JP2012178821A

JP2012178821A - 高周波用３ステージ窒化ガリウム系高電子移動度トランジスタ（ＧａＮＨＥＭＴ）ドハティ電力増幅器

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Publication number: JP2012178821A
Application number: JP2012001497A
Authority: JP
Inventors: Yoon-Ha Jeong; 潤夏丁; Mun-Woo Lee; 文雨李; Sang- Ho Kam; 相浩甘
Original assignee: Academy Industry Foundation of POSTECH
Current assignee: Academy Industry Foundation of POSTECH
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2032-01-06
Also published as: EP2493069A1; US20120218044A1; US8466746B2; EP2493069B1; KR101145666B1; JP5122688B2

Abstract

【課題】窒化ガリウム系高電子移動度トランジスタ（ＧａＮＨＥＭＴ）電力素子を用いて広い範囲で高い効率を持つようにした高周波用３ステージ（Ｔｈｒｅｅ−Ｓｔａｇｅ）ＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器を提供する。
【解決手段】そのための本発明は、キャリア増幅器及び第１及び第２のピーク増幅器を含む高周波用３ステージ窒化ガリウム系高電子移動度トランジスタドハティ電力増幅器において、前記キャリア増幅器と第１及び第２のピーク増幅器に入力信号を分配するための１０ｄＢ電力分配器；前記キャリア増幅器の入力電力を調整するための第１の経路部；及び広い出力電力範囲で高い効率を維持させるための第２の経路部を含むことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は３ＧＨｚ以上で動作するドハティ電力増幅器に関し、より詳細には窒化ガリウム系高電子移動度トランジスタ電力素子を用いて広い範囲で高い効率を持つようにした高周波用３ステージ（Ｔｈｒｅｅ−Ｓｔａｇｅ）ＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器に関する。

当業者に周知のように、基地局や中継器で使用される電力増幅器の効率は全システムの効率を左右するため、電力増幅器の効率を高めることが重要である。電力増幅器の効率を高める方法のうち、ドハティ電力増幅器は他の効率を増加させる方法とは違って、飽和出力電力から６ｄＢのバックオフパワー（ｂａｃｋ−ｏｆｆｐｏｗｅｒ：ＢＯＰ）をとった地点で高い効率を持つようになる。

最近、多く使用されるＷＣＭＤＡ又はＷｉＭＡＸ信号の場合は、大きいピーク対平均電力比（ｐｅａｋ−ｔｏ−ａｖｅｒａｇｅｐｏｗｅｒｒａｔｉｏ：ＰＡＰＲ）を持つため、線形性を確保するために信号のＰＡＰＲ分バックオフパワーをとった出力で使用することになる。したがって、ドハティ電力増幅器は広い出力範囲で高い効率を持つので、将来、基地局や中継器に多く適用され得る。特に最近は６ｄＢ以上のＢＯＰで高い効率を有する多段（Ｎ−ｓｔａｇｅ）ドハティ電力増幅器が研究されている。

ドハティ電力増幅器の設計において電力増幅器に使用される能動素子は一般に価格が安く安定した性能を示すＳｉＬＤＭＯＳＦＥＴを主に用いる。しかし、３ＧＨｚで動作する電力増幅器を設計するにあたり、ＳｉＬＤＭＯＳＦＥＴは低い飽和速度（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ）のため使用することができない。しかし、ＧａＮＨＥＭＴ素子の場合には高い飽和速度によって３ＧＨｚでも高い効率を示す。

特開２００８−１９９６２５号公報特開２０１１−１５１７８７号公報

図１は、従来の技術による３ステージドハティ電力増幅器を示す回路図である。

図１に示すように、入力信号は３方向（ｔｈｒｅｅ−ｗａｙ）電力分配器１０１を介してキャリア増幅器１０４、第１のピーク増幅器１０５、及び第２のピーク増幅器１０６の入力に分けられる。入力整合回路１０３と出力整合回路１０７は各電力増幅器の利得と効率を最適化させ入力の大きさに応じてλ／４伝送線路１０８、１０９によってキャリア増幅器のインピーダンスが増加するようになるので低い入力でも高い効率を出すことができる。λ／４伝送線路１０８、１０９によるキャリア増幅器１０４と第１のピーク増幅器１０５、第２のピーク増幅器１０６の間の位相差を補償するために、第１のピーク増幅器１０５と第２のピーク増幅器１０６の入力にそれぞれλ／４伝送線路１０２とλ／２伝送線路１０２を挿入する。３ステージドハティ電力増幅器は入力に３方向電力分配器を用いるため、キャリア増幅器の利得が低くなる短所がある。

