JPWO2008075561A1 - 電力増幅装置 - Google Patents

Abstract

ドレイン電圧を出力する直流電源と、並列接続されたキャリア増幅器及びピーク増幅器を有し、ＲＦ信号を増幅するドハティ増幅器と、出力電力が所定値以下の場合には低電圧を出力するように第１の指令を出力し、前記出力電力が前記所定値より大きい場合には高電圧を出力するように第２の指令を出力する電圧制御回路と、前記第１の指令に基づき、前記ドレイン電圧をそれより低い電圧に変換して前記キャリア増幅器及びピーク増幅器のドレイン端子に印加し、前記第２の指令に基づき、前記ドレイン電圧をそのまま前記キャリア増幅器及びピーク増幅器のドレイン端子に印加する電圧変換回路とを設けた。

Description

この発明は、地上系セルラー通信における携帯電話や、衛星通信における通信端末装置等の無線通信装置に使用され、高効率化が要求される電力増幅装置に関するものである。

従来の高効率の電力増幅装置は、キャリア増幅器とピーク増幅器を組み合せたドハティ増幅器により構成されている（例えば、非特許文献１参照）。キャリア増幅器は、入力信号が小さいとき（以下、「小信号時」という。）に線形性を確保するために、ピーク増幅器は、入力信号が大きいとき（以下、「大信号時」という。）に飽和電力を確保するために使用される。ドハティ増幅器に入力された入力信号は２つに分配され、一方はキャリア増幅器に入力され、もう一方はピーク増幅器に入力される。キャリア増幅器は、通常、Ａ級からＡＢ級ないしはＢ級にバイアスされるため、入力信号のレベルに関わらず増幅を行ない出力する。ピーク増幅器は、通常、Ｃ級にバイアスされるため、小信号時は非動作状態となり、大信号時には動作状態となって信号を増幅し出力する。即ち、小信号時はキャリア増幅器のみの動作となるので、高効率動作となり、大信号時はキャリア増幅器とピーク増幅器の出力が合成されるので高い飽和電力が確保される。

中山正敏、高木直著"電力増幅器の低歪み・高効率化の手法"、ＭＷＥ２００４ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐｓ Ｄｉｇｅｓｔ．Ｐ５７５−５８４

しかし、効率が良いとされるドハティ増幅器による電力増幅装置であっても、大信号時の効率に比較して、小信号時の電力効率は大きく低下しているという問題点があった。とくに、近年では、携帯電話等の移動体通信端末装置は、広い出力電力範囲で使用する通信方式を採用する例が多く、小信号時の電力効率の改善は１つの課題となっている。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、地上系セルラー通信における携帯電話や、衛星通信における通信端末装置等の無線通信装置に使用される電力増幅装置であって、小信号時にも電力効率の良い電力増幅装置を得るものである。

この発明に係る電力増幅装置は、第１のドレイン電圧を出力する直流電源と、並列接続されたキャリア増幅器及びピーク増幅器を有し、ＲＦ信号を増幅するドハティ増幅器と、出力電力が所定値以下の場合には低電圧を出力するように第１の指令を出力し、前記出力電力が前記所定値より大きい場合には高電圧を出力するように第２の指令を出力する電圧制御回路と、前記第１の指令に基づき、前記第１のドレイン電圧を電圧変換した第２のドレイン電圧、又は前記第１のドレイン電圧を前記キャリア増幅器及びピーク増幅器のドレイン端子に印加し、前記第２の指令に基づき、前記第１のドレイン電圧、又は前記第１のドレイン電圧を電圧変換した第２のドレイン電圧を前記キャリア増幅器及びピーク増幅器のドレイン端子に印加する電圧変換回路とを設けたものである。

この発明に係る電力増幅装置は、出力電力が所定値以下の場合にはドレイン端子に低電圧を、出力電力が所定値より大きい場合にはドレイン端子に高電圧を印加するので、小信号時には低電圧で動作することで電力効率を向上することができるという効果を奏する。

この発明の実施例１に係る電力増幅装置の構成を示す図である。 この発明の実施例１に係る電力増幅装置のドハティ増幅器のキャリア増幅器の回路構成を示す図である。 この発明の実施例１に係る電力増幅装置のＦＥＴの動作点の設定を示す図である。 この発明の実施例１に係る電力増幅装置の低電圧動作及び高電圧動作の場合の入力電力と出力電力の関係を示すグラフである。 この発明の実施例１に係る電力増幅装置の低電圧動作及び高電圧動作の場合の出力電力とドレイン効率の関係を示すグラフである。 キャリア増幅器及びピーク増幅器のドレイン端子への印加電圧を３段階以上に切り替えた場合の出力電力とドレイン効率の関係を示すグラフである。 この発明の実施例２に係る電力増幅装置の構成を示す図である。 この発明の実施例３に係る電力増幅装置の構成を示す図である。 この発明の実施例３に係る電力増幅装置のピーク増幅器のバイアス点近傍のゲート電圧−ドレイン電流特性を示すグラフである。 この発明の実施例４に係る電力増幅装置の構成を示す図である。 この発明の実施例４に係る電力増幅装置の出力電力とドレイン効率の関係を示すグラフである。 この発明の実施例５に係る電力増幅装置の構成を示す図である。

