JPWO2016113905A1 - ドハティ方式増幅器および電力増幅器 - Google Patents

Abstract

Ｚオーム系のシステムに用いられるドハティ方式増幅器は、キャリアアンプと、ピークアンプと、入力信号が小さいときに、キャリアアンプの負荷を変換するインピーダンス変換線路と、を具備する。インピーダンス変換線路は、Ｚオームより小さく、キャリアアンプの最適負荷インピーダンスと同等の特性インピーダンスを持つ。ドハティ方式増幅器の負荷はＺオームよりも小さい。複数のドハティ方式増幅器の出力電力を電力結合回路で合成することにより大きな出力電力を得る電力増幅器を構成する。

Description

本開示は電力増幅器に関し、例えば広帯域のドハティ方式増幅器に適用可能である。

電気回路や電子回路では電気信号を所定のレベルまで増幅するために、様々な増幅器が使用されている。このうち、主に送信機の最終段増幅器として使用され、その出力電力の大きいものは電力増幅器と呼ばれている。
広範囲で通信を行う無線機等ではその送信出力が大きくなるため、その送信機に使用される電力増幅器の出力電力も大きくなる。このため、この電力増幅器で消費される電力が非常に大きくなり、送信機全体が消費する電力の中で多くの割合を占めることになる。したがって、送信機の低消費電力化のために、電力増幅器の低消費電力化、すなわち、高効率化は重要な開発課題である。
一般に、増幅器で使用されるトランジスタでは、出力信号レベルが小さい時と比べて、飽和付近で効率が良く、その効率は飽和効率と呼ばれている。一方、近年の無線通信では周波数の利用効率向上のために、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）などの高度なディジタル変調方式を採用される傾向にあるが、このような信号は最大電力と平均電力との比（ＰＡＰＲ： Peak to Average Power Ratio）が非常に大きい。電力増幅器では、信号波形の歪を小さく抑えるために、使用するトランジスタの飽和電力は信号の最大電力を考慮する必要がある。したがって、電力増幅器は、飽和電力に対して遥かに小さい平均電力で動作することとなり、その効率は飽和効率に対して非常に低い効率となる傾向にある。
この課題を解決し、電力増幅器の高効率化を実現する方法として様々なものが考案されている。その中でもドハティ方式増幅器は、ＰＡＰＲの大きい信号の高効率化に適した電力増幅器として、採用が拡大しつつある。
ところで近年、携帯電話の基地局では、７００ＭＨｚ帯から２ＧＨｚ帯まで様々な周波数帯が使用されており、一つの装置で複数の帯域に対応することが要望されている。このため、装置の広帯域化は重要な課題となっている。また、地上波ディジタル放送では、４００ＭＨｚから８００ＭＨｚまでのＵＨＦ（Ultra High Frequency）帯に各チャンネルが割り当てられている。これらの帯域内の全チャンネルに対応可能な送信機を１機種で実現できれば、在庫の管理の点などで有効であるため、送信機の広帯域化が期待されている。上記の携帯電話の基地局や地上波ディジタル放送の送信機の両者において、高度なディジタル変調を施した信号を利用し、かつ、高出力で信号を送信するため、これらの装置に使用される電力増幅器も同様に広帯域化が必要となる。
ドハティ方式増幅器を広帯域化するために、例えば、特開２０１２−２９２３９号公報（特許文献１）には以下のことが開示されている。例えば、出力インピーダンスが５Ωであるキャリアアンプおよびピークアンプをそれぞれ１０分割することにより、分割されたキャリアアンプおよびピークアンプの出力インピーダンスは５０Ωとなり、特性インピーダンスが５０Ωの線路を用い１／４波長位相線路を形成することができる。このドハティ回路を複数使用してそれらの出力を結合器で接続してドハティ方式増幅器を構成する。

特開２０１２−２９２３９号公報

Kian Sen Ang，外２名，"Multisection impedance-transforming coupled-line baluns"，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，（米国），IEEE，2003年3月，Vol.51，No.2，pp536-541

特許文献1のように、単体増幅器をさらに低出力の増幅器に分割し、この単体増幅器を複数使用し、それらの出力を合成することで高出力を得る電力増幅器を構成することは、部品点数の増大、電力分配・合成回路の複雑化などの観点から困難である。
また、特性インピーダンスが非常に小さい線路や、高インピーダンス変換率のインピーダンス変換・整合回路を用いて広帯域ドハティ方式増幅器（単体増幅器）を構成することは、特性インピーダンスが非常に小さい線路や、高インピーダンス変換率のインピーダンス変換・整合回路が基板上の大きな面積を占めるため、実装面積が非常に大きくなる。
本開示の課題は、最適負荷インピーダンスが数オーム程度のような低出力インピーダンスのトランジスタを使用する場合でも、広帯域なドハティ方式増幅器を構成するのに必要な特性インピーダンスが非常に低い線路を基板上に構成し、かつ、インピーダンス変換・整合回路の面積が大きくなることを防止する技術を提供することにある。
その他の課題と新規な特徴は、本開示の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本開示のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、Ｚオーム系のシステムに用いられるドハティ方式増幅器は、キャリアアンプと、ピークアンプと、入力信号が小さいときに、前記キャリアアンプの負荷を変換するインピーダンス変換線路と、を具備する。前記インピーダンス変換線路は、Ｚオームより小さく、前記キャリアアンプの最適負荷インピーダンスと同等の特性インピーダンスを持つ。前記ドハティ方式増幅器の負荷はＺオームよりも小さい。

