JP2011182313A

JP2011182313A - ドハティ増幅器及び高周波伝送線路

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Publication number: JP2011182313A
Application number: JP2010046636A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Uchiyama; 和弘内山
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】インピーダンス変換の特性を低損失で容易に調整し、高周波大電力への耐用性が高く、小型化を実現するドハティ増幅器及び高周波伝送線路を提供する。
【解決手段】誘電体１０１は、厚さＨ_ＡとＨ_Ｂの２層からなり、基板を構成する。２層の誘電体１０１の間には電極層１０２が積層されている。また、誘電体１０１の一面には、マイクロストリップ線路１０３が配設され、他面がグランド（ＧＮＤ）に接地されている。電極層１０２とＧＮＤとはスイッチ１０４を介して接続されており、制御部１０５がスイッチ１０４を制御して、電極層１０２とＧＮＤとの接続と開放を切り替える。
【選択図】図４

Description

本発明は、ドハティ増幅器及び高周波伝送線路に関する。

近年、移動通信システムの基地局等に適用される高周波大電力増幅器（以下、「アンプ」ともいう）に対する高効率化の要望が高まっており、これを実現する一つの方法として、ドハティ増幅器が広く使われている。

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、ＲＦ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、ＲＦ出力端子１７とを備える（非特許文献１参照）。

なお、通常のドハティ増幅器の動作原理については、例えば、非特許文献２などの文献により当業者によく知られているので、ここではその詳細な説明を省略する。

ドハティ増幅器は、例えば、非特許文献３に示されるように、λ／４線路で構成するインピーダンス変換部の変換比率により、第一の効率最大点と第二の効率最大点のバックオフレベルが決定され、基本の構成では変換比は１：２であるので、飽和出力電力から６ｄＢのバックオフ点が第一の効率最大点となる。

一方、図１に示すように、ドハティ増幅器は、インピーダンス変換器にλ／４線路を用いるので、周波数依存性が強く、インピーダンスの変換比率も一義的に決まる。

そのため、例えば、特許文献１には、リファレンスとなるマイクロストリップ線路と並列に電気長の異なる回路を設け、それらの経路を必要に応じて切り替える方法が提案されている。また、λ／４線路をインダクタンスＬとコンデンサＣのπ型フィルタで構成した９０度の遅延線路とし、コンデンサＣをバリキャップとして線路の特性を調整可能とする方法も提案されている。

特開２００７−０１９５７８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 "Advanced Techniques in RF Power Amplifiers", Steve C. Cripps, Artech House 2002 p50 "A Highly Efficiency Doherty Power Amplifier Employing Optimized Carrier Cell", Junghwan Moon, Young Yun Woo, Bumman Kim, Proceeding of the 39th European Microwave Couference, p1720

しかしながら、特許文献１に開示の技術では、ドハティ増幅器の出力線路を切り替えることはできるものの、基地局用の高周波大電力増幅器の出力電力に耐える低損失な高周波スイッチやバリキャップは存在しないため、基地局用の高周波大電力増幅器に適用するドハティ増幅器の出力インピーダンス変換部の特性を低損失で簡単に調整する手段がないという問題がある。

例えば、高周波スイッチの通過損失が０．５ｄＢ程度であったとしても、出力電力が１ｋＷの高周波アンプでは１２０Ｗ以上の損失となり、電力効率が低下し、また、損失する電力に耐えるスイッチは部品の大型化につながる。一方で、部品の大型化は、不要な容量性や誘導性が物理的に増すことになり、スイッチの高周波特性の劣化につながる。

また、例えば、出力電力が１ｋＷで負荷インピーダンスが５０Ωの高周波アンプでは、高周波電力として瞬時的に２００Ｖ以上の電圧が発生するため、その高電圧に耐えるバリキャップを実現するには、端子間容量を極端に小さくすることが考えられるが、マイクロ波伝送線路としての所望の容量を満たさなくなる。

本発明の目的は、インピーダンス変換の特性を低損失で容易に調整し、高周波大電力への耐用性が高く、小型化を実現するドハティ増幅器及び高周波伝送線路を提供することである。

本発明のドハティ増幅器は、主増幅器、補助増幅器及び前記主増幅器の出力インピーダンスを変換するインピーダンス変換器を有するドハティ増幅器であって、前記インピーダンス変換器は、複数層の誘電体と、前記複数層の誘電体の間に積層された電極層と、前記誘電体の一面に配置されたマイクロストリップ線路と、前記電極層と、接地された前記誘電体の他面とを電気的に接続するか開放するかを切り替えるスイッチ手段と、を具備する構成を採る。