図２は、図１に示した従来の技術による３ステージドハティ電力増幅器でのキャリア増幅器１０４、第１のピーク増幅器１０５及び第２のピーク増幅器１０６等のドレイン電流を示すグラフである。

図２を参照すると、キャリア増幅器１０４のドレイン電流は入力の大きさに比例して増加するが第２のピーク増幅器１０６が動作する時飽和して一定の電流を維持する。キャリア増幅器１０４と第１のピーク増幅器１０５、第２のピーク増幅器１０６で使用される素子容量によって第１のピーク増幅器１０５及び第２のピーク増幅器１０６の動作する時点が変わり、それぞれの第１のピーク増幅器１０５と第２のピーク増幅器１０６の動作する時点で３ステージドハティ電力増幅器は高い効率を有する。ＧａＮＨＥＭＴ素子をキャリア増幅器１０４として用いた場合、ＧａＮＨＥＭＴ素子が飽和した後高い入力電力を印加するとＧａＮＨＥＭＴ素子のゲートに電流が流れて絶縁破壊（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）現象が発生する問題点がある。

前述した従来の３ステージ電力増幅器は大きいＢＯＰで高い効率を示す。しかし、３ＧＨｚ以上の周波数で動作する電力増幅器はＧａＮＨＥＭＴ電力素子を用いるべきではあるが、キャリア増幅器の出力電力が飽和した後入力信号の大きさが増加するとキャリア増幅器のゲートに数十ｍＡ以上の電流が流れるようになって、素子が大きな入力に耐えることができなくなるので３ステージドハティ電力増幅器の設計が不可能である。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、ＧａＮＨＥＭＴ電力素子を用いて３ＧＨｚ以上の高い周波数で動作が可能な３ステージドハティ電力増幅器を提供することにその目的がある。

上記目的を達成するために、本発明によるドハティ電力増幅器は、入力の大きさに応じてキャリア増幅器の入力を維持するために、キャリア増幅器の先端に入力の大きさに応じて利得が調整される駆動増幅器を連結することを特徴とする。

具体的には、本発明によるドハティ電力増力増幅器は、キャリア増幅器及び第１及び第２のピーク増幅器を含む高周波用３ステージ窒化ガリウム系高電子移動度トランジスタドハティ電力増幅器において、前記キャリア増幅器と第１及び第２のピーク増幅器に入力信号を分配するための１０ｄＢ電力分配器；前記キャリア増幅器の入力電力を調整するための第１の経路部；及び４０ｄＢｍ乃至５０ｄＢｍの広い出力範囲で４０％以上の効率を維持させるための第２の経路部を含むことを特徴とする。

好ましくは、前記第１の経路部は前記入力信号の大きさに応じて前記キャリア増幅器を制御するための駆動増幅器；及び数百ｍＶの大きさの電圧を増幅させるゲートバイアス調整器を含む。

好ましくは、前記第１の経路部は前記キャリア増幅器を含み、前記キャリア増幅器はＧａＮＨＥＭＴからなる。

好ましくは、前記第２の経路部は前記キャリア増幅器出力のλ／４伝送線路を補償するために遅延線路前のλ／４伝送線路と；前記第１のピーク増幅器と第２のピーク増幅器に同じ大きさと互いに９０゜の位相差を持たせるためのハイブリッド３ｄＢ電力分配器を含む。

好ましくは、前記第２の経路部は前記第１及び第２のピーク増幅器を含み、前記第１及び第２のピーク増幅器はそれぞれＧａＮＨＥＭＴからなる。

本発明によるドハティ電力増幅器は、駆動増幅器の利得がゲート電圧によって変わるようになり、高い入力が印加されてもキャリア増幅器に印加される入力を一定にすることによりＧａＮＨＥＭＴで具現したキャリア増幅器のゲートに電流が流れることを防止することによって広い出力範囲で高い効率を維持できる。

