JP2011182312A

JP2011182312A - 増幅器

Info

Publication number: JP2011182312A
Application number: JP2010046635A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Kawada; 雅史河田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2011-09-15

Abstract

【課題】電力効率を向上させると共に、広帯域信号やマルチバンド信号であっても効率を最大化し、低コストかつ高安定なドハティ増幅器を提供する。
【解決手段】周波数情報取得部１０９は、入力端子１０１から入力される信号の周波数情報を取得し、制御回路１１０は、予め使用が予想される周波数とそれに対応する電源電圧を出力させる制御信号とを記憶しており、入力信号の周波数情報に応じた制御信号をＤＣ／ＤＣ変換回路１１２に出力する。ＤＣ／ＤＣ変換回路１１２は、外部電源部１１１から出力された電源電圧を制御回路１１０から出力された制御信号の示す電圧に変換して、主増幅器１０３のバイアスライン１０４及び補助増幅器１０６のバイアスライン１０７に印加する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ドハティ増幅器等の増幅器に関する。

無線装置に用いられる電力増幅器には、一般に、高い電力効率と低い相互変調歪という、トレードオフの関係にある性能が求められる。Ｗ−ＣＤＭＡ（Wideband-Code Division Multiple Access）などのマルチキャリア信号のような無線信号を電力増幅する場合、共通増幅器に歪補償手段を付加し、共通増幅器の動作範囲を飽和領域付近まで広げることで低消費電力化を図っている。歪補償手段として、フィードフォワード方式やプリディストーション方式などがあるが、歪補償だけでは低消費電力化に限界がある。そのため、近年、高効率増幅器としてドハティ増幅器が検討されている。

ドハティ増幅器は、当業者の間では既知の技術であり、その基本構成を図１に示す。図１に示すように、ドハティ増幅器１０は、入力端子１１と、入力分配器１２と、Ａ級又はＡＢ級でバイアスされた主増幅器１３と、Ｂ級又はＣ級でバイアスされた補助増幅器１４と、λ／４線路１５と、出力合成点１６と、出力端子１７とを備える（非特許文献１参照）。

次に、図１に示したドハティ増幅器１０の動作について説明する。入力端子１１から入力された入力信号は、入力分配器１２で２系統に分配され、一方は主増幅器１３へ供給され、他方は補助増幅器１４へ供給される。

補助増幅器１４は、Ｂ級又はＣ級でバイアスされているため、入力レベルが小さいときは動作しない。このとき、高効率な増幅特性を引き出すためには、出力合成点１６から補助増幅器１４側を見た際のインピーダンスを無限大（オープン）に見せる必要がある。インピーダンスがオープンではない場合、補助増幅器１４側に出力電力が回りこんでしまい、出力電力の損失が発生してしまう。一般に、主増幅器１３から見た補助増幅器１４の出力インピーダンスは、λ／４線路を通じてオープンとなるように設定されている。そのため、補助増幅器１４の動作が始まるまでの入力レベルでは、主増幅器１３のみが動作するため、増幅器全体としての効率は高い。

一方で、Ｗ−ＣＤＭＡ信号は、６０ＭＨｚのバンド幅があり、この中の任意の周波数帯で性能を確保する必要がある。しかしながら、従来のドハティ増幅器では、周波数に依存して特性の変動が発生することがあり、広い帯域での使用が困難であった。

これに対して、例えば、特許文献１には、インピーダンス変換器が、それぞれ電気長の異なる複数の伝送線路を有するドハティ増幅器が提案されており、このドハティ増幅器によれば、周波数依存性を小さくして、広い帯域での使用を可能とする。

特開２００６−３４５３４１号公報

"A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves", Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Vol.24, No.9, pp.1163-1182 September 1936

しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術では、送信周波数を変更するためには、λ／４線路を送信周波数に合わせて、その都度変更する必要があり、また、増幅器間のアイソレーションが取れていないドハティ増幅器であれば、出力負荷が負荷切り替え用スイッチにてオープンになってしまうため、回路の発振又は破壊などが発生する可能性が大きい。

本発明の目的は、電力効率を向上させると共に、広帯域信号やマルチバンド信号であっても効率を最大化し、低コストかつ高安定なドハティ増幅器を提供することである。

本発明の増幅器は、高周波入力信号を分配する分配手段と、分配された前記高周波入力信号を増幅する第１増幅手段と、所定の入力レベル以上で動作し、分配された前記高周波入力信号を増幅する第２増幅手段と、前記第１増幅手段によって増幅された前記高周波入力信号のインピーダンスを変換する変換手段と、インピーダンスが変換された前記高周波入力信号と、前記第２増幅手段によって増幅された前記高周波入力信号とを合成する合成手段と、前記第１増幅手段及び前記第２増幅手段に印加する電源電圧を供給する電源手段と、前記高周波入力信号の周波数に応じて、前記電源電圧を可変制御する制御手段と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、電力効率を向上させると共に、広帯域信号やマルチバンド信号であっても効率を最大化し、低コストかつ高安定なドハティ増幅器を実現することができる。

