(57)【要約】【課題】複数のスイッチトキャパシタ電力増幅器の出力を合成損無く合成でき、高効率動作および高出力電力を実現できる直交変調器を提供する。【解決手段】直交変調器１００は、相対的に位相差を有する２つの高周波信号をそれぞれ増幅する２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器１１１、１１２と、１次側と２次側のそれぞれに少なくとも１つの巻線を備え、１次側の巻線と２次側の巻線とが磁気結合した素子であって、増幅された２つの高周波信号を別々に１次側から入力して合成し、２次側から直交変調信号として出力する第１合成素子１３１と、２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器１１１、１１２と第１合成素子１３１の１次側との間にそれぞれ備えられるインダクタ１２１、１２２と、を有する。【選択図】図１
2015023396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に位相差を有する２つの高周波信号をそれぞれ増幅する２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器と、
１次側と２次側のそれぞれに少なくとも１つの巻線を備え、１次側の巻線と２次側の巻線とが磁気結合した素子であって、増幅された前記２つの高周波信号を１次側から別々に入力して合成し、２次側から直交変調信号として出力する第１合成素子と、
前記２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器と前記第１合成素子の１次側との間にそれぞれ備えられるインダクタと、を有する、
直交変調器。
【請求項２】
第１の位相を有する高周波信号を増幅する第１増幅器と、第２の位相を有する高周波信号を増幅する第２増幅器とを備えた前記２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器と、
前記第１増幅器の出力端子と前記第１合成素子の１次側の第１端子との間に備えられる第１インダクタと、
前記第２増幅器の出力端子と前記第１合成素子の１次側の第２端子との間に備えられる第２インダクタと、
前記第１増幅器、前記第１インダクタ、および前記第１端子を介して入力された前記第１の位相を有する高周波信号と、前記第２増幅器、前記第２インダクタ、および前記第２端子を介して入力された前記第２の位相を有する高周波信号とを合成して直交変調信号を前記２次側から出力する前記第１合成素子と、を有する、
請求項１記載の直交変調器。
【請求項３】
前記第１の位相が０度、かつ、前記第２の位相が９０度である、
請求項２記載の直交変調器。
【請求項４】
第３の位相を有する高周波信号を増幅するスイッチトキャパシタ電力増幅器である第３増幅器と、
第４の位相を有する高周波信号を増幅するスイッチトキャパシタ電力増幅器である第４増幅器と、
１次側と２次側のそれぞれに少なくとも１つの巻線を備え、１次側の巻線と２次側の巻線とが磁気結合する素子であって、前記第３増幅器および前記第４増幅器でそれぞれ増幅された２つの高周波信号を別々に１次側から入力して合成し、２次側から直交変調信号として出力する第２合成素子と、をさらに有し、
前記第３増幅器の出力端子と前記第２合成素子の１次側の第３端子とが、第３インダクタを介して接続され、
前記第４増幅器の出力端子と前記第２合成素子の１次側の第４端子とが、第４インダクタを介して接続され、
前記第２合成素子は、
前記第３増幅器、前記第３インダクタ、および前記第３端子を介して入力された前記第３の位相を有する高周波信号と、前記第４増幅器、前記第４インダクタ、および前記第４端子を介して入力された前記第４の位相を有する高周波信号とを合成して直交変調信号を生成し、前記第２合成素子の２次側から前記第１合成素子の２次側へ出力する、
請求項２記載の直交変調器。
【請求項５】
前記第１の位相が０度、前記第２の位相が９０度、前記第３の位相が１８０度、前記第４の位相が２７０度である、
請求項４記載の直交変調器。
【請求項６】
前記第１の位相が０度、前記第２の位相が１８０度、前記第３の位相が９０度、前記第４の位相が２７０度である、
請求項４記載の直交変調器。
【請求項７】
前記インダクタのインダクタンス値は、前記スイッチトキャパシタ電力増幅器の内部容量と前記高周波信号の周波数とで共振する値である、
