JP2010041634A - 高周波電力増幅器並びにそれを用いた高周波送信モジュール及び送受信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高周波電力増幅器を実現する際における、歪を低減しつつ効率を向上させ、更に構成される回路が大きくなるという現象を回避すること。また、MMICもしくは多層配線回路基板で構成される高周波電力増幅器回路等の占有面積の増大を回避する。
【解決手段】異なる特性を有する複数の増幅器と、増幅器切替え用の高周波スイッチを備えた高周波電力増幅器において、高周波スイッチに、スイッチ機能のみではなく増幅素子で発生する歪を相殺するための歪を予め発生する機能も合わせ持たせた。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波電力増幅器、特にＲＦ（無線周波数）増幅装置に適した高周波電力増幅器並びにそれを用いた高周波送信モジュール及び送受信モジュールに関する。

従来、高周波電力増幅器で発生する非線形歪を低減させるために、並列接続された複数の電力増幅器の各入力側に夫々予歪発生回路（P.D：プリディストーション回路）を挿入し、電力増幅器の非線形特性を補償することが行なわれている。例えば、特許文献１には、各電力増幅器の前段に前置補償器を設け（並列増幅枝路）、さらに各並列増幅枝路の前段及び後段に、入力電力レベルに応じていずれかの並列増幅枝路を選択するためのスイッチ群が設けられている。また、特許文献２にも、並列接続された２組の「非線形型歪補償回路及び増幅回路」の経路に対して、入力電力の大きさに応じていずれかの経路を選択するためのスイッチスイッチ回路群が設けられている。

さらに、特許文献３にも、同様の機能を有するリニアライザが開示されている。

特開２０００−１９６３７２号公報 特開２０００−０７７９５１号公報 特開２００１−２０３５３９号公報

現在、携帯電話、WLAN、WiMAX等に代表される移動体通信システムには、多くの通信方式が利用されている。例えば、近日中のサービス開始を控え多くの普及が見込まれるWiMAXシステムでは、多値変調されたOFDM方式などが用いられており、この中で用いられる高周波増幅器には、歪に関して非常に厳しい特性が要求されている。このように今後の通信方式では、短時間でより多くの情報量を送信することが要求されるためにより低エラーレートのシステムが必須となり、高周波増幅器では、更に高い線形性が要求される。その皺寄せとして高周波増幅器部では使用電流量が増加し効率が低下してしまう、またGSM方式に代表される高周波飽和型増幅器に比べ単位出力電力時の増幅器占有面積が大きくなってしまう。そのため、これらを改善するための技術は更に重要となっている。

ここで、従来、知られている低歪化のための回路の一例を、図１６に示す。すなわち、高周波電力増幅器AMP１、AMP２で発生する歪を低減させるために、各増幅器の入力側等に予歪発生回路（P.D：プリディストーション回路）３０４a、３０４bを挿入することが行なわれていた。

すなわち、予歪発生回路を用いて特性を改善する場合、図１７Ａに示した様に、高周波電力増幅器１００３の入力部分に予歪発生回路１００２を挿入することで実現している。このとき各々の特性は、図１７Ｂに示した通りとなる。先ず、予歪発生回路１００２特性は、図１７Ｂの（B）の出力電力Pout（dBm） vs 利得Gain（dB）に記されているように僅かながら損失（−Gain）を持ち更に出力電力の増加に伴い利得が増加する特性を持つ。また、高周波電力増幅器１００３特性は、図１７Ｂの（A）の出力電力Pout（dBm） vs 利得Gain（dB）に記されているように線形領域では、コンスタントなプラス利得（+Gain）を持ち、更に飽和するに伴い利得が増加する特性を持つ。これらを図１７Ａのように接続することで図１７Ｂの（C）に示した黒実線（Total）のようなリニアな特性を実現することが可能となる。

しかし、この従来の構成では、AMP１、AMP２の各高周波電力増幅器に各々予歪発生回路３０４a、３０４bが必要となり２つの回路面積が必要となる。また、高周波電力増幅器AMP１、AMP２で周波数、出力電力等が異なった構成を実現している場合も３０１a→３０８、３０１b→３０８間夫々の信号パスにおいて多段の高周波電力増幅器、及びバイアス回路を構成する必要があり、回路面積は、約２倍程度必要となる。このように回路面積が増加することにより使用される半導体面積も増加し価格的にも高価となってしまう等の問題があった。

また、高周波電力増幅器において占有面積を抑える手段の一例として、図１６に示した高周波信号経路を２パス持つような高周波電力増幅器AMP１、AMP２では、所望の出力電力及び利得を得るために多段増幅器を用いる。この場合にも、予歪発生回路を用いて特性を改善することが必要になる。このように各信号経路において多段増幅とした場合、その各々にバイアス回路及び増幅素子、さらには予歪発生回路が必要となり、MMICもしくは多層配線回路基板で構成される高周波電力増幅器回路等の占有面積が増加する。

本発明の目的は、高周波増幅回路において増幅された信号の品質を向上させるために重要となる低歪化を行うと共に効率を向上させ、これらの回路を構成する場合の半導体基板もしくは多層配線回路基板で構成される高周波増幅器回路の占有面積の増加を回避するのに有益な技術を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、課題を解決するための手段で代表的なものを示すと、以下のとおりである。すなわち、本発明の高周波電力増幅器は、異なる特性を有し入力端子と出力端子間において並列に接続された複数の増幅素子と、前記入力端子と前記出力端子間において前記複数の増幅素子に対して共通に接続された１つの高周波スイッチとを備え、前記高周波スイッチは１入力で且つ前記各増幅素子に対応する切替えパスを有すると共に、該各切替えパスは対応する前記各増幅素子で発生する歪を相殺するための歪を予め発生する予歪発生機能を持つことを特徴とする。

