JP2007522690A - 結合された位相はずれ電力増幅器の出力インピーダンスを整合させる方法および装置 - Google Patents

Abstract

簡潔にいうと、本装置は、第２のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータに動作可能に結合された第１のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータを有する。第１および第２のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータは第１および位相はずれ電力増幅器の第１および第２信号を結合し、整合した出力インピーダンスを所望の負荷に提供する。

Description

本発明は、結合された位相はずれ電力増幅器の出力インピーダンスを整合させる方法および装置に関する。

位相はずれ送信機は、必要に応じて、例えば、基地局、セルラー通信システムの移動局および／またはモバイル・ユニット、ワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ）のアクセス・ポイント、および／または、他のタイプのワイヤレス通信システムのようなワイヤレス通信システムの局内で使用される。

位相はずれ技術は、２つの非線形無線周波数電力増幅器（ＰＡ）を線形電力増幅システムへ結合することができる。２つのＰＡは、異なる位相信号で駆動され、また、その位相は所望の振幅を有する出力信号を提供するために制御される。

線形電力増幅システムは、２つの非線形ＰＡによって提供される信号を結合するためのコンバイナを含む。そのコンバイナは、分路リアクタンスを備えた２つの伝送路カップラを含む。位相はずれ送信機の電力および効率は、コンポーネントの特性、および、分路リアクタンスを備える２つの伝送路カップラの構成に依存する。

本発明と考えられる主題は、本明細書の結論中で特に指摘され明確に要求される。しかしながら、本発明は、動作の構成および方法の双方に関し、その目的、機能および利点と共に、以下の詳細な説明を添付図面と共に参照することによって最もよく理解されるであろう。

図面中に示される要素は、図示を単純および明確にするために、必ずしも実際の寸法通りに描かれていないことを認識すべきである。例えば、いくつかの要素の寸法は明瞭化のために他の要素に比べて誇張されることがある。さらに、適切と考えられる場合、参照数字は対応または類似する要素を示すために図面中に繰り返される。

以下の詳細な説明では、多くの特定の詳細事項が、本発明の完全な理解を提供するために述べられる。しかしながら、これらの特定の詳細事項がなくても本発明を実施できることを当業者は理解するであろう。他の実施例では、周知の方法、手順、コンポーネントおよび回路は、本発明を不明瞭にしないために詳細に説明されていない。

詳細な記述のいくつかの部分は、コンピュータ・メモリ内のデータ・ビットまたは２進デジタル信号に対する動作アルゴリズムおよび記号表現の用語で示される。これらのアルゴリズムの記述および表現は、当該技術分野の他の者へそれらの作業結果を伝達するために、データ処理技術の当業者によって使用される技術である。

本発明は、様々なアプリケーションで使用されてもよいことが理解されるであろう。ここに開示された回路や技術は、無線システムにおける送信機のような多くの装置で使用できるが、本発明はこの点に制限されることはない。本発明の範囲内に含まれると意図される送信機は、実施例のみの方法によってではあるが、セルラー無線電話送信機、双方向無線送信機、デジタル・システム送信機、ワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワーク送信機、広帯域送信機、超広帯域送信機、および同種のものを含む。

本発明の範囲内に含まれると意図されるセルラー無線電話送信機は、符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）、スペクトラム拡散信号を受信するためのＣＤＭＡ−２０００および広帯域ＣＤＭＡ（ＷＣＤＭＡ）セルラー無線電話送信機、移動通信（ＧＳＭ）用グローバル・システムのための送信機、第３世代セルラーシステム（３Ｇ）のための送信機、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）送信機、およびその他同種のものを含むが、それらに制限されることはない。

まず、図１に移って、本発明の典型的な実施例に従うワイヤレス通信システム１００の概要図が示される。ワイヤレス通信システム１００は、少なくとも１つの基地局１１０および少なくとも１つの移動局１４０を含むが、本発明の範囲はこの実施例に制限されることはない。本発明のいくつかの実施例では、基地局１１０は送信機１２０を含み、また、移動局１４０は送信機１５０を含む。送信機１２０，１５０の少なくとも１つは、応答終端（reactive termination）を有する位相はずれ送信機である。応答終端は、例えば分路抵抗を備えたライン・カップラの形をして実施されるが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。

