(57)【要約】【課題】簡単な構成で広い周波数帯域幅を持つ高効率かつ安価なドハティ増幅器を提供する。【解決手段】入力信号を分配する分配回路７と、分配回路で分配された一方の信号を常時増幅する、内部整合回路を含まないキャリア増幅器１と、キャリア増幅器の出力電力が飽和状態に近づいた場合に、分配回路で分配された他方の信号を増幅する、内部整合回路を含まないピーク増幅器２と、キャリア増幅器の出力電力とピーク増幅器の出力電力を、キャリア増幅器の出力側およびピーク増幅器の出力側の各々に形成されたテーパを有するパターンで整合をとって合成して出力する合成部３〜５を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を分配する分配回路と、
前記分配回路で分配された一方の信号を常時増幅するキャリア増幅器と、
前記キャリア増幅器の出力電力が飽和状態に近づいた場合に、前記分配回路で分配された他方の信号を増幅するピーク増幅器と、
前記キャリア増幅器の出力電力および前記ピーク増幅器の出力電力を、前記キャリア増幅器の出力側および前記ピーク増幅器の出力側の各々から合成点に向かってパターン幅が徐々に小さくなっていくテーパが形成されたパターンで整合をとって合成して出力する合成部と、
を備えたことを特徴とするドハティ増幅器。
【請求項２】
前記合成部は、前記キャリア増幅器の出力電力と前記ピーク増幅器の出力電力が、低いインピーダンスで整合されたまま合成される合成点を有し、
前記合成点と外部負荷との整合をとる１／４波長インピーダンス変換器を備えたことを特徴とする請求項１記載のドハティ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高効率かつ低歪みで電力を増幅するドハティ増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動体通信や無線通信（無線ＬＡＮ、ワイヤレスＵＳＢ）などの進歩は著しく、特に携帯電話の急激な普及と、それに伴うインフラストラクチャの整備により、携帯端末のみならず基地局にも低消費電力化が要求されている。そこで、基地局において送信に使用される増幅器についても、効率および線形性の向上に対する要求が一層高まっている。線形性は、入力電力の増加に対する出力電力の増加が直線的に変化するという性能である。この線形性が良好であれば、出力信号の歪みが低減されて、隣接チャネル漏洩電力が低減される。
【０００３】
しかしながら、一般的な増幅器では、効率と線形性との間にはトレードオフの関係があり、また、効率は、増幅器への入力レベルに比例する。したがって、高い効率は、増幅器の出力が飽和出力電力に近づくまで得られないので、増幅器の良好な線形性を実現することは難しい。そこで、高効率で信号を増幅する技術と、その低歪化やフィードフォワードといった歪補償技術とを組み合わせることにより、より高効率かつ低歪みで電力を増幅するドハティ増幅器が開発されている。
【０００４】
ドハティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器とを備えており、キャリア増幅器がＡＢ級動作し、ピーク増幅器がＣ級動作するようにバイアス条件が与えられる。このドハティ増幅器では、キャリア増幅器およびピーク増幅器の各出力端の合成点からピーク増幅器を見た負荷インピーダンスが開放に近い状態となるように位相線路長が構成されている。これにより、小信号動作時は、ピーク増幅器はＣ級動作しているため、キャリア増幅器しか動作しない状態となり、図８のカーブＣ２に示すように、効率が向上する。
【０００５】
そして、出力電力が、キャリア増幅器が飽和する飽和遷移点Ｐａ以上に増加すると、すなわち、大信号動作時は、ピーク増幅器も動作するため、図８のカーブＣ３に示すように、飽和出力電力Ｐｂが伸びる。２つの増幅器をＡＢ級動作させるような通常の増幅器は、図８のカーブＣ１に示すようになり、ドハティ増幅器と同等の飽和出力電力が得られるが、飽和出力電力からバックオフをとった領域では、効率は低い。
【０００６】
また、同じ飽和出力電力を持つキャリア増幅器とピーク増幅器とで構成されるドハティ増幅器は、図８のカーブＣ２およびＣ３に示すように、飽和遷移点Ｐａで効率の不連続点を有し、その効率をほぼ維持しつつ飽和出力電力Ｐｂに達するという特徴を有する。
【０００７】
上述したように、ドハティ増幅器は、キャリア増幅器およびピーク増幅器の各出力端の合成点から見たピーク増幅器の負荷インピーダンスが開放に見えるように、インピーダンスの最適化を行う必要があるが、一般に、インピーダンスは、周波数に依存して大きく変化することが多い。