本発明は、低歪で且つ高効率の高周波電力増幅器を構成する際に有効であり、高周波信号を増幅する機器、装置の小型・高性能化に適用できる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの構成を簡単に説明すれば以下の通りである。本発明は、増幅器切替え型高周波電力増幅器に用いられる高周波スイッチにおいて、スイッチ機能のみではなく増幅素子で発生する歪を相殺するための歪を予め発生する機能も合わせ持たせる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。すなわち、本発明によれば、２つ以上の異なる特性を有する増幅素子を具備し、それら増幅素子の入力側が、複数のスイッチング素子で構成された並列枝路を有する高周波スイッチを介し接続され、高周波スイッチにより使用高周波電力増幅器を切替えて使用する際における非線形歪を低減することが可能となる。また、半導体チップもしくは多層配線回路基板で構成される高周波電力増幅器およびバイアス回路、高周波スイッチ回路等の占有面積の増大を回避することが可能となる。

以下、本発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。なお、以下に述べる代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面の参照符号は、それが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。

最初に、図１〜図５Ｂにより、本発明の高周波増幅器の第１の実施例を説明する。図１は、本発明の高周波増幅器の第１の実施例を示す図である。半導体チップ（MMIC）もしくは多層配線回路基板上に、入力端子１０１から入力整合回路１０３を経て駆動段増幅器１０６までは共通の信号パスが構成され、この信号パスに接続された１つの切替え用高周波スイッチ（第１の高周波スイッチ：ＳＷ１）１０４により、異なる特性を有し並列接続された２つの高周波電力増幅器（AMP１）１０５ａ、（AMP２）１０５ｂのいずれかを選択的に切替えて共通の信号パスに接続するように構成されている。すなわち、高周波スイッチ１０４は、共通の信号パスに並列に接続された２つの経路、換言すると１入力で且つ複数の切替えパス、ここでは２出力の切替えパスを持つ。さらに、２つの増幅素子（高周波電力増幅器AMP１、AMP２）の各出力は、出力整合回路１０７a,１０７bにて整合され、出力高周波スイッチ（第２の高周波スイッチ：ＳＷ２）１０８にて通過経路を切替えて出力端子１０２に至るように構成されている。なお、以下では、切替え用高周波スイッチ（第１の高周波スイッチ：ＳＷ１）を、単に「高周波スイッチ」として説明する。

駆動段増幅器１０６を構成する各素子は、制御端子から与えられる制御信号Ｖｂ０により制御される。また、高周波スイッチ１０４内の２つのスイッチ素子が、制御端子から与えられる制御信号Ｖｇ１、Ｖｇ２によりいずれか一方が動作して前記２出力の切替えパスを形成している。２つの高周波電力増幅器AMP１、AMP２は、夫々、出力電力が異なる特性を有する増幅素子により構成されており、制御端子から与えられる制御信号Ｖｂ１もしくはＶｂ２により制御される。出力高周波スイッチ１０８は、制御端子から与えられる制御信号Ｖｓ２−ｃｏｎｔにより制御される。

ここで、高周波スイッチ１０４、出力高周波スイッチ１０８は、互いに最終段増幅器AMP１側、AMP２側どちらかを通過するように動作する。すなわち、入力端子１０１に入力された高周波信号Ｐｉｎは、入力整合回路１０３にて整合され、駆動段増幅器１０６にて増幅された後、高周波スイッチ１０４にて通過経路を切替えられる。そして最終段増幅器AMP１またはAMP２にて増幅された後、出力整合回路１０７a,１０７bにて整合され、出力高周波スイッチ１０８にて通過経路を切替えて出力端子１０２からＰｏｕｔとして出力される。

高周波スイッチ１０４には、前記信号パスを切替えるスイッチ機能だけでなく、高周波電力増幅器AMP１、AMP２で発生する歪を相殺するための歪を予め発生する予歪発生機能をも併せ持たせている。

本実施例では、最終段増幅部の入力部分に高周波スイッチ１０４を挿入しているが、これが最終段増幅部よりも更に前段の増幅器部入力部分であってもなんら問題はない。あるいはまた、高周波増幅器（最終段増幅部）の出力部に高周波スイッチを付加しても良い。

本実施例によれば、２つの高周波電力増幅器AMP１、AMP２のいずれかを選択的に切り替えて高周波スイッチ１０４に接続することで、周波数、出力電力等が異なる高周波増幅器を実現している。すなわち、制御信号Ｖｂ１もしくはＶｂ２により高周波スイッチ１０４において、最終段増幅部AMP１、AMP２への入力経路を切替えることで、入力端子１０１→高周波電力増幅器AMP１→出力高周波スイッチ１０８、または、入力端子１０１→高周波電力増幅器AMP２→出力高周波スイッチ１０８間、夫々の信号パスにおいて周波数、出力電力等に最適な特性を実現可能となる。

