JP5234006B2 - 電力増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、電力増幅器に関する。

近年、広帯域なワイアレスシステムが実用化されつつあり、この変復調システムには、多数の搬送波を利用する、マルチキャリア（ＯＦＤＭ、などが含まれる）方式を採用し、周波数利用率の高いシステムを実現しようとしている。

この場合、送信信号は、瞬間的に非常に大きな振幅になり、電力増幅器は、一般に線形
歪みを持つためにその出力信号は歪む。この歪みを許容範囲に留めるため、高いピーク出力電力を持つ、電力増幅器を使う必要がある。即ち、線形性を保つため、大きなバックオフをとらねばならず、このことは電力効率を下げることになり、特に移動端末には非常に不便である（通話時間が非常に短くなってしまう）。このため、ピーク電力からかなり低い電力にいたるまで（広いダイナミックレンジ）にわたって、効率が低下しない電力増幅器の実現が望まれる。

半導体素子を使う電力増幅器において、高い電源効率で動作させるために有効な方法は、素子内部での損失を減らすことである。このために、一般に素子で内部損失をなすところの出力端子における電流と電圧の積の時間積分が小さくなるように動作させる必要がある。このためには、飽和動作が有効であり、常に飽和動作している増幅素子から振幅被変調波を効率よく取り出す方法がいくつか開発され、広く知られている。飽和動作とは、信号の増幅が、アンプのダイナミックレンジ全体を使って行なわれることである。ダイナミックレンジ全体を使うので、アンプの動作可能な範囲をくまなく使用して増幅するので、電力効率がよくなる。

代表的な回路を以下に示す。ＬＩＮＣ（Linear Amplification Using Nonlinear Components)、Dohertyのアンプ及びエンベロープトラッキング（ＥＴ）やエンベロープエリミネイション・アンド・リストレーション（ＥＥＲ）である。それぞれの概要は以下の通り。

図１Ａ〜図１Ｃは、従来技術の代表的な電力増幅器の構成を示す図である。
１．ＬＩＮＣ（図１Ａ）：２台の増幅器を一定の、かつ、大きな振幅で駆動して飽和動作させ出力電力を合成して出力する。それぞれの入力の位相を変化させることにより出力の振幅が変化する。
２．Dohertyのアンプ（図１Ｂ）：mainアンプとauxiliaryアンプよりなる二台のアンプを有し、mainアンプの入力よりλ／４遅れた信号をauxiliaryアンプに入力し、mainアンプの出力をλ／４遅らせてauxiliaryアンプの出力に合成する。通常、mainアンプはＡ〜ＡＢ級、auxiliaryアンプはＢ級で動作させる。入力電力を上げていくと、mainアンプが先に飽和動作を開始し、高い効率を与える。
３．ＥＴ、ＥＥＲ（図１Ｃ）：アンプを飽和動作させながら電源電圧を変動させて出力に振幅変調信号を得る。

前記のそれぞれの従来技術については、問題点を以下のように記述することができる。
１．ＬＩＮＣ：二台のアンプの出力を効率よく合成するのが難しい。
２．Dohertyのアンプ：各アンプの入／出力の電力整合器、出力の電力合成器には損失の低い線形回路が用いられる。しかるに、各増幅器の入出力インピーダンスと入力から出力への位相・振幅伝達特性は、信号の大きさによって変化し、特に小さな電力での効率を上げるために、バイアス電流を小さくした場合に、この変化は大きくなる。ここで生じる入出力インピーダンスと入力から出力への位相・振幅伝達特性の変化には、線形の電力整合器、出力の電力合成器では追随できず、信号電力が変化すると効率が低下する。また、広い電力範囲で動作させるため出力電力が低いところで飽和して、いち早く高い効率を得る小さな増幅器と、大きな電力を出力できる大きな増幅器とを組み合わせて用いることが行なわれる。このとき、大小の増幅器に用いる素子のサイズが大きく異なる場合、大小の増幅器に入力する電力が同じでは、小さい側の素子が破壊する危険がある。

本発明の課題は、Dohertyアンプにおいて、小さい側の増幅器の破損を防止する構成を有する電力増幅器を提供することである。
本発明の第１の側面における電力増幅器は、ドハティ型の電力増幅器において、第１のアンプと、該第１のアンプに並列に接続された、該第１のアンプより出力電力の小さい第２のアンプと、該第２のアンプの入力側に設けられた、該第２のアンプへの入力信号の振幅が所定値以上の場合にクリッピングするクリッピング手段とを備える。