この発明の実施例１から実施例５までについて以下説明する。

この発明の実施例１に係る電力増幅装置について図１から図６までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施例１に係る電力増幅装置の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施例１に係る電力増幅装置は、ドレイン電圧Ｖｄを出力する直流電源１０と、この直流電源１０からの電圧を可変出力する電圧変換回路３０と、出力電力情報に基づき電圧変換回路３０を制御する電圧制御回路５０と、ＲＦ入力端子１からのＲＦ入力信号を増幅してＲＦ出力端子２から出力するドハティ増幅器６０とが設けられている。

また、図１において、電圧変換回路３０は、直流電源１０の出力先を切替えるスイッチ３１と、入力される直流電源１０の電圧をそれより低い電圧に変換する電圧変換器３２とが設けられている。このスイッチ３１は、直流電源１０の出力電圧を電圧変換器３２により電圧変換してドハティ増幅器６０へ出力する経路と、直流電源１０の出力電圧をそのままドハティ増幅器６０へ出力する経路の切り替えを行う。

電圧変換回路３０は、出力電力情報による出力電力が高いときには高電圧を、出力電力が低いときには低電圧を出力するように電圧制御回路５０により制御される。

さらに、図１において、ドハティ増幅器６０は、キャリア増幅器６１と、このキャリア増幅器６１の出力側に設けた１／４波長線路６２と、後述するピーク増幅器の入力側に設けた１／４波長線路６３と、ピーク増幅器６４とから構成されている。直流電源１０の出力電圧は、電圧変換回路３０を介して、ドハティ増幅器６０内のキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４に給電される。

図２は、この発明の実施例１に係る電力増幅装置のドハティ増幅器のキャリア増幅器の回路構成を示す図である。

キャリア増幅器６１には、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）又はバイポーラ・トランジスタが用いられ、ＦＥＴの場合の回路構成を図２に示す。なお、ピーク増幅器６４の回路構成も同様である。ＦＥＴのソース端子Ｓを接地し、ＲＦ入力端子１をＦＥＴのゲート端子Ｇに接続し、このゲート端子Ｇをゲート電圧Ｖｇによりバイアスする。ドレイン端子ＤはＲＦ出力端子２に接続されており、ドレイン電圧Ｖｄを印加する。

ここでは、ＦＥＴに対するバイアス設定等について説明するが、バイポーラ・トランジスタを用いた場合も同様である。つまり、エミッタ端子Ｅを接地し、ベース端子ＢをＲＦ入力端子１に接続し、コレクタ端子ＣをＲＦ出力端子２に接続する。そして、ベース端子Ｂのバイアス設定により、キャリア増幅器６１をＡ級動作（又はＡＢ級ないしＢ級動作）させ、ピーク増幅器６４をＣ級動作させることができる。このとき、バイポーラ・トランジスタのコレクタ端子Ｃは、ＦＥＴのドレイン端子Ｄに対応する。以下では、ＦＥＴの場合について説明するが、バイポーラ・トランジスタのコレクタ端子Ｃへの電圧印加は、ＦＥＴのドレイン端子Ｄへの電圧印加と同様に行うことができる。すなわち、明細書全体を通じて、キャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４が、バイポーラ・トランジスタの場合には、ＦＥＴのソース端子Ｓ、ゲート端子Ｇ、及びドレイン端子Ｄを、それぞれバイポーラ・トランジスタのエミッタ端子Ｅ、ベース端子Ｂ、及びコレクタ端子Ｃと読み替えればよい。

つぎに、この発明の実施例１に係る電力増幅装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図３は、この発明の実施例１に係る電力増幅装置のＦＥＴの動作点の設定を示す図である。また、図４は、この発明の実施例１に係る電力増幅装置の低電圧動作及び高電圧動作の場合の入力電力と出力電力の関係を示すグラフである。図５は、この発明の実施例１に係る電力増幅装置の低電圧動作及び高電圧動作の場合の出力電力とドレイン効率の関係を示すグラフである。さらに、図６は、キャリア増幅器及びピーク増幅器のドレイン端子への印加電圧を３段階以上に切り替えた場合の出力電力とドレイン効率の関係を示すグラフである。

まず、ドハティ増幅器６０の動作について説明する。ＲＦ入力端子１から入力されたＲＦ信号は２つに分配され、一方はキャリア増幅器６１に、もう一方はピーク増幅器６４に入力される。キャリア増幅器６１は、通常Ａ級からＡＢ級ないしＢ級にバイアスされるため、入力されたＲＦ信号のレベルに関わらず増幅を行い出力する。ピーク増幅器６４は、通常Ｃ級にバイアスされるため、小信号時には非動作状態となり、また大信号時には動作状態となり信号を増幅し出力する。

キャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン電圧Ｖｄは、直流電源１０及び電圧変換回路３０により設定される。図３はＦＥＴの動作点設定を表す模式図であり、キャリア増幅器６１は図中のＡ点に、ピーク増幅器６４は図中のＣ点に動作点が来るようにゲート電圧Ｖｇを設定する。図３に示すように、Ａ級動作点はドレイン電流Ｉｄが約Ｉｄｓｓ／２となる位置にあり、Ｃ級動作点はＩｄがほぼ０となる位置にある。ここで、Ｉｄｓｓは、ゲート電圧を０としたときのドレイン電流値を表す。ＡＢ級及びＢ級といわれる動作点は動作点ＡとＣとの間に位置する。キャリア増幅器６１はゲート電圧Ｖｇの設定によりＡ点に設定してＡ級動作とし、ピーク増幅器６４はゲート電圧Ｖｇの設定によりＣ点に設定してＣ級動作とする。

図１において、電圧制御回路５０には出力電力情報が入力されており、この出力電力情報に基づき電圧制御回路５０は電圧変換回路３０を制御する。出力電力情報は、この電力増幅装置が出力するＲＦ信号の出力電力を表す情報である。出力電力が所定値以下の場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ３１をａ側に接続するように指令する（第１の指令を出力する）。電圧変換器３２は、入力される直流電源１０の電圧をそれより低い電圧に変換し、その低い電圧をキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄに印加し、低電圧により動作させる（以下、「低電圧動作」と呼ぶ）。

一方、出力電力が所定値より大きい場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ３１をｂ側に接続するよう指令する（第２の指令を出力する）。電圧変換回路３０は、直流電源１０の電圧をキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄに印加し、高電圧により動作させる（以下、「高電圧動作」と呼ぶ）。

低電圧動作及び高電圧動作の場合の入力電力と出力電力の関係を図４に、出力電力とドレイン効率の関係を図５に示す。ここで、ドレイン効率Ｅｄは、出力電力をＰｏｕｔ、直流電源１０の消費電力をＰｄｃとして、Ｅｄ＝１００×（Ｐｏｕｔ／Ｐｄｃ）［％］により表される。図４により、低電圧動作の場合には、高電圧動作の場合に比べて出力電力が低くなるものの、図５により、低電圧動作の方がドレイン効率は高くなる。この特性を用いて、出力電力が所定値以下の場合には低電圧で動作させ、出力電力が所定値より大きい場合には高電圧で動作させる。

例えば、電力増幅装置の最大出力電力仕様を３４ｄＢｍとした場合に、最大出力電力の−６ｄＢ値である２８ｄＢｍを所定値として動作させる。このとき、出力電力が所定値である２８ｄＢｍ以下では、電圧変換器３２によって変換して得られた低電圧が、キャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄに印加されることにより低電圧で動作し、低出力状態において高いドレイン効率を得ることができる。

出力電力が所定値である２８ｄＢｍより大きい場合では、直流電源１０の電圧が、キャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄに印加されることにより高電圧で動作し、高出力状態において高い飽和電力を確保することができる。

図４及び図５中に示した矢印は、出力電力２８ｄＢｍを境とする低出力状態から高出力状態への動作点の移行を表しており、逆に高出力状態から低出力状態への動作点の移行は矢印と逆向きになる。図４に示すように、出力電力２８ｄＢｍでの出力電力を連続とするために、低電圧動作時の入力電力に対して、高電圧動作時の入力電力を図中の矢印分（Ｄ→Ｅ）だけオフセットさせる。このように設定した出力電力の所定値に対して、所定値以下の場合と所定値より大きい場合でドレイン端子Ｄへの印加電圧を変化させるが、所定値の設定は、最大出力電力のマイナス数ｄＢ値を任意に設定することができ、主として電力増幅装置の送信電力範囲（最小値と最大値）仕様に基づき定める。

以上の説明においては、電圧変換器３２が直流電源１０の出力電圧を低電圧に変換する構成について説明したが、電圧変換器３２が直流電源１０の出力電圧を高電圧に変換する昇圧タイプとする構成でもよい。この場合、直流電源１０が出力する電圧が低電圧となり、電圧制御回路５０は、低電圧動作時にはスイッチ３１をｂ側に接続し、高電圧動作時にはａ側に接続するように指令する。