ここで、高周波スイッチ１０４部分、すなわち並列枝路を構成するスイッチング素子の一例として、図２（図２Ａ、図２Ｂ）に示すようなFET（Field effect transistor）で構成した高周波スイッチで説明する。図２Ｂは、図２Ａの高周波スイッチ回路の等価回路を示す図である。高周波スイッチ１０４として、図２Ａに示した１入力２出力スイッチをFETで構成した場合、図２Ｂの回路で表される構成になる。以下の説明では、高周波電力増幅器（AMP１）１０５ａが大きな出力電力レベル（大電力）、（AMP２）１０５ｂが小さな出力電力レベル（小電力）に対応していると仮定して説明する。FET１ １１０５aが高周波電力増幅器（AMP１）１０５ａと対をなして信号パスを構成し、FET１ １１０５bが高周波電力増幅器（AMP２）１０５bと対をなして信号パスを構成する。FET１ １１０５a、FET１ １１０５bは、高周波電力増幅器AMP１、AMP２で発生する歪を相殺するための歪を予め発生する機能を実現するために、夫々対応する高周波電力増幅器の歪特性に応じて、材料や形状、製法等が適宜設定される。ここでは、FET１ １１０５aの方がFET１ １１０５bよりもサイズが大きい。一例を示すと、高周波電力増幅器１０５ａの出力が１Ｗ、高周波電力増幅器１０５ｂの出力が０．５Ｗと仮定したとき、FET１ １１０５aのゲート幅は１ｍｍ，FET１ １１０５bのゲート幅は０．５ｍｍ、高周波スイッチがオン状態の制御信号Ｖｇ１は０．９Ｖ、Ｖｇ２は０．８Ｖである。なお、オフ状態の制御信号Ｖｇ１、Ｖｇ２は、共に閾値以下、例えば０Ｖである。

高周波信号は、入力端子１１０１a から高周波スイッチ１０４のFETを経て出力端子１ １１０２a、出力端子２ １１０３aに伝達される。FET１ １１０５aがONの場合、FET２ １１０５bはOFFとなるように、または、FET１ １１０５aがOFFの場合、FET２ １１０５bはONとなるように使用される。

次に、図３（図３Ａ，図３Ｂ）により、本実施例の高周波増幅器の具体的な構成例及びその動作の一例を説明する。図３Ａは、本実施例の高周波増幅器の具体的な構成例として、高周波スイッチをFETで構成し、最終段増幅器をバイポーラトランジスタで構成した一例を示したものである。大電力用の高周波電力増幅器（AMP１）１０５ａはＷｉＭＡＸに対応し、小大電力用の高周波電力増幅器（AMP２）１０５ｂは、ＷＬＡＮに対応している。

図３Ｂに、本実施例における、高周波信号の出力電力レベルの状態と、各制御端子に印加される制御信号等の関係を示している。出力電力レベルが小さいときは、FET２ １１０５bがONになるようＶｇ２が印加され、大きいときは、FET１ １１０５ａがONになるようＶｇ１が印加される。また、Ｖｇ２、Ｖｇ１に対応して、Ｖｂ２、Ｖｂ１もオンオフされる。

また、ここでは、１入力２出力スイッチにのみ説明しているが、これ以外のものについても同様の構成、動作となる。

なお、２つの高周波電力増幅器AMP１、AMP２は、増幅周波数帯域が異なる特性を有する増幅素子を具備するものであっても良い。この場合は、高い周波数帯域の高周波電力増幅器AMP１にサイズの大きなFET１ １１０５aが対応し、低い周波数帯域の高周波電力増幅器AMP２にサイズの小さなFET１ １１０５ｂが対応するように構成する。

なお、２つの高周波電力増幅器AMP１、AMP２及び高周波スイッチ１０４を備えた本実施例の高周波増幅器は、GaAs、GaN等化合物半導体系基板などのモノリシック基板上に構成しても良い。あるいは、本実施例の高周波増幅器を全てシリコン系半導体基板のモノリシック基板上に構成しても良い。あるいは、シリコン系半導体基板のモノリシック基板上とGaAs、GaN等化合物半導体系基板のモノリシック基板上の双方を用い構成しても良い。

次に、本実施例の作用、効果を図４〜図７で簡単に説明する。
本実施例では、高周波スイッチを構成するFET１、FET２が予歪発生機能を有している。このとき各々の素子の特性は、図４に示した通りとなる。先ず、高周波電力増幅器（ＡＭＰ）１０５の特性は、図４の（Ａ）の出力電力Pout（dBm） vs 利得Gain（dB）に記されているように、線形領域では、コンスタントなプラス利得（+Gain）を持ち、更に、飽和するに伴い利得が増加する特性を持つ。一方、高周波スイッチ（ＦＥＴ）の特性は、図４の（Ｂ）の出力電力Pout（dBm） vs 利得Gain（dB）に記されているように、僅かながら損失（−Gain）を持ち更に出力電力の増加に伴い利得が増加する特性を持つ。従って、高周波増幅器全体としては、図４の（Ｃ）に示した黒実線（Total）のような、リニアな特性を実現することが可能となる。

図５Ａは、本発明で用いられるFETを使用した高周波スイッチ回路において、FET１ １１０５ａ、FET２ １１０５bの各ゲート電圧Vg（Ｖｇ１，Ｖｇ２）を可変させた場合の出力電力 対 利得特性を示す図である。また、図５Ｂは、本発明で用いられる高周波電力増幅器のＡＭＰ１側とＡＭＰ２側に、夫々の線形補償を行った場合の出力電力 対 利得特性を示す図である。FET１ １１０５ａ、FET２ １１０５bが、夫々、高周波電力増幅器AMP１、AMP２で発生する歪を相殺するための歪を予め発生する機能を有することで、高周波スイッチをリニアライザとすることができる。

