(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の物性超高周波ドハティ増幅器及び他の高効率電力増幅器よりも効率特性を改善し、そのような高効率電力増幅器よりも線形的な特性を得ることができるハーモニック制御された高効率ドハティ電力増幅装置を提供する。【解決手段】ドハティ電力増幅装置であって、ハーモニック制御されたドハティ増幅器と、前記ハーモニック制御されたドハティ増幅器の入力及び出力整合のための入力整合部及び出力整合部とを備え、前記ハーモニック制御されたドハティ増幅器は、並列に連結されているハーモニック制御されたキャリア増幅器及びハーモニック制御されたピーク増幅器と、前記ドハティ増幅器の出力整合部の前に配置されて前記ドハティ増幅器がスイッチング又は飽和動作を行うように高調波成分を制御するハーモニック制御回路とを備える。【選択図】図８
2008199625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドハティ電力増幅装置であって、
ハーモニック制御されたドハティ増幅器と、
前記ハーモニック制御されたドハティ増幅器の入力及び出力整合のための入力整合部及び出力整合部とを備え、
前記ハーモニック制御されたドハティ増幅器は、並列に連結されているハーモニック制御されたキャリア増幅器及びハーモニック制御されたピーク増幅器と、前記ドハティ増幅器の出力整合部の前に配置されて前記ドハティ増幅器がスイッチング又は飽和動作を行うように高調波成分を制御するハーモニック制御回路と
を備えることを特徴とするドハティ電力増幅装置。
【請求項２】
前記ハーモニック制御されたドハティ増幅器の出力に連結され、前記ピーク増幅器が動作しない時に前記ドハティ増幅器のロードインピーダンスの出力を調節するオフセットラインを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のドハティ電力増幅装置。
【請求項３】
ドハティ電力増幅動作のためにインピーダンスインバータとしての役割を果たす１／４波長の長さに変換させるクォータウェーブ伝送ラインを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のドハティ電力増幅装置。
【請求項４】
前記ドハティ電力増幅装置のロードインピーダンスを決定するための１／４波長の長さに変換させるクォータウェーブ伝送ラインを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のドハティ電力増幅装置。
【請求項５】
前記ドハティ増幅装置の結合方式は、ドハティ電力増幅動作を行うために１／４波長よりも短いか長い伝送ラインと、受動素子とからなる結合方式であることを特徴とする請求項１に記載のドハティ電力増幅装置。
【請求項６】
ドハティ電力増幅動作を行うためのインピーダンスインバータとしての役割を含むことを特徴とする請求項１に記載のドハティ電力増幅装置。
【請求項７】
低電力領域では前記ピーク増幅器がオフし、前記キャリア増幅器がオンし、高電力領域では前記ピーク増幅器及びキャリア増幅器がオンとなるように駆動されることを特徴とする請求項１に記載のドハティ電力増幅装置。
【請求項８】
ハーモニック制御回路を用いた高効率ドハティ電力増幅器であって、
並列に連結されている入／出力整合部をそれぞれ有するキャリア増幅器及び多数のピーク増幅器と、
前記キャリア増幅器と前記多数のピーク増幅器に同一の入力電力を印加するＮ-ウェイ電力分配器と、
前記キャリア増幅器及び前記多数のピーク増幅器の出力整合部にそれぞれ連結され、前記多数のピーク増幅器が動作しない時にロードインピーダンスの出力を調節するオフセットラインと、
ドハティ電力増幅動作のためにインピーダンスインバータとしての役割を果たし、前記オフセットラインを介して提供されるインピーダンス出力を１／４波長の長さに変換させる第１クォータウェーブ伝送ラインと、
前記ドハティ増幅器のロードインピーダンスを決定し、前記オフセットラインを介して提供されるインピーダンス出力を１／４波長の長さに変換させる第２クォータウェーブ伝送ラインとを含み、
前記キャリア増幅器及び前記ピーク増幅器の高調波成分を制御してスイッチング又は飽和動作を行うようにするハーモニック制御回路を備えることを特徴とするドハティ電力増幅器。
【請求項９】
ハーモニック制御回路を用いた高効率ドハティ電力増幅器であって、
並列に連結されている入／出力整合部をそれぞれ有するキャリア増幅器及び多数のピーク増幅器と、
前記キャリア増幅器と前記多数のピーク増幅器に同一の入力電力を印加するＮ-ステージ電力分配器と、
前記キャリア増幅器及び前記多数のピーク増幅器の出力整合部にそれぞれ連結され、前記多数のピーク増幅器が動作しない時にロードインピーダンスの出力を調節するオフセットラインと、
ドハティ電力増幅動作のためにインピーダンスインバータとしての役割を果たし、前記オフセットラインを介して提供されるインピーダンス出力を１／４波長の長さに変換させる第１クォータウェーブ伝送ラインと、
前記ドハティ増幅器のロードインピーダンスを決定し、前記オフセットラインを介して提供されるインピーダンス出力を１／４波長の長さに変換させる第２クォータウェーブ伝送ラインと、
前記キャリア増幅器及び前記ピーク増幅器の高調波成分を制御してスイッチング又は飽和動作を行うようにするハーモニック制御回路と
を備えることを特徴とするドハティ電力増幅器。    
【請求項１０】
前記ハーモニック制御回路は、
２次、３次又はそれ以上の高調波成分を制御し、ハーモニック制御を行うためのマイクロストリップライン又は受動素子を備えることを特徴とする請求項１、８、９の何れか１項に記載のドハティ電力増幅装置。
【請求項１１】
前記ドハティ電力増幅器は、
ｃｌａｓｓ Ｄ、ｃｌａｓｓ Ｅ、Ｃｌａｓｓ Ｆ、ｃｌａｓｓ Ｇ、ｃｌａｓｓ Ｈ、ｃｌａｓｓ Ｉ、ｃｌａｓｓ Ｊ、ｃｌａｓｓ Ｓ、ｃｌａｓｓ Ｅ／Ｆ ｓｅｒｉｅｓ（ｃｌａｓｓ Ｅ／Ｆ３、ｃｌａｓｓ Ｅ／Ｆ２、５、ｃｌａｓｓ Ｅ／Ｆｏｄｄ、ｃｌａｓｓ Ｅ／Ｆ２、ｏｄｄ）、ｃｌａｓｓ Ｊ／Ｅ、ｉｎｖｅｒｓｅ ｃｌａｓｓ Ｄ、ｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｌａｓｓ Ｆからなるグループより選択される増幅器であることを特徴とする請求項１、８、９の何れか１項に記載のドハティ電力増幅器。
【請求項１２】
キャリア及びピーク電力増幅器は、
前記スイッチング又は飽和動作を通じて相互間の非線形特性を相殺させることを特徴とする請求項１、８、９の何れか１項に記載のドハティ電力増幅装置。
【請求項１３】
前記ハーモニック制御回路は、
