(57)【要約】  複数のキャリア周波数の周波数配置がIntra-band ＣＡの関係にあるとき、第１増幅器をＢ級動作させ、第２増幅器をＣ級動作させ、電源変調器に一定電圧を第１増幅器及び第２増幅器に供給させてドハティ型の電力増幅器として動作させる。また、複数のキャリア周波数の周波数配置がInter-band Non-contiguous  ＣＡの関係にあるとき、第１増幅器及び第２増幅器をＢ級動作させ、電源変調器に入力信号の振幅成分に比例する電圧を第１増幅器及び第２増幅器に供給させてＥＴ方式の電力増幅器として動作させる。
2014069451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のキャリア周波数を含む入力信号を２つに分配する電力分配器と、
前記電力分配器で分配された一方の信号を増幅して出力する第１増幅器と、
前記入力信号に含まれる前記キャリア周波数の１／４波長に相当する長さである第１伝送線路と、
前記電力分配器で分配された他方の信号を、前記第１伝送線路を介して受信し、該他方の信号を増幅して出力する第２増幅器と、
前記第１増幅器及び前記第２増幅器に電源電圧を供給する電源変調器と、
前記第１増幅器の出力端に接続された、前記第１増幅器の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させるための第１整合回路と、
前記第２増幅器の出力端に接続された、前記第２増幅器の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させるための第２整合回路と、
キャリア周波数の１／４波長に相当する長さを有し、一端が前記第１整合回路の出力端に接続され、他端が前記第２整合回路の出力端に接続され、該他端から前記第１増幅器の出力信号と前記第２増幅器の出力信号の合成信号を負荷に供給する第２伝送線路と、
前記第１増幅器及び前記第２増幅器の動作クラスを設定すると共に、前記第１増幅器及び前記第２増幅器に供給する前記電源電圧を制御するための制御信号を前記電源変調器に供給する制御部と、
を有する電力増幅器。
【請求項２】
前記制御部は、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がIntra-bandキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器をＢ級動作させ、前記第２増幅器をＣ級動作させ、
前記電源変調器から、前記電源電圧として所定の一定電圧を前記第１増幅器及び前記第２増幅器に供給させ、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がInter-band Non-contiguousキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器及び前記第２増幅器をＢ級動作させ、
前記電源変調器から、前記電源電圧として前記入力信号の振幅成分に比例する電圧を前記第１増幅器及び前記第２増幅器に供給させる請求項１記載の電力増幅器。
【請求項３】
前記制御部は、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がIntra-bandキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器をＢ級動作させ、前記第２増幅器をＣ級動作させ、
前記電源変調器から、前記電源電圧として所定の一定電圧を前記第１増幅器及び前記第２増幅器に供給させ、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がInter-band Non-contiguousキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器及び前記第２増幅器をＢ級動作させ、
前記電源変調器から、前記第１増幅器及び前記第２増幅器の出力電力の和の平方根に比例する電圧を、前記電源電圧として前記第１増幅器及び前記第２増幅器に供給させる請求項１記載の電力増幅器。
【請求項４】
複数のキャリア周波数を含む入力信号を３つに分配する電力分配器と、
前記電力分配器で分配された第１信号を増幅して出力する第１増幅器と、
前記入力信号に含まれるキャリア周波数の１／４波長に相当する長さである第１伝送線路と、
前記入力信号に含まれるキャリア周波数の１／２波長に相当する長さである第２伝送線路と、
前記電力分配器で分配された第２信号を、前記第１伝送線路を介して受信し、該第２信号を増幅して出力する第２増幅器と、
前記電力分配器で分配された第３信号を、前記第２伝送線路を介して受信し、該第３信号を増幅して出力する第３増幅器と、
前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に電源電圧を供給する電源変調器と、
前記第１増幅器の出力端に接続された、前記第１増幅器の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させるための第１整合回路と、
前記第２増幅器の出力端に接続された、前記第２増幅器の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させるための第２整合回路と、
前記第３増幅器の出力端に接続された、前記第３増幅器の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させるための第３整合回路と、
一端が前記第１整合回路の出力端に接続され、他端が前記第２整合回路の出力端に接続された第３伝送線路と、
前記キャリア周波数の１／４波長に相当する長さを有し、一端が前記第２整合回路の出力端に接続され、他端が前記第３整合回路の出力端に接続され、該他端から前記第１増幅器の出力信号と前記第２増幅器の出力信号と前記第３増幅器の出力信号の合成信号を負荷に供給する第４伝送線路と、
前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器の動作クラスを設定すると共に、前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に供給する前記電源電圧を制御するための制御信号を前記電源変調器に供給する制御部と、
を有する電力増幅器。
【請求項５】
前記制御部は、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がIntra-bandキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器をＢ級動作させ、前記第２増幅器及び前記第３増幅器をＣ級動作させ、
前記電源変調から、前記電源電圧として所定の一定電圧を前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に供給させ、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がInter-band Non-contiguousキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器をＢ級動作させ、
前記電源変調器から、前記電源電圧として前記入力信号の振幅成分に比例する電圧を前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に供給させる請求項４記載の電力増幅器。
【請求項６】
前記制御部は、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がIntra-bandキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器をＢ級動作させ、前記第２増幅器及び前記第３増幅器をＣ級動作させ、
前記電源変調器から、前記電源電圧として所定の一定電圧を前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に供給させ、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がInter-band Non-contiguousキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器をＢ級動作させ、
前記電源変調器から、前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器の出力電力の和の平方根に比例する電圧を、前記電源電圧として前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に供給させる請求項４記載の電力増幅器。
【請求項７】
前記電源変調器と並列に接続されるスイッチ回路をさらに有し、
前記制御部は、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がIntra-bandキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、前記スイッチ回路をオンする請求項１から６のいずれか１項記載の電力増幅器。
【請求項８】
電力増幅器の出力インピーダンスを前記負荷のインピーダンスに対応した所望の値に変換する第４整合回路をさらに有する請求項１から７のいずれか１項記載の電力増幅器。
【請求項９】
並列に接続された第１増幅器及び第２の増幅器を備え、複数のキャリア周波数を含む入力信号を増幅して出力する電力増幅方法であって、
