JPWO2017199366A1 - ドハティ増幅器 - Google Patents
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Abstract
Description
ドハティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器が並列に接続されており、負荷変調を行う90度線路をキャリア増幅器の出力側に装荷することで、出力電力が飽和出力より低いバックオフ動作時での高効率動作を実現している。バックオフ動作時は、ピーク増幅器が動作を停止している状態である。
以下の特許文献1には、電気長が異なる複数の線路をキャリア増幅器の出力側に設け、入力信号の周波数に応じて、電気長が異なる複数の線路の中から、キャリア増幅器の出力側に接続する線路を選択する制御機構を備えるドハティ増幅器が開示されている。
この制御機構によって、キャリア増幅器の出力側の線路における電気長が90度に近づけられる。
また、入力信号の周波数帯域幅が、キャリア増幅器の出力側に設けている各線路の適用可能な帯域幅より広いような場合、いずれの線路も選択しても、広帯域化を図ることができないという課題があった。
図1はこの発明の実施の形態1によるドハティ増幅器を示す構成図である。
図1において、入力端子1は増幅対象の信号として、例えば、マイクロ波やミリ波などの高周波信号を入力する端子である。
分配器2は入力端子1から入力された高周波信号を分配し、分配した一方の高周波信号を信号経路3に出力するとともに、分配した他方の高周波信号を信号経路4に出力する。
信号経路4は分配器2からピーク増幅器8を通過して合成器10に至るまで経路である。
位相補正回路5は信号経路3に挿入されており、信号経路3の電気長と、信号経路4の電気長とを揃える回路である。
図1の例では、位相補正回路5が信号経路3に挿入されているが、信号経路3の電気長と、信号経路4の電気長とが等しくなればよく、位相補正回路5が信号経路4に挿入されているものであってもよい。
90度線路7は一端がキャリア増幅器6の出力側に接続され、他端が合成器10に接続されている電気長が90度の線路である。
ピーク増幅器8は信号経路4に挿入されており、分配器2により分配された高周波信号を増幅する増幅素子である。
即ち、補償回路9は合成器10の出力側から合成器10を見たインピーダンスが容量性領域に存在する場合、当該インピーダンスを容量性領域と誘導性領域の境界に近づける補償を行い、合成器10の出力側から合成器10を見たインピーダンスが誘導性領域に存在する場合、当該インピーダンスを容量性領域と誘導性領域の境界に近づける補償を行う回路である。
ここで、使用周波数内とは、図1のドハティ増幅器により取り扱われる周波数の範囲内を意味する。
信号合成点10aは信号経路3と信号経路4が接続されている接続点である。
なお、合成器10は、単に信号経路3と信号経路4が信号合成点10aで接続され、信号合成点10aから出力端子11に至るまでの信号経路を有する回路であり、いわゆるウイルキンソン型分配器のような合成器ではない。
出力端子11は合成器10から出力された合成後の高周波信号を外部に出力する端子である。
分配器2は、入力端子1から入力された高周波信号を分配し、分配した一方の高周波信号を信号経路3に出力するとともに、分配した他方の高周波信号を信号経路4に出力する。
分配器2から信号経路3に出力された高周波信号は、位相補正回路5に入力される。
位相補正回路5は、信号経路3の電気長と、信号経路4の電気長とが等しくなるような電気長を有している。このため、位相補正回路5によって、信号経路3の電気長と、信号経路4の電気長とが揃えられる。
キャリア増幅器6により増幅された高周波信号は、電気長が90度である90度線路7を通過したのち、合成器10に到達する。
ピーク増幅器8は、分配器2により分配された高周波信号を増幅する。
ピーク増幅器8により増幅された高周波信号は、補償回路9を通過したのち、合成器10に到達する。
合成器10は、90度線路7を通過してきた高周波信号と、補償回路9を通過してきた高周波信号とを合成し、合成後の高周波信号を出力端子11に出力する。
図2は補償回路9が実装されていない場合のドハティ増幅器を示す構成図である。
図2のドハティ増幅器では、補償回路9が実装されておらず、信号経路4の電気長が、図1のドハティ増幅器における信号経路4の電気長よりも短くなっているため、位相補正回路5が、信号経路4に挿入されている例を示している。
図2は、ピーク増幅器8が動作を停止している状態(以下、「バックオフ動作時」と称する)でのインピーダンス変成を示している。
このため、図2では、キャリア増幅器6の出力側からキャリア増幅器6を見たインピーダンスが2×Roptになっている。
ピーク増幅器8は動作を停止しており、ピーク増幅器8の出力インピーダンスはオープンになっている。
