JP4248367B2

JP4248367B2 - 電力合成形高効率増幅器

Info

Publication number: JP4248367B2
Application number: JP2003360639A
Authority: JP
Inventors: 弘志丸山; 隆司岩崎; 二良小川; 信夫宮寺; 幸夫池田; 正敏中山; 健一堀口
Original assignee: SPC Electronics Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: SPC Electronics Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: JP2005130013A

Description

本発明は、地上マイクロ波通信、移動体通信、衛星通信等向けの通信装置に用いて好適な電力合成形高効率増幅器に関するものである。

図８は、例えば非特許文献１には、ドハティの発明による従来の電力合成形高効率増幅器の原理説明図（高出力時）、図９は同じくドハティの発明による従来の電力合成形高効率増幅器の原理説明図（低出力時）が記載されている。「高出力時」は飽和出力からのバックオフが６ｄＢ以下の動作条件、「低出力時」は飽和出力からのバックオフが６ｄＢ以上の動作条件と定義する。

図８に示すように、この電力合成形高効率増幅器は、入力側Ｔ分岐よりなる入力側電力分配手段１と出力側Ｔ分岐よりなる出力側電力分配手段２により第１の分岐線路３と第２の分岐線路４とが並列接続されている。第１の分岐線路３には、Ｂ級動作させるキャリア電力増幅用トランジスタ５のゲート・ドレーン間が接続され、ソースは接地されている。また、キャリア電力増幅用トランジスタ５のドレーンと出力側電力分配手段２との間には、ドハティネットワークを構成するための１／４波長線路６が接続されている。第２の分岐線路４には、Ｃ級動作させるピーク電力増幅用トランジスタ７のゲート・ドレーン間が接続され、ソースは接地されている。出力側電力分配手段２の出力端と接地間には負荷８が接続されている。

このような電力合成形高効率増幅器では、キャリア電力増幅用トランジスタ５とピーク電力増幅用トランジスタ７の最適負荷インピーダンスがＲｏｐｔ−ｏの場合には、負荷８の負荷インピーダンス（ＲＬ）は（１／２）・Ｒｏｐｔ−ｏに、ドハティネットワークを構成するための１／４波長線路６の特性インピーダンスはＲｏｐｔ−ｏに設定されている。また、キャリア電力増幅用トランジスタ５は、Ｂ級増幅器であって、低出力時にオン、高出力時にもオンとなるように動作させる。一方、ピーク電力増幅用トランジスタ７は、Ｃ級増幅器であって、低出力時にオフ、高出力時にオンとなるように動作させる。

図１０は前述した図８及び図９に示した従来の電力合成形高効率増幅器の回路図である。なお、図８及び図９と対応する部分には、同一符号を付けて示している。

この電力合成形高効率増幅器では、入力端子９と入力側電力分配手段１との間に入力整合回路１０が接続されている。また、出力側電力分配手段２と出力端子１１との間に出力整合回路１２が接続されている。従来の出力整合回路１２は、負荷インピーダンス（ＲＬ）は（１／２）・Ｒｏｐｔ−ｏをマイクロ波部品の標準インターフェースインピーダンスである５０Ωに変換する。入力整合回路１０に関しても同様である。

図１１は、特許文献１に示された従来の電力合成形高効率増幅器の回路図である。なお、図８及び図９と対応する部分には、同一符号を付けて示している。

この電力合成形高効率増幅器では、図８及び図９に示した従来の電力合成形高効率増幅器を、インピーダンスを考慮して発展させたものである。即ち、キャリア電力増幅用トランジスタ５と出力側電力分配手段２との間には、第１のインピーダンス変成器／移相器１３と出力側１／２波長移相器１４との直列回路が接続されている。また、入力側電力分配手段１とピーク電力増幅用トランジスタ７との間には、入力側１／４波長移相器１５が接続されている。ピーク電力増幅用トランジスタ７と出力側電力分配手段２との間には、第２のインピーダンス変成器／移相器１６と出力側１／４波長移相器１７との直列回路が接続されている。第１のインピーダンス変成器／移相器１３及び第２のインピーダンス変成器／移相器１６の特性インピーダンスは（１００Ｒｏｐｔ−ｏ）^１／２、長さは１／４波長としている。出力側１／２波長移相器１４の特性インピーダンスは１００Ω、長さは１／４波長としている。出力側１／４波長移相器１７の特性インピーダンスは１００Ω、長さは１／４波長としている。

