JP2005322993A - Doherty type amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば移動体通信システムなどの無線通信システムに備えられる基地局装置や中継増幅装置などに増幅器に関するものであり、特に装置の効率化をもたらすドハティ型増幅器に関するものである。 The present invention relates to an amplifier for a base station apparatus, a relay amplification apparatus, and the like provided in a wireless communication system such as a mobile communication system, and more particularly to a Doherty amplifier that improves the efficiency of the apparatus.
ここで、無線通信システムとしては、例えば、携帯電話システムや簡易型携帯電話システム(PHS:Personal Handy Phone System)、それらのインフラを利用したデータ通信システムなどの種々なシステムが用いられてもよい。 Here, as the wireless communication system, for example, various systems such as a mobile phone system, a simple mobile phone system (PHS: Personal Handy Phone System), and a data communication system using those infrastructures may be used.
また、通信方式としては、例えば、CDMA(Code Division Multiple Access)方式
やW(Wide band)-CDMA方式やTDMA(Time Division Multiple Access)方式やFDMA(Frequency Division Multiple Access)方式などの種々な方式が用いられてもよい。
As communication methods, for example, various methods such as a CDMA (Code Division Multiple Access) method, a W (Wide Band) -CDMA method, a TDMA (Time Division Multiple Access) method, and an FDMA (Frequency Division Multiple Access) method are available. May be used.
ここで、本発明に係る増幅装置などの構成としては、必ずしも、以上に示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。 Here, the configuration of the amplification device and the like according to the present invention is not necessarily limited to the above-described configuration, and various configurations may be used.
また、本発明の適用分野としては、必ずしも以上に示したものに限られず、本発明は種々な分野に適用することが可能なものである。 The application field of the present invention is not necessarily limited to the above-described fields, and the present invention can be applied to various fields.
近年無線通信分野において、携帯電話等の携帯端末に代表されるように装置の小型化が求められているが、基地局等においても同様であり、それに伴い全体の消費電力に影響する電力増幅器の高効率化が要求されている。さらに基地局においてはアンテナ間のケーブル損失の低減から近傍に設置される高周波増幅器が小型化を求められている。 In recent years, in the field of wireless communication, downsizing of devices has been demanded as represented by mobile terminals such as mobile phones, but the same applies to base stations and the like. High efficiency is required. Further, in base stations, miniaturization of high frequency amplifiers installed in the vicinity is required in order to reduce cable loss between antennas.
一般に半導体素子を用いた高周波電力増幅器の電力効率は出力が大きくなるほど高くなり、飽和出力の近傍で最も効率が高くなる。また、飽和出力のレベルは、使う半導体素子の大きさに依存する。このため、低出力時の効率を良くしようとして、小さい半導体素子を用いて飽和出力レベルの低い増幅器を作ると、高出力時に必要とする出力が得られない。逆に、大きい半導体素子を用いて高出力時で高効率となる増幅器を作ると低出力時に効率が低下する。 In general, the power efficiency of a high-frequency power amplifier using a semiconductor element increases as the output increases, and the efficiency is highest near the saturated output. Further, the level of saturation output depends on the size of the semiconductor element to be used. For this reason, if an amplifier with a low saturation output level is made using a small semiconductor element in order to improve the efficiency at the time of low output, the output required at the time of high output cannot be obtained. Conversely, if a large semiconductor element is used to make an amplifier that is highly efficient at high output, the efficiency will be reduced at low output.
