JP2010273117A - 増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の増幅部（例えばキャリア増幅器及びピーク増幅器等）を有する増幅器を小型化することを目的としている。
【解決手段】入力信号が入力される入力部３と、入力信号を複数の信号に分岐させる分岐部４と、分岐部４で分岐された信号を増幅させる第一及び第二増幅部５、６と、第一及び第二増幅部５、６からそれぞれ出力されて合成された信号を出力する出力部９と、第一及び第二増幅部５、６が実装された基板２と、を備えており、第一増幅部５は、基板２の一方の主面２ａに設けられ、第二増幅部６は、基板２の他方の主面２ｂに設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号を増幅させる増幅器に関する。

携帯電話や無線通信などの基地局装置においては、ランニングコストを下げるために消費電力の低減が求められている。
一方、上記した基地局装置では、振幅の平均値と最大値とが大きく異なるような信号を取り扱うことが多く、このような信号を増幅器で増幅する場合、最大振幅まで歪無く信号を増幅可能とするように増幅器の動作点を設定する必要がある。ところが、増幅器が比較的高い電力効率を維持できる飽和出力付近で動作する時間は少なく、電力効率が低い状態で使用されている時間が長い。

そこで、従来、例えば特許文献１に示されているような、電力効率の高いドハティ型増幅器が提供されている。このドハティ型増幅器には、常時動作するキャリア増幅器と、高電力出力時のみ動作するピーク増幅器と、入力信号をキャリア増幅器及びピーク増幅器にそれぞれ分配する分配器と、キャリア増幅器及びピーク増幅器でそれぞれ増幅された信号を合成する合成器と、信号に９０度の位相差を与えるための１／４波長線路と、が備えられている。上記した構成のドハティ型増幅器では、入力信号の電力（振幅）が通常の大きさである場合には、ピーク増幅器が動作せず、キャリア増幅器のみが動作して信号を増幅させる。一方、入力信号の電力（振幅）が所定の値を越えると、キャリア増幅器及びピーク増幅器がそれぞれ動作して信号を増幅させ、そして、増幅したそれぞれの信号を合成器で合成して出力する。これにより、振幅の平均値と最大値とが大きく異なる信号を高電力効率で増幅させることができ、消費電力の低減を図ることができる。

特開２００５−２１０２２４号公報

しかしながら、上記した従来の増幅器では、基板の同一平面上に、キャリア増幅器及びピーク増幅器が並べて配設されていると共に位相差を与えるための回路が形成されているため、増幅器を小型化しにくいという問題が存在する。

本発明は、上記した従来の問題が考慮されたものであり、複数の増幅部（例えばキャリア増幅器及びピーク増幅器等）を有する増幅器を小型化することを目的としている。

本発明に係る増幅器は、入力信号が入力される入力部と、前記入力信号を複数の信号に分岐させる分岐部と、該分岐部で分岐された信号を増幅させる第一及び第二増幅部と、該第一及び第二増幅部からそれぞれ出力されて合成された信号を出力する出力部と、前記第一及び第二増幅部が実装された基板と、を備えており、前記第一増幅部が、前記基板の一方の主面に設けられ、前記第二増幅部が、前記基板の他方の主面に設けられていることを特徴としている。

本発明に係る増幅器によれば、基板の一方の主面に第一増幅部が設けられ、他方の主面に第二増幅部が設けられるので、複数の増幅部（第一、第二増幅部）を有する増幅器の小型化を図ることができる。

本発明の実施の形態を説明するための増幅器の斜視図である。 本発明の実施の形態を説明するための増幅器の回路図である。 本発明の実施の形態を説明するための基板の断面図である。 本発明の実施の形態を説明するための増幅器の平面図であり、（ａ）は基板の一方の主面を表しており、（ｂ）は基板の他方の主面を表している。

以下、本発明に係る増幅器の実施の形態について、図面に基いて説明する。

まず、本実施の形態における増幅器１の構成について説明する。

図１、図２に示すように、増幅器１は、入力された信号を増幅して出力するドハティ型の信号増幅器である。この増幅器１の概略構成としては、基板２と、入力端子３（本発明の入力部に相当する。）と、分配器４（本発明の分岐部に相当する。）と、キャリア増幅器５（本発明の第一増幅部に相当する。）と、ピーク増幅器６（本発明の第二増幅部に相当する。）と、入力側伝送線路７（本発明の第二伝送線路に相当する。）と、出力側伝送線路８（本発明の第一伝送線路に相当する。）と、出力負荷９（本発明の出力部に相当する。）と、を備えている。