上記ドハティ方式増幅器によれば、特性インピーダンスが非常に低い線路を基板上に構成し、かつ、インピーダンス変換・整合回路の面積が大きくなることを防止することができる。

ドハティ方式増幅器を説明するためのブロック図である。 ドハティ方式増幅器の効率特性を説明するための図である。 広帯域な特性を持つドハティ方式増幅器を説明するためのブロック図である。 複数の単体増幅器の出力を合成することで、より高い出力を得るシステムを説明するためのブロック図である。 実施形態に係る電力増幅器を説明するためのブロック図である。 実施形態に係る電力増幅器で使用するバラン回路の原理を説明するための図である。 実施例に係る電力増幅器を説明するためのブロック図である。 実施例に係る電力増幅器で使用されるドハティ増幅器を説明するための簡略図である。 実施例に係る電力増幅器で使用されるバラン回路の構成例を説明するための外観図である。 実施形態に係る単体増幅器を説明するためのブロック図である。

以下、実施形態および実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。

まず、ドハティ方式増幅器およびその課題について図１から図３を用いて説明する。
図１はドハティ方式増幅器の構成を示すブロック図である。図２はドハティ方式増幅器の効率特性を示す図である。図３は広帯域な特性を持つドハティ方式増幅器を示すブロック図である。
ドハティ方式増幅器１０Ｒは、キャリアアンプ１とピークアンプ２からなる二つの増幅器で構成される。通常は、キャリアアンプ１はＡ級またはＡＢ級でバイアスされ、ピークアンプ２はＢ級またはＣ級でバイアスされる。また、５０オーム（Ω）系のシステムの場合、増幅器の負荷３は５０オームであることが多い。以下に、ドハティ方式増幅器１０Ｒの動作を簡単に説明する。
ドハティ方式増幅器１０Ｒに入力される信号レベルが小さい時は、ピークアンプ２はオフ状態となり、キャリアアンプ１のみが動作する。このとき、ピークアンプ２の出力インピーダンスは非常に高くなり、整合回路８の出力も高インピーダンスとなるため、キャリアアンプ１と整合回路６にはインピーダンス変換回路４Ｒが直接接続されているのと等価となる。インピーダンス変換回路４Ｒは５０オーム負荷３を２５オームに変換しており、このインピーダンスは、さらに特性インピーダンス５０オームのλ／４（１／４波長）伝送線路５Ｒを介して１００オームに変換される。したがって、入力信号レベルが小さい範囲では、キャリアンプ１と整合回路６からなる増幅器は、１００オームの負荷で動作することになる。
ドハティ方式増幅器１０Ｒの入力信号レベルが大きくなると、ピークアンプ２がオンするため、キャリアアンプ１とピークアンプ２の両方が動作する。位相調整回路（位相調整用線路）７は、キャリアアンプ１とピークアンプ２の両方の出力が同相で合成されるように調整されている。インピーダンス変換回路４Ｒは５０オーム負荷３を２５オームに変換するため、キャリアンプ１とピークアンプ２それぞれに５０オームの負荷が接続されていることと等価になる。キャリアアンプ１が飽和するタイミングで、ピークアンプ２が動作を開始するようにピークアンプ２のバイアスを調整することで、ドハティ方式増幅器１０Ｒの効率は図２のような特性を示すようになる。同図に示すように、入力信号が小さい領域ではキャリアアンプのみ動作し、かつ、キャリアアンプ単体で飽和付近まで動作するため、最大電力に対してある程度小さい信号レベルでも高効率な動作が可能となる。
ところで、ドハティ方式増幅器１０Ｒは、キャリアアンプ１とピークアンプ２の出力インピーダンスと、負荷のインピーダンスを整合させるために整合回路６，８が使用される。整合回路６，８には周波数特性が存在するため、特定の周波数点では整合回路として機能するが、中心周波数から離れた周波数点では理想動作から外れる。この影響により、ドハティ方式増幅器１０Ｒが動作する周波数範囲は制限されることになる。さらには、整合回路６，８の周波数特性とλ／４伝送線路５Ｒの周波数特性、さらに、インピーダンス変換回路４Ｒの周波数特性が相互に影響し、ドハティ方式増幅器として動作する周波数範囲を制限するため、ドハティ方式増幅器１０Ｒでは広帯域化が困難である。

