(57)【要約】      （修正有）【課題】ドハティ増幅器においては、キャリア増幅器が飽和になった時直ぐにピーク増幅器が動作させるのではなく、キャリア増幅器が飽和する前から既に多少ピーク増幅器を動作させている。キャリア増幅器の飽和領域付近において、増幅器全体としての効率を向上させる。【解決手段】増幅素子をＡＢ級又はＢ級で動作させる第１の増幅回路の出力と、増幅素子をＢ又はＣ級で動作させる第２の増幅回路の出力を合成して出力とするドハティ増幅器において、前記第２の増幅回路の増幅素子のドレイン電圧を当該増幅器への入力電力に対応するように制御する制御部を備え、前記制御部における入力電力とドレイン電圧との対応は、前記第２の増幅回路の増幅素子の動作点付近における効率が最大となるように対応付けられる。【選択図】図１
2011223440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅素子をＡＢ級又はＢ級で動作させる１又は複数の第１の増幅回路の出力と、増幅素子をＢ又はＣ級で動作させる１又は複数の第２の増幅回路の出力を合成して出力とする増幅器であって、
第１の増幅回路の出力インピーダンスを変換する伝送線路と、
前記伝送線路でインピーダンス変換された第１の増幅回路の出力と前記第２の増幅回路の出力を合成する合成部と、
前記第２の増幅回路の増幅素子のドレイン電圧を当該増幅器への入力電力に対応するように制御する制御部とを備え、
前記制御部における入力電力とドレイン電圧との対応は、前記第２の増幅回路の増幅素子の動作点付近における効率が最大となるように、且つ、前記第２の増幅回路の増幅素子のゲインが許容範囲以下とならないように対応付けられることを特徴とする増幅器。
【請求項２】
前記制御部における入力電力とドレイン電圧との対応は、
前記第２の増幅回路の増幅素子の出力電力が飽和しない範囲でドレイン電圧が最小となるように、且つ、前記第２の増幅回路の増幅素子のゲインが動作点付近において一定値以下とならないように対応付けられることを特徴とする請求項１記載の増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増幅器に係り、特に従来のドハティ（doherty）増幅器では困難であった、BまたはC級で動作するピーク増幅器の増幅素子の立ち上がり付近の効率を最適にコントロールする増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
CDMA信号やマルチキャリア信号のような、ピーク電力値と平均電力値との比（PAPR：Peak to Average Power Ratio）が大きい信号を電力増幅する場合、一般にこれらの信号を歪みなく電力増幅するためには、増幅器の出力飽和レベルに対するバックオフを広くとる必要がある。しかしながら、一方で増幅器のバックオフを広く取ると増幅効率は劣化するという問題がある。
【０００３】
従来、共通増幅器に歪補償手段を付加し、共通増幅器の動作範囲を飽和領域付近まで広げることで低消費電力化を図っていた。歪補償手段として、フィードフォワード歪補償やプリディストーション歪補償などがあるが、歪補償だけでは低消費電力化に限界が近づいている。そのため近年、高効率増幅器としてドハティ増幅器が注目されている。
【０００４】
図５は従来のドハティ増幅器の構成図である。入力端子１から入った信号は、分配器２で分配される。分配された一方の信号は、キャリア増幅器４に入力される。キャリア増幅器４は、増幅素子４２の入力側と整合を取る入力整合回路４１と、増幅素子４２の出力側と整合を取る出力整合回路４３から構成されている。キャリア増幅器４の出力は、λ/４変成器６１でインピーダンス変換される。分配器２で分配されたもう一方の信号は、移相器３で位相を９０度遅らされ、ピーク増幅器５に入力される。ピーク増幅器５はキャリア増幅器４と同様に、入力整合回路５１と、増幅素子５２と、出力整合回路５３から構成されている。λ/４変成器６１及びピーク増幅器５の出力は合成点６２において合成される。合成された信号は、出力負荷Ｚ0に整合するため、λ/４変成器７でインピーダンス変換される。λ/４変成器６１と合成点６２とを合わせて、ドハティ合成部６と呼ぶ。λ/４変成器７の出力は出力端子８を介して出力負荷９に接続される。
