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JP2006067176A - ドハティ増幅器並列運転回路 - Google Patents

ドハティ増幅器並列運転回路 Download PDF

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Abstract

【課題】 伝送損失を低減し、帯域が狭くなるのを防止し、かつ小型、低コストでドハティ増幅器を並列運転する回路を提供する。
【解決手段】 複数のドハティ増幅器11、12の各々は、入力信号を分配され、それぞれに増幅して出力する。信号合成器14は、伝送線路トランスからなり、ドハティ増幅器11、12の出力および出力端子16に接続されており、ドハティ増幅器11、12からみたインピーダンスがドハティ増幅器11、12の最適な負荷で、出力端子16からみたインピーダンスが、出力端子16に接続される伝送線路の特性インピーダンスである。そして、信号合成器14は、ドハティ増幅器11、12の出力を合成して出力端子16から出力する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、互いに動作クラスの異なるキャリア増幅器とピーク増幅器の出力を合成して出力するドハティ増幅器に関する。
無線通信システムに利用される電力増幅器には線形性と高効率が要求されている。
また、近年の多値デジタル変調を用いた通信システムでは、信号振幅の平均値と最大値が大きく異なるような信号を取り扱うことが多い。このような信号を増幅する場合、従来の増幅器では、最大振幅まで歪無く信号を増幅可能とするように増幅器の動作点を設定する必要がある。そのため、増幅器が比較的高効率を維持できる飽和出力付近で動作する時間はほとんどなく、効率が低い状態で用いられることとなる。
この問題を解決するために、線形性を維持しながら増幅器の効率を高める様々な技術が提案されており、その1つにドハティ増幅器がある。ドハティ増幅器とは、高出力電力増幅器の効率を改善することを目的とし、動作クラスの異なるキャリア増幅器とピーク増幅器の出力を合成して出力する増幅器である。ドハティ増幅器の基本的な動作や構成は、非特許文献1にて発表され、よく知られている。
ドハティ増幅器では、キャリア増幅器が飽和出力電力近傍で飽和を維持しながら動作するので、全体として、飽和電力からバックオフをとった出力時においても通常のA級、AB級増幅器より高い効率が実現される。バックオフとは、平均出力電力と飽和電力の差である。そして、バックオフが大きい状態とは、平均出力電力が飽和電力に比べて小さい状態のことをいう。
ドハティ増幅器の一般的な動作原理等は、例えば非特許文献2でもよく知られているので、ここでは本発明に関連のある部分について説明する。
キャリア増幅器とピーク増幅器の出力を結合する合成回路は、トランスやインピーダンス変換器で構成されており、マイクロ波帯等の信号を扱う場合には1/4波長の伝送線路から構成されていることが多い。ドハティ増幅器の動作を理想的なものとするため、出力の合成点からみた負荷のインピーダンスは、伝送線路の特性インピーダンスをZ0とすると、通常はZ0/2になるように設定される。通常、高周波回路ではZ0は50Ωとされる。
そして、負荷のインピーダンスZ0/2を特性インピーダンスZ0に変換してインピーダンス整合をとる回路として、高周波帯では、合成点と出力の間に1/4波長の伝送線路が用いられる。その一例として、非特許文献3には、この合成回路の部分をマイクロ波帯で実現した技術が発表されている。
また、増幅器には高電力化の要求も高まっており、それを実現する1つの方法として、複数の増幅器を並列運転することにより高出力を得る方法が従来から用いられている。複数の増幅器を並列運転する方法として、ウイルキンソン分配合成器を用いた同相分配合成型、プッシュプル型、およびハイブリッドを用いたバランス型などがよく知られている。例えば、非特許文献4を参照すると、複数の増幅器を並列運転する一般的な方法として、ハイブリッドを用いたバランス型、ウイルキンソン分配合成器を用いた方法などが記載されている。
以上のことから、線形性および高効率性の要求を満たし、かつ高出力化を達成するために、高効率を実現できるドハティ増幅器を、高出力を得るために並列運転するのが有効であると考えられる。
上述したように、一般にドハティ増幅器からみた負荷の理想的なインピーダンスは、系の特性インピーダンスZ0と異なり、その半分のZ0/2である。そのため、複数のドハティ増幅器をプッシュプル型あるいはバランス型として並列運転するには、複数のドハティ増幅器の出力を合成する合成器のインピーダンスZ0をドハティ増幅器の負荷インピーダンスZ0/2にインピーダンス変換する回路が出力に必要となる。
