JP2005045440A - 電力増幅器及びこれを用いた無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変調信号の違いや出力レベルの違いに応じて電力増幅器の動作級を変化させたときに高調波信号に対するインピーダンス整合条件を適切に設定して最大効率での増幅動作を実現する電力増幅器を提供する。
【解決手段】信号源１１からの所望周波数の変調信号を増幅する増幅段３と、所望周波数の変調信号に対して信号源１１と増幅段３の変調信号入力端子とのインピーダンス整合をとる入力整合回路２と、増幅段３の変調信号入力端子にバイアス電流を供給する入力バイアス回路６と、増幅段３の変調信号出力端子にバイアス電流を供給する出力バイアス回路７と、所望周波数及び高調波周波数の変調信号に対して増幅段３の変調信号出力端子と負荷１２とのインピーダンス整合をとる出力整合回路４と、入力バイアス回路６と出力バイアス回路７のバイアス値及び出力整合回路４のインピーダンスを制御する制御回路１０を有する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力増幅器及びこれを用いた無線通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々な変調方式を用いた無線通信システムが世界中で用いられている。同一の無線通信システムであっても、無線機が用いられる電波伝搬環境の変化やユーザ数の増減などに応じて、変調方式を適宜切り替えることが行われている。同一の無線通信システムであっても、無線機の使われる場所や状況によって無線機の出力レベル（電力レベル）を変化させる無線通信システムも存在している。一方、無線通信システムで用いられる無線機、例えば携帯電話機のような携帯無線機に対しては、半導体プロセス技術の向上や高周波回路設計技術の進歩により高機能化、小型化が要求されている。
【０００３】
このような背景の下、携帯無線機に内蔵される電力増幅器には、様々な無線通信システムに対する適応性とともに、内蔵電池の小型化を可能とするための高効率化が求められてきている。電力増幅器は、携帯無線機などの無線通信装置の送信回路部に設けられ、変調信号を所要の電力レベルまで増幅するためのものである。電力増幅器が様々な無線通信システムに対する適応性を持つとは、例えば異なる変調方式による変調信号が入力された場合であっても、それぞれの無線通信システムで要求される出力レベルや歪みレベルの仕様を満たしつつ、所要の増幅動作を実現できる性能を持つことを意味する。
【０００４】
一般に、異なる変調方式間では変調信号の平均電力レベルＰａｖｅと最大瞬時電力レベルＰｍａｘの比で定義されるピークファクタ（＝１０＊ｌｏｇ（Ｐｍａｘ／Ｐａｖｅ）［ｄＢ］）が異なる。電力増幅器は、最大瞬時電力レベルの信号が入力された場合でも、歪みのレベルをシステム仕様の許容値内に抑えながら変調信号を増幅できなければならない。電力増幅器は、異なる複数の変調方式に基づく、ピークファクタの変調信号を増幅できることが必要である。そのためには、電力増幅器は最もピークファクタの大きな変調信号が入力された場合でも、歪みのレベルがシステム仕様を満たせるような特性を持つことが要求される。
【０００５】
しかし、ピークファクタが大きい変調信号に対して最適に設計された電力増幅器を用いて、ピークファクタが小さな変調信号を増幅した場合、ピークファクタが大きな変調信号を増幅する場合に比べて効率が低下してしまう。同一の変調方式に基づく変調信号を増幅する場合であっても、出力レベルが大きいときに比べて出力レベルが小さいときの方が電力増幅器の効率が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