請求項１から６のいずれか１項に記載の直交変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力増幅器に関し、特に、スイッチトキャパシタ電力増幅器を用いて直交変調を行う直交変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力増幅器は無線通信に必要な信号の出力強度を得るために微弱な入力信号を増幅して出力するが、そのための消費電力は大きくなる。特に電池で駆動する無線通信装置（例えば、携帯電話等）では、消費電力は駆動時間に大きく影響するので、消費電力を低減するためには電力効率を上げる必要がある。
【０００３】
電力効率を上げるための１つの手段としてＤ級電力増幅器が知られている。Ｄ級電力増幅器はトランジスタの飽和動作を利用する増幅器であり、スイッチング期間だけ電流が流れるため、消費電力が小さく電力効率が良い。この増幅器は振幅変動が小さい変調方式で有利である。
【０００４】
しかしながら、近年の変調方式では、スペクトラム効率を上げるため、ＷＬＡＮ（Wireless Local Area Network）やＬＴＥ（Long Term Evolution）に代表されるように、直交周波数分割多重方式（orthogonal frequency-division multiplexing：以下、「ＯＦＤＭ」という）が用いられる。ＯＦＤＭは、周波数が異なる複数の搬送波それぞれに変調をかけて多重化し、各搬送波を互いに直交させる方式である。
【０００５】
このＯＦＤＭでは、搬送波の位相が重なったタイミングでは平均電力に対して高い電力ピークを持つことになる。平均電力とピーク電力の比は、ピーク対平均電力（Peak Average Power Ratio：「ＰＡＰＲ」という）で表され、場合によっては１０ｄＢ程度にもなる。ＯＦＤＭでは、ＰＡＰＲが原理的に大きく、歪みによって発生するシンボル間干渉などの影響を抑制するために、線形増幅器が必要となる。この場合、ピーク電力を電力増幅器の飽和電力とすると、平均電力は飽和電力に対して小さい値をとるため、平均電力出力時は電力増幅器を効率が高い動作点で動かせず、電力効率が低下する。また、平均電力と飽和電力の差が大きい場合、電力効率が低下するため、通常はＰＡＰＲと歪みが許容できる程度に電力のピークをカットする手法がとられる。ピークカット後の最大電力と平均電力の差をバックオフ量と呼んでいる。バックオフ量が大きくなるほど、効率が悪い動作点で動いていることになる。
【０００６】
このような課題を改善する手段として、例えば非特許文献１に開示されているデジタル電力増幅器が知られている。デジタル電力増幅器は、信号帯域が大きい規格に対して実現が困難なポーラー変調ではなく、直交変調を行うため、バランを用いて電流を合成する。
【０００７】
非特許文献１のデジタル電力増幅器は、動作時に一定電流を流すカスコード接続アンプの動作数をデジタルコードに比例させることで電流を制御し、バランで合成した電流を負荷に流して出力電力を得る構成を備える。すなわち、非特許文献１のデジタル電力増幅器は、電流を流す構成を備えるため、消費電流が増大して電力効率が低くなるという課題がある。
【０００８】
このような課題を改善する手段として、例えば非特許文献２に開示されているスイッチトキャパシタ電力増幅器が知られている。非特許文献２のスイッチトキャパシタ電力増幅器は、スイッチング期間だけ電流が流れるようにして電力効率を上げるＤ級電力増幅器の動作数をデジタルコードで制御することで、振幅を制御するものである。非特許文献２のスイッチトキャパシタ電力増幅器は、ポーラー変調での振幅制御に用いられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Chao Lu, Hua Wang, CH Peng, Ankush Goel, SangWon Son, Paul Liang, Ali Hwang, George Chein “A 24.7dBm All-Digital RF Transmitter for Multimode Broadband Applications in 40nm CMOS” ISSCC2013 SESSION 19/WIRELESS TRANSCEIVAERS FOR SMART DEVICES/19.3
