JP2016127568A - ドハティアンプ - Google Patents

Abstract

【課題】装置を小型化できるドハティアンプを提供することである。【解決手段】ドハティアンプは、キャリアアンプと、ピークアンプと、第１〜第３のλ／４変成器と、を備える。キャリアアンプは、入力端子に接続される。第１のλ／４変成器は、キャリアアンプの出力端子に接続される、特性インピーダンスが第１のインピーダンスである。第２のλ／４変成器は、入力端子に接続される、特性インピーダンスが第１のインピーダンスである。ピークアンプは、第２のλ／４変成器の出力端子に接続される。第３のλ／４変成器は、第１のλ／４変成器の出力とピークアンプの出力とが合成される合成点に接続される、特性インピーダンスが第２のインピーダンスである。第１〜第３のλ／４変成器はいずれも、９０°ハイブリッドカプラと、第１のコンデンサと、第２のコンデンサと、を有する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、ドハティアンプに関する。

従来、高効率に入力電力を増幅する電力増幅装置としては、キャリアアンプとピークアンプとを組み合わせたドハティアンプが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３３２８２９号公報

ドハティアンプにおいて、λ／４線路を用いるため、装置が大型化してしまうという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、装置を小型化できるドハティアンプを提供することである。

実施形態のドハティアンプは、キャリアアンプと、第１のλ／４変成器と、第２のλ／４変成器と、ピークアンプと、第３のλ／４変成器と、を備える。キャリアアンプは、入力端子に接続される。第１のλ／４変成器は、キャリアアンプの出力端子に接続される、特性インピーダンスが第１のインピーダンスである。第２のλ／４変成器は、入力端子に接続される、特性インピーダンスが第１のインピーダンスである。ピークアンプは、第２のλ／４変成器の出力端子に接続される。第３のλ／４変成器は、第１のλ／４変成器の出力とピークアンプの出力とが合成される合成点に接続される、特性インピーダンスが第２のインピーダンスである。第１のλ／４変成器、第２のλ／４変成器及び第３のλ／４変成器はいずれも、信号入力端子、信号出力端子、第１の反射端子、第２の反射端子を有する９０°ハイブリッドカプラと、第１の反射端子に接続される第１のコンデンサと、第２の反射端子に接続される第２のコンデンサと、を有する。

一般的なドハティアンプの構成、及び各部のインピーダンスを示す図。 ドハティアンプの電力効率を示す図。 第１の実施形態のドハティアンプの構成を示す図。 λ／４線路に置き換える回路を示す図。 第２の実施形態におけるλ／４変成器を示す図。

まず、一般的なドハティアンプを用いた電力増幅装置での問題点について、図１を参照しつつ説明する。図１は、一般的なドハティアンプの構成、及び各部のインピーダンスを示す図である。
図１に示すドハティアンプ３００は、入力端子１、キャリアアンプ４、ピークアンプ５、λ／４線路６、λ／４線路７、λ／４線路８、出力端子９を備えている。キャリアアンプ４は、入力整合回路４１、増幅素子４２、出力整合回路４３を備えている。また、ピークアンプ５は、入力整合回路５１、増幅素子５２、出力整合回路５３を備えている。

入力端子に入力される入力信号２は、分岐点３を介して、入力整合回路４１に入力される。入力整合回路４１は、入力信号２と増幅素子４２の入力側との整合を取る回路である。増幅素子４２は、Ａ級からＡＢ級ないしはＢ級にバイアスされるため、入力信号２の電力レベルにかかわらず、入力信号２の増幅を行って出力する。出力整合回路４３は、増幅素子４２の出力とキャリアアンプ４の出力との整合を取る回路である。λ／４線路６は、入力信号２が小電力レベルのとき、キャリアアンプ４の出力をインピーダンス変換する回路として働く。

分岐点３で分岐された入力信号２は、λ／４線路８により、位相を９０度遅らされ、入力整合回路５１に入力される。入力整合回路５１は、位相が９０度遅らされた入力信号２と増幅素子５２の入力側との整合を取る回路である。増幅素子５２はＣ級にバイアスされるため、入力信号２が小電力レベルのときは非動作状態となり、大電力レベルのときに動作状態となって入力信号２を増幅して出力する。出力整合回路５３は、増幅素子５２の出力とピークアンプ５の出力との整合を取る回路である。λ／４線路６の出力と、ピークアンプ５の出力とは、合成点１１において合成される。λ／４線路７は、合成点１１において合成された出力を、出力端子９に接続される負荷のインピーダンスに整合するため、インピーダンス変換する。インピーダンス変換された信号は、出力端子９から出力信号１０として出力される。

