JP5382894B2 - 多重帯域電力増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、電力増幅器に関し、多くの周波数帯域で動作できる多重帯域電力増幅器に関する。

移動通信技術の発達と共に多様な通信方式が使用されており、各国或いは地域別に又は通信方式別に異なる周波数帯域を使用している。したがって、最近は、一つのチップセットで多様な周波数帯域をカバーするための多重帯域通信技術が脚光を浴びている。このような多重帯域通信技術によると、電力増幅器は、その特性上、多重帯域で具現するのが非常に難しい。

したがって、従来は、多重帯域をサポートするために各周波数帯域別に別途の電力増幅器を使用していたが、回路の占有面積が増加するため非経済的なだけでなく、入力信号が二つの電力増幅器間でスイッチングするためのスイッチを通過するため電力損失の側面で不利である。

本発明が達成しようとする技術的課題は、多くの周波数帯域で動作し、回路の占有面積を減少できる多重帯域電力増幅器を提供することにある。

前記技術的課題を解決するために、本発明に係る多重帯域電力増幅器は、入力信号を増幅する電力増幅部と、前記電力増幅部と負荷との間でインピーダンスマッチングを行うマッチングネットワーク回路と、前記負荷に追加的に所定の電流を供給する補助増幅部とを含むことを特徴とする。

前記多重帯域電力増幅器は、前記補助増幅部から出力される電流の大きさと位相を変化させるための伝送線路をさらに含むことができる。

また、前記多重帯域電力増幅器は、前記負荷に追加的に供給される電流を断続するためのスイッチをさらに含むことができる。

また、前記スイッチは、第１の周波数ではオフ状態に設定し、第２の周波数ではオン状態に設定することができる。このとき、前記電力増幅部から前記負荷側を見たインピーダンスが前記第１の周波数と前記第２の周波数で同一になるように設定することができる。ここで、前記電力増幅部から前記負荷側を見たインピーダンスが前記第１の周波数と前記第２の周波数で同一になるように前記補助増幅部から出力される電流を設定することができる。ここで、前記補助増幅部のバイアス回路によって前記補助増幅部から出力される電流を設定することができる。

前記技術的課題を解決するために、本発明に係る多重帯域電力増幅器は、入力信号を増幅する電力増幅部と、前記電力増幅部と負荷との間でインピーダンスマッチングを行うマッチングネットワーク回路と、前記負荷に追加的に所定の電流を供給する補助増幅部と、前記補助増幅部からの電流の大きさと位相を変化させるための伝送線路と、前記負荷に追加的に供給される電流を断続するためのスイッチとを含むことを特徴とする。

ここで、前記スイッチは、前記伝送線路と前記電力増幅部の出力段との間に設けることができる。

また、前記スイッチは、前記補助増幅部と前記伝送線路との間に設けることができる。

前記技術的課題を解決するために、本発明に係る多重帯域電力増幅器は、入力信号を増幅する電力増幅部と、前記電力増幅部と負荷との間でインピーダンスマッチングを行うマッチングネットワーク回路と、前記負荷に追加的に所定の電流を供給する補助増幅部と、前記多重帯域電力増幅器の動作周波数帯域を選択する帯域選択部と、前記帯域選択部で選択された周波数帯域によって前記補助増幅部から出力される電流の大きさを調整するバイアス調整部とを含むことを特徴とする。

ここで、前記多重帯域電力増幅器は、前記補助増幅部から出力される電流の大きさと位相を変化させるための伝送線路をさらに含むことができる。

また、前記バイアス調整部は、前記補助増幅部のバイアスを調整し、前記補助増幅部から出力される電流の大きさを調整することができる。

また、前記多重帯域電力増幅器は、前記負荷に追加的に供給される電流を断続するためのスイッチをさらに含むことができる。

また、前記帯域選択部は、前記バイアス調整部が前記の選択された周波数帯域によって前記補助増幅部のバイアスを調整し、前記補助増幅部から出力される電流の大きさを調整するように制御する制御信号を生成することができる。

