JPWO2008035396A1 - 電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

ドハティ増幅器を構成するλ／４伝送線路の個数を削減した電力増幅装置。この電力増幅装置（１００）では、ドハティ増幅器を構成するキャリア増幅器（１０３）側の第一のλ／４伝送線路（１０５）の特性インピーダンスをキャリア増幅器（１０３）の出力インピーダンスよりも大きくする。例えば、キャリア増幅器（１０３）の出力インピーダンスが５０Ωのとき、第一のλ／４伝送線路（１０５）の特性インピーダンスを５０×２１/２≒７１Ωとする。また、ピーク増幅器（１０８）の出力側のピーク出力整合回路（１０９）は、負荷インピーダンスＺよりも高いインピーダンスに整合するように調整する。例えば、ピーク増幅器出力整合回路（１０９）は、負荷インピーダンスＺの２倍になるように整合する。

Description

本発明は、携帯端末などの移動通信端末に適用できる電力増幅装置に関し、特に、マルチキャリア信号を送受信するマルチキャリア方式の携帯端末に適用できるドハティ増幅器からなる電力増幅装置に関する。

近年、高速無線伝送を実現可能な通信方式として、マルチパスやフェージングに強いマルチキャリア方式が注目を集めている。このようなマルチキャリア方式では、複数のキャリア（搬送波）に重畳された送信信号が時間軸上で加算されるため、マルチキャリア信号に高いピーク電力が生じる。そこで、このような高いピーク電力を有するマルチキャリア信号であっても高効率に増幅を行うことが可能な電力増幅装置として、ドハティ増幅器が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

図１は、一般的に知られているドハティ増幅器からなる電力増幅装置の概略的な構成図である。図１に示すように、一般的なドハティ増幅器は、入力されるＲＦ信号を分配する分配器１、キャリア増幅器入力整合回路２、キャリア増幅器３、キャリア増幅器出力整合回路４、９０°の位相遅延を行う第一のλ／４伝送線路５、９０°の位相遅延を行う第二のλ／４伝送線路６、ピーク増幅器入力整合回路７、ピーク増幅器８、ピーク増幅器出力整合回路９、及び９０°の位相遅延を行う第三のλ／４伝送線路１０によって構成され、負荷１１に接続されている。このような構成において、第一のλ／４伝送線路５による９０°の位相遅延の作用により、ピーク増幅器８の出力電流によってキャリア増幅器３の負荷インピーダンスが変調される。

上述のようなドハティ増幅器においては、入力電力が低い領域では、キャリア増幅器３のみが負荷インピーダンスの高い状態で動作するために高効率な動作を行い、入力電力が高い領域では、ピーク増幅器８の出力電流によってキャリア増幅器３の負荷インピーダンスが下がり、高効率を維持しながら飽和電力を引き上げるため、高いピーク電力を有する信号であっても高効率な増幅を行うことができる。つまり、入力電力が低い領域から入力電力が高い領域まで高効率な増幅を行うことができる（例えば、特許文献1参照）。

ところで、図１に示すようなドハティ増幅器からなる電力増幅装置において、約３５Ωの特性インピーダンスを有する第三のλ／４伝送線路１０の作用により、通常は５０Ωの負荷１１が２５Ωに変換される。すなわち、負荷１１のインピーダンスは、３５^２÷５０＝２４.５Ωとなり、約２５Ωに変換される。このようにして、第三のλ／４伝送線路１０が負荷１１に対するインピーダンス変換器として機能することになる。

また、入力電力が大きいときは、キャリア増幅器３とピーク増幅器８がともに動作して負荷１１へ出力電流を供給する。このとき、前述のように見かけ上２５Ωに変換された負荷１１を、キャリア増幅器３とピーク増幅器８で均等に駆動することにより、ａ点から負荷１１を見たインピーダンスとＢ点から負荷１１を見たインピーダンスは共に５０Ωとなる。さらに、特性インピーダンス５０Ωで構成された第一のλ／４伝送線路５により、Ａ点から負荷を見たインピーダンスは、（５０^２÷５０＝）５０Ωとして見えるため、キャリア増幅器３から見た負荷１１のインピーダンスは５０Ωになる。

一方、入力電力が小さいときは、キャリア増幅器３のみが動作して負荷１１へ出力電流を供給する。このとき、ピーク増幅器８の出力は見かけ上オープンになっているので、Ｂ点からピーク増幅器８を見たインピーダンスはＨｉｇｈインピーダンスとなるため、ａ点から負荷１１を見たインピーダンスは、前述のように変換された状態のままの２５Ωに見えることになる。

また、特性インピーダンス５０Ωで構成された第一のλ／４伝送線路５により、Ａ点から負荷１１を見たインピーダンスは、（５０^２÷２５＝）１００Ωとして見えるため、キャリア増幅器３の負荷インピーダンスは１００Ωになる。そこで、キャリア増幅器３のキャリア増幅器出力整合回路４を、負荷１１が５０Ωで高い飽和電力となるように設計し、かつ、負荷１１が１００Ωで高効率となるように設計することにより、バックオフを大きくとったときでも高効率に電力増幅を行うことが可能となる。
"RF Power Amplifiers for Wireless Communications", STEVE C. CRIPPS, Artech House Publishers 特開２００５−３２２９９３１号公報

しかしながら、図１に示すような従来のドハティ増幅器からなる電力増幅装置においては、λ／４伝送線路を少なくとも３個使用する構成になっているため、ドハティ増幅器の回路規模が大きくなって電力増幅装置を小型化することが困難である。したがって、電力増幅装置の回路構成が大きくなることにより、携帯端末などの移動通信端末を小型化するという要求に対応することができない。