この課題を解決するための手段として、図３に示すように整合回路６，８を使用しないドハティ方式増幅器１０Ｓが考えられる。ドハティ方式増幅器１０Ｓは、５０オームのλ／４伝送線路５Ｒおよびインピーダンス変換回路４Ｒの代わりにλ／４伝送線路５Ｓおよびインピーダンス変換・整合回路４Ｓを備える。ドハティ方式増幅器１０Ｓでは、整合回路の周波数特性が影響しないため、ドハティ方式増幅器１０Ｒより広帯域化が可能となる。

ところで、出力の大きい電力増幅器で使用されるトランジスタでは、通常、最適な出力または効率が得られる最適負荷インピーダンスは非常に小さく、数オーム程度である。一例として、ＵＨＦ帯の電力増幅器に使用される飽和出力６００Ｗ程度のＬＤＭＯＳ（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor）ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）の場合、最適負荷インピーダンスは５オーム以下となる。
一方、キャリアアンプ１に接続されるλ／４伝送線路５Ｓの特性インピーダンスは、キャリアアンプ１に使用するトランジスタの最適負荷インピーダンスに合わせる必要がある。したがって、高出力トランジスタを使用し、かつ、図３に示すようなドハティ方式増幅器１０Ｓを構成する場合、λ／４伝送線路５Ｓの特性インピーダンスは非常に小さくなる。
一般に、マイクロ波帯の回路では、トランジスタ周辺の伝送線路にマイクロストリップ線路が使われる。マイクロストリップ線路において、その幅は線路の特性インピーダンスと使用する基板の誘電率および厚さにより決定され、同一の基板では、特性インピーダンスが低いほど線路幅が太くなる。したがって、上記のような５オーム以下の非常に小さいインピーダンスの線路は、５０オームの伝送線路の線路に対して、非常に太い線路幅が必要になる。このため、ドハティ方式増幅器を構成する基板上に、非常に太いλ／４伝送線路を構成することが必要となり、それを実現する基板面積が増大するという問題が発生する。
上記問題を回避して線路幅が太くなるのを防止するために、誘電率が高い基板、または、基板厚の薄い基板を使用することで、線路幅を細くする対策が考えられる。しかし、５０オーム系のシステムの場合、増幅器の負荷は通常５０オームであるが、上記のような高誘電率基板、または、薄厚基板を使用した場合、特性インピーダンス５０オームの線路の幅は非常に細くなる。線路幅の細い線路は、導体損失が増大するため、損失の劣化や、熱上昇による信頼性の低下につながるという問題がある。これらの理由から、同一基板に、上記のような低インピーダンス線路と５０オーム線路の両方を搭載することは困難である。

また、図３に示すドハティ方式増幅器１０Ｓの構成で広帯域化を図るためには、インピーダンス変換・整合回路４Ｓも広帯域特性を実現する必要がある。前述の通り、キャリアアンプ１、ピークアンプ２の最適負荷インピーダンスは非常に小さいため、インピーダンス変換・整合回路４Ｓは、非常に低いインピーダンスから５０オームへ変換する必要がある。通常、このようなインピーダンス変換を広帯域で実現するためには、多段構成の整合回路を使用するため、インピーダンス変換・整合回路４Ｓも大きな面積が必要となる。

次に、単体増幅器を複数使用して電力合成することで、より高い出力を得る電力増幅器の構成例をについて図４を用いて説明する。図４は複数の単体増幅器で構成される電力増幅器を示すブロック図である。
図４に示すように、単体増幅器を複数使用して電力合成する電力増幅器１００Ｓにおいて、入力信号は電力分配回路２１，２２により分割され、複数の単体増幅器２０に入力される。複数の単体増幅器２０の出力は電力合成回路２３，２４で合成される。単体増幅器２０に広帯域化ドハティ方式増幅器１０Ｓを用いると、ドハティ方式増幅器１０Ｓは非常に太いλ／４伝送線路５Ｓおよび大きな面積のインピーダンス変換・整合回路４Ｓで構成されるため、電力増幅器１００Ｓも大きな面積が必要となる。

また、広帯域増幅器の別の問題として、例えば、４００ＭＨｚから８００ＭＨｚのＵＨＦ帯をカバーする広帯域増幅器の場合、低周波側（４００ＭＨｚ近傍）の２次高調波が通過帯域上限の８００ＭＨｚに近いため、増幅器内で高調波を十分に抑圧することが難しく、出力される高調波成分が大きくなる。