本発明の高周波増幅器では、各ゲート電圧Vg（Ｖｇ１，Ｖｇ２）は固定の値でも良い。後の実施例で述べるように、高周波増幅器では、スイッチ端子１１０４a,１１０４bに印加するゲート電圧Ｖｇ１，Ｖｇ２を可変とすることで、図５Ａに示したように、非線形領域でのカーブをコントロールし、リニアライザとしての機能をより向上させることも可能である。

また、先に述べたとおり、対応する高周波電力増幅器（ＡＭＰ１，ＡＭＰ２）の飽和出力電力のレベルによりFETスイッチのサイズも最適化する必要が有る。本実施例では、図５Ｂに示したように、図１におけるAMP１側が大電力用、AMP２側が小電力用に対応している。

また、本発明の高周波増幅器においては、各信号経路の前段増幅部１０６を共有し、高周波増幅器１０５の諸特性に大きく影響する後段部分を、高周波スイッチ１０４にて切替えることにより、回路面積を削減することが可能となる。

図６は、高周波増幅器での線形補償の有無における入力電力特性 対 出力電力、電力付加効率（ＰＡＥ）の特性を示す図である。一般に（非線形補償前）、非線形領域において電力付加効率の特性は向上するが線形性は極めて低い。

本実施例によれば、図６に非線形補償後として示したように、線形領域の拡大、ひいては、ＰＡＥとして示した効率の向上を線形領域において図ることができる。

本発明では、図１７Ａに示した従来例の予歪発生回路３０４部の回路機能を、前記のとおり高周波スイッチ１０４に兼用させることで、更なる回路面積低減の効果を得られるものである。その効果の理由として、図７に示したRF switch Pin vs Pout特性を用いて説明を行う。図７の Switch Only特性は、予歪発生回路３０４が無いタイプ、Switch with P.Dは、予歪発生回路を備えたタイプの特性示している。

図１に用いられるような高周波スイッチ１０４をパッシブ回路ではなく、半導体を用いたアクティブ素子を用いて構成する場合、図７に破線で示した Switch Only特性のように、ここでの高周波スイッチ１０４部分において歪（非線形性）が発生することの無いように、線形領域で無い部分（＝非線形領域）を極めて大きい（飽和出力電力Psatが入力電力Pinに対し大きくなるようにする。）ものとし、Ｐｏｕｔに必要な線形領域を確保する。しかしこれでは、飽和出力電力Psat大＝半導体サイズ大となり占有面積は、まだ大きい。

そのため、高周波スイッチ１０４部分に予歪発生機能を持たせる（高周波電力増幅器で発生する歪を打消すような歪をあえて発生させる。）ことにより、図７に実線で示した Switch with P.D特性のように、Switch Only特性に示した飽和出力電力Psatより小型の半導体で済むことで、半導体サイズをより小型に構成することが可能となる。本実施例は、Switch with P.D特性の利点を生かしつつ、予歪発生機能を、高周波スイッチ１０４に兼用させることで、更なる回路面積低減の効果を得られるものである。

以上述べたように、本実施例によれば、増幅器切替え型高周波電力増幅器を実現する際における、非線形歪を低減しつつ効率を向上させ、更に構成される回路面積の増大を回避できる。すなわち、半導体チップ（MMIC）もしくは多層配線回路基板で構成される、高周波電力増幅器回路等の占有面積の増大を回避することができる。

また、前記したように、本発明の高周波電力増幅器は、電力の大小による切替だけではなく、これ以外、例えば周波数帯域による切替えによるものに適用しても有効である。

図８は、本発明の高周波増幅器の、第２の実施例を示す図である。本実施例は、実施例１における出力高周波スイッチ１０８が無く、２つの出力端子を有している。

入力端子２０１に入力された高周波信号は、入力整合回路２０３にて整合され、駆動段増幅器２０６にて増幅された後、複数の切替えパス及び予歪発生機能を持つ高周波スイッチ２０４にて通過経路を切替えられる。そして最終段増幅器（AMP１）２０５ａまたは（AMP２）２０５ｂにて増幅された後、出力整合回路２０７a,２０７bにて整合され出力端子２０２aまたは出力端子２０２bに至る。ここで、予歪発生機能を持つ高周波スイッチ２０４は、実施例１で述べたと同様に、互いにAMP１側、AMP２側どちらかを通過するように動作する。本実施例では、最終段増幅部の入力部分に高周波スイッチ２０４を挿入しているが、これが更に前段の増幅器部入力部分であってもなんら問題はない。

本実施例によれば、増幅器切替え型高周波電力増幅器を実現する際における、非線形歪を低減しつつ効率を向上させ、更に構成される回路面積の増大を回避することができる。

図９は、本発明の第３の実施例として、すでに述べた高周波増幅器を採用した高周波送受信モジュールを示す図である。本実施例の高周波送受信モジュールは、送信系増幅回路だけではなく受信系増幅器も含んでいる。

