(57)【要約】【課題】簡単な構成で高い効率や線形性を得ることができるドハティ増幅器を提供する。【解決手段】入力信号を不均等な比率で分配する不均等分配回路６と、不均等分配回路により分配された一方の信号を常時増幅するキャリア増幅器１と、不均等分配回路により分配された他方の信号を入力信号が所定レベル以上の場合に増幅するピーク増幅器２とを備え、キャリア増幅器の出力とピーク増幅器の出力とを合成して出力する。【選択図】図１
2006339981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を不均等な比率で分配する不均等分配回路と、
前記不均等分配回路により分配された一方の信号を常時増幅するキャリア増幅器と、
前記不均等分配回路により分配された他方の信号を入力信号が所定レベル以上の場合に増幅するピーク増幅器とを備え、
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を合成して出力することを特徴とするドハティ増幅器。
【請求項２】
前記不均等分配回路は、非補償型のウィルキンソンカプラ、補償型のウィルキンソンカプラまたはブランチラインカプラから成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】
前記不均等分配回路から出力される前記一方の信号と前記他方の信号は、３ｄＢの差を有することを特徴とする請求項１または請求項２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、高効率と低歪を実現することができ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ＬＡＮ（Local Area Network）などの進歩は著しく、特に携帯電話の爆発的な普及と、それに伴うインフラ整備により、携帯端末のみならず基地局にも低消費電力化が要求されてきている。そこで、基地局において送信に使用される増幅器についても、効率および線形性の向上に対する要求が一層高まってきている。
【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り、また、効率は増幅器への入力レベルに比例する。したがって、高い効率は、増幅器の出力が最大出力電力に近づくまで得られないので、増幅器の線形性を実現することは難しい。そこで、ドハティ増幅器等のような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増幅器が開発されている。
【０００４】
従来の標準的なドハティ増幅器は、図５に示すように、出力の高低に拘わらず常に動作（ＡＢ級動作）するキャリア増幅器１および高出力動作時（キャリア増幅器１が飽和最大出力に達した以降）のみ動作（Ｃ級動作）するピーク増幅器２を備えている。入力信号は分配回路５によって２分配され、一方はそのままキャリア増幅器１に入力され、他方は１／４波長伝送線路３を経由してピーク増幅器２に入力される。
【０００５】
負荷は、ピーク増幅器２の出力に接続され、キャリア増幅器１の出力は、一般に、１／４波長伝送線路４からなるインピーダンス変換器を介して負荷に接続される。このドハティ増幅器では、出力レベルが低い場合はキャリア増幅器１だけが動作し、ピーク増幅器２の出力は遮断される。
【０００６】
キャリア増幅器１だけが動作する低レベル領域においては、キャリア増幅器１からみた負荷インピーダンスがピーク電力でのインピーダンスよりも高く（理想的には２倍）、これによって低レベル領域におけるキァリア増幅器１の効率が増加する。出力レベルが、キャリア増幅器１が飽和する遷移点以上に増加すると、ピーク増幅器２が動作する状態となり、負荷へ電流を供給する。
【０００７】
１／４波長伝送線路４を介するインピーダンス変換により、キャリア増幅器１の出力における実効インピーダンスが低減され、キャリア増幅器１の出力が遷移点以上で一定の（ピーク）電圧に保たれる。そして、キャリア増幅器１とピーク増幅器２の合成点では、各信号は同レベル且つ同相となり、いくつかの歪成分は逆相となり、キャリア増幅器１とピーク増幅器２は設計された所定の負荷インピーダンスを駆動する。その結果、従来の増幅器よりも高い効率を有しつつ、出力対入力の関係は実質的に線形になり高い線形性も有することになる。
【０００８】
しかしながら、実際には、キャリア増幅器１およびピーク増幅器２の各増幅動作が理想的な動作と異なる場合、出力合成点における信号の歪のレベルや位相の関係が理想的な状態からずれてしまって出力合成が有効に行われず、理想的な高い効率や線形性が得られないという問題が発生していた。
【０００９】
