JP5686510B2 - 増加されたバックオフパワーおよび電力付加効率を持つｎウェイ電力増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、一般にＲＦ電力増幅器に関し、より具体的には、ディジタル変調が利用される基地局おいて出力電力の広いレンジを必要とする最近の無線通信システムに適したＲＦ電力増幅器に関する。

基地局における電力増幅器は、ピーク電力よりもずっと低い出力電力レベルおいてしばしば動作する。残念ながらバックオフパワーレベルは、送信機の電力増幅器の効率を下げる。従来の増幅器においては、効率および入力駆動レベルの間には直接の関係がある。したがって高効率（ＤＣからＲＦへの変換効率）は、ＲＦ入力電力レベルが充分に高く増幅器を飽和状態で駆動するまで得られない。マルチキャリア通信システムにおいて増幅器はなるべくリニアを保たなければならないので、高効率のこの領域は使用されえない。

バックオフパワーレベルにおいて改良された効率を提供する従来の電力増幅器設計は、ドハティ増幅器であり、これはメイン増幅器からの電力と、補助またはピーク増幅器からの電力とを結合する。W.H.Dohertyの「A New High-Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves」、Proc. IRE Vol. 24, No. 9, pp. 1163-1182、１９３６年を参照されたい。図１（Ａ）に示されるように、従来のドハティ構成においては、キャリア増幅器１０およびピーク増幅器１２は、最大電力を負荷Ｒに最適効率で伝達するよう設計される。メインつまりキャリア増幅器は通常のＢ級増幅器であり、一方、ピーク増幅器はある最小スレッショルドを超える信号だけを増幅するように設計される。ＬＤＭＯＳ電力トランジスタについてこれは、Ｃ級に似た動作のために、トランジスタをそのピンチオフ電圧より下にＤＣバイアスすることによって達成されえる。２つの増幅器の出力は、インピーダンスＲの１／４波長伝送線路によって接続され、最適負荷Ｒの半分の負荷がピーク増幅器の出力に付加される。ＲＦ入力電力は、ピーク増幅器への入力において１／４波長の遅延で等しく分割され、よって付加Ｒ／２における２つの増幅器の出力電力は同相になる。

ドハティ増幅器は、Ｂ級メイン増幅器をその最適付加の２倍より大きい負荷インピーダンスで動作させることによって圧縮の前に高効率を達成する。この増幅器は、その最大電力の半分において圧縮し、ピーク効率に達する。第２つまりピーク増幅器は、入力信号のピークのあいだだけアクティブにされ、メイン増幅器の出力において現れる負荷インピーダンスを変調するように用いられる。第２増幅器がその最大電力を出力するときにやはり最大効率は達成される。よって第１増幅器は、見かけの電力の６ｄＢの範囲で飽和のぎりぎりのところに維持され、ほとんどピーク効率が維持されえる。

ピーク増幅器をオンにするのにドハティ増幅器への入力ＲＦ電力が充分ではないとき、出力電力の全ては、メインつまりキャリア増幅器によって供給される。図１（Ｂ）に示されるように、ピーク増幅器がオフのとき、その出力インピーダンスは非常に高くキャリア増幅器の出力電力は全体が負荷Ｒ／２に伝達される。１／４波長トランスにわたってキャリア増幅器に実際に示される負荷は２Ｒである。よってデバイス電流は、最大電力において伝達されるものの半分であり、一方で電圧は飽和する。これはデバイスがその最大出力電力の半分を伝達することになる。電流のＲＦおよびＤＣ成分の両方がそのピーク値の半分であるので、効率は最大で、最大のリニア効率で負荷に供給されているキャリア増幅器の最大出力電力の半分を持つ。

