KR20130123305A - 도허티 증폭기 - Google Patents

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KR20130123305A
KR20130123305A KR1020130020860A KR20130020860A KR20130123305A KR 20130123305 A KR20130123305 A KR 20130123305A KR 1020130020860 A KR1020130020860 A KR 1020130020860A KR 20130020860 A KR20130020860 A KR 20130020860A KR 20130123305 A KR20130123305 A KR 20130123305A
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filter circuit
amplifier
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doherty amplifier
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고이치 다무라
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

일 실시 형태에 의하면, 도허티 증폭기는, 입력된 고주파 신호를 2개로 분기하는 분배기와, 이 분배기로부터의 한 쪽 출력 신호를 증폭시키는 캐리어 증폭기와, 이 캐리어 증폭기로부터의 증폭 신호의 전역 성분이 통과하고, 이 증폭 신호의 위상을 시프트하는 제1 필터 회로와, 분배기로부터의 다른 쪽 출력 신호의 전역 성분이 통과하고, 이 출력 신호의 위상을 시프트하는 제2 필터 회로와, 이 제2 필터 회로로부터의 출력 신호를 증폭시키는 피크 증폭기와, 이 피크 증폭기로부터의 증폭 신호 및 제1 필터 회로로부터의 출력 신호를 합성하는 결합기를 구비하고, 제1 필터 회로 및 제2 필터 회로 중 적어도 어느 한 쪽은 집중 상수 소자에 의해 구성되어 있다.

Description

도허티 증폭기{DOHERTY AMPLIFIER}
본 출원은, 2012년 5월 2일에 출원한 선행하는 일본 특허 출원 제2012-105217호에 의한 우선권의 이익에 기초를 두고, 또한, 그 이익을 구하고 있으며, 그 내용 전체가 인용에 의해 여기에 포함된다.
일 실시 형태는 도허티 증폭기에 관한 것이다.
마이크로파 전력을 증폭시키는 증폭기로서 도허티 증폭기가 알려져 있다. 도허티 증폭기는 높은 전력 효율 및 높은 선형성을 갖는다. 도허티 증폭기는, A급으로부터 AB급 내지는 B급으로 바이어스된 캐리어 증폭기와, C급으로 바이어스된 피크 증폭기를 갖는다.
도허티 증폭기에서는, 입력된 고주파 신호는 2분기되어, 분기된 신호의 한 쪽은 캐리어 증폭기에 입력되고, 분기된 신호의 다른 쪽은 1/4 파장의 전송 선로를 통하여 피크 증폭기에 입력된다. 캐리어 증폭기로부터의 증폭 신호는 다른 1/4 파장의 전송 선로를 통하여 출력된다. 도허티 증폭기는, 이 다른 1/4 파장의 전송 선로로부터의 출력 신호와, 피크 증폭기로부터의 증폭 신호를 합성하여 출력한다.
1/4 파장의 전송 선로로서 1/4 파장의 선로 길이를 갖는 분포 상수 선로가 사용되기 때문에, 도허티 증폭기의 크기가 커진다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 크기가 작은 도허티 증폭기를 제공하는 것이다.
일 실시 형태에 의하면, 도허티 증폭기는, 입력된 고주파 신호를 2개로 분기하는 분배기와, 이 분배기로부터의 한 쪽 출력 신호를 증폭시키는 캐리어 증폭기와, 이 캐리어 증폭기로부터의 증폭 신호의 전역 성분이 통과하고, 이 증폭 신호의 위상을 시프트하는 제1 필터 회로와, 분배기로부터의 다른 쪽 출력 신호의 전역 성분이 통과하고, 이 출력 신호의 위상을 시프트하는 제2 필터 회로와, 이 제2 필터 회로로부터의 출력 신호를 증폭시키는 피크 증폭기와, 이 피크 증폭기로부터의 증폭 신호 및 제1 필터 회로로부터의 출력 신호를 합성하는 결합기를 구비하고, 제1 필터 회로 및 제2 필터 회로 중 적어도 1개는 집중 상수 소자에 의해 구성되어 있다.
본 발명에 의하면, 크기가 작은 도허티 증폭기를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다.
도 2a는 제1 실시 형태에 관한 도허티 증폭기에 사용되는 제1 필터 회로의 소자 상수의 일례를 나타낸다.
도 2b는 제1 필터 회로의 진폭 특성을 나타낸다.
도 2c는 제1 필터 회로의 올패스 필터링 특성을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 각각 제1 실시 형태에 관한 도허티 증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 종래예의 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다.
도 5a는 제1 실시 형태의 제1 변형예에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다.
도 5b는 제1 실시 형태의 제2 변형예에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다.
도 6a는 제2 실시 형태에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다.
도 6b는 제2 실시 형태에 관한 도허티 증폭기에 사용되는 제1 필터 회로의 소자 상수의 일례를 나타낸다.
도 7a는 제2 실시 형태의 제1 변형예에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다.
도 7b는 제2 실시 형태의 제2 변형예에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다.
도 8은 제3 실시 형태에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다.
도 9는 제3 실시 형태의 변형예에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다.