図６は、このような従来のドハティ増幅器におけるキャリア増幅器１およびピーク増幅器２の各単体の実際の入出力特性を示す。この入出力特性を参照すると、ピーク増幅器２はＣ級動作のバイアスであるので、低入力レベル時には動作していないことがわかる。この図６に示す入出力特性を有するドハティ増幅器は、キャリア増幅器１とピーク増幅器２の高出力動作時の出力レベルに差があり、ピーク増幅器２の出力がキャリア増幅器１より約３ｄＢだけ小さい。このため、両信号の合成レベルが相違し、理想的なインピーダンスを駆動することができないので、理想的な合成はできない状態にある。その結果、高い効率と線形性を得ることできない状態にある。
【００１０】
このような問題を解消して出力合成を有効に行うために、例えば図７に示すように、ピーク増幅器２の前に利得補償器７等を配置して、位相関係を変えずに信号レベルのみを調整することにより出力合成点での合成レベルを最適化しているドハティ増幅器が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２２１６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来のドハティ増幅器は、利得補償器等が必要になるので、構造が複雑化するという問題がある。
【００１２】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、簡単な構成で高い効率や線形性を得ることができるドハティ増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るドハティ増幅器は、上記課題を解決するために、入力信号を不均等な比率で分配する不均等分配回路と、不均等分配回路により分配された一方の信号を常時増幅するキャリア増幅器と、不均等分配回路により分配された他方の信号を入力信号が所定レベル以上の場合に増幅するピーク増幅器とを備え、キャリア増幅器の出力とピーク増幅器の出力とを合成して出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るドハティ増幅器によれば、不均等分配回路によって、異なるレベルの信号をキャリア増幅器およびピーク増幅器に与えるように構成したので、キャリア増幅器の出力とピーク増幅器の出力と同じレベルで有効に合成することができる。したがって、簡単な構成で高い効率や線形性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係るドハティ増幅器を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術の欄で説明した従来のドハティ増幅器の構成要素と同一部分には、背景技術の欄で使用した符号と同一の符号を付して説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の実施例１に係るドハティ増幅器の構成を示す回路図である。このドハティ増幅器は、図５に示した従来のドハティ増幅器の分配回路５が不均等分配回路６に置き換えられて構成されている。すなわち、ドハティ増幅器は、入力端子ＩＮ、キャリア増幅器１、ピーク増幅器２、１／４波長伝送線路３、１／４波長伝送線路４、不均等分配回路６および出力端子ＯＵＴから構成されている。
【００１７】
不均等分配回路６は、例えば非補償型のウィルキンソンカプラから構成されており、入力端子ＩＮから入力された入力信号を不均等に２分配し、一方をポートＡから出力し、他方をポートＢから出力する。具体的には、不均等分配回路６は、ポートＢの出力がポートＡの出力より約３ｄＢだけ小さくなるように分配する。ボートＡから出力された信号は、１／４波長伝送線路３を経由してピーク増幅器２に送られ、ポートＢから出力された信号はキャリア増幅器１に送られる。
【００１８】
キャリア増幅器１は、出力の高低に拘わらず常に動作（ＡＢ級動作）し、不均等分配回路６のポートＢから送られてくる信号を増幅して１／４波長伝送線路４に送る。１／４波長伝送線路４は、キャリア増幅器１から出力される信号のインピーダンスを変換して出力する。１／４波長伝送線路３は、５０Ωの伝送線路から構成されており、不均等分配回路６のポートＡから送られてくる信号をピーク増幅器２に送る。
【００１９】
ピーク増幅器２は、高出力動作時、つまりキャリア増幅器１が飽和最大出力に達した以降のみ動作（Ｃ級動作）し、不均等分配回路６のポートＡから１／４波長伝送線路３を経由して送られてくる信号を増幅して出力する。１／４波長伝送線路４の出力およびピーク増幅器２の出力は合成されて出力端子ＯＵＴから出力される。
【００２０】
次に、上述した不均等分配回路６の詳細を説明する。不均等分配回路６は、第１の１／４波長伝送線路２１、第２の１／４波長伝送線路２２、第３の１／４波長伝送線路２３、第４の１／４波長伝送線路２４および抵抗Ｒ１から構成されている。