本発明の第２の側面における電力増幅器は、ドハティ型の電力増幅器において、信号の振幅が小さいときは、入力インピーダンスが信号源のインピーダンスと同等で、信号の振幅が大きくなるに従い、入力インピーダンスが次第に大きくなる第１のアンプと、入力インピーダンスが信号源のインピーダンスと同等で、該第１のアンプに並列に接続された第２のアンプとを備える。

従来技術の代表的な電力増幅器の構成を示す図（その１）である。 従来技術の代表的な電力増幅器の構成を示す図（その２）である。 従来技術の代表的な電力増幅器の構成を示す図（その３）である。 本発明の実施形態の基本構成を示す図である。 Balunを使った合成回路である。 その他の実施形態を示す。 その他の実施形態を示す図（その１）である。 その他の実施形態を示す図（その２）である。 その他の実施形態を示す図（その３）である。 その他の実施形態を示す図（その４）である。 その他の実施形態を示す図（その５）である。 図８の構成の動作を説明する図（その１）である。 図８の構成の動作を説明する図（その２）である。 図８の構成の動作を説明する図（その３）である。 図８の構成の動作を説明する図（その４）である。 図８の構成の動作を説明する図（その５）である。 図８の構成の動作を説明する図（その６）である。

図２は、本発明の実施形態の基本構成を示す図である。
Doherty型アンプで、carrier（main）アンプ、peak（auxiliary）アンプの出力電力の大きさの比を数倍以上（７〜１０倍）にとると高効率電力レンジを広げることが可能だが、carrierアンプ側の小さなトランジスタが過入力となると破壊する危険がある。本実施形態では、carrierアンプ入力をクリップすることで、この過入力から保護することができる。すなわち、carrierアンプとpeakアンプを設けるのは、入力が小さいときは、carrierアンプが動作し、入力が大きくなるとpeakアンプの方が動作するように構成されており、carrierアンプとpeakアンプとの出力電力の大きさの比を大きくとると、carrierアンプの担当する入力電力の大きさとpeakアンプの担当する入力電力の大きさを合わせた幅が広がるので、ダイナミックレンジが広がる。

carrierアンプ１２が出力電力が小さい小型のアンプであり、peakアンプ１３が出力電力が大きい大型のアンプである。これらは、並列に接続されており、peakアンプ１３の入力側には、λ／４遅延線１０が設けられ、carrierアンプ１２の出力には、λ／４遅延線１１が設けられている。carrierアンプ１２の入力側には、クリッピング回路１４が設けられている。クリッピング回路１４は、ダイオードで構成されており、所定電圧以上の電圧がかかると、電流が流れ、carrierアンプ１２の入力側にかかる電圧を下げるようになっている。ダイオードは、向きの異なるものが並列に接続されており、信号の振幅が正の大きな値となった場合と、負の大きな値となった場合の両方の場合についてクリッピングを行なうようになっている。クリッピングにはダイオードのシンボルで表現された素子を用いているが、非線形性を有する多くの素子が使われる。

図３は、Balunを使った合成回路である。
carrierアンプ１２とpeakアンプ１３とからなるDoherty回路は一般的に、伝送線路によるインピーダンス変換器（λ／４遅延線１０、１１）が実装基板上に設けられ、その基板の形状（厚さや設計手法（coplaner/microstrip-line等))、物性（誘電率）により決まる一定面積を専有するので、インピーダンスが発生し、特に移動機に使用する際に問題となる。そこで、carrierアンプ１２とpeakアンプ１３の出力をBalunを用いて、電力合成を行なうようにするとよい。図３では、電力合成器であるBalunと、carrierアンプ１２、peakアンプ１３が示されている。carrierアンプ１２への入力１とpeakアンプ１３への入力２とは、図２では、同じ信号を分岐したものであるが、別々に生成された、同期した同じ信号であっても良い。

図４〜図８に、その他の実施形態を示す。
図４は、激しくクリップされた場合に生ずる反射波が入力端子に戻ることを防ぐためにアイソレータ１５を用いた例である。アイソレータ１５は、クリッピング回路１４の入力側に設けられている。クリッピング回路１４が、激しくクリッピングすると、クリッピング回路１４そのものは容量と同じになるので、そこで、反射波が生じる。反射波は、アイソレータ１５によってグランドに流される。これにより、反射波が入力に対して位相差をもって伝搬することにより、回路全体に悪影響を与えるのを避けることが出来る。

