JP4027988B2 - 多段高効率線形電力増幅器およびその方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、一般に、線形電力増幅器の分野に関し、さらに詳しくは、多重搬送周波数を有する信号用のマイクロ波電力増幅器に関する。
発明の背景
衛星通信システムでは、ＲＦ電力増幅器がＲＦ信号を極めて効率的に線形増幅することが望ましい。しかし、最大効率と線形性との間にはトレードオフが存在する。効率は一般に入力駆動レベルに比例し、線形動作とは整合性のない最大出力電力に増幅器が達するまで、高い効率は一般に得られない。例えば、ドハーティ型増幅器(Doherty-type amplifiers)は、ピーク電力付近ではＡＢ級増幅器およびＢ級増幅器に比べて効率上有利であるが、その理由の一部として、ＲＦ入力レベルが変化しても、搬送増幅器の負荷ライン(loadline)を瞬時に変調することがある。すなわち、ドハーティ型増幅器は、この増幅器の負荷ラインは入力駆動レベルが変化しても高効率を維持するように連続的に修正されるので、入力駆動レベルと効率との間でより良好な関係を有する。さらに、ドハーティ型増幅器のバイアス電力は、標準的なＡＢ級およびＢ級増幅器よりも大幅に低減される。
高線形性は、非線型相互変調成分の低いレベルによって一般に表される。多くの場合、衛星通信システムで増幅する必要のあるＲＦ信号は、大きな瞬時帯域幅上で拡散された多重搬送周波数を含む。これらの多重搬送信号の雑音状特性(noise-like characteristics)は、このような信号を線形に増幅することを困難にする。
多重搬送線形電力増幅器の動作における重要な問題は、多重搬送信号の雑音状特性である。単一周波数線形電力増幅器の場合、電力増幅器は一定またはほぼ一定のエンベロープに応答するだけでよい。しかし、雑音状の多重搬送信号のＲＦ振幅エンベロープは全信号帯域幅に応じて時間的に変化する。多重搬送線形増幅器は、高効率性および線形動作を得るために、この変化するエンベロープに応答しなければならない。従って、多重搬送線形電力増幅器では、単一周波数線形電力増幅器の条件以外に、余分なネットワーク設計条件が存在する。
ゆえに、必要とされるのは、他の増幅器構成で可能である以上に広いダイナミック・レンジにおいて効率性を改善する多段増幅器である。また、必要とされるのは、達成可能な高度な通信のために効率的な電力消費方法を利用する衛星や携帯トランシーバなどの用途に適した増幅器回路である。また、必要とされるのは、線形的で、効率的であり、バイアス電力レベルが低く、製造可能な増幅器回路である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による電力増幅器のブロック図を示す。
第２図は、本発明による多段電力増幅器の効率性の比較のグラフを示す。
第３図は、本発明の実施例により信号を増幅する方法のフローチャートである。
図面の詳細な説明
本発明は、とりわけ、電力レベルの広い範囲で雑音状の多重搬送信号を線形増幅する電力増幅器を提供する。また、本発明は、入力駆動信号レベルの広い範囲で高いＤＣ／ＲＦ変換効率を達成する損失の低い（すなわち、ＤＣ／ＲＦ効率が良好な）増幅器および増幅方法を提供する。従来の増幅器は、その高効率性のポイントが増幅器が飽和状態に駆動されるときに生じること、および電力飽和動作で固有の制限プロセスにより著しい相互変調歪成分が生じることのために、高い効率性および良好な線形性を同時に達成することはできない。
本発明では、プレーナ・マイクロストリップ(planar microstrip)を個別素子(lumped components)ではなく分散構成(distributed topology)で利用することで、少ない部品、少ないワイヤ・ボンドおよび製造可能に再現可能な回路により、製造コストは節減され、信頼性は改善される。