このように異なる複数の変調方式による変調信号を増幅する電力増幅器や、異なる出力レベルで変調信号を出力しなければならない電力増幅器を実現するときに生じる効率低下の問題に対しては、電力増幅器のバイアス値を制御することで電力増幅器の動作級を変化させる方法が提案されている（特許文献１参照）。一方、電力増幅器のバイアス値を制御するとともに、所望周波数の変調信号に対する負荷インピーダンスのずれを補正する回路を備えた電力増幅器も提案されている（特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２４４８２８
【０００８】
【特許文献２】
特開平１１−２２０３３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１のようにバイアス値の制御により電力増幅器の動作級のみを変える方法では、電力増幅器が所望周波数の変調信号を増幅する際に最も効率良く増幅動作をする負荷インピーダンスが異なってしまうため、所望周波数の変調信号に対して必ずしも高効率な増幅動作を行うことはできない。ここでいう負荷インピーダンスとは、電力増幅器の出力端子から出力端子に接続される負荷を見込んだインピーダンスであり、所望周波数の変調信号に対するインピーダンスと高調波周波数の変調信号に対するインピーダンスの両方を含む。電力増幅器では、負荷インピーダンスが異なると歪み特性や利得特性などの増幅特性が変化し、また動作級を変えた場合には増幅特性と負荷インピーダンスの関係も変化する。
【００１０】
特許文献２に記載の電力増幅器によれば、バイアス値を制御すると同時に所望周波数の変調信号に対する負荷インピーダンスのずれを補正することにより、このような問題を解決することができる。反面、特許文献２では所望周波数の変調信号に対する負荷インピーダンスを調整した際に、所望周波数の変調信号だけでなく高調波周波数の変調信号に対しても負荷インピーダンスが変化してしまう。電力増幅器では、出力側において高調波周波数の変調信号に対する負荷条件を最適化することにより、所望周波数の変調信号に対する負荷条件を最適化するだけでは実現不可能な、より高効率な増幅動作を実現できる。しかし、特許文献２では高調波周波数の変調信号に対する負荷条件を最適化することが難しく、これが電力増幅器の高効率化の妨げとなる。
【００１１】
このように従来の電力増幅器では、変調信号の違いや出力レベルの違いに応じて動作級を変化させたときに高調波信号に対する整合条件を所望の条件に設定することができず、必ずしも最大効率での増幅動作を実現することができないという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、電力増幅器の動作級を変化させたときに高調波信号に対するインピーダンス整合条件を適切に設定してより高効率化できる電力増幅器及びこれを用いた無線通信装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の一つの観点では信号源からの所望周波数の変調信号が入力される変調信号入力端子と該入力される変調信号を増幅する増幅回路及び増幅された所望周波数及び高調波周波数の変調信号を出力する変調信号出力端子を有する増幅段と、前記所望周波数の変調信号に対して前記信号源と前記変調信号入力端子とのインピーダンス整合をとる入力整合回路と、前記変調信号入力端子にバイアスを供給する入力バイアス回路と、前記変調信号出力端子にバイアスを供給する出力バイアス回路と、前記所望周波数及び高調波周波数の変調信号に対して前記変調信号出力端子と負荷とのインピーダンス整合をとる出力整合回路と、前記入力バイアス回路と出力バイアス回路のバイアス値並びに前記出力整合回路の前記所望周波数及び高調波周波数の変調信号に対するインピーダンスを制御する制御回路とを具備する電力増幅器が提供される。
【００１４】
本発明の他の観点では、入力バイアス回路及び出力バイアス回路は、前記変調信号入力端子及び変調信号出力端子にバイアスを供給する一つの入出力共用バイアス回路に置き換えられ、さらに制御回路によって前記入出力バイアス回路のバイアス値並びに前記出力整合回路の前記所望周波数及び高調波周波数の変調信号に対するインピーダンスが制御される。
【００１５】