ドハティ増幅器の並列運転の一例として、非特許文献5では、2つのドハティ増幅器を、ハイブリッドを用いて結合し、並列運転するバランス型増幅器が提案されている。図5は、従来のドハティ増幅器を並列運転する回路を示す図である。図5を参照すると、各ドハティ増幅器51、52の各々の出力には、インピーダンスをZ0/2からZ0へ変換する1/4波長インピーダンス変換線路53、54が接続されている。そして、その1/4波長インピーダンス変換線路53、54の出力には、2つのドハティ増幅器51、52の出力を合成するハイブリッド55が接続されている。これによりバランス型の並列運転による増幅器が構成されている。
W. H. Doherty著,"A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves", 1936 Proc.of IRE, Vol.24, No.9 ,pp1163−1182 Steve C. Cripps著,"Advanced Techniques in RF Power Amplifiers", Artech House 2002 pp33−56 R.J.McMorrow他著,"THE MICROWAVE DOHERTY AMPLIFIER", 1994 IEEE MTT−S Digest(TH3E−7),pp1653−1656 Guillermo Gonzalez著,"MICROWAVE TRANSISTOR AMPLIFIERS Analysis and Design second edition",Prentice−Hall 1997, pp327−pp333 Kyoung−Joon Cho他著,"RF HIGH POWER DOHERTY AMPLIFIER FOR IMPROVING THE EFFICIENCY OF A FEEDFORWARD LINEAR AMPLIFIER", 2004 IEEE MTT−S Digest(WE6C−3),pp847−850
図5に示したような従来の合成回路の構成では、各ドハティ増幅器から出力までの伝送線路長が長くなるため、信号の伝送損失が大きくなり、増幅器効率が低下するという問題があった。
また、インピーダンス変換線路、およびハイブリッドなどの電力合成器は共に1/4波長伝送線路により構成されているため、帯域が制限され、制限された狭い帯域でしか所望の動作をすることができないという問題があった。
また、ハイブリッド合成器を用いた構成でも、あるいはウイルキンソン型合成器を用いた構成でも、合成器部に終端器が必要になる。そのためインピーダンス変換線路も含めて線路部分が大きく、小型化、低コスト化の観点で不利な構成であるという問題があった。
本発明の目的は、伝送損失を低減し、帯域が狭くなるのを防止し、かつ小型、低コストでドハティ増幅器を並列運転する回路を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明のドハティ増幅器並列運転回路は、
入力信号を増幅して出力端子に出力するドハティ増幅器並列運転回路であって、
前記入力信号を分配され、それぞれに増幅して出力する複数のドハティ増幅器と、
伝送線路トランスからなり、前記ドハティ増幅器の出力および前記出力端子に接続されており、前記ドハティ増幅器からみたインピーダンスが該ドハティ増幅器の最適な負荷であり、前記出力端子からみたインピーダンスが、前記出力端子に接続される伝送線路の特性インピーダンスと一致し、前記ドハティ増幅器の出力を合成して前記出力端子から出力する信号合成器とを有している。
したがって、本発明によれば、複数のドハティ増幅器の出力を、小型で単純な構成の伝送線路トランスからなり、ドハティ増幅器からみたインピーダンスが最適で、出力側からみたインピーダンスが出力伝送線路の特性インピーダンスと一致する信号合成器で合成することができる。
本発明によれば、複数のドハティ増幅器の出力を、小型で単純な構成の伝送線路トランスからなり、ドハティ増幅器からみたインピーダンスが最適で、出力側からみたインピーダンスが出力伝送線路の特性インピーダンスと一致する信号合成器で合成するので、伝送損失および帯域制限が少なく、かつ小型、低コストでドハティ増幅器の理想的な動作条件を満たしながら出力を合成するドハティ増幅器並列運転回路を構成することができる。
本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるドハティ増幅器並列運転回路の構成を示す図である。図1を参照すると、本実施形態のドハティ増幅器並列運転回路は、2つのドハティ増幅器11、12、信号分配器13、および伝送線路トランス14を有している。
信号分配器13は、入力端子15からの入力信号を2つのドハティ増幅器11、12に分配する。
