JP2008541648A - 高出力効率の集積ドハティ型増幅装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、集積ドハティ型増幅装置及びそのような装置のための増幅方法であって、所定の位相シフトで且つ不均等分配率でメイン及びピーク増幅器段（２０、３０、４０）の入力信号を分配するために集中素子ハイブリッド電力分配器（１２）が設けられるとともに、第１の増幅信号を受信し且つ所定の位相シフトを第１の増幅信号及びその更に高い高調波に対して適用するために、広帯域補償回路と組み合わせられる少なくとも一つの広帯域集中素子擬似ライン（Ｚ１、Ｚ２）が設けられる、集積ドハティ型増幅装置及びそのような装置のための増幅方法に関する。これにより、ピーク増幅器の低い利得は、入力において不均等電力分配を行うことによって補償される。また、集中素子ハイブリッド電力分配器を使用することにより、メイン及びピーク増幅器の入力ポート間の絶縁が向上し、それにより、出力信号の最終的な歪みが低減される。

Description

本発明は、集積ドハティ型増幅装置、及び、そのようなドハティ型増幅装置の入力信号の増幅方法に関する。

近年、無線通信のために電力増幅器の効率を高めるための強い要求が存在してきた。ドハティ技術の使用により、幅広い範囲の入力電力変動に亘って電力増幅器の効率を維持することができる。ドハティ増幅器は、１９３６年にＷ．Ｈ．ドハティ（Ｗ．Ｈ．Ｄｏｈｅｒｔｙ）によって最初に提案されたものであり、技術専門誌で論じられて「変調波のための新高出力効率増幅器（Ａ Ｎｅｗ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｆｏｒ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｗａｖｅｓ）」（Ｗ．Ｈ．ドハティ（Ｗ．Ｈ．Ｄｏｈｅｒｔｙ）、無線工学学会会報（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）、Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．９，１９３６年９月）（非特許文献１）と題されている。当初、低波から中波の振幅変調放送送信器での使用が意図されたが、提案された方式は、高周波電力増幅器の効率を高めるために、変形して更新することができる。

従来の増幅器においては、効率的レベルと入力駆動レベルとの間に直接的な関係が存在する。従って、増幅器を飽和状態へと駆動させるために高周波入力電力が十分に高くなるまで高い効率が達成されない。マルチキャリア通信システムでは、相互変調歪みを回避するために増幅器が可能な限り線形性を保たなければならないため、高効率のこの領域を使用することができない。

ドハティ増幅方式は、出力が飽和し始め且つ最も高い線形効率が得られる点で動作させられる第１の増幅器（メイン増幅器又はキャリア増幅器）を有することにより高い線形効率を達成する。また、第１の増幅器がこの飽和点を超えて駆動されるときに全体の線形性を維持できるように第１の増幅器に影響を与えるべく第２の増幅器（ピーク増幅器又は補助増幅器）が使用される。従って、ドハティ増幅器の動作は、主な二つの領域に分けることができる。第１の領域では、入力電力がピーク増幅器の閾値よりも小さく、また、キャリア増幅器だけが、その動作モードによって決定される効率をもって、即ち、増幅器のバイアス作用点の位置を規定するＡＢクラス、Ｂクラス、Ｆクラス又はＥクラスをもって、出力電力を負荷に対して供給する。キャリア増幅器が飽和する直前のレベルまで、即ち、ピーク効率が得られる点まで入力駆動電圧又は電力が更に増大すると、ピーク増幅器が動作し始め、この点（マーク）が第２の領域の始まりとなる。１／４波長トランスの接続により、ピーク増幅器によって供給される電力は、キャリア増幅器によって見られる出力負荷インピーダンスを効率的に減少させる。このインピーダンス減少により、キャリア増幅器は、その電圧が飽和したままの間、より多くの電力を負荷に対して供給することができる。このようにして、キャリア増幅器、従って、ドハティ増幅器全体の最大効率は、ピーク増幅器がその飽和状態に達するまで領域全体に亘って維持される。しかしながら、特に多くの場合にピーク増幅器における場合であるＣクラス動作モード（バイアスが１８０°未満の導電角を与える）が使用されるときのパワーデバイスの可変入力インピーダンスにより、電力レベルに応じて増幅歪み及び位相歪みが引き起こされ、これは、広帯域符号分割多元接続（ＷＣＤＭＡ）通信システム等のコード多重送信システムにおいて極めて有害である。また、可変入力インピーダンスは、ピーク及びメイン増幅器で動作するパワーデバイスの入力からの出力反射を引き起こし、これにより、望ましくない相互影響又はカップリング効果が生じる。

