(57)【要約】【課題】ドハティ出力ネットワークの特性インピーダンス調節を単純化させて、信号増幅装置を小型化し、入力信号の電力レベルによってドハティ増幅器を制御して、高効率及び高線形性を有する信号増幅装置を提供する。  【解決手段】本発明によるドハティ増幅器を用いた信号増幅装置は、１つの入力信号を第１及び第２信号に分割させるスプリッターと、入力信号の電力レベルによってベースバイアス信号を発生させる第１及び第２バイアス制御ネットワークと、第１入力信号を増幅する搬送増幅器及び第２入力信号を増幅するピーキング増幅器を含むドハティ増幅器と、増幅された信号を組み合わせるドハティ出力ネットワークとを含む。  【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号増幅装置であって、
１つの入力信号を２つの信号に分離し、各々第１及び第２伝送路に伝達するスプリッターと、
前記入力信号の電力レベルにより動作モードを異なるようにして、バイアス信号を発生させる第１及び第２バイアス制御ネットワークと、ここで前記入力信号の電力レベルが予め定められた閾値より低ければ、制御ネットワークの低い電力動作モードに該当し、入力信号の電力レベルが予め定められた閾値より高ければ、制御ネットワークの高い電力動作モードに該当する、
前記第１伝送路を通じて伝達される信号を増幅する搬送増幅器及び前記第２伝送路を通じて伝達される信号を増幅するピーキング増幅器を含むドハティ増幅器と、
前記搬送増幅器及びピーキング増幅器で増幅された信号等を整合させて出力するドハティ出力ネットワークとを含むことを特徴とするドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項２】
前記搬送増幅器は、前記第１バイアス制御ネットワークから伝達されるバイアス信号によって、前記低い電力動作モードではアイドル電流を減少させ、前記高い電力動作モードではＡＢ級増幅器として動作し、
前記ピーキング増幅器は、前記第２バイアス制御ネットワークから伝達されるバイアス信号によって、前記低い電力動作モードではターンオフされ、前記高い電力動作モードではＡＢ級増幅器として動作することを特徴とする請求項１に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項３】
前記第１バイアス制御ネットワークは、前記入力信号の電力レベルによって異なる制御電圧が印加されるＶｃｏｎｔＣピンと、前記ＶｃｏｎｔＣピンに印加された制御電圧によって前記搬送増幅器に異なるベースバイアス信号を伝達するＶｒｅｆＣピンとを含み、
前記第２バイアス制御ネットワークは、前記入力信号の電力レベルによって異なる制御電圧が印加されるＶｃｏｎｔＰピンと、前記ＶｃｏｎｔＰピンに印加された制御電圧によって前記ピーキング増幅器に異なるベースバイアス信号を伝達するＶｒｅｆＰピンとを含むことを特徴とする請求項１に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項４】
前記ＶｃｏｎｔＣピンに印加される前記制御電圧が、前記ＶｃｏｎｔＰピンに印加される電圧と同じであることを特徴とする請求項３に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項５】
前記ＶｃｏｎｔＣピン及びＶｃｏｎｔＰピンには、前記低い電力動作モードでは２〜３Ｖの電圧が印加され、前記高い電力動作モードでは０Ｖの電圧が印加されることを特徴とする請求項４に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項６】
前記信号増幅装置は、前記搬送増幅器またはピーキング増幅器の入力端に設けられ、前記高い電力動作モード時に前記第１及び第２伝送路間の利得差を補償する減衰器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項７】
前記減衰器は、受動素子またはＶＧＡ（Variable Gain Amplifier）で実行されることを特徴とする請求項１に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項８】
前記信号増幅装置は、前記第１及び第２伝送路間の遅延時間及び位相差を補償する第１伝送線路をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項９】
前記第１伝送線路は、集中素子を用いて実行されることを特徴とする請求項８に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項１０】
