JP2003188651A - 高効率増幅器 - Google Patents
高効率増幅器Info
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Abstract
ス整合の適正な高効率増幅器を提供する。 【解決手段】 増幅器入力信号を2分配する分配器11
を具備し、2分配された増幅器入力信号のそれぞれを各
別に増幅する2個の増幅器21、31を具備し、2個の
増幅器21、31それぞれの出力端に出力側整合回路2
4、34を介して接続するインピーダンス変換器24、
34を具備し、両インピーダンス変換器24、34の出
力端に接続して増幅器21、31の増幅出力を入力合成
する合成器41を具備する高効率増幅器。
Description
関し、特に、2個の増幅器の双方共出力端インピーダン
ンス整合の適正な高効率増幅器に関する。
を用いた増幅器構成(W.H.Doherty,"The high efficien
cy amplifier with modulated wave",Proc.IRE.Vol.24
,No.9,pp.1163-1182,1936 )が提案されている。即ち、
ドハティは、中波放送局用送信電力増幅器の高効率化に
関して、飽和増幅を行う平均電力増幅器と或る設定値以
上のピーク電圧を増幅するピーク電力増幅器とを並列構
成とし、トランスにより構成される逆インピーダンス変
換器により結合し、両増幅器出力信号を合成する高効率
増幅器を構成した。一般に、この高効率増幅器はドハテ
ィ増幅器といわれる。このドハティ増幅器は、従来の単
一の増幅器によりピーク電力を有する変調波信号を増幅
する場合と比較して、陽極能率の極めて高い増幅をする
ことができる。
る。この様な背景のもとで、無線機器の低消費電力化、
小型化、端末使用時間の拡大の必要性が増大している。
そして、これまでに数々の高効率増幅技術が研究開発さ
れている。ドハティ増幅器についても、他の高効率増幅
技術と同様に、高効率増幅技術の一つとして検討されて
きた。ここで、1. 7GHz帯ドハティマイクロ波増幅
器の試作結果が報告されている(R.J.McMorrow,D.M.Vot
on,andP.R.Malonney "The Doherty Microwaveamplifie
r",1994.IEEE MTTS Digest,TH3-E,1994 )。この報告に
おけるドハティマイクロ波増幅器は図6に示される如き
ものである。このドハティマイクロ波増幅器は、1/4
波長マイクロストリップラインを使用して逆インピーダ
ンス変換器を構成している。
ピーク電力注入によるマイクロ波増幅器の高効率化(電
子情報通信学会技術研究報告 ED2001−151〜
163)が開示されている。これは、B級にバイアスさ
れた平均電力増幅器21と、C級にバイアスされたピー
ク電力増幅器31と、平均電力増幅器21の出力側に設
けられたサーキュレータより成る。ピーク電力増幅器3
1の動作しない入力電圧、即ち入力電力においては、平
均電力増幅器21のみが動作する。平均電力増幅器21
により増幅された信号は実線矢印に示される通りにサー
キュレータを通過して出力側に現れる。この時、ピーク
電力増幅器31は動作していないので、平均電力増幅器
21側から出力回路側をみたインピーダンスは整合回路
のインピーダンスであり、これを適正に整合することに
より低入力電圧時の動作を高効率とすることができる。
この場合、平均電力増幅器21の出力整合回路は小入力
電力時において整合するプリマッチ回路と可変インピー
ダンスのチューナより構成され、平均電力増幅器21の
出力端インピーダンンスを調整することができる。
においては平均電力増幅器21とピーク電力増幅器31
は双方共に動作する。ピーク電力増幅器31により増幅
された信号は鎖線矢印に示される通りにサーキュレータ
を通過して平均電力増幅器21の出力側に注入される。
平均電力増幅器21側から出力回路側をみると、平均電
力増幅器21が出力する信号と同一の信号が出力端に戻
って来る様に見えるので、等価的に負荷インピーダンス
が変化したことに相当する。ここで、平均電力増幅器2
1により増幅された信号と平均電力増幅器21の出力側
に注入されたピーク電力増幅器31により増幅された信
号の振幅および位相を適当に調整することにより、平均
電力増幅器21の飽和電力は増大する。
