JP2006333022A - 高周波電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドハティ機能を機構的にサイズが大きくなる伝送線路を用いずに実現することができ、ドハティ機能を備える増幅装置のサイズをさらに小型化して、機構的に容積の縮小化が要求される移動体通信機器にもドハティ機能を実装することができる高周波電力増幅装置を提供する。
【解決手段】キャリア増幅器１０２とピーク増幅器１０３をそれぞれトランジスタによる多段構成として、各増幅器１０２、１０３が９０度の位相差で動作するように設計することにより、ドハティ機能を実現する場合に従来ピーク増幅器の入力側に用いていた１／４波長ネットワークを不要とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波信号を半導体デバイスにより増幅してアンテナに送信電力を供給する高周波電力増幅装置に関するものである。

近年、移動体通信分野の発展に伴い、携帯電話等の移動体通信機器では限られた電池容量のもとで長時間に渡って通話可能であることが求められる。高周波信号を増幅してアンテナに送信電力を供給するためのトランジスタで構成された高周波電力増幅装置は、特に多くの電力を消費するために高効率動作が望まれる。

以上のような高周波電力増幅装置において、トランジスタの出力側のインピーダンスを制御し、トランジスタを高効率動作させる従来手法として、ドハティ型増幅器（例えば、特許文献１を参照）が開発されており、その動作を以下に説明する。

図７はトランジスタを高効率動作させる従来の高周波電力増幅装置として開発されたドハティ型増幅器の構成を示すブロック図である。図７において、キャリア増幅器７０１は通常のＢ級増幅器であり、ピーク増幅器７０４は何等かの最小スレショルド（予め設定された所定の閾値）を超える信号だけを増幅するように設計されている。これら２つの増幅器７０１、７０４の出力側には、回路出力に添加されているＲ／２の負荷に接続されている。各増幅器７０１、７０４への入力電力は等しく分割され、負荷Ｒ／２における２つの増幅器７０１、７０４の出力電力が同相になることが保証される。ピーク増幅器７０４は、キャリア増幅器７０１に対して９０度位相がずれるように駆動される。

このようなドハティ増幅器において、出力電力が小さい時はキャリア増幅器７０１のみで動作し、さらにキャリア増幅器７０１の出力側の１／４波長ネットワーク７０２は、キャリア増幅器７０１を、高効率動作する負荷にインピーダンス変換する役割を果たす。このようにキャリア増幅器７０１の出力側に１／４波長ネットワーク７０２を接続しているため、出力電力が大きくなり、キャリア増幅器７０１が動作すると同時にピーク増幅器７０４も動作する時は、ピーク増幅器７０４の出力電力の位相を、キャリア増幅器７０１の出力電力の位相に比べて９０度遅らせる必要があり、ピーク増幅器７０４の入力側に１／４波長ネットワーク７０２と同様の１／４波長ネットワーク７０３を備えている。

また、集中定数回路で電力の位相を制御する従来手法として、定Ｋフィルタ理論（例えば、非特許文献１を参照）がある。この理論によれば、映像パラメータを導入し、図８（ａ）、（ｂ）に示すようなインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣの集中定数素子で構成するフィルタに関する基本回路（半区間回路）において、Ｋ^２＝Ｚ_１・Ｚ_２の関係にあるとき、このフィルタを定Ｋフィルタと呼ぶ。

なお、定Ｋフィルタにおける「Ｋ」の電気的な意味は、無損失線路の場合には線路の特性インピーダンスＺ_０で表すが、この特性インピーダンスＺ_０に対してフィルタの場合の公称インピーダンスを表している。また、フィルタの位相通過特性は伝達定数θで表される。
特開平７−２２８５２号公報（第２図） 「伝送回路」菊池憲太郎著、第２版、東京電気大学出版局、２０００年２月２０日、１３５〜１４０頁（図６．４）

