JP2008005321A - マルチバンドドハティ増幅器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】入力信号を二つに分配する分配器と、分配器で分配された一方の信号を増幅するキャリア増幅器と、分配された他方の信号を遅延させる遅延器と、遅延器の出力信号を増幅するピーク増幅器と、キャリア増幅器の出力端に接続され、インピーダンス変換を行うインピーダンス変換器と、ピーク増幅器の出力信号とインピーダンス変換器の出力信号とを合成する合成器と、を含み、遅延器の電気長がインピーダンス変換器の電気長と略同一であり、インピーダンス変換器が、N(N≧2)種類のインピーダンス変換用伝送線路を従続接続した構成を有し、当該N種類の周波数について、略同一のインピーダンス変換を行う。
【選択図】図1
Description
図10に示すように、従来のドハティ増幅器100は、入力信号を二つに分配する分配器101と、分配器101での分配信号の一方が入力されるキャリア増幅器102と、分配器101での分配信号の他方が入力される1/4波長線路104と、1/4波長線路104の出力信号が入力されるピーク増幅器105と、キャリア増幅器102の出力信号が入力される1/4波長線路103と、1/4波長線路103の出力信号とピーク増幅器105の出力信号とを合成する合成器106とから構成される。
R0/2=VL/IL={j・R0・I0}/{(j・V0)/R0}= R0 2・(I0/V0) …(3)
が成り立つ。そして、式(3)を変形すると、
V0/I0=2R0 …(4)
となる。これは、1/4波長線路103の入力端、すなわち、キャリア増幅器102の出力端からみた負荷インピーダンスが2R0となることを示している。
R0=VL/IL={j・R0・I0}/{(j・V0)/R0}= R0 2・(I0/V0) …(5)
が成り立つ。そして、式(5)を変形すると、
V0/I0=R0 …(6)
となる。これは、1/4波長線路103の入力端、すなわち、キャリア増幅器102の出力端からみた負荷インピーダンスがR0となることを示している。
ここで、キャリア増幅器102は、出力端からみた負荷インピーダンスが2R0の際、飽和電力は小さいが効率がよくなるように設計されている。その結果、入力信号の電流値が小さく、ピーク増幅器105がOFFの場合において、ドハティ増幅器100の高効率増幅動作が実現される。
W. H. Doherty, "A new high efficiency power amplifier for modulated waves", Proc. IRE, Vol. 24, No. 9, pp. 1163-1182, Sept. 1936.
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、複数の周波数に対して十分な動作性能を得ることが可能なドハティ増幅器を提供することを目的とする。
これにより、マルチバンドドハティ増幅器にとって重要なピーク増幅器がONの際の動作効率を向上させることができる。
〔構成〕
図1は、本形態におけるマルチバンドドハティ増幅器10の構成を例示したブロック図である。
図1に例示するマルチバンドドハティ増幅器10は、入力信号を二つに分配する分配器11と、分配器11の一方の出力端に接続され、分配器11で分配された一方の信号を増幅するキャリア増幅器12と、分配器11の他方の出力端に接続され、分配された他方の信号を遅延させる遅延器である遅延線路14と、遅延線路14の出力端に接続され、その出力信号を増幅するピーク増幅器15と、キャリア増幅器12の出力端に接続され、インピーダンス変換を行う多周波帯用インピーダンス変換器13と、ピーク増幅器15の出力端と多周波帯用インピーダンス変換器13の出力端とに接続され、ピーク増幅器15の出力信号と多周波帯用インピーダンス変換器13の出力信号とを合成する多周波帯用合成器16とを有する。
分配器11は、例えば、N個(N≧2)の周波数帯で均等に電力分配できるウイルキンソン電力分配器又は方向性結合器等によって構成できる。具体的には、各周波数帯の各中心周波数比が2以下であれば、例えば、プランチ型方向性結合器や結合型方向性結合器や設計が最適化されたウイルキンソン電力分配器等により分配器11を構成することができる。また、各周波数帯の各中心周波数比が2以上であれば、マルチセクション結合型方向性結合器やマルチセクションウイルキンソン電力分配器等により分配器11を構成できる。マルチバンドドハティ増幅器10の増幅特性を考慮すると、分配器11は、なるべく電力を等分配する構成であることが望ましい。しかし、分配器11が、電力を完全に等分配しなくても、キャリア増幅器12又はピーク増幅器15の利得を調整することにより、分配器11の分配誤差を補正することもできる。この場合、分配器11の設計の自由度が高まり、分配器11を容易に具体化できる。
図2(a)は、図1に示したマルチバンドドハティ増幅器10が具備する多周波帯用インピーダンス変換器13の構成を例示した概念図である。