前記ドハティ出力ネットワークは、
前記搬送増幅器の出力端に位置し、特性インピーダンスＲｏｃ及び位相角θcを有する第２伝送線路と、
前記ピーキング増幅器の出力端に位置し、特性インピーダンスＲｏｐ及び位相角θpを有する第３伝送線路と、
前記第２伝送線路と連結され、前記特性インピーダンスＲｏｃ及び位相角９０°を有する第４伝送線路とを含むことを特徴とする請求項１に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項１１】
前記第２〜第４伝送線路は、集中素子を用いて実行されることを特徴とする請求項１０に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項１２】
前記特性インピーダンスＲｏｐは５０・（１＋α）であり、
前記αは、搬送増幅器とピーキング増幅器の大きさの比率であることを特徴とする請求項１０に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【請求項１３】
前記特性インピーダンスＲｏｃは５０・（１＋α）／αであり、
前記αは、搬送増幅器とピーキング増幅器の大きさの比率であることを特徴とする請求項１０に記載のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号増幅装置に関し、特に、移動通信端末機の信号増幅器として適当なドハティ増幅器を用いた信号増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、ドハティ増幅器は、入力及び出力インピーダンス整合を行う高効率の増幅器である。ドハティ増幅器は、一般的に２つの増幅器、搬送増幅器及びピーキング増幅器を用い、入力信号の電力レベル及びピーキング増幅器から負荷線に伝達される電流の量によって、搬送増幅器の負荷線インピーダンスを制御する。広い入力信号帯域で高効率の動作性能を得るために、ドハティ増幅器は、搬送増幅器及びピーキング増幅器をλ／４伝送線路を用いて並列に連結する。
【０００３】
ドハティ増幅器は、初期には高電力低周波／中周波真空管を用いる放送装備の振幅変調伝送器として用いられた。その後、ドハティ増幅器を静的高電力伝送器に適用しようとする種々の試みが行われた。
図１は、従来のドハティ増幅器を用いた信号増幅装置を示す回路図である。
【０００４】
図１に示すように、信号増幅装置は、スプリッター１０、伝送線路１５、ドハティ増幅器２０、第１負荷線３０及び第２負荷線４０を含む。ドハティ増幅器２０は、搬送増幅器２３及びピーキング増幅器２４を有する。また、搬送増幅器２３は入力整合回路２１及びトランジスター２２を含み、同様にピーキング増幅器２４は入力整合回路２１’及びトランジスター２２’を含む。
【０００５】
通常のドハティ増幅器の場合、入力信号はスプリッター１０により２つの信号に分割されてドハティ増幅器２０に入力される。２つの信号のうち１つの信号は搬送増幅器２３に入力され、他の信号は特性インピーダンスＺａを有する伝送線路１５を通じてピーキング増幅器２４に入力される。ここで、伝送線路１５は、ピーキング増幅器２４に入力される信号を９０°遅延させて搬送増幅器２３に入力される信号との遅延時間差を調節する。
【０００６】
搬送増幅器２３及びピーキング増幅器２４のトランジスター２２、２２’は、入力信号の電力レベルに関係なく、予め定められたベースバイアス電圧をそれぞれ受信する。ピーキング増幅器２４は、入力信号の電力レベルによって第２負荷線４０に電流を供給する。第２負荷線４０に供給される電流量が変更されるに従って、搬送増幅器２３の出力端に位置した第１負荷線３０のインピーダンスは、ドハティ増幅器２０の効率を制御するように調節される。特性インピーダンスＺｍ及びＺｂを有するλ／４伝送線路が第１及び第２負荷線３０、４０として搬送増幅器２３及びピーキング増幅器２４の出力端に位置する。
【０００７】
そして、第１負荷線３０及びピーキング増幅器２４からの出力された信号は、組合せ回路共通ノード５０で結合されて出力される。
しかし、前述のドハディ増幅器を用いた信号増幅装置は、ドハティ増幅器の出力インピーダンスが５０Ωに整合するためには付加的なλ／４伝送線路が必要であるので、実質的な回路の大きさが大きくなる。ここで、５０Ωは従来の出力インピーダンスとして用いられる抵抗である。このような理由で、従来のドハティ増幅器を増幅器が含まれた回路の大きさが重要な要素となる移動通信端末機に使用するのは不適合である。
【０００８】