このような電力増幅器によると、バイアス値の制御により増幅すべき変調信号の変調方式や電力増幅器の出力レベルの違いに応じて電力増幅器の動作級を変化させると共に、電力増幅器の出力側に設けられた出力整合回路により所望周波数の変調信号と高調波周波数の変調信号に対して、それぞれ個別に任意の負荷条件を設定することが可能とすることにより、電力増幅器が発揮し得る最大効率の増幅動作を実現し、より高効率の増幅動作が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施形態］
図１に、本発明の第１の実施形態に係る電力増幅器を示す。入力端子１には、信号源１１から所望周波数の変調信号が供給される。電力増幅器が後述する携帯無線機に用いられる場合を例にとると、信号源１１は例えば電力増幅器の前に配置されるドライバアンプや直交変調器であり、あるいは変調信号発生器である。信号源１１から入力端子１に供給されてきた変調信号は、入力整合回路２を介して増幅段３に入力される。増幅段３は、例えばバイポーラトランジスタを用いて実現される。
【００１７】
増幅段３からの出力信号は、出力整合回路４を介して出力端子５に導かれる。出力端子５には、出力負荷１２が接続される。携帯無線機に用いられる電力増幅器を例にとると、出力負荷１２は例えば電力増幅器の後に配置されるアイソレータやフィルタであり、あるいは変調信号を解析するためのスペクトラムアナライザやパワーメータである。
【００１８】
増幅段３には、入力バイアス回路６と出力バイアス回路７が接続される。入力バイアス回路６は、増幅段３の変調信号入力端子に入力バイアス、例えばバイアス電流（入力バイアス電流という）を供給する回路であり、そのバイアス値すなわち入力バイアス電流の電流値は、制御回路１０からの制御信号８によって制御される。出力バイアス回路７は、増幅段３の変調信号出力端子に出力バイアス、例えばバイアス電流（出力バイアス電流という）を供給する回路であり、そのバイアス値すなわち出力バイアス電流の電流値は、制御回路１０からの制御信号８によって制御される。制御回路１０は、さらに出力整合回路４のインピーダンス制御も行う。
【００１９】
本実施形態の電力増幅器では、例えば同一の変調方式に基づく無線通信システムの下で変調信号の出力レベルを変化させる場合に、制御回路１０により出力レベルに応じて増幅段３の動作級を変化させると共に、出力整合回路４の所望周波数の変調信号に対するインピーダンスと高調波周波数の変調信号に対するインピーダンスを変化させることにより、最大効率での増幅動作を実現する。電力増幅器の動作級に関しては、「マイクロ波トランジスタ 高山洋一郎著 社団法人電子情報通信学会」その他の一般書籍に記述され、周知の事項であるため、ここでは説明を省略する。
【００２０】
以下の説明では、同一の変調方式を用いた無線通信システムにおいて、電力増幅器の出力レベルの仕様が異なるケースＡとケースＢのそれぞれの場合に最大効率で増幅動作を実現する電力増幅器について述べる。なお、ケースＡとケースＢの詳細については後述する。電力増幅器の動作は、ケースＡ及びケースＢで共通である。
【００２１】
図１の各部の具体的な構成例について説明する。
（入力整合回路２）
入力整合回路２は、例えば図２に示すように信号線路に直列に挿入されたキャパシタ２１，２３、及びキャパシタ２１，２３の接続点と基準電位点（ここでは、グラウンド）間に挿入されたインダクタ２２からなる。入力整合回路２は、信号源１１からの所望周波数の変調信号が増幅段３の入力側で極力反射されることなく増幅段３へ入力されるように、信号源１１と増幅段３の変調信号入力端子とのインピーダンス整合をとるものであり、キャパシタ２１，２３の容量値及びインダクタ２２のインダクタンス値は、インピーダンス整合条件を満たすように選択される。
【００２２】