本発明の目的は、このような事情に鑑みてなされたもので、ドハティ増幅器を構成するλ／４伝送線路の個数を削減して小型化を図った電力増幅装置を提供することである。

本発明の電力増幅装置は、入力電力が供給されているときは常時動作する第一の増幅器と、入力電力が所定のレベルより大きいときに動作する第二の増幅器とを備えたドハティ増幅器からなる電力増幅装置であって、第一の増幅器の出力側に直列接続された第一のλ／４伝送線路の特性インピーダンスＺ_０は負荷インピーダンスＺより大きい構成を採っている。また、第二の増幅器の出力整合回路は、負荷インピーダンスＺより高いインピーダンスに整合するように調整されている。

本発明によれば、負荷側に直列に存在していた第三のλ／４伝送線路を削除することにより、λ／４伝送線路の使用個数を削減することができるので、ドハティ増幅器の高効率特性を損なうことなく、電力増幅器の回路規模を小さくすることが可能となる。その結果、このような電力増幅器を内蔵する携帯端末などの移動通信端末を小型化することができる。また、負荷インピーダンスが乱れた際でもキャリア増幅器の出力インピーダンスが高く見えるため、負荷インピーダンスの変動に対しても安定した電力増幅を行うことができる。その結果、負荷が変動したときでも負荷側へ安定した電力を供給することができる。

さらに、入力電力が高いときに、キャリア増幅器の出力とピーク増幅器の出力とを接続する第一のλ／４伝送線路によりピーク増幅器から見たキャリア増幅器出力側の見かけ上のインピーダンスを高くすることができるので、ピーク増幅器からキャリア増幅器へ流れる横流を低く抑えることができる。その結果、負荷インピーダンスが乱れたときでも、負荷特性に強いＣ級増幅器であるピーク増幅器から負荷側へ安定した電力を供給することができる。

一般的に知られているドハティ増幅器からなる電力増幅装置の概略的な構成図 本発明の実施の形態１に係る電力増幅装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る電力増幅装置の動作を説明するためのドハティ増幅器の要部の等価回路

〈発明の概要〉
本発明の電力増幅装置においては、従来のドハティ増幅器においては必要であった負荷に直列の３５Ωの第三のλ／４伝送線路を削除し、キャリア増幅器の出力側にある第一のλ／４伝送線路の特性インピーダンスを、例えば５０Ωから、（５０×２^１/２＝）７１Ωに大きくする。さらに、ピーク増幅器の出力側にあるピーク増幅器出力整合回路を１００Ωに整合するように最適化する。これによって、ドハティ増幅器の高効率特性と安定動作を維持しながら、λ／４伝送線路を１個削減して小型化を図った電力増幅装置を実現することが可能となる。

次に、本発明の電力増幅装置の具体的な実施の形態の幾つかについて詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態で用いる図面において、同一の構成要素は同一の符号を付し、かつ重複する説明は可能な限り省略する。

〈実施の形態１〉
図２は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅装置の構成を示すブロック図である。図２に示す電力増幅装置１００は、分配器１０１、キャリア増幅器入力整合回路１０２、キャリア増幅器１０３、キャリア増幅器出力整合回路１０４、第一のλ／４伝送線路１０５、第二のλ／４伝送線路１０６、ピーク増幅器入力整合回路１０７、ピーク増幅器１０８、及びピーク増幅器出力整合回路１０９によって構成され、負荷１１１に接続されている。

分配器１０１は、ＲＦ信号の入力電力を二系統に分配する機能を有し、キャリア増幅器入力整合回路１０２はキャリア増幅器１０３の入力側インピーダンスを整合させる機能を有している。第一の増幅器であるキャリア増幅器１０３は、通常はＡＢ級増幅器で構成され、分配器１０１によって分配された第一系統の出力電力を増幅する機能を有している。キャリア増幅器出力整合回路１０４は、キャリア増幅器１０３の出力側インピーダンスを整合させる機能を有している。第一のλ／４伝送線路１０５は、キャリア増幅器１０３の出力電力の位相を９０度シフトしてピーク増幅器１０８の出力電力と合成する機能を有している。

第二のλ／４伝送線路１０６は、分配器１０１によって分配された第二系統の出力電力の位相を９０度シフトする機能を有し、ピーク増幅器入力整合回路１０７は、ピーク増幅器１０８の入力側インピーダンスを整合させる機能を有している。第二の増幅器であるピーク増幅器１０８は、通常は負荷特性に強いＣ級増幅器で構成され、位相が９０度シフトされた第二のλ／４伝送線路１０６の出力電力があらかじめ規定されたレベル以上のときに増幅をする機能を有している。ピーク増幅器出力整合回路１０９は、ピーク増幅器１０８の出力側インピーダンスを整合させる機能を有している。なお、キャリア増幅器１０３とピーク増幅器１０８の電力容量は同じ（つまり、両者の電力容量は１対１）である。

このような構成において、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスは、キャリア増幅器１０３の出力インピーダンスよりも大きくなるように設定する。つまり、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスを５０Ωから７１Ωに大きくし、かつ、ピーク増幅器１０８が１００Ωで最大出力が得られるようにピーク増幅器出力整合回路１０９を調整する。あらかじめこのような設定を行うことにより、ドハティ増幅器においては次のような動作が行われる。