【非特許文献２】Sang-Min Yoo,Jeffrey, S.Walling, Eum Chan Woo, Benjamin Jann and David J.Allstat, “A Switched-Capacitor RF Power Amplifier” IEEE J. Solid-state Circuits, vol.46, no.12, pp.2977-2987,Dec.2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記スイッチトキャパシタ電力増幅器を例えば直交変調器のＩ側とＱ側の電力増幅器として用い、バランにより各出力を合成すると、合成損が発生する。これにより、出力電力と電力効率の低下が起きるという課題がある。
【００１１】
本発明の目的は、複数のスイッチトキャパシタ電力増幅器の出力を合成損無く合成でき、高効率動作および高出力電力を実現できる直交変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様に係る直交変調器は、相対的に位相差を有する２つの高周波信号をそれぞれ増幅する２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器と、１次側と２次側のそれぞれに少なくとも１つの巻線を備え、１次側の巻線と２次側の巻線とが磁気結合した素子であって、増幅された前記２つの高周波信号を１次側から別々に入力して合成し、２次側から直交変調信号として出力する第１合成素子と、前記２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器と前記第１合成素子の１次側との間にそれぞれ備えられるインダクタと、を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、複数のスイッチトキャパシタ電力増幅器の出力を合成損無く合成でき、高効率動作および高出力電力を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１に係る直交変調器の構成例を示す図
【図２】本発明の実施の形態１〜５に係る直交変調器が備えるスイッチトキャパシタ電力増幅器の構成例を示す図
【図３】デジタルコードＨレベルで動作しているＤ級電力増幅器を示す等価回路図
【図４】デジタルコードＬレベルで動作していないＤ級電力増幅器を示す等価回路図
【図５】Ｂ級電力増幅器とスイッチトキャパシタ電力増幅器それぞれのバックオフ量に対する電力効率の比較例を示す図
【図６】デジタルコードの値で出力電圧が変わることを説明する図
【図７】本発明の実施の形態１に係る合成方法を用いた場合と従来技術の合成方法を用いた場合それぞれの合成結果を示す図
【図８】本発明の実施形態２に係る直交変調器の構成例を示す図
【図９】本発明の実施形態３に係る直交変調器の構成例を示す図
【図１０】本発明の実施形態４に係る直交変調器の構成例を示す図
【図１１】本発明の実施形態５に係る送信装置の構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る直交変調器１００について説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態の直交変調器１００の構成例を示す図である。図１において、直交変調器１００は、増幅部１１１、１１２、インダクタ１２１、１２２、およびバラン１３１を備える。
【００１８】
増幅部１１１および増幅部１１２は、スイッチトキャパシタ電力増幅器（Switched Capacitor Power Amplifier：ＳＣＰＡ）である。なお、直交変調器１００において、増幅部１１１のある側をＩ側と呼び、増幅部１１２のある側をＱ側と呼ぶこととする。
【００１９】
増幅部１１１に入力される高周波信号と増幅部１１２に入力される高周波信号は、相対的に９０度の位相差を持っている。すなわち、高周波信号の位相が９０度ずれており直交している。図１では、例として、増幅部１１１には位相が０度の高周波信号が入力され、増幅部１１２には位相が９０度の高周波信号が入力されている。
【００２０】
増幅部１１１の出力端子は、インダクタ１２１の入力端子に接続されている。また、増幅部１１２の出力端子は、インダクタ１２２の入力端子に接続されている。
【００２１】
また、インダクタ１２１の出力端子およびインダクタ１２１の出力端子は、それぞれ、バラン１３１の１次側の別々の端子（例えば、第１端子、第２端子）に接続されている。
【００２２】
また、バラン１３１の２次側の各端子のうち、１つは負荷１４１に接続されており、もう１つは接地されている。
【００２３】