図2(a)に例示するように、多周波帯用インピーダンス変換器13は、N種類(N≧2)のインピーダンス変換用伝送線路13a−1〜Nを従続接続した構成である。そして、この多周波帯用インピーダンス変換器13は、当該N種類の周波数について、略同一のインピーダンス変換を行う。なお、「略同一」及び「同一インピーダンス変換」の意義は、前述した通りである。
参考文献1:Cesar Monzon, "A small dual-frequency transformer in two section", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 51, No.4, pp. 1157-1161, Apr. 2003
図2(b)は、N=2の場合における多周波帯用インピーダンス変換器13の構成例を示す図である。
なお、このグラフは、各インピーダンス変換器のPort2側のインピーダンスが50Ohmである場合のデータを示す。
図5に例示するように、信号の周波数が2GHzである場合、従来のインピーダンス変換器(従来構成)も、図2(b)の例の多周波帯用インピーダンス変換器13(考案構成)も、Port1側のインピーダンスは、大きさ100Ohm、偏角0degとなっている。
遅延線路14は、インピーダンス変換器13と略同一の電気長に構成される。これにより、ピーク増幅器15側の信号の位相を、インピーダンス変換器13の電気長分だけ遅延させ、キャリア増幅器12側の信号とピーク増幅器15側の信号との位相とを一致させることができる。なお、ここでの「略同一」の意義は前述した通りである。また、遅延線路14には、インピーダンス変換器13と同一の構成の線路を用いてもかまわないが、特にその必要はなく、インピーダンス変換器13と略同一の電気長をもつ線路であれば、例えば、特性インピーダンス50Ohmの線路等どのようなものを用いてもよい。ピーク増幅器15の入力端側でのインピーダンスの不整合は、ピーク増幅器15の内部整合回路によりマルチバンドドハティ増幅器10の動作に大きな影響を与えないからである(これを示すデータについては後述する)。また、インピーダンス変換器13の実装形態も特に限定はなく、絶縁体基板にマイクロストリップライン、ストリップライン、コプレナーウェーブガイド等を形成して実装してもよいし、分配器11にインピーダンス変換器13を取り込む構成としてもよい。
キャリア増幅器12は、上述したN個の周波数をそれぞれ中心周波数とするN周波数帯で利得が得られる増幅器である。キャリア増幅器12のバイアス電圧は、一般にAB級又はB級に設定されている。キャリア増幅器12に使用されるマイクロ波半導体には、少なくとも上記のN周波数帯で十分な小信号利得を持つデバイスを使用する。例えば、1GHzと2GHzとをそれぞれ中心周波数とする2つの周波数帯で増幅する場合(N=2)には、Cバンドまで増幅できるGaAs MESFET等を使用することができる。
ピーク増幅器15は、上記のN周波数帯で利得が得られる増幅器である。ピーク増幅器15のバイアス電圧は、一般にキャリア増幅器12のバイアス電圧よりも深く設定される(例えばC級にバイアスされる)。ピーク増幅器15に使用されるマイクロ波半導体は、キャリア増幅器12と同一の基準で選択される。
多周波帯用合成器16は、多周波帯用インピーダンス変換器13の出力端とピーク増幅器15の出力端とが接合され、その接合部に、N種類のインピーダンス変換用伝送線路を従続接続した構成からなる。そして、このN種類のインピーダンス変換用伝送線路を従続接続させた構成は、上記のN種類の周波数について、略同一のインピーダンス変換を行う。このような構成の詳細は、例えば、前述の参考文献1に開示されている。
図3(a)に例示した多周波帯用合成器16は、相互に線幅が異なる2種類のインピーダンス変換用伝送線路16a−1,2をPort1側から従続接続した構成である。ここで例示する多周波帯用合成器16は、比誘電率が2.2の誘電体基板上に形成されたマイクロストリップラインである。この例の場合、インピーダンス変換用伝送線路16a−1は、特性インピーダンスが31.46Ohmの線路であり、インピーダンス変換用伝送線路16a−2は、特性インピーダンスが39.78Ohmの線路であり、各インピーダンス変換用伝送線路13a−1,2の長手方向の長さは、それぞれ50mmである。このように構成された多周波帯用合成器16は、1GHzと2GHzの2種類の周波数について、略同一のインピーダンス変換を行う。すなわち、Port2側のインピーダンスが50Ohmである場合にPort1のインピーダンスが25Ohmとなる関係が、信号の周波数が1GHzである場合と2GHzである場合とで成り立つ。
図3(b)は、図3(a)の例の多周波帯用合成器16の接続構成を示す図である。
図3(b)に示すように、図3(a)の例の多周波帯用合成器16のPort1側の一端は、多周波帯用インピーダンス変換器13の出力端とピーク増幅器15の出力端との接合部に接続され、他端はマルチバンドドハティ増幅器10の外部負荷(50Ohm)に接続される。これにより、図3(a)の例の多周波帯用合成器16は、1GHzと2GHzの2種類の周波数について、上記の接合部からみた負荷インピーダンスを25Ohmに変換し、ピーク増幅器15がONのときの上記の接合部からみた入力インピーダンスと整合させる。