一方では、ドハティ技術は、最良の線形性を与えるためにキャリア（又はメイン）及びピーク増幅器内で同様のデバイスを使用する必要があるが、他方では、両方のパワーデバイスが異なるモードで動作し、例えば、メイン増幅器がＡＢ−クラスで動作し、ピーク増幅器がＣクラスで動作し、それにより、電力利得に大きな差が生じる。従って、ドハティ増幅器の特性は、利得が減少し始める電力範囲を備えており、従って、Ｃクラスで動作するピーク増幅器が低い利得を有し且つメイン増幅器の出力での負荷インピーダンスがドハティ原理に起因して降下するという事実に起因して、入力振幅変調（即ち、ＡＭ−ＡＭ歪み）に基づく出力振幅変調の増大をもたらす。

ドハティ増幅器の他の障害は、ドハティ増幅器の入力及び出力において必要とされる９０°ラインに起因し、これにより、動作の周波数帯域が制限される。

上記欠点を考慮すると、ピーク及びメイン増幅器の入力ポート間、並びに、共通のドハティ入力とピーク及びメイン増幅器のそれぞれの入力との間で電気的絶縁を達成するためには、ドハティ性能の向上が必要とされる。また、メイン及びピーク増幅器の入力に印加される二つの信号間では、広帯域９０°位相差が望ましい。

また、ドハティ増幅技術は、特に広帯域移動体通信に対して扱われるため、携帯電話出力増幅器として使用でき且つ出力側での過酷なインピーダンス不一致（例えば、１：１０の電圧定在波比（ＶＳＷＲ））に耐えることができる統合的解決法（ＭＭＩＣ）が望ましい。

論文「ドハティ電力増幅器技術ＣＭＯＳプロセスに基づく集中素子（Ｌｕｍｐｅｄ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ Ｄｏｈｅｒｔｙ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ＣＭＯＳ Ｐｒｏｃｅｓｓ）」（Ｃ．Ｔｏｎｇｃｈｏｉ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ，２００３，第Ｉ−４４５頁〜第Ｉ−４８８頁）（非特許文献２）には、幅広い範囲の出力電力に亘って高い出力付加効率を維持するＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）マイクロ波ドハティ電力増幅器が記載されている。実施は、高効率及びコンパクトな構造のために集中素子ＬＣ等価物を使用して１／４波長トランスが実現される、ＡＢクラス及びＣクラスのＣＭＯＳ電力増幅器の組み合わせに基づいている。また、本質的に高い基板損失を最小限に抑制し且つ集積レベルを更に高めるため、入力信号を均等に分配するがメイン及びピーク増幅器に対して位相が９０°異なる直交３−ｄＢハイブリッド回路もその集中等価物に取って代えられる。特に、１／４波長トランス及び分岐ラインカプラは、直列インダクタと並列コンデンサとからなるπ型集中素子等価回路によって表され、これは、結合パッド及びパッケージに関連する避けられない寄生キャパシタンスを並列コンデンサへ吸収することができるという利点を与える。キャパシタは、方形型の金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）構造となるように提案されるが、総てのインダクタは、集積平面スパイラルインダクタとなるように提案される。

しかしながら、上記文献は、ドハティ増幅装置におけるメイン及びピーク増幅器の可変入力インピーダンス及び可変出力負荷に起因する相互結合から生じる上述の問題を扱っていない。
「変調波のための新高出力効率増幅器（Ａ Ｎｅｗ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｆｏｒ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｗａｖｅｓ）」（Ｗ．Ｈ．ドハティ（Ｗ．Ｈ．Ｄｏｈｅｒｔｙ）、無線工学学会会報（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）、Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．９，１９３６年９月） 「ドハティ電力増幅器技術ＣＭＯＳプロセスに基づく集中素子（Ｌｕｍｐｅｄ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ Ｄｏｈｅｒｔｙ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ＣＭＯＳ Ｐｒｏｃｅｓｓ）」（Ｃ．Ｔｏｎｇｃｈｏｉ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ，２００３，第Ｉ−４４５頁〜第Ｉ−４８８頁）

従って、本発明の目的は、改良されたドハティ型増幅装置を提供することであり、それにより、任意の電力分配における総てのポート間で高い絶縁を有するとともに、分配された信号間で広帯域９０°位相シフトを有するコンパクトな構造を得ることができる。

この目的は、請求項１に記載された集積ドハティ型増幅装置によって、及び、請求項１４に記載された入力信号の増幅方法によって達成される。

従って、ピーク増幅器の低い利得は、入力において不均等電力分配を行うことによって補償される。また、集中素子ハイブリッド電力分配器を使用することにより、メイン及びピーク増幅器の入力ポート間の絶縁が高まる。更に、ハイブリッド電力分配器は、メイン及びピーク増幅器間で必要とされる配電を行うことができ、それにより、線形性対効率が最適化される。

集中素子ハイブリッド電力分配手段はインダクタを備えており、また、メイン増幅器段及びピーク増幅器段のそれぞれは、メイン増幅器段及びピーク増幅器段の入力インピーダンスを増大させるための補償回路を備える。

