JP6645333B2 - ドハティ増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、ドハティ増幅器に関し、特にメインアンプ単独動作時のメインアンプから見た負荷インピーダンス調整回路を備えたドハティ増幅器に関する。

ドハティ増幅器は、メインアンプとピークアンプを有し、低出力時にはメインアンプだけを動作させ、高出力時にはメインアンプとピークアンプの両方を同時に動作させるものである。

例えば特許文献１及び２に、ドハティ増幅器が開示されている。一般にドハティ増幅器は、入力信号を電力分配器でメインアンプとピークアンプに分配し、この２個のアンプの出力を合成（以下ドハティ合成または電力合成と呼ぶことがある）し、インピーダンス変換器に入力して出力インピーダンスを調整し、アンテナ等の負荷に出力するものである。

特許文献１には、キャリア増幅器とピーク増幅器とを備え、キャリア増幅器の出力とピーク増幅器の出力とが合成される出力合成部と、出力合成部とピーク増幅器の出力端とを繋ぐ第１線路と、入力信号の周波数に応じて第１線路の線路長を調整する第１調整部８を備えたドハティ増幅器が開示されている。

また特許文献２に記載のドハティ増幅器は、第１及び第２のピーク増幅器及び第１のピーク増幅器と第２のピーク増幅器との各出力信号を合成する第１の合成回路を具備している。またドハティ増幅器は、キャリア増幅器と第１の合成回路との各出力側のそれぞれから合成点に向かって整合を取ってキャリア増幅器と第１の合成回路との各出力信号を合成して出力する第２の合成回路を具備している。そして第１の合成回路は、キャリア増幅器の出力の飽和時から所定の値だけバックオフしたバックオフ時に、合成点から第１及び第２のピーク増幅器側を見たインピーダンスを無限大に調整可能としている。

特開２０１６−０１０１３９号公報 特開２０１２−２０５０１３号公報

メインアンプの負荷インピーダンスの最適な高効率動作ポイントは、使用するアンプや使用したい出力電力の大きさに依存し、ピークアンプがＯＦＦでメインアンプだけが動作している状態においても負荷インピーダンスの値を広範囲に調整できることが望ましい。しかしながら上述の特許文献１には、入力信号の周波数に応じて第１線路の線路長を調整する構成は開示されているが、ピークアンプがＯＦＦでメインアンプだけが動作している状態の負荷インピーダンスの値を広範囲に調整できる構成までは開示していない。また特許文献２は、キャリア増幅器の出力の飽和時から所定の値だけバックオフしたバックオフ時に、合成点から第１及び第２のピーク増幅器側を見たインピーダンスを無限大に調整可能な発明であり、そのときのキャリア増幅器のインピーダンスの調整については開示していない。

本発明の目的は、ピークアンプがＯＦＦでメインアンプだけが動作している状態でメインアンプから見た負荷インピーダンスを調整できるドハティ増幅器を提供することにある。

本発明のドハティ増幅器は、メインアンプ部と、複数のピークアンプと、前記複数のピークアンプをドハティ合成する第１の合成器と、を有するピークアンプ部と、前記メインアンプ部と前記ピークアンプ部をドハティ合成する第２の合成器と、前記第１の合成器のアイソレーションポートと前記第２の合成器のアイソレーションポートとを接続する第１の線路と、前記メインアンプ部の出力と前記第２の合成器の入力ポートとを接続する５０Ωの特性インピーダンスからなる第２の線路を有する。

本発明によれば、ピークアンプがＯＦＦでメインアンプだけが動作している状態におけるメインアンプから見た負荷インピーダンスを調整することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態のドハティ増幅器の構成の概要を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施形態のドハティ増幅器を示すブロック図である。 図３は、ピークアンプがＯＦＦの場合にメインアンプ部から負荷インピーダンスを見た場合の等価回路図である。 図４は、周波数、線路Ｌ２の電気長、線路Ｌ３の電気長及び線路Ｌ１の特性インピーダンスを固定した状態で、線路Ｌ１の電気長を１０°刻みで変化させた場合の図３の負荷インピーダンスをスミスチャート上にプロットした図である。 図５は、負荷インピーダンス調整の手順を示す説明図である。 図６は、図２の第１の変形例の構成を示すブロック図である。 図７は、図２の第２の変形例の構成を示すブロック図である。 図８は、図２の第３の変形例の構成を示すブロック図である。