図１（Ａ）に示されるように、ピーク増幅器が飽和するのに充分な入力ＲＦ電力が提供されるとき、２つのパラレルの増幅器は、等しく最大出力電力を負荷Ｒ／２に伝達している。それぞれの増幅器に見える負荷は、最適負荷Ｒであり、１／４波長トランスの両端における負荷はＲのまま維持される。キャリア増幅器がちょうど飽和し始めるときに、ピーク増幅器は動作を始めるように設計される。最大リニア効率はこの点で得られる。入力ＲＦ駆動がさらに深くなるにつれ、ピーク増幅器がオンになり始め、出力電力を負荷に伝達するようになる。ピーク増幅器によって供給される追加の電流は、１／４波長トランスの出力における負荷インピーダンスを増す効果がある。トランスのキャリア増幅器端における実効的な変化は、見かけの負荷インピーダンスの減少であり、キャリア増幅器がより多くの電力を伝達し、一方でその電圧は飽和したままである。ピーク増幅器のデューティファクタが比較的低いので、限界の間の効率は、最大よりもわずかだけ落ちる。

ドハティ増幅器の高効率動作の範囲を拡張するための試みが行われてきた。例えばIwamotoらは、キャリアおよびピーク増幅器にスケールドトランジスタ（scaled transistors）つまり異なるサイズのトランジスタ群を、そして入力において不等電力スプリッタを用いて１２ｄＢバックオフ回路を作った。Iwamotoらの「An Extended Doherty Amplifier with High Efficiency Over a Wide Power Range」、2001 IEEE MTT-S Digest, Phoenix, AZを参照されたい。総出力電力が低い（１０ワット未満）ときはこの技術は一見うまく働くが、出力電力が１０〜１００ワットＣＷレンジにあるときはあまり改善されない。

本発明は、ＲＦ電力増幅器について高効率動作の拡張された範囲を提供する。

本発明によれば、ＲＦ電力増幅器は、最大バックオフパワー動作のためのメインつまりキャリア増幅器、および電力要件が増すにつれて順次、動作を開始するように適切にバイアスされた複数の補助つまりピーク増幅器を含む。それぞれのピーク増幅器は、電力レンジで６ｄＢの増加が提供でき、この分だけピーク効率が維持される。入力信号をメイン増幅器およびＮ−１個のピーク増幅器に提供するのにＮウェイスプリッタが必要とされるので、スプリッタにおける電力の有限損失はある程度の効率低下をきたす。

好ましい実施形態においては、４ウェイ増幅器が提供され、これは全て４ウェイ電力スプリッタによって駆動されるメイン増幅器および３つのピーク増幅器を含む。理論的にはこの増幅器は効率的な電力レンジを１８ｄＢ拡張する。効率的な電力レンジのこのような拡張は、平均電力に対するピーク電力が１３ｄＢの高さにも及ぶワイドバンドＣＤＭＡ（Ｗ−ＣＤＭＡ）またはＯＦＤＭのような変調スキームを用いるディジタル通信システムにおいては非常に重要である。４ウェイ構成はまた、２ウェイ増幅器構成に比較して３ｄＢｍの総電力増加を提供する。よって１２０ワットのピーク増幅器は、それぞれの増幅器パス（キャリアおよび３つのピーク増幅器群）が３０ワットのトランジスタ群を利用する４ウェイ構成によって提供されえる。
本発明およびその目的および特徴は、図面を参照するとき以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から容易に明らかになろう。

従来のドハティ増幅器の回路図である。 従来のドハティ増幅器の回路図である。 本発明のある実施形態による４ウェイ電力増幅器の回路図である。 図２の４ウェイ電力増幅器のより詳細な回路図である。 図２および３によるシミュレーションされた電力増幅器についての出力電力対入力電力および電力付加効率を示すグラフである。

本発明は、複数のピーク増幅器が追加され、Ｎウェイスプリッタがメイン増幅器およびＮ−１個のピーク増幅器のために提供されたドハティ電力増幅器の変形といえる。実際の増幅器の構成を容易にするために、入力におけるピーク増幅器への従来のドハティ増幅器の１／４波長トランス、およびキャリア増幅器の出力における従来のドハティ増幅器の１／４波長トランスが入れ替えられているが、パフォーマンスに影響はない。キャリア増幅器入力においては一つの９０°（１／４波長）位相長しか必要とされず、よって、マルチウェイ電力ディバイダを通した複数のピーキング増幅器がより簡単に実現できる。

