(57)【要約】【課題】種々の無線規格に適応したドハティ増幅器を実現する。【解決手段】ＡＢ級動作のキャリア増幅器１４と、Ｃ級動作のピーク増幅器１５を備え、入力高周波信号をキャリア増幅器１４及びピーク増幅器１５に分配供給し、キャリア増幅器１４の出力とピーク増幅器１５の出力との合成出力をインピーダンス変換して出力するドハティ増幅器において、キャリア増幅器１４及びピーク増幅器１５の増幅素子であるＦＥＴのドレイン電圧を入力高周波信号の中心周波数に応じて最適化することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を常時増幅するキャリア増幅器と、
入力信号を所定のレベル以上になった場合に増幅するピーク増幅器と、
入力高周波信号を前記キャリア増幅器及びピーク増幅器それぞれの入力端に分配供給する分配回路と、
前記キャリア増幅器の出力と前記ピーク増幅器の出力との合成出力をインピーダンス変換して出力するインピーダンス変換回路と、
前記キャリア増幅器及び前記ピーク増幅器の駆動電圧を前記入力高周波信号の中心周波数に応じて可変制御する制御回路と
を具備することを特徴とするドハティ増幅器。
【請求項２】
前記キャリア増幅器及びピーク増幅器それぞれの増幅素子はＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であり、
前記キャリア増幅器及びピーク増幅器それぞれのＦＥＴのソースは共に基準電位ラインに接続され、
前記キャリア増幅器及びピーク増幅器それぞれのＦＥＴのゲートには、それぞれ前記分配回路で分配された高周波信号が供給され、
前記キャリア増幅器及びピーク増幅器それぞれのＦＥＴのドレインには、前記制御回路によって可変制御されるドレイン電圧が供給されることを特徴とする請求項１記載のドハティ増幅器。
【請求項３】
前記制御回路は、予め前記入力高周波信号の中心周波数別の最適駆動電圧値を示すテーブルを備え、前記入力信号の中心周波数の指定時に前記テーブルを参照して前記キャリア増幅器及びピーク増幅器に供給する駆動電圧値を決定することを特徴とする請求項１記載のドハティ増幅器。
【請求項４】
前記制御回路は、予め前記入力高周波信号の中心周波数別の最適駆動電圧値を示すテーブルと、前記入力高周波信号の中心周波数を検出する周波数検出手段とを備え、前記テーブルを参照して前記周波数検出手段で検出された中心周波数に該当する最適駆動電圧値を決定することを特徴とする請求項１記載のドハティ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種々の無線規格による通信装置において、送信部の電力増幅器に利用されるドハティ増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動体通信や無線通信の進歩は著しく、例えば携帯電話、無線ＬＡＮ、Bluetooth（登録商標）などが規格化されている。これらの無線規格では、それぞれ使用する周波数帯や出力電力が異なっているため、これら複数の無線規格に共用できる高効率増幅器が要望されている。また、移動体通信や無線通信は、端末や基地局双方ともに、増幅器の効率及び線形性の向上に対する要求が高い。効率は直流消費電力と高周波出力電力の比で定義され、この値が大きいほど低消費電力化を達成することができる。線形性は入力電力の増加に対する出力電力の増加が直線的に変化する性能であり、この線形性が良好であれば、出力信号の歪みが低減されて、隣接チャネル漏洩電力が低減される。
【０００３】
しかしながら、一般的な増幅器では、効率と線形性との間にはトレードオフの関係がある。特に効率に関しては、増幅器への入力レベルが増加するにつれて高くなるため、入力レベルが低い状態では効率が極めて悪く、増幅器の出力が飽和出力電力に近づくまで最大効率が得られない。このため、効率を維持しながら増幅器の線形性を実現することは極めて難しい。そこで、高効率で信号を増幅する技術と、その低歪化やフィードフォワード等の歪補償技術とを組み合わせることにより、より高効率で低歪な特性を有するドハティ増幅器の開発が進められている。
【０００４】