以下に、本形態のマルチバンドドハティ増幅器10と従来のドハティ増幅器の計算機シミュレーション結果を示す。なお、以下のシミュレーション結果は、N=2の場合のものであり、多周波帯用インピーダンス変換器13として図2(b)に例示したものを用い、多周波帯用合成器16として図3に例示したものを用いたものである。また、ここでは、本形態のマルチバンドドハティ増幅器10及び従来のドハティ増幅器とも、キャリア増幅器とピーク増幅器には、Cバンド用GaAs MESFETを用いることとした。また、入力信号はCW1波(搬送波)とした。
図6(a)に示す通り、入力信号のシミュレーション周波数1GHzにおける、本形態のマルチバンドドハティ増幅器10と従来のドハティ増幅器の入出力特性は、ほぼ同一であり、飽和出力32dBm、利得10dB程度である。
図6(b)に示す通り、入力信号のシミュレーション周波数2GHzにおける、本形態のマルチバンドドハティ増幅器10と従来のドハティ増幅器の入出力特性も、ほぼ同一である。
図6から、本形態のマルチバンドドハティ増幅器10、設計周波数が1GHzである従来のドハティ増幅器、及び設計周波数が2GHzである従来のドハティ増幅器のいずれも、十分な利得が得られていることが分かる。これは、上述の計算機シミュレーションでは、本形態のマルチバンドドハティ増幅器10及び従来のドハティ増幅器とも、キャリア増幅器とピーク増幅器としてCバンド用GaAs MESFETを用いることを前提にしており、検討した1GHz及び2HGzにおいて小信号利得が十分に得られていたからである。
次に、本形態のマルチバンドドハティ増幅器10の多周波帯用合成器16の代わりに、1/4波長線路(設計周波数1GHz)を用いた構成(検討構成)の計算機シミュレーション結果を示す。なお、以下のシミュレーション結果は、N=2の場合のものであり、多周波帯用インピーダンス変換器13には、図2(b)に例示したものを用いた。また、ここで比較対象とする従来のドハティ増幅器は、キャリア増幅器側のインピーダンス変換器が1/4波長線路(設計周波数1GHz)であり、ピーク増幅器の入力側に1/4波長線路が接続され、1/4波長線路(設計周波数1GHz)を具備する合成器を用いたものとする。さらに、ここでは、本形態のマルチバンドドハティ増幅器10及び従来のドハティ増幅器とも、キャリア増幅器とピーク増幅器には、Cバンド用GaAs MESFETを用いることとした。また、入力信号はCW1波とした。
マルチバンドドハティ増幅器10の合成器として、N種類のインピーダンス変換用伝送線路を従続接続した多周波帯用合成器16を採用した場合、合成器に単なる1/4波長線路を用いる場合に比べ、複数周波数(この例では1GHzと2GHz)における高効率増幅性能が向上する。
また、入出力特性と効率特性とを総合判断すると、ピーク増幅器入力側の遅延器として多周波帯用インピーダンス変換器13と同じ構成ものを用いた場合と、単なる遅延線路(例えば、50Ohm線路)を用いた場合との間で、大きな性能の差はない。
Claims (4)
- 入力信号を二つに分配する分配器と、
前記分配器の一方の出力端に接続され、前記分配器で分配された一方の信号を増幅するキャリア増幅器と、
前記分配器の他方の出力端に接続され、分配された他方の信号を遅延させる遅延器と、
前記遅延器の出力端に接続され、その出力信号を増幅するピーク増幅器と、
前記キャリア増幅器の出力端に接続され、インピーダンス変換を行うインピーダンス変換器と、
前記ピーク増幅器の出力端と前記インピーダンス変換器の出力端とに接続され、前記ピーク増幅器の出力信号と前記インピーダンス変換器の出力信号とを合成する合成器と、を含み、
前記遅延器の電気長は、
前記インピーダンス変換器の電気長と略同一であり、
前記インピーダンス変換器は、
N(N≧2)種類のインピーダンス変換用伝送線路を従続接続した構成を有し、N種類の周波数について、略同一のインピーダンス変換を行う、
ことを特徴とするマルチバンドドハティ増幅器。 - 請求項1に記載のマルチバンドドハティ増幅器であって、
前記遅延器は、
前記インピーダンス変換器と構成が相違する遅延線路である、
ことを特徴とするマルチバンドドハティ増幅器。 - 請求項1又は2に記載のマルチバンドドハティ増幅器であって、
前記合成器は、
前記ピーク増幅器の出力端と前記インピーダンス変換器の出力端とが接合された接合部に、N種類のインピーダンス変換用伝送線路を従続接続させた構成を有し、
前記合成器が有するN種類のインピーダンス変換用伝送線路を従続接続させた構成は、前記N種類の周波数について、略同一のインピーダンス変換を行う、
ことを特徴とするマルチバンドドハティ増幅器。 - 請求項3に記載のマルチバンドドハティ増幅器であって、
前記合成器が有するN種類のインピーダンス変換用伝送線路を従続接続させた構成は、
前記ピーク増幅器がONの場合に、前記N種類の周波数について、前記接合部からみた負荷インピーダンスを、当該接合部からみた出力インピーダンスに整合させる、
ことを特徴とするマルチバンドドハティ増幅器。
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