次に、図８乃至図１０に示す従来の電力合成形高効率増幅器の動作について説明する。高出力時には、キャリア電力増幅用トランジスタ５とピーク電力増幅用トランジスタ７は共にオン、低出力時にはキャリア電力増幅用トランジスタ５はオン、ピーク電力増幅用トランジスタ７はオフとなる。変調波入力条件を考えると、平均電力レベルではキャリア電力増幅用トランジスタ５のみが動作し、ピーク電力レベルではキャリア電力増幅用トランジスタ５とピーク電力増幅用トランジスタ７の両者が動作する。従って、低出力時には、２つのキャリア電力増幅用トランジスタ５を並列動作させる場合と比較して、効率は２倍高くなる。このような方法で、低出力時の効率を改善する技術はピーク電力注入と呼ばれている。

図８に示すように、高出力時には、キャリア電力増幅用トランジスタ５から負荷８側を見込むインピーダンスと、ピーク電力増幅用トランジスタ７から負荷８側を見込むインピーダンスは、ともにＲｏｐｔ−ｏである。一方、図９に示すように、低出力時には、ピーク電力増幅用トランジスタ７はオフとなり、その出力インピーダンスは開放となる。従って、キャリア電力増幅用トランジスタ５から負荷８側を見込むインピーダンスは、２Ｒｏｐｔ−ｏとなる。このように、出力電力レベルに応じて負荷８側を見込むインピーダンスを変化させることにより、広いダイナミックレンジをカバーして増幅器の高効率化を図る技術は、負荷変調と呼ばれている。

非特許文献１のｐ２１９〜２３９に示されたドハティの発明による電力合成形高効率増幅器は、ピーク電力注入と負荷変調を利用して増幅器の高効率化を達成するものである。

図１１に示された従来の電力合成形高効率増幅器は、キャリア電力増幅用トランジスタ５の近傍に第１のインピーダンス変成器／移相器１３を、ピーク電力増幅用トランジスタ７の近傍に第２のインピーダンス変成器／移相器１６を設けることにより、ドハティネットワークを構成するための出力側１／４波長移相器１７の特性インピーダンスを高め、実現性を改善したものである。例えば、出力１８０Ｗ級の横型二重拡散ＭＯＳ電解効果トランジスタ（以下、ＬＤＭＯＳＦＥＴという。）を用いて図８乃至図１０に示す従来の電力合成形高効率増幅器を構成する場合、ＬＤＭＯＳＦＥＴのＲｏｐｔ−ｏは約２Ωであるので、ドハティネットワークを構成するための１／４波長線路６の特性インピーダンスは２Ωとなる。特性インピーダンスが２Ωの線路は、実現が困難であった。図１１に示す従来の電力合成形高効率増幅器では、出力側１／２波長移相器１４及び出力側１／４波長移相器１７に、特性インピーダンスが１００Ωの線路を使用できるので、実現性が向上している。図８乃至図１０に示す従来の電力合成形高効率増幅器及び図１１に示された従来の電力合成形高効率増幅器では、ピーク電力増幅用トランジスタ７のオフ時の出力インピーダンスが開放であると仮定され、低出力時に理想的なピーク電力増幅用トランジスタ７の経路の遮断が実現できるものとされていた。
ステーブ・シー・クリップス著、"無線通信のための高周波電力増幅器"、ロンドンのアーティッヒ・ハウス社（ＳｔｅｖｅＣ．Ｃｒｉｐｐｓ，"ＲＦＰｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ"，Ｌｏｎｄｏｎ，ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ）特開平８−３３０８７３号公報

しかしながら、従来の電力合成形高効率増幅器では、ピーク電力増幅用トランジスタ７のオフ時の入力インピーダンス及び出力インピーダンスは開放ではない。そのために、図８乃至図１０に示す従来の電力合成形高効率増幅器及び図１１に示す従来の電力合成形高効率増幅器では、低出力時にピーク電力増幅用トランジスタ７の経路が遮断されず、出力や効率や利得が低下する問題点があった。

