JP6184614B2 - ３ウェイ順次電力増幅器 - Google Patents

Description

この発明は、包括的には無線周波数(ＲＦ)電力増幅器(ＰＡ)に関し、より詳細には、広帯域ＲＦ信号用の３ウェイ順次電力増幅器(ＳＰＡ：sequential power amplifiers)に関する。

ＲＦ電力増幅器
ワイヤレス通信システムは、非常に高速のデータ速度での伝送のために、スペクトル効率が良く、複雑な変調を使用する。しかしながら、そのような変調は、結果として、非常に高い、例えば、６ｄＢより高いピーク対平均電力比(ＰＡＰＲ)を生成する。その結果、従来の無線周波数(ＲＦ)電力増幅器(ＰＡ)を用いて高いＰＡＰＲを有するＲＦ信号を伝送することは、従来のＰＡが低いＰＡＰＲの信号で動作するように設計されることから、平均効率の低下を招く。それゆえ、従来のシングルエンドＰＡでは、電力効率が著しく低下する。

ドハティ電力増幅器
広範な電力レベルにわたって、より高い効率を達成するＰＡアーキテクチャの１つは、ドハティ電力増幅器(ＤＰＡ)である。ＤＰＡは、ピーク電力において、より高い効率を達成できるだけでなく、ＰＡが最も高い確率で動作するバックオフした電力においても、より高い効率を達成できる。このようにして、ＤＰＡを用いて高いＰＡＰＲの信号を伝送することは、高い全体効率を有する。

図１は、従来技術のドハティＰＡを示す。特許文献１を参照されたい。そのＰＡは、分配器１０２と、キャリア増幅器(ＣＡ)１００と、ピーク増幅器(ＰＡ)１０１と、シンセサイザー１０３とを含む。分配器は、ＣＡ及びＰＡのための入力を与え、シンセサイザーはＣＡ及びＰＡの出力を合成する。入力は通常、ＲＦ信号１０５であり、出力はアンテナ１０６に接続することができる。

図２は、最低限の出力回路網を備える従来技術の３ウェイドハティ増幅器を示す。例えば、特許文献２を参照されたい。その３ウェイドハティ増幅器は、入力回路網２０３と、メイン増幅器(Ｍ)２００と、第１のピーク増幅器(Ｐ１)２０１と、第２のピーク増幅器(Ｐ２)２０２と、出力回路網２０４とを含む。その増幅器において、入力は、マイクロストリップ２０５の形をとる４分の１波長伝送線路を介して増幅器に直接送り込まれ、出力回路網は、３つの伝送線路からなる別の簡単な構造を用いて、出力に接続する。そのＤＰＡは、大きな電力バックオフ、例えば、１２ｄＢにおいて高い効率を有し、最適化された線形性及び全体効率を有する。しかしながら、その３ウェイＤＰＡは、より多くのインピーダンスインバーターを有し、それにより、ＤＰＡの動作帯域幅が大幅に狭くなる。

狭帯域幅
ＤＰＡは、高い動的電力レベルにわたって効率が高いという利点を有するが、固有の狭帯域幅も有する。ＤＰＡは、周波数に依存するコンポーネントであるＰＤＡ内の４分の１波長インピーダンスインバーターに主に起因して、狭い周波数帯域内でのみ動作することができる。幾つかの広帯域ＤＰＡは、狭帯域幅制約を克服することが知られている。しかしながら、広帯域ＤＰＡは一般に、全体利得が低く、より複雑である。したがって、従来のＤＰＡは、数多くの広帯域ワイヤレス適用例に適していない。

順次電力増幅器
２ウェイ順次電力増幅器(ＳＰＡ)は、高い平均電力効率を与える。動作を適切に制御し、メイン増幅器(低電力及び高電力の両方の領域においてオン)、及びピーク増幅器(低電力領域においてオフ、高電力領域においてオン)の出力を合成することによって、ＳＰＡは、動的な包絡線信号、すなわち、振幅が経時的に変化する信号を効率的に増幅することができる。

図３は、入力結合器３０３と、メイン増幅器３０１と、ピーク増幅器３０２と、出力結合器３０４とを含む従来の２ウェイＳＰＡを示す。この結合器は、図２のＤＰＡと比べて広い帯域幅を有する。

出力結合器の電力合成プロセスは、位相及び振幅合成の観点から解析することができる。所望の合成は、出力ポートにおける同相合成(０°(度)位相差)と、結合ポートにおける逆相相殺(１８０度差)とを必要とする。