＜実施形態＞
実施形態に係る単体増幅器について図１０を用いて説明する。図１０は実施形態に係る単体増幅器を示すブロック図である。
実施形態に係る単体増幅器３０は、キャリアアンプ４１とピークアンプ４２からなる二つの増幅器で構成される。単体増幅器３０に入力される信号レベルが小さい時は、ピークアンプ４２はオフ状態となり、キャリアアンプ４１のみが動作する。単体増幅器３０の入力信号レベルが大きくなると、ピークアンプ４２がオンするため、キャリアアンプ４１とピークアンプ４２の両方が動作する。位相調整回路４７は、キャリアアンプ４１とピークアンプ４２の両方の出力が同相で合成されるように調整されている。インピーダンス変換回路４４はシステム負荷（Ｚ_Ｓ）より小さい単体増幅器３０の負荷（Ｚ_Ｄ）４３をキャリアンプ４１の最適負荷インピーダンス（Ｚ_Ｆ）に近い負荷４３よりも小さい特性インピーダンスに変換する。λ／４伝送路４５はキャリアンプ４１の最適負荷インピーダンスに近い特性インピーダンス（Ｚ_Ｑ）を有する。ここで、Ｚ_Ｓ＞Ｚ_Ｄ＞Ｚ_Ｑ≒Ｚ_Ｆの関係にある。入力される信号レベルが小さい時、インピーダンス変換回路４４およびλ／４伝送路（インピーダンス変換線路）４５は負荷４３のインピーダンスを変換する。
λ／４伝送路４５は、キャリアアンプ４１の出力端子とピークアンプ４２の出力端子（より正確にいえばそれらのアンプを構成するトランジスタの出力端子）に直結されることが望ましい。なおトランジスタのパッケージや基板実装に由来する、意図しない寄生成分が少なからず存在し、それらのばらつきを補償する目的で回路を付加することを妨げるものではない。

実施形態に係る電力増幅器について図５および図６を用いて説明する。図５は実施形態に係る電力増幅器を示すブロック図である。図６は実施形態に係る電力増幅器で使用するバラン回路の原理を説明するための図である。最も一般的な５０オーム系のシステムに用いる場合について説明する。
実施形態に係る電力増幅器１００は図４に示す電力増幅器１００Ｓと同様に、複数の単体増幅器を使用し、それらの出力を合成することで、より高い出力を得るシステムを前提としている。電力増幅器１００では、ドハティ方式増幅器で構成される単体増幅器３０を２個以上使用し、その出力を合成する。
この時、単体増幅器３０のキャリアアンプ４１やピークアンプ４２の最適負荷インピーダンス（Ｚ_Ｆ）が数オーム程度の場合、λ／４伝送線路４５の特性インピーダンス（Ｚ_Ｑ）も非常に低いものとなる（Ｚ_Ｑ≒Ｚ_Ｆ）。そこで本実施形態では、λ／４伝送線路４５を構成する基板を上記のような低インピーダンス線路も構成可能な高誘電率基板、または、基板厚が薄い基板、または、その両者を組み合わせた基板を使用する。このとき、同一基板で特性インピーダンスが５０オーム（システム負荷（Ｚ_Ｓ）と同じインピーダンス）の線路を実現すると、その線路幅が非常に細くなるため、単体増幅器３０の出力インピーダンス（Ｚ_Ｕ）を５０オームよりも小さく、かつ、十分な線路幅で同等の特性インピーダンスの伝送線路が実現可能なインピーダンスに留めることで、単体増幅器３０の出力回路で使用される伝送線路において、十分な線路幅を確保する。

単体増幅器３０の出力インピーダンス（Ｚ_Ｕ）が５０オームではない場合、５０オーム系のシステムに適用すると、システムと単体増幅器３０においてミスマッチが発生する。そこで本実施形態では、電力合成回路３３に電力合成の機能と、インピーダンス変換の機能の両方の機能を持たせる。つまり電力合成回路３３は、２つの単体増幅器３０の出力を合成しつつ、インピーダンスをＺ_Ｕから５０オームに変換する。なお、キャリアアンプ４１やピークアンプ４２に使用するトランジスタの特性偏差に起因する単体増幅器３０の特性ばらつきが発生する可能性がある。製造工程では、この特性ばらつきの影響による装置全体の特性不良を防止するために、単体増幅器３０で検査を行い、必要に応じて選別や特性調整する。このため、この特性確認を行いやくするために、単体増幅器３０、電力分配回路３２および電力合成回路３３を、それぞれ別基板で製造する。単体増幅器３０と電力合成回路３３は別基板であるため、電力合成回路３３はＺ_Ｕおよび５０オーム線路が実用的な線路幅で実現可能な誘電率と基板厚を持つ基板を使用することが可能となり、線路幅が非常に細くなることによる、損失の増大を防止することが可能となる。

さらに本実施形態では、電力分配回路３２と、電力合成回路３３にバラン（balun、平衡−不平衡変換）回路を使用し、プッシュプル構成とする。これにより、２次高調波成分をバラン回路で打ち消すことが可能となるため、広帯域ドハティ方式増幅器で発生する２次高調波成分を低減することが可能となる。

