(57)【要約】      （修正有）【課題】追加的なスイッチなしにも、出力電力の全領域における効率を増大させて動作領域を拡張させられる無線通信システム用の電力増幅器を提供する。【解決手段】駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットから構成されており、前記駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットに整合回路及び電力結合器がそれぞれ連結されることで、前記駆動増幅ユニットが前記電力増幅ユニットを駆動するとともに、整合回路及び電力結合器を介して出力端子に出力信号を出力する電力増幅器において、前記整合回路及び電力結合器は、出力端子に連結される２次側伝送線と、前記２次側伝送線の両側に対応してそれぞれ配置されるもので、互いに異なる寄生成分を有し、一側に駆動増幅ユニットが連結され、他側に電力増幅ユニットが連結される複数個の１次側伝送線と、を含む伝送線変圧器であることを特徴とする伝送線変圧器を用いた電力増幅器を構成する。【選択図】図５
2007288780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットから構成されており、前記駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットに整合回路及び電力結合器がそれぞれ連結されることで、前記駆動増幅ユニットが前記電力増幅ユニットを駆動するとともに、整合回路及び電力結合器を介して出力端子に出力信号を出力する電力増幅器において、
前記整合回路及び電力結合器は、
出力端子に連結される２次側伝送線と、
前記２次側伝送線の両側に対応してそれぞれ配置されるもので、互いに異なる寄生成分を有し、一側に駆動増幅ユニットが連結され、他側に電力増幅ユニットが連結される複数個の１次側伝送線と、を含む伝送線変圧器であることを特徴とする伝送線変圧器を用いた電力増幅器。
【請求項２】
前記駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットのうち、一部の増幅ユニットを選択的に点滅するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の伝送線変圧器を用いた電力増幅器。
【請求項３】
前記一部の増幅ユニットは、電力増幅器の高出力電力モード及び低出力電力モードによって選択的に点滅することを特徴とする請求項２に記載の伝送線変圧器を用いた電力増幅器。
【請求項４】
前記整合回路は、前記駆動増幅ユニット及び前記電力増幅ユニットのトランジスタの寄生キャパシタンス成分及び伝送線変圧器であることを特徴とする請求項１に記載の伝送線変圧器を用いた電力増幅器。
【請求項５】
前記複数個の１次側伝送線は、互いに異なる断面積を有することを特徴とする請求項１に記載の伝送線変圧器を用いた電力増幅器。
【請求項６】
前記複数個の１次側伝送線と２次側伝送線との間の結合係数は、互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の伝送線変圧器を用いた電力増幅器。
【請求項７】
前記複数個の１次側伝送線は、互いに異なる長さを有することを特徴とする請求項１に記載の伝送線変圧器を用いた電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力増幅器に関するもので、一層詳しくは、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットを含んでおり、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットを伝送線変圧器に含まれる整合回路及び電力結合器にそれぞれ連結し、駆動増幅ユニットが電力増幅ユニットを駆動するとともに、伝送線変圧器を介して駆動増幅ユニットの出力電力を直接出力することで、電力増幅ユニット及び駆動増幅ユニットのオン・オフによって駆動増幅ユニットの出力電力が負荷抵抗に出力され、追加的なスイッチなしにも、出力電力の全領域における効率を増大させて動作領域を拡張させられる無線通信システム用の電力増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線通信システム用の電力増幅器においては、出力電力の全領域における効率を増大させるために、回路の一部を点滅する方法が大いに用いられている。すなわち、大きな出力電力が必要であるときは回路の全ての部分をオンにし、低い出力電力が必要であるときは回路の一部をオフにすることで、全領域における効率を増大させる方法が用いられる。