【０００５】
キャリア増幅器４とピーク増幅器５は、増幅素子４２がＡＢ級又はB級にバイアスされ、増幅素子５２がＢ級又はＣ級にバイアスされている点で異なる。そのため、増幅素子５２が動作する入力信号レベルまでは増幅素子４２は単独で動作し、増幅素子４２が飽和領域に入る（つまり増幅素子４２の線形性が崩れ始める）と、増幅素子５２が動作し始め、増幅素子５２の出力が出力負荷９に供給され、増幅素子４２とともに出力負荷９を駆動する。このとき増幅出力整合回路４３の負荷線は、高い抵抗から低い抵抗へ移動するが、増幅素子４２は飽和領域にあるので効率は良い。また、入力端子１からの入力信号レベルが更に大きくなると、増幅素子５２も飽和し始めるが、この時には増幅素子４２、５２ともに飽和しているのでやはりこの時も効率は良い。
【０００６】
尚、ドハティ増幅器に関連する従来技術としては、特開２００６−３３２８２９号公報（特許文献１）、特開２００６−１９７５５６号公報（特許文献２）、特開２００７−００６１６４号公報（特許文献３）、特開２００６−１６５８５６号公報（特許文献４）、特開２００６−１５７９００号公報（特許文献５）などがある。いずれの特許文献も、入力信号を分配して、一方をＡＢ級又はＢ級で動作するキャリア増幅器で増幅し、他方をＢ級又はＣ級で動作するピーク増幅器で増幅し、合成して出力することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３３２８２９号公報
【特許文献２】特開２００６−１９７５５６号公報
【特許文献３】特開２００７−００６１６４号公報
【特許文献４】特開２００６−１６５８５６号公報
【特許文献５】特開２００６−１５７９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、実際のドハティ増幅器においては、キャリア増幅器が飽和になった時直ぐにピーク増幅器が動作させるのではなく、キャリア増幅器が飽和する前から既に多少ピーク増幅器を動作させている。増幅器全体の効率はピーク増幅器の電流を加味したものであるため、結果としてキャリア増幅器の飽和領域付近において、増幅器全体としての効率を劣化させて使用していることとなる。
【０００９】
このような問題に対しては、ゲート電圧を深くし、ドレイン電流を減らすという手段も考えられる。しかしそのような手段の場合、飽和付近のゲインが足りなくなったり、効率は良いが結果として歪特性が劣化するという問題がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明は、増幅素子をＡＢ級又はＢ級で動作させる１又は複数の第１の増幅回路の出力と、増幅素子をＢ又はＣ級で動作させる１又は複数の第２の増幅回路の出力を合成して出力とする増幅器であって、第１の増幅回路の出力インピーダンスを変換する伝送線路と、前記伝送線路でインピーダンス変換された第１の増幅回路の出力と前記第２の増幅回路の出力を合成する合成部と、前記第２の増幅回路の増幅素子のドレイン電圧を当該増幅器への入力電力に対応するように制御する制御部とを備え、前記制御部における入力電力とドレイン電圧との対応は、前記第２の増幅回路の増幅素子の動作点付近における効率が最大となるように、且つ、前記第２の増幅回路の増幅素子のゲインが許容範囲以下とならないように対応付けられることを特徴とする。
【００１１】