ドハティ増幅器11は、キャリア増幅器111、ピーク増幅器112、分岐回路113、および合成回路114からなる。同様に、ドハティ増幅器12は、キャリア増幅器121、ピーク増幅器122、分岐回路123、および合成回路124からなる。分岐回路113、123および合成回路114、124は、一例として1/4波長の伝送線路で構成されている。
2つのドハティ増幅器11、12の出力が伝送線路トランス14で合成され、出力端子16から、そこに接続された伝送線路(不図示)に出力される。入力側の信号分配器13は、従来から一般的に用いられている信号分配器である。
伝送線路トランスは、一例として1/4波長同軸線路で構成できる。また他の例として、伝送線路トランスは等価集中定数回路あるいは平行2線線路でも構成できる。本実施形態の伝送線路トランス14は、特性インピーダンスがZ0で、1/4波長の長さの同軸線路である。Z0は伝送線路の特性インピーダンスである。
図2は、伝送線路トランスについて説明するための図である。図2(a)に示すように、伝送トランスは、端子T1からみたインピーダンスがZ0であり、端子T2、T3からみたインピーダンスが共にZ0/2である。すなわち、図2(b)に示すように、端子T2、T3のインピーダンスをZ0/2とすると、端子T1のインピーダンスはZ0である。そして、図2(c)に示すように、端子T1のインピーダンスをZ0とすると、端子T2、T3のインピーダンスはZ0/2である。なお、インピーダンスがZ0/2になるための信号の逆相条件は、ドハティ増幅器11、12の入力側の信号分配器13において逆相の信号を分配にすることで容易に実現できる。
そのため、図1のように、並列運転するドハティ増幅器11、12の出力を合成する信号合成器として伝送線路トランス14を用いた場合、各ドハティ増幅器11、12から負荷側をみたインピーダンスはZ0/2である。これはドハティ増幅器の理想的あるいは最適な負荷状態である。一方、伝送線路トランス14の出力側から図1の回路をみたインピーダンスはZ0であり、系のインピーダンスと整合がとれている。
以上説明したように、各ドハティ増幅器11、12から出力までの伝送線路長が短いので伝送損失が小さくなり、増幅効率が向上する。例えば、本実施形態の構成によれば、図5に示したようなインピーダンス変換器と合成用のハイブリッドを別個に有する従来構成で発生していた伝送損失を半分程度に低減できる。
また、本実施形態では、出力側で帯域を制限する要因となる回路が削減されているので、従来と比べて広帯域化が可能となる。例えば、図5に示した従来構成では、インピーダンス変換器とハイブリッドの2つの回路で構成されていた部分が、本実施形態では、1つの伝送線路トランス14となっているので、帯域を制限する要因となる回路が半分となっている。
また、本実施形態では、ドハティ増幅器11、12の出力側が伝送線路トランス14のみの単純な構成となっているので、回路が簡素化され小型化が可能となっている。
また、本実施形態では、従来の構成では必要とされていた終端器が不要なので、低コスト化、小型化が可能となっている。
また、本実施形態では、伝送線路トランス14の特性インピーダンスは系の特性インピーダンスと同じなので、安価な同軸線路で伝送線路トランス14を構成でき、低コスト化が可能となっている。
したがって、本実施形態によれば、信号分配器13により入力を逆相の2つに分配してドハティ増幅器11、12に入力し、ドハティ増幅器11、12の出力を、ドハティ増幅器11、12からみたインピーダンスがZ0/2で、出力側からみたインピーダンスがZ0の伝送線路トランス14で合成するので、伝送損失および帯域制限が少なく、かつ小型、低コストの単純な構成で、ドハティ増幅器の理想的な動作条件を満たしながら出力を合成するドハティ増幅器並列運転回路を構成することができる。
本発明の他の実施形態について説明する。ここでは4つのドハティ増幅器を並列運転する回路を示す。
図3は、本発明の他の実施形態によるドハティ増幅器並列運転回路の構成を示す図である。図3を参照すると、本実施形態のドハティ増幅器並列運転回路は、4つのドハティ増幅器31〜34および伝送線路トランス35、36を有している。4つのドハティ増幅器31〜34が並列運転しており、伝送線路トランス35および伝送線路トランス36により信号合成器が構成されている。伝送線路トランス35、36の特性インピーダンスはZ0/√2に選んであるものとする。図3では、信号分配器は省略され、図示されていない。
ドハティ増幅器31の出力が伝送線路トランス35の中心導体に接続され、ドハティ増幅器33の出力が伝送線路トランス35の外部導体に接続されている。同様に、ドハティ増幅器32の出力が伝送線路トランス36の中心導体に接続され、ドハティ増幅器34の出力が伝送線路トランス36の外部導体に接続されている。
