JP2013533713A - ドハティ拡張を有する高周波電力増幅器 - Google Patents

Abstract

高周波電力増幅器は、ブロードバンド増幅器（３０）、ドハティ拡張部（３１）及びカップリング装置（３３）を有する。これに関連して、ブロードバンド増幅器（３０）は、電力スプリッタ（３４）、メイン増幅器経路（６４）及び補助増幅器経路（６５）を備える。ドハティ拡張部（３１）は、第１のオフセットライン（６０）、第２のオフセットライン（６１）及びインピーダンスインバータ（６２）を備える。ブロードバンド増幅器（３０）は、入力信号を増幅し、増幅された信号をドハティ拡張部（３１）又はカップリング装置（３３）へ供給する。

Description

本発明は、高周波電力増幅器、特に、ドハティ（Doherty）増幅器として動作することができる高電力増幅器に関する。

従来、高周波電力増幅器は、しばしば、ＡＢ動作モードにおいて動作する。すなわち、例えば、直列接続ダイオードによって、基本バイアスが生成され、極めて小さいレベルにおいてさえ夫々のトランジスタを導通状態にする。ＡＢ動作モードにおいて、小信号はＡ動作モードにおいて見られるように増幅され、大信号はＢ動作モードにおいて見られるように増幅される。そのような増幅器は、特に低い歪みを有して動作するが、効率が悪い。

更に、ドハティ増幅器は、効率を改善することが知られている。モバイル無線技術において、特に、一定でないエンベロープと高い波高因子とを有する変調方法（例えば、ＣＯＦＤＭ信号）の場合において、ドハティ原理に基づく高周波増幅器は、近年ますます広く知られるようになっている。例えば、米国特許第７６８８１３５（Ｂ２）号明細書（特許文献１）は、このようなドハティ増幅器を示す。しかしながら、かかる増幅器によれば、それらが非常に小さいバンド幅しか提供しない点で不利である。

米国特許第７６８８１３５（Ｂ２）号明細書

本発明は、高い効率が達成可能であり且つ広い周波数範囲にわたって使用可能である高電力増幅器を提供するという目的に基づく。

上記の目的は、独立請求項１の特徴によって装置に関して達成される。有利な更なる進歩は、この請求項に関連して従属請求項の対象を形成する。

従って、本発明に従う高周波電力増幅器は、ブロードバンド増幅器及びドハティ拡張部（Doherty extension）を有する。これに関連して、前記ブロードバンド増幅器は、電力スプリッタ、メイン増幅器経路及び補助増幅器経路を備える。前記ドハティ拡張部は、少なくとも１つの第１のオフセットライン、第２のオフセットライン及びインピーダンスインバータを備える。前記ブロードバンド増幅器は、入力信号を増幅し、増幅された信号を前記ドハティ拡張部又は更なる処理装置へ供給する。

本発明に従う高周波電力増幅器は、特に、振幅変調信号（例えば、ＣＯＦＤＭ信号）のための大きなモジュール式の半導体無線トランスミッタ端末装置における使用に適している。それは、先行技術の欠点を大いに回避しながら、ドハティに従う増幅器原理を用いる可能性を提供する。前記ブロードバンド増幅器は、複数の増幅器モジュールを有してよく、平衡なしで広い帯域幅を有する広周波数範囲（例えば、ＵＨＦバンドＩＶ−Ｖ４７０〜８６２ＭＨｚ）をカバーする。全体的に、前記ブロードバンド増幅器及びドハティ拡張部はドハティ増幅器を形成する。これに関連して、前記ドハティ拡張部は、ドハティ原理に特有のバンド幅制限手段、すなわち、（調整可能な）インピーダンスインバータ及び１又は２つの（調整可能な）オフセットライン及びブロードバンドインピーダンス変成器を有する。従って、帯域幅の制限は、前記ブロードバンド増幅器から分離される。必要ならば、インピーダンス変成ライン及びオフセットラインの単純な機械的な再調整により、比較的短い時間において新しい周波数を調整することが可能である。

