JP5425316B2 - 出力モード切替え増幅器 - Google Patents

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Description

この発明は、高出力時と低出力時で出力モードを切り替える出力モード切替え増幅器に関する。
小型化と通話時間の伸張が強く求められる携帯電話端末では、電力増幅器の低消費電力化が望まれる。一般に、増幅器では飽和に近づく程、効率は高くなり、飽和から離れた低出力の状態では効率は低くなる。このため、バッテリの小型化や通話時間の面からは、できるだけ増幅器は効率の高い、飽和に近い状態で使用することが望まれている。
携帯電話では、端末から基地局までの距離が遠いときにはアンテナから大きな電力を空間に放射し、端末から基地局までの距離が近いときにはアンテナからの放射電力は小さくなる。このため、通常、増幅器はアンテナからの放射電力が最大となるときに備えてそのサイズが決定される。このため、基地局の近くで端末を使用したときには増幅器は飽和から離れた低出力の状態で動作することとなり、効率が低下するという課題があった。
この課題に対して、バイパス経路を設け、低出力時にはトランジスタを迂回する方法が提案されている(下記特許文献１)。この増幅器では、高出力時にはトランジスタによって入力信号の増幅を行い(増幅モード)、低出力時にはトランジスタと並列に接続されたバイパス経路によってトランジスタを迂回して信号を出力する(バイパスモード)。高出力時にはトランジスタで信号増幅ができるような電圧を、また、低出力時にはトランジスタがＯＦＦ状態となって信号増幅を行わないような電圧を電圧制御回路からトランジスタへと与えることによって、増幅モードとバイパスモードの切り替えを行う。従ってこの増幅器では、一般に効率が低下する低出力モードではトランジスタをＯＦＦ状態にして信号をバイパスさせるために、低出力時の消費電力を削減することができる。
特開２００５−２４４８６２号公報
従来の出力モード切替え増幅器では、送信信号周波数(基本波)に対するトランジスタのインピーダンス整合をトランジスタ入出力側およびバイパス経路に設けた整合回路を用いて行っており、送信信号の２倍高調波(２倍波)に対するインピーダンス整合を行っていない、あるいは、基本波インピーダンスの整合に使っていた整合回路のパラメータ組み合わせを共用することで２倍波インピーダンスの整合を行っていた。このため、基本波インピーダンスに対する整合と２倍波インピーダンスに対する整合を独立的に設定することが難しく、基本波インピーダンスおよび２倍波インピーダンスに対する整合を両者共に最適値へと設定することが難しく、増幅器の効率が低下する課題があった。
この発明は、基本波インピーダンスおよび２倍波インピーダンスに対する整合を最適な状態に設定することを可能とし、増幅器の効率を高めた出力モード切替え増幅器を提供することを目的とする。
この発明は、入力側の第１のノードと出力側の第２のノードの間に接続された信号増幅用のトランジスタと、前記第１のノードとトランジスタの間に接続され高域通過フィルタとして働く第１の整合回路と、前記第１のノードと第２のノードの間で前記トランジスタを迂回する低域通過フィルタとして働く第２の整合回路が挿入されたバイパス経路と、前記トランジスタにバイアス電圧を印加して、送信信号を前記トランジスタで増幅するか、送信信号を前記トランジスタでは増幅せず前記バイパス経路を経由して出力するかを切り替える電圧制御回路と、前記バイパス経路に接続された送信信号の２倍高調波を反射する２倍波反射回路と、前記バイパス経路において、前記第２のノードと前記２倍波反射回路の間に挿入接続されたマイクロストリップ線路と、を備えたことを特徴とする出力モード切替え増幅器にある。
この発明では、基本波インピーダンスおよび２倍波インピーダンスに対する整合を最適な状態に設定することを可能とし、増幅器の効率を高めた出力モード切替え増幅器を提供することができる。
この発明の実施の形態１による出力モード切替え増幅器の構成図を示す。 この発明の実施の形態２による出力モード切替え増幅器の構成図を示す。