従来の技術の３ステージドハティ電力増幅器を説明するための回路図である。従来の技術の３ステージドハティ電力増幅器のドレイン電流特性を示すグラフである。本発明による高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器の回路構成図である。図３のドハティ電力増幅器において、中心周波数が３．５ＧＨｚである正弦波が入力信号として使われた場合の入力電力による各増幅器のドレイン電流特性及び駆動増幅器のゲート電圧を示すグラフである。図３のドハティ電力増幅器において、中心周波数が３．５ＧＨｚである正弦波が入力信号として使われた場合に出力電力による効率及び利得特性を示すグラフである。図３のドハティ電力増幅器において、中心周波数が３．５ＧＨｚであって、８ｄＢのＰＡＰＲを有するＷｉＭＡＸ信号が入力信号として使われた場合のＷｉＭＡＸ信号によるゲートバイアス調整器の出力波形図である。図３のドハティ電力増幅器において、中心周波数が３．５ＧＨｚであって、８ｄＢのＰＡＰＲを有するＷｉＭＡＸ信号が入力信号として使われた場合の出力電力による効率及び利得特性を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して本発明による高周波用３ステージ窒化ガリウム系高電子移動度トランジスタドハティ電力増幅器の好ましい実施例を詳しく説明する。本発明を説明するに当たって、関連する公知機能或いは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明確にする恐れがあると判断される場合、その詳細な説明を略する。そして、後述される用語は、本発明においての機能を考慮して定義された用語であってこれはユーザ、運用者の意図又は慣例などに応じて異なることがある。したがって、その定義は本明細書全般にわたる内容に基づいて定めなければならない。

図３は、本発明による３ステージドハティ電力増幅器の構造を示す回路の構成図であり、１０ｄＢ電力分配器３０１、駆動増幅器３０２、ゲートバイアス調整器３０３、第１のλ／４伝送線路３０４、遅延線路３０５、ハイブリッド３ｄＢ電力分配器３０６、入力整合回路３０７、キャリア増幅器３０８、第１のピーク増幅器３０９、第２のピーク増幅器３１０、出力整合回路３１１、及び出力λ／４伝送線路３１２を含む。出力λ／４伝送線路３１２は第２のλ／４伝送線路３１２ａ、第３のλ／４伝送線路３１２ｂ、及び第４のλ／４伝送線路３１２ｃに分けられる。

本発明によるドハティ電力増幅器において、駆動増幅器３０２とゲートバイアス調整器３０３は好ましくはキャリア増幅器３０８の入力電力を調整するための第１の経路部を形成する。そして、第１のλ／４伝送線路３０４と、遅延線路３０５、ハイブリッド３ｄＢ電力分配器３０６、第１のピーク増幅器３０９及び第２のピーク増幅器３１０は好ましくは４０ｄＢｍ乃至５０ｄＢｍの広い出力範囲で４０％以上の効率を維持させるための第２の経路部を形成する。

図３に示す本発明による高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器について具体的に説明すると次のとおりである。

入力信号は１０ｄＢ電力分配器３０１を介して駆動増幅器３０２と第１のピーク増幅器３０９及び第２のピーク増幅器３１０の入力として用いられる。１０ｄＢ電力分配器３０１によって第１のピーク増幅器３０９と第２のピーク増幅器３１０に印加される入力電力は損失がほとんどなく、駆動増幅器３０２に印加される入力電力はソース電力に比べて１０ｄＢ減少される。１０ｄＢ減少された入力電力は１０ｄＢの駆動増幅器３０２の利得によって１０ｄＢの入力損失を補償するようになり、従来の３方向電力分配器を使用した場合に比べて利得が高くなる。駆動増幅器３０２によって生じた遅延を合わせるためにハイブリッド３ｄＢ電力分配器３０６の入力に遅延線路３０５を挿入する。第１のピーク増幅器３０９と第２のピーク増幅器３１０の入力にハイブリッド３ｄＢ電力分配器３０６を挿入してそれぞれの増幅器に同じ大きさを有し９０゜の位相差が生じる入力を印加する。キャリア増幅器３０８、第１のピーク増幅器３０９及び第２のピーク増幅器３１０の入力と出力にそれぞれ入力整合回路３０７と出力整合回路３１１を使用して利得と効率を最適化させ、それぞれの増幅器の出力整合回路３１１の出力は出力λ／４伝送線路３１２に連結され、第２のλ／４伝送線路３１２ａ、第３のλ／４伝送線路３１２ｂ及び第４のλ／４伝送線路３１２ｃはキャリア増幅器３０８、第１のピーク増幅器３０９及び第２のピーク増幅器３１０で使用される素子容量によってインピーダンス値が変わる。第２のλ／４伝送線路３１２ａ、第３のλ／４伝送線路３１２ｂ、及び第４のλ／４伝送線路３１２ｃは第１のピーク増幅器３０９及び第２のピーク増幅器３１０が動作しない時、それぞれキャリア増幅器３０８及び第１のピーク増幅器３０９の出力インピーダンスを増加させる役割を行い、増加されたインピーダンスによって高い効率を達成できる。第２のλ／４伝送線路３１２ａによって第１のピーク増幅器３０９と第２のピーク増幅器３１０の間に生じた遅延を補償するために遅延線路３０５の前に第１のλ／４伝送線路３０４を挿入する。