また、図2では、90度線路7の特性インピーダンスはRoptであり、90度線路7の電気長は、ドハティ増幅器における使用周波数内の中心周波数で90度である。
この場合、合成器10の出力側から合成器10を見たインピーダンスΓの周波数依存性は図3のように表される。
高周波信号の周波数が、ドハティ増幅器における使用周波数内の中心周波数と一致している状態では、インピーダンスΓがスミスチャートの中心に位置、即ち、スミスチャートの横軸上に位置している。
しかし、高周波信号の周波数が、中心周波数より低い低周波域に存在している状態では、90度線路7の電気長が90度より短くなるため、インピーダンスΓは容量性領域に位置するようになる。
また、高周波信号の周波数が、中心周波数より高い高周波域に存在している状態では、90度線路7の電気長が90度より長くなるため、インピーダンスΓは誘導性領域に位置するようになる。
この結果、高周波信号の周波数が中心周波数から離れるほど、反射特性が劣化する。
この場合も、90度線路7の特性インピーダンスはRoptであり、90度線路7の電気長は、ドハティ増幅器における使用周波数内の中心周波数で90度であるとする。
補償回路9は、自己の出力端9aからピーク増幅器8側を見たインピーダンスを使用周波数内でオープンにする機能と、高周波信号の周波数が中心周波数より低い低周波域に存在している状態では、周波数特性が誘導性(以下、「L性」と称する)に切り替わり、高周波信号の周波数が中心周波数より高い高周波域に存在している状態では、周波数特性が容量性(以下、「C性」と称する)に切り替わる機能とを有している。
高周波信号の周波数が中心周波数より低い低周波域に存在している状態では、補償回路9の周波数特性がL性に切り替わるため、容量性領域に位置しているインピーダンスΓが、スミスチャートの中心に近づくような補償が行われる。
また、高周波信号の周波数が中心周波数より高い高周波域に存在している状態では、補償回路9の周波数特性がC性に切り替わるため、誘導性領域に位置しているインピーダンスΓが、スミスチャートの中心に近づくような補償が行われる。
補償回路9によって、インピーダンスΓがスミスチャートの中心に近づくような補償が行われるため、図5に示すように、ドハティ増幅器の広帯域化が実現される。
上記実施の形態1では、補償回路9がピーク増幅器8と合成器10の間に接続されているドハティ増幅器について示したが、この実施の形態2では、補償回路9が、使用周波数内で180度の整数倍の電気長を有している周波数依存性補償線路であるドハティ増幅器について説明する。
図6において、周波数依存性補償線路21は使用周波数内の中心周波数で180度の整数倍の電気長θを有し、かつ、任意の特性インピーダンスZ=aを有する線路である。図中、Nは自然数である。
図7は周波数依存性補償線路21が実装されているドハティ増幅器におけるインピーダンスΓの周波数依存性を示すスミスチャートである。
図7では、周波数依存性補償線路21の電気長θが、使用周波数内で360度(=2×180度)の例を示している。即ち、N=2の例を示している。
また、高周波信号の周波数が中心周波数より高い高周波域に存在している状態では、周波数依存性補償線路21のC性によって、誘導性領域に位置しているインピーダンスΓが、スミスチャートの中心に近づくような補償が行われる。
周波数依存性補償線路21の特性インピーダンスZが小さいほど、同じ周波数では周波数依存性補償線路21のL性が大きくなる。
周波数依存性補償線路21の特性インピーダンスZは、キャリア増幅器6及び90度線路7の周波数依存性と、ドハティ増幅器に求められる帯域特性とによって決定される。
上記実施の形態2では、補償回路9として、使用周波数内の中心周波数で180度の整数倍の電気長θを有し、かつ、任意の特性インピーダンスZ=aを有する周波数依存性補償線路21を用いるものを示したが、この実施の形態3では、補償回路9として、使用周波数内の中心周波数で180度の整数倍の電気長θを有し、かつ、合成器10の出力インピーダンスと同じ特性インピーダンスを有する周波数依存性補償線路22を用いるものを説明する。
図8において、周波数依存性補償線路22は使用周波数内の中心周波数で180度の整数倍の電気長θを有し、かつ、合成器10の出力インピーダンスと同じ特性インピーダンスZ=Roptを有する線路である。
図9は周波数依存性補償線路22が実装されているドハティ増幅器におけるインピーダンスΓの周波数依存性を示すスミスチャートである。
また、高周波信号の周波数が中心周波数より高い高周波域に存在している状態では、周波数依存性補償線路22のC性によって、誘導性領域に位置しているインピーダンスΓが、スミスチャートの中心に近づくような補償が行われる。
周波数依存性補償線路22の電気長θが長いほど、同じ周波数では周波数依存性補償線路22のL性が大きくなる。