【０００８】
このため、合成点から見たピーク増幅器の負荷インピーダンスは、周波数によっては、開放に見えない状態がある。もし、開放でないと、小信号動作時、すなわち、キャリア増幅器のみ動作している場合、ピーク増幅器側へ電力が漏洩してしまう。したがって、従来のドハティ増幅器では、狭い周波数帯域幅でしか高い効率を得ることができないという課題があった。
【０００９】
この課題を解消するために、特許文献１は、ドハティ型電力増幅器の出力電力合成回路の電気長を可変にし、マルチバンドまたは広帯域に対して高電力付加効率を図る電力増幅器を開示している。図９は、特許文献１に開示された電力増幅器の回路を示し、キャリア増幅器の出力側に伝送線路とコンデンサとスイッチを有し、搬送波の周波数に応じて、電気長が９０度となるように構成されている。
【００１０】
また、特許文献２は、広い周波数帯域幅で高い効率を得ることができる増幅器を開示している。図１０は、特許文献２に開示された増幅器の回路を示し、（１）キャリア増幅器Ａｍｐ１の出力側、（２）ピーク増幅器Ａｍｐ２の入力側、（３）ピーク増幅器Ａｍｐ２の出力側において、入力信号の搬送波の周波数に合わせた最適線路長をもつ素子を用い、搬送波の周波数に応じてスイッチングにより最適な線路長を与えるという構造を有する。
【特許文献１】特開２００７−１９５７８号公報
【特許文献２】特開２００６−３４５３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した特許文献１に開示された電力増幅器においては、制御回路が必要となるため、増幅器全体としての面積が大きくなり、コストが高くなる。また、特許文献２に開示された増幅器においても、制御回路が必要となり、特許文献１に開示された増幅器と同様に、増幅器全体としての面積が大きくなり、コストが高くなる。
【００１２】
本発明の課題は、簡単な構成で広い周波数帯域幅を持つ高効率かつ安価なドハティ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】
【００１３】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、入力信号を分配する分配回路と、分配回路で分配された一方の信号を常時増幅するキャリア増幅器と、キャリア増幅器の出力電力が飽和状態に近づいた場合に、分配回路で分配された他方の信号を増幅するピーク増幅器と、キャリア増幅器の出力電力およびピーク増幅器の出力電力を、キャリア増幅器の出力側およびピーク増幅器の出力側の各々から合成点に向かってパターン幅が徐々に小さくなっていくテーパが形成されたパターンで整合をとって合成して出力する合成部とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、合成部は、キャリア増幅器の出力電力とピーク増幅器の出力電力が、低いインピーダンスで整合されたまま合成される合成点を有し、合成部の合成点と外部負荷との整合をとる１／４波長インピーダンス変換器を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡単な構成で広い周波数帯域において高効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の実施例１に係るドハティ増幅器の回路構成を示す図である。このドハティ増幅器は、入力端ＩＮ、９０°ハイブリッドカプラ７、５０Ω終端器８、キャリア増幅器１、ピーク増幅器２、インピーダンスを５Ωから２０Ωに変換するキャリア増幅器側位相補償線路３、インピーダンスを５Ωから２０Ωに変換するピーク増幅器側位相補償線路４、キャリア増幅器側１／４波長線路５、１／４波長インピーダンス変換器６および出力端ＯＵＴを備えている。これらの構成要素のうち、キャリア増幅器側位相補償線路３、ピーク増幅器側位相補償線路４およびキャリア増幅器側１／４波長線路５は、本発明の合成部に対応する。
【００１８】
入力端ＩＮから入力される信号は、分配回路としての９０°ハイブリッドカプラ７を介することにより分配され、ほぼ同じ電力でキャリア増幅器１およびピーク増幅器２に送り出される。なお、分配回路としては、９０°ハイブリッドカプラに限定されず、例えばウィルキンソン分配器等の一般的な分配回路を用いることもできる。
【００１９】
キャリア増幅器１はＡＢ級動作を行い、ピーク増幅器２はＣ級動作を行うようバイアス条件が与えられ、キャリア増幅器１は、常時、電力を増幅する。キャリア増幅器１の出力電力が飽和状態に近づくと、バイアス条件がＣ級に設定されているピーク増幅器２が動作を開始する。