３０ｄＢｍ以下の小さい入力信号では駆動増幅器３０２及びキャリア増幅器３０８がそれぞれｃｌａｓｓ−ＡＢ級増幅器であるので駆動増幅器３０２とキャリア増幅器３０８のみが動作し、第１のピーク増幅器３０９と第２のピーク増幅器３１０は動作しない。入力信号の大きさが増加するほど、第１のピーク増幅器３０９と第２のピーク増幅器３１０が順に動作するようになり、キャリア増幅器３０８のゲートバイアスに電流が発生するようになる。このようなゲートバイアスに流れる電流を除去するためにキャリア増幅器３０８の入力を一定にしなければならない。このために駆動増幅器３０２に印加される入力が３２ｄＢｍ以上の場合、入力が１ｄＢ増加すると駆動増幅器３０２の利得が１ｄＢ減少するようにして、入力が増加しても駆動増幅器３０２の出力を一定にしてキャリア増幅器３０８に印加される入力を一定にする。駆動増幅器３０２の入力が３２ｄＢｍ以下の場合には−３．３Ｖを一定に維持するが、３２ｄＢｍ以上の場合には入力の大きさが１ｄＢ増加する度に、ゲート電圧を−０．３Ｖ下げることによって、駆動増幅器３０２の利得が減少され、その影響によって入力が増加しても駆動増幅器３０２の出力、すなわちキャリア増幅器３０８の入力は一定になる。そして、入力信号の大きさに応じて駆動増幅器３０２のゲートバイアス電圧を自動的に調整するにあたって印加されるゲート電圧は数百ｍＶで−３．３Ｖ以下のゲート電圧を供給するには小さいため、駆動増幅器３０２のゲートバイアスにゲートバイアス調整器３０３を挿入して所望の電圧が印加されることができるようにする。

本発明ではキャリア増幅器３０８、第１のピーク増幅器３０９及び第２のピーク増幅器３１０の出力容量がそれぞれ１５Ｗ、３５Ｗ、３５Ｗであるので、インピーダンスＺ１、Ｚ２、及びＺＴはそれぞれ３１．６Ω、３３．３Ω、及び７０．７Ωを有し、約９．５ＢＯＰと約４．３ＢＯＰで高い効率を持つようになる。

図４は、図３に示す本発明の一実施形態によるドハティ増幅器において、中心周波数が３．５ＧＨｚである正弦波が入力信号として使われた場合の入力電力による各増幅器のドレイン電流特性及び駆動増幅器３０２のゲート電圧を示す。２９ｄＢｍ以下の低い入力電力範囲では駆動増幅器３０２とキャリア増幅器３０８のみが動作するため、入力電力が増加するほどドレイン電流及び駆動増幅器３０２のドレイン電流は増加する。入力が次第に増加しながら入力電力が２９ｄＢｍの時、第１のピーク増幅器３０９が動作してドレイン電流が発生し、第２のピーク増幅器３１０も順に動作するようになる。第２のピーク増幅器３１０が動作を開始する地点でキャリア増幅器３０８の出力は飽和してキャリア増幅器３０８のゲートに電流が流れ始める。キャリア増幅器３０８のゲートに電流が流れることを防止するために駆動増幅器３０２のゲートバイアス電圧を下げる。低い入力電力では駆動増幅器３０２のゲート電圧は−３．３Ｖと一定であるが、キャリア増幅器３０８のゲートに電流が流れ始める時、駆動増幅器３０２のゲート電圧を下げることによって、駆動増幅器３０２の出力を一定にする。したがって、キャリア増幅器３０８の入力電力は一定になってキャリア増幅器３０８のドレイン電流は約１Ａを維持するようになる。

図５は、図３に示す本発明の一実施形態によるドハティ増幅器において、中心周波数が３．５ＧＨｚである正弦波が入力信号として使われた場合の出力電力による効率及び利得特性を示す。本発明による３ステージドハティ電力増幅器の飽和電力は４９．３ｄＢｍであり、約４０ｄＢｍ及び約４５ｄＢｍで高い効率を持つようになる。キャリア増幅器３０８、第１のピーク増幅器３０９及び第２のピーク増幅器３１０のみを考慮したドレイン効率は４０ｄＢｍの出力電力で４５．１％の効率と１１．１ｄＢの利得を示し、４０ｄＢｍの出力電力で４９．９％の効率と８．９ｄＢの利得を示す。駆動増幅器３０２を含む全体のドレイン効率は４０ｄＢｍと４５ｄＢｍの出力電力で３７．３％の効率と４５．６％の効率をそれぞれ示す。