이하, 실시 형태에 관한 도허티 증폭기를, 도 1 내지 도 9를 참조하면서 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일 개소에 대해서는 동일한 부호를 부여함과 함께, 중복된 설명을 생략한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태에 관한 도허티 증폭기의 블록도이다. 도허티 증폭기(1)는, 입력 단자(10)와, 입력 단자(10)로부터 입력된 마이크로파 신호를 분기하는 분배기(11)와, 분배기(11)로부터의 한 쪽 출력 신호를 증폭시키는 캐리어 증폭기(12)와, 캐리어 증폭기(12)의 출력측에 설치되고 이 캐리어 증폭기(12)로부터의 증폭 신호의 전역 성분이 통과하고, 이 증폭 신호의 위상을 90도 시프트하는 제1 필터 회로(13)를 구비하고 있다.
도허티 증폭기(1)는, 분배기(11)로부터의 다른 쪽 출력 신호의 전역 성분이 통과하고, 이 출력 신호의 위상을 90도 시프트하는 제2 필터 회로(14)와, 제2 필터 회로(14)로부터의 출력 신호를 증폭시키는 피크 증폭기(15)를 더 구비하고 있다. 도허티 증폭기(1)는 피크 증폭기(15)로부터의 증폭 신호와 제1 필터 회로(13)로부터의 출력 신호를 합성하는 결합기(16)와, 결합기(16)에 접속된 출력 단자(17)를 더 구비하고 있다. 제1 필터 회로(13) 및 제2 필터 회로(14)는 각각 복수의 집중 상수 소자에 의해 형성되어 있다.
입력 단자(10)에는 반송 주파수가 마이크로파 대역 내에 있는 마이크로파 신호가 입력된다. 분배기(11)는 입력 신호의 전력을 2계통으로 분배한다. 분배기(11)는, 예를 들어 2입력 단자 및 2출력 단자를 갖는 90도 하이브리드 회로를 사용한다. 한 쪽 입력 단자에는 마이크로파 신호가 입력되고, 다른 쪽 입력 단자에는 종단부 저항기가 접속된다. 분배기(11)는 각 출력 단자로부터 진폭이 동등한 신호를 출력한다.
캐리어 증폭기(12)는 증폭 소자와, 이 증폭 소자의 동작점을 A급, AB급 또는 B급으로 설정하는 바이어스 회로를 갖는다. 증폭 소자는 예를 들어 FET(Field Effect Transistor)이다.
제1 필터 회로(13)는, 증폭 신호의 고역 주파수 성분이 통과하는 HPF(High Pass Filter)(18)와, 이 HPF(18)에 병렬로 접속되며 이 증폭 신호의 저역 주파수 성분이 통과하는 LPF(Low Pass Filter)(19)를 구비하고 있다. HPF(18)는 1개의 캐패시터이다. 이하, HPF(18)를 캐패시터(18)로 표기하는 경우가 있다. LPF(19)는, 일 단자가 캐패시터(18)의 일 단자에 접속된 인덕터(20)와, 일 단자가 이 인덕터(20)의 타 단자에 접속되고 타 단자가 캐패시터(18)의 타 단자에 접속된 다른 인덕터(21)와, 일 단자가 이들 인덕터(20, 21) 사이의 접속점에 접속되고 타 단자가 접지 도체에 접속된 다른 캐패시터(22)를 구비하고 있다. 캐패시터(18), 인덕터(20), 인덕터(21) 및 캐패시터(22)에는, 유전체 기판 상에 실장되는 칩 부품이 사용된다. 이들 인덕터(20), 인덕터(21) 및 캐패시터(22)는 T자형 접속 구조를 형성하고 있다.
이들 캐패시터(18), 인덕터(20), 인덕터(21) 및 캐패시터(22)의 각 소자 상수는, 특성 임피던스, 90도의 위상 시프트량 및 도허티 증폭기(1)에 입력되는 입력 신호의 사용 주파수에 의해 결정된다. 특성 임피던스란 캐리어 증폭기(12)의 출력측에 있어서 이 캐리어 증폭기(12)를 본 임피던스를 말한다. 90도의 위상 시프트란 90도의 통과 위상차, 즉 이상량을 신호에 부여하는 것을 말하고, 입력 신호의 신호 위상 φ에 대하여 90도 위상이 지연된 신호 위상(φ-90)의 출력 신호를 출력하는 것을 의미한다. 주파수 Fo에서 제1 필터 회로(13)의 위상 특성 곡선 상에서 손실 없이 신호의 위상이 180도 바뀔 때, 주파수 Fo의 절반의 주파수인 주파수 Fa를 사용 주파수라고 한다.
도 2a는 제1 필터 회로(13)의 구성 요소의 소자 상수의 일례를 나타낸다. 도 2b는 도 2a 중 HPF(18) 및 LPF(19)의 병렬 접속에 의해 얻어진 합성 진폭 특성을 나타낸다. 이들 도면 중, 이미 설명한 부호는 그들 부호의 요소와 동일한 요소를 나타낸다. 제1 필터 회로(13)는, 신호 경로에 직렬로 삽입된 HPF(18)와, HPF(18)에 병렬로 접속된 LPF(19)를 갖는다. LPF(19)에서는, 인덕터(20), 인덕터(21) 및 캐패시터(22)를 T자형으로 접속하고 있다. 캐패시터(18)(HPF(18))는 소자 상수로서 캐패시턴스 C/2를 갖는다. 인덕터(20, 21)는 각각 소자 상수로서 인덕턴스 L을 갖고, 캐패시터(22)는 캐패시턴스(2C)를 갖는다. 이들 C, L은 모두 식 (I), (II)의 관계를 만족하는 값을 갖는다.
