Ａ点及びＢ点から出力端子１２２を見たインピーダンスを、一旦５０Ωより小さいインピーダンス（ＺＡ、ＺＢ）に変換し、インピーダンス変換回路１１６は、Ｃ点から出力端子１２２を見たインピーダンスを、５０Ωより高いインピーダンス（ＺＣ）に変換する。
【００４０】
上記構成における実施例として、次のような特性改善が得られた。
【００４１】
低出力動作において、周波数８２４ＭＨｚ、電源電圧３．４Ｖ、出力電力７ｄＢｍの条件で、−４０ｄＢｃ以下のＡＣＬＲ（隣接チャネル漏洩電力比）と１５％以上の効率を得るためには、ＺＣは２００Ωに設計する必要がある。この観点から、インダクタ１３３を８ｎＨ（ＺＡ＝２０＋ｊ２４Ω）、インダクタ１３１を７ｎＨ（ＺＢ＝２０＋ｊ６２Ω）、コンデンサ１３２を３ｐＦ（ＺＣ＝２０５−ｊ６Ω）とすることにより、低出力時の電力効率は、１２％から１８％へと改善した。インダクタ１３１を、従来は１５ｎＨであったが、７ｎＨと小さくすることで、伝送ロスも小さくなる。また、インダクタ１３３を、従来のチョークコイルから、インピーダンス整合素子として８ｎＨとすることにより、小型化にも寄与できる。
【００４２】
上述した本発明の高周波増幅器に係るＰＡモジュールに対して、以下、比較例を説明して本発明との構成及び効果の差異を明確にする。
【００４３】
図３は、実施の形態１に係る比較例を示すＰＡモジュールの回路ブロック図である。ＰＡモジュール２００は、３モード切替型のＰＡモジュールであり、高出力電力用の経路である高出力経路ＨＲ２と、中出力電力用の経路である中出力経路ＭＲ２と、低出力電力用の経路である低出力経路ＬＲ２とを含む。図３に記載された比較例に係るＰＡモジュール２００は、図１に記載された本発明のＰＡモジュール１００と比較して、Ｄ１点と出力端子１２２との間に、スイッチ１０５及びコンデンサ１３５が接続されていない点、及び、インダクタ１３３の代わりにチョークコイル２３３が配置されている点である。
【００４４】
高出力経路ＨＲ２における動作は、本発明のＰＡモジュール１００の高出力経路ＨＲ１における動作と同様であるので、説明を省略する。
【００４５】
次に、中出力経路ＭＲ２における動作を説明する。入力端子１２１から入力された高周波電力は、入力整合回路１１４を通過してＨＢＴ１０３に入力される。ＨＢＴ１０３で増幅された高周波電力は、出力端子１２２から出力される。コレクタ電源端子１４３は、整合回路２１７の構成要素であるチョークコイル２３３を介してＨＢＴ１０３のコレクタに接続されている。このチョークコイル２３３は、高周波電力がコレクタ電源端子に漏れることを防止するために設けられているものであり十分大きい値であるため、中出力経路ＭＲ２及び低出力経路ＬＲ２の整合には影響を及ぼさない。
【００４６】
次に、低出力経路ＬＲ２における動作を説明する。入力端子１２１から入力された高周波電力は、入力整合回路１１５を通過してＨＢＴ１０４に入力される。ＨＢＴ１０４で増幅された高周波電力は、整合回路２１６を通過して出力端子１２２から出力される。整合回路２１６はインダクタ２３１及びコンデンサ２３２で構成されている。
【００４７】
図３に記載されたＰＡモジュール２００のブロック図において、インダクタ２３１の出力ノードのうちＨＢＴ１０３の出力ノード側の点をＡ１、インダクタ２３１の出力ノードのＨＢＴ１０４の出力ノード側の点をＢ１、ＨＢＴ１０４のコレクタ端子側の点をＣ１、ＨＢＴ１０３の出力ノードとインダクタ２３１との接続点をＤ１とし、点Ａ１から点Ｄ１を見たインピーダンスをＺＡ１、点Ｂ１から点Ａ１を見たインピーダンスをＺＢ１、点Ｃ１から点Ｂ１を見たインピーダンスをＺＣ１とする。
【００４８】
図４は、実施の形態１に係る比較例を示すＰＡモジュールの低出力経路ＬＲ２におけるＺＡ１、ＺＢ１、ＺＣ１の関係を示すスミスチャートである。チョークコイル２３３がＺＡ１のインピーダンス変化に寄与しないため、ＺＡ１は５０Ωから変化しない。そして、このＺＡから、ＺＢを経て、コンデンサ２３２により、ＺＣは高インピーダンスに変換される。
【００４９】
上述した比較例の構成において、一例として、低出力経路ＬＲ２において、周波数８２４ＭＨｚ、電源電圧３．４Ｖ、出力電力７ｄＢｍの条件で、−４０ｄＢｃ以下のＡＣＬＲと１５％以上の効率を得るためには、ＺＣは２００Ωに設計する必要がある。この観点から、インダクタ２３１を１５ｎＨ（ＺＢ＝５２＋ｊ９０Ω）、コンデンサ２３２を１．７ｐＦ（ＺＣ＝２０５−ｊ１３Ω）とすることにより、低出力時の電力効率は１２％となった。低出力時の電力効率が改善されない理由として、ＺＢの実部が５２Ωであることによるインダクタ２３１での伝送ロスの影響が挙げられる。
【００５０】
また、インダクタ２３１を最適化した場合のインダクタンス値が大きいことから、ＭＭＩＣ内のインダクタの面積が大きくなるため、チップサイズが大きくなり、結果としてＰＡモジュールのコストが増大する。また、インダクタ２３１の伝送ロス成分も大きくなることから、高効率化は困難である。
【００５１】
（実施の形態２）
図５は、本発明の高周波電力増幅器の実施の形態２に係るＰＡモジュールの回路ブロック図である。同図に記載されたＰＡモジュール１５０は、３モード切替型のＰＡモジュールであり、高出力電力用の経路である高出力経路ＨＲ３と、中出力電力用の経路である中出力経路ＭＲ３と、低出力電力用の経路である低出力経路ＬＲ３とを含む。図５に示されたＰＡモジュール１５０は、図１に示された実施の形態１に係るＰＡモジュール１００と比較して、高出力経路ＭＲ３の出力整合回路１１３と出力端子１２２との間に第２のスイッチであるスイッチ１０６が直列接続されている点、中出力経路ＭＲ２の点Ｄと出力端子１２２との間に第３のスイッチであるスイッチ１０７が直列接続されている点、ならびに、コレクタ電源端子１４１、１４２及び１４３がチョークコイル１３６、１３７、及びインダクタ１３３を介して、それぞれ、ＨＢＴ１０１、１０２、及び１０３に接続されている点が異なる。以下、実施の形態１に係るＰＡモジュール１００と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみ説明する。