側バイアス設定値の異なる平均電力増幅器21およびピ
ーク電力増幅器32の出力信号を逆インピーダンス変換
器より成るドハティネットワーク41’において結合合
成している。ドハティ増幅器により高効率電力増幅をす
ることができる理由は、これら2個の増幅器21、32
の出力信号をドハティネットワーク41’における逆イ
ンピーダンス変換器により合成していることに因る。即
ち、平均電力増幅器21のみ動作している時は、平均電
力増幅器21の出力端インピーダンンスを2倍の2Rオ
ームに設定する。これにより、本来のインピーダンスR
オームにより得られる送信出力をPワットとすれば、逆
インピーダンス変換器により同じ送信出力Pワットを得
るに電流は1/2となる。このことから、単純な例によ
ると、逆インピーダンス変換器において同一送信出力で
効率を2倍にすることができる。ピーク電力増幅器32
の動作時は、両増幅器の出力端インピーダンンスをRオ
ームに設定する。ところが、単純な1/4波長インピー
ダンス変換器を使用することに依ってピーク電力増幅器
32の動作時の平均電力増幅器21のインピーダンスを
Rオームに戻すには、更にインピーダンス変換器を設け
る必要がある。
電力増幅器21の出力整合回路を、小入力電力時におい
ては平均電力増幅器21の出力端インピーダンスに整合
するプリマッチ回路と可変インピーダンスのチューナよ
り構成し、平均電力増幅器21の出力端インピーダンン
スを調整する構成を採用している。これに依れば、平均
電力増幅器21は小入力電力時においては出力整合がと
れて高効率動作をすることができるが、大入力電力時に
おいてはピーク電力増幅器31も動作して平均電力増幅
器21の出力端に接続し、出力整合が得られなくなる。
インピーダンンス整合の適正な上述の問題を解消した高
効率増幅器を提供するものである。
号を2分配する分配器11を具備し、2分配された増幅
器入力信号それぞれを各別に増幅する2個の増幅器2
1、31を具備し、2個の増幅器21、31それぞれの
出力端に出力側整合回路24、34を介して接続するイ
ンピーダンス変換器24、34を具備し、両インピーダ
ンス変換器24、34の出力端に接続して増幅器21、
31の増幅出力を入力合成する合成器41を具備する高
効率増幅器を構成した。
高効率増幅器において、2個の増幅器21、31をGa
As−FETその他の半導体素子により構成した高効率
増幅器を構成した。また、請求項3:請求項1および請
求項2の内の何れかに記載される高効率増幅器におい
て、2個の増幅器21、31の入力側のバイアス電圧を
相異なる電圧に設定した高効率増幅器を構成した。更
に、請求項4:請求項1および請求項2の内の何れかに
記載される高効率増幅器において、2個の増幅器21、
31の出力側のバイアス電圧を相異なる電圧に設定した
高効率増幅器を構成した。
の内の何れかに記載される高効率増幅器において、2個
の増幅器21、31の出力側のバイアス電圧を同一の電
圧に設定した高効率増幅器を構成した。ここで、請求項
6:請求項1ないし請求項5の内の何れかに記載される
高効率増幅器において、インピーダンス変換器は1/4
波長マイクロストリップラインにより構成したこと特徴
とする高効率増幅器を構成した。そして、請求項7:請
求項1ないし請求項6の内の何れかに記載される高効率
増幅器において、インピーダンス変換器はマイクロスト
リップライン上のスタブにより構成した高効率増幅器を
構成した。
の内の何れかに記載される高効率増幅器において、合成
器41はウイルキンソンデバイダより成る高効率増幅器
を構成した。更に、請求項9:請求項1ないし請求項7
の内の何れかに記載される高効率増幅器において、合成
器41は、不均等電力合成器より成る高効率増幅器を構
成した。ここで、請求項10:請求項1ないし請求項9
の内の何れかに記載される高効率増幅器において、2個
の増幅器は平均電力増幅器21とピーク電力増幅器31
より成る高効率増幅器を構成した。
れる高効率増幅器において、平均電力増幅器21の出力
側整合回路23とピーク電力増幅器31の出力側整合回
路23の出力側に高調波フィルタを付加した高効率増幅
器を構成した。
施例を参照して説明する。11は増幅されるべき増幅器
入力信号を2分配する分配器である。この分配器11は
方向性結合器或いは電力分配器により構成する。21は
増幅器入力信号を直線増幅するB級増幅器より成る平均
