JP6273741B2 - 電力増幅器、及び電力増幅器による制御方法 - Google Patents
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Description
特許文献1には、高い電力効率を持つ電力増幅器の1つであるドハティ増幅器に関する技術が記載されている。
本発明の電力増幅器1は、図1で示すように、少なくとも、入力分岐回路10と、出力合成回路20と、出力整合回路30とを備える。
ここで、入力分岐回路10は、π型分布定数回路を備え、入力信号をメイン増幅器と補助増幅器とへ分配する機能部である。
出力合成回路20は、π型分布定数回路を備え、メイン増幅器の出力信号と補助増幅器の出力信号とを合成する機能部である。
出力整合回路30は、π型分布定数回路を備え、出力合成回路20と出力負荷との間で整合をとる機能部である。
図2は、本発明の第一の実施形態による電力増幅器1の構成を示す図である。
図2で示すように、第一の実施形態による電力増幅器1は、図1で示した電力増幅器1の最小構成を示す機能に加え、さらにメイン増幅器40と、補助増幅器50と、入力端子INと、出力端子OUTとを備える。また、第一の実施形態による電力増幅器1の出力端子OUTにはインピーダンスがZ0である出力負荷60が接続されている。
第一の伝送線路101は、特性インピーダンスが√2×(出力負荷60のインピーダンスZ0)であり、長さが(自身の伝送線路上の波長)÷8である。なお、(√2)はルート2である。
オープンスタブ102aと102bのそれぞれは、特性インピーダンスが√2×(出力負荷60のインピーダンスZ0)であり、長さが(第一の伝送線路101上の波長)÷8である。また、オープンスタブ102aと102bのそれぞれは、第一の伝送線路101の両端に1つずつ接続されている。
入力分岐回路10が備えるπ型分布定数回路は、第一の伝送線路101と、2つのオープンスタブ102a、102bとから成っている。
第二の伝送線路201は、特性インピーダンスが√2×(出力負荷60のインピーダンスZ0)であり、長さが(自身の伝送線路上の波長)÷8である。
オープンスタブ202aと202bのそれぞれは、特性インピーダンスが√2×(出力負荷60のインピーダンスZ0)であり、長さが(第二の伝送線路201上の波長)÷8である。また、オープンスタブ202aと202bのそれぞれは、第二の伝送線路201の両端に1つずつ接続されている。
出力合成回路20の備えるπ型分布定数回路は、第二の伝送線路201と、2つのオープンスタブ202a、202bとから成っている。
第三の伝送線路301は、特性インピーダンスが(出力負荷60のインピーダンスZ0)であり、長さが(自身の伝送線路上の波長)÷8である。
オープンスタブ302aと302bのそれぞれは、特性インピーダンスが(出力負荷60のインピーダンスZ0)であり、長さが(第三の伝送線路301上の波長)÷8である。また、オープンスタブ302aと302bのそれぞれは、第三の伝送線路301の両端に1つずつ接続されている。
出力整合回路30の備えるπ型分布定数回路は、第三の伝送線路301と、2つのオープンスタブ302a、302bとから成っている。
補助増幅器50は、大電力出力時にのみ増幅動作を行う機能部である。補助増幅器50は、多くの場合においてC級にバイアスされている。ただし、補助増幅器50は、C級の増幅器に限定するものではない。
出力負荷60は、出力整合回路30が駆動する負荷である。
次に、第一の実施形態による電力増幅器1が備えるπ型分布定数回路が、設計周波数f0において関連するドハティ増幅器の備える(1/4)波長伝送線路と等価となるパラメータが存在することを説明する。
なお、図3には、関連するドハティ増幅器の備える(1/4)波長伝送線路が参考として同時に示されている。
なお、この図において、Zはインピーダンスである。また、l(エル)は電気長である。また、添え字のTは伝送線路、添え字のosはオープンスタブを示している。さらに、添え字の後に記載されている数字とアルファベットは、素子番号を示している。
したがって、図3で示したπ型分布定数回路のFパラメータは、オープンスタブ17a、伝送線路16、オープンスタブ17bのそれぞれのFパラメータを表す式(4)〜(6)を用いて、式(7)で表すことができる。
式(8)と式(9)のFパラメータの各要素を等しいと置くと、式(10)〜(13)が成り立つ。
この場合、式(10)の左辺は、式(14)となり、式(10)を満足する。
なお、本発明の第一の実施形態による電力増幅器1が備えるπ型分布定数回路は、設計周波数f0に対してlT16=los17a=los17b=λg÷8、ZT16=Zos17a=Zos17b=√2×Z0となるように設計されているものとする。
例えば、式(4)で示した周波数2f0の信号に対するオープンスタブ17aのFパラメータは、式(18)で表すことができる。
この式(18)のCos17a_2f0は、出力端開放伝達アドミタンスである。式(18)のCos17a_2f0は、オープンスタブ17aが周波数2f0の信号に対して無限大のアドミタンスであることを示している。そして、周波数2f0の信号は、オープンスタブ17aの出力端において全反射することを意味している。
したがって、メイン増幅器40や補助増幅器50で用いられているトランジスタから発生する設計周波数の二次高調波成分は、オープンスタブ102a、102b、202a、202b、302a、302bによって抑制される。その結果、電力増幅器1において二次高調波に起因する損失が低減し、電力増幅器1は消費電力や他の周波数帯へのスプリアスを低減することができる。
