(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力分配器、前記電力分配器で分配された信号が入力されるメインアンプとピークアンプ、前記メインアンプと前記ピークアンプの出力を合成する合成器を備えたドハティ増幅回路であって、
前記ピークアンプの出力を第１のサーキュレータに接続し、前記第１のサーキュレータからの出力を前記合成器の入力ポートへ接続し、前記第１のサーキュレータの残る端子と、前記合成器のアイソレーションポート間を接続し、その接続点に第１のインピーダンス可変部を接続し、前記メインアンプの出力と前記合成器の間に第２のインピーダンス可変部を接続し、前記第２のインピーダンス可変部を調整して前記メインアンプの出力から見た負荷インピーダンスを任意の値に設定する、負荷インピーダンス調整回路を備えたことを特徴とするドハティ増幅回路。
【請求項２】
前記ピークアンプがオフの場合、前記合成器の合成点から見て前記ピークアンプの出力端までの回路がオープンであるように、前記第１のインピーダンス可変部を調整する、請求項１に記載の、負荷インピーダンス調整回路を備えたドハティ増幅回路。
【請求項３】
前記電力分配器及び前記合成器としてハイブリッドカプラを用いる請求項１または２に記載の、負荷インピーダンス調整回路を備えたドハティ増幅回路。
【請求項４】
前記ハイブリッドカプラは３ｄＢ９０°ハイブリッドカプラである請求項３に記載の、負荷インピーダンス調整回路を備えたドハティ増幅回路。
【請求項５】
前記電力分配器と前記メインアンプの間に第２のサーキュレータを設け、前記第２のサーキュレータにショートスタブを設けた請求項１から４のいずれか１項に記載の、負荷インピーダンス調整回路を備えたドハティ増幅回路。
【請求項６】
前記メインアンプと前記合成器の間に第３のサーキュレータを設け、前記第３のサーキュレータにショートスタブを設けた請求項１から４のいずれか１項に記載の、負荷インピーダンス調整回路を備えたドハティ増幅回路。
【請求項７】
前記第１または第２のインピーダンス可変部として、第４のサーキュレータにオープンスタブ、可変コンデンサ、可変インダクタ、または、可変コンデンサと可変インダクタの並列接続回路が接続された回路を用いる請求項１から６のいずれか１項に記載の、負荷インピーダンス調整回路を備えたドハティ増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドハティ（Doherty）増幅回路に関し、特に負荷インピーダンス調整回路を備えたドハティ増幅回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドハティ増幅回路は、メインアンプとピークアンプを有し、低出力時にはメインアンプだけを動作させ、高出力時にはメインアンプとピークアンプの両方を同時に動作させるものである。一般にドハティ増幅回路は、入力信号を電力分配器でメインアンプとピークアンプに分配し、この２個のアンプの出力を合成（以下ドハティ合成または電力合成と呼ぶことがある）し、インピーダンス変換器に入力して出力インピーダンスを調整し、そのあとアンテナ等の負荷に出力するものである。
【０００３】
一般的にピークアンプがOFFでメインアンプだけが動作している状態では、負荷のインピーダンスが100Ωまたはその近傍のときに高効率に動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５２７７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ピークアンプがOFFの状態で、メインアンプのみ動作時のメインアンプの出力から見た負荷インピーダンスは、スミスチャート上の中心の50Ωを中心に、25Ωと100Ωを通る円周上のインピーダンスが調整可能な範囲で、一般的には使用周波数帯域において100Ωの負荷インピーダンスのときに高効率動作するように調整されている。
【０００６】
しかし、実際に動作するメインアンプ(FET:  Field Effect transistor)の負荷インピーダンスの最適動作ポイントが、100Ωであるとは限らない。最適動作ポイントは、使用するアンプ(FET)や使用したい出力電力の大きさにも依存し、50Ω〜200Ωくらいの範囲内のどこかに最適な動作点があるものと考えられる。そのためドハティ増幅回路において負荷インピーダンスの値を任意に調整できることが望ましい。
【０００７】
本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、メインアンプの出力から見た負荷インピーダンスを任意の値に調整できるドハティ増幅回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電力分配器、前記電力分配器で分配された信号が入力されるメインアンプとピークアンプ、前記メインアンプと前記ピークアンプの出力を合成する合成器を備えたドハティ増幅回路であって、
