(57)【要約】  高電力ドハティＲＦ増幅器は、それを構成する主増幅器とピーク増幅器の双方に、多段増幅器モジュールを用いている。２方路２段の実施形態では、おのおのの増幅器モジュールの初段に、信号プリディストーション機能を含み、それにより初段と次段の歪を補償することができる。設計は簡単で、高利得で高効率な増幅器が可能である。１つの実施形態では、主増幅器とピーク増幅器の双方に、市販のＣＲＥＥ  ＰＦＭ１９０３０ＳＭ電力モジュールが用いられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電力無線周波数（ＲＦ）増幅器であって、
（ａ）少なくとも２段の増幅工程を含む１つの主増幅器、
（ｂ）前記主増幅器に並列に接続された、少なくとも２段の増幅工程を含む、少なくとも１つのピーク増幅器、
（ｃ）入力信号を受信して、前記主増幅器と前記の少なくとも１つのピーク増幅器に分配するための信号分配器、
（ｄ）前記信号分配器からの信号を、前記主増幅器と前記の少なくとも１つのピーク増幅器の入力とに結合させるための、第１のインピーダンス整合回路、および、
（ｅ）前記主増幅器と前記の少なくとも１つのピーク増幅器からの増幅された信号を、共通の出力に結合させるための、第２のインピーダンス整合回路、
を備えたことを特徴とする高電力ＲＦ増幅器。
【請求項２】
前記主増幅器がＡＢ級動作にバイアスされ、おのおののピーク増幅器がＣ級動作にバイアスされることを特徴とする請求項１に記載の高電力ＲＦ増幅器。
【請求項３】
おのおのの増幅器のなかの初段が、初段とおのおのの後続段に対して信号プリディストーションを与えることを特徴とする請求項２に記載の高電力ＲＦ増幅器。
【請求項４】
おのおのの増幅器のなかの初段が、初段とおのおのの後続段に対して信号プリディストーションを与えることを特徴とする請求項１に記載の高電力ＲＦ増幅器。
【請求項５】
前記主増幅器と前記の少なくとも１つのピーク増幅器における、前記の少なくとも２段の増幅工程が、それぞれ、基盤上に表面実装され、パッケージされた厚膜ハイブリッドマイクロエレクトロニック回路の中に仕切り実装され、直列に接続された、トランジスタを有することを特徴とする請求項１に記載の高電力ＲＦ増幅器。
【請求項６】
前記第１の増幅工程が５Ｗで、第２の増幅工程が３０Ｗであることを特徴とする請求項５に記載の高電力ＲＦ増幅器。
【請求項７】
前記ＲＦ増幅器が合計６０Ｗの２方路２段の増幅工程を有することを特徴とする請求項６に記載の高電力ＲＦ増幅器。
【請求項８】
前記の少なくとも２段の増幅工程がＣＲＥＥ  ＰＦＭ１９０３０ＳＭ電力モジュールを有することを特徴とする請求項７に記載の高電力ＲＦ増幅器。
【請求項９】
前記主増幅器と前記ピーク増幅器のおのおのが、横方向拡散ＭＯＳトランジスタ、ＭＥＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ、および、バイポーラトランジスタにより構成されるグループから選択される、トランジスタを有することを特徴とする請求項５に記載の高電力ＲＦ増幅器。
【請求項１０】
前記の少なくとも２段の増幅工程が、ＣＲＥＥ  ＰＦＭ１９０３０ＳＭ電力モジュールを有することを特徴とする請求項１に記載の高電力ＲＦ増幅器。
【請求項１１】
（ａ）２段の増幅工程を含みＡＢ級動作にバイアスされる主増幅器、
（ｂ）２段の増幅工程を含みＣ級動作にバイアスされるピーク増幅器、
（ｃ）入力信号を受信して、前記主増幅器と前記ピーク増幅器に分配するための信号分配器、
（ｄ）前記信号分配器からの信号を、前記主増幅器と前記ピーク増幅器の入力とに結合させるための、第１のインピーダンス整合の手段、および、
（ｅ）前記主増幅器と前記ピーク増幅器からの出力信号を、共通の出力に結合させるための、第２のインピーダンス整合の回路、
を備えたことを特徴とするＲＦ電力増幅器。
【請求項１２】
おのおのの増幅器の第１段の増幅工程が、前記第１段の増幅工程と前記後段の増幅工程に対する信号プリディストーションを与えることを特徴とする請求項１１に記載のＲＦ電力増幅器。
【請求項１３】