バラン１３１は、合成素子（第１の合成素子）の一例である。本明細書でいう合成素子とは、「１次側と２次側のそれぞれに少なくとも１つの巻線を備え、１次側の巻線と２次側の巻線とが磁気結合する素子であって、１次側から別々に入力した信号を合成し、２次側から出力する素子」である。なお、合成素子は、例えば、トランス（変圧器）であってもよい。
【００２４】
すなわち、バラン１３１は、増幅部１１１、１１２から出力された互いに直交関係にある高周波信号を、インダクタ１２１、１２２を介して１次側の各端子から入力し、合成する。これにより、直交変調信号が生成される。そして、バラン１３１は、生成した直交変調信号を、２次側の端子の１つから負荷１４１へ出力する。
【００２５】
なお、インダクタ１２１、１２２とバラン１３１は、半導体チップ上に設けられてもよいし、または、半導体チップ外に設けられてもよい。
【００２６】
また、バラン１３１は、図１に示す回路構成に限定されない。
【００２７】
以上の構成により、バラン１３１から負荷１４１へ出力される直交変調信号の出力電圧Ｖｏｕｔは、下記数式（１）に示すように、Ｉ側の増幅部１１１の出力電圧信号ＶＩと、Ｑ側の増幅部１１２の出力電圧信号ＶＱとを別々に入力して合成したものとなる。前者の出力電圧信号は、増幅部１１１の出力振幅を制御するデジタルコードに比例した信号であり、後者の出力電圧信号は、増幅部１１２の出力振幅を制御するデジタルコードに比例した信号である。下記数式（１）において、ｎはＤ級電力増幅器の個数、ＮはＤ級電力増幅器の総数、ＶＩはＩ側の増幅部１１１の出力電圧信号、ＶＱはＱ側の増幅部１１２の出力電圧信号を示す。
【数１】
2015023396.tif 000003
【００２８】
一方、従来技術の構成（インダクタを介さずに、複数の増幅部と１つのバランとを接続する構成）の場合、バランの出力電圧は、下記数式（２）に示すようになる。数式（２）に示されるように、この場合の振幅は上記数式（１）で示す振幅より低下し、さらに位相回転θが発生する。下記数式（２）において、ＺＬは負荷インピーダンスを示す。
【数２】
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【００２９】
次に、上述したスイッチトキャパシタ電力増幅器（増幅部１１１、１１２）について説明する。図２は、スイッチトキャパシタ電力増幅器の構成例を示す図である。図２に示すように、スイッチトキャパシタ電力増幅器は、複数のＤ級電力増幅器を並列に接続したものである。各Ｄ級電力増幅器は、ロジック回路１０を有する。各ロジック回路１０には、高周波信号（ＬＯ）と、低速なデジタルコード信号（Ｃｏｄｅ０、１、Ｎ）とが入力される。
【００３０】
図３は、デジタルコードがＨレベルで単一のＤ級電力増幅器が動作するモードの概略を示している。この場合、Ｄ級電力増幅器を構成するＰｃｈトランジスタとＮｃｈトランジスタのゲートには、高周波の矩形波に近い電圧波形が入力される。そして、Ｄ級電力増幅器は、矩形波の信号を出力するＤ級動作を行う。Ｄ級電力増幅器の動作時は、トランジスタが切り替わる瞬間だけ電流が流れる。そのため、Ｄ級電力増幅器は、一般的な線形増幅器の中で電力効率に優れたＢ級電力増幅器と比較しても、電力効率が高い。
【００３１】
図４は、デジタルコードがＬレベルで単一のＤ級電力増幅器が動作しないモードの概略を示している。この場合、ＮｃｈトランジスタとＰｃｈトランジスタのゲートには、Ｈレベルが入力される。これにより、Ｎｃｈトランジスタのドレイン電圧はＬレベルに接地され、容量値Ｃは等価的には出力端子と接地面ＶＳＳとの間に接続されることになる。
【００３２】
図５は、効率を重視した一般的な電力増幅器であるＢ級電力増幅器（Ｂ級アナログＰＡ）の理論効率と、本実施の形態の直交変調器１００で用いているスイッチトキャパシタ電力増幅器（ＳＣＰＡ）の理論効率とを比較したグラフである。図５に示すように、ＳＣＰＡは、Ｂ級アナログＰＡよりも電力効率に優れている。
【００３３】
また、上述したスイッチトキャパシタ電力増幅器では、デジタルコードを用いることで、動作させるＤ級電力増幅器の数を制御できる。すなわち、図３に示す動作を行うＤ級電力増幅器の個数と、図４に示す動作を行うＤ級電力増幅器の個数の比率を変えることで、振幅を制御することができる。
【００３４】
図６は、動作するＤ級電力増幅器の個数をｎ、Ｄ級電力増幅器の総数をＮ、各Ｄ級電力増幅器に属する容量の容量値をＣとした場合の、容量と出力電圧を説明する図である。図６において、図３に示すＮｃｈトランジスタのドレイン端子の電圧波形が、接地面ＶＳＳから電源電圧ＶＤＤまで振れるとした場合、図２のＳＣＰＡの出力電圧Ｖｏｕｔは、以下のようになる。すなわち、ＳＣＰＡの出力電圧Ｖｏｕｔの波形は、電源電圧ＶＤＤまで振れる方形波を、動作するＤ級電力増幅器に属する容量の総容量値ｎＣ対して、動作していないＤ級電力増幅器に属する容量の総容量値（Ｎ−ｎ）Ｃとで容量分割した波形となる。この波形において、最大電圧は（ｎ／Ｎ）ＶＤＤの方形波になり、動作させるＤ級電力増幅器の個数ｎに比例する。