本発明の目的は、ピーク電力増幅用トランジスタのオフ時の入力インピーダンス及び出力インピーダンスが開放ではない条件においても、高出力、高効率、高利得な特性を実現できる電力合成形高効率増幅器を提供することにある。

本発明は、入力端子につながる入力側電力分配手段と出力端子につながる出力側電力分配手段との間で並列接続された第１の分岐線路と第２の分岐線路とを備え、前記第１の分岐線路にはキャリア電力増幅用トランジスタが接続され、前記第２の分岐線路にはピーク電力増幅用トランジスタが接続されていて、これらキャリア電力増幅用トランジスタとピーク電力増幅用トランジスタの出力電力を合成する電力合成形高効率増幅器を対象とする。

本発明に係る電力合成形高効率増幅器では、前記第１の分岐線路の前記キャリア電力増幅用トランジスタの入力側には第１の１／４波長線路と第１の入力整合回路とが直列接続され、前記第１の分岐線路の前記キャリア電力増幅用トランジスタの出力側には第１の出力整合回路が接続され、
前記第２の分岐線路の前記ピーク電力増幅用トランジスタの入力側には第２の入力整合回路が接続され、前記第２の分岐線路の前記ピーク電力増幅用トランジスタの出力側には第２の出力整合回路と第２の１／４波長線路とが直列接続されていることを特徴とする。

この場合、前記キャリア電力増幅用トランジスタに対して前記ピーク電力増幅用トランジスタは、効率の高いバイアス条件で動作させるようになっていることが好ましい。

また、前記入力側電力分配手段としては、ウイルキンソン形電力分配器、９０度ハイブリッド、１８０度ハイブリッド、バランのいずれかが用いられていることが好ましい。

また、前記出力側電力分配手段としては、ウイルキンソン形電力分配器、９０度ハイブリッド、１８０度ハイブリッド、バランのいずれかが用いられていることが好ましい。

また、前記第１の入力整合回路、前記第１の出力整合回路、前記第２の入力整合回路、前記第２の出力整合回路として、１／４波長線路からなるインピーダンス変換器がそれぞれ用いられていることが好ましい。

或いは、前記第１の入力整合回路、前記第１の出力整合回路、前記第２の入力整合回路、前記第２の出力整合回路として、コンデンサ、インダクタ、抵抗等の集中定数回路素子からなるインピーダンス変換器がそれぞれ用いられていることが好ましい。

本発明の電力合成形高効率増幅器によれば、ピーク電力増幅用トランジスタの入力インピーダンスと出力インピーダンスが理想的な開放ではない条件においても、低出力時にピーク電力増幅用トランジスタの経路の遮断を比較的よく実現できるので、高出力、高効率、高利得な特性を実現できる効果が得られる。

特に、入力側電力分配手段や出力側電力分配手段にアイソレーション特性の良好なウイルキンソン形電力分配器、９０度ハイブリッド、１８０度ハイブリッド、バランのいずれかを用いると、キャリア電力増幅用トランジスタとピーク電力増幅用トランジスタを含む経路におけるループ発振が起こり難く、安定的な動作を実現することができる。

図１は本発明に係る電力合成形高効率増幅器を実施するための最良の形態における第１例を示したブロック図である。なお、前述した図８乃至図１１と対応する部分には、同一符号を付けて示している。

本例の電力合成形高効率増幅器では、第１の分岐線路３のＢ級動作させるキャリア電力増幅用トランジスタ５の入力側には、第１の１／４波長線路１８と第１の入力整合回路１９とが直列接続されている。第１の分岐線路３のキャリア電力増幅用トランジスタ５の出力側には、第１の出力整合回路２０が接続されている。また、第２の分岐線路４のＣ級動作させるピーク電力増幅用トランジスタ７の入力側には、第２の入力整合回路２１が接続されている。第２の分岐線路４のピーク電力増幅用トランジスタ７の出力側には、第２の出力整合回路２２と第２の１／４波長線路２３とが直列接続されている。