以上のように、出力レベルが高く、さらに効率の高い増幅器を構成することは非常に困難であった。しかしながら、出力レベルが高く、高効率という二つの条件を補うドハティ型増幅器が開発された。ドハティ型増幅器については、例えば特許文献1に記載されている。
ドハティ型増幅器の基本的構成を図1を用いて説明する。図1において、1は入力端子、2は分配器、3は90度位相をずらす位相変換部、4はドハティ合成部、5はλ/4インピーダンス変換部、6は出力、7は出力負荷である。出力負荷7は基本的に固定されている。
A basic configuration of the Doherty amplifier will be described with reference to FIG. In FIG. 1, 1 is an input terminal, 2 is a distributor, 3 is a phase converter that shifts the phase by 90 degrees, 4 is a Doherty combiner, 5 is a λ / 4 impedance converter, 6 is an output, and 7 is an output load. . The
10は入力整合回路、11はドハティ型増幅器においてキャリアアンプと呼ばれる増幅素子、12は出力整合回路、20は入力整合回路、21はドハティ型増幅器においてピークアンプと呼ばれる増幅素子、22は出力整合回路である。
また、ドハティ合成部4に設けられている41はλ/4インピーダンス変換部、42は合成点である。
10 is an input matching circuit, 11 is an amplifying element called a carrier amplifier in the Doherty amplifier, 12 is an output matching circuit, 20 is an input matching circuit, 21 is an amplifying element called a peak amplifier in the Doherty amplifier, and 22 is an output matching circuit. is there.
Further, 41 provided in the Doherty
次に動作について説明する。
入力端子1に入力された高周波信号は分配器2で分配される。一方は入力整合回路10を通じて増幅素子11に入力され増幅され、出力整合回路12に出力され、さらにλ/4インピーダンス変換部41で変換される。
分配された他方の高周波信号は、位相変換部3に入力され位相を90度ずらし、入力整合回路20を通じて増幅素子21へ入力され増幅され、出力整合回路22へ出力される。
Next, the operation will be described.
The high frequency signal input to the input terminal 1 is distributed by the
The other distributed high-frequency signal is input to the
入力整合回路10→増幅素子11→出力整合回路12→λ/4インピーダンス変換部41を経由した信号と、位相変換部3→入力整合回路20→増幅素子21→出力整合回路22を経由した信号はドハティ合成部4の合成点42にて合成される。
ドハティ合成部のλ/4インピーダンス変換部41のインピーダンスZ1は出力6の負荷抵抗7のインピーダンスZ0の1/2に設定される。
The signal that has passed through the
The impedance Z1 of the λ / 4 impedance converter 41 of the Doherty combiner is set to 1/2 of the impedance Z0 of the
増幅素子11はA級またはAB級にバイアスされており、入力信号の入力レベルにかかわらず増幅動作を実施して出力信号を出力する。一方、増幅素子21はB級またはC級にバイアスされており、瞬時入力が小さい場合には動作しない状態であり、増幅素子21の直流消費電力は0あるいは十分に小さく、増幅器としての効率も高い。一方、瞬時入力電力が十分に大きい場合には増幅素子21が動作状態となって、増幅素子21への入力信号を増幅し、出力信号を発生する。ここで増幅素子11の出力電力と増幅素子21の出力電力とを合成することにより、結果として大きな飽和電力を有する増幅器を構成することになる。但し、ドハティ型増幅器は単にA級またはAB級にバイアスされた増幅器と、B級またはC級にバイアスされた増幅器を組み合わせた回路として得られるのではなく、増幅素子11の出力側に設けられたλ/4インピーダンス変換部41の機能に基づいて増幅素子11の見かけの負荷インピーダンスを変化させることによって一層の高効率化を実現している。
The amplifying
この効率の様子を示すと理論的に図2のようになる。図2の横軸バックオフは増幅素子11、増幅素子21の両方が飽和した入力レベルを0dBとし、横軸数値は入力を下げた時の値を示している。bは一般的Bクラス動作させたときの効率を示し、aはドハティ型増幅器の効率を示す。
aにおいて、Aの領域はキャリアアンプである増幅素子11のみが動作している。
遷移領域であるBの状態はキャリアアンプの他に、ピークアンプである増幅素子21も動作している状態となる。領域Cはキャリアアンプ、ピークアンプ共に最大出力が出ている状態となる。
The state of this efficiency is theoretically as shown in FIG. In FIG. 2, the horizontal axis back-off indicates that the input level at which both the amplifying
In a, in the area A, only the amplifying
The state of B which is a transition region is a state where the amplifying
Aの領域を説明すると図3(a)のような状態になる。これからもわかるように、キャリアアンプである増幅素子11のルートのみが動作する。従ってキャリアアンプの最終負荷はZ0/2となる。ここで、λ/4インピーダンス変換部5から負荷7を見たインピーダンスZ2は式1:
又、C領域は両方最大出力が出ているので、出力側回路は図3(b)のようになる。ただし、Z2は考察容易のため2つに分離している。従ってキャリアアンプである増幅素子11、ピークアンプである増幅素子21の最終負荷はそれぞれZ0となる。
Further, since the maximum output is output in both areas C, the output side circuit is as shown in FIG. However, Z2 is separated into two for easy consideration. Therefore, the final loads of the amplifying
