(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅器入力信号を２分配する分配器を具備し、
２分配された増幅器入力信号のそれぞれを各別に増幅する２個の増幅器を具備し、
２個の増幅器それぞれの出力端に出力側整合回路を介して接続され、当該２個の増幅器の出力インピーダンスをそれぞれ異なるインピーダンスに設定するインピーダンス変換器を具備し、
前記２個の増幅器の出力側のバイアス電圧は相異なる電圧に設定され、
両インピーダンス変換器の出力端に接続して両増幅器の増幅出力を前記インピーダンス変換器で設定されたインピーダンスで合成する、ウイルキンソン形合成器を基本とする不均等電力合成器を具備することを特徴とする高効率増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高効率増幅器に関し、特に、２個の増幅器の双方共出力端インピーダンンス整合の適正な高効率増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドハティによってインピーダンス変換器を用いた増幅器構成（W.H.Doherty,"The high efficiency amplifier with modulated wave"，Proc.IRE.Vol.24,No.9,pp.1163-1182,1936 ）が提案されている。即ち、ドハティは、中波放送局用送信電力増幅器の高効率化に関して、飽和増幅を行う平均電力増幅器と或る設定値以上のピーク電圧を増幅するピーク電力増幅器とを並列構成とし、トランスにより構成される逆インピーダンス変換器により結合し、両増幅器出力信号を合成する高効率増幅器を構成した。一般に、この高効率増幅器はドハティ増幅器といわれる。このドハティ増幅器は、従来の単一の増幅器によりピーク電力を有する変調波信号を増幅する場合と比較して、陽極能率の極めて高い増幅をすることができる。
【０００３】
今日、無線通信の需要は益々拡大しつつある。この様な背景のもとで、無線機器の低消費電力化、小型化、端末使用時間の拡大の必要性が増大している。そして、これまでに数々の高効率増幅技術が研究開発されている。ドハティ増幅器についても、他の高効率増幅技術と同様に、高効率増幅技術の一つとして検討されてきた。ここで、１. ７ＧＨｚ帯ドハティマイクロ波増幅器の試作結果が報告されている（R.J.McMorrow,D.M.Voton,andP.R.Malonney "The Doherty Microwave amplifier",1994.IEEE MTTS Digest,TH3-E,1994 ）。この報告におけるドハティマイクロ波増幅器は図６に示される如きものである。このドハティマイクロ波増幅器は、１／４波長マイクロストリップラインを使用して逆インピーダンス変換器を構成している。
【０００４】
図７を参照して他の従来例を説明するに、ピーク電力注入によるマイクロ波増幅器の高効率化（電子情報通信学会技術研究報告  ＥＤ２００１−１５１〜１６３）が開示されている。これは、Ｂ級にバイアスされた平均電力増幅器２１と、Ｃ級にバイアスされたピーク電力増幅器３１と、平均電力増幅器２１の出力側に設けられたサーキュレータより成る。ピーク電力増幅器３１の動作しない入力電圧、即ち入力電力においては、平均電力増幅器２１のみが動作する。平均電力増幅器２１により増幅された信号は実線矢印に示される通りにサーキュレータを通過して出力側に現れる。この時、ピーク電力増幅器３１は動作していないので、平均電力増幅器２１側から出力回路側をみたインピーダンスは整合回路のインピーダンスであり、これを適正に整合することにより低入力電圧時の動作を高効率とすることができる。この場合、平均電力増幅器２１の出力整合回路は小入力電力時において整合するプリマッチ回路と可変インピーダンスのチューナより構成され、平均電力増幅器２１の出力端インピーダンンスを調整することができる。
【０００５】
ピーク電力増幅器３１の動作する入力電圧においては平均電力増幅器２１とピーク電力増幅器３１は双方共に動作する。ピーク電力増幅器３１により増幅された信号は鎖線矢印に示される通りにサーキュレータを通過して平均電力増幅器２１の出力側に注入される。平均電力増幅器２１側から出力回路側をみると、平均電力増幅器２１が出力する信号と同一の信号が出力端に戻って来る様に見えるので、等価的に負荷インピーダンスが変化したことに相当する。ここで、平均電力増幅器２１により増幅された信号と平均電力増幅器２１の出力側に注入されたピーク電力増幅器３１により増幅された信号の振幅および位相を適当に調整することにより、平均電力増幅器２１の飽和電力は増大する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６の従来例は、入力側バイアス設定値の異なる平均電力増幅器２１およびピーク電力増幅器３２の出力信号を逆インピーダンス変換器より成るドハティネットワーク４１’において結合合成している。