JP4858952B2 - 増幅装置 - Google Patents
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Description
入力端子A21から入った信号は、分配器41で分配される。
分配された一方の信号は、キャリア増幅器42に入力される。キャリア増幅器42は、増幅素子52と、当該増幅素子52の入力側と整合を取る入力整合回路51と、当該増幅素子52の出力側と整合を取る出力整合回路53から構成されている。キャリア増幅器42からの出力は、λ/4変成器57でインピーダンス変換される。
分配された他方の信号は、位相器43で位相を90度遅らされ、ピーク増幅器44に入力される。ピーク増幅器44は、キャリア増幅器42と同様に、入力整合回路54と、増幅素子55と、出力整合回路56から構成されている。
λ/4変成器57からの出力及びピーク増幅器44からの出力は、ノード(合成点)58において合成される。合成された信号は、出力負荷47であるZ0に整合させるために、λ/4変成器46でインピーダンス変換される。
λ/4変成器46からの出力は、出力端子A22を介して出力負荷47に接続される。
ここで、λ/4変成器57とノード58とを合わせて、ドハチィ合成部45と呼ぶ。
入力端子A21からの入力レベルが更に増加すると、ピーク増幅器44の増幅素子55も飽和し始めるが、両方の増幅素子52、55が共に飽和しているので、このときも効率は良い。
ここで、バックオフは、両方の増幅素子52、55が飽和する最小の入力端子A21への入力レベルすなわちコンプレッション点(コンプレッションポイント)を0dBとして、入力レベルがコンプレッション点に対してどれだけ余裕を持つかを示す数値である。
また、本例では、コレクタ効率とは、コレクタに印加される電源の電圧(直流)とその電源から供給される電流(直流)との積に対する、当該コレクタから取り出せる無線周波出力電力の割合を意味する。また、ドレイン効率についても同様なものを意味する。
入力レベルがA区間にあるときは、基本的にキャリア増幅器42のみが動作する。バックオフが6dBになる付近でキャリア増幅器42は飽和し始め、効率はB級増幅器の最大効率付近にまで達する。ドハチィ増幅器の最大出力をP0とすると、このときにおけるキャリア増幅器42の出力は約(P0/4)である。
一般に、CDMA信号やマルチキャリア信号は高いピークファクタすなわちピーク電力と平均電力との比を有するが、通常の増幅器では7〜12dBのピークファクタに対応できるように、コンプレッション点からその分を下げた点を動作点としている。
出力負荷47であるZ0は一定に規定されているため、これを起点とする。ノード58からλ/4変成器46を見たインピーダンスZ7は、λ/4変成器46の特性インピーダンスをZ2とすると、式1のように表される。
ここで、Z5はピーク増幅器44の出力整合回路56からノード58を見たピーク増幅器44の負荷インピーダンスを表し、Z1はλ/4変成器57の特性インピーダンスを表す。
また、インピーダンスZ4及びインピーダンスZ5は、それぞれ、B区間では、A区間の時における値とC区間の時における値との間を遷移する。
特に、キャリア増幅器42の負荷が変わることを負荷変調と呼んでいる。
すなわち、インピーダンスZ4は、入力信号レベルが小さいとき(A区間)のインピーダンス値に対して、入力信号レベルが大きいとき(C区間)には1/2倍になり、別の言い方をすれば2倍の負荷変動を起こす。例えば、Z7=25Ω(オーム)、Z1=50Ωとすると、Z4は100〜50Ωの間で変化する。従って、キャリア増幅器42の増幅素子52の負荷インピーダンスも変動している。
ZA、ZB、ZCは、キャリア増幅器42の増幅素子52の負荷インピーダンスを表しており、通常は数Ωから十数Ω或いはそれ以下の値であり、インピーダンスZ4と比べてかなり小さく、順抵抗ではない。
本例のスミスチャートは、ZAとZ4との間にある任意の抵抗で正規化してある。
ZAを中心に3重に描かれた閉曲線は、内側からそれぞれ{9(Pm)/10}、(Pm/2)、(Pm/4)に対応する等出力電力線であり、ZAの時にキャリア増幅器42の最大出力Pmが得られ、マッチングがずれると得られる出力が減少していくことを示している。また、等出力電力線を横切るように描かれた4本の線(点線)は、等効率線であり、効率a、効率b、効率c、効率dの順で効率が高いことを示している。
入力レベルの増加に伴って、Z4が{Z0(Z1)2/(Z2)2}すなわちZ4(A区間)から{Z0(Z1)2/2(Z2)2}すなわちZ4(C区間)へ減少するため、C区間で最大出力が得られるようにZ4(C区間)をZAに整合させると、Z4(A区間)は例えばZBに整合される。しかしながら、等電力線内であればどのようなインピーダンスでも(Pm/4)が得られるため、ZBの点よりもZCの点に整合された方が効率が良い。つまり、キャリア増幅器42の増幅素子52の負荷インピーダンスが入力レベルの増加とともにZCからZAへ推移するように整合されたときに、当該増幅素子52が最も効率よく動作する。
本発明は、このような従来の事情に鑑み為されたもので、例えば、従来のドハチィ増幅器と比べて、適切な整合を取ることにより、性能を改善することができる増幅装置を提供することを目的とする。