【００３５】
また、スイッチトキャパシタ電力増幅器の出力端子から内部を見た容量値は、ｎの値に対して変化しない値である。
【００３６】
図７は、本実施の形態の構成（図１に示す構成）の出力信号と、従来技術の構成（インダクタを介さずに、複数の電力増幅器と１つのバランとを接続する構成）の出力信号とを比較したグラフであり、ｎＩ＝Ｎ／２、ｎＱ＝Ｎでシミュレーションした結果を示す。図７の一点鎖線で示した「個別増幅器結果の和」は、電力増幅器をＩ側とＱ側それぞれ単独でシミュレーションした結果の和を示している。破線は、従来技術の構成で合成した場合の出力波形を示している。図７において、破線は、一点鎖線よりも電圧振幅が小さく位相がずれていることを示しており、損失と位相回転が発生していることを示している。一方、実線で示す本実施の形態の構成で合成した結果は、一点鎖線と重なっており、損失が起きていないことを示している。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態の直交変調器１００は、直交関係にある高周波信号を２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器でそれぞれ増幅し、バランでの合成により直交復調信号として出力する直交変調器であって、スイッチトキャパシタ電力増幅器とバランの１次側とがインダクタを介して接続されることを特徴とする。この特徴により、直交変調器１００は、簡単な構成により２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器の出力を合成損無く合成でき、バック非動作量が大きくても、高効率動作、高出力電力を実現できる。また、直交変調器１００は、合成損のマージンを持つ必要がなくなるため、スイッチトキャパシタ電力増幅器を小型化できる。
【００３８】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る直交変調器２００について説明する。
【００３９】
図８は、本実施の形態の直交変調器２００の構成例を示す図である。図８において、直交変調器２００は、増幅部２１１、２１２、２１３、２１４、インダクタ２２１、２２２、２２３、２２４、およびバラン２３１、２３２を備える。
【００４０】
増幅部２１１、２１２、インダクタ２２１、２２２、およびバラン２３１は、それぞれ、実施の形態１で説明した増幅部１１１、１１２、インダクタ１２１、１２２、およびバラン１３１と同じであるのでここでの説明は省略する。ただし、バラン２３１の２次側の端子のうち、負荷２４１に接続しない方の端子は、実施の形態１のように接地するのではなく、バラン２３２の２次側の端子の１つと接続する。
【００４１】
以下、増幅部２１３、２１４、インダクタ２２３、２２４、およびバラン２３２について説明する。
【００４２】
増幅部２１３および増幅部２１４は、スイッチトキャパシタ電力増幅器である。
【００４３】
増幅部２１３に入力される高周波信号と増幅部２１４に入力される高周波信号は、相対的に９０度の位相差を持っている。すなわち、高周波信号の位相が９０度ずれており直交している。図８では、例として、増幅部２１３には位相が１８０度の高周波信号が入力され、増幅部２１４には位相が２７０度の高周波信号が入力されている。したがって、増幅器２１１に入力される高周波信号（位相０度）と、増幅器２１２に入力される高周波信号（位相９０度）と、増幅器２１３に入力される高周波信号（位相１８０度）と、増幅器２１４に入力される高周波信号（位相２７０度）は、それぞれ、相対的に９０度の位相差を持っている。
【００４４】
増幅部２１３の出力端子は、インダクタ２２３の入力端子に接続されている。また、増幅部２１４の出力端子は、インダクタ２２４の入力端子に接続されている。
【００４５】
また、インダクタ２２３の出力端子およびインダクタ２２４の出力端子は、それぞれ、バラン２３２の１次側の別々の端子（例えば、第３端子、第４端子）に接続されている。
【００４６】
また、バラン２３２の２次側の各端子のうち、１つはバラン２３１の２次側の端子の１つ（バラン２３１の２次側の端子のうち、負荷２４１に接続されていない方の端子）に接続されており、もう１つは接地されている。