ドハティ増幅器により高効率電力増幅をすることができる理由は、これら２個の増幅器２１、３２の出力信号をドハティネットワーク４１’における逆インピーダンス変換器により合成していることに因る。即ち、平均電力増幅器２１のみ動作している時は、平均電力増幅器２１の出力端インピーダンンスを２倍の２Ｒオームに設定する。これにより、本来のインピーダンスＲオームにより得られる送信出力をＰワットとすれば、逆インピーダンス変換器により同じ送信出力Ｐワットを得るに電流は１／２となる。このことから、単純な例によると、逆インピーダンス変換器において同一送信出力で効率を２倍にすることができる。ピーク電力増幅器３２の動作時は、両増幅器の出力端インピーダンンスをＲオームに設定する。ところが、単純な１／４波長インピーダンス変換器を使用することに依ってピーク電力増幅器３２の動作時の平均電力増幅器２１のインピーダンスをＲオームに戻すには、更にインピーダンス変換器を設ける必要がある。
【０００７】
図７の従来例のマイクロ波増幅器は、平均電力増幅器２１の出力整合回路を、小入力電力時においては平均電力増幅器２１の出力端インピーダンスに整合するプリマッチ回路と可変インピーダンスのチューナより構成し、平均電力増幅器２１の出力端インピーダンンスを調整する構成を採用している。これに依れば、平均電力増幅器２１は小入力電力時においては出力整合がとれて高効率動作をすることができるが、大入力電力時においてはピーク電力増幅器３１も動作して平均電力増幅器２１の出力端に接続し、出力整合が得られなくなる。
【０００８】
この発明は、２個の増幅器の双方共出力端インピーダンンス整合の適正な上述の問題を解消した高効率増幅器を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１：増幅器入力信号を２分配する分配器１１を具備し、２分配された増幅器入力信号それぞれを各別に増幅する２個の増幅器２１、３１を具備し、２個の増幅器２１、３１それぞれの出力端に出力側整合回路２３、３３を介して接続され、２個の増幅器２１、３１の出力インピーダンスをそれぞれ異なるインピーダンスに設定するインピーダンス変換器２４、３４を具備し、２個の増幅器２１、３１の出力側のバイアス電圧を相異なる電圧に設定し、両インピーダンス変換器２４、３４の出力端に接続して両増幅器２１、３１の増幅出力をインピーダンス変換器２４、３４で設定されたインピーダンスで合成する合成器４１を具備する高効率増幅器を構成した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図１の実施例を参照して説明する。
１１は増幅されるべき増幅器入力信号を２分配する分配器である。この分配器１１は方向性結合器或いは電力分配器により構成する。２１は増幅器入力信号を直線増幅するＢ級増幅器より成る平均電力増幅器である。この平均電力増幅器２１は、入力側整合回路２２と出力側整合回路２３とを有している。そして、平均電力増幅器２１は多段に構成することができる。２４は出力側整合回路２３の出力端に接続する平均電力増幅器２１のインピーダンス変換器であり、平均電力増幅器２１の出力端インピーダンスを設定する。３１は正側変調時のみ動作するＣ級増幅器より成るピーク電力増幅器である。このピーク電力増幅器３１は、入力側整合回路３２と出力側整合回路３３とを有している。そして、ピーク電力増幅器３１は多段に構成することができる。３４は出力側整合回路３３の出力端に接続するピーク電力増幅器３１のインピーダンス変換器であり、ピーク電力増幅器３１の出力端インピーダンスを設定するものである。４１は合成器であり、インピーダンス変換器２４を介し出力される平均電力増幅器２１の出力信号、およびインピーダンス変換器３４を介し出力されるピーク電力増幅器３１の出力信号を結合するものである。ところで、分配器１１により分配される信号に位相差がある場合、平均電力増幅器２１およびピーク電力増幅器３１の出力信号を合成するまでに遅延線路或いは位相器を挿入して位相差を補償する必要がある。
【００１２】
ここで、平均電力増幅器２１とピーク電力増幅器３１とを飽和出力１ワットのＧａＡｓ−ＦＥＴより成る増幅器により構成し、分配器１１を電力分配器により構成し、出力側合成器４１を電力合成器により構成する。平均電力増幅器２１のゲートバイアス電圧をＢ級動作点に設定し、ピーク電力増幅器３１のゲートバイアス電圧をＣ級動作点に設定する。また、平均電力増幅器２１のインピーダンス変換器２４は、例えば、出力側整合回路２３の出力端インピーダンスとは異なる特性インピーダンス５０オームの２倍の１００オームに調整設定する。ピーク電力増幅器３１のインピーダンス変換器３４は出力側整合回路３３の出力端インピーダンスとは異なる特性インピーダンス５０オームの１／２倍の２５オームに調整設定する。電力合成器４１として、ウイルキンソン形電力合成器を使用する。