(1)信号を増幅する増幅装置において、
前記信号を分配する分配手段と、
前記分配された第1の信号をAB級で増幅するキャリア増幅器と、
前記分配された第2の信号をB級又はC級で増幅するピーク増幅器と、
前記キャリア増幅器の出力に接続される任意の電気長を有する第1の伝送線路と、
前記ピーク増幅器の出力に接続される任意の電気長を有する第2の伝送線路と、
前記第1の伝送線路の出力と前記第2の伝送線路の出力を合成する合成端と、を備え、
(前記第1の伝送線路の電気長は、前記信号の入力レベルが小さいときの前記キャリア増幅器の効率が、線路長がλ/4の時に比べて良くなるように設定され、)
前記合成端のインピーダンスは、(増幅装置の性能が向上するように、)前記第1の伝送線路及び前記第2の伝送線路により夫々変換された前記キャリア増幅器及び前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスの並列インピーダンスとは異ならせて設定されたことを特徴とする増幅装置。
前記第2の伝送線路は、前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスと略同一の特性インピーダンスを有し、)
第1の増幅回路は、AB級で動作する第1のプリアンプを有し、
第2の増幅回路は、A級からC級の間のいずれかで動作する第2のプリアンプを有したことを特徴とする前記(1)に記載の増幅装置。
前記信号を分配する分配手段と、
前記分配された第1の信号をAB級で増幅するキャリア増幅器と、
前記分配された第2の信号をB級又はC級で増幅するピーク増幅器と、
前記キャリア増幅器の出力に接続される任意の電気長を有する第1の伝送線路と、
前記ピーク増幅器の出力に接続される任意の電気長を有する第2の伝送線路と、
前記第1の伝送線路の出力と前記第2の伝送線路の出力を合成する合成端と、を備え、
前記キャリア増幅器と前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスを異ならせ、前記合成端のインピーダンスを前記キャリア増幅器と前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスの並列インピーダンスと一致させ、負荷変調範囲を任意に設定でき第1の増幅回路の最大出力をそのままにして効率、歪、利得の1以上(全部であってもよい)に最適な整合を行う。
前記第2の伝送線路は、前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスと同一の特性インピーダンスを有し、)
第1の増幅回路は、AB級で動作する第1のプリアンプを有し、
第2の増幅回路は、A級からC級の間のいずれかで動作する第2のプリアンプを有したことを特徴とする前記(2)に記載の増幅装置。
前記信号を分配する分配手段と、
前記分配された第1の信号をAB級で増幅するキャリア増幅器と、
前記分配された第2の信号をB級又はC級で増幅するピーク増幅器と、
前記キャリア増幅器の出力に接続される任意の電気長を有する第1の伝送線路と、
前記ピーク増幅器の出力に接続される任意の電気長を有する第2の伝送線路と、
前記第1の伝送線路の出力と前記第2の伝送線路の出力を合成する合成端と、を備え、
前記キャリア増幅器と前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスは同一であり、
前記ピーク増幅器と前記第2の伝送線路との間に、前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスを前記キャリア増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスとは異なる値へ変換するインピーダンス変換器を備え、合成点のインピーダンスは前記キャリア増幅器の最大負荷インピーダンスと前記インピーダンス変換器の変換後のインピーダンスとを並列のインピーダンスとしたことを特徴とする増幅装置。
(3−1)(前記第1の伝送線路は、前記キャリア増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスと同一の特性インピーダンスを有し、
前記第2の伝送線路は、前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスと同一の特性インピーダンスを有し、)
第1の増幅回路は、AB級で動作する第1のプリアンプを有し、
第2の増幅回路は、A級からC級の間のいずれかで動作する第2のプリアンプを有したことを特徴とする前記(3)に記載の増幅装置。
すなわち、分配手段が前記信号を分配する。キャリア増幅器が前記分配された第1の信号をAB級で増幅する。ピーク増幅器が前記分配された第2の信号をB級又はC級で増幅する。前記キャリア増幅器の出力に接続される第1の伝送線路が任意の電気長を有する。前記ピーク増幅器の出力に接続される第2の伝送線路が任意の電気長を有する。合成端が前記第1の伝送線路の出力と前記第2の伝送線路の出力を合成する。(前記第1の伝送線路の電気長は、前記信号の入力レベルが小さいときの前記キャリア増幅器の効率が、線路長がλ/4の時に比べて良くなるように設定される。)前記合成端のインピーダンスは、(増幅装置の性能が向上するように、)前記第1の伝送線路及び前記第2の伝送線路により夫々変換された前記キャリア増幅器及び前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスの並列インピーダンスとは異ならせて設定される。