図１を用いて、ドハティアンプの動作原理について説明する。
本実施例の形態において、出力端子９に接続される出力負荷のインピーダンスをインピーダンスＺ０、λ／４線路６の特性インピーダンスをインピーダンスＺ１０、λ／４線路８の特性インピーダンスをインピーダンスＺ１１、さらに、λ／４線路７のインピーダンスをインピーダンスＺ２とし、ドハティアンプの構成例として、たとえば、Ｚ１０＝Ｚ１１＝Ｚ０、Ｚ２＝Ｚ０／√２とする。
ここで入力信号が小信号レベルの場合、合成点１１からピークアンプ５を見たインピーダンスＺ５はオープンになるように回路を構成するため、小信号時にピークアンプはインピーダンス整合に寄与せず、出力整合回路４３からλ／４線路６をみたインピーダンスＺ４と前述したインピーダンスＺ０は、Ｚ４＝２＊Ｚ０の関係となるため、飽和出力は下がるが電力効率は向上するという動きをする。また、入力信号が大信号レベルの場合、出力整合回路５３からλ／４線路７をみたインピーダンスＺ５と前述したインピーダンスＺ４は、Ｚ５＝Ｚ４＝５０Ωとなり、整合性が取れるため、キャリアアンプとピークアンプは合成されて出力される。尚、本実施の形態では、各インピーダンスを上記の値として説明したが、それらに限定されるものではない。

以上の構成を備えるドハティアンプ３００では、その入出力電力の特性において、入力信号２の入力電力が所定の入力電力レベルより低いときはキャリアアンプ４のみによってリニアな電力増幅が行われる。一方、ドハティアンプ３００では、その入出力電力の特性において、入力信号２の入力電力が所定の入力電力レベル以上になると、キャリアアンプ４に加えてピークアンプ５によるリニアな電力増幅動作が行われる。これにより、キャリアアンプ４の増幅特性が飽和してもドハティアンプ全体の電力増幅特性のリニア性を維持することができる。

図２は、ドハティアンプの電力効率を示す図である。図２では、横軸に出力信号１０の出力電力レベルを、縦軸に電力効率を表している。また、図２において、入力信号２が小信号レベルの区間と大信号レベルの区間とを示している。
図２に示すように、出力電力レベルが飽和出力電力レベル３１の場合、キャリアアンプ４とピークアンプ５とが飽和電力レベルで増幅する状態となる。この場合に電力効率３０がピークとなる。一方、図１に示すドハティアンプ３００では、出力信号１０の出力電力レベルが飽和出力電力レベル３１から所定レベルだけバックオフした出力レベル（この点を転換点３２、出力電力レベルを平均出力電力レベル３３とする）では、キャリアアンプ４のみが飽和電力レベルで増幅する状態となり、ピークアンプ５は増幅していない状態となる。この場合も電力効率３０はピークとなる。このように、図１に示すドハティアンプ３００では、電力効率がピークとなる出力電力レベルが２箇所あるため、電力効率が高い出力電力レベルの範囲を大きくできる。ここで、バックオフの定義は、ドハティアンプの飽和出力電力レベル３１と平均出力電力レベル３３との差である。

なお、図１を用いて説明したインピーダンスでは、入力信号２が小信号レベルの区間では、インピーダンスＺ４＝１００Ω、入力信号２が大信号レベルの区間ではインピーダンスＺ４＝５０Ω、インピーダンスＺ５＝５０Ωとしており、この場合、平均出力電力レベル３３と飽和出力電力レベル３１との比は１：４となるため、バックオフは６ｄＢで動作しているといえる。すなわち、地上デジタル放送用（ＵＨＦ帯：４７０ＭＨｚ〜８６０ＭＨｚ）の送信機に用いるドハティアンプでは、転換点３２を平均出力電力レベル３３として動作することで、高い効率を得ることができる。このようにドハティアンプを用いることで電力増幅装置を高効率に用いることが可能となる。尚、本実施の形態においては、インピーダンスＺ４＝Ｚ５＝５０Ωとして説明したが、それに限定されるものではない。

しかしながら、図１に示すドハティアンプ３００では、λ／４変成器として、λ／４線路をλ／４線路６〜８のすべてに対して用いている。例えばλ／４線路をマイクロストリップで形成すると、線路長が無視できないほど長くなるため、ドハティアンプ自体が大型化してしまうという問題があった。