前記主増幅器と前記ピーク増幅器の中の、前記２段の増幅工程が、それぞれ、基板上に表面実装され、パッケージされた厚膜ハイブリッドマイクロエレクトロニクス回路の中に仕切り実装され、直列に接続された、トランジスタを有することを特徴とする請求項１２に記載のＲＦ電力増幅器。
【請求項１４】
前記第１段の増幅工程が５Ｗで、前記第２段の増幅工程が３０Ｗであることを特徴とする請求項１３に記載のＲＦ電力増幅器。
【請求項１５】
前記２段の増幅工程が、ＣＲＥＥ  ＰＦＭ１９０３０ＳＭ電力モジュールを有することを特徴とする請求項１４に記載のＲＦ電力増幅器。
【請求項１６】
前記主増幅器と前記ピーク増幅器のおのおののが、横方向拡散ＭＯＳトランジスタ、ＭＥＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ、および、バイポーラトランジスタにより構成されるグループから選択される、トランジスタを有することを特徴とする請求項１３に記載のＲＦ電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、無線周波数（ＲＦ）電力増幅器に関し、より詳細には、多段モジュールを用いることにより、改善された効率と線形性を持つ、高電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
基地局の電力増幅器は、しばしばピーク電力よりずっと低い出力電力レベルで動作をする。あいにく、バックオフ電力レベルは、送信機における電力増幅器の効率を低めてしまう。従来の増幅器では、効率と入力駆動レベルには、直接的な関係がある。従って、ＲＦ入力駆動レベルが、増幅器の抑圧、または飽和が起こるほどに十分に大きくなるまで、高い効率（直流（ＤＣ）からＲＦへの変換効率）は得られない。マルチキャリア通信システムにおいては、増幅器は極力線形であることが要求されるので、この飽和させる高効率領域は用いることができない。
【０００３】
バックオフ電力レベルで動作させてより高い効率を得る電力増幅器回路の設計は、ドハティ増幅器の回路であり、ドハティ増幅器は、主増幅器とピーク増幅器の出力を合成して出力電力を得る方法である。参考文献Ｗ．  Ｈ．  Ｄｏｈｅｒｔｙ著、「Ａ  Ｎｅｗ  Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｆｏｒ  Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｗａｖｅｓ」、Ｐｒｏｃ．  ＩＲＥ、２４巻、９号、１１６３−１１８２ページ、１９３６年発行、に説明されている。従来のドハティの構成では、図１Ａに示すように、主増幅器または、搬送波増幅器１０とピーク増幅器１２は、最適効率で最大電力を負荷Ｒに供給するように設計されている。主増幅器または、搬送波増幅器は通常のＢ級増幅器であり、一方、ピーク増幅器は、ある小さい値の閾値を超える信号だけを増幅するように設計される。横方向拡散ＭＯＳ（ＬＤＭＯＳ）電力トランジスタを用いれば、Ｃ級動作と同様な動作を行うように直流バイアス電圧をトランジスタのピンチオフ電圧以下に設定することにより、この条件は達成することができる。２つの増幅器の出力が、特性インピーダンスがＲである１／４波長伝送路によって結合され、最適負荷抵抗Ｒの半分の値の負荷がピーク増幅器の出力に接続される。ＲＦ入力電力は、等しい電力に２分割され、ピーク増幅器の入力では１／４波長の位相差が与えられる。従って、２つの増幅器の同相の電力が負荷Ｒ／２へ供給される。このように、２つの増幅器の出力は負荷抵抗Ｒ／２のところで同相になる条件が確保されるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これまで、ドハティ増幅器は、搬送波増幅器モジュールとピーク増幅器モジュールには、どちらも個別の１段の増幅器を用いてきた。本発明は、個別の１段の増幅器の使用では得られない利点を実現させるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に従うと、ドハティ増幅器においては、主増幅器とピーク増幅器のどちらにも、多段の増幅器モジュールが用いられる。