コンピュータが、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がIntra-bandキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器をＢ級動作させ、前記第２増幅器をＣ級動作させ、電源変調器から電源電圧として所定の一定電圧を前記第１増幅器及び前記第２増幅器に供給させて、前記第１増幅器及び前記第２の増幅器をドハティ型の電力増幅器として動作させ、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がInter-band Non-contiguousキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器及び前記第２増幅器をＢ級動作させ、前記電源変調器から電源電圧として前記入力信号の振幅成分に比例する電圧を前記第１増幅器及び前記第２増幅器に供給させて、前記第１増幅器及び前記第２の増幅器をエンベロープトラッキング方式の電力増幅器として動作させる電力増幅方法。
【請求項１０】
並列に接続された第１増幅器、第２の増幅器及び第３増幅器を備え、複数のキャリア周波数を含む入力信号を増幅して出力する電力増幅方法であって、
コンピュータが、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がIntra-bandキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器をＢ級動作させ、前記第２増幅器及び前記第３増幅器をＣ級動作させ、前記電源変調から電源電圧として所定の一定電圧を前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に供給させて、前記第１増幅器、前記第２の増幅器及び前記第３増幅器をドハティ型の電力増幅器として動作させ、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がInter-band Non-contiguousキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器をＢ級動作させ、前記電源変調器から、電源電圧として前記入力信号の振幅成分に比例する電圧を前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に供給させて、前記第１増幅器、前記第２の増幅器及び前記第３増幅器をエンベロープトラッキング方式の電力増幅器として動作させる電力増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信で使用される、複数のキャリア周波数帯の信号を含むＲＦ（Radio Frequency）信号を増幅する電力増幅器及び電力増幅方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信で使用される送信装置では、多くの場合、送信対象となるＲＦ（Radio Frequency）信号を増幅する電力増幅器（ＰＡ：Power Amplifier）が最も大きい電力を消費する。そのため、送信装置の開発においては、電力増幅器の消費電力を低減すること、すなわち電力増幅器の電力効率の改善が重要な課題となる。近年の無線通信システムでは、スペクトル効率を改善するためにＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）や多値ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）等のデジタル変調方式が採用されている。これらのデジタル変調方式では、データを誤りなく送受信するために、ＲＦ信号を増幅する電力増幅器の入出力特性に高い線形性が要求される。【０００３】
そこで、電力増幅器においては、入出力特性の線形性を維持するために、瞬時最大出力（ピーク）電力が飽和出力電力以下となるように平均出力電力が設定される。すなわち、電力増幅器においては、増幅対象であるＲＦ信号のピーク電力と平均電力の比（Peak-to-Average Ratio、以下、ＰＡＲと略称する）が大きい程、飽和出力電力に対して平均出力電力をより低く設定する必要がある。【０００４】
しかしながら、一般に、電力増幅器では、飽和出力電力に対して平均出力電力を低く設定される程、電力増幅器へ供給した電力に対して該電力増幅器から取り出せる電力の比、すなわち電力効率が低下する。電力増幅器の電力効率の低下は、送信装置の消費電力の増大を招くため、消費電力の低減が求められる近年の社会要求を満たすものではない。【０００５】
通常、ＲＦ信号のＰＡＲは無線通信規格毎に固有の値を有している。近年の移動体通信システムで採用されているＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）、ＬＴＥ（Long Term Evolution）等の通信方式、あるいはＷＬＡＮ（Wireless Local Area Network）、地上デジタル放送等で採用されている無線通信規格では、ＲＦ信号のＰＡＲがおよそ数ｄＢから十数ｄＢの大きな値となる。【０００６】
このように増幅対象であるＲＦ信号のＰＡＲが大きいことが、電力増幅器の電力効率を大きく低下させる要因となっている。そのため、電力増幅器を含む送信装置全体の消費電力が増大してしまう。【０００７】
平均出力電力が低い電力増幅器における電力効率を改善する技術としては、包絡線追跡（ＥＴ：Envelope Tracking：エンベロープトラッキング）方式が知られている。ＥＴ方式については、例えば非特許文献１にその構成例が記載されている。【０００８】
図１は、ＥＴ方式の電力増幅器の構成例を示すブロック図である。【０００９】
図１に示すように、ＥＴ方式の電力増幅器は、増幅器２１及び電源変調器２２を備える。増幅器２１には振幅成分及び位相成分を有するＲＦ変調信号２６が入力される。電源変調器２２は、ＲＦ変調信号２６の振幅成分を制御信号２７として用いて電源電圧ＶDDを変調し、変調後の電圧を増幅器２１の電源端子へ供給する。【００１０】
増幅器２１は、電源変調器２２の出力電圧を電源に用いて、振幅成分及び位相成分を含むＲＦ変調信号２６を増幅し、整合回路２３を介して増幅後のＲＦ変調信号２８を出力する。【００１１】
図１に示したＥＴ方式の電力増幅器は、ＲＦ変調信号２８が低出力電力であるとき、電源変調器２２が増幅器２１へ供給する電源電圧を低下させるため、増幅器２１へ供給される電力が必要最小限に抑制されて増幅器２１の消費電力が低減される。【００１２】
また、平均出力電力が低い電力増幅器における電力効率を改善する他の技術としては、ドハティ（Ｄｏｈｅｒｔｙ）型の電力増幅器がある。【００１３】
図２は、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器の構成例を示すブロック図である。【００１４】
図２に示すように、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器は、ＡＢ級またはＢ級で動作するキャリアアンプ３１ａと、Ｃ級で動作するピークアンプ３１ｂとを有し、キャリアアンプ３１ａ及びピークアンプ３１ｂが並列に接続された構成である。【００１５】
振幅成分及び位相成分を有するＲＦ変調信号３６は、電力分配器３５によってキャリアアンプ３１ａ及びピークアンプ３１ｂにそれぞれ分配される。このときピークアンプ３１ｂには、伝送線路３４ｂを介して電力分配器３５からＲＦ変調信号３６が入力される。【００１６】
キャリアアンプ３１ａの出力端には第１整合回路３３ａ及び伝送線路３４ａが直列に接続され、ピークアンプ３１ｂの出力端には第２整合回路３３ｂが接続されている。伝送線路３４ａ及び３４ｂは、線路長がλ／４（λはキャリア周波数の波長に相当）であり、特性インピーダンスＺ0の線路である。伝送線路３４ａの出力端及び第２整合回路３３ｂの出力端は接続され、負荷ＲLにはキャリアアンプ３１ａの出力信号とピークアンプ３１ｂの出力信号とが合成された信号（ＲＦ変調信号３８）が供給される。【００１７】
図２に示すＤｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器は、ＲＦ変調信号３８の振幅ｒが小さいとき（ｒ≦１／２・Ｖmax：Ｖmaxは最大振幅）、キャリアアンプ３１ａのみが動作し、ｒ＝１／２・Ｖmaxのときに電力効率が最大となり、理論的には７８．５％となる。このとき、第１整合回路３３ａからみた負荷（ＲL＝Ｚ0／２とする）のインピーダンスは、伝送線路３４ａがインピーダンス変成器として動作することで２Ｚ0となる。したがって、図２に示すＤｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器の出力電力はＶDD2／４Ｚ0＝０．５Ｐmax（Ｐmax＝ＶDD2／２Ｚ0：ＶDDはキャリアアンプ３１ａの電源電圧）となる。第１整合回路３３ａは、負荷のインピーダンス２Ｚ0とキャリアアンプ３１ａの出力インピーダンスとを整合させる。【００１８】
一方、ＲＦ変調信号３８の振幅ｒが１／２・Ｖmaxを超えると、キャリアアンプ３１ａ及びピークアンプ３１ｂがそれぞれ動作する。すなわち、１／２・Ｖmax＜ｒ≦Ｖmaxでは、ピークアンプ３１ｂからも負荷に電力が供給されるため、ロードプル効果により負荷のインピーダンスはＺ0／２からＺ0に変化する。また、伝送線路３４ａがインピーダンス変成器として動作することで、第１整合回路３３ａからみた負荷のインピーダンスも２Ｚ0からＺ0に変化する。したがって、図２に示すＤｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器は、ｒ＝Ｖmaxのときに出力電力が最大Ｐmax（＝ＶDD2／２Ｚ0）となる。【００１９】