しかしながら上記のようなドハティ機能を有する従来の高周波電力増幅装置では、キャリア増幅器７０１の出力側およびピーク増幅器７０４の入力側に、それぞれ１／４波長ネットワーク７０２、７０３の配置を必要としており、一般的に１／４波長ネットワークとしては伝送線路が用いられるが、例えば周波数が１［ＧＨｚ］の場合の１／４波長は７．５［ｃｍ］にもなり、このような１／４波長ネットワークは、１［ＧＨｚ］付近の周波数が用いられ小型でかつ高機能化が進む携帯電話等の移動体通信機器に内蔵させるにはサイズが大きすぎるため、機構上の問題で携帯電話等の移動体通信機器への搭載が困難であるという問題点を有していた。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、ドハティ機能を機構的にサイズが大きくなる伝送線路を用いずに実現することができ、ドハティ機能を備える増幅装置のサイズをさらに小型化して、機構的に容積の縮小化が要求される移動体通信機器にもドハティ機能を実装することができる高周波電力増幅装置を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の高周波電力増幅装置は、高周波信号が入力される入力端子と、前記入力端子から延びる第１の経路にＭ段（Ｍは任意の自然数）のトランジスタ構成で配置され、出力電力が小さい時に単独で動作するキャリア増幅器と、前記キャリア増幅器の出力側に配置される１／４波長ネットワークと、前記入力端子から延びる第２の経路にＮ段（Ｎは任意の自然数）のトランジスタ構成で配置され、出力電力が大きい時に前記キャリア増幅器とともに動作して所定の閾値を超える信号だけを増幅するピーク増幅器と、前記ピーク増幅器の出力側と前記１／４波長ネットワークとの結合部位に配置される出力端子とを備え、前記キャリア増幅器および前記ピーク増幅器を、そのトランジスタの段数およびトランジスタのバイアス条件を調整して、９０度の位相差で動作するよう構成したことを特徴とする。

以上により、キャリア増幅器およびピーク増幅器としてトランジスタによる多段構成を用いてドハティ機能を実現することにより、キャリア増幅器およびピーク増幅器を９０度の位相差で動作させるために従来ピーク増幅器の入力側に用いていた１／４波長ネットワークを不要とすることができる。

また、本発明の請求項２に記載の高周波電力増幅装置は、高周波信号が入力される入力端子と、前記入力端子から延びる第１の経路に配置され、出力電力が小さい時に単独で動作するキャリア増幅器と、前記入力端子から延びる第２の経路に配置され、出力電力が大きい時に前記キャリア増幅器とともに動作して所定の閾値を超える信号だけを増幅するピーク増幅器と、前記キャリア増幅器の出力側および前記ピーク増幅器の入力側にそれぞれ配置された１／４波長ネットワークと、前記ピーク増幅器の出力側と前記第１の経路の１／４波長ネットワークとの結合部位に配置される出力端子とを備え、前記１／４波長ネットワークとして集中定数素子による集中定数回路を用い、前記キャリア増幅器および前記ピーク増幅器が９０度の位相差で動作するよう構成したことを特徴とする。

以上により、１／４波長ネットワークとして集中定数素子による集中定数回路を用いてドハティ機能を実現することにより、キャリア増幅器およびピーク増幅器を９０度の位相差で動作させるために従来ピーク増幅器の入力側に用いていた１／４波長ネットワークを不要とすることができる。

以上のように本発明によれば、キャリア増幅器およびピーク増幅器としてトランジスタによる多段構成を用いてドハティ機能を実現することにより、キャリア増幅器およびピーク増幅器を９０度の位相差で動作させるために従来ピーク増幅器の入力側に用いていた１／４波長ネットワークを不要とすることができる。

また、１／４波長ネットワークとして集中定数素子による集中定数回路を用いてドハティ機能を実現することにより、キャリア増幅器およびピーク増幅器を９０度の位相差で動作させるために従来ピーク増幅器の入力側に用いていた１／４波長ネットワークを不要とすることができる。

そのため、ドハティ機能を機構的にサイズが大きくなる伝送線路を用いずに実現することができ、ドハティ機能を備える増幅装置のサイズをさらに小型化して、機構的に容積の縮小化が要求される移動体通信機器にもドハティ機能を実装することができる。

以下、本発明の実施の形態を示す高周波電力増幅装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の高周波電力増幅装置を説明する。

図１は本実施の形態１の高周波電力増幅装置としてキャリア増幅器とピーク増幅器を有するドハティ型増幅器の構成を示すブロック図である。図１において、出力端子１０５では、キャリア増幅器１０２側とピーク増幅器１０３側の各出力電力が同位相で合成される必要があり、キャリア増幅器１０２側の１／４波長ネットワーク１０４による９０度位相遅延効果を打ち消すために、ピーク増幅器１０３の出力電力は、キャリア増幅器１０２の出力電力に対して９０度位相が遅れるように設計する。