まず、入力電力が小さくてピーク増幅器１０８がＯＦＦのときの動作について説明する。ピーク増幅器１０８側の第二系統においては、Ｃ点からＢ点を見たインピーダンスはＨｉｇｈインピーダンスであるので、ａ点からＣ点（負荷側）からみたインピーダンスは、負荷のインピーダンスと同じ５０Ωとして見える。また、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスが７１Ωであるので、Ａ点から第一のλ／４伝送線路１０５を見たインピーダンスは、７１^２÷５０≒１００Ωとなる。

次に、入力電力が大きくてピーク増幅器１０８がＯＮのときの動作について説明する。このとき、キャリア増幅器１０３とピーク増幅器１０８がほぼ同じ電力を出力しているとすると、ａ点からＣ点を見たインピーダンスとＢ点からＣ点を見たインピーダンスは共に１００Ωとなる。したがって、ピーク増幅器１０８が１００Ωで最大出力を出せるようにピーク増幅器１０８のピーク増幅器出力整合回路１０９を調整する。

一方、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスは７１Ωであるので、Ａ点から第一のλ／４伝送線路１０５を見たインピーダンスは、７１^２÷１００≒５０Ωとなる。

この結果、キャリア増幅器１０３の負荷インピーダンス（つまり、Ａ点から第一のλ／４伝送線路１０５を見たインピーダンス）は、入力電力が小さくてピーク増幅器１０８がＯＦＦのときには１００Ωとなり、入力電力が大きくてピーク増幅器１０８がＯＮのときには５０Ωとなる。したがって、キャリア増幅器１０３のキャリア増幅器出力整合回路１０４を、１００Ωの負荷で高利得・高効率となるように調整し、かつ、５０Ωの負荷で高飽和電力となるように調整することにより、入力電力が小さいとき、つまり、バックオフを大きくとったときの効率を高くすることができる。

このようにして、入力電力が小さくてピーク増幅器１０８がＯＦＦのときは負荷１１１が１００Ωに見えるため、増幅利得及び増幅効率を高くすることができ、かつ、入力電力が大きくてピーク増幅器１０８がＯＮのときは負荷１１１が５０Ωに見えるため、飽和電力を高くすることができる。この結果、入力電力が小さいときから入力電力が大きいときまでドハティ増幅器の高効率特性を維持することが可能となる。

次に、図２の電力増幅装置１００において、負荷が変動しても負荷１１１側へ安定的に電力を供給することができる理由について説明する。この場合、負荷インピーダンスが端末の動作環境などの影響で変動した場合を考える。

通常、キャリア増幅器１０３の動作級はＡＢ級とし、ピーク増幅器１０８の動作級はＣ級に設定する。Ｃ級はＡＢ級に比べ負荷インピーダンスが変動しても安定して電力を出力することが可能であるため、負荷インピーダンスが変動した場合にはキャリア増幅器１０３よりピーク増幅器１０８の方が安定して電力を出力することができる。

このとき、ピーク増幅器１０８の出力電力は図２のＣ点からａ点の方向と、Ｃ点から負荷１１１の方向の２方向に出力される可能性がある。ところが、キャリア増幅器１０３の出力インピーダンスは５０Ωに調整されているため、Ｃ点からａ点側をみたインピーダンスは、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスが７１Ωであるので、７１^２÷５０＝１００Ωとなる。

一方、図１の従来回路の場合は、Ｃ点からａ点側をみたインピーダンスは、第一のλ／４伝送線路５の特性インピーダンスが５０Ωであるので、５０^２÷５０＝５０Ωとなる。したがって、Ｃ点からａ点側をみたインピーダンスは、従来回路の５０Ωに比べて、本発明の回路では１００Ωと高くなっている。このため、図２に示す本発明の回路では、ピーク増幅器１０８の出力電力はＣ点からａ点の方へは横流が流れにくくなり、ピーク増幅器１０８から負荷１１１へ安定した電力を供給することが可能となる。すなわち、本発明の構成によって、負荷インピーダンスの変動に強い電力増幅装置を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態の電力増幅装置によれば、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスは、キャリア増幅器１０３の出力インピーダンスよりも大きく設定されている。これによって、従来は負荷１１に直列に接続されていたλ／４伝送線路（つまり、図１の第三のλ／４伝送線路１０）が不要になり、λ／４伝送線路を１個削減することができるので電力増幅装置を小型化することができる。さらに、第一系統の出力と第二系統の出力の合成点から（Ｃ点）からキャリア増幅器１０３を見たインピーダンスが高いインピーダンスとなるため、ピーク増幅器１０８からキャリア増幅器１０３側への横流が流れ難くなる。これによって、負荷インピーダンスが乱れて負荷１１１が変動してもピーク増幅器１０８から負荷１１１へ安定した電力を供給することができる。

〈実施の形態２〉
実施の形態２の電力増幅装置の構成は図２に示した実施の形態１と同じである。異なるところは、実施の形態１の電力増幅装置の場合は、キャリア増幅器１０３の電力容量とピーク増幅器１０８は電力容量が同じ（つまり、１対１）であるのに対して、実施の形態２の電力増幅器の場合は、キャリア増幅器１０３の電力容量とピーク増幅器１０８の電力容量が異なる点である。具体的には、キャリア増幅器１０３の電力容量よりピーク増幅器１０８の電力容量の方が大きく、その比率は、キャリア増幅器：ピーク増幅器＝１：ｎ（ｎは正数）である。

図３は、本発明の実施の形態２に係る電力増幅装置の動作を説明するためのドハティ増幅器の要部の等価回路である。まず、入力電力が大きくてピーク増幅器１０８がＯＮのときの動作について説明する。なお、負荷１１１の負荷インピーダンスをＺ、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスをＺ_０とする。ピーク増幅器１０８にはキャリア増幅器１０３のｎ倍多く電流が流れるので、キャリア増幅器１０３側のａ点からＣ点を見た負荷インピーダンスは、（ｎ+１）×Ｚであるのに対して、ピーク増幅器１０８側のＢ点からＣ点を見た負荷インピーダンスは、{（ｎ+１）／ｎ}×Ｚである。