周波数依存性補償線路22の電気長θは、キャリア増幅器6及び90度線路7の周波数依存性と、ドハティ増幅器に求められる帯域特性とによって決定される。
上記実施の形態1では、補償回路9がピーク増幅器8と合成器10の間に接続されているドハティ増幅器について示したが、この実施の形態4では、電気長θが180度である複数の線路が直列に接続されており、複数の線路が異なる特性インピーダンスを有している周波数依存性補償線路23を、補償回路9として用いているドハティ増幅器について説明する。
図10Aは電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=bである線路と、電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=cである線路とが直列に接続されている周波数依存性補償線路23を示す説明図である。
図10Bは電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=bである線路と、電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=cである線路と、電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=dである線路とが直列に接続されている周波数依存性補償線路23を示す説明図である。
図10A及び図10Bに示す周波数依存性補償線路23は、特性インピーダンスZが違っていても、全て電気長θが180度である線路を直列に接続しているので、周波数依存性補償線路23における入力側のインピーダンスと、出力側のインピーダンスとは一致している。
また、高周波信号の周波数が中心周波数より高い高周波域に存在している状態では、周波数依存性補償線路23のC性によって、誘導性領域に位置しているインピーダンスΓが、スミスチャートの中心に近づくような補償が行われる。
周波数依存性補償線路23の特性インピーダンスZが小さいほど、同じ周波数では周波数依存性補償線路23のL性が大きくなる。
周波数依存性補償線路23の特性インピーダンスZは、キャリア増幅器6及び90度線路7の周波数依存性と、ドハティ増幅器に求められる帯域特性とによって決定される。
上記実施の形態1では、補償回路9がピーク増幅器8と合成器10の間に接続されているドハティ増幅器について示したが、この実施の形態5では、電気長θが90度の整数倍である複数の線路が直列に接続されており、複数の線路のうち、信号の伝送方向で中心の位置に存在している線路に対して、入力側に存在している線路の特性インピーダンス及び電気長と、出力側に存在している線路の特性インピーダンス及び電気長とが対称である周波数依存性補償線路24を、補償回路9として用いているドハティ増幅器について説明する。
図11Aは電気長θが90度で特性インピーダンスがZ=bである線路と、電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=cである線路と、電気長θが90度で特性インピーダンスがZ=bである線路とが直列に接続されている周波数依存性補償線路24を示す説明図である。
図11Bは電気長θが90度で特性インピーダンスがZ=dである線路と、電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=eである線路と、電気長θが90度で特性インピーダンスがZ=dである線路とが直列に接続されている周波数依存性補償線路24を示す説明図である。
図11Cは電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=fである線路と、電気長θが90度で特性インピーダンスがZ=dである線路と、電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=eである線路と、電気長θが90度で特性インピーダンスがZ=dである線路と、電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=fである線路とが直列に接続されている周波数依存性補償線路24を示す説明図である。
即ち、左側の線路及び右側の線路は、電気長θが共に90度であって、特性インピーダンスが共にZ=bである。
また、図11Bに示す周波数依存性補償線路24は、信号の伝送方向で中心の位置に存在している線路が、電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=eである線路(以下、「中心線路」と称する)であり、図中、その中心線路の左側の線路と右側の線路は、中心線路を中心にして、特性インピーダンス及び電気長が対称になっている。
