(57)【要約】【課題】伝送線を介して１次側を複数個に分離して形成し、それぞれは、異なる寄生成分を持たせることにより、複数個の負荷抵抗を有するように、伝送線変圧器を形成し、これを複数個の負荷抵抗が必要な無線通信システム用の電力増幅器の整合回路として用いることにより、電力増幅器の効率及び動作領域を改善させることができる伝送線変圧器を提供する。【解決手段】本発明に係る伝送線変圧器は、伝送線で形成された２次側伝送線と、２次側伝送線の両方に対応して伝送線がそれぞれ配置され、それぞれ異なる寄生成分を有するように形成された１次側伝送線とからなる。【選択図】図４
2006295896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送線で形成された２次側伝送線と、
前記２次側伝送線の両方に対応して伝送線がそれぞれ配置され、それぞれ異なる寄生成分を有するように形成された１次側伝送線とからなることを特徴とする伝送線変圧器。
【請求項２】
前記複数個の１次側伝送線は、それぞれ異なる断面積を有することを特徴とする、請求項１に記載の伝送線変圧器。
【請求項３】
前記複数個の１次側伝送線と２次側伝送線との間の結合係数は、それぞれ異なることを特徴とする、請求項１に記載の伝送線変圧器。
【請求項４】
前記複数個の１次側伝送線は、それぞれ異なる長さを有することを特徴とする、請求項１に記載の伝送線変圧器。
【請求項５】
前記２次側伝送線を曲げ形状に形成し、曲げ形状の前記２次側伝送線の内側と外側にそれぞれ複数個の１次側伝送線を配置することを特徴とする、請求項１に記載の伝送線変圧器。
【請求項６】
前記複数個の１次側伝送線のうちのいずれか一つを蛇行状に形成したことを特徴とする、請求項１に記載の伝送線変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝送線変圧器に関し、より詳細には、伝送線を介して１次側を複数個に分離して形成し、それぞれは、異なる寄生成分を持たせることにより、複数個の負荷抵抗を有するように、伝送線変圧器を形成し、これを複数個の負荷抵抗が必要な電力増幅器の整合回路として用いることにより、電力増幅器の効率、及び動作領域を改善させることができるようにした、伝送線変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
このように、複数個の負荷抵抗が必要な電力増幅器は、無線通信システムにおいて多く用いられている。
【０００３】
図１は、従来の電力増幅器を示す構成図であって、無線通信システムの一種である極性構造における電力増幅器を示す概略構成図である
【０００４】
一般に、極性構造に用いられるＥ級の出力端（クラスＥ−高出力増幅器の一種）構造の電力増幅器は、増幅器の電源電圧ＶＤＤを調整することにより、動作領域を確保する。
【式１】
【０００５】
Ｐｏｕｔ＝ＶＤＤ２／Ｒｌｏａｄ
（Ｐｏｕｔ：出力電力、ＶＤＤ：電源電圧、Ｒｌｏａｄ：負荷抵抗）
【０００６】
前記式１に示すように、電源電圧ＶＤＤを調整すると、出力電力Ｐｏｕｔが変わることが分かる。しかしながら、このような電源電圧ＶＤＤの調整のみでは、十分な動作領域を確保することが困難であるという問題点があった。
【０００７】
図２は、従来の電力増幅器の電源電圧による動作領域を示すグラフであって、負荷抵抗を調整したとき、動作領域の拡張を説明している。
【０００８】
例えば、一般のＥ級の出力端（クラスＥ−高出力増幅器の一種）は、式１により、電源電圧ＶＤＤの変化によって動作領域が決められる。すなわち、電源電圧ＶＤＤが０．６Ｖから３．３Ｖまで変化するとき、式１により、動作領域は１６．４ｄＢとなる。
【０００９】
しかしながら、多くの無線通信システムでは、より広い動作領域を必要としており、このため、動作領域を拡大するために、電源電圧ＶＤＤが２０３のような一定値以下となったとき、負荷抵抗Ｒｌｏａｄを調整すると、動作領域が２０１から２０２へのように拡大される。
【００１０】
このように、２０３は、負荷抵抗Ｒｌｏａｄが調整される地点の電源電圧ＶＤＤを示すものであり、式１において確認されるように、一般に、一定の電源電圧ＶＤＤ以下では、負荷抵抗Ｒｌｏａｄが大きくなると、動作領域が増えてくる。
【００１１】
