(57)【要約】【課題】理想的な線形増幅、電力合成動作が得られるドハーティ増幅器を提供する。【解決手段】ドハーティ増幅器において、ピーク増幅器２にキャリア増幅器１と飽和ドレイン電流がほぼ等しく、ゲート幅が同一（飽和電力がほぼ等しいことと同じ）でピンチオフ電圧がおよそ半分の増幅デバイス（ＦＥＴ）を使用する。総合効率が極めて高く理想的な線形増幅動作が得られる。【選択図】        図１
2004289492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア増幅器とピーク増幅器からなるドハーティ増幅器において、
前記ピーク増幅器の増幅の開始電圧は前記キャリア増幅器の飽和領域までの中間値に設定され、前記キャリア増幅器と前記ピーク増幅器のそれぞれの飽和領域での飽和電流はほぼ等しく設定されたことを特徴とするドハーティ増幅器。
【請求項２】
キャリア増幅器とピーク増幅器からなるドハーティ増幅器において、
前記ピーク増幅器のピンチオフ電圧は前記キャリア増幅器の飽和領域までの中間値に設定され、前記キャリア増幅器と前記ピーク増幅器のそれぞれの飽和領域での飽和ドレイン電流はほぼ等しいように設定されたことを特徴とするドハーティ増幅器。
【請求項３】
キャリア増幅器及びピーク増幅器の増幅素子として電界効果トランジスタを使用するドハーティ増幅器において、
前記ピーク増幅器に使用する電界効果トランジスタは、前記キャリア増幅器に使用する電界効果トランジスタに対し、飽和ドレイン電流はほぼ等しく、ゲート幅はほぼ等しく設定され、ピンチオフ電圧はほぼ半分に設定されたことを特徴とするドハーティ増幅器。
【請求項４】
最大値を１として規格化した入力電圧に対し、キャリア増幅器の入力電圧対出力電流特性の前記入力電圧が０．５の点を遷移点とし、入力電圧の前記遷移点から増幅が開始され、飽和点でキャリア増幅器と出力電流が略一致するピーク増幅器を使用することを特徴とするドハーティ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はドハーティ増幅器に関し、特に、増幅特性を改善したドハーティ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の携帯端末市場の爆発的な普及とそれに伴うインフラ整備により、基地局用の送信増幅器に対しても効率改善の市場からの要求は厳しく、ドハーティ増幅器を始めとし、高効率に信号を増幅する手法と、その低歪み化や最近の歪み補償技術との組み合わせによって、高性能、高効率な増幅器を構築しようという点に注目があつまってきている。
【０００３】
ドハーティ増幅器は、常に信号の増幅動作を行う増幅器（「キャリア増幅器」という。）と、高電力出力時のみに動作するピーク増幅器あるいは補助増幅器と呼ばれる増幅器（「ピーク増幅器」という。）とを有し、入力信号をキャリア増幅器側とピーク増幅器側に分配し、キャリア増幅器とピーク増幅器の出力を合成して出力する構成でなる（非特許文献１〜３、特許文献１、２参照）。また、同一のデバイスを２台から複数台並列に配置して構成したドハーティ増幅器も一般的であり、実際に低周波からミリ波にわたる周波数帯まで数多く実現されてきている。
【０００４】
【非特許文献１】
１９３６年のＷ．Ｈ．  Ｄｏｈｅｒｔｙ  “Ａ  Ｎｅｗ  Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｆｏｒ  Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｗａｖｅｓ”，Ｐｒｏｃ．ＩＲＥ，Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．９，Ｓｅｐｔ．
【非特許文献２】