遷移領域であるBでは図3(c)のようになる。それぞれの増幅器の最終負荷は増幅素子11はZ0/2〜Z0、増幅素子21は∞〜Z0となる。さらに詳細に、増幅素子11の出力整合回路12から見たインピーダンスは式2:
以上のように、ドハティ型増幅器は理論的には効率が良くなる。しかしながら、現実的には高出力化を行うと、設計通りの出力や効率が得られない問題が生じる。
一般的な高周波素子はシングルエンド型が多い。これは増幅素子のインピーダンスが数Ω程度と高く容易に負荷インピーダンスZ0にマッチングを得やすいからである。しかしながら、増幅素子が大きくなる高出力タイプは0、数Ω程度となり、インピーダンス比が高く容易に負荷インピーダンスZ0にマッチングが取れなくなる。
As described above, the Doherty amplifier is theoretically efficient. However, in reality, when the output is increased, there is a problem that the output and efficiency as designed cannot be obtained.
Common high-frequency elements are often single-ended. This is because the impedance of the amplifying element is as high as several Ω and it is easy to obtain matching with the load impedance Z0. However, the high output type in which the amplifying element is large is about 0, several Ω, and the impedance ratio is high, and matching with the load impedance Z0 cannot be easily achieved.
従って高出力増幅素子は一般的にプッシュプルトランジスタにせざるを得なくなる。プッシュプルトランジスタで負荷Z0に供給しようとすると1個あたりの増幅素子の負荷はZ0/2となり、インピーダンス比はシングルエンド型に比べて半分になる。 Therefore, the high-power amplifying element is generally forced to be a push-pull transistor. When an attempt is made to supply the load Z0 with a push-pull transistor, the load of each amplifying element is Z0 / 2, and the impedance ratio is halved compared to the single-ended type.
ドハティ増幅器は特に図2のA領域では負荷インピーダンス出力整合回路12より見たインピーダンスは2Z0と通常のシングルエンドタイプと比べて2倍になっており、又プッシュプルタイプと比べて4倍となっている。一般的なCDMA用信号やマルチキャリア信号ではピークファクタ(ピーク電力/平均電力)が10dB前後であり、図2のバックオフ10dB前後の効率は極めて重要となる。従ってドハティ型増幅器のキャリアアンプの負荷インピーダンスは非常に高く、マッチングが得られにくくなっている。特にバックオフ10dB前後はA領域であり、よってキャリアアンプの効率がドハティ型増幅器の効率に非常に重要になる。
The impedance of the Doherty amplifier as seen from the load impedance output matching
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、キャリアアンプ及びピークアンプの負荷インピーダンスを低く取る事により、ピーク、キャリア共に出力整合を取りやすくするものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and makes it easy to achieve output matching for both peak and carrier by reducing the load impedance of the carrier amplifier and the peak amplifier.
以上のような問題を解決するために、入力信号を増幅するキャリア信号増幅部と、入力信号のピーク成分のみを増幅するピーク信号増幅部と、前記キャリア信号増幅部の後段に設けた第1の出力整合回路と、前記第一の出力整合回路の後段に設けたインピーダンス値がZ1である第一のインピーダンス変換部と、前記ピーク信号増幅部の後段に設けた第2の出力整合回路と、前記キャリア信号増幅部と前記ピーク信号増幅部により増幅された信号を合成し、インピーダンス値がZ2である合成部で構成され、負荷インピーダンスがZ0でZ2<Z0/2のときはZ1<Z0であることを特徴とするドハティ型増幅器を提供する。 In order to solve the above problems, a carrier signal amplification unit that amplifies an input signal, a peak signal amplification unit that amplifies only a peak component of the input signal, and a first stage provided after the carrier signal amplification unit An output matching circuit; a first impedance converter having an impedance value Z1 provided at a stage subsequent to the first output matching circuit; a second output matching circuit provided at a stage subsequent to the peak signal amplifier; The signal amplified by the carrier signal amplifying unit and the peak signal amplifying unit is combined and composed of a combining unit whose impedance value is Z2, and when the load impedance is Z0 and Z2 <Z0 / 2, Z1 <Z0. A Doherty-type amplifier is provided.