この図では、第一の実施形態による電力増幅器1の入力分岐回路10、出力合成回路20、出力整合回路30と、ドハティ増幅器の入力分岐回路、出力合成回路、出力整合回路との比較が示されている。
第一の実施形態による電力増幅器1の入力分岐回路、出力合成回路、出力整合回路それぞれの入出力間の長さはλg÷8であり、ドハティ増幅器の入力分岐回路、出力合成回路、出力整合回路それぞれの入出力間の長さであるλg÷4の半分である。この入出力間の長さは、信号の波長に依存するため設計周波数が低くなるにつれ絶対値として大きく影響する。
なお、ドハティ増幅器の入力分岐回路、出力合成回路、出力整合回路で使用される(1/4)波長伝送線路の形状は、直線に限らず、折り曲げや曲線でもよく、実効的な面積は小さくできる。また、同様に、本発明の電力増幅器1の入力分岐回路、出力合成回路、出力合成回路で使用されるπ型分布定数回路の形状も折り曲げや曲線などでもよく、実効的な面積を低減する工夫は無数に考えられる。
図6は、本発明の第一の実施形態による電力増幅器1とドハティ増幅器の別のシミュレーション結果の例を示す図である。
また、図7は、シミュレーションを行ったドハティ増幅器2を示す図である。
なお、シミュレーションを行った本発明の第一の実施形態による電力増幅器1は、図7で示すドハティ増幅器2の(1/4)波長伝送線路と等価な働きを示すπ型分布定数回路を備える図2で示した回路である。
なお、PAEは、電力付加効率とも呼ばれ、電力増幅器の性能を表す指標として一般に使用される。
この図5からわかるように、第一の実施形態による電力増幅器1の出力バックオフ対PAE特性と図7で示したドハティ増幅器2の出力バックオフ対PAE特性は、ほぼ一致している。このことから、本発明の電力増幅器1とドハティ増幅器2が同等に動作していることが確認できる。
この図6からわかるように、f0=1.8ギガヘルツ以下の周波数で、第一の実施形態による電力増幅器1の利得の周波数特性と図7で示したドハティ増幅器2の利得の周波数特性はほぼ一致している。また、2f0=3.6ギガヘルツの周波数では、第一の実施形態による電力増幅器1の利得は、図7で示したドハティ増幅器2の利得に対して約70dB減衰しており、二次高調波成分を抑制することが確認できる。
本発明の第二の実施形態による電力増幅器1について説明する。
第二の実施形態による電力増幅器1は、図3で示した第一の実施形態による電力増幅器1が備えるπ型分布定数回路のオープンスタブをコンデンサに置き換えた構成である。
コンデンサのインピーダンスZcは、式(19)で表すことができる。
式(3)と式(19)から、Zc=Zos_inとすることで、コンデンサのキャパシタンスCは、式(20)となる。
図8は、本発明の第三の実施形態による電力増幅器1の例を示す図である。
本発明の第三の実施形態による電力増幅器1について説明する。
なお、第三の実施形態による電力増幅器1は、図2で示した第一の実施形態による電力増幅器1が備えるπ型分布定数回路の2つのオープンスタブ202bと302aを等価な1つのオープンスタブ18に置き換えた構成である。
したがって、オープンスタブ18のFパラメータは、式(23)となる。
図9は、本発明の第四の実施形態による電力増幅器1の構成を示す図である。
また、図10は、本発明の第四の実施形態による電力増幅器1が備えるπ型分布定数回路の例を示す図である。
本発明の第四の実施形態による電力増幅器1について説明する。
なお、図9で示す第四の実施形態による電力増幅器1は、図2で示した第一の実施形態による電力増幅器1が備えるπ型分布定数回路のオープンスタブを等価ショートスタブに置き換えた構成である。
なお、添え字のssはショートスタブを示している。
したがって、図10で示したπ型分布定数回路のFパラメータは、ショートスタブ21a、伝送線路19、ショートスタブ21bのそれぞれのFパラメータを表す式(26)〜(28)を用いて、式(29)で表すことができる。
したがって、第四の実施形態による電力増幅器1が備えるπ型分布定数回路が、設計周波数f0において関連するドハティ増幅器の備える(1/4)波長伝送線路と等価となるパラメータが存在するのは、式(30)と式(9)のFパラメータの各要素が等しい場合である。
式(30)と式(9)のFパラメータの各要素を等しいと置くと、式(31)〜(34)が成り立つ。
この場合、式(31)の左辺は、式(35)となり、式(31)を満足する。
なお、本発明の第四の実施形態による電力増幅器1が備えるπ型分布定数回路は、設計周波数f0に対してlT19=3λg÷8、lss21a=lss21b=λg÷8、ZT19=Zss21a=Zss21b=√2×Z0となるように設計されているものとする。
例えば、式(26)で示した周波数2f0の信号に対するショートスタブ21aのFパラメータは、式(39)で表すことができる。
したがって、メイン増幅器40や補助増幅器50で用いられているトランジスタから発生する設計周波数の二次高調波成分は、オープンスタブ102a、102b、202a、202b、302a、302bによって抑制される。その結果、電力増幅器1において二次高調波に起因する損失が低減し、電力増幅器1は消費電力や他の周波数帯へのスプリアスを低減することができる。
図9で示す第四の実施形態による電力増幅器1の場合、出力負荷60から見ると、メイン増幅器40および補助増幅器50の出力は、出力合成回路20のショートスタブ203a、203b、出力整合回路30のショートスタブ303a、303bを介して接地されている。