これとともに、低出力電力領域では、負荷抵抗値が大きいほど、電力増幅器の効率は増加する。すなわち、低出力電力領域において、負荷抵抗値を増加させると、動作領域及び効率を増大させることができる。
【００１２】
ところで、一般の電力増幅器の負荷抵抗Ｒｌｏａｄは、最大出力電力Ｐｏｕｔに好適な値として固定されているので、この場合、低出力電力を出す領域では、効率が極めて低くなる。
【００１３】
そこで、このような短所を解決する方法の一つとして、数個の負荷抵抗を持たせる方法が用いられている。
【００１４】
その一つの方法として、電力増幅器の最終増幅端を数個に分離して形成し、各部に対して、高出力、中出力、低出力に分離して用いるものがある。
【００１５】
すなわち、高出力を出す部分は、高出力に好適な負荷抵抗を有するように、整合回路が構成されており、中出力を出す部分は、中出力に好適な負荷抵抗を有するように、整合回路が構成されている。さらに、低出力を出す部分も同様に、低出力に好適な負荷抵抗を有するように、整合回路が構成されている。
【００１６】
したがって、高出力が必要なときは前記三部分を全てオンし、中出力が必要なときは高出力を出す部分をオフする。低出力を出すときは、中出力を出す部分と高出力を出す部分とをオフする。
【００１７】
この場合、低出力を出す部分は、低出力に好適な負荷抵抗を有するように、整合回路が構成されているので、電力増幅器の効率が高くなるようになる。これによって、電力増幅器の出力電力の全領域において高効率の特性が得られるようになる。
【００１８】
このような方法の一つが、［A. Shirvani, et al.. “A CMOS RF Power Amplifier With Parallel Amplification for Efficient Power Control” IEEE J. Solid-State Circuits, vol.37, No.6, pp.684-693, June 2002］の報告書に公開されている（非特許文献１）。
【００１９】
このように、それぞれの出力電力に好適な出力を出すことができるように、増幅端を低出力と高出力に分け、各増幅端は、異なる負荷抵抗を有するように、低出力整合回路と高出力整合回路に分けて構成された電力増幅器の増幅端を、図３のように構成することができる。
【００２０】
すなわち、高出力電力を出す部分は、それに好適な負荷抵抗を持たせ、低出力電力を出す部分は、それに好適な負荷抵抗を持たせ、低出力電力が必要なときは、高出力電力を出す部分をオフすればよい。
【００２１】
このように２つの負荷抵抗を有するように増幅端を２つに分け、２つの整合回路を構成する。このとき、３０３は、電力増幅器において高出力を出すための増幅器であり、３０４は、低出力を出すための増幅器であり、それぞれの増幅器には、整合回路３０２があって、それぞれの出力電力に好適な整合回路が設けられている。
【００２２】
したがって、高出力電力を出すときは、増幅器３０３と、それに連結された高出力整合回路のみが動作し、低出力電力を出すときは、増幅器３０３をオフし、増幅器３０４とそれに連結された低出力整合回路のみが動作するようになることにより、効率と動作領域を改善することができる。
【００２３】
しかしながら、上記非特許文献１に開示された方法は、増幅端の一部をオフしたとき、他のオンしている増幅端が所望の負荷抵抗を持たせるための追加のスイッチが必要となる。ところで、このように使用すべきスイッチの大きさが、増幅端に用いられる電力トランジスタの大きさと同様であるので、全体の回路の大きさが極めて大きくなるという問題点があった。
【００２４】
また、このような電力増幅器は、Ｆ級の出力端（クラスＦ−電力増幅器の一種）の構造を用いているので、動作周波数が数十ＧＨｚ以上でなければ、全体回路の大きさを小さくすることができないという問題点があった。
