WO2021064892A1

WO2021064892A1 - ドハティ増幅器

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Publication number: WO2021064892A1
Application number: PCT/JP2019/038906
Authority: WO
Inventors: 翔平畠中
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2021-04-08
Also published as: TW202116016A; US20220231638A1; JP7207562B2; KR20220047641A; DE112019007775T5; JPWO2021064892A1; TWI722864B; CN114430884A

Abstract

本願の発明に係るドハティ増幅器は、入力端子と、入力端子に接続された分岐部と、一端が分岐部と接続された第１入力伝送線路と、一端が分岐部と接続された第２入力伝送線路と、入力が第１入力伝送線路の他端に接続されたキャリア増幅器と、入力が第２入力伝送線路の他端に接続されたピーク増幅器と、一端がキャリア増幅器の出力に接続された第１出力伝送線路と、一端がピーク増幅器の出力に接続された第２出力伝送線路と、一端が第１出力伝送線路の他端と、第２出力伝送線路の他端と接続された合成線路と、合成線路の他端と接続された出力端子と、を備え、第１出力伝送線路は、第１出力伝送線路の他の部分と比較して幅が広い幅広部を有する。

Description

ドハティ増幅器

　この発明は、ドハティ増幅器に関する。

　特許文献１には、高周波信号が並列に入力される、第１増幅器と、１以上の第２増幅器と、第３増幅器とを備えたドハティ増幅器が開示されている。第１増幅器は、キャリアアンプとして高周波信号を増幅する。第２増幅器のそれぞれは、キャリアアンプ又はピークアンプとして高周波信号を増幅する。第３増幅器は、ピークアンプとして高周波信号を増幅する。特許文献１では、キャリアアンプのデバイスサイズの合計とピークアンプのデバイスサイズの合計との比を変更することで、増幅の効率の極大点の電力を変更できる。

日本特開２０１４－０７５７１７号公報

　特許文献１では、高い電力効率が得られる帯域を変更するために、予め第２増幅器と、第２増幅器のそれぞれをキャリアアンプ又はピークアンプに切り替える切替部とを設ける必要がある。このため、装置が大型化するおそれがある。

　また、キャリア増幅器のインピーダンス変成比を調整して、帯域を変更することが考えられる。この場合、キャリア増幅器の出力インピーダンスの調整精度が、出力伝送線路の幅の加工精度によって制限されるおそれがある。このため、最適なインピーダンス変成比を実現できない可能性があった。

　本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い電力効率が得られる帯域を高い精度で調整できるドハティ増幅器を得ることである。

　本願の発明に係るドハティ増幅器は、入力端子と、一端が該入力端子に接続され、他端に分岐部が設けられた入力伝送線路と、一端が該分岐部と接続された第１入力伝送線路と、一端が該分岐部と接続された第２入力伝送線路と、入力が該第１入力伝送線路の他端に接続されたキャリア増幅器と、入力が該第２入力伝送線路の他端に接続されたピーク増幅器と、一端が該キャリア増幅器の出力に接続された第１出力伝送線路と、一端が該ピーク増幅器の出力に接続された第２出力伝送線路と、一端が該第１出力伝送線路の他端と、該第２出力伝送線路の他端と接続された合成線路と、該合成線路の他端と接続された出力端子と、を備え、該第１出力伝送線路は、該第１出力伝送線路の他の部分と比較して幅が広い幅広部を有する。

　本願の発明に係るドハティ増幅器では、第１出力伝送線路は幅広部を有する。第１出力伝送線路の一部のみの幅を調整してキャリア増幅器の出力インピーダンスを調整することで、第１出力伝送線路全体の幅を調整する場合よりも、調整のレンジが大きくなる。このため、出力インピーダンスを高精度で調整できる。従って、インピーダンス変成比を高精度で調整して、高い電力効率が得られる帯域を高い精度で調整できる。