また、上記の課題を解決するため、本発明は更に、前記制御部における入力電力とドレイン電圧との対応が、前記第２の増幅回路の増幅素子の出力電力が飽和しない範囲でドレイン電圧が最小となるように、且つ、前記第２の増幅回路の増幅素子のゲインが動作点付近において一定値以下とならないように対応付けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明の増幅器では、増幅素子をＢ級又はＣ級で動作させる増幅器の飽和電力を適切に変えるためにピーク増幅器のドレイン電圧を入力電力に応じて変化させることによって、出力電力に対し、適切な飽和電力の増幅器で増幅するため、動作点付近では従来のドハティ型増幅器のドレイン効率より効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例であるドハティ増幅器の構成図
【図２】本発明の実施例であるドハティ増幅器のピーク増幅器のドレイン電圧を１０V、１５V、２０V、２５V、３０Vと変化させたときの出力電力に対するキャリア及びピーク増幅器のドレイン電流の特性例
【図３】本発明の実施例であるドハティ増幅器のピーク増幅器のドレイン電圧を１０V、１５V、２０V、２５V、３０Vと変化させたときの出力電力に対するピーク増幅器のドレイン効率の特性例
【図４】本発明の実施例であるドハティ増幅器のピーク増幅器のドレイン電圧を１０V、１５V、２０V、２５V、３０Vと変化させたときの出力電力に対するゲイン特性例
【図５】従来のドハティ増幅器の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明におけるドハティ増幅器の構成図である。図５の従来のドハティ増幅器の構成図に対して、本発明の構成は、方向性結合器１０１、遅延回路１０２、電圧制御回路１０３を追加した点が主に相違している。尚、便宜のため、図５と同一の構成については同一の符号を付している。
【００１６】
以下、図１を参照しながら、本発明におけるドハティ増幅器の構成を説明する。
入力端子１から入った信号は、方向性結合器１０１で遅延回路１０２側と電圧制御回路１０３側に分岐される。遅延回路１０２側の信号は、電圧制御回路１０３で発生する遅延を補償する遅延回路１０２を通り分配器２に入力される。分配器２で分配された一方の信号は、キャリア増幅器４に入力される。キャリア増幅器４は、増幅素子４２の入力側と整合を取る入力整合回路４１と、増幅素子４２の出力側と整合を取る出力整合回路４３から構成されている。キャリア増幅器４の出力は、λ/４変成器６１でインピーダンス変換される。分配されたもう一方の信号は、移相器３で位相を９０度遅らされ、ピーク増幅器５に入力される。ピーク増幅器５はキャリア増幅器４と同様に、入力整合回路５１と、増幅素子５２と、出力整合回路５３から構成されている。λ/４変成器６１及びピーク増幅器５の出力は合成点６２において合成される。合成された信号は、出力負荷９（Ｚ0）に整合するため、λ/４変成器７でインピーダンス変換され、出力端子８を介して出力負荷９に接続される。
【００１７】
キャリア増幅器４とピーク増幅器５は、増幅素子４２がＡＢ級又はB級にバイアスされ、増幅素子５２がＢ又はＣ級にバイアスされている点で異なる。そのため、増幅素子５２が動作する入力までは増幅素子４２は単独で動作し、増幅素子４２が飽和領域に入る（つまり増幅素子４２の線形性が崩れ始める）と、増幅素子５２が動作し始め、増幅素子５２の出力が負荷に供給され、増幅素子４２とともに負荷を駆動する。このとき増幅出力整合回路４３の負荷線は、高い抵抗から低い抵抗へ移動するが、増幅素子４２は飽和領域にあるので効率は良い。入力端子１からの入力が更に増加すると、増幅素子５２も飽和し始めるが、増幅素子４２、５２ともに飽和しているのでこのときも効率は良い。
【００１８】
ここで、ピーク増幅器５の増幅素子５２が動作し始める入力信号レベル付近の増幅器全体（キャリア増幅器とピーク増幅器の合成効率）のドレイン効率は、ピーク増幅器のドレイン電流が理想状態（ドレイン電流が０A）ではないため、理想状態に比べて多少劣化してしまう。
【００１９】
そこで本発明では、電圧制御回路１０３が方向性結合器１０１で分岐して取り出された入力信号を検波し、検波した入力信号レベルに対応して予め設定された最適な電圧を増幅素子５２のドレイン端子１０４に入力する。ピーク増幅器５の増幅素子５２は電圧制御回路１０３から入力されるドレイン電圧に応じて入力信号を増幅し出力する。