ＳＰＡ出力結合器
図４は、メイン増幅器４０１及びピーク増幅器４０２からの電力を合成する２ウェイＳＰＡ出力結合器４００の信号フローを示す。出力結合器は、メイン増幅器の入力から出力４０３まで９０度遅延を有し、ピーク増幅器の入力から出力４０３まで１８０度遅延を有する。同相合成の場合、メイン増幅器及びピーク増幅器からの電力は９０度位相差を有する。結果として、出力４０３における位相は−１８０度である。ポート４０４における信号位相はメイン増幅器及びピーク増幅器から１８０度位相差を有する。それゆえ、１つの電圧レベルにおいて、振幅が同じであるとき、信号を完全に相殺することができ、すなわち、信号は同じ逆相振幅を有し、結果として、損失なく電力が合成される。他の電圧レベルでは、不完全な相殺に起因して、電力損が熱として常に放散される。結合係数α及びγを適切に選択し、ポート４０１におけるメイン増幅器とポート４０２におけるピーク増幅器との間の電力比を制御することによって、出力合成器は１つの特定の入力電圧比において無損失にすることができ、そのような電圧比は、１つの特定の出力電力レベルに対応する。無損失条件は以下のように表すことができる。

ただし、電圧比(voltage ratio)はメイン増幅器からの出力電圧Ｖ_ｍａｉｎと、ピーク増幅器からの出力電圧Ｖ_ｐｅａｋとの間の比を表し、ｘは出力結合器の結合係数(１０ｄＢ結合器の場合、ｘ＝１０)。位相関係は満たされることに留意されたい。メイン増幅器からの信号は、ピーク増幅器からの信号に対して９０度の位相遅延を有する。上記の無損失条件は、出力合成器が対応する電力レベルにおいて無損失であることを示す。

米国特許第８，７３６，３７５号明細書 米国特許第８，０２２，７６０号明細書

広い周波数帯域にわたって位相及び振幅を正確に合わせるという観点から、３ウェイＳＰＡのための実用的な受動合成回路網を設計することが課題である。

この発明の実施の形態は、３ウェイ順次電力増幅器(ＳＰＡ)を提供する。３ウェイＳＰＡ構造は従来の２ウェイＤＰＡの上記の狭帯域幅制約を克服する。さらに、提案される３ウェイＳＰＡは、高ＰＡＰＲ信号に高い平均効率を与える。

高ＰＡＰＲ信号を伝送するために、３ウェイ順次電力増幅器ＳＰＡの帯域幅を増大させ、効率を向上させることが、この発明の重要な特徴である。その３ウェイＳＰＡ構造は、従来の２ウェイＳＰＡより高ＰＡＰＲ信号に対して高い平均効率を与えるために、高い電力バックオフレベルにおいて高い効率を与える。

ＳＰＡの高い性能を達成するという課題は、最も確率が高い電力レベルにおいて無損失条件を満たす出力回路網内の出力結合器を設計することである。例えば、８．５ｄＢ ＰＡＰＲを有するＬＴＥ信号用のＳＰＡを設計するために、出力結合器は、中程度から高い電力範囲において合成損失を低くしなければならないだけでなく、８．５ｄＢ電力バックオフにおいて無損失にしなければならない。このようにして、高いＰＡＰＲのＬＴＥ信号に対する出力結合器の損失作用が最小限に抑えられる。

従来のドハティ増幅器のブロック図である。 従来の３ウェイドハティ増幅器のブロック図である。 従来の２ウェイＳＰＡのブロック図である。 ２ウェイＳＰＡのための従来の出力結合器のブロック図である。 この発明の実施の形態による３ウェイＳＰＡのブロック図である。 この発明の実施の形態による図５の３ウェイＳＰＡのための受動入力回路網の概略図である。 この発明の実施の形態による３ウェイＳＰＡの出力回路網において使用される広帯域結合器の概略図である。 この発明の実施の形態による３ウェイＳＰＡの出力回路網において使用される受動回路網の概略図である。 この発明の実施の形態によるドレイン効率及び電力バックオフの関数としての３ウェイＳＰＡのシミュレートされた性能のグラフである。

この発明の実施の形態は、広帯域動作と、メイン増幅器と２つのピーク増幅器との間の良好なアイソレーションとを有する３ウェイ順次電力増幅器(ＳＰＡ)を提供する。それゆえ、３ウェイＳＰＡは、ロングタームエボリューション(ＬＴＥ)、４Ｇ(ＬＴＥアドバンスト)及びワールドワイドインターオペラビリティフォーマイクロウェーブアクセス(ＷｉＭＡＸ：Worldwide Interoperability for Microwave Access：マイクロ波アクセスのための世界規模の相互運用)のような広帯域ワイヤレス通信のために使用することができる。