また、入力信号を増幅するキャリア信号増幅部と、入力信号のピーク成分のみを増幅するピーク信号増幅部と、前記キャリア信号増幅部の後段に設けた第1の出力整合回路と、前記第一の出力整合回路の後段に設けたインピーダンス値がZ1である第一のインピーダンス変換部と、前記ピーク信号増幅部の後段に設けた第2の出力整合回路と、前記キャリア信号増幅部と前記ピーク信号増幅部により増幅された信号を合成し、インピーダンス値がZ2である合成部で構成され、負荷インピーダンスがZ0でZ2<Z0/4のときはZ1<Z0/2あることを特徴とするドハティ型増幅器を提供する。 A carrier signal amplifying unit for amplifying the input signal; a peak signal amplifying unit for amplifying only a peak component of the input signal; a first output matching circuit provided at a subsequent stage of the carrier signal amplifying unit; A first impedance converter having an impedance value Z1 provided at the subsequent stage of the output matching circuit, a second output matching circuit provided at the subsequent stage of the peak signal amplifier, the carrier signal amplifier, and the peak signal amplifier A Doherty-type amplifier comprising a combining unit that synthesizes signals amplified by the unit and having an impedance value of Z2, and Z1 <Z0 / 2 when the load impedance is Z0 and Z2 <Z0 / 4. provide.
さらに、入力信号を増幅するキャリア信号増幅部と、入力信号のピーク成分のみを増幅するピーク信号増幅部と、前記キャリア信号増幅部の後段に設けた第1の出力整合回路と、前記第一の出力整合回路の後段に設けたインピーダンス値がZ1である第一のインピーダンス変換部と、前記ピーク信号増幅部の後段に設けた第2の出力整合回路と、前記キャリア信号増幅部と前記ピーク信号増幅部により増幅された信号を合成し、インピーダンス値がZ2である合成部と、負荷インピーダンスがZ0でZ2<Z0/8のときはZ1<Z0/4あることを特徴とするドハティ型増幅器を提供する。 A carrier signal amplification unit that amplifies the input signal; a peak signal amplification unit that amplifies only the peak component of the input signal; a first output matching circuit that is provided after the carrier signal amplification unit; A first impedance converter having an impedance value Z1 provided at the subsequent stage of the output matching circuit, a second output matching circuit provided at the subsequent stage of the peak signal amplifier, the carrier signal amplifier, and the peak signal amplifier Provided is a Doherty amplifier characterized in that the signal amplified by the unit is combined and the impedance value is Z2, and when the load impedance is Z0 and Z2 <Z0 / 8, Z1 <Z0 / 4 .
本発明によれば、ドハティ合成部のインピーダンスを低くすることができ、それによりキャリア、ピークそれぞれの負荷インピーダンスが少なくなり、出力整合を取りやすくなり、性能の向上を図ることができる。さらに、ドハティ合成部やインピーダンス変換部に採用したストリップラインの幅を太くすることができるため、損失が低下する。また、ストリップライン幅を従来どおりにすれば、プリント基板厚が薄くなり材料の高いプリント基板は安価になる。 According to the present invention, it is possible to reduce the impedance of the Doherty combining unit, thereby reducing the load impedances of the carrier and the peak, facilitating output matching, and improving the performance. Furthermore, since the width of the strip line employed in the Doherty combining unit and the impedance converting unit can be increased, the loss is reduced. Further, if the strip line width is made the same as the conventional one, the thickness of the printed board becomes thin, and the printed board having a high material becomes inexpensive.