以下、この発明による出力モード切替え増幅器を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、また重複する説明は省略する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による出力モード切替え増幅器の構成図を示す。図１において、入力側の第１のノード１０と出力側の第２のノード１２の間には、信号増幅用のトランジスタ３と、バイパス経路を構成する整合回路８とマイクロストリップ線路１５との直列回路とが並列に接続されている。またバイパス経路の整合回路８とマイクロストリップ線路１５との接続点である第３のノード１３には、２倍波反射回路１６が接続され、その先が電源端子となっている。
また増幅器の入力であるＲＦ入力端子１と第１のノード１０の間、第１のノード１０とトランジスタ３との間、および第２のノード１２と増幅器の出力であるＲＦ出力端子２の間には整合回路４，５，１４がそれぞれ直列に接続されている。電圧制御回路９はトランジスタ５や後述するスイッチにバイアス電圧を供給して動作の切り替え制御を行う。
図１の増幅器では、高出力時にはトランジスタ３によって入力信号の増幅を行い(増幅モード)、低出力時にはバイパス経路によってトランジスタ３を迂回して信号を出力する(バイパスモード)。増幅モードでは、トランジスタ３で信号増幅ができるようなバイアス電圧を、また、バイパスモードではトランジスタ３がＯＦＦ状態となって信号増幅を行わないようなバイアス電圧を電圧制御回路９からトランジスタ３へと与えることによって、増幅モードとバイパスモードの切り替えを行う。
また、バイパス経路に接続された２倍波反射回路１６は、基本波に対しては開放、２倍波に対してはほぼ短絡となるようなインピーダンスを有する。トランジスタ３から出力側を見た２倍波インピーダンスは、マイクロストリップ線路１５を経て２倍波反射回路１６に繋がる経路によって決定され、マイクロストリップ線路１５の長さによって、トランジスタ３から出力側を見た２倍波インピーダンスの反射位相角を決定する。つまり、マイクロストリップ線路１５はバイパス経路の一部をなすとともに、２倍波反射位相角を調整するための線路としても機能する。ここでは、トランジスタ３から出力側を見た２倍波インピーダンスを短絡に近い状態、例えば反射位相角(すなわち第２のノード１２からバイパス経路(２倍波反射回路１６を含む)を見た送信信号の２倍高調波のインピーダンス反射位相角)が１８０±４５ｄｅｇ以内となるように設定する。
一方、トランジスタ３から出力側を見た基本波インピーダンスは、整合回路１４によって決定される。第３のノード１３から２倍波反射回路１６を見た基本波インピーダンスは開放となるため、トランジスタ３からマイクロストリップ線路１５を経て２倍波反射回路１６に繋がる経路の基本波インピーダンスは、マイクロストリップ線路１５の長さが波長に比べて十分短いときにはほぼ開放となり、トランジスタ３から出力側を見た基本波インピーダンスには影響を与えない。
従って、この増幅器ではマイクロストリップ線路１５の長さによって、トランジスタ３から出力側を見た基本波インピーダンスに影響を与えることなく、２倍波インピーダンスの反射位相角のみを調整することができ、基本波インピーダンスおよび２倍波インピーダンスに対する整合をそれぞれ独立して最適化することが可能となり、増幅器の効率を高めることができる。
なお、この実施の形態において、トランジスタ３としてヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いても良い。また、２倍波反射回路１６の基本波インピーダンスは開放(反射位相角が０ｄｅｇ)ではなく、反射位相角(すなわち第３のノード１３から２倍波反射回路１６側を見た送信信号周波数でのインピーダンス反射位相角)が±３０ｄｅｇ以内であってもよい。
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２による出力モード切替え増幅器の構成図を示す。第１のノード１０と整合回路５の間、および第１のノード１０と整合回路８の間には例えば電圧制御回路９からのバイアス電圧の制御によりＯＮ／ＯＦＦ切り替えを行うそれぞれ第１のスイッチ１７、第２のスイッチ１８が挿入されている。また２倍波反射回路１６および各整合回路４，５，８，１４の構成の具体例が示されている。