基板２は、上記した入力端子３や分配器４、キャリア増幅器５、ピーク増幅器６、合成器９、出力負荷９が実装されると共にキャリア側１／４波長線路７やピーク側１／４波長線路８が形成された板部である。詳しく説明すると、基板２は、図３に示すように、第一誘電体層２１、第二誘電体層２２及び接地層２３が備えられており、第一誘電体層２１、接地層２３、第二誘電体層２２の順で積層されている。つまり、基板２は、第一誘電体層２１と第二誘電体層２２との間に接地層２３が介在された構成となっている。接地層２３は、板状の導体（導体基板）であり、例えばアルミニウム基板などからなる。この接地層２３の両面に誘電体がそれぞれ被覆されて第一誘電体層２１及び第二誘電体層２２がそれぞれ形成されている。第一誘電体層２１及び第二誘電体層２２は、電気的絶縁性を有する誘電体からなる層であり、例えばテフロン（登録商標）などからなる。

図１、図２に示すように、入力端子３は、入力信号Ｓ０が入力される信号入力部であり、公知の入力端子を用いることができる。この入力端子３は、基板２上に配設されており、具体的には、入力端子３は、基板２の第一誘電体層２１側の主面２ａに実装されている。

分配器４は、入力信号Ｓ０を２分岐させる分岐部であり、公知の分配器を用いることができる。詳しく説明すると、分配器４は、入力端子３に電気的に接続されており、入力端子３から入力された入力信号Ｓ０をキャリア増幅器５側の信号Ｓ１とピーク増幅器６側の信号Ｓ２とに分配して出力する。また、分配器４は、基板２上に配設されており、具体的には、分配器４は、基板２の第一誘電体層２１側の主面２ａに実装され、この第一誘電体層２１側の主面２ａに形成された第一接続線１１を介して入力端子３に電気的に接続されている。

キャリア増幅器５は、分配器４で分配された一方の信号Ｓ１を増幅させる増幅部であり、電力レベル（振幅）に依らずに、常に増幅させる増幅器である。具体的に説明すると、キャリア増幅器５は、Ａ級、ＡＢ級又はＢ級にバイアスされた増幅器であり、基板２の第一誘電体層２１側の主面２ａに実装されている。このキャリア増幅器５は、第一誘電体層２１側の主面２ａに形成された第二接続線１２を介して分配器４に電気的に接続されている。第二接続線１２は、第一誘電体層２１側の主面２ａにプリントされたパターン配線であり、分配器４とキャリア増幅器５との間に直線状に延設されている。

ピーク増幅器６は、分配器４で分配された他方の信号Ｓ２を増幅させる増幅部であり、信号の電力レベルが高い、つまり振幅が大きい場合に、入力された信号を増幅させる増幅器である。具体的に説明すると、ピーク増幅器６は、Ｃ級にバイアスされた増幅器であり、基板２の第二誘電体層２２側の主面２ｂに実装されている。このピーク増幅器６は、後述する入力側伝送線路７を介して分配器４に電気的に接続されている。

入力側伝送線路７は、キャリア増幅器５とピーク増幅器６との間で９０度の位相差を付与するための伝送線路であり、キャリア増幅器５及びピーク増幅器６よりも入力側に配設されている。また、入力側伝送線路７は、分配器４とピーク増幅器６のインピーダンス整合を行うインピーダンス変換器として動作する線路であり、基板２の第一誘電体層２１側の分配器４から第二誘電体層２２側のピーク増幅器６に亘って延設されている。詳しく説明すると、入力側伝送線路７は、分配器４からピーク増幅器６側に分配された信号Ｓ２の波長の１／４の線路長を持つ、いわゆる１／４波長線路であり、その概略構成としては、基板２を貫通するスルーホール１３と、基板２の第一誘電体層２１側の主面２ａに形成されていると共に分配器４とスルーホール１３の第一誘電体層２１側の端部との間に介装された接続配線１４と、基板２の第二誘電体層２２側の主面２ｂに形成されていると共にスルーホール１３の第二誘電体層２２側の端部とピーク増幅器６との間に介装されたパターン配線１５と、を備えている。パターン配線１５は、上述したように入力側伝送線路７が所定の線路長になるように屈曲して延設されている。