本発明の及び高周波伝送線路は、複数層の誘電体と、前記複数層の誘電体の間に積層された電極層と、前記誘電体の一面に配置されたマイクロストリップ線路と、前記電極層と、接地された前記誘電体の他面とを電気的に接続するか開放するかを切り替えるスイッチ手段と、を具備する構成を採る。

本発明によれば、インピーダンス変換の特性を低損失で容易に調整し、高周波大電力への耐用性が高く、小型化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マイクロストリップ線路のインピーダンス特性の説明に供する図インピーダンスの異なる変換比率における効率特性を示す図本発明の実施の形態１に係るインピーダンス変換器における断面図本発明の実施の形態２に係るインピーダンス変換器における断面図図５に示したインピーダンス変換器の等価回路を示す図本発明の実施の形態３に係るインピーダンス変換器における断面図図７に示したインピーダンス変換器の等価回路を示す図

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）
始めに、マイクロストリップ線路のインピーダンス特性について、図２を用いて説明する。図２は、ドハティ増幅器のインピーダンス変換器における断面図を示す。図２に示すように、ε_ｒは基板に使用される誘電体の比誘電率を、Ｗはマイクロストリップ線路の幅を、Ｈはマイクロストリップ線路とグランド（ＧＮＤ）間の誘電体の厚さをそれぞれ示す。また、Ｔはマイクロストリップ線路の導体の厚さを示し、Ｔ≪Ｈとする。このとき、マイクロストリップ線路のインピーダンスＺ_０は次式（１）で近似される。

式（１）から分かるように、幅Ｗと比誘電率ε_ｒが不変であっても、誘電体の厚さＨを変えることにより、マイクロストリップ線路のインピーダンスＺ_０を調整することができる。

また、公知のように、ドハティ増幅器は出力インピーダンス変換比を変えることで効率特性、すなわち第一の効率最大点を調整することができる。図３に示す例では、インピーダンスの変換比率を１：２（図中点線で示す）から１：２．５（図中実線で示す）としたときの特性を示す。変換比率が１：２では第一の最大効率点のバックオフのレベルは６ｄＢ（Ｖｉｎ／Ｖｍａｘ＝０．５）となるが、１：２．５では８ｄＢ（Ｖｉｎ／Ｖｍａｘ＝０．４）となる。

図４は、本発明の実施の形態１に係るインピーダンス変換器における断面図を示す。誘電体１０１は、厚さＨ_ＡとＨ_Ｂの２層からなり、基板を構成する。ここでは、２層の誘電体は１０１同一の比誘電率ε_ｒとする。

２層の誘電体１０１の間には電極層１０２が積層されている。また、誘電体１０１の一面には、マイクロストリップ線路１０３が配設され、他面がグランド（ＧＮＤ）に接地されている。

電極層１０２とＧＮＤとはスイッチ１０４を介して接続されており、制御部１０５がスイッチ１０４を制御して、電極層１０２とＧＮＤとの接続と開放を切り替える。

このような構成を有するインピーダンス変換器において、制御部１０５がスイッチ１０４を制御する。具体的には、スイッチ１０４が閉じた状態では、電極層１０２がＧＮＤレベルとなるので、基板を構成する誘電体１０１は厚さＨ_Ａの誘電体のみと見なせる。一方、スイッチ１０４が開いた状態では、厚さＨ_Ａの誘電体１０１からなる基板と、厚さＨ_Ｂの誘電体１０１からなる基板を直列に配置した構成と見なせる。これにより、マイクロストリップ線路１０３とＧＮＤ間の誘電体の厚さを“Ｈ_Ａ”と“Ｈ_Ａ＋Ｈ_Ｂ”とに切り替えることができ、上式（１）に示したように、マイクロストリップ線路のインピーダンスＺ_０を変えることができる。

このとき、スイッチ１０４の電位はＧＮＤレベルであり、マイクロストリップ線路１０３に大電力が印加されても、耐電圧の小さいスイッチ１０４を問題なく使用できる。また、マイクロストリップ線路１０３は切り替え部を持たないため、高周波電力の通過損失の発生を回避することができる。

すなわち、図１に示したドハティ増幅器１０のインピーダンス変換器１５に図１に示したインピーダンス変換器を適用し、インピーダンス変換比率を制御部１０５が必要に応じて切り替えることにより、第一の効率最大点を切り替え可能な大電力ドハティ増幅器を実現することができる。