【００４７】
バラン２３２は、合成素子（第２の合成素子）の一例である。ここでいう合成素子とは、上述した通り、「１次側と２次側のそれぞれに少なくとも１つの巻線を備え、１次側の巻線と２次側の巻線とが磁気結合する素子であって、１次側から別々に入力した信号を合成し、２次側から出力する素子」である。なお、合成素子は、例えば、トランス（変圧器）であってもよい。
【００４８】
すなわち、バラン２３２は、増幅部２１３、２１４から出力された互いに直交関係にある高周波信号を、インダクタ２２３、２２４を介して１次側の各端子から入力し、合成する。これにより、直交変調信号が生成される。そして、バラン２３２は、生成した直交変調信号を、２次側の端子の１つからバラン２３１の２次側へ出力する。
【００４９】
このような直交変調器２００において、増幅器２１１、２１２、インダクタ２２１、２２２、およびバラン２３１の１次側を含む系を正相側と呼び、増幅器２１３、２１４、インダクタ２２３、２２４、およびバラン２３２の１次側を含む系を逆相側と呼ぶこととする。正相側と逆相側の高周波信号は、１８０度ずれており、差動の関係になっている。
【００５０】
よって、バラン２３１から負荷２４１へ出力される直交変調信号の出力電圧Ｖｏｕｔは、正相側スイッチトキャパシタ電力増幅器の出力電圧信号と、逆相側スイッチトキャパシタ電力増幅器の出力電圧信号とを別々に入力した信号になる。前者の出力電圧信号は、正相側のスイッチトキャパシタ電力増幅器の出力振幅を制御するデジタルコードに比例した信号である。一方、後者の出力電圧信号は、逆相側のスイッチトキャパシタ電力増幅器の出力振幅を制御するデジタルコードに比例した信号である。
【００５１】
なお、インダクタ２２１、２２２、２２３、２２４とバラン２３１、２３２は、半導体チップ上に設けられてもよいし、または、半導体チップ外に設けられてもよい。
【００５２】
また、バラン２３１、２３２は、図８に示す回路構成に限定されない。
【００５３】
以上説明した本実施の形態の直交変調器２００でも、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本実施の形態の直交変調器２００は、正相側と逆相側のそれぞれのバランにおいて、各スイッチトキャパシタ電力増幅器から出力される高周波信号に対して直交変調を行うため、バランの２次側において、正相側と逆相側のそれぞれで発生したスプリアスなどを逆位相で打消しあうことが可能になる。
【００５４】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る直交変調器３００について説明する。
【００５５】
図９は、本実施の形態の直交変調器３００の構成例を示す図である。図９において、直交変調器３００は、増幅部３１１、３１２、３１３、３１４、インダクタ３２１、３２２、３２３、３２４、およびバラン３３１、３３２を備える。
【００５６】
増幅部３１１〜３１４、インダクタ３２１〜３２４、およびバラン３３１、３３２は、それぞれ、実施の形態２で説明した増幅部２１１〜２１４、インダクタ２２１〜２２４、およびバラン２３１、２３２と同じであるので、ここでの説明は省略する。ただし、増幅部３１２に入力される高周波信号は位相が１８０度であり、増幅部３１３に入力される高周波信号は位相が９０度である。この点が、図８の構成と異なる。
【００５７】
すなわち、直交変調器３００において、増幅器３１１に入力される高周波信号と増幅器３１２に入力される高周波信号は、相対的に１８０度の位相差を持っている。また、増幅器３１３に入力される高周波信号と増幅器３１４に入力される高周波信号は、相対的に１８０度の位相差を持っている。さらに、増幅器３１１に入力される高周波信号と増幅器３１３に入力される高周波信号は、相対的に９０度の位相差を持っている。
【００５８】
このような直交変調器３００において、増幅器３１１、３１２、インダクタ３２１、３２２、バラン３３１の１次側を含む系をＩ側と呼び、増幅器３１３、３１４、インダクタ３２３、３２４、バラン３３２の１次側を含む系をＱ側と呼ぶこととする。Ｉ側とＱ側の高周波信号は、９０度ずれており、直交している。
【００５９】
よって、バラン３３１から負荷３４１へ出力される直交変調信号の出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｉ側スイッチトキャパシタ電力増幅器の出力電圧信号と、Ｑ側スイッチトキャパシタ電力増幅器の出力電圧信号とを別々に入力して合成した信号になる。前者の出力電圧信号は、Ｉ側のスイッチトキャパシタ電力増幅器の出力振幅を制御するデジタルコードに比例した信号である。一方、後者の出力電圧信号は、Ｑ側のスイッチトキャパシタ電力増幅器の出力振幅を制御するデジタルコードに比例した信号である。