図１を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。

（構成の概要）
図１は、本発明の第１の実施形態のドハティ増幅器の構成の概要を示すブロック図である。ドハティ増幅器１は、メインアンプ部６と、複数のピークアンプ７０、７１と、複数のピークアンプ７０、７１をドハティ合成する合成器４０と、を有するピークアンプ部７を備える。またドハティ増幅器１は、メインアンプ部６とピークアンプ部７をドハティ合成する合成器５０を備えている。さらにドハティ増幅器１は、合成器４０のアイソレーションポート４０４と合成器５０のアイソレーションポート５０４とを接続する第１の線路Ｌ１と、メインアンプ部６の出力と合成器５０の入力ポート５０２とを接続する５０Ωの特性インピーダンスからなる第２の線路Ｌ２を備えている。

ドハティ増幅器において、ピークアンプがＯＦＦの状態で、メインアンプのみ動作時のメインアンプから見た負荷インピーダンスは、高効率動作するように負荷インピーダンスが調整されている。例えば、スミスチャート上の中心の５０Ωを中心に、２５Ωと１００Ωを通る円周上のインピーダンスが調整可能な範囲に調整されている。一般的には使用周波数帯域において高効率動作するように、負荷インピーダンスは、例えば１００Ωに調整されている。

しかし、実際に動作するメインアンプ（ＦＥＴ： Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の負荷インピーダンスの最適な高効率動作ポイントが、１００Ωであるとは限らない。最適動作ポイントは、使用するアンプ（ＦＥＴ）や使用したい出力電力の大きさにも依存し、５０Ω〜２００Ωの範囲内のどこかに最適な動作点がある。そのためドハティ増幅器において負荷インピーダンスの値を広範囲に調整できることが望ましい。

本実施形態によれば、線路Ｌ１の特性インピーダンスと電気長及び特性インピーダンスが５０Ωである線路Ｌ２の電気長を調整することで、ピークアンプが動作ＯＦＦの場合のメインアンプの出力から見た負荷インピーダンスを希望の値に調整できる。

（第１の実施形態の構成）
図２は本発明の第１の実施形態のドハティ増幅器の構成を示すブロック図である。分配器１０は、入力ポート１０１に入力された信号を、１：２のレベル比で分配し、ポート１０２及びポート１０３に出力する。分配器１０は、例えばウィルキンソン型の分配器で同位相に分配されるものであっても構わないし、ハイブリッドカプラのような９０度位相差で分配される分配器であっても構わない。

ポート１０２から出力された信号は、移相器２０に入力される。移相器２０の出力はメインアンプ６０に入力される。

メインアンプ６０の出力は、線路Ｌ２の一端に接続される。線路Ｌ２の他端は、合成器５０の入力ポート５０２に接続される。

ポート１０３から出力された信号は、移相器２１に入力される。移相器２１の出力は、分配器３０へ入力される。

移相器２０及び２１は、合成器５０の合成点にて、メインアンプ側とピークアンプ側の各ルートの位相が同相となって合成されるように、入力された信号の位相を調整して出力する。

分配器３０は、例えば３ｄＢハイブリッドカプラである。分配器３０は、入力された信号を２分配する。２分配された信号は、ピークアンプ７０及び７１へ入力される。ピークアンプ７０及び７１の出力は、合成器４０の入力ポート４０２及び入力ポート４０３にそれぞれ接続される。