今、所望周波数が例えば１９５０ＭＨｚであり、信号源１１の出力インピーダンスは５０Ωとする。増幅段３の入力側に接続される入力負荷のインピーダンス値は、通常、増幅段３の利得が所望の値以上となるように選択される。増幅段３にバイポーラトランジスタを用いた場合の実測結果に従えば、増幅段３の入力側に接続される入力負荷のインピーダンスが０．９−ｊ７程度のとき、所要とする大きな利得が得られる。入力端子１に５０Ωの信号源１１が接続されたとき、入力整合回路２の出力端子から見込んだインピーダンスが０．９−ｊ７程度になるように、キャパシタ２１の値は１３ｐＦ、キャパシタ２３の値は５．７ｐＦ、インダクタ２２の値は０．６ｎＨに選ばれる。
【００２３】
（増幅段３）
増幅段３は、例えば図３に示されるようにバイポーラトランジスタ３０（この例では、ｎｐｎトランジスタ）を用いたエミッタ接地増幅回路３１、入力バイアス回路６からの入力バイアス電流が供給される入力バイアス線路３２、及び出力バイアス回路７からの出力バイアス電流が供給される出力バイアス線路３３を有する。
【００２４】
エミッタ接地増幅回路３１を構成するトランジスタ３０のベース端子は、変調信号入力端子３４に接続されると共に入力バイアス線路３２を介して入力バイアス電流入力端子３５に接続される。従って、入力バイアス回路６からの入力バイアス電流は、入力バイアス電流入力端子３５から入力バイアス線路３２を介してトランジスタ３０のベース端子に供給される。
【００２５】
一方、トランジスタ３０のコレクタ端子は、変調信号出力端子３６に接続されると共に出力バイアス線路３３を介して出力バイアス電流入力端子３７に接続される。従って、出力バイアス回路７からの出力バイアス電流は、出力バイアス電流入力端子３７から出力バイアス線路３３を介してトランジスタ３０のコレクタ端子に供給される。
【００２６】
エミッタ接地増幅回路３１は、入力整合回路２を介して入力される所望周波数の変調信号を携帯無線機などのシステムの仕様を満たす出力レベルにまで増幅でき、かつエミッタ接地増幅回路３１の持つ非線形性のために、高調波周波数の変調信号に代表される非線形歪みをシステムの仕様が許容するレベルに抑えることができる性能を有する。
【００２７】
すなわち、エミッタ接地増幅回路３１は入力バイアス電流及び出力バイアス電流が供給されることによって増幅動作を行い、変調信号入力端子３４から入力される所望周波数の変調信号を増幅して、変調信号出力端子３６より出力する。エミッタ接地増幅回路３１は一般に非線形性を持つため、変調信号出力端子３６には所望周波数の変調信号と共に、高調波周波数の変調信号に代表される歪み信号が出力される。
【００２８】
（入力バイアス回路６）
入力バイアス回路６は、例えば図４に示されるように増幅段３の入力バイアス電流入力端子３５に一端が接続されるインダクタ６１、切替スイッチ６２、抵抗６３，６４及び電流源６５からなる。切替スイッチ６２は、制御回路１０からの制御信号８により制御され、インダクタ６１の他端に抵抗６３，６４及び基準電位点（ここでは、グラウンド）のいずれかを接続する。これによって、入力バイアス回路６から増幅段３に供給される入力バイアス電流が変化する。
【００２９】
電流源６５は、負荷に関わらず一定の電流を供給する回路であり、例えば図５に示されるように電源１００、抵抗１０１，１０２、トランジスタ１０３，１０６及び電流出力端子１０８を有する。電源１００には、通常、電池等が使用される。ダイオード接続されたトランジスタ１０３とトランジスタ１０６でカレントミラー回路を構成しているため、電源１００から供給される電圧に応じて電流出力端子１０８から一定の電流が供給される。カレントミラー回路は一般的に良く知られた回路であり、一般書籍にも掲載されている回路であるため、ここでは詳しい動作の説明を省略する。
【００３０】
入力バイアス回路６から増幅段３に供給すべき入力バイアス電流は、増幅段３の動作級によって異なる。すなわち、増幅段３がＡ級動作を行う場合はＡ級動作を実現するだけの入力バイアス電流を増幅段３に供給し、Ｂ級動作を行う場合には入力バイアス電流を絞る必要がある。このように入力バイアス回路６は、増幅段３に動作級に応じた入力バイアス電流を供給する。増幅段３にバイポーラトランジスタ３０を用いた場合、入力バイアス電流は通常、Ａ級動作時、Ｂ級動作時ともに数ｍＡ程度である。増幅段３の動作級をより細かく制御したい場合は、バイアス電流が連続可変のバイアス回路を使用することが望ましい。