この場合に、インピーダンス変換手段を構成する前記伝送線路の長さと、更に引き続き特定の出力負荷に変換するインピーダンス変換器により接続点でのインピーダンスを変えることにより、若干の出力低下があるが、当該増幅装置の性能が高まる値に設定される。
従って、例えば、従来のドハチィ増幅器と比べて、適切な整合を取ることにより、性能を改善することができる。
なお、例えば、キャリア増幅器とピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスは同一に設定される。
また、インピーダンス変換手段を構成する伝送線路の長さとしては、例えば、0〜λ/2の範囲で種々な値が用いられてもよく、或いは、λ/2以上の範囲で種々な値が用いられてもよい。なお、伝送線路の長さとして0が用いられる場合には、伝送線路は存在しないこととなる。
また、増幅器の性能が高まるように設定する態様としては、例えば、効率、歪、利得の1以上に関して適切な整合を取るような態様を用いることができる。
また、例えば、第1の増幅手段と第2の増幅手段との一方又は両方を複数の増幅器を並列させて構成することもでき、この場合、分配手段は例えば増幅器の総数と同数の信号へ入力信号を分配する。
また、例えば、分配手段と第1の増幅手段との間や、分配手段と第2の増幅手段との間に、前段で増幅を行う増幅手段(プリアンプ手段)を備えたような構成を用いることもできる。
すなわち、前記キャリア増幅器側の第1の増幅回路は、AB級で動作する第1のプリアンプを有し、また、前記ピーク増幅器側の第2の増幅回路は、A級からC級の間のいずれかで動作する第2のプリアンプを有する。(前記第1の伝送線路は、前記キャリア増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスと略同一の特性インピーダンスを有し、また、前記第2の伝送線路は、前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスと略同一の特性インピーダンスを有する。)
従って、増幅装置における電源効率を改善することができる。
すなわち、分配手段が前記信号を分配する。キャリア増幅器が前記分配された第1の信号をAB級で増幅する。ピーク増幅器が前記分配された第2の信号をB級又はC級で増幅する。前記キャリア増幅器の出力に接続される第1の伝送線路が任意の電気長を有する。前記ピーク増幅器の出力に接続される第2の伝送線路が任意の電気長を有する。合成端が前記第1の伝送線路の出力と前記第2の伝送線路の出力を合成する。
ピーク増幅器とキャリア増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスは異ならせている。更に第1の伝送線路インピーダンスはキャリア増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスに、第2の伝送線路インピーダンスはピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスに、合わせている。
(前記第1の伝送線路の電気長は、前記信号の入力レベルが小さいときの前記キャリア増幅器の効率が、良くなるように設定されキャリア増幅器とピーク増幅器の最大出力負荷インピーダンス比も増幅器全体のパーフォーマンスが上がるように設定されている。)
この場合に、インピーダンス変換手段を構成する前記伝送線路の長さと、当該負荷インピーダンス比を当該増幅装置の性能が高まる値に設定する。
従って、例えば、任意の負荷変調を与えることができ増幅素子の性能を十分引き出せることが可能となる。
なお、例えば、合成端のインピーダンスは、キャリア増幅器及びピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスを変えた並列インピーダンスとして、設定される。
また、インピーダンス変換手段を構成する伝送線路の長さとしては、例えば、0〜λ/2の範囲で種々な値が用いられてもよく、或いは、λ/2以上の範囲で種々な値が用いられてもよい。なお、伝送線路の長さとして0が用いられる場合には、伝送線路は存在しないこととなる。
また、増幅器の性能が高まるように設定する態様としては、例えば、効率、歪、利得の1以上に関して適切な整合を取るような態様を用いることができる。
また、例えば、第1の増幅手段と第2の増幅手段との一方又は両方を複数の増幅器を並列させて構成することもでき、この場合、分配手段は例えば増幅器の総数と同数の信号へ入力信号を分配する。
また、例えば、分配手段と第1の増幅手段との間や、分配手段と第2の増幅手段との間に、前段で増幅を行う増幅手段(プリアンプ手段)を備えたような構成を用いることもできる。