また、前記帯域選択部は、前記の選択された周波数帯域によって前記電力増幅部に含まれたインピーダンスマッチング回路のインピーダンスを調整するための制御信号を生成することができる。ここで、前記インピーダンスマッチング回路は、多段スイッチと、前記多段スイッチの各段と連結された互いに異なるインピーダンス素子とからなり、前記制御信号は、前記多段スイッチを制御することによってインピーダンスを調整することができる。また、前記インピーダンスマッチング回路は可変キャパシタを含み、前記制御信号は、前記可変キャパシタのキャパシタンスを調整することによってインピーダンスを調整することができる。

上述した本発明によると、電力増幅器を多くの周波数帯域で動作できるようにし、一つの電力増幅部と出力段のインピーダンスマッチング回路によって多重帯域を具現することができ、回路の占有面積を減少させるという長所がある。

本発明で提供する多重帯域電力増幅器の概略的な原理を説明するための回路図である。 本発明で提供する多重帯域電力増幅器の原理をより詳細に説明するための回路図である。 本発明の一実施例に係る多重帯域電力増幅器の回路図である。 本発明の一実施例に係る電力増幅部１０とマッチングネットワーク回路２０を示す回路図である。 本発明の一実施例に係る電力増幅部１０とマッチングネットワーク回路２０を示す回路図である。 Ｉ_１対Ｚ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ２}のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の他の実施例に係る多重帯域電力増幅器の回路図である。 入力マッチング回路１１０とインターステージマッチング回路１３０の一例を示す図である。

以下では、図面を参照して本発明の好適な各実施例を詳細に説明する。以下の説明及び添付の各図面において実質的に同一の構成要素は、それぞれ同一の符号で示すことによって重複する説明を省略する。また、本発明を説明するにおいて、関連した公知機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にするおそれがあると判断される場合、それについての詳細な説明は省略する。

図１は、本発明で提供する多重帯域電力増幅器の概略的な原理を説明するための回路図である。

図１を参照すると、ＰＡ２は、入力信号を増幅する電力増幅部を示し、Ｚ_ＬＯＡＤは、電力増幅部の負荷を示し、ＰＡ１は、Ｚ_ＬＯＡＤに追加的な電流を供給する補助増幅部を示す。図１において、電力増幅部から電流Ｉ_２が負荷に供給され、補助増幅部から電流Ｉ_１が追加的に供給される。その結果、電力増幅部からＺ_ＬＯＡＤを見た負荷Ｚ_{ＬＯＡＤ＿Ｎ}は、次の数式のように示すことができる。

したがって、電流Ｉ_１の大きさと位相によってＰＡ２の負荷線（ｌｏａｄ ｌｉｎｅ）が変化するようになる。この点を考慮すると、多重帯域動作のために補助増幅部からの電流Ｉ_１の大きさと位相を適宜選定することによって、動作周波数の変化に応じてＺ_{ＬＯＡＤ＿Ｎ}を変更することができる。

図２は、本発明で提供する多重帯域電力増幅器の原理をより詳細に説明するための回路図である。

図２を参照すると、図１の回路図におけるＺ_ＬＯＡＤは抵抗Ｒと単純化し、電流源として表示したＰＡ１とＰＡ２は、それぞれ電圧源Ｖ１及びＶ２に変換した。そして、補助増幅部から供給される電流の大きさと位相を調整するために、電圧源Ｖ１と直列に連結された伝送線路が追加される。伝送線路の特性インピーダンス及び電気的長さはＺ_Ｔ、θである。そして、Ｖ１から見た負荷をＺ_１、伝送線路から見た負荷をＺ_１Ｔ、Ｖ２から見た負荷をＺ_２と示す。