図２は、本発明による電力増幅器のある実施形態の機能ブロック図であり、これは、キャリア増幅器２０および３つのピーク増幅器２１、２２、２３を含み、ピーク増幅器群は、９０°トランス２４、２５、２６を通して出力負荷２８へ接続される。単一の９０°トランス３０は、４ウェイスプリッタ３２をキャリア２０に接続する。ピーク増幅器のそれぞれのＤＣバイアスを適切な値に設定することによって、追加されたピーク増幅器は、ドハティ機能が拡張されることを可能にする。第１のものに加えて追加されたピーク増幅器群のそれぞれについて、電力レンジにおいて６ｄＢの対応する増加が見込め、この分だけピーク効率が維持される。Ｎウェイスプリッタの有限損失のために、効率のある程度の低下が発生する。４ウェイ増幅器は、効率的な電力の範囲を１８ｄＢの理論値へ拡張する。上述のようにこのような拡張は、平均電力に対するピークの比が１３ｄＢの高さにもなる変調スキームを用いるディジタル通信システムにおいては非常に重要である。４ウェイ構成は、２ウェイの従来のドハティ回路に比べて３ｄＢｍの全体的電力増加を提供する。よって１２０ワットピークの増幅器は、４ウェイドハティ構成によって３０ワットのトランジスタを利用するそれぞれのパス（キャリアおよび３つのピーク増幅器）で提供されえる。

図３は、メイン増幅器トランジスタ４０および３つのピーク増幅器トランジスタ４１〜４３を含むＵｌｔｒａ ＲＦからの３０ワットＬＤＭＯＳＦＥＴパワートランジスタを利用してシミュレーションされた図２の増幅器のより詳細な回路図である。入力信号の４ウェイ分配は、２ウェイスプリッタ４４、４６および４８によって提供される。メイントランジスタ増幅器４０は、スプリッタ４６を入力整合回路５２に接続する９０°トランス５０を含む。ゲートバイアス５４、ドレインバイアス５６、出力整合回路５８、およびオフセットマイクロストリップ位相長６０は、直列に増幅器を位相スプリッタ４６および６２における出力の間で接続し、トランス６４および抵抗負荷６５を含む。ピーク増幅器のそれぞれは、図２に示されるように増幅器回路を負荷に接続する９０°トランス６６を有する。高調波終端、例えばグラウンドに接続されたコイルおよびキャパシタは、出力整合回路５８に含まれえて、出力高調波をトランジスタ出力に戻し、それによってピーク効率を増す。ピーク増幅器回路のそれぞれは、入力信号強度が増すにつれてピーク増幅器を順番に動作させるゲートバイアス回路を持つ類似の入力および出力回路を有する。

図３の４ウェイ増幅器は、ＵＭＴＳバンド（２１１０〜２１７０ＭＨｚ）にわたって出力電力、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得についてＡｇｉｌｅｎｔＡＤＳシミュレータを用いてシミュレーションされた。図４は、２３〜４３ｄＢｍ（２００ミリワットから２０ワット）の範囲で広がる入力電力のレンジにわたって、１５０ワット（５２ｄＢｍ）に近い飽和出力で、ＰＡＥと共に入力ＲＦ電力対出力ＲＦ電力を示す。出力電力レベルが４２ｄＢｍ（１０ｄＢバックオフ）までバックオフするとき、ＰＡＥは４６％である。従来の増幅器は、同じバックオフパワーについては１０％未満のＰＡＥを有する。従来の２ウェイのドハティ増幅器は、対応するＰＡＥとして２３％を有する。ピーク増幅器のためのバイアス電圧の選択においては、増幅器のダイナミックレンジ全体にわたって利得の直線性を維持するために正しい点においてトランジスタが順番にオンにされることが重要である。