一般的に、上記のような電力増幅器は、無線通信システムの送信端がアンテナを通して大きな出力電力を送信するときに用いられる。
【０００３】
図１は、一般的な電力増幅器を示した構成図であり、無線通信システムの一種であるポーラー（ｐｏｌａｒ）構造の電力増幅器を簡略に示している。
【０００４】
図１に示すように、ポーラー構造の電力増幅器においては、一般的な線形電力増幅器とは異なって、入力信号が位相情報及び包絡線情報に分けられて印加される。
【０００５】
ここで、位相情報は、一般的な線形電力増幅器と同様に、駆動増幅器の高周波入力部分に入力されるもので、その大きさは一定であり、位相のみが変化する信号である。
【０００６】
また、包絡線情報は、ＤＣ―ＤＣコンバーターを通して電力増幅器に電源電圧として入力される。電源電圧が高くなると高い出力電力が出力され、電源電圧が低くなると低い出力電力が出力される。
【０００７】
上記のようなポーラー構造の電力増幅器は、既存の線形電力増幅器に比べて送信端の構造が簡単であり、高い効率を有する非線形電力増幅器が使用可能であるため、システム全体の効率が向上するという長所がある。
【０００８】
したがって、現在、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）及びＥＤＧＥ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｄａｔａ  ＧＳＭ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）用の次世代送信端として注目を受けながら、多くの研究開発がなされている。
【０００９】
一般的に、電力増幅器に印加される高周波信号は、直ちに電力増幅ユニットを駆動するには非常に弱いため、図１に示すように、１次駆動増幅ユニット及び２次駆動増幅ユニットを通して増幅された信号が電力増幅ユニットを駆動させ、高周波出力信号を出力するようになる。
【００１０】
上記のような一般的な電力増幅器は、出力電力が最大であるときに最高の効率特性を得るように設計されるため、低出力電力領域では、電力増幅器の効率が劣化するという問題点がある。
【００１１】
また、低出力電力領域では、２次駆動増幅ユニットから出力される信号の大きさが電力増幅ユニットの出力電力より大きくなる領域が発生するという問題点がある。
【００１２】
したがって、上記のような問題点を解決するための方法として、図２に示すように、電力増幅ユニットを多数個に分けて構成することで、大きな出力電力を出力するときは電力増幅ユニットを全てオンにし、低出力電力を出力するときは電力増幅ユニットの一部をオフにすると、電力増幅器の出力電力の全領域において高い効率を得られるとともに、電力増幅器の動作領域を拡張させることができる。
【００１３】
しかしながら、上記のような従来技術においては、一般的な電力増幅器の構造と同様に、低出力電力を出力するとき、２次駆動増幅ユニットから出力される信号の大きさが電力増幅ユニットの出力電力より大きくなる領域が発生するという問題点がある。
【００１４】
したがって、上記のような問題点を解決するための更なる従来技術として、図３に示すように、スイッチを用いて電力増幅器を構成する方法がある。
【００１５】
上記の方法においては、中間出力電力を出力するとき、電力増幅ユニットをオフにし、２番スイッチをオンにすると、２次駆動増幅ユニットの出力電力が電力増幅器の出力電力として出力される。これと同様に、低い出力電力を出力するとき、２次駆動増幅ユニットをオフにし、１番スイッチ及び２番スイッチを全てオンにすると、１次駆動増幅ユニットの出力電力が電力増幅器の出力電力として出力される。
【００１６】
上記のように、スイッチを通して１次駆動増幅ユニットや２次駆動増幅ユニットの出力電力が電力増幅器の最終出力電力として出力されることで、上述したような問題点を解決することができる。
【００１７】
したがって、低出力電力領域では電力増幅ユニットまたは２次駆動増幅ユニットをオフにするので、電力増幅ユニット及び２次駆動増幅ユニットから発生するＤＣ電力の消耗をなくして電力増幅器全体の効率を向上させ、動作領域を拡大させられるという長所がある。
【００１８】
しかしながら、上記のような方法においては、電力増幅ユニット及び２次駆動増幅ユニットがオフになるとき、駆動増幅ユニットの出力電力を電力増幅器の出力電力として出力するために追加的なスイッチが必要になるという問題点がある。
【００１９】