以下では、一例として図面に基づいて本発明について記載する。図面においては、本発明の有利な実施例が表されている。

例となる高周波電力増幅器を示す。 本発明に従う高周波電力増幅器の実施例を示す。

最初に、図１を参照して、従来のドハティ増幅器の構成及び機能について説明する。本発明が対処する問題は、これに基づき提示される。次いで、本発明に従う装置の実施例の構成及び機能について、図２を参照して記載する。幾つかの場合において、同じ図面における同一の要素の提示及び記載は繰り返されていない。

図１は、例となるドハティ増幅器を示す。信号入力は電力スプリッタ１０へ接続されている。電力スプリッタ１０の第１の出力は整合ネットワーク１１へ接続されている。整合ネットワーク１１はメイントランジスタ１２へ接続されている。メイントランジスタ１２は更なる整合ネットワーク１３へ接続されている。整合ネットワーク１３はオフセットライン１４へ接続されている。オフセットライン１４はインピーダンスインバータ１５へ接続されている。電力スプリッタ１０の第２の出力は移相器１６へ接続されている。移相器１６は第３の整合ネットワーク１７へ接続されている。これに関連して、電力スプリッタ１０は位相回転を引き起こさない。入力信号は、電力スプリッタ１０の２つの出力経路の間で同じ分量で分配される。整合ネットワーク１７は補助トランジスタ１８へ接続されている。補助トランジスタ１８は第４の整合ネットワーク１９へ接続されている。整合ネットワーク１９は第２のオフセットライン２０へ接続されている。オフセットライン２０及びインピーダンスインバータ１５は第５の整合ネットワーク２１へ接続されている。第５の整合ネットワーク２１は、ドハティ増幅器のインピーダンスを、続くシステムコンポーネントによって必要とされるインピーダンスに整合させる。

メイントランジスタ１２は、ＡＢ動作モードにおいて動作するトランジスタであって、増大された負荷インピーダンスで小さい入力信号により動作し、それにより、例えば１ｄＢ圧密点を下回る６ｄＢといった比較的低いレベルから、すでに飽和に達し、然るべく最大効率により動作する。メイントランジスタ１２における飽和レベルによって特定されるレベル閾値を上回って、補助トランジスタ１８はＣ動作モードにおいて動作する。その出力信号により、メイントランジスタ１２の負荷インピーダンスは低減される。従って、フル制御によれば、メイントランジスタ１２の負荷インピーダンスは、レベル閾値と１ｄＢ圧密点との間の比だけ低減され、メイントランジスタ１２は、相応に比較的高い電力を出力する。−６ｄＢの例において、半分のインピーダンスは電力の倍増をもたらす。

レベル閾値を上回って、従って、メイントランジスタ１２は、飽和にもかかわらず、増大した出力電力を出力し、従って、常に、最大効率により動作する。補助トランジスタ１８の動作相の間、効率はその電力消費だけ低下するが、従来のＡＢ増幅器と比較して相当に高いままである。信号ピークでの補助トランジスタ１８のフル制御によれば、トランジスタ１２，１８は両方とも、夫々、システムの出力電力の半分を供給する。

メイントランジスタ１２の負荷インピーダンスの動的な低減は、次のとおりに起こる。両トランジスタ１２，１８は、６ｄＢ閾値の場合において、システム・サージインピーダンスの半分（通常、２５オーム）で、同じ負荷インピーダンスで動作し、補助トランジスタ１８は負荷へ直接接続され、メイントランジスタ１２はインピーダンスインバータ１５を介して接続される。低いレベルでは、補助トランジスタ１８は動作しない。その出力は高抵抗であり、従って、干渉を発生させない。トランジスタ能力は整合ネットワーク１９及びオフセットライン２０によって調整される。メイントランジスタ１２は、インピーダンスインバータ１５によって増大された負荷で動作する。すなわち、インピーダンスインバータ１５は５０オームのサージインピーダンスを有し、従って、１００Ωの負荷が、補助トランジスタ１８の動作閾値を下回って得られる。レベル閾値を上回る負荷インピーダンスでメイントランジスタ１２の出力電流に重畳される補助トランジスタ１８の出力電流は、インピーダンスインバータ１５を介してメイントランジスタ１２の実効負荷インピーダンスを低減する。同時に、補助トランジスタ１８の負荷インピーダンスは相応に下がり、それにより、出力電力の一部を供給し始める。

