JPWO2007015462A1 - 高効率増幅器 - Google Patents

Abstract

入力信号のレベルが小さい場合に、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１から出力側を見たインピーダンスが２Ｒ＋α（Ｒは負荷抵抗、αは正）となるように、位相線路２１の電気長と位相線路２３の電気長が設定され、位相線路２２の電気長が位相線路２１の電気長と位相線路２３の電気長との差に設定される。

Description

この発明は放送用及び通信用に使用される高効率増幅器に関するものである。

放送用及び通信用のＲＦ増幅器は、ＲＦ信号を高い効率で線形に増幅することが望まれている。しかしながら、一般に増幅器では効率を高くすることと線形性を高くすることは両立しない。増幅器の効率は入力信号の電力レベルの増加と共に高くなり、増幅器が飽和を迎えた辺りで最大効率を迎える特性を示す。近年、放送及び移動体通信等で使用されるＰＡＰＲ（Peak to Average Power Ratio）の大きい変調波を入力信号として使用した場合には、飽和点近くの動作点では増幅器の飽和による信号波形のクリッピングが発生するため線形性は大きく劣化する。

このため、一般に放送用及び通信用のＲＦ増幅器では飽和点から出力バックオフを大きくとった動作レベルにおいて使用され、飽和点からの出力バックオフを大きくとった動作レベルでの高効率化が重要となる。これに対し、飽和点からの出力バックオフを大きくとった動作レベルで効率を高める有力な手法としてドハティ増幅器が報告されている。

例えば、図１４は非特許文献１に示された従来の高効率増幅器としてのドハティ増幅器の構成と各部の電気長、入力信号のレベルが小さい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。図１４に示すドハティ増幅器は、入力端子１、入力分配回路２、Ａ級又はＡＢ級バイアスされたキャリア増幅器３、オフセット位相線路４、９０°位相線路５、位相線路６、Ｂ級又はＣ級バイアスされたピーク増幅器７、オフセット位相線路８、９０°位相線路９及び出力端子１０を備えている。

また、図１４には、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２、入力分配回路２により分配された経路の出力合成点１３が図示されている。ここで、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１は、キャリア増幅器３の出力側で負荷側を見た負荷インピーダンスが最大になる点であり、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２は、ピーク増幅器７の出力側でオフセット位相線路８の出力側を見たインピーダンスが最大になる点である。

また、図１５は上記非特許文献１に示された従来の高効率増幅器としてのドハティ増幅器の構成と各部の電気長、入力信号のレベルが大きい場合の各部から見たインピーダンスを示す図であり、図１４と同符号は同一のものである。

キャリア増幅器３に接続されたオフセット位相線路４は、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１からキャリア増幅器３の出力側を見た出力インピーダンスが最大になるような電気長θ_cを有する。同様に、ピーク増幅器７に接続されたオフセット位相線路８は、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２からピーク増幅器７の出力側を見た出力インピーダンスが最大になるような電気長θ_pを有する。また、９０°位相線路５及び９０°位相線路９の電気長は９０°で、位相線路６の電気長は９０＋θ_c−θ_pである。

入力端子１から入力したＲＦ信号は、入力側分配回路２によってキャリア増幅器３側の経路とピーク増幅器７側の経路の２つに分配される。キャリア増幅器３側の経路では、入力側分配回路３からのＲＦ信号がキャリア増幅器３に入力され、キャリア増幅器３からのＲＦ信号は、オフセット位相線路４及び９０°位相線路５を経て出力合成点１３に出力される。また、ピーク増幅器７側の経路では、入力側分配回路２からのＲＦ信号が位相線路６を経てピーク増幅器７に入力され、ピーク増幅器７からのＲＦ信号はオフセット位相線路８を経て出力合成点１３に出力される。出力合成点１３では、キャリア増幅器３からのＲＦ信号とピーク増幅器７からのＲＦ出力信号が合成されて出力される。