Fo=1/{(2π)√(LC)}...(I)
Zo=√(L/C)...(II)
여기서, 주파수 Fo는 위상 특성 곡선 상에 있어서의 신호 위상이 180도 변화하는 주파수이다. 신호가 반송 주파수 Fo를 갖는다고 한 경우에 이 신호가 제1 필터 회로(13)에 의해 180도의 이상량(移相量)을 받는다. 특성 임피던스 Zo는 캐리어 증폭기(12)의 출력측에 있어서 캐리어 증폭기(12)를 본 전송 선로의 특성 임피던스를 나타낸다. 기호 √은 평방근의 연산을 나타낸다.
도 2b에는 HPF(18) 단체의 주파수 특성을 나타내는 진폭 특성(28)과, LPF(19) 단체의 주파수 특성을 나타내는 진폭 특성(29)과, 이들 HPF(18) 및 LPF(19)가 병렬로 접속되었을 때의 주파수 특성을 나타내는 진폭 특성(30)이 표시되어 있다. 진폭 특성이란 입력된 참조 신호에 대한 출력 신호의 전압의 비의 주파수 특성을 말한다. 진폭 특성(30)은 제1 필터 회로(13)에 입력되는 마이크로파 신호의 전압에 대한 제1 필터 회로(13)를 통과한 마이크로파 신호의 전압의 비이다. 감쇠량은 dB로 표시된다. 진폭 특성(28)을 갖는 HPF(18)와, 진폭 특성(29)을 갖는 LPF(19)를 병렬로 접속함으로써, 제1 필터 회로(13)는 0 내지 30GHz의 대역에 걸쳐 진폭이 평탄한 진폭 특성(30)을 실현한다. 도 2a와 같이 제1 필터 회로(13)가 올패스 필터라고 불리는 필터의 필터 상수를 사용함으로써, 이 제1 필터 회로(13)는 집중 상수 소자에 의해 구성할 수 있다.
도 2c는 도 2a의 제1 필터 회로(13)의 올패스 필터링 특성을 설명하기 위한 도면이다. 이미 설명한 부호는 그들 부호의 요소와 동일한 요소를 나타낸다. S(2, 1)는 S파라미터의 손실 특성 S21에 대응한다. 도 2c의 상반부에 진폭 특성(31)이 도시되고, 또한 도 2c의 하반부에 위상 특성 곡선(32)이 도시되어 있다. 진폭 특성(31)으로 나타낸 바와 같이, 도허티 증폭기(1)는 마이크로파 대역의 신호를 통과 손실 0dB로 출력한다. 또한, 위상 특성 곡선(32)으로 나타낸 바와 같이 주파수 Fo에서의 위상 시프트량은 180도이며, 주파수 Fa에서의 위상 시프트량은 동상으로 90도이다. C, L, Fa는 식 (III), (IV)의 관계를 만족한다.
Fa=1/{2*(2π)√(LC)}...(III)
Za=√(L/C)...(IV)
주파수 Fa는 위상 특성 곡선(32) 상에 있어서 주파수 Fo의 위상 시프트량의 절반의 값을 갖는 사용 주파수이다. 특성 임피던스 Za는 특성 임피던스 Zo와 동등하다. 도허티 증폭기(1)에 입력되는 마이크로파 신호의 주파수가 주파수 Fa인 경우에 이 마이크로파 신호가 제1 필터 회로(13)에 의해 90도의 위상 시프트를 받는다. 기호 *는 승산을 나타낸다.
또한, 도 1의 제2 필터 회로(14)는, 분배기(11)에 의해 분기된 다른 쪽 출력 신호의 고역 주파수 성분이 통과하는 HPF(23)와, 이 HPF(23)에 병렬로 접속되며 이 분기된 출력 신호의 저역 주파수 성분이 통과하는 LPF(24)를 구비하고 있다. HPF(23)는 1개의 캐패시터를 포함하여 이루어진다. 이하, HPF(23)를 캐패시터(23)라고 표기하는 경우가 있다. LPF(24)는, 일 단자가 캐패시터(23)의 일 단자에 접속된 인덕터(25)와, 일 단자가 이 인덕터(25)의 타 단자에 접속되고 타 단자가 캐패시터(23)의 타 단자에 접속된 다른 인덕터(26)와, 일 단자가 인덕터(25, 26) 사이의 접속점에 접속되고 타 단자가 접지 도체에 접속된 캐패시터(27)를 구비하고 있다. 캐패시터(23), 인덕터(25), 인덕터(26) 및 캐패시터(27)에는, 유전체 기판 상에 실장되는 칩 부품이 사용된다. 이들 인덕터(25), 인덕터(26) 및 캐패시터(27)는 T자형 접속 구조를 형성하고 있다. 이들 캐패시터(23), 인덕터(25) 등의 각 소자 상수는, 제1 필터 회로(13)의 각 소자 상수와 동일하도록 하여 결정된다. 또한, 제2 필터 회로(14)는 올패스 필터이며, LPF(23)와 HPF(24)를 병렬로 접속함으로써 얻어지는 합성 진폭 특성과 동등한 진폭 특성을 갖는다. 제2 필터 회로(14)의 진폭 특성은 진폭 특성(31)과 실질적으로 동일하다. 제2 필터 회로(14)의 위상 특성도 위상 특성 곡선(32)과 실질적으로 동일하다.