入力端子９と入力側電力分配手段１との間には、第３の入力整合回路２４が接続されている。出力側電力分配手段２と出力端子１１との間には、第３の出力整合回路２５が接続されている。

ここで、キャリア電力増幅用トランジスタ５の最適負荷インピーダンスをＲｏｐｔ−ｏとすると、第１の出力整合回路２０はＲｏｐｔ−ｏをＲｘ（Ｒｏｐｔ−ｏ≦Ｒｘ＜５０）にインピーダンス変換するように、第３の出力整合回路２５は０．５Ｒｘを標準インターフェースインピーダンス５０Ωに変換するように決める。また、第２の１／４波長線路２３の特性インピーダンスはＲｘに決める。

さらに、キャリア電力増幅用トランジスタ５の最適電源インピーダンスをＲｏｐｔ−ｉとすると、第１の入力整合回路１９はＲｏｐｔ−ｉをＲｙ（Ｒｏｐｔ−ｉ≦Ｒｙ＜５０）にインピーダンス変換するように、第３の入力整合回路２４は０．５Ｒｙを標準インターフェースインピーダンス５０Ωに変換するように決める。また、第１の１／４波長線路１８の特性インピーダンスはＲｙに決める。

次に、この電力合成形高効率増幅器の動作について説明する。

図２は、この第１例の電力合成形高効率増幅器の高出力動作時の動作原理説明図を示したものである。この図２中には、各部のインピーダンスを記入している。この第１例で述べたように各回路定数を設定すると、キャリア電力増幅用トランジスタ５及びピーク電力増幅用トランジスタ７の負荷インピーダンスはＲｏｐｔ−ｏであり、好適な負荷インピーダンスを実現できる。また、入力側電力分配手段１からキャリア電力増幅用トランジスタ５とピーク電力増幅用トランジスタ７を見込むインピーダンスは共にＲｙであり、入力側電力分配手段１においては均等な電力分配が行われる。さらに、Ｂ点、Ｃ点におけるインピーダンスは共にＲｘであり、出力側電力分配手段２においては均等な電力分配が行われる。

図３は、この第１例の電力合成形高効率増幅器の低出力動作時の動作原理説明図を示したものである。この図３中には、各部のインピーダンスを記入している。

発明者等は、小信号入力条件において、Ｂ級動作時及びＣ級動作時のトランジスタのインピーダンス測定を行い、Ｃ級動作時の出力インピーダンスはＢ級動作時の約２倍、Ｃ級動作時の入力インピーダンスはＢ級動作時の約１／２となることを確認した。従って、この時のピーク電力増幅用トランジスタ７の出力インピーダンスは２Ｒｏｐｔ−ｏ、入力インピーダンスは（１／２）Ｒｏｐｔ−ｉとなっている。

第１の入力整合回路１９と第１の１／４波長線路１８の作用により、入力側電力分配手段１からキャリア電力増幅用トランジスタ５を見込むインピーダンスはＲｙ、入力側電力分配手段１からピーク電力増幅用トランジスタ７を見込むインピーダンスは２Ｒｙとなる。従って、入力信号の２／３はキャリア電力増幅用トランジスタ５へ供給される。総ての入力信号をキャリア電力増幅用トランジスタ５へ供給する理想状態は実現できないが、本発明の最良の形態における第１例による回路構成の採用により、ピーク電力増幅用トランジスタ７の経路の遮断を比較的よく実現できる。図３において、Ｂ点のインピーダンスは０．４Ｒｘ、Ｃ点のインピーダンスは２Ｒｘであり、出力側電力分配手段２においても、ピーク電力増幅用トランジスタ７の経路の遮断を比較的よく実現できる。この時、キャリア電力増幅用トランジスタ５から負荷側を見込むインピーダンスは２．５Ｒｏｐｔ−ｏとなる。ドハティの発明による電力合成形高効率増幅器で述べられた好適値２Ｒｏｐｔ−ｏから若干のずれが生じるが、本発明の最良の形態における第１例による回路構成の採用により、好適値に近い負荷インピーダンスを実現できる。