ここで、上記ドハティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器とを有し、それぞれのゲート電圧を調整することでキャリア増幅器をＡＢ級、ピーク増幅器をＣ級で動作させるようにしたものである。この構成によれば、小信号動作時では、ピーク増幅器がＣ級であるため動作せず、ＡＢ級のキャリア増幅器のみが動作するため効率が向上し、大信号動作時ではピーク増幅器も動作するため、高い効率を維持したまま飽和出力電力が伸びる。これに対し、２つの増幅器を同時にＡＢ級動作させて合成出力するような通常の増幅器は、ドハティ増幅器と同等の飽和出力電力が得られるものの、飽和出力電力からバックオフをとった実用領域での効率が低い。
【０００５】
但し、上記のような従来のドハティ増幅器では、キャリア増幅器とピーク増幅器の出力合成点から見たピーク増幅器の負荷インピーダンスが開放に見えるように、インピーダンスの最適化を行う必要がある。もし、開放でないと、小信号動作時、すなわち、キャリア増幅器のみ動作している場合、ピーク増幅器側へ電力が漏洩してしまうからである。しかしながら、一般的に負荷インピーダンスは周波数に対して大きく変化してしまうことが多い。このため、合成点から見たピーク増幅器の負荷インピーダンスは、周波数によっては開放でない状態がある。したがって、従来のドハティ増幅器では、ある周波数でしか飽和遷移点を持てず、使用周波数の異なる通信装置には共通に利用することはできなかった。
【０００６】
尚、ドハティ増幅器において、広い周波数帯域幅で高い効率を得る従来の技術としては、特許文献１に、キャリア増幅器の出力側、ピーク増幅器の入力側、ピーク増幅器の出力側において、入力信号の搬送波の周波数に合わせた最適線路長をもつ素子を用い、搬送波の周波数に応じてスイッチングにより最適な線路長を与えるという構造が提案されている。また、特許文献２に、キャリア増幅器の出力側に伝送線路とコンデンサとスイッチを備え、搬送波の周波数に応じて電気長が９０度となるように切り替える回路が提案されている。
【特許文献１】特開２００６−３４５３４１公報
【特許文献２】特開２００７−０１９５７８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上述べたように、ドハティ増幅器では、従来から効率の広帯域化を実現する技術は提案されているものの、いずれも使用周波数に応じた線路或いは回路素子が必要であり、構造的に複雑になってしまう。
【０００８】
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、使用周波数の異なる無線通信装置で共用する場合でも、簡易な構造で高効率化を実現することのできるドハティ増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するためにこの発明に係るドハティ増幅器は、入力信号を常時増幅するＡＢ級動作のキャリア増幅器と、入力信号を所定のレベル以上になった場合に増幅するＣ級動作のピーク増幅器と、入力高周波信号を前記キャリア増幅器及びピーク増幅器それぞれの入力端に分配供給する分配回路と、前記キャリア増幅器の出力と前記ピーク増幅器の出力との合成出力をインピーダンス変換して出力するインピーダンス変換回路と、前記キャリア増幅器及び前記ピーク増幅器の駆動電圧を前記入力高周波信号の中心周波数に応じて可変制御する制御回路とを具備することを特徴とする。
【００１０】
このように、入力高周波信号の中心周波数に合わせて駆動電圧を最適化することにより、異なる周波数と異なる出力電力において、通常のＡＢ級動作時の電力増幅器より高い効率を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、使用周波数の異なる無線通信装置で共用する場合でも、簡易な構造で高効率化を実現したドハティ増幅器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る一実施形態として、５０Ω系のマイクロ波信号を電力増幅するドハティ増幅器の構成を示すブロック回路図である。図１において、入力端１１に供給される５０Ω系のマイクロ波信号は、９０°ハイブリッドカプラ１２の一方の入力端に供給される。この９０°ハイブリッドカプラ１２の他方の入力端には５０Ω終端器１３が接続されており、当該カプラ１２は入力された信号をほぼ等しい電力で２系統に分配する。分配された信号はそれぞれキャリア増幅器１４、ピーク増幅器１５に送られる。尚、信号分配は、９０°ハイブリッドカプラ以外にも、ウィルキンソン分配器等の一般的な分配回路が利用可能である。