また、ドハティアンプの製造後、ドハティアンプが目標とした入力周波数（目標入力周波数）の電力効率を満足していない場合があり、目標入力周波数に対応する電力効率へと調整する必要がある。ドハティアンプが製造後に目標入力周波数を満足していない場合とは、例えば、図２に示す電力効率３５になった場合をいう。電力効率３５では、飽和出力電力レベル３６と平均出力電力レベル３８ともに電力効率３０に比べて下がる。また、平均出力電力レベルにおける電力効率が転換点３２に比べて転換点３７へと下がってしまう。このような場合に、キャリアアンプ４とピークアンプ５とのインピーダンスを上述に様に巧く整合させて、ドハティアンプを目標入力周波数に対応する電力効率３０へと調整するために、λ／４線路の線路長を手作業による銅箔のはんだ付けで、λ／４の長さを調整する必要がある。すなわち、ドハティアンプにλ／４線路を用いることにより、ドハティアンプの製造性が向上しないという問題もあった。

（第１の実施形態）
以下、上記問題を解決する実施形態のドハティアンプを、図３、及び図４を参照して説明する。図３は、第１の実施形態のドハティアンプの構成を示す図である。なお、図３において、図１に示すドハティアンプ３００と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。また、図４は、λ／４線路に置き換える回路を示す図である。
図３に示すように、実施形態のドハティアンプ１００は、図１に示すドハティアンプ２００におけるλ／４線路６、λ／４線路７、λ／４線路８を、インピーダンス変換回路１６（第１のλ／４変成器）、インピーダンス変換回路１７（第３のλ／４変成器）、インピーダンス変換回路１８（第２のλ／４変成器）に置き換えた構成を備える。

インピーダンス変換回路１６は、入力信号２が小電力レベルのとき、キャリアアンプ４の出力をインピーダンス変換する回路として働く。インピーダンス変換回路１６の特性インピーダンスは、λ／４線路６と同じく、インピーダンスＺ１（第１のインピーダンス）である。
インピーダンス変換回路１７は、合成点１１において合成された出力を、出力端子９に接続される負荷のインピーダンスＺ０に整合するため、インピーダンス変換する。インピーダンス変換回路１７の特性インピーダンスは、λ／４線路７と同じく、インピーダンスＺ２（第２のインピーダンス）である。
インピーダンス変換回路１８は、分岐点３で分岐された入力信号２の位相を９０度遅らし、入力整合回路５１に出力する。インピーダンス変換回路１８の特性インピーダンスは、λ／４線路８と同じく、インピーダンスＺ１（第１のインピーダンス）である。

図４に示すように、一般的なドハティアンプ３００では、λ／４線路６、λ／４線路７、λ／４線路８は、図４（ａ）に示すλ／４線路を用いていた。これに対して、実施形態のドハティアンプ１００では、インピーダンス変換回路１６、インピーダンス変換回路１７、インピーダンス変換回路１８のいずれも、図４（ｂ）に示す９０°ハイブリッドカプラ６０、コンデンサ７１（第１のコンデンサ）及びコンデンサ７２（第２のコンデンサ）で構成されるλ／４変成器を用いる。
９０°ハイブリッドカプラ６０は、入力端子６１（信号入力端子）と、出力端子６２（信号出力端子）と、コンデンサ７１に接続された端子６３（第１の反射端子）と、コンデンサ７２に接続された端子６４（第２の反射端子）を備えて構成される。９０°ハイブリッドカプラ６０として、例えば、表面実装タイプのチップカプラ等が用いられる。

９０°ハイブリッドカプラ６０は、入力端子６１から入った入力信号を分配し、端子６３と端子６４に出力する。端子６３に接続されたコンデンサ７１、及び端子６４に接続されたコンデンサ７２は、分配された入力信号を反射する。９０°ハイブリッドカプラ６０は、コンデンサ７１、及びコンデンサ７２により反射された信号により、入力端子６１から入った入力信号をインピーダンス変換した出力信号を出力端子６２から出力する。λ／４変成器の特性インピーダンスＺ１，Ｚ２は、９０°ハイブリッドカプラ６０の性能に応じて定まる値である。また、λ／４変成器の位相は、コンデンサ７１、及びコンデンサ７２（コンデンサ７１の値、及びコンデンサ７２の値を等しくした状態）を変化させることにより調整することができる。

図３に戻って、実施形態のドハティアンプ１００では、λ／４変成器として、９０°ハイブリッドカプラ、及び２つのコンデンサで構成されるλ／４変成器を用いる。そのため、マイクロストリップ線路を用いたドハティアンプに比べて、ドハティアンプを小型化することができる。