このようなインピーダンス変換比率の切り替え動作は、例えば一つの高周波アンプで、異なるピーク値をもつ変調信号を扱うマルチモードアンプ対応のドハティ増幅器を実現するのに有効である。

このように実施の形態１によれば、２層の誘電体の間に積層された電極層と、グランドに接地された誘電体面とをスイッチを介して接続し、スイッチが電極層とＧＮＤとの接続と開放を切り替えることにより、接地された誘電体面とは反対の面に配設されたマイクロストリップ線路とＧＮＤ間の誘電体の厚さを切り替えることができ、マイクロストリップ線路のインピーダンスを変えることができる。また、耐電圧の小さいスイッチを使用することができ、部品の大型化を回避することができる。さらに、マイクロストリップ線路は切り替え部を持たないため、高周波電力の通過損失の発生を回避することができる。

なお、本実施の形態では、２層の誘電体層の間に１層の電極層を積層する場合について説明したが、複数の電極層を誘電体層が挟むように積層してもよく、この場合、多段階にマイクロストリップ線路のインピーダンスを切り替えることが可能となり、効率最大点を多段階に調整可能な大電力ドハティ増幅器を実現することができる。

また、このマイクロストリップ線路を入出力の整合回路に用いることにより、必要に応じて特性を切り替えることが可能な高周波アンプを実現することができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係るインピーダンス変換器における断面図を示す。誘電体２０１は、厚さＨ_Ａ、比誘電率ε_Ａによって基板を構成し、誘電体２０２は、厚さＨ_Ｂ、比誘電率ε_Ｂによって基板を構成する。

このような構成を有するインピーダンス変換器において、制御部１０５がスイッチ１０４を制御する。具体的には、スイッチ１０４が閉じた状態では、電極層１０２がＧＮＤレベルとなるので、誘電体２０１は厚さＨ_Ａの誘電体のみと見なせる。一方、スイッチ１０４が開いた状態では、厚さＨ_Ａの誘電体２０１からなる基板と、厚さＨ_Ｂの誘電体２０２からなる基板を直列に配置した構成と見なせる。

図６は、図５に示したインピーダンス変換器の等価回路を示す図である。以下、図５及び図６を参照しながら、インピーダンス変換器の動作原理について説明する。ただし、図６において、動作原理の説明に不要な制御部１０５は省略している。

まず、マイクロストリップ線路の伝送線路上の位相速度ｖ_ｐを式（２）に示す。また、マイクロストリップ線路上の波長λ_ｇを式（３）に示す。式（２）及び式（３）において、ｖ_０は光速、Ｌは線路の単位ｍ当たりのインダクタンス、Ｃは線路の単位ｍ当たりのキャパシタンス、ε_ｒは基板の比誘電率、μ_ｒは基板の比透磁率である。

線路の単位ｍ当たりのキャパシタンスが変わると、式（２）に示すように、伝送線路上の位相速度が変わるため、マイクロストリップ線路上の波長も変わる。

ここで、スイッチが閉じた状態では、マイクロストリップ線路とＧＮＤ間のキャパシタンスは式（４）となる。一方、スイッチが開いた状態では、電極層とＧＮＤ間のキャパシタンスは式（５）となる。Ｓはマイクロストリップ線路の導体面積である。

ここで、Ｃ_ＡとＣ_Ｂはキャパシタンスの並列接続であるので、スイッチが開いた状態のキャパシタンスＣ_０は、式（６）となる。

このように、図５に示したインピーダンス変換器によれば、制御部１０５によりスイッチ１０４の接続と開放を切り替えることにより、基板のキャパシタンスが変わるので、マイクロストリップ線路１０３上の波長λ_ｇを調整することができる。

このとき、スイッチ１０４の電位はＧＮＤレベルであり、マイクロストリップ線路１０３に大電力が印加されても、耐電圧の小さいスイッチを問題なく使用できる。また、マイクロストリップ線路は切り替え部を持たないため、高周波電力の通過損失の発生を回避することができる。

すなわち、図１に示したドハティ増幅器１０のインピーダンス変換器１５に図４に示したインピーダンス変換器を適用し、使用する周波数に応じてマイクロストリップ線路１０３上の波長λ_ｇを制御部１０５が調整することにより、周波数特性を無損失で切り替え可能な大電力ドハティ増幅器を実現することができる。