図５Ａは、アイソレータの替りに電気長λ／４の線路１６を用い、peakアンプ１３の入力にも相当する線路を入れた例である。λ／４の線路１６は、ランプトエレメント（容量とインダクタンス構成されたインピーダンス変換回路）で置き換えることが出来る。クリッピング回路１４で反射される反射波は、クリッピング回路１４に入力される際にλ／４の遅延線１６を通るので、位相がλ／４だけ入力からずれるが、反射して入力の方向に戻る場合に、もう一回λ／４遅延線１６を通るので、合計でλ／２だけ位相が変化し、入力と打ち消しあうようになる。すなわち、反射波は、入力側には、戻っていかないようになる。ここで、peakアンプ１３の入力側にもλ／４遅延線１７が設けられているのは、carrierアンプ１２側と、入力の位相を合わせるためである。

図５Ｂは、peakアンプ１３の入力へ行くDoherty回路における入力遅延線と図５Ａでpeakアンプ１３側に追加した遅延線１７の替りに位相反転回路（インピーダンス変換回路（位相をλ／２だけ変える）１８を用いている、これには、ドライバーアンプを用いることができる。

図６は、アイソレータ１５の変わりに増幅器１９を用いた例である。増幅器１９は、信号のアイソレーションを上げる効果を有するので、アイソレータ１５の代わりに使うことが出来る。

図７は、peakアンプ側の利得を補償するために、増幅器２１を用いた例である。すなわち、carrierアンプ１２の入力にアンプ１９を設ける図６の構成では、carrierアンプ１２側の増幅率がpeakアンプ１３側とアンバランスになるので、peakアンプ１３側にもアンプ２１を設けているものである。

図８は、carrierアンプ１２の前置きアンプ２２の非線形性（インピーダンスの調整により、動作が入力信号の振幅の大きさによって変化する）がクリッピングを行なう例で、それぞれの最大出力の例を併記してある。

図９〜図１２は、図８の構成の動作を説明する図である。
図９に示す例では、carrierアンプの過大電力破壊(過電圧/過電流)をアンプの入力回路により防止する。図中、''C'' は carrierアンプ, ``P'' は peakアンプである。carrierアンプとpeakアンプの入力には、それぞれ容量ｃ１、ｃ２が設けられ、出力には、インダクタンスle11、le21と容量ce11、ce21が設けられている。また、peakアンプの入力側λ／４遅延線は、３５Ω、carrierアンプの出力側λ／４遅延線は、３０Ωとしている。容量c1、c2は、ＤＣブロック、cel1、cel2、le11、le21は、負荷回路である。

より詳細に説明するために信号入力経路の各部分からアンプ側を見たインピーダンスを図１０Ａ〜図１０Ｃに示す(簡単な整合回路によりこの特性を得る事ができる)。図１０Ａは、carrierアンプの入力インピーダンスである。図１０Ｂは、peakアンプの入力インピーダンスである。図１０Ｃは、carrierアンプの入力インピーダンスとpeakアンプの入力インピーダンスを合成した入力インピーダンスである。

各図のスミスチャートは、入力電力それぞれ-30 dBm、0 dBm、10 dBmについて示し、(右回りに)2.3 〜 2.7 GHz の特性を示している。
図１０Ａに示す通り carrierアンプの入力インピーダンスは、入力電力が小さい時におよそ 50 Ωであり、50 Ωの信号源から効率良く信号が carrierアンプに入力される。入力信号電力が大きくなると入力インピーダンスがより高くなる事によりcarrierアンプの入力経路に侵入する信号電力の比率は低くなる。したがって、carrierアンプの入力インピーダンスは、入力電力が小さいときに信号源のインピーダンス程度に設定し、入力電力が大きくなるに従い、信号源のインピーダンスより高くなるように設計する。

一方、図１０Ｂに示す通り、peakアンプ側に入る経路のインピーダンスは、信号電力にかかわらず信号源インピーダンスに等しい 50 Ω程度に調整する事ができる。よって入力信号が常に効率良く peakアンプに信号が供給される事により class-c のバイアス下にもかかわらず滑らかな立上りが実現される。

図１０Ｃは、合成されたインピーダンスであるが、これは、Dohertyアンプの入力のインピーダンスの一例を示している。-30dBmのときが、最もインピーダンスが小さく、0dBm、10dBmと、入力が大きくなるに従い、インピーダンスが大きくなっている。これは、主に、carrierアンプの入力インピーダンスによるものである。