また、通常的なドハティ増幅器は入力信号の電力レベルに関係なく、一定のバイアス電圧を搬送増幅器及びピーキング増幅器に供給するので、入力信号の周波数が大幅に変わる移動通信端末機に使用するのは不適合である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するためのものであり、入力信号の電力レベルによって互いに異なるバイアス信号をドハティ増幅器に供給することで、高線形性及び高効率をなすことができ、ドハティ増幅器の出力端に位置したドハティ出力ネットワークの特性インピーダンスの調節により小型化の可能な信号増幅装置が提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記のような目的を達成するために、本発明は、信号増幅装置において、
１つの入力信号を２つの信号に分離してそれぞれ第１及び第２伝送路に伝達するスプリッターと、前記入力信号の電力レベルによって動作モードを異なるようにしてバイアス信号を発生させる第１及び第２バイアス制御ネットワーク、ここで、前記入力信号の電力レベルが予め定められた閾値より低ければ、制御ネットワークの低い電力動作モードに該当し、入力信号の電力レベルが予め定められた閾値より高ければ、制御ネットワークの高い電力動作モードに該当する、前記第１伝送路を通じて伝達される信号を増幅する搬送増幅器及び前記第２伝送路を通じて伝達される信号を増幅するピーキング増幅器を含むドハティ増幅器と、前記搬送増幅器及びピーキング増幅器で増幅された信号を整合させて出力するドハティ出力ネットワークとを含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ドハティ出力ネットワークの特性インピーダンスを調節して単純化させ、信号増幅装置を小型化させることができる。
また、本発明は、入力信号の高電力または低電力レベルにより、バイアス信号を異なるように発生させてドハティ増幅器を制御することで、高効率及び高線形性を有する信号増幅装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施例を添付の図面により詳細に説明する。
図２は、本発明の好適な実施例によるドハティ増幅器を用いた信号増幅装置を示す回路図である。
図２に示すように、信号増幅装置は、スプリッター１００、減衰器１１０、第１伝送線路１２０、ドハティ増幅器２００、第１及び第２バイアス制御ネットワーク３００，３１０及びドハティ出力ネットワーク４００を含む。ドハティ増幅器２００は、搬送増幅器２１０及びピーキング増幅器２２０を含む。搬送増幅器２１０は、入力整合回路２１１、駆動トランジスター２１２、インターステージ（inter-stage）整合回路２１３、出力端トランジスター２１４及び出力整合回路２１５を有する。同様に、ピーキング増幅器２２０は、入力整合回路２２１、駆動トランジスター２２２、インターステージ（inter-stage）整合回路２２３、出力端トランジスター２２４及び出力整合回路２２５を有する。ここで、ドハティ増幅器２００を構成する搬送増幅器２１０及びピーキング増幅器２２０の構造は、本発明の好適な実施の形態では、図２のように２つのトランジスターからなる２-ステージを例に挙げて説明したが、シングルステージ（single-stage）又は２以上のステージの構造を有することもできるということは当業者にとって自明なことであろう。
【００１３】
スプリッター１００は、ウィルキンソン（Wilkinson）分配器又は受動素子を用いて実行され、１つの入力信号を２つの伝送路、即ち第１伝送路及び第２伝送路に出力するが、第１伝送路には搬送増幅器２１０及び減衰器１１０があり、第２伝送路にはピーキング増幅器２２０及び第１伝送線路１２０がある。第１伝送路に出力された信号は搬送増幅器２１０先端の減衰器１１０に入力され、第２伝送路に出力された信号は第１伝送線路１２０を通じてピーキング増幅器２2０に入力される。
【００１４】
減衰器１１０は、抵抗のような受動素子またはＶＧＡ（Variable Gain Amplifier）のような能動素子を用いて実行され、第１伝送路上の搬送増幅器２１０の入力端に位置する。減衰器１１０は、スプリッター１００から伝達された信号を減衰させて搬送増幅器２１０に提供し、信号減衰を通じて第１及び第２伝送路の間の利得差を補償する。本発明の１実施例においては、減衰器１１０が第１伝送路の搬送増幅器２１０の入力端に位置しているが、第２伝送路上のピーキング増幅器２２０の入力端に位置することもできる。
【００１５】