【００１４】
キャリア増幅器１４はＡＢ級動作、ピーク増幅器１５はＣ級動作となるようバイアス条件が与えられ、この結果、キャリア増幅器１４は常時動作状態となり、ピーク増幅器１５はキャリア増幅器１３の出力電力が飽和状態に近づいた段階で動作し始める。具体的には、キャリア増幅器１４、ピーク増幅器１５にはいずれも増幅素子にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）が採用され、両者のソースは共通接続されて接地される。各増幅器１４，１５のゲートには、上記９０°ハイブリッドカプラ１２で同等に分配されたマイクロ波信号が供給され、共に制御回路１６からドレイン電圧を受けて、ゲートの電圧変化に応じてドレイン出力を電力増幅する。
【００１５】
キャリア増幅器１４の出力は位相補償線路１７、１／４波長線路（５０Ω）１８を経て１／４波長インピーダンス変換器２０に送られる。ピーク増幅器１５の出力は位相補償回路１９を経て上記キャリア増幅器側の１／４波長線路１８の出力と合成されて上記１／４波長インピーダンス変換器２０に送られる。この１／４波長インピーダンス変換器２０はキャリア増幅器１４及びピーク増幅器１５それぞれの出力の合成が２５Ωとなることから、この２５Ω系の信号を５０Ω系にインピーダンス変換して外部との整合をとる。このようにして電力増幅されたマイクロ波信号は出力端２１から外部に導出される。
【００１６】
上記制御回路１６は、予め入力信号の中心周波数別に求められた最適なドレイン電圧値が登録されており、搭載機器の入力モード指定（例えば携帯電話モード、無線ＬＡＮモード等のユーザ指定）を受けて該当するドレイン電圧を上記キャリア増幅器１４及びピーク増幅器１５に送る。
【００１７】
上記構成において、以下に本発明に係るドハティ増幅器の特徴とする点について説明する。
【００１８】
まず、ドハティ増幅器の動作原理について説明する。すなわち、ドハティ増幅器では、キャリア増幅器１４とピーク増幅器１５それぞれのゲート電圧を調整することでキャリア増幅器１４をＡＢ級、ピーク増幅器１５をＣ級で動作させる。そして、ピーク増幅器１５の出力線路については、キャリア増幅器１４とピーク増幅器１５との出力端の合成点からピーク増幅器１５を見た負荷インピーダンスが開放に近い状態となるように位相線路長としておく。これにより、小信号動作時では、ピーク増幅器１５はＣ級であるため動作せず、ＡＢ級のキャリア増幅器１４のみが動作することになる。
【００１９】
ここで、２つの増幅器をＡＢ級動作させるような通常の増幅器は、出力電圧と効率の関係を見た場合、図２のカーブＣ１に示すような飽和出力電力特性が得られるが、飽和出力電力からバックオフをとった領域でのリニアリティが悪く、効率が低い。これに対し、ドハティ増幅器では、小信号動作時において、Ｃ級のピーク増幅器１５が動作せず、ＡＢ級のキャリア増幅器１４のみが動作するため、図２のカーブＣ２に示すようにリニアリティが良好となり、効率が向上する。そして、出力電力がキャリア増幅器１４の飽和する飽和遷移点Ｐａ以上に増加して大信号動作時になると、ピーク増幅器１５も動作するようになり、これによって図２のカーブＣ３に示すように、飽和出力電力Ｐｂが伸びる。また、同じ飽和出力電力を持つキャリア増幅器１４とピーク増幅器１５とで構成されるドハティ増幅器では、図２のカーブＣ２、Ｃ３に示すように、飽和遷移点Ｐａで効率の不連続点を有し、その効率をほぼ維持しつつ飽和出力電力Ｐｂに達するという特徴を有する。
【００２０】