【００３１】
本実施形態では、説明を簡単にするため一例としてバイポーラトランジスタ３０の動作級をＡ級の場合とＢ級の場合で動作させる場合を想定している。従って、入力バイアス回路６も先のケースＡとケースＢで必要となる２種類のバイアス電流を選択的に供給できる回路を用いる。
【００３２】
図４に示した入力バイアス回路６において、電流源６５から出力されるバイアス電流は抵抗６３または６４を通り、インダクタ６１を介して出力され、入力バイアス電流入力端子３５に供給される。入力バイアス電流が抵抗６３または６４のいずれかを通って入力バイアス電流入力端子３５に供給されるかは、増幅段３をどの動作級で動作させるかによって異なり、制御回路１０から送られる制御信号８が切替スイッチ６２を制御することにより抵抗６３または６４のいずれかが選択される。
【００３３】
一般に、増幅段３に入力される変調信号は、入力バイアス回路６へは混入しないことが望ましく、このために入力バイアス回路６にインダクタ６１が設けられている。インダクタ６１のインダクタンスは、増幅段３の入力バイアス電流入力端子３５から入力バイアス回路６を見込んだインピーダンスが、増幅段３の信号入力端子３４からトランジスタ３０のベース端子側を見込んだインピーダンスに対して数十〜数百倍と十分高くなるように選択される。増幅段３へ入力された変調信号が入力バイアス回路６に入力されても問題ない場合は、インダクタ６１は不要である。
【００３４】
本実施形態では、入力バイアス回路６は増幅段３の変調信号入力端子３４に入力バイアスとしてバイアス電流を供給すると説明したが、バイアス電圧を供給してもよい。その場合は、制御回路１０によって制御される入力バイアスのバイアス値はバイアス電圧の電圧値である。
【００３５】
（出力バイアス回路７）
出力バイアス回路７は、例えば図６に示されるように増幅段３の出力バイアス電流入力端子３７に一端が接続されるインダクタ７１、切替スイッチ７２、抵抗７３及び電流源７５からなる。切替スイッチ７２は、制御回路１０からの制御信号８により制御され、インダクタ７１の他端に抵抗６３及び基準電位点（ここでは、グラウンド）のいずれかを接続する。これによって、出力バイアス回路７から増幅段３に供給される出力バイアス電流が変化する。
【００３６】
出力バイアス回路７からの出力バイアス電流の値も、入力バイアス回路６からの入力バイアス電流の値と同様に、増幅段３をどの動作級で動作させるかにより異なってくる。具体的には、出力バイアス電流は増幅段３が小信号増幅を行う場合は、Ａ級動作時で数百ｍＡ、Ｂ級動作時で数十ｍＡであり、大信号増幅を行う場合は、Ａ級、Ｂ級動作時共に数百ｍＡ程度である。
【００３７】
しかし、出力バイアス電流に関しては入力バイアス電流と異なり、増幅段３の動作級によって電流値を故意に絞るような制御は行われず、通常、入力バイアス電流が制御されるに伴い、出力バイアス電流も制御される。すなわち、トランジスタの基本動作原理に沿って入力バイアス電流が絞られるに伴い、出力バイアス電流も絞られることとなる。よって本実施形態では、説明を簡単にするため、出力バイアス電流の値は増幅段３のトランジスタの動作級によって制御しないものとする。
【００３８】
電流源７５から出力されるバイアス電流は抵抗７３を通り、インダクタ７１を介して増幅段３の出力バイアス電流入力端子３７を介してトランジスタ３０のコレクタ端子に供給される。また、増幅段３が増幅動作を行わないときは、増幅段３の出力端子３６はインダクタ７１を介してグランドに接続される。インダクタ７１が抵抗７３に接続されるかグランドに接続されるかは、制御回路より与えられる制御信号８により、スイッチ７２で切り替えられる。電流源７５は電流源６５とほぼ同じ構成であるため、ここでは電流源７５の構成については説明を省略する。
【００３９】