表１は、従来の２ウェイドハティ増幅器、Iwamotoらによって記述された不等電力スプリット付き２ウェイドハティ増幅器、本発明の実施形態による３ウェイ（２ピーク増幅器を持つメイン増幅器）、および４ウェイスプリット（３ピーク増幅器を持つメイン増幅器）の間の比較を示す。４ウェイ増幅器は、従来のアプローチに比べてＰＡＥにおいては２倍の改善を達成する。

本発明によるＮウェイドハティ増幅器は、広い範囲の入力／出力電力レベルにわたってリニア電力増幅器の電力付加効率を大きく改善する。この増幅器は、高電力増幅器に特に適するが、これはそれぞれのトランジスタの電力要件がパワートランジスタの個数Ｎに反比例するからである。従来の２ウェイドハティ構成においては、それぞれのトランジスタのピークパワー要件が総出力電力の半分にせざるを得なかった。そのような条件は、キャリアおよびピーク増幅器の非常に低い入力および出力インピーダンスにつながり、実際には現実化の困難を伴った。本発明によれば、それぞれのトランジスタは、出力電力の１／Ｎのピーク電力要件を必要とし、よってＮが２より大きいときは、より高い入力および出力インピーダンスにつながる。さらに増幅器中に依然と残る非効率から発生する熱は、より小さな個別のトランジスタ群を用いることによって、より大きな物理的領域に分散されるので、全体的な熱抵抗が下がる。

本発明は、具体的な４ウェイ実施形態について説明されてきたが、記載は本発明を例示的に示し、本発明を限定するように意図されていない。添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者にはさまざまな改変および応用が理解されるだろう。

Claims (10)