さらに、本発明に係るドハティ増幅器では、キャリア増幅器１４とピーク増幅器１５のドレイン電圧を最適化することにより、出力電圧と効率の関係において、図３に示すように、飽和出力電力特性が変化する。すなわち、ドレイン電圧をＶ０，Ｖ１，Ｖ２（Ｖ０＞Ｖ１＞Ｖ２）それぞれに調整した場合、Ｖ０の時はカーブＣ４のように、Ｖ１の時はカーブＣ５のように、Ｖ２の時はカーブＣ６のように飽和出力電力特性が変化する。また、図３より明らかなように、ドレイン電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２それぞれの調整時の飽和遷移点における出力電力Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２の関係は、Ｐ０＞Ｐ１＞Ｐ２であり、各々の飽和遷移点における出力電力が異なる。
【００２１】
上記のような特徴を有するドハティ増幅器は、キャリア増幅器１４とピーク増幅器１５の出力合成点から見たピーク増幅器１５の負荷インピーダンスが開放に見えるように、インピーダンスの最適化を行う必要がある。ところが、一般的にインピーダンスは伝送信号の周波数が変わると大きく変化してしまうことが多い。このため、合成点から見たピーク増幅器１５の負荷インピーダンスは、伝送信号の周波数によっては開放でない状態がある。もし、開放でないと、小信号動作時、すなわち、キャリア増幅器１４のみ動作している場合にピーク増幅器１５側へ電力が漏洩してしまう。
【００２２】
そこで、本発明では、制御回路１６により、キャリア増幅器１４及びピーク増幅器１５のドレイン電圧を、無線信号の周波数に応じて最適化する。このようにドレイン電圧を最適化することにより、どのような効果が得られるかについて以下に説明する。
【００２３】
図４に、ドレイン電圧を一定とした状態で伝送信号の周波数を変化させたときのピーク増幅器１５の負荷インピーダンス特性を示す。図４を見ると明らかなように、周波数ｆ0 における負荷インピーダンスはほぼオープンに見えているが、周波数ｆL とｆH における負荷インピーダンスはオープン状態からずれていることがわかる。この場合、周波数ｆ0 においては理想的なドハティ増幅器として動作される。しかしながら、周波数ｆL とｆH においてはピーク増幅器１５の負荷インピーダンスはオープンに見えていないため、小信号動作時においてはキャリア増幅器１４により増幅された信号が合成点においてピーク増幅器へ電力が漏洩してしまい、効率が低下してしまう。
【００２４】
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれドハティ増幅器のドレイン電圧Ｖdsを３２Ｖ、２６Ｖ、２０Ｖと変化させた時の負荷インピーダンスのシミュレーション特性を示す。また、図５のシミュレーション結果を表１にまとめる。
【表１】
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【００２５】
表１より、ドレイン電圧Ｖdsを３２Ｖから２０Ｖへ変化させることにより、負荷インピーダンスがほぼオープンに見える周波数は2.20GHzから2.10GHzへ変化することがわかる。
【００２６】
図６にドレイン電圧Ｖdsを３２Ｖ、２０Ｖと変化させた時のドレイン効率／周波数特性のシミュレーション結果を示す。図６において、Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれドレイン電圧Ｖds＝３２Ｖ，２０ＶとしてＡＢ級動作させた場合のドレイン効率／周波数特性を示し、Ｄ，Ｅ，Ｆはそれぞれドレイン電圧Ｖds＝３２Ｖ，２０Ｖとしてドハティ動作させた場合のドレイン効率／周波数特性を示している。尚、図６では、飽和出力電力（Psat）から７dBバックオフした出力電力により効率をまとめた。図６より、周波数1.90GHz〜2.07GHzのとき、ドレイン電圧を２０Ｖに設定することにより、ＡＢ級動作により得られる効率より高い値を得ることができることがわかる。
【００２７】
一方、ドレイン電圧Ｖdsを３２Ｖ、２６Ｖ、２０Ｖと変化させた時の飽和出力電力の周波数特性のシミュレーション結果は図７に示すようになった。図７より、ドレイン電圧を低い値にすることにより、飽和出力電力は低下する傾向にあることがわかる。したがって、各周波数帯において、それぞれ異なる出力電力で高い効率を得ていることがわかる。