【非特許文献１】［A. Shirvani, et al.. “A CMOS RF Power Amplifier With Parallel Amplification for Efficient Power Control” IEEE J. Solid-State Circuits, vol.37, No.6, pp.684-693, June 2002］の報告書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、伝送線を介して１次側を複数個に分離して形成し、それぞれは、異なる寄生成分を持たせることにより、複数個の負荷抵抗を有するように、伝送線変圧器を形成し、これを複数個の負荷抵抗が必要な電力増幅器の整合回路として用いることにより、電力増幅器の効率及び動作領域を改善させることができるようにした、伝送線変圧器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記目的を達成すべく、本発明による伝送線変圧器によれば、伝送線で形成された２次側伝送線と、２次側伝送線の両方に対応して伝送線がそれぞれ配置され、それぞれ異なる寄生成分を有するように形成された１次側伝送線とからなることを特徴とする。
【００２７】
また、複数個の１次側伝送線は、それぞれ異なる断面積を有することを特徴とする。
【００２８】
また、複数個の１次側伝送線と２次側伝送線との間の結合係数は、それぞれ異なることを特徴とする。
【００２９】
また、複数個の１時側伝送先は、それぞれ異なる長さを有することを特徴とする．
【００３０】
また、２次側伝送線を曲げ形状に形成し、曲げ形状の２次側伝送線の内側と外側に、それぞれ複数個の１次側伝送線を配置することを特徴とする。
【００３１】
また、複数個の１次側伝送線のうちのいずれか一つを蛇行状に形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、伝送線を介して１次側を複数個に分離して形成し、それぞれは、異なる寄生成分を持たせることにより、複数個の負荷抵抗を有するように、伝送線変圧器を形成し、これを複数個の負荷抵抗が必要な電力増幅器の整合回路として用いることにより、電力増幅器の効率及び動作領域を改善させることができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。なお、本実施の形態は、発明の権利範囲を限定するものではなく、単に例示として提示されたものである。
【００３４】
図４は、本発明に係る伝送線変圧器を示す図であって、（Ａ）は、伝送線変圧器の回路図であり、（Ｂ）は、伝送線変圧器の構造を示す例示図である。
【００３５】
先ず、図４（Ａ）に示すように、伝送線で形成された２次側伝送線４０４と、２次側伝送線４０４の両方に対応して伝送線がそれぞれ配置され、それぞれ異なる寄生成分を有するように形成された複数個の１次側伝送線４０２、４０３を形成する。
【００３６】
また、複数個の１次側伝送線４０２、４０３は、それぞれ異なる断面積を有するのみならず、複数個の１次側伝送線４０２、４０３と２次側伝送線４０４との間の結合係数も、それぞれ異なる。
【００３７】
また、複数個の１次側伝送線４０２、４０３の長さを異ならせ形成するために、伝送線変圧器の形状を、図４（Ｂ）に示すように、２次側伝送線４０９を曲げ形状に形成し、曲げ形状の２次側伝送線４０９の内側と外側に、それぞれ複数個の１次側伝送線４０７、４０８を配置して、長さを異ならせ形成してもよい。
【００３８】
すなわち、高出力用の１次側伝送線４０８は、２次側伝送線４０９の内側に設けられ、低出力用の１次側伝送線４０７は、２次側伝送線４０９の外側に設けられることにより、低出力用の１次側伝送線４０７は、その長さが高出力用の１次側伝送線４０８に比べて長くなり、これによって、１次側伝送線のインダクタンス値も増加するようになる。これとともに、低出力用の１次側伝送線４０７の幅を狭くすると、インダクタンス値をさらに増やすことができ、効率的に変圧器と連結されるトランジスタの寄生ドレイン−ソース間のキャパシタと、追加のキャパシタを用いて整合回路として用いることができる。
【００３９】
さらに、図５に示すように、複数個の１次側伝送線のうちいずれか一つを蛇行状に形成して、一つの長さを長く形成してもよい。
【００４０】
図６は、本発明による伝送線変圧器のコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフであって、図４（Ｂ）による伝送線変圧器のＳ１１をコンピュータを用いてシミュレーションしたものである。この際、６０１は、変圧器における高出力用の１次側のＳ１１であり、６０２は、低出力用の１次側のＳ１１である。
【００４１】