第１整合回路３３ａは、負荷のインピーダンスがＺ0のときでも負荷のインピーダンスＺ0とキャリアアンプ３１ａの出力インピーダンスとが整合するように設計される。この場合、キャリアアンプ３１ａ及びピークアンプ３１ｂがそれぞれ電力Ｐmaxを出力するため、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器全体の出力は２Ｐmaxとなる。また、キャリアアンプ３１ａ及びピークアンプ３１ｂ共に飽和動作することで、電力増幅器全体の効率も７８．５％となる。すなわち、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器では、出力信号の振幅が１／２・Ｖmax（電力の場合６ｄＢバックオフに相当）のときの電力効率が向上するため、低出力時の消費電力を低減できる。【００２０】
ところで、近年の無線通信規格では、さらなる高速な無線通信を実現するために、断片化された（不連続の）複数の周波数帯域を１つの信号の送受信に利用するＣＡ（Carrier Aggregation：キャリアアグリゲーション）技術が検討されている。ＣＡ技術については、例えば非特許文献２に記載されている。【００２１】
ＣＡ技術を採用した無線通信システムでは、データ伝送に利用できる周波数帯域が増えるため、伝送速度をより高速にできる。【００２２】
また、ＣＡ技術を採用した無線通信システムでは、各キャリア周波数が大きく離れた周波数配置（各キャリア周波数の差Δｆが各キャリア周波数の変調帯域幅ｆBBよりも十分に大きいとき：Inter-band Non-contiguous ＣＡ）であるとき、伝播特性が異なる複数のキャリア周波数を同時に用いて通信するため、通信の安定性を向上させることができる。【００２３】
さらに、ＣＡ技術を適用することで、複数の事業者に断片的に周波数帯域を割り当てたり、複数の事業者で周波数帯域を共用したりする場合でも通信が可能になる。【００２４】
上記ＣＡ技術を採用した無線通信システムでは、複数の周波数帯域（バンド）のＲＦ信号を送信するための送信装置が必要となる。そのような送信装置においても消費電力の低減が求められる。【００２５】
通常、電力増幅器の特性は増幅対象であるＲＦ信号の周波数に強く依存する。そのため、上記ＣＡ技術に対応した送信装置を実現するには、使用する周波数帯域毎に専用の電力増幅器を設ける構成が一般的である。【００２６】
図３は、２つの周波数ｆ1、ｆ2をキャリア周波数として用いる、ＣＡ技術を適用した背景技術の送信装置の構成例を示している。【００２７】
図３に示す送信装置は、キャリア周波数ｆ1のＲＦ信号４６ａを増幅して出力する第１電力増幅器４１と、キャリア周波数ｆ2のＲＦ信号４６ｂを増幅して出力する第２電力増幅器４２と、第１電力増幅器４１及び第２電力増幅器４２の出力信号を合成する合成器４４と、キャリア周波数ｆ1、ｆ2に対応する広帯域アンテナ４５とを有する構成である。【００２８】
図３に示す第１電力増幅器４１及び第２電力増幅器４２には、送信装置全体の消費電力を低減するため、図１に示したＥＴ方式または図２に示したＤｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器を用いることが望ましい。【００２９】
上述したように、送信装置で用いる電力増幅器の特性は強い周波数依存性を有する。そのため、上記ＣＡ技術に対応した送信装置を実現しつつ、その消費電力を低減するには、図３で示したように使用する周波数帯域毎に専用の電力増幅器をそれぞれ設ける構成が一般的である。【００３０】
しかしながら、そのような送信装置は、複数の電力増幅器を備える必要があるため、送信装置のサイズが大きくなる課題がある。【００３１】
また、図３に示した背景技術の送信装置は、使用するキャリア周波数を変更する場合に、変更後のキャリア周波数に対応して最適に設計した新たな電力増幅器を設ける必要であり、キャリア周波数の変更に柔軟に対応できないという課題もある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３２】
【非特許文献１】２０００年マイクロウェーブ・シンポジウム・ダイジェスト  ２巻  ８７３−８７６頁  第１図（２０００、ＩＥＥＥ、ＭＴＴ−Ｓ  Ｄｉｇｅｓｔ、Ｖｏｌ．２、ｐｐ．８７３−８７６）
【非特許文献２】三木信彦他、“ＬＴＥ-Advancedにおける広帯域化を実現するCarrier Aggregation”,ＮＴＴ ＤｏＣｏＭｏテクニカルジャーナル，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．２
【発明の概要】
【００３３】
そこで、本発明は、複数の周波数帯域の信号を同時に増幅することが可能であり、高い電力効率を有し、使用する周波数帯域の変更に柔軟に対応できる電力増幅器及び電力増幅方法を提供することを目的とする。
【００３４】
上記目的を達成するため本発明の電力増幅器は、複数のキャリア周波数を含む入力信号を２つに分配する電力分配器と、
前記電力分配器で分配された一方の信号を増幅して出力する第１増幅器と、
前記入力信号に含まれる前記キャリア周波数の１／４波長に相当する長さである第１伝送線路と、
前記電力分配器で分配された他方の信号を、前記第１伝送線路を介して受信し、該他方の信号を増幅して出力する第２増幅器と、
前記第１増幅器及び前記第２増幅器に電源電圧を供給する電源変調器と、
前記第１増幅器の出力端に接続された、前記第１増幅器の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させるための第１整合回路と、
前記第２増幅器の出力端に接続された、前記第２増幅器の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させるための第２整合回路と、
キャリア周波数の１／４波長に相当する長さを有し、一端が前記第１整合回路の出力端に接続され、他端が前記第２整合回路の出力端に接続され、該他端から前記第１増幅器の出力信号と前記第２増幅器の出力信号の合成信号を負荷に供給する第２伝送線路と、
前記第１増幅器及び前記第２増幅器の動作クラスを設定すると共に、前記第１増幅器及び前記第２増幅器に供給する前記電源電圧を制御するための制御信号を前記電源変調器に供給する制御部と、
を有する。
【００３５】
または、複数のキャリア周波数を含む入力信号を３つに分配する電力分配器と、
前記電力分配器で分配された第１信号を増幅して出力する第１増幅器と、
前記入力信号に含まれるキャリア周波数の１／４波長に相当する長さである第１伝送線路と、
前記入力信号に含まれるキャリア周波数の１／２波長に相当する長さである第２伝送線路と、
前記電力分配器で分配された第２信号を、前記第１伝送線路を介して受信し、該第２信号を増幅して出力する第２増幅器と、
前記電力分配器で分配された第３信号を、前記第２伝送線路を介して受信し、該第３信号を増幅して出力する第３増幅器と、
前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に電源電圧を供給する電源変調器と、
前記第１増幅器の出力端に接続された、前記第１増幅器の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させるための第１整合回路と、
前記第２増幅器の出力端に接続された、前記第２増幅器の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させるための第２整合回路と、
前記第３増幅器の出力端に接続された、前記第３増幅器の出力インピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させるための第３整合回路と、
一端が前記第１整合回路の出力端に接続され、他端が前記第２整合回路の出力端に接続された第３伝送線路と、
前記キャリア周波数の１／４波長に相当する長さを有し、一端が前記第２整合回路の出力端に接続され、他端が前記第３整合回路の出力端に接続され、該他端から前記第１増幅器の出力信号と前記第２増幅器の出力信号と前記第３増幅器の出力信号の合成信号を負荷に供給する第４伝送線路と、
前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器の動作クラスを設定すると共に、前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に供給する前記電源電圧を制御するための制御信号を前記電源変調器に供給する制御部と、
を有する。
【００３６】
一方、本発明の電力増幅方法は、並列に接続された第１増幅器及び第２の増幅器を備え、複数のキャリア周波数を含む入力信号を増幅して出力する電力増幅方法であって、
コンピュータが、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がIntra-bandキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器をＢ級動作させ、前記第２増幅器をＣ級動作させ、電源変調器から電源電圧として所定の一定電圧を前記第１増幅器及び前記第２増幅器に供給させて、前記第１増幅器及び前記第２の増幅器をドハティ型の電力増幅器として動作させ、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がInter-band Non-contiguousキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器及び前記第２増幅器をＢ級動作させ、前記電源変調器から電源電圧として前記入力信号の振幅成分に比例する電圧を前記第１増幅器及び前記第２増幅器に供給させて、前記第１増幅器及び前記第２の増幅器をエンベロープトラッキング方式の電力増幅器として動作させる方法である。
【００３７】
または、並列に接続された第１増幅器、第２の増幅器及び第３増幅器を備え、複数のキャリア周波数を含む入力信号を増幅して出力する電力増幅方法であって、