本発明のいくつかの実施例では、ワイヤレス通信システム１００は、セルラー方式であるが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。したがって、基地局１１０および移動局１４０は、セルラー方式の基地局および移動局である。本発明の他の実施例では、ワイヤレス通信システム１００は、ＷＬＡＮ通信システムであってもよい。この場合、基地局１１０はアクセス・ポイント（ＡＰ）であり、また、移動局１４０は、例えばラップトップ・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、携帯装置およびその他同種のモバイル・ユニットである。

図２に移って、本発明の典型的な実施例に従う位相はずれ送信機２００のブロック図が示される。位相はずれ送信機２００は、非線形ＰＡ２１０，２２０、コンバイナ２３０、インピーダンス変成器２８０、電池２８５およびアンテナ２９０を含むが、本発明の範囲はこれらに制限されることはない。本発明のいくつかの実施例では、コンバイナ２３０は、能動素子（例えば、トランジスタ（Ｑ）２４０，２４５、受動素子（例えば、キャパシタ（Ｃ）２５０，２５５、インダクタ（Ｌ）２６０，２６５、キャパシタ（Ｃ）２７０））を含む。

アンテナ２９０に使用されるアンテナのタイプは、内部アンテナ、ダイポールアンテナ、無指向性アンテナ、モノポール・アンテナ、エンド・フェド・アンテナ、円偏波アンテナ、マイクロストリップ・アンテナ、ダイバーシティ・アンテナおよびその他同種のアンテナを含むが、本発明の範囲はこれらに制限されることはない。

インピーダンス変成器２８０は、例として、アンテナ・インピーダンスおよび／または負荷インピーダンス（Zload）、例えばZload＝５０オームを、中間インピーダンス（Zintermidiate）、例えばZintermidiate＝２０オームへ変換するが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。この典型的な実施例では、電池２８５は、インピーダンス変成器２８０を通って能動素子２４０，２４５に直流（ＤＣ）給電を行なう。

コンバイナ２３０は、２つのＣ−Ｌ−Ｃ ＰＩ（π）コンバータを含むが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。第１のπコンバータは、Ｃ２５０（Ｃ＿Ａ）、Ｌ２６０（Ｌ＿ＰＩ）およびＣ２７０（Ｃ＿ＰＩ）の一部分を含めてもよい。第２のπコンバータはＣ２５５（Ｃ＿Ｂ）、Ｌ２６５（Ｌ＿ＰＩ）およびＣ２７０（Ｃ＿ＰＩ）の一部を含めてもよい。第１および第２のπコンバータは、Zintermidiateのインピーダンスをトランジスタ２４０，２４５のインピーダンス（Ｚ_ＰＡ）に変換する。本発明のいくつかの実施例では、Ｃ２７０は、Ｃ＿ＰＩ＝２＊Ｃπとして表現されることがある。Ｃπの容量およびインダクタ２６０またはインダクタ２６５（Ｌπ）のインダクタンスは、次の方程式を使用して表現され計算される。

ここで、ω_{ＣＥＮＴＥＲ}は、ＰＡ２１０，２２０から受信された信号の中心周波数である。

本発明のいくつかの代替実施例では、第１および第２のπコンバータは、第二高調波トラップ（図示せず）を含めてもよく、それはトランジスタ２４０，２４５の第二高調波を取り除くために使用され、トランジスタのピークの電圧を低減させるが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。他の高調波成分は、π部キャパシタＣ＿Ａ（２５０で参照される）および／またはキャパシタＣ＿Ｂ（２５５で参照される）によって濾波されるが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。

分路リアクタンスは、アドミッタンス・シフト（±ｊ＊ＢＳ）を引き起こすかもしれず、ここでＢＳはモー（例えば、１／Ω）で測られた反応アドミッタンス・シフトの量であるが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。例えば、正のアドミッタンス・シフト、＋ｊ＊ＢＳは、分路キャパシタにＢＳ／ω_{ＣＥＮＴＥＲ}ファラドに等しい容量を提供することにより行なわれる。同じように、負のアドミッタンス・シフト、−ｊ＊ＢＳは、分路インダクタに１／（ＢＳ＊ω_{ＣＥＮＴＥＲ}）ヘンリーに等しいインダクタンスを提供することにより行なわれる。本発明の実施例では、アドミッタンス・シフトは、キャパシタＣ＿ＡおよびＣ＿Ｂに加えられてもよい。これらのシフトは、最大パワーＰＡの負荷インピーダンスＺ_ＰＡに対するシフト・インピーダンスの比率であるＫ_ＢＳで定義される。Ｋ_ＢＳは以下のように表現される。