メイン及びピーク増幅器段は、バイポーラ素子、金属酸化物半導体、電界効果トランジスタ／ＭＯＳ又はＬＤＭＯＳＴ／及びＨＢＴ素子のうちの少なくとも一つを備えているものとするとよい。これらの総ての素子により、提案されたドハティ型増幅装置のサイズをコンパクトに維持することができる。

集中素子ハイブリッド電力分配手段は、ボンドワイヤ又は堆積されたインダクタンス及びキャパシタンスを伴って形成され得る。ボンドワイヤを使用すると、集中素子においてワット損が回避されるという利点が得られる。一方、堆積されたキャパシタンスを使用すると、寄生キャパシタンスを集中素子の一部として考慮し又は組み入れることができるという利点が得られる。一般に、両方の解決策は、集積のために回路サイズを縮小するのに役立つ。

メイン及びピーク増幅器段は、基本周波数及びその奇数倍、例えば基本周波数の３倍で寄生出力キャパシタンスを補償するための出力補償回路を備えているものとするとよい。この手段は、増幅装置の出力における基本周波数の高調波周波数を抑制するのに役立つ。また、出力補償回路は、基本周波数の偶数倍の周波数でかなり減少されたインピーダンスを与えるように構成されているものとするとよい。特に、出力補償回路は、二つのインダクタ及び二つのキャパシタ又はそれらの等価物を備えていてもよい。出力補償回路の上記インダクタの少なくとも一部は、ボンドワイヤにより形成されていてもよい。先と同様、これにより、特に基本周波数の高い高調波でワット損が減少するという利点が得られる。

また、メイン及び少なくとも一つのピーク増幅器段は、それらの出力が、１／４波長送信ラインとしての機能を果たす上記集中素子擬似ラインによって接続されていてもよい。送信ラインと等価な集中素子は、必要とされる領域に影響を与えることなく、幅広い範囲の特性インピーダンスを与える。特に、集中素子擬似ラインは、二つ以上の誘導結合ワイヤと、その一端が上記誘導結合ワイヤのうちの二つの共通点に接続され且つその他端が基準電位に接続された一つ以上のキャパシタと、を備える。

集中素子ハイブリッド電力分配手段は、任意の電力分配における総てのポート間で絶縁を行うとともに、幅広い周波数範囲に亘って第１の信号と少なくとも一つの第２の信号との間で所定の位相シフトをほぼ維持するように構成されているものとするとよい。これにより、メイン及びピーク増幅器段の入力ポート間の相互結合を防止することができる。特に、集中素子ハイブリッド電力分配器は、それぞれの入力ポートに、対応する直列インダクタと、一端同士が上記直列インダクタを介して互いに接続され且つそれらの他端が基準電位に接続された二つの第１の並列キャパシタと、上記対応する直列インダクタの端部をそれぞれ接続する二つの第２の並列キャパシタと、を備える。

以下、添付図面を参照しながら、好ましい実施の形態に基づいて本発明を説明する。

ここでは、無線システム又は任意の他の無線周波数（ＲＦ）システムのトランシーバ構造において使用される場合があるＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）技術に関連して好ましい実施の形態を説明する。ＭＭＩＣ技術の適用は、マイクロ波システム及びミリ波システムの小型化を可能にするとともに、性能を高めてきた。

ＩＥＥＥ８０２．１１（ａ）／（ｇ）基準に従ったＷＣＤＭＡ、ＣＤＭＡ２０００又は無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）システム等の新しい無線システムのモバイルＲＦトランシーバでは、変調されたＲＦ信号が無線送信用のアンテナへ供給される前に増幅される送信段階で電力増幅器が使用されている。これらの電力増幅器は、これらのＲＦトランシーバのうちで最も電力を消費する部品である。ドハティ型増幅装置を使用すると、非常に効率の良い電力増幅器を提供することができる。

好ましい実施の形態に係る電力増幅装置では、ドハティ構造が使用される。この場合、回路サイズは、集積のため、集中素子を使用して電力スプリッタのような分布回路及び送信ラインを置き換えることにより減少させられる。また、インダクタンス値を増大させるために誘導結合が使用され、集中素子擬似ラインの一部として出力寄生容量が使用される。また、集中素子における電力損を回避し且つ基本信号の２ｆｏ，．．．，ｎｆｏ高調波を含む幅広い周波数帯域で安定した特性インピーダンスを与えるために、インダクタンスとしてボンドワイヤを使用することが提案される。ボンドワイヤは、ＲＦ送信ラインと等価な広帯域集中素子を形成するのに適した集中インダクタンスとして、例えば約１５ＧＨｚの非常に高い寄生並列共振周波数を与える。