１／４波長ネットワーク１０４は、キャリア増幅器１０２の出力電力に９０度の位相遅延効果を与え、出力端子１０５において、キャリア増幅器１０２側の出力電力とピーク増幅器１０３側の出力電力を同相で合成する。

このようなドハティ型増幅器が大きな出力電力を必要とする場合は、キャリア増幅器１０２とピーク増幅器１０３は同レベルの出力電力であり、各増幅器１０２、１０３の出力端での負荷インピーダンスは同じ大きさとなる。一方、ドハティ型増幅器が小さい出力電力の時は、ピーク増幅器１０３の出力電力はキャリア増幅器１０２の出力電力に比べて小さくなるように設計されている。その時、キャリア増幅器１０２の負荷インピーダンスは１／４波長ネットワーク１０４のインピーダンス変換効果によって大きなインピーダンスの値となり、キャリア増幅器１０２は高い電力効率で動作する。

ここで、キャリア増幅器１０２はＭ段の一段トランジスタからなり、ピーク増幅器１０３はＮ段の一段トランジスタからなる。各増幅器１０２、１０３の通過電力位相量は、一段トランジスタの段数Ｍ、Ｎおよび各トランジスタのバイアス条件（トランジスタのベース電圧）に依存する。

図２は本実施の形態１の高周波電力増幅装置であるドハティ型増幅器における一段トランジスタとして用いられる一般的なシングルエンド型トランジスタの構造説明図である。図２に示すように、トランジスタ２０２は、ベース２０３、コレクタ２０４、エミッタ２０５より構成され、エミッタ２０５は接地（通常ＧＮＤ）２０６に接続されている。

このようなトランジスタ構成において、入力端子２０１に入力された高周波信号は、トランジスタ２０２により増幅され、出力端子２０７に出力される。入力端子２０１に入力される信号の位相と出力端子２０７で出力される信号の位相との位相差を通過電力位相量とすると、この通過電力位相量はトランジスタ２０２のベース２０３にかかるベース電圧を可変することで調整可能である。また、トランジスタ２０２の電力利得もベース２０３にかかるベース電圧によって調整可能である。

以上のようなドハティ型増幅器における実験結果を図３に示す。
図３（ａ）に示すように、ベース電圧によってトランジスタの通過電力位相量は９０度以上または９０度以下に調整でき、さらに、図３（ｂ）に示すように、ベース電圧によってトランジスタの利得も０［ｄＢ］以上または０［ｄＢ］以下に調整できることがわかる。

この結果より、図１において、キャリア増幅器１０２とピーク増幅器１０３のトランジスタの段数とトランジスタのバイアス条件を調整することで、ピーク増幅器１０３がキャリア増幅器１０２に対して９０度位相遅れで動作させることを可能とし、ドハティ動作をピーク増幅器の入力側に従来必要であった１／４波長ネットワークを用いずに実現することができる。

例えば周波数１［ＧＨｚ］の場合、１／４波長ネットワークなどの伝送線路では長さが約７．５［ｃｍ］必要であるのに比べ、トランジスタは半導体チップ上に実現するものであり、数十〜数百ミクロン四方の大きさで実現でき、それを多段構成にしたとしても、伝送線路を用いた場合に比べ大幅な面積の縮小化が可能である。

以上のように、本実施の形態によれば、キャリア増幅器およびピーク増幅器としてトランジスタによる多段構成を用いてドハティ機能を実現することにより、キャリア増幅器およびピーク増幅器を９０度の位相差で動作させるために従来ピーク増幅器の入力側に用いていた１／４波長ネットワークを不要とすることができる。

これにより、キャリア増幅器およびピーク増幅器を９０度の位相差で動作させるために従来ピーク増幅器の入力側に用いていた機構的にサイズが大きくなる伝送線路（１／４波長ネットワーク）を用いずに、ドハティ機能を実現することができ、ドハティ機能を備える増幅装置のサイズをさらに小型化して、機構的に容積の縮小化が要求される移動体通信機器にもドハティ機能を実装することができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の高周波電力増幅装置を説明する。