また、キャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄへの印加電圧を３段階以上（電圧値が異なる少なくとも３つのドレイン電圧）に切り替えることにより、さらに効率改善を図ることもできる。例えば、図６のように、出力電力が２８ｄＢｍより大きい場合で、さらにドレイン印加電圧を多段にした場合、さらに電力効率が向上する。このようにドレイン印加電圧を３段以上に設定できるようにして、さらに電力効率を高めることができる。このためには、電圧変換器３２を出力電圧可変タイプにして電圧制御回路５０によって制御する方法、又は２個以上の電圧変換器３２を設けて電圧制御回路５０により切替制御する方法等をとることが考えられる。すなわち、電圧制御回路５０は、２つ以上の所定値（値が異なる少なくとも２つの所定値）と出力電力の大小関係に基づいて電圧変換回路３０が可変出力する電圧を指令する（少なくとも３つの指令）。電圧変換回路３０は、少なくとも３つの指令に基づいて電圧値が異なる少なくとも３つのドレイン電圧を出力する。

この発明の実施例１によれば、出力電力が所定値以下の場合にはドレイン端子Ｄ又はコレクタ端子Ｃには低電圧を、出力電力が所定値より大きい場合にはドレイン端子Ｄ又はコレクタ端子Ｃには高電圧を印加するので、小信号時に低電圧で動作することで電力効率を向上することができる。

この発明の実施例２に係る電力増幅装置について図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施例２に係る電力増幅装置の構成を示す図である。

図７において、この発明の実施例２に係る電力増幅装置の構成は、キャリア増幅器６１のドレイン端子Ｄには直流電源１０からの直接印加と電圧変換器３２を介しての可変印加とを切り替え、ピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄには直流電源１０の出力電圧を直接印加する構成としている点が、上記の実施例１と異なり、その他の構成及び動作は上記の実施例１と同様である。

つぎに、この発明の実施例２に係る電力増幅装置の動作について図面を参照しながら説明する。

出力電力情報に基づき、電圧制御回路５０は、出力電力が所定値以下の場合には、スイッチ３１をａ側に接続し、直流電源１０の出力電圧を電圧変換器３２により低電圧変換してキャリア増幅器６１のドレイン端子Ｄへ印加する。一方、出力電力が所定値より大きい場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ３２をｂ側に接続し、直流電源２１０出力電圧をキャリア増幅器６１のドレイン端子Ｄへ印加する。

ピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄには、直流電源１０の出力電圧を直接印加する。

図７に示す電力増幅装置においては、キャリア増幅器６１にのみ低電圧で動作させることにより、電圧変換器３２に要求される電流容量が、ドハティ増幅器６０の最大消費電流よりも小さく（例えば、約半分に）設定することができる。これにより、電圧変換器３２での消費電力及び発熱量を小さくすることができ、小型で安価な部品を使用することができる効果がある。なお、キャリア増幅器６１に対して、低電圧及び高電圧で動作させることにより、低電圧動作時のキャリア増幅器６１の電力効率が改善され、高電圧動作時にはキャリア増幅器６１とピーク増幅器６４により高い飽和電力を得ることができる。

また、キャリア増幅器６１のドレイン端子Ｄへの印加電圧を３段階以上（電圧値が異なる少なくとも３つのドレイン電圧）に切り替えることにより、さらに電力効率の改善を図ることもできる。例えば、上記の実施例１における図６に図示したのと同様に、出力電力が２８ｄＢｍより大きい場合で、さらにドレイン印加電圧を多段にした場合、さらに電力効率が向上する。このように、ドレイン印加電圧を３段以上に設定できるようにして、さらに効率を高めることができる。このためには、電圧変換器３２を出力電圧可変タイプにして電圧制御回路５０によって制御する方法、又は２個以上の電圧変換器３２を設けて電圧制御回路５０により切替制御する方法等をとることが考えられる。すなわち、電圧制御回路５０は、２つ以上の所定値（値が異なる少なくとも２つの所定値）と出力電力の大小関係に基づいて電圧変換回路３０が可変出力する電圧を指令する（少なくとも３つの指令）。電圧変換回路３０は、少なくとも３つの指令に基づいて電圧値が異なる少なくとも３つのドレイン電圧を出力する。

この発明の実施例２によれば、出力電力が所定値以下の場合にはドレイン端子Ｄ又はコレクタ端子Ｃには低電圧を、出力電力が所定値より大きい場合にはドレイン端子Ｄ又はコレクタ端子Ｃには高電圧を印加するので、小信号時に低電圧で動作することで電力効率を向上することができる。

この発明の実施例３に係る電力増幅装置について図８及び図９を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施例３に係る電力増幅装置の構成を示す図である。

図８において、この発明の実施例３に係る電力増幅装置は、ゲート電圧Ｖｇを出力する直流電源２０と、この直流電源２０からの電圧を可変出力する電圧変換回路４０と、出力電力情報に基づき電圧変換回路４０を制御する電圧制御回路５０と、ＲＦ入力端子１からのＲＦ入力信号を増幅してＲＦ出力端子２から出力するドハティ増幅器６０とが設けられている。