また、キャリア増幅器１０３の出力側のインピーダンス、つまり、Ａ点からＣ点を見たインピーダンスは、Ｚ_０ ^２／{（ｎ+１）×Ｚ}＝Ｚである。したがって、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスＺ_０は、Ｚ_０＝（ｎ+１）^１／２×Ｚである。ちなみに、負荷インピーダンスＺが５０Ωであって、キャリア増幅器１０３の電力容量とピーク増幅器１０８の電力容量が同じ場合（つまり、ｎ＝１の場合）は、特性インピーダンスＺ_０は、Ｚ_０＝（ｎ+１）^１／２×Ｚ＝２^１／２×５０≒７１Ωとなる。

次に、入力電力が小さくてピーク増幅器１０８がＯＦＦのときの動作について説明する。このときは、ピーク増幅器１０８の出力がオープンになっているので、Ｃ点からＢ点を見たインピーダンスはＨｉｇｈインピーダンスであるため、ａ点からＣ点を見たインピーダンスは負荷インピーダンスＺである。よって、Ａ点からＣ点を見たインピーダンス（つまり、Ａ点から負荷側を見たインピーダンス）は、Ｚ_０ ^２÷Ｚ＝（ｎ+１）×Ｚ×Ｚ÷Ｚ＝（ｎ+１）×Ｚである。

つまり、キャリア増幅器１０３の負荷インピーダンスは、入力電力が小さいときには、（ｎ+１）×Ｚとなり、入力電力が大きいときにはＺとなる。例えば、キャリア増幅器１０３の電力容量とピーク増幅器１０８の電力容量が同じ（つまり、ｎ＝１）で、負荷１１１のインピーダンスがＺ＝５０Ωであれば、キャリア増幅器１０３の負荷インピーダンスは、入力電力が小さいときには、（ｎ+１）×Ｚ＝２×５０＝１００Ωとなり、入力電力が大きいときにはＺ＝５０Ωとなる。

なお、ピーク増幅器１０８のピーク増幅器出力整合回路１０９の最適負荷インピーダンスは、負荷インピーダンスＺに対して{（ｎ+１）／ｎ}×Ｚである。例えば、キャリア増幅器１０３とピーク増幅器１０８の電力容量が同じ（つまり、ｎ＝１）であって、かつ負荷インピーダンスＺが５０Ωのときは、ピーク増幅器１０８のピーク増幅器出力整合回路１０９の最適負荷インピーダンスは、２×５０＝１００Ωである。

したがって、図２において、キャリア増幅器１０３のキャリア増幅器出力整合回路１０４を、（ｎ+１）×Ｚの負荷で高利得・高効率となるように調整し、かつ、Ｚの負荷で高飽和電力となるように調整することにより、入力電力が小さいとき、つまり、バックオフを大きくとったときの効率を高くすることができる。例えば、ｎ＝１の場合は１００Ωの負荷で高利得・高効率となるように調整し、かつ、５０Ωの負荷で高飽和電力となるように調整することにより、入力電力が小さいとき、つまり、バックオフを大きくとったときの効率を高くすることができる。この結果、電力増幅装置の小型化を図ることができると共に、広い電力範囲に亘って高効率化と安定電力の供給を維持することができる。

〈まとめ〉
以上説明したように、本発明の電力増幅装置は、ドハティ増幅器を構成するキャリア増幅器（第一の増幅器）側の第一のλ／４伝送線路の特性インピーダンスを、キャリア増幅器の出力インピーダンスよりも大きくしたことを特徴としている。例えば、キャリア増幅器の出力インピーダンスが５０Ωのとき、第一のλ／４伝送線路の特性インピーダンスは５０Ωのルート２倍（５０×２^１/２≒７１Ω）である。また、ピーク増幅器（第二の増幅器）の出力側の整合回路は、負荷インピーダンスよりも高いインピーダンスに整合するように調整されている。さらに、ピーク増幅器の出力整合回路の最適負荷インピーダンスは、負荷のインピーダンスの２倍となっている。

また、負荷インピーダンスがＺで、キャリア増幅器の電力容量がピーク増幅器の電力容量のｎ倍（但し、ｎは１より大きい正数）のときは、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスはＺ×（ｎ＋１）^１/２である。なお、負荷インピーダンスＺが５０Ωのときは、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスは５０×（ｎ＋１）^１/２である。この場合も、ピーク増幅器の出力整合回路は、負荷インピーダンスＺよりも高いインピーダンスに整合するように調整されている。さらに、ピーク増幅器の出力整合回路の最適負荷インピーダンスは、負荷インピーダンスの（ｎ＋１）／ｎ倍である。

本発明の電力増幅装置によれば、従来のドハティ増幅器に比べてλ／４伝送線路を１個削減して回路規模を小さくすることが可能であるので、ハンディタイプな携帯端末など移動通信端末に有効に利用することができる。

本発明は、携帯端末などの移動通信端末に適用できる電力増幅装置に関し、特に、マルチキャリア信号を送受信するマルチキャリア方式の携帯端末に適用できるドハティ増幅器からなる電力増幅装置に関する。