前記ピークアンプの出力を第１のサーキュレータに接続し、前記第１のサーキュレータからの出力を前記合成器の入力ポートへ接続し、前記第１のサーキュレータの残る端子と、前記合成器のアイソレーションポート間を接続し、その接続点に第１のインピーダンス可変部を接続し、
さらに、前記メインアンプの出力と前記合成器の間に第２のインピーダンス可変部を接続し、前記第２のインピーダンス可変部を調整して前記メインアンプの出力から見た負荷インピーダンスを任意の値に設定する、負荷インピーダンス調整回路を備えたことを特徴とするドハティ増幅回路である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、メインアンプの出力から見た負荷インピーダンスを任意の値に調整できるドハティ増幅回路を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態のドハティ増幅回路を示す回路図である。
【図２】666MHzにおいて、図１におけるメインアンプから見てL1を変化させた際の負荷インピーダンス（L23＝80°で固定）のスミスチャート上の軌跡である。
【図３】666MHzにおいて、図１におけるメインアンプから見てL1を変化させた際の負荷インピーダンス（L23＝85°で固定）のスミスチャート上の軌跡である。
【図４】本発明の第２の実施形態のドハティ増幅回路を示す回路図で、図1の回路でメインアンプとピークアンプの、ドハティ合成回路への接続及び二分配器への信号入力を逆にしたものである。
【図５】本発明の第３の実施形態のドハティ増幅回路を示す回路図である。(a)、(b)は、図１の回路において、分配器側で位相調整していた伝送線路L11を、サーキュレータ８０に置き換えたものである。
【図６】本発明の第４の実施形態のドハティ増幅回路を示す図である。(a)、(b)は、図５の分配器側のサーキュレータ８０の空端子で50Ω終端していた箇所を、伝送線路L11を有するショートスタブに変えたものである。
【図７】本発明の第５の実施形態のドハティ増幅回路を示す図である。(a)、(b)は、ピークアンプ出力に接続していたサーキュレータ及びショートスタブ回路を、メインアンプ出力側にも設けたドハティ増幅回路を示す回路図である。
【図８】図１の回路のショートスタブを置き換えるオープンスタブを示す回路図である。
【図９】図１の回路のショートスタブを置き換える可変コンデンサを示す回路図である。
【図１０】図１の回路のショートスタブを置き換える可変インダクタを示す回路図である。
【図１１】図１の回路のショートスタブを置き換えるリアクタンス回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１〜図３を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。
（構成の説明）
図１は本発明の第１の実施形態のドハティ増幅回路１０を示す回路図である。入力ポート２０１に入力された信号は二分配器２０で０°位相と−９０°位相で半々に分配される。二分配器２０は９０°３ｄＢハイブリッドカプラである。アイソレーションポート２０２には信号は入力されない。分配された信号の一方は−９０°位相ポート２０４に出力され、伝送線路L11を通ってメインアンプ３０に入力する。一方分配された信号の他方は０°位相ポート２０３に出力され、伝送線路L12を通ってピークアンプ４０に入力する。
【００１２】
メインアンプ３０の出力は伝送線路L1の一端に接続される。伝送線路L1の他端は合成器５０の０°位相入力ポート５０１に接続される。合成器５０は９０°３ｄＢハイブリッドカプラであるが、二分配器２０とは入出力を逆に接続したものである。
【００１３】
ピークアンプ４０の出力端はサーキュレータ６０のポート６０１と接続している。ポート６０１に入力された信号はサーキュレータ６０の隣のポート６０２に出力され、その後合成器５０の−９０°位相入力ポート５０２に入力される。さらに、サーキュレータ６０の残りのポート６０３は合成器５０のアイソレーションポート５０３と接続される。ポート６０３とアイソレーションポート５０３の接続点６０４は、ドハティ合成回路のインピーダンス調整のための伝送線路L23の一端に接続されている。伝送線路L23の他端は接地（ＧＮＤ）されている。
【００１４】
