JP4001571B2 - ドハーティ増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、いわゆる超高周波ドハーティ増幅器に係り、さらに詳細にはＮ（Ｎ≧２の自然数）個の経路（ｗａｙ）を有する経路拡張方式と包絡線トラッキング方式とを採用することにより移動通信基地局の電力増幅器または端末機の電力増幅器の高効率化及び高線形化を達成し、該当装置の価格競争力と信頼性とを向上させるドハーティ増幅器に関する。

当業者に公知のように、ドハーティ増幅器は強電力送信機の高能率変調方式に使われる増幅器の一つであり、Ｂ級増幅器、Ｃ級増幅器、インピダンス反転回路の組み合わせにより効率を向上させるものである。かようなドハーティ増幅器はクオータウエーブトランスフォーマ（λ／４ライン）を使用してキャリア増幅器とピーク（またはピーキング）増幅器とを並列に連結する方法を採る。

前記ドハーティ増幅器のピーク増幅器（またはピーキング増幅器）は電力レベルにより負荷に供給する電流量を異ならせることによりキャリア増幅器の負荷ラインインピダンスを調節して効率を上げる。

超高周波ドハーティ増幅器は１９３６年にＷ．Ｈ．ドハーティにより提案されたが、初期の超高周波ドハーティ増幅器は高出力長波真空管または高出力中波真空管を利用した放送装置の振幅変調（ＡＭ：Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）伝送器に使われた。

前記超高周波ドハーティ増幅器がＡＭ伝送器に適用されて使われた後、前記超高周波ドハーティ増幅器を固体高出力伝送器に使用するためのさまざまな提案があり、実質的な具現のためのさまざまな方式が提案された。そのうちの一つが図１に示された方式であるが、図１の方式は特性インピダンスＺｍ，Ｚｂを有するクオータウエーブトランスフォーマ６，８を使用してインピダンスを変換する方式である。その方式では整合部４による実数部のインピダンス整合だけ可能である。図１にて未説明の部材番号２は入力を分散させるスプリッタであり、Ｚａはスプリッタ２の２つの出力のうち一つを９０゜位相差を有するものとするための特性インピダンスである。

図２に示された方式は前記超高周波ドハーティ増幅器が固体状態の高出力伝送器に適用された従来の他の実施の形態である。この方式はトランジスタＱ１，Ｑ２の出力部に整合回路２４，３４をおき、その後端にオフセットライン２６，３６を配することにより実数部だけではなく虚数部の整合も可能にして増幅器の出力を最大限得つつドハーティ動作を引き出す方式である。図にて未説明の図面符号２’は入力を分散させるための分配器であり、２０はキャリア増幅部、３０はピーク増幅部であり、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３それぞれは示された位相角を有する特性インピダンスである。

ところで、前記のドハーティ増幅器は高出力増幅器に使われて所定の効率改善を達成するが、装置の高性能化及び高機能化に要求される増幅器の線形性向上には多少不足な面があった。

従って、本発明がなそうとする技術的課題は、Ｎ（Ｎ≧２の自然数）個の経路を有する経路拡張方式と包絡線トラッキング方式とを採用することにより移動通信基地局の電力増幅器または端末機の電力増幅器の適用時に高効率化及び高線形化を同時に達成して該当装置の価格競争力と信頼性とを向上させるドハーティ増幅器を提供するところにその目的がある。

本発明がなそうとする他の技術的課題は、全種類のドハーティ増幅器にて改善された効率特性を得るために、所定の入力包絡線信号を抽出してそれを適切にシェーピングした後でピーク増幅器のゲートバイアスに印加できるドハーティ増幅器を提供するところにその目的がある。