図２の増幅器では、高出力時にはトランジスタ３によって入力信号の増幅を行い(増幅モード)、低出力時にはバイパス経路によってトランジスタ３を迂回して信号を出力する(バイパスモード)。増幅モードでは、電圧制御回路９によって、トランジスタ３で信号増幅ができるようなバイアス電圧がトランジスタ３に設定された上、スイッチ１７がＯＮ(通過)、スイッチ１８がＯＦＦ(開放)となるようなバイアス電圧が各スイッチに設定される。一方、バイパスモードでは、トランジスタ３がＯＦＦ状態となって信号増幅を行わないようなバイアス電圧が設定された上、スイッチ１７がＯＦＦ、スイッチ１８がＯＮとなるようなバイアス電圧が各スイッチに設定される。
整合回路４は、信号経路(信号線)とグラウンドの間に接続したスイッチ４ａとキャパシタ４ｂによって構成され、増幅モードとバイパスモードのどちらに対しても整合状態が維持できるように、電圧制御回路９のバイアス電圧制御によりスイッチ４ａの切り替えを行う。
整合回路１４は、信号線路に対して直列の線路１４ａ(例えばマイクロストリップ線路)と、並列のキャパシタ１４ｂによって構成され、出力側の基本波インピーダンスの整合を行う。
２倍波反射回路１６は、複数の並列のキャパシタ１６ａ，１６ｂと直列の線路１６ｃ(例えばマイクロストリップ線路)によって構成され、バイアス回路と共用する。２倍波反射回路１６の先には電源端子１９が接続されている。２倍波反射回路１６では、第３のノード１３から２倍波反射回路１６を見たインピーダンスとして、基本波では開放、２倍波では反射係数の振幅成分が１近くとなるような条件を作り出す。
整合回路５は、信号線路に対して直列のキャパシタ５ａ，５ｂと並列のインダクタ５ｃによって構成され、整合回路８はバイパス経路に対して直列に接続された高インピーダンス線路８ａによって構成される。整合回路５は高域通過フィルタとして働くために、周波数に対して位相が進む特性が得られ、整合回路８は低域通過フィルタとして働くために、周波数に対して位相が遅れる特性が得られる。
このためこの実施の形態では、増幅モードにける第１のノード１０からトランジスタ５を経て第２のノード１２に至る経路の通過位相と、バイパスモードにおける第１のノード１０からバイパス経路を経てノード１２に至る経路の通過位相の差を小さく、例えば±３０ｄｅｇ以内に設定することが可能となる。
また、トランジスタ３から出力側を見た２倍波インピーダンスは、マイクロストリップ線路１５を経て２倍波反射回路１６に繋がる経路によって決定され、マイクロストリップ線路１５の長さによって、トランジスタ３から出力側を見た２倍波インピーダンスの反射位相角を決定する。つまり、マイクロストリップ線路１５はバイパス経路の一部をなすとともに、２倍波反射位相角を調整するための線路としても機能する。ここでは、トランジスタ３から出力側を見た２倍波インピーダンスを短絡に近い状態、例えば反射位相角(すなわち第２のノード１２からバイパス経路(２倍波反射回路１６を含む)を見た送信信号の２倍高調波のインピーダンス反射位相角)が１８０±４５ｄｅｇ以内となるように設定する。
一方、トランジスタ３から出力側を見た基本波インピーダンスは、整合回路１４によって決定される。第３のノード１３から２倍波反射回路１６を見た基本波インピーダンスは開放となるため、トランジスタ３からマイクロストリップ線路１５を経て２倍波反射回路１６に繋がる経路の基本波インピーダンスは、マイクロストリップ線路１５の長さが波長に比べて十分短いときにはほぼ開放となり、トランジスタ３から出力側を見た基本波インピーダンスには影響を与えない。
従って、この増幅器ではマイクロストリップ線路１５の長さによって、トランジスタ３から出力側を見た基本波インピーダンスに影響を与えることなく、２倍波インピーダンスの反射位相角のみを調整することができ、基本波インピーダンスおよび２倍波インピーダンスに対する整合をそれぞれ独立して最適化することが可能となり、増幅器の効率を高めることができる。
