JP2014175761A - ドハティ電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】利得の低下がなく、増幅器のシステム効率を改善し、しかも、利得の線形性が確保されるドハティ電力増幅器を提供する。
【解決手段】キャリアアンプ２１とピークアンプ２２とを備えたドハティ電力増幅器において、入力信号の電力レベルを検出する第１の検波器３１と、出力信号の電力レベルを検出する第２の検波器３２と、検波器３１、３２による検出結果に基づいて、キャリアアンプ２１が飽和するまでは入力信号をピークアンプ２２に入力しないで、キャリアアンプ２１が飽和した後は、入力信号の電力レベルに対する出力信号の電力レベルの利得が一定となるように、ピークアンプ２２への入力信号の入力を調整する制御手段４１、４２と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、無線信号を電力増幅する電力増幅器に関し、特に、キャリアアンプとピークアンプとを備えて高効率に電力増幅するドハティ電力増幅器に関する。

ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、直交周波数分割多重方式）信号やＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ、符号分割多元接続方式）信号などの無線信号を、高効率に電力増幅する電力増幅器としてドハティ電力増幅器が知られている（例えば、特許文献１照。）。

図４に示すように、このドハティ電力増幅器１００は、キャリアアンプ１０１とピークアンプ１０２とを備え、入力信号が分配ノード１０３を介して、キャリアアンプ１０１に入力されるとともに、第１のλ／４線路１０４を介してピークアンプ１０２に入力される。キャリアアンプ１０１に入力された入力信号は、増幅されて第２のλ／４線路１０５で９０度移相される。また、第１のλ／４線路１０４に入力された信号は、９０度移相されてピークアンプ１０２で増幅される。

続いて、第２のλ／４線路１０５から出力された信号と、ピークアンプ１０２から出力された信号とが合成ノード１０６で合成され、出力信号が第３のλ／４線路１０７に入力される。そして、第３のλ／４線路１０７でインピーダンス変換されて、出力側に出力される。

ここで、例えば、キャリアアンプ１０１がＡＢ級にバイアスされ、ピークアンプ１０２がＣ級にバイアスされており、ドハティ電力増幅器に信号が入力されても、ピークアンプ１０２が動作するまでは、キャリアアンプ１０１が単独で動作して飽和領域に入る。すなわち、キャリアアンプ１０１の線形性が崩れ始めると、ピークアンプ１０２が動作を開始し、ピークアンプ１０２からの出力が、キャリアアンプ１０１からの出力と合成されて、出力側に出力されるようになっている。

特開２００６−１５７９００号公報

ところで、一般に電力増幅器群の終段に用いられるドハティ電力増幅器は、ピークアンプ１０２が動作していない状態（オフ状態）でも、常にピークアンプ１０２に信号・電力が分配されているため、分配損失分だけ利得が低下してしまう。すなわち、キャリアアンプ１０１の飽和電力（電力デバイスサイズ）を「Ａ」、ピークアンプ１０２の飽和電力を「Ｂ」とすると、飽和パワー比αは、
α＝Ａ／（Ａ＋Ｂ） となり、
キャリアアンプ１０１とピークアンプ１０２の飽和電力が同じである対称ドハティ電力増幅器の場合、
α＝１／（１＋１）＝１／２ となる。

この場合、効率が最大となるバックオフ点は、
１０×ｌｏｇα^２＝−６［ｄＢ］ となる。
また、ピークアンプ１０２の入出力インピーダンスＺは、
Ｚ＝α／（１−α）×Ｚ_０ となり、第２のλ／４線路１０５のインピーダンスＺ_０が５０Ωの場合、
Ｚ＝０．５／（１−０．５）×５０＝５０［Ω］ となる。
さらに、原理上の利得低下は、
１０×ｌｏｇα＝−３［ｄＢ］ となる。

そして、このような利得の低下が生じるため、ドハティ電力増幅器よりも前段・上流側の増幅器において、大きな出力を要する。すなわち、ドハティ電力増幅器による利得低下（３ｄＢ）を補うために、前段の増幅器の出力を上げる必要があり、システム効率が低下する。一方、入力信号に対する出力信号の利得の線形性を確保する必要がある。