また、図８において、電圧変換回路４０は、直流電源２０の出力先を切替えるスイッチ４１と、入力される直流電源２０の電圧をそれより低い電圧に変換する電圧変換器４２とが設けられている。このスイッチ４１は、直流電源２０の出力電圧を電圧変換器４２により電圧変換してピーク増幅器６４のゲート端子Ｇへ出力する経路と、直流電源２０の出力電圧をそのままピーク増幅器６４のゲート端子Ｇへ出力する経路の切り替えを行う。

直流電源２０の出力電圧は、電圧変換回路４０を介して、ドハティ増幅器６０内のキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のゲート端子Ｇに印加される。電圧変換回路４０は、出力電力情報による出力電力が低いときにはピーク増幅器６４がオフ状態になるように、出力電力が高いときにはキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４が動作するように、電圧制御回路５０により制御される。その他の構成及びドハティ増幅器６０の基本的動作は、上記の実施例１と同様である。

つぎに、この発明の実施例３に係る電力増幅装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図９は、この発明の実施例３に係る電力増幅装置のピーク増幅器のバイアス点近傍のゲート電圧−ドレイン電流特性を示すグラフである。

図８において、電圧制御回路５０には、出力電力情報が入力されており、この出力電力情報に基づき電圧制御回路５０は電圧変換回路４０を制御する。出力電力情報は、この電力増幅装置が出力するＲＦ信号の出力電力を表す情報である。

キャリア増幅器６１のゲート端子Ｇには、直流電源２０の出力電圧が直接印加される。

出力電力が所定値以下の場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ４２をｃ側に接続するように指令する（第１の指令を出力する）。電圧変換器４２は、入力される直流電源２０の電圧をそれより低い電圧に変換し、ピーク増幅器６４のゲート端子Ｇに印加し、ピーク増幅器６４を完全にオフ状態にする（以下、「オフ状態」と呼ぶ）。

一方、出力電力が所定値より大きい場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ４１をｄ側に接続するよう指令する（第１の指令を出力する）。電圧変換回路４０は、直流電源２０の電圧をピーク増幅器６４のゲート端子Ｇに印加し、ピーク増幅器６４を通常のＣ級バイアス動作状態にする（以下、「Ｃ級バイアス動作」と呼ぶ）。

ＦＥＴのゲート電圧に対するドレイン電流の関係を図９に示す。理論的には、ドハティ増幅器６０のピーク増幅器６４はＣ級にバイアスされているため、小信号時であるピンチオフ電圧以下の領域ではピーク増幅器６４は非動作状態となる。しかしながら、実際には、Ｃ級バイアスではピンチオフ電圧近傍で少しずつ流れ始め、ゲート電圧の増加に応じて徐々にドレイン電流が増加する特性を有するため、ピーク増幅器６４が理論的にはオフ状態になる領域においてもドレイン電流が消費される。この電流は出力電力にほとんど寄与しないため、無駄に電力が消費されることになる。出力電力が所定値以下の場合にはピーク増幅器６４をオフ動作にし、出力電力が所定値より大きい場合にはＣ級バイアスで動作させる。これにより、理論的には、ピーク増幅器６４がオフ状態となるべき領域において、ピーク増幅器６４が消費する電力を低減でき、電力効率を向上することができる。

この発明の実施例３によれば、出力電力が所定値以下の場合にはピーク増幅器６４に完全にオフ状態となるようなゲート電圧またはベース電圧を印加するので、理論的にはピーク増幅器６４がオフ状態となるべき領域において、ピーク増幅器６４が完全にはオフ状態にならないために、ピーク増幅器６４が消費してしまう電力を低減でき、電力効率を向上することができる。

この発明の実施例４に係る電力増幅装置について図１０及び図１１を参照しながら説明する。図１０は、この発明の実施例４に係る電力増幅装置の構成を示す図である。

図１０において、この発明の実施例４に係る電力増幅装置は、ドレイン電圧Ｖｄを出力する直流電源（第１の直流電源）１０と、ゲート電圧Ｖｇを出力する直流電源（第２の直流電源）２０と、直流電源１０からの電圧を可変出力する電圧変換回路（第１の電圧変換回路）３０と、直流電源２０からの電圧を可変出力する電圧変換回路（第２の電圧変換回路）４０と、出力電力情報に基づき電圧変換回路３０及び電圧変換回路４０を制御する電圧制御回路５０と、ＲＦ入力端子１からのＲＦ入力信号を増幅してＲＦ出力端子２から出力するドハティ増幅器６０とが設けられている。

電圧変換回路３０において、スイッチ３１によって、直流電源１０の出力電圧を電圧変換器２３により電圧変換してキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４へ出力する経路と、直流電源１０の出力電圧を電圧変換せずにキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４へ出力する経路の切り替えを行う。直流電源１０の出力電圧は、電圧変換回路３０を介して、ドハティ増幅器６０内のキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄに印加される。電圧変換回路３０は、出力電力情報による出力電力が低いときには低電圧を出力するように、出力電力が高いときには高電圧を出力するように、電圧制御回路５０により制御される。

