JP5678768B2

JP5678768B2 - 増幅装置

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Publication number: JP5678768B2
Application number: JP2011073790A
Authority: JP
Inventors: 純貴大竹
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2012209757A

Description

本発明は増幅装置に関し、特に高効率で高出力の増幅器を実現するドハティ型増幅器に関する。

図７は本発明に関連するドハティアンプの基本回路を示す図である。図７を参照すると、ＲＦ入力端子１１１から供給された高周波信号は２分岐されて、一方はキャリアアンプ１０１へ入力される。このキャリアアンプ１０１はＡ級、ＡＢ級またはＢ級にバイアスされた増幅器であり、このキャリアアンプ１０１により増幅された信号は伝送線路１０７及び１０８を介してＲＦ出力端子１１２に供給される。他方は伝送線路１０６を介してピークアンプ１０２へ入力される。このピークアンプ１０２はＣ級にバイアスされた増幅器であり、このピークアンプ１０２により増幅された信号は伝送線路１０８を介してＲＦ出力端子１１２に供給される。

また、特許文献１には、ピークアンプを複数用いたドハティアンプが開示されている。

特開２００８−１９９６２５号公報

図８は図７のドハティアンプの特性を示す図である。図８に示すように、飽和電力に対して６ｄＢ低い出力レベルで最高効率が得られる。ピーク電力対平均電力の比が６ｄＢ以上必要な信号を増幅する場合、飽和電力に対してバックオフを６ｄＢより大きく取って増幅するため、最高効率が得られなくなる。例えば、ＤＶＢ−Ｔ信号のようにピーク電力対平均電力の比が８ｄＢ程度の信号を増幅する場合、理論効率は７８．５％から６２．３％へ低下する。

また、特許文献１には、上述したようにピークアンプを複数用いて高効率ドハティアンプを実現することが記載されている。しかしながら、特許文献１は、複数のピークアンプを用いるものの、これら複数のピークアンプの出力をまず合成してからキャリアアンプの出力と合成する構成を開示しない。特許文献１とは異なる構成で高効率ドハティアンプを実現することも望まれる。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、より高効率で動作することができる増幅装置を提供することにある。

本発明による増幅装置は、入力信号を２分岐した一方の信号をＡ，ＢまたはＡＢ級増幅するキャリア増幅器と、前記２分岐した他方の信号に対して並列に設けられＣ級増幅する複数のピーク増幅器とを含み、前記複数のピーク増幅器の出力の合成に９０°ハイブリッドカプラを用い、前記９０°ハイブリッドカプラによる前記複数のピーク増幅器の合成出力と前記キャリア増幅器の出力とを負荷に供給するようにしたことを特徴とする。

本発明による増幅装置は、入力信号を２分岐した一方の信号をＡ，ＢまたはＡＢ級増幅するキャリア増幅器と、前記２分岐した他方の信号を２分岐して出力する第１の９０°ハイブリッドカプラと、前記９０°ハイブリッドカプラの出力をそれぞれＣ級増幅する第１及び第２のピーク増幅器と、前記第１及び第２のピーク増幅器の出力を合成して出力する第２の９０°ハイブリッドカプラとを含み、前記第２の９０°ハイブリッドカプラの出力と前記キャリア増幅器の出力とを負荷に供給するようにしたことを特徴とする。

本発明による増幅装置は、入力信号を２分岐した一方の信号をＡ，ＢまたはＡＢ級増幅するキャリア増幅器と、前記２分岐した他方の信号を２分岐して出力する第１の９０°ハイブリッドカプラと、前記第１の９０°ハイブリッドカプラの出力をそれぞれ２分岐して出力する第２及び第３の９０°ハイブリッドカプラと、前記第２の９０°ハイブリッドカプラの出力をそれぞれＣ級増幅する第１及び第２のピーク増幅器と、前記第３の９０°ハイブリッドカプラの出力をそれぞれＣ級増幅する第３及び第４のピーク増幅器と、前記第１及び第２のピーク増幅器の出力を合成して出力する第４の９０°ハイブリッドカプラと、前記第３及び第４のピーク増幅器の出力を合成して出力する第５の９０°ハイブリッドカプラと、前記第４及び第５の９０°ハイブリッドカプラの出力を合成して出力する第６の９０°ハイブリッドカプラとを含み、前記第６の９０°ハイブリッドカプラの出力と前記キャリア増幅器の出力とを負荷に供給するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、より高効率で動作することができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態による増幅装置の構成を示す図である。図１の増幅装置の特性を示す図である。本発明の第２の実施の形態による増幅装置の構成を示す図である。図３のスタブに応じて変化するＺ_P の軌跡を示すスミスチャートである。本発明の第３の実施の形態による増幅装置の構成を示す図である。図５の増幅装置の特性を示す図である。本発明に関連するドハティアンプの基本回路を示す図である。図７のドハティアンプの特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明による増幅装置の概要について説明する。本発明による増幅装置は、入力信号を２分岐した一方の信号をＡ，ＢまたはＡＢ級増幅するキャリア増幅器と、２分岐した他方の信号に対して並列に設けられＣ級増幅する複数のピーク増幅器とを含み、これら複数のピーク増幅器の出力の合成に９０°ハイブリッドカプラを用い、９０°ハイブリッドカプラによる複数のピーク増幅器の合成出力とキャリア増幅器の出力とを負荷に供給する。