ここでは、トランジスタの寄生キャパシタと追加のキャパシタを考慮した値として、図４に示した、伝送線変圧器の設計例から、本発明の伝送線変圧器が、効果的に高出力用の負荷抵抗及び低出力用の負荷抵抗を同時に有することができることが分かる。
【００４２】
このように、本発明による伝送線変圧器に、複数個の負荷抵抗を持たせることにより、複数個の負荷抵抗を必要とする電力増幅器に適用して、図２に示すグラフのように、電源電圧ＶＤＤが一定値以下に下がると、大きな負荷抵抗を有する部分の増幅端のみをオンさせることができる。
【００４３】
図７は、変圧器を電力増幅器の出力端に用いた例を示す回路構成図であって、（Ａ）は、一般の変圧器を示す図であり、（Ｂ）は、伝送線変圧器を示す図である。
【００４４】
図示のように、一般の変圧器や伝送線変圧器は、電力増幅器から出る差動信号を同相信号に切り替える役割、及び整合回路の一部としての役割を同時に行っている。
【００４５】
このとき、図７（Ｂ）のように、伝送線変圧器を電力増幅器に用いる場合、整合回路の構成がどのように解釈されるのかを分析するために、図８のように、図７（Ｂ）に示す伝送線変圧器の等価回路と出力端の整合のためのキャパシタを示した。
【００４６】
ここで、ｋは、結合係数であり、８０１は、伝送線変圧器の等価モデルであり、等価モデルの両方に設けられた２つのキャパシタＣ、Ｃｓｈｕｎｔは、伝送線変圧器とともに、電力増幅器の出力端の整合回路を構成する。
【式２】
【００４７】
2006295896.tif 000003
【式３】
【００４８】
2006295896.tif 000004
【式４】
【００４９】
2006295896.tif 000005
【式５】
【００５０】
2006295896.tif 000006
【００５１】
前記式２は、図８のＲａ値を計算するものであって、式２における虚数部は、式３におけるように、ＬｂとＣｓｈｕｎｔとの共振で０とすることができ、式５のように簡略化して表される。したがって、このときのＬｂ値は、式４のように表され、この際、電力増幅器の動作周波数がＧＨｚ帯域に上がると、さらに簡単な形態で表現される。
【００５２】
ここでは、解釈の簡略化のため、動作周波数がＧＨｚ帯域であると仮定した。
【式６】
【００５３】
2006295896.tif 000007
【式７】
【００５４】
2006295896.tif 000008
【式８】
【００５５】
2006295896.tif 000009
【式９】
【００５６】
2006295896.tif 000010
【式１０】
【００５７】
2006295896.tif 000011
【式１１】
【００５８】
2006295896.tif 000012
【００５９】
次のステップで、式６を用いてＲｂを計算する。しかし、一般にＬＭ値は大きいので、Ｒｂは、Ｒａ値と同様であると考えられる。
これに基づいて、式７のように、Ｒｉｎを求めることができる。この際も、式８に示すように、図８のＣ値を用いて虚数部を０とすることができる。このときのＣ値を式９に示した。最終的に、Ｒｉｎ値は、式１０と式１１で表される。
【００６０】
このように伝送線変圧器の２次側インダクタンスＬ２が固定されている場合、１次側インダクタンスＬ１の値に応じて、Ｒｉｎ値が変化し得るので、１次側伝送線の断面積及び長さに応じて、負荷抵抗が変わることもある。このとき、Ｒｉｎは、電力増幅器において負荷抵抗として示される。一般に、高出力電力を出すときは、負荷抵抗値を小さくし、低出力電力を出すときは、負荷抵抗値を大きくすると、動作領域を拡大することができ、低出力電力領域における効率を改善することができる。そこで、式１１に示すように、高出力を出すためには、インダクタンスＬ１の値を小さくし、低出力を出すためには、インダクタンスＬ１の値を大きくすることが効率的である。
【００６１】
一般に、高出力電力を発生させるときと、低出力電力を発生させるときの適切な負荷抵抗は異なるが、電力増幅器では高出力電力に好適な負荷抵抗を選択するようになり、これは、低出力電力における効率を低下させる原因の一つである。
【００６２】
したがって、高出力電力を出すときは、高出力電力に好適な負荷抵抗を持たせ、低出力電力を出すときは、低出力電力に好適な負荷抵抗を持たせると、出力電力の大部分の領域で高効率を有する電力増幅器の設計及び具現が可能となり、動作領域も改善され得る。