Ｓｔｅｖｅ  Ｃ．  Ｃｒｉｐｐｓ著“ＲＦ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ａｒｔｅｃｈ  Ｈｏｕｓｅ  １９９９  ｐ２３６
【非特許文献３】
Ｓｔｅｖｅ  Ｃ．  Ｃｒｉｐｐｓ著“Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｉｎ  ＲＦ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”，Ａｒｔｅｃｈ  Ｈｏｕｓｅ  ２００２  ｐ５０
【特許文献１】
特開２００２−１２４８４０号公報
【特許文献２】
特開平７−２２８５２号公報
【特許文献３】
特表２０００−５１３５３５号公報
図３は、従来のドハーティ増幅器の構成を示す図であり、図３（ａ）は回路構成、図３（ｂ）は２つの増幅デバイスの動作特性である。常に信号の増幅動作を行うキャリア増幅器１０と、高電力出力時のみに増幅動作を行うピーク増幅器２０とを有し、キャリア増幅器１０とピーク増幅器２０の前段には、入力信号を分配するための、ピーク増幅器２０の伝達特性に応じて振幅成分を補償する利得補償器３０を含む入力分岐回路５０と、キャリア増幅器１０とピーク増幅器２０の出力段には、各増幅器出力を合成して出力する出力合成回路４０と、を有する。
【０００５】
また、従来のドハーティ増幅器では、図３（ｂ）に示すようにキャリア増幅器１０とピーク増幅器２０には、同等特性の増幅デバイスを用いている。例えば、増幅器デバイスの伝達コンダクタンス（出力電流／入力電圧）の特性、入力電圧に対する出力電流の変化の傾き特性が同等のもの、より具体的には増幅デバイスとして電界効果トランジスタ（「ＦＥＴ」という。）を使用する場合、伝達コンダクタンスｇｍ特性（ゲート電圧Ｖｇｓ対ドレイン電流Ｉｄ：Ｖｇｓ−Ｉｄ特性）の特性が同等なＦＥＴを使用する。なお、通常のドハーティ増幅器の動作原理については、たとえば最近の非特許文献３などの文献により当業者にとってよく知られているので、ここではその詳細を省略する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すようにキャリア増幅器とピーク増幅器に同等特性の増幅デバイスを用いたドハーティ増幅器では、特にピークアンプ側の動作に理想的な動作から差が生じるという問題があった。これは、使用する増幅デバイスの伝達コンダクタンス特性がキャリア増幅器とピーク増幅器とで同一の場合、そのままでは理想的な線形増幅作用や飽和出力電力が得られないというものである。これに対しては、いくつかの改善方法が提案されている（非特許文献２、３、特許文献１、２参照）。
【０００７】
たとえば、非特許文献２では、ピーク増幅器の入力に可変減衰器を備え、入力レベルの大小に応じて減衰量を制御して伝達特性を補償する手段を提案している。また、特許文献１では、前記可変減衰器による改善方法の外にピーク増幅器の入力信号レベルにより増幅器のバイアス条件を制御する手段を提案している。特に、非特許文献３では、具体的なブロック図等はみあたらないが、キャリア増幅器のバイアス設定を、入力信号レベルによって、Ｃ級バイアスだったものをＢ級バイアスにまで適応制御し、ドハーティ増幅器として最大電力を得る方法を提案している。
【０００８】
しかしながら、入力レベルに応じてピーク増幅器の入力の減衰量を制御するものや、増幅器のバイアス条件を制御するもの、バイアスを適応制御するもの等、従来のドハーティ増幅器は、いずれの構成のものも検波−判定−制御など、回路が複雑になるという問題がある。
【０００９】
（目的）
本発明の目的は、より簡易的な方法で、理想的な線形増幅、電力合成動作が得られるドハーティ増幅器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のドハーティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器からなるドハーティ増幅器において、前記ピーク増幅器の増幅の開始電圧は前記キャリア増幅器の飽和領域までの中間値に設定され、前記キャリア増幅器と前記ピーク増幅器のそれぞれの飽和領域での飽和電流はほぼ等しく設定されたことを特徴とする。