第１図は、本発明による電力増幅器のブロック図を示す。増幅器１０は、ＲＦ入力信号を受けるための入力ポート１２を含み、このＲＦ入力信号は、振幅変調または周波数変調信号でも、あるいは直交位相変調(quadrature phase shift keyed)信号などのボー信号(bauded)でも、もしくは多重搬送入力信号を含むこれらの組み合わせでもよい。入力ポート１２に結合された電力ディバイダ(power divider)４０は、好適な実施例では、３方向等価振幅電力ディバイダ(three-way equal amplitude power splitter)である。入力信号を等価的に分割することにより、３つの電力ディバイダ出力ポートのそれぞれの出力において−５ｄＢの信号レベルが得られる。好適な実施例では、電力ディバイダ４０は、入力ポートと同相の第１搬送増幅器ネットワーク・ポートおよび第２搬送増幅器ネットワーク・ポートである２つの出力ポートと、移相器(phase shifter)１９により波長の１／４だけ入力ポートを遅らせるピーク増幅器ネットワーク・ポートである第３出力ポートとによって構成される。３つの電力ディバイダ出力ポートのそれぞれは、第１搬送増幅器ネットワーク７０，第２搬送増幅器ネットワーク７４およびピーク増幅器ネットワーク７２に入力信号を分散する。
第１搬送増幅器ネットワーク７０は、第１搬送増幅器出力ポートからの信号を１／４波長だけ移相するための移相器４２によって構成される。移相器４２は、好ましくは、動作周波数における１／４波長の長さの伝送ラインからなる。
第２搬送増幅器ネットワーク７４は、第２搬送増幅器出力ポートからの信号を１／４波長だけ移相するための移相器４４によって構成される。移相器４４は、好ましくは、動作周波数における１／４波長の長さの伝送ラインからなる。
ピーク増幅器ネットワーク７２は、ピーク増幅器出力ポートからの信号を１／４波長だけ移相するための移相器２０によって構成される。好適な実施例では、移相器２０は、電力ディバイダ４０のピーク増幅器出力ポートからの移相された信号を等しく電力分割するための電力スプリッタ(power splitter)をさらに含んで構成される。電力ディバイダは、ウィルキンソン電力ディバイダ(Wilkenson power divider)など周知のタイプの電力ディバイダの一つでよい。電力ディバイダ／移相器２０からの両方の出力は、位相が等しく、かつ追加信号レベルが−３ｄＢ低く、入力ポート１２における信号レベルに比べて、全部で信号レベルは−８ｄＢとなる。入力整合ネットワーク(input matching network)４６，４８，５０，５２は、伝送ラインを対応する増幅器の入力インピーダンスとインピーダンス整合する。
第１搬送増幅器ネットワーク７０を参照して、第１搬送増幅器１４は、好適な実施例では、ＡＢ級としてバイアスされ、入力信号が存在するときに増幅する。第１搬送増幅器１４は、他の増幅器がバイアス・オフされていても、「低い(low)」信号レベルが存在するときに増幅する。
第２搬送増幅器ネットワーク７４を参照して、第２搬送増幅器１５はＣ級としてバイアスされ、第１搬送増幅器１４に必要な最小よりも高い入力信号が存在するときに増幅する。第２搬送増幅器１５は、第１搬送増幅器１４が飽和に達しようとするとき、あるいは飽和に達したときに生じるレベルなどの「中間の(medium)」信号レベルが存在するときに増幅する。
ピーク増幅器ネットワーク７２では、ピーク増幅器２２は、第２搬送増幅器１５が増幅しており、かつ飽和に達しようとする、あるいは飽和に達したときに生じる信号などの「高い(high)」電力レベル信号を増幅すべくバイアスされる。好適な実施例では、ピーク増幅器２３は、追加の信号電力を与えるように、ピーク増幅器２２と並列に構成してもよい。
好適な実施例では、増幅器１４，１５，２２，２３は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。ゲート・バイアスは、入力信号の存在時に、第１搬送増幅器１４が増幅を開始するとき、第２搬送増幅器１５およびピーク増幅器２２，２３がバイアス・オフされ、かつ高インピーダンスを示すように設定される。出力整合ネットワーク６０，６２，６４は、伝送ラインを増幅器の出力とインピーダンス整合する。