ここでドハティ合成回路とは、メインアンプ３０から合成器５０の０°位相入力ポート５０１間の伝送線路（L1含む）、合成器５０、合成器５０のアイソレーションポート５０３と伝送線路L23及びサーキュレータ６０のポート６０３までの間を接続する信号経路、（動作OFFの）ピークアンプ４０から合成器５０の−９０°位相入力ポート間の信号線路（ピークアンプ４０とサーキュレータ６０含む）、伝送線路L23、伝送線路L23とＧＮＤの間の信号経路を総称したものである。ピークアンプ等、電力合成には直接寄与しない要素も含んでいるが、ここでは便宜上ドハティ合成回路と称する。
【００１５】
合成器５０において、メインアンプ３０の出力とピークアンプ４０の出力とが合成され、合成点である出力ポート５０４に出力される。その出力はドハティ増幅回路１０全体の負荷であるアンテナ７０に出力される。
【００１６】
メインアンプとピークアンプの両方が動作する時には、ドハティ合成点で両出力の位相が合うようにする。そのために、メインアンプ３０の出力側の伝送線路L1によるインピーダンスとピークアンプ４０の出力側のサーキュレータ６０を通過する信号の間の位相差を、電力分配器側の伝送線路L11及びL12のインピーダンスで調整している。例えばL11とL22の電気長で調整する。サーキュレータ６０の通過位相とL1の通過位相が同じ場合、L11とL22も電気長を同じにする。メインアンプとピークアンプが両方動作した場合、出力点にて位相が揃っているので、電力合成される。
【００１７】
この状態で、L23のインピーダンスを変更しても、L11,L12,L1の伝送線路の電気長を調整する必要はない。ただし実際には、サーキュレータ６０での通過位相と伝送線路L1での通過位相が同じになる場合はあまりない。そのためメインアンプ側とピークアンプ側の間の位相差をL11,L12で調整し、電力合成できるようにしておく。
（動作の説明）
以下本実施形態のドハティ増幅回路の動作を説明するが、ピークアンプ４０が動作OFFの状態とONの状態で分けて説明する。
[小電力信号入力増幅でピークアンプは動作OFFの状態]
本実施形態では、小電力信号入力増幅でピークアンプが動作していない時は、ピークアンプ４０単体は出力側から見てオープン回路で全反射となるようにする。そのためには、メインアンプ３０から見て、合成点（出力ポート５０４）からピークアンプ４０の出力のオープン端までを含め、使用したい周波数帯域においてオープンで切り離された状態になるようにする。言い換えればドハティ増幅回路１０の動作に影響が無くなっている状態にする。切り離された状態にするためには伝送線路L23のインピーダンスを調整する。「切り離された状態」をスミスチャート（インピーダンスチャート）で説明する。スミスチャートの円周は実軸と二カ所（実軸上の円周の中心から見て右側と左側）で交わるが、切り離された状態とは、負荷インピーダンスの値が右側の交点の値（例えば100Ω付近）になっている状態である。L23のインピーダンスを変えると、円周のサイズ(半径)を変えることができる。このように切り離された状態にした上で、L1のインピーダンス（リアクタンス）を調整して負荷インピーダンスを希望の値に調整する。スミスチャートでいえば、負荷インピーダンスチャートの中心(50Ω)を中心にした円周上の希望の位置に設定することである。
【００１８】
次にL23の調整方法について述べる。小電力信号が入力されている場合ではピークアンプ４０が動作せず、メインアンプ３０だけが動作しており、合成器５０はアンバランス合成状態となっている。そのためアイソレーションポート５０３は入力側とアイソレート（絶縁）状態にはなっておらず、そのアンバランス分が出力されている。その出力された信号の経路は３ルートに分かれる。
【００１９】
３ルートとは、アイソレーションポート５０３と伝送線路L23の接続点６０４で反射してアイソレーションポート５０３に戻るもの、接続点６０４からサーキュレータ６０側に行くもの、接続点６０４からL23を通過してＧＮＤで反射するものの３ルートである。合成器５０のアイソレーションポート５０３に戻る信号は、合成器５０で二分配され、メインアンプ３０へ戻ってくるものがあり、定在波が立っている状態となる。L23を変えることでこの定在波の立ち方を調整できる。定在波の立ち方を調整することにより、メインアンプ３０から見た負荷インピーダンスを任意に調整できる。
【００２０】
具体的には、メインアンプ３０の出力端から、動作がOFFとなっているピークアンプ４０を含めたドハティ合成回路を見たときの負荷インピーダンスが、λ/2（λは使用周波数）の整数倍の長さとなるオープンスタブ回路の動作をする長さ（電気長）の伝送線路L23を選ぶ。言い換えると、合成点（出力ポート５０４）から見て、合成回路の電気長がλ/2の整数倍の長さとなるオープンスタブ回路に見えるように、L23の電気長を調整する。
【００２１】