前記キャリア増幅器及びそれぞれの前記ピーク増幅器の出力整合部の前に配置されて前記キャリア増幅器及びそれぞれの前記ピーク増幅器がスイッチング又は飽和動作を行うようにすることを特徴とする請求項８又は９に記載のドハティ電力増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動通信システムで用いられる高効率電力増幅装置に関し、特に超高周波ドハティ増幅器（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｄｏｈｅｒｔｙ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）において、スイッチング（Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）及び飽和（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）動作を行うようにして超高効率電力増幅を提供できるハーモニック制御回路を用いた高効率ドハティ電力増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ドハティ増幅器は、「クォータウェーブトランスフォーマ（ｑｕａｒｔｅｒ-ｗａｖｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）（λ／４ライン）」を用いてキャリア増幅器と、ピーク増幅器とを並列に連結した構造を有する。ドハティ増幅器は、電力レベルが増加することによって、ピーク増幅器が負荷に供給する電流の量が増加し、キャリア及びピーク増幅器のそれぞれの負荷インピーダンスを調節して効率を向上させる方式により駆動される。
【０００３】
超高周波ドハティ増幅器は、１９３６年に「Ｗ．Ｈ．Ｄｏｈｅｒｔｙ」により提案され、初期には高出力長波（ＬＦ：Ｌｏｗ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）真空管又は高出力中波（ＭＦ：Ｍｅｄｉｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）真空管を用いた放送装置である振幅変調（ＡＭ：Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）伝送器（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）として用いられた。その後、真空管ではなく物性ディバイスを用いてドハティ電力増幅器の実現のための様々な提案があり、実質的な実現のために多くの研究がなされた。
【０００４】
このようなドハティ電力増幅器と呼ばれる非対称電力結合を通じた電力増幅器は、高効率及び高線形性を実現した。特に、移動通信基地局及び端末で用いるドハティ電力増幅器に対しては、多くの性能改善があった。そのような高周波帯域におけるドハティ電力増幅器は、入力電力分配器、キャリア／ピーク増幅器間の位相を同期化するための伝送ライン、互いに同一の値が出力されるようにそれぞれの増幅器の入／出力整合回路を構成して最大出力を出すように実現されたキャリア／ピーク増幅器、ピーク増幅器が動作しない時にインピーダンス出力を大きくして適切なロードモジュレーション現象が起こるようにするオフセットライン、そしてドハティ動作のためのクォータウェーブ伝送ラインで構成される。
【０００５】
このような構成は、トランジスタの出力部に整合回路を配置し、その後ろにオフセットラインを配置させることで、実数部だけでなく、虚数部の整合も可能なようにして増幅器の出力を最大限に得ながら、ドハティ動作を可能にする改善された方式である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
また、ドハティ電力増幅器をより一般化し、効率及び線形性を最適化できる構造であるＮ-ウェイドハティ電力増幅器についても研究された（例えば、非特許文献２参照）。
【０００７】
一般のドハティ電力増幅器よりも更に低いパワーレベルから次第に高効率を達成するＮ-ステージドハティ電力増幅方式も研究された（例えば、非特許文献３参照）。
【０００８】
一方、物性ディバイスを用いてドハティ電力増幅器を実現した場合においても低いバイアスにより正常に最大出力を出せないという問題を解決するために包絡線トラックキング装置を用いてドハティ電力増幅器を実現した（例えば、非特許文献４及び非特許文献５参照）。
【０００９】
しかしながら、このような研究結果では、更に向上した線形性及び最大出力を達成するために、ピーク及びキャリア電力増幅器の電流レベルを調節するための付加的な装置が必要になるという短所を有している。このような問題点を解決するために、入力電力分配を異ならせる非対称電力駆動を用いたドハティ電力増幅器の研究が行われた（例えば、非特許文献６及び非特許文献７参照）。
【００１０】
前述したように、多くのドハティ電力増幅のための技術が開発されたが、移動通信基地局及び端末システムは次第に小型化し、価格を下げようとする努力を重ねるにつれ、電力増幅装置の観点から既存のドハティ及び高効率電力増幅装置よりも高い効率を要求するようになった。
【非特許文献１】Ｙ. Ｙａｎｇ ｅｔ ａｌ、「Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ａｎｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｕｓｉｎｇａ Ｎｅｗ Ｌｏａｄ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」、Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｖｏｌ ４４、Ｎｏ．１２、ｐｐ.２０-３６、Ｄｅｃ．２００２．
【非特許文献２】Ｙ．Ｙａｎｇ ｅｔ ａｌ、「Ａ Ｆｕｌｌｙ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｎ-ｗａｙ Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈ.、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．３、ｐｐ．９８６-９９３、Ｍａｒｃｈ ２００３．
【非特許文献３】Ｎ．Ｓｒｉｒａｔｔａｎａ ｅｔ ａｌ、「Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ oｆ ａ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ Ｄｏｈｅｒｔｙ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ＷＣＤＭＡ」、ＥｕＭＣ Ｄｉｇｅｓｔ ２００３、Ｖｏｌ．３、ｐｐ．１３３７-１３４０、Ｏｃｔ. ２００３．
【非特許文献４】Ｙ．Ｙａｎｇ ｅｔ ａｌ、「Ａ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ 」、ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ. ９、Ｓｅｐ．２００３.