これは、例えば一つの高周波アンプで、異なる周波数を切り替えて使用することを考えたマルチバンドアンプに対応したドハティ増幅器を実現するのに有効である。

このように実施の形態２によれば、異なる比誘電率の２層の誘電体間に積層された電極層と、グランドに接地された誘電体面とをスイッチを介して接続し、スイッチが電極層とＧＮＤとの接続と開放を切り替えることにより、マイクロストリップ線路上の波長を調整することができる。また、耐電圧の小さいスイッチを使用することができ、部品の大型化を回避することができる。さらに、マイクロストリップ線路は切り替え部を持たないため、高周波電力の通過損失の発生を回避することができる。

なお、本実施の形態では、２層の誘電体層の間に１層の電極層を積層する場合について説明したが、複数の電極層を誘電体層が挟むように積層してもよく、この場合、多段階にマイクロストリップ線路上の波長を切り替えることが可能となり、周波数特性を多段階に調整可能な大電力ドハティ増幅器を実現することができる。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係るインピーダンス変換器における断面図を示す。図７が図５と異なる点は、スイッチ１０４を電界効果トランジスタ（ＦＥＴ:Field Effect Transistor）３０１に変更し、制御部１０５を制御部３０２に変更した点である。

ＦＥＴ３０１は、ゲート端子が制御部３０２に接続され、ドレイン端子が電極層１０２に接続され、ソース端子がＧＮＤに接続されている。ＦＥＴ３０１のゲート端子に接続された制御部３０２は、ＦＥＴ３０１のバイアス電圧を制御する。

図８は、図７に示したインピーダンス変換器の等価回路を示す図である。以下、図７及び図８を参照しながら、インピーダンス変換器の動作原理について説明する。ただし、図８において、動作原理の説明に不要な制御部３０２は省略している。

実施の形態２に示した式（６）において、Ｃ_Ｂを無段階に調整可能なコンデンサとするとき、マイクロストリップ線路上の波長は無段階の調整が可能となる。図８に示すＦＥＴ３０１のドレイン−ソース間の容量Ｃ_ＤＳは、一般に知られているようにＦＥＴのバイアス条件に応じて変化するので、図６におけるＣ_ＢをＣ_ＢとＣ_ＤＳとの並列回路として見なすと、制御部３０２からの電圧に応じてマイクロストリップ線路の物理的な長さが固定であっても、基板上の波長を無段階に調整することができる。

すなわち、図１に示したドハティ増幅器１０のインピーダンス変換器１５に図７に示したインピーダンス変換器を適用し、使用する周波数に応じてＦＥＴ３０１を制御部３０２が調整することにより、周波数特性を無損失で無段階に調整可能な大電力ドハティ増幅器を実現することができる。

このように実施の形態３によれば、異なる比誘電率の２層の誘電体間に積層された電極層と、グランドに接地された誘電体面とをＦＥＴを介して接続し、ＦＥＴのバイアス電圧を制御することにより、マイクロストリップ線路上の波長を無段階に調整することができる。また、耐電圧の小さいＦＥＴを使用することができ、部品の大型化を回避することができる。さらに、マイクロストリップ線路は切り替え部を持たないため、高周波電力の通過損失の発生を回避することができる。

本発明にかかるドハティ増幅器及び高周波伝送線路は、移動通信システムの基地局などの無線装置等に適用できる。

１０１、２０１、２０２誘電体
１０２電極層
１０３マイクロストリップ線路
１０４スイッチ
１０５、３０２制御部
３０１ＦＥＴ

Claims

主増幅器、補助増幅器及び前記主増幅器の出力インピーダンスを変換するインピーダンス変換器を有するドハティ増幅器であって、
前記インピーダンス変換器は、
複数層の誘電体と、
前記複数層の誘電体の間に積層された電極層と、
前記誘電体の一面に配置されたマイクロストリップ線路と、
前記電極層と、接地された前記誘電体の他面とを電気的に接続するか開放するかを切り替えるスイッチ手段と、
を具備するドハティ増幅器。
前記複数層の誘電体は、それぞれ異なる誘電率を有する請求項１に記載のドハティ増幅器。
前記スイッチ手段は、電界効果トランジスタである請求項２に記載のドハティ増幅器。
複数層の誘電体と、
前記複数層の誘電体の間に積層された電極層と、
前記誘電体の一面に配置されたマイクロストリップ線路と、
前記電極層と、接地された前記誘電体の他面とを電気的に接続するか開放するかを切り替えるスイッチ手段と、
を具備する高周波伝送線路。
前記複数層の誘電体は、それぞれ異なる誘電率を有する請求項４に記載の高周波伝送線路。