【０００６】
２方路２段増幅器の１つの実施形態では、おのおのの増幅器モジュールの初段は、信号プリディストーションを含むことができる。この信号プリディストーションでは、初段に含まれる信号プリディストーションが、初段と次段の両方の歪を補償している。回路設計は簡単で、高利得で高効率の増幅器を得ることができる。
【０００７】
本発明と、本発明の目的、および主要特長は、図面とともに、下記の詳細なる説明と付随した特許請求の範囲から容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、従来の個別部品のトランジスタを用いた１段のドハティ増幅器と比べて、改善された利得と線形性を持つ高電力ドハティ増幅器を提供する。本発明においては、ドハティ増幅器は、１つの主増幅器または搬送波増幅器と、１つ以上のピーク増幅器を持ち、ハイブリッド組み立てによる製造が可能な多段の増幅器ユニットを用いている。
【０００９】
図１は、本発明の実施形態に従うドハティ増幅器のなかに用いることのできる、市販の２段の厚膜マイクロエレクトロニック増幅器（ＣＲＥＥ  ＰＦＭ１９０３０ＳＭ）の機能的ブロック図である。モジュールの初段は、ＲＦ入力に入力整合回路とプリディストーション回路を通して結合される電界効果トランジスタＱ１を含む。トランジスタＱ１の出力は、分布表面実装技術を用いて作られる出力整合回路を通して第２の電界効果トランジスタＱ２を含む第２段へと入力される。トランジスタＱ２は、入力整合回路を通してＱ１の出力を受けるべく接続され、増幅した出力を、出力整合回路を通してＲＦ出力へと供給する。
【００１０】
この回路の内部構成では、消費電力の大きいデバイスは、ＲＦ接地を構成するとともに熱放散としても機能する金属の仕切り板の上に設置する。ここに、整合回路、バイアス供給回路、バイパス回路は、表面実装（ＳＭＴ）受動素子を含む厚膜マイクロストリップ回路を用いて実現される。図１のブロック図は増幅器の内部構成を示す。
【００１１】
Ｑ１とＱ２はＬＤＭＯＳであり、おのおののＬＤＭＯＳトランジスタダイの入出力インピーダンスは１〜５Ωの値を示す（チップとワイヤ間のインピーダンス整合回路を加える前）。チップワイヤ間のインピーダンス整合回路と、３０Ｗトランジスタ（Ｑ２）の出力にある分布定数回路によるインピーダンス整合回路との組み合わせで、電力整合の最適インピーダンス（ＡＢ級動作）を公称値の２０Ωレベルに変換する。これにより、ドハティ増幅器サブシステムに要求されるモジュール外整合回路を簡単化できる。
【００１２】
それぞれの１つの増幅器モジュール集合は、銅の底板（１．０ｍｍ厚）に半田付けされた２つ（５Ｗと３０Ｗ）のダイキャリアを含む。シリコンのＬＤＭＯＳトランジスタダイ（Ｃｒｅｅ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ製）は金属の仕切り板に溶融接着される。底板はまた、ダイキャリアを置くための切り抜き部を持つ０．５ｍｍ厚の単層アルミナ厚膜基板を支持している。アルミナ基板は導電性エポキシにより銅の底板に貼り付けられる。ダイからの熱はダイキャリア（仕切り金属板）と厚い銅底板を通して放散され、外部に出て行く。
【００１３】
２段の表面実装モジュールは、プリント基板上に配置すれば、個別パッケージ３０Ｗトランジスタ（従来のボルト締めの金属フランジを持つ）が占めるであろう面積より、少し広いだけである。ＲＦ入力とＲＦ出力のリード線に加えて、初段のドレインと内部の温度補償回路に接続するリード線がある。バイパス回路は、広いビデオ帯域幅を支持し、それによるメモリー効果を最小にするために、モジュール内に含められている。
【００１４】
図２は、本発明の実施形態に従う、図１の２つのＰＦＭ１９０３０ＳＭモジュールを用いた、２方路２段のドハティ増幅器の機能的ブロック図である。図２に示すように、増幅器は、分配器２４からＲＦ入力信号を受ける主増幅器モジュール２０とピーク増幅器モジュール２２を含む。主増幅器モジュール２０はＡＢ級動作にバイアスされ、ピーク増幅器モジュール２２は、公称的には、Ｃ級動作にバイアスされる。
【００１５】