피크 증폭기(15)는 증폭 소자와, 이 증폭 소자의 동작점을 B급 또는 C급으로 설정하는 바이어스 회로를 갖는다. 증폭 소자는 캐리어 증폭기(12)용 FET와는 상이한 FET이다. 캐리어 증폭기(12)의 FET와 피크 증폭기(15)의 FET는 접지 단자를 공용해도 좋다.
결합기(16)는 피크 증폭기(15)로부터의 증폭 신호 및 제1 필터 회로(13)로부터의 출력 신호 중, 동일한 주파수 대역의 신호를 합성하고, 합성한 신호를 출력한다. 결합기(16)에는 예를 들어 유전체 기판 상의 한 쌍의 병행한 선로가 사용된다.
이와 같은 구성을 갖는 도허티 증폭기(1)에서는, 신호 입력이 없을 때, 캐리어 증폭기(12)의 FET에 AB급 또는 B급의 바이어스가 부여되고, 또한 피크 증폭기(15)의 FET에 C급의 바이어스가 부여된다.
도 3a는 입력 전력이 작을 때의 도허티 증폭기(1)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3b는 입력 전력이 클 때의 도허티 증폭기(1)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 작은 전력이란, 캐리어 증폭기(12)의 FET가, 증폭 특성상 입출력의 선형성을 유지할 수 있는 범위 내에 있는 경우를 의미한다. 큰 전력이란, 캐리어 증폭기(12)의 FET가, 증폭 특성상 입출력의 선형성을 유지할 수 있는 범위 밖에 있는 경우를 의미한다. 이미 설명한 부호는 그들 부호의 요소와 동일한 요소를 나타낸다. 도허티 증폭기(1)에는 도시하지 않은 임피던스 정합 회로를 통하여 마이크로파 신호가 입력된다.
순시 입력 전력이 작은 경우, 도 3a에 도시한 바와 같이, C급으로 바이어스된 피크 증폭기(15)는 오프 상태이며, 피크 증폭기(15)의 출력 임피던스는 개방 상태이다. 도허티 증폭기(1)는, 캐리어 증폭기(12)만으로 증폭 동작을 행한다. 도허티 증폭기(1)는 캐리어 증폭기(12)에 의한 출력 신호만을 부하(33)에 공급한다. 부하(33)는 출력 단자(17) 및 접지간에 접속되고, 부하 임피던스 R0/2를 갖는 것으로 한다. 제1 필터 회로(13)의 특성 임피던스가 R0으로 설정되어 있는 것으로 한다.
제1 필터 회로(13)는 무손실 선로라고 하면, 제1 필터 회로(13)의 입력단에서의 전압 V0, 전류 I0과, 제1 필터 회로(13)의 출력단에서의 전압 VL, 전류 IL은, 회로 방정식으로부터, VL=jR0I0, IL=(j/R0)V0으로 표현된다. 제1 필터 회로(13)의 출력단으로부터 본 부하 임피던스 VL/IL은 R0/2인 점에서, 이들 VL, IL을 대입하면 다음 식이 얻어진다.
R0/2=VL/IL=(R0)2(I0/V0)
이 식의 변형에 의해 V0/I0=2R0이 얻어진다. V0=2R0I0이 얻어진다. 이것은 제1 필터 회로(13)의 입력단으로부터 본 부하 임피던스가 2R0으로 되는 것을 나타낸다. 이 결과는, 캐리어 증폭기(12)의 출력측에서 본 부하(33)의 임피던스 값은 R0/2로부터 2R0으로 변환된 것을 나타낸다. 이 높은 부하 임피던스는, 전원 전압이 일정한 경우, 작은 전력을 증폭할 때의 효율을 높게 한다. 부하 임피던스가 2R0인 경우, 캐리어 증폭기(12)의 포화 전력은 작지만 효율은 좋다. 캐리어 증폭기(12)의 소비 전력이 억제되어, 도허티 증폭기(1)는 높은 전력 효율로 동작한다.
순시 입력 전력의 변화에 대하여 증폭 소자의 동작점을 증폭 특성상 변화시킴으로써, 캐리어 증폭기(12)는 순시 입력 전력의 변화에 추종한다. 캐리어 증폭기(12)의 증폭 소자의 동작점을 포화 영역측으로 어긋나게 함으로써, 도허티 증폭기(1)는, 약간 커진 순시 입력 전력을 갖는 마이크로파 신호를 캐리어 증폭기(12)에 의해 증폭한다. 또한 레벨이 큰 전력의 입력에 의해, 캐리어 증폭기(12)의 동작은 포화되어, 캐리어 증폭기(12)는 증폭 선형성이 무너진 상태로 된다. 캐리어 증폭기(12)에 의한 증폭에 있어서 부족한 전력을 보충하도록 피크 증폭기(15)가 동작한다.