動作波長の４分の１にされたラインが、通常、インピーダンスインバータ１５として使用される。メイントランジスタ１２の枝において結果として起こる遅延は、補助トランジスタ１８の入力で補償される。この実施例において、これはまた、移相器１６として使用されるλ／４ラインによって実施される。９０°電力スプリッタが代替として使用されてよい。

２つのオフセットライン１４，２０は、通常、夫々整合ネットワーク１３及び１９の後のメイントランジスタ１２及び補助トランジスタ１８の出力インピーダンスが実数高抵抗であることを確かにするよう設けられる。従って、整合ネットワーク１３及び１９は自由に大きさを決定されてよい。逆に、メイントランジスタ１２の場合に、オフセットライン１４も、動作周波数で、メイントランジスタ１２から見たインピーダンスインバータ１５の入力でのインピーダンスにおける動的変化が、ドレインにおいて実量で、すなわち、６ｄＢの例において、１００オームから５０オームへ、変えられることを確かにする。

ドハティ増幅器の主たる欠点は、移相器１６及びインピーダンスインバータ１５として必要とされるλ／４ライン並びにオフセットライン１４，２０が１つの周波数でしか正確に動作しないことである。結果として、バンド幅は、最大で所定の周波数の±１０％に制限される。より大きいバンド幅をカバーするために必要とされる変形構造は、ドハティ原理の使用がこれまでに特にＴＶ放送範囲において有意義であると思われていなかったことを意味している。

図２は、本発明に従う増幅器の実施例を示す。高周波電力増幅器は、ブロードバンド増幅器３０、ドハティ拡張部３１及び、任意に、カップリング装置３３を有する。これに関連して、ブロードバンド増幅器３０は９０°カプラ３４を有し、９０°カプラ３４は２つのカップリング経路の間で５０％ずつ入力信号を分ける。図１において示されたように、０°電力スプリッタ及び移相器が代替として使用されてよい。しかしながら、これは有意にバンド幅を制限する。

カプラ３４の第１のカップリング経路は、メイン増幅器経路６４へ接続されている。カプラ３４の第２のカップリング経路は、補助増幅器経路６４へ接続されている。メイン増幅器経路６４及び補助増幅器経路６５は、ここで、夫々、電力増幅器（図示せず。）によって０°位相変位を有して複数の増幅器経路３５，３６，３７，３８，３９，４０の間で分割される。

この実施例において、メイン増幅器経路６４は、３つの増幅器経路３５、３６及び３７を含み、一方、補助増幅器経路６５も、３つの増幅器経路３８、３９及び４０を含む。夫々の増幅器経路３５〜４０は、ここでは、整合ネットワーク４１〜４６、増幅器トランジスタ４７〜５２及び第２の整合ネットワーク５３〜５８を含む。メイン増幅器経路６４の夫々の個々の増幅器経路３５，３６，３７は、ここでは、図１の整合ネットワーク１１，１３及びメイントランジスタ１２の機能を満足する。補助増幅器経路６５の夫々の増幅器経路３８，３９，４０は、ここでは、図１の整合ネットワーク１７，１９及び補助トランジスタ１８の機能を満足する。メイン増幅器経路６４及び補助増幅器経路６５に分けられた増幅器経路３５〜４０の出力信号は、電力コンバイナ（図示せず。）によって再結合される。すなわち、増幅器経路３５，３６，３７の出力信号は結合され、一方、増幅器経路３８，３９，４０の出力信号は結合される。