また、上記のような追加的なスイッチの寄生抵抗成分は、出力電力の損失を引き起こし、電力増幅器の性能劣化をもたらす原因になるが、これを防止するために、スイッチの大きさを非常に大きく増加させるべきである。さらに、この場合、回路の大きさが増加し、電力増幅器の生産費用が上昇するという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットを含んでおり、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットを伝送線変圧器に含まれる整合回路及び電力結合器にそれぞれ連結し、駆動増幅ユニットが電力増幅ユニットを駆動するとともに、伝送線変圧器を介して駆動増幅ユニットの出力電力を直接出力することで、電力増幅ユニット及び駆動増幅ユニットのオン・オフによって駆動増幅ユニットの出力電力が負荷抵抗に出力され、追加的なスイッチなしにも、出力電力の全領域における効率を増大させて動作領域を拡張させられる無線通信システム用の電力増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の目的を達成するための本発明は、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットから構成されており、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットに整合回路及び電力結合器がそれぞれ連結されることで、駆動増幅ユニットが電力増幅ユニットを駆動するとともに、整合回路及び電力結合器を介して出力端子に出力信号を出力する電力増幅器において、整合回路及び電力結合器は、出力端子に連結される２次側伝送線と、２次側伝送線の両側に対応してそれぞれ配置されるもので、互いに異なる寄生成分を有し、一側に駆動増幅ユニットが連結され、他側に電力増幅ユニットが連結される複数個の１次側伝送線と、を含む伝送線変圧器であることを特徴とする。
【００２２】
本発明において、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットのうち、一部の増幅ユニットを選択的に点滅するように構成されたことを特徴とする。
【００２３】
本発明において、一部の増幅ユニットは、電力増幅器の高出力電力モード及び低出力電力モードによって選択的に点滅することを特徴とする。
【００２４】
本発明において、整合回路は、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットのトランジスタの寄生キャパシタンス成分及び伝送線変圧器であることを特徴とする。
【００２５】
本発明において、複数個の１次側伝送線は、互いに異なる断面積を有することを特徴とする。
【００２６】
本発明において、複数個の１次側伝送線と２次側伝送線との間の結合係数は、互いに異なることを特徴とする。
【００２７】
本発明において、複数個の１次側伝送線は、互いに異なる長さを有することを特徴とする。
【００２８】
上記のように構成された本発明によると、駆動増幅ユニットが電力増幅ユニットを駆動するとともに、低出力電力領域で電力増幅ユニットがオフになったとき、整合回路を通して自動的に電力を出力するので、電力増幅器の効率及び動作領域を改善させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る無線通信システム用の電力増幅器は、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットを含んでおり、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットを伝送線変圧器に含まれる整合回路及び電力結合器にそれぞれ連結し、駆動増幅ユニットが電力増幅ユニットを駆動するとともに、伝送線変圧器を介して駆動増幅ユニットの出力電力を直接出力することで、電力増幅ユニット及び駆動増幅ユニットのオン・オフによって駆動増幅ユニットの出力電力が負荷抵抗に出力されるので、追加的なスイッチなしにも、出力電力の全領域における効率を増大させて動作領域を拡張させられるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の好適な実施例を添付の図面に基づいて説明する。ここで、従来技術の構成と同一の部分には、同一の符号及び名称を与えた。また、本実施例は、本発明の権利範囲を限定するものでなく、ただ例示的に提示されたものであり、当分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内で多様に変形可能であろう。
【００３１】
図４は、本発明の実施例に係る伝送線変圧器を用いた電力増幅器を示した構成図である。
【００３２】