実施の形態１に係るドハティ増幅器の構成を説明する図である。実施の形態１に係るインピーダンスの計算結果を示す図である。実施の形態２に係るドハティ増幅器の構成を説明する図である。

　本発明の実施の形態に係るドハティ増幅器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係るドハティ増幅器１００の構成を説明する図である。ドハティ増幅器１００は高周波半導体装置である。ドハティ増幅器１００は入力端子１０を備える。入力端子１０には入力伝送線路１１の一端が接続される。入力伝送線路１１の他端には、分岐部１２が設けられる。分岐部１２には、第１入力伝送線路１４の一端と、第２入力伝送線路１６の一端とが接続される。

　分岐部１２は、入力端子１０からの入力信号を分配する。入力信号はＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号である。入力信号は、分岐部１２においてａ：ｂの電力比率で第１入力伝送線路１４と第２入力伝送線路１６に分配される。分岐部１２には、例えばウィルキンソン分配器が設けられる。ウィルキンソン分配器は２本のλ／４伝送線路から構成される。ａ＝ｂの等分配の場合、２本のλ／４伝送線路の各々は例えば７０．７Ωである。２本のλ／４伝送線路は互いにアイソレーション抵抗で接続される。アイソレーション抵抗は例えば１００Ωである。

　第１入力伝送線路１４の他端には、キャリア増幅器２０の入力が接続される。第２入力伝送線路１６の他端にはピーク増幅器２２の入力が接続される。キャリア増幅器２０はすべての出力領域において動作する。ピーク増幅器２２はバックオフ領域では動作せず、入力信号の電力が大きい領域でのみ動作する。ピーク増幅器２２は、キャリア増幅器２０が飽和動作に差し掛かる中出力領域から飽和出力領域においてのみ動作する。

　キャリア増幅器２０とピーク増幅器２２の各々は、トランジスタチップを有する。キャリア増幅器２０とピーク増幅器２２は、それぞれ例えば１０個のセルから構成される。キャリア増幅器２０とピーク増幅器２２のデバイスサイズは等しい。デバイスサイズは、例えばトランジスタのゲート数またはゲート幅に相当する。デバイスサイズにより例えばデバイスが流すことのできる電流の大きさが決まる。キャリア増幅器２０のセル数と、ピーク増幅器２２のセル数は等しくても良く、異なっても良い。

　トランジスタチップは、例えばＳｉＣ基板と、ＳｉＣ基板上に設けられたＧａＮを有する。キャリア増幅器２０およびピーク増幅器２２は、例えばＧａＮ－ＨＥＭＴである。

　キャリア増幅器２０の出力には、第１出力伝送線路２４の一端が接続される。ピーク増幅器２２の出力には、第２出力伝送線路２６の一端が接続される。第１出力伝送線路２４の他端と第２出力伝送線路２６の他端は、合成線路２８の一端と接続される。合成線路２８の他端は出力端子３０と接続される。

　第１入力伝送線路１４と第２入力伝送線路１６は、λ／４だけ電気長が異なる。第１入力伝送線路１４と第２入力伝送線路１６は、入力信号の位相調整用の伝送線路である。本実施の形態では、第２入力伝送線路１６は第１入力伝送線路１４よりλ／４だけ電気長が長い。

　第１出力伝送線路２４と第２出力伝送線路２６は、λ／４だけ電気長が異なる。第１出力伝送線路２４と第２出力伝送線路２６は、キャリア増幅器２０とピーク増幅器２２からの出力信号の位相調整用の伝送線路である。第１出力伝送線路２４は第２出力伝送線路２６に比べてλ／４だけ電気長が長い。この位相差は、バックオフ領域でピーク増幅器２２が起動しないように設けられている。これに対し、第２入力伝送線路１６は第１入力伝送線路１４よりλ／４だけ電気長が長い。これにより、第１出力伝送線路２４と第２出力伝送線路２６からの出力信号は、互いに位相が揃う。