さらに、３ウェイＳＰＡの良好なアイソレーション特性は、信号の振幅が経時的に変化する場合の動的包絡線追跡のような、他の効率向上を含む。別の利点として、３ウェイＳＰＡは、より大きなＰＡＰＲ範囲、例えば、６ｄＢより大きな範囲にわたって高い平均効率を維持することができる。これは、増幅器への入力電力が一定であり、使用されない電力が熱として放散されるので、最大に近い振幅において増幅器を動作させることが最も効率的であるという理解に基づく。

図５は、この発明の実施の形態による３ウェイＳＰＡ５００のブロック図である。３ウェイＳＰＡは、メイン増幅器５０３、第１のピーク増幅器(ピーク１)５０４及び第２のピーク増幅器(ピーク２)５０５に接続される３ウェイ入力回路網６００を含み、それらの増幅器は更に３ウェイ出力回路網８００に接続される。入力回路網の入力ポート５０１のための入力信号は、振幅が経時的に変化する広帯域無線周波数(ＲＦ)信号５０１である。出力回路網の出力ポート５０７は、例えば、帯域外周波数を減衰させるバンドパスフィルターを介して、アンテナ５０６に接続することができる。出力回路網は、結合ポート５０８及び５０９も含む。

３ウェイＳＰＡ５００の接続性は以下のとおりである。入力回路網の出力が、メイン増幅器に接続され、入力信号から−９０°(度)の位相遅延を有する第１の出力信号と、第１のピーク増幅器に接続され、入力信号から−３６０度の位相遅延を有する第２の出力信号と、第２のピーク増幅器に接続され、入力信号から−２７０度の位相遅延を有する第３の出力信号とを含む。出力回路網の出力は、メイン増幅器、第１のピーク増幅器及び第２のピーク増幅器からの出力の同相合成である出力信号を含む。第１の結合ポート５０８は、メイン増幅器及び第１のピーク増幅器からの出力の逆相合成を有する。第２の結合ポート５０９は、メイン増幅器、第１のピーク増幅器及び第２のピーク増幅器からの出力の逆相合成を有する。

バイアス電圧、例えば、−１ボルト、−２ボルト及び−３ボルトが、増幅器がオン又はオフである時点を制御することができる。例えば、メイン増幅器は常にオンであり、ピーク増幅器は、本明細書において説明されるように、入力信号の振幅に応じて、オン及びオフに動的に切り替えられる。重要なのは、歪みを最小化するために低振幅信号及び高振幅信号を同等に増幅すること、及び最も高い確率、例えば、時間の８０％に及ぶ中央振幅を最も効率的に増幅することである。これは、１つには、出力ポート５０７に達する信号が同相であり、結合ポート５０８、５０９における信号が逆相であるように、信号の位相を制御することによって果たされる。図５は、後に更に詳細に説明されるような、種々の信号の例示的な電力割当て及び位相を示す。本明細書において説明される種々の信号の振幅に関する電力割当ては、１つには、入力信号を特徴付ける電力密度関数(ＰＤＦ：power density function)に基づく。最終目標は、最も効率的な動作を提供すること、言い換えると、最も高い確率密度を有する振幅において最も少ない電力損を提供することである。

入力信号５０１のための動作周波数は、例えば、全てのポートにおいて５０Ωのインピーダンスを有する通常のセルラーネットワーク及びマイクロ波の適用例の場合に、１ＧＨｚ以上の範囲にある。ＳＰＡは他の周波数及びインピーダンスにおいて動作できることは理解されたい。

現時点まで、３ウェイ入力回路網６００及び３ウェイ出力回路網８００の回路設計が複雑であることに起因して、３ウェイＳＰＡの実際の実施態様は図示、説明又は開示されてこなかったことに留意されたい。言い換えると、これまで、入力回路網及び出力回路網を実現する回路の詳細は知られていない。これら２つの回路網は、広い周波数範囲にわたる増幅器への適切な電力割当てだけでなく、メイン増幅器及びピーク増幅器の間の正確な位相合わせを提供しなければならない。