ここで図示される実施例との相違を経て、異なる数の増幅器経路も使用されてよい。従って、メイン増幅器経路６４及び補助増幅器経路６５の夫々におけるただ１つの増幅器経路の使用でさえも可能である。メイン増幅器経路６４及び補助増幅器経路６５における異なる数の増幅器経路の使用も可能である。例えば、最小振幅から最大振幅の間でごく小さい振幅差しか提供しない信号に関し、より多くの増幅器経路がメイン増幅器経路６４において設けられてよい。逆に、最小振幅から最大振幅の間で非常に大きな差を提供する信号に関し、相対的に多い増幅器経路が補助増幅経路６５において設けられてよい。

次いで、メイン増幅器経路６４及び補助増幅器経路６５の夫々の結合信号はドハティ拡張部３１へ供給される。これに関連して、メイン増幅器経路６４の信号は第１のオフセットライン６０へ供給され、一方、補助増幅器経路６５の信号は第２のオフセットライン６１へ供給される。図１を参照して先に述べられたように、オフセットライン６０及び６１は、整合ネットワーク５３〜５８の後の増幅器経路３５〜４０のインピーダンスが動作周波数で実数高抵抗であることを意味する。従って、動作周波数で、メイン増幅器経路６４及び補助増幅器経路６５のトランジスタにおける電力インピーダンス比の実像が実現される。

メイン増幅器経路６４へ接続されている第１のオフセットライン６０の出力は、インピーダンスインバータ６２へ接続されている。これは、図１のインピーダンスインバータ１５と同じ機能を満足する。インピーダンスインバータ６２及び第２のオフセットライン６１の出力は出力整合ネットワーク６３へ接続されている。これは、インピーダンスを、更に接続される処理設備によって必要とされるインピーダンスに変える。

任意に、ブロードバンド増幅器３０及びドハティ拡張部３１は夫々、ここではモジュールとして構成される。このようにして、ブロードバンド増幅器３０は、オフセットライン６０，６１及びインピーダンスインバータ６２の整合なしで、広いバンド幅を有して形成され得る。

高周波電力増幅器は、任意に、カップリング装置３３を更に有する。カップリング装置３３は９０°カプラ６７を有する。従って、カップリング装置３３は、ドハティ拡張部３１に代えて、スイッチング装置（図示せず。）によってブロードバンド増幅器３０へ直接接続され得る。次いで、９０°カプラ６７は、ブロードバンド増幅器３０の２つの出力信号を共通ラインへ結合し、その出力信号を出力整合ネットワーク６８へ供給する。また、補助トランジスタ４８，５０，５２がＡＢ動作モードにおいて動作する場合、完全にＡＢ動作モードにおいて動作する高周波電力増幅器がこの回路において得られる。この選択肢は、オフセットライン６０，６１及びインピーダンスインバータ６２の整合が、例えば、時間を理由に、可能でない場合に、特に有意義である。しかしながら、この場合には、高周波電力増幅器の効率の低下が考慮されなければならない。

従って、端末装置は、夫々ｎ個のトランジスタを有する２つのグループに分割される。ドハティ拡張部３１の使用によれば、一方のグループはメイン増幅器を形成し、他方のグループは補助増幅器を形成する。カップリング装置３３が使用される場合、同じ状態を有する２つのグループは従来の端末装置を形成することができる。

２つのトランジスタグループの夫々のトランジスタは、０°電力スプリッタを介して制御され、０°電力コンバイナを介して足し合わされたそれらの電力は、別々の出力へ供給される。この方策は、１つのグループの全ての端末装置トランジスタが係数及び位相に従って同じ負荷インピーダンスを有することを確かにする。

端末装置グループの動作点は、制御装置（図示せず。）によって他方とは別個に制御され得る。従って、ＡＢ動作モードは、メイン増幅器経路６４の増幅器トランジスタ４７，４９，５１について調整され、Ｃ動作モードは、補助増幅器経路６５の増幅器トランジスタ４８，５０，５２について調整される。カップリング装置３３がドハティ拡張部３１に代えて任意に使用される場合、ＡＢ動作モードが全ての増幅器トランジスタ４７〜５２について調整される。