【非特許文献５】Ｊ．Ｃｈａ ｅｔ ａｌ、「Ａｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｂｉａｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ ａ Ｌｏａｄ-Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ」、ＩＥＥＥ ＭＴＴ-Ｓ Ｉｎｔ. Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏ. Ｖｏｌ．１、ｐｐ．８１-８４、Ｊｕｎｅ ２００３.
【非特許文献６】Ｊ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ、「Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ-Ｃｅｌｌｓ-Ｂａｓｅｄ Ｌｉｎｅａｒ Ｄｏｈｅｒｔｙ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ-Ｕｎｅｖｅｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｔｃｈｉｎｇ」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ.、Ｖｏｌ．５３、Ｎｏ．５、ｐｐ．１８０２-１８０９、Ｍａｙ、 ２００５．
【非特許文献７】Ｊ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ、「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ、Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」、３５ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｐａｒｉｓ、Ｆｒａｎｃｅ、ｐｐ．９６３-９６６、 Ｏｃｔ．、２００５．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、従来の物性超高周波ドハティ増幅器及び他の高効率電力増幅器よりも効率特性を改善し、そのような高効率電力増幅器よりも線形的な特性を得ることができるハーモニック制御された高効率ドハティ電力増幅装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、ドハティ増幅装置を構成するそれぞれの電力増幅器において、スイッチング又は飽和動作を行うようにして超高効率電力増幅の機能を提供できるハーモニック制御回路を用いた高効率ドハティ電力増幅装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するための本発明によるドハティ電力増幅装置は、ハーモニック制御されたドハティ増幅器と、前記ハーモニック制御されたドハティ増幅器の入力及び出力整合のための入力整合部及び出力整合部とを備え、前記ハーモニック制御されたドハティ増幅器は、並列に連結されているハーモニック制御されたキャリア増幅器及びハーモニック制御されたピーク増幅器と、前記ドハティ増幅器の出力整合部の前に配置されて前記ドハティ増幅器がスイッチング又は飽和動作を行うように高調波成分を制御するハーモニック制御回路とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明によるハーモニック制御回路を用いた高効率ドハティ電力増幅器は、並列に連結されている入／出力整合部をそれぞれ有するキャリア増幅器及び多数のピーク増幅器と、前記キャリア増幅器と前記多数のピーク増幅器に同一の入力電力を印加するＮ-ウェイ電力分配器と、前記キャリア増幅器及び前記多数のピーク増幅器の出力整合部にそれぞれ連結され、前記多数のピーク増幅器が動作しない時にロードインピーダンスの出力を調節するオフセットラインと、ドハティ電力増幅動作のためにインピーダンスインバータとしての役割を果たし、前記オフセットラインを介して提供されるインピーダンス出力を１／４波長の長さに変換させる第１クォータウェーブ伝送ラインと、前記ドハティ増幅器のロードインピーダンスを決定し、前記オフセットラインを介して提供されるインピーダンス出力を１／４波長の長さに変換させる第２クォータウェーブ伝送ラインとを含み、前記キャリア増幅器及び前記ピーク増幅器の高調波成分を制御してスイッチング又は飽和動作を行うようにするハーモニック制御回路を備えることを特徴とする。
【００１５】
更に、本発明によるハーモニック制御回路を用いた高効率ドハティ電力増幅器は、並列に連結されている入／出力整合部をそれぞれ有するキャリア増幅器及び多数のピーク増幅器と、前記キャリア増幅器と前記多数のピーク増幅器に同一の入力電力を印加するＮ-ステージ電力分配器と、前記キャリア増幅器及び前記多数のピーク増幅器の出力整合部にそれぞれ連結され、前記多数のピーク増幅器が動作しない時にロードインピーダンスの出力を調節するオフセットラインと、ドハティ電力増幅動作のためにインピーダンスインバータとしての役割を果たし、前記オフセットラインを介して提供されるインピーダンス出力を１／４波長の長さに変換させる第１クォータウェーブ伝送ラインと、前記ドハティ増幅器のロードインピーダンスを決定し、前記オフセットラインを介して提供されるインピーダンス出力を１／４波長の長さに変換させる第２クォータウェーブ伝送ラインと、前記キャリア増幅器及び前記ピーク増幅器の高調波成分を制御してスイッチング又は飽和動作を行うようにするハーモニック制御回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、既存の超高周波ドハティ増幅器及び高効率電力増幅器よりも効率が増加し得るほか、高効率化を図ると共に既存のスイッチング或いは飽和電力増幅器よりも線形的に動作できるという効果を奏する。従って、本発明を移動通信網又は次世代移動通信基地局用／端末用電力増幅器に応用することで、既存の電力増幅器よりも高効率化を図ることができ、線形的な特性を同時に達成できるので、価格競争力と信頼性を高めることができるという効果がある。