合成器４０は、例えば３ｄＢハイブリッドカプラである。合成器４０の合成ポート４０１は、合成器５０の入力ポート５０３に接続されている。

合成器５０は、例えば１：２の比で合成可能な９０°４．８ｄＢハイブリッドカプラである。

合成器４０のアイソレーションポート４０４と、合成器５０のアイソレーションポート５０４間は、線路Ｌ１を介して接続されている。

メインアンプ６０の単独動作時に、メインアンプ６０が高効率動作できる負荷となるように、線路Ｌ１は、長さ（電気長）と特性インピーダンスが調整され、線路Ｌ２は、特性インピーダンスが５０Ωで長さ（電気長）の調整がされている。

（実施形態の動作の説明）
以下、本実施形態のドハティ増幅器の動作を説明する。ピークアンプ７０及び７１が動作ＯＦＦの状態とＯＮの状態で分けて説明する。
［小電力信号入力増幅でピークアンプは動作ＯＦＦの状態］
入力信号が小電力でありピークアンプが動作していない時は、ピークアンプ７０及び７１は、その出力側から見てオープン回路となっており、ピークアンプ７０及び７１は、出力側からの信号を全反射する。

また、動作しているメインアンプ６０の出力電力は、合成器５０の入力ポート５０２から入力される。一方、ピークアンプは動作ＯＦＦの状態であるため合成器５０の入力ポート５０３からは入力がない。すなわち４．８ｄＢカプラである合成器５０からみて入力がアンバランス入力となっている。このため合成器５０は、入力ポート５０２から入力された信号を分配し、分配された信号をアイソレーションポート５０４から出力する。この信号は、線路Ｌ１を介して、３ｄＢカプラである合成器４０のアイソレーションポート４０４へ入力される。

合成器４０は、アイソレーションポート４０４へ入力された信号を２分配し、入力ポート４０２及び４０３から出力する。入力ポート４０２及び４０３から出力された信号は、ＯＦＦ状態のピークアンプ７０及び７１の出力端に入力される。

ピークアンプ７０及び７１は、出力端に入力された信号を全反射する。全反射された信号は、合成器４０のポート４０２及び４０３へ入力される。

合成器４０は、ポート４０２及び４０３へ入力された信号を合成し、ポート４０１から出力する。

また線路Ｌ１の特性インピーダンスが５０Ωではない場合、そこでのミスマッチ分は反射となり再び合成器５０のアイソレーションポート５０４に反ってくる。

このときの線路Ｌ１の長さと特性インピーダンスの値により、メインアンプ６０から見た負荷インピーダンスを変化させることができる。具体的には、スミスチャートの中心（５０Ω：実部１．０、虚部０）から離れる距離を変えることができる。

次に特性インピーダンス５０Ωの線路Ｌ２の長さを変えることで、スミスチャートの５０Ωのポイントを中心とし、線路Ｌ１の調整後の点からスミスチャートの中心までを半径とした円周上にあるインピーダンスに調整することができる。

図３は、図２においてピークアンプが動作ＯＦＦの場合に、メインアンプから見た負荷インピーダンスを見た場合の等価回路である。図３の線路Ｌ３の長さは、図１においてポート４０４から入力された信号が合成器４０で分配された後に、ピークアンプ７０及び７１の出力端で全反射して再度、合成器４０へ入力されて合成され合成ポート４０１から出力されるまでの線路の電気長である。

図４は、ピークアンプが動作ＯＦＦの場合のメインアンプの出力から見た図２の回路の負荷インピーダンスを、周波数、線路Ｌ２の電気長、線路Ｌ３の電気長、線路Ｌ１の特性インピーダンスを固定した状態で、線路Ｌ１の電気長を１０度刻みで変化した場合のインピーダンスをプロットした図である。図４に示す点Ｐ０は、５０Ωのポイントを示す点である。また点Ｐ１は、線路Ｌ１のインピーダンスを示す点である。線路Ｌ１のインピーダンスは、線路Ｌ２とは異なり、図４に示す例は、例えば３０Ωの例である。