それゆえ、この発明の実施の形態は、３ウェイＳＰＡの実際の実施態様を初めて可能にするために、回路網６００及び８００の回路の詳細を提供する。

図６は、この発明の実施の形態による例示的な３ウェイ入力回路網６００の詳細を示す。その回路網は、第１の入力結合器６０１及び第２の入力結合器６０２を含む。これらの結合器の実際の電力比は、インピーダンス整合回路網内のマイクロストリップ６０３(４分の１波長伝送線路)の幾何学的形状と、マイクロストリップの実効的な幅、高さ及び長さ、マイクロストリップがエッチングされる基板の比誘電率、並びにインピーダンス及び位相遅延のような結合器の電気的特性を含む設計パラメーターとともに、特定の適用例において用いられるトランジスタ電力デバイスによって決まる。好ましい実施の形態では、結合器は３ｄＢ結合器である。

回路網６００の出力は、メイン増幅器５０３、第１のピーク増幅器５０４及び第２のピーク増幅器５０５に接続される。電力及び位相情報は図に示される。例えば、回路網への入力は０ｄＢ及び０度のＲＦ入力信号６０４である。メイン増幅器５０３は、−３ｄＢ電力及び−９０度位相の電圧を有する。２つの３ｄＢ結合器間の接合部６０５における電力及び位相は−３ｄＢ及び−１８０度である。第１のピーク増幅器５０４及び第２のピーク増幅器５０５の場合に、電圧の位相はそれぞれ−３６０度及び−２７０度である。

図７は、この発明の実施の形態による、３ウェイＳＰＡの出力回路網において使用される例示的な広帯域結合器を示す。広帯域結合器は、２つの入力ポート７０１及び７０２を有する。結合器は、ポート７０１と７０３との間で２７０度の位相遅延を有する。３ウェイＳＰＡに対してこの広帯域結合器を使用するために、２つの入力信号は９０度の位相差を有する必要がある。例えば、ポート７０１が−９０度位相を有し、ポート７０２が０度を有する場合には、出力７０３は０度の位相を有する。ポート７０１が０度の位相を有し、ポート７０２が９０度の位相を有する場合には、出力７０３は−２７０度の位相を有する。結合器は結合ポート７０４を有する。ポート７０４に送り込まれる信号は１８０度の差を有し、それゆえ、合成信号は逆相である。理想的な１０ｄＢ結合器の場合、α＝９０％及びγ＝１０％である。これは、ポート７０１からの電力の９０％がポート７０３に向けられ、電力の１０％がポート７０４に結合されることを意味する。

図８は、３ウェイ出力回路網８００を示す。その回路網は第１の出力結合器８０６及び第２の出力結合器８０９を含む。これらの結合器は、低い結合係数、例えば、１０ｄＢを有する。

メイン増幅器５０３及びピーク１増幅器５０４は、第１の出力結合器８０６の２つの入力ポート８０２及び８０１にそれぞれ接続される。メイン増幅器からの位相は−９０度であり、ピーク１増幅器からの位相は−３６０度(又は０度)であり、入力位相と同じである。これらの入力は９０度の位相差を有し、その位相差は、３ウェイＳＰＡの適切な合成がポート８０４における同相合成であるという出力の位相要件を満たすことに留意されたい。

結合ポート５０８は、第１の出力結合器８０６の第１の出力であり、結合ポート５０９は広帯域結合器８０９のための結合ポートである。ポート８０４は、第１の広帯域結合器８０６の出力直接ポートであり、−３６０度(又は０度)の位相を有する。ポート８０３は、−２７０度(又は９０度)の位相でピーク２増幅器に接続される。出力ポート５０７は、バンドパスフィルターを介してアンテナ８０９に接続することができる。

この発明の１つの洞察は、出力ポート５０７における信号の振幅を最大化し、ポート５０８及び５０９における信号の振幅を最小化することである。これは、ポート５０７における合成信号が同相であり、結合ポート５０８、５０９における合成信号が逆相であるようにすることによって果たすことができる。

ＳＰＡ内の各増幅器の出力電圧振幅の設計パラメーター及び厳密な結合比が、トランジスタデバイスの電力レベルの最適化を通して標準的に決定され、デバイスサイズ、並びに供給電圧、及び信号の統計的な側面、例えば、ＰＡＰＲによって実際に決定される。ピーク１増幅器及びピーク２増幅器が厳密にオンに切り替わる位置は、バイアス供給電圧、入力電力レベル及びデバイスしきい値電圧によって制御される。図６及び図８は、３ウェイＳＰＡにおける厳密な位相関係を満たす広帯域結合器のための実施態様を示す。