図１４において、入力信号のレベルが小さい場合には、Ｂ級又はＣ級バイアスされたピーク増幅器７はオフ状態、即ちＲＦ信号を増幅しない状態となり、オフセット位相線路８の作用により、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２から見たピーク増幅器７の出力インピーダンスは理想的には無限大（ｏｐｅｎ）となる。従来のドハティ増幅器では、インピーダンス基準点１２と出力合成点１３は直結されて同一点と見なせるために、出力合成点１３からピーク増幅器７側を見た出力インピーダンスは理想的には無限大（ｏｐｅｎ）となる。

このとき、出力合成点１３から９０°位相線路９を見た負荷インピーダンスをＲ／２（Ｒはドハティ増幅器の負荷抵抗）とし、９０°位相線路５の特性インピーダンスをＲとすると、９０°位相線路５によるインピーダンス変換作用によって、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１から出力側を見た負荷インピーダンスは２Ｒとなり、キャリア増幅器３からのＲＦ信号のみが出力合成点１３から出力される。

一方、図１５において、入力信号のレベルが大きい場合には、Ｂ級又はＣ級バイアスされたピーク増幅器７はオン状態、即ちＲＦ信号を増幅する状態となるため、出力合成点１３ではキャリア増幅器３及びピーク増幅器７からのＲＦ信号が合成されて出力される。このとき、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１及びピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２から出力側を見た負荷インピーダンスは共にＲとなる。

ここで、予めドハティ増幅器では、負荷インピーダンスが２Ｒのときにキャリア増幅器３では飽和電力は小さいが効率が高くなるように設計し、負荷インピーダンスがＲのときにキャリア増幅器３及びピーク増幅器７では飽和電力が大きくなるように設計しておくと、入力信号のレベルが小さい場合には、キャリア増幅器３が高効率動作し、入力信号のレベルが大きい場合には、キャリア増幅器３及びピーク増幅器７は飽和電力が大きくなるように動作させることが可能となる。

以上２つの作用により、即ち、入力信号のレベルに応じてピーク増幅器７の出力がキャリア増幅器３と合成されるという作用、及び入力信号のレベルに応じてキャリア増幅器３及びピーク増幅器７から出力側を見た負荷インピーダンスが変化するという作用により、飽和からの出力バックオフが大きい状態において高効率な動作を実現することが可能となる。

図１６はドハティ増幅器の出力電力に対する効率特性を示している。理想的なドハティ増幅器では、図１６に示すように、ドハティ増幅器としての飽和点ａと出力バックオフ６ｄＢの点ｂの２箇所において、効率最大点を迎えることが可能となる。図１６において、ｂは入力信号のレベルが小さい場合に、キャリア増幅器３のみが動作したときの１回目の効率最大点であり、ａは入力信号のレベルが大きい場合に、キャリア増幅器３及びピーク増幅器７が動作したときの２回目の効率最大点である。

Youngoo Yang,Jeonghyeon Cha,Bumjae Shin,Bumman Kim,"A Fully Matched N-Way Doherty Amplifier With Optimized Linearity",IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.3,pp.986-993,Mar.2003.

従来の高効率増幅器としてのドハティ増幅器では、キャリア増幅器３の出力側に９０°位相線路５を使用することで、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１から出力側を見た負荷インピーダンスが小信号時には２Ｒ、大信号時にはＲとなるような変換を実現している。このため、理想的なドハティ増幅器では、ドハティ増幅器としての飽和点と出力バックオフ６ｄＢの点の２箇所において、効率最大点を迎えることが可能であるが、これは逆に言うと、原理的に従来のドハティ増幅器では、出力バックオフが６ｄＢよりも大きい動作レベルで、効率最大点を迎えることが不可能であるということを意味しており、出力バックオフが６ｄＢよりも大きい小信号領域での高効率化に限界があるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、出力バックオフが６ｄＢよりも大きい小信号動作レベルにおいて効率を向上させることができる高効率増幅器を得ることを目的とする。

