JP2015506615A - 帯域幅が拡張されたドハティ電力増幅器 - Google Patents

Abstract

本発明は、ドハティ電力増幅器の新規の構造を提供する。本発明は、１／４波長線路の使用を減らし、ドハティ電力増幅器のＱポイントを下げる。本方法は、より簡素でより簡便な設計を用いてＤＰＡの帯域幅を拡張し、狭小サイズの設計を容易にする。

Description

本発明は、電力増幅器に関し、より具体的には、帯域幅が拡張されたドハティ電力増幅器に関する。

通信システムにおいては、効率のよいドハティ電力増幅器ＤＰＡが、徐々に普及してきている。しかしながら、ＤＰＡは、極めて狭い帯域幅および大きなサイズなどの、欠陥のある特性を有する。ＤＰＡの狭帯域特性は、狭帯域ミキサの狭帯域特性に、主に起因する。出力ミキサは一般に、より高いＱポイントを有し、一方で、より高いＱポイントは、より狭い帯域幅を生じる。一例としてバランス型ＤＰＡを用いると、Ｑポイントは０．７６になり得る。しかしながら、大きなサイズの特性は、ＤＰＡ出力ミキサが２つの１／４波長線路（λ／４）を使用しているという事実に起因する。特に９００ＭＨｚのシステムについて、Ｒｏｇｅｒｓの高周波プリント回路基板材料ＲＯ４３５０ＢをＰＣＢ材料として使用すると、１／４波長線路の長さは約４７ｍｍであり、したがって、サイズ設計をスケール・ダウンすることができない。

現在、図１に示されるように、ＤＰＡ用の帯域幅を拡張するための方式が提案されている。その方式において、３５．３オームの１／４波長線路１０１は、接地されて、レイアウトにおいてドハティ・ミキサの１／４波長線路とのミラーを形成する。ＤＰＡが比較的低い入力電力で動作するときに、ピーキング増幅器は閉じられ、キャリア増幅器は、高抵抗状態で（一般に１００オームで）動作する。３５．３オームの１／４波長線路１０１を有するＤＰＡについて、抵抗のばらつきは、キャリア増幅器が高インピーダンスで動作する一般的なＤＰＡの抵抗のばらつきに比べ、より収束するようになる。したがって、図２に示されるように、帯域幅が拡張されたＤＰＡの帯域幅は、帯域幅が拡張されていないＤＰＡの帯域幅よりも、より一層広くなる。

しかしながら、現在のところ、小さなサイズの設計が多用されるようになっている。上記の方式は、広帯域ＤＰＡを設計する発想を提供するものの、付加的な３５．３オームの１／４波長線路は、より多くの空間を占有する。このことが、電力増幅器のＰＣＢ（プリント回路基板）設計にとって問題になっている。

先行技術における上記の欠点を解消するために、本発明は、ドハティ電力増幅器の新規の構造を提供し、それによってＱポイントを下げ、かつ、１／４波長線路の使用を減らす。本方法は、より簡素でより簡便な設計を用いてＤＰＡの帯域幅を拡張し、狭小サイズの設計を容易にする。

具体的には、本発明の一実施形態によると、ドハティ電力増幅器であって、当該ドハティ電力増幅器の入力信号が入力される入力電力分配器であって、当該入力電力分配器の一方の出力が、キャリア増幅器に接続され、当該分配器の他方の出力が、第１の１／４波長線路に接続され、当該第１の１／４波長線路の他方端が、ピーキング増幅器に接続され、当該キャリア増幅器の一方端が、第２の１／４波長線路に接続され、当該第２の１／４波長線路の他方端が、当該ピーキング増幅器に接続される、入力電力分配器、および、当該ドハティ電力増幅器の信号出力点である、当該第２の１／４波長線路と当該ピーキング増幅器との間の接合点を備える、ドハティ電力増幅器が提供される。

本発明の好ましい一実施形態によると、当該第２の１／４波長線路の特性インピーダンスＺ_０１は、以下の等式、すなわち
によって求められ、式中、γは電力比である。

本発明の好ましい一実施形態によると、当該ピーキング増幅器の負荷インピーダンスＺ_０２は、以下の等式、すなわち
によって求められ、式中、γは電力比である。

本発明の好ましい一実施形態によると、当該入力信号がローであるとき、当該ピーキング増幅器は閉じられ、当該キャリア増幅器は高インピーダンス状態で動作し、当該キャリア増幅器のインピーダンスは、以下の等式、すなわち
Ｚ_{ｈｉｇｈ＿ｉｍｐｅｄａｎｃｅ}＝５０＊（１＋γ）、
によって求められ、式中、γは電力比である。

本発明の他の目的および効果は、添付の図面と併せて以下の説明が読まれることを通じて、および、本発明をより完全に理解することにより、より一層明らかになり、理解がより一層容易になるであろう。