本実施例では、送信時には入力端子４０１bに入力された高周波信号が、駆動段増幅器４０３にて増幅された後、複数の切替えパス及び予歪発生機能を持つ高周波スイッチ４０６にて通過経路を切替えられる。そして最終段増幅器４０４または最終段増幅器４０５にて増幅された後、出力高周波スイッチ４０７にて経路を切替え出力端子４０２に至る。そして高周波送受信モジュール４０９から外部のアンテナ４１０にて空間に放射される。また、受信時には、アンテナ４１０にて受信された信号が出力端子４０２から高周波送受信モジュール４０９に入力され出力高周波スイッチ４０７にて信号経路を受信系に切替えられ、低雑音増幅器４０８にて増幅された後、受信出力端子４０１aより出力される。ここで、複数の切替えパス及び予歪発生機能を持つ高周波スイッチ４０６は、互いに最終段増幅器４０４、最終段増幅器４０５どちらかを通過するように動作する。本実施例では、最終段増幅部の入力部分に高周波スイッチ４０６を挿入しているがこれが更に前段の増幅器部入力部分であってもなんら問題はない。また、高周波送受信モジュール４０９は、多層誘電体基板、LTCC低温同時焼成セラミック（Low Temperature Co-fired Ceramic）、樹脂、または半導体基板を用いたMMIC（Micro wave Monolithic IC）等で構成しても実現可能である。また、高周波送受信モジュール４０９の中の破線で示した範囲内のみをMMICで構成しても良い。

本実施例によれば、増幅器切替え型高周波電力増幅器を具備する高周波送受信モジュールを実現する際における、非線形歪を低減しつつ効率を向上させ、更に構成される回路面積の増大を回避することができる。

図１０は、本発明の第４の実施例として、すでに述べた高周波増幅器を採用した高周波送信モジュールの例を示す図である。本実施例の高周波送信モジュールは、高周波電力増幅器だけではなく、ベースバンド回路部及びRFIC回路部も含み、出力信号の歪を最小に抑えるための制御回路も含んでいる。すなわち、ベースバンド部及びRFIC部５１４に制御回路５１１が内蔵されている。

本実施例において、ベースバンド部及びRFIC部５１４で変調等を施された入力信号は、高周波増幅モジュール５１５の入力端子５０１に入力され、駆動段増幅器５０３にて増幅された後、複数の切替えパス及び予歪発生機能を持つ高周波スイッチ５０６にて通過経路を切替えられる。このときの制御回路５１１及び高周波スイッチ５０６の基本的な動作は、先に図３Ｂで述べたものと同じである。すなわち、出力電力レベルが小さいときは、高周波スイッチ５０６内の最終段増幅器５０５に対応するFETがONになるようにＶＣ２が印加され、出力電力レベルが大きいときは最終段増幅器５０４に対応するFETがONになるようにＶＣ１が印加される。また、ＶＣ２、ＶＣ１に対応して、最終段増幅器５０５、最終段増幅器５０４の制御電圧も制御される。

そして、入力信号は、最終段増幅器５０４または最終段増幅器５０５にて増幅された後、出力高周波スイッチ５０７にて経路を切替え、出力信号をモニターするための方向性結合器（D.C：Directional Coupler）５０８を通過し出力端子４０２に至る。そして高周波増幅モジュール５１５から外部のアンテナ５１０にて出力信号が空間に放射される。

ここで、方向性結合器５０８にて取り出された高周波出力信号電力の一部を検波回路（Detector）５０９等により、ACPRの情報として取り出す。なお、ACPRは図１１に示すとおりで、出力電力のスペクトルの信号電力（Signal Power）と歪電力（Distortion Power）の比である。更に、制御回路５１１にて演算し電圧・電流発生回路５１２により適当な電圧または、電流を出すことで、出力電力に応じて高周波スイッチ５０６の非線形状態を可変させる。これらをACPR最小となるようにコントロールすることで、最終段増幅器５０４、５０５自体の状態が変化した場合や、使用環境の変化等によりアンテナ５１０のインピーダンスが変化した場合による、歪変化の影響を最小に抑えることが可能となる。ここで、高周波スイッチ５０６、出力高周波スイッチ５０７は、互いに最終段増幅器５０４または最終段増幅器５０５のどちらかを通過するように動作する。

本実施例では、最終段増幅部の入力部分に複数の切替えパス及び予歪発生機能を持つ高周波スイッチ５０６を挿入しているが、これが更に前段の増幅器部入力部分であってもなんら問題はない。

なお、高周波増幅器５０４、５０５を含む高周波増幅モジュール５１５とベースバンド部及びRFIC部５１４とを備えた無線送信システムの全体を、GaAs、GaN等の化合物半導体系基板のモノリシック基板上に構成することができる。あるいはまた、無線送信システムの全体をGaAs、GaN等化合物半導体系基板などのモノリシック基板上に構成しても良い。あるいは、無線送信システムの全体をシリコン系半導体基板のモノリシック基板上に構成しても良い。あるいは、シリコン系半導体基板のモノリシック基板上とGaAs、GaN等化合物半導体系基板のモノリシック基板上の双方を用い構成しても良い。
本実施例によれば、複数の高周波電力増幅器を高周波スイッチにより切替えて使用するものにおいて、最終段増幅器自体の状態が変化した場合やアンテナのインピーダンスが変化した場合における歪変化の影響を最小に抑えて効率を向上させ、更に構成される回路面積の増大を回避することができる。

図１２は、本発明の高周波増幅器の第５の実施例を示す図である。本実施例の高周波電力増幅器は、２つの多段段増幅器の前に複数の切替えパス及び予歪発生機能を持つ１つの高周波スイッチが接続されている。入力端子６０１に入力された高周波信号は、入力整合回路６０３にて整合され、予歪発生機能を持つ高周波スイッチ６０４にて通過経路を切替えられる。そして多段段増幅器６０６aまたは６０６bにて増幅された後、出力整合回路６０７a,６０７bにて整合され出力高周波スイッチ６０８にて通過経路を切替えて出力端子６０２に至る。ここで、高周波スイッチ６０４、出力高周波スイッチ６０８は、互いに多段段増幅器６０６aまたは６０６bどちらかを通過するように動作する。