電力増幅器である。この平均電力増幅器21は、入力側
整合回路22と出力側整合回路23とを有している。そ
して、平均電力増幅器21は多段に構成することができ
る。24は出力側整合回路23の出力端に接続する平均
電力増幅器21のインピーダンス変換器であり、平均電
力増幅器21の出力端インピーダンスを設定する。31
は正側変調時のみ動作するC級増幅器より成るピーク電
力増幅器である。このピーク電力増幅器31は、入力側
整合回路32と出力側整合回路33とを有している。そ
して、ピーク電力増幅器31は多段に構成することがで
きる。34は出力側整合回路33の出力端に接続するピ
ーク電力増幅器31のインピーダンス変換器であり、ピ
ーク電力増幅器31の出力端インピーダンスを設定する
ものである。41は合成器であり、インピーダンス変換
器24を介し出力される平均電力増幅器21の出力信
号、およびインピーダンス変換器34を介し出力される
ピーク電力増幅器31の出力信号を結合するものであ
る。ところで、分配器11により分配される信号に位相
差がある場合、平均電力増幅器21およびピーク電力増
幅器31の出力信号を合成するまでに遅延線路或いは位
相器を挿入して位相差を補償する必要がある。
増幅器31とを飽和出力1ワットのGaAs−FETよ
り成る増幅器により構成し、分配器11を電力分配器に
より構成し、出力側合成器41を電力合成器により構成
する。平均電力増幅器21のゲートバイアス電圧をB級
動作点に設定し、ピーク電力増幅器31のゲートバイア
ス電圧をC級動作点に設定する。また、平均電力増幅器
21のインピーダンス変換器24は、例えば、出力側整
合回路23の出力端インピーダンスとは異なる特性イン
ピーダンス50オームの2倍の100オームに調整設定
する。ピーク電力増幅器31のインピーダンス変換器3
4は出力側整合回路33の出力端インピーダンスとは異
なる特性インピーダンス50オームの1/2倍の25オ
ームに調整設定する。電力合成器41として、ウイルキ
ンソン形電力合成器を使用する。この発明において、合
成器は2入力端子間においてアイソレーションがとれて
いる必要があり、この点に関して、入力端子間における
インピーダンス整合のとれているウイルキンソンデバイ
ダは、電力合成すると共に入力端子間のアイソレーショ
ンがとれている回路素子であり、この発明の合成器とし
て好適である。
いて説明する。増幅器入力信号がピーク電力増幅器31
のC級動作点以下の入力電圧の場合、平均電力増幅器2
1のみが動作する。この場合、平均電力増幅器21の出
力端インピーダンンスは上述した100オームである。
50オームの特性インピーダンスと比較して、平均電力
増幅器21の出力端インピーダンンスは2倍であるの
で、平均電力増幅器21のドレイン電力は1/2とな
る。もし、本来のインピーダンス50オームにより得ら
れる出力電力と同じ出力電力を得るものとすれば、出力
端インピーダンンスが2倍であることにより消費電流は
1/2となる。
C級動作点以上の入力電圧の場合、平均電力増幅器21
とピーク電力増幅器31は双方共に動作する。ピーク電
力増幅器31の出力端インピーダンンスは25オームで
あり、特性インピーダンス50オームと比較してインピ
ーダンスは1/2である。従って、ドレイン電圧を同一
とすれば、ドレイン電流は2倍となる。もし、本来のイ
ンピーダンス50オームにより得られる出力電力と同じ
出力電力を得るものとすれば、出力端インピーダンンス
が1/2倍であることにより、消費電流は2倍となる。
2に示す。図2に対応する付加効率特性を図3に示す。
この発明の増幅器の特性をB級増幅器と比較する。ピー
ク電力増幅器31の動作しない入力電圧、即ち入力電力
においては、平均電力増幅器21のみが動作する。平均
電力増幅器21は出力端インピーダンンスを100オー
ムとしているので、B級増幅器と比較して利得は低下す
る。この発明の増幅器とB級増幅器のドレイン電圧を一
定とすればドレイン電力の1/2化により、付加効率は
改善する。
圧、即ち入力電力においては、平均電力増幅器21とピ
ーク電力増幅器31は双方共に動作する。ピーク電力増
幅器31の出力端インピーダンンスはB級増幅器の出力
端インピーダンンスの1/2に設定されているので、通
常のC級増幅器より利得は改善されている。ピーク電力
増幅器31は入力信号のピーク電力を増幅するので、ピ