【００５２】
スイッチ１０６は、高出力動作時にオン状態とされ、中出力動作時及び低出力動作時にオフ状態とされる。
【００５３】
一方、スイッチ１０７は、高出力動作時にオフ状態とされ、中出力動作時及び低出力動作時にオン状態とされる。
【００５４】
上記構成により、高出力動作時にスイッチ１０７をオフ状態とすることにより、中出力経路ＭＲ３が完全に切り離されるので、アイソレーション特性が向上する。同様に、中出力動作時及び低出力動作時にスイッチ１０６をオフ状態とすることにより、高出力経路ＨＲ３が完全に切り離されるので、アイソレーション特性を向上させることができる。
【００５５】
以上のように、本発明の実施の形態１及び２に係る高周波電力増幅器によれば、要求される出力電力レベルに応じて、３つの出力経路を選択することができる。
【００５６】
中出力時には、インピーダンス変換回路１１７及び出力端子１２２の間のノードであって、当該ノードと接地端子との間に配置されたスイッチ１０５をオン状態とすることにより、インピーダンス変換回路１１７が有するインダクタ１３３及びスイッチ１０５と接地端子との間に配置されたコンデンサ１３５により、中出力経路ＭＲ１のリアクタンス成分が打ち消され、中出力経路ＭＲ１のインピーダンスが５０Ωに変換される。よって、中出力時には、中出力経路ＭＲ１が選択され、入力端子１２１から入力された高周波電力は、入力整合回路１１４を通過してＨＢＴ１０３に入力され、ＨＢＴ１０３で増幅された高周波電力が、出力端子１２２から出力される。
【００５７】
一方、低出力時には、スイッチ１０５をオフ状態とすることにより、出力端子１２２のインピーダンス（５０Ω）を、一旦５０Ωより小さいインピーダンス（ＺＡ、ＺＢ）に変換させた後、インピーダンス変換回路１１６により、５０Ωより高いインピーダンス（ＺＣ）に変換させている。これにより、低出力経路における低インピーダンスから高インピーダンスへの変換過程において、インピーダンス不整合による電力ロスを最小限に抑えることができる。よって、従来の２モード切替型のＰＡモジュールと比較して、電力効率を向上させることが可能となる。
【００５８】
また、従来では、チョークコイルとして機能していたインピーダンス変換回路１１７のインダクタを、上述したように、中出力増幅時のリアクタンス成分の除去、及び、低出力増幅時の低インピーダンス化に寄与させるため、低インダクタンス化することにより、小型化にも寄与できる。
【００５９】
さらに、本発明の実施の形態２に係る高周波電力増幅器によれば、高出力動作時にスイッチ１０７をオフさせること、または、中出力動作時及び低出力動作時にスイッチ１０６をオフさせることにより、アイソレーション特性を向上させることができる。
【００６０】
以上、本発明の高周波電力増幅器について、実施の形態１及び２に基づいて説明してきたが、本発明に係る高周波電力増幅器は、上記実施の形態１及び２に限定されるものではない。実施の形態１及び２における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態１及び２に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る高周波電力増幅器を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の高周波電力増幅器は、低出力条件においても高効率化を実現することができ、携帯電話端末をはじめとする移動体通信の送信装置に利用が可能であり、産業上有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１００、１５０、２００、３００ ＰＡモジュール
１０１、１０２、１０３、１０４、３０１、３０２、３０３ ＨＢＴ
１０５、１０６、１０７ スイッチ
１１１、１１４、１１５、３１１、３１４ 入力整合回路
１１２、３１２ 段間整合回路
１１３、３１３、３１５ 出力整合回路
１１６、１１７ インピーダンス変換回路
１２１、３２１ 入力端子
１２２、３２２ 出力端子
１３２、１３４、１３５、２３２、２３４ コンデンサ
１３１、１３３、２３１ インダクタ
１４１、１４２、１４３ コレクタ電源端子
２１６、２１７ 整合回路
２３３、１３６、１３７ チョークコイル
ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３ 高出力経路
ＬＲ１、ＬＲ２、ＬＲ３ 低出力経路