コンピュータが、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がIntra-bandキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器をＢ級動作させ、前記第２増幅器及び前記第３増幅器をＣ級動作させ、前記電源変調から電源電圧として所定の一定電圧を前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に供給させて、前記第１増幅器、前記第２の増幅器及び前記第３増幅器をドハティ型の電力増幅器として動作させ、
前記複数のキャリア周波数の周波数配置がInter-band Non-contiguousキャリアアグリゲーションの関係にあるとき、
前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器をＢ級動作させ、前記電源変調器から、電源電圧として前記入力信号の振幅成分に比例する電圧を前記第１増幅器、前記第２増幅器及び前記第３増幅器に供給させて、前記第１増幅器、前記第２の増幅器及び前記第３増幅器をエンベロープトラッキング方式の電力増幅器として動作させる方法である。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、複数の周波数帯域の信号を同時に増幅することが可能であり、高い電力効率を有し、使用する周波数帯域の変更に柔軟に対応できる電力増幅器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、ＥＴ方式の電力増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器の構成例を示すブロック図である。
【図３】図３は、ＣＡ技術を適用した背景技術の送信装置の構成例を示すブロック図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態の電力増幅器の一構成例を示すブロック図である。
【図５】図５は、図４に示した電力増幅器の動作例を示すブロック図である。
【図６】図６は、図４に示した第１増幅器の一構成例を示す回路図である。
【図７】図７は、図４に示した第１広帯域整合回路及び第２広帯域整合回路の動作を説明するためのスミスチャート図表である。
【図８】図８は、図５に示した電力増幅器の動作例をより具体的に示すブロック図である。
【図９】図９は、図５に示した電力増幅器の動作例をより具体的に示すブロック図である。
【図１０】図１０は、図５に示した電力増幅器の動作例をより具体的に示すブロック図である。
【図１１】図１１は、図５に示した電力増幅器の動作例をより具体的に示すブロック図である。
【図１２】図１２は、第２の実施の形態の電力増幅器の一構成例を示すブロック図である。
【図１３】図１３は、図１２に示した第３広帯域整合回路の一構成例を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、第３の実施の形態の電力増幅器の一構成例を示すブロック図である。
【図１５】図１５は、第４の実施の形態の電力増幅器の一構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に本発明について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図４は、第１の実施の形態の電力増幅器の一構成例を示すブロック図である。
【００４１】
図４に示すように、第１の実施の形態の電力増幅器は、第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ、電源変調器２、第１広帯域整合回路３ａ、第２広帯域整合回路３ｂ、伝送線路４ａ及び４ｂ、電力分配器５、並びに制御部６を有する。
【００４２】
電力分配器５は、複数のキャリア周波数ｆ1、ｆ2を含む入力信号（ＲＦ変調信号６）を、第１増幅器１ａ及び伝送線路４ｂに等分に分配する。
【００４３】
第１増幅器１ａは、電力分配器５で分配された一方の信号を増幅して出力する。第２増幅器１ｂは、電力分配器５で分配された他方の信号を、伝送線路４ｂを介して受信し、該他方の信号を増幅して出力する。
【００４４】
電源変調器２は、第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂに所定の電源電圧を供給する。
【００４５】
第１広帯域整合回路３ａは、第１増幅器１ａの出力端に接続され、第１増幅器１ａの出力インピーダンスと負荷ＲLのインピーダンスとを整合させる回路である。第２広帯域整合回路３ｂは、第２増幅器１ｂの出力端に接続され、第２増幅器１ｂの出力インピーダンスと負荷ＲLのインピーダンスを整合させる回路である。
【００４６】
制御部６は、第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂの動作クラスを設定すると共に、第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂに供給する電源電圧を制御するための制御信号を電源変調器２に供給する。制御部６は、送信装置が備える、該送信装置全体の動作を制御する制御部と共通であってもよく、独立して備えていてもよい。
【００４７】
図４に示す電力増幅器には、２つのキャリア周波数ｆ1、ｆ2 （ｆ2＞ｆ1、Δｆ＝ｆ2−ｆ1）を含むＲＦ変調信号６が入力される。各キャリア周波数の変調帯域幅（ベースバンド帯域幅）はそれぞれｆBBとする。伝送線路４ａ及び４ｂは、線路長がλ／４（λは、例えばキャリア周波数ｆ1の波長）であり、キャリア周波数ｆ1、ｆ2において特性インピーダンスＺ0となる線路である。
【００４８】
ＲＦ変調信号６は、電力分配器５によって第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂにそれぞれ分配される。このとき、第２増幅器１ｂには、伝送線路４ｂを介して電力分配器５からＲＦ変調信号６が入力される。
【００４９】
第１増幅器１ａの出力端には第１広帯域整合回路３ａ及び伝送線路４ａが直列に接続され、第２増幅器１ｂの出力端には第２広帯域整合回路３ｂが接続されている。伝送線路４ａの出力端と第２広帯域整合回路３ｂの出力端とは接続され、該接続ノードからは第１増幅器１ａの出力信号と第２増幅器１ｂの出力信号とが合成されたＲＦ変調信号８が出力される。
【００５０】
電源変調器２は、上記ｆBBとΔｆの間隔が同程度（Intra-band ＣＡ:以下、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡと称す）である場合に、所定の一定電圧を第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂの電源端子へそれぞれ供給する。また、電源変調器２は、上記ΔｆがｆBBに対して十分に大きい（Inter-band Non-contiguous ＣＡ：以下、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡと称す）場合に、ＲＦ変調信号６の振幅成分である制御信号７にしたがって電源電圧ＶDDを変調し、該変調後の電圧を第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂの電源端子へそれぞれ供給する。
【００５１】
なお、Intra-band ＣＡとは、例えば変調帯域幅（例えば２０ＭＨｚ）よりも大きい連続する複数の周波数帯域、または不連続な複数の周波数帯域（但し、各周波数帯域が比較的近い）を用いて通信を行うことを想定した周波数配置を指す。また、Inter-band Non-contiguous ＣＡとは、周波数帯域が断片化された（連続しない比較的離れた）複数のキャリアを用いて通信を行うことを想定した周波数配置を指す。
【００５２】
上述したように、本実施形態の電力増幅器には、キャリア周波数ｆ1に対して振幅成分ａ1（ｔ）及び位相成分θ1（ｔ）が重畳された変調信号と、キャリア周波数ｆ2に対して振幅成分ａ2（ｔ）及び位相成分θ2（ｔ）が重畳された変調信号とが合成されて入力される。このとき、入力信号の振幅Ｖ（ｔ）は、以下の式（１）で表すことができる。
【００５３】
【数１】
2014069451.tif 000003
ここでは、２つの変調信号の帯域幅（ベースバンド帯域幅）をそれぞれｆBBとし、キャリア周波数ｆ1とキャリア周波数ｆ2の間隔をΔｆとする。
【００５４】
ｆBBとΔｆの間隔が同程度（Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡ）である場合、合成後のＲＦ変調信号８の瞬時電力Ｐ（ｔ）は、以下の式（２）で表すことができる。但し、Ｒは負荷抵抗とする。
【００５５】
【数２】
2014069451.tif 000004
式（２）で示す合成後のＲＦ変調信号８のベースバンド帯域幅は、右辺第２項の位相干渉項で示され、２つのキャリア周波数ｆ1、ｆ2の間隔Δｆ（≒ｆBB）に依存し、約２×ｆBBとなる。
【００５６】
一般に、帯域幅ｆBBのｎ個の変調信号を、該ｆBBと同程度の間隔で配置した場合、それらの合成信号の帯域幅は、およそｎ×ｆBBとなる。
【００５７】
本実施形態の電力増幅器では、このようなＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡのとき、図４に示す第１増幅器１ａをＢ級（またはＡＢ級）で動作させ、第２増幅器１ｂをＣ級で動作させる。第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂを、Ｂ級、ＡＢ級またはＣ級で動作させるためには、それぞれの動作点をその動作クラスに応じて設定すればよい。
【００５８】