【００１７】
更に、本発明は構造が簡単であり、かつ商用として用いられる構造に対して適用するのが容易であるので、実用性の側面において優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付の図面を参照して本発明の動作の原理を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、２-ウェイ方式のドハティ電力増幅装置を示す構成ブロック図であって、電力分配器１００、キャリア電力増幅器１０２、ピーク電力増幅器１０４、オフセットライン１０６、第１クォータウェーブ伝送ライン１０８、第２クォータウェーブ伝送ライン１１０を備える。本発明においては、キャリア増幅器１０２はハーモニック制御されたキャリア増幅器（ＨＣＡ：Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）であり、ピーク増幅器１０４はハーモニック制御されたピーク増幅器（ＨＰＡ：Ｈａｒｍｏｎｉｃ-Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｐｅａｋｉｎｇ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）である。
【００２０】
本発明においては、キャリア増幅器１０２とピーク増幅器１０４にハーモニック制御回路によるハーモニック制御を適用してスイッチング又は飽和動作を行うことで、既存の電力増幅器よりも高効率特性を有し、このような高効率電力増幅特性をドハティ電力増幅装置に結合することで、既存のドハティ或いは高効率電力増幅器よりも超高効率特性を行う。電力分配器１００は、ハイブリッドカプラを用いることで、キャリア増幅器とピーク増幅器の位相を同期化させ、オフセットライン１０６は、ピーク増幅器１０４が動作しない時にロードインピーダンスの出力を大きくして、適切なロードモジュレーション現象が起きるようにする。
【００２１】
スイッチング或いは飽和動作を起こす電力増幅器としては、ｃｌａｓｓ Ｄ、ｃｌａｓｓ Ｅ、Ｃｌａｓｓ Ｆ、ｃｌａｓｓ Ｇ、ｃｌａｓｓ Ｈ、ｃｌａｓｓ Ｉ、ｃｌａｓｓ Ｊ、ｃｌａｓｓ Ｓ、ｃｌａｓｓ Ｅ／Ｆ ｓｅｒｉｅｓ（ｃｌａｓｓ Ｅ／Ｆ３、ｃｌａｓｓ Ｅ／Ｆ２、５、ｃｌａｓｓ Ｅ／Ｆｏｄｄ、ｃｌａｓｓ Ｅ／Ｆ２、ｏｄｄなど）、ｃｌａｓｓ Ｊ／Ｅ、ｉｎｖｅｒｓｅ ｃｌａｓｓ Ｄ、ｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｌａｓｓ Ｆなどのような可能なあらゆる電力増幅器の種類に対してハーモニック制御回路方法が用いられ得るため、既存のドハティ電力増幅器に前記のような多様なタイプの電力増幅器でハーモニック制御方法を適用することが可能である。
【００２２】
第１クォータウェーブ伝送ライン１０８は、インピーダンスインバータとしての役割を行ってドハティ動作を実現する。例えば、第１クォータウェーブ伝送ライン１０８は、Ｒｏ／２→２Ｒｏのように出力を逆に変化させる。第２クォータウェーブ伝送ライン１１０は、ロードインピーダンスを５０Ｏｈｍから２５Ｏｈｍのようにキャリア増幅器１０２及びピーク増幅器１０４が特性インピーダンス５０Ｏｈｍに対してＮ-１個のピーク増幅器１０４と１個のキャリア増幅器１０２とが並列に連結されてドハティ増幅器を構成するので、Ｒｏ／Ｎでドハティ増幅器のロードインピーダンスを構成しなければならない。例えば、図１ではＮ＝２である２-ウェイの場合を例示するので、５０Ｏｈｍから２５Ｏｈｍに変化させる第２クォータウェーブ伝送ライン１１０を構成しなければならず、この際の第２クォータウェーブ伝送ライン１１０の特性インピーダンスは、
【数１】
2008199625.tif 000003
【００２３】
このように、図１で提案する電力増幅装置は、ハーモニック制御回路を通じて実現しており、入出力が整合したキャリア増幅器１０２とピーク増幅器１０４とが並列に連結されている構造を有する。このとき、この２つの増幅器１０２、１０４は、オフセットライン１０６とクォータウェーブトランスフォーマ（λ ／４ライン）からなるドハティネットワークを介して出力端が構成されることを特徴とする。
【００２４】
図２は、Ｎ-ウェイドハティ増幅器を実現した場合であって、Ｎ-ウェイ電力分配器２００、キャリア増幅器２０４とピーク電力増幅器２０６の位相同期を合せるための伝送ライン２０２、キャリア電力増幅器２０４、ピーク電力増幅器２０６、オフセットライン２０８、クォータウェーブ伝送ライン２１０、２１２から構成される。ここで、本発明においては、キャリア及びピーク電力増幅器２０４、２０６は、スイッチング又は飽和動作を行う各種の高効率電力増幅器を備える。
【００２５】