前記目的を達成するために本発明による超高周波ドハーティ増幅器は、所定のキャリア増幅器とピーク増幅器とを含んでなるドハーティ増幅器において、Ｎ（Ｎ≧３の自然数）個の経路と、前記Ｎ個の経路のいずれかの一経路上に配される一つのキャリア増幅器と、前記キャリア増幅器が配された経路以外の（Ｎ−１）個の経路上に一つずつそれぞれ配される（Ｎ−１）個のピーク増幅器と、前記Ｎ個の経路それぞれに電力を分配するための電力分配手段と、前記Ｎ個の経路が集まるクオータウエーブインピダンストランスフォーマとを、を含み、前記キャリア増幅器の後端に位置するクオータウエーブ伝送線路と所定の角度θ _C を有するオフセットラインの特性インピダンスを備え、前記ピーク増幅器の後端に位置するオフセットラインの特性インピダンスは所定の角度θ _P を有し、前記ピーク増幅器それぞれの前端には所定の角度９０°＋θ _c −θ _p を有する伝送線路が位置することを特徴とする。

本発明の望ましい実施の形態において、前記キャリア増幅器及びピーク増幅器それぞれは全て同じトランジスタを使用して構成される。

本発明の望ましい実施の形態において、前記クオータウエーブインピダンストランスフォーマの特性インピダンスＲ_Tは、

であり、
前記式において、Ｒ_Oは前記Ｒ_T後端に位置する出力ロード抵抗、Ｒ_OCは前記キャリア増幅器後端に位置するオフセットラインの特性インピダンス、Ｒ_OPは前記ピーク増幅器後端に位置するオフセットラインそれぞれの特性インピダンスである。

本発明の望ましい実施の形態において、前記キャリア増幅器後端に位置する前記オフセットラインの特性インピダンスは所定の角度θ_cを有し、前記ピーク増幅器後端に位置するオフセットラインの特性インピダンスは所定の角度θ_pを有し、前記ピーク増幅器それぞれの前端には所定の角度９０°＋θ_c−θ_pを有する伝送線路が位置する。

本発明の望ましい実施の形態において、前記キャリア増幅器とピーク増幅器のゲートバイアスを異ならせるドハーティ増幅器の特性を利用するために、弱電力では前記ピーク増幅器をオフにして強電力では前記ピーク増幅器を前記キャリア増幅器のバイアスレベルになるように徐々にオンにするための包絡線トラッキング手段を含む。

本発明の望ましい実施の形態において、前記包絡線トラッキング手段は包絡線検出器と、前記包絡線検出器により検出された包絡線信号を減衰または増幅してオフセットを除去し、前記ピーク増幅器のゲート電圧に印加する包絡線シェーピング回路とを含んでなる。

以上にて説明されたように、本発明によるドハーティ増幅器はＮ（Ｎ≧３の自然数）個の経路拡張方式と包絡線トラッキング方式とを採用することにより、移動通信基地局の電力増幅器または端末機の電力増幅器に適用するときに高効率化及び高線形化を同時に達成でき、該当装置の価格競争力と信頼性とが向上できるメリットを提供する。

また、本発明は全種類のドハーティ増幅器において改善された効率特性を得るために所定の入力包絡線信号を抽出してそれを適切にシェーピングした後で、ピーク増幅器のゲートバイアスに印加できる超高周波ドハーティ増幅器を提供するメリットを有する。

以下、添付した図面を参照しつつ本発明による超高周波ドハーティ増幅器の望ましい実施の形態を詳細に説明する。本発明を説明するときに、関連した公知技術または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にしうると判断される場合にはその詳細な説明は省略する。そして、後述される用語は本発明での機能を考慮して定義された用語であり、それはユーザ、運用者の意図または慣例により変わりうる。従って、その定義は本明細書全般にわたった内容を基に判断されなければならない。

図３は本発明による超高周波ドハーティ増幅器の概念的な構成図であり、図４は図３のドハーティ増幅器の線形化現象を説明するためのグラフ、図５は本発明による包絡線トラッキング装置を装着したドハーティ増幅器の構成図である。図６は図５の包絡線トラッキング装置の包絡線シェーピング回路の一実施の形態の構成図であり、図７は図６の包絡線シェーピング回路を通過した信号についてのトランスファ曲線のグラフである。図８は図３にて経路数が３である場合（Ｎ＝３）に実験した線形化の結果スペクトル図面であり、図９は図５の包絡線トラッキング装置をＮ＝２であるドハーティ増幅器に装着した場合に得られる結果の効率を一般的なＡＢ級増幅器の効率と比較したグラフである。