【００２０】
以上は、通常のドハティ増幅器の動作原理であるが、本発明の実施例１に係るドハティ増幅器の大きな特徴は、図１に示すキャリア増幅器１およびピーク増幅器２の出力側は特性インピーダンスが低い線路で構成されている点である。
【００２１】
キャリア増幅器１およびピーク増幅器２として使用される増幅素子のパッケージとしては、内部整合回路を含まないパッケージが使用される。したがって、キャリア増幅器１およびピーク増幅器２は、余分なインダクタンスおよびキャパシタンスは含まないので、周波数に対するインピーダンスの広がりが小さく、さらに、増幅素子の入力インピーダンスおよび負荷インピーダンスは低い。
【００２２】
そこで、可能な限り周波数に対するインピーダンスの広がりを抑えるために、増幅素子のパッケージの外部において、増幅素子と外部負荷を５０Ωに整合をとらずに、５０Ωより低いインピーダンスでキャリア増幅器１およびピーク増幅器２の各出力を合成する。このとき、可能な限り低いインピーダンスのまま、キャリア増幅器１およびピーク増幅器２の各出力を合成することが好ましいが、基板の特性（誘電率、高さなど）により実現可能な線路幅が制限されるので、実現可能な線路幅となるように、低いインピーダンス値を定める方が好ましい。
【００２３】
合成点から負荷側の整合は、１／４波長インピーダンス変換器６を用いることにより実現することができる。例えば、負荷側のインピーダンスを５０Ωとし、キャリア増幅器１およびピーク増幅器２から合成点までのインピーダンスが２０Ωである場合、合成点から増幅器側を見たときのインピーダンスは１０Ωであるので、この１／４波長インピーダンス変換器６の特性インピーダンスは２２．３Ω（√（２０／２×５０）Ω）となる。
【００２４】
また、合成点からピーク増幅器２を見たインピーダンスは開放に見えるように、インピーダンスの最適化が行われる。これにより、小信号動作時、すなわち、キャリア増幅器１のみ動作している状態では、合成点においてピーク増幅器２への電力が漏洩することなく、増幅された電力は出力端ＯＵＴへ送り出される。
【００２５】
ここで、キャリア増幅器１およびピーク増幅器２として使用される増幅素子のパッケージの内部構造を説明する。図２は、従来から使用されている内部整合回路を含む増幅素子のパッケージの内部構造を示す図である。増幅素子のパッケージ１０の内部は、増幅素子としての半導体チップ１３の入出力側に、内部整合回路としての入力側内部整合回路１１および出力側内部整合回路１２が接続されている。これら入力側内部整合回路１１および出力側内部整合回路１２は、近似的に、シリーズのインダクタとシャントのキャパシタンスにより表現することができる。
【００２６】
このような内部整合回路を有することにより、半導体チップ１３と入力端および出力端が、可能な限り外部負荷に整合されるようになっている。しかしながら、出力側内部整合回路１２が接続されていると、Ａｕワイヤによるインダクタンスやパッドによるキャパシタンスが存在し、周波数に対する負荷インピーダンスが広がってしまい、ドハティ増幅器の広帯域化が阻害される。
【００２７】
そこで、本発明の実施例１に係るドハティ増幅器では、図３に示すような、パッケージ２０の内部に整合回路を含まない構造を有するデバイスを使用する。パッケージ２０の内部が図３に示すような構造であれば、余分なインダクタンスおよびキャパシタンスが存在しないため、周波数に対する負荷インピーダンスの広がりを抑えることができる。このようなデバイスを用いることにより、ドハティ増幅器の広帯域化が実現可能となる。
【００２８】
図４は、内部整合回路を含むデバイスにおいて負荷インピーダンスが開放となるようインピーダンス変換した時のスミスチャートであり、図５は、デバイス内部に整合回路を含まないデバイスにおいて負荷インピーダンスが開放となるようインピーダンス変換した時のスミスチャートである。図４および図５のスミスチャートを比較すると、図５に示す内部整合回路を含まないデバイスを用いた方が、２．５ＧＨｚから２．７ＧＨzにかけて、より開放に見えていることが分かる。
【００２９】
図６は、本発明の実施例１に係るドハティ増幅器の効率のシミュレーション結果を示す図である。なお、シミュレーションは、ＡＷＲ社の「Microwave Office」を用いて行った。図６に示す特性Ａは、２つの増幅器ともＡＢ級動作を行った場合の効率の周波数特性、特性Ｂは、通常のドハティ増幅器の場合の効率の周波数特性、特性Ｃは、本発明の実施例１に係るドハティ増幅器の効率の周波数特性である。なお、図６は、飽和出力電力から１０ｄＢバックオフをとったポイントでの効率を示している。