本発明による増幅装置は、９０°ハイブリッドカプラを通して複数のピーク増幅器が１つのピーク増幅器のように振る舞い、飽和電力を大きくすることができるので、より高効率で動作することができる。

図１は本発明の第１の実施の形態による増幅装置の構成を示す図であり、図２は図１の増幅装置の特性を示す図である。図１に示す回路は１対２のドハティアンプであり、電力増幅器に備えられ、入力されたＲＦ信号を増幅する役割を担っている。図１において、キャリアアンプ１はＡ級、ＡＢ級またはＢ級にバイアスされた増幅器であり、その出力は伝送線路８を介して伝送線路９に接続される。伝送線路８及び９は信号の１／４波長の長さを有する伝送線路であり、ドハティアンプにおいてインピーダンス変成器の役割を担っている。

ピークアンプ２及び３はＣ級にバイアスされた増幅器であり、その出力は９０°ハイブリッドカプラ５に接続される。９０°ハイブリッドカプラ５の出力は接点１０を介して伝送線路８及び９に接続されている。９０°ハイブリッドカプラ５に吸収抵抗は接続しない。ピークアンプ２及び３の入力は９０°ハイブリッドカプラ４に接続されている。９０°ハイブリッドカプラ４は、ピークアンプ２及び３の出力が９０°ハイブリッドカプラ５で合成できるような位相差で信号を分配する役割を担っている。

ＲＦ入力端子１１は伝送線路７を介してキャリアアンプ１の入力に接続され、かつ伝送線路６を介して９０°ハイブリッドカプラ４に接続されている。キャリアアンプ１を通る信号と、ピークアンプ２及び３を通る信号が接点１０にて位相が合うように、伝送線路６及び７の長さは調整されている。吸収抵抗１３は、９０°ハイブリッドカプラ４で分配されたＲＦ信号がピークアンプ２及び３で反射してきた場合に吸収する役割を担っている。

次に、本実施形態の動作について説明する。まず、キャリアアンプ１の動作について説明する。ＲＦ入力端子１１から入力されたＲＦ信号は、伝送線路７を介してキャリアアンプ１に入力され増幅される。増幅された信号は、伝送線路８及び９を通ってＲＦ出力端子１２に出力される。キャリアアンプ１の負荷は、伝送線路８及び９の特性インピーダンスと、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見込んだインピーダンスＺ_P によって決まる。ドハティアンプとして動作させる場合、入力ＲＦ信号のレベルが低くピークアンプ２及び３がオフしている領域（図２の領域Ａ）ではＺ_P がハイインピーダンス、入力ＲＦ信号のレベルが高くピークアンプ２及び３がオンして飽和レベル付近で動作している領域（図２の領域Ｂ）ではＺ_P がハイインピーダンスから５０Ωに遷移し、飽和レベルで動作しているときにＺ_P が５０Ωとなるのが一般的である。

次に、ピークアンプ２及び３の動作について説明する。ＲＦ入力端子１１から入力され伝送線路６を介して９０°ハイブリッドカプラ４に入力されたＲＦ信号は、ピークアンプ２及び３に等分配される。ピークアンプ３側に分配されたＲＦ信号の位相は、ピークアンプ２側に分配された信号に対し−９０°の位相になっている。ピークアンプ２及び３で増幅されたＲＦ信号は９０°ハイブリッドカプラ５で合成され、位相の関係から接点10側へ出力される。