　これに限らず、第１入力伝送線路１４は、第２入力伝送線路１６よりλ／４だけ電気長が長く、第２出力伝送線路２６は第１出力伝送線路２４に比べλ／４だけ電気長が長くても良い。

　第１入力伝送線路１４、第２入力伝送線路１６、第１出力伝送線路２４、第２出力伝送線路２６および合成線路２８の各々は、例えばマイクロストリップ線路である。第１入力伝送線路１４、第２入力伝送線路１６および第２出力伝送線路２６は、予め定められた特性インピーダンスを有する。第１入力伝送線路１４、第２入力伝送線路１６および第２出力伝送線路２６は、幅が一様な伝送線路である。第１入力伝送線路１４、第２入力伝送線路１６および第２出力伝送線路２６の線路幅は例えば１．０５ｍｍである。

　第１出力伝送線路２４は平面視で十字型である。第１出力伝送線路２４は、直線状の主部２４ａを有する。主部２４ａは幅が一様である。主部２４ａの幅ｗ１は１．０５ｍｍであり、長さｌ１は１７．００ｍｍである。主部２４ａは、入力端子１０から出力端子３０に向かう第１方向に延びる。第１出力伝送線路２４において第１方向は信号の導波方向である。

　また、第１出力伝送線路２４は、主部２４ａから突出した凸部を有する。凸部は、主部２４ａの両側から突出する。このため、第１出力伝送線路２４は、第１出力伝送線路２４の他の部分と比較して幅が広い幅広部２４ｂを有する。幅広部２４ｂは、凸部と、主部２４ａのうち凸部に隣接する部分によって形成される。換言すると、幅広部２４ｂは、凸部と、主部２４ａのうち凸部に挟まれた部分によって形成される。

　幅広部２４ｂは、第１出力伝送線路２４に局所的に形成される。幅広部２４ｂの幅ｗ２は２．１０ｍｍである。幅ｗ２は、トランジスタチップが実装された実装面と平行かつ第１方向と垂直な方向の幅である。幅広部２４ｂの第１方向の長さｌ３は２．００ｍｍである。また、第１出力伝送線路２４の線路端から幅広部２４ｂまでの距離ｌ２は７．５０ｍｍである。

　上記の線路長および幅は、中心周波数を２．６ＧＨｚとした場合に合わせて設定されている。上記の寸法は一例であり、別の値でも良い。

　次に、ドハティ増幅器１００の機能について説明する。入力端子１０から入力されたＲＦ信号は分岐部１２で分配され、第１入力伝送線路１４、第２入力伝送線路１６を介して、キャリア増幅器２０とピーク増幅器２２に入力される。ＲＦ信号は、キャリア増幅器２０とピーク増幅器２２でそれぞれ増幅され、第１出力伝送線路２４と第２出力伝送線路２６を介して合成線路２８で合成される。合成されたＲＦ信号は、出力端子３０から外部に出力される。

　ドハティ増幅器１００は、例えば携帯基地局向けの送信用増幅器として用いられる。一般に、携帯基地局向けの送信用増幅器では、高速データ通信の実現のために振幅変動の大きな変調信号が用いられる。ドハティ増幅器１００によれば、バックオフ領域においても高い電力効率を得ることができる。

　一般に、ドハティ増幅器のような出力の大きな増幅器に用いられるトランジスタの出力インピーダンスは低い。このため、ドハティ増幅器１００では、整合回路および位相調整線路によりインピーダンス変成が行わる。これにより、出力インピーダンスはアンテナ等の外部負荷に整合する５０Ωに変換される。

　ドハティ増幅器では、動作が異なるキャリア増幅器とピーク増幅器を一体として動作させる。このため、キャリア増幅器のインピーダンス変成比は、一般に動作状態を考慮して、出力または効率の最大化などの目的に応じて最適に設定される。