なお、この本発明の最良の形態における第１例では、キャリア電力増幅用トランジスタ５をＢ級動作、ピーク電力増幅用トランジスタ７をＣ級動作させる場合について説明したが、キャリア電力増幅用トランジスタ５をＡＢ級動作、ピーク電力増幅用トランジスタ７をＢ級動作させて用いることも可能であり、或いはキャリア電力増幅用トランジスタ５をＡ級に近いＡＢ級動作、ピーク電力増幅用トランジスタ７をＢ級に近いＡＢ級動作させて用いることも可能であり、同様の効果を奏することは明らかである。このことは、以下の例でも同様である。即ち、キャリア電力増幅用トランジスタ５に対してピーク電力増幅用トランジスタ７は、効率の高いバイアス条件で動作させるようになっている。

図４は本発明に係る電力合成形高効率増幅器を実施するための最良の形態における第２例を示したブロック図である。なお、前述した図１乃至図３に示す第１例と対応する部分には、同一符号を付けて示している。

本例の電力合成形高効率増幅器は、前述した第１例とほぼ同じ構成で、入力側電力分配手段１’として、ウイルキンソン形電力分配器、９０度ハイブリッド、１８０度ハイブリッド、バランのいずれかが用いられ、出力側電力分配手段２は第１例と同じＴ分岐が用いられている。その他の構成は、前述した第１例と同じである。

このように構成すると、低出力動作時のピーク電力増幅用トランジスタ７の経路の遮断を比較的よく実現できる。これに加えて、入力側電力分配手段１’にアイソレーション特性の良好なウイルキンソン形電力分配器、９０度ハイブリッド、１８０度ハイブリッド、バランのいずれかが用いられているので、キャリア電力増幅用トランジスタ５とピーク電力増幅用トランジスタ７を含む経路におけるループ発振が起こり難く、安定的な動作が実現できる。

図５は本発明に係る電力合成形高効率増幅器を実施するための最良の形態における第３例を示したブロック図である。なお、前述した図１乃至図３に示す第１例と対応する部分には、同一符号を付けて示している。

本例の電力合成形高効率増幅器は、前述した第１例とほぼ同じ構成で、出力側電力分配手段２’として、ウイルキンソン形電力分配器、９０度ハイブリッド、１８０度ハイブリッド、バランのいずれかが用いられ、入力側電力分配手段１は第１例と同じＴ分岐が用いられている。その他の構成は、前述した第１例と同じである。

このように構成すると、低出力動作時のピーク電力増幅用トランジスタ７の経路の遮断を比較的よく実現できる。これに加えて、出力側電力分配手段２’にアイソレーション特性の良好なウイルキンソン形電力分配器、９０度ハイブリッド、１８０度ハイブリッド、バランのいずれかが用いられているので、キャリア電力増幅用トランジスタ５とピーク電力増幅用トランジスタ７を含む経路におけるループ発振が起こり難く、安定的な動作が実現できる。

図６は本発明に係る電力合成形高効率増幅器を実施するための最良の形態における第４例を示したブロック図である。なお、前述した図１乃至図３に示す第１例と対応する部分には、同一符号を付けて示している。

本例の電力合成形高効率増幅器は、前述した第１例とほぼ同じ構成で、第１の入力整合回路１９’と、第１の出力整合回路２０’と、第２の入力整合回路２１’と、第２の出力整合回路２２’が、それぞれ１／４波長線路で構成されている。

この第４例の電力合成形高効率増幅器の動作及び作用は、前述した第１例と同様である。

図７は本発明に係る電力合成形高効率増幅器を実施するための最良の形態における第５例を示したブロック図である。なお、前述した図１乃至図３に示す第１例と対応する部分には、同一符号を付けて示している。

本例の電力合成形高効率増幅器は、前述した第１例とほぼ同じ構成で、第１の入力整合回路１９”と、第１の出力整合回路２０”と、第２の入力整合回路２１”と、第２の出力整合回路２２”が、それぞれ集中定数回路素子で構成されている。集中定数回路素子を用いた整合回路１９”〜２２”は、コンデンサ、インダクタ、抵抗等で構成されている。