このことから、第四の実施形態による電力増幅器1は、アンテナ端子(図9では出力端子OUT)から流入するサージ電流を逃がすサージアブソーバの機能を備えていることがわかる。
したがって、無線基地局装置に第四の実施形態による電力増幅器1を用いた場合、無線基地局装置にサージアブソーバを備える必要は無く、第四の実施形態による電力増幅器1は、無線基地局装置の小型化および低コスト化に寄与することができる。
また、無線基地局装置に第四の実施形態による電力増幅器1を用いた場合、アンテナ端子からのサージ電流に対する耐電力の更なる向上を図ることができる。その結果、第四の実施形態による電力増幅器1は、無線基地局装置の信頼性の向上に寄与する。また、第四の実施形態による電力増幅器1は、サージアブソーバに対する要求耐電力を軽減することができるため、無線基地局装置の低コスト化や無線基地局装置の内部回路の簡素化に寄与することができる。
また、第四の実施形態による電力増幅器1の備えるπ型分布定数回路にショートスタブを用いることで、サージアブソーバの機能を有することができる。
OUT・・・出力端子
Z0・・・出力負荷のインピーダンス
1・・・電力増幅器
2・・・ドハティ増幅器
10・・・入力分岐回路
15、16、19・・・伝送線路
17a、17b、18、102a、102b、202a、202b、302a、302b・・・オープンスタブ
20・・・出力合成回路
21a、21b、103a、103b、203a、203b、303a、303b・・・ショートスタブ
30・・・出力整合回路
40・・・メイン増幅器
50・・・補助増幅器
60・・・出力負荷
101・・・第一の伝送線路
201・・・第二の伝送線路
301・・・第三の伝送線路
Claims (5)
- 第一の伝送線路と、当該第一の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのショートスタブと、を備えるπ型分布定数回路であって、ドハティ増幅器の入力分岐回路である伝送線路と等価なπ型分布定数回路を備え、入力信号をメイン増幅器と補助増幅器とへ分配する入力分岐回路と、
第二の伝送線路と、当該第二の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのショートスタブと、を備えるπ型分布定数回路であって、ドハティ増幅器の出力合成回路である伝送線路と等価なπ型分布定数回路を備え、前記メイン増幅器の出力信号と前記補助増幅器の出力信号とを合成する出力合成回路と、
第三の伝送線路と、当該第三の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのショートスタブと、を備えるπ型分布定数回路であって、ドハティ増幅器の出力整合回路である伝送線路と等価なπ型分布定数回路を備え、前記出力合成回路と出力負荷との間で整合をとる出力整合回路と、
を備え、
前記第一の伝送線路の特性インピーダンスは、√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第一の伝送線路の長さは、3×(自身の伝送線路上の波長)÷8であり、
前記第一の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのショートスタブのそれぞれの特性インピーダンスは、√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第一の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのショートスタブのそれぞれの長さは、(前記第一の伝送線路における波長)÷8であり、
前記第二の伝送線路の特性インピーダンスは、√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第二の伝送線路の長さは、3×(自身の伝送線路上の波長)÷8であり、
前記第二の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのショートスタブのそれぞれの特性インピーダンスは、√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第二の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのショートスタブのそれぞれの長さは、(前記第二の伝送線路における波長)÷8であり、
前記第三の伝送線路の特性インピーダンスは、(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第三の伝送線路の長さは、3×(自身の伝送線路上の波長)÷8であり、
前記第三の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのショートスタブのそれぞれの特性インピーダンスは、(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第三の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのショートスタブのそれぞれの長さは、(前記第三の伝送線路における波長)÷8である、
ことを特徴とする電力増幅器。 - 前記入力分岐回路が備える前記π型分布定数回路は、
第一の伝送線路と、当該第一の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブと、