【００６３】
よって、電源電圧を調整するとともに出力電力を調節すれば、電源電圧が低くなるとともに、出力電力が減少するようになるが、特定の電源電圧以下からは、負荷抵抗が低出力に好適なように大きくなると、図２に示すグラフのような動作領域が改善されたグラフが得られる。同時に、低出力電力領域での効率も高めることができる。
【００６４】
図９は、本発明による伝送線変圧器を用いた電力増幅器を示す回路構成図である。
図示のように、本発明による伝送線変圧器９０３は、二つの負荷抵抗９０４、９０５を有する構造となっており、９０１は、高出力を出すための出力端であるので、一般に低出力を出すための出力端９０２に比べてトランジスタの大きさが大きくなっている。
【００６５】
図１０は、本発明による伝送線変圧器を用いた電力増幅器のコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフである。
【００６６】
図示のように、１００１は、高出力用の出力端と低出力用の出力端をともに動作させた場合、ＶＤＤを０．６Ｖ〜３．３Ｖに変化させながら出力電力と効率を調べたものであり、１００２は、高出力用の出力端をオフし、低出力用の出力端のみをオンしたときの結果を示すグラフである。これによって、低出力領域で効率が増加し、動作領域も約３ｄＢ向上したことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、複数個の負荷抵抗が必要な無線通信システム用の電力増幅器の整合回路に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】従来の電力増幅器を示す構成図である。
【図２】従来の非線形電力増幅器の電源電圧ＶＤＤによる動作領域を示す図である。
【図３】従来の電力増幅器の増幅端を示す図であって、低出力整合回路と高出力整合回路に分けた回路構成図である。
【図４】本発明に係る伝送線変圧器を示す図であって、（Ａ）は、伝送線変圧器の回路図であり、（Ｂ）は、伝送線変圧器の構造を示す例示図である。
【図５】本発明による伝送線変圧器の構造を示す実施例示図である。
【図６】本発明による伝送線変圧器のコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図７】変圧器を電力増幅器の出力端に用いた例を示す回路構成図であって、（Ａ）は、一般の変圧器を示す図であり、（Ｂ）は、伝送線変圧器を示す図である。
【図８】図７（Ｂ）に示す伝送線変圧器の等価回路と出力端との整合のためのキャパシタを示す回路構成図である。
【図９】本発明による伝送線変圧器を用いた電力増幅器を示す回路構成図である。
【図１０】本発明による伝送線変圧器を用いた電力増幅器のコンピュータシミュレーションの結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６９】
２０１、２０２    電力増幅器の動作領域
３０１    電力増幅器
３０２    電力増幅器の整合回路
３０３    高出力用の増幅器
３０４    低出力用の増幅器
４０１    伝送線変圧器
４０２、４０３    １次側伝送線
４０４    ２次側伝送線
４０５、４０６    電力増幅器の差動入力端
４０７、４０８    １次側伝送線
４０９    ２次側伝送線
７０１    伝送線変圧器の１次側
７０２    伝送線変圧器の２次側
８０１    伝送線変圧器の等価回路
９０１    電力増幅器の高出力出力端
９０２    電力増幅器の低出力出力端
９０３    伝送線変圧器
【図１】
2006295896.tif 000013
【図２】
2006295896.tif 000014
【図３】
2006295896.tif 000015
【図４】
2006295896.tif 000016
【図５】
2006295896.tif 000017
【図６】
2006295896.tif 000018
【図７】
2006295896.tif 000019
【図８】
2006295896.tif 000020
【図９】
2006295896.tif 000021
【図１０】
2006295896.tif 000022