【００２１】
第１の１／４波長伝送線路２１の一端は、入力端子ＩＮに接続され、他端は第３の１／４波長伝送線路２３の一端に接続されている。第３の１／４波長伝送線路２３の他端は、ポートＡに接続されている。第２の１／４波長伝送線路２２の一端は、入力端子ＩＮに接続され、他端は第４の１／４波長伝送線路２４の一端に接続されている。第４の１／４波長伝送線路２４の他端は、ポートＢに接続されている。抵抗Ｒ１は、第１の１／４波長伝送線路２１と第３の１／４波長伝送線路２３との接続点と、第２の１／４波長伝送線路２２と第４の１／４波長伝送線路２４との接続点との間に接続されている。
【００２２】
この不均等分配回路６における、第１の１／４波長伝送線路２１〜第４の１／４波長伝送線路２４に必要な各特性インピーダンスは、次のようにして求められる。ここで、第１の１／４波長伝送線路２１の特性インピーダンスをＺ2、第２の１／４波長伝送線路２２の特性インピーダンスをＺ3、第３の１／４波長伝送線路２３の特性インピーダンスをＺ4、第４の１／４波長伝送線路２４の特性インピーダンスをＺ5とする。
【００２３】
ポートＡとポートＢの信号レベルの比から、下記式（１）に従って分割比ｋが求められる。
【００２４】
ｋ２＝Ｐｂ／Ｐａ    …（１）
ここで、ｋ＞０、ＰａはポートＡの信号の大きさ［Ｗ］、ＰｂはポートＢの信号の大きさ［Ｗ］である。
【００２５】
次に、抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒが、下記式（２）に従って求められる。
【００２６】
Ｒ＝Ｚ0×（１＋ｋ２）／ｋ    …（２）
ここで、Ｚ0は系のインピーダンスである。
【００２７】
次に、第１の１／４波長伝送線路２１の特性インピーダンスＺ2、第２の１／４波長伝送線路２２の特性インピーダンスＺ3、第３の１／４波長伝送線路２３の特性インピーダンスＺ4および、第４の１／４波長伝送線路２４の特性インピーダンスＺ5が、下記式（３）〜（６）に従って求められる。
【００２８】
Ｚ2＝Ｚ0×｛ｋ（１＋ｋ）２｝１／２    …（３）
Ｚ３＝Ｚ0×｛（１＋ｋ２）／ｋ３｝１／２  …（４）
Ｚ４＝Ｚ0×ｋ１／２                   …（５）
Ｚ５＝Ｚ0／ｋ１／２                   …（６）
今、ポートＢの出力がポートＡの出力より約３ｄＢだけ小さくなるように分配する場合を考えると、「ポートＡの信号の大きさＰａ：ポートＢの信号の大きさＰｂ＝２：１」になる。従って、分割比ｋは、式（１）から
ｋ２＝１／２
であるので、
ｋ＝（１／２）１／２＝０．７０７１
になる。次に、抵抗値Ｒは、式（２）から
Ｒ＝Ｚ0×（１＋ｋ２）／ｋ＝１０６．０７Ω
になる。
【００２９】
特性インピーダンスＺ2は、式（３）から
Ｚ2＝Ｚ0×｛ｋ（１＋ｋ）２｝１／２＝５１．４９４Ω
になり、特性インピーダンスＺ3は、式（４）から
Ｚ３＝Ｚ0×｛（１＋ｋ２）／ｋ３｝１／２＝１０２．９８２Ω
になり、特性インピーダンスＺ4は、式（５）から
Ｚ４＝Ｚ0×ｋ１／２＝４２．０４４Ω
になり、特性インピーダンスＺ5は、式（６）から
Ｚ５＝Ｚ0／ｋ１／２＝５９．４６Ω
になる。
【００３０】
第１〜第４の１／４波長伝送線路２１〜２４の各々は、基板上に形成されたパターンから構成されており、各特性インピーダンスは、そのパターン長、パターン幅、パターン厚、基板の比誘電率、基板の厚さ、通過させる信号の周波数などによって決定される。
【００３１】
図２は、本発明の実施例１に係るドハティ増幅器におけるキャリア増幅器１およびピーク増幅器２の各単体の入出力特性を示す。不均等分配回路６によってポートＢの出力がポートＡの出力より約３ｄＢだけ小さくなるように不均等分配することにより、図示するように、キャリア増幅器１とピーク増幅器２に入力される信号レベルを変えることができる。これにより、キャリア増幅器１よりもピーク増幅器２に３ｄＢ大きい信号を入力することになる。
【００３２】
このため、図２に示すように、キャリア増幅器とピーク増幅器の高出力動作時の出力レベルを同じにするこができる。したがって、理想的なインピーダンスを駆動することになり、利得補償器等を追加することなく高い効率と線形性を得ることができる。
【００３３】
なお、この実施例１に係るドハティ増幅器では、不均等分配回路６として非補償型のウィルキンソンカプラを用いたが、補償型のウィルキンソンカプラを用いて構成することもできる。図３は、補償型のウィルキンソンカプラから成る不均等分配回路６ａの構成を示す回路図である。
【００３４】