すなわち、前記キャリア増幅器側の第1の増幅回路は、AB級で動作する第1のプリアンプを有し、また、前記ピーク増幅器側の第2の増幅回路は、A級からC級の間のいずれかで動作する第2のプリアンプを有する。(前記第1の伝送線路は、前記キャリア増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスと同一の特性インピーダンスを有し、また、前記第2の伝送線路は、前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスと同一の特性インピーダンスを有する。
従って、増幅装置における電源効率を改善することができる。
すなわち、分配手段が前記信号を分配する。キャリア増幅器が前記分配された第1の信号をAB級で増幅する。ピーク増幅器が前記分配された第2の信号をB級又はC級で増幅する。前記キャリア増幅器の出力に接続される第1の伝送線路が任意の電気長を有する。前記ピーク増幅器の出力に接続される第2の伝送線路が任意の電気長を有する。合成端が前記第1の伝送線路の出力と前記第2の伝送線路の出力を合成する。
また、前記キャリア増幅器と前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスは同一である。そして、前記ピーク増幅器と前記第2の伝送線路との間に備えられたインピーダンス変換器が、前記ピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスを前記キャリア増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスとは異なる値へ変換する。
従って、キャリア増幅器とピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスを同一にすることができるため、開発時や調整時の作業性を良くして、生産性を高めることができる。
また、合成端インピーダンスはキャリア増幅器とピーク増幅器の最大出力時の負荷インピーダンスを異ならせた負荷インピーダンスとして合成し、キャリア増幅器の負荷変調範囲を任意に設定でき、性能を改善することができる。
また、本発明に係る増幅装置によると、キャリア増幅器側の第1の増幅回路はAB級で動作する第1のプリアンプを有し、ピーク増幅器側の第2の増幅回路はA級からC級の間のいずれかで動作する第2のプリアンプを有するようにしたため、更なる効率向上を可能とすることができる。
図1には、本例の増幅装置の構成例を示してある。
本例の増幅装置は、入力端子A1と、分配器1と、キャリア増幅器2と、位相器3と、ピーク増幅器4と、合成部5と、λ/4変成器6と、出力端子A2と、出力負荷7を備えている。
キャリア増幅器2は、入力整合回路11と、増幅素子12と、出力整合回路13から構成されている。
ピーク増幅器4は、入力整合回路14と、増幅素子15と、出力整合回路16から構成されている。
合成部5は、インピーダンス変換器17と、ノード18から構成されている。
入力整合回路11、14や出力整合回路13、16としては、例えば、集中定数回路、分布定数回路、或いはそれらの組み合わせのいずれで構成されてもよく、実装上避けられないストレーキャパシタンスやインダクタンスなどを含んでもよい。
λ/4変成器6としては、例えば、その特性インピーダンスZ2に相当する線幅、及びλ/4に相当する長さを有する導体パターンとして配線板上に形成させることができる。また、本例のようにλ/4変成器を用いることにより比較的広い周波数範囲で整合を取ることができるが、整合さえ取れれば、λ/4変成器以外の整合方法が用いられてもよい。な36お、λは、信号の波長を表す。
入力端子A1には、本例の増幅装置への入力信号が入力される。
分配器1は、例えば、配線板上に形成されたT分岐ライン或いはカプラなどから構成されており、入力端子A1から入力された信号を分配する。
キャリア増幅器2の入力整合回路11は、分配器1で分配された一方の信号のインピーダンスを、後段の増幅素子12の入力インピーダンスへ変換する。
キャリア増幅器2の増幅素子12は、AB級にバイアスされており、入力整合回路11によりインピーダンス変換された信号を増幅する。
キャリア増幅器2の出力整合回路13は、増幅素子12により増幅された信号について、増幅素子12の負荷インピーダンスをA区間においてはZAを中心としてほぼ円上のインピーダンスへ変換し、C区間においてはZAへ変換する。なお、各区間(A区間、B区間、C区間)やZAは、例えば図9や図10に示されるのと同様なものを表す。また、Z9は、キャリア増幅器2の出力整合回路13からインピーダンス変換器17を見たインピーダンスを表している。
ピーク増幅器4の入力整合回路14は、分配器1で分配された後に位相器3を通過した他方の分配信号のインピーダンスを、後段の増幅素子15の入力インピーダンスへ変換する。
ピーク増幅器4の増幅素子15は、B級又はC級にバイアスされており、入力整合回路14によりインピーダンス変換された信号を増幅する。
ピーク増幅器4の出力整合回路16は、増幅素子15により増幅された信号について、増幅素子15の負荷インピーダンスをZ5に整合する。
ノード18は、キャリア増幅器2の出力整合回路13から出力されてインピーダンス変換器17を介して入力される信号と、ピーク増幅器4の出力整合回路16から出力される信号とを結合する合成点である。本例では、キャリア増幅器2とピーク増幅器4とが伝送線路(インピーダンス変換器17)により結合されている。