電力分配回路３２は、電力合成回路３３と同じような構成としてもよいが、インピーダンス変換作用は不要であり、周知のマーチャンドバランを用いても十分な比帯域が得られる。
電力分配回路３４は、５０オーム系のハイブリッド（ブランチラインカプラ）やウィルキンソン合成器を組み合わせて多合成を行う。
なお、上記の説明では、電力合成回路３３にインピーダンス変換の機能を持たせることとしたが、必要に応じて、電力合成回路３４や、それ以降の電力合成回路でインピーダンス変換を行っても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

ドハティ方式増幅器において、その特徴である高効率特性を得るためには、単体増幅器３０内のピークアンプ４１、キャリアアンプ４２に接続される負荷側のインピーダンスはピークアンプ４１およびキャリアアンプ４２の最適負荷インピーダンスに近づける必要がある。このインピーダンスは、最終出力負荷のインピーダンスが、電力合成回路３３，３４を介して、単体増幅器３０に接続され、さらに単体増幅器３０内のインピーダンス変換回路４４にて変換されたものとなる。このとき、電力合成回路３３，３４のインピーダンスの周波数特性やインピーダンス変換回路４４の周波数特性が影響するため、これらは広帯域に設計する必要がある。

通常、インピーダンス変換回路４４では広帯域特性を得るためにKlopfenstein Taperに代表される多段構成のインピーダンス変換回路が用いられる。これらは分布定数が連続的に変化する線路の近似であり、良好な特性を維持するためにはインピーダンス変換率が大きいほど多くの段数を必要とする。しかしながら、本実施形態では、単体増幅器３０の出力インピーダンス（Ｚ_Ｕ）は５０オームよりも低いインピーダンスであるため、インピーダンス変換率はインピーダンス変換回路４Ｒやインピーダンス変換・整合回路４Ｓよりも低くなり、インピーダンス変換回路４４の段数を少なく（つまり小型化）することが可能となる。

また本実施形態では、電力合成回路３３に、単体増幅器３０の出力インピーダンスを５０オームに変換する機能も持たせるが、このインピーダンス変換も広帯域に行う必要がある。これを実現するために、本実施形態で使用するバランは図６に示すように多段構成とする。本実施形態で使用するバランにおいて、単体増幅器３０の出力信号は入力端子５１，５２に入力される。結合回路５４，５５，５６は多段バラン回路を構成しており、出力端子５３には、入力端子５１，５２で入力された信号の差の信号が出力される。平行２線のような結合回路において、それらの特性は偶モードの特性インイーダンス（Ｚ_ｅ１，Ｚ_ｅ２，Ｚ_ｅ３）および奇モードの特性インピーダンス（Ｚ_ｏ１，Ｚ_ｏ２，Ｚ_ｏ３）により決まる。非特許文献１によれば、この時、バラン回路全体を１段の１／４波長結合線路とみなしてモード分解でき、その奇モードの特性インピーダンス（Ｚ_ｏｏ）、偶モードの特性インピーダンス（Ｚ_ｏｅ）は、以下の式（１）で得られる。

１段の１／４波長結合線路を理想的なバランとするには、Ｚ_ｏｏ、Ｚ_ｏｅは下記の式（２）を満たさなければならない。

ここで、Ｚ_ｉｎは、入力端子５１，５２のインピーダンス、Ｚ_ｏｕｔは出力端子５３の出力インイーダンスである。

したがって、偶モードの特性インピーダンスに関しては、結合回路５４と５６ではＺ_ｅ１とＺ_ｅ３をできるだけ大きくし、結合回路５５ではＺ_ｅ２をできるだけ小さく選ぶとよい。奇数モードの特性インピーダンスに関しては、一般的なフィルタと同様、例えばチェビシェフ特性（equi-ripple特性）を有するブロードなフィルタとして設計できる。Klopfenstein Taperも設計手法としては、Ｚ_ｏ１とＺ_ｏ３を等しくしＺ_ｏ２が他より小さくなるような対称型と、Ｚ_ｏ１＜Ｚ_ｏ２＜Ｚ_ｏ３と単調に変化する非対称型、及びそれらの中間型がある。

このように、このバランを構成する各結合線路を、特性インピーダンス（Ｚ_ｏ１，Ｚ_ｏ２，Ｚ_ｏ３）のλ／４伝送線路でインピーダンス変換する多段のインピーダンス変換線路と見なし、各奇モードの特性インピーダンス（Ｚ_ｏ１，Ｚ_ｏ２，Ｚ_ｏ３）を適切に設定することで、広帯域にインピーダンス変換を行うバラン回路の実現が可能となる。なお、広帯域にインピーダンス変換を行うための各奇モードの特性インピーダンスとしては、広帯域な多段λ／４インピーダンス変換回路で使用されるチェビシェフ特性などと同様なもので実現可能である。
なお、上記の多段バランの説明では３段接続のものを説明したが、より良い特性を得るために、４段以上の結合回路を接続することも可能である。
また、以上の説明では、最も一般的な５０オーム系のシステムを用いて説明したが、システムが必要とするインピーダンスが５０オーム以外（例えば、７５オーム）の場合においても、同様な効果が得られることは可能である。