図６は、図３に示す本発明の一実施形態によるドハティ増幅器において、中心周波数が３．５ＧＨｚであって、８ｄＢのＰＡＰＲを有するＷｉＭＡＸ信号が入力信号として使われた場合のＷｉＭＡＸ信号によるゲートバイアス調整器３０３の出力を示す。ＷｉＭＡＸ信号の包絡線信号の大きさが増加する時、ゲートバイアス調整器３０３の大きさは減って駆動増幅器３０２の利得を下げ、ＷｉＭＡＸ信号の包絡線信号の大きさが小さい場合、ゲートバイアス調整器３０３の大きさは−３．３Ｖを維持することがわかる。

図７は、図３に示す本発明の一実施形態によるドハティ増幅器において、中心周波数が３．５ＧＨｚであって、８ｄＢのＰＡＰＲを有するＷｉＭＡＸ信号が入力信号として使われた場合の出力電力による効率及び利得特性を示すグラフを示す。飽和出力電力で約８ｄＢＢＯＰ地点である４１．４ｄＢｍの出力電力でキャリア増幅器３０８、第１のピーク増幅器３０９及び第２のピーク増幅器３１０のみを考慮したドレイン効率は４８．６％、駆動増幅器３０２を含む全体のドレイン効率は３９．５％を示し、全体の利得は８．４ｄＢであることを示す。

３０１：１０ｄＢ電力分配器、
３０２：駆動増幅器、
３０３：ゲートバイアス調整器、
３０４：第１のλ／４伝送線路
３０５：遅延線路、
３０６：ハイブリッド３ｄＢ電力分配器、
３０７：入力整合回路、
３０８：キャリア増幅器、
３０９：第１のピーク増幅器、
３１０：第２のピーク増幅器、
３１１：出力整合回路、
３１２：出力λ／４伝送線路。

Claims

キャリア増幅器及び第１及び第２のピーク増幅器を含む高周波用３ステージ（ｔｈｒｅｅ−ｓｔａｇｅ）窒化ガリウム系高電子移動度トランジスタ（ＧａＮＨＥＭＴ）ドハティ電力増幅器において、
前記キャリア増幅器と第１及び第２のピーク増幅器に入力信号を分配するための１０ｄＢ電力分配器；
前記キャリア増幅器の入力電力を調整するための第１の経路部；及び
４０ｄＢｍ乃至５０ｄＢｍの出力範囲で４０％以上の効率を維持させるための第２の経路部を含むことを特徴とする高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。
前記第１の経路部は、
前記入力信号の大きさに応じて前記キャリア増幅器を制御するための駆動増幅器を含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。
前記第１の経路部は、
数百ｍＶの大きさの電圧を増幅させるゲートバイアス調整器を含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。
前記第１の経路部は前記キャリア増幅器を含み、前記キャリア増幅器はＧａＮＨＥＭＴからなることを特徴とする請求項１に記載の高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。
前記第２の経路部は、
前記キャリア増幅器出力のλ／４伝送線路を補償するために遅延線路前のλ／４伝送線路を含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。
前記第２の経路部は、
前記第１のピーク増幅器と第２のピーク増幅器に同じ大きさと互いに９０゜の位相差を持たせるためのハイブリッド３ｄＢ電力分配器を含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。
前記第２の経路部は前記第１のピーク増幅器を含み、前記第１のピーク増幅器はＧａＮＨＥＭＴからなることを特徴とする請求項１に記載の高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。
前記第２の経路部は前記第２のピーク増幅器を含み、前記第２のピーク増幅器はＧａＮＨＥＭＴからなることを特徴とする請求項１に記載の高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。
前記キャリア増幅器、第１のピーク増幅器及び第２のピーク増幅器の入力と出力にそれぞれ入力整合回路と出力整合回路が連結されることを特徴とする請求項１に記載の高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。
前記出力整合回路に出力λ／４伝送線路が連結されることを特徴とする請求項９に記載の高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。
前記出力λ／４伝送線路は前記キャリア増幅器、第１のピーク増幅器及び第２のピーク増幅器で使用される素子容量によってインピーダンス値が変わることを特徴とする請求項１０に記載の高周波用３ステージＧａＮＨＥＭＴドハティ電力増幅器。