ＭＲ１、ＭＲ２、ＭＲ３ 中出力経路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話端末をはじめとする移動体通信の送信用に用いられる高周波電力増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話端末の小型・軽量・長時間通話を実現するために、バッテリーの小型化に加えて、電力消費量のウエイトが高い送信用電力増幅器の高効率化（省電力化）が重要とされている。携帯電話端末用の送信用電力増幅器は、ＰＡモジュール（Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒモジュール）と呼ばれ、高周波特性と電力変換効率に優れるＧａＡｓ高周波トランジスタが主に用いられている。このＧａＡｓ高周波トランジスタには大別して、電界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴと記す。）とヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと記す。）とがある。
【０００３】
Ｗ−ＣＤＭＡ（Ｗｉｄｅｂａｎｄ−Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）をはじめとするＣＤＭＡ方式では、基地局に到達する高周波電力がほぼ等しくなるように、基地局までの距離や周辺環境に応じて、携帯端末のアンテナから出力する高周波電力を制御する手法が用いられている。一般的には、基地局までの距離が遠い場合には、上記アンテナからの出力電力は高く、逆にその距離が近い場合には、上記アンテナからの出力電力は低い。アンテナからの出力電力は、ＰＡモジュールの出力電力を制御することにより行われる。アンテナからの出力電力は、相対的に低く抑えられて使用される場合が多く、低出力条件におけるＰＡモジュールの高効率化を実現することは、電力消費量を低減するために極めて重要なことである。しかしながら、電力増幅器においては、高出力時に電力効率が最も高くなるように設計されている。このために、その出力電力以下においては電力効率が低下する。
【０００４】
特許文献１では、中出力時の効率を改善する手段として、要求される出力電力に応じて使用する出力経路を切替える２モード切替のＰＡモジュールが提案されている。
【０００５】
図６は、特許文献１に記載されたＰＡモジュールの回路ブロック図である。以下、この図を参照しながら従来のＰＡモジュールを説明する。なお、以降、同じ要素には同一の符号を付与して説明を行う。同図に記載されたＰＡモジュール３００は、一例として、出力端子３２２からの高周波出力が１５ｄＢｍより大きい場合は高出力経路の回路が動作し、１５ｄＢｍ以下の場合には中出力経路の回路が動作するように設計されている。
【０００６】
まず、高出力経路の動作を説明する。入力端子３２１から入力された高周波電力は、入力整合回路３１１を通過してＨＢＴ３０１に入力される。ＨＢＴ３０１で増幅された高周波電力は、段間整合回路３１２を通過してＨＢＴ３０２に入力される。ＨＢＴ３０２で増幅された高周波電力は、出力整合回路３１３を通過して出力端子３２２から出力される。
【０００７】
次に、中出力経路の動作を説明する。入力端子３２１から入力された高周波電力は、入力整合回路３１４を通過してＨＢＴ３０３に入力される。ＨＢＴ３０３で増幅された高周波電力は、出力整合回路３１５、出力整合回路３１３を通過して出力端子３２２から出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７１３５９１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図６に記載された従来の２モード切替のＰＡモジュール３００においては、中出力時よりさらに出力レベルの低い低出力動作においては、低消費電力化の実現が困難という問題がある。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑み、回路規模を大きくすることなく、中出力および低出力における電力効率を向上させた高周波電力増幅器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】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高周波電力増幅器は、高周波信号を増幅する複数の経路から、出力電力レベルに応じた経路を選択して使用する高周波電力増幅器であって、前記高周波信号が印加される入力端子と増幅された高周波信号が出力される出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第１のトランジスタが配置された、高出力レベルが要求された場合に選択される高出力経路と、前記入力端子と前記出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第２のトランジスタが配置された、中出力レベルが要求された場合に選択される中出力経路と、前記入力端子と前記出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第３のトランジスタが配置された、低出力レベルが要求された場合に選択される低出力経路とを含み、前記第２のトランジスタの出力ノードに接続された第１のインピーダンス変換回路と、一端が、前記出力ノードと前記出力端子との間であって、前記中出力経路上に接続され、他端が、第１のコンデンサを介して接地された第１のスイッチと、前記第３のトランジスタの出力ノードと前記出力端子との間であって、前記低出力経路上の接続ノードに接続された第２のインピーダンス変換回路とを具備し、前記第１のスイッチがオフ状態の場合、前記第１のインピーダンス変換回路は、前記接続ノードから前記出力端子を見たインピーダンスを、５０Ωより小さいインピーダンスに変換し、前記第２のインピーダンス変換回路は、前記第３のトランジスタの出力ノードから前記出力端子を見たインピーダンスを、５０Ωより大きいインピーダンスに変換することを特徴とするものである。