上記の通り、本実施形態は単体増幅器の出力インピーダンスをシステム負荷（例えば５０オーム）よりも小さい値とし、電力合成回路で必要なインピーダンス変換の機能をもたせることで、単体増幅器内の出力線路が細くなることを防止することが可能となる。さらに、低インピーダンス線路を実現するのに適した基板選定が可能となり、線路幅が非常に太くなることで回路面積が増大することを防止することが可能である。また、単体電力増幅内の出力電のインピーダンス変換率を小さく抑えることが可能となるため、単体増幅器内の出力回路で使用されるインピーダンス変換回路面積が大きくなることを防ぐことが可能である。よって、地上波ディジタル放送の送信機のように単体増幅器では必要な出力を得るのが困難な高出力な電力増幅器にも適用することができる。
さらに、本実施形態の別の効果として、電力分配回路と合成回路にバラン回路を使用し、２次高調波を出力側のバラン回路で打ち消すことで、２次高調波を低減することが可能である。
また、電力合成回路で使用するバラン回路を多段構成とすることで、広帯域なインピーダンス変換特性を持つバラン回路が実現可能となり、これにより、負荷インピーダンス変動に敏感なドハティ方式増幅器においても、広帯域で良好な特性を得ることが可能である。

実施形態の一例（実施例）に係る電力増幅器について図７から図９を用いて説明する。図７は実施例に係る電力増幅器の構成を示すブロック図である。図８は実施例に係る単体増幅器の構成を示すブロック図である。図９は実施例に係るバラン回路の構成を示す外観図である。図９（Ａ）が表面のパターン、図９（Ｂ）が裏面のパターンを表している。
実施例に係る電力増幅器１００Ａでは、入力側の電力分配回路３２Ａおよび出力側の電力合成回路３３Ａはバラン回路で構成されている。また、電力分配回路３２Ａの入出力インピーダンスは５０オームで設計されており、電力合成回路３３Ａの入力インピーダンスは１２．５オーム、出力インピーダンスが５０オームで設計されている。電力増幅器１００Ａは５０オーム系のシステム（例えば送信機）に用いられる。
単体増幅器３０Ａはドハティ方式増幅器で構成されている。入力端子６３に入力される入力信号はウィルキンソン回路などで構成される電力分配回路７１で電力分配されたのち、整合回路７２，７３で所望のインピーダンスに変換されている。電力分配回路７１はλ／４伝送路７１１，７１２と抵抗７１３で構成される。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）７４，７５は、それぞれキャリアアンプ４１Ａとピークアンプ４２Ａを構成し、キャリアアンプ４１Ａ（ＦＥＴ７４）の出力は整合回路を介さずに、直接λ／４伝送線路４５Ａが接続されている。ＦＥＴ７４，７５のゲートには抵抗素子６５，６６を介してバイアス電圧が印加される。また、ＦＥＴ７４，７５の出力には抵抗素子６７，６８を介して電源電圧が印加される。なお、電力分配回路７１と整合回路７３との間にλ／４伝送線路（位相調整回路）４７Ａが配置され、キャリアアンプ４１Ａの出力とピークアンプ４２Ａの出力の位相の調整が行われる。単体増幅器３０Ａで使用されるＦＥＴの最適負荷インピーダンスは数オーム（例えば、５オーム）と小さいため、λ／４伝送線路４５Ａの特性インピーダンスも数オーム（例えば、５オーム）と非常に小さいものとなる。キャリアンプ４１Ａ（ＦＥＴ７４）とピークアンプ４２Ａ（ＦＥＴ７５）の信号は結合点７８で結合され、インピーダンス変換回路４４Ａは、結合点７８のインピーダンスが最適なものとなるように、負荷のインピーダンスの変換を行う。前述の通り、電力合成回路３３Ａの入力インピーダンスは１２．５オームであるため、単体増幅器３０Ａは１２．５オームの負荷が接続されているのと等価になる。なお、ＦＥＴとしては、例えば、ＬＤＭＯＳＦＥＴやＧａＡｓＦＥＴを用いることができる。λ／４伝送線路４５Ａ，４７Ａ，７１１，７１２はマイクロストリップ線路やストリップ線路等のＴＥＭ（Transverse Electro Magnetic Wave）モードで伝送する線路で構成される。
単体増幅器３０Ａの入力インピーダンスは５０オームであり、整合回路７２、７３を介してＦＥＴ７４，７５に接続される通常のドハティ方式増幅器と同等な構成をとるため、入力回路に使用する基板６１は、その誘電率が２〜６程度の基板が使用可能である。一方で出力側の基板６２は、ＦＥＴの最適負荷インピーダンスに近い低特性インピーダンスのλ／４伝送線路４５Ａを構成する必要があるため、この線路を構成するのに適した高誘電率基板、または、厚さの薄い基板を使用する。このような基板には、誘電率が１０程度のセラミック基板などが利用可能である。
また、上記のように低特性インピーダンスが実現可能な基板で５０オーム線路を実現する場合、その線路幅が狭くなるが、本実施例では前述の通り、単体増幅器３０Ａとしては１２．５オームの負荷が接続されていることと等価であるため、上記のような基板で基板６２を構成しても、極端に線路幅が細い伝送線路を使用せずに実現可能である。さらには、インピーダンス整合回路４４Ａでは、単体増幅器３０Ａの負荷インピーダンスから結合点７８の最適インピーダンスへインピーダンス変換を行うが、負荷インピーダンスは１２．５オームで良いため、５０オームに変換する場合と比べて、インピーダンス整合回路４４Ａを小さく構成することが可能である。