【００１１】
また、キャリア増幅器とピーク増幅器からなるドハーティ増幅器において、ピーク増幅器に、キャリア増幅器と飽和ドレイン電流（Ｉｄｓｓ）がほぼ等しく、ゲート幅が同一（飽和電力がほぼ等しい）でピンチオフ電圧がおよそ半分のデバイスを使用すること特徴とする。また、キャリア増幅器に、ピーク増幅器と飽和ドレイン電流がほぼ等しく、ゲート幅が同一でピンチオフ電圧がおよそ倍のデバイスを使用することを特徴とする。
【００１２】
より具体的には、本発明のドハーティ増幅器は、図３に示すキャリア増幅器、ピーク増幅器、出力合成回路及び入力分岐回路からなりキャリア増幅器及びピーク増幅器にほぼ同等特性のデバイスを使用している構成のドハーティ増幅器に対して、ピーク増幅器にキャリア増幅器と飽和ドレイン電流がほぼ等しく、ゲート幅が同一でピンチオフ電圧がおよそ半分のデバイスを使用することにより、ドハーティ増幅器として、より理想的な高効率な電力増幅作用を得ることにある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のドハーティ増幅器の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（構成の説明）
図１は、本実施の形態のドハーティ増幅器を示す図である。本ドハーティ増幅器は、回路構成上は従来技術と類似しており、常に信号の増幅動作を行うキャリア増幅器１と、瞬時電力が高電力出力時にのみに動作するピーク増幅器２とを有する。
【００１４】
キャリア増幅器１の出力信号とピーク増幅器２の出力信号を同相で合成して出力するための位相器３と、キャリア増幅器１の後段のキャリア増幅器１とピーク増幅器２の出力を合成して出力する出力合成回路４と、入力信号をキャリア増幅器１側とピーク増幅器２側に分配する前記位相器３を含む入力分岐回路５とを有する。
【００１５】
一般にドハーティ増幅器は、飽和出力電力近傍で飽和を維持しながら動作するキャリア増幅器１を有することにより、飽和電力からバックオフをとった出力時においても、通常のＡ級、ＡＢ級増幅器より高い効率が実現される。キャリア増幅器１には、通常ＡＢ級やＢ級にバイアスされた増幅器が用いられることが多い。また、ピーク増幅器２は瞬時の信号電力が高出力時にのみ動作するよう、通常はＣ級にバイアスされて使用されることが多い。
【００１６】
キャリア増幅器１とピーク増幅器２の出力を結合する出力合成回路４は、トランスで構成されており、通常１／４波長の伝送線路からなる。入力分岐回路５は、ピーク増幅器２とキャリア増幅器１の出力信号の位相関係を、出力合成回路４の信号合成点で同相にするための１／４波長の伝送線路や、あるいは９０°ハイブリッド回路などで構成される。
【００１７】
ドハーティ増幅器はおおきく３つの動作領域に分けられる。すなわち低レベル領域、遷移領域、飽和領域に分けられる。本実施の形態では、図１に示すように、ピーク増幅器２のバイアスを、上記遷移領域から増幅動作を開始するようにＣ級に設定する。更にピーク増幅器２の飽和電流をキャリア増幅器１の飽和電流とほぼ等しく設定する。このような構成ににすることにより、入力電圧が最大となるとキャリア増幅器１及びピーク増幅器２のドレイン電流が飽和に達し、ドハーティ増幅器としての飽和最大出力に到達する。この結果、遷移領域から飽和点までの間、ドハーティ増幅器の総合効率は極めて高く維持される。
【００１８】
本実施の形態では、より具体的には、キャリア増幅器１とピーク増幅器２の増幅デバイスとしてＦＥＴ、特に、接合型ＦＥＴを使用し、ピーク増幅器２に使用するデバイスとしてキャリア増幅器１に使用するデバイスに対して飽和ドレイン電流が等しく、ゲート幅が同一（飽和電力が等しい）でピンチオフ電圧がおよそ半分のデバイスを使用する。