近年、高速無線伝送を実現可能な通信方式として、マルチパスやフェージングに強いマルチキャリア方式が注目を集めている。このようなマルチキャリア方式では、複数のキャリア（搬送波）に重畳された送信信号が時間軸上で加算されるため、マルチキャリア信号に高いピーク電力が生じる。そこで、このような高いピーク電力を有するマルチキャリア信号であっても高効率に増幅を行うことが可能な電力増幅装置として、ドハティ増幅器が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

図１は、一般的に知られているドハティ増幅器からなる電力増幅装置の概略的な構成図である。図１に示すように、一般的なドハティ増幅器は、入力されるＲＦ信号を分配する分配器１、キャリア増幅器入力整合回路２、キャリア増幅器３、キャリア増幅器出力整合回路４、９０°の位相遅延を行う第一のλ／４伝送線路５、９０°の位相遅延を行う第二のλ／４伝送線路６、ピーク増幅器入力整合回路７、ピーク増幅器８、ピーク増幅器出力整合回路９、及び９０°の位相遅延を行う第三のλ／４伝送線路１０によって構成され、負荷１１に接続されている。このような構成において、第一のλ／４伝送線路５による９０°の位相遅延の作用により、ピーク増幅器８の出力電流によってキャリア増幅器３の負荷インピーダンスが変調される。

上述のようなドハティ増幅器においては、入力電力が低い領域では、キャリア増幅器３のみが負荷インピーダンスの高い状態で動作するために高効率な動作を行い、入力電力が高い領域では、ピーク増幅器８の出力電流によってキャリア増幅器３の負荷インピーダンスが下がり、高効率を維持しながら飽和電力を引き上げるため、高いピーク電力を有する信号であっても高効率な増幅を行うことができる。つまり、入力電力が低い領域から入力電力が高い領域まで高効率な増幅を行うことができる（例えば、特許文献1参照）。

ところで、図１に示すようなドハティ増幅器からなる電力増幅装置において、約３５Ωの特性インピーダンスを有する第三のλ／４伝送線路１０の作用により、通常は５０Ωの負荷１１が２５Ωに変換される。すなわち、負荷１１のインピーダンスは、３５^２÷５０＝２４.５Ωとなり、約２５Ωに変換される。このようにして、第三のλ／４伝送線路１０が負荷１１に対するインピーダンス変換器として機能することになる。

また、入力電力が大きいときは、キャリア増幅器３とピーク増幅器８がともに動作して負荷１１へ出力電流を供給する。このとき、前述のように見かけ上２５Ωに変換された負荷１１を、キャリア増幅器３とピーク増幅器８で均等に駆動することにより、ａ点から負荷１１を見たインピーダンスとＢ点から負荷１１を見たインピーダンスは共に５０Ωとなる。さらに、特性インピーダンス５０Ωで構成された第一のλ／４伝送線路５により、Ａ点から負荷を見たインピーダンスは、（５０^２÷５０＝）５０Ωとして見えるため、キャリア増幅器３から見た負荷１１のインピーダンスは５０Ωになる。

一方、入力電力が小さいときは、キャリア増幅器３のみが動作して負荷１１へ出力電流を供給する。このとき、ピーク増幅器８の出力は見かけ上オープンになっているので、Ｂ点からピーク増幅器８を見たインピーダンスはＨｉｇｈインピーダンスとなるため、ａ点
から負荷１１を見たインピーダンスは、前述のように変換された状態のままの２５Ωに見えることになる。

また、特性インピーダンス５０Ωで構成された第一のλ／４伝送線路５により、Ａ点から負荷１１を見たインピーダンスは、（５０^２÷２５＝）１００Ωとして見えるため、キャリア増幅器３の負荷インピーダンスは１００Ωになる。そこで、キャリア増幅器３のキャリア増幅器出力整合回路４を、負荷１１が５０Ωで高い飽和電力となるように設計し、かつ、負荷１１が１００Ωで高効率となるように設計することにより、バックオフを大きくとったときでも高効率に電力増幅を行うことが可能となる。
"RF Power Amplifiers for Wireless Communications", STEVE C. CRIPPS, Artech House Publishers 特開２００５−３２２９９３１号公報

しかしながら、図１に示すような従来のドハティ増幅器からなる電力増幅装置においては、λ／４伝送線路を少なくとも３個使用する構成になっているため、ドハティ増幅器の回路規模が大きくなって電力増幅装置を小型化することが困難である。したがって、電力増幅装置の回路構成が大きくなることにより、携帯端末などの移動通信端末を小型化するという要求に対応することができない。

本発明の目的は、このような事情に鑑みてなされたもので、ドハティ増幅器を構成するλ／４伝送線路の個数を削減して小型化を図った電力増幅装置を提供することである。

本発明の電力増幅装置は、入力電力が供給されているときは常時動作する第一の増幅器と、入力電力が所定のレベルより大きいときに動作する第二の増幅器とを備えたドハティ増幅器からなる電力増幅装置であって、第一の増幅器の出力側に直列接続された第一のλ／４伝送線路の特性インピーダンスＺ_０は負荷インピーダンスＺより大きい構成を採っている。また、第二の増幅器の出力整合回路は、負荷インピーダンスＺより高いインピーダンスに整合するように調整されている。

本発明によれば、負荷側に直列に存在していた第三のλ／４伝送線路を削除することにより、λ／４伝送線路の使用個数を削減することができるので、ドハティ増幅器の高効率特性を損なうことなく、電力増幅器の回路規模を小さくすることが可能となる。その結果、このような電力増幅器を内蔵する携帯端末などの移動通信端末を小型化することができる。また、負荷インピーダンスが乱れた際でもキャリア増幅器の出力インピーダンスが高く見えるため、負荷インピーダンスの変動に対しても安定した電力増幅を行うことができる。その結果、負荷が変動したときでも負荷側へ安定した電力を供給することができる。