なお、この伝送線路(インピーダンス変換器17)の長さが0λでありすなわち長さが0である場合には、本例の増幅装置は、キャリア増幅器2とピーク増幅器4とが配線板上で単に接続される構造を有する。図2には、このような場合における増幅装置の構成例を示してある。図2において、Z6やZ8はインピーダンスを表す。
ノード18からの出力信号が、λ/4変成器6を介して、出力端子A2から出力される。
ここで、式4に示されるように、ノード18のインピーダンスZ71は、キャリア増幅器2の側とピーク増幅器4の側の負荷に分解して決定する。
まず、α=1である場合について説明する。
C区間において、ノード18のインピーダンスZ71はZ7であり、まず、キャリア増幅器2の出力整合回路13を、当該出力整合回路13の負荷Z9がZ1であるときにPmを出力できる(キャリア増幅器2単体としても最大出力となる)ように構成する。つまり、増幅素子12の負荷インピーダンスは出力整合回路13によりZAに整合され、このときインピーダンス変換器17は単なる伝送路となる。
A区間において、ピーク増幅器4の出力整合回路16の出力インピーダンスは無限大となるため、Z9は、点a1で示される長さL=0又はλ/2であるときにはZ7となり、点c1で示される長さL=λ/4のときには(Z1)2/(Z7)となる。そして、伝送線路(インピーダンス変換器17)の長さLを0〜λ/2の範囲で動かすと、Z9は、Z1を中心とする円上を右回りに変化する。
しかしながら、点a1’〜点b1’〜点c1’〜 点a1’の上に良い整合ポイントがない場合には、合成点のインピーダンスを変えることにより整合ポイントが得られる。
出力整合回路13の負荷Z9がZ1である時Pmを出力できる(キャリア増幅器2単体として最大出力となる)ことは変えていない。
図3には、点線でα<1である時における軌跡を示してある。
A区間である時におけるZ9は、点a2で示される長さL=0又はλ/2であるときには{2(Z7)・α/(1+α)}となってZ7より小さくなり、点c2で示されるL=λ/4であるときには[(Z1)2/{2(Z7)・α/(1+α)}]となる。そして、伝送線路(インピーダンス変換器17)の長さLを0〜λ/2の範囲で動かすと、Z9は、Z1を中心とするα=1の時における円上より大きく(つまり、より大きい円上を)右回りに変化する。
このZ1を中心とする円上のインピーダンスは、キャリア増幅器2の出力整合回路13によりZAを中心とするほぼ円上へ写像される。点a2、点b2、点c2と点a2’、点b2’、点c2’とはそれぞれ対応しており、Lを変化させれば、インピーダンスを点a2’、点b2’、点c2’と可変できることを示している。従って、点b2’が最も性能の優れる位置であれば、そのときの長さLを設定すればよい。
このZ1を中心とする円上のインピーダンスは、キャリア増幅器2の出力整合回路13によりZAを中心とするほぼ円上へ写像される。点a3、点b3、点c3と点a3’、点b3’、点c3’とはそれぞれ対応しており、Lを変化すれば、インピーダンスを点a3’、点b3’、点c3’と可変できることを示している。従って、最も性能の良いZAと異なるが小さな円であり多少変わる程度である。
また、点a1’〜点b1’〜点c1’〜 点a1’の上或いは点a2’〜点b2’〜点c2’〜 点a2’の上に良い整合ポイントがない場合にはαを変えて、図3の点線を大きくしたり小さくしたりして合成点のインピーダンスを変えることにより最適ポイントが得られる。
出力整合回路13の負荷Z9がZ1である時Pmを出力できる(キャリア増幅器2単体として最大出力となる)ことは変えていない。
図4には、キャリア増幅器2の出力整合回路13及びインピーダンス変換器17による整合の一例を表すスミスチャートを示してある。
図4には、点線でα>1である時における軌跡を示してある。
A区間である時におけるZ9は、点a5で示される長さL=0又はλ/2であるときには{2(Z7)・α/(1+α)}となってZ7より大きくなり、点c5で示されるL=λ/4であるときには[(Z1)2/{2(Z7)・α/(1+α)}]となる。そして、伝送線路(インピーダンス変換器17)の長さLを0〜λ/2の範囲で動かすと、Z9は、Z1を中心とするα=1である時の円上より小さく(つまり、より小さい円上を)右回りに変化する。
このZ1を中心とする円上のインピーダンスは、キャリア増幅器2の出力整合回路13によりZAを中心とするほぼ円上へ写像される。点a5、点b5、点c5と点a5’、点b5’、点c5’とはそれぞれ対応しており、Lを変化すれば、インピーダンスを点a5’、点b5’、点c5’と可変できることを示している。従って、点b5’が最も性能の優れる位置であれば、そのときの長さLを設定すればよい。
このZ1を中心とする円上のインピーダンスは、キャリア増幅器2の出力整合回路13によりZAを中心とするほぼ円上へ写像される。点a6、点b6、点c6と点a6’、点b6’、点c6’とはそれぞれ対応しており、Lを変化すれば、インピーダンスを点a6’、点b6’、点c6’と可変できることを示している。従って、最も性能の良いZAと異なるが小さな円であり多少変わる程度である。
入力レベルが大きくなりA区間からC区間へ遷移すると、キャリア増幅器2の増幅素子12の負荷インピーダンスは点b5’から点b6’へ動く。