まず、図３を参照すれば、図３は本発明によるＮ（Ｎ≧３の自然数）個の経路に拡張された超高周波ドハーティ増幅器 １００を示したものであり、本発明によるドハーティ増幅器 １００は上端に位置した１個のキャリア増幅器ＣＡと、キャリア増幅器ＣＡの下に位置したＮ−１個のピーク増幅器ＰＡとを含んで構成される。従って、本発明によるドハーティ増幅器 は全体的にＮ個の経路を有し、それぞれの経路に適切な電力を分配して印加するための電力分配器１１０を備える。電力分配器１１０は示された如くＮ経路の一番前端に配される。それぞれのキャリアとピークとを含んだ増幅器ＣＡ，ＰＡ［１］．．．ＰＡ［Ｎ−１］は全て同じトランジスタを使用して構成できる。キャリア増幅器ＣＡ及びピーク増幅器ＰＡを全て同じトランジスタを使用して構成した時、それらそれぞれの特性インピダンスを決めることができることから、出力において完全な電力結合が達成できる。そのために本発明のドハーティ増幅器 １００では出力ロード抵抗Ｒ_Oの前に位置するクオタウエーブインピダンストランスフォーマ１５０が次の公式１のようなインピダンスＲ_Tを持たねばならない。

公式１にてＲ_OCはキャリア増幅器ＣＡ後端に位置するオフセットライン１３２の特性インピダンスであり、Ｒ_OPはピーク増幅器ＰＡ後端に位置するオフセットライン１３４それぞれの特性インピダンスである。

一方、本発明のドハーティ増幅器１００には示された如く出力のオフセットライン１３２，１３４がキャリア増幅器ＣＡとピーク増幅器ＰＡの出力端にそれぞれθ_c、θ_p、の角度を持って位置する。前記のオフセットライン１３２，１３４とドハーティ動作のためのキャリア増幅器１３２終端のクオタウエーブ伝送線路１３６の効果を補償するためにそれぞれのピーク増幅器ＰＡ入力端には所定の角度９０°＋θ_c−θ_pを有する伝送線路１２２が配される。

図４は本発明によるドハーティ増幅器の線形化原理を説明するための図面であり、３次の対信号トランスコンダクタンス（ｇｍ３）のゲート電圧Ｖｇｓによる分布を示す。トランスコンダクタンスは非線形を有するが、それを信号サイズによる項数に展開でき、この時に１次項は一般的な増幅をする成分であってｎ次項はｎ次高調波を生成する成分であるということは公知事実である。一般的な電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の場合、ｇｍ３はゲート電圧Ｖｇｓにより正から負に遷移をする。普通正常なＡＢ級バイアスの場合（図４の−α地点）、ｇｍ３は負になってＢ級近くの適切な地点でαの値を有する地点を求められる。従って、横に結合された２つの増幅器のバイアスが変われば、互いに反対位相を有する３次相互混変調（ＩＭ３）成分を作り出し、結局最終出力において相殺される効果が得られる。ここで、もしＮ個の経路があるドハーティ増幅器の場合、キャリア増幅器を−α地点でバイアスした場合、α／（Ｎ−１）とＮ−１個のピーク増幅器ＰＡのバイアスを調節するならば、非線形性により生成された３次高調波であるＩＭ３成分を正確に相殺できる。普通Ｎ＝２であるドハーティ増幅器の場合、３次を完全相殺するためにはαにバイアスしなければならないが、この時バイアスがあまりにも低いと大きな５次以上の高次混変調歪が発生しうる。従って、最適な線形性改善を得るためには大きな高次混変調歪が発生しうる。従って、本発明のように最適な線形性改善を得るためには、高次混変調歪の発生を予防する必要があり、ピーク増幅器ＰＡの数を増やし相対的に高いバイアス条件で３次混変調成分の相殺を可能にする経路の拡張（Ｎ≧３）が必要である。