伝送線路のＡＢＣＤマトリックスによって、次の数式に示すようなＶ_１、Ｉ_１、Ｖ_１Ｔ、Ｉ_１Ｔの関係が成立する。

前記数式２は、次のように示すことができる。

前記数式からＶ_１Ｔ、Ｉ_１Ｔを求めると、次のように示すことができる。

そして、Ｚ_１は、伝送線路の特性によって次のように求めることができる。

前記数式４及び数式５から、Ｉ_１Ｔは次のように求めることができる。

前記数式６と数式１から、Ｚ_１Ｔは次のように求めることができる。

その結果、Ｚ_２は次のように求めることができる。

そして、前記数式４から次のような数式が成立する。

前記数式９に前記数式７を代入すると、Ｖ_２は次のように示すことができる。

そして、前記数式５に前記数式７を代入すると、Ｚ_１は次のように示すことができる。

したがって、Ｖ_１は次のように示すことができる。

したがって、伝送線路の特性インピーダンスＺ_Ｔを、負荷抵抗Ｒに対する比率βを用いてＺ_Ｔ＝Ｒ・βと示し、Ｉ２とＩ１の比率をＩ_２／Ｉ_１＝αと示すと、前記数式１２、１０、１１、８、７は、βとαを用いて次のように示すことができる。

前記数式１６は、電力増幅部の負荷線であるＺ_２がα、β及びθによって決定されることを示す。したがって、α、β又はθを調節することによって、すなわち、補助増幅部の電流、伝送線路の特性インピーダンス又は電気的長さを調節することによって、動作周波数が変わる場合にも電力増幅部に一定の負荷線を形成し、多重帯域電力増幅器を具現することができる。

図３は、本発明の一実施例に係る多重帯域電力増幅器の回路図である。

本実施例に係る多重帯域電力増幅器は、入力信号を増幅する電力増幅部１０と、電力増幅部１０と負荷Ｚ_０との間でインピーダンスマッチングを行うためのマッチングネットワーク回路２０と、追加的に負荷Ｚ_０に所定の電流を供給する補助増幅部３０と、補助増幅部３０から出力される電流の大きさと位相を変化させるための伝送線路４０と、伝送線路４０と電力増幅部１０の出力段との間に設けられ、追加的に負荷Ｚ_０に供給される電流を断続するためのスイッチ５０とを含んで構成される。

図４及び図５は、本発明の一実施例に係る電力増幅部１０とマッチングネットワーク回路２０を示す回路図である。図示したように、電力増幅部１０としては、各段にバイアス回路を備える２段増幅回路を使用し、マッチングネットワーク回路２０としては２段低域通過フィルターを使用できるが、本発明がこれに限定されることはなく、通常の任意の増幅回路及びマッチングネットワーク回路が使用可能であることは当然である。そして、補助増幅部３０も、出力電流を決定するための一般的なバイアス回路が含まれた通常の増幅回路であり得る。

また、図３において、通常、負荷Ｚ_０のインピーダンスは５０Ωであるが、任意のインピーダンスを有することができることは当然である。図３において、スイッチ５０は、伝送線路４０と電力増幅部１０の出力段との間に設けられるが、これと異なって補助増幅部３０と伝送線路４０との間に設けられることによって、追加的に負荷Ｚ_０に供給される電流を断続することもできる。

図３を参照すると、本実施例に係る多重帯域電力増幅器は、特定の周波数ｆ_１ではスイッチ５０をオフ状態に設定して動作させ、他の特定の周波数ｆ_２ではスイッチ５０をオン状態に設定して動作させる。このとき、補助増幅部３０のバイアス回路と伝送線路４０によって負荷Ｚ_０に追加的に供給される電流の大きさと位相を適宜選定することによって、周波数がｆ_２であるときに電力増幅部１０から負荷側を見たインピーダンスＺ_２を、周波数がｆ_１である場合と同一にすることができる。

マッチングネットワーク回路２０の入力段から負荷側を見たインピーダンスＺ_Ｒを、周波数ｆ_１ではＺ_Ｒ＿ｆ１＝Ｒ'、周波数ｆ_２ではＺ_Ｒ＿ｆ２＝Ｒとする。そうすると、周波数ｆ_１でスイッチ５０がオフ状態であるときに電力増幅部１０から負荷側を見たインピーダンスＺ_２は、Ｚ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ１}＝Ｒ'になる。