第１搬送増幅器ネットワーク７０では、第１搬送増幅器１４からの出力整合ネットワーク６０は、１／４波長移相とインピーダンス・インバータまたは変成ネットワークとを提供する移相器１６に結合する。好適な実施例では、移相器１６は、動作周波数で１／４波長の長さであり、かつ増幅器の性能を改善するための特性インピーダンスを有する伝送ラインによって構成される。移相により、位相は全ての各出力を合成(combining)する前に整合される。
第２搬送増幅器ネットワーク７４では、第２搬送増幅器１５からの出力整合ネットワーク６４は、１／４波長移相とインピーダンス・インバータまたは変成ネットワークとを提供する移相器２４に結合する。移相器１６と同様に、移相器２４は、動作周波数で１／４波長の長さであり、かつ増幅器の性能を近似化するために必要な特性インピーダンスを有する伝送ラインによって構成される。移相器２４は、合成の前に信号を整合する。
ピーク増幅器ネットワーク７２では、出力整合ネットワーク６２は、ピーク増幅器２２，２３からの出力を合成し、かつ移相器１６，２４からの出力と合成するための共通の結合ポイント(tie-point)または合成器(combiner)２８に合成信号を与える。合成器２８における全ての信号は互いに同相(in-phase)であり、出力３０において負荷と整合するためのインピーダンス変成器６８に駆動される。好適な実施例では、第１搬送増幅器ネットワーク７０，第２搬送増幅器ネットワークおよびピーク増幅器ネットワーク７２は、並列に合成される。多段の並列構成のため、各段のデバイスは複製(replicate)でき、ほぼ同じサイズにでき、そのためより大きなデバイスによってオーバドライブされることがない。また、デバイスを同様なサイズにすることは、マイクロストリップなど基板でレイアウトする際にデバイスの整合および複製に寄与する。
インピーダンス変成器(impedance transformer)６８は、実質的に並列に結合された４つのデバイスの等価インピーダンスに負荷を変成する機能を行う。例えば、ＲＦ負荷がインピーダンスＲである場合、出力インピーダンス変成器は負荷ＲをＲ／Ｎに変成し、ここでＮは互いに結合された等価インピーダンスの数である。
増幅器１０の動作のシーケンスは次の通りである。第１搬送増幅器１４は、入力ＲＦ信号の存在時に増幅するようにバイアスされ、第２搬送増幅器１５およびピーク増幅器２２，２３はともにバイアス・オフされ、理想的には高インピーダンスを合成器２８に与え、そのため合成器２８において回路に過度の負荷をかけない。第２搬送増幅器１５は、第１搬送増幅器１４が飽和に近づくと、第２搬送増幅器１５が増加した入力信号駆動レベルのためにオンするようにバイアスされる。動作時に、第２搬送増幅器１５は、出力３０で見た場合の、第１搬送搬送増幅器１４の出力駆動レベルを増大させる。動作時の第２搬送増幅器１５によって生成された増加した出力電圧は、合成器２８においてインピーダンス増加として現れる。
インピーダンス変成特性を有する移相器１６は、１／４波長伝送ラインのインピーダンス反転特性のために、第１搬送増幅器１４に与えられる負荷を低減する。負荷を低減することにより、第１搬送増幅器１４との改善された電力整合が得られる。第１搬送増幅器１４は、ハード制限せずに、ＲＦ入力電力を増幅しつづける。
第２搬送増幅器１５が飽和に近づくと、ピーク増幅器２２，２３は導通状態に駆動すべくバイアスされる。好適な実施例では、ピーク増幅器２２，２３のゲート・バイアスは、これらの増幅器により指定の入力駆動レベルにて電力が追加されことを保証するように設定される。動作時のピーク増幅器２２，２３によって生成される出力電圧の増加は合成器２８において現れ、インピーダンス変成器６８によって負荷にインピーダンス整合され、出力３０を生成する。