図９は、増幅器設計のための通常のトランジスタモデルによる、３ウェイＳＰＡのための電力バックオフの関数としてのドレイン効率の実験結果を示す。ピーク１増幅器及びピーク２増幅器は、ピーク電力から９ｄＢバックオフ及び４ｄＢバックオフにおいてオンに切り替わるように設計される。電力レベルは、例えば、ピーク１増幅器及びピーク２増幅器におけるゲートバイアス電圧によって制御することができる。このようにして、３ウェイＳＰＡは、８．８ｄＢ電力バックオフにおいて４９％の効率を提供し、ＬＴＥ信号は８．５ｄＢより高いＰＡＰＲ要件を有するので、そのＳＰＡは増幅器のＬＴＥ信号に適している。

この発明は、好ましい実施の形態を例として説明されてきたが、この発明の趣旨及び範囲内で種々の他の適応形態及び変更形態を実施できることは理解されたい。それゆえ、添付の特許請求の範囲の目的は、この発明の真の趣旨及び範囲内に入るような全ての変形形態及び変更形態を含むことである。

この発明の３ウェイ順次電力増幅器(ＳＰＡ)は、数多くの種類の分野におけるシステムに適用可能である。

Claims (6)

1. ３ウェイ順次電力増幅器(ＳＰＡ)であって、
   入力信号を受信するように構成される入力回路網であって、前記入力信号は、振幅が経時的に変化する広帯域無線周波数(ＲＦ)信号である、入力回路網と、
   メイン増幅器と、
   第１のピーク増幅器と、
   第２のピーク増幅器と、
   前記メイン増幅器、前記第１のピーク増幅器及び前記第２のピーク増幅器の出力に接続される出力回路網と、
   を備え、
   前記入力回路網の出力は、
   前記メイン増幅器に接続され、前記入力信号から−９０度の位相遅延を有する第１の出力信号と、
   前記第１のピーク増幅器に接続され、前記入力信号から−３６０度の位相遅延を有する第２の出力信号と、
   前記第２のピーク増幅器に接続され、前記入力信号から−２７０度の位相遅延を有する第３の出力信号と、
   を含み、前記出力回路網の出力は、
   前記メイン増幅器、前記第１のピーク増幅器及び前記第２のピーク増幅器からの前記出力の同相合成である広帯域出力信号と、前記メイン増幅器及び前記第１のピーク増幅器の前記出力の逆相合成を有する第１の結合ポートと、前記メイン増幅器、前記第１のピーク増幅器及び前記第２のピーク増幅器からの前記出力の逆相合成を有する第２の結合ポートとを含む、３ウェイ順次電力増幅器。
2. ピーク対平均電力比(ＰＡＰＲ)が８ｄＢより大きい、請求項１に記載の３ウェイ順次電力増幅器。
3. 前記入力回路網は、第１の入力結合器と、第２の入力結合器と、を更に備え、
   前記第１の入力結合器への入力は前記入力信号であり、前記第１の入力結合器の出力は、前記入力信号に対して−９０度の位相遅延を有し、前記メイン増幅器に接続される入力と、前記入力信号に対して−１８０度の遅延を有する第２の入力結合器への入力とを含み、
   前記第２の入力結合器の出力は、前記入力信号に対して−３６０度の位相遅延を有する前記第１のピーク増幅器への入力と、前記入力信号に対して−２７０度の遅延を有する前記第２のピーク増幅器への出力とを含む、請求項１に記載の３ウェイ順次電力増幅器。
4. 前記出力回路網は、第１の出力結合器と、第２の出力結合器と、を更に備え、
   前記第１の出力結合器への入力は、前記第１のピーク増幅器の出力と、前記メイン増幅器の出力とを含み、前記第１の出力結合器の出力は、第１の結合ポートに接続される逆相信号と、前記入力信号に対して−３６０度の位相遅延を有する前記第２の出力結合器への入力とを含み、
   前記第２の出力結合器への入力は、前記入力信号に対して−２７０度の遅延を有する前記第２のピーク増幅器の出力を含み、前記第２の出力結合器の出力は、前記広帯域出力信号と、第２の結合ポートに接続される逆相信号とを含む、請求項１に記載の３ウェイ順次電力増幅器。
5. 前記メイン増幅器が常にオンであり、前記第１のピーク増幅器及び前記第２のピーク増幅器はバイアス電圧によって動的に制御される、請求項１に記載の３ウェイ順次電力増幅器。
6. 前記メイン増幅器、前記第１のピーク増幅器及び前記第２のピーク増幅器に割り当てられる電力は、前記入力信号を特徴付ける電力密度関数に従って決定される、請求項１に記載の３ウェイ順次電力増幅器。

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