そこでこの発明は、利得の低下がなく、増幅器のシステム効率を改善し、しかも、利得の線形性が確保されるドハティ電力増幅器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明は、キャリアアンプとピークアンプとが並列に配設され、入力信号を前記キャリアアンプと前記ピークアンプとに入力し、前記キャリアアンプで増幅された信号と前記ピークアンプで増幅された信号とを合成して出力信号を出力可能なドハティ電力増幅器において、
前記入力信号の電力レベルを検出する第１の検出手段と、
前記出力信号の電力レベルを検出する第２の検出手段と、
前記第１の検出手段および前記第２の検出手段による検出結果に基づいて、前記キャリアアンプが飽和するまでは前記入力信号を前記ピークアンプに入力しないで、前記キャリアアンプが飽和した後は、前記入力信号の電力レベルに対する前記出力信号の電力レベルの利得が一定となるように、前記ピークアンプへの前記入力信号の入力を調整する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

この発明では、第１の検出手段によって入力信号の電力レベルが検出され、第２の検出手段によって出力信号の電力レベルが検出される。この状態で制御手段によって、キャリアアンプが飽和するまでは、入力信号がピークアンプには入力されず、キャリアアンプのみが動作する。そして、キャリアアンプが飽和した後は、ピークアンプへの入力信号の入力が調整され、キャリアアンプからの信号とピークアンプからの信号とが合成された、出力信号の電力レベルの利得が一定となる。

このような発明によれば、キャリアアンプが飽和するまで、つまり、ピークアンプが動作するまでは、入力信号がピークアンプには入力されないため、分配損失による利得の低下が発生しない。しかも、キャリアアンプが飽和した後、つまり、ピークアンプが動作し始めた後は、出力信号の電力レベルの利得が一定となるように制御されるため、利得の線形性を確保・維持することができる。

この発明の実施の形態に係るドハティ電力増幅器を示す構成図である。 増幅器システムの回路レベルダイヤグラムを示す図（ａ）と、終段増幅器を従来のドハティ電力増幅器で構成した場合の回路レベルダイヤグラムを示す図（ｂ）である。 終段増幅器を図１のドハティ電力増幅器で構成した場合の回路レベルダイヤグラムを示す図である。 従来のドハティ電力増幅器を示す構成図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係るドハティ電力増幅器１を示す構成図である。このドハティ電力増幅器１は、無線信号を電力増幅する電力増幅器であり、主として、キャリアアンプ（ＣＡ）２１と、ピークアンプ（ＰＡ）２２と、第１の検波器（第１の検出手段）３１と、第２の検波器（第２の検出手段）３２と、ＰＩＮダイオード（制御手段）４１と、ＡＧＣ回路（制御手段）４２と、を備えている。ここで、この実施の形態では、キャリアアンプ２１とピークアンプ２２の飽和電力が同じである対称ドハティ電力増幅器について説明し、図１中のインピーダンス値は対称ドハティ電力増幅器の場合の例示値である。

キャリアアンプ２１は、ＡＢ級またはＢ級にバイアスされ、ピークアンプ２２は、Ｃ級にバイアスされ、入力端子Ｔ_ｉｎと出力端子Ｔ_ｏｕｔとに対してキャリアアンプ２１とピークアンプ２２とが並列に配設されている。また、キャリアアンプ２１の下流側（出力端子Ｔ_ｏｕｔ側）には、第１のλ／４線路２３が配設され、ピークアンプ２２の上流側（入力端子Ｔ_ｉｎ側）には、第２のλ／４線路２４が配設されている。

一方、入力信号をキャリアアンプ２１とピークアンプ２２とに分配・入力する分配ノード（分配器）２５の上流側には、第３のλ／４線路２６が配設されている。また、キャリアアンプ２１側から出力された信号と、ピークアンプ２２から出力された信号とを合成する合成ノード２７の下流側には、第４のλ／４線路２８が配設されている。

そして、入力端子Ｔ_ｉｎから入力された入力信号が、第３のλ／４線路２６でインピーダンス変換され、分配ノード２５を介してキャリアアンプ２１と第２のλ／４線路２４とに入力される。キャリアアンプ２１に入力された入力信号は、所定の増幅率で増幅され、かつ整合されて第１のλ／４線路２３で９０度移相される。また、第２のλ／４線路２４に入力された入力信号は、９０度移相されてピークアンプ２２で所定の増幅率で増幅され、かつ整合される。