【００１２】
上記構成の高周波電力増幅器によれば、要求される出力電力レベルに応じて、３つの出力経路を選択することができる。具体的には、低出力時には、第１のスイッチをオフ状態とすることで、第１のインピーダンス変換回路により、出力端子のインピーダンスを、一旦５０Ωより小さいインピーダンス（ＺＡ、ＺＢ）に変換する。また、第２のインピーダンス変換回路は、上記５０Ωより小さくなったインピーダンスを、５０Ωより高いインピーダンスに変換する。これにより、低出力経路における低インピーダンスから高インピーダンスへの変換過程において、インピーダンス不整合による電力ロスを最小限に抑えることができる。よって、従来の２モード切替型のＰＡモジュールと比較して、電力効率を向上させることが可能となる。
【００１３】
また、本発明の一態様は、さらに、前記第１のトランジスタの出力ノードと前記出力端子との間に直列挿入された第２のスイッチと、前記第２のトランジスタの出力ノード及び前記第１のスイッチの接続点と、前記出力端子との間に直列挿入された第３のスイッチとを備えてもよい。
【００１４】
これにより、高出力動作時には第３のスイッチをオフさせることで中出力経路が完全に切り離され、また、中出力動作時及び低出力動作時には第２のスイッチをオフさせることで高出力経路が完全に切り離されるので、アイソレーション特性を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明の一態様は、前記第１のインピーダンス変換回路は、一端が、前記第２のトランジスタの出力ノードに接続された第１のインダクタと、一端が、前記第１のインダクタの他端に接続され、他端が接地された第２のコンデンサとを備えることが好ましい。
【００１６】
これにより、従来では、第２のトランジスタから出力される高周波電力がコレクタ電源端子に漏れることを防止するために一般的に設けられるチョークコイルとして機能していた第１のインダクタを、本発明では、低出力増幅時の低インピーダンス化に寄与させるべく、低インダクタンス化することにより小型化に寄与できる。
【００１７】
また、本発明の一態様は、前記第１のスイッチがオン状態の場合、前記第１のインダクタのリアクタンスと前記第１のコンデンサのリアクタンスとの和が実質的に０となることが好ましい。
【００１８】
これにより、中出力動作時には第１のスイッチをオン状態とすることで、中出力増幅時のリアクタンス成分を除去して、中出力経路のインピーダンスを、５０Ωに調整できる。
【００１９】
また、本発明の一態様は、前記第２のインピーダンス変換回路は、一端が、前記第２のトランジスタの出力ノードと前記第１のスイッチの一端との間であって前記中出力経路上に接続され、他端が前記第３のトランジスタの出力ノードに接続された第２のインダクタと、一端が、前記第３のトランジスタの出力ノードに接続され、他端が接地された第３のコンデンサとを備えることが好ましい。
【００２０】
これにより、第３のトランジスタの出力ノードから出力端子を見たインピーダンスを、５０Ωより高いインピーダンスに変換することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、要求される出力電力に応じて、高出力経路と中出力経路と低出力経路を切替えて動作させることで、低出力時の電力効率を改善することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の高周波電力増幅器の実施の形態１に係るＰＡモジュールの回路ブロック図である。
【図２】実施の形態１に係るＰＡモジュールの低出力経路におけるＺＡ、ＺＢ、ＺＣの関係を示すスミスチャートである。
【図３】実施の形態１に係る比較例を示すＰＡモジュールの回路ブロック図である。
【図４】実施の形態１に係る比較例を示すＰＡモジュールの低出力経路におけるＺＡ１、ＺＢ１、ＺＣ１の関係を示すスミスチャートである。
【図５】本発明の高周波電力増幅器の実施の形態２に係るＰＡモジュールの回路ブロック図である。
【図６】特許文献１に記載されたＰＡモジュールの回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る高周波電力増幅器の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の高周波電力増幅器の実施の形態１に係るＰＡモジュールの回路ブロック図である。同図に記載されたＰＡモジュール１００は、３モード切替型のＰＡモジュールであり、高出力電力用の経路である高出力経路ＨＲ１と、中出力電力用の経路である中出力経路ＭＲ１と、低出力電力用の経路である低出力経路ＬＲ１とを含む。
【００２５】
高出力経路ＨＲ１は、入力端子１２１と出力端子１２２とに接続され、当該経路には、入力整合回路１１１と、ＨＢＴ１０１と、段間整合回路１１２と、ＨＢＴ１０２と出力整合回路１１３とが配置されている。ＨＢＴ１０１及び１０２は、入力高周波信号を増幅する第１のトランジスタである。上記構成により、高出力経路ＨＲ１は、高出力レベルが要求された場合に選択される。
【００２６】
中出力経路ＭＲ１は、入力端子１２１と出力端子１２２とに接続され、当該経路には、入力整合回路１１４と、ＨＢＴ１０３とが配置されている。ＨＢＴ１０３は、入力高周波信号を増幅する第２のトランジスタである。上記構成により、中出力経路ＭＲ１は、中出力レベルが要求された場合に選択される。
【００２７】