なお、この実施の形態において、トランジスタ３としてヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いても良い。また、２倍波反射回路１６の基本波インピーダンスは開放(反射位相角が０ｄｅｇ)ではなく、反射位相角(すなわち第３のノード１３から２倍波反射回路１６側を見た送信信号周波数でのインピーダンス反射位相角)が±３０ｄｅｇ以内であってもよい。
産業上の利用の可能性
この発明による出力モード切替え増幅器は、種々の分野の増幅器に適用可能であり、相当の効果を奏する。
１ ＲＦ入力端子、２ ＲＦ出力端子、３ トランジスタ(信号増幅用)、４，５，８，１４ 整合回路、４ａ，１７，１８ スイッチ、４ｂ，５ａ，５ｂ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ キャパシタ、５ｃ インダクタ、８ａ 高インピーダンス線路、９ 電圧制御回路、１０ 第１のノード、１２ 第２のノード、１３ 第３のノード、１４ａ，１６ｃ 線路、１５ マイクロストリップ線路、１６ ２倍波反射回路、１９ 電源端子。

Claims (7)

  1. 入力側の第１のノードと出力側の第２のノードの間に接続された信号増幅用のトランジスタと、
    前記第１のノードとトランジスタの間に接続され高域通過フィルタとして働く第１の整合回路と、
    前記第１のノードと第２のノードの間で前記トランジスタを迂回する低域通過フィルタとして働く第２の整合回路が挿入されたバイパス経路と、
    前記トランジスタにバイアス電圧を印加して、送信信号を前記トランジスタで増幅するか、送信信号を前記トランジスタでは増幅せず前記バイパス経路を経由して出力するかを切り替える電圧制御回路と、
    前記バイパス経路に接続された送信信号の２倍高調波を反射する２倍波反射回路と、
    前記バイパス経路において、前記第２のノードと前記２倍波反射回路の間に挿入接続されたマイクロストリップ線路と、
    を備えたことを特徴とする出力モード切替え増幅器。
  2. 第１のノードとトランジスタの間に接続された第１のスイッチと、
    前記第１のノードとバイパス経路の間に接続された第２のスイッチと、
    を備え、
    電圧制御回路がさらに、送信信号を前記トランジスタに入力するかまたはバイパス経路へ入力するかを、前記第１のスイッチおよび第２のスイッチにバイアス電圧を印加して切り替えることを特徴とする請求項１に記載の出力モード切替え増幅器。
  3. 前記第２のノードと増幅器の出力端子の間に挿入接続された第３の整合回路、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の出力モード切替え増幅器。
  4. バイパス経路と２倍波反射回路の接続点である第３のノードから２倍波反射回路側を見た送信信号周波数でのインピーダンス反射位相角が±３０ｄｅｇ以内であることを特徴とする請求項１または２に記載の出力モード切替え増幅器。
  5. 第２のノードからバイパス経路を見た送信信号の２倍高調波のインピーダンス反射位相角が１８０±４５ｄｅｇ以内であることを特徴とする請求項１または２に記載の出力モード切替え増幅器。
  6. 前記第１の整合回路が、第１のノードとトランジスタの間に接続され信号経路に対して直列のキャパシタと並列のインダクタを含み、
    前記第２の整合回路が、高インピーダンス線路からなり、
    前記第１のノードから前記第１の整合回路、トランジスタを経由して第２のノードに至る第１の経路と、前記第１のノードからバイパス経路の前記第２の整合回路を経由して前記第２のノードに至る第２の経路の通過位相の差が３０ｄｅｇ以内であることを特徴とする請求項１または２に記載の出力モード切替え増幅器。
  7. トランジスタが、ヘテロ接合バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の出力モード切替え増幅器。
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