即ち、左側の線路及び右側の線路は、電気長θが共に90度であって、特性インピーダンスが共にZ=dである。
即ち、1番左側の線路及び1番右側の線路は、電気長θが共に180度であって、特性インピーダンスが共にZ=fである。
また、左から2番目の線路及び右から2番目の線路は、電気長θが共に90度であって、特性インピーダンスが共にZ=dである。
したがって、図11A、図11B及び図11Cに示す周波数依存性補償線路24は、中心線路に対して、入力側に存在している線路の特性インピーダンス及び電気長と、出力側に存在している線路の特性インピーダンス及び電気長とが対称であるため、周波数依存性補償線路24における入力側のインピーダンスと、出力側のインピーダンスとは一致している。
また、高周波信号の周波数が中心周波数より高い高周波域に存在している状態では、周波数依存性補償線路24のC性によって、誘導性領域に位置しているインピーダンスΓが、スミスチャートの中心に近づくような補償が行われる。
周波数依存性補償線路24の特性インピーダンスZが小さいほど、同じ周波数では周波数依存性補償線路24のL性が大きくなる。
周波数依存性補償線路24の特性インピーダンスZは、キャリア増幅器6及び90度線路7の周波数依存性と、ドハティ増幅器に求められる帯域特性とによって決定される。
上記実施の形態1では、補償回路9がピーク増幅器8と合成器10の間に接続されているドハティ増幅器について示したが、この実施の形態6では、電気長θが90度の整数倍である複数の線路が直列に接続されており、複数の線路のうち、信号の伝送方向で中心の位置に存在している線路に対して、入力側に存在している線路の電気長と、出力側に存在している線路の電気長とが対称であり、かつ、入力側に存在している線路の特性インピーダンスと、出力側に存在している線路の特性インピーダンスが非対称である周波数依存性補償線路25を、補償回路9として用いているドハティ増幅器について説明する。
即ち、図12は電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=fである線路と、電気長θが90度で特性インピーダンスがZ=gである線路と、電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=eである線路と、電気長θが90度で特性インピーダンスがZ=dである線路と、電気長θが180度で特性インピーダンスがZ=fである線路とが直列に接続されている周波数依存性補償線路25を示す説明図である。
即ち、1番左側の線路及び1番右側の線路は、電気長θが共に180度であり、また、特性インピーダンスについても共にZ=fであるため、電気長及び特性インピーダンスが対称になっている。
左から2番目の線路及び右から2番目の線路は、電気長θが共に90度であるため、電気長が対称になっている。しかし、左から2番目の線路は、特性インピーダンスがZ=gであり、右から2番目の線路は、特性インピーダンスがZ=dであるため、特性インピーダンスが非対称になっている。
また、高周波信号の周波数が中心周波数より高い高周波域に存在している状態では、周波数依存性補償線路25のC性によって、誘導性領域に位置しているインピーダンスΓが、スミスチャートの中心に近づくような補償が行われる。
また、この実施の形態6では、中心線路に対して、入力側に存在している線路の特性インピーダンスと、出力側に存在している線路の特性インピーダンスとが非対称であるため、周波数依存性補償線路25における入力側のインピーダンスと、出力側のインピーダンスとが不一致になる。したがって、補償回路9がインピーダンスの変換機能を備えていることになる。
上記実施の形態1では、補償回路9がピーク増幅器8と合成器10の間に接続されているドハティ増幅器について示したが、この実施の形態7では、ピーク増幅器8の内部における寄生リアクタンスが、補償回路30の一部を兼ねるものであってもよい。
補償回路30は、図1の補償回路9と同様に、ピーク増幅器8が動作を停止している状態では、自己の出力端30aからピーク増幅器8側を見たインピーダンスを使用周波数内でオープンにするとともに、合成器10の出力側から合成器10を見たインピーダンスの周波数依存性を補償する回路である。
ただし、補償回路30は、図1の補償回路9と異なり、ピーク増幅器8の内部における寄生リアクタンスによる電気長との和が、使用周波数内で180度の整数倍の電気長となる電気長を有している。
即ち、補償回路30は補償部31を備えており、補償部31は、ピーク増幅器8の内部における寄生リアクタンスによる電気長との和が使用周波数内で180度の整数倍になる電気長を有している。
図13の例では、位相補正回路5が信号経路3に挿入されているが、信号経路3の電気長と、信号経路4の電気長とが等しくなればよく、位相補正回路5が信号経路4に挿入されているものであってもよい。