この発明に係る高効率増幅器は、入力信号を第１及び第２の経路に分配する入力分配回路と、上記第１の経路に接続されたキャリア増幅器と、上記第２の経路に接続されたピーク増幅器と、上記第１及び第２の経路の出力合成点に接続されたインピーダンス変換回路と、上記キャリア増幅器の出力側のインピーダンス基準点と上記出力合成点の間に接続された第１の位相線路と、上記入力分配回路と上記ピーク増幅器の間に接続された第２の位相線路と、上記ピーク増幅器の出力側のインピーダンス基準点と上記出力合成点の間に接続された第３の位相線路とを備え、上記入力信号のレベルが小さい場合に、上記キャリア増幅器の出力側のインピーダンス基準点から出力側を見たインピーダンスが２Ｒ＋α（Ｒは負荷抵抗、αは正）となるように、上記第１の位相線路の電気長と上記第３の位相線路の電気長が設定され、上記第２の位相線路の電気長が上記第１の位相線路の電気長と上記第３の位相線路の電気長との差に設定されるものである。

この発明により、効率を最大にする出力バックオフを６ｄＢより大きくすることができ、出力バックオフが６ｄＢよりも大きい小信号動作レベルにおいて効率を向上させることができるという効果が得られる。

この発明の実施の形態１による高効率増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが小さい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。 この発明の実施の形態１による高効率増幅器の負荷変調の軌跡をスミスチャート上に描いた図である。 この発明の実施の形態１による高効率増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが大きい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。 この発明の実施の形態１による高効率増幅器の出力電力に対する効率特性を示す図である。 この発明の実施の形態２による高効率増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが小さい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。 この発明の実施の形態２による高効率増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが大きい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。 この発明の実施の形態２による高効率増幅器の出力電力に対する効率特性を示す図である。 この発明の実施の形態３による高効率増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが小さい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。 この発明の実施の形態３による高効率増幅器のアイソレータの周波数特性を示す図である。 この発明の実施の形態４による高効率増幅器におけるキャリア増幅器及びピーク増幅器の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４による高効率増幅器における位相線路の電気長に対するキャリア増幅器及びピーク増幅器の効率特性を示す図である。 この発明の実施の形態５による高効率増幅器の構成と各部の電気長を示す図である。 この発明の実施の形態５による高効率増幅器の出力電力に対する効率特性を示す図である。 従来の高効率増幅器としてのドハティ増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが小さい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。 従来の高効率増幅器としてのドハティ増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが大きい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。 従来の高効率増幅器としてのドハティ増幅器の出力電力に対する効率特性を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による高効率増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが小さい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。図１に示す高効率増幅器は、入力端子１、入力分配回路２、Ａ級又はＡＢ級バイアスされたキャリア増幅器３、オフセット位相線路４、位相線路２１、位相線路２２、Ｂ級又はＣ級バイアスされたピーク増幅器７、オフセット位相線路８、位相線路２３、９０°位相線路（インピーダンス変換回路）９及び出力端子１０を備えている。また、図１には、従来の図１４と同様に、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２、入力分配回路２により分配された経路の出力合成点１３が図示されている。

図１に示す高効率増幅器は、従来の図１４に示すドハティ増幅器の９０°位相線路５を位相線路２１に置き換え、位相線路６を位相線路２２に置き換え、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２と出力合成点１３の間に位相線路２３を追加したものであり、その他の構成は図１４に示すものと同じである。オフセット位相線路４の電気長をθ_c、オフセット位相線路８の電気長をθ_p、位相線路２１の電気長をθ₁、位相線路２２の電気長をθ₃、位相線路２３の電気長をθ₂とする。

即ち、図１に示す高効率増幅器では、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１と出力合成点１３の間に電気長θ₁の位相線路２１を接続し、入力分配回路２とピーク増幅器７の間に電気長θ₃の位相線路２２を接続し、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２と出力合成点１３の間に電気長θ₂の位相線路２３を接続していることが特徴である。