この不均等分配回路６ａは、図１に示した不均等分配回路６の入力端子ＩＮと、第１の１／４波長伝送線路２１および第２の１／４波長伝送線路２２との間に、特性インピーダンスＺ1を有する１／４波長伝送線路２５が追加されて構成されている。
【００３５】
この場合、各伝送線路の特性インピーダンスは、下記式（７）〜（１１）に従って求められる。
【００３６】
Ｚ１＝Ｚ0×｛ｋ／（１＋ｋ２）｝１／４      …（７）
Ｚ２＝Ｚ0×｛ｋ３／４（１＋ｋ２）１／４｝１／２  …（８）
Ｚ３＝Ｚ0×（１＋ｋ２）１／４／ｋ５／４       …（９）
Ｚ４＝Ｚ0×ｋ１／２                       …（１０）
Ｚ５＝Ｚ0／ｋ１／２                       …（１１）
この補償型のウィルキンソンカプラから成る不均等分配回路６ａを用いたドハティ増幅器も、上述した非補償型のウィルキンソンカプラから成る不均等分配回路６を用いたドハティ増幅器と同様の作用および効果を奏する。
【００３７】
さらに、不均等分配回路６として、例えばブランチラインカプラ等といったマイクロ波帯で標準的に使用されるカプラを使用することもできる。図４は、ブランチラインカプラから成る不均等分配回路６ｂの構成を示す回路図である。
【００３８】
この不均等分配回路６ｂは、第１の１／４波長伝送線路３１、第２の１／４波長伝送線路３２、第３の１／４波長伝送線路３３および第４の１／４波長伝送線路３から構成されている。第１の１／４波長伝送線路３１の一端は入力端子ＩＮに接続され、他端はアイソレーションポートＩＰに接続されている。第２の１／４波長伝送線路３２の一端はポートＢに接続され、他端はポートＡに接続されている。第３の１／４波長伝送線路３１の一端は入力端子ＩＮに接続され、他端はポートＢに接続されている。第４の１／４波長伝送線路３４の一端はアイソレーションポートＩＰに接続され、他端はポートＡに接続されている。
【００３９】
第１の１／４波長伝送線路３１および第２の１／４波長伝送線路３２の特性インピーダンスＺ1、ならびに、第３の１／４波長伝送線路３３および第４の１／４波長伝送線路３４の特性インピーダンスＺ2は、下記式（１２）および（１３）によってそれぞれ求められる。
【００４０】
Ｚ１＝Ｚ0                …（１２）
Ｚ２＝Ｚ0／２１／２        …（１３）
ここで、Ｚ0は系のインピーダンスである。
【００４１】
この不均等分配回路６ｂでは、特性インピーダンスＺ1およびＺ2を適宜決定することにより、入力信号を不均等に分配することができる。上述した不均等分配回路６と同様に、ポートＢの出力がポートＡの出力より約３ｄＢだけ小さくなるような分配は、特性インピーダンスＺ1＝３５．４０[Ω]、および特性インピーダンスＺ2＝２８．８９[Ω]とすることにより実現できる。
【００４２】
このブランチラインカプラから成る不均等分配回路６ｂを用いたドハティ増幅器も、上述した非補償型のウィルキンソンカプラから成る不均等分配回路６を用いたドハティ増幅器と同様の作用および効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施例１に係るドハティ増幅器の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施例１に係るドハティ増幅器におけるキャリア増幅器およびピーク増幅器の各単体の入出力特性を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係るドハティ増幅器の他の構成に用いられる不均等分配回路の構成を示す回路図である。
【図４】本発明の実施例１に係るドハティ増幅器のさらに他の構成に用いられる不均等分配回路の構成を示す回路図である。
【図５】従来の標準的なドハティ増幅器の構成を示す回路図である。
【図６】従来の標準的なドハティ増幅器におけるキャリア増幅器およびピーク増幅器の各単体の入出力特性を示す図である。
【図７】従来の他のドハティ増幅器の構成を示す回路図である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、携帯電話等に用いられる増幅器に適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…キャリア増幅器、２…ピーク増幅器、３…１／４波長伝送線路、４…１／４波長伝送線路（インピーダンス変換器）、６…不均等分配回路（非補償型のウィルキンソンカプラ）、６ａ…不均等分配回路（補償型のウィルキンソンカプラ）、６ｂ…不均等分配回路（ブランチラインカプラ）。
【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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