また、本実施形態では出力バイアス回路７も入力バイアス回路６と同様に、増幅段３の変調信号出力端子３６に入力バイアスとしてバイアス電流を供給することに代えてバイアス電圧を供給してもよい。その場合は、制御回路１０によって制御される出力バイアスのバイアス値はバイアス電圧の電圧値である。
【００４０】
（出力整合回路４）
出力整合回路４には、増幅段３から出力される所望周波数の変調信号及び高調波周波数の変調信号が入力される。出力整合回路４は、所望周波数の変調信号及び高調波周波数の変調信号の両方に対して、増幅段３の変調信号出力端子３６と出力負荷１２とのインピーダンス整合をとるように構成される。
【００４１】
出力整合回路４は、例えば図７に示されるように高調波整合回路２６、所望波整合回路２７、信号線路５０及びインダクタ５３を有する。インダクタ５３は、信号線路５０の途中に挿入される。信号線路５０の一端は信号入力端子５７に接続され、他端は信号出力端子５８に接続される。高調波整合回路２６は、信号入力端子５７と基準電位点（ここでは、グラウンド）間に直列に接続された可変インダクタ５１とキャパシタ５２により構成される。所望波整合回路２７は、インダクタ５３の他端と信号出力端子５８との接続点に接続された可変キャパシタ５５と、信号出力端子５８とグラウンド間に接続された可変キャパシタ５６により構成される。可変インダクタ５１のインダクタンス値及び可変キャパシタ５５，５６の容量値は、制御回路１０からの制御信号８によって制御される。
【００４２】
図８には、高調波整合回路２６に用いられる可変インダクタ５１の具体例を示す。二つのインダクタ８１，８２がインダクタ切替スイッチ８３Ａ，８３Ｂによって制御信号８に従って切り替えられることにより、インダクタンス値が二段階に切り替えられる構成となっている。
【００４３】
図９には、可変キャパシタ５５及び５６の具体例を示す。可変キャパシタ５５は、キャパシタ９０、インダクタ９１，９４、抵抗９２及びトランジスタ９３からなる。可変キャパシタ５６は、キャパシタ９５，９９、インダクタ９６、抵抗９７及びトランジスタ９８からなる。トランジスタ９３，９８はいずれもベース端子とコレクタ端子が接続されたダイオード接続のトランジスタであり、エミッタ端子とコレクタ端子（またはベース端子）の間に印加される逆方向バイアス電圧の大きさに応じて容量値が変化するキャパシタとして機能する。この例では、トランジスタ９３のエミッタ端子に制御信号８の電圧が抵抗９２及びインダクタ９１を介して供給され、トランジスタ９８のエミッタ端子に制御信号８の電圧が抵抗９７及びインダクタ９６を介して供給されることにより、トランジスタ９３，９８のエミッタ端子とコレクタ端子間に逆方向バイアス電圧が印加される。
【００４４】
ダイオード接続のトランジスタが可変キャパシタとして機能することは公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。ダイオード接続のトランジスタはアクティブ素子であるため、歪み特性を持つ。よって、ダイオード接続のトランジスタを可変キャパシタとして用いる場合には、トランジスタサイズ等を歪み特性が十分無視できるように注意して選択しなければならない。
【００４５】
ダイオード接続のトランジスタ９３，９８に印加する逆方向バイアス電圧は通常、パイポーラトランジスタ３０を用いた増幅段３の変調信号出力端子３６におけるバイアス電圧とは異なる大きさである。さらに、トランジスタ９３，９８にそれぞれ印加する逆方向バイアス電圧の値は互いに異なっている必要がある。従って、増幅段３の変調信号出力端子３６と、ダイオード接続のトランジスタ９３，９８とは交流的には接続されつつも、直流的には互いに遮断されていることが望ましい。図９の例では、これに限られるものではないが、キャパシタ９０，９５，９９によって増幅段３の変調信号出力端子３６とダイオード接続のトランジスタ９３，９８が交流的に接続され、かつ直流的に遮断されている。
【００４６】