さらに、入力電力が高いときに、キャリア増幅器の出力とピーク増幅器の出力とを接続する第一のλ／４伝送線路によりピーク増幅器から見たキャリア増幅器出力側の見かけ上のインピーダンスを高くすることができるので、ピーク増幅器からキャリア増幅器へ流れる横流を低く抑えることができる。その結果、負荷インピーダンスが乱れたときでも、負荷特性に強いＣ級増幅器であるピーク増幅器から負荷側へ安定した電力を供給することができる。

〈発明の概要〉
本発明の電力増幅装置においては、従来のドハティ増幅器においては必要であった負荷に直列の３５Ωの第三のλ／４伝送線路を削除し、キャリア増幅器の出力側にある第一のλ／４伝送線路の特性インピーダンスを、例えば５０Ωから、（５０×２^１/２＝）７１Ωに大きくする。さらに、ピーク増幅器の出力側にあるピーク増幅器出力整合回路を１００Ωに整合するように最適化する。これによって、ドハティ増幅器の高効率特性と安定動作を維持しながら、λ／４伝送線路を１個削減して小型化を図った電力増幅装置を実現することが可能となる。

次に、本発明の電力増幅装置の具体的な実施の形態の幾つかについて詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態で用いる図面において、同一の構成要素は同一の符号を付し、かつ重複する説明は可能な限り省略する。

〈実施の形態１〉
図２は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅装置の構成を示すブロック図である。図２に示す電力増幅装置１００は、分配器１０１、キャリア増幅器入力整合回路１０２、キャリア増幅器１０３、キャリア増幅器出力整合回路１０４、第一のλ／４伝送線路１０５、第二のλ／４伝送線路１０６、ピーク増幅器入力整合回路１０７、ピーク増幅器１０８、及びピーク増幅器出力整合回路１０９によって構成され、負荷１１１に接続されている。

分配器１０１は、ＲＦ信号の入力電力を二系統に分配する機能を有し、キャリア増幅器入力整合回路１０２はキャリア増幅器１０３の入力側インピーダンスを整合させる機能を有している。第一の増幅器であるキャリア増幅器１０３は、通常はＡＢ級増幅器で構成され、分配器１０１によって分配された第一系統の出力電力を増幅する機能を有している。キャリア増幅器出力整合回路１０４は、キャリア増幅器１０３の出力側インピーダンスを整合させる機能を有している。第一のλ／４伝送線路１０５は、キャリア増幅器１０３の出力電力の位相を９０度シフトしてピーク増幅器１０８の出力電力と合成する機能を有している。

第二のλ／４伝送線路１０６は、分配器１０１によって分配された第二系統の出力電力の位相を９０度シフトする機能を有し、ピーク増幅器入力整合回路１０７は、ピーク増幅器１０８の入力側インピーダンスを整合させる機能を有している。第二の増幅器であるピーク増幅器１０８は、通常は負荷特性に強いＣ級増幅器で構成され、位相が９０度シフトされた第二のλ／４伝送線路１０６の出力電力があらかじめ規定されたレベル以上のときに増幅をする機能を有している。ピーク増幅器出力整合回路１０９は、ピーク増幅器１０８の出力側インピーダンスを整合させる機能を有している。なお、キャリア増幅器１０３とピーク増幅器１０８の電力容量は同じ（つまり、両者の電力容量は１対１）である。

このような構成において、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスは、キャリア増幅器１０３の出力インピーダンスよりも大きくなるように設定する。つまり、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスを５０Ωから７１Ωに大きくし、かつ、ピーク増幅器１０８が１００Ωで最大出力が得られるようにピーク増幅器出力整合回路１０９を調整する。あらかじめこのような設定を行うことにより、ドハティ増幅器においては次のような動作が行われる。

まず、入力電力が小さくてピーク増幅器１０８がＯＦＦのときの動作について説明する。ピーク増幅器１０８側の第二系統においては、Ｃ点からＢ点を見たインピーダンスはＨｉｇｈインピーダンスであるので、ａ点からＣ点（負荷側）からみたインピーダンスは、負荷のインピーダンスと同じ５０Ωとして見える。また、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスが７１Ωであるので、Ａ点から第一のλ／４伝送線路１０５を見たインピーダンスは、７１^２÷５０≒１００Ωとなる。

次に、入力電力が大きくてピーク増幅器１０８がＯＮのときの動作について説明する。このとき、キャリア増幅器１０３とピーク増幅器１０８がほぼ同じ電力を出力しているとすると、ａ点からＣ点を見たインピーダンスとＢ点からＣ点を見たインピーダンスは共に１００Ωとなる。したがって、ピーク増幅器１０８が１００Ωで最大出力を出せるようにピーク増幅器１０８のピーク増幅器出力整合回路１０９を調整する。

一方、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスは７１Ωであるので、Ａ点から第一のλ／４伝送線路１０５を見たインピーダンスは、７１^２÷１００≒５０Ωとなる。

この結果、キャリア増幅器１０３の負荷インピーダンス（つまり、Ａ点から第一のλ／４伝送線路１０５を見たインピーダンス）は、入力電力が小さくてピーク増幅器１０８がＯＦＦのときには１００Ωとなり、入力電力が大きくてピーク増幅器１０８がＯＮのときには５０Ωとなる。したがって、キャリア増幅器１０３のキャリア増幅器出力整合回路１０４を、１００Ωの負荷で高利得・高効率となるように調整し、かつ、５０Ωの負荷で高飽和電力となるように調整することにより、入力電力が小さいとき、つまり、バックオフを大きくとったときの効率を高くすることができる。