以上により、信号電力が大きくなると carrierアンプに侵入する信号電力の比率を低下させる事により、carrierアンプが破壊されるのを防止すると共に、この余剰信号電力をpeakアンプに振り向けて、高い電力付加効率$(P_out-P_in)/消費電力を得る事ができる。

更に、図１１のように、Doherty増幅器構成されているとする。carrierアンプ１２とpeakアンプ１３が並列に接続され、peakアンプの入力側には、λ／４遅延線１０、carrierアンプ１２の出力側には、λ／４遅延線１１が設けられる。電源２４と２５は、それぞれのアンプからの交流信号成分に直流成分を与えるものである。

図１２は、（１）がcarrierアンプの入力側のインピーダンスであり、（２）がpeakアンプの入力側のインピーダンスである。図１２のスミスチャート内にしめされる矢印は、peakアンプの入力側の遅延線Ｚ０の入り口部分におけるインピーダンスである。low、mid、highの印は、信号振幅が小さい場合、中くらいの場合、大きい場合のそれぞれのインピーダンスを示す。信号振幅が小さい場合には、carrierアンプの入力側のインピーダンスが小さく、peakアンプ側のインピーダンスが大きいので、信号は、主にcarrierアンプに入力する。信号振幅が大きくなってくると、carrierアンプの入力インピーダンスが大きくなり、peakアンプの入力インピーダンスが小さくなり、信号は、主にpeakアンプに入力されるようになる。このように、インピーダンスを調整することにより、信号の流れを切り替えることが出来るようになる。

本実施形態では素子サイズの比を７〜１０としながら、大きい側の広い電力範囲で高い効率で動作させることができ、かつ、carrierアンプの過入力を防止することを可能とし、ＢＳ（base station）、ＭＳ（mobile station）共に対して、省電力、小型、低コスト、高信頼、低運用コストを提供し、ＭＳに関しては、これに加えて、電池の寿命延長、軽量化に寄与することができる。

すなわち、以上の実施形態により消費電力の小さな、高い電源効率特性を有する広帯域のマイクロ波〜ミリ波電力増幅器が提供され、特に、これを移動機に用いる場合、必要なＲＦ電力を小型軽量な電池を使って長時間出力できる装置を実現する。固定局〜基地局に用いる場合には、消費電力と発熱を少なくし、装置の小型化、高信頼化、長寿命化と装置の利便性の向上に寄与する。

Claims (9)

1. ドハティ型の電力増幅器において、
   整合回路により入力インピーダンスを調整可能な第１のアンプと、
   該第１のアンプに並列に接続された、該第１のアンプより出力電力の小さい、整合回路により入力インピーダンスを調整可能な第２のアンプと、
   該第２のアンプの入力側に設けられた、該第２のアンプへの入力信号の振幅が所定値以上の場合にクリッピングするクリッピング手段と、
   を備え、
   該第１のアンプの出力電力が該第２のアンプの出力電力より７〜１０倍大きく、該クリッピング手段は、該第２のアンプが破壊されないようにクリッピングし、
   該第１のアンプの入力インピーダンスは、信号源インピーダンス程度に設定し、
   該第２のアンプへの入力信号電力が大きくなると、該第２のアンプの入力インピーダンスが大きくなるように設定し、該第２のアンプに入力される信号電力の、該第１のアンプへ入力される信号電力に対する比率が低くなる
   ことを特徴とする電力増幅器。
2. 前記クリッピング手段は、方向の違うダイオードを並列に接続したものであることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記第２のアンプの入力側の前記クリッピング手段の前段に、アイソレータを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
4. 前記第２のアンプの入力側の前記クリッピング手段の前段に、信号の位相をλ／４だけ遅延させるλ／４遅延線を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
5. 前記第１のアンプの入力側に、信号の位相をλ／４だけ遅延させる第２のλ／４遅延線を備えることを特徴とする請求項４に記載の電力増幅器。
6. 前記第１のアンプの入力側に、ドハティ側電力増幅器として設けられる遅延線を取り除いて、ドライバーアンプを備えることを特徴とする請求項４に記載の電力増幅器。
7. 前記第１のアンプの入力側の前記クリッピング手段の前段に、アンプを備えることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
8. 前記第２のアンプの入力側に、アンプを備えることを特徴とする請求項７に記載の電力増幅器。
9. 前記第１及び第２のアンプの出力の合成にバランを用いることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。

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