図５は本発明による包絡線トラッキング装置２００を有するドハーティ増幅器を示す。本発明による包絡線トラッキング装置２００の最も主な特徴はキャリア増幅器ＣＡとピーク増幅器ＰＡのゲートバイアス電圧を異ならせるドハーティ増幅器の特性を利用することである。本発明の包絡線トラッキング装置２００は弱電力ではピーク増幅器ＰＡをオフにして強電力ではピーク増幅器ＰＡをキャリア増幅器ＣＡのゲートバイアス電圧Ｖ_GG,CARRIERレベルになるように徐々にオンにする調節を包絡線トラッキングという方式で利用する。それにより、本発明による包絡線トラッキング装置２００は包絡線が経時的に変わる変調された信号の増幅に適するようにし、ピーク増幅器ＰＡのゲートバイアス電圧Ｖ_GG,PPEAKINGを低く固定することにより生じうる利得低下と出力電力低下、線形性悪化を未然に防止する。本発明による包絡線トラッキング装置２００は全ての既存ドハーティ増幅器だけではなく、図３に示されたようなＮ個の経路を有するドハーティ増幅器にも応用が可能であるということは当業者において自明である。

図５にて部材番号２１０は包絡線を検出するための包絡線検出器であり、２２０は包絡線検出器２１０から検出された包絡線信号を適切に変形するための包絡線シェーピング回路である。そして、部材番号２３０は入力ドハーティネットワークを示し、２４０は出力ドハーティネットワークを示し、入力ドハーティネットワーク２３０と出力ドハーティネットワーク２４０間にはキャリア増幅器ＣＡとピーク増幅器ＰＡとが介在される。

図６は図５に示された包絡線トラッキング装置２００の包絡線シェーピング回路２２０の一実施の形態を示したものであり、包絡線検出器２１０を介して検出した低周波の包絡線信号を適切に減衰させて増幅してオフセットを抜き出すことにより図７のような包絡線電圧Ｖ_ENVによる出力電圧の変化を作り出し、それをピーク増幅器ＰＡのゲートバイアス電圧Ｖ_GG,PEAKINGに印加するように作用する。

図７にて地点Ａは最大包絡線電圧を示す地点であり、Ｂ地点はドハーティ増幅器１００のピーク増幅器ＰＡがオンになる地点を示す。前記Ｂ地点は一般的にＮ＝２である場合、出力電力として６ｄＢ地点を示す所である。Ｂ地点以下にてピーク増幅器ＰＡのゲートバイアス電圧Ｖ_GG,PEAKINGはＣになるが、それはピーク増幅器ＰＡをほとんど完全にオフにする地点とならなければならない。地点Ａにてピーク増幅器ＰＡのゲートバイアス電圧Ｖ_GG,PEAKINGはＤになるが、それはピーク増幅器ＰＡのバイアスをキャリア増幅器ＣＡのゲートバイアス電圧Ｖ_GG,CARRIERと一致させる地点である。図７は包絡線シェーピング回路２２０と関連した一実施の形態のグラフであるが、そのグラフを応用して本発明のドハーティ増幅器に多様な変化を与えることによりドハーティ増幅器の線形性と効率とを最適化できる。

図８は本発明の一実施の形態であり、Ｎ＝３であるドハーティ増幅器を２．１４ＧＨｚ帯域で測定したスペクトルを示す。図８を参照すれば、本発明のドハーティ増幅器は比較対象のＡＢ級増幅器に比べてすぐれた線形性を有することが分かる。図９は包絡線トラッキング装置２００を装着したＮ＝２であるドハーティ増幅器のシミュレーション結果を示すグラフであり、そのグラフを参照すれば本発明のドハーティ増幅器は出力電力バックオフによりＡＢ級増幅器に比べてすぐれた効率特性を有することが分かる。

参考までに、図８の縦軸は単位周波当りの電力分布（ＰＳＤ：Ｐｏｗｅｒ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）であって各単位周波数当たりの電力分布を示し、図９の縦軸は有効効率（ＰＡＥ：Ｐｏｗｅｒ Ａｄｄｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）であり、それは増幅器にて増幅しようとするなら直流（ＤＣ）バイアスにてエネルギーを得てそのエネルギーを高周波に変換して増幅するが、ＤＣバイアスに印加した電力にてどれほど増幅に寄与したかその効用性を示す。図８において、縦軸単位であるｄＢｍは電力単位であるワット（正確にはミリワット）をログスケールに変換した電力単位であって、
変換公式 ｄＢｍ＝１０ｌｏｇ（Ｗａｔｔ／１０^-3）は当業者に自明である。