本実施例によれば、増幅器切替え型高周波電力増幅器を実現する際における、非線形歪を低減しつつ効率を向上させ、更に構成される回路面積の増大を回避することができる。

図１３は、本発明の高周波増幅器の第６の実施例を示す図である。本実施例の高周波電力増幅器は、２つの多段段増幅器の前に予歪発生機能を持つ１つの高周波スイッチが接続されている。また、２つの出力高周波スイッチ及び１つの出力端子を有している。入力端子７０１に入力された高周波信号は、入力整合回路７０３にて整合され、駆動段増幅器７０６にて増幅された後、複数の切替えパス及び予歪発生機能を持つ高周波スイッチ７０４にて通過経路を切替えられる。そして最終段多段増幅器AMP１またはAMP２にて増幅された後、出力整合回路７０７a,７０７bにて整合され出力端子７０２に至る。ここで、高周波スイッチ７０４、出力高周波スイッチ７０８は、互いにAMP１側、AMP２側どちらかを通過するように動作する。

本実施例によれば、増幅器切替え型高周波電力増幅器を実現する際における、非線形歪を低減しつつ効率を向上させ、更に構成される回路面積の増大を回避することができる。

図１４は、本発明の高周波増幅器の第７の実施例を示す図である。本実施例の高周波電力増幅器は、複数の多段段増幅器の前に、複数の切替えパス及び予歪発生機能を持つ１つの高周波スイッチが接続されている。また、複数の出力高周波スイッチ及び１つの出力端子を有している。入力端子８０１に入力された高周波信号は、入力整合回路８０３にて整合され、駆動段増幅器８０６にて増幅された後、複数の切替えパス及び予歪発生機能を持つ高周波スイッチ８０４にて通過経路を切替えられる。そして多段増幅器AMP１からAMPn（ｎは、２以上の整数）までのうち少なくとも１経路の多段増幅器にて増幅された後、出力整合回路８０７a〜８０７zにて整合され出力高周波スイッチ８０８にて通過経路を切替えられ出力端子８０２に至る。ここで、高周波スイッチ８０４、出力高周波スイッチ８０８は、互いにAMP１〜AMPnまでの少なくとも１経路を通過するように動作する。ここで多段増幅器AMP１〜AMPnは、出力電力が異なる、周波数が異なる等様々なバリエーションがあってもかまわない。また、本実施例では、多段増幅器AMP１からAMPnの入力部分に高周波スイッチ８０４を挿入しているがこれが更に前段の増幅器部入力部分であっても、更に後段の増幅器部入力部分であってもなんら問題はない。

本実施例によれば、複数の高周波電力増幅器を高周波スイッチにより切替えて使用する高周波電力増幅器を実現する際における、非線形歪を低減しつつ効率を向上させ、更に構成される回路面積の増大を回避することができる。

図１５は、これまでに説明を行ってきた高周波スイッチ１０４についての他の実施例を示す図であり、これまで説明してきた各実施例のFETに変わりダイオードを用いた一例の回路を示したものである。

半導体チップ（MMIC）もしくは多層配線回路基板上に、入力端子１５０１と２つの高周波電力増幅器の間の信号パスに接続された１つの高周波スイッチ（ＳＷ１）１０５０３が設けられている。この高周波スイッチは、信号パスに並列に２つのダイオードが接続されることで、夫々予歪発生機能を持つ２つの切替えパスを形成している。高周波信号は、入力端子１５０１から高周波スイッチ１０４のダイオード１５０３aを経て出力端子１ １５０２a、あるいはダイオード１５０３b を経て出力端子２ １５０２b に伝達される。ダイオード１５０３a がONの場合、ダイオード１５０３b OFFとなるように、または、ダイオード１５０３a がOFFの場合、ダイオード１５０３b はONとなるように使用される。ダイオード１５０３aは高周波電力増幅器（AMP１）と対をなして第１の信号パスを構成し、他のダイオード１５０３ｂは高周波電力増幅器（AMP２）と対をなして第２の信号パスを構成する。ダイオード１５０３a、１５０３ｂは、高周波電力増幅器AMP１、AMP２で発生する歪を相殺するための歪を予め発生する機能を実現するために、共に対応する高周波電力増幅器に対応した材料、形状等を有している。ここでは、ダイオード１５０３a の方が１５０３ｂよりもサイズが大きい。ダイオード１５０３a、ダイオード１５０３ｂは、電流制御型であり電流ゼロではオフ状態になるが、確実にオフ状態を維持するために、例えば−０．５Ｖの電圧を印加する。ダイオード１５０３aをオン状態にする閾値は、ダイオード１５０３ｂの閾値よりも大きい。

高周波スイッチ１０４内の２つのダイオードは、制御端子１５０５から与えられる制御信号Ｖbias1、Ｖbias2によりいずれか一方が動作して２出力の切替えパスを形成している。なお、各信号パスには、コンデンサ１５０４、リアクタンスＬ１５０５が接続されている。

高周波電力増幅器AMP１、AMP２をバイポーラトランジスタで構成する場合、同じ基板上に安価にダイオードを形成することができ、従って、全体として安価な装置を提供することができる。ただし、低周波帯域ではリアクタンスＬ１５０５のサイズを大きくする必要があり、ＦＥＴ素子を使用する場合に比べて、回路面積の増大は避けられない。また、消費電力も大きくなる。その他の作用、効果については、これまでに述べた各実施例のものと、同等である。