図１は、ドハティ型増幅装置の概略ブロック図を示す。ここで、入力端子５において受信された入力信号は入力ネットワーク１０へ供給され、入力ネットワーク内には、入力信号をキャリア増幅器又はメイン増幅器２０と少なくとも一つのピーク増幅器３０、４０とに分配するために集中素子ハイブリッド電力分配器が設けられている。図１の本実施例では、メイン増幅器２０の動作をサポートするために二つのピーク増幅器３０、４０が使用される。メイン増幅器２０及び二つのピーク増幅器３０、４０の出力信号は、所定数の集中素子擬似ラインを備える出力ネットワークへ供給され、集中素子擬似ラインの数はピーク増幅器３０、４０の数に対応している。従って、図１の本実施例では、出力ネットワーク５０内に二つの集中素子擬似ラインが設けられる。出力ネットワーク５０は、メイン増幅器及びピーク増幅器の出力信号を組み合わせて、出力端子１５へ供給される一つの増幅された出力信号を生成する役割を果たす。

Ｃクラスモードで、即ち、マイナス入力バイアスで動作し得るピーク増幅器３０、４０の低い利得を補償するため、入力回路１０内で不均等電力分配が行われる。また、ピーク増幅器３０、４０の可変入力インピーダンスの効果を低減するため、入力ネットワーク１０内でハイブリッドが使用され、入力ネットワーク１０のポート間における高い絶縁が提供される。

ドハティ型増幅装置の線形性対効率特性は、メイン及びピーク増幅器２０、３０、４０の入力で位相制御を使用することにより、また、動的なバイアス電圧を使用してピーク増幅器３０、４０を制御することにより、最適化することができる。必要な配電は、入力ネットワーク１０のハイブリッドで不均等な電力分配を確立することにより行うことができる。

図２は、本発明の実施の一形態に係るドハティ増幅器の実施の一形態を示す。増幅器は、メイン増幅器（Ｍａｉｎ）と、集中素子Ｌｐｓを介して入力信号に結合されたピーク増幅器（Ｐｅａｋ）と、を備える。各増幅器は、その入力端子に、メイン増幅器及びピーク増幅器のそれぞれの入力インピーダンスを増大させるための補償回路Ｌｃを備える。ＦＥＴ又はＬＤＭＯＳＴパワーデバイスは、それらの動作帯域幅における限界を決定する比較的低い入力インピーダンスを供給する。例えば、４０Ｗ ＬＤＭＯＳＴパワートランジスタは、約０．２５オームの入力インピーダンスの実数部を有する。ＦＥＴパワーデバイスは、それらのゲート−ソースキャパシタンス（Ｃｇｓ）における電圧振幅に依存するデバイスを意味する電圧制御デバイスである。比較的高いインピーダンスを与えるパワーＦＥＴのための最良の入力マッチングは、動作周波数で並列型の共振を与えるための並列インダクタンスＬｃを使用して達成される。ゲート−ソースキャパシタンス（Ｃｇｓ）の両端間の電圧は、回路Ｌｃ、Ｃｇｓ、Ｃｄの共振周波数に影響を与える更なるキャパシタＣｄによって更に制御されてもよい。

図３は、本発明の実施の一形態に係るドハティ増幅器の一構成を示す。図２において、補償インダクタＬｃの端部と基準端子との間のキャパシタは、上記端部、結果としてトランジスタのゲートを、基準端子から分離する。従って、図３に示される一構成では、キャパシタが図示されていない。

図４は、ＭＭＩＣ技術における前述した２段集積ドハティ型増幅器の回路図を示す。入力ネットワーク１０は、二つの集中素子ハイブリッドカプラ１２から構成され、各カプラは、二つの入力ポートと二つの出力ポートとを有する。各ハイブリッドカプラ１２の上側入力ポートは、所定の負荷抵抗器を介して接地されており、負荷抵抗器は、ラインシステム、例えばストリップライン又はマイクロストリップシステムの特性インピーダンスに対応していてもよい。入力ポート５の入力信号は、第１のハイブリッドカプラ１２の下側入力ポートに供給され、第１のハイブリッドカプラ１２の上側出力ポートは、０°の位相シフトでメイン増幅器２０に対して接続される。一方、第１のハイブリッドカプラ１２の下側出力ポートは、９０°の位相シフトで第２のハイブリッドカプラ１２の下側入力ポートに接続される。第２のハイブリッドカプラ１２の上側出力ポートは、９０°の位相シフトで第１のピーク増幅器３０に接続され、一方、第２のハイブリッドカプラ１２の下側出力ポートは、１８０°の位相シフトで第２のピーク増幅器４０に接続される。二つのハイブリッドカプラ１２を有する配電ネットワークは、メイン増幅器２０とピーク増幅器３０、４０との間で任意の電力分配を行うことができ、それにより、ドハティ性能の最適化の柔軟性が得られる。

メイン増幅器２０及びピーク増幅器３０、４０の出力信号を再び組み合わせる前に、メイン増幅器２０の出力信号が、二つの直列に接続されたλ／４送信ラインＺ１、Ｚ２によって同相に合わせられ、その後、ピーク増幅器３０、４０のそれぞれの出力信号がメイン増幅器２０の適切に遅延された出力信号と組み合わせられ、それにより、出力端子１５で利用できる複合出力信号が生成される。