この発明において、合成器は２入力端子間においてアイソレーションがとれている必要があり、この点に関して、入力端子間におけるインピーダンス整合のとれているウイルキンソンデバイダは、電力合成すると共に入力端子間のアイソレーションがとれている回路素子であり、この発明の合成器として好適である。
【００１３】
以上のドハティ増幅器の実施例の動作について説明する。増幅器入力信号がピーク電力増幅器３１のＣ級動作点以下の入力電圧の場合、平均電力増幅器２１のみが動作する。この場合、平均電力増幅器２１の出力端インピーダンンスは上述した１００オームである。５０オームの特性インピーダンスと比較して、平均電力増幅器２１の出力端インピーダンンスは２倍であるので、平均電力増幅器２１のドレイン電力は１／２となる。もし、本来のインピーダンス５０オームにより得られる出力電力と同じ出力電力を得るものとすれば、出力端インピーダンンスが２倍であることにより消費電流は１／２となる。
【００１４】
増幅器入力信号がピーク電力増幅器３１のＣ級動作点以上の入力電圧の場合、平均電力増幅器２１とピーク電力増幅器３１は双方共に動作する。ピーク電力増幅器３１の出力端インピーダンンスは２５オームであり、特性インピーダンス５０オームと比較してインピーダンスは１／２である。従って、ドレイン電圧を同一とすれば、ドレイン電流は２倍となる。もし、本来のインピーダンス５０オームにより得られる出力電力と同じ出力電力を得るものとすれば、出力端インピーダンンスが１／２倍であることにより、消費電流は２倍となる。
【００１５】
以上の条件下における入出力電力特性を図２に示す。図２に対応する付加効率特性を図３に示す。この発明の増幅器の特性をＢ級増幅器と比較する。ピーク電力増幅器３１の動作しない入力電圧、即ち入力電力においては、平均電力増幅器２１のみが動作する。平均電力増幅器２１は出力端インピーダンンスを１００オームとしているので、Ｂ級増幅器と比較して利得は低下する。この発明の増幅器とＢ級増幅器のドレイン電圧を一定とすればドレイン電力の１／２化により、付加効率は改善する。
【００１６】
ピーク電力増幅器３１の動作する入力電圧、即ち入力電力においては、平均電力増幅器２１とピーク電力増幅器３１は双方共に動作する。ピーク電力増幅器３１の出力端インピーダンンスはＢ級増幅器の出力端インピーダンンスの１／２に設定されているので、通常のＣ級増幅器より利得は改善されている。ピーク電力増幅器３１は入力信号のピーク電力を増幅するので、ピーク電力増幅器３１に入力信号のピーク電力対平均電力比以上の利得がないと、ピーク電力増幅器３１において波形クリッピングを発生し、線形性劣化を生ずる。
【００１７】
ここで、ピーク電力増幅器３１の動作開始点を平均電力増幅器２１の飽和出力点とすれば、図２の入出力電力特性に示される如く、平均電力増幅器２１の飽和出力以上の出力電力をピーク電力増幅器３１により得ることができる。例えば、平均電力増幅器２１の飽和出力と比較されるＢ級増幅器の飽和出力が同一であれば、ピーク電力増幅器３１によりこの発明の増幅器の飽和出力を拡大することができる。ピーク電力増幅器３１により飽和出力を拡大しているので、飽和出力に対する付加効率はＢ級増幅器より拡大する。そして、ピーク電力増幅器３１がＣ級動作しているので、拡大した領域における付加効率は充分に高効率化する。以上の通りにして、この発明によりピーク電力増幅器３１の動作時にも設計通りのインピーダンス変換値を設定することができる。平均電力増幅器２１の出力端インピーダンンスが、ピーク電力増幅器３１の動作以前の出力端インピーダンンスより低インピーダンスにならないので、平均電力増幅器２１の飽和出力付近における効率を従来例と比較して高くすることができる。
【００１８】
図４はこの発明の増幅器に使用される１／４波長形インピーダンス変換器の実施例を示す。この１／４波長形インピータダンス変換器は、１／４波長のマイクロストリップラインにより構成する。マイクロストリップラインの線路幅は、マイクロストリップラインの入力と出力端インピーダンンスの積の平方根により与えられるインピーダンスを実現する線路幅である。線路幅は、使用する誘電体基板の比誘電率と設計周波数を決めることにより、マイクロ波回路に関する教科書に記載される数表を参照して求めることができる。
【００１９】
図５はこの発明の増幅器で使用するスタブ形インピーダンス変換器の実施例を示す。例えば、特性インピーダンス５０オーム線路上に開放型或いは短絡型スタブを設定する。スタブにより容量性或いは誘導性回路を構成する。これにより、スミスチャート上の任意の点に変換する。設計方法については、マイクロ波回路の教科書に記載される方法またはマイクロ波回路設計用ソフトウェアによる。