出力側伝送線路８は、キャリア増幅器５によって増幅された信号Ｓ１´の位相とピーク増幅器６によって増幅された信号Ｓ２´の位相とを一致させるための伝送線路であり、キャリア増幅器５及びピーク増幅器６よりも出力側に配設されている。また、出力側伝送線路８は、キャリア増幅器５と出力負荷９のインピーダンス整合を行うインピーダンス変換器として動作する。詳しく説明すると、出力側伝送線路８は、基板２の第一誘電体層２１側の主面２ａに形成されたパターン配線であり、キャリア増幅器５から出力された信号Ｓ１´の波長の１／４の線路長を持っている、いわゆる１／４波長線路である。この出力側伝送線路８は、出力側伝送線路８が所定の線路長になるように屈曲して延設されている

上記した出力側伝送線路８の出力負荷９側の端部は、基板２の第二誘電体層２２側から第一誘電体層２１側に亘って延設された第三接続線１６を介してピーク増幅器６に電気的に接続されている。第三接続線１６は、基板２を貫通すると共に第一誘電体層２１側の端部が出力側伝送線路８の出力負荷９側の端部に電気的に接続されたスルーホール１７と、基板２の第二誘電体層２２側の主面２ｂに形成されていると共にピーク増幅器６とスルーホール１７の第二誘電体層２２側の端部との間に介装された接続配線１８と、を備えている。

出力負荷９は、キャリア増幅器５及びピーク増幅器６からそれぞれ出力されて合成された信号Ｓ０´を出力する出力部であり、公知の出力端子などを用いることができる。この出力負荷９は、基板２の第一誘電体層２１側の主面２ａに実装されており、第四接続線１９を介して出力側伝送線路８の端部に電気的に接続されている。

また、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、上記したキャリア増幅器５とピーク増幅器６とは、平面視において互いに異なる位置に配設されている。詳しく説明すると、図４（ａ）に示すように、基板２の第一誘電体層２１側の主面２ａには、キャリア増幅器５及び出力側伝送線路８が配設されている。一方、図４（ｂ）に示すように、基板２の第二誘電体層２２側の主面２ｂには、ピーク増幅器６及び入力側伝送線路７が配設されている。そして、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、キャリア増幅器５と入力側伝送線路７（パターン配線１５）とが、平面視において互いに重なる位置に配設されていると共に、ピーク増幅器６と出力側伝送線路８とが、平面視において互いに重なる位置に配設されている。

次に、上記した構成からなる増幅器１の作用について説明する。

まず、キャリア増幅器５にＡ級、ＡＢ級又はＢ級で動作するようにバイアス電圧を印加すると共に、ピーク増幅器６にＣ級で動作するようにバイアス電圧を印加する。これにより、キャリア増幅器５は信号が入力されたときに常に動作し、ピーク増幅器６は信号の電力が所定値を越えた場合のみ動作する。

そして、入力端子３に信号Ｓ０が入力されると、入力端子３から第一接続線１１を介して分配器４に信号Ｓ０が伝達され、分配器４においてキャリア増幅器５側への信号Ｓ１とピーク増幅器６側への信号Ｓ２とに分離され、第二接続線１２を介してキャリア増幅器５に信号Ｓ１が伝達されると共に、入力側伝送線路７を介してピーク増幅器６に信号Ｓ２が伝達される。

ここで、入力信号Ｓ０の電力が小さい場合には、キャリア増幅器５が動作し、増幅された信号Ｓ１´がキャリア増幅器５から出力されるが、ピーク増幅器６はオフ状態となり、ピーク増幅器６から信号が出力されない。したがって、ピーク増幅器６の出力インピーダンスは理想的には無限大となる。そして、キャリア増幅器５から出力された信号Ｓ１´は、出力側伝送線路８及び第四接続線１９を介して出力負荷９に至り、出力負荷９から出力される。このとき、出力側伝送線路８は、信号波長の１／４の線路長を持った伝送線路であるため、出力負荷９はインピーダンス変換される。よって出力負荷９のインピーダンスをＲ／２とした場合、キャリア増幅器５の出力端でみた負荷インピーダンスは２Ｒとなる。なお、出力側伝送線路８の特性インピーダンスは任意の値Ｒとする。また、キャリア増幅器５は負荷インピーダンスが２Ｒのときに、電力効率が最も高くなるように設計されている。このとき、ピーク増幅器６の消費電力はおよそ０である。