モジュール入力は直接に４分岐３ｄＢ結合器に接続される。出力は、短い低インピーダンス伝送線素子とシャント用のコンデンサＣｐとＣｍを用いて整合がとられる。モジュールの出力インピーダンスは、整合をとっていない個別ＬＤＭＯＳトランジスタのインピーダンスと比べて、ずっと大きいな値なので、加える整合回路は極力小さく抑えられる。ＣｐとＣｍの値は、異なった動作モード（Ｃ級とＡＢ級）に対して適するように、異なった値になる（Ｃｐ＜＜Ｃｍ）。
【００１６】
さらなるインピーダンス変成が伝送線ＴＬ１（主増幅器とピーク増幅器のおのおので）により達成される。主増幅器モジュールの側のＴＬ２部分は、古典的な２方路ドハティ設計に典型的であるように、公称値９０度の移相を与える。出力部分ＴＬ３と関連するコンデンサはインピーダンス変成器を構成する。すべての素子（伝送線路とシャントコンデンサ）の値は、回路解析と最適化過程で調整される。ＣＭＣデバイスモデルの適正さと適用電力は、これまでに報告されている結果を得るために初期の試験的回路で調べた結果、コンデンサの値だけを調整すればよかった（伝送線路の長さと幅に関しては、最初に設定した値から変更する必要はなかった）、という経験により検証された。
【００１７】
コンデンサの値は、主として、最適なピーク電力レベルを達成するために調整される。バイアス条件は、増幅器の線形性と効率に関わる最も敏感な決定要因である。回路の線形性は、動作をＡＢ級またはＣ級に設定して、効率に関する案配を行うことにより最適化される。線形性は目的としている応用において重要な要因であり、プリディストーションによるさらなる改善の必要性も予想される。主な達成目的は、プリディストーションだけで（フィードフォワードの損失なしに）、システムレベルの線形性の基準を達成することである。この方法論はシステム効率を最大にし、回路の複雑さを減少させることを可能にする力を持っている。
【００１８】
図２の２方路２段増幅器の利得とリターンロスが図３に示されている。利得は１９３０ＭＨｚ−１９６０ＭＨｚにおいて２６±０．２ｄＢである。図４は、ＣＷ出力電力に対する利得と効率の測定値に関し、ドハティ増幅器と正規のＡＢ級バイアスにて動作させた個別のモジュールを比較したものである。ＡＢ級の個別モジュールは公称的には３０Ｗ（＋４４．８ｄＢｍ）のピーク出力電力の能力を持つのに対し、ドハティ出力は公称値６０Ｗ（＋４７．８ｄＢｍ）である。どちらの回路も、最適なピーク電力や効率に対してではなくて、最適な線形性に対してバイアスレベルが敏感でないことに注意を要する。効率対出力電力特性の形の比較が特に興味深い。ドハティ増幅器は、個別モジュールと比較して、２倍の出力電力の能力を持つが、低い電力レベルでは、効率は同程度である。
【００１９】
図５は、ドハティ増幅器の、出力電力に対する利得と相対移相（ＡＭ／ＰＭ）を示す。この非常に低いＡＭ／ＰＭは、この増幅器の２調波ＣＷとＷＣＤＭＡの入出力特性に関して優れた線形性が得られることに貢献している。
【００２０】
この２方路ドハティ増幅器の１つの特徴は、片方の増幅器が帯域の中心から偏倚すると線形性の劣化することである。これは一般的に、２方路ドハティ増幅器の典型的な特性であると考えられる。図７は、帯域中央と帯域側端でのＣＷ２調波３次相互変調歪（ＩＭＤ）を示している。ＣＷ２調波のＩＭＤは、２周波数ＷＣＤＭＡの試験で得られる結果よりも大きな周波数依存性を示している。
【００２１】
標準的なＷＣＤＭＡ試験として、１９６０ＭＨｚが中心で１０ＭＨｚ離れた２周波の信号（３ＧＰＰ基準信号で、ピーク値／平均値は８．５ｄＢ）で試験が行われた。測定結果（図８）は、１０ＭＨｚ離れのＩＭ３積が主なる歪となり、３次相互変調（ＩＭ３）の非対称性は電力が低くなると大きくなる（この現象は、標準的なＡＢ級の動作条件での個別モジュールでも起こる）ことを示している。図９には隣接チャネル漏洩電力比（ＡＣＬＲ）とＩＭ３抑圧が３つのＲＦ周波数に対してプロットされている。測定システムの動作可能範囲は約−５５ｄａｂ（電力の低いところ）〜−６０ｄａｂ（電力の高いところ）に限られている。
【００２２】