また、電圧変換回路４０において、スイッチ４１によって、直流電源２０の出力電圧を電圧変換器４２により電圧変換してピーク増幅器６４のゲート端子Ｇへ出力する経路と、直流電源２０の出力電圧を電圧変換せずにピーク増幅器６４のゲート端子Ｇへ出力する経路の切り替えを行う。直流電源２０の出力電圧は、電圧変換回路４０を介して、ドハティ増幅器６０内のキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のゲート端子Ｇに印加される。電圧変換回路４０は、出力電力情報による出力電力が低いときにはピーク増幅器６４がオフ状態になるように、出力電力が高いときにはキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４が動作するように、電圧制御回路５０により制御される。その他の構成及びドハティ増幅器６０の基本的動作は、上記の実施例１及び実施例３と同様である。

つぎに、この発明の実施例４に係る電力増幅装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図１１は、この発明の実施例４に係る電力増幅装置の出力電力とドレイン効率の関係を示すグラフである。

図１０において、電圧制御回路５０には、出力電力情報が入力されており、この出力電力情報に基づき電圧変換回路３０及び電圧変換回路４０を制御する。出力電力情報は、この電力増幅装置が出力するＲＦ信号の出力電力を表す情報である。出力電力が所定値Ａ（第１の所定値）以下の場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ３１をａ側に接続するように指令する（第１の指令を出力する）。電圧変換器３２は、入力される直流電源１０の電圧をそれより低い電圧に変換し、キャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄに印加し、低電圧により動作させる。

また、出力電力が所定値Ｂ（第２の所定値）以下の場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ４１をｃ側に接続するように指令する（第３の指令を出力する）。電圧変換器４２は、入力される直流電源２０の電圧をそれより低い電圧に変換し、ピーク増幅器６４のゲート端子Ｇに印加し、ピーク増幅器６４を完全にオフ状態にする。

一方、出力電力が所定値Ａより大きい場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ３１をｂ側に接続するよう指令する（第２の指令を出力する）。電圧変換回路３０は、直流電源１０の電圧をキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄに印加し、高電圧により動作させる。

また、出力電力が所定値Ｂより大きい場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ４１をｄ側に接続するよう指令する（第４の指令を出力する）。電圧変換回路４０は、直流電源２０の電圧をピーク増幅器６４のゲート端子Ｇに印加し、ピーク増幅器６４を通常のＣ級バイアス動作状態にする。なお、キャリア増幅器６１のゲート端子Ｇには、直流電源２０の出力電圧が直接印加される。

電力増幅装置の最大出力電力仕様を３４ｄＢｍとした場合に、最大出力電力の−６ｄＢ値である２８ｄＢｍを所定値Ａとして定め、所定値Ｂを低電圧動作時の飽和電力の−６ｄＢ値（２５ｄＢｍ）に設定した場合の例を図１１に示す。このとき、出力電力が所定値Ａである２８ｄＢｍ以下では、電圧変換器３２によって変換して得られた低電圧がキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄに印加されることにより低電圧で動作し、低出力状態において高いドレイン効率を得ることができる。また、出力電力が所定値Ｂである２５ｄＢｍ近傍では、ピーク増幅器６４で消費される電力が低減されるため、低出力状態においてドレイン効率を向上させることができる。

一方、出力電力が所定値Ａである２８ｄＢｍより大きい場合では、直流電源１０の電圧がキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄに印加されることにより高電圧で動作し、高出力状態において高い飽和電力を確保することができる。

以上より、出力電力が所定値Ａ以下の場合にはキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄ又はコレクタ端子Ｃには低電圧を、出力電力が所定値Ｂ以下の場合にはピーク増幅器６４に完全にオフ状態となるようなゲート電圧又はベース電圧をドハティ増幅器６０に印加するので、理論的にはピーク増幅器６４がオフ状態となるべき領域において、ピーク増幅器６４が消費する電力を低減できるとともに、低電圧で動作することで小信号時の電力効率を一層向上することができる。

また、キャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄへの印加電圧を３段階以上（電圧値が異なる少なくとも３つのドレイン電圧）に切り替えることにより、さらに効率改善を図ることもできる。ドレイン印加電圧を３段以上に設定できるようにして、さらに電力効率を高めることができる。このためには、電圧変換器３２を出力電圧可変タイプにして電圧制御回路５０によって制御する方法、又は２個以上の電圧変換器３２を設けて電圧制御回路５０により切替制御する方法等をとることが考えられる。すなわち、電圧制御回路５０は、２つ以上の所定値（値が異なる少なくとも２つの所定値）と出力電力の大小関係に基づいて電圧変換回路３０が可変出力する電圧を指令する（少なくとも３つの指令）。電圧変換回路３０は、少なくとも３つの指令に基づいて電圧値が異なる少なくとも３つのドレイン電圧を出力する。