また、本実施形態の電力増幅器では、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡのとき、図４に示した電源変調器２から一定の電圧（ＶAM（ｔ）＝一定）を第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂにそれぞれ供給する。以上のように第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び電源変調器２をそれぞれ動作させることで、図４に示す電力増幅器は、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡ時において、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器として動作する。
【００５９】
Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器は、伝送線路４ａをインピーダンス変成器として用いるため、周波数依存性を有する。しかしながら、ベースバンド帯域幅とキャリア周波数の比（比帯域）が１０％程度以下であれば、図４に示す電力増幅器は、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器として見做すことができる。
【００６０】
したがって、図４に示す電力増幅器では、２つのキャリア周波数ｆ1、ｆ2の間隔Δｆがベースバンド帯域幅ｆBBと同程度であれば、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器としての特徴が得られる。すなわち、６ｄＢバックオフを有する出力電力領域において電力効率が最大となり、２つのキャリア周波数を含む信号を高い電力効率で増幅できる。
【００６１】
一方、２つのキャリア周波数ｆ1、ｆ2の間隔Δｆがベースバンド帯域幅ｆBBに対して十分に大きい（Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ）場合、合成後のＲＦ変調信号８の瞬時電力Ｐ（ｔ）は、以下の式（３）で表すことができる。
【００６２】
【数３】
2014069451.tif 000005
この場合、式（３）で示す合成後の信号のベースバンド帯域幅は、２つのキャリア周波数の間隔Δｆに依存せず、変調信号毎のベースバンド帯域幅ｆBBと同程度になる。何故なら、Δｆ＞＞ｆBBの関係より、上記式（２）の右辺第２項で示される周波数成分は、所望の周波数帯域から十分に離れているため、増幅器に入力される前に実質的に減衰しており、時間平均すると「０」とみなせるからである。
【００６３】
本実施形態の電力増幅器では、このような場合、図４に示す第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂをそれぞれＢ級（またはＡＢ級）で動作させる。上述したように、第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂを、Ｂ級、ＡＢ級またはＣ級で動作させるためには、それぞれの動作点をその動作クラスに応じて設定すればよい。
【００６４】
第１増幅器１ａの出力端には広帯域のインピーダンス変換回路である第１広帯域整合回路３ａが接続され、第２増幅器１ｂの出力端には広帯域のインピーダンス変換回路である第２広帯域整合回路３ｂが接続される。第１広帯域整合回路３ａ及び第２広帯域整合回路３ｂは、２つのキャリア周波数ｆ1、ｆ2において、第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂの出力インピーダンスと負荷のインピーダンスとを整合させる。この場合、第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂは、広帯域なＢ級バランス型増幅器となる。
【００６５】
また、伝送線路４ａ及び４ｂは、キャリア周波数ｆ1、ｆ2の変調信号において遅延線路としてのみ働くため、広帯域動作の妨げにはならない。但し、このままでは、Ｄｏｈｅｒｔｙ型のような負荷変調原理が働かないため、バックオフ領域における電力効率は通常のＢ級アンプと同様に低いままである。
【００６６】
そこで、本実施形態では、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ時、電源変調器２から以下の式（４）で示す電圧ＶAMを出力する。
【００６７】
【数４】
2014069451.tif 000006
ここで、Ｐout1（ｔ）はキャリア周波数ｆ1の変調信号の出力電力であり、Ｐout2（ｔ）はキャリア周波数ｆ2の変調信号の出力電力であり、Ｃは比例定数である。ＶAM（ｔ）は、キャリア周波数ｆ1、ｆ2毎の変調信号を合成した信号の振幅に比例する。以上のように第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び電源変調器２をそれぞれ動作させることで、図４に示す電力増幅器は、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ時において、ＥＴ方式の電力増幅器として動作する。
【００６８】
一般に、ＥＴ方式の電力増幅器は、ベースバンド帯域幅が非常に広いと、電源変調器２から高速に変調された電圧ＶAM（ｔ）を出力する必要があり、高い電力効率で動作する電源変調器２を実現するのが困難である。一方、式（３）及び式（４）で示したように、Δｆ＞＞ｆBBの場合は、合成後の信号のベースバンド帯域幅ｆBBはキャリア周波数が１つの場合と同程度であるため、高い電力効率で動作する電源変調器２の実現が可能である。
【００６９】
したがって、２つのキャリア周波数ｆ1、ｆ2の間隔Δｆが変調信号のベースバンド帯域幅ｆBBよりも十分に大きい場合、図４に示す電力増幅器では、ＥＴ方式の電力増幅器としての特徴が得られる。すなわち、バックオフを有する出力電力領域において、２つのキャリア周波数を含む信号を高い電力効率で増幅できる。
【００７０】
次に第１の実施の形態の電力増幅器の動作について図５から図１１を参照して詳細に説明する。
【００７１】
図５は、図４に示した電力増幅器の動作例を示すブロック図である。図５は、周波数配置が、ｆ1＝２．１２ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚ、ｆBB＝２０ＭＨｚであるＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡ時と、周波数配置が、ｆ1＝０．８８ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚ、ｆBB＝２０ＭＨｚであるＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ時の動作の様子をそれぞれ示している。
【００７２】
図６は、図４に示した第１増幅器の一構成例を示す回路図である。
【００７３】
図６に示すように、第１増幅器１ａは、例えばソース接地された電界効果トランジスタ１１で実現可能である。電界効果トランジスタ１１の動作点は、チョークインダクタ１２を介して可変ゲート電源１３から供給する直流電圧（ゲート電圧）を変更することで設定できる。図４に示した第２増幅器１ｂ及び後述する第３増幅器１ｃも、図６に示した第１増幅器１ａと同様の構成で実現できる。
【００７４】
図７は、図４に示した第１広帯域整合回路及び第２広帯域整合回路の動作を説明するためのスミスチャート図表である。
【００７５】
図８〜図１１は、図５に示した電力増幅器の動作例をより具体的に示すブロック図である。図８は、周波数配置が、ｆ1＝２．１２ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚ、ｆBB＝２０ＭＨｚであるＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡ時における動作を示している。図９は、周波数配置が、ｆ1＝２．１２ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚ、ｆBB＝２０ＭＨｚであるＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡ時における動作を示している。また、図１０は、周波数配置が、ｆ1＝０．８８ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚ、ｆBB＝２０ＭＨｚであるＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ時における動作を示している。図１１は、周波数配置が、ｆ1＝０．８８ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚ、ｆBB＝２０ＭＨｚであるＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ時における動作を示している。
【００７６】
図５に示すように、本実施形態の電力増幅器は、例えば、負荷のインピーダンスＲL＝２５Ω、伝送線路４ａの特性インピーダンスＺ0＝５０Ω、伝送線路４ａ及び４ｂの線路長は２ＧＨｚ帯に対してλ／４（λ：波長）となるように設計されているものとする。
【００７７】
まず、周波数配置が、ｆ1＝２．１２ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚ、ベースバンド帯域幅ｆBB＝２０ＭＨｚであるＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡ時における本実施形態の電力増幅器の動作について説明する。
【００７８】
この場合、Δｆ＝２．１６ＧＨｚ−２．１２ＧＨｚ＝４０ＭＨｚであり、２つのキャリア周波数の間隔Δｆ（ｆ2−ｆ1）は、ベースバンド帯域ｆBB＝２０ＭＨｚと同程度である。
【００７９】
したがって、２つの変調信号を合成（混合）した信号の瞬時電力は、式（２）で示したように、２つのキャリア周波数の位相干渉項の影響を受け、ベースバンド帯域幅が個別のキャリア周波数の変調帯域幅の２倍の４０ＭＨｚ程度まで広がる。