低出力経路ＬＲ１は、入力端子１２１と出力端子１２２とに接続され、当該経路には、入力整合回路１１５と、ＨＢＴ１０４とが配置されている。ＨＢＴ１０４は、入力高周波信号を増幅する第３のトランジスタである。上記構成により、低出力経路ＬＲ１は、低出力レベルが要求された場合に選択される。
【００２８】
また、ＨＢＴ１０３の出力ノードには、第１のインピーダンス変換回路であるインピーダンス変換回路１１７が接続されている。
【００２９】
また、ＨＢＴ１０３の出力ノードと出力端子１２２との間であって、中出力経路ＭＲ１上には、スイッチ１０５の一端が接続されている。スイッチ１０５の他端は、コンデンサ１３５を介して接地されている。
【００３０】
また、ＨＢＴ１０４の出力ノードと出力端子１２２との間であって、低出力経路ＬＲ１上の接続ノードには、第２のインピーダンス変換回路であるインピーダンス変換回路１１６が接続されている。
【００３１】
インピーダンス変換回路１１７は、インダクタ１３３及びコンデンサ１３４で構成される。インダクタ１３３は、第１のインダクタであり、一端がＨＢＴ１０３の出力ノードに接続され、他端がコンデンサ１３４の一端に接続されている。コンデンサ１３４は、第２のコンデンサであり、他端が接地されている。また、インダクタ１３３とコンデンサ１３４との接続点には、コレクタ電源端子１４３が接続されている。インダクタ１３３のインダクタンス値は、高周波電力がコレクタ電源端子１４３に漏れることを防止するために一般的に設けられるチョークコイルの値よりも小さく、中出力経路ＭＲ１及び低出力経路ＬＲ１のインピーダンス整合に影響を与える。
【００３２】
上記構成において、中出力動作時にはスイッチ１０５をオンさせ、低出力動作時にはスイッチ１０５をオフさせる。
【００３３】
インピーダンス変換回路１１６は、インダクタ１３１及びコンデンサ１３２で構成される。インダクタ１３１は、第２のインダクタであり、一端がＨＢＴ１０３の出力ノードとスイッチ１０５の一端との間であって中出力経路ＭＲ１上に接続され、他端がＨＢＴ１０４の出力ノードに接続されている。コンデンサ１３２は、第３のコンデンサであり、一端がＨＢＴ１０４の出力ノードに接続され、他端が接地されている。
【００３４】
一例として、ＰＡモジュール１００は、要求される出力電力である出力端子１２２からの高周波出力が１５ｄＢｍより大きい場合は高出力経路ＨＲ１が動作し、７ｄＢｍより大きく１５ｄＢｍ以下の範囲では中出力経路ＭＲ１が動作し、７ｄＢｍ以下の場合には低出力経路ＬＲ１が動作するように設計されている。
【００３５】
まず、高出力経路ＨＲ１における動作を説明する。入力端子１２１から入力された高周波電力は、入力整合回路１１１を通過してＨＢＴ１０１に入力される。ＨＢＴ１０１で増幅された高周波電力は、段間整合回路１１２を通過してＨＢＴ１０２に入力される。ＨＢＴ１０２で増幅された高周波電力は、出力整合回路１１３を通過して出力端子１２２から出力される。
【００３６】
次に、中出力経路ＭＲ１における動作を説明する。中出力動作時には、スイッチ１０５をオンする。その結果、インダクタ１３３及びコンデンサ１３５により、中出力経路ＭＲ１のインピーダンスは、５０Ωに変換される。これは、スイッチ１０５がオンの場合、インダクタ１３３のリアクタンスとコンデンサ１３５のリアクタンスとの和が実質的に０となることで、中出力経路ＭＲ１のインピーダンスのリアクタンス成分が打ち消されることによる。この構成により、入力端子１２１から入力された高周波電力は、入力整合回路１１４を通過してＨＢＴ１０３に入力され、ＨＢＴ１０３で増幅された高周波電力が、出力端子１２２から出力される。
【００３７】
次に、低出力経路ＬＲ１における動作を説明する。低出力動作時には、スイッチ１０５をオフとする。その結果、コンデンサ１３５がオープン状態となる。ここで、図１の回路ブロック図において、インダクタ１３１の出力ノードのうちＨＢＴ１０３の出力ノード側の点をＡとし、インダクタ１３１の出力ノードのうちＨＢＴ１０４の出力ノード側の点をＢとし、ＨＢＴ１０４のコレクタ端子側の点をＣとし、ＨＢＴ１０３の出力ノードとインダクタ１３１との接続点をＤとし、点Ａから点Ｄを見たインピーダンスをＺＡ、点Ｂから点Ａを見たインピーダンスをＺＢ、及び点Ｃから点Ｂを見たインピーダンスをＺＣとする。
【００３８】
図２は、実施の形態１に係るＰＡモジュールの低出力経路ＬＲ１におけるＺＡ、ＺＢ、ＺＣの関係を示すスミスチャートである。スイッチ１０５がオフとなりコンデンサ１３５がオープンとなった結果、インダクタ１３３の影響によりＺＡのインピーダンスは低インピーダンスとなる。そして、低インピーダンスとなったＺＡから、ＺＢを経て、コンデンサ１３２により、ＺＣが高インピーダンスへと変換される。
【００３９】
つまり、インピーダンス変換回路１１７は、低出力経路ＬＲ１では、スイッチ１０５をオフとすることで、Ａ点及びＢ点から出力端子１２２を見たインピーダンスを、一旦５０Ωより小さいインピーダンス（ＺＡ、ＺＢ）に変換し、インピーダンス変換回路１１６は、Ｃ点から出力端子１２２を見たインピーダンスを、５０Ωより高いインピーダンス（ＺＣ）に変換する。
【００４０】
上記構成における実施例として、次のような特性改善が得られた。
【００４１】