図４は本実施の形態２の高周波電力増幅装置であるドハティ型増幅器の構成を示すブロック図である。図４に示すように、キャリア増幅器４０２の出力側に１／４波長集中定数回路４０５を備え、ピーク増幅器４０４の入力側に１／４波長集中定数回路４０３を備える。従来技術では１／４波長ネットワークが伝送線路で構成されていることに比べて、集中定数回路を用いることで大幅な面積の削減を実現する。

ここで、伝送線路の特性を集中定数回路で置き換えるためには、伝送線路の特性インピーダンスと伝送線路の電気的な長さを集中定数回路で実現する必要がある。この場合、従来技術で説明した「非特許文献１」を参考にした図８に示す半区間回路をもとに、集中定数回路の設計を行う。ただし、図８に示す回路はＬ型であって非対称構造であり、対称構造の伝送線路とは異なる。

そこで、Ｌ型回路を二つ接続したπ型回路もしくはＴ型回路を用いることで、伝送線路と同様に対称構造として、伝送線路と全く同じ機能を実現する。例として、周波数１［ＧＨｚ］において、特性インピーダンス５０［ｏｈｍ］の１／４波長伝送線路と公称インピーダンス５０［ｏｈｍ］、伝達定数９０［°］の集中定数回路を図５に示す。

図５（ａ）に示すＣＬＣ＿π型回路５０１は、キャパシタンスとインダクタンスをπ型で構成した集中定数回路で、公称インピーダンスＫ＝５０［ｏｈｍ］、映像伝送量θ＝９０［°］に設計している。また、図５（ｂ）に示すＬＣＬ＿Ｔ型回路５０２も同様に、公称インピーダンスＫ＝５０［ｏｈｍ］、映像伝送量θ＝９０［°］に設計している。例えばπ型回路５０１では、インダクタンスの値は８［ｎＨ］、キャパシタンスの値は３．２［ｐＦ］であり、チップ部品もしくは半導体チップ上で十分実現可能な値である。周波数１［ＧＨｚ］の１／４波長が約７．５［ｃｍ］であることに比べ、集中定数回路では数ミリ四方もしくはそれ以下の大きさで実現できる。

以上のように、本実施の形態によれば、１／４波長ネットワークとして集中定数素子による集中定数回路を用いてドハティ機能を実現することにより、キャリア増幅器およびピーク増幅器を９０度の位相差で動作させるために従来ピーク増幅器の入力側に用いていた１／４波長ネットワークを不要とすることができる。

これにより、キャリア増幅器およびピーク増幅器を９０度の位相差で動作させるために従来ピーク増幅器の入力側に用いていた機構的にサイズが大きくなる伝送線路（１／４波長ネットワーク）を用いずに、ドハティ機能を実現することができ、ドハティ機能を備える増幅装置のサイズをさらに小型化して、機構的に容積の縮小化が要求される移動体通信機器にもドハティ機能を実装することができる。

以上の実施の形態１および実施の形態２による高周波電力増幅装置として用いられる各ドハティ型増幅器の実際のパターン例について、以下に従来例と比較して説明する。
図６は従来技術および本実施の形態１、２による高周波電力増幅装置として用いられる各ドハティ型増幅器のパターン図の構造例である。

図６（ａ）は従来のドハティ型増幅器のパターン図であり、ここでは、キャリア増幅器およびピーク増幅器は半導体チップで構成され、０．５［ｍｍ］四方の大きさを想定している。周波数１［ＧＨｚ］の場合は１／４波長は７．５［ｃｍ］となるので、１／４波長ネットワークを伝送線路を用いて実現した場合は、図６（ａ）に示すように、キャリア増幅器およびピーク増幅器を構成する半導体チップに比べてはるかに大な面積を必要とする。

図６（ｂ）は実施の形態１のドハティ型増幅器のパターン図であり、キャリア増幅器およびピーク増幅器を多段のトランジスタで実現した場合である。ここでは、キャリア増幅器を２段、ピーク増幅器を３段とした場合を想定し、半導体チップのサイズを、図６（ａ）の場合に比べて、それぞれ２倍、３倍としている。この場合、半導体のチップサイズは大きくなるが、ピーク増幅器入力側の１／４波長伝送線路を不要としたことによる面積の削減の効果の方が大きくなることがわかる。