すなわち、αを変えて点線の円径を変えて最適ポイントが得られる。
また、上記の説明では、伝送線路(インピーダンス変換器17)の長さLを0〜λ/2としたが、例えば、増幅素子12、15が大きく出力整合回路13、16の整合回路間の長さをλ/2以下にできないような場合も実装上あり得るため、更に長くしても構わない。
当然、出力端子A2の負荷がZ0なのでZ2のインピーダンスは2(Z7)と2(Z7)・αの並列インピーダンスと整合が得られるように変えておく。
また、本例の増幅装置では、例えば、第1の増幅回路の最大出力整合インピーダンスは任意の電気長を有する伝送線路(インピーダンス変換器17)の伝送インピーダンスに等しい。
このように、本例の増幅装置では、適切な整合を取ることにより、従来のドハチィ増幅器を超えた性能を実現することができ、例えば、従来のドハチィ増幅器では整合が困難な増幅素子等を用いたときにおける性能を改善することができる。
図5には、本例の増幅装置の構成例を示してある。
本例の増幅装置は、図1に示されるのと同様な構成に、更に、ピーク増幅器4とノード18との間に、インピーダンス変換器22を備えている。また、本例の増幅装置では、位相器21による位相調整量が図1に示される増幅装置の場合と異なり得る。また、本例の増幅装置では、図1に示されるのと同じ符号を付した構成要素については例えば緒元を除いて基本的に同一である。
位相器21は、例えば、インピーダンス変換器22を設けた分、図1の位相器3とは異なる位相量を発生させる。なお、位相器21は、例えばキャリア増幅器2とピーク増幅器4との位相量が大きく異なる場合には、キャリア増幅器4の経路上に設けられてもよい。位相器21は、本例では、インピーダンス変換器(伝送線路)22の影響を除去するための位相調整回路として使用されており、キャリア増幅器2の回路系の位相とピーク増幅器4の回路系の位相とが異なったときの位相調整回路としても使用することができる。
例えば、従来のドハチィ増幅器では、ピーク増幅器の出力整合回路の出力インピーダンスが、入力レベルが小さいときには十分大きくならず、キャリア増幅器の損失の原因となる場合があったのに対して、本例の増幅装置では、例えば通常のピーク増幅器4の出力整合回路16を使用するような構成においても、合成点(ノード18)の側から当該出力整合回路16の側を見たインピーダンスをより大きな値(本例では、Z21)とすることができるため、キャリア増幅器2の損失を抑えることができる。これはZ21を最大にするものに限らず、Z21をある程度大きな値に保った上で、インピーダンス変換器22の電気長を調整し、B領域での負荷インピーダンスを変えることで性能向上を図ってもよい。
前述の実施例1は、本実施例のインピーダンス変換器22の電気長を0にした場合に相当する。
図11には、本例の増幅装置の構成例を示してある。
図1と基本的に同じでキャリア増幅器2の負荷インピーダンスZ92、ピーク増幅器4の負荷インピーダンスZ52及びノード18から見たインピーダンスZ72を変えている。
従って、ここで、式5に示されるように、ノード18のインピーダンスZ72は、キャリア増幅器2の側とピーク増幅器4の側の負荷に分解して決定する。
図12には、キャリア増幅器2の出力整合回路13及びインピーダンス変換器17による整合の一例を表すスミスチャートを示してある。
まず、α=1である場合については図3の実線と同じであるので説明は省く。
出力整合回路13の負荷Z92がZ1である時Pmを出力できる(キャリア増幅器2単体として最大出力となる)ことは変えていない。
図12には、点線でα<1である時における軌跡を示してある。
A区間である時におけるZ92は、点a2で示される長さL=0又はλ/2であるときには{2(Z7)・α/(1+α)}となってZ7より小さくなり、点c2で示されるL=λ/4であるときには[(Z1)2/{2(Z7)・α/(1+α)}]となる。そして、伝送線路(インピーダンス変換器17)の長さLを0〜λ/2の範囲で動かすと、Z92は、Z1を中心とするα=1の時における円上より大きく(つまり、より大きい円上を)右回りに変化する。
このZ1を中心とする円上のインピーダンスは、キャリア増幅器2の出力整合回路13によりZAを中心とするほぼ円上へ写像される。点a2、点b2、点c2と点a2’、点b2’、点c2’とはそれぞれ対応しており、Lを変化させれば、インピーダンスを点a2’、点b2’、点c2’と可変できることを示している。従って、点b2’が最も性能の優れる位置であれば、そのときの長さLを設定すればよい。
また、点a1’〜点b1’〜点c1’〜 点a1’の上或いは点a2’〜点b2’〜点c2’〜 点a2’の上に良い整合ポイントがない場合にはαを変えて、図12の点線を大きくしたり小さくしたりして合成点のインピーダンスを変えることにより最適ポイントが得られる。
ここでキャリア増幅器用のノード18の負荷インピーダンス2Z7とピーク増幅器用のノード18の負荷インピーダンス2αZ7の電圧は等しくなるのでピーク増幅器の出力が多く必要であるがピーク増幅器の供給電圧を上げる事、入力を増加させる事により、多少出力レベルを増加させα=1より高い最大出力を得ることが出来る。