ーク電力増幅器31に入力信号のピーク電力対平均電力
比以上の利得がないと、ピーク電力増幅器31において
波形クリッピングを発生し、線形性劣化を生ずる。
点を平均電力増幅器21の飽和出力点とすれば、図2の
入出力電力特性に示される如く、平均電力増幅器21の
飽和出力以上の出力電力をピーク電力増幅器31により
得ることができる。例えば、平均電力増幅器21の飽和
出力と比較されるB級増幅器の飽和出力が同一であれ
ば、ピーク電力増幅器31によりこの発明の増幅器の飽
和出力を拡大することができる。ピーク電力増幅器31
により飽和出力を拡大しているので、飽和出力に対する
付加効率はB級増幅器より拡大する。そして、ピーク電
力増幅器31がC級動作しているので、拡大した領域に
おける付加効率は充分に高効率化する。以上の通りにし
て、この発明によりピーク電力増幅器31の動作時にも
設計通りのインピーダンス変換値を設定することができ
る。平均電力増幅器21の出力端インピーダンンスが、
ピーク電力増幅器31の動作以前の出力端インピーダン
ンスより低インピーダンスにならないので、平均電力増
幅器21の飽和出力付近における効率を従来例と比較し
て高くすることができる。
4波長形インピーダンス変換器の実施例を示す。この1
/4波長形インピータダンス変換器は、1/4波長のマ
イクロストリップラインにより構成する。マイクロスト
リップラインの線路幅は、マイクロストリップラインの
入力と出力端インピーダンンスの積の平方根により与え
られるインピーダンスを実現する線路幅である。線路幅
は、使用する誘電体基板の比誘電率と設計周波数を決め
ることにより、マイクロ波回路に関する教科書に記載さ
れる数表を参照して求めることができる。
形インピーダンス変換器の実施例を示す。例えば、特性
インピーダンス50オーム線路上に開放型或いは短絡型
スタブを設定する。スタブにより容量性或いは誘導性回
路を構成する。これにより、スミスチャート上の任意の
点に変換する。設計方法については、マイクロ波回路の
教科書に記載される方法またはマイクロ波回路設計用ソ
フトウェアによる。平均電力増幅器21およびピーク電
力増幅器31のバイアス設定値は、実施例の如く平均電
力増幅器21がB級動作、ピーク電力増幅器31がC級
動作であれば異なる。ゲート電圧およびドレイン電圧の
設定値は、両増幅器の動作領域に対応して設定される。
平均電力増幅器21とピーク電力増幅器31に使用する
半導体素子が同一である場合、それぞれの増幅器の動作
領域は一般にゲート電圧により設定される。更に、ドレ
イン電圧を異なる設定値とすれば、それぞれの増幅器の
動作適用領域の設定を容易にする。また、平均電力増幅
器21およびピーク電力増幅器31において使用するG
aAs−FETその他の半導体素子は相異なるものとし
ても差し支えない。この場合、ゲート電圧設定値および
ドレイン電圧設定値はそれぞれの増幅器の動作領域に対
応して設定する。
均等電力合成器により構成することができる。不均等電
力合成器はRobert E.Collin,Foundation for microwave
engineering,McGraw-Hill,pp.449,1992に具体的に説明
されている。即ち、1/4波長ウイルキンソン形合成器
を基本として、それぞれの入力端子の合成比率に応じて
1/4波長インピーダンス変換器と所定のインピーダン
スに設定された1/4波長ウイルキンソン形合成器にて
実現される。この方法によれば、インピーダンス変換器
24、34と合成器41を一体として構成することがで
きる。
る方法としては、平均電力増幅器21の出力側整合回路
23とピーク電力増幅器31の出力側整合回路23の出
力側に高調波フィルタを付加する方法がある。例えば二
倍波に関して終端するフィルタであれば、各増幅器はい
わゆるF級動作状態となる(高山 洋一郎、マイクロ波
トランジスタ、pp.199−200、電子情報通信学
会、1998 参照)。電圧或いは電流の時間波形を二
倍波終端により矩形化することにより高効率増幅を可能
にする。同様にして、各種の高効率増幅方法をこの発明
の各増幅器に適用することにより、それぞれの増幅技術
による高効率化とこの発明によるインピーダンス変換に
よる高効率化の相乗作用で更に増幅器の高効率化が可能
になる。
ば、高効率増幅器を構成する平均電力増幅器およびピー