一方、入力信号Ｓ０の電力が大きい場合には、キャリア増幅器５が動作し、増幅された信号Ｓ１´がキャリア増幅器５から出力されると共に、ピーク増幅器６が動作し、増幅された信号Ｓ２´がピーク増幅器６から出力される。このとき、ピーク増幅器６に入力される信号Ｓ２は、信号波長の１／４の線路長を持つ入力側伝送線路７を通ってピーク増幅器６に伝達されるため、キャリア増幅器５とピーク増幅器６との間で９０度の位相差が付与される。そして、キャリア増幅器５から出力側伝送線路８に出力された信号Ｓ１´とピーク増幅器６から第三接続線１６に出力された信号Ｓ２´とが、出力側伝送線路８と第三接続線１６との接続部（合成部１０）で合成される。このとき、キャリア増幅器５から出力される信号Ｓ１´は、信号波長の１／４の線路長を持つ出力側伝送線路８を通って伝達されるため、キャリア増幅器５からの信号Ｓ１´とピーク増幅器６からの信号Ｓ２´の位相が合わせられる。

上述したように合成された信号Ｓ´は、合成部１０から第四接続線２０を介して出力負荷９に伝達され、出力負荷９から出力される。このとき、図２に示すように、キャリア増幅器５及びピーク増幅器６が並列に接続されているため、それぞれの並列回路の終端での負荷インピーダンスは出力負荷９の２倍となる。出力側伝送線路８の特性インピーダンスがＲであるため、インピーダンス変換は行われず、キャリア増幅器５の出力端での負荷インピーダンスはＲとなる。一方、ピーク増幅器６の出力端での負荷インピーダンスもRとなる。キャリア増幅器５とピーク増幅器６とは、負荷インピーダンスがＲのときに、飽和電力が高くなるように設計されている。したがって、増幅器１では、キャリア増幅器５で増幅された信号Ｓ１´とピーク増幅器６で増幅された信号Ｓ２´を合成することで、より大きな飽和電力が得られる。

次に、上記した増幅器１の効果について説明する。

上記した増幅器１によれば、基板２の一方の主面２ａにキャリア増幅器５が設けられ、他方の主面２ｂにピーク増幅器６が設けられているので、キャリア増幅器５とピーク増幅器６とを基板２の同一平面上に並べて配設する従来のドハティ型増幅器に比べて、増幅器１の小型化を図ることができる。

特に、上記した増幅器１では、キャリア増幅器５と入力側伝送線路７とが平面視において重なる位置に配設されていると共に、ピーク増幅器６と出力側伝送線路８とが平面視において重なる位置に配設されているので、従来のドハティ型増幅器に比べて、増幅器１の平面視上の面積を１／２程度に抑えることができる。

また、上記した増幅器１では、キャリア増幅器５やピーク増幅器６から放熱が発生するが、キャリア増幅器５とピーク増幅器６とが平面視において異なる位置に配設されているので、キャリア増幅器５とピーク増幅器６とが平面視において重なる位置に配設される場合に比べて、増幅器１の局所的な温度上昇を抑えることができる。

また、仮に、キャリア増幅器５とピーク増幅器６との間で互いに電波の干渉があると、増幅された信号の歪みを補正する際、歪み補償を正しく行うことが困難となるが、上記した増幅器１では、第一誘電体層２１と第二誘電体層２２との間に接地層２３が介在された基板２となっているので、キャリア増幅器５とピーク増幅器６との間における電波による干渉を防ぐことができる。

以上、本発明に係る増幅器の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記した実施の形態では、キャリア増幅器５及びピーク増幅器６がそれぞれ１つの増幅素子から構成されているが、本発明は、基板２の両方の主面２ａ、２ｂにそれぞれ複数の増幅素子を実装させることも可能である。例えば、基板２の一方の主面２ａにキャリア増幅器として複数の増幅素子を実装させると共に基板２の他方の主面２ｂにピーク増幅器として複数の増幅素子を実装させてもよい。これにより、より高い電力効率と飽和電力を得ることができる。

また、上記した実施の形態では、キャリア増幅器５と入力側伝送線路７とが平面視において重なる位置に配設されていると共に、ピーク増幅器６と出力側伝送線路８とが平面視において重なる位置に配設されているが、キャリア増幅器５と入力側伝送線路７とが平面しにおいて異なる位置に配設された構成にすることも可能であり、或いは、ピーク増幅器６と出力側伝送線路８とが平面しにおいて異なる位置に配設された構成にすることも可能である。
さらに、本発明は、キャリア増幅器５とピーク増幅器６とが平面視において重なる位置に配設された構成にすることも可能である。