第１伝送線路は、ピーキング増幅器２２０とスプリッターとの間に位置し、第１及び第２伝送路に伝達される信号等の間の遅延時間及び位相差を補償するものであり、特性インピーダンスＲｉｐ及び位相角θｉｐを有するオフセット（offset）伝送線路である。また、第１伝送線路１２０は集中素子（lumped element）を用いて実行することができる。
【００１６】
第１バイアス制御ネットワーク３００は、入力信号の電力レベルによって互いに異なる制御電圧が印加されるＶｃｏｎｔＣピン及びＶｃｏｎｔＣピンに印加される制御電圧によって互いに異なるベースバイアス電圧を搬送増幅器２１０に供給するＶｒｅｆＣピンを有する。また、第２バイアス制御ネットワーク３１０は、ＶｃｏｎｔＣピンと同じ電圧が印加されるＶｃｏｎｔＰピンと、ＶｃｏｎｔＰピンに印加された電圧によって互いに異なるベースバイアス制御電圧をピーキング増幅器２２０に供給するＶｒｅｆＰピンとを有する。換言すれば、第１及び第２バイアス制御ネットワーク３００、３１０は、ＶｃｏｎｔＣピン及びＶｃｏｎｔＰピンに印加される制御電圧によって低い電力動作モードと高い電力動作モードとの間で変更し、動作モードによって互いに異なるベースバイアス電圧を発生させて、各々ＶｒｅｆＣピン及びＶｒｅｆＰピンを通じて搬送増幅器２１０及びピーキング増幅器２２０に供給する。
【００１７】
ＶｃｏｎｔＣピン及びＶｃｏｎｔＰピンに印加される制御電圧は、入力信号の電力レベルによって変更される。その例として、入力信号が予め定められた閾値電力レベル以下である場合に２〜３Ｖの高電圧が第１及び第２バイアス制御ネットワーク３００、３１０に印加される。逆に、入力信号が予め定められた閾値電力以上の値を有するときは、０Ｖの低い電圧が第１及び第２バイアス制御ネットワーク３００、３１０に印加される。
【００１８】
ＶｃｏｎｔＣピンに高電圧が印加される時、第１バイアスネットワーク３００の動作モードは、低い電力動作モードに変更され、これによってＶｒｅｆＣピンを通じて搬送増幅器２１０に供給されるバイアス電圧が減少される。すると、トランジスター２１２、２１４のコレクターアイドル電流も減少される。同様に、ＶｃｏｎｔＰピンに高電圧が印加される時、第２バイアスネットワーク３１０の動作モードは、低い電力動作モードに変更し、ＶｒｅｆＰピンを通じて提供されたバイアス電圧によりトランジスター２２２、２２４をバイアスしてピーキング増幅器２２０をオフさせる。
【００１９】
他方、ＶｃｏｎｔＣピン及びＶｃｏｎｔＰピンに低電圧（０Ｖ）が印加される時、第１及び第２バイアス制御ネットワーク３００、３１０はそれぞれ高い電力動作モードに変更され、これによってＶｒｅｆＣピン及びＶｒｅｆＰピンを通じてベースバイアス電圧が搬送増幅器２１０及びピーキング増幅器２２０に提供されてトランジスター２１２、２１４、２２２、２２４をバイアシングする。このような方法で、搬送増幅器２１０及びピーキング増幅器２２０は、各々ＡＢ級増幅器として動作する。換言すれば、入力信号の電力レベルが予め定められた閾値電圧より低ければ（低い電力動作モード）、搬送増幅器２１０のみが通常のドハティ増幅器として動作して、高効率の特性を得ることができる。また、入力信号電力レベルが予め定められた閾値電圧以上（高い電力動作モード）では、搬送増幅器２１０及びピーキング増幅器２２０がＡＢ級増幅器として動作し、高効率及び高線形性を得ることができる。
【００２０】
図２に示すように、ドハティ増幅器２００には、いくつかの整合回路、即ち、入力整合回路２１１、２２１、インターステージ整合回路２１３、２２３、及び出力整合回路２１５、２２５がある。入力整合回路２１１、２２１は、各々トランジスター２１２、２２２の入力信号を整合し、インターステージ整合回路２１３、２２３は各々トランジスター２１２、２２２の出力信号を整合する。出力整合回路２１５、２２５は、各々トランジスター２１４、２２４の出力信号を整合する。
【００２１】
ドハティ増幅器２００の搬送増幅器２１０は、減衰器１１０により減衰された信号を増幅した後、増幅された信号をドハティ出力ネットワーク４００に出力する。また、ピーキング増幅器２２０は、第１伝送線路１２０で補償された信号を増幅し、増幅された信号をドハティ出力ネットワーク４００に出力する。
【００２２】