続いて、第１のλ／４線路２３から出力された信号と、ピークアンプ２２から出力された信号とが合成ノード２７で合成され、その出力信号が第４のλ／４線路２８でインピーダンス変換されて、出力端子Ｔ_ｏｕｔから出力される。このように、入力信号をキャリアアンプ２１とピークアンプ２２とに入力し、キャリアアンプ２１で増幅された信号とピークアンプ２２で増幅された信号とを合成して、出力信号として出力可能となっている。

また、上記のように、キャリアアンプ２１がＡＢ級またはＢ級にバイアスされ、ピークアンプ２２がＣ級にバイアスされているため、ピークアンプ２２が動作するまでは、キャリアアンプ２１が単独で動作して飽和領域に入る。すなわち、キャリアアンプ２１が飽和して線形性が崩れ始めると、ピークアンプ２２が動作を開始し、キャリアアンプ２１からの信号とピークアンプ２２からの信号とが合成された出力信号が、出力されるようになっている。このような構成は、従来のドハティ電力増幅器と同等の構成となっている。

第１の検波器３１は、入力信号の電力レベルを検出する検波器であり、分配ノード２５の上流側（第３のλ／４線路２６の上流側または下流側）の入力信号の電力レベルを検出して、その検出結果をＡＧＣ回路４２に入力する。第２の検波器３２は、出力信号の電力レベルを検出する検波器であり、合成ノード２７の下流側（第４のλ／４線路２８の上流側または下流側）の出力信号の電力レベルを検出して、その検出結果をＡＧＣ回路４２と高速オペアンプ４３とに入力する。また、出力信号は、アッテネータ（減衰器）４４を介して第２の検波器３２に入力されるようになっている。なお、アッテネータ４４は第２の検波器３２に適切なレベルが入力されればよいので、方向性結合器の結合度を適切な値とすればなくてもかまわない。

ＰＩＮダイオード４１とＡＧＣ回路４２とは、第１の検波器３１および第２の検波器３２による検出結果に基づいて、キャリアアンプ２１が飽和する（ピークアンプ２２の動作点）までは入力信号をピークアンプ２２に入力しないで、キャリアアンプ２１が飽和した後は、入力信号の電力レベルに対する出力信号の電力レベルの利得が一定となるように、ピークアンプ２２への入力信号の入力を調整する、制御手段を構成する。

すなわち、ＰＩＮダイオード４１は、ピークアンプ２２の上流側で第２のλ／４線路２４の下流側に配設されたＰＩＮ（Ｐ−Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−Ｎ）型ダイオードであり、グランドとシャントに設置されている。このＰＩＮダイオード４１は、ＡＧＣ回路４２がオフ時には（後述するようにキャリアアンプ２１が飽和するまでは）、ショート・短絡され、ＡＧＣ回路４２が動作すると、そのインピーダンスが制御されるようになっている。

ＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路４２は、入力値が変動しても一定の出力値が得られるように、自動的に増幅回路の増幅率（利得）を調整する利得調整手段であり、第１の検波器３１、第２の検波器３２および高速オペアンプ４３からの信号が入力され、ＰＩＮダイオード４１に信号が出力されるように接続されている。具体的には、第２の検波器３２で検出された出力信号の電力レベルが、所定のレベル以下の場合、つまり、キャリアアンプ２１が飽和するまでは、高速オペアンプ４３からＡＧＣ回路４２に「回路オフ」信号が入力される。これにより、ＡＧＣ回路４２はオフ（非動作）状態となり、ＰＩＮダイオード４１がショートされる。従って、分配ノード２５から見たピークアンプ２２側の回路は、第２のλ／４線路２４があるためにオープン・開放状態となり、ピークアンプ２２には入力信号が入力されない。