【００６０】
以上説明した本実施の形態の直交変調器３００でも、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本実施の形態の直交変調器３００は、Ｉ側とＱ側はそれぞれ位相が１８０度異なる２つのスイッチトキャパシタ増幅器で構成されているため、Ｉ側とＱ側のそれぞれがバランの１次側において、振幅を調整するデジタルコードのクロック周波数によるスプリアスなどを逆位相で打消しあうことが可能になる。
【００６１】
なお、インダクタ３２１、３２２、３２３、３２４、およびバラン３３１、３３２は、半導体チップ上に設けられてもよいし、または、半導体チップ外に設けられてもよい。
【００６２】
バラン３３１、３３２は、図９に示す回路構成に限定されない。
【００６３】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、上述した実施の形態１〜３の各インダクタに適用可能な例である。
【００６４】
本実施の形態では、図１のインダクタ１２１、１２２、図８の２２１、２２２、２２３、２２４、または、図９の３２１、３２２、３２３、３２４のインダクタのインダクタンス値を、接続されている増幅部の内部容量の総量と、その増幅部から入力される高周波信号の周波数とで共振する値にする。
【００６５】
以下、実施の形態１の直交変調器１００を例に説明する。図１０において、増幅部１１１の等価総容量４０１の値をＣＩ、増幅部１１２の等価総容量の値をＣＱとする。この場合、インダクタ１２１のインダクタ値ＬＩは下記数式（３）で算出される値であり、インダクタ１２２のインダクタンス値ＬＱは下記数式（４）で算出される値である。すなわち、インダクタンス値ＬＩ、ＬＱは、それぞれ、ＣＩまたはＣＱと、信号周波数ｆとで共振する値である。
【数３】
2015023396.tif 000005
【数４】
2015023396.tif 000006
【００６６】
なお、ＣＩ、ＣＱの容量は、図２に示すスイッチトキャパシタ電力増幅器を構成する容量の総量である場合、または、スイッチトキャパシタ電力増幅器を構成する容量の総量に加えて寄生容量まで含めた場合のいずれかとなる。
【００６７】
以上説明したように、本実施の形態では、直交変調器において、インダクタのインダクタンス値を、スイッチトキャパシタ電力増幅器の内部等価容量と共振する値にすることを特徴とする。これにより、直交変調器は、直列共振の構成になり、必要な周波数の信号を取り出すことが可能となり、不要な高調波を抑圧することが可能になる。また、必要な周波数信号の損失も最少になる。
【００６８】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５は、上述した実施の形態１〜４の直交変調器を備えた送信装置である。
【００６９】
図１１は、本実施の形態の送信装置５００の構成例を示す図である。図１１において、送信装置５００は、直交変調器５０１、整合回路５１１、およびアンテナ５２１を有する。直交変調器５０１は、実施の形態１〜４で説明した直交変調器のいずれかである。整合回路５１１は、直交変調器５０１からアンテナ５２１をみたときのインピーダンスを最適にする。最適なインピーダンスは、重要視する特性によって異なる。
【００７０】
以上説明したように、本実施の形態の送信装置５００は、直交変調器５０１として実施の形態１〜４のいずれかの直交変調器を備えることを特徴とする。上述した通り、実施の形態１〜４の直交変調器は、合成損のマージンを持つ必要がないため、スイッチトキャパシタ電力増幅器を小型化できる。したがって、その直交変調器を備える送信装置５００も、小型化できる。また、実施の形態１〜４の直交変調器は、低損失であり、必要な出力電力を得るために必要な電力が小さい。したがって、その直交変調器を備える送信装置５００も消費電力を削減できる。
【００７１】
さらに、直交変調器５０１が実施の形態２の直交変調器２００または実施の形態３の直交変調器３００である場合、送信装置５００は不要な信号を抑制することができる。
【００７２】