低出力動作において、周波数８２４ＭＨｚ、電源電圧３．４Ｖ、出力電力７ｄＢｍの条件で、−４０ｄＢｃ以下のＡＣＬＲ（隣接チャネル漏洩電力比）と１５％以上の効率を得るためには、ＺＣは２００Ωに設計する必要がある。この観点から、インダクタ１３３を８ｎＨ（ＺＡ＝２０＋ｊ２４Ω）、インダクタ１３１を７ｎＨ（ＺＢ＝２０＋ｊ６２Ω）、コンデンサ１３２を３ｐＦ（ＺＣ＝２０５−ｊ６Ω）とすることにより、低出力時の電力効率は、１２％から１８％へと改善した。インダクタ１３１を、従来は１５ｎＨであったが、７ｎＨと小さくすることで、伝送ロスも小さくなる。また、インダクタ１３３を、従来のチョークコイルから、インピーダンス整合素子として８ｎＨとすることにより、小型化にも寄与できる。
【００４２】
上述した本発明の高周波増幅器に係るＰＡモジュールに対して、以下、比較例を説明して本発明との構成及び効果の差異を明確にする。
【００４３】
図３は、実施の形態１に係る比較例を示すＰＡモジュールの回路ブロック図である。ＰＡモジュール２００は、３モード切替型のＰＡモジュールであり、高出力電力用の経路である高出力経路ＨＲ２と、中出力電力用の経路である中出力経路ＭＲ２と、低出力電力用の経路である低出力経路ＬＲ２とを含む。図３に記載された比較例に係るＰＡモジュール２００は、図１に記載された本発明のＰＡモジュール１００と比較して、Ｄ１点と出力端子１２２との間に、スイッチ１０５及びコンデンサ１３５が接続されていない点、及び、インダクタ１３３の代わりにチョークコイル２３３が配置されている点である。
【００４４】
高出力経路ＨＲ２における動作は、本発明のＰＡモジュール１００の高出力経路ＨＲ１における動作と同様であるので、説明を省略する。
【００４５】
次に、中出力経路ＭＲ２における動作を説明する。入力端子１２１から入力された高周波電力は、入力整合回路１１４を通過してＨＢＴ１０３に入力される。ＨＢＴ１０３で増幅された高周波電力は、出力端子１２２から出力される。コレクタ電源端子１４３は、整合回路２１７の構成要素であるチョークコイル２３３を介してＨＢＴ１０３のコレクタに接続されている。このチョークコイル２３３は、高周波電力がコレクタ電源端子に漏れることを防止するために設けられているものであり十分大きい値であるため、中出力経路ＭＲ２及び低出力経路ＬＲ２の整合には影響を及ぼさない。
【００４６】
次に、低出力経路ＬＲ２における動作を説明する。入力端子１２１から入力された高周波電力は、入力整合回路１１５を通過してＨＢＴ１０４に入力される。ＨＢＴ１０４で増幅された高周波電力は、整合回路２１６を通過して出力端子１２２から出力される。整合回路２１６はインダクタ２３１及びコンデンサ２３２で構成されている。
【００４７】
図３に記載されたＰＡモジュール２００のブロック図において、インダクタ２３１の出力ノードのうちＨＢＴ１０３の出力ノード側の点をＡ１、インダクタ２３１の出力ノードのＨＢＴ１０４の出力ノード側の点をＢ１、ＨＢＴ１０４のコレクタ端子側の点をＣ１、ＨＢＴ１０３の出力ノードとインダクタ２３１との接続点をＤ１とし、点Ａ１から点Ｄ１を見たインピーダンスをＺＡ１、点Ｂ１から点Ａ１を見たインピーダンスをＺＢ１、点Ｃ１から点Ｂ１を見たインピーダンスをＺＣ１とする。
【００４８】
図４は、実施の形態１に係る比較例を示すＰＡモジュールの低出力経路ＬＲ２におけるＺＡ１、ＺＢ１、ＺＣ１の関係を示すスミスチャートである。チョークコイル２３３がＺＡ１のインピーダンス変化に寄与しないため、ＺＡ１は５０Ωから変化しない。そして、このＺＡから、ＺＢを経て、コンデンサ２３２により、ＺＣは高インピーダンスに変換される。
【００４９】
上述した比較例の構成において、一例として、低出力経路ＬＲ２において、周波数８２４ＭＨｚ、電源電圧３．４Ｖ、出力電力７ｄＢｍの条件で、−４０ｄＢｃ以下のＡＣＬＲと１５％以上の効率を得るためには、ＺＣは２００Ωに設計する必要がある。この観点から、インダクタ２３１を１５ｎＨ（ＺＢ＝５２＋ｊ９０Ω）、コンデンサ２３２を１．７ｐＦ（ＺＣ＝２０５−ｊ１３Ω）とすることにより、低出力時の電力効率は１２％となった。低出力時の電力効率が改善されない理由として、ＺＢの実部が５２Ωであることによるインダクタ２３１での伝送ロスの影響が挙げられる。
【００５０】
また、インダクタ２３１を最適化した場合のインダクタンス値が大きいことから、ＭＭＩＣ内のインダクタの面積が大きくなるため、チップサイズが大きくなり、結果としてＰＡモジュールのコストが増大する。また、インダクタ２３１の伝送ロス成分も大きくなることから、高効率化は困難である。
【００５１】
（実施の形態２）
図５は、本発明の高周波電力増幅器の実施の形態２に係るＰＡモジュールの回路ブロック図である。同図に記載されたＰＡモジュール１５０は、３モード切替型のＰＡモジュールであり、高出力電力用の経路である高出力経路ＨＲ３と、中出力電力用の経路である中出力経路ＭＲ３と、低出力電力用の経路である低出力経路ＬＲ３とを含む。図５に示されたＰＡモジュール１５０は、図１に示された実施の形態１に係るＰＡモジュール１００と比較して、高出力経路ＭＲ３の出力整合回路１１３と出力端子１２２との間に第２のスイッチであるスイッチ１０６が直列接続されている点、中出力経路ＭＲ２の点Ｄと出力端子１２２との間に第３のスイッチであるスイッチ１０７が直列接続されている点、ならびに、コレクタ電源端子１４１、１４２及び１４３がチョークコイル１３６、１３７、及びインダクタ１３３を介して、それぞれ、ＨＢＴ１０１、１０２、及び１０３に接続されている点が異なる。以下、実施の形態１に係るＰＡモジュール１００と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみ説明する。
【００５２】
スイッチ１０６は、高出力動作時にオン状態とされ、中出力動作時及び低出力動作時にオフ状態とされる。
【００５３】