ここで、Ｋ_ＢＳはＺ_ＰＡによってＢＳを表現する。例えば、Ｋ_ＢＳは約４であり、また、Ｚ_ＰＡは最大出力パワーで最適のＰＡ負荷に関連する。

キャパシタＣ＿Ａは、次の方程式に従って計算され、

ここで、ω_１は入力信号の基本高調波であり、Ｌ_ＲＥＳは第二高調波トラップの共振であり、また、Ｚ_ＰＡ１はトランジスタ２４０の出力インピーダンスであるが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。本発明の実施例では、キャパシタＣ＿Ａは、正の値を有するように設計される。

キャパシタＣ＿Ｂは次の方程式に従って計算され、

ここで、Ｚ_ＰＡ２はトランジスタ２４５の出力インピーダンスであるが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。本発明のいくつかの実施例では、方程式（４）および（５）中の

の項は第二高調波共振器のアドミッタンス・シフトに対する補償を表わすが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。本発明の他のいくつかの実施例では、第二高調波は使用されない。これらの実施例については、方程式（４）および（５）中の

の項は省略される。

トランジスタ２４０，２４５は、バイポーラ・トランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、金属酸化膜電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、横方向拡散金属酸化膜半導体（ＬＤＭＯＳ）、チューブまたは同種の半導体を含むが、本発明の範囲はこれらに制限されることはない。本発明のいくつかの実施例では、トランジスタ２４０，２４５は、バイポーラ・トランジスタおよびコレクタ・エミッタ・容量Ｃ_ＣＥに等価のものであるが、それは

として表現され、キャパシタＣ＿Ｂに吸収される。コレクタ・エミッタ・インダクタンスＬ_ＣＥに対する等価式は、

として表現されることがあり、等価負容量

の形をしているキャパシタＣ＿Ａに吸収される。Ｋ_ＢＳおよび中間変成比の選択は、方程式（４）中の負のキャパシタＣ＿Ａ値に帰着しないが、本発明の範囲はこの点に制限されることはない。

図３を参照して、本発明の典型的な実施例による位相はずれ送信機の効率を示す概略的グラフ３１０，３２０を図示する。グラフ３１０，３２０は、出力電力の変化を関数として、送信機２００の効率を示す。出力電力が増加すると、両グラフは効率が向上することを示す。第１のグラフ３１０は、典型的なシミュレーション結果を表わす一方で、第２のグラフは、本発明の実施例による送信機上での実測結果を表わす。グラフ３１０，３２０が単に効率曲線の例を表わし、本発明の実施例の実際の効率曲線は特定の設計および実装に従って変化することに注目されるべきである。本発明の範囲はこれらの実施例に制限されることがないことを理解すべきである。

本発明のある機能がここに図示され説明される一方、多くの修正、代替、変更および均等が当業者に想到されるであろう。したがって、添付された請求項は、本発明の思想の範囲内でこのような修正、代替、変更および均等をすべてカバーするように意図されることを理解すべきである。

本発明の典型的な実施例によるワイヤレス通信システムの概要図である。 本発明の典型的な実施例による位相はずれ増幅器のブロック図である。 本発明の典型的な実施例による位相はずれ増幅器の効率を実証する際に有用なグラフの概要図である。

Claims (26)