【００２０】
ここで、例えば、電圧制御回路１０３における入力信号レベルと出力するドレイン電圧のレベルとの対応関係は、予めメモリにテーブルのかたちで保持され、入力信号レベルに対して当該テーブルを参照して対応するドレイン電圧レベルの電圧を出力することが考えられる。また、入力信号レベルとドレイン電圧レベルの対応関係はドレイン効率が高く、ゲインが安定するように適応的に設定されてもよい。
【００２１】
このような回路構成にすることによって、入力信号レベル（電力）に応じて最適なドレイン電圧をピーク増幅器５の増幅素子５２にかけることができる。結果的に入力信号レベルに応じて最適な飽和電力に切り替えながらピーク増幅器５において信号を増幅することになるため、特にピーク増幅器５の増幅素子５２の動作点付近における電力効率を向上させることができる。入力信号レベルと最適なドレイン電圧との関係については以下で更に詳述する。
【００２２】
［出力電力とドレイン電流の関係］
図２は、本発明のドハティ増幅器において、ピーク増幅器のドレイン電圧を１０V、１５V、２０V、２５V、３０Vと変化させたときのドハティ増幅器の出力電力に対するキャリア及びピーク増幅器のドレイン電流の特性例を示す図である。
尚、ドレイン電圧３０Vの特性が従来のドハティ増幅器におけるドレイン電流の特性である。それ以外は、５Vステップでドレイン電圧を変化させたときの特性である。
【００２３】
図２に示す動作点（飽和電力より８ｄB低い出力電力点）の付近をみると、この動作点付近で既にピーク増幅器のドレイン電流が流れ始めており、電力が消費されていることが分かる。また、ピーク増幅器のドレイン電圧を変化させても動作点付近のドレイン電流はあまり変化しない。そのため、ドレイン電圧を変化させることで、消費電力が変化する。つまり、出力電力が小さい領域（つまり入力信号レベルが小さい領域）では、ピーク増幅器のドレイン電圧を従来よりも小さくする（つまり飽和電力を小さくする）ように制御することにより、消費電力を従来よりも小さくして効率を向上させることができる。
【００２４】
［出力電力とドレイン効率の関係］
図３は、本発明のドハティ増幅器において、ピーク増幅器のドレイン電圧を１０V、１５V、２０V、２５V、３０Vと変化させたときのドハティ増幅器の出力電力に対するピーク増幅器のドレイン効率の特性例を示す図である。
尚、ドレイン電圧３０Vの特性が従来のドハティ増幅器のドレイン効率特性である。それ以外は、５Vステップでドレイン電圧を変化させたときの特性である。
【００２５】
図３に示したピーク増幅器の動作点（飽和電力より８ｄB低い出力電力点）付近の効率について、各ドレイン電圧における特性を比較すると、ドレイン電圧が低いほど、出力電力の低い領域におけるドレイン効率が高いことがわかる。そのため、出力電力が低い領域においてはドレイン電圧を低くするように制御することによりドレイン効率を高めることができる。
また、出力電力の増加に伴って出力電力が飽和する場合には、ドレイン電圧を高くなるように変化させることによって、出力電力を飽和させることなく、ドレイン効率を高いまま維持することができる。
【００２６】
このように、ピーク増幅器の飽和電力を適切に切り替える、つまりドレイン電圧を適切に変化させることで、動作点付近における効率を向上させることが可能であることがわかる。
【００２７】
本実施例では、出力電力が小さい、つまり入力信号レベルが小さい領域ではドレイン電圧を小さくなるように制御する（例えば１０V）。更に、出力電力が大きくなる、つまり入力信号レベルが大きくなるのに応じて、出力電力が飽和しないように、ドレイン電圧を大きくするように制御する（例えば、１０Ｖから１５Ｖ、１５Ｖから２０Ｖと、５Ｖステップで切り替える）。
図中の点線は、このように適切にピーク増幅器のドレイン電圧を変化させたときのドレイン効率であり、本発明のドハティ増幅器のドレイン効率特性である。
【００２８】