一方、スイッチ１０７は、高出力動作時にオフ状態とされ、中出力動作時及び低出力動作時にオン状態とされる。
【００５４】
上記構成により、高出力動作時にスイッチ１０７をオフ状態とすることにより、中出力経路ＭＲ３が完全に切り離されるので、アイソレーション特性が向上する。同様に、中出力動作時及び低出力動作時にスイッチ１０６をオフ状態とすることにより、高出力経路ＨＲ３が完全に切り離されるので、アイソレーション特性を向上させることができる。
【００５５】
以上のように、本発明の実施の形態１及び２に係る高周波電力増幅器によれば、要求される出力電力レベルに応じて、３つの出力経路を選択することができる。
【００５６】
中出力時には、インピーダンス変換回路１１７及び出力端子１２２の間のノードであって、当該ノードと接地端子との間に配置されたスイッチ１０５をオン状態とすることにより、インピーダンス変換回路１１７が有するインダクタ１３３及びスイッチ１０５と接地端子との間に配置されたコンデンサ１３５により、中出力経路ＭＲ１のリアクタンス成分が打ち消され、中出力経路ＭＲ１のインピーダンスが５０Ωに変換される。よって、中出力時には、中出力経路ＭＲ１が選択され、入力端子１２１から入力された高周波電力は、入力整合回路１１４を通過してＨＢＴ１０３に入力され、ＨＢＴ１０３で増幅された高周波電力が、出力端子１２２から出力される。
【００５７】
一方、低出力時には、スイッチ１０５をオフ状態とすることにより、出力端子１２２のインピーダンス（５０Ω）を、一旦５０Ωより小さいインピーダンス（ＺＡ、ＺＢ）に変換させた後、インピーダンス変換回路１１６により、５０Ωより高いインピーダンス（ＺＣ）に変換させている。これにより、低出力経路における低インピーダンスから高インピーダンスへの変換過程において、インピーダンス不整合による電力ロスを最小限に抑えることができる。よって、従来の２モード切替型のＰＡモジュールと比較して、電力効率を向上させることが可能となる。
【００５８】
また、従来では、チョークコイルとして機能していたインピーダンス変換回路１１７のインダクタを、上述したように、中出力増幅時のリアクタンス成分の除去、及び、低出力増幅時の低インピーダンス化に寄与させるため、低インダクタンス化することにより、小型化にも寄与できる。
【００５９】
さらに、本発明の実施の形態２に係る高周波電力増幅器によれば、高出力動作時にスイッチ１０７をオフさせること、または、中出力動作時及び低出力動作時にスイッチ１０６をオフさせることにより、アイソレーション特性を向上させることができる。
【００６０】
以上、本発明の高周波電力増幅器について、実施の形態１及び２に基づいて説明してきたが、本発明に係る高周波電力増幅器は、上記実施の形態１及び２に限定されるものではない。実施の形態１及び２における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態１及び２に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る高周波電力増幅器を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の高周波電力増幅器は、低出力条件においても高効率化を実現することができ、携帯電話端末をはじめとする移動体通信の送信装置に利用が可能であり、産業上有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１００、１５０、２００、３００ ＰＡモジュール
１０１、１０２、１０３、１０４、３０１、３０２、３０３ ＨＢＴ
１０５、１０６、１０７ スイッチ
１１１、１１４、１１５、３１１、３１４ 入力整合回路
１１２、３１２ 段間整合回路
１１３、３１３、３１５ 出力整合回路
１１６、１１７ インピーダンス変換回路
１２１、３２１ 入力端子
１２２、３２２ 出力端子
１３２、１３４、１３５、２３２、２３４ コンデンサ
１３１、１３３、２３１ インダクタ
１４１、１４２、１４３ コレクタ電源端子
２１６、２１７ 整合回路
２３３、１３６、１３７ チョークコイル
ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３ 高出力経路
ＬＲ１、ＬＲ２、ＬＲ３ 低出力経路
ＭＲ１、ＭＲ２、ＭＲ３ 中出力経路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号を増幅する複数の経路から、出力電力レベルに応じた経路を選択して使用する高周波電力増幅器であって、
前記高周波信号が印加される入力端子と増幅された高周波信号が出力される出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第１のトランジスタが配置された、高出力レベルが要求された場合に選択される高出力経路と、
前記入力端子と前記出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第２のトランジスタが配置された、中出力レベルが要求された場合に選択される中出力経路と、
前記入力端子と前記出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第３のトランジスタが配置された、低出力レベルが要求された場合に選択される低出力経路とを含み、
前記第２のトランジスタの出力ノードに接続された第１のインピーダンス変換回路と、
一端が、前記出力ノードと前記出力端子との間であって、前記中出力経路上に接続され、他端が、第１のコンデンサを介して接地された第１のスイッチと、