第２図は、本発明による多段電力増幅器の効率性の比較のグラフを示す。このグラフは、入力ＲＦ電力の関数としてのＲＦ出力電力および効率の曲線を示す。Ｆ級増幅器は８５％に近い効率が可能なので、Ｆ級増幅器を解析し、グラフを作成した。当業者であれば、Ｆ級増幅器は偶数高調波(even harmonics)を短絡(short circuit)し、奇数高調波(odd harmonics)を開路(open circuit)することが理解される。このような条件付けにより、アクティブ・デバイスのドレインにて矩形電圧波形が得られる。Ｅ級，Ｂ級，Ｃ級および当業者に既知の他のクラスなど他のクラスの増幅器も利用できる。
Ｂ級曲線２１０は、ほぼ線形な効率を示す理想的なＣ級増幅器波形を表す。なお、小さいＶｏ／Ｖｏｍａｘ比率について、効率レベルはきわめて低く、飽和点まで線形的に増加することに留意されたい。ただし、適切なバイアスにより、利得の勾配を早期飽和となるように調整して、小さい信号の効率比を改善できる。
追加の段を追加することにより、増幅器曲線は、入力信号レベルのより広い範囲で効率を改善するように調整できる。２段ドハーティ曲線２２０は、飽和点２２１で飽和して、次にＶｏの増加のために効率の予定降下が続くところの第１段を表す。Ｖｏが増加すると、第二段はオンするようにバイアスされ、効率は飽和点２１１に対応して示される第２飽和点に再び増加し始める。全体的な効率は広い範囲の信号で改善されるが、依然として、低レベルの入力信号では、低Ｖｏ信号で低い効率となる。
多重搬送入力信号について増幅器１０の全体的な効率を改善するため、多段曲線２３０は、低Ｖｏ／Ｖｏｍａｘ比について増幅器効率を向上させることによる改善を表す。第１段は飽和点２３１で飽和し、効率はその後降下する。Ｖｏレベルが増加すると、第二段はオンし、また第二段はまだ飽和していないので、全体的な多段増幅器の効率は図示のように改善し始める。第２段が飽和点２２１で飽和すると、多段増幅器の全体的な効率は低下し、次の第３段がオンし始め、効率を回復する。本発明では、増幅器１０の効率の改善は、２段ドハーティ曲線２２０と多段曲線２３０との間の領域の増加として示される。
第３図は、本発明の実施例により信号を増幅する方法のフローチャートである。信号増幅プロセスは、低電力レベル，中電力レベルおよび高電力レベルを有する信号を増幅して、増幅器の全体的な性能の効率を向上させる。
タスク３０５は、第１搬送増幅器，第２搬送増幅器およびピーク増幅器への３つの個別の分配経路に入力信号を電力分割する。これは、好ましくは、電力ディバイダ４０（第１図）などの電力分割回路によって行われる。
タスク３１０は、第１搬送増幅器をバイアスして、入力信号が低電力レベルを有する場合に第１搬送増幅器出力信号を生成する。バイアス回路は、第１搬送増幅器の増幅閾値を設定するためのものであることが当業者に理解される。
タスク３１５は、低電力レベルを有する信号を１／４波長だけ移相して、第１搬送増幅器入力信号を生成する。移相器は、当業者に周知である１／４波長伝送ラインでもよい。
タスク３２０は、第１搬送増幅器において第１搬送増幅器入力信号を増幅して、第１搬送増幅器出力信号を生成する。問い合わせタスク３２５は、第１搬送増幅器が飽和するときを判定する。飽和がまだ生じていない場合、増幅は効率的なレベルで続く。
飽和が生じた場合、あるいはまもなく生じる場合、タスク３３０は第２搬送増幅器をバイアスして、信号が前記中間レベルを有する場合に第２搬送増幅器出力を生成する。タスク３３５は、信号の中間電力レベルを有する信号を１／４波長だけ移相して、第２搬送増幅器入力信号を生成する。
タスク３４０は、第２搬送増幅器において第２搬送増幅器入力信号を増幅して、第２搬送増幅器出力信号を生成する。問い合わせタスク３４５は、第２搬送増幅器が飽和したかどうかを判定する。第２搬送増幅器が飽和していない場合、処理はタスク３３５に戻り、ここで信号は移相され、効率的に増幅されつづける。
第２搬送増幅器が飽和した場合、あるいはほぼ飽和した場合、タスク３５０はピーク増幅器をバイアスして、信号が高電力レベルを有する場合にピーク増幅器出力信号を生成する。なお、各増幅器のバイアスは並行してハードウェア構成で行うことができ、増幅器のバイアスは、回路への電力印加時に継続中であることに留意されたい。