またα=1の時の合成出力より若干低くなることを許容すれば供給電圧を変える必要はない。また増幅素子は飽和出力に近くなっても入力を増加させれば出力も増えるので問題はない。
この場合ピーク増幅器の負荷インピーダンスは無限大から2αZ7(2Z7より小さい)に2Z7を経由して遷移するので2αZ7に整合をあわせる。
一般的なパワー増幅素子の最大出力は供給電圧にほぼ比例するので容易に実現できる。特に増幅する頻度の高い付近(例えば、b2’付近)の効率は大幅に向上する。
出力整合回路13の負荷Z92がZ1である時Pmを出力できる(キャリア増幅器2単体として最大出力となる)ことは変えていない。
図13には、キャリア増幅器2の出力整合回路13及びインピーダンス変換器17による整合の一例を表すスミスチャートを示してある。
図13には、点線でα>1である時における軌跡を示してある。
A区間である時におけるZ92は、点a5で示される長さL=0又はλ/2であるときには{2(Z7)・α/(1+α)}となってZ7より大きくなり、点c5で示されるL=λ/4であるときには[(Z1)2/{2(Z7)・α/(1+α)}]となる。そして、伝送線路(インピーダンス変換器17)の長さLを0〜λ/2の範囲で動かすと、Z92は、Z1を中心とするα=1である時の円上より小さく(つまり、より小さい円上を)右回りに変化する。
このZ1を中心とする円上のインピーダンスは、キャリア増幅器2の出力整合回路13によりZAを中心とするほぼ円上へ写像される。点a5、点b5、点c5と点a5’、点b5’、点c5’とはそれぞれ対応しており、Lを変化すれば、インピーダンスを点a5’、点b5’、点c5’と可変できることを示している。従って、点b5’が最も性能の優れる位置であれば、そのときの長さLを設定すればよい。
入力レベルが大きくなりA区間からC区間へ遷移すると、キャリア増幅器2の増幅素子12の負荷インピーダンスは点b5’からZAへ動く。
すなわち、αを変えて点線の円径を変えて最適ポイントが得られる。
ここでキャリア増幅器用のノード18の負荷インピーダンス2Z7とピーク増幅器用のノード18の負荷インピーダンス2αZ7の電圧は等しくなるのでピーク増幅器の出力が低くなり合成出力が低くなるのでさらに、キャリア増幅器の供給電圧を上げる事、入力を増加させる事により、多少出力レベルを増加させα=1より高い最大出力を得ることが出来る。
またα=1の時の合成出力より若干低くなることを許容すれば供給電圧を変える必要はない。また増幅素子は飽和出力に近くなっても入力を増加させれば出力も増えるので問題はない。
この場合ピーク増幅器の負荷インピーダンスは無限大から2αZ7に2Z7を経由しないで遷移するので2αZ7に整合をあわせる。
一般的なパワー増幅素子の最大出力は供給電圧にほぼ比例するので容易に実現できる。特に増幅する頻度の高い付近(例えば、b5’付近)の効率は大幅に向上する。
また、本例の増幅装置では、例えば、第1の増幅回路(本例では、キャリア増幅器2)の最大出力負荷インピーダンスは任意の電気長を有する伝送線路(インピーダンス変換器17)の伝送インピーダンスに等しい。
当然、出力端子A2の負荷がZ0なのでZ2のインピーダンスは2(Z7)と2(Z7)・αの並列インピーダンスと整合が得られるように変えておく。
特に、負荷変調による特性の変化は増幅素子の種別などに依存し一般的なドハティ回路の2倍以下又は以上に変えることにより増幅素子によらず高効率化が可能となる。
本例と異なりキャリア増幅器の出力整合回路2の最大出力負荷インピーダンスとインピーダンス変成器のインピーダンスを2αZ7に変更する事とピーク増幅器4の最大出力インピーダンスを2Z7にする逆の組み合わせを行う事により同様の効果が得られる。
図1の改善を図5にしたように図11の改善を同じ方法で図14のようにする。
インピーダンス変換器23は、本例では、伝送線路から構成されており、入力レベルが低くピーク増幅器4の増幅素子15が動作していないときに当該ピーク増幅器4に信号が流れないように、当該伝送線路からピーク増幅器4の出力整合回路16の側を見たインピーダンスZ22を、ノード18の側からピーク増幅器4の出力整合回路16の側を見たインピーダンスZ23へ大きく変換する。
図11、図14の例はキャリア増幅器2やピーク増幅器4の最大出力が得られるインピーダンスは各々
Z92は2(Z7) (=Z1)、 Z52は2(Z7)・α
であったがそれぞれ異なることから開発時や調整時に2種類の整合回路に対応しなければならず生産性が悪いなどの可能性が考えられる。従って、最大出力負荷インピーダンスが得られる出力回路13、16の負荷インピーダンスを同一にしてその後単なる変換器で変換させた方が作業性が良い。従って、図15に示すように、ピーク増幅器4の出力整合回路の最大出力が得られるインピーダンスZ28をZ92と等しい2(Z7)とし、インピーダンス変換器24でZ27を2(Z7)・αにする。つまり、ピーク増幅器4の出力整合回路の最大出力が得られるインピーダンスZ28(=Z92=2(Z7))をインピーダンス変換器24により異なる値Z27(=2(Z7)・α)へ変換する。
インピーダンス変換器24はλ/4線路を利用しても良いし、インピーダンス変換ができれば他の方法でも良い。