そうすると、前記数式１６から、周波数ｆ_２でスイッチ５０がオン状態であるときに電力増幅部１０から負荷側を見たインピーダンスＺ_２（Ｚ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ２}）を次の数式のようにＺ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ１}の値にすると、本実施例に係る多重帯域電力増幅器をスイッチ５０のオン／オフ状態によって周波数ｆ_１と周波数ｆ_２で全て動作させることができる。ここで、Ｚ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ２}の実数部をＺ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ１}の実数部と同一にすることができる。

多重帯域電力増幅器をスイッチ５０のオン／オフ状態によって周波数ｆ_１と周波数ｆ_２で全て動作させるためには、前記数式を満足するα、β、θを選定すればよい。ところが、β及びθは、伝送線路４０の特性インピーダンス及び電気的長さによって既に決定されるので、αを適切な値に選定すればよく、αは、補助増幅部３０からの電流Ｉ_１を決定する。したがって、電流Ｉ_１を調整することによって、スイッチ５０がオン状態であるときの多重帯域電力増幅器の動作周波数を調整することができる。電流Ｉ_１の大きさは、補助増幅部３０のバイアス回路を用いて調整することができる。

図３において、Ｚ_０＝５０Ω、図５に示したマッチングネットワーク回路の素子値がＣ１＝２．６ｐＦ、Ｌ１＝１．８４ｎＨ、Ｃ２＝９．２ｐＦ、Ｌ２＝０．５２ｎＨで、周波数ｆ_１＝１９５０ＭＨｚ、周波数ｆ_２＝８３５ＭＨｚであるとき、Ｚ_Ｒ＿ｆ１、Ｚ_Ｒ＿ｆ２、Ｚ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ１}を求めると、次のように示すことができる。

したがって、多重帯域電力増幅器が周波数ｆ_２で同一の負荷線で動作するために、Ｚ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ２}は次の数式を満足すればよい。

図６は、伝送線路４０の特性インピーダンス及び電気的長さがＺ_Ｔ＝７Ω及びθ＝１３５であるとするとき、Ｉ_１対Ｚ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ２}のシミュレーション結果を示すグラフである。図５において、上の曲線はＺ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ２}の実数部を示し、下の曲線はＺ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ２}の虚数部を示す。

図６において、Ｚ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ２}の実数部がＲ'＝４Ωと同一になる点をｍ１と表示した。ｍ１での電流Ｉ_１を求めると約５２ｍＡになり、このとき、Ｚ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ２}の虚数部は約ｊ７．６である。したがって、周波数ｆ_１＝１９５０ＭＨｚでスイッチ５０をオフ状態にすることによって周波数ｆ_１＝１９５０ＭＨｚでＺ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ１}＝４Ωで動作する。また、周波数ｆ_２＝８３５ＭＨｚでスイッチ５０をオン状態にし、電流Ｉ_１を５２ｍＡに設定することによって周波数ｆ_２＝８３５ＭＨｚでＺ_{２＿ＬＯＡＤ＿ｆ２}＝４＋ｊ７．６Ωで動作する。このように設計された多重帯域電力増幅器は、スイッチ５０のオン／オフ状態によって周波数ｆ_１＝１９５０ＭＨｚ（オフ状態）で動作し、周波数ｆ_２＝８３５ＭＨｚ（オン状態）で同一の負荷線で動作するようになる。