ドハティ増幅器31とドハティ増幅器32は同相で駆動され、ドハティ増幅器33とドハティ増幅器34が同相で駆動されている。また、ドハティ増幅器31、32と、ドハティ増幅器33、34とは逆相で駆動されている。
出力側では、伝送線路トランス36の中心導体が伝送線路トランス35の外部導体に接続されている。また、伝送線路トランス35の中心導体と伝送線路トランス36の外部導体とがドハティ増幅器並列運転回路の出力となっている。
ドハティ増幅器33がドハティ増幅器31とは逆相で駆動されるように構成しているので、ドハティ増幅器31から負荷をみたインピーダンスは、伝送線路のインピーダンスZ0の1/2となる。同様に、他のドハティ増幅器32〜34から負荷を見たインピーダンスも伝送線路のインピーダンスZ0の1/2である。
また、本実施形態のように伝送線路トランス35、36を接続すると、伝送線路トランス35の入力側から伝送線路トランス35をみたインピーダンスはZ0となり、同様に、伝送線路トランス36の入力側から伝送線路トランス36をみたインピーダンスはZ0となる。
以上説明したように、ドハティ増幅器31〜34から負荷をみたインピーダンスはZ0/2であり、これは理想的なドハティ増幅器の負荷状態である。また、出力側から伝送線路トランス35、36をみたインピーダンスはそれぞれZ0/2なので、ドハティ増幅器並列運転回路を出力側からみたインピーダンスはZ0であり、系のインピーダンスと整合がとれている。
したがって、本実施形態によれば、ドハティ増幅器31〜34の出力を、ドハティ増幅器31〜34からみたインピーダンスがZ0/2で、出力側からみたインピーダンスが、Z0の伝送線路35、36からなる信号合成器で合成するので、伝送損失および帯域制限が少なく、かつ小型、低コストの単純な構成で、ドハティ増幅器の理想的な動作状態を満たしつつ出力を合成するドハティ増幅器並列運転回路を構成することができる。
なお、本実施形態では伝送線路トランスが同軸線路で構成される例を示したが、等価集中定数回路あるいは平行2線線路で構成してもよい。
本発明のさらに他の実施形態について説明する。ここでは、kの2乗個(kは正の偶数)のドハティ増幅器を並列運転する回路を示す。
図4は、本発明のさらに他の実施形態によるドハティ増幅器並列運転回路の構成を示す図である。図4を参照すると、本実施形態のドハティ増幅器並列運転回路は、2n個のドハティ増幅器411〜41n、421〜42nおよびn個の伝送線路トランス431〜43nを有している。n=k2/2である。伝送線路トランス431〜43nにより信号合成器が構成されている。伝送線路トランス431〜43nの特性インピーダンスはZ0/√nに選んであるものとする。図4では、信号分配器は省略され、図示されていない。
伝送線路トランス631〜63nの各々の中心導体にはドハティ増幅器611〜61nの各々の出力が接続され、外部導体にはドハティ増幅器621〜62nの各々の出力が接続されている。
ドハティ増幅器611〜61nは全て同相で駆動され、ドハティ増幅器621〜62nは全て同相で駆動されている。そして、ドハティ増幅器611〜61nと、ドハティ増幅器621〜62nとは逆相で駆動されている。
出力側では、伝送線路トランス43i(i=2〜n)の中心導体が伝送線路トランス43(i−1)の外部導体に接続されている。また、伝送線路トランス431の中心導体と伝送線路トランス43nの外部導体とがドハティ増幅器並列運転回路の出力となっている。
ドハティ増幅器411〜41nと421〜42nが逆相で駆動されるように構成されているので、ドハティ増幅器411〜41nから負荷をみたインピーダンスは、伝送線路のインピーダンスZ0の1/2となる。また、同様に、ドハティ増幅器421〜42nから負荷を見たインピーダンスも伝送線路のインピーダンスZ0の1/2である。
また、本実施形態のように伝送線路トランス431〜43nを接続すると、伝送線路トランス431〜43nの入力側から伝送線路トランス431〜43nをみたインピーダンスはZ0となる。
以上説明したように、ドハティ増幅器431〜43nから負荷をみたインピーダンスはZ0/2であり、これは理想的なドハティ増幅器の負荷状態である。また、出力側から伝送線路トランス431〜43nをみたインピーダンスはそれぞれZ0/2なので、ドハティ増幅器並列運転回路を出力側からみたインピーダンスはZ0であり、系のインピーダンスと整合がとれている。
なお、特性インピーダンスZ0/√nの伝送線路トランスには、一例として、予めそのように設計、製作された線路を用いるのが好ましい。また、特性インピーダンスがZ0/√nとなるように設計、製作された線路の代わりに、特性インピーダンスZ0の伝送線路トランスを並列に接続することで構成された伝送線路トランスを用いてもよい。