図１において、出力合成点１３から９０°位相線路９を見たインピーダンスをＲ₁＝Ｒ／２（Ｒは高効率増幅器の負荷抵抗）とし、位相線路２１のインピーダンスをＲとすると、入力信号のレベルが小さい場合に、効率を最大にする出力バックオフを６ｄＢより大きくするために、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１から出力側を見たインピーダンスがＲ₂＝２Ｒ＋α（αは正）となるように、位相線路２１の電気長θ₁と位相線路２３の電気長θ₂を設定する。

位相線路２１は次の式（１）に示す電気長θ₁［ｄｅｇ］を有する位相線路で、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１と出力合成点１３の間に接続される。

ここで、Ｚ₀は位相線路２１，２３の特性インピーダンスを示す。

また、位相線路２３は次の式（２）に示す電気長θ₂［ｄｅｇ］を有する位相線路であり、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２と出力合成点１３の間に接続される。

さらに、位相線路２２は次の式（３）に示す電気長θ₃［ｄｅｇ］を有する位相線路であり、入力分配回路３とピーク増幅器７の間に接続される。
θ₃＝θ₁−θ₂＋θ_c−θ_p （３）

次に動作について説明する。
図１の入力信号のレベルが小さい場合は、Ｂ級又はＣ級バイアスされたピーク増幅器７はオフ状態、即ちＲＦ信号を増幅しない状態となり、キャリア増幅器３からのＲＦ信号のみが出力合成点１３に出力される。このように、入力信号のレベルが小さい場合には、ピーク増幅器７がオフ状態となるため、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２から見たピーク増幅器７の出力インピーダンスは、理想的には無限大（ｏｐｅｎ）となり、また、位相線路２３の電気長θ₂は９０°未満となるため、電気長θ₂を有する位相線路２３は容量性の開放スタブとして作用する。

従って、出力合成点１３から位相線路２３を見たインピーダンスは、抵抗成分がＲ／２よりも小さく、容量性リアクタンスを有するインピーダンスＺ１に変換される。さらに、電気長θ₁を有する位相線路２１によるインピーダンス変換作用により、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１から出力側を見た負荷インピーダンスは２Ｒよりも大きい実数抵抗２Ｒ＋αに変換される。

図２は高効率増幅器の負荷変調の軌跡をスミスチャート上に描いた図である。従来型のドハティ増幅器では、図２の点線に示すように、負荷変調の軌跡はＲ／２〜２Ｒとなっているのに対し、この実施の形態１の高効率増幅器では、図２の実線に示すように、負荷変調の軌跡はＺ１〜２Ｒ＋αとなっている。

図３はこの発明の実施の形態１による高効率増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが大きい場合の各部から見たインピーダンスを示す図であり、図１と同符号は同一のものである。図３において、入力信号のレベルが大きい場合には、Ｂ級又はＣ級バイアスされたピーク増幅器７はオン状態、即ちＲＦ信号を増幅する状態となるため、出力合成点１３ではキャリア増幅器３及びピーク増幅器７からのＲＦ信号が合成されて出力される。このとき、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１及びピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２から出力側を見た負荷インピーダンスは共にＲとなる。

ここで、予め高効率増幅器では、負荷インピーダンスが２Ｒ＋αのときに、キャリア増幅器３では飽和電力は小さいが効率が高くなるように設計し、負荷インピーダンスがＲのときに、キャリア増幅器３及びピーク増幅器７では飽和電力が大きくなるように設計しておくと、入力信号のレベルが小さい場合には、キャリア増幅器３が高効率動作し、入力信号のレベルが大きい場合には、キャリア増幅器３及びピーク増幅器７は飽和電力が大きくなるように動作させることが可能となる。

以上２つの作用により、即ち、入力信号のレベルに応じてピーク増幅器７の出力がキャリア増幅器３の出力に合成されるという効果、及び入力信号のレベルに応じてキャリア増幅器３及びピーク増幅器７から出力側を見た負荷インピーダンスが変化するという作用により、この実施の形態１では、飽和点からの出力バックオフが大きい状態において高効率な動作を実現することが可能となる。