【００８０】
この場合、本実施形態の電力増幅器では、図８で示すように第１増幅器１ａがＢ級（またはＡＢ級）で動作し、第２増幅器１ｂがＣ級で動作するようにそれぞれの動作点を設定する。
【００８１】
第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂは、例えば図６で示すようにソース接地された電界効果トランジスタ１１で実現され、可変ゲート電源１３から出力される直流電圧を変更することでＢ級またはＣ級で動作させることが可能である。可変ゲート電源１３の出力電圧は、例えばｆ1、ｆ2、ｆBB等の関係に応じて制御部６が設定する。予め、ｆ1、ｆ2、ｆBB等が分かっている場合は、送信装置の調整者等が外部から制御部６に指示を入力することで、可変ゲート電源１３の出力電圧を設定してもよい。制御部６は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、Ｄ／Ａ（Digital to Analog）コンバータ、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）コンバータ等を含む情報処理装置（コンピュータ）または情報処理用のＩＣ（Integrated Circuit）で実現できる。
【００８２】
また、電源変調器２は、入力される一定の制御信号７にしたがって電源電圧ＶDDを第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂに最適な一定電圧（ＶAM（ｔ）＝一定）に変換して出力する。この場合、電源変調器２は、ＤＣ−ＤＣコンバータとして動作する。制御信号７は、制御部６が生成して電源変調器２に供給する。
【００８３】
以上のように第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び電源変調器２をそれぞれ動作させることで、図４に示す電力増幅器は、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡにおいて、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器として動作する。
【００８４】
Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡにおいて、電力増幅器から出力されるＲＦ変調信号８の振幅が最大振幅の１／２よりも小さいときは、第１増幅器１ａのみが動作する。このとき、図５に示す第１広帯域整合回路３ａからみた負荷のインピーダンスＺL1は、伝送線路４ａがインピーダンス変成器として動作することで１００Ωに変換される。
【００８５】
また、ＲＦ変調信号８の振幅が最大振幅の１／２よりも大きくなると、第１増幅器１ａと第２増幅器１ｂの両方が動作する。このとき、第２増幅器１ｂによる負荷変調原理により、ＲＦ変調信号８の最大振幅時における第１広帯域整合回路３ａからみた負荷のインピーダンスＺL1は５０Ωになる。
【００８６】
第１広帯域整合回路３ａは、図７（ａ）に示すように、２ＧＨｚ帯において、負荷のインピーダンスＺL1＝５０〜１００Ωと第１増幅器１ａの出力インピーダンスＺout1とが整合するように設計されている。一方、第２広帯域整合回路３ｂは、負荷のインピーダンスＺL2＝５０Ωと第２増幅器１ｂの出力インピーダンスＺout2とが整合するように設計されている。
【００８７】
図９は、周波数配置が、ｆ1＝２．１２ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚ、ｆBB＝２０ＭＨｚであるＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡ時における本実施形態の電力増幅器の電力（ドレイン）効率と、比較例としてＢ級増幅器の電力効率とをそれぞれ示している。なお、電力効率は、それぞれ変調信号の振幅の関数として示している。また、図９では、典型的な変調信号の振幅分布の例として、８ｄＢバックオフ時におけるレイリー分布も併せて示している。
【００８８】
上述したように、本実施形態の電力増幅器は、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡ時において、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器として動作するため、振幅１／２（電力の場合、６ｄＢバックオフに相当）で電力効率が最大の７８．５％となる。すなわち、レイリー分布で示すように、振幅の出現頻度の高い低出力（バックオフ）領域で高い電力効率を有するため、変調信号の増幅時において高い平均電力効率を実現できる。
【００８９】
一般に、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器では、増幅対象であるＲＦ信号の１／４波長に相当する長さの伝送線路を用いるため、その特性が強い周波数依存性を示す。しかしながら、ベースバンド帯域幅とキャリア周波数の比（比帯域）が１０％程度以下であれば、高い電力効率で動作することが経験的に知られている。
【００９０】
上述したＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡの例では、合成後のＲＦ変調信号８のベースバンド帯域幅が４０ＭＨｚ程度であり、２ＧＨｚ帯のキャリア周波数に対する比帯域は２％程度である。そのため、本実施形態の電力増幅器は、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡ時において、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器として見做すことが可能である。
【００９１】
一方、ＥＴ方式は、上述したようにベースバンド帯域幅が広い場合に、高い電力効率で動作し、かつ高速に応答する電源変調器２を実現するのが困難である。そのため、ＥＴ方式はＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡには不適である。
【００９２】
次に、図５に示した電力増幅器において、周波数配置が、ｆ1＝０．８８ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚ、ベースバンド帯域幅ｆBB＝２０ＭＨｚであるＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡにおける本実施形態の電力増幅器の動作について説明する。
【００９３】
この場合、キャリア周波数の間隔はΔｆ＝２．１６ＧＨｚ−０．８８ＧＨｚ＝１．２８ＧＨｚであり、ベースバンド帯域幅ｆBB＝２０ＭＨｚと比べて十分に大きい。そのため、２つのキャリア周波数の変調信号を合成した信号の瞬時電力は、式（３）で示したように２つのキャリア周波数の間隔Δｆに依存せず、ベースバンド帯域幅はそれぞれのキャリア周波数に重畳された変調信号のベースバンド帯域幅ｆBBと同程度の２０ＭＨｚとなる。
【００９４】
本実施形態の電力増幅器では、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ時において、図１０で示すように第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂがＢ級（またはＡＢ級）で動作するようにそれぞれの動作点を設定する。第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂは、例えば図６で示すようにソース接地された電界効果トランジスタ１１で実現され、可変ゲート電源１３から出力される直流電圧を変更することでＢ級またはＡＢ級で動作させることが可能である。可変ゲート電源１３の出力電圧は、例えばｆ1、ｆ2、ｆBB等の関係に応じて制御部６が設定する。
【００９５】
また、電源変調器２には、式（４）で示したｆ1＝０．８８ＧＨｚの出力電力Ｐout1（ｔ）と、ｆ2＝２．１６ＧＨｚの出力電力Ｐout2（ｔ）の和の平方根に比例する制御信号７を入力する。電源変調器２は、該制御信号７にしたがって電源電圧ＶDDを変調した電圧ＶAM＝Ｃ（Ｐout1(ｔ)+Ｐout2(ｔ)）0.5（Ｃは定数）を、第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂにそれぞれ供給する。この場合も、制御信号７は制御部６が生成して電源変調器２に供給する。
【００９６】
以上のように第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び電源変調器２をそれぞれ動作させることで、図４に示す電力増幅器は、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡおいて、ＥＴ方式の電力増幅器として動作する。但し、本実施形態の電力増幅器では、第１増幅器１ａと第２増幅器１ｂとがバランス型増幅器を構成する。このとき、図５に示す第１広帯域整合回路３ａからみた負荷のインピーダンスＺL1は、第１増幅器１ａと第２増幅器１ｂのバランス動作により５０Ωとなる。
【００９７】
第１広帯域整合回路３ａは、図７（ｂ）に示すようにｆ1＝０．８８ＧＨｚとｆ2＝２．１６ＧＨｚの両方において、第１増幅器１ａの出力インピーダンスＺout1と整合するように設計される。同様に、第２広帯域整合回路３ｂは、ｆ1＝０．８８ＧＨｚとｆ2＝２．１６ＧＨｚの両方において、第２増幅器１ｂの出力インピーダンスＺout2と整合するように設計される。このような第１広帯域整合回路３ａ及び第２広帯域整合回路３ｂを備えることで、第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂは、ｆ1＝０．８８ＧＨｚとｆ2＝２．１６ＧＨｚの両方の周波数帯域の信号を増幅できる広帯域なＢ級バランス型増幅器となる。
【００９８】