ドハティ拡張部３１が使用される場合、９０°カプラ３４は、インピーダンスインバータ６２によって生成される必要な位相オフセットを確かにする。整合ネットワーク６３は、ドハティシステムに必要とされる２５オームのシステム負荷を生成する。更に、それは、５０オームのブロードバンド負荷を更なるコンポーネント３２へ供給する。任意に、従来の高出力電力コンバイナは、より一層大きな増幅器ユニットを形成するように必要に応じて複数の増幅器モジュールをドハティ拡張部と結合することができる。

整合要素の数を減らすよう、オフセットライン６０は、共通の整合要素を形成するようインピーダンスインバータ６２と結合され得る。これに関連して、２つの整合要素しか、使用される周波数にドハティ拡張部３１内で整合する必要がない。また、またしても、いずれの場合においても別々の０°電力コンバイナを介して複数の増幅器モジュールのグループ出力を結合し、例えば、１つのドハティ拡張部により４つのブロードバンド増幅器を動作させることが可能である。欠点は、システムバンド幅がドハティ拡張部と増幅器トランジスタとの間の遅延時間の増大に伴って狭くなることである。

出力整合ネットワーク６３又は６８は、任意に、避雷機能を有することができる。ドハティ拡張部３１及びカップリング装置、ブロードバンド増幅器３０及び更なるコンポーネント３２（例えば、アンテナ及び／又はフィルタ）の任意のモジュール構成も、使用される周波数範囲にコンポーネントを整合させる必要なしに、ブロードバンドに対して寸法を決定され得る。

任意に、ドハティ拡張部３１は、固定の寸法のオフセットライン６０，６１及び固定の寸法のインピーダンスインバータ６２に適合され得る。この場合に、ドハティ拡張部は、固定の周波数範囲に制限される。しかし、このようなドハティ拡張部は、よく使用される周波数範囲について特に有意義である。

更に、熱条件がブロードバンド増幅器３０を構成する際に考慮されるべきである。メイン増幅器経路６４の増幅器トランジスタ４７，４９，５１は絶えず動作しており、システム負荷の大部分を担うので、それらはシステム廃熱の大部分をも発生させる。従って、補助増幅器経路６５の増幅器トランジスタ４８，５０，５２と交互において共通の冷却要素上にメイン増幅器経路６４の増幅器トランジスタ４７，４９，５１を配置することが賢明である。これは、冷却要素に対して極めて一様にシステムの熱負荷を分配する。

高周波電力増幅器がドハティ拡張部３１によってのみ動作する場合、実際上全体の平均出力電力を引き込むメイン増幅器経路６４の電力コンバイナ（図示せず。）は、誘電体としての空気を含む曲がりくねった金属ストリップが、冷却要素又は取付ボードの対応する“ギザギザ（milling）”に沿って導かれるように、ストリップライン技術を用いて具現されるべきである。補助増幅器６５の電力コンバイナ（図示せず。）は、非常に低い熱出力しか生成せず、従って、メイン増幅器経路６４の電力コンバイナを一様に覆うプリント回路基板上で難なく得られる。

高周波電力増幅器が昔ながらの態様においても、すなわち、カップリング装置３３を用いて動作すべき場合、両電力コンバイナは、誘電体としての空気を含む曲がりくねった金属ストリップが冷却要素又は取付ボードの“ギザギザ”に沿って導かれるように、ストリップライン技術を用いて具現されるべきである。この場合に、メイン増幅器経路６４の電力コンバイナは電力の倍増のためにも設計されるべきであり、補助増幅器経路６５の電力コンバイナは昔ながらの動作モードにおける通常の電力のために設計されるべきである。

９０°カプラ３４は、有利に、３つのλ／４長カプラ構造から構成される。メイン増幅器の上流にあるスイッチング可能な減衰要素は、ドハティ拡張部による動作モードに必要である非対称の電力分配を確かにすることができる。純粋なドハティ動作モードの場合において、カプラは、当然に、それ自体非対称な態様において具現され得る。

本発明は、提示される実施例に制限されない。先に記載される又は図面に表される特徴の全ては、有利に、本発明の適用範囲内で互いに組み合わされ得る。

Claims (11)