ク電力増幅器双方の出力端に相異なる値に設定されるイ
ンピーダンス変換器を設け、両インピーダンス変換器の
出力を合成器において合成する。この回路構成により、
平均電力増幅器およびピーク電力増幅器の動作状態に依
存することなく設計値通りのインピーダンスを各増幅器
出力に達成することができる。即ち、この発明は、平均
電力増幅器の出力端およびピーク電力増幅器の出力端に
相異なるインピーダンスに設定したインピーダンス変換
器を接続し、これらインピーダンス変換器を介して出力
される平均電力増幅器の出力とピーク電力増幅器の出力
とを合成器において合成する。合成器は、方向性結合器
或いは電力合成器により構成することができる。方向性
結合器としては、1/4波長方向性結合器、ハイブリッ
ト回路を採用することができる。また、電力合成器とし
ては、Y形電力分配器であるウイルキンソンデバイダを
採用することができる。
においてアイソレーションがとれている必要があり、こ
の点に関して、入力端子間におけるインピーダンス整合
のとれているウイルキンソンデバイダは、電力合成する
と共に入力端子間のアイソレーションがとれている回路
素子であり、この発明の合成器として好適である。合成
器の2入力端子間においてアイソレーションがとれてい
ることにより、平均電力増幅器の出力端インピーダンン
スはピーク電力増幅器の動作状態に依存することなく安
定する。同様に、ピーク電力増幅器の出力端インピーダ
ンンスは平均電力増幅器の動作状態に依存することなく
安定する。
増幅器 22 入力側整合回路 23 出力側整
合回路 24 インピーダンス変換器 31 ピーク電
力増幅器 32 入力側整合回路 33 出力側整
合回路 34 インピーダンス変換器 41 合成器 41’ドハティネットワーク
Claims (11)
- 【請求項1】 増幅器入力信号を2分配する分配器を具
備し、 2分配された増幅器入力信号のそれぞれを各別に増幅す
る2個の増幅器を具備し、 2個の増幅器それぞれの出力端に出力側整合回路を介し
て接続するインピーダンス変換器を具備し、 両インピーダンス変換器の出力端に接続して増幅器の増
幅出力を入力合成する合成器を具備することを特徴とす
る高効率増幅器。 - 【請求項2】 請求項1に記載される高効率増幅器にお
いて、 2個の増幅器をGaAs−FETその他の半導体素子に
より構成したことを特徴とする高効率増幅器。 - 【請求項3】 請求項1および請求項2の内の何れかに
記載される高効率増幅器において、 2個の増幅器の入力側のバイアス電圧を相異なる電圧に
設定したことを特徴とする高効率増幅器。 - 【請求項4】 請求項1および請求項2の内の何れかに
記載される高効率増幅器において、 2個の増幅器の出力側のバイアス電圧を相異なる電圧に
設定したことを特徴とする高効率増幅器。 - 【請求項5】 請求項1および請求項2の内の何れかに
記載される高効率増幅器において、 2個の増幅器出力側のバイアス電圧を同一の電圧に設定
したことを特徴とする高効率増幅器。 - 【請求項6】 請求項1ないし請求項5の内の何れかに
記載される高効率増幅器において、 インピーダンス変換器は1/4波長マイクロストリップ
ラインにより構成したこと特徴とする高効率増幅器。 - 【請求項7】 請求項1ないし請求項6の内の何れかに
記載される高効率増幅器において、 インピーダンス変換器はマイクロストリップライン上の
スタブにより構成したことを特徴とする高効率増幅器。 - 【請求項8】 請求項1ないし請求項7の内の何れかに
記載される高効率増幅器において、 合成器はウイルキンソンデバイダより成ることを特徴と
する高効率増幅器。 - 【請求項9】 請求項1ないし請求項7の内の何れかに
記載される高効率増幅器において、 合成器は不均等電力合成器より成ることを特徴とする高
効率増幅器。 - 【請求項10】 請求項1ないし請求項9の内の何れか
に記載される高効率増幅器において、 2個の増幅器は平均電力増幅器とピーク電力増幅器より
成ることを特徴とする高効率増幅器。 - 【請求項11】 請求項10に記載される高効率増幅器
において、 平均電力増幅器の出力側整合回路とピーク電力増幅器の
出力側整合回路の出力側に高調波フィルタを付加するこ
とを特徴とする高効率増幅器。
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