本実施形態の構成において、線路Ｌ２のインピーダンスは５０Ω、線路Ｌ１の電気長が０度の場合、ピークアンプが動作ＯＦＦの場合のメインアンプの出力から見た図３の回路の負荷インピーダンスは、スミスチャート上で点Ｐ０の位置となる。周波数、線路Ｌ２の電気長、線路Ｌ３の電気長を固定した状態で、線路Ｌ１の電気長を調整すると、図４に示すように、図２の回路の負荷インピーダンスは、スミスチャート上で、点Ｐ１を中心とし点Ｐ１からＰ０までの距離を半径とする円を描くように移動する。

図５は、負荷インピーダンス調整の手順の例を示した図である。まずＳｔｅｐ１にて周波数、線路Ｌ２の電気長、線路Ｌ３の電気長を固定した状態で、線路Ｌ１の特性インピーダンス及び電気長を調整することで、スミスチャート上の中心から離れるようにインピーダンスが変化する。線路Ｌ１の特性インピーダンスが線路Ｌ２の特性インピーダンスと差が少ないと目標とするインピーダンスに調整できない場合があるため、線路Ｌ１及び線路Ｌ２の電気長の調整により目標とするインピーダンスに調整できる値に、線路Ｌ１の特性インピーダンスが調整される。そして、まず線路Ｌ１の電気長が調整されることにより、インピーダンスがスミスチャート上で点Ｐ１を中心とし点Ｐ１からＰ０までの距離を半径とする円上を移動する。

線路Ｌ１の電気長が調整され図５に示す点Ｐ２にインピーダンスが移動した後に、Ｓｔｅｐ２にて、周波数、線路Ｌ１の電気長、Ｌ３の電気長を固定した状態で、線路Ｌ２の電気長が調整される。負荷インピーダンスは、スミスチャート上で、点Ｐ０を中心とし、点Ｐ０からＰ２までの距離を半径とする、図５に点線でしめした円を描くように移動する。例えば、１００Ωを目標インピーダンスとして負荷インピーダンスを調整したい場合は、スミスチャート上で実部２．０、虚部０のポイントＰｔに到達するまで線路Ｌ２の電気長を調整する。

この手順により、図３の回路の負荷インピーダンスが目標とするインピーダンスに調整できる。
［大電力信号入力増幅でピークアンプとメインアンプが両方動作の状態］
ピークアンプ７０及び７１とメインアンプ６０が両方動作している状態のとき、ドハティ増幅器は、メインアンプ６０の出力電力とピークアンプ７０及び７１の出力電力を通常に合成する回路となる。ここで、各アンプ出力後の信号は、合成器５０の合成点でのメインアンプ６０側のルートとピークアンプ７０及び７１側のルートの位相は同相となるように移相器２０及び２１で調整されており、合成器５０で電力合成される。このとき、合成器４０及び５０のアイソレーションポート４０４及び５０４には電力は生じない。

（効果の説明）
本実施形態によれば、線路Ｌ１の特性インピーダンスと電気長及び特性インピーダンスが５０Ωである線路Ｌ２の電気長を調整することで、ピークアンプが動作ＯＦＦの場合のメインアンプの出力から見た負荷インピーダンスを希望の値に調整できる。
このときのメリットについて下記に述べる。
・メインアンプ６０単体動作時の負荷インピーダンスを最高効率点に調整できる。
・ドハティ増幅器としては、その周波数帯域内でしか使用できないが、アンプのバイアス電圧を変更して、動作モードをＡＢ級に変更した場合には、広帯域で使用することができる。これは、アイソレーションポート間にある線路Ｌ１を幾らのインピーダンスに調整したとしても、メインアンプとピークアンプ両方動作の合成モードの特性に影響を与えないためである。緊急時には、電力効率はあまり良くないが、動作モードをＡＢ級に切り替えて違う周波数で予備アンプとして使用することが可能である。
・ＯＦＤＭ放送信号の電力増幅時の高効率化に効果が出る１：２非対称ドハティ増幅器へ適用が可能である。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