非特許文献１に開示のドハティ増幅器の基本構成を示す図本発明の実施の形態１に係るドハティ増幅器の構成を示す図増幅器に印加する電源電圧に対する合成点から見た補助増幅器側負荷のインピーダンス特性を説明するための図本発明の実施の形態２に係るドハティ増幅器の構成を示す図図４に示したバイアス回路の構成を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、実施の形態において、同一機能を有する構成には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係るドハティ増幅器１００の構成を示す図である。ドハティ増幅器１００は、入力端子１０１、分配器１０２、主増幅器１０３、バイアスライン１０４、インピーダンス変換部１０５、補助増幅器１０６、バイアスライン１０７、合成点１０８、周波数情報取得部１０９、制御回路１１０、外部電源部１１１、ＤＣ／ＤＣ変換回路１１２、及び、出力端子１１３を備える。

分配器１０２は、ＲＦ入力端子１０１から入力された信号を２系統に分配し、一方を主増幅器１０３に供給し、他方を補助増幅器１０６に供給する。

主増幅器１０３は、ＡＢ級でバイアスされた増幅器であり、入力レベルが低い状態から動作し、分配器１０２から供給された信号を増幅してインピーダンス変換部１０５に出力する。また、主増幅器１０３は、バイアスライン１０４を備えており、バイアスライン１０４は、後述するＤＣ／ＤＣ変換回路１１２からの電圧を主増幅器１０３に印加する。

インピーダンス変換部１０５は、主増幅器１０３から出力された信号をインピーダンス変換して合成点１０８へ出力する。

補助増幅器１０６は、Ｃ級でバイアスされた増幅器であり、入力レベルが十分高い状態（所定の入力レベル以上）から動作し、分配器１０２から供給された信号を増幅して合成点１０８に出力する。また、補助増幅器１０６は、バイアスライン１０７を備えており、バイアスライン１０７は、後述するＤＣ／ＤＣ変換回路１１２からの電圧を補助増幅器１０６に印加する。

合成点１０８は、インピーダンス変換部１０５から出力された信号と、補助増幅器１０６から出力された信号を合成し、合成した信号を出力端子１１３に供給する。

周波数情報取得部１０９は、入力端子１０１から入力される信号の周波数情報を取得し、取得した周波数情報を制御回路１１０に出力する。周波数情報の取得方法として、ベースバンド部からの情報でも良い。

制御回路１１０は、予め使用が予想される周波数とそれに対応する電源電圧を出力させる制御信号とを、例えば、テーブルとして記憶しており、周波数情報取得部１０９から出力された周波数情報に応じた制御信号をＤＣ／ＤＣ変換回路１１２に出力する。

外部電源部１１１は、所定の電源電圧をＤＣ／ＤＣ変換回路１１２に出力する。

ＤＣ／ＤＣ変換回路１１２は、外部電源部１１１から出力された電源電圧を制御回路１１０から出力された制御信号の示す電圧に変換して、主増幅器１０３のバイアスライン１０４及び補助増幅器１０６のバイアスライン１０７に印加する。

このような構成を有するドハティ増幅器１００は、主増幅器１０３及び補助増幅器１０６に印加する電源電圧によって、各増幅器の出力負荷のインピーダンスを変化させることにより、入力信号の周波数に応じて最適なインピーダンスとなるように調節することができる。すなわち、適切な整合調整を行うことにより、ドハティ増幅器の適応可能な周波数帯域を容易に拡大することができる。

ここで、増幅器に印加する電源電圧に対する合成点１０８から見た補助増幅器１０６側負荷のインピーダンス特性について図３を用いて説明する。図３（ａ）は、印加する電源電圧が高電圧の場合を示し、図３（ｂ）は、通常の電源電圧の場合を示し、図３（ｃ）は、印加する電源電圧が低電圧の場合を示す。

図３（ｂ）において、点ａ、ｂ、ｃは入力信号の周波数がそれぞれ低い周波数、中間周波数、高い周波数に対応しており、印加する電源電圧を変化させると、図３（ａ）、（ｃ）に示すように、インピーダンスを点ａ’、ｂ’、ｃ’と可変できることを示している。従って、例えば、低い周波数の場合、点ｃ’が最も高い効率が得られる位置になるように、制御回路１１０が電源電圧を設定すればよい。同様に、中間周波数及び高い周波数でも電源電圧を設定する。なお、インピーダンス変換部１０５の初期最適値は、例えば、試作調整により決定される。

このように、ドハティ増幅器１００は、電源電圧を変動させることにより、合成点１０８から見た補助増幅器１０６側の負荷のインピーダンスが変わる。具体的には、主増幅器１０３に印加する電源電圧と、補助増幅器１０６に印加する電源電圧とを入力信号の周波数に応じて変化させることにより、合成点１０８から補助増幅器１０６側を見たインピーダンスを低出力時（補助増幅器１０６が動作していない状態）に、常にオープンにすることができる。

例えば、入力信号の周波数が１．８ＧＨzと２．１ＧＨｚのように異なる２帯域である場合、合成点１０８から増幅器側を見たインピーダンスがその周波数帯域でオープンとなり、主増幅器１０３側に回り込む信号を低減することができるので、効率を改善することができる。すなわち、最大効率点を調整することができる。

