WO2008035396A1

WO2008035396A1 - Power amplifying apparatus

Info

Publication number: WO2008035396A1
Application number: PCT/JP2006/318517
Authority: WO
Inventors: Shinji Ueda
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2009-03-19
Also published as: JPWO2008035396A1

Description

明細書

電力増幅装置

技術分野

[0001] 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ノ、ティ増幅器力なる電力増幅装置に関する。

背景技術

[0002] 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)。

[0003] 図 1は、一般的に知られているドノ、ティ増幅器力も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 Ζ4伝送線路 5、 90° の位相遅延を行う第二の λ Ζ4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 Ζ4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 Ζ 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の出力電流によつてキャリア増幅器 3の負荷インピーダンスが変調される。

[0004] 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、状態で動作するために高効率な動作を行、、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力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)。

[0005] ところで、図 1に示すようなドノ、ティ増幅器力もなる電力増幅装置において、約 35 Ω の特性インピーダンスを有する第三の λ Ζ4伝送線路 10の作用により、通常は 50 Ω の負荷 11が 25 Ωに変換される。すなわち、負荷 11のインピーダンスは、 35²÷50 = 24.5 Ωとなり、約 25 Ωに変換される。このようにして、第三の λ Ζ4伝送線路 10が負荷 11に対するインピーダンス変として機能することになる。

[0006] 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 25 Ω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 50 Ωとなる。さらに、特性インピーダンス 50 Ωで構成された第一の λ Ζ4伝送線路 5により、 Α点から負荷を見たインピーダンスは、（50²÷50 = ) 50 Ω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 50 Ωになる。

[0007] 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、 Β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 25 Ω に見えることになる。

[0008] また、特性インピーダンス 50 Ωで構成された第一の λ /4伝送線路 5により、 Α点から負荷 11を見たインピーダンスは、（50²÷25 = ) 100 Ω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 100 Ω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 50 Ωで高い飽和電力となるように設計し、かつ、負荷 11が 100 Ωで高効率となるように設計することにより、ノ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。

特干文献 1： RF Power Amplifiers for Wireless Communications , b TEVEし. CRI

PPS, Artech House Publishers

特許文献 1：特開 2005— 3229931号公報発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] し力しながら、図 1に示すような従来のドノ、ティ増幅器力もなる電力増幅装置においては、 λ Ζ4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つて電力増幅装置を小型化することが困難である。したがつて、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、う要求に対応することができな、。

[0010] 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、ドノ、ティ増幅器を構成する λ Ζ4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。

課題を解決するための手段

[0011] 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 Ζ4伝送線路の特性インピーダンス Ζは負荷インピーダンスより

0

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 ζより高、インピーダンスに整合するように調整されて!、る。

発明の効果

[0012] 本発明によれば、負荷側に直列に存在していた第三の λ Ζ4伝送線路を削除することにより、 λ Ζ4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ぐ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。

[0013] 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 Ζ4伝送線路によりピーク増幅器力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、ピーク増幅器力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、C級増幅器であるピーク増幅器力も負荷側へ安定した電力を供給することができる。

図面の簡単な説明

[0014] [図 1]一般的に知られているドノ、ティ増幅器力もなる電力増幅装置の概略的な構成図

[図 2]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

[図 3]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ノ、ティ増幅器の要部の等価回路

発明を実施するための最良の形態

[0015] 〈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つた負荷に直列の 35 Ωの第三の λ Ζ4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 Ζ4伝送線路の特性インピーダンスを、例えば 50 Ωから、 (50 X 2^{1 2}= ) 71 Ω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 100 Ωに整合するように最適化する。これによつて、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 Ζ4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。

[0016] 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。

[0017] 〈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 Ζ4伝送線路 105 、第二の λ Ζ4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。

[0018] 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の出力側インピ一ダンスを整合させる機能を有している。第一の λ Ζ4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。

[0019] 第二の λ Ζ4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、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 Ζ4伝送線路 106の出力電力があら力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。

[0020] 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、キヤリア増幅器 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 50 Ω力も 71 Ωに大きくし、かつ、ピーク増幅器 108が 100 Ω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。あら力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。

[0021] 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）力もみたインピーダンスは、負荷のインピーダンスと同じ 50 Ω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 71 Ωであるので、 Α点から第一の λ Ζ4伝送線路 105を見たィンピーダンスは、 71²÷ 50= 100 Ωとなる。

[0022] 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 100 Ωとなる。したがって、ピーク増幅器 108が 100 Ω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。