伝送線路６及び７で位相が調整されていれば、キャリアアンプ１とピークアンプ２及び３で増幅された信号は接点１０で合成され、伝送線路９を通して負荷１４に供給される。

ここで、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見たときのインピーダンスＺ_P を考える。接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見たときのインピーダンスＺ_P は、ピークアンプ２及び３の動作レベルによって変わる。入力ＲＦ信号の振幅が小さくピークアンプ２及び３がオフになっているときは、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見たインピーダンスＺ_P はハイインピーダンスに見える。入力ＲＦ信号の振幅が大きくピークアンプ２及び３がオンし飽和レベルで動作しているとき、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見たときのインピーダンスＺ_P は５０Ωになっている。以上のように、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見込んだインピーダンスＺ_P はドハティアンプとして必要な要件を満たしている。

ピークアンプ２及び３の合計出力は増幅器２個分であるため、この回路は１対２のドハティアンプとして動作し、飽和電力を１．８ｄＢ伸ばすことができる。このため、出力レベルに対する効率の曲線は図２に示すようになり、飽和電力に対してバックオフ７．８ｄＢで最高効率を得られる。

図２に示すように、飽和電力に対してバックオフ７．８ｄＢで最高効率を得られるようになるため、ＤＶＢ−Ｔ信号やＩＳＤＢ−Ｔ信号のようにピーク電力と平均電力の差が大きい信号を増幅するときの電力効率が改善する。電力効率が改善することで、増幅器の冷却システムを簡素化できたり消費電力を削減することができる。

また、本実施形態は、特許文献１と異なり、まずピークアンプ２及び３の出力が９０°ハイブリッドカプラ５により合成され、そしてキャリアアンプ１の出力と合成されて負荷１４に供給される構成により、高効率ドハティアンプを実現している。

図３は本発明の第２の実施の形態による増幅装置の構成を示す図であり、図４は図３のスタブ１５に応じて変化するＺ_P の軌跡を示すスミスチャートである。図３に示す構成では、図１に示す構成に対してスタブ１５を追加している。スタブ１５の長さを調整することで、図４に示すように接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見込んだインピーダンスＺ_P の値を容易にコントロールできる利点がある。

接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見込んだインピーダンスＺ_P をスタブ１５でコントロールできる理由を以下に説明する。ピークアンプ２及び３がオフの状態で、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５へＲＦ信号を入力した場合、分配された信号はピークアンプ２とピークアンプ３へ進むが、どちらもオフでハイインピーダンスとなっているため、ＲＦ信号はスタブ１５側へ反射する。スタブ１５は方端が開放のため、ＲＦ信号はスタブ１５の開放端で反射して再び９０°ハイブリッドカプラ５へ戻るが、ピークアンプ２及び３で反射されて接点１０側へ戻る。

このような反射経路を取るため、スタブ１５の長さによって反射波の位相が変わる。つまり、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見込んだインピーダンスＺ_P が変わって見えることになる。実際の設計では、接点１０と９０°ハイブリッドカプラ５を結ぶ線路で位相が回ってしまうため、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見込んだインピーダンスＺ_P は必ずしもハイインピーダンスにならず、図４のスミスチャートに示す軌跡のどこかで値を取る。これをハイインピーダンスにするためには、接点１０と９０°ハイブリッドカプラ５を結ぶ線路長を調整する必要があるが、両端が接続されている線路の長さを調整するのは難しい。スタブ１５のように方端が開放されている線路であれば、線路を付けたりカットしたりするだけなので、調整が容易である。

図５は本発明の第３の実施の形態による増幅装置の構成を示す図であり、図６は図５の増幅装置の特性を示す図である。図５に示す構成は、ピーク電力対平均電力の比がさらに大きい信号、例えばＩＳＤＢ−Ｔのような信号を増幅する場合に効率を改善させることを目的とした構成である。

図５において、ＲＦ入力端子１１から入力され伝送線路６を介して９０°ハイブリッドカプラ４に入力されたＲＦ信号は、９０°ハイブリッドカプラ２０及び２４に等分配される。９０°ハイブリッドカプラ２０は入力信号をピークアンプ２及び３に等分配し、９０°ハイブリッドカプラ２４は入力信号をピークアンプ２２及び２３に等分配する。ピークアンプ２及び３の出力は９０°ハイブリッドカプラ２１により合成され、ピークアンプ２２及び２３の出力は９０°ハイブリッドカプラ２５により合成される。