【００３０】
図６に示すように、周波数２．３ＧＨzから２．８５ＧＨzといった広い周波数範囲で、本発明の実施例１に係るドハティ増幅器の効率は、ＡＢ級動作時の効率より良好な結果が得られた。
【００３１】
図７は、本発明の実施例１に係るドハティ増幅器を、基板上にパターンで形成した実際の回路を示す図である。入力端ＩＮから入力される信号は、パターン線路Ｐ１を介して９０°ハイブリッドカプラ７の第１端子Ｈ１に入力される。
【００３２】
なお、９０°ハイブリッドカプラ７の第２端子Ｈ２は、パターン線路Ｐ２を介して５０Ω終端器８に接続され、第３端子Ｈ３はパターン線路Ｐ３を介してキャリア増幅器１のゲート電極Ｇ１に接続され、第４端子Ｈ４はパターン線路Ｐ４を介してピーク増幅器２のゲート電極Ｇ２に接続されている。９０°ハイブリッドカプラ７に入力された信号は、９０°ハイブリッドカプラの第３端子Ｈ３および第４端子Ｈ４から、同振幅の信号として送り出される。なお、第４端子Ｈ４から出力される信号の位相は、第３端子Ｈ３から出力される信号の位相より９０°遅れている。
【００３３】
キャリア増幅器１の出力側は、キャリア増幅器側位相補償線路３としてのドレイン電極Ｄ１と、キャリア増幅器側１／４波長線路５としてのパターン線路Ｐ５とを介して合成点に接続され、ピーク増幅器２の出力側は、ピーク増幅器側位相補償線路４としてのドレイン電極Ｄ２を介して合成点に接続されている。
【００３４】
ドレイン電極Ｄ１およびドレイン電極Ｄ２は、増幅素子に近い方が、その負荷インピーダンスである例えば５Ω（パターン幅が広いため）で、増幅素子に遠い方が２０Ω（パターン幅が狭いため）の線路となるようにテーパが設けられたパターンで構成されている。合成点は、１／４波長インピーダンス変換器６としてのパターン線路Ｐ６を介して、出力端ＯＵＴであるパターン線路Ｐ７に接続されている。
【００３５】
即ち、キャリア増幅器１の出力電力およびピーク増幅器２の出力電力を、キャリア増幅器１の出力側およびピーク増幅器２の出力側の各々から合成点に向かってパターン幅が徐々に小さくなっていくテーパが形成されたパターンで整合をとって合成して出力する合成部が設けられている。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、携帯電話およびＷｉＭＡＸ（ＩＥＥＥ  ８０２．１６規格）等の無線基地局に用いられる電力増幅器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例１に係るドハティ増幅器の回路構成を示す図である。
【図２】従来から使用されている内部整合回路を含む増幅素子のパッケージの内部構造を示す図である。
【図３】本発明の実施例１で使用される内部整合回路を含まない増幅素子のパッケージの内部構造を示す図である。
【図４】デバイス内部に整合回路を含むデバイスにおいて負荷インピーダンスが開放となるようインピーダンス変換した時のスミスチャートである。
【図５】デバイス内部に整合回路を含まないデバイスにおいて負荷インピーダンスが開放となるようインピーダンス変換した時のスミスチャートである。
【図６】本発明の実施例１に係るドハティ増幅器の効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の実施例１に係るドハティ増幅器を、基板上にパターンで形成した実際の回路を示す図である。
【図８】ドハティ増幅器の効率特性を説明するための図である。
【図９】従来のドハティ増幅器の回路構成を示す図である。
【図１０】従来のドハティ増幅器の他の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  キャリア増幅器
２  ピーク増幅器
３  キャリア増幅器側位相補償線路
４  ピーク増幅器側位相補償線路
５  キャリア増幅器側１／４波長線路
６  １／４波長インピーダンス変換器
７  ９０°ハイブリッドカプラ
８  ５０Ω終端器
ＩＮ  入力端
ＯＵＴ  出力端
【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】
2009182635.tif 000008
【図７】
2009182635.tif 000009
【図８】
2009182635.tif 000010
【図９】
2009182635.tif 000011
【図１０】
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