図４は高効率増幅器の出力電力に対する効率特性を示す図である。ここでは、従来のドハティ増幅器とこの実施の形態１の高効率増幅器とを比較している。また、この実施の形態１では、入力信号のレベルが小信号から大信号に推移したときに、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１から出力側を見たインピーダンスが、実数抵抗２Ｒ＋α（αは正）からＲへと推移するため、図４に示すように、ドハティ増幅器としての飽和点ａに加えて、出力バックオフ６ｄＢの点ｂよりも大きい出力バックオフ（６＋β）ｄＢ（βは正）の点ｃにおいて効率最大点を迎えることが可能となる。

よって、この実施の形態１では、入力信号のレベルが小さい場合に、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１から出力側を見たインピーダンスを、従来型のドハティ増幅器のインピーダンス２Ｒよりも大きくできるため、その分、１回目の効率最大点を従来のドハティ増幅器の出力バックオフ６ｄＢの点ｂよりも出力バックオフの大きい小信号レベルの点ｃに設定することが可能となる。つまり、この実施の形態１では、出力バックオフが６ｄＢよりも大きい小信号動作レベルでの高効率化がより効果的となり、高効率化を図ることができる。

この実施の形態１では、従来のドハティ増幅器と同様に、キャリア増幅器３の出力側にオフセット位相線路４を接続し、ピーク増幅器７の出力側にオフセット位相線路８を接続しているが、オフセット位相線路４及びオフセット位相線路８を削除しても良く、その場合に、上記式（３）は次の式（４）となる。
θ₃＝θ₁−θ₂ （４）

このように、この実施の形態１では、入力分配回路２は入力信号を２つの経路（第１及び第２の経路）に分配し、一方の経路にキャリア増幅器３を接続し、他方の経路にピーク増幅器７を接続し、２つの経路の出力合成点１３に９０°位相線路（インピーダンス変換回路）９を接続し、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１と出力合成点１３の間に位相線路（第１の位相線路）２１を接続し、入力分配回路２とピーク増幅器７の間に位相線路（第２の位相線路）２２を接続し、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２と出力合成点１３の間に位相線路（第３の位相線路）２３を接続し、入力信号のレベルが小さい場合に、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１から出力側を見たインピーダンスが２Ｒ＋αとなるように、位相線路２１の電気長θ₁と位相線路２３の電気長θ₂を設定し、位相線路２２の電気長θ₃を位相線路２１の電気長θ₁と位相線路２３の電気長θ₂との差に設定する。

以上のように、この実施の形態１によれば、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１と出力合成点１３の間に電気長θ₁の位相線路２１を接続し、入力分配回路２とピーク増幅器７の間に電気長θ₃の位相線路２２を接続し、ピーク増幅器７の出力側のインピーダンス基準点１２と出力合成点１３の間に電気長θ₂の位相線路２３を接続し、入力信号レベルが小さい場合に、キャリア増幅器３の出力側のインピーダンス基準点１１から出力側を見たインピーダンスが２Ｒ＋αとなるように、位相線路２１の電気長θ₁と位相線路２３の電気長θ₂を設定し、位相線路２２の電気長θ₃を位相線路２１の電気長θ₁と位相線路２３の電気長θ₂との差に設定することにより、効率を最大にする出力バックオフを６ｄＢより大きくすることができ、出力バックオフが６ｄＢよりも大きい小信号動作レベルにおいて効率を向上させることができるという効果が得られる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２による高効率増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが小さい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。図５に示す高効率増幅器は、上記実施の形態１の図１に示す高効率増幅器に位相線路（第４の位相線路）２４を追加したものであり、その他の構成は図１と同じである。
また、図６はこの発明の実施の形態２による高効率増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが大きい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。図６に示す高効率増幅器は、上記実施の形態１の図３に示す高効率増幅器に位相線路２４を追加したものであり、その他の構成は図３と同じである。