1. ブロードバンド増幅器、ドハティ拡張部及び／又はカップリング装置を有する高周波電力増幅器であって、
   前記ブロードバンド増幅器は、電力スプリッタ、メイン増幅器経路及び補助増幅器経路を備え、
   前記ドハティ拡張部は、少なくとも１つの第１のオフセットライン、第２のオフセットライン及びインピーダンスインバータを備え、
   前記ブロードバンド増幅器は、入力信号を増幅し、増幅された信号を前記ドハティ拡張部又は前記カップリング装置へ供給する、
   高周波電力増幅器。
2. 前記ブロードバンド増幅器は、スイッチング装置によって前記ドハティ拡張部へ接続され、
   前記ブロードバンド増幅器は、更に、前記スイッチング装置によって前記カップリング装置へ接続され、
   前記スイッチング装置は、前記ドハティ拡張部と前記カップリング装置との間で前記ブロードバンド増幅器を切り替える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
3. 前記メイン増幅器経路は、少なくとも１つの増幅器経路を含み、
   前記補助増幅器経路は、少なくとも１つの増幅器経路を含む、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波電力増幅器。
4. 前記メイン増幅器経路は、電力スプリッタ、電力コンバイナ及び少なくとも２つの増幅器経路を更に含み、
   前記電力スプリッタは、前記少なくとも２つの増幅器経路の間で前記メイン増幅器経路の電力を分け、
   前記電力コンバイナは、前記少なくとも２つの増幅器経路の電力を結合する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の高周波電力増幅器。
5. 前記補助増幅器経路は、電力スプリッタ、電力コンバイナ及び少なくとも２つの増幅器経路を更に含み、
   前記電力スプリッタは、前記少なくとも２つの増幅器経路の間で前記補助増幅器経路の電力を分け、
   前記電力コンバイナは、前記少なくとも２つの増幅器経路の電力を結合する、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の高周波電力増幅器。
6. 前記増幅器経路は夫々、少なくとも１つの第１の整合ネットワーク、増幅器トランジスタ及び第２の整合ネットワークを含み、
   前記第１の整合ネットワーク、前記増幅器トランジスタ及び前記第２の整合ネットワークは夫々、直列に接続される、
   ことを特徴とする請求項３乃至５のうちいずれか一項に記載の高周波電力増幅器。
7. 前記メイン増幅器経路の増幅器経路の増幅器トランジスタの動作点及び前記補助増幅器経路の増幅器経路の増幅器トランジスタの動作点は、制御装置によって別々に調整され得る、
   ことを特徴とする請求項６に記載の高周波電力増幅器。
8. 前記ブロードバンド増幅器が前記増幅された信号を前記ドハティ拡張部へ供給する場合に、
   前記制御装置は、前記メイン増幅器経路の増幅器経路の増幅器トランジスタの動作点を、それらがＡＢ動作モードにおいて動作するように調整し、
   前記制御装置は、前記補助増幅器経路の増幅器経路の増幅器トランジスタの動作点を、それらがＣ動作モードにおいて動作するように調整する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の高周波電力増幅器。
9. 前記ブロードバンド増幅器が前記増幅された信号を前記カップリング装置へ供給する場合に、
   前記制御装置は、前記メイン増幅器経路及び前記補助増幅器経路の夫々の増幅器経路の増幅器トランジスタの動作点を、それらがＡＢ動作モードにおいて動作するように調整する、
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の高周波電力増幅器。
10. 前記第１のオフセットライン及び前記第２のオフセットラインは、可変な長さを有し、
    前記第１のオフセットライン及び前記第２のオフセットラインは、当該高周波電力増幅器の動作周波数を調整し、
    前記第１のオフセットライン及び前記第２のオフセットラインは、整合ネットワークの後の増幅器経路のインピーダンスを前記動作周波数で実数高抵抗であるようにする、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか一項に記載の高周波電力増幅器。
11. 前記インピーダンスインバータは、可変な動作周波数を供給し、
    前記インピーダンスインバータは、増幅される信号の振幅に依存して前記メイン増幅器経路のインピーダンスを整合させる、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載の高周波電力増幅器。

Images