図１１は、周波数配置が、ｆ1＝０．８８ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚ、ｆBB＝２０ＭＨｚであるＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ時における本実施形態の電力増幅器の電力（ドレイン）効率と、比較例としてＢ級増幅器の電力効率とをそれぞれ示している。なお、電力効率は、それぞれ変調信号の振幅の関数として示している。また、図１１では、典型的な変調信号の振幅分布の例として、８ｄＢバックオフ時におけるレイリー分布も併せて示している。
【００９９】
上述したように、本実施形態の電力増幅器は、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ時において、ＥＴ方式の電力増幅器として動作し、振幅が小さい（バックオフが大きい）領域において、増幅器に必要最小限の電力しか供給されないためＢ級増幅器よりも高い電力効率で動作する。したがって、変調信号の増幅時において高い平均電力効率を実現できる。
【０１００】
ＥＴ方式の電力増幅器は、一般的にベースバンド帯域幅が広い場合、高い電力効率で動作し、かつ高速に応答する電源変調器２を実現するのが困難である。しかしながら、上述したＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡの例では、合成信号のベースバンド帯域幅が個々のキャリア周波数のベースバンド帯域と同じ２０ＭＨｚ程度であるため、高い電力効率で動作する電源変調器２を実現できる。一方、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器は、キャリア周波数の１／４波長に相当する長さに設定される伝送線路の制約を受けるため、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡには適さない。
【０１０１】
第１広帯域整合回路３ａは、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す両方の条件を満たすように設計する必要がある。図７（ａ）に示す条件を満たす整合回路は、１つのキャリア周波数の変調信号を増幅する、背景技術のＤｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器（図２に示す整合回路３ａ，３ｂ）でも実現されている。さらに、伝送線路、容量、インダクタ等の受動回路を用いて最適に設計することで、図７（ｂ）に示す条件も併せて満たす広帯域整合回路を実現可能である。
【０１０２】
また、第２広帯域整合回路３ｂも、図７（ｂ）に示す条件を満たすように設計する必要がある。このような広帯域整合回路も、伝送線路、容量、インダクタ等の受動回路を用いて最適に設計することで実現可能である。
【０１０３】
以上説明したように、本実施形態の電力増幅器は、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡではＤｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器として動作し、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡではＥＴ方式の電力増幅器として動作する構成である。そのため、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡまたはＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡのいずれの周波数配置でも、高い電力効率で、複数のキャリア周波数を含む変調信号を増幅することが可能である。
【０１０４】
また、本実施形態の電力増幅器は、複数のキャリア周波数帯のＲＦ信号を共通に増幅する増幅器を用いた構成であり、複数のキャリア周波数毎に専用の電力増幅器を設ける構成ではない。そのため、送信装置のサイズが単一のキャリア周波数のＲＦ信号を増幅する構成とほぼ変わらない。したがって、背景技術と比べて小型の送信装置が得られる。
【０１０５】
さらに、周波数配置（Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡまたはＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ）に応じて第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び電源変調器２の動作を変えることで、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡまたはＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡのいずれにも対応できるため、キャリア周波数の変更に柔軟に対応できる。
【０１０６】
なお、本実施形態では、２つのキャリア周波数を用いるＣＡ技術を例示したが、周波数配置がＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡの場合はＤｏｈｅｒｔｙ方式の電力増幅器として動作させ、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡの場合はＥＴ方式で動作させれば、本実施形態の電力増幅器は、３つ以上のキャリア周波数を用いる場合にも適用可能である。
【０１０７】
また、キャリア周波数は、本実施形態で示した周波数の組み合わせに限定されるものではなく、様々な周波数の組み合わせに対して本実施形態の電力増幅器の構成を適用することが可能である。
【０１０８】
また、本実施形態の電力増幅器をＥＴ方式で動作させる場合、電源変調器２の出力電圧ＶAMは、Ｃ（Ｐout1(ｔ)+Ｐout2(ｔ)）0.5（Ｃは定数）の関係を厳密に満たしている必要は無い。例えば、電源変調器２の出力電圧には、オフセット電圧が含まれていてもよく、周波数帯域を制限する等、適宜処理した電圧を電源変調器２から出力してもよい。
【０１０９】
さらに、本実施形態の電力増幅器をＥＴ方式で動作させる場合、第１広帯域整合回路３ａ及び第２広帯域整合回路３ｂは、例えばｆ1＝０．８８ＧＨｚ、ｆ2＝２．１６ＧＨｚの２つのキャリア周波数に対してのみ、第１増幅器１ａの出力インピーダンスＺout1及び第２増幅器１ｂの出力インピーダンスＺout2と整合するように設計してもよく、ｆ1＝０．８８ＧＨｚとｆ2＝２．１６ＧＨｚの２つのキャリア周波数を含む周波数範囲で第１増幅器１ａの出力インピーダンスＺout1及び第２増幅器１ｂの出力インピーダンスＺout2と整合するように設計してもよい。
（第２の実施の形態）
図１２は、第２の実施の形態の電力増幅器の一構成例を示すブロック図である。
【０１１０】
図１２に示すように、第２の実施の形態の電力増幅器は、図４に示した第１の実施の形態の電力増幅器の出力端子と負荷間に第３広帯域整合回路３ｃを追加した構成である。その他の構成及び動作は第１の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。
【０１１１】
図１３は、図１２に示した第３広帯域整合回路の一構成例を示すブロック図である。
【０１１２】
図１３に示すように、第３広帯域整合回路３ｃは、第２広帯域整合回路３ｂの出力端子と負荷ＲL間に直列に接続された２つの伝送線路１０ａ及び１０ｂと、２つの伝送線路１０ａ及び１０ｂの接続ノードに一端が接続され、他端が接地された伝送線路１０ｃとを有する構成である。
【０１１３】
伝送線路１０ａ及び１０ｂは、例えば特性インピーダンスＺ0＝２４Ωであり、長さが５２ｍｍの線路である。また、伝送線路１０ｃは、例えば特性インピーダンスＺ0＝２０Ωであり、長さ５２ｍｍの線路である。
【０１１４】
第２の実施の形態では、第３広帯域整合回路３ｃを備えることで、例えばキャリア周波数ｆ1（８００ＭＨｚ帯）の変調信号とキャリア周波数ｆ2（２ＧＨｚ帯）の変調信号それぞれに対して、第２広帯域整合回路３ｂからみた負荷のインピーダンスＲL＝５０ΩがＺL2＝２５Ωに変換される。
【０１１５】
第２の実施の形態では、第３広帯域整合回路３ｃを備えることで、電力増幅器の出力インピーダンスを２つのキャリア周波数の信号帯域において所望の値に変換できるため、負荷（アンテナ装置等）を変更することなく、電力増幅器の出力インピーダンスを負荷のインピーダンスに対応した所望の値に変換できる。
【０１１６】
なお、図１３では、多くの送信装置で採用されている、インピーダンスが５０Ωの負荷ＲLを例示しているが、第３広帯域整合回路３ｃを構成する伝送線路１０ａ〜１０ｃを最適に設計することで、どのような値の負荷にも対応可能である。
（第３の実施の形態）
図１４は、第３の実施の形態の電力増幅器の一構成例を示すブロック図である。
【０１１７】
図１４に示すように、第３の実施の形態の電力増幅器は、電源ＶDDと第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂとの間に、電源変調器２と並列に接続されたスイッチ回路９を備える構成である。その他の構成及び動作は第１の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。なお、図１４に示すスイッチ回路９は、図１２に示した第２の実施の形態の電力増幅器に備えていてもよい。
【０１１８】
本実施形態の電力増幅器では、２つのキャリア周波数ｆ1とｆ2の間隔がベースバンド帯域幅と同程度であるＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡの場合、スイッチ回路９をＯＮ（短絡）させて、Ｂ級動作する第１増幅器１ａとＣ級動作する第２増幅器１ｂにチョークインダクタ１２を介して電源電圧ＶDDを供給する。スイッチ回路９のＯＮ／ＯＦＦ動作は、第１の実施の形態で説明した制御部６により制御すればよい。