図４に示すように、電力増幅器は、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットを含んでおり、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットに整合回路及び電力結合器がそれぞれ連結され、高出力電力が必要であるときは、全ての増幅ユニットをオンにして高出力電力領域で高い効率を得られ、低出力電力が必要であるときは、電力増幅ユニットをオフにして駆動増幅ユニットの出力電力が整合回路及び電力結合器を介して負荷抵抗に出力される。
【００３３】
この場合、電力増幅ユニットをオフにすることで、電力増幅ユニットで消耗される電力が除去されるので、電力増幅器の低出力電力領域でも高い効率を得られるようになる。
【００３４】
また、図３に示した別途のスイッチを使用しないので、スイッチから発生する損失に起因した電力増幅器の性能劣化問題が発生しない。
【００３５】
図５は、本発明の実施例に係る伝送線変圧器を用いた電力増幅器を示した回路構成図である。
【００３６】
図５に示すように、電力増幅器は、差動増幅器の構造を有しており、大きな出力電力を出力するための電力増幅ユニット５０２と、電力増幅ユニット５０２を駆動するとともに、伝送線変圧器５０１からなる整合回路を通して負荷抵抗に連結された駆動増幅ユニット５０３と、を含んで構成される。
【００３７】
このとき、整合回路である伝送線変圧器５０１は、出力端子に連結される２次側伝送線と、２次側伝送線の両側に対応してそれぞれ配置されるもので、互いに異なる寄生成分を有し、一側に駆動増幅ユニット５０３が連結され、他側に電力増幅ユニット５０２が連結される複数個の１次側伝送線と、を含んで構成される。
【００３８】
したがって、一般的な電力増幅器の構造とは異なって、駆動増幅ユニット５０３は、電力増幅ユニット５０２を駆動するとともに、駆動増幅ユニット５０３から発生した電力を伝送線変圧器５０１を通して出力電力として出力するように構成される。
【００３９】
上記のように、駆動増幅ユニット５０３から発生した電力が電力増幅器の出力電力に寄与することで、電力増幅器の駆動増幅ユニット５０３が電力増幅ユニット５０２の一部となり得るので、同一の出力電力を出力するための電力増幅器の電力増幅ユニットの大きさは、既存の電力増幅器に比べて小さくなる。
【００４０】
また、大きな出力を出力するときは、駆動増幅ユニット５０３及び電力増幅ユニット５０２を全てオンにし、電力増幅ユニット５０２及び駆動増幅ユニット５０３から発生した出力電力が電力増幅器の出力電力として出力される。
【００４１】
そして、低い出力電力を出力するときは、電力増幅ユニット５０２をオフにし、駆動増幅ユニット５０３から発生した出力電力が伝送線変圧器５０１を通して出力電力として出力される。
【００４２】
本実施例では、駆動増幅ユニット５０３と電力増幅ユニット５０２との間に伝送線変圧器５０１が位置するので、これら伝送線変圧器５０１、駆動増幅ユニット５０３及び電力増幅ユニット５０２を構成するトランジスタの寄生キャパシタンス成分が自動的に整合回路の役割をする。
【００４３】
整合回路の寄生キャパシタンス値が低い場合、追加的なキャパシタを用いて整合回路を構成することができる。
【００４４】
図６は、図５に示した電力増幅器をＣＭＯＳで具体化した回路構成図である。
図６に示すように、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットをＣＭＯＳを用いて構成し、低出力電力用トランジスタが駆動増幅ユニットの役割をするとともに、低出力電力用トランジスタのドレインが高出力電力用トランジスタのゲートに連結される。
【００４５】
また、整合回路である伝送線変圧器６０１の２次側伝送線は、高周波出力端子に連結され、複数個の１次側伝送線は、一側が高出力電力用トランジスタのゲートに連結され、他側が低出力電力用トランジスタのゲートに連結される。
【００４６】
上記のような伝送線変圧器の構造は、図７に示すように、互いに異なる寄生成分を有する複数個の１次側伝送線を形成することで、複数個の負荷抵抗を得られ、複数個の負荷抵抗が必要な回路に用いられるように構成される。
【００４７】
前記伝送線変圧器の１次側伝送線は、長さ、断面積及び結合係数などを互いに異ならせて設計することで、負荷抵抗値を異なる値に変換することができる。
【００４８】
図８は、図７に示した伝送線変圧器を含む整合回路によるインピーダンスの変換過程を示したスミスチャートである。
【００４９】
図８に示すように、コンピュータ摸写を通して、７０１は、伝送線変圧器の１次側によって、２次側に連結された負荷インピーダンス５０Ωが低い負荷インピーダンスに変換されたことを示し、７０２は、伝送線変圧器の他の１次側によって、２次側に連結された負荷インピーダンス５０Ωが高い負荷インピーダンスに変換されたことを示している。