순시 입력 전력이 큰 경우, 도 3b에 도시한 바와 같이, 피크 증폭기(15)가 온 상태로 되어, 도허티 증폭기(1)는 피크 증폭기(15)로부터의 출력 신호를 부하(33)에 공급하고, 캐리어 증폭기(12)에 의한 증폭 신호와 피크 증폭기(15)에 의한 증폭 신호가 합성된다. 제1 필터 회로(13)의 출력단의 부하 임피던스 VL/IL은 R0이며, 피크 증폭기(15)의 출력단의 부하 임피던스도 R0이다. 무손실 선로의 회로 방정식에 VL, IL을 대입하면 다음 식이 얻어진다.
R0=VL/IL=(R0)2(I0/V0)
이 식의 변형에 의해 V0/I0=R0이 얻어지고, V0=R0I0이 구해진다. 이것은 제1 필터 회로(13)의 입력단으로부터 본 부하 임피던스가 R0으로 되는 것을 나타낸다. 이 결과, 제1 필터 회로(13)에 의한 임피던스의 변환은 행해지지 않아, 캐리어 증폭기(12)의 출력측에서 본 부하 임피던스도 R0으로 된다. 부하 임피던스가 R0인 경우, 캐리어 증폭기(12) 및 피크 증폭기(15)는 모두 포화 전력이 커지도록 각 증폭 소자가 바이어스되어 있다. 이로 인해, 도허티 증폭기(1)는 순시 입력 전력 시의 포화 전력 레벨보다도 큰 레벨의 포화 전력을 얻는다. 또한 각 증폭 소자의 바이어스가, 증폭 소자가 포화 전력을 출력하는 동작점 가까이에 설정되므로, 도허티 증폭기(1)에서는 높은 전력 효율이 얻어진다.
입력 단자(10)로부터의 마이크로파 신호의 전력 레벨이 더욱 증가했을 때, 피크 증폭기(15)도 포화되기 시작하지만, 캐리어 증폭기(12), 피크 증폭기(15) 모두 포화되어 있다. 이때도 캐리어 증폭기(12), 피크 증폭기(15)의 효율은 좋다.
도 4는 종래예에 의한 도허티 증폭기의 블록도이다. 이미 설명한 부호는 그들 부호의 요소와 동일하거나 동등한 요소를 나타낸다. 도허티 증폭기(100)는, 캐리어 증폭기(12)의 출력측에 설치된 전기 길이 1/4 파장을 갖는 제1 전송 선로(34)와, 피크 증폭기(15)의 입력측에 설치된 전기 길이 1/4 파장을 갖는 제2 전송 선로(35)를 구비하고 있다. 이들 전송 선로(34, 35) 모두 1/4 파장의 선로 길이보다도 긴 크기를 필요로 하여 90도의 이상차를 생성하는 분포 상수 선로에 의해 실현되고 있다.
그러나 이 도 4의 예에서는 1/4 파장의 선로를 사용하기 때문에, 선로 길이에 의해 도허티 증폭기의 크기가 커진다. 예를 들어 자유 공간에서의 1/4 파장은 1GHz에 있어서 75mm이며, 10GHz에 있어서 1/4 파장은 7.5mm이다. 종래예에 의한 도허티 증폭기에서는, 이들 75mm나 7.5mm라는 값은, 비록 파장 단축률을 고려했다고 해도, 도허티 증폭기의 소형화를 실현하기 위해서는 기술적 과제로 되어 있다. 파장 단축률이란 마이크로스트립 선로 상의 전자파 에너지의 전반 속도의 광속에 대한 비율을 말하고, 0보다도 크고 1보다도 작은 값을 취한다. 유전체 기판 중의 전자파의 일 파장은 단축되어, 일반적으로 자유 공간에서의 전자파의 일 파장보다도 짧아진다. 비록 단축된 1/4 파장의 선로이어도, 1/4 파장의 선로는 도허티 증폭기의 크기를 크게 한다. 이들 전송 선로(34, 35)를 사용한 도허티 증폭기를 MMIC(monolithic microwave integrated circuit)에 의해 실현하는 데에는, 칩 크기가 크다고 하는 기술적 과제가 존재한다.
이에 반하여 도허티 증폭기(1)에 의하면, 종래예의 1/4 파장의 전송 선로에 의해 형성된 90도 위상기를, 올패스 필터인 제1 필터 회로(13), 제2 필터 회로(14)를 사용함으로써 실현하기 때문에, 90도 위상기를 집중 상수 소자로 구성할 수 있다. 1/4 파장의 전송 선로(34, 35) 대신에 집중 상수 소자에 의해 형성되고, 전역 통과 특성을 갖는 필터 회로를 사용함으로써, 도허티 증폭기를 소형으로 할 수 있다. 또한 필터 회로를 MMIC에 의해 실현할 수 있다. 따라서, 도허티 증폭기의 크기를 작게 할 수 있다. 또한, 올패스 필터 회로인 제1 필터 회로(13), 제2 필터 회로(14)의 통과 손실은 0dB로 되어 있기 때문에, 도허티 증폭기(1) 전체의 이득의 감소분을 저감시키는 것이 가능하게 된다.