このようにして、入力電力が小さくてピーク増幅器１０８がＯＦＦのときは負荷１１１が１００Ωに見えるため、増幅利得及び増幅効率を高くすることができ、かつ、入力電力が大きくてピーク増幅器１０８がＯＮのときは負荷１１１が５０Ωに見えるため、飽和電力を高くすることができる。この結果、入力電力が小さいときから入力電力が大きいときまでドハティ増幅器の高効率特性を維持することが可能となる。

次に、図２の電力増幅装置１００において、負荷が変動しても負荷１１１側へ安定的に電力を供給することができる理由について説明する。この場合、負荷インピーダンスが端末の動作環境などの影響で変動した場合を考える。

通常、キャリア増幅器１０３の動作級はＡＢ級とし、ピーク増幅器１０８の動作級はＣ級に設定する。Ｃ級はＡＢ級に比べ負荷インピーダンスが変動しても安定して電力を出力することが可能であるため、負荷インピーダンスが変動した場合にはキャリア増幅器１０３よりピーク増幅器１０８の方が安定して電力を出力することができる。

このとき、ピーク増幅器１０８の出力電力は図２のＣ点からａ点の方向と、Ｃ点から負荷１１１の方向の２方向に出力される可能性がある。ところが、キャリア増幅器１０３の出力インピーダンスは５０Ωに調整されているため、Ｃ点からａ点側をみたインピーダンスは、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスが７１Ωであるので、
７１^２÷５０＝１００Ωとなる。

一方、図１の従来回路の場合は、Ｃ点からａ点側をみたインピーダンスは、第一のλ／４伝送線路５の特性インピーダンスが５０Ωであるので、５０^２÷５０＝５０Ωとなる。したがって、Ｃ点からａ点側をみたインピーダンスは、従来回路の５０Ωに比べて、本発
明の回路では１００Ωと高くなっている。このため、図２に示す本発明の回路では、ピーク増幅器１０８の出力電力はＣ点からａ点の方へは横流が流れにくくなり、ピーク増幅器１０８から負荷１１１へ安定した電力を供給することが可能となる。すなわち、本発明の構成によって、負荷インピーダンスの変動に強い電力増幅装置を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態の電力増幅装置によれば、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスは、キャリア増幅器１０３の出力インピーダンスよりも大きく設定されている。これによって、従来は負荷１１に直列に接続されていたλ／４伝送線路（つまり、図１の第三のλ／４伝送線路１０）が不要になり、λ／４伝送線路を１個削減することができるので電力増幅装置を小型化することができる。さらに、第一系統の出力と第二系統の出力の合成点から（Ｃ点）からキャリア増幅器１０３を見たインピーダンスが高いインピーダンスとなるため、ピーク増幅器１０８からキャリア増幅器１０３側への横流が流れ難くなる。これによって、負荷インピーダンスが乱れて負荷１１１が変動してもピーク増幅器１０８から負荷１１１へ安定した電力を供給することができる。

〈実施の形態２〉
実施の形態２の電力増幅装置の構成は図２に示した実施の形態１と同じである。異なるところは、実施の形態１の電力増幅装置の場合は、キャリア増幅器１０３の電力容量とピーク増幅器１０８は電力容量が同じ（つまり、１対１）であるのに対して、実施の形態２の電力増幅器の場合は、キャリア増幅器１０３の電力容量とピーク増幅器１０８の電力容量が異なる点である。具体的には、キャリア増幅器１０３の電力容量よりピーク増幅器１０８の電力容量の方が大きく、その比率は、キャリア増幅器：ピーク増幅器＝１：ｎ（ｎは正数）である。

図３は、本発明の実施の形態２に係る電力増幅装置の動作を説明するためのドハティ増幅器の要部の等価回路である。まず、入力電力が大きくてピーク増幅器１０８がＯＮのときの動作について説明する。なお、負荷１１１の負荷インピーダンスをＺ、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスをＺ_０とする。ピーク増幅器１０８にはキャリア増幅器１０３のｎ倍多く電流が流れるので、キャリア増幅器１０３側のａ点からＣ点を見た負荷インピーダンスは、（ｎ+１）×Ｚであるのに対して、ピーク増幅器１０８側のＢ点からＣ点を見た負荷インピーダンスは、{（ｎ+１）／ｎ}×Ｚである。

また、キャリア増幅器１０３の出力側のインピーダンス、つまり、Ａ点からＣ点を見たインピーダンスは、Ｚ_０ ^２／{（ｎ+１）×Ｚ}＝Ｚである。したがって、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスＺ_０は、Ｚ_０＝（ｎ+１）^１／２×Ｚである。ちなみに、負荷インピーダンスＺが５０Ωであって、キャリア増幅器１０３の電力容量とピーク増幅器１０８の電力容量が同じ場合（つまり、ｎ＝１の場合）は、特性インピーダンスＺ_０は、Ｚ_０＝（ｎ+１）^１／２×Ｚ＝２^１／２×５０≒７１Ωとなる。

次に、入力電力が小さくてピーク増幅器１０８がＯＦＦのときの動作について説明する。このときは、ピーク増幅器１０８の出力がオープンになっているので、Ｃ点からＢ点を見たインピーダンスはＨｉｇｈインピーダンスであるため、ａ点からＣ点を見たインピーダンスは負荷インピーダンスＺである。よって、Ａ点からＣ点を見たインピーダンス（つまり、Ａ点から負荷側を見たインピーダンス）は、Ｚ_０ ^２÷Ｚ＝（ｎ+１）×Ｚ×Ｚ÷Ｚ＝（ｎ+１）×Ｚである。