また、上記した実施の形態では、第一誘電体層２１と第二誘電体層２２との間に接地層２３が介在された基板２が用いられているが、本発明は、他の基板に置換することも可能であり、例えば電気的絶縁性を有するガラス基板を用いることも可能である。

また、上記した実施の形態では、キャリア増幅器５から出力側伝送線路８に出力された信号Ｓ１´とピーク増幅器６から第三接続線１６に出力された信号Ｓ２´とが、出力側伝送線路８と第三接続線１６との接続部で合成されているが、本発明は、上記した信号Ｓ１´、Ｓ２´を合成する合成器を基板２に実装させることも可能である。

また、上記した実施の形態では、入力端子３、分配器４及び出力負荷９が、基板２の一方の主面２ａ（キャリア増幅器５や出力側伝送線路８が配設された主面）に配設されているが、本発明は、入力端子３、分配器４及び出力負荷９のうちの少なくとも１つが、基板２の他方の主面２ｂ（ピーク増幅器６や入力側伝送線路７が配設された主面）に配設されていてもよい。
さらに、本発明は、入力端子３、分配器４及び出力負荷９が、キャリア増幅器５、ピーク増幅器６、入力側伝送線路７及び出力側伝送線路８が実装された基板２に実装されていなくてもよい。例えば、入力端子３及び分配器４が他の基板に実装され、この基板がフレキシブル基板などを介して、キャリア増幅器５、ピーク増幅器６、入力側伝送線路７及び出力側伝送線路８が実装された基板２に接続された構成であってもよく、また、出力負荷９が他の基板に実装され、この基板がフレキシブル基板などを介して、キャリア増幅器５、ピーク増幅器６、入力側伝送線路７及び出力側伝送線路８が実装された基板２に接続された構成であってもよい。

また、上記した実施の形態では、入力側伝送線路７や出力側伝送線路８で信号Ｓ２、Ｓ１´の位相を変換しているが、本発明は、他の部分で信号の位相を切り替えることも可能である。例えば、分配器４において、キャリア増幅器５に入力する信号Ｓ１とピーク増幅器６に入力する信号Ｓ２とに位相差を付与してもよく、或いは、２つの信号Ｓ１´、Ｓ２´を合成する合成器を設け、この合成器において、キャリア増幅器５から出力された信号Ｓ１´の位相とピーク増幅器６から出力された信号Ｓ２´の位相とを合わせてもよい。

また、上記した実施の形態では、ドハティ型の信号増幅器について説明したが、本発明は、複数の増幅部を有する増幅器であれば、ドハティ型増幅器以外の増幅器であってもよい。例えば、ＬＩＮＣ（Linear Amplification using Nonlinear Components）方式の増幅器であってもよい。
その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１ 増幅器
２ 基板
２ａ 主面
２ｂ 主面
３ 入力端子（入力部）
４ 分配器（分岐部）
５ キャリア増幅器（第一増幅部）
６ ピーク増幅器（第二増幅部）
７ 入力側伝送線路（第二伝送線路）
８ 出力側伝送線路（第一伝送線路）
９ 出力負荷（出力部）
２１ 第一誘電体層
２２ 第二誘電体層
２３ 接地層

Claims (5)

1. 入力信号が入力される入力部と、前記入力信号を複数の信号に分岐させる分岐部と、該分岐部で分岐された信号を増幅させる第一及び第二増幅部と、該第一及び第二増幅部からそれぞれ出力されて合成された信号を出力する出力部と、前記第一及び第二増幅部が実装された基板と、を備えており、
   前記第一増幅部は、前記基板の一方の主面に設けられ、前記第二増幅部は、前記基板の他方の主面に設けられていることを特徴とする増幅器。
2. 前記基板には、前記一方の主面側の第一誘電体層と、前記他方の主面側の第二誘電体層と、前記第一及び第二誘電体層の間に介在された接地層と、が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の増幅器。
3. 前記第一増幅部と前記第二増幅部とは、平面視において互いに異なる位置に配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の増幅器。
4. 前記一方の主面には、前記第一増幅部と前記合成部とを接続する第一伝送線路が配設され、
   前記他方の主面には、前記第二増幅部と前記分岐部とを接続する第二伝送線路が配設され、
   前記第一増幅部は、平面視において前記第二伝送線路と重なる位置に配設され、
   前記第二増幅部は、平面視において前記第一伝送線路と重なる位置に配設されていることを特徴とする請求項３に記載の増幅器。
5. 前記第一増幅部及び前記第二増幅部のうちの少なくとも一方には、複数の増幅素子が備えられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の増幅器。

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