既存の、帯域幅が拡張されたＤＰＡの原理図を示す図である。 既存の、帯域幅が拡張されたＤＰＡのレイアウト図を示す図である。 既存の、帯域幅が拡張されたＤＰＡのインピーダンスのばらつき特性を示す図である。 既存の、帯域幅が拡張されたＤＰＡの帯域幅を示す図である。 本発明の実施形態による、帯域幅が拡張されたＤＰＡの原理図を示す図である。 本発明の実施形態による、帯域幅が拡張されたＤＰＡのレイアウト図を示す図である。 本発明の実施形態による、帯域幅が拡張されたＤＰＡのインピーダンスのばらつき特性を示す図である。 本発明の実施形態による、帯域幅が拡張されたＤＰＡの帯域幅を示す図である。 本発明の実施形態による、帯域幅が拡張されたＤＰＡが、小さな信号入力で動作するときの、当該ＤＰＡの等価回路図を示す図である。 本発明の実施形態による、帯域幅が拡張されたＤＰＡが、大きな信号入力で動作するときの、当該ＤＰＡの等価回路図を示す図である。 ＭＤ７ＩＣ２７５５ＮＲ１を使用するバランス型ＤＰＡにおいて用いられる、従来の方式と本解決手段との間の性能比較を示す図である。 ＭＲＦ８Ｓ２１１２０ＨＲ３およびＭＲＦ８Ｓ２１２０１ＨＲ３を使用する非バランス型ＤＰＡにおいて用いられる、従来の方式と本解決手段との間の性能比較を示す図である。

上記の添付の図面の全てにおいて、同様の参照番号は、同じであるか、同様であるか、または対応する、特徴または機能を示す。

添付の図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の、帯域幅が拡張されたＤＰＡの設計では、１／４波長線路の使用が減らされる。図３に示されるように、帯域幅が拡張されたドハティ電力増幅器は、当該ドハティ電力増幅器の入力信号が入力される入力電力分配器であって、当該入力電力分配器の一方の出力が、キャリア増幅器に接続され、当該分配器の他方の出力が、第１の１／４波長線路に接続され、当該第１の１／４波長線路の他方端が、ピーキング増幅器に接続され、当該キャリア増幅器の一方端が、第２の１／４波長線路に接続され、当該第２の１／４波長線路の他方端が、当該ピーキング増幅器に接続される、入力電力分配器、および、当該ドハティ電力増幅器の信号出力点である、当該第２の１／４波長線路と当該ピーキング増幅器との間の接合点を備える。

本発明では、第２の１／４波長線路２０１の特性インピーダンスＺ_０１とピーキング増幅器２０２の負荷インピーダンスＺ_０２とを求めなければならない。

第２の１／４波長線路の特性インピーダンスＺ_０１は、以下の等式、すなわち
によって求められ、式中、γは、ＤＰＡの電力比である。

ピーキング増幅器２０２の負荷インピーダンスＺ_０２は、以下の等式、すなわち
によって求められ、式中、γは、ＤＰＡの電力比である。

電力比が１：１であってγ＝１であるバランス型ＤＰＡについては、Ｚ_０１が７０．７オームであり、ピーキング増幅器の負荷インピーダンスＺ_０２が、１００オームに整合される。電力比が１：２であってγ＝２である非バランス型ＤＰＡについては、Ｚ_０１が８６．６オームであり、ＤＰＡのピーキング増幅器の負荷インピーダンスＺ_０２が７５オームである。

入力信号がローであるとき、ピーキング増幅器は閉じられる。

この時点で、図５ａに示されるように、キャリア増幅器は高インピーダンス状態で動作する。キャリア増幅器のインピーダンスＺ_{ｈｉｇｈ＿ｉｍｐｅｄａｎｃｅ}は、以下のように、すなわち
Ｚ_{ｈｉｇｈ＿ｉｍｐｅｄａｎｃｅ}＝５０＊（１＋γ） （３）、
のように計算され、式中、γは、ＤＰＡの電力比である。

電力比が１：１であるバランス型ＤＰＡについては、キャリア増幅器の負荷インピーダンスＺ_{ｈｉｇｈ＿ｉｍｐｅｄａｎｃｅ}が１００オームであり、一方で、電力比が１：２である非バランス型ＤＰＡについては、キャリア増幅器の負荷インピーダンスＺ_{ｈｉｇｈ＿ｉｍｐｅｄａｎｃｅ}が１５０オームである。

入力信号が極めて大きいとき、ピーキング増幅器は、飽和状態に至ることとなり、ピーキング増幅器の負荷インピーダンスＺ_０２は、等式（２）に示される。

この時点で、キャリア増幅器の負荷インピーダンスは５０オームである。第２の１／４波長線路２０１を経由したインピーダンスは、５０＊（１＋γ）オームに変換され、図６に示されるように、ピーキング増幅器の負荷インピーダンスＺ_０２、すなわち５０オームと並列に接続される。