図９に示すように、実施例に係る電力合成回路３３Ａのバランは、基板上の表裏両面パターンで形成する結合線路により構成される。電力合成回路３３Ａが構成される基板は基板６２とは別の基板である。
単体増幅器３０Ａの出力信号は、差動入力端子８１，８２に入力され、合成された信号は合成電力出力端子８３により出力される。なお、区間Ｓ１の裏面線路９２は線路端８５において、グランドパターン８４と接続されている。また、図９（Ａ）の表面のパターンと図９（Ｂ）の裏面のパターンは、結合点８６と結合点８７、結合点８８と結合点８９、結合点９０と結合点９１において、貫通ビアにより相互に接続される。
本実施例のバランは、３段の結合回路を組み合わせた例である。図９のような構成をとる場合、バラン回路全体での偶モードおよび奇モードのインピーダンスは前述の式（１）で表せる。なお、上記の式（１）において、Ｚ_ｅ１，Ｚ_ｅ２，Ｚ_ｅ３は、区間Ｓ１，２，３の結合線路の偶モードのインピーダンス、，Ｚ_ｏ１，Ｚ_ｏ２，Ｚ_ｏ３は奇モードのインピーダンスである。不平衡側の１ポートが接地された本バランにおいて、良好な結合特性を得るためには、Ｚ_ｅ１，Ｚ_ｅ３＞＞Ｚ_ｅ２となるように設計される。本実施例では区間Ｓ１および区間Ｓ３は、比較的大きな偶モードのインピーダンスが得ることが可能なサスペンデッド線路（broadside-stacked line）構成をとっており、表面と裏面に対向して形成された２つの線路にて結合線路を構成し、接地導体からできるだけ遠ざけて配置している。
一方、区間Ｓ２は接地導体との距離に比べ十分離間した２つのマイクロストリップ線路（又はストリップ線路）で構成された結合線路（edge coupled line）で実現することで、Ｚ_ｅ１，Ｚ_ｅ３＞＞Ｚ_ｅ２の関係を得ている。

通常、このような線路には、印刷配線基板が用いられるが、基板は接地された金属製の台座とカバーで挟み込まれ、基板の裏面は台座に密着する。従って、区間Ｓ１および区間Ｓ３では台座やカバーも結合線路から十分離間されるよう、基板取付面から窪ませて形成される。区間Ｓ２では、このような加工は不要である。
また、単体増幅器の出力信号が入力される入力端子のインピーダンスＺ_ｉｎと、合成信号が出力される出力端子の出力インピーダンスＺ_ｏｕｔの間には上記式（２）が成り立つ。Ｚ_ｏｏは式（１）で表される、区間Ｓ１、区間Ｓ２、区間Ｓ３の奇モードのインピーダンスＺ_ｏ１，Ｚ_ｏ２，Ｚ_ｏ３の合成インピーダンスであり、これらの値を適切に選ぶことで、Ｚ_ｉｎとＺ_ｏｕｔにおいて、所望のインピーダンス変換率を広帯域に実現することができる。
例えば、差動入力側の入力インピーダンスが１２．５オームで、合成出力側の出力インピーダンスが５０オームの場合、チェビシェフ特性を示す広帯域なインピーダンス応答を得るためには、区間１、区間２、区間３における奇モードのインピーダンスを、それぞれ、２２．９オーム、１７．７オーム、１３．６オームに設定することで、チェビシェフ応答の良好な周波数応答を得ることが可能である。
なお、上記の例ではバランの入力インピーダンスが１２．５オームで説明したが、単体増幅器内の伝送線路幅が実現可能なインピーダンスであれば、１２．５オームと５０オームの組み合わせでなくても、同様な効果を得ることが可能である。結合回路の段数は任意に増やすことができ、
段の総数が奇数であれば、奇数番目の結合回路の偶モードのインピーダンスを、偶数番目の結合回路の偶モードのインピーダンスより十分大きくなるように、言い換えれば大きいＺ_ｅと小さいＺ_ｅを交互に設定すればよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態および実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