図７は、本発明の他の実施例に係る多重帯域電力増幅器の回路図である。

本実施例に係る多重帯域電力増幅器は、入力信号を増幅する電力増幅部１００と、電力増幅部１００と負荷Ｚ_０との間でインピーダンスマッチングを行うためのマッチングネットワーク回路３００と、追加的に負荷Ｚ_０に所定の電流を供給する補助増幅部２００と、補助増幅部２００から出力される電流の大きさと位相を変化させるための伝送線路４００と、追加的に負荷Ｚ_０に供給される電流を断続するためのスイッチ５００と、多重帯域電力増幅器の動作周波数帯域を選択する帯域選択部６００と、帯域選択部６００で選択された周波数帯域によって補助増幅部２００のバイアスを調整し、補助増幅部２００から出力される電流の大きさを決定するためのバイアス調整部７００とを含んで構成される。

スイッチ５００は、多重帯域電力増幅器を電力増幅部１００の元の動作周波数帯域で動作させる場合にはオフ状態になり、その他の動作周波数で動作させる場合にはオン状態になる。

電力増幅部１００は、第１の増幅器１２０と第２の増幅器１４０の２段増幅回路からなり、その結果、入力段と第１の増幅器１２０との間でインピーダンスマッチングを行う入力マッチング回路１１０と、第１の増幅器１２０と第２の増幅器１４０との間でインピーダンスマッチングを行うインターステージマッチング回路１３０とを含む。本実施例において、電力増幅部１００は２段増幅回路であるが、本発明がこれに限定されることはなく、如何なる形態の多段増幅回路にも具現可能であることは当然である。

補助増幅部２００は、第１の増幅器２２０と第２の増幅器２４０の２段増幅回路からなり、入力段と第１の増幅器２２０との間でインピーダンスマッチングを行う入力マッチング回路２１０と、第１の増幅器２２０と第２の増幅器２４０との間でインピーダンスマッチングを行うインターステージマッチング回路２３０とを含む。補助増幅部２００も如何なる形態の多段増幅回路にも具現可能である。

帯域選択部６００は、ユーザーの命令又は外部から入力される命令にしたがって動作周波数帯域を選択し、選択される周波数帯域に相応する制御信号を発生させる。この制御信号には、図示したように、バイアス調整部７００への制御信号Ｖ_ａと、電力増幅部１００への制御信号Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃとがある。動作周波数帯域がＮ個である場合、これに相応する制御信号を生成するために、帯域選択部６００にはＭ（ここで、Ｎ＜２Ｍ）個の制御ビットを要求することができる。

バイアス調整部７００への制御信号Ｖ_ａは、バイアス調整部７００が周波数帯域によって補助増幅部２００のバイアスを調整するように制御する。すなわち、バイアス調整部７００は、前記制御信号に応答して補助増幅部２００が予め定められた特定大きさの電流を出力するように、補助増幅部２００に含まれた第１の増幅器２２０と第２の増幅器２４０のバイアスを調整する。周波数帯域による補助増幅部２００の各電流の大きさは、電力増幅部１００の出力段から負荷側を見たインピーダンスが周波数帯域ごとに同一になるように定められる。

電力増幅部１００への制御信号Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃは、電力増幅部１００のインピーダンスマッチング回路である入力マッチング回路１１０とインターステージマッチング回路１３０のインピーダンスを調整する。

入力マッチング回路１１０とインターステージマッチング回路１３０は、図８（ａ）に示したように、多段スイッチと、多段スイッチの各段と連結された互いに異なるインピーダンス素子からなり、制御信号が多段スイッチを制御することによってインピーダンスを調整することができる。また、図８（ｂ）に示したように、可変キャパシタを用いて制御信号が可変キャパシタのキャパシタンスを調整することによってインピーダンスを調整することができる。

本実施例によると、周波数帯域によって補助増幅部２００に含まれた増幅器のバイアスを調整し、周波数帯域によって電力増幅部１００に含まれたインピーダンスマッチング回路のインピーダンスを調整することによって、多重帯域電力増幅器を予め定められた複数の周波数帯域で動作させることができる。

上述した本発明によると、入力信号を増幅する基本電力増幅部に、負荷に追加的な電流を供給するための補助増幅部を追加することによって、多くの帯域での動作を可能にする。したがって、補助増幅部から出力される少量の電流によって出力インピーダンスを調整することができ、一つの電力増幅部と出力段のインピーダンスマッチング回路によって多重帯域を具現することができ、結果的に回路の占有面積を減少させることができる。