本発明の第１の実施の形態による高周波電力増幅器を示す回路図である。 本発明で用いられる高周波スイッチ回路の等価回路を示す図である。 図２Ａの高周波スイッチ回路を、FETを用いて構成した図である。 本発明の第１の実施の形態のより具体的な構成例として、高周波スイッチをFETで構成し最終段増幅器をバイポーラトランジスタで構成した例を示す図である。 本実施例における、高周波信号の出力電力レベルの状態と、各制御端子に印加される制御信号等の関係を示す図である。 第１の実施の形態の高周波電力増幅器及び高周波スイッチの、出力電力Pout（dBm） vs 利得Gain（dB）の特性を示す図である。 本発明で用いられるFETを使用した高周波スイッチ回路において、ゲート電圧Vgを可変させた場合の、出力電力 対 利得特性を示す図である。 本発明で用いられるAMP１側とAMP２側の線形補償を行った場合の、出力電力 対 利得特性を示す図である。 高周波増幅器での線形補償の有無における、入力電力特性 対 出力電力、電力付加効率の特性を示す図である。 本発明の効果を説明するための、入力電力特性 対 出力電力を示す図である。 本発明の他の実施の形態による高周波電力増幅器を示す回路図である。 本発明の他の実施の形態であり、送信系増幅回路だけではなく受信系増幅器も含んだ高周波送受信モジュールを示す回路図である。 本発明の他の実施の形態であり、高周波電力増幅器だけではなくベースバンド回路部及びRFIC回路部も含み出力信号の歪を最小に抑えるための制御回路も考慮した高周波送信モジュールを示す回路図である。 高周波電力増幅器出力電力のスペクトラムを示す図である。 本発明の他の実施の形態による高周波電力増幅器を示す回路図である。 本発明の他の実施の形態による高周波電力増幅器を示す回路図である。 本発明の他の実施の形態による高周波電力増幅器を示す回路図である。 本発明で用いられる高周波スイッチ回路をダイオードを用いて構成したものを示す図である。 従来の高周波電力増幅器を示す回路図である。 従来例における予歪発生回路（P.D：プリディストーション回路）の機能を説明する図である。 従来例における高周波電力増幅器の各部動作を示した図である。

符号の説明

１０１,２０１,３０１a,３０１b,４０１b,５０１,６０１,７０１,８０１,１００１,１１０１,１１０１a,１５０１ … 入力端子
１０２,２０２a, ２０２b,３０２,４０２,５０２,６０２,７０２,８０２,１００４,１１０２,１１０３,１１０２a,１１０３a,１５０２a,１５０２b … 出力端子
１０３,２０１,３０３a,３０３b,６０３,７０３,８０３ … 入力整合回路
１０４,２０４,４０６,５０６,６０４,７０４,８０４ … 高周波スイッチ（第１の高周波スイッチ：ＳＷ１）
１０５、１０５ａ、１０５ｂ … 高周波電力増幅器（増幅素子）
１０６,２０６,４０３,５０３,７０６,８０６ … 駆動段増幅器
４０４,４０５,５０４,５０５ … 最終段増幅器
１００３ … 高周波電力増幅器
１０７a,１０７b,２０７a,２０７b,３０７a,３０７b,６０７a,６０７b,７０７a,７０７b,８０７a,８０７b,８０７z … 出力整合回路
１０８,２０８,４０７,５０７,６０８,７０８,８０８ … 出力高周波スイッチ（第２の高周波スイッチ：ＳＷ２）
３０４a,３０４b,１００２ … 予歪発生回路
４０８ … 低雑音増幅器
４０１a … 受信出力端子
４０９ … 高周波送受信モジュール
５１４ … ベースバンド部及びRFIC部
５１５ … 高周波増幅モジュール
５０８ … 方向性結合器
５０９ … 検波回路
４１０,５１０ … アンテナ
５１１ … 制御回路
５１２ … 電圧・電流発生回路
５１３ … 制御線
１１０５a … FET１
１１０５b … FET２
１１０４a,１１０４b … ゲート端子
１５０３a,１５０３b … ダイオード。

Claims (20)