を備え、
前記出力合成回路が備える前記π型分布定数回路は、
第二の伝送線路と、当該第二の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブと、
を備え、
前記出力整合回路が備える前記π型分布定数回路は、
第三の伝送線路と、当該第三の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブと、
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。 - 前記第一の伝送線路の特性インピーダンスは、√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第一の伝送線路の長さは、(自身の伝送線路上の波長)÷8であり、
前記第一の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブのそれぞれの特性インピーダンスは、√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第一の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブのそれぞれの長さは、(前記第一の伝送線路における波長)÷8であり、
前記第二の伝送線路の特性インピーダンスは、√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第二の伝送線路の長さは、(自身の伝送線路上の波長)÷8であり、
前記第二の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブのそれぞれの特性インピーダンスは、√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第二の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブのそれぞれの長さは、(前記第二の伝送線路における波長)÷8であり、
前記第三の伝送線路の特性インピーダンスは、(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第三の伝送線路の長さは、(自身の伝送線路上の波長)÷8であり、
前記第三の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブのそれぞれの特性インピーダンスは、(前記出力負荷のインピーダンス)であり、
前記第三の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブのそれぞれの長さは、(前記第三の伝送線路における波長)÷8である
ことを特徴とする請求項2に記載の電力増幅器。 - 前記第一の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブと、前記第二の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブと、前記第三の伝送線路の両端に1つずつ接続された2つのオープンスタブのそれぞれは、等価なインピーダンスを示すコンデンサから成る
ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の電力増幅器。 - 特性インピーダンスが√2×(出力負荷のインピーダンス)であり、長さが3×(自身の伝送線路上の波長)÷8である第一の伝送線路と、当該第一の伝送線路の両端に1つずつ接続され、それぞれの特性インピーダンスが√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、それぞれの長さが(前記第一の伝送線路における波長)÷8である2つのショートスタブと、を備えるπ型分布定数回路であって、ドハティ増幅器の入力分岐回路である伝送線路と等価なπ型分布定数回路を備える入力分岐回路と、
特性インピーダンスが√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、長さが3×(自身の伝送線路上の波長)÷8である第二の伝送線路と、当該第二の伝送線路の両端に1つずつ接続され、それぞれの特性インピーダンスが√2×(前記出力負荷のインピーダンス)であり、それぞれの長さが(前記第二の伝送線路における波長)÷8である2つのショートスタブと、を備えるπ型分布定数回路であって、ドハティ増幅器の出力合成回路である伝送線路と等価なπ型分布定数回路を備える出力合成回路と、
特性インピーダンスが(前記出力負荷のインピーダンス)であり、長さが3×(自身の伝送線路上の波長)÷8である第三の伝送線路と、当該第三の伝送線路の両端に1つずつ接続され、それぞれの特性インピーダンスが(前記出力負荷のインピーダンス)であり、それぞれの長さが(前記第三の伝送線路における波長)÷8である2つのショートスタブと、を備えるπ型分布定数回路であって、ドハティ増幅器の出力整合回路である伝送線路と等価なπ型分布定数回路を備える出力整合回路と、を備える電力増幅器による制御方法であって、
入力分岐回路が入力信号をメイン増幅器と補助増幅器とへ分配することと、
出力合成回路が前記メイン増幅器の出力信号と前記補助増幅器の出力信号とを合成することと、
出力整合回路が前記出力合成回路と出力負荷との間で整合をとることと、
を含む電力増幅器による制御方法。
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