１…キャリアアンプ、２…ピークアンプ、３…５０オーム負荷、４Ｒ…インピーダンス変換回路、５Ｒ…λ／４伝送線路、６…整合回路、７…位相調整回路、８…整合回路、４Ｓ…インピーダンス変換・整合回路、５Ｓ…λ／４伝送線路、１０Ｒ，１０Ｓ…ドハティ方式増幅器、２１，２２…電力分配回路、２０…単体増幅器、２３，２４…電力合成回路、３０，３０Ａ…単体増幅器、３１，３２，３２Ａ…電力分配回路、３３，３３Ａ，３４…電力合成回路、４１，４１Ａ…キャリアアンプ、４２，４２Ａ…ピークアンプ、４４，４４Ａ…インピーダンス変換回路、４５，４５Ａ…λ/4伝送線路、４７…位相調整回路、４７Ａ…λ/4伝送線路、５１，５２…差動入力端子、５３…合成電力出力端子、５４，５５，５６…結合線路、７１…電力分配回路、７２，７３…整合回路、７４…キャリアアンプ用ＦＥＴ、７５…ピークアンプ用ＦＥＴ、８１，８２…差動入力端子、８３…合成電力出力端子、８４…グランドパターン、１００，１００Ａ、１００Ｓ…電力増幅器

Claims (10)

1. Ｚオーム系のシステムに用いられるドハティ方式増幅器であって、
   キャリアアンプと、
   ピークアンプと、
   入力信号が小さいときに、前記キャリアアンプの負荷を変換するインピーダンス変換線路と、
   を具備し、
   前記インピーダンス変換線路は、Ｚオームより小さく、前記キャリアアンプの最適負荷インピーダンスと同等の特性インピーダンスを持ち、
   前記ドハティ方式増幅器の負荷がＺオームよりも小さいドハティ方式増幅器。
2. 請求項１のドハティ方式増幅器を複数具備し、
   前記複数のドハティ方式増幅器の出力電力を合成する電力合成回路を備え、
   前記電力合成回路の合成出力端子に接続される負荷はＺオームであり、
   前記電力合成回路は、前記ドハティ方式増幅器が接続される入力端子の入力インピーダンスが、前記Ｚオームよりも小さいインピーダンスとなるように、前記Ｚオームの負荷をインピーダンス変換する電力増幅器。
3. 請求項２において、Ｚオームは５０オームであり、前記最適負荷インピーダンスは５オーム以下である電力増幅器。
4. 請求項２において、
   前記電力合成回路はバラン回路を含む電力増幅器。
5. 請求項４において、
   前記インピーダンス変換線路は、複数の１／４波長トランスを縦続接続したものであり、
   前記バラン回路は複数の結合回路を縦続接続したものである電力増幅器。
6. 請求項５において、
   前記バラン回路の複数の結合回路はそれぞれ、特性の異なる結合線路を含む電力増幅器。
7. 請求項６において、
   前記バラン回路は、縦続接続された前記複数の結合線路の夫々における偶モードのインピーダンスを、該縦続接続の順に交互に大小が変化するように設定する電力増幅器。
8. 請求項７において、
   前記バラン回路の特性がチェビシェフ応答である電力増幅器。
9. 複数の増幅器と、
   前記複数の増幅器の出力を合成する電力合成回路と、
   を具備し、
   前記複数の増幅器は、それぞれ
   入力信号端子に入力される入力信号を分配する分配回路と、
   前記入力信号が小さい時から動作するキャリアアンプと、
   前記入力信号が大きくなると動作を開始するピークアンプと、
   前記キャリアンプの出力と前記ピークアンプの出力の位相を調整する位相調整回路と、
   前記キャリアアンプの出力と前記ピークアンプの出力の間に接続される１／４波長伝送線路と、
   前記１／４波長伝送線路とピークアンプの出力との結合ノードに接続されるインピーダンス変換回路と、
   を具備し、
   前記キャリアアンプおよび前記ピークアンプは、それぞれ５オーム以下の最適負荷インピーダンスを有するトランジスタで構成され、
   前記１／４波長伝送線路は、５オームよりも小さい前記キャリアアンプの最適負荷インピーダンスと同等の特性インピーダンスを持ち、前記キャリアアンプの出力端子に直結され、
   前記電力合成回路の入力インピーダンスは５０オームより小さく、
   前記電力合成回路の出力端子には５０オームの負荷が接続され、
   前記１／４波長伝送線路および前記インピーダンス変換回路は、第１の基板にマイクロストリップライン若しくはストリップラインとして形成され、
   前記前記電力合成回路は、前記第１の基板より低い誘電率若しくは大きい厚さを有する第２の基板に形成されることを特徴とする電力増幅器。
10. 請求項９において、
    前記電力増幅器は、上限周波数が下限周波数の２倍に略等しいかそれ以下であるような信号を増幅対象とし、
    前記電力合成回路は、前記複数の増幅器の出力を２つずつ合成するバラン回路を有し、前記複数の増幅器で発生する２次高調波をキャンセルすることを特徴とする電力増幅器。

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