また、ドハティアンプの製造後、ドハティアンプが目標とした入力周波数（目標入力周波数）の電力効率を満足していない場合があり、目標入力周波数に対応する電力効率となるように、λ／４変成器の特性インピーダンスＺ１，Ｚ２の調整する必要がある。この際、ドハティアンプがλ／４線路を用いる場合、λ／４線路の線路長を手作業による銅箔のはんだ付けで変更する必要があった。これに対して、本実施形態のドハティアンプでは、λ／４変成器を構成する９０°ハイブリッドカプラ、及び２つのコンデンサを面実装タイプとすれば、手作業による銅箔のはんだ付けが不要となり、λ／４変成器の持つインピーダンスＺ１，Ｚ２を調整することができる。そのため、ドハティアンプの製造性を向上することができる。

さらに、コンデンサがセラミックコンデンサなどの可変コンデンサでない場合は、容量値の異なるコンデンサをはんだ付けする必要があった。本実施形態のドハティアンプでは、λ／４変成器を構成する２つのコンデンサをトリマコンデンサ（可変コンデンサ）とすることで、はんだ付けを行うことなく容量値を変更することにより、λ／４変成器の持つ位相を調整することができる。そのため、ドハティアンプの製造性をさらに向上することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、入力信号２が広帯域に変化する場合のドハティアンプ１００に用いるλ／４変成器について説明する。
図５は、第２の実施形態におけるλ／４変成器を示す図である。なお、図５において、図４に示すλ／４変成器と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図５に示すλ／４変成器は、図４に示すλ／４変成器に加えて、コイル７３（第１のコイル）、及びコイル７４（第２のコイル）を備えている。コイル７３は、コンデンサ７１に並列接続される。コイル７４は、コンデンサ７２に並列接続される。
コイルを設けたことにより、ドハティアンプ１００の入力信号２が広帯域に変化し、目標入力周波数の範囲が広くなる場合において、λ／４変成器の持つインピーダンスＺ１，Ｚ２を調整することができる。ドハティアンプ１００が製造後に目標入力周波数の電力効率を満足していない場合であっても、２つのコンデンサの値を調整することにより、λ／４変成器の持つインピーダンスＺ１，Ｚ２を調整することができる。そのため、広帯域に変化する入力信号２の周波数それぞれに応じた目標入力周波数の電力効率に調整することが可能になる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のドハティアンプによれば、第１のλ／４変成器、第２のλ／４変成器及び第３のλ／４変成器はいずれも、信号入力端子、信号出力端子、第１の反射端子、第２の反射端子を有する９０°ハイブリッドカプラと、第１の反射端子に接続される第１のコンデンサと、第２の反射端子に接続される第２のコンデンサと、を有するので、装置を小型化できるドハティアンプを提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００，２００，３００…ドハティアンプ、１…入力端子、２…入力信号、３…分岐点、４…キャリアアンプ、５…ピークアンプ、４１，５１…入力整合回路、４２，５２…増幅素子、４３，５３…出力整合回路、６，７，８…λ／４線路、９…出力端子、１０…出力信号、１６，１７，１８…インピーダンス変換回路、２１…中央演算処理部、２２…出力モニタ回路、２３，２４…電圧調整回路

Claims (4)

1. 入力端子に接続されるキャリアアンプと、
   前記キャリアアンプの出力端子に接続される、特性インピーダンスが第１のインピーダンスである第１のλ／４変成器と、
   前記入力端子に接続される、特性インピーダンスが前記第１のインピーダンスである第２のλ／４変成器と、
   前記第２のλ／４変成器の出力端子に接続されるピークアンプと、
   前記第１のλ／４変成器の出力と前記ピークアンプの出力とが合成される合成点に接続される、特性インピーダンスが第２のインピーダンスである第３のλ／４変成器と、を備えたドハティアンプであって、
   前記第１のλ／４変成器、前記第２のλ／４変成器及び前記第３のλ／４変成器はいずれも、
   信号入力端子、信号出力端子、第１の反射端子、第２の反射端子を有する９０°ハイブリッドカプラと、
   前記第１の反射端子に接続される第１のコンデンサと、
   前記第２の反射端子に接続される第２のコンデンサと、
   を有する、
   ドハティアンプ。
2. 前記第３のλ／４変成器の入力は、前記合成点に直接的に接続される、
   請求項１に記載のドハティアンプ。
3. 前記第２のインピーダンスを自乗した値は、前記合成点からみた前記第３のλ／４変成器のインピーダンスに、前記第３のλ／４変成器の出力負荷のインピーダンスを乗じた値である、
   請求項１に記載のドハティアンプ。
4. 前記第１のλ／４変成器、前記第２のλ／４変成器及び前記第３のλ／４変成器は、
   さらに
   前記第１のコンデンサに並列接続される第１のコイルと、
   前記第２のコンデンサに並列接続される第２のコイルと、を有する、
   請求項１に記載のドハティアンプ。

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