以下、本発明の実施例について図3、図4、図5を参照しつつ説明する。図4、図5において図3と同符号のものは同様の構成であり、説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 3, 4, and 5. 4 and 5, the same reference numerals as those in FIG. 3 have the same configuration, and the description thereof is omitted.
本発明における第一の実施例を図3を用いて説明する。
図2の(a)のAの領域、つまりキャリアアンプである増幅素子11のみが動作している状態を説明すると図3(a)のような状態になる。図3(b)はCの領域の図である。411はキャリアアンプである増幅素子11の後段に設けたドハティ合成部4のλ/4インピーダンス変換部である。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The area A in FIG. 2A, that is, the state where only the amplifying
図3(a)からわかるように、Aの領域ではキャリアアンプである増幅素子11のルートのみが動作する。一般的なCDMA用信号やマルチキャリア信号はピークファクタ(ピーク電力/平均電力)が10dB前後であり、そのため図2のバックオフ10dB前後の効率が極めて重要となる。バックオフ10dB前後はAの領域であり、キャリアアンプである増幅素子11の効率が重要となる。
As can be seen from FIG. 3A, only the route of the amplifying
ここではキャリアアンプである増幅素子11の出力マッチング回路のインピーダンスを2Z0以下とする。この時、λ/4インピーダンス変換部411のインピーダンスZ1はZ1<Z0とすることができ、Z2はZ0/2以下とする。
Here, the impedance of the output matching circuit of the amplifying
このようにドハティ合成部のインピーダンスを低くすることにより、出力整合がとりやすくなり、性能の向上を図ることが可能となる。 Thus, by lowering the impedance of the Doherty combining unit, output matching can be easily achieved and performance can be improved.
本発明における第一の実施例を図4を用いて説明する。
図2の(a)のAの領域、つまりキャリアアンプである増幅素子11のみが動作している状態を説明すると図4(a)のような状態になる。図4(b)はCの領域の図である。412はキャリアアンプである増幅素子11の後段に設けたドハティ合成部4のλ/4インピーダンス変換部である。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The area A in FIG. 2A, that is, the state where only the amplifying
図4(a)からわかるように、Aの領域ではキャリアアンプである増幅素子11のルートのみが動作する。一般的なCDMA用信号やマルチキャリア信号はピークファクタ(ピーク電力/平均電力)が10dB前後であり、そのため図2のバックオフ10dB前後の効率が極めて重要となる。バックオフ10dB前後はAの領域であり、キャリアアンプである増幅素子11の効率が重要となる。
As can be seen from FIG. 4A, in the region A, only the route of the amplifying
ここではキャリアアンプである増幅素子11の出力マッチング回路のインピーダンスを従来のA領域の2Z0以下からZ0以下とする。この時、λ/4インピーダンス変換部412のインピーダンスZ1を通常の値の1/2以下にすることができ、Z2はZ0/4以下にする。このとき、λ/4インピーダンス変換部5のインピーダンスZ3は式1からもわかるように、Z2がZ0/4以下になるので、通常の値Z0/√(2)からZ0/2以下になる。より具体的に説明すると、合成点のインピーダンスZ2をZ0/4とすると、Z1はZ0/2となり、出力整合回路12の負荷インピーダンスはZ0(A領域)からZ0/2(C領域)に下がる。Z2がZ0/4より小さい場合は他のインピーダンスは比例的に下がる。
Here, the impedance of the output matching circuit of the amplifying
このようにドハティ合成部のインピーダンスを低くすることにより、出力整合がとりやすくなり、性能の向上を図ることが可能となる。 Thus, by lowering the impedance of the Doherty combining unit, output matching can be easily achieved and performance can be improved.