信号の反射があるので、実際にどの部分の電気長をλ/2にすれば良いかを特定することは困難である。そこで実際の調整手法としては、スミスチャートを測定しながらL23の電気長を調整して、スミスチャート上の負荷インピーダンスの位置を、サークル上の実軸の右側の交点(100Ω付近)になるように調整する。その結果、ピークアンプが動作OFFの場合に合成点から見るとピークアンプ側がオープンに見える。その上でL1のインピーダンス（リアクタンス）を調整して負荷インピーダンスを希望の値に調整する。
【００２２】
なおドハティ増幅回路１０の使用周波数帯域を変えると当然λが変わるので、伝送線路L23の電気長の調整を行う。L1とL23を調整すればよいので、周波数帯域の変更に簡単に対応できる。
【００２３】
特許文献１にマルチバンド高効率ドハティ増幅回路が開示されている。これは、メインアンプ１１０の出力に、サーキュレータ１２２と同調器１２１（コンデンサ）で構成されたインピーダンス・インバータ１２０を接続したものである。インピーダンス・インバータ１２０はコントローラ１２３に接続され、コンデンサの容量を調整してメインアンプ１１０の負荷インピーダンスを変調する。インピーダンス・インバータ１２０は、負荷インピーダンスを変調するために、インピーダンス反転を実行する。
【００２４】
特許文献１では、ピークアンプ１１５の出力が直接ドハティ合成の分岐点１１６につながっている。ピークアンプ１１５と分岐点１１６の間に存在する伝送線路のインピーダンスの影響が無視できれば、ピークアンプ１１５がOFFの時は、この分岐点１１６からはピークアンプ１１５が切れて見えなくなる。
【００２５】
しかし、実際にはこの伝送線路の影響は無視できず、また分岐点１１６からピークアンプ１１５の間にはマッチング回路も入る。そのためピークアンプ１１５がOFFとなっても、伝送線路やマッチング回路がオープンスタブに見える。特許文献１ではこの点が考慮されておらず、分岐点１１６から見ると、ピークアンプ１１５がOFFでもOPENには見えず、オープンスタブが接続されているように見えてしまう。
【００２６】
図２は、図１の回路において周波数666MHzにて伝送線路L23の電気長80°で固定した状態で、伝送線路L1の電気長を変化させたときの、メインアンプ側から見た負荷インピーダンスの、スミスチャート上の軌跡である。また図３は、図１の回路において周波数666MHzにて伝送線路L23の電気長85°で固定した状態で、伝送線路L1の電気長を変化させたときのメインアンプ側から見た負荷インピーダンスのスミスチャート上の軌跡である。
【００２７】
この図２、図３のスミスチャートの円周上で実部２．０、虚部０のポイントが負荷インピーダンス１００Ωとなる。また負荷インピーダンスを９０Ωにするには、同じく図２、図３で実部１．８、虚部０のポイントになるように設定する。１５０Ωにするには、実部３．０、虚部０のポイントになるように設定する。
[大電力信号入力増幅でピークアンプとメインアンプが両方動作の状態]
ピークアンプとメインアンプが両方動作している状態のとき、ドハティ増幅回路１０はメインアンプ３０の出力電力とピークアンプ４０の出力電力を合成する回路となる。ここで、各アンプ出力後の信号は、合成点でのメインアンプ３０側のルートとピークアンプ４０側のルートの位相は同相となるように分配器側の伝送線路で調整されているので、合成器５０で電力合成される。
（効果の説明）
本実施形態によれば、伝送線路L23の電気長を調整することで、ピークアンプ４０が動作OFFの場合に、合成点から見るとピークアンプ側がオープンに見えるようになる。その上で伝送線路L1のインピーダンスを調整することで、メインアンプの負荷インピーダンスを希望の値に調整可能になる。更に、ドハティ増幅回路の使用周波数帯域を変更した場合も対応が容易になる。
（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態のドハティ増幅回路１００を示す図である。この回路は、図1の回路でのメインアンプ３０とピークアンプ４０の、二分配器２０及び合成器５０への接続への接続を逆にしたものである。入力信号は二分配器２０の入力ポート２０１に入力され、アイソレーションポート２０２には信号は入力されない。二分配器２０の０°位相ポートは伝送線路L11に接続され、伝送線路L11はメインアンプ３０に接続される。メインアンプ３０の出力は伝送線路L1に接続され、L1の出力は合成器５０の−９０°位相入力ポート５０２に接続される。
【００２８】
一方二分配器２０の−９０°位相ポート２０４は伝送線路L12に接続され、伝送線路L12はピークアンプ４０に接続される。ピークアンプ４０の出力はサーキュレータ６０のポート６０１に接続され、隣のポート６０２に出力される。ポート６０２は合成器５０の０°位相入力ポート５０１に接続される。サーキュレータの残るポート６０３は合成器５０のアイソレーションポート５０３と接続され、その接続点６０４は伝送線路L23の一端に接続される。伝送線路L23の他端はＧＮＤに接地される。このように図１とは接続関係を逆にしたドハティ増幅回路１００も、図１と同様の効果がある。