一方、第２の検波器３２で検出された出力信号の電力レベルが、所定のレベルを超える場合、つまり、キャリアアンプ２１が飽和すると、高速オペアンプ４３からＡＧＣ回路４２に「回路オン」信号が入力され、ＡＧＣ回路４２はオン（動作）状態となる。そして、第１の検波器３１で検出された入力信号の電力レベルに対して、第２の検波器３２で検出された出力信号の電力レベルの利得が一定となるように、つまり、出力端子Ｔ_ｏｕｔと入力端子Ｔ_ｉｎ間の利得が一定となるように、ＡＧＣ回路４２がＰＩＮダイオード４１のインピーダンスを制御する。これにより、第２のλ／４線路２４からピークアンプ２２に入力される入力信号（電力量）を調整するものである。ここで、「利得が一定となるように」とは、キャリアアンプ２１が飽和するまでの利得と同じになるように、という意味である。なお、制御手段としてＰＩＮダイオード４１を使用しているが、同様な効果が得られるものであれば良い。

次に、このような構成のドハティ電力増幅器１の作用などについて説明する。

まず、入力端子Ｔ_ｉｎに入力された入力信号が、第３のλ／４線路２６によってインピーダンス変換され、分配ノード２５を介してキャリアアンプ２１と第２のλ／４線路２４とに入力される。同時に、第１の検波器３１によって入力信号の電力レベルが検出され、第２の検波器３２によって出力信号の電力レベルが検出される。

この状態で、出力信号（従って入力信号）の電力レベルが所定のレベル以下の場合、つまり、キャリアアンプ２１が飽和するまでは、上記のように、ＡＧＣ回路４２がオフ状態でＰＩＮダイオード４１がショートされ、ピークアンプ２２には入力信号が入力されない。従って、キャリアアンプ２１で増幅された信号のみが、第１のλ／４線路２３および第４のλ／４線路２８を介して、出力端子Ｔ_ｏｕｔから出力される。

一方、出力信号（従って入力信号）の電力レベルが所定のレベルを超え、キャリアアンプ２１が飽和すると、ＡＧＣ回路４２が動作し、入力信号の電力レベルに対して出力信号（キャリアアンプ２１で増幅された信号とピークアンプ２２で増幅された信号との合成信号）の電力レベルの利得が一定となるように、ＰＩＮダイオード４１のインピーダンスが制御される。そして、このようなインピーダンスのＰＩＮダイオード４１に入力信号が入力され、所定の増幅率で入力信号が増幅される。その後、キャリアアンプ２１で増幅された信号とピークアンプ２２で増幅された信号とが、合成ノード２７で合成され、出力信号として第４のλ／４線路２８を介して、出力端子Ｔ_ｏｕｔから出力される。

このようにしてＰＩＮダイオード４１のインピーダンスが制御され、出力信号（入力信号）が上がって最終的にハイインピーダンスになると、キャリアアンプ２１とピークアンプ２２との飽和出力の合計である増幅率で増幅された信号が、出力信号として出力端子Ｔ_ｏｕｔから出力されるものである。

以上のように、このドハティ電力増幅器１によれば、キャリアアンプ２１が飽和するまでは、つまり、ピークアンプ２２が動作するまでは、ＰＩＮダイオード４１がショートされ、分配ノード２５から見たピークアンプ２２側の回路が開放状態となり、入力信号がピークアンプ２２には入力されない。このため、分配損失がなくなり、利得の低下が発生しない。従って、このドハティ電力増幅器１よりも前段・上流側の増幅器における出力を低減し、高効率化することができる。

具体的には、図２（ａ）に示すように、入力側から順に、第１の増幅器２０１、プリドライバ２０２、ドライバ２０３、終段増幅器２０４、という増幅器が直列に接続・配設され、第１の増幅器２０１の出力電力を「Ｐ_ｆ」、プリドライバ２０２の出力電力を「Ｐ_ｐｄ」、ドライバ２０３の出力電力を「Ｐ_ｄ」とする。このとき、終段増幅器２０４の利得を「Ｇ_Ｆ」、増幅器全体の出力電力を「Ｐ_ｏｕｔ」とすると、
Ｐ_ｄ＝Ｐ_ｏｕｔ−Ｇ_Ｆ となる。