入力信号が小さな信号から大きな信号に切り替えられると、キャリア増幅器の負荷インピーダンスは５０オームまで減じられ、ピーキング増幅器の負荷インピーダンスはＺ_０２まで減じられる。

本発明のこの設計は、ＤＰＡミキサのインピーダンスが５０オームにおいて維持されるように、ピーキング増幅器２０２の特性インピーダンスと第２の１／４波長線路の特性インピーダンスとを変更する。ミキサのインピーダンスが５０オームまで上昇するため、入力信号が比較的小さく、かつ、ピーキング増幅器が動作しないときに、第２の１／４波長線路２０１のインピーダンスは、２５オームではなく５０オームから、高インピーダンス（一般に１００オーム）に変換される。このようにして、ドハティ・ミキサのＱポイントは、成功裏に下げられ得る。たとえば、一般的な従来のバランス型ＤＰＡのＱポイントが０．７６であるのに対し、バランス型ＤＰＡについて本発明を適用することにより、Ｑポイントは０．３３まで下げられ得る。

図４に示されるように、本発明による新規の、帯域幅が拡張されたＤＰＡのインピーダンスのばらつき特性および帯域幅はいずれも、従来のＤＰＡのインピーダンスのばらつき特性および帯域幅よりも優れている。さらに、ミキサの回路部は、単に１つの１／４波長線路を採用するに過ぎない。したがって、図４ｂに示されるように、より小さなサイズが達成される。換言すると、本発明を適用することにより、ＤＰＡの出力ミキサは、単に１つの１／４波長線路を使用するに過ぎず、このことが、Ｑ値を下げ、帯域幅の拡張およびサイズのスケール・ダウンという技術的効果を達成し得る。

さらに、本発明は、従来の解決手段の技術的効果と本解決手段の技術的効果との間の比較を提示する。

図７に示されるように、ＭＤ７ＩＣ２７５５ＮＲ１の電力増幅器を使用するバランス型ＤＰＡにおいて、従来の解決手段を適用したときと本解決手段を適用したときとの間の性能比較によると、本発明を適用することにより、ＤＡＰドレイン効率が、従来の設計よりも６％向上することが可能であり、ドレイン効率およびピーキング電力がいずれも、２００ＭＨｚの帯域幅内で平滑であることが示されている。図８に示されるように、ＭＲＦ８Ｓ２１１２０ＨＲ３およびＭＲＦ８Ｓ２１２０１ＨＲ３の電力増幅器を使用する非バランス型ＤＰＡにおいて、従来の解決手段を適用したときと本解決手段を適用したときとの間の性能比較によると、帯域幅が拡張された本ＤＰＡが、従来の設計よりも、より平滑なドレイン効率およびピーキング効率を獲得し得ることが示されている。上記のＭＤ７ＩＣ２７５５ＮＲ１、ＭＲＦ８Ｓ２１１２０ＨＲ３、およびＭＲＦ８Ｓ２１２０１ＨＲ３は、電力増幅器デバイスのモデルである。

本発明は、ＬＴＥ、ＷＣＤＭＡ、Ｗｉｍａｘなどを含めた、あらゆるシステム用の電力増幅器の設計に適用され得る。

本発明の精神から逸脱することなく、本発明のそれぞれの実施形態に対して変更および修正を行ってよいことを、前述の説明から理解されるべきである。本明細書の説明は、例示的であって非限定的であるように意図されている。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ、限定される。

Claims (4)

1. ドハティ電力増幅器であって、前記ドハティ電力増幅器の入力信号が入力される入力電力分配器を備え、前記入力電力分配器の一方の出力がキャリア増幅器に接続され、前記分配器の他方の出力が、第１の１／４波長線路に接続され、前記第１の１／４波長線路の他方端がピーキング増幅器に接続され、前記キャリア増幅器の一方端が第２の１／４波長線路に接続され、前記第２の１／４波長線路の他方端が前記ピーキング増幅器に接続され、前記第２の１／４波長線路と前記ピーキング増幅器との間の接合点が前記ドハティ電力増幅器の信号出力点である、ドハティ電力増幅器。
2. 前記第２の１／４波長線路の特性インピーダンスＺ_０１が、以下の等式、すなわち
   によって求められ、式中、γが電力比である、請求項１に記載のドハティ電力増幅器。
3. 前記ピーキング増幅器の負荷インピーダンスＺ_０２が、以下の等式、すなわち
   によって求められること、および、式中、γが電力比であることを特徴とする、請求項１に記載のドハティ電力増幅器。
4. 前記入力信号が小さいとき、前記ピーキング増幅器が閉じられ、前記キャリア増幅器が高インピーダンス状態で動作し、前記キャリア増幅器のインピーダンスが、以下の等式、すなわち
   Ｚ_{ｈｉｇｈ＿ｉｍｐｅｄａｎｃｅ}＝５０＊（１＋γ）、
   によって求められ、式中、γが電力比である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドハティ電力増幅器。