1. 第２のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータに動作可能に結合された第１のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータを有し、第１および第２位相はずれ電力増幅器の第１および第２信号をそれぞれ結合するための、整合した出力インピーダンスを負荷に提供する、コンバイナを含むことを特徴とする装置。
2. 前記第１のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータは、第１のキャパシタ、第１のインダクタ、および、共有キャパシタを含み、第２のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータは、第２のキャパシタ、第２のインダクタ、および、前記共有キャパシタを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記共有キャパシタは、第１および第２位相はずれ電力増幅器の第１および第２信号をそれぞれ結合することを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記第１のキャパシタの容量は、前記共有キャパシタの容量とは異なることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記第１および第２位相はずれ電力増幅器は、トランジスタを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記トランジスタは、バイポーラ・トランジスタであることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 前記第１および第２信号の第二高調波を濾波するフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 応答終端を具備する位相はずれ送信機に動作可能に結合されたダイポールアンテナであって、前記送信機は、第２のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータに動作可能に結合された第１のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータを有し、第１および第２位相はずれ電力増幅器の第１および第２信号をそれぞれ結合するための、整合した出力インピーダンスを負荷に提供するコンバイナを含む、ダイポールアンテナ、
   を含むことを特徴とする装置。
9. 前記第１のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータは、第１のキャパシタ、第１のインダクタ、および、共有キャパシタを含み、第２のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータは、第２のキャパシタ、第２のインダクタ、および、前記共有キャパシタを含むことを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 前記共有キャパシタは、第１および第２位相はずれ電力増幅器の第１および第２信号をそれぞれ結合することを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 前記第１のキャパシタの容量は、前記共有キャパシタの容量とは異なることを特徴とする請求項８記載の装置。
12. 前記第１および第２位相はずれ電力増幅器は、トランジスタを含むことを特徴とする請求項８記載の装置。
13. 前記トランジスタは、バイポーラ・トランジスタであることを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 前記第１および第２信号の第二高調波を濾波するフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項８記載の装置。
15. 第１および第２容量値を第１および第２キャパシタにそれぞれ割り当てることにより、第１および第２電力増幅器の組合せと所望の負荷との間にインピーダンス整合を提供する段階、
    を含むことを特徴とする方法。
16. 前記第１および第２キャパシタに対して異なる容量値を割り当てる段階を含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記第１および第２の電力増幅器によってそれぞれ提供される第１および第２信号の第二高調波を濾波する段階を含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
18. 応答終端を備える第２位相はずれ電力増幅器を含む移動局であって、第２のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータに動作可能に結合された第１のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータを有し、第１および第２位相はずれ電力増幅器の第１および第２信号をそれぞれ結合するための、整合した出力インピーダンスを負荷に提供するコンバイを含む移動局を含むワイヤレス通信システム。
19. 前記第１のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータは、第１のキャパシタ、第１のインダクタ、および、共有キャパシタを含み、第２のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータは、第２のキャパシタ、第２のインダクタ、および、前記共有キャパシタを含むことを特徴とする請求項１８記載のワイヤレスに通信システム。
20. 前記共有キャパシタは、第１および第２位相はずれ電力増幅器の第１および第２信号をそれぞれ結合することを特徴とする請求項１９記載のワイヤレス通信システム。
21. 前記第１のキャパシタの容量は、前記共有キャパシタの容量とは異なることを特徴とする請求項１８記載のワイヤレス通信システム。
22. 前記第１および第２位相はずれ電力増幅器は、トランジスタを含むことを特徴とする請求項２１記載のワイヤレス通信システム。
23. 応答終端を備える第２位相はずれ電力増幅器を含む移動局であって、第２のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータに動作可能に結合された第１のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータを有し、第１および第２位相はずれ電力増幅器の第１および第２信号をそれぞれ結合するための、整合した出力インピーダンスを負荷に提供するコンバイを有する基地局を含むワイヤレス通信システム。
24. 前記第１のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータは、第１のキャパシタ、第１のインダクタ、および、共有キャパシタを含み、第２のキャパシタ−インダクタ−キャパシタのインピーダンス・コンバータは、第２のキャパシタ、第２のインダクタ、および、前記共有キャパシタを含むことを特徴とする請求項２３記載のワイヤレス通信システム。
25. 前記共有キャパシタは、第１および第２位相はずれ電力増幅器の第１および第２信号をそれぞれ結合することを特徴とする請求項２４記載のワイヤレス通信システム。
26. 前記第１のキャパシタの容量は、前記共有キャパシタの容量とは異なることを特徴とする請求項２３記載のワイヤレス通信システム。

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