位相線路２４は次の式（５）に示す電気長Δθ［ｄｅｇ］を有する位相線路であり、入力分配回路３とピーク増幅器６の間に接続される。
Δθ＝θ_CA−θ_PA （５）
ここで、θ_CAはキャリア増幅器３の電気長であり、θ_PAはピーク増幅器７の電気長である。

次に動作について説明する。
図６において、入力信号のレベルが大きい場合には、Ｂ級又はＣ級バイアスされたピーク増幅器７はオン状態、即ちＲＦ信号を増幅する状態となるため、出力合成点１３ではキャリア増幅器３及びピーク増幅器７からのＲＦ信号が合成されて出力される。

このとき、この実施の形態２では、Ａ級又はＡＢ級バイアスされたキャリア増幅器３の電気長θ_CAとＢ級又はＣ級バイアスされたピーク増幅器７の電気長θ_CAとの差Δθが、ピーク増幅器７の入力側に接続された位相線路２４により補正されるので、キャリア増幅器３とピーク増幅器７からのＲＦ信号が出力合成点１３において同位相で合成することが可能となる。このため、入力信号レベルが大きい領域でのＲＦ信号の合成効率が向上する。

図７は高効率増幅器の出力電力に対する効率特性を示している。ここでは、従来のドハティ増幅器と上記実施の形態１の高効率増幅器とこの実施の形態２の高効率増幅器とを比較している。図７に示すように、この実施の形態２では、上記実施の形態１と比較して、入力信号のレベルが大きい領域でのＲＦ信号の合成効率が向上し、結果として増幅器の高効率化を図ることが可能となる。
その他の動作については上記実施の形態１と同じである。

この実施の形態２では、従来のドハティ増幅器と同様に、キャリア増幅器３の出力側にオフセット位相線路４を接続し、ピーク増幅器７の出力側にオフセット位相線路８を接続しているが、オフセット位相線路４及びオフセット位相線路８を削除しても良い。

以上のように、この実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、ピーク増幅器７の入力側に接続された位相線路２４により、キャリア増幅器３の電気長θ_CAとピーク増幅器７の電気長θ_CAとの差を補正することにより、さらに効率を向上させることができるという効果が得られる。

実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３による高効率増幅器の構成と各部の電気長と、入力信号のレベルが小さい場合の各部から見たインピーダンスを示す図である。図８に示す高効率増幅器は、上記実施の形態１の図１に示す高効率増幅器における９０°位相回路９の出力側に、特性インピーダンスＲを有するアイソレータ３１を追加したものであり、その他の構成は図１と同じである。

次に動作について説明する。
図８において、９０°位相回路９の出力側に接続された特性インピーダンスＲを有するアイソレータ３１により、出力合成点１３から見た負荷インピーダンスがＲ／２に確定される。このため、高効率増幅器は出力端子１０以降の回路状態によらず、安定的に高効率率な動作をすることが可能になる。

図９はアイソレータ３１の周波数特性を示す図である。アイソレータ３１は、図９に示すように、ＲＦ信号の周波数ｆ₀に対して、ＲＦ信号の高調波、例えば２倍の周波数２ｆ₀を使用帯域外とする周波数特性を持っており、高調波の発生を抑圧することができる。

この実施の形態３では、従来のドハティ増幅器と同様に、キャリア増幅器３の出力側にオフセット位相線路４を接続し、ピーク増幅器７の出力側にオフセット位相線路８を接続しているが、オフセット位相線路４及びオフセット位相線路８を削除しても良い。

以上のように、この実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、９０°位相回路９の出力側に特性インピーダンスＲを有するアイソレータ３１を接続することにより、安定的に高効率率な動作をすることができ、高調波の発生を抑圧することができるという効果が得られる。

実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態４による高効率増幅器におけるキャリア増幅器３及びピーク増幅器７の内部構成を示すブロック図である。図１０に示すキャリア増幅器３及びピーク増幅器７は、入力端子４１、基本波整合回路４２、電源端子４３、バイアス回路４４、トランジスタ（増幅素子）４５、位相線路（第５の位相線路）４６、電源端子４７、コンデンサ４８、９０°位相線路４９、基本波整合回路５０及び出力端子５１を備えている。