(제1 실시 형태의 변형예)
실시 형태에 관한 도허티 증폭기에서는, 2개의 라인 중 1개만 올패스 필터를 설치해도 좋다.
도 5a는 제1 실시 형태의 제1 변형예에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다. 이미 설명한 부호는 그들 부호의 요소와 동일한 요소를 나타낸다. 도허티 증폭기(2)는, 캐리어 증폭기(12) 뒤에 제1 필터 회로(13)를 갖고, 또한 피크 증폭기(15) 앞에 전송 선로(34)를 갖는다. 캐리어 증폭기(12)로부터의 증폭 신호의 전역 성분이 제1 필터 회로(13)를 통과하고, 제1 필터 회로(13)는 증폭 신호의 위상을 90도 시프트한다. 또한 전송 선로(34)는 입력되는 신호의 위상을 90도 시프트한다. 제1 필터 회로(13)는 집중 상수 소자에 의해 구성된 올패스 필터 회로이며,또한 전송 선로(34)는 1/4 파장의 분포 상수 선로이다.
또한, 도 5b는 제1 실시 형태의 제2 변형예에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다. 이미 설명한 부호는 그들 부호의 요소와 동일한 요소를 나타낸다. 도허티 증폭기(3)는, 캐리어 증폭기(12) 뒤에 전송 선로(35)를 갖고, 또한 피크 증폭기(15) 앞에 제2 필터 회로(14)를 갖는다. 입력된 신호의 전역 성분이 제2 필터 회로(14)를 통과하고, 제2 필터 회로(14)는 입력된 신호의 위상을 90도 시프트한다. 또한, 전송 선로(35)는 캐리어 증폭기(12)로부터의 증폭 신호의 위상을 90도 시프트시킨다. 제2 필터 회로(14)가 집중 상수 소자에 의해 구성된 올패스 필터 회로이며, 전송 선로(35)는 1/4 파장의 분포 상수 선로이다.
이 변형예에 의하면, 2개의 1/4 파장의 전송 선로 중 1개가 집중 상수 소자에 의해 구성된 필터 회로에 의해 치환되어 있으므로, 도허티 증폭기의 크기를 작게 할 수 있다. 또한, 필터 회로로서 올패스 필터를 사용하고 있기 때문에, 도허티 증폭기(2, 3) 전체의 이득의 감소분을 저감시킬 수 있다.
(제2 실시 형태)
상기 제1 필터 회로(13) 및 제2 필터 회로(14)의 구성 요소는 다른 집중 상수 소자를 사용해도 좋다.
도 6a는 제2 실시 형태에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다. 이미 설명한 부호는 그들 부호의 요소와 동일한 요소를 나타낸다. 도허티 증폭기(4)는, 캐리어 증폭기(12)로부터의 증폭 신호의 전역 성분이 통과 및 이 증폭 신호의 위상을 90도 시프트하는 제1 필터 회로(36)와, 분배기(11)로부터의 다른 쪽 출력 신호의 전역 성분이 통과 및 이 출력 신호의 위상을 90도 시프트하는 제2 필터 회로(37)를 구비하고 있다.
제1 필터 회로(36) 및 제2 필터 회로(37)는 각각 복수의 집중 상수 소자에 의해 형성되어 있다. 제1 필터 회로(36)는, 증폭 신호의 저역 주파수 성분이 통과하는 LPF(38)(이하 인덕터(38)라고 표기하는 경우가 있다)와, 이 LPF(38)에 병렬로 접속되며 이 증폭 신호의 고역 주파수 성분이 통과하는 HPF(39)를 구비하고 있다. HPF(39)는, 일 단자가 인덕터(38)의 일 단자에 접속된 캐패시터(40)와, 일 단자가 이 캐패시터(40)의 타 단자에 접속되고 타 단자가 인덕터(38)의 타 단자에 접속된 다른 캐패시터(41)와, 일 단자가 이들 캐패시터(40, 41) 사이의 접속점에 접속되고 타 단자가 접지 도체에 접속된 다른 인덕터(42)를 구비하고 있다. 인덕터(38), 캐패시터(40), 캐패시터(41) 및 인덕터(42)에는, 유전체 기판 상의 칩 부품이 사용된다. 이들 캐패시터(40), 캐패시터(41) 및 인덕터(42)는 T자형 접속 구조를 형성한다. 이들 인덕터(38) 등의 각 소자 상수는, 상기 제1 실시 형태의 제1 필터 회로(13)의 각 소자 상수의 예와 동일하도록 하여 결정된다.