本発明における第ニの実施例を図5を用いて説明する。
図2の(a)のAの領域、つまりキャリアアンプである増幅素子11のみが動作している状態を説明すると図5(a)のような状態になる。図5(b)はCの領域の図である。413はキャリアアンプである増幅素子11の後段に設けたドハティ合成部のλ/4インピーダンス変換部である。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
2A, that is, a state where only the amplifying
図5(a)からもわかるように、Aの領域ではキャリアアンプである増幅素子11のルートのみが動作する。一般的なCDMA用信号やマルチキャリア信号ではピークファクタ(ピーク電力/平均電力)が10dB前後であり、そのため図2のバックオフ10dB前後の効率が極めて重要となる。バックオフ10dB前後はA領域であり、キャリアアンプである増幅素子11の効率が重要となる。
As can be seen from FIG. 5A, only the route of the amplifying
ここではキャリアアンプである増幅素子11の出力マッチング回路のインピーダンスを従来のA領域の2Z0からZ0/2以下とする。この時、λ/4インピーダンス変換部413のインピーダンスZ1を通常の値のZ0からZ0/4以下になり、Z2はZ0/8になる。このとき、λ/4インピーダンス変換部5のインピーダンスZ3は式1からもわかるように、Z2がZ0/8以下になるので、通常の値Z0/√(2)からZ0/2√(2)以下になる。より具体的に説明すると、合成点のインピーダンスZ2をZ0/8とすると、Z1はZ0/4となり、出力整合回路12の負荷インピーダンスはZ0/2(A領域)からZ0/4(C領域)に下がる。Z2がZ0/8より小さい場合は他のインピーダンスは比例的に下がる。
Here, the impedance of the output matching circuit of the amplifying
このようにドハティ合成部のインピーダンスを低くすることにより、出力整合がとりやすくなり、性能の向上を図ることが可能となる。 Thus, by lowering the impedance of the Doherty combining unit, output matching can be easily achieved and performance can be improved.
以上のような構成にするとピークアンプ21の負荷は従来より負荷変動が激しくなるが、C領域ではマッチングが得やすくなる。
With the configuration as described above, the load of the
本構成によりドハティ合成部4のインピーダンスが下がり、λ/4インピーダンス変換部5の変換比が大きくなるが、増幅素子の出力インピーダンスからドハティ合成部までのインピーダンス比に較べて小さいので、ここでは問題が無い。
ここで、λ/4インピーダンス変換部5の回路としてQを上げずに変換する方法が考えられるが、既存の技術において多々存在する。さらに、増幅素子はプリント基板に実装し、ドハティ合成しながら出力6の負荷7に電力を供給するがドハティ合成部4のロードライン変換用λ/4線路は従来の50Ωから12.5Ωに、またドハティ合成部のインピーダンスが6.25Ωの場合、λ/4インピーダンス変換部のλ/4線路は35Ωから17Ωとなり、線路が太くなりロス低下も小さい。ストリップラインの幅を従来通りにすれば基板厚を薄くすることが可能となり、経済的に安価にドハティ型増幅装置を作成することも可能である。このドハティ合成部のインピーダンスを下げることにより更なる利点も存在する。
With this configuration, the impedance of the
Here, as a circuit of the λ / 4
以上ではドハティ合成点のインピーダンスZ2をZ0/4以下として説明したが、それに限るものではなく、Z0/2より小さい場合でも効果がある。 In the above description, the impedance Z2 at the Doherty combining point is described as being equal to or lower than Z0 / 4. However, the present invention is not limited to this.
1…入力
2…分配器
3…位相変換部
4…ドハティ合成部
411、412、413、5…λ/4インピーダンス変換部
6…出力
7…負荷
11、21…増幅素子
10、20…入力整合回路、
12、22…出力整合回路
42…合成点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
12, 22 ... Output matching circuit 42 ... Composite point
Claims (3)
A carrier signal amplification unit that amplifies the input signal, a peak signal amplification unit that amplifies only the peak component of the input signal, a first output matching circuit provided at a subsequent stage of the carrier signal amplification unit, and the first output matching A first impedance converter having an impedance value Z1 provided at the subsequent stage of the circuit, a second output matching circuit provided at the subsequent stage of the peak signal amplifier, the carrier signal amplifier, and the peak signal amplifier. The amplified signal is composed of a combining unit having an impedance value of Z2 and a load resistor having a load impedance of Z0. When Z2 ≦ Z0 / 8, Z1 ≦ Z0 / 4 is satisfied. Type amplifier.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US8395443B2 (en) | 2011-03-18 | 2013-03-12 | Fujitsu Limited | Doherty amplifier |
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