【０１１９】
このような構成では、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡにおいて、スイッチ回路９をＯＮさせることで、第１の実施の形態と同様に、図１４に示す電力増幅器をＤｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器として動作させることができる。
【０１２０】
また、２つのキャリア周波数ｆ1とｆ2の間隔がベースバンド帯域幅よりも十分に大きいＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡの場合、スイッチ回路９をＯＦＦ（開放）させて、電源電圧ＶDDを電源変調器２で変調した電圧を第１増幅器１ａ及び第２増幅器１ｂにそれぞれ供給する。
【０１２１】
このような構成では、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡにおいて、スイッチ回路９をＯＦＦさせることで、第１の実施の形態と同様に、図１４に示す電力増幅器をＥＴ方式の電力増幅器として動作させることができる。
【０１２２】
第３の実施の形態の電力増幅器は、Ｄｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器として動作させるとき、電源変調器２が不要であるため、電源変調器２の動作を停止させることができる。その場合、電源変調器２による電力損失が無くなるため、電力増幅器をより高い電力効率で動作させることができる。
【０１２３】
また、電源変調器２は、ＤＣ−ＤＣコンバータとして動作させる必要がなく、ＥＴ方式のみに対応した変調電源を専用に設計すればよい。そのため、電源変調器２の性能を向上させることができる。
（第４の実施の形態）
図１５は、第４の実施の形態の電力増幅器の一構成例を示すブロック図である。
【０１２４】
図１５に示すように、第４の実施の形態の電力増幅器は、並列に接続された３つの増幅器（第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ、第３増幅器１ｃ）を有する構成である。
【０１２５】
図１５に示す電力増幅器には、２つのキャリア周波数ｆ1、ｆ2 （ｆ2＞ｆ1、Δｆ＝ｆ2−ｆ1）を含むＲＦ変調信号６が入力される。各キャリア周波数の変調帯域幅（ベースバンド帯域幅）は、第１の実施の形態と同様にｆBBとする伝送線路４ａ及び４ｂは、線路長がλ／４（λはキャリア周波数の波長に相当）であり、特性インピーダンスＺ0の線路である。
【０１２６】
ＲＦ変調信号６は、電力分配器５によって第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び第３増幅器１ｃにそれぞれ分配される。このとき、第２増幅器１ｂには伝送線路４ｂを介して電力分配器５からＲＦ変調信号６が入力され、第３増幅器１ｃには伝送線路４ｃを介して電力分配器５からＲＦ変調信号６が入力される。伝送線路４ｃは、線路長がλ／２（λはキャリア周波数の波長に相当）であり、特性インピーダンスが２Ｚ0の線路である。
【０１２７】
第１増幅器１ａの出力端には第１広帯域整合回路３ａ、伝送線路４ａ及び伝送線路４ｄが直列に接続され、第２増幅器１ｂの出力端には第２広帯域整合回路３ｂが接続されている。また、第３増幅器１ｃの出力端には第３広帯域整合回路３ｃが接続されている。伝送線路４ｄは、線路長がλ／４（λはキャリア周波数の波長に相当）であり、特性インピーダンスＺ0の線路である。
【０１２８】
さらに、伝送線路４ａの出力端と第２広帯域整合回路３ｂの出力端とが接続され、伝送線路４ｄの出力端と第３広帯域整合回路３ｃの出力端とが接続されている。伝送線路４ｄの出力端と第３広帯域整合回路３ｃの出力端の接続ノードからは、第１増幅器１ａの出力信号、第２増幅器１ｂの出力信号及び第３増幅器１ｃの出力信号が合成されたＲＦ変調信号８が出力される。
【０１２９】
電源変調器２は、Ｉｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡ時、所定の一定電圧を第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び第３増幅器１ｃの電源端子へそれぞれ供給する。また、電源変調器２は、Ｉｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡ時、ＲＦ変調信号６の振幅成分を制御信号７に用いて電源電圧ＶDDを変調し、該変調後の電圧を第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び第１増幅器１ｃの電源端子へそれぞれ供給する。
【０１３０】
本実施形態の電力増幅器では、２つのキャリア周波数ｆ1とｆ2の間隔が、ベースバンド帯域幅と同程度であるＩｎｔｒａ−ｂａｎｄ  ＣＡの場合、第１増幅器１ａをＢ級動作させ、第２増幅器１ｂ及び第３増幅器１ｃをそれぞれＣ級動作させる。また、電源変調器２からは、一定の電圧を第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び第３増幅器１ｃにそれぞれ供給する。
【０１３１】
このように第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ、第３増幅器１ｃ及び電源変調器２を動作させることで、図１５に示す電力増幅器を、第１の実施の形態と同様にＤｏｈｅｒｔｙ型の電力増幅器（いわゆる３Ｗａｙ Ｄｏｈｅｒｔｙ方式）として動作させる。
【０１３２】
一方、２つのキャリア周波数ｆ1とｆ2の間隔がベースバンド帯域幅よりも十分に大きいＩｎｔｅｒ−ｂａｎｄ  ＣＡの場合、第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ、第３増幅器１ｃをそれぞれＢ級動作させる。また、電源変調器２には、上記式（４）で示した、ｆ1＝０．８８ＧＨｚの出力電力Ｐout1（ｔ）と、ｆ2＝２．１６ＧＨｚの出力電力Ｐout2（ｔ）の和の平方根に比例した制御信号７を入力する。電源変調器２は、該制御信号７にしたがって電源電圧ＶDDを変調した電圧ＶAMを、第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び第３増幅器１ｃにそれぞれ供給する。
【０１３３】
このように第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ、第３増幅器１ｃ及び電源変調器２を動作させることで、図１５に示す電力増幅器を、第１の実施の形態と同様に、ＥＴ方式の電力増幅器として動作させる。
【０１３４】
第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ、第３増幅器１ｃの動作クラスは第１の実施の形態と同様に制御部６で設定すればよく、電源変調器２に供給する制御信号７も第１の実施の形態と同様に制御部６で生成すればよい。
【０１３５】
本実施形態の電力増幅器においても、第１の実施の形態の電力増幅器と同様の効果を得ることができる。なお、第４の実施の形態の電力増幅器には、第２の実施の形態で示した第３広帯域整合回路３ｃを備えていてもよく、第３の実施の形態で示したスイッチ回路９を備えていてもよい。
【０１３６】
また、第４の実施の形態の電力増幅器は、３Ｗａｙ Ｄｏｈｅｒｔｙ方式で動作させる場合、第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び第３増幅器１ｃの出力電力を、例えば、第１増幅器１ａ：第２増幅器１ｂ：第３増幅器１ｃ＝１：３：４の関係に設定してもよい。この場合、出力信号の振幅ｒが最大振幅Ｖmaxの１／２（電力の場合、６ｄＢバックオフ）のときだけでなく、出力信号の振幅ｒが最大振幅Ｖmaxの１／４（電力の場合、１２ｄＢバックオフ）のときも電力効率が最大となる。そのため、ＰＡＲが大きい変調信号を増幅する場合に、より高い平均電力効率を実現できる。
【０１３７】
第１増幅器１ａ、第２増幅器１ｂ及び第３増幅器１ｃの出力電力の比は、上記１：３：４に限定されるものではなく、本実施形態の電力増幅器の用途に応じて適宜、変更してもよい。
【０１３８】
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ものではない。本願発明の構成や詳細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が可能である。
【０１３９】
この出願は、２０１２年１０月３１日に出願された特願２０１２−２４０００５号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
2014069451.tif 000007
【図２】
2014069451.tif 000008
【図３】
2014069451.tif 000009
【図４】
2014069451.tif 000010
【図５】
2014069451.tif 000011
【図６】
2014069451.tif 000012
【図７】
2014069451.tif 000013
【図８】
2014069451.tif 000014
【図９】
2014069451.tif 000015
【図１０】
2014069451.tif 000016
【図１１】
2014069451.tif 000017
【図１２】
2014069451.tif 000018
【図１３】
2014069451.tif 000019
【図１４】
2014069451.tif 000020
【図１５】
2014069451.tif 000021
【国際調査報告】
2014069451.tif 000022
2014069451.tif 000023
2014069451.tif 000024
2014069451.tif 000025