次に動作について説明する。
図１０において、トランジスタ４５の入力側には、電源端子４３からのバイアス電圧がバイアス回路４４を介して供給される。また、コンデンサ４８及び９０°位相線路４９により、トランジスタ４５の出力側のバイアス回路を構成し、電源端子４７からのバイアス電圧は、位相線路４９及び位相線路４６を介して、トランジスタ４５の出力側に供給される。入力端子４１から入力されたＲＦ信号は、基本波整合回路４２を介してトランジスタ４５で増幅され、位相線路４６及び基本波整合回路５０を介して出力端子５１より出力される。

コンデンサ４８はＲＦ信号の周波数ｆ₀で、十分に小さいインピーダンスとなるような容量を有するものとし、９０°位相線路４９と電源端子４７の間にＲＦ信号の周波数ｆ₀で短絡点を形成している。９０°位相線路４９はＲＦ信号の周波数ｆ₀で電気長が９０°の長さの短絡スタブとすると、ＲＦ信号の２倍の周波数２ｆ₀では電気長が１８０°の長さとなり、位相線路４６と９０°位相線路４９の間にＲＦ信号の２倍の周波数２ｆ₀における短絡点が形成される。

位相線路４６の電気長θ₀の長さを変えると、トランジスタ４５から見た２倍の周波数２ｆ₀における短絡点までの距離が変わるため、トランジスタ４５から出力側を見た２倍の周波数２ｆ₀におけるインピーダンスＺＬ（２ｆ₀）が変化する。一般に増幅器の効率は２倍の周波数におけるインピーダンスに対する依存性があるため、位相線路４６の電気長θ₀を最適化することにより、ＲＦ信号の２倍の周波数２ｆ₀の高調波の発生を抑圧し、キャリア増幅器３及びピーク増幅器７の効率を最大化することが可能である。

図１１は位相線路４６の電気長θ₀に対するキャリア増幅器３及びピーク増幅器７の効率特性を示す図であり、位相線路４６の電気長θ₀を最適の値θ_OPTにすることにより、ＲＦ信号の２倍の周波数２ｆ₀の高調波の発生を抑圧し、キャリア増幅器３及びピーク増幅器７の効率Ｅ_maxを得ることができる。

このように、キャリア増幅器３及びピーク増幅器７の効率を最大化することで、高効率増幅器全体としての効率を最大化することができ、出力バックオフが大きい小信号レベルにおいても効率を向上させることが可能となる。

以上のように、この実施の形態４によれば、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、キャリア増幅器３及びピーク増幅器７のトランジスタ４５のバイアス電圧を、ＲＦ信号の周波数ｆ₀で電気長が９０°の長さの短絡スタブとなる９０°位相線路４９と位相線路４６を介して供給し、位相線路４６の電気長θ₀を、ＲＦ信号の２倍の周波数２ｆ₀の高調波を削減し、キャリア増幅器３及びピーク増幅器７の効率を最大化する値に設定することにより、出力バックオフが大きい小信号レベルにおいても効率を向上させることができるという効果が得られる。

実施の形態５．
図１２はこの発明の実施の形態５による高効率増幅器の構成と各部の電気長を示す図である。図１２に示す高効率増幅器は、上記実施の形態１の図１に示す高効率増幅器において、キャリア増幅器３に接続されたゲート電圧発生回路６１及びドレイン電圧発生回路６２、ピーク増幅器７に接続されたゲート電圧発生回路６３及びドレイン電圧発生回路６４を追加したものであり、その他の構成は図１と同じである。