例えば、入力段の分配器の後に、移相器ではなく線路を備え、線路を用いて合成器の合成点での各ルートの位相が同相となるように調整される構成としてもよい。図６は、分配器の後に備えた線路を用いて合成器の合成点での各ルートの位相が同相となるように調整される、第１の変形例の構成を示すブロック図である。

例えば、図６に示すように、ドハティ増幅器２の分配器１１は、４．８ｄＢカプラとし、入力ポート１１１に入力された信号を、２：１のレベル比で分配し、ポート１１２及びポート１１３に出力する。ポート１１２から出力された信号は、分配器３１に入力される。ドハティ増幅器２の分配器３１は、例えば３ｄＢハイブリッドカプラであり、分配器３１は、入力された信号を２分配する。

分配器１１及び３１によって分配された信号の１つは、メインアンプ６０へ入力される。他の１つは、線路Ｌ４の一端に接続され、線路Ｌ４の他端は、ピークアンプ７０に接続される。分配された信号の更に他の１つは、線路Ｌ５の一端に接続され、線路Ｌ５の他端は、ピークアンプ７１に接続される。入力段の分配器１１、３１によって分配された信号が、線路Ｌ４、Ｌ５によって合成器の合成点での各ルートの位相が同相となるように調整される。このような構成のドハティ増幅器２においても、第１の実施形態と同様、線路Ｌ１の特性インピーダンスと電気長及び特性インピーダンスが５０Ωである線路Ｌ２の電気長を調整することで、ピークアンプが動作ＯＦＦの場合のメインアンプの出力から見た負荷インピーダンスを希望の値に調整できる。

また例えば、増幅能力がメインアンプの１／２である２つのピークアンプを使用し、メインアンプとピークアンプの増幅能力の比率を１：１としてもよい。図７は、２つのピークアンプの増幅能力がメインアンプの１／２である、第２の変形例の構成を示すブロック図である。

図７の構成によれば、第１の実施形態と同様、ドハティ増幅器３の線路Ｌ１の特性インピーダンスと電気長及び特性インピーダンスが５０Ωである線路Ｌ２の電気長を調整することで、ピークアンプが動作ＯＦＦの場合のメインアンプの出力から見た負荷インピーダンスを希望の値に調整できる。それとともにドハティ増幅器３の分配器１２及び合成器５１は、９０°３ｄＢハイブリッドカプラとすることができる。

また、ピークアンプと増幅能力が同じメインアンプを使用してメインアンプ部とピークアンプ部の増幅能力の比率を１：１としてもよい。図８は、ピークアンプと増幅能力が同じメインアンプをピークアンプ部と同数備えた、第３の変形例の構成を示すブロック図である。この場合、図８に示すようにドハティ増幅器４の移相器２０の出力は分配器３２により分配され、メインアンプ６１、６２に入力される。ドハティ増幅器４のメインアンプ６１、６２の出力は、それぞれインピーダンスが５０Ωである線路Ｌ６、線路Ｌ７の一端に接続され、線路Ｌ６、線路Ｌ７の他端が１つの変換線路Ｌ８の一端に接続され、変換線路Ｌ８の他端は合成器５１の入力ポートに接続される。ドハティ増幅器４の変換線路Ｌ８によりインピーダンスが５０Ωに変換されて合成器５１に入力される。

本変形例でも、ドハティ増幅器４の線路Ｌ１の電気長を調整して図３に示す点Ｐ３に移動した後に、Ｓｔｅｐ２にて、周波数、線路Ｌ１の電気長、Ｌ３の電気長を固定した状態で、ドハティ増幅器４の線路Ｌ６及びＬ７の電気長が調整される。この調整によって、ドハティ増幅器４の負荷インピーダンスは、スミスチャート上で、点Ｐ０を中心とし、点Ｐ０からＰ３までの距離を半径とする、図５に点線で示した円を描くように移動する。例えば、１００Ωを目標インピーダンスとして負荷インピーダンスを調整したい場合は、スミスチャート上で実部２．０、虚部０のポイントＰｔになるよう線路Ｌ６及びＬ７の電気長が調整される。