以上本発明の望ましい実施の形態について詳細に記述したが、本発明が属する技術分野において当業者ならば、特許請求範囲に定義された本発明の精神及び範囲を外れずに本発明をさまざまに変形または変更して実施できることが分かるであろう。よって本発明の実施の形態変更は本発明の技術的範囲に含まれると解される。

本発明は、移動通信基地局の電力増幅器または端末機の電力増幅器の高効率化及び高線形化を達成し、該当装置の価格競争力と信頼性とを向上させることができる。

従来技術による超高周波ドハーティ増幅器の一実施の形態の構成図である。 従来技術による超高周波ドハーティ増幅器の他の実施の形態の構成図である。 本発明による超高周波ドハーティ増幅器の構成図である。 図３のドハーティ増幅器の線形化現象を説明するためのグラフである。 本発明による包絡線トラッキング装置を装着したドハーティ増幅器の構成図である。 図５の包絡線トラッキング装置の包絡線シェーピング回路の一実施の形態の構成図である。 図６の包絡線シェーピング回路を通過した信号についてのトランスファ曲線のグラフである。 図３にて経路が３つ（Ｎ＝３）である場合に実験した線形化の結果スペクトル図面である。 図５の包絡線トラッキング装置を経路が２つ（Ｎ＝２）であるドハーティ増幅器に装着した場合に得られる結果の効率を一般的なＡＢ級増幅器の効率と比較したグラフである。

符号の説明

１００ ドハーティ増幅器、
１１０ 電力分配器、
１２２ 入力端伝送線路、
１３２，１３４ オフセットライン、
１５０ クオタウエーブインピダンストランスフォーマ、
２００ 包絡線トラッキング装置、
２２０ 包絡線シェーピング回路、
ＣＡ キャリア増幅器、
ＰＡ ピーク増幅器（またはピーキング増幅器）。

Claims (4)

1. 所定のキャリア増幅器とピーク増幅器とを含んでなるドハーティ増幅器において、
   Ｎ（Ｎ≧３の自然数）個の経路と、
   前記Ｎ個の経路のいずれかの一経路上に配される一つのキャリア増幅器と、
   前記キャリア増幅器が配された経路以外の（Ｎ−１）個の経路上に一つずつ配される（Ｎ−１）個のピーク増幅器と、
   前記Ｎ個の経路それぞれに電力を分配するための電力分配手段と、
   前記Ｎ個の経路が集まるクオータウエーブインピダンストランスフォーマと、を含み、
   前記キャリア増幅器の後端に位置するクオータウエーブ伝送線路と所定の角度θ _C を有するオフセットラインの特性インピダンスを備え、
   前記ピーク増幅器の後端に位置するオフセットラインの特性インピダンスは所定の角度θ _P を有し、
   前記ピーク増幅器それぞれの前端には所定の角度９０°＋θ _c −θ _p を有する伝送線路が位置することを特徴とするドハーティ増幅器。
2. 前記キャリア増幅器及びピーク増幅器それぞれは全て同じトランジスタを使用して構成されることを特徴とする請求項１に記載のドハーティ増幅器。
3. 前記キャリア増幅器とピーク増幅器のゲートバイアスを異ならせるドハーティ増幅器の特性を利用するために、弱電力では前記ピーク増幅器をオフにして強電力では前記ピーク増幅器を前記キャリア増幅器のバイアスレベルになるように徐々にオンにするための包絡線トラッキング手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のドハーティ増幅器。
4. 前記包絡線トラッキング手段は包絡線検出器と、前記包絡線検出器により検出された包絡線信号を減衰または増幅してオフセットを除去し、前記ピーク増幅器のゲート電圧に印加する包絡線シェーピング回路とを含んでなることを特徴とする請求項３に記載のドハーティ増幅器。

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