[0023] 一方、第一の λ Ζ4伝送線路 105の特性インピーダンスは 71 Ωであるので、 Α点から第一の λ /4伝送線路 105を見たインピーダンスは、 71²÷ 100 = 50 Ωとなる。

[0024] 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、 Α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 Ο FFのときには 100 Ω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 5 0 Ω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、 1 00 Ωの負荷で高利得 ·高効率となるように調整し、かつ、 50 Ω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、ノックオフを大きくとつたときの効率を高くすることができる。

[0025] 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 1 00 Ω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 50 Ω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力も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。

[0026] 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。

[0027] 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。

[0028] 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 50 Ωに調整されているため、 C点力も 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 71 Ωであるので、 71²÷ 50 = 100 Ωとなる。

[0029] 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 50 Ωであるので、 50²÷ 50 = 50 Ω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 50 Ωに比べて、本発明の回路では 100 Ωと高くなつている。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《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。

[0030] 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 Ζ4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。これによつて、従来は負荷 11に直列に接続されていた λ Ζ4伝送線路（つまり、図 1の第三の λ Ζ4伝送線路 10)が不要になり、 λ Ζ4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力も (C点)からキャリア増幅器 103を見たィ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。これによつて、負荷インピーダンスが乱れて負荷 11 1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。

[0031] 〈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ぐその比率は、キャリア増幅器:ピーク増幅器 = l :n (nは正数）である。

[0032] 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ノ、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、第一のえ /4伝送線路 105の特性インピーダンスを Zとする。ピーク増幅器 108にはキヤ

0

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点力も C点を見た負荷インピーダンスは、 (n+1) X 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+l) /n} X Zである。

[0033] 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点力も C点を見たィンピーダンスは、 Z

0 Vi(n+1) X Z}=Zである。したがって、第一の λ /4伝送線路 1

05の特性インピーダンス Ζは、 Ζ = (n+1) ^1/2 Χ Ζである。ちなみに、負荷インピーダ

0 0

ンス Zが 50 Ω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= lの場合）は、特性インピーダンス Zは、 Z = (n+1) ^1/2 X

0 0

Z = 2^1/2 X 50 = 71 Ωとなる。

[0034] 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点力も 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点力ら負荷側を見たインピーダンス）は、 Z ²÷Z = (n+1) X Z X Z÷Z = (n+1 o

) X Zである。

[0035] 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) X 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= l)で、負荷 111のインピーダンスが Z = 50 Ω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) X Z = 2 X 50= 100 Ωとなり、入力電力が大きいときには Ζ = 50 Ωとなる。

[0036] 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 Ζに対して { (η+1) Ζη}Χ Ζ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、 η= 1)であって、かつ負荷インピーダンス Ζが 50 Ω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 X 50= 100 Ωである。

[0037] 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、（η+1) Χ Ζの負荷で高利得 ·高効率となるように調整し、かつ、 Ζ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、ノックオフを大きくとつたときの効率を高くすることができる。例えば、 η= 1の場合は 100 Ωの負荷で高利得，高効率となるように調整し、かつ、 50 Ω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、広い電力範囲に亘つて高効率化と安定電力の供給を維持することができる。

[0038] 〈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ヤリァ増幅器 (第一の増幅器)側の第一の λ Ζ4伝送線路の特性インピーダンスを、キヤ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、キヤリァ増幅器の出力インピーダンスが 50 Ωのとき、第一の λ /4伝送線路の特性インピ一ダンスは 50 Ωのルート 2倍（50 Χ 2^1/2 71 Ω )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!/、る。

[0039] また、負荷インピーダンスが Ζ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 η倍 (但し、 ηは 1より大きい正数)のときは、第一の λ Ζ4伝送線路 105の特性インピーダンスは Ζ Χ (η+ 1) ^1/2である。なお、負荷インピーダンス Ζが 50 Ω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 X (η+ 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 Ζ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) Zn倍である。

産業上の利用可能性

本発明の電力増幅装置によれば、従来のドノ、ティ増幅器に比べて λ Ζ4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。

Claims

請求の範囲

[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ノ、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 Ζ4伝送線路の特性インピーダンス Ζは負荷インピーダンス Ζより大き、電力増幅装置。

0

[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 Ζより高いインピーダンスに整合するように調整されてヽる請求項 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 η (ηは正数）としたとき、前記第一の λ Ζ4伝送線路の特性インピーダンス Ζは、 Ζ =Ζ Χ (

0 0 η+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、 Ζ Χ{(η+1) /η} 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、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 Ζ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、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の (η+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 1Z (η+1)に抑制される請求項 3 に記載の電力増幅装置。