図１２において、キャリア増幅器３及びピーク増幅器７では、同じバイアス電圧を供給した場合に同じ飽和電力を有するトランジスタ（図示せず）を使用しているものとする。また、ドレイン電圧発生回路６２がキャリア増幅器３のトランジスタに供給するバイアス電圧Ｖｄ１は、ドレイン電圧発生回路６４がピーク増幅器７のトランジスタに供給するバイアス電圧Ｖｄ２よりも小さく設定されている。そのため、キャリア増幅器３の飽和電力はピーク増幅器７の飽和電力よりも小さくなり、上記実施の形態１よりも大きな出力バックオフ点で効率最大点を迎えることが可能となる。

図１３は高効率増幅器の出力電力に対する効率特性を示す図である。ここでは、上記実施の形態１の高効率増幅器とこの実施の形態５の高効率増幅器とを比較している。図１３に示すように、ドハティ増幅器としての飽和点ａに加えて、出力バックオフ（６＋β）ｄＢの点ｃよりも大きい出力バックオフ（６＋β＋γ）ｄＢ（β，γは正）の点ｄにおいて効率最大点を迎えることが可能となる。

以上のように、この実施の形態５によれば、キャリア増幅器３のトランジスタのドレインに供給するバイアス電圧Ｖｄ１を、ピーク増幅器７のトランジスタのドレインに供給するバイアス電圧Ｖｄ２よりも小さく設定することにより、上記実施の形態１よりも、効率を最大にする出力バックオフを６ｄＢより大きくすることができ、出力バックオフが６ｄＢよりも大きい小信号動作レベルにおいて効率をさらに向上させることができるという効果が得られる。

以上のように、この発明に係る高効率増幅器は、例えば効率を最大にする出力バックオフを６ｄＢより大きくし、出力バックオフが６ｄＢよりも大きい小信号動作レベルにおいて効率を向上させるものに適している。

Claims (5)

1. 入力信号を第１及び第２の経路に分配する入力分配回路と、
   上記第１の経路に接続されたキャリア増幅器と、
   上記第２の経路に接続されたピーク増幅器と、
   上記第１及び第２の経路の出力合成点に接続されたインピーダンス変換回路と、
   上記キャリア増幅器の出力側のインピーダンス基準点と上記出力合成点の間に接続された第１の位相線路と、
   上記入力分配回路と上記ピーク増幅器の間に接続された第２の位相線路と、
   上記ピーク増幅器の出力側のインピーダンス基準点と上記出力合成点の間に接続された第３の位相線路とを備え、
   上記入力信号のレベルが小さい場合に、上記キャリア増幅器の出力側のインピーダンス基準点から出力側を見たインピーダンスが２Ｒ＋α（Ｒは負荷抵抗、αは正）となるように、上記第１の位相線路の電気長と上記第３の位相線路の電気長が設定され、上記第２の位相線路の電気長が上記第１の位相線路の電気長と上記第３の位相線路の電気長との差に設定されることを特徴とする高効率増幅器。
2. 上記入力分配回路と上記キャリア増幅器の間に接続された第４の位相線路を備え、
   上記第４の位相線路の電気長が上記キャリア増幅器の電気長と上記ピーク増幅器の電気長との差に設定されることを特徴とする請求項１記載の高効率増幅器。
3. 上記インピーダンス変換回路の出力に接続され特性インピーダンスＲを有するアイソレータを備えたことを特徴とする請求項１記載の高効率増幅器。
4. 上記キャリア増幅器及び上記ピーク増幅器は、内部の増幅素子のバイアス電圧が、上記入力信号の周波数で電気長が９０°の長さの短絡スタブとなる９０°位相線路と第５の位相線路を介して供給され、
   上記第５の位相線路の電気長が、上記入力信号の２倍の周波数の高調波の発生を抑圧し、効率を最大にする値に設定されることを特徴とする請求項１記載の高効率増幅器。
5. 上記キャリア増幅器の内部の増幅素子の出力側に供給されるバイアス電圧が、上記ピーク増幅器の内部の増幅素子の出力側に供給されるバイアス電圧よりも小さく設定されることを特徴とする請求項１記載の高効率増幅器。
   

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