図14において、電流源41はピーク増幅器8内の増幅素子としてのトランジスタを示している。
ピーク増幅器8内の電流源41には、ピーク増幅器8の内部における寄生リアクタンスとして、寄生容量成分42と寄生誘導成分43が付加されている。
信号経路44はピーク増幅器8により増幅された高周波信号を補償部31に伝送する経路である。
補償部31はインダクタ45及びキャパシタ46を備えている。
図14では、補償部31がインダクタ45及びキャパシタ46を備えている例を示しているが、補償部31が、ピーク増幅器8の内部における寄生リアクタンスによる電気長との和が使用周波数内で180度の整数倍になる電気長を有していればよく、例えば、線路を備える補償部であってもよい。
このため、高周波信号の周波数が中心周波数より低い低周波域に存在している状態では、補償部31の周波数特性がL性に切り替わるため、容量性領域に位置しているインピーダンスΓが、スミスチャートの中心に近づくような補償が行われる。
また、高周波信号の周波数が中心周波数より高い高周波域に存在している状態では、補償部31の周波数特性がC性に切り替わるため、誘導性領域に位置しているインピーダンスΓが、スミスチャートの中心に近づくような補償が行われる。
上記実施の形態1〜7では、位相補正回路5、90度線路7及び補償回路9,30が、分布定数線路で構成されているものを想定しているが、位相補正回路5、90度線路7及び補償回路9,30が、集中定数部品で構成されているものであってもよい。
Claims (10)
- 増幅対象の信号を分配する分配器と、
前記分配器により分配された一方の信号を増幅するキャリア増幅器と、
一端が前記キャリア増幅器の出力側に接続されている90度線路と、
前記分配器により分配された他方の信号を増幅するピーク増幅器と、
前記90度線路を通過してきた信号と前記ピーク増幅器により増幅された信号を合成し、その合成した信号を出力する合成器とを備え、
前記ピーク増幅器が動作を停止している状態では、自己の出力端から前記ピーク増幅器側を見たインピーダンスを使用周波数内でオープンにするとともに、前記合成器の出力側から当該合成器を見たインピーダンスの周波数依存性を補償する補償回路が、前記ピーク増幅器と前記合成器の間に接続されていることを特徴とするドハティ増幅器。 - 前記分配器から前記キャリア増幅器を通過して前記合成器に至るまでの線路の電気長と、前記分配器から前記ピーク増幅器を通過して前記合成器に至るまでの線路の電気長とを揃える位相補正回路が、前記分配器と前記キャリア増幅器又は前記ピーク増幅器の間に接続されていることを特徴とする請求項1記載のドハティ増幅器。
- 前記補償回路は、前記合成器の出力側から当該合成器を見たインピーダンスが容量性領域に存在する場合、当該インピーダンスを容量性領域と誘導性領域の境界に近づける補償を行い、前記合成器の出力側から当該合成器を見たインピーダンスが誘導性領域に存在する場合、当該インピーダンスを容量性領域と誘導性領域の境界に近づける補償を行うことを特徴とする請求項1記載のドハティ増幅器。
- 前記補償回路は、前記使用周波数内で180度の整数倍の電気長を有していることを特徴とする請求項1記載のドハティ増幅器。
- 前記補償回路は、前記合成器の出力インピーダンスと同じ特性インピーダンスを有していることを特徴とする請求項4記載のドハティ増幅器。
- 前記補償回路は、電気長が180度である複数の線路が直列に接続されており、前記複数の線路が異なる特性インピーダンスを有していることを特徴とする請求項1記載のドハティ増幅器。
- 前記補償回路は、電気長が90度の整数倍である複数の線路が直列に接続されており、前記複数の線路のうち、信号の伝送方向で中心の位置に存在している線路に対して、入力側に存在している線路の特性インピーダンス及び電気長と、出力側に存在している線路の特性インピーダンス及び電気長とが対称であることを特徴とする請求項1記載のドハティ増幅器。
- 前記補償回路は、電気長が90度の整数倍である複数の線路が直列に接続されており、前記複数の線路のうち、信号の伝送方向で中心の位置に存在している線路に対して、入力側に存在している線路の電気長と、出力側に存在している線路の電気長とが対称であり、かつ、前記入力側に存在している線路の特性インピーダンスと、前記出力側に存在している線路の特性インピーダンスが非対称であることを特徴とする請求項1記載のドハティ増幅器。
- 前記補償回路は、前記ピーク増幅器の内部における寄生リアクタンスによる電気長との和が、前記使用周波数内で180度の整数倍の電気長となる電気長を有していることを特徴とする請求項1記載のドハティ増幅器。
- 前記90度線路及び前記補償回路が集中定数部品で構成されていることを特徴とする請求項1記載のドハティ増幅器。
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