以上、本発明について好適な各実施例を中心に説明した。本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明がその本質的な特性から逸脱しない範囲で変形された形態で具現可能であることを理解できるだろう。したがって、開示された各実施例は、限定的な観点でなく説明的な観点で考慮しなければならない。本発明の範囲は、上述した説明ではなく特許請求の範囲に開示されており、それと同等な範囲内の全ての差異点は、本発明に含まれたものとして解釈しなければならない。

Claims (13)

1. 入力信号を増幅する電力増幅部と、
   前記電力増幅部と負荷との間でインピーダンスマッチングを行うマッチングネットワーク回路と、
   前記負荷に追加的に所定の電流を供給する補助増幅部と、
   前記負荷に追加的に供給される電流を断続するためのスイッチと、
   を含み、
   前記スイッチは、第１の周波数ではオフ状態に設定され、第２の周波数ではオン状態に設定されることを特徴とする多重帯域電力増幅器。
2. 前記補助増幅部から出力される電流の大きさと位相を変化させるための伝送線路をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の多重帯域電力増幅器。
3. 前記電力増幅部から前記負荷側を見たインピーダンスが前記第１の周波数と前記第２の周波数で同一であることを特徴とする、請求項１に記載の多重帯域電力増幅器。
4. 前記電力増幅部から前記負荷側を見たインピーダンスが前記第１の周波数と前記第２の周波数で同一になるように、前記補助増幅部から出力される電流が設定されることを特徴とする、請求項３に記載の多重帯域電力増幅器。
5. 前記補助増幅部のバイアス回路によって前記補助増幅部から出力される電流が設定されることを特徴とする、請求項４に記載の多重帯域電力増幅器。
6. 多重帯域電力増幅器において、
   入力信号を増幅する電力増幅部と、
   前記電力増幅部と負荷との間でインピーダンスマッチングを行うマッチングネットワーク回路と、
   前記負荷に追加的に所定の電流を供給する補助増幅部と、
   前記多重帯域電力増幅器の動作周波数帯域を選択する帯域選択部と、
   前記帯域選択部で選択された周波数帯域によって前記補助増幅部から出力される電流の大きさを調整するバイアス調整部と、を含むことを特徴とする多重帯域電力増幅器。
7. 前記補助増幅部から出力される電流の大きさと位相を変化させるための伝送線路をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の多重帯域電力増幅器。
8. 前記バイアス調整部は、前記補助増幅部のバイアスを調整し、前記補助増幅部から出力される電流の大きさを調整することを特徴とする、請求項６に記載の多重帯域電力増幅器。
9. 前記負荷に追加的に供給される電流を断続するためのスイッチをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の多重帯域電力増幅器。
10. 前記帯域選択部は、前記バイアス調整部が前記の選択された周波数帯域によって前記補助増幅部のバイアスを調整し、前記補助増幅部から出力される電流の大きさを調整するように制御する制御信号を生成することを特徴とする、請求項６に記載の多重帯域電力増幅器。
11. インピーダンスマッチング回路をさらに含み、前記帯域選択部は、前記の選択された周波数帯域によって前記インピーダンスマッチング回路のインピーダンスを調整するための制御信号を生成することを特徴とする、請求項６に記載の多重帯域電力増幅器。
12. 前記インピーダンスマッチング回路は、多段スイッチと、前記多段スイッチの各段と連結された互いに異なるインピーダンス素子と、からなり、前記制御信号は、前記多段スイッチを制御することによってインピーダンスを調整することを特徴とする、請求項１１に記載の多重帯域電力増幅器。
13. 前記インピーダンスマッチング回路は可変キャパシタを含み、前記制御信号は、前記可変キャパシタのキャパシタンスを調整することによってインピーダンスを調整することを特徴とする、請求項１１に記載の多重帯域電力増幅器。