メイン増幅器２０及び二つのピーク増幅器３０、４０はそれぞれ、バイポーラ技術、ＭＯＳ（金属酸化物半導体）技術、ＬＤＭＯＳＴ（側方拡散金属酸化物半導体トランジスタ）技術、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）技術又はＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）技術におけるパワーデバイスを備えていてもよい。ＬＤＭＯＳＴ技術は、他の半導体技術と比べて高い利得及び良好な線形性を与える。しかしながら、ＷＣＤＭＡのような複素変調方式は、依然として、線形性における更なるデバイス向上を非常に望ましくする。従って、提案されたドハティ型増幅装置は、ＬＤＭＯＳＴ技術又は前述した他のＲＦパワーデバイス技術の性能を高める。例えば、ＨＢＴ ＭＭＩＣパワーデバイスが使用されてもよい。この場合には、ヘテロ接合が絶縁破壊電圧を増大させるとともに、接合間の漏れ電流を最小限に抑制する。

図５は、図４のハイブリッドカプラ１２の集中素子構造を示す。図５において、ハイブリッドカプラ１２は、二つの入力ポートと二つの出力ポートとの間に接続された並列キャパシタＣ３、Ｃ４を備えている。この場合、入力ポートの一方（図５では下側入力ポート、図４では上側入力ポート）は、外部負荷が接続される終端ポートとして使用される。この外部負荷は、ワット損制約を緩和する。これは、同相分配器／結合器と同様にミスマッチ誘導電力が内部で分散されなくてもよいからである。二つの入力側ポート及び二つの出力側ポートのそれぞれに並列に接続されたキャパシタＣ３、Ｃ４は、それらの上端が第１の直列インダクタＬ１を介して接続されるとともに、それらの下端が第２の直列インダクタＬ２によって接続されている。各ポートは、第３の並列キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ５、Ｃ６を介して、グランド又は任意の他の適当な基準電位に対して接続されている。この構成を用いると、任意の、具体的には非均等な電力分配を第１及び第２の出力ポートで行うことができる一方、二つの出力ポートでの出力信号間の位相シフトが幅広い周波数範囲に亘って９０°で一定に保たれる。また、二つの出力ポート間で幅広い周波数範囲に亘って高い絶縁を得ることができる。これにより、メイン増幅器２０とピーク増幅器３０、４０との間で必要な電力分配を行うことができる一方、入力反射損を低く維持することができる。無論、この利点は、ピーク増幅器を一つだけ有する、例えば上側ピーク増幅器３０を有する１段ドハティ型増幅器の場合にも得られる。

図６は、図５の集中素子ハイブリッド構成のＭＭＩＣ実施例を示す。入力信号は、図５の左側の端子に対して供給される。この場合、プレート状構造がキャパシタＣ１乃至Ｃ６に対応し、太い線が結合インダクタＬ１、Ｌ２に対応する。重なり合うプレート状構造は、結合インダクタＬ１、Ｌ２のそれぞれの終点を接続するキャパシタＣ３、Ｃ４に対応する。上側結合インダクタＬ１は、メイン増幅器２０の入力端子に接続される０°ポートに対して入力信号の第１の部分を供給する。下側結合インダクタＬ２は、第１のピーク増幅器３０の入力端子に接続される９０°ポートに対して入力信号の第２の部分を供給する。従って、コンパクトな回路構造を得ることができる。

図７は、集積ドハティ型増幅器における出力ネットワーク５０の概略回路図を示す。図７から分かるように、メイン増幅器２０及びピーク増幅器３０、４０のそれぞれのパワーデバイスの出力には、専用の補償回路５５、５７が設けられている。第１の補償回路５５は、特に基本周波数ｆｏ及びその奇数倍で、例えば３ｆｏで、パワーデバイスの出力の出力容量Ｃｏを補償する役割を果たす。二つの集中素子送信ラインＺ１、Ｚ２は、基本周波数ｆｏで必要なＺｏ及びλ／４波長ライン特性を示し、２ｆｏでλ／２波長ライン特性を示し、３ｆｏで３λ／４波長ライン特性を示すようになっている。第１の補償回路５５は、出力におけるこれらの集中素子送信ラインＺ１、Ｚ２及び負荷インピーダンスＺＬと共に、基本周波数ｆｏで特性インピーダンスＺｏに対応するインピーダンスＺを与え、２ｆｏで短絡回路に対応する小さいインピーダンスを与えるとともに、３ｆｏで開回路に対応する高いインピーダンスを与える役割を果たす。これがインピーダンスＺの周波数特性として図５の左下側に示されている。第２のピーク増幅器４０の出力にある第２の補償回路５７は、インダクタとキャパシタとの直列接続から構成され、基本周波数ｆｏで負荷インピーダンスＺＬが選択的にもたらされる特性を与える役割を果たす。