1. 異なる特性を有し入力端子と出力端子間において並列に接続された複数の増幅素子と、
   前記入力端子と前記出力端子間において前記複数の増幅素子に対して共通に接続された１つの高周波スイッチとを備え、
   前記高周波スイッチは、１入力で且つ前記各増幅素子に対応する切替えパスを有すると共に、該各切替えパスは対応する前記各増幅素子で発生する歪を相殺するための歪を予め発生する予歪発生機能を持つ
   ことを特徴とする高周波電力増幅器。
2. 請求項１において、
   前記各切替えパスは、各々、予歪発生機能を持つスイッチング素子を有し、
   前記各スイッチング素子に印加するゲート電圧を可変とすることで、非線形領域での特性を制御可能に構成されている
   ことを特徴とする高周波電力増幅器。
3. 請求項１において、
   前記複数の切替えパスは、各々、予歪発生機能を持つスイッチング素子としてのＦＥＴを有する
   ことを特徴とする高周波電力増幅器。
4. 請求項１において、
   前記複数の切替えパスは、各々、予歪発生機能を持つスイッチング素子としてのダイオードを有する
   ことを特徴とする高周波電力増幅器。
5. 請求項１において、
   前記複数の増幅素子は、出力電力が異なる特性を有する
   ことを特徴とする高周波電力増幅器。
6. 請求項１において、
   前記複数の増幅素子は、増幅周波数帯域が異なる特性を有する
   ことを特徴とする高周波電力増幅器。
7. 請求項５において、
   前記各増幅素子は、出力電力Pout（dBm） vs 利得Gain（dB）の特性において、線形領域では、コンスタントなプラス利得を持ち、更に、飽和するに伴い利得が増加する特性を有し、
   前記高周波スイッチの各切替えパスは、出力電力Pout（dBm） vs 利得Gain（dB）の特性において、僅かながら損失（−Gain）を持ち更に出力電力の増加に伴い利得が増加する特性を有する
   ことを特徴とする高周波電力増幅器。
8. 請求項１において、
   前記複数の異なる特性を有する増幅素子の各々が、多段従属接続された構成である
   ことを特徴とする高周波電力増幅器。
9. 請求項１において、
   前記高周波スイッチが、前記複数の増幅素子の入力側に挿入される
   ことを特徴とする高周波電力増幅器。
10. 請求項１において、
    前記入力端子から入力整合回路を経て駆動段増幅器まで共通の信号パスが構成され、
    該信号パスに接続された前記１つの切替え用高周波スイッチが、並列接続された複数のＦＥＴを有し、該複数のＦＥＴのいずれか１つを選択して前記共通の信号パスに接続するように構成され、
    前記複数の増幅素子の各出力は、各々出力整合回路にて整合され、１つの出力高周波スイッチにて通過経路を切替えて前記出力端子に至るように構成されている
    ことを特徴とする高周波電力増幅器。
11. 請求項１において、
    前記入力端子、前記１つの高周波スイッチ、前記複数の増幅素子、及び前記出力端子が、モノリシック基板上に構成されている
    ことを特徴とする高周波電力増幅器。
12. ベースバンド回路部と、RFIC回路部と、高周波増幅モジュールとを備えて成り、
    前記高周波増幅モジュールは、高周波電力増幅器を含む送信系増幅回路を有して成り、
    前記高周波電力増幅器は、
    異なる特性を有し入力端子と出力端子間において並列に接続された複数の増幅素子と、
    前記入力端子と前記出力端子間において前記複数の増幅素子に対して共通に接続された１つの高周波スイッチとを備え、
    前記高周波スイッチは、１入力で且つ前記各増幅素子に対応する切替えパスを有すると共に、該各切替えパスは対応する前記各増幅素子で発生する歪を相殺するための歪を予め発生する予歪発生機能を持つ
    ことを特徴とする高周波送信モジュール。
13. 請求項１２において、
    前記高周波電力増幅器の出力部に第２の高周波スイッチを付加した
    ことを特徴とする高周波送信モジュール。
14. 請求項１２において、
    高周波増幅器の出力信号の一部を検波しモニターする手段と制御回路を備え、
    前記制御回路は、前記高周波増幅器の出力信号モニター結果に基いて、その時点における出力信号歪のレベルを最小とするように前記各増幅素子を制御する機能を有する
    ことを特徴とする高周波送信モジュール。
15. 請求項１４において、
    前記制御回路は、前記高周波増幅器以前にあるベースバンド部または前記RFIC部に設けられている
    ことを特徴とする高周波送信モジュール。
16. ベースバンド回路部と、RFIC回路部と、高周波増幅モジュールとを備えて成り、
    前記高周波増幅モジュールは、高周波電力増幅器を含む送信系増幅回路と、受信系増幅器とを有して成り、
    前記送信系増幅回路の高周波電力増幅器は、
    異なる特性を有し入力端子と出力端子間において並列に接続された複数の増幅素子と、
    前記入力端子と前記出力端子間において前記複数の増幅素子に対して共通に接続された１つの高周波スイッチとを備え、
    前記高周波スイッチは、１入力で且つ前記各増幅素子に対応する切替えパスを有すると共に、該各切替えパスは対応する前記各増幅素子で発生する歪を相殺するための歪を予め発生する予歪発生機能を有し、
    前記高周波電力増幅器の出力部に設けられた第２の高周波スイッチに前記受信系増幅器への切替スイッチが付加されている
    ことを特徴とすることを特徴とする送受信モジュール。
17. 請求項１６において、
    前記ベースバンド回路部、前記RFIC回路部、及び前記高周波増幅モジュールが共通の基板上にモノリシックに構成される
    ことを特徴とする送受信モジュール。
18. 請求項１６において、
    前記ベースバンド回路部、前記RFIC回路部、及び前記高周波増幅モジュールが、少なくともGaAsおよびGaNを含む材料のいずれかから構成される化合物系半導体の共通の基板上にモノリシックに構成される
    ことを特徴とする送受信モジュール。
19. 請求項１６において、
    前記ベースバンド回路部、前記RFIC回路部、及び前記高周波増幅モジュールが、シリコン系半導体の共通の基板上にモノリシックに構成される
    ことを特徴とする送受信モジュール。
20. 請求項１６において、
    前記ベースバンド回路部、前記RFIC回路部、及び前記高周波増幅モジュールの一部がシリコン系半導体の共通の基板上にモノリシックに構成され、かつ、他の一部が少なくともGaAsおよびGaNを含む材料のいずれかから構成される化合物系半導体の共通の基板上にモノリシックに構成される
    ことを特徴とする送受信モジュール。

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