適用を広げるための鍵となる目標は、プリディストーションを用いて、さらに線形性を改善することである。図１０は、ドハティ増幅器の線形性を高めるために、ＰＭＣ−Ｓｉｅｒｒａ  Ｐａｌａｄｉｎ  １５  のディジタルプリディストーションを用いた２信号ＷＣＤＭＡのデータである。
【００２３】
この場合の信号は、クレストファクタが７．５ｄＢの２周波のＷＣＤＭＡ信号である。平均出力電力１２．５Ｗ、効率は２６．８％であり、このときのＡＣＬＲは−５１ｄＢｃ、ＩＭ３は−５４ｄＢｃである。ＲＦ帯域幅（１９３０ＭＨｚ−１９９０ＭＨｚ）における効率は２８％−２６％であり、ＡＣＬＲは−４９ｄＢｃ以下、ＩＭ３は−５０ｄＢｃ以下である。プリディストーションを施した後のＩＭ３の非対称は非常に小さい。これは、プリディストーションとともにこのドハティ設計用いて設計することにより、優れた線形性と効率が得られることを示している。
【００２４】
図２の２方路２段ドハティ増幅器では、２方路６０Ｗドハティ増幅器の中に用いられる能動素子として、小さな表面実装ハイブリッドモジュールを用いている。この設計により、１０Ｗ平均出力の時、２つの３ＧＰＰ  ＷＣＤＭＡ信号に対して、高い効率（２６％）が得られることが示される。この場合、ＡＣＬＲは−４０ｄＢｃであり、ＩＭ３は−３８ｄＢｃ（相関なし）である。プリディストーションによりさらに改善を行えば、１９３０ＭＨｚ−１９９０ＭＨｚの帯域全体にわたり、効率が２６％、ＡＣＬＲ／ＩＭ３が−４９ｄＢｃ／−５０ｄＢｃで、１２．５ＷのＷＣＤＭＡ出力が得られる。このときの電力利得が２６ｄＢで、リターンロスも小さいという事実は、本発明がシステム設計を容易にするという実用性を示すものである。
【００２５】
本発明は具体的な実施形態を参照して説明されたが、説明は例証的に行われたものであり、本発明をより限定的にするものではないと解釈されるべきである。例えば、トランジスタは、横方向拡散ＭＯＳシリコン電界効果トランジスタ、ＭＥＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ、または、バイポーラトランジスタであってもよい。さらに、本発明は、２つ以上のピーク増幅器を持ち、２段以上の増幅工程を持つモジュールを用いた増幅器への適用性も持っている。例えば、３つのＣＲＥＥ  ＰＦＭ１９０３０モジュールを用いた、全体利得２４ｄＢ、単一調波出力電力９０Ｗ以上の３方路２段増幅器に関してのシミュレーションも成功した。このように、種々なる変形と応用は、本明細書に付随した特許請求の範囲において明確にされる、本発明の真なる精神と意図から逸脱せずに、当業者には可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に用いることのできる、従来技術である２段ハイブリッド増幅器モジュールの機能的ブロック図である。
【図２】図１のハイブリッド増幅器モジュールを用いた、２方路２段ＲＦ電力増幅器の機能的ブロック図である。
【図３】本発明の１つの実施形態における増幅器の、利得と入出力のリターンロスを周波数に対してプロットした図面である。
【図４】ドハティ増幅器と個別のＡＢ級モジュールの利得と効率をＣＷ出力電力に対して示したグラフである。
【図５】ドハティ増幅器の利得とＡＭ／ＰＭ特性をＣＷ出力電力に対して示したグラフである。
【図６】ドハティ増幅器の２調波ＣＷ相互変調積を平均出力電力に対して示したグラフである。
【図７】ドハティ増幅器の相互変調積を３周波数での平均出力電力に対して示したグラフである。
【図８】ドハティ増幅器における２周波ＷＣＤＭＡ信号に対するＡＣＬＲと相互変調抑圧を平均出力電力に対して示したグラフである。
【図９】ドハティ増幅器における信号のＡＣＬＲとＩＭ３を３周波数での平均出力電力に対して示したグラフである。
【図１０】本発明の実施形態に従う、１２．５Ｗの２周波ＷＣＤＭＡの信号スペクトラムを得るための、プリディストーション付きドハティ増幅器、の特性明細を示したグラフである。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2008535321.tif 000013
2008535321.tif 000014
2008535321.tif 000015