図８は、それぞれの先の増幅回路の寄生出力キャパシタンスＣｏを有する第１の補償回路５５を示す回路図を表している。特に、第１の補償回路５５は、二つの直列インダクタＬ１１、Ｌ１２と一つの直列キャパシタＣ１２とから構成されている。ここで、二つの直列インダクタの接合点とグランド又は基準電位との間に並列キャパシタＣ１１が接続されている。

図９は、図８に示される第１の補償回路５５のインピーダンスＺの実数部（上側のプラス曲線）及び虚数部（下側のプラス及びマイナス曲線）の周波数特性を示す。図９から分かるように、負荷インピーダンスＺＬ（例えば５０オーム）に対する適合は、基本周波数ｆｏ及び基本周波数の３倍３ｆｏにおいて選択的に行われる。これらの周波数点では、インピーダンスの虚数部がゼロである。また、基本周波数の２倍２ｆｏでは、インピーダンスの実数部及び虚数部の両方がほぼゼロであり、これは短絡回路に対応し、そのため、基本周波数の２倍２ｆｏが第１の補償回路５５によってブロックされる。この構成は、相互変調歪みの根本的原因であるメイン及びピーク増幅器の出力での２ｆｏ高調波電力の拒絶を行う。また、λ／４ラインと共に３ｆｏでのメイン及びピークパワーデバイスの出力キャパシタンスの補償は、３ｆｏ付近で高いインピーダンスを与えるとともにトランジスタのコレクタ又はドレインで電圧ピークを与え、これにより、ドハティ増幅器の出力効率が更に高まる。

図１０は、負荷インピーダンスＺＬに対応する５０オーム（Ｏｈｍ）の入力インピーダンスを有するように構成されている集中素子λ／４送信ラインＺ１又はＺ２の第１の実施例を示す。図１０によれば、集中素子送信ラインＺ１、Ｚ２は、ボンドワイヤ及びキャパシタが実際の送信ラインを形成するＭＭＩＣ技術で配置されていてもよい。ボンドラインの使用により、擬似ラインのワット損が低減するという利点が得られる。

図１１は、負荷インピーダンスＺＬに対応する５０オーム（Ｏｈｍ）の入力インピーダンスを有するように構成されている集中素子λ／４送信ラインＺ１又はＺ２の第２の実施例を示す。図１１においては、実施が、ボンドワイヤ間の結合を低下させ又は非相互的にするように変形されており、また、寄生要素が少ない、更に簡単な実施となっている。この理由は、入力ポート及び出力ポートがいずれも回路の同じ端部（即ち、左端）に配置されているからである。この第２の実施例では、他のキャパシタンス値及びインダクタンス値が必要とされ、これは、必要とされるインダクタンス値が非常に低くなる場合に適している。

図１２は、図１０の集中素子λ／４送信ラインに対応する特性インピーダンス及び位相図を示す。上側の図には、インピーダンスの実数部及び虚数部が示されている。ここで、上側のラインが実数部を示しており、下側のラインが虚数部を示す。周波数範囲全体に亘って虚数部がほぼゼロであるという事実を考慮すると、集中素子送信ラインの入力インピーダンスはほぼ５０オームのオーム抵抗に対応する。下側の位相図は、例えばマーカーｍ１で示される２Ｇｈｚの基本周波数ｆｏで約９０°の位相差を示す。位相曲線の傾きは、周波数変化に応じた集中素子送信ラインの出力と入力との間の位相差の変化を示しており、これは、この特定の実施の形態においては完全に平坦である。

別の手段として、集中素子λ／４送信ラインは、二つの直列に接続されたインダクタの接合点と基準電位又はグランド電位との間に接続される並列キャパシタと二つの直列に接続されたインダクタとを設けることにより得ることができる。直列インダクタ及び並列キャパシタは、任意の寄生インダクタ及びキャパシタを考慮するように構成することができる。

図１３は、ＭＭＩＣ技術における集積ドハティ型増幅器の補償及びλ／４送信ライン回路を含むメイン増幅器２０のための出力マッチング構造を伴うパワートランジスタ又はパワーデバイスの一つのセル構造の一例を示す。ハッチングされた領域は能動部分ＡＤを示しており、一方、太い直線はインダクタＬとしての機能を果たすボンドワイヤを示しており、また、プレート状の領域は並列キャパシタＣを示す。そのため、セル構造の右上部分は、図８の補償回路５５に対応しており、一方、右下部分は、送信ラインＺ１又はＺ２と等価な集中素子に対応している。このセル構造を用いると、簡単でコンパクトに集積したドハティ型増幅器を得ることができる。