ここで、図２（ｂ）に示すように、終段増幅器２０４を従来のドハティ電力増幅器１００で構成した場合、上記のように原理上、ドハティ電力増幅器１００では「１０×ｌｏｇα」だけ利得が低下する。このため、同じ出力電力Ｐ_ｏｕｔを得るには、ドライバ２０３の出力電力Ｐ_ｄを「１０×ｌｏｇα」だけ上げて、
Ｐ_ｄ＝Ｐ_ｏｕｔ−Ｇ_Ｆ＋１０×ｌｏｇα とする必要がある。

また、第１の増幅器２０１の出力電力Ｐ_ｆおよびプリドライバ２０２の出力電力Ｐ_ｐｄも、「１０×ｌｏｇα」だけ上げる必要がある。このように、各増幅器２０１〜２０３においてより大きな電力が必要となり、システム効率が低下する。

これに対して、図３に示すように、終段増幅器２０４を本ドハティ電力増幅器１で構成した場合、上記のように、利得の低下がない。従って、ドライバ２０３の出力電力Ｐ_ｄを上げる必要がなく、Ｐ_ｄ＝Ｐ_ｏｕｔ−Ｇ_Ｆのままでよく、第１の増幅器２０１の出力電力Ｐ_ｆおよびプリドライバ２０２の出力電力Ｐ_ｐｄも、上げる必要がない。換言すれば、本ドハティ電力増幅器１の利得が上がるため、前段である第１の増幅器２０１、プリドライバ２０２およびドライバ２０３の電力を低減することができる。このようにして、システム効率を高効率化・改善することができるものである。

しかも、キャリアアンプ２１が飽和した後、つまり、ピークアンプ２２が動作し始めた後は、キャリアアンプ２１で増幅された信号とピークアンプ２２で増幅された信号との合成信号である、出力信号の電力レベルの利得が一定となるように制御されるため、利得の線形性を確保・維持することができる。すなわち、ピークアンプ２２が動作する前（キャリアアンプ２１が飽和するまで）の利得と、ピークアンプ２２が動作した後（キャリアアンプ２１が飽和した後）の利得とのリニアリティを確保することができる。

このように、このドハティ電力増幅器１では、高利得化、高効率化できるとともに、利得の線形性を確保することができるものである。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、対称ドハティ電力増幅器について図示、説明したが、キャリアアンプ２１とピークアンプ２２の飽和電力が異なる非対称ドハティ電力増幅器や、ピークアンプ２２を複数備えたＮ−Ｗａｙドハティ電力増幅器などにも適用することができる。特に、非対称ドハティ電力増幅器では、原理上の利得低下が大きいため、本発明を適用することで、より大きな効果を得ることができる。また、λ／４線路２３、２４、２６、２８に代えて、集中定数によって位相を９０度変化させる回路またはインピーダンス変換回路（例えばジャイレータ）を用いてもよい。

１ ドハティ電力増幅器
２１ キャリアアンプ
２２ ピークアンプ
２３、２４、２６、２８ λ／４線路
２５ 分配ノード（分配器）
２７ 合成ノード
３１ 第１の検波器（第１の検出手段）
３２ 第２の検波器（第２の検出手段）
４１ ＰＩＮダイオード（制御手段）
４２ ＡＧＣ回路（制御手段）
４３ 高速オペアンプ
４４ アッテネータ
Ｔ_ｉｎ 入力端子
Ｔ_ｏｕｔ 出力端子

Claims (1)

1. キャリアアンプとピークアンプとが並列に配設され、入力信号を前記キャリアアンプと前記ピークアンプとに入力し、前記キャリアアンプで増幅された信号と前記ピークアンプで増幅された信号とを合成して出力信号を出力可能なドハティ電力増幅器において、
   前記入力信号の電力レベルを検出する第１の検出手段と、
   前記出力信号の電力レベルを検出する第２の検出手段と、
   前記第１の検出手段および前記第２の検出手段による検出結果に基づいて、前記キャリアアンプが飽和するまでは前記入力信号を前記ピークアンプに入力しないで、前記キャリアアンプが飽和した後は、前記入力信号の電力レベルに対する前記出力信号の電力レベルの利得が一定となるように、前記ピークアンプへの前記入力信号の入力を調整する制御手段と、
   を備えることを特徴とするドハティ電力増幅器。