前記第３のトランジスタの出力ノードと前記出力端子との間であって、前記低出力経路上の接続ノードに接続された第２のインピーダンス変換回路とを具備し、
前記第１のスイッチがオフ状態の場合、
前記第１のインピーダンス変換回路は、前記接続ノードから前記出力端子を見たインピーダンスを、５０Ωより小さいインピーダンスに変換し、
前記第２のインピーダンス変換回路は、前記第３のトランジスタの出力ノードから前記出力端子を見たインピーダンスを、５０Ωより大きいインピーダンスに変換する
高周波電力増幅器。
【請求項２】
さらに、
前記第１のトランジスタの出力ノードと前記出力端子との間に直列挿入された第２のスイッチと、
前記第２のトランジスタの出力ノード及び前記第１のスイッチの接続点と、前記出力端子との間に直列挿入された第３のスイッチとを備える
請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項３】
前記第１のインピーダンス変換回路は、
一端が、前記第２のトランジスタの出力ノードに接続された第１のインダクタと、
一端が、前記第１のインダクタの他端に接続され、他端が接地された第２のコンデンサとを備える
請求項１または２に記載の高周波電力増幅器。
【請求項４】
前記第１のスイッチがオン状態の場合、
前記第１のインダクタのリアクタンスと前記第１のコンデンサのリアクタンスとの和が実質的に０となる
請求項３に記載の高周波電力増幅器。
【請求項５】
前記第２のインピーダンス変換回路は、
一端が、前記第２のトランジスタの出力ノードと前記第１のスイッチの一端との間であって前記中出力経路上に接続され、他端が前記第３のトランジスタの出力ノードに接続された第２のインダクタと、
一端が、前記第３のトランジスタの出力ノードに接続され、他端が接地された第３のコンデンサとを備える
請求項３または４に記載の高周波電力増幅器。
【請求項１】
高周波信号を増幅する複数の経路から、出力電力レベルに応じた経路を選択して使用する高周波電力増幅器であって、
前記高周波信号が印加される入力端子と増幅された高周波信号が出力される出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第１のトランジスタが配置された、高出力レベルが要求された場合に選択される高出力経路と、
前記入力端子と前記出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第２のトランジスタが配置された、中出力レベルが要求された場合に選択される中出力経路と、
前記入力端子と前記出力端子とに接続され、前記高周波信号を増幅する第３のトランジスタが配置された、低出力レベルが要求された場合に選択される低出力経路とを含み、
前記第２のトランジスタの出力ノードに接続された第１のインピーダンス変換回路と、
一端が、前記出力ノードと前記出力端子との間であって、前記中出力経路上に接続され、他端が、第１のコンデンサを介して接地された第１のスイッチと、
前記第３のトランジスタの出力ノードと前記出力端子との間であって、前記低出力経路上の接続ノードに接続された第２のインピーダンス変換回路とを具備し、
前記第１のスイッチがオフ状態の場合、
前記第１のインピーダンス変換回路は、前記接続ノードから前記出力端子を見たインピーダンスを、５０Ωより小さいインピーダンスに変換し、
前記第２のインピーダンス変換回路は、前記第３のトランジスタの出力ノードから前記出力端子を見たインピーダンスを、５０Ωより大きいインピーダンスに変換する
高周波電力増幅器。
【請求項２】
さらに、
前記第１のトランジスタの出力ノードと前記出力端子との間に直列挿入された第２のスイッチと、
前記第２のトランジスタの出力ノード及び前記第１のスイッチの接続点と、前記出力端子との間に直列挿入された第３のスイッチとを備える
請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項３】
前記第１のインピーダンス変換回路は、
一端が、前記第２のトランジスタの出力ノードに接続された第１のインダクタと、
一端が、前記第１のインダクタの他端に接続され、他端が接地された第２のコンデンサとを備える
請求項１または２に記載の高周波電力増幅器。
【請求項４】
前記第１のスイッチがオン状態の場合、
前記第１のインダクタのリアクタンスと前記第１のコンデンサのリアクタンスとの和が実質的に０となる
請求項３に記載の高周波電力増幅器。
【請求項５】
前記第２のインピーダンス変換回路は、
一端が、前記第２のトランジスタの出力ノードと前記第１のスイッチの一端との間であって前記中出力経路上に接続され、他端が前記第３のトランジスタの出力ノードに接続された第２のインダクタと、
一端が、前記第３のトランジスタの出力ノードに接続され、他端が接地された第３のコンデンサとを備える
請求項３または４に記載の高周波電力増幅器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−２６９８８（Ｐ２０１３−２６９８８Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６２６５５（Ｐ２０１１−１６２６５５）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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