図１３は、提案された出力マッチング回路を有する集積ドハティ型増幅器のメイン増幅器２０及び上側ピーク増幅器３０の構造例を示す。ここで、左上のハッチング部分は、メイン増幅器２０のパワーデバイスのアクティブダイを示しており、一方、中央下側のハッチング部分は、第１のピーク増幅器３０のパワーデバイスのアクティブダイを示す。また、二つの集中素子擬似ライン又は送信ラインＺ１及びＺ２は、出力ポート１５への接続を伴って示されている。第１のピーク増幅器３０の補償回路５５は、右下部分に示されており、基本的には中央上側部分に示されるメイン増幅器２０のそれぞれの補償回路に対応している。

従って、改良された電力分配入力ネットワーク及び出力補償ネットワークに関連して、ピーク及びメイン増幅器入力ポート間で高い電気的絶縁を伴うとともに、メイン及びピーク増幅器に対して印加される二つの入力信号間の広帯域９０°位相差においてドハティ共通入力ポートとピーク及びメイン増幅器の入力ポートとの間で高い電気的絶縁を伴う、高度ドハティ型増幅器性能を提供することができる。周波数帯域全体に亘って所要の９０°位相差を維持しつつ、メイン増幅器及び複数のピーク増幅器の入力間で不均等配電を行うことができる。改良された出力回路は、必要とされる領域に影響を与えることなく、幅広い特性インピーダンスを与える。これにより、ドハティ型増幅器の出力での可変出力負荷に起因するＡＭ−ＡＭ歪みを低減することができる。尚、一般に、前述した好ましい実施の形態で使用される任意のインダクタは、ボンドワイヤ素子として実施され又は実現されてもよく、これにより、低い電力損及びコンパクトなサイズが確保される。

要約すると、集積ドハティ型増幅装置及びそのような装置のための増幅方法であって、所定の位相シフトで且つ不均等分配率でメイン及びピーク増幅器段２０、３０、４０の入力信号を分配するために集中素子ハイブリッド電力分配器１２が設けられるとともに、上記第１の増幅信号を受け且つ上記所定の位相シフトを上記第１の増幅信号及びその更に高い高調波に対して加えるために、広帯域補償回路と組み合わせられる少なくとも一つの広帯域集中素子擬似ラインＺ１、Ｚ２が設けられる、集積ドハティ型増幅装置及びそのような装置のための増幅方法が提案される。これにより、ピーク増幅器の低い利得は、入力において不均等電力分配を行うことによって補償される。また、集中素子ハイブリッド電力分配器を使用することにより、メイン及びピーク増幅器の入力ポート間の絶縁が高まり、それにより、出力信号の最終的な歪みが低減される。

尚、本発明は、前述した好ましい実施の形態に限定されず、任意の種類の一段又は多段ドハティ型増幅装置において使用することができる。また、図３に示されるハイブリッドカプラの代わりに、不均等又は任意の電力分配を行うことができるように構成されている任意の他のタイプのハイブリッドカプラ又は電力分配器を使用することができる。好ましい実施の形態は、例えば１００Ｗを上回る出力レベルにおいて、高出力ＲＦトランジスタパッケージ内で並列に接続される場合には、高出力ドハティ増幅器のためのビルディングブロックデバイスとして使用され得る。

また、本発明は、前述した好ましい実施の形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内で変形することができる。特に、描かれた図面は、単なる概略であって限定するためのものではない。図面において、一部の要素のサイズは、誇張されている場合があり、例示目的のために一定の倍率で描かれていない。「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書本文及び特許請求の範囲で使用される場合、他の要素又はステップを排除しない。単数名詞を参照する際に不定冠詞又は定冠詞、例えば「ａ」又は「ａｎ」、「ｔｈｅ」が使用される場合、これは、他の何かが特に述べられていなければ、複数のそのような名詞を含む。明細書本文中及び特許請求の範囲中の第１、第２、第３等の用語は、同様の要素同士を区別するために使用されており、連続的な順序又は時間的順序を表すために必ずしも使用されていない。本明細書で説明した本発明の実施の形態は、本明細書で説明し又は図示した順序以外の順序で動作できることは理解されるべきである。また、本明細書では好ましい実施の形態、特定の構造及び形態について説明してきたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、形態及び内容において様々な変更又は改良を行うことができる。

好ましい実施の形態に係るドハティ型増幅装置の概略ブロック図を示す。 本発明の実施の一形態に係るドハティ増幅器の実施の一形態を示す。 本発明の実施の一形態に係るドハティ増幅器の一構成を示す。 好ましい実施の形態に係る二つの並列ピーク増幅器を有するドハティ型増幅器の概略回路図を示す。 好ましい実施の形態に係る不均等電力分配を伴う集中素子ハイブリッドカプラの回路図を示す。 図３の集中素子ハイブリッドカプラの実施例を示す。 好ましい実施の形態に係る集積ドハティ型増幅装置における出力回路を示す。 好ましい実施の形態に係る出力回路において使用される補償回路を示す。 出力回路のインピーダンスの実数部及び虚数部のスペクトル図を示す。 好ましい実施の形態に係るλ／４送信ラインと等価な集中素子の第１の実施例を示す。 好ましい実施の形態に係るλ／４送信ラインと等価な集中素子の第２の実施例を示す。 λ／４送信ラインと等価な集中素子のインピーダンス及び位相図を示す。 好ましい実施の形態に係る出力マッチング回路を有するパワートランジスタの一つのセル構造の一例を示す。 好ましい実施の形態に係るメイン及びピーク増幅器の構造例を示す。