【００５０】
一般的に、高い出力電力を出力するために、電力増幅器は、負荷抵抗値を低い値に変換させるべきである。しかしながら、低い負荷抵抗値は、低い出力電力を出力するときに電力増幅器の効率を劣化させる主な要因となる。
【００５１】
したがって、これを解決するために、図７に示した複数個の負荷インピーダンスを有する伝送線変圧器を用いると、低い出力電力を出力するとき、高い負荷インピーダンスを有する１次側に連結されたトランジスタのみを動作させることで、高い効率を維持しながら低い出力電力を出力することができる。また、高い出力電力を出力するとき、低い負荷インピーダンスを有する１次側に連結されたトランジスタも一緒に動作させることで、高い出力電力を出力することができる。
【００５２】
そして、一般的な電源電圧条件下で、負荷インピーダンスの値が増加するほど電力増幅器の出力電力が減少する。したがって、本発明に係る電力増幅器の構造は、複数個の負荷インピーダンス値を有する伝送線変圧器を用いることで、電力増幅器の動作領域を拡張させることは勿論で、低出力電力領域でも高い効率を得られる構造となる。
【００５３】
図９は、本発明に係る伝送線変圧器を用いた電力増幅器を０．１８μｍ  ＣＭＯＳ工程を用いて具体化した実際の集積回路の写真である。
【００５４】
図９に示した写真は、本発明に係る電力増幅器を実際に具現した集積回路（ＭＭＩＣ）の写真であり、ＣＭＯＳ  ０．１８μｍ工程を用いており、回路の全体大きさは１．３ｍｍ×１.７ｍｍである。差動増幅器の構造を用いたので、同相入力信号を差動信号に変えるために入力部に変圧器を用いた。
【００５５】
図１０は、本発明に係る伝送線変圧器を用いた電力増幅器の実際の測定結果を示したグラフである。
【００５６】
図１０は、本発明に係る電力増幅器の実際の測定結果を示したグラフで、高出力電力モードであるときは、駆動増幅ユニット及び電力増幅ユニットを全てオンにし、低出力電力モードであるときは、電力増幅ユニットをオフにし、駆動増幅ユニットのみをオンにすることで、駆動増幅ユニットから発生した出力電力が伝送線変圧器を通して出力電力として出力される。
【００５７】
このとき、高出力電力モード及び低出力電力モードで電力増幅器の電源電圧を０.５〜３.３Ｖに変化させながら、出力電力及び効率を測定した結果を示している。
上記のように低出力電力モードで電力増幅器を動作させたとき、低出力電力領域で効率が増加したことを確認することができ、低出力電力モードを用いることで、電力増幅器の動作領域が約４ｄＢに向上したことが分かる。
【００５８】
上記のような結果に基づくと、低い出力領域において効率が増加し、動作領域が拡張されたことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】一般的な電力増幅器を示した構成図である。
【図２】電力増幅ユニットが三個に分けられた電力増幅器を示した構成図である。
【図３】スイッチを用いた電力増幅器を示した構成図である。
【図４】本発明の実施例に係る伝送線変圧器を用いた電力増幅器を示した構成図である。
【図５】本発明の実施例に係る伝送線変圧器を用いた電力増幅器を示した回路構成図である。
【図６】図５に示した電力増幅器をＣＭＯＳで具体化して示した回路構成図である。
【図７】本発明に係る伝送線変圧器を用いた電力増幅器の整合回路を構成するための伝送線変圧器の構造を示した構成図である。
【図８】図７に示した伝送線変圧器を含む整合回路によるインピーダンスの変換過程を示したスミスチャートである。
【図９】本発明に係る伝送線変圧器を用いた電力増幅器を０.１８μｍ  ＣＭＯＳ工程で具体化した実際の集積回路の写真である。
【図１０】本発明に係る伝送線変圧器を用いた電力増幅器の実際の測定結果を示したグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
５０１，６０１  伝送線変圧器
５０２  電力増幅ユニット
５０３  駆動増幅ユニット
【図１】
2007288780.tif 000003
【図２】
2007288780.tif 000004
【図３】
2007288780.tif 000005
【図４】
2007288780.tif 000006
【図５】
2007288780.tif 000007
【図６】
2007288780.tif 000008
【図７】
2007288780.tif 000009
【図８】
2007288780.tif 000010
【図９】
2007288780.tif 000011
【図１０】
2007288780.tif 000012