なお、入力信号を２系統に分配し、合成するドハティ増幅器の場合、各経路の回路遅延や位相差を最小にすることで、合成時の合成損失を最小にすることができる。つまり主増幅器１０３と補助増幅器１０６の回路遅延及び位相を揃えるために、主増幅器１０３あるいは補助増幅器１０６に印加する電源電圧を変化させ、各経路の回路遅延や位相を変化させることで、合成損失を最小にする調整をしても良い。

このように実施の形態１によれば、インピーダンス変換部の線路長を変化させる代わりに、入力信号の周波数に応じて、増幅器に印加する電源電圧を変化させることにより、増幅器の効率が最もよくなる最適な負荷に調節することができ、インピーダンスの最適位置が変化しても、増幅器の種類に依存することなく、最適な整合を行うことができるので、広帯域にドハティ増幅器の増幅効率を向上させることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係るドハティ増幅器２００の構成を示す図である。図４が図２と異なる点は、制御回路１１０を制御回路２０１に変更し、バイアスライン１０４をバイアス回路２０２に変更し、バイアスライン１０７をバイアス回路２０３に変更した点である。

制御回路２０１は、予め使用が予想される周波数に対して、その周波数に対応する電源電圧及びその周波数に対応する電源ラインの電気長に制御する制御信号が、例えば、テーブルとして記憶されており、周波数情報取得部１０９から出力された周波数情報に応じた制御信号をＤＣ／ＤＣ変換回路１１２、主増幅器１０３のバイアス回路２０２及び補助増幅器１０６のバイアス回路２０３に出力する。

バイアス回路２０２、２０３は、制御回路２０１から出力された制御信号に従い、電源ラインの電気長が入力信号の周波数に対してλ／４となるように、バイアス回路内の可変容量ダイオードを調整する。参考までに、バイアス回路２０２の内部構成について図５に示す。

なお、電気長とは、伝送線路中での波長を基準に伝送路の長さを規定するものであり、線路定数（誘電体の比誘電率等）を考慮した長さである。

ここで、一般に知られているように、ドレイン電源回路のパスコンデンサの位置を調整することにより、高周波増幅器の最大出力電力を調整し、外部電源部への高周波信号の回り込みを低減することができる。すなわち、λ／４位置にパスコンデンサを配置することにより、送信周波数に対する外部電源部側のインピーダンスを高くする。

図４に示すドハティ増幅器２００では、主増幅器１０３と補助増幅器１０６の最大出力電力をドレイン電源回路により調整し、電源ラインの電気長を入力信号の周波数に対してλ／４に調整することにより、外部電源部１１１への高周波信号の回り込みをさらに低減することができる。

このように実施の形態２によれば、電源ラインの電気長を入力信号の周波数に対してλ／４に調整することにより、外部電源部への高周波信号の回り込みを低減することができ、ドハティ増幅器の増幅効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、電源ラインの電気長を調整する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、その他電気長に起因する回路、例えば、Ｆ級増幅器のような出力にスタブパターンの電気長により、２倍波や３倍波などの高調波成分を処理（オープンやショート）し、高効率動作させるような回路の電気長を調整するような回路に適用してもよい。

本発明にかかる増幅器は、携帯電話システムの基地局などの無線装置等に適用できる。

１０１入力端子
１０２分配器
１０３主増幅器
１０４、１０７バイアスライン
２０２、２０３バイアス回路
１０５インピーダンス変換部
１０６補助増幅器
１０８合成点
１０９周波数情報取得部
１１０、２０１制御回路
１１１外部電源部
１１２ＤＣ／ＤＣ変換回路
１１３出力端子

Claims

高周波入力信号を分配する分配手段と、
分配された前記高周波入力信号を増幅する第１増幅手段と、
所定の入力レベル以上で動作し、分配された前記高周波入力信号を増幅する第２増幅手段と、
前記第１増幅手段によって増幅された前記高周波入力信号のインピーダンスを変換する変換手段と、
インピーダンスが変換された前記高周波入力信号と、前記第２増幅手段によって増幅された前記高周波入力信号とを合成する合成手段と、
前記第１増幅手段及び前記第２増幅手段に印加する電源電圧を供給する電源手段と、
前記高周波入力信号の周波数に応じて、前記電源電圧を可変制御する制御手段と、
を具備する増幅器。
前記電源手段は、前記高周波入力信号の周波数が高い場合には、前記電源電圧を高く設定し、前記高周波入力信号の周波数が低い場合には、前記電源電圧を低く設定する請求項１に記載の増幅器。
前記第１増幅手段及び前記第２増幅手段にそれぞれ設けられ、可変容量素子を含むバイアス回路を具備し、
前記制御手段は、前記高周波入力信号の周波数に応じて、前記可変容量素子を制御する請求項１に記載の増幅器。
前記制御手段は、バイアスラインの電気長が前記高周波入力信号の周波数に対してλ／４となるように、前記可変容量素子を制御する請求項３に記載の増幅器。