この発明の実施例５に係る電力増幅装置について図１２を参照しながら説明する。図１２は、この発明の実施例５に係る電力増幅装置の構成を示す図である。

図１２において、この発明の実施例５に係る電力増幅装置の構成は、キャリア増幅器６１のドレイン端子Ｄには直流電源１０からの直接印加と電圧変換器３２を介しての可変印加とを切り替え、ピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄには直流電源１０の出力電圧を直接印加する構成としている点が、上記の実施例４と異なり、その他の構成及び動作は上記の実施例４と同様である。

つぎに、この実施例５に係る電力増幅装置の動作について図面を参照しながら説明する。

出力電力情報に基づき、出力電力が所定値Ａ以下の場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ３１をａ側に接続する。電圧変換回路３０は、直流電源１０の出力電圧を電圧変換器３２により低電圧変換してキャリア増幅器６１のドレイン端子Ｄへ印加する。一方、出力電力が所定値Ａより大きい場合には、電圧制御回路５０は、スイッチ３１をｂ側に接続する。電圧変換回路３０は、直流電源１０の出力電圧をキャリア増幅器６１のドレイン端子Ｄへ印加する。ピーク増幅器６４のドレイン端子Ｄには、直流電源１０の出力電圧が直接印加されている。

図１２に示す電力増幅装置においては、キャリア増幅器６１にのみ低電圧で動作させることにより、電圧変換器３２に要求される電流容量が、ドハティ増幅器６０の最大消費電流よりも小さく（例えば、約半分に）設定することができる。これにより、電圧変換器３２での消費電力及び発熱量を小さくすることができ、小型で安価な部品を使用することができる効果がある。なお、キャリア増幅器６１に対して、低電圧及び高電圧で動作させることにより、低電圧動作時のキャリア増幅器６１の電力効率が改善され、高電圧動作時にはキャリア増幅器６１及びピーク増幅器６４により高い飽和電力を得ることができる。

また、キャリア増幅器６１のドレイン端子Ｄへの印加電圧を３段階以上（電圧値が異なる少なくとも３つのドレイン電圧）に切り替えることにより、さらに効率改善を図ることもできる。ドレイン印加電圧を３段以上に設定できるようにして、さらに電力効率を高めることができる。このためには、電圧変換器３２を出力電圧可変タイプにして電圧制御回路５０によって制御する方法、又は２個以上の電圧変換器３２を設けて電圧制御回路５０により切替制御する方法等をとることが考えられる。すなわち、電圧制御回路５０は、２つ以上の所定値（値が異なる少なくとも２つの所定値）と出力電力の大小関係に基づいて電圧変換回路３０が可変出力する電圧を指令する（少なくとも３つの指令）。電圧変換回路３０は、少なくとも３つの指令に基づいて電圧値が異なる少なくとも３つのドレイン電圧を出力する。

この発明の実施例５によれば、出力電力が所定値Ａ以下の場合にはドレイン端子Ｄ又はコレクタ端子Ｃには低電圧を、出力電力が所定値Ｂ以下の場合にはピーク増幅器６４には完全にオフ状態となるようなゲート電圧又はベース電圧をドハティ増幅器６０に印加するので、理論的にはピーク増幅器６４がオフ状態となるべき領域において，ピーク増幅器６４が完全にはオフ状態にならないために、ピーク増幅器６４が消費してしまう電力を低減できるとともに，低電圧で動作することで小信号時の電力効率を一層向上することができる。

Claims (7)