図３は、Ｎ-ステージドハティ電力増幅装置を実現した場合であって、Ｎ-ステージ電力分配器３００、キャリア増幅器とピーク電力増幅器の位相同期を合せるための伝送ライン３０２、ハーモニック制御されたキャリア電力増幅器３０４、ハーモニック制御されたピーク電力増幅器３０６、オフセットライン３０８、クォータウェーブ伝送ライン３１０、３１２から構成される。ここで、本発明においては、キャリア及びピーク電力増幅器３０４、３０６は、スイッチング或いは飽和動作を行う各種の電力増幅器を備える。
【００２６】
本発明のドハティ電力増幅装置は、ハーモニック制御回路がキャリア増幅器及びピーク増幅器の出力端にそれぞれ連結され、前記ピーク増幅器が動作しない時にロードインピーダンスの出力を変化させるために、オフセットラインを連結する結合方式であり、ドハティ電力増幅動作のためにインピーダンスインバータとしての役割を果たす１／４波長の長さに変換させるクォータウェーブ伝送ラインと、ロードインピーダンスを決定するための１／４波長の長さに変換させるクォータウェーブ伝送ラインとを備える。
【００２７】
図４は、本発明によるハーモニック制御回路を適用したハーモニック制御された電力増幅器を用いたドハティ電力増幅装置の動作の原理を説明する概念図である。
【００２８】
図４に示すように、ハーモニック制御されたキャリア増幅器は、キャリア電流源Iｃとして表現されたキャリア増幅器とハーモニック制御回路４０２とを含み、ハーモニック制御されたピーク増幅器はピーク電流源Ｉｐとして表現されたピーク増幅器とハーモニック制御回路４０３とを含む。第１クォータウェーブ伝送ライン４０１は、キャリア電流源Ｉｃの下流でハーモニック制御回路４０２の出力に接続される。ハーモニック制御されたキャリア及びピーク増幅器は、Ｃｌａｓｓ Ｆ又はｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｌａｓｓ Ｆのような飽和増幅器で構成されてハーモニック制御回路４０２、４０３を用いたハーモニック制御を通じて飽和動作を起こす。また、ハーモニック制御されたキャリア及びピーク増幅器は、ハーモニック制御回路４０２、４０３を用いたハーモニック制御を通じて基本周波数成分ｆｏでは既存のドハティ動作を起こすと同時に、２倍、３倍の基本周波数成分（即ち、２次、３次の高調波成分）に対するインピーダンスを調節することで、高効率特性を得る。即ち、ハーモニック制御回路４０２、４０３は、高調波成分を制御し、第１クォータウェーブ伝送ライン４０１のようなマイクロストリップライン又は受動素子を介してハーモニック制御を行うことで、Ｃｌａｓｓ Ｆ飽和電力増幅器である場合に最大出力でサイン半波の電流波形と四角波の電圧波形を形成し、ｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｌａｓｓ Ｆ飽和電力増幅器である場合には最大出力で四角波の電流波形とサイン半波の電圧波形を形成する。更に、ドハティ増幅特性を得るために、ピーク電力増幅器のバイアスはキャリア電力増幅器のバイアスよりも低くなる。
【００２９】
図５の（ａ）と（ｂ）は、本発明の実施形態によるドハティ電力増幅装置の基本電流成分と、基本電圧成分を入力電圧に応じて示すグラフである。
【００３０】
図５の（ａ）において、キャリア増幅器の基本電流Ｉｃは実線４０４で示されており、ピーク増幅器の基本電流Ｉｐは点線４０５で示されている。また、図５の（ｂ）において、キャリア増幅器の基本電圧Ｖｃは実線４０６で示されており、ピーク増幅器の基本電圧Ｖｐは点線４０７で示されている。これを数式で表現すると、下記の＜式１＞、＜式２＞の通りとなる。
【数２】
2008199625.tif 000004
【数３】
2008199625.tif 000005
【００３１】
図６の（ａ）と（ｂ）は、本発明の実施形態によるドハティ電力増幅装置のロードインピーダンスと効率を入力電圧に応じてそれぞれ示すグラフである。
【００３２】
図６の（ａ）において、図面符号４０８はキャリア増幅器のロードインピーダンスを表し、４０９はピーク増幅器のロードインピーダンス４０９を表し、ＺＬはドハティ増幅器のロードインピーダンスを表す。図６の（ａ）に示すように、キャリア増幅器のロードインピーダンスとピーク増幅器のロードインピーダンスは、入力電圧に対して変化することが分かる。ピーク増幅器が最初にターンオンされる入力電圧Ｖｔｕｒｎ ｏｎと、最大入力電圧Ｖｍａｘレベルに対してドハティ増幅器は最大効率１００％を示す。このような特性は、既存のドハティ増幅器と類似の動作を行いながら、高調波ハーモニック成分が制御されたスイッチング或いは飽和動作が同時に起こるようにハーモニック制御されたキャリアとピーク増幅器を用いることで、超高効率特性を達成することを表す。これに関連する数式は、＜式３＞のように表示することができる。
【数４】
2008199625.tif 000006
【００３３】
Ｃｌａｓｓ Ｆ飽和電力増幅器である場合に最大出力でサイン半波の電流波形と四角波の電圧波形を形成し、各波形に応じた基本電流成分、基本電圧成分、そしてＤＣ電流成分は、＜式３>のＩ１、ｍａｘ、Ｖ１、ｍａｘ、ＩＤＣの通りである。この時の最大電流値はｉｐｅａｋ値で表現され、印加されたＤＣ電圧はＶＤＣである。これと同様に、ｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｌａｓｓ Ｆ飽和電力増幅器である場合に最大出力で四角波の電流波形とサイン半波の電圧波形を形成し、各波形に応じた基本電流成分、基本電圧成分、そしてＤＣ電流成分は、＜数式３>のＩ１、ｍａｘ、Ｖ１、ｍａｘ、ＩＤＣの通りである。また、この時の最大電流値は、ｉ’ｐｅａｋ値で表現され、印加されたＤＣ電圧はＶＤＣである。