1. 無線通信基地局での使用に適したＲＦ信号を広いレンジの電力にわたって増幅する高電力ＲＦ電力増幅器であって、
   ａ）第１レンジの電力にわたって前記ＲＦ信号を増幅し、前記広いレンジの電力の最大値よりも下の電力飽和レベルを持つ、ラテラルＤＭＯＳトランジスタを備えるメイン増幅器、
   ｂ）前記メイン増幅器に並列に接続された複数の補助増幅器であって、前記補助増幅器のそれぞれは、前記メイン増幅器が飽和に近づいた後、増幅された出力信号を順番に提供するようバイアスされる、ラテラルＤＭＯＳトランジスタを備える補助増幅器、
   ｃ）入力信号を分配し、前記分配された入力信号を前記メイン増幅器および前記複数の補助増幅器に供給する、前記メイン増幅器の前記入力に接続された１／４波長伝送線路を含む信号スプリッタ、および
   ｄ）前記メイン増幅器および前記複数の補助増幅器からの増幅された出力信号群を受け取り、結合する出力であって、該出力は、前記メイン増幅器の前記出力に接続され、１／４波長伝送線路を通してそれぞれの補助増幅器の前記出力に接続された抵抗性負荷を含む、前記出力
   を備え、
   前記メイン増幅器は、出力整合回路とオフセットマイクロストリップ位相長を通じて前記出力に接続されるＲＦ電力増幅器。
2. 請求項１に記載のＲＦ電力増幅器であって、それぞれの補助増幅器は、効率的な電力増幅を６ｄＢ拡張するＲＦ電力増幅器。
3. 請求項２に記載のＲＦ電力増幅器であって、前記複数の補助増幅器は、３つのピーク増幅器であり、前記拡張された効率的な電力増幅は約１８ｄＢであるＲＦ電力増幅器。
4. 請求項３に記載のＲＦ電力増幅器であって、前記信号スプリッタは、前記メイン増幅器の前記入力に接続された１／４波長伝送線路を含み、前記出力は、前記メイン増幅器の前記出力に接続され、１／４波長伝送線路を通してそれぞれの補助増幅器の前記出力に接続された抵抗性負荷を含むＲＦ電力増幅器。
5. ＲＦ信号を広いレンジの電力にわたって増幅するＲＦ電力増幅器であって、
   ａ）第１レンジの電力にわたって前記ＲＦ信号を増幅し、前記広いレンジの電力の最大値よりも下の電力飽和レベルを持つメイン増幅器、
   ｂ）前記メイン増幅器に並列に接続された複数の補助増幅器であって、前記補助増幅器のそれぞれは、前記メイン増幅器が飽和に近づいた後、増幅された出力信号を順番に提供するようバイアスされる、補助増幅器であって、前記複数の補助増幅器は３つのピーク増幅器であり、前記拡張された効率的な電力増幅は約１８ｄＢであり、前記メイン増幅器および補助増幅器のそれぞれはラテラルＤＭＯＳトランジスタを備える、前記補助増幅器と、
   ｃ）入力信号を分配し、前記分配された入力信号を前記メイン増幅器および前記複数の補助増幅器に供給する、前記メイン増幅器の前記入力に接続された１／４波長伝送線路を含む信号スプリッタ、および
   ｄ）前記メイン増幅器および前記複数の補助増幅器からの増幅された出力信号群を受け取り、結合する出力であり、該出力は、前記メイン増幅器の前記出力に接続されたＲ／２の抵抗性負荷を含み、それぞれの補助増幅器はインピーダンスＲの１／４波長伝送線路を通して前記負荷に接続される、前記出力
   を備え、
   前記メイン増幅器は、出力整合回路とオフセットマイクロストリップ位相長を通じて前記出力に接続されるＲＦ電力増幅器。
6. 請求項５に記載のＲＦ電力増幅器であって、飽和未満では、前記メイン増幅器は２Ｒの負荷に電流を供給し、それによって電流は、増幅器が飽和するときの最大電力電流の半分であるＲＦ電力増幅器。
7. ＲＦ信号を広いレンジの電力にわたって増幅するＲＦ電力増幅器であって、
   ａ）第１レンジの電力にわたって前記ＲＦ信号を増幅し、前記広いレンジの電力の最大値よりも下の電力飽和レベルを持つメイン増幅器、
   ｂ）前記メイン増幅器に並列に接続された複数の補助増幅器であって、前記補助増幅器のそれぞれは、前記メイン増幅器が飽和に近づいた後、増幅された出力信号を順番に提供するようバイアスされる、補助増幅器、
   ｃ）入力信号を分配し、前記分配された入力信号を前記メイン増幅器および前記複数の補助増幅器に供給する、前記メイン増幅器の前記入力に接続された１／４波長伝送線路を含む信号スプリッタ、および
   ｄ）前記メイン増幅器および前記複数の補助増幅器からの増幅された出力信号群を受け取り、結合する出力であって、該出力は、前記メイン増幅器の前記出力に接続されたＲ／２の抵抗性負荷を含み、それぞれの補助増幅器はインピーダンスＲの１／４波長伝送線路を通して前記負荷に接続される、前記出力
   を備え、
   前記メイン増幅器は、出力整合回路とオフセットマイクロストリップ位相長を通じて前記出力に接続されるＲＦ電力増幅器。
8. 請求項７に記載のＲＦ電力増幅器であって、飽和未満では、前記メイン増幅器は２Ｒの負荷に電流を供給し、それによって電流は、増幅器が飽和するときの最大電力電流の半分であるＲＦ電力増幅器。
9. 前記信号スプリッタは前記補助増幅器の各々に直接的に接続されており、前記補助増幅器の各々によって増幅される信号は前記入力信号と同相である請求項１、５、又は７に記載のＲＦ電力増幅器。
10. 前記メイン増幅器と前記オフセットマイクロストリップ位相長の間に出力整合回路を更に備える請求項１、５、又は７に記載のＲＦ電力増幅器。

Images