1. 第１のドレイン電圧を出力する直流電源と、
   並列接続されたキャリア増幅器及びピーク増幅器を有し、ＲＦ信号を増幅するドハティ増幅器と、
   出力電力が所定値以下の場合には低電圧を出力するように第１の指令を出力し、前記出力電力が前記所定値より大きい場合には高電圧を出力するように第２の指令を出力する電圧制御回路と、
   前記第１の指令に基づき、前記第１のドレイン電圧を電圧変換した第２のドレイン電圧、又は前記第１のドレイン電圧を前記キャリア増幅器及びピーク増幅器のドレイン端子に印加し、前記第２の指令に基づき、前記第１のドレイン電圧、又は前記第１のドレイン電圧を電圧変換した第２のドレイン電圧を前記キャリア増幅器及びピーク増幅器のドレイン端子に印加する電圧変換回路と
   を備えた電力増幅装置。
2. 第１のドレイン電圧を出力する直流電源と、
   並列接続されたキャリア増幅器及びピーク増幅器を有し、ＲＦ信号を増幅するドハティ増幅器と、
   出力電力が所定値以下の場合には低電圧を出力するように第１の指令を出力し、前記出力電力が前記所定値より大きい場合には高電圧を出力するように第２の指令を出力する電圧制御回路と、
   前記第１のドレイン電圧を前記ピーク増幅器のドレイン端子に印加するとともに、前記第１の指令に基づき、前記第１のドレイン電圧を電圧変換した第２のドレイン電圧を前記キャリア増幅器のドレイン端子に印加し、前記第２の指令に基づき、前記第１のドレイン電圧を前記キャリア増幅器のドレイン端子に印加する電圧変換回路と
   を備えた電力増幅装置。
3. 第１のゲート電圧を出力する直流電源と、
   並列接続されたキャリア増幅器及びピーク増幅器を有し、ＲＦ信号を増幅するドハティ増幅器と、
   出力電力が所定値以下の場合には低電圧を出力するように第１の指令を出力し、前記出力電力が前記所定値より大きい場合には高電圧を出力するように第２の指令を出力する電圧制御回路と、
   前記第１のゲート電圧を前記キャリア増幅器のゲート端子に印加するとともに、前記第１の指令に基づき、前記第１のゲート電圧を電圧変換した第２のゲート電圧を前記ピーク増幅器のゲート端子に印加してオフ状態とし、前記第２の指令に基づき、前記第１のゲート電圧を前記ピーク増幅器のゲート端子に印加する電圧変換回路と
   を備えた電力増幅装置。
4. 第１のドレイン電圧を出力する第１の直流電源と、
   第１のゲート電圧を出力する第２の直流電源と、
   並列接続されたキャリア増幅器及びピーク増幅器を有し、ＲＦ信号を増幅するドハティ増幅器と、
   出力電力が第１の所定値以下の場合には低電圧を出力するように第１の指令を出力するとともに、前記出力電力が前記第１の所定値より大きい場合には高電圧を出力するように第２の指令を出力し、前記出力電力が前記第１の所定値より小さい第２の所定値以下の場合には低電圧を出力するように第３の指令を出力するとともに、前記出力電力が前記第２の所定値より大きい場合には高電圧を出力するように第４の指令を出力する電圧制御回路と、
   前記第１の指令に基づき、前記第１のドレイン電圧を電圧変換した第２のドレイン電圧、又は前記第１のドレイン電圧を前記キャリア増幅器及びピーク増幅器のドレイン端子に印加し、前記第２の指令に基づき、前記第１のドレイン電圧、又は前記第１のドレイン電圧を電圧変換した第２のドレイン電圧を前記キャリア増幅器及びピーク増幅器のドレイン端子に印加する第１の電圧変換回路と、
   前記第１のゲート電圧を前記キャリア増幅器のゲート端子に印加するとともに、前記第３の指令に基づき、前記第１のゲート電圧を電圧変換した第２のゲート電圧を前記ピーク増幅器のゲート端子に印加してオフ状態とし、前記第４の指令に基づき、前記第１のゲート電圧を前記ピーク増幅器のゲート端子に印加する第２の電圧変換回路と
   を備えた電力増幅装置。
5. 第１のドレイン電圧を出力する第１の直流電源と、
   第１のゲート電圧を出力する第２の直流電源と、
   並列接続されたキャリア増幅器及びピーク増幅器を有し、ＲＦ信号を増幅するドハティ増幅器と、
   出力電力が第１の所定値以下の場合には低電圧を出力するように第１の指令を出力するとともに、前記出力電力が前記第１の所定値より大きい場合には高電圧を出力するように第２の指令を出力し、前記出力電力が前記第１の所定値より小さい第２の所定値以下の場合には低電圧を出力するように第３の指令を出力するとともに、前記出力電力が前記第２の所定値より大きい場合には高電圧を出力するように第４の指令を出力する電圧制御回路と、
   前記第１のドレイン電圧を前記ピーク増幅器のドレイン端子に印加するとともに、前記第１の指令に基づき、前記第１のドレイン電圧を電圧変換した第２のドレイン電圧を前記キャリア増幅器のドレイン端子に印加し、前記第２の指令に基づき、前記第１のドレイン電圧を前記キャリア増幅器のドレイン端子に印加する第１の電圧変換回路と、
   前記第１のゲート電圧を前記キャリア増幅器のゲート端子に印加するとともに、前記第３の指令に基づき、前記第１のゲート電圧を電圧変換した第２のゲート電圧を前記ピーク増幅器のゲート端子に印加してオフ状態とし、前記第４の指令に基づき、前記第１のゲート電圧を前記ピーク増幅器のゲート端子に印加する第２の電圧変換回路と
   を備えた電力増幅装置。
6. 前記電圧制御回路は、少なくとも２つの所定値と出力電力の大小関係に基づいて少なくとも３つの指令を出力し、
   前記電圧変換回路は、少なくとも３つの指令に基づいて少なくとも３つのドレイン電圧を出力する
   請求項１又は２記載の電力増幅装置。
7. 前記電圧制御回路は、少なくとも２つの所定値と出力電力の大小関係に基づいて少なくとも３つの指令を出力し、
   前記第１の電圧変換回路は、少なくとも３つの指令に基づいて少なくとも３つのドレイン電圧を出力する
   請求項４又は５記載の電力増幅装置。

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