タスク３５５は、入力信号の高電力レベルを有する信号を１／２波長だけ移相して、ピーク増幅器入力信号を生成する。タスク３６０は、ピーク増幅器においてピーク増幅器入力信号を増幅して、ピーク増幅器出力信号を生成する。
タスク３６５は、第１搬送増幅器出力信号および第２搬送増幅器出力信号を１／４波長だけ移相して、移相した第１搬送増幅器出力信号および移相した第２搬送増幅器出力信号を生成する。タスク３７０は、移相した第１搬送増幅器出力信号，移相した第２搬送増幅器出力信号およびピーク増幅器出力信号を合成して、出力信号を生成する。タスク３７５は、第１搬送増幅器，第２搬送増幅器およびピーク増幅器用に所定の出力整合を生成し、出力信号を負荷に与える。
上記の実施例は好ましくは砒化ガリウム(Gallium Arsenide)上で作製できるが、任意のあるいはすべての構成要素は個別素子(lumped elements)を利用して作製してもよい。
以上、雑音状の多重搬送信号を処理でき、かつ信号電力レベルの広い範囲で効率的に動作できる電力増幅器について説明してきた。この電力増幅器は、長期間の性能に必要な効率性を要する携帯装置で利用するのに適している。このような利用には、セルラ電話などの携帯通信や、大きな瞬時帯域幅で拡散された多重搬送周波数を採用する衛星通信が含まれる。
本発明は、４つのアクティブ・デバイスから可能な合成出力電力を効率的に達成する構成を内蔵する。一般に、２段ドハーティ増幅器は４つのデバイスを合成し、２つの個別のドハーティ増幅器の入力および出力上で等しい分割電力合成器を具備する電力合成器を必要とする。本発明は、２つの個別のドハーティ増幅器を結合するために電力合成器を利用せずに、４つのアクティブ・デバイスの電力合成を達成し、そのためパッシブ電力合成器に伴う回路損を省くことができる。
さらに、本発明は、従来技術に比べて、アクティブ・デバイスから達成可能な高効率動作範囲を最適化し、改善するように、各電力合成動作の開始の順序を決める。
従って、第１搬送増幅器，第２搬送増幅器およびピーク増幅器によって構成される、信号を増幅するための電力増幅器について開示した。また、電力増幅器の全体的な効率を改善するため、入力信号レベルのスペクトルを有する信号を増幅する方法についても開示した。
特定の実施例の上記の説明は、第三者がこの知識を適用することによって、一般的な概念から逸脱せずに、かかる特定の実施例を容易に修正および／もしくはさまざまな用途に適応できる、発明の一般的な性質を完全に提示しており、しかるにかかる適応および修正は開示した実施例の同等の意味および範囲内であると理解されるものとする。
本明細書で用いられる語句または用語は説明のためのものであり、制限するものではないことを理解されたい。従って、本発明は、添付の請求の範囲の精神および広い範囲内にある一切のかかる変更，修正，同等および変形を網羅するものとする。

Claims (10)

1. 電力増幅器であって：
   １／４波長移相したロー・レベルの入力信号を増幅すべく構成された第１搬送増幅器；
   前記第１搬送増幅器の出力に結合された第１の１／４波長伝送ライン；
   前記１／４波長移相したミディアム・レベルの入力信号を増幅すべく構成された第２搬送増幅器；
   前記第２搬送波増幅器の出力に結合された第２の１／４波長送信ライン；
   １／２波長移相したハイ・レベルの入力信号を増幅すべく構成されたピーク増幅器；および
   前記第１および第２の１／４波長伝送ラインならびに前記ピーク増幅器からの出力信号を合成して同相な信号を生成する合成器；
   によって構成されることを特徴とする電力増幅器。
2. 前記ロー・レベルの入力信号から第１搬送増幅器出力信号を生成するように前記第１搬送増幅器を構成する第１バイアス手段；
   前記ミディアム・レベルの入力信号から第２搬送増幅器出力信号を生成するように前記第２搬送増幅器を構成する第２バイアス手段；および
   前記ハイ・レベルの入力信号からピーク増幅器出力信号を生成するように前記ピーク増幅器を構成するピーク・バイアス手段；
   をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
3. 前記第１搬送増幅器，前記第２搬送増幅器および前記ピーク増幅器への３つの個別の分配経路に入力信号を分配する電力ディバイダをさらに含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
4. 前記第１搬送増幅器，前記第２搬送増幅器および前記ピーク増幅器の出力と前記合成器との間に結合された出力インピーダンス整合手段であって、前記第１搬送増幅器出力信号，前記第２搬送増輻器出力信号および前記ピーク増幅器出力信号のインピーダンスを整合する出力インピーダンス整合手段をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
5. ロー・レベル，ミディアム・レベルおよびハイ・レベルの電力を有する信号を増幅する方法であって：
   前記ロー・レベルの電力を有する前記信号を１／４波長だけ移相して、第１搬送増幅器入力信号を生成する段階；
   第１搬送増幅器において前記第１搬送増幅器入力信号を増幅して、第１搬送増幅器出力信号を生成する段階；
   前記第１搬送増幅器出力信号を１／４波長だけ移送して、第１の１／４波長出力信号を生成する段階；
   前記ミディアム・レベルの電力を有する前記信号を１／４波長だけ移相して、第２搬送増幅器入力信号を生成する段階；
   第２搬送増幅器において前記第２搬送増幅器入力信号を増幅して、第２搬送増幅器出力信号を生成する段階；
   前記第２搬送増幅器出力信号を１／４波長だけ移送して、第２の１／４波長出力信号を生成する段階；
   前記ハイ・レベルの電力を有する前記信号を１／２波長だけ移相して、ピーク増幅器入力信号を生成する段階；
   ピーク増幅器において前記ピーク増輻器入力信号を増幅して、ピーク増幅器出力信号を生成する段階；
   前記第１搬送増幅器出力信号および前記第２搬送増幅器出力信号を１／４波長だけ移相して、移相した第１搬送増幅器出力信号および移相した第２搬送増幅器出力信号を生成する段階；および
   前記第１および第２の１／４波長出力信号と、前記ピーク増幅器出力信号とを合成して、出力信号を生成する段階；
   によって構成されることを特徴とする方法。
6. 前記第１搬送増幅器をバイアスして、前記ロー・レベル用の前記第１搬送増幅器出力信号を生成する段階；
   前記第２搬送増幅器をバイアスして、前記ミディアム・レベル用の前記第２搬送増幅器出力信号を生成する段階；および
   前記ピーク増幅器をバイアスして、前記ハイ・レベル用の前記ピーク増幅器出力信号を生成する段階；
   をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前期第１搬送増幅器が飽和した後に、前記第２搬送増幅器入力信号を増幅する段階；および
   前期第２搬送増幅器が飽和した後に、前記ピーク増幅器入力信号を増幅する段階；
   をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記第１搬送増幅器，前記第２搬送増幅器および前記ピーク増幅器への３つの個別の分配経路に前記信号を電力分割する段階をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記第１搬送増幅器，前記第２搬送増幅器および前記ピーク増幅器について所定の出力インピーダンス整合を生成する段階をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項５記載の方法。
10. 前記ピーク増幅器入力信号を増幅する前記段階は、前記ピーク増幅器出力信号を増大するために第２ピーク増幅器を設ける段階をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項５記載の方法。

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