図８の構成によれば、メインアンプ部とピークアンプ部の増幅能力の比率が１：１のドハティ増幅器においても、第１の実施形態と同様、線路Ｌ１の特性インピーダンスと電気長及び特性インピーダンスが５０Ωである線路Ｌ６、Ｌ７の電気長を調整することで、ピークアンプが動作ＯＦＦの場合のメインアンプの出力から見た負荷インピーダンスが希望の値に調整できる。それとともに分配器１２及び合成器５１は、９０°３ｄＢハイブリッドカプラとすることができる。

１、２、３，４ ドハティ増幅器
６ メインアンプ部
７ ピークアンプ部
１０、１１、１２ 分配器
１０１ 入力ポート
１０２、１０３ ポート
２０、２１ 移相器
３０、３１、３２ 分配器
４０、５０、５１ 合成器
４０１ 合成ポート
４０２、４０３、５０２、５０３ 入力ポート
４０４、５０４ アイソレーションポート
６０、６１ メインアンプ
７０、７１ ピークアンプ
Ｌ１ 第１の線路
Ｌ２ 第２の線路
Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７ 線路
Ｌ８ 変換線路

Claims (6)

1. メインアンプ部と、
   複数のピークアンプと、前記複数のピークアンプをドハティ合成する第１の合成器と、を有するピークアンプ部と、
   前記メインアンプ部と前記ピークアンプ部をドハティ合成する第２の合成器と、
   前記第１の合成器のアイソレーションポートと前記第２の合成器のアイソレーションポートとを接続する第１の線路と、
   前記メインアンプ部の出力と前記第２の合成器の入力ポートとを接続する５０Ωの特性インピーダンスからなる第２の線路と、
   を有するドハティ増幅器。
2. 前記第１の線路は、前記メインアンプ部の出力から見た負荷インピーダンスを所定の値に設定するよう特性インピーダンス及び電気長を調整する第１の調整部を有し、
   前記第２の線路は、前記メインアンプ部の出力から見た負荷インピーダンスを前記所定の値に設定するよう電気長を調整する第２の調整部を有する、
   請求項１に記載のドハティ増幅器。
3. 入力信号を２分配する第１の分配器と、
   前記第１の分配器の出力を２分配する第２の分配器と、
   前記第１の分配器の出力の一方と前記メインアンプ部の入力とを接続する第１の移相器と、
   前記第１の分配器の出力の他方と前記第２の分配部の入力とを接続する第２の移相器と、
   を有する請求項１又は２に記載のドハティ増幅器。
4. 入力信号を２分配する第３の分配器と、
   前記第３の分配器の出力を２分配する第４の分配器と、
   前記第３の分配器の出力の一方と前記複数のピークアンプの１つの入力とを接続する第３の線路と、
   前記第４の分配器の出力の一方と前記複数のピークアンプの他の１つの入力とを接続する第４の線路と、
   を有する請求項１又は２に記載のドハティ増幅器。
5. 前記メインアンプ部は１つ以上のメインアンプで構成され、
   前記ピークアンプ部は前記メインアンプ部の２倍の数のピークアンプで構成され、
   前記ピークアンプの増幅能力は、前記メインアンプの１／２である、
   請求項１から３のいずれかに記載のドハティ増幅器。
6. 前記メインアンプ部は、前記ピークアンプ部と同数のメインアンプを有し、
   前記第２の線路は、
   前記複数のメインアンプの出力にそれぞれ１端が接続される複数の第５の線路と、
   前記複数の第５の線路の他端に接続される１つの変換線路と、を有する、
   請求項１から４のいずれかに記載のドハティ増幅器。

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