この第５例の電力合成形高効率増幅器の動作及び作用は、前述した第１例と同様である。

上記各例では、トランジスタとして電界効果トランジスタを用いた例で示したが、バイポーラトランジスタも用いることができる。

本発明に係る電力合成形高効率増幅器を実施するための最良の形態における第１例を示したブロック図である。第１例の電力合成形高効率増幅器の高出力動作時の動作原理説明図を示したブロック図である。第１例の電力合成形高効率増幅器の低出力動作時の動作原理説明図を示したブロック図である。本発明に係る電力合成形高効率増幅器を実施するための最良の形態における第２例を示したブロック図である。本発明に係る電力合成形高効率増幅器を実施するための最良の形態における第３例を示したブロック図である。本発明に係る電力合成形高効率増幅器を実施するための最良の形態における第４例を示したブロック図である。本発明に係る電力合成形高効率増幅器を実施するための最良の形態における第５例を示したブロック図である。ドハティの発明による従来の電力合成形高効率増幅器の原理説明図（高出力時）である。同じくドハティの発明による従来の電力合成形高効率増幅器の原理説明図（低出力時）である。図８及び図９に示した従来の電力合成形高効率増幅器の回路図である。従来の別の電力合成形高効率増幅器の回路図である。

符号の説明

１，１’入力側電力分配手段
２，２’出力側電力分配手段
３第１の分岐線路
４第２の分岐線路
５キャリア電力増幅用トランジスタ
６１／４波長線路
７ピーク電力増幅用トランジスタ
８負荷
９入力端子
１０入力整合回路
１１出力端子
１２出力整合回路
１３第１のインピーダンス変成器／移相器
１４出力側１／２波長移相器
１５入力側１／４波長移相器
１６第２のインピーダンス変成器／移相器
１７出力側１／４波長移相器
１８第１の１／４波長線路
１９，１９’，１９” 第１の入力整合回路
２０，２０’，２０” 第１の出力整合回路
２１，２１’，２１” 第２の入力整合回路
２２，２２’，２２” 第２の出力整合回路
２３第２の１／４波長線路
２４第３の入力整合回路
２５第３の出力整合回路

Claims

入力端子につながる入力側電力分配手段と出力端子につながる出力側電力分配手段との間で並列接続された第１の分岐線路と第２の分岐線路とを備え、前記第１の分岐線路にはキャリア電力増幅用トランジスタが接続され、前記第２の分岐線路にはピーク電力増幅用トランジスタが接続されていて、これらキャリア電力増幅用トランジスタとピーク電力増幅用トランジスタの出力電力を合成する電力合成形高効率増幅器において、
前記第１の分岐線路の前記キャリア電力増幅用トランジスタの入力側には第１の１／４波長線路と第１の入力整合回路とが直列接続され、前記第１の分岐線路の前記キャリア電力増幅用トランジスタの出力側には第１の出力整合回路が接続され、
前記第２の分岐線路の前記ピーク電力増幅用トランジスタの入力側には第２の入力整合回路が接続され、前記第２の分岐線路の前記ピーク電力増幅用トランジスタの出力側には第２の出力整合回路と第２の１／４波長線路とが直列接続されていることを特徴とする電力合成形高効率増幅器。
前記キャリア電力増幅用トランジスタに対して前記ピーク電力増幅用トランジスタは、効率の高いバイアス条件で動作させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の電力合成形高効率増幅器。
前記入力側電力分配手段として、ウイルキンソン形電力分配器、９０度ハイブリッド、１８０度ハイブリッド、バランのいずれかが用いられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力合成形高効率増幅器。
前記出力側電力分配手段として、ウイルキンソン形電力分配器、９０度ハイブリッド、１８０度ハイブリッド、バランのいずれかが用いられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力合成形高効率増幅器。
前記第１の入力整合回路、前記第１の出力整合回路、前記第２の入力整合回路、前記第２の出力整合回路として、１／４波長線路からなるインピーダンス変換器がそれぞれ用いられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力合成形高効率増幅器。
前記第１の入力整合回路、前記第１の出力整合回路、前記第２の入力整合回路、前記第２の出力整合回路として、コンデンサ、インダクタ、抵抗等の集中定数回路素子からなるインピーダンス変換器がそれぞれ用いられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力合成形高効率増幅器。