【００３４】
図７の（ａ）は、本発明で提案するハーモニック制御されたキャリア増幅器のロードインピーダンスの変化をロードラインの観点から示すグラフである。図７の（ａ）において、図面符号５０１は低電力領域におけるロードラインであり、５０２は高電力領域におけるロードラインである。図７の（ａ）に示すように、本発明のハーモニック制御された電力増幅器は、低電力領域ではハーモニック制御されたピーク増幅器がオフし、ハーモニック制御されたキャリア増幅器がオンし、高電力領域では前記ハーモニック制御されたピーク増幅器及びキャリア増幅器がオンとなるように駆動する。
【００３５】
このとき、ロードライン５０１は、既存のドハティ増幅器のキャリア増幅器で現れるロードラインとは異なるように不完全な飽和状態となり、楕円形をなし、この際の効率特性は全般的に既存のドハティ増幅器の効率よりも優れる。ハーモニック制御されたピーク増幅器が最初にターンオンされるＶｔｕｒｎ ｏｎ電圧になると、完全な飽和状態になり、ロードライン５０１は「Ｌ」字状を形成し、ハーモニック制御されたキャリア増幅器は最大効率を達成する。そうして、変化したロードライン５０２は最大電力に達する高電力領域に対して形状は「Ｌ」字状をそのまま維持しながら、電流波形が更に大きくなる。
【００３６】
図７の（ｂ）は、本発明のハーモニック制御されたピーク増幅器のロードインピーダンス変化をロードラインの観点から示すグラフである。図７の（ｂ）において、図面符号５０３は低電力領域におけるロードラインであり、５０４は高電力領域におけるロードラインである。
【００３７】
ハーモニック制御されたピーク増幅器がターンオンされ始めながら、ロードインピーダンスが小さくなり始め、ロードライン５０３は高出力領域の全般にわたって上昇する。この時のハーモニック制御されたピーク増幅器の状態は、不完全な飽和状態となり、ロードライン５０３は楕円形を描きながら増加する。最高パワーを出力する瞬間において、ハーモニック制御されたピーク増幅器もハーモニック制御されたキャリア増幅器と同様に最大効率を達成し、ロードライン５０４は「Ｌ」字状となる。
【００３８】
図８は、本発明の好適な一実施形態による２-ウェイ方式のハーモニック制御回路を用いたハーモニック制御されたドハティ電力増幅装置を示す構成ブロック図である。
【００３９】
図８に示す本発明の一実施形態によるハーモニック制御されたドハティ電力増幅装置は、電力分配器６００、ハーモニック制御されたキャリア増幅器（ＨＣＡ）６２２、ハーモニック制御されたピーク増幅器（ＨＰＡ）６２４、オフセットライン６１６、第１クォータウェーブ伝送ライン６１８、第２クォータウェーブ伝送ライン６２０を備える。
【００４０】
ハーモニック制御されたキャリア増幅器６２２の入出力には、それぞれ入力及び出力整合回路６０２、６１２が連結され、ハーモニック制御されたピーク増幅器６２４の入出力には、それぞれ入力及び出力整合回路６０４及び６１４が連結される。
【００４１】
ハーモニック制御されたキャリア増幅器６２２は、キャリア増幅器６０６とハーモニック制御回路６０８とを含み、ハーモニック制御されたピーク増幅器６２４は、ピーク増幅器６０７とハーモニック制御回路６１０とを含む。
【００４２】
互いに並列に連結されているハーモニック制御されたキャリア増幅器６２２とハーモニック制御されたピーク増幅器６２４は、ドハティ増幅器を構成し、それぞれ同一の入力／出力整合回路を有している。
【００４３】
ハーモニック制御されたキャリア及びピーク電力増幅器は、飽和高効率電力増幅器であるｉｎｖｅｒｓｅ ｃｌａｓｓ Ｆのスイッチング又は飽和増幅器で実現される。ハーモニック制御回路６０８、６１０は、ハーモニック制御されたキャリア及びピーク増幅器で四角波形の電流とサイン半波の波形の電圧が得られるようにして、電流と電圧波形とは可能であれば、重なる領域がないようにして高効率特性を得るように設計される。
【００４４】
図９は、図８に示したハーモニック制御回路をインピーダンス成分で示すブロック図である。
【００４５】
図４及び図９から分かるように、２次の高調波成分２fｏのインピーダンスをオープンにするために、λ／４ラインとλ／１２ラインの伝送線路を用いてそのノードでショートに見えるようにし、λ／８ラインとチューニングラインを通じてパッケージングされた素子の寄生成分を補償しながら、電流源でオープンが見えるように回路を構成し、３次の高調波成分３ｆｏのインピーダンスをショットにするために、λ／１２ラインの伝送線路を用いてそのノードでショットに見え、寄生成分が補償された伝送ラインがλ／６ラインとなるようにして電流源でショットとなるように設計されている。
【００４６】
図１０の（ａ）は、前記のように設計された方式でドハティ電力増幅装置が電力レベルに応じて適切な波形を有しながら動作するかを検証するためにシミュレーションした結果を示し、このとき、キャリア増幅器はＯＫＩ社の０.１Ｗ ＫＧＦ１２８４ ＭＥＳＦＥＴモデルを用いてシミュレーションを行った。
【００４７】
図１０の（ａ）から、点線で表示された低電力出力レベルに対しては完全に電流四角波と電圧サイン半波の形状が現れないことから不完全な飽和状態であることが確認でき、実線で表示された中間電力レベルと一点鎖線で表示された最大電力レベルで電流四角波と電圧サイン半波の類似の波形が現れることが分かる。
【００４８】