ただし一方で、ドレイン電圧が低いほど、出力電力に対するピーク増幅器のゲインが安定せず、出力電力が低い段階で低下し始めてしまうという問題がある。そのため、ドレイン電圧の制御を行う場合、上記の通りドレイン効率を考慮する他に、ゲイン特性も考慮した制御を行う必要がある。ゲイン特性を考慮したドレイン電圧の制御については以下で詳述する。
【００２９】
［出力電力とゲインの関係］
図４は本発明のドハティ増幅器におけるピーク増幅器のドレイン電圧を１０V、１５V、２０V、２５V、３０Vと変化させたときの、ドハティ増幅器の出力電力に対するピーク増幅器のゲイン特性例を示す図である。
尚、ドレイン電圧が３０Vの場合における特性が従来のドハティ増幅器のゲイン特性である。それ以外は、５Vステップでドレイン電圧を変化させたときの特性である。
【００３０】
ここで、図４において、ドレイン電圧が１５V、２０V、２５V、３０Vの場合と比較して、ドレイン電圧が１０Ｖの場合の方が、出力電力が小さい段階でゲインの低下が始まることがわかる。ドレイン電圧が１５V、２０V、２５V、３０Vの場合も同様に、ドレイン電圧が小さい程、出力電力に対するゲインの低下が出力電力の小さい段階で始まることがわかる。そのため、出力電力が大きくなる、つまり入力信号レベルが大きくなるのに応じてドレイン電圧を大きくして、ピーク増幅器のトータルゲインが劣化しないようにドレイン電圧を制御する必要がある。
【００３１】
例えば、ドレイン電圧３０Vである従来のドハティ増幅器のゲイン特性からあまりかけ離れない程度で電圧を制御することが考えられる。本実施例では、従来のドレイン電圧（３０Ｖ）におけるゲイン特性に近づくように、ピーク増幅器のドレイン電圧を１０V、１５V、２０V、２５V、３０Vと、５Ｖ単位で最適なドレイン電圧に切り替えるように制御する。
また、ドレイン電圧の制御は、例えば特定のドレイン電圧の場合におけるゲイン特性（本実施例の場合３０Ｖのゲイン特性）から一定のゲイン以上低くならないように行うことが考えられる。
図中の点線は、適切にピーク増幅器のドレイン電圧を変化させたときのゲイン特性であり、本実施例におけるドハティ増幅器のゲイン特性である。
【００３２】
上記の説明のように、本発明におけるドハティ増幅器では、電圧制御回路１０３で行う制御における入力信号レベルとドレイン電圧との関係が、図３の様なグラフにおいてピーク増幅器の出力電力が飽和せず、ドレイン効率が出力電力が変化する範囲で全体的に良くなるように、且つ、図４の様なグラフにおいて、ゲインが許容範囲より小さくならないことを満たすように、入力信号レベルに対するドレイン電圧を変化させる。
【００３３】
また、図２〜４に示すようにドレイン電圧の切替え制御を５Vステップとすることは一例であり、さらに細かいステップで切り替えたり、連続的に変化させるように制御しても良い。基本的には、入力信号に追従するようにドレイン電圧を変化させる。
【００３４】
[本実施例における効果]
本実施例のドハティ増幅器のように、ピーク増幅器の飽和電力を適切に変える（たとえば数Wから数十W）ためにピーク増幅器のドレイン電圧を入力電力に応じて変化させることによって、出力電力に対し、適切な飽和電力の増幅器で増幅するため、図３に示すように、動作点付近では従来のドハティ増幅器のドレイン効率より効率を数％向上させることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  入力端子
２  分配器
３  移相器
４  キャリア増幅器
４１  入力整合回路
４２  増幅素子
４３出力整合回路
５  ピーク増幅器
５１  入力整合回路
５２  増幅素子
５３  出力整合回路
６  ドハティ合成部
６１  λ／４変成器
６２  ノード
７  λ／４変成器
８  出力端子
９  出力負荷
１０１  方向性結合器
１０２  遅延回路
１０３  電圧制御回路
１０４  ピーク増幅器のドレイン端子
【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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