Claims (14)

1. ａ）第１の信号を受信するとともに、前記第１の信号を増幅して第１の増幅信号を生成するメイン増幅器段と、
   ｂ）少なくとも一つの第２の信号の各々をそれぞれ受信するとともに、前記第２の信号の各々のレベルが所定の閾値に達したときにそれぞれ動作を開始するように構成されている少なくとも一つのピーク増幅器段と、
   ｃ）所定の位相シフトで且つ不均等な分配率で前記増幅装置の入力信号を前記第１の信号及び前記少なくとも一つの第２の信号へ分配する少なくとも一つの集中素子ハイブリッド電力分配手段と、
   ｄ）前記第１の増幅信号を受信するとともに、前記所定の位相シフトを前記第１の増幅信号に適用する少なくとも一つの集中素子擬似ラインと、
   を備えることを特徴とする集積ドハティ型増幅装置。
2. 前記集中素子ハイブリッド電力分配手段は、インダクタを備えることを特徴とする請求項１に記載の増幅器。
3. 前記メイン増幅器段及び前記ピーク増幅器段のそれぞれは、前記メイン増幅器段及び前記ピーク増幅器段の入力インピーダンスを増大させる補償回路を備えることを特徴とする請求項３に記載の増幅器。
4. 前記メイン及びピーク増幅器段は、バイポーラ素子、金属酸化物半導体、ＬＤＭＯＳＴ素子、電界効果トランジスタ及びＨＢＴ素子のうちの少なくとも一つを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の増幅装置。
5. 前記集中素子ハイブリッド電力分配手段は、ボンドワイヤ又は堆積されたインダクタンス及びキャパシタンスを伴って形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の増幅装置。
6. 前記メイン及びピーク増幅器段は、基本周波数及びその少なくとも一つの奇数倍で寄生出力キャパシタンスを補償する出力補償回路を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の増幅装置。
7. 前記出力補償回路は、前記基本周波数の少なくとも一つの偶数倍の周波数で実質的に低減されたインピーダンスを与えるように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の増幅装置。
8. 前記出力補償回路は、二つのインダクタ及び二つのキャパシタ又はそれらの等価物を備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の増幅装置。
9. 前記出力補償回路の前記インダクタの少なくとも一部は、ボンドワイヤにより形成されていることを特徴とする請求項８に記載の増幅装置。
10. 前記メイン及び前記少なくとも一つのピーク増幅器段は、１／４波長送信ラインとしての機能を果たす前記集中素子擬似ラインによって、それらの出力が接続されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の増幅装置。
11. 前記集中素子擬似ラインは、二つ以上の誘導結合ワイヤと、一端が前記誘導結合ワイヤのうちの二つの共通点に接続され且つ他端が基準電位に接続された一つ以上のキャパシタと、を備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の増幅装置。
12. 前記集中素子ハイブリッド電力分配手段は、任意の電力分配における総てのポート間で絶縁を行うとともに、幅広い周波数範囲に亘って前記第１の信号と前記少なくとも一つの第２の信号との間で前記所定の位相シフトをほぼ維持するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の増幅装置。
13. 前記集中素子ハイブリッド電力分配手段は、それぞれの入力ポートに、各々の直列インダクタと、一端同士が前記直列インダクタを介して互いに接続され且つそれらの他端が基準電位に接続された二つの第１の並列キャパシタと、前記各々の直列インダクタの端部をそれぞれ接続する二つの第２の並列キャパシタと、を備えることを特徴とする請求項１２に記載の増幅装置。
14. ドハティ型増幅装置における入力信号の増幅方法であって、
    ａ）前記入力信号を、所定の位相シフト及び不均等な分配率を有する第１及び少なくとも一つの第２の信号へ分配するステップと、
    ｂ）前記第１の信号を第１の段で増幅して、第１の増幅信号を生成するステップと、
    ｃ）前記少なくとも一つの第２の信号の増幅を、前記第２の信号のレベルが所定の閾値に達したときに少なくとも一つの第２の段で開始して、第２の増幅信号を生成するステップと、
    ｄ）前記所定の位相シフトを前記第１の増幅信号に適用するために、前記第１の増幅信号を少なくとも一つの集中素子擬似ラインのそれぞれに対して供給するステップと、
    ｅ）前記少なくとも一つの集中素子擬似ラインの出力信号と、前記少なくとも一つの第２のラインのうちの対応する一つとを組み合わせて、前記ドハティ型増幅装置の出力信号を生成するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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