インピーダンス変換器25は2(Z7)・αなのでノード18まで2(Z7)・αを保つ。すなわちC区間の最大出力を伝送できる。信号入力が少ないA区間ではインピーダンス変換器25によりZ26が大きなインピーダンスZ25に変換される。
その他の動作は図1の実施例と同じである。
また遅延や位相関係を合わせるため位相器21の移送量は変える。キャリア増幅器側に入れる場合もある。
図6には、本例の増幅装置の構成例を示してある。
本例の増幅装置は、入力端子A11と、分配器31と、複数であるn個のキャリア増幅器B1〜Bnと、複数であるm個のピーク増幅器C1〜Cmと、n個のキャリア増幅器B1〜Bnからの出力とm個のキャリア増幅器C1〜Cmからの出力とを接続するインピーダンス変換器32と、出力側のインピーダンス変換器33と、出力端子A12と、出力負荷34を備えている。
また、他の構成例として、図1や図5、図11、図14、図15に示されるような位相器3、21を備えた構成とすることや、図5や図14、図15に示されるようなピーク増幅器4の出力側のインピーダンス変換器22、23、24、25を備えた構成とすることもできる。
入力端子A11には、本例の増幅装置への入力信号が入力される。
分配器31は、入力端子A11から入力された信号を(n+m)個の信号へ分配する。各分配信号は、各キャリア増幅器B1〜Bn及び各ピーク増幅器C1〜Cmに入力される。
各キャリア増幅器B1〜Bnは、例えば図1に示されるキャリア増幅器2と同様な機能を有しており、これらn個のキャリア増幅器B1〜Bnからの出力が合成されてインピーダンス変換器32に入力される。
各ピーク増幅器C1〜Cmは、例えば図1に示されるピーク増幅器4と同様な構成を有しており、これらm個のピーク増幅器C1〜Cmからの出力が合成されてインピーダンス変換器32からの出力と合成される。この合成信号が出力側のインピーダンス変換器33を介して出力端子A12から出力される。
出力側のインピーダンス変換器33は、例えば、λ/4変成器から構成されており、ピーク増幅器C1〜Cmの出力側にある合成点(ノード)のインピーダンスを出力負荷34であるZ0へ変換する。
ここで、m個のピーク増幅器C1〜Cmとしては、例えば、いずれも同一の入力レベルから動作を開始するものが用いられてもよく、或いは、それぞれについてバイアスレベルを異ならせて、入力レベルの増加に従ってそれぞれが徐々に動作を開始するようなものが用いられてもよい。
図7には、本例の増幅装置の構成例を示してある。
本例の増幅装置は、図6に示されるのと同様な構成に、更に、分配器31とそれぞれのキャリア増幅器B1〜Bnとの間にAB級で動作する増幅器(プリアンプ)D1〜Dnを備えるとともに、分配器31とそれぞれのピーク増幅器C1〜Cmとの間にAB級又はB級又はC級で動作する増幅器(プリアンプ)E1〜Emを備えている。このように、本例の増幅装置では、キャリア増幅器B1〜Bn及びピーク増幅器C1〜Cmのそれぞれの前段にプリアンプD1〜Dn、E1〜Emを従属接続してある。
ここで、各プリアンプD1〜Dn、E1〜Emは、必要に応じて、入力整合回路や出力整合回路を備える。また、これらのプリアンプD1〜Dn、E1〜Emとしては、例えば、全て同一の構成のものが用いられてもよく、或いは、それぞれについて動作級を異ならせてもよい。また、例えば、プリアンプを複数縦続(cascade)で接続して用いることもできる。また、例えば、全てのキャリア増幅器B1〜Bn用のプリアンプD1〜Dnを1つにまとめた構成や、全てのピーク増幅器C1〜Cm用のプリアンプE1〜Emを1つにまとめた構成のように、複数のプリアンプを1つにまとめて共用することもできる。
本例の増幅装置では、例えば、入力信号がより小さいレベルのうちに分配器31で当該入力信号を分配するため、分配損が小さくなり、結果的に増幅装置全体の電源効率を改善することができる。この効果は、例えば、キャリア増幅器B1〜Bnの増幅素子等のゲインが小さいときに顕著である。
また、本発明の適用分野としては、必ずしも以上に示したものに限られず、本発明は、種々な分野に適用することが可能なものである。
Claims (2)
- 信号を増幅する増幅装置において、
前記信号を分配する分配手段と、
前記分配された第1の信号をAB級で増幅するキャリア増幅器と、
前記分配された第2の信号をB級又はC級で増幅するピーク増幅器と、
前記キャリア増幅器の出力に接続される任意の電気長を有する第1の伝送線路と、
前記ピーク増幅器の出力に接続される任意の電気長を有する第2の伝送線路と、
前記第1の伝送線路の出力と前記第2の伝送線路の出力を合成する合成端と、を備え、
前記合成端から負荷側を見たインピーダンスは、前記第1の伝送線路及び前記第2の伝送線路により夫々変換された前記キャリア増幅器及び前記ピーク増幅器の最大出力時の出力インピーダンスの並列インピーダンスとは異ならせて前記キャリア増幅器の最大出力より少なくして効率、歪、利得の少なくともいずれか1以上が最適に設定されたことを特徴とする増幅装置。 - 前記キャリア増幅器側の前段に、AB級で動作する第1のプリアンプを有し、
前記ピーク増幅器側の前段に、A級からC級の間のいずれかで動作する第2のプリアンプを有したことを特徴とする請求項1に記載の増幅装置。
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