【００１９】
キャリア増幅器１とピーク増幅器２は、図１（ｂ）に示すようにバイアス設定が行われる。ピーク増幅器２のピンチオフ電圧はキャリア増幅器の飽和領域までの中間値に設定され、両増幅器１、２の飽和領域での飽和ドレイン電流が略一致するように設定される。
【００２０】
（動作の説明）
次に、本実施の形態のドハーティ増幅器の動作につき、図面を参照して説明する。
図２は、本実施の形態のドハーティ増幅器の動作における各増幅器の動作を示す図であり、図２（ａ）は従来の技術の動作状態、図２（ｂ）は本実施の形態の動作状態である。ドハーティ増幅器の動作領域を低レベル領域、遷移領域、飽和領域に分け、キャリア増幅器１とピーク増幅器２のそれぞれに印加される入力電圧の最大値を１として規格化した入力電圧Ｖｉｎをとり、該入力電圧Ｖｉｎに対し、ピーク増幅器２のドレイン電流Ｉｐ、キャリア増幅器１の出力電圧Ｖｃ、ドレイン電流Ｉｃ及びドハーティ増幅器の出力電圧Ｖｍの関係を示している。
【００２１】
まず始めに本実施の形態との比較のため、図２（ａ）に示すようにＢ級バイアスされたキャリア増幅器１、Ｃ級バイアスされたピーク増幅器２に同一特性のＦＥＴデバイスを用いてドハーティ増幅器を構成した場合の従来技術の動作について説明する。
【００２２】
ドハーティ増幅器の３つの動作領域、すなわち低レベル領域、遷移領域、飽和領域において、従来のドハーティ増幅器では同一特性のＦＥＴを用いるため、キャリア増幅器１のドレイン電流Ｉｃとピーク増幅器２のドレイン電流Ｉｐの特性の傾き（ｇｍ）は等しい。また、ピーク増幅器２は、Ｃ級にバイアスされ、通常のドハーティ増幅器の構成である規格化された入力電圧Ｖｉｎが０．５からドレイン電流が流れはじめて増幅動作を開始する。また、各デバイスのドレイン電流−ゲート電圧特性としては、図３（ａ）に示すようにそれぞれのスレショルド電圧からドレイン電流が流れ始め、伝達コンダクタンスｇｍは一定値である。
【００２３】
さて、Ｂ級バイアスされたキャリア増幅器１に入力信号Ｖｉｎが入力されると、それに比例して出力電圧Ｖｃが上昇する。この動作領域は低レベル領域である。次に、入力電圧Ｖｉｎが０．５（遷移点）に達すると、キャリア増幅器１は飽和し、出力電圧Ｖｃは一定値となる。この時点でドハーティ増幅器自体の効率も最大となり、理想的にはＢ級増幅器の理想効率である７８％（π／４）に達する。ただし、このときのキャリア増幅器１の飽和出力電力は、ドハーティ増幅器として得られるべき飽和電力の１／４である。
【００２４】
この遷移点から入力信号Ｖｉｎが増加すると、ピーク増幅器２も増幅動作を開始するが、これが出力合成回路４の伝送トランスを介してキャリア増幅器１の負荷インピーダンスを変調する結果、キャリア増幅器１の出力電流は入力電圧に対して線形に増加しつづけ、より大きな電力を負荷に供給することとなり、結果的にドハーティ増幅器としての線形な増幅特性が維持され、入力信号Ｖｉｎは所望の出力電力に線形増幅される。
【００２５】
従来技術では、キャリア増幅器１、ピーク増幅器２には同等特性を有するデバイスが用いられるため、たとえば図３（ｂ）に示すように同等のｇｍ（Ｖｇｓ−Ｉｄ特性）を示していた。これは、クラシカルドハーティと呼ばれる構成である。たとえば、ドハーティ増幅器の飽和電力を１００Ｗにしたいという場合には、キャリア増幅器１及びピーク増幅器２は各々５０Ｗ飽和電力の同一のデバイスを選択するのが一般的である。
【００２６】