도 6b는 LPF(38)의 구성 요소 및 HPF(39)의 구성 요소의 각 소자 상수의 일례를 나타내는 도면이다. 이미 설명한 부호는 그들 부호의 요소와 동일한 요소를 나타낸다. 인덕터(38)는 소자 상수로서 인덕턴스(2L)를 갖는다. 캐패시터(40, 41)는 각각 소자 상수로서 캐패시턴스 C를 갖고, 인덕터(42)는 인덕턴스 L/2를 갖는다. 이들 C, L은 모두 제1 실시 형태의 상기 식 (I), (II)의 관계, 혹은 이 관계와 실질적으로 동일한 관계식에 의해 구해진다.
제1 필터 회로(36)는 올패스 필터이며, LPF(38)와 HPF(39)를 병렬로 접속함으로써 생성되는 합성 진폭 특성과 동등한 진폭 특성을 갖는다. 제1 필터 회로(36)의 진폭 특성은 도 2c의 상반부의 진폭 특성(31)과 동일하도록 0 내지 30GHz의 주파수 대역에 있어서 평탄한 특성 곡선을 갖는다. 제1 필터 회로(36)의 위상 특성도 도 2c의 하반부의 위상 특성 곡선(32)과 실질적으로 동일하다. 제1 필터 회로(36)는 반송 주파수 Fa의 마이크로파 신호에 90도의 이상량을 부여하여, 결과의 신호를 출력한다.
한편, 도 6a의 제2 필터 회로(37)는, 분배기(11)로부터의 출력된 다른 쪽 출력 신호의 저역 주파수 성분이 통과하는 LPF(43)(인덕터(43))와, 이 LPF(43)에 병렬로 접속되며 이 출력 신호의 고역 주파수 성분이 통과하는 HPF(44)를 구비하고 있다. 이 HPF(44)는, 일 단자가 인덕터(43)의 일 단자에 접속된 캐패시터(45)와, 일 단자가 이 캐패시터(45)의 타 단자에 접속되고 타 단자가 인덕터(43)의 타 단자에 접속된 다른 캐패시터(46)와, 일 단자가 캐패시터(45, 46) 사이의 접속점에 접속되고 타 단자가 접지 도체에 접속된 인덕터(47)를 구비하고 있다. 이들 캐패시터(45), 캐패시터(46) 및 인덕터(47)는 T자형 접속 구조를 형성하고 있다. 이 제2 필터 회로(37)를 구성하는 LPF(43) 및 HPF(44)의 각 소자 상수도, 제1 실시 형태의 제1 필터 회로(13)의 각 소자 상수와 동일해지도록 하여 결정된다. 또한, 제2 필터 회로(37)는 올패스 필터이며, LPF(43)와 HPF(44)를 병렬로 접속함으로써 생성되는 합성 진폭 특성과 동등한 진폭 특성을 갖는다. 제2 필터 회로(37)의 진폭 특성은 진폭 특성(31)과 실질적으로 동일하다. 제2 필터 회로(37)의 위상 특성도 위상 특성 곡선(32)과 실질적으로 동일하다.
이와 같은 구성을 갖는 도허티 증폭기(4)는, 제1 실시 형태의 도허티 증폭기(1)와 마찬가지로, 순시 입력 전력이 작을 때 및 순시 입력 전력이 클 때에 높은 전력 효율로 동작한다.
도허티 증폭기(4)에 의하면, 올패스 필터인 제1 필터 회로(36) 및 제2 필터 회로(37)를 사용하기 때문에, 각각의 필터 회로를 집중 상수 소자로 구성할 수 있어, 도허티 증폭기(4)의 크기를 소형으로 할 수 있다. 또한 필터 회로를 MMIC에 의해 실현할 수 있다. 올패스 필터 회로인 제1 필터 회로(13), 제2 필터 회로(14)의 통과 손실은 0dB로 되어 있기 때문에, 도허티 증폭기(4) 전체의 이득의 감소분을 저감시키는 것이 가능하게 된다.
(제2 실시 형태의 변형예)
실시 형태에 관한 도허티 증폭기에서는, 2개의 라인 중 1개만 올패스 필터를 설치해도 좋다.
도 7a는 제2 실시 형태의 제1 변형예에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다. 도허티 증폭기(5)는 캐리어 증폭기(12) 뒤에 제1 필터 회로(36)를 갖는다. 도 7b는 제2 실시 형태의 제2 변형예에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다. 도허티 증폭기(6)는 피크 증폭기(15) 앞에 제2 필터 회로(37)를 갖는다. 이미 설명한 부호는 그들 부호의 요소와 동일한 요소를 나타낸다.
이에 의해, 도 7a와 같이, 도허티 증폭기(5)에서는, 캐리어 증폭기(12)로부터의 증폭 신호의 전역 성분은 제1 필터 회로(36)를 통과하고, 제1 필터 회로(36)는 신호의 위상이 90도 시프트한다. 또한 전송 선로(34)는 입력되는 신호의 위상을 90도 시프트한다.
또한, 도 7b와 같이, 도허티 증폭기(6)에서는, 신호의 전역 성분은 제2 필터 회로(37)를 통과하고, 또한 제2 필터 회로(37)는 신호의 위상이 90도 시프트한다. 또한 전송 선로(35)는 캐리어 증폭기(12)로부터의 증폭 신호의 위상을 90도 시프트한다.