図１０の（ｂ）は、シミュレーションを通じたピーク増幅器の電流及び電圧波形を示すグラフである。前述したように、低電力レベルに対してはほぼ動作せず、最大電力レベルとなるまで不完全な飽和状態が続き、電流四角波と電圧サイン半波の形状が現れず、最大電力レベルで電流四角波及び電圧サイン半波と類似の波形が現れることで、動作が正常に行われるか否かを確認できる。
【００４９】
図１１の（ａ）は、ＩＭ３（Ｉｎｔｅｒ−ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ３）レベルと、キャリア及びピーク増幅器のＩＭ３レベル及び位相差とを平均出力に対して表した２トーンシミュレーション（ｔｗｏ−ｔｏｎｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）グラフであって、２トーンシミュレーションを用いて本発明によるドハティ電力増幅装置が高効率ｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｌａｓｓ Ｆ電力増幅器よりも線形的に動作することを確認した。
【００５０】
参考までに、ＩＭ３とは、２つ以上の周波数が非線形システム又は回路を通過するとき、入力になかった信号が混変調して出力されることを意味し、ＩＭＤとは、そのような混変調ＩＭ成分による歪みそのものを意味する。特に、ＩＭ３成分、即ち２トーンである２つの周波数ｆ１とｆ２の例えば、出力には様々なハイブリッド成分が混じっている信号が出力されるが、２*ｆ１、３*ｆ２のような完全倍数性ハーモニックはフィルタによりろ過することができる。しかしながら、問題となるのは３次項、即ち２*ｆ１−ｆ２と２＊ｆ２−ｆ１であるが、これはｆ１とｆ２信号が非常に近づいているため、フィルタによっても除去できず、大体線形性の指標を表すようになる。
【００５１】
また、２トーンシミュレーションとは、主に計測器とテスト、ハーモニックバランスなどにおいて２つの周波数成分を用いて解析するか、測定する場合のことをいう。このような場合には、主にＩＭＤとＩＰ３を測定する場合に中心周波数を基準として「ｔｗｏ−ｔｏｎｅ ｓｐａｃｉｎｇ」の一種であるオフセット周波数を有する２種類のトーンを導入して２つの信号間のＩＭＤ、即ち増幅器の線形性がどの程度であるかを解析するために用いられる。
【００５２】
図１１の（ａ）に示すように、ＩＭ３の観点からＩＭ３レベルの分布は、高出力電力レベルで互いの大きさが類似し、この時のＩＭ３の相互間の位相が反対（互いの位相差が１８０゜）となり、ＩＭ３が相殺されることを類推できる。このような相殺効果により、図１１の（ｂ）に示すように、ＩＭＤ３が改善され既存の飽和高効率電力増幅器（図１１の（ｂ）には「Ｉｎｖｅｒｓｅ-Ｆ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」と表示される）より本発明のハーモニック制御されたドハティ電力増幅器（図１１の（ｂ）には「Ｓａｔ−Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」と表示される）を適用することで、より線形的に動作することが分かる。また、前述した高効率特性の長所と共に、スイッチング或いは飽和電力増幅器よりも線形的に動作する。
【００５３】
図１２は、Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ社の２つのＭＲＦ２８１素子を用いてｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｌａｓｓ Ｆ種類の本発明のドハティ増幅器を実現し、高効率特性を調べるためにＣＷ信号に対する測定されたドレイン効率特性を示す。図１２から分かるように、本発明のドハティ増幅器（図１２には「Ｓａｔ−Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」と表示される）は、既存の高効率電力増幅器（図１２には「Ｉｎｖｅｒｓｅ-Ｆ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」と表示される）よりも全般的な出力電力に対して効率特性が改善され、既存のシステムで重要視される平均出力電力に対して、即ち、３１ｄＢｍの出力電力に対して本発明のハーモニック制御されたドハティ増幅器は５５％の効率を示すので、従来よりも２５％以上改善された超高効率特性を示す。
【００５４】
図１３の（ａ）は、本発明のハーモニック制御されたドハティ増幅器にＷＣＤＭＡ信号を印加して線形性の尺度であるＡＣＬＲ（Ａｄｊａｃｅｎｔ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｌｅａｋａｇｅ Ｒａｔｉｏ）を平均出力電力の観点から実験した結果を示すグラフである。
【００５５】
ここで、ＡＣＬＲとは、ＷＣＤＭＡのようなスペクトラムのある信号に対して周波数ドメイン上から任意のオフセットだけ離れている隣接チャネルと自己チャネルとのスペクトラム上において、マーカ・ツー・マーカ（ｍａｒｋｅｒ ｔｏ ｍａｒｋｅｒ）により比較したことをいう。即ち、残りのチャネルから自己チャネルのマーカを差し引いた値を意味する。この時に発生した隣接チャネルのスペクトラムは、増幅器の非線形特性により生成されるものであり、ＡＣＬＲも増幅器の線形性を表す指標として用いられる。
【００５６】
図１３の（ａ）から分かるように、本発明のハーモニック制御された増幅器（図面上には「Ｓａｔ−Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」と表示される）は、従来の電力増幅器（図面上には「Ｉｎｖｅｒｓｅ-Ｆ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」と表示される）よりも全般的な出力電力に対して線形性が遥かに改善されていることが分かる。