以上説明したように、本開示の直交変調器は、相対的に位相差を有する２つの高周波信号をそれぞれ増幅する２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器と、１次側と２次側のそれぞれに少なくとも１つの巻線を備え、１次側の巻線と２次側の巻線とが磁気結合した素子であって、増幅された前記２つの高周波信号を１次側から別々に入力して合成し、２次側から直交変調信号として出力する第１合成素子と、前記２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器と前記第１合成素子の１次側との間にそれぞれ備えられるインダクタと、を有する。
【００７３】
また、本開示の直交変調器において、第１の位相を有する高周波信号を増幅する第１増幅器と、第２の位相を有する高周波信号を増幅する第２増幅器とを備えた前記２つのスイッチトキャパシタ電力増幅器と、前記第１増幅器の出力端子と前記第１合成素子の１次側の第１端子との間に備えられる第１インダクタと、前記第２増幅器の出力端子と前記第１合成素子の１次側の第２端子との間に備えられる第２インダクタと、前記第１増幅器、前記第１インダクタ、および前記第１端子を介して入力された前記第１の位相を有する高周波信号と、前記第２増幅器、前記第２インダクタ、および前記第２端子を介して入力された前記第２の位相を有する高周波信号とを合成して直交変調信号を前記２次側から出力する前記第１合成素子と、を有する。
【００７４】
また、本開示の直交変調器において、前記第１の位相が０度、かつ、前記第２の位相が９０度である。
【００７５】
また、本開示の直交変調器において、第３の位相を有する高周波信号を増幅するスイッチトキャパシタ電力増幅器である第３増幅器と、第４の位相を有する高周波信号を増幅するスイッチトキャパシタ電力増幅器である第４増幅器と、１次側と２次側のそれぞれに少なくとも１つの巻線を備え、１次側の巻線と２次側の巻線とが磁気結合する素子であって、前記第３増幅器および前記第４増幅器でそれぞれ増幅された２つの高周波信号を別々に１次側から入力して合成し、２次側から直交変調信号として出力する第２合成素子と、をさらに有し、前記第３増幅器の出力端子と前記第２合成素子の１次側の第３端子とが、第３インダクタを介して接続され、前記第４増幅器の出力端子と前記第２合成素子の１次側の第４端子とが、第４インダクタを介して接続され、前記第２合成素子は、前記第３増幅器、前記第３インダクタ、および前記第３端子を介して入力された前記第３の位相を有する高周波信号と、前記第４増幅器、前記第４インダクタ、および前記第４端子を介して入力された前記第４の位相を有する高周波信号とを合成して直交変調信号を生成し、前記第２合成素子の２次側から前記第１合成素子の２次側へ出力する。
【００７６】
また、本開示の直交変調器において、前記第１の位相が０度、前記第２の位相が９０度、前記第３の位相が１８０度、前記第４の位相が２７０度である。
【００７７】
また、本開示の直交変調器において、前記第１の位相が０度、前記第２の位相が１８０度、前記第３の位相が９０度、前記第４の位相が２７０度である。
【００７８】
また、本開示の直交変調器において、前記インダクタのインダクタンス値は、前記スイッチトキャパシタ電力増幅器の内部容量と前記高周波信号の周波数とで共振する値である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、スイッチトキャパシタ電力増幅器を用いて直交変調を行う技術（例えば、装置、システム、方法、プログラムなど）に有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１１１、１１２、２１１、２１２、２１３、２１４、３１１、３１２、３１３、３１４  増幅部
１２１、１２２、２２１、２２２、２２３、２２４、３２１、３２２、３２３、３２４  インダクタ
１３１、２３１、２３２、３３１、３３２  バラン
１４１、２４１、３４１  負荷
４０１、４０２  等価内部容量
５００  送信装置
５０１  直交変調器
５１１  整合回路
５２１  アンテナ
【図１】
2015023396.tif 000007
【図２】
2015023396.tif 000008
【図３】
2015023396.tif 000009
【図４】
2015023396.tif 000010
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015023396.tif 000016
【図１１】
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