図９の例では、動作原理を分かりやすくするために制御回路１０からの制御信号８が直流電圧であり、ダイオード接続のトランジスタ９３，９８に印加される直流電圧が用いられている。しかし、制御信号８はトランジスタ９３，９８に印加される直流電圧そのものではなく、トランジスタ９３，９８に印加される直流電圧を発生する直流電圧源を制御するための信号であってもよい。
【００４７】
なお、可変キャパシタとしては、このようにダイオード接続されたトランジスタではなく、両端に印加される電圧値によって容量が変化するようなパッシブ素子のキャパシタを用いても構わない。
【００４８】
制御回路１０から出力される制御信号８である直流電圧は、抵抗９２によってダイオード接続のトランジスタ９３が所望の容量値のキャパシタになるような電圧値まで降下された後、インダクタ９１を介してトランジスタ９３に印加され、また抵抗９７によってダイオード接続のトランジスタ９８が所望の容量値のキャパシタになるような電圧値まで降下された後、インダクタ９６を介してトランジスタ９８に印加される。
【００４９】
ここで、増幅段３から出力された所望周波数の変調信号や高調波周波数の変調信号は、通常、制御信号８の通る制御線を伝わって制御回路１０に漏れ込まないように、増幅段３の変調信号出力端子３６と制御回路１０とは直流的には接続されつつも、交流的には遮断されることが望ましい。図９の例では、これに限られるものではないが、インダクタ９１，９４，９６によって増幅段３の変調信号出力端子３６と制御回路１０とが直流的には接続されつつ、交流的に遮断されている。ここで、インダクタ９４は制御回路１０ではなく基準電位点（ここでは、グラウンド）に接続されており、ダイオード接続のトランジスタ９２のコレクタ端子を直流的に接地させている。
【００５０】
増幅段３と出力負荷１２の間に挿入された出力整合回路４は、増幅段３から出力される所望周波数の変調信号を出力負荷１２の入力側で極力反射されることなく出力負荷１２に吸収され、かつ、増幅段３が所望の特性となるように高調波周波数の変調信号に対するインピーダンスを生成する必要がある。この条件を満足するように、出力整合回路４に含まれる高調波整合回路２６、インダクタ５３及び所望波整合回路２７は調整される。
【００５１】
前述したように通常、増幅段３は出力負荷１２のインピーダンスによって特性が異なる。すなわち、出力負荷１２のインピーダンスの値に依存して歪みやすくなったり歪みにくくなったりすることで、同じ歪みレベルであっても所望の出力レベルが得られるインピーダンス、所望の利得が得られるインピーダンス及び所望の効率が得られるインピーダンスが各々存在する。
【００５２】
出力整合回路４の信号出力端子５８に接続される出力負荷１２は、通常、５０Ωのインピーダンスを持つため、増幅段３の負荷としては出力整合回路４と５０Ωの出力負荷１２が接続されることになる。すなわち、高調波整合回路２６、インダクタ５３及び所望波整合回路２７については、出力整合回路４の信号出力端子５８に出力負荷１２としてインピーダンス５０Ωの負荷が接続されたときに、増幅段３が所望の特性となるように調整する必要がある。出力整合回路４の調整に関しては、ケースＡとケースＢの場合に分けて後に詳細に説明するため、ここでは簡単な説明に留めておく。
【００５３】
以上のような動作により、増幅段３から出力される所望周波数の変調信号及び高調波周波数の変調信号は出力整合回路４へ入力される。この後、所望周波数の変調信号は出力整合回路４から出力負荷１２へ伝達され、高調波周波数の変調信号は一部が出力整合回路４で反射されて増幅段３へ戻され、他の一部は出力負荷１２へ伝達される。
【００５４】
次に、本実施形態の電力増幅器をケースＡで使用している状況から、ケースＢで使用する状況へ切り替える場合の動作について説明する。前述したように、ケースＡとケースＢでは電力増幅器の出力レベルに関する仕様が異なる。
【００５５】
本実施形態では説明の都合上、一例としてケースＡとケースＢの仕様を以下のように規定する。すなわち、電力増幅器をケースＡで使用する場合、最大出力レベルは２６ｄＢｍ以上、歪みレベルは−３８ｄＢｃ以下、利得は１５ｄＢ以上とする必要があり、また、ケースＢで使用する場合、最大出力レベルは２３ｄＢｍ以上、歪みレベルは−３８ｄＢｃ以下、利得は１２ｄＢ以上とする必要があるとする。