【００５７】
図１３の（ｂ）は、本発明のハーモニック制御されたドハティ増幅器（図面上には「Ｓａｔ−Ｄｏｈｅｒｔｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」と表示される）にＷＣＤＭＡ信号を印加して平均出力電力の観点からドレイン効率を実験した結果を示すグラフである。図示するように、変調された信号に対しても、超高効率特性を確認することができる。
【００５８】
一方、本発明の実施形態によるハーモニック制御回路を用いたハーモニック制御されたキャリア増幅器及びピーク増幅器内に備えられる素子はＭＯＳ系の素子だけでなく、ＢＪＴ系の素子も適用が可能であり、それに関する連結関係及び動作は、本発明の技術分野において通常の知識を有する者であれば容易に分かるものであるため、具体的な説明は省略する。
【００５９】
上述したように、本発明は従来の物性超高周波ドハティ増幅器及び他の高効率電力増幅器よりも効率特性を改善させ、線形的な特性を得るために簡単な構成のハーモニック制御回路を用いるドハティ増幅器を構成して性能的において側面で高性能を提供するものである。
【００６０】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】２-ウェイ方式のドハティ電力増幅装置を示す構成ブロック図である。
【図２】Ｎ-ウェイ方式のドハティ電力増幅装置を示す構成ブロック図である。
【図３】Ｎ-ステージ方式のドハティ電力増幅装置を示す構成ブロック図である。
【図４】本発明の実施形態によるハーモニック制御されたドハティ電力増幅装置の動作原理を示す概念図である。
【図５】本発明の実施形態によるドハティ電力増幅装置の基本電流成分（ａ）と、基本電圧成分（ｂ）を入力電圧に応じてそれぞれ示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態によるドハティ電力増幅装置のロードインピーダンス（ａ）と効率（ｂ）を入力電圧に応じてそれぞれ示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本発明のハーモニック制御されたキャリア電力増幅器のロードインピーダンスをロードラインの観点から示すグラフであり、（ｂ）は、本発明のハーモニック制御されたピーク電力増幅器のロードインピーダンスをロードラインの観点から示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態による２-ウェイ方式のｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｌａｓｓ Ｆタイプにハーモニック制御されたドハティ電力増幅装置を示す構成ブロック図である。
【図９】図８のｉｎｖｅｒｓｅ Ｃｌａｓｓ Ｆタイプにハーモニック制御された電力増幅器を実現するためのハーモニック制御回路の構造を示すブロック図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の一実施形態によるハーモニック制御されたキャリア電力増幅器の電流及び電圧成分の波形を電力レベルによって比較したシミュレーショングラフであり、（ｂ）は、本発明の一実施形態によるハーモニック制御されたピーク電力増幅器の電流及び電圧成分の波形を電力レベルによって比較したシミュレーショングラフである。
【図１１】（ａ）は、本発明の一実施形態によるハーモニック制御されたキャリア及びハーモニック制御されたピーク電力増幅器のＩＭ３レベルと、それぞれのＩＭ３位相差を平均出力に対して考察した２トーンシミュレーショングラフであり、（ｂ）は、本発明の一実施形態によるハーモニック制御されたドハティ電力増幅器と従来の電力増幅器であるｉｎｖｅｒｓｅ-Ｆ電力増幅器のＩＭＤ３レベルを平均出力に対して考察した２トーンシミュレーショングラフである。
【図１２】本発明の一実施形態によるハーモニック制御されたドハティ電力増幅器と従来の電力増幅器であるｉｎｖｅｒｓｅ-Ｆ電力増幅器のドレイン効率を平均出力に対して考察した実験グラフである。
【図１３】（ａ）は、本発明の一実施形態によるハーモニック制御されたドハティ電力増幅器と従来の電力増幅器であるｉｎｖｅｒｓｅ-Ｆ電力増幅器のＷＣＤＭＡ信号に対するＡＣＬＲを平均出力に対して考察した実験グラフであり、（ｂ）は、本発明の一実施形態によるハーモニック制御されたドハティ電力増幅器と従来の電力増幅器であるｉｎｖｅｒｓｅ-Ｆ電力増幅器のＷＣＤＭＡ信号に対するドレイン効率を平均出力に対して考察した実験グラフである。
【図１】
2008199625.tif 000007
【図２】
2008199625.tif 000008
【図３】
2008199625.tif 000009
【図４】
2008199625.tif 000010
【図５】
2008199625.tif 000011
【図６】
2008199625.tif 000012
【図７】
2008199625.tif 000013
【図８】
2008199625.tif 000014
【図９】
2008199625.tif 000015
【図１０】
2008199625.tif 000016
【図１１】
2008199625.tif 000017
【図１２】
2008199625.tif 000018
【図１３】
2008199625.tif 000019