この場合の主要なパラメータの入出力特性は図２（ａ）に図示するとおりである。ピーク増幅器２の最大電流値が、入力電圧が最大となった場合でも最大値とならず、半分の値にしか達していない。このため、ドハーティ増幅器として理想的な動作ができていない。簡単な計算によれば、このときの最大入力時の効率は５８．９％、出力電力は理想状態の５６％に低下、入出力の線形性は入力１に対して出力０．５に劣化する。以上のようにキャリア増幅器１及びピーク増幅器２に同一特性のデバイスを用いてドハーティ増幅器を構成した場合には、ドハーティ増幅器の理想的な特性が得られず、飽和電力付近での効率低下や飽和電力の低下、線形性の劣化が生じてしまう。
【００２７】
本実施の形態においては、ピーク増幅器２に、キャリア増幅器１と出力飽和電流がほぼ等しく、キャリア増幅器１の遷移領域で増幅動作が開始する特性を設定している。特に、増幅デバイスとしてＦＥＴを使用する本実施の形態においては、図２（ｂ）に示すようにピーク増幅器２に使用するＦＥＴは、キャリア増幅器１に使用するＦＥＴに対し、飽和ドレイン電流が等しく、ゲート幅が同一（飽和電力が等しい）でピンチオフ電圧がおよそ半分のデバイスを使用する。
【００２８】
本実施の形態の場合には、図１に示すように、ピーク増幅器２のバイアスを上記遷移点から増幅動作を開始するようにＣ級に設定する。このように構成することにより、入力電圧が最大となると、ピーク増幅器２のドレイン電流も飽和に達し、ドハーティ増幅器としての飽和最大出力に到達する。この遷移点から飽和点までの間、ドハーティ増幅器の総合効率は極めて高く維持され、図１（ｂ）に示すように出力電圧Ｖｍの直線性も良好に維持され、理想的な線形増幅動作が得られる。
【００２９】
以上のように本実施の形態は、具体的には増幅デバイスとしてＦＥＴを使用し、キャリア増幅器１とピーク増幅器２との特性の関係として、飽和ドレイン電流が互いにほぼ等しく、ゲート幅が同一でピンチオフ電圧がおよそ１／２又は倍の関係のデバイスを使用するように構成するものであるが、本発明としては、これにとらわれるものではなく、飽和ドレイン電流は、ピーク増幅器２がキャリア増幅器１より大きい特性及びゲート幅が１対２の関係から若干ずれたとしても、遷移点から飽和点までの間のドハーティ増幅器の総合効率を高めることが可能であるかぎり、両増幅デバイスの適用が可能である。また、飽和電力の異なるデバイスを選択する拡張型ドハーティと呼ばれる構成を採用することも可能であることは云うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、ピーク増幅器の増幅の開始電圧はキャリア増幅器の飽和領域までの中間値（遷移領域）に設定され、キャリア増幅器とピーク増幅器のそれぞれの飽和領域での飽和電流はほぼ等しく設定されたことにより、入力電圧が最大となると、ピーク増幅器のドレイン電流も飽和に達し、ドハーティ増幅器としての飽和最大出力に到達するので総合効率は極めて高く維持することが可能である。
【００３１】
また、増幅デバイスとしてＦＥＴを使用する場合、ピーク増幅器にキャリア増幅器と飽和ドレイン電流がほぼ等しく、ゲート幅が同一でピンチオフ電圧がおよそ半分のデバイスを使用しているので、入力電圧が最大となるとピーク増幅器のドレイン電流も飽和に達し、ドハーティ増幅器としての飽和最大出力に到達する。この場合、遷移点から飽和点までの間、ドハーティ増幅器の総合効率は理想状態のように極めて高く維持され、理想的な線形増幅動作が得られるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のドハーティ増幅器の一実施の形態を示す図である。
【図２】本実施の形態の動作特性を示す図である。
【図３】従来のドハーティ増幅器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１、１０  キャリア増幅器
２、２０  ピーク増幅器
３、３０  位相器
４、４０  出力合成回路
５、５０  入力分岐回路
【図１】
2004289492.tif 000003
【図２】
2004289492.tif 000004
【図３】
2004289492.tif 000005