９０°ハイブリッドカプラ２１及び２５の出力は９０°ハイブリッドカプラ５により合成される。９０°ハイブリッドカプラ５の出力とキャリアアンプ１の出力は接点１０で合成され、伝送線路９を通して負荷１４に供給される。９０°ハイブリッドカプラ５，２１及び２５に吸収抵抗は接続されていない。

図１の例と同様に、ピークアンプ２，３，２２及び２３がオフのときは、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見たインピーダンスＺ_P はハイインピーダンスに見える。また、図１の例と同様に、ピークアンプ２，３，２２及び２３がオンし飽和レベルで動作しているとき、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見たインピーダンスＺ_P は５０Ωに見える。以上のように、接点１０から９０°ハイブリッドカプラ５を見込んだインピーダンスＺ_P はドハティアンプとして必要な要件を満たしているため、この回路はドハティアンプとして動作することがわかる。

ピークアンプ２，３，２２及び２３の合計出力は増幅器４個分であるため、この回路は１対４のドハティアンプとして動作し、飽和電力を４．０ｄＢ伸ばすことができる。このため、出力レベルに対する効率の曲線は図６のようになり、飽和電力に対して１０ｄＢ低いレベルで最高効率を得られる。

増幅したい信号のピーク電力対平均電力の比に応じてピークアンプの平列数を変えれば、所望の信号に対して最高効率が得られるドハティアンプを構成することができる。また、図３の例と同様に、図５の９０°ハイブリッドカプラ５，２１及び２５にスタブを接続するようにしてもよい。

１，１０１キャリアアンプ
２，３，２２，２３，１０２ピークアンプ
４，５，２０，２１，２４，２５９０°ハイブリッドカプラ
６〜９，１０６〜１０８伝送線路
１０，１１０接点
１１，１１１ＲＦ入力端子
１２，１１２ＲＦ出力端子
１３，２６，２７吸収抵抗
１４負荷
１５スタブ

Claims

入力信号を２分岐した一方の信号をＡ，ＢまたはＡＢ級増幅するキャリア増幅器と、
前記２分岐した他方の信号に対して並列に設けられＣ級増幅する複数のピーク増幅器とを含み、
前記複数のピーク増幅器の出力の合成に９０°ハイブリッドカプラを用い、前記９０°ハイブリッドカプラによる前記複数のピーク増幅器の合成出力と前記キャリア増幅器の出力とが接点で合成され、合成された信号を負荷に供給するようにしたことを特徴とする増幅装置。
入力信号を２分岐した一方の信号をＡ，ＢまたはＡＢ級増幅するキャリア増幅器と、
前記２分岐した他方の信号を２分岐して出力する第１の９０°ハイブリッドカプラと、
前記９０°ハイブリッドカプラの出力をそれぞれＣ級増幅する第１及び第２のピーク増幅器と、
前記第１及び第２のピーク増幅器の出力を合成して出力する第２の９０°ハイブリッドカプラとを含み、
前記第２の９０°ハイブリッドカプラの出力と前記キャリア増幅器の出力とが接点で合成され、合成された信号を負荷に供給するようにしたことを特徴とする増幅装置。
入力信号を２分岐した一方の信号をＡ，ＢまたはＡＢ級増幅するキャリア増幅器と、
前記２分岐した他方の信号を２分岐して出力する第１の９０°ハイブリッドカプラと、
前記第１の９０°ハイブリッドカプラの出力をそれぞれ２分岐して出力する第２及び第３の９０°ハイブリッドカプラと、
前記第２の９０°ハイブリッドカプラの出力をそれぞれＣ級増幅する第１及び第２のピーク増幅器と、
前記第３の９０°ハイブリッドカプラの出力をそれぞれＣ級増幅する第３及び第４のピーク増幅器と、
前記第１及び第２のピーク増幅器の出力を合成して出力する第４の９０°ハイブリッドカプラと、
前記第３及び第４のピーク増幅器の出力を合成して出力する第５の９０°ハイブリッドカプラと、
前記第４及び第５の９０°ハイブリッドカプラの出力を合成して出力する第６の９０°ハイブリッドカプラとを含み、
前記第６の９０°ハイブリッドカプラの出力と前記キャリア増幅器の出力とが接点で合成され、合成された信号を負荷に供給するようにしたことを特徴とする増幅装置。
前記合成を行う前記９０°ハイブリッドカプラのアイソレーション端子は開放状態にあることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の増幅装置。
前記合成を行う前記９０°ハイブリッドカプラのアイソレーション端子にオープンスタブが接続されることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の増幅装置。