　また、次世代基地局向け送信用増幅器ではマルチキャリア化が求められることがある。このため、バックオフ領域における効率だけでなく、高い電力効率が得られる帯域も重要な性能指標の一つとされることが多い。ここで、一般にドハティ増幅器の帯域は、キャリア増幅器のバックオフ領域における出力インピーダンスに依存する。以上から、キャリア増幅器２０の出力インピーダンスを高精度で調整することは、高機能のドハティ増幅器を実現するうえで重要である。

　また、ドハティ増幅器の効率と帯域は一般にトレードオフの関係をもつ。つまり、キャリア増幅器のインピーダンス変成比を小さく設定することにより、広帯域な特性を実現できる一方で、効率が低下する。

　キャリア増幅器の出力インピーダンスは、一般に出力伝送線路の幅を調整することで調整できる。ここで、帯域を広げるために、キャリア増幅器のインピーダンス変成比を小さく設定する場合を考える。このとき、キャリア増幅器の出力伝送線路を一様に幅広にすることが考えられる。しかし、幅が一様な線路において、適切なインピーダンス変成をもたらすには、線路幅を微細なレンジで加工する必要が生じるおそれがある。このため、加工が困難となり、最適な出力インピーダンスが得られないおそれがある。また、出力インピーダンスが高精度で設定されない場合、インピーダンス変成比が必要以上に低下し、効率が大きく低下するおそれがある。

　図２は、実施の形態１に係るインピーダンスの計算結果を示す図である。図２は、キャリア増幅器の出力伝送線路の形状がｍ１～ｍ３のそれぞれの場合について、キャリア増幅器から出力伝送線路を見た時のインピーダンスの計算結果を表している。また、計算では、合成線路２８から出力端子３０までを理想的な２５Ω終端と等価とみなしている。また、図２では２．６ＧＨｚにおけるインピーダンスが示されている。また、各伝送線路は、基板厚が０．５０８ｍｍ、比誘電率が３．７２、導体厚が４３ｕｍ、誘電正接が０．００７のマイクロストリップ線路とした。

　ｍ１では、出力伝送線路の幅は一様で１．０５ｍｍであり、長さは１７．００ｍｍである。ｍ２では、出力伝送線路の幅は一様で１．２ｍｍである。ｍ２では、ｍ１よりも出力伝送線路が０．１５ｍｍだけ幅広である。ｍ３は本実施の形態の第１出力伝送線路２４の形状に対応する。ｍ３では、出力伝送線路は長さが２．００ｍｍの局所的な幅広部を有する。幅広部の幅は２．１０ｍｍであり、線路端から幅広部までの距離は７．５０ｍｍである。ｍ２とｍ３ではインピーダンスが同等である。

　ｍ１のような幅が一様に１．０５ｍｍである線路においてインピーダンス変成をもたらすには、ｍ２のように幅を１．２０ｍｍとする必要があることが計算で確認された。つまり、線路幅を一様に０．１５ｍｍだけ幅広にする必要がある。従って、線路幅を微細なレンジで加工する必要が生じる。一般に、このような細かい加工を手動で行うことは、伝送線路の加工精度上ほぼ不可能である。

　これに対し、ｍ３では局所的に出力伝送線路の幅を広くすることで、ｍ２と同様のインピーダンス変成を得ている。ｍ３では、ｍ２の場合に比べて、幅の増加量に対するインピーダンス変成比の低下量が小さい。ｍ３では、出力伝送線路のうち長さが２．００ｍｍの一部分について、他の部分よりも１．０５ｍｍだけ幅を広くすれば良い。このような加工は、一般に伝送線路の加工精度上問題ない。

　このように、第１出力伝送線路２４の幅広部２４ｂは、キャリア増幅器２０のインピーダンス変成比が目標値と一致するような幅を有する。ここで、インピーダンス変成比は、ドハティ増幅器１００の出力インピーダンスに対するキャリア増幅器２０の出力インピーダンスの比である。インピーダンス変成比は、キャリア増幅器２０の出力インピーダンスが基準となるインピーダンスで規格化された値であっても良い。本実施の形態のインピーダンス変成比は、ドハティ増幅器１００の出力インピーダンスである５０Ωでキャリア増幅器２０の出力インピーダンスを規格化した値である。