【００２８】
以上、無線信号の中心周波数に合わせてドハティ増幅器のドレイン電圧を最適化することにより、異なる周波数と異なる出力電力において、通常のＡＢ級動作時の電力増幅器より高い効率を得ることができる。
【００２９】
図８は図１に示したドハティ増幅器を基板上にパターン形成した実際の回路図である。入力端１１から入力されるマイクロ波信号は、パターン線路Ｐ１を介して９０°ハイブリッドカプラ１２の一方の入力端に供給される。９０°ハイブリッドカプラ１２の他方の入力端はパターン線路Ｐ２を介して５０Ω終端器１３に接続され、一方の出力端はパターン線路Ｐ３を介してキャリア増幅器１４のゲート電極Ｇ１へ接続され、他方の出力端はパターン線路Ｐ４を介してピーク増幅器１５のゲート電極Ｇ２に接続される。すなわち、９０°ハイブリッドカプラ１２に供給されたマイクロ波信号は、その一方の出力端及び他方の出力端に同振幅で送り出される。尚、他方の出力端から出力される信号の位相は、一方の出力端から出力される信号の位相より９０°遅れている。
【００３０】
キャリア増幅器１４の出力は、ドレイン電極Ｄ１とパターン線路Ｐ５を介して合成点に供給される。パターン線路Ｐ５は、図１に示す位相補償線路１７及び１／４波長線路１８として機能する。一方、ピーク増幅器１５の出力は、ドレイン電極Ｄ２とパターン線路Ｐ６を介して合成点に供給される。パターン線路Ｐ６は、図１に示す位相補償線路１９として機能する。合成点で合成される信号は、線路幅の異なるパターン線路Ｐ７及びＰ８によるインピーダンス変換器２０を介して出力端子２１から出力される。
【００３１】
上記構成によるドハティ増幅器に対し、制御回路１６は、無線信号の周波数指定があると、その指定周波数に対応するドレイン電圧を発生し、キャリア増幅器１４及びピーク増幅器１５に出力する。このように、本発明は、実際の回路構成の場合でもドレイン制御を容易に実現することが可能であり、使用周波数に応じて最適ドレイン電圧に切り替えることができる。
【００３２】
本発明のドハティ増幅器は、携帯電話およびＷｉＭＡＸ等の無線基地局及び端末に用いられる電力増幅器に適用することができる。
【００３３】
尚、この発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、制御回路１６において、無線信号の周波数指定に基づいてドレイン電圧を可変制御するようにしたが、周波数検出器（図示せず）を用いて入力信号の中心周波数を自動的に検出し、その検出結果に応じてドレイン電圧を可変制御するようにすれば、入力指定操作が不要となり、いっそう効果的である。
【００３４】
また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に関わるドハティ増幅器の構成を示す回路図。
【図２】図１のドハティ増幅器の負荷インピーダンスを示す図。
【図３】図１のドハティ増幅器のドレイン電圧を変えた場合の負荷インピーダンスを示す図。
【図４】図１のドハティ増幅器における効率の周波数特性を示す特性図。
【図５】図１のドハティ増幅器における飽和出力電力の周波数特性を示す特性図。
【図６】図１に示すドハティ増幅器のパターン形成例を示すパターン図。
【図７】ドハティ増幅器の効率特性に関する図。
【図８】ドレイン電圧を可変にした場合のドハティ増幅器の効率特性を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１１…入力端、１２…９０°ハイブリッドカプラ、１３…５０Ω終端器、１４…キャリア増幅器、１５…ピーク増幅器、１６…制御回路、１７…位相補償線路、１８…１／４波長線路（２０Ω）、１９…位相補償回路、２０…１／４波長インピーダンス変換器、２０…１／４波長インピーダンス変換器、２１…出力端。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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