平均電力増幅器２１およびピーク電力増幅器３１のバイアス設定値は、実施例の如く平均電力増幅器２１がＢ級動作、ピーク電力増幅器３１がＣ級動作であれば異なる。ゲート電圧およびドレイン電圧の設定値は、両増幅器の動作領域に対応して設定される。平均電力増幅器２１とピーク電力増幅器３１に使用する半導体素子が同一である場合、それぞれの増幅器の動作領域は一般にゲート電圧により設定される。更に、ドレイン電圧を異なる設定値とすれば、それぞれの増幅器の動作適用領域の設定を容易にする。また、平均電力増幅器２１およびピーク電力増幅器３１において使用するＧａＡｓ−ＦＥＴその他の半導体素子は相異なるものとしても差し支えない。この場合、ゲート電圧設定値およびドレイン電圧設定値はそれぞれの増幅器の動作領域に対応して設定する。
【００２０】
この発明の合成器４１に関して、これを不均等電力合成器により構成することができる。不均等電力合成器はRobert E.Collin,Foundation for microwave engineering,McGraw-Hill,pp.449,1992に具体的に説明されている。即ち、１／４波長ウイルキンソン形合成器を基本として、それぞれの入力端子の合成比率に応じて１／４波長インピーダンス変換器と所定のインピーダンスに設定された１／４波長ウイルキンソン形合成器にて実現される。この方法によれば、インピーダンス変換器２４、３４と合成器４１を一体として構成することができる。
【００２１】
この発明の高効率増幅器の効率を更に高める方法としては、平均電力増幅器２１の出力側整合回路２３とピーク電力増幅器３１の出力側整合回路２３の出力側に高調波フィルタを付加する方法がある。例えば二倍波に関して終端するフィルタであれば、各増幅器はいわゆるＦ級動作状態となる（高山  洋一郎、マイクロ波トランジスタ、ｐｐ．１９９−２００、電子情報通信学会、１９９８ 参照）。電圧或いは電流の時間波形を二倍波終端により矩形化することにより高効率増幅を可能にする。同様にして、各種の高効率増幅方法をこの発明の各増幅器に適用することにより、それぞれの増幅技術による高効率化とこの発明によるインピーダンス変換による高効率化の相乗作用で更に増幅器の高効率化が可能になる。
【００２２】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明によれば、高効率増幅器を構成する平均電力増幅器およびピーク電力増幅器双方の出力端に相異なる値に設定されるインピーダンス変換器を設け、両インピーダンス変換器の出力を合成器において合成する。この回路構成により、平均電力増幅器およびピーク電力増幅器の動作状態に依存することなく設計値通りのインピーダンスを各増幅器出力に達成することができる。即ち、この発明は、平均電力増幅器の出力端およびピーク電力増幅器の出力端に相異なるインピーダンスに設定したインピーダンス変換器を接続し、これらインピーダンス変換器を介して出力される平均電力増幅器の出力とピーク電力増幅器の出力とを合成器において合成する。合成器は、方向性結合器或いは電力合成器により構成することができる。方向性結合器としては、１／４波長方向性結合器、ハイブリット回路を採用することができる。また、電力合成器としては、Ｙ形電力分配器であるウイルキンソンデバイダを採用することができる。
【００２３】
この発明における合成器は、２入力端子間においてアイソレーションがとれている必要があり、この点に関して、入力端子間におけるインピーダンス整合のとれているウイルキンソンデバイダは、電力合成すると共に入力端子間のアイソレーションがとれている回路素子であり、この発明の合成器として好適である。合成器の２入力端子間においてアイソレーションがとれていることにより、平均電力増幅器の出力端インピーダンンスはピーク電力増幅器の動作状態に依存することなく安定する。同様に、ピーク電力増幅器の出力端インピーダンンスは平均電力増幅器の動作状態に依存することなく安定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を説明する図。
【図２】実施例の入出力電力特性を示す図。
【図３】実施例の出力電力付加効率特性を示す図。
【図４】１／４波長形インピーダンス変換器を示す図。
【図５】スタブ形インピーダンス変換器を示す図。
【図６】従来例を説明する図。
【図７】他の従来例を説明する図。
【符号の説明】
１１  分配器                        ２１  平均電力増幅器
２２  入力側整合回路                ２３  出力側整合回路
２４  インピーダンス変換器          ３１  ピーク電力増幅器
３２  入力側整合回路                ３３  出力側整合回路
３４  インピーダンス変換器          ４１  合成器
４１’ドハティネットワーク
【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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