（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態のドハティ増幅回路を示す図である。図５(a)は、図１の回路において、分配器側で位相調整していた伝送線路L11を、サーキュレータ８０に置き換えたものである。このサーキュレータ８０はピークアンプ出力側に接続されているサーキュレータ６０と同じ位相特性を有しており、空き端子を50Ω終端している。また、伝送線路L12は伝送線路L1と同じ位相特性を有している。つまり増幅段を挟んだ前後段の伝送線路同士とサーキュレータ同士で、タスキがけに同じ位相特性を持たせる。その理由は線路長を短くするためである。メインアンプ側の線路全体とピークアンプ側の線路全体とで同位相になれば良いので、増幅段の前段同士と後段同士つまりメインアンプ前段のサーキュレータとL12、及び、L1とピークアンプ後段のサーキュレータで、それぞれに位相特性を合わせても良い。しかしその場合は上述のタスキがけに比べれば線路長が長くなる。
【００２９】
図５(b)は図１に対する図４の回路と同様に、メインアンプとピークアンプの、二分配器及び合成器への接続を、図５(a)とは逆にしたものである。この回路も同様の効果が得られる。
（第４の実施形態）
図６は本発明の第４の実施形態のドハティ増幅回路を示す図である。図６(a)は図５(a)の分配側のサーキュレータの空端子で50Ω終端していた箇所を、伝送線路L11を有するショートスタブに変えたものである。一般に、ハイパワー用途のFETでの入力ポートインピーダンスは全反射となるため、メインアンプ及びピークアンプの入力でそれぞれ反射される電力を分配器のアイソレーション抵抗側に電力合成して、吸収できる長さにショートスタブ長L11を調整してある。
【００３０】
図６(b)は図６(a)のメインアンプとピークアンプの、二分配器及び合成器への接続を逆にしたものであるが、図６(a)の回路と同様の効果がある。
（第５の実施形態）
図７は本発明の第５の実施形態のドハティ増幅回路を示す図である。図７(a)は、ピークアンプ出力に接続していたサーキュレータ及びショートスタブ回路を、同様にメインアンプ出力側にも設けたものである。本回路では、2つのサーキュレータ間の通過位相は同じなので、分配器側の位相調整は不要となる。さらに、２つのサーキュレータに接続されるL1、L23の長さを変えても、サーキュレータの通過位相は変わらないので、それらの長さは幾らであっても電力合成が出来ることになる。この図７(a)で示した伝送線路L1も、位相調整機能と共に、メインアンプ側から見た負荷インピーダンスの調整を行う機能も備えている。
【００３１】
図７(b)は、図７(a)のメインアンプとピークアンプのドハティ合成回路への接続を逆にしたものであるが、図７(a)の回路と同様の効果がある。
（他の実施形態）
図８〜図１１は本発明の他の実施形態を示す図である。図８はサーキュレータにショートスタブを接続するのに代えてオープンスタブを接続した回路である。同様に図９はショートスタブに代えて可変コンデンサを接続した回路、図１０は可変インダクタを接続した回路である。図１１は可変コンデンサと可変インダクタを並列接続したリアクタンス可変回路(図１１)を接続した回路である。
【００３２】
図１〜図７で示したドハティ増幅回路のショートスタブをこれらの回路に置き換えることが出来る。図７(a)、(b)のアンプ後段の伝送線路L1を置き換えた場合、L1と同様に負荷インピーダンスが調整できる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、テレビ送信機、電力増幅器、高周波回路等に用いることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０、１００    ドハティ増幅回路
２０    二分配器
２０１    入力ポート
２０２    アイソレーションポート
２０３    ０°位相ポート
２０４    −９０°位相ポート
L11、L12、L1、L23    伝送線路
５０    合成器
５０１    ０°位相入力ポート
５０２    −９０°位相入力ポート
５０３    アイソレーションポート
５０４    出力ポート
６０、８０    サーキュレータ
６０１、６０２、６０３    ポート
６０４    接続点
７０    アンテナ
【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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【図１１】
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