ドハティ出力ネットワーク４００は、任意の長さを有する多数の伝送線路を含み、搬送増幅器２１０及びピーキング増幅器２２０で増幅された信号を組み合わせて出力する。特に、ドハティ出力ネットワーク４００は、搬送増幅器２１０の出力端に位置し、特性インピーダンスＲｏｃ及び位相角θｃを有する第２伝送線路４１０と、ピーキング増幅器２２０の出力端に位置し、特性インピーダンスＲｏｐ及び位相角θｐを有する第３伝送線路４２０と、第２伝送線路４１０と第３伝送線路４２０との間に連結されて、特性インピーダンスＲｏｃ及び位相角９０°を有する第４伝送線路４３０とを含む。ここで、ドハティ動作のために、搬送増幅器２１０の出力は第２伝送線路４１０の特性インピーダンスＲｏｃと整合される必要があり、ピーキング増幅器２２０の出力も第３伝送線路４２０の特性インピーダンスＲｏｐに整合される必要がある。このような伝送線路４１０、４２０、４３０は、集中素子を用いることにより実行できる。
【００２３】
前述の構造を有する本発明による信号増幅装置は、高い電力動作モードでは搬送増幅器２１０及びピーキング増幅器２２０がＡＢ級増幅器として動作するため、最適負荷インピーダンスの低下か発生する。このような低下された最適負荷インピーダンスを増幅器２１０、２２０の出力端で５０Ωに調整するために、第２及び第３伝送線路４１０、４２０の特性インピーダンスＲｏｐ,Ｒｏｃの大きさは下記のような数式を用いて調節することができる。
【００２４】
［数１］
Ｒｏｐ＝５０・（１＋α）
【００２５】
［数２］
Ｒｏｃ＝５０・（１＋α）／α
ここで、αは搬送増幅器２１０の大きさ及びピーキング増幅器２２０の大きさの比率である。従って、ドハティ出力ネットワーク４００は、信号増幅装置から出力信号の漏れを防ぎ、求める負荷インピーダンスをドハティ出力ネットワーク４００の出力端で付加的なλ／４伝送線路を使用せずに得ることができる。また、第２伝送線路４１０及び第３伝送線路４２０の位相角θｃ、θｐは、負荷インピーダンスの抵抗成分及びリアクティブ成分を整合させることにより定められ、従って、最高の出力電力を得ることができる。位相角θｃ及びθｐを定める方法は、Y.Yang, J. Yi, Y.Y. Woo, B. Kimの「Optimum Design for Linearity and Efficiency of a Microwave Doherty Amplifier using a New Load Matching Technique」, Microwave Journal, pp.20−36, December 2001に開示されている。
【００２６】
図３は、本発明による信号増幅装置の出力電力レベルに対する電力付加効率（power-added efficiency, PAE）に対するグラフである。低い電力領域では、入力信号が予め定められた閾値電圧より低い時、搬送増幅器２１０は通常のドハティ増幅器として動作し、ピーキング増幅器２２０はピンチオフ（pinch off）されるので、本発明による信号増幅装置の効率曲線は通常のドハティ増幅器の効率曲線と同じである。また、高い電力領域では、入力信号が予め定められた閾値電圧より高い時、搬送増幅器２１０及びピーキング増幅器２２０がＡＢ級増幅器として動作するので、本発明による信号増幅装置はＡＢ級増幅器の高効率性を有する。従って、本発明による信号増幅装置の電力付加効率（ＰＡＥ）を示すグラフは、予め定められた入力電力レベルの近くで折れるようになり、低い入力電力レベルでは高い効率性を、高い入力電力レベルでは高効率性及び線形性を有する。このような特性は、低電力信号の伝送を広く受容する必要のあるＣＤＭＡ通信システムで用いられる信号増幅装置に必須である。また、第２及び第３伝送線路４１０、４２０の特性インピーダンスを調節することにより、通常のドハティ増幅器でインピーダンスを５０Ωにあわせるために用いられる付加的なλ／４伝送線路が必要なくなり、信号増幅回路を縮小させることができる。
【００２７】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来技術によるドハティ増幅器を用いた信号増幅装置を示す回路図。
【図２】本発明の好適な実施の形態によるドハティ増幅器を用いた信号増幅装置を示す回路図。
【図３】本発明によるドハティ増幅器を用いた信号増幅装置の電力付加効率曲線を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２９】
１００：スプリッター  １１０：減衰器  １２０：第１伝送線路  ２００：ドハティ増幅器  ２１０：搬送増幅器  ２２０：ピーキング増幅器  ３００：第１バイアス制御ネットワーク  ３１０：第２バイアス制御ネットワーク  ４００：ドハティ出力ネットワーク
【図１】
2004173231.tif 000003
【図２】
2004173231.tif 000004
【図３】
2004173231.tif 000005