　本実施の形態では、出力伝送線路全体の幅を調整する場合と比較して、調整のレンジを大きくできる。このため、加工が容易になり、出力インピーダンスを高精度で調整できる。従って、インピーダンス変成比を高精度で調整して、高い電力効率が得られる帯域を高い精度で調整できる。また、効率が想定外に低下することを抑制できる。

　また、幅広部２４ｂは局所的に設けられる。このため、主部２４ａに金リボン等で凸部を設けることで、幅広部２４ｂを容易に形成できる。これにより、幅広部２４ｂの長さｌ３、幅ｗ２、位置を容易に調整できる。また、例えば試作したドハティ増幅器１００の帯域が目標値に対し狭かった場合にも、帯域を容易に調整できる。

　また、インピーダンス変成比を小さくするには、デバイスサイズ比を変えて、キャリア増幅器とピーク増幅器の出力比Ｐｃ／Ｐｐを大きくすることが考えられる。この場合、デバイス構成を変更する必要が生じ、調整が煩雑になるおそれがある。これに対し、本実施の形態ではデバイス構成を変更する必要がなく、容易にインピーダンス変成比を調整できる。また、第１出力伝送線路２４の形状の変更のみでインピーダンス変成比を調整できるため、ドハティ増幅器１００の大型化を抑制できる。

　本実施の形態の変形例として、凸部は主部２４ａの片側から突出しても良い。この場合、主部２４ａの両側から凸部が突出する場合よりも凸部の大きさが大きくなる。従って、さらに加工を容易にできる。

　また、幅広部２４ｂは第１方向と垂直な方向に延びる。これに限らず、幅広部２４ｂは第１方向と交差する方向に延びれば良い。また、第１出力伝送線路２４に複数の幅広部２４ｂが設けられても良い。

　また、分岐部１２にはハイブリッドカップラが設けられても良い。このとき、分岐部１２と第１入力伝送線路１４間の通過位相は、分岐部１２と第２入力伝送線路１６間の通過位相に対し、例えば９０°小さい。この場合、第１入力伝送線路１４と第２入力伝送線路１６の電気長は等しく、第１出力伝送線路２４は第２出力伝送線路２６に比べλ／４だけ電気長が長くても良い。

　また、分岐部１２と第１入力伝送線路１４間の通過位相は、分岐部１２と第２入力伝送線路１６間の通過位相に対し、９０°大きくても良い。この場合、第１入力伝送線路１４と第２入力伝送線路１６の電気長は等しく、第２出力伝送線路２６は第１出力伝送線路２４に比べλ／４だけ電気長が長くても良い。

　これらの変形は以下の実施の形態に係るドハティ増幅器について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係るドハティ増幅器については実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
　図３は、実施の形態２に係るドハティ増幅器２００の構成を説明する図である。ドハティ増幅器２００は、第１出力伝送線路２２４の形状が実施の形態１と異なる。その他の構成は実施の形態１と同じである。

　第１出力伝送線路２２４は、Ｕ字型であり曲がっている。第１出力伝送線路２２４は、第１主部２２４ａ、第２主部２２４ｃおよび幅広部２２４ｂを有する。第１主部２２４ａは、一端がキャリア増幅器２０の出力に接続され、第２方向に延びる。第２方向は、トランジスタチップが実装された実装面と平行かつ第１方向と垂直な方向である。第２主部２２４ｃは、一端が合成線路２８と接続され、第２方向に延びる。幅広部２２４ｂは、第１主部２２４ａの他端と第２主部２２４ｃの他端とを接続する。