도허티 증폭기(5)는, 1개의 라인만 집중 상수 소자에 의해 구성된 제1 필터 회로(36)를 갖는다. 또한 도허티 증폭기(6)는, 1개의 라인만, 집중 상수 소자에 의해 구성된 제2 필터 회로(37)를 갖는다. 1/4 파장의 전송 선로를 집중 상수 소자에 의해 구성된 필터 회로에 의해 치환함으로써, 도허티 증폭기의 크기를 작게 할 수 있다. 또한, 필터 회로로서 올패스 필터를 사용하고 있기 때문에, 도허티 증폭기(5) 및 도허티 증폭기(6) 전체의 이득의 감소분을 저감시킬 수 있다.
(제3 실시 형태)
도 2a의 구성을 갖는 올패스 필터와, 도 6b의 구성을 갖는 올패스 필터를 분기된 2개의 라인에 각각 설치해도 좋다.
도 8은 제3 실시 형태에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다. 도 9는 제3 실시 형태의 변형예에 관한 도허티 증폭기의 블록도를 도시한다. 이미 설명한 부호는 그들 부호의 요소와 동일한 요소를 나타낸다.
도 8의 도허티 증폭기(7) 및 도 9의 도허티 증폭기(8)에 의해서도, 도허티 증폭기(1)의 동작과 실질적으로 동일한 동작을 행한다. 필터 회로를 집중 상수 소자에 의해 형성함으로써, 도허티 증폭기를 작게 할 수 있다. 또한, 올패스 필터에 의해 통과 손실은 0dB로 되어 있기 때문에, 도허티 증폭기(7, 8)는 전체의 이득의 감소분을 저감시키는 것이 가능하게 된다.
(그 외)
상기 설명에서는 도허티 증폭기(1)는 캐리어 증폭기(12)의 증폭 소자에는 입출력 단자에 각각 내부 정합 회로를 접속해도 좋다. 내부 정합 회로(internal matched network)는 FET의 입력단 및 출력단에 있어서의 임피던스를 정합시킨다. 피크 증폭기(15)의 증폭 소자에는 내부 정합 회로가 접속된다. 또한, 분배기(11)의 출력측 및 결합기(16)의 입력측에, 임피던스 변환 회로를 접속해도 좋다.
몇개의 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하지 않고 있다. 이들 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하여, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되면 마찬가지로, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함되는 것이다.

Claims (7)

  1. 도허티 증폭기로서,
    입력된 고주파 신호를 2개로 분기하는 분배기와,
    이 분배기로부터의 1개의 출력 신호를 증폭시키는 캐리어 증폭기와,
    이 캐리어 증폭기로부터의 증폭 신호의 전역 성분이 통과하고, 이 증폭 신호의 위상을 시프트하는 제1 필터 회로와,
    상기 분배기로부터의 다른 1개의 출력 신호의 전역 성분이 통과하고, 이 다른 쪽 출력 신호의 위상을 시프트하는 제2 필터 회로와,
    이 제2 필터 회로로부터의 출력 신호를 증폭시키는 피크 증폭기와,
    이 피크 증폭기로부터의 증폭 신호 및 상기 제1 필터 회로로부터의 출력 신호를 합성하는 결합기를 구비하고,
    상기 제1 필터 회로 및 상기 제2 필터 회로 중 적어도 어느 한 쪽은 집중 상수 소자에 의해 구성되어 있는, 도허티 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 필터 회로는 상기 제1 필터 회로에 입력되는 사용 주파수의 신호의 위상을 90도 시프트시키는, 도허티 증폭기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 필터 회로는 상기 제2 필터 회로에 입력되는 사용 주파수의 신호의 위상을 90도 시프트시키는, 도허티 증폭기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 필터 회로는,
    상기 캐리어 증폭기로부터의 상기 증폭 신호의 고역 주파수 성분이 통과하는 제1 고역 통과 필터와,
    상기 제1 고역 통과 필터에 병렬로 접속되며, 상기 캐리어 증폭기로부터의 상기 증폭 신호의 저역 주파수 성분이 통과하는 제1 저역 통과 필터를 구비하는, 도허티 증폭기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 필터 회로는,
    상기 분배기로부터의 상기 다른 1개의 출력 신호의 고역 주파수 성분이 통과하는 제2 고역 통과 필터와,
    상기 제2 고역 통과 필터에 병렬로 접속되며, 상기 분배기로부터의 상기 다른 쪽 출력 신호의 저역 주파수 성분이 통과하는 제2 저역 통과 필터를 구비하는, 도허티 증폭기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 필터 회로는 상기 캐리어 증폭기의 출력측의 특성 임피던스, 위상 시프트량 및 상기 고주파 신호의 사용 주파수에 의해 결정된 소자 상수의 복수의 집중 상수 소자를 갖는, 도허티 증폭기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 필터 회로는 상기 피크 증폭기의 입력측의 특성 임피던스, 위상 시프트량 및 상기 고주파 신호의 사용 주파수에 의해 결정된 소자 상수의 복수의 집중 상수 소자를 갖는, 도허티 증폭기.
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