ここでは一例として、Z0が50オームであり、4つのドハティ増幅器を並列運転する場合を考える。その場合、n=2なので、伝送線路の特性インピーダンスは50/√2=35.35オームとすればよい。このような特性インピーダンスを有するいわば専用の同軸線路を用いる代わりに、一般的な規格品である安価な75オームの同軸線路を2本並列に接続して、75/2=35オームの伝送線路トランスを構成してもよい。
また、ここまでの各実施形態では、ドハティ増幅器の負荷インピーダンスがZ0/2の場合について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。他の負荷条件で理想的な動作となるように設計されたドハティ増幅器についても本発明のドハティ増幅器並列運転回路の技術思想は応用可能である。
また、ここまでの各実施形態では、好適例として、対となって同一の伝送線路トランスに接続される2つのドハティ増幅器が互いに逆相で駆動されることとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。必ずしも逆相でなくとも、2つのドハティ増幅器の位相関係と、それらドハティ増幅器の出力に接続される伝送線路トランスの構成(同軸線路の場合では線路長やインピーダンスなど)とを調整することによりドハティ増幅器の並列運転が可能となる。
本発明の一実施形態によるドハティ増幅器並列運転回路の構成を示す図である。 伝送線路トランスについて説明するための図である。 本発明の他の実施形態によるドハティ増幅器並列運転回路の構成を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態によるドハティ増幅器並列運転回路の構成を示す図である。 従来のドハティ増幅器を並列運転する回路を示す図である。
符号の説明
11、12、31〜34、411〜41n、421〜42n ドハティ増幅器
111、121 キャリア増幅器
112、122 ピーク増幅器
113、123 分岐回路
114、124 合成回路
13 信号分配器
14、35、36、431〜43n 伝送線路トランス
15 入力端子
16 出力端子
T1、T2、T3 端子

Claims (8)

  1. 入力信号を増幅して出力端子に出力するドハティ増幅器並列運転回路であって、
    前記入力信号を分配され、それぞれに増幅して出力する複数のドハティ増幅器と、
    伝送線路トランスからなり、前記ドハティ増幅器の出力および前記出力端子に接続されており、前記ドハティ増幅器からみたインピーダンスが該ドハティ増幅器の最適な負荷であり、前記出力端子からみたインピーダンスが、前記出力端子に接続される伝送線路の特性インピーダンスと一致し、前記ドハティ増幅器の出力を合成して前記出力端子から出力する信号合成器とを有するドハティ増幅器並列運転回路。
  2. 前記ドハティ増幅器が2つで、前記伝送線路トランスが1つであり、該伝送線路トランスの特性インピーダンスが前記伝送線路の特性インピーダンスと一致し、
    2つの前記ドハティ増幅器の出力が前記伝送線路トランスの入力側の2つの端子の各々に接続されている、請求項1記載のドハティ増幅器並列運転回路。
  3. 2つの前記ドハティ増幅器が互いに逆相で駆動される、請求項2記載のドハティ増幅器並列運転回路。
  4. 前記ドハティ増幅器の数が正の偶数kの2乗で、前記伝送線路トランスの数nが前記正の偶数kの2乗の1/2であり、前記各伝送線路トランスの特性インピーダンスが前記伝送線路の特性インピーダンスの1/√nであり、
    2つずつの前記ドハティ増幅器が対をなし、それらの出力が1つの前記伝送線路トランスの入力側の2つの端子の各々に接続され、
    全ての前記伝送線路トランスの出力側の端子が直列に接続されている、請求項1記載のドハティ増幅器並列運転回路。
  5. 対をなす前記ドハティ増幅器が互いに逆相で駆動され、全ての対の一方の前記ドハティ増幅器が互いに同相で駆動される、請求項4記載のドハティ増幅器並列運転回路。
  6. 前記伝送線路トランスが前記入力信号の1/4波長の同軸線路である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のドハティ増幅器並列運転回路。
  7. 前記ドハティ増幅器の最適な負荷が、前記伝送線路の特性インピーダンスの1/2である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のドハティ増幅器並列運転回路。
  8. 前記伝送線路トランスの数n=2であり、前記伝送線路の特性インピーダンスは50オームであり、前記伝送線路トランスは、75オームの2つの同軸線路を並列接続した構成である、請求項4または5に記載のドハティ増幅器並列運転回路。
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