　第１主部２２４ａの幅ｗ２１、第１主部２２４ａのうち幅が変化する部分の長さｗ２２、第２主部２２４ｃの幅ｗ２３、幅広部２２４ｂの長さｌ２２は、それぞれ１．０５ｍｍである。また、第１主部２２４ａのうち幅が一様な部分の長さｌ２１は８．００ｍｍである。幅広部２２４ｂのうち第１主部２２４ａと第２主部２２４ｃの幅が均一な部分に挟まれた部分の幅ｗ２４は１．０５ｍｍである。線路端から幅広部２２４ｂまでの距離は１．００ｍｍである。以上の寸法は一例であり、別の値でも良い。

　第１出力伝送線路２２４は、幅広部２２４ｂのうち幅ｗ２４で示される部分を除けば幅が一様と見なされる。本実施の形態においても、局所的に第１出力伝送線路２２４の幅を広くして幅広部２２４ｂを設けることで、インピーダンス変成を得ることができる。このため、出力伝送線路全体の幅を調整する場合と比較して、調整のレンジが大きくなり、出力インピーダンスを高精度で調整できる。従って、インピーダンス変成比を高精度で調整して、高い電力効率が得られる帯域を高い精度で調整できる。

　本実施の形態の変形例として、第１主部２２４ａと第２主部２２４ｃが延びる方向である第２方向は、第１方向と垂直では無くても良い。第２方向は、第１方向と交差する方向であれば良い。また、第２主部２２４ｃは第１主部２２４ａと異なる方向に延びても良い。つまり、第２主部２２４ｃは第１方向および第２方向と交差する第３方向に延びても良い。また、第１出力伝送線路２２４は、２回屈曲することでＵ字型を形成している。これに限らず、第１出力伝送線路２２４は２回以上屈曲しても良い。

　なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。

　１０　入力端子、１１　入力伝送線路、１２　分岐部、１４　第１入力伝送線路、１６　第２入力伝送線路、２０　キャリア増幅器、２２　ピーク増幅器、２４　第１出力伝送線路、２４ａ　主部、２４ｂ　幅広部、２６　第２出力伝送線路、２８　合成線路、３０　出力端子、１００、２００　ドハティ増幅器、２２４　第１出力伝送線路、２２４ａ　第１主部、２２４ｂ　幅広部、２２４ｃ　第２主部

Claims

　入力端子と、
　一端が前記入力端子に接続され、他端に分岐部が設けられた入力伝送線路と、
　一端が前記分岐部と接続された第１入力伝送線路と、
　一端が前記分岐部と接続された第２入力伝送線路と、
　入力が前記第１入力伝送線路の他端に接続されたキャリア増幅器と、
　入力が前記第２入力伝送線路の他端に接続されたピーク増幅器と、
　一端が前記キャリア増幅器の出力に接続された第１出力伝送線路と、
　一端が前記ピーク増幅器の出力に接続された第２出力伝送線路と、
　一端が前記第１出力伝送線路の他端と、前記第２出力伝送線路の他端と接続された合成線路と、
　前記合成線路の他端と接続された出力端子と、
　を備え、
　前記第１出力伝送線路は、前記第１出力伝送線路の他の部分と比較して幅が広い幅広部を有することを特徴とするドハティ増幅器。
　前記幅広部は、前記キャリア増幅器のインピーダンス変成比が目標値と一致するような幅を有することを特徴とする請求項１に記載のドハティ増幅器。
　前記第１出力伝送線路は、直線状の主部と、前記主部から突出した凸部を有し、
　前記幅広部は、前記凸部と、前記主部のうち前記凸部に隣接する部分によって形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のドハティ増幅器。
　前記凸部は、前記主部の両側から突出することを特徴とする請求項３に記載のドハティ増幅器。
　前記第１出力伝送線路は、
　一端が前記キャリア増幅器の出力に接続され、前記入力端子から前記出力端子に向かう第１方向と交差する第２方向に延びる第１主部と、
　一端が前記合成線路と接続され、前記第１方向と交差する第３方向に延びる第２主部と、
　を備え、
　前記幅広部は、前記第１主部の他端と前記第２主部の他端とを接続することを特徴とする請求項１または２に記載のドハティ増幅器。