つまり、キャリア増幅器１０３の負荷インピーダンスは、入力電力が小さいときには、（ｎ+１）×Ｚとなり、入力電力が大きいときにはＺとなる。例えば、キャリア増幅器１０３の電力容量とピーク増幅器１０８の電力容量が同じ（つまり、ｎ＝１）で、負荷１１１のインピーダンスがＺ＝５０Ωであれば、キャリア増幅器１０３の負荷インピーダンス
は、入力電力が小さいときには、（ｎ+１）×Ｚ＝２×５０＝１００Ωとなり、入力電力が大きいときにはＺ＝５０Ωとなる。

なお、ピーク増幅器１０８のピーク増幅器出力整合回路１０９の最適負荷インピーダンスは、負荷インピーダンスＺに対して{（ｎ+１）／ｎ}×Ｚである。例えば、キャリア増幅器１０３とピーク増幅器１０８の電力容量が同じ（つまり、ｎ＝１）であって、かつ負荷インピーダンスＺが５０Ωのときは、ピーク増幅器１０８のピーク増幅器出力整合回路１０９の最適負荷インピーダンスは、２×５０＝１００Ωである。

したがって、図２において、キャリア増幅器１０３のキャリア増幅器出力整合回路１０４を、（ｎ+１）×Ｚの負荷で高利得・高効率となるように調整し、かつ、Ｚの負荷で高飽和電力となるように調整することにより、入力電力が小さいとき、つまり、バックオフを大きくとったときの効率を高くすることができる。例えば、ｎ＝１の場合は１００Ωの負荷で高利得・高効率となるように調整し、かつ、５０Ωの負荷で高飽和電力となるように調整することにより、入力電力が小さいとき、つまり、バックオフを大きくとったときの効率を高くすることができる。この結果、電力増幅装置の小型化を図ることができると共に、広い電力範囲に亘って高効率化と安定電力の供給を維持することができる。

〈まとめ〉
以上説明したように、本発明の電力増幅装置は、ドハティ増幅器を構成するキャリア増幅器（第一の増幅器）側の第一のλ／４伝送線路の特性インピーダンスを、キャリア増幅器の出力インピーダンスよりも大きくしたことを特徴としている。例えば、キャリア増幅器の出力インピーダンスが５０Ωのとき、第一のλ／４伝送線路の特性インピーダンスは５０Ωのルート２倍（５０×２^１/２≒７１Ω）である。また、ピーク増幅器（第二の増幅器）の出力側の整合回路は、負荷インピーダンスよりも高いインピーダンスに整合するように調整されている。さらに、ピーク増幅器の出力整合回路の最適負荷インピーダンスは、負荷のインピーダンスの２倍となっている。

また、負荷インピーダンスがＺで、キャリア増幅器の電力容量がピーク増幅器の電力容量のｎ倍（但し、ｎは１より大きい正数）のときは、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスはＺ×（ｎ＋１）^１/２である。なお、負荷インピーダンスＺが５０Ωのときは、第一のλ／４伝送線路１０５の特性インピーダンスは５０×（ｎ＋１）^１/２である。この場合も、ピーク増幅器の出力整合回路は、負荷インピーダンスＺよりも高いインピーダンスに整合するように調整されている。さらに、ピーク増幅器の出力整合回路の最適負荷インピーダンスは、負荷インピーダンスの（ｎ＋１）／ｎ倍である。

本発明の電力増幅装置によれば、従来のドハティ増幅器に比べてλ／４伝送線路を１個削減して回路規模を小さくすることが可能であるので、ハンディタイプな携帯端末など移動通信端末に有効に利用することができる。

一般的に知られているドハティ増幅器からなる電力増幅装置の概略的な構成図 本発明の実施の形態１に係る電力増幅装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る電力増幅装置の動作を説明するためのドハティ増幅器の要部の等価回路

Claims (6)

1. 入力電力が供給されているときは常時動作する第一の増幅器と、前記入力電力が所定のレベルより大きいときに動作する第二の増幅器とを備えたドハティ増幅器からなる電力増幅装置であって、
   前記第一の増幅器の出力側に直列接続された第一のλ／４伝送線路の特性インピーダンスＺ_０は負荷インピーダンスＺより大きい電力増幅装置。
2. 前記第二の増幅器の出力整合回路は、前記負荷インピーダンスＺより高いインピーダンスに整合するように調整されている請求項１に記載の電力増幅装置。
3. 前記第一の増幅器の電力容量と前記第二の増幅器の電力容量の比を１対ｎ（ｎは正数）としたとき、前記第一のλ／４伝送線路の特性インピーダンスＺ_０は、Ｚ_０＝Ｚ×（ｎ+１）^１/２で表わされる請求項１に記載の電力増幅装置。
4. 前記第二の増幅器の出力整合回路の最適負荷インピーダンスは、Ｚ×{（ｎ+１）／ｎ}で表わされる請求項３に記載の電力増幅装置。
5. 前記第一の増幅器の電力容量と前記第二の増幅器の電力容量が等しいときは、前記第二の増幅器の出力整合回路の最適負荷インピーダンスは負荷インピーダンスＺの２倍である請求項４に記載の電力増幅装置。
6. 前記第一の増幅器と前記第二の増幅器が動作しているとき、該第二の増幅器から該第一の増幅器を見たインピーダンスは負荷インピーダンスＺの（ｎ+１）倍となり、該第二の増幅器から該第一の増幅器へ流れる電流は１／（ｎ+１）に抑制される請求項３に記載の電力増幅装置。

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