図６（ｃ）は実施の形態２のドハティ型増幅器のパターン図であり、１／４波長ネットワークとして集中定数素子による集中定数回路を用いた場合である。ここで集中定数素子としては、一般的に用いられる部品としてチップキャパシタンス６［ｍｍ］×３［ｍｍ］とチップインダクタンス６［ｍｍ］×３［ｍｍ］を想定している。図６（ｂ）の場合に比べて更なる小型化が実現可能である。

本発明の高周波電力増幅装置は、ドハティ機能を機構的にサイズが大きくなる伝送線路を用いずに実現することができ、ドハティ機能を備える増幅装置のサイズをさらに小型化して、機構的に容積の縮小化が要求される移動体通信機器にもドハティ機能を実装することができるもので、小型でかつ高機能化が進む携帯電話などの移動体通信機器等に適用できる。

本発明の実施の形態１の高周波電力増幅装置であるドハティ型増幅器の構成を示すブロック図 同実施の形態１の高周波電力増幅装置であるドハティ型増幅器における一段トランジスタの構造説明図 同実施の形態１の高周波電力増幅装置であるドハティ型増幅器における一段トランジスタの通過電力利得および通過位相のベース電圧依存性の説明図 本発明の実施の形態２の高周波電力増幅装置であるドハティ型増幅器の構成を示すブロック図 同実施の形態２の高周波電力増幅装置であるドハティ型増幅器における集中定数回路による伝送線路効果の説明図 本発明の実施の形態１、２の高周波電力増幅装置であるドハティ型増幅器における従来技術とのパターン比較説明図 従来の高周波電力増幅装置であるドハティ型増幅器の構成を示すブロック図 従来の高周波電力増幅装置である他のドハティ型増幅器における１／４波長ネットワークとして用いられる集中定数回路による定Ｋフィルタの基本回路図

符号の説明

１０１ 入力端子
１０２ キャリア増幅器
１０３ ピーク増幅器
１０４ １／４波長ネットワーク
１０５ 出力端子
２０１ 入力端子
２０２ トランジスタ
２０３ ベース
２０４ コレクタ
２０５ エミッタ
２０６ 接地
２０７ 出力端子
４０１ 入力端子
４０２ キャリア増幅器
４０３ １／４波長集中定数回路
４０４ ピーク増幅器
４０５ １／４波長集中定数回路
４０６ 出力端子
５０１ ＣＬＣ＿パイ型回路
５０２ ＬＣＬ＿Ｔ型回路
７０１ キャリア増幅器
７０２ １／４波長ネットワーク
７０３ １／４波長ネットワーク
７０４ ピーク増幅器
７０５ ドハティ型増幅器

Claims (2)

1. 高周波信号が入力される入力端子と、前記入力端子から延びる第１の経路にＭ段（Ｍは任意の自然数）のトランジスタ構成で配置され、出力電力が小さい時に単独で動作するキャリア増幅器と、前記キャリア増幅器の出力側に配置される１／４波長ネットワークと、前記入力端子から延びる第２の経路にＮ段（Ｎは任意の自然数）のトランジスタ構成で配置され、出力電力が大きい時に前記キャリア増幅器とともに動作して所定の閾値を超える信号だけを増幅するピーク増幅器と、前記ピーク増幅器の出力側と前記１／４波長ネットワークとの結合部位に配置される出力端子とを備え、前記キャリア増幅器および前記ピーク増幅器を、そのトランジスタの段数およびトランジスタのバイアス条件を調整して、９０度の位相差で動作するよう構成したことを特徴とする高周波電力増幅装置。
2. 高周波信号が入力される入力端子と、前記入力端子から延びる第１の経路に配置され、出力電力が小さい時に単独で動作するキャリア増幅器と、前記入力端子から延びる第２の経路に配置され、出力電力が大きい時に前記キャリア増幅器とともに動作して所定の閾値を超える信号だけを増幅するピーク増幅器と、前記キャリア増幅器の出力側および前記ピーク増幅器の入力側にそれぞれ配置された１／４波長ネットワークと、前記ピーク増幅器の出力側と前記第１の経路の１／４波長ネットワークとの結合部位に配置される出力端子とを備え、前記１／４波長ネットワークとして集中定数素子による集中定数回路を用い、前記キャリア増幅器および前記ピーク増幅器が９０度の位相差で動作するよう構成したことを特徴とする高周波電力増幅装置。

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