【００５６】
一般的に、増幅器はＡ級動作をしているときには、Ｂ級動作をしているときに比べて効率及び歪みレベルが低く、利得は高くなる。逆に、Ｂ級に近い動作をしているときには、効率及び歪みレベルが高く、利得が低くなる。従って上記のような仕様の電力増幅器では、増幅段３をケースＡの場合はＡ級動作とし、ケースＢの場合はＢ級動作とすることで、高い効率を維持しつつ増幅を行うことが可能となる。そこで、本実施形態では増幅段３をケースＡではＡ級動作、ケースＢではＢ級動作とした場合について説明する。
【００５７】
図１０は、電力増幅器の動作級と電力増幅器が最も効率良く増幅動作をする所望周波数の変調信号に対する負荷インピーダンスの値の測定結果の一例をスミスチャートで表している。図１０の測定結果は、変調信号の種類は同一であるが、電力増幅器に供給する入力バイアス電流の値を変化させて電力増幅器の動作級を変化させたときに、効率が最大となる負荷インピーダンスの値を測定したものであり、スミスチャートの中心を５０Ωとして表記している。図１０の測定結果によると、電力増幅器がＡ級動作時に最も効率良く増幅動作をする負荷インピーダンスの値はＺ_Ａη＝６．５１７＋ｊ１．７７８であり、Ｂ級動作時に最も効率良く増幅動作をする負荷インピーダンスの値はＺ_Ｂη＝１０．２２４＋ｊ６．９７７であった。
【００５８】
図１０の測定結果を基に、仮に電力増幅器がＡ級動作をしており、かつ負荷インピーダンスの値がＺ_Ａη＝６．５１７＋ｊ１．７７８であったときに、動作級をＡ級からＢ級に変更し、かつ負荷インピーダンスはＺＡη＝６．５１７＋ｊ１．７７８のままにしたままであったとすると、効率は負荷インピーダンスがＺＢη＝１０．２２４＋ｊ６．９７７のときに比べて約４％も減少してしまうという結果が得られている。従って、特許文献１に開示されたような、電力増幅器のバイアス値を制御することで動作級のみを変える方法では、電力増幅器が所望周波数の変調信号を増幅する際に最も効率良く増幅動作をする負荷インピーダンスが異なってしまうため、所望周波数の変調信号に対して必ずしも高効率な増幅動作を行うことができない。
【００５９】
一方、特許文献２に開示されたようにバイアス値を制御すると共に、所望周波数の変調信号に対する出力インピーダンスのずれを補正する機能を備えた電力増幅器では、所望周波数の変調信号に対する負荷インピーダンスを調整した際に、所望周波数の変調信号だけでなく高調波周波数の変調信号に対しても負荷インピーダンスが変化してしまうという問題があり、また高調波周波数の変調信号に対する負荷インピーダンスの調節もできない。電力増幅器では、出力側において高調波周波数の変調信号に対する負荷条件を最適化することにより、所望周波数の変調信号に対する負荷条件を最適化するだけでは実現不可能な、より高効率な増幅動作を実現することができる。
【００６０】
図１１に、高調波周波数の変調信号として所望周波数の２倍の周波数の変調信号を用い、該変調信号に対するインピーダンスを変化させたときの電力増幅器の効率変化の測定結果の一例を示す。測定に用いた変調信号は、周波数１９５０ＭＨｚの変調信号である。図中、横軸は高調波周波数の変調信号に対する反射位相角、縦軸は効率である。反射位相角は、負荷インピーダンスの実部と虚部の比の正接角で定義される。
【００６１】
本測定結果は、高調波周波数の変調信号に対する反射位相角と効率の測定結果であるため、反射量と効率との関係は示していない。しかし、高調波周波数の変調信号に対する反射係数の大きさと位相角により効率が変わることは既に知られており、反射係数の大きさは大きければ大きいほど効率は向上する。
【００６２】
高調波周波数は、所望周波数の２倍、３倍、それ以上と無限に続くが、信号レベルの大きさから実際は所望周波数の２倍と３倍の周波数の高調波周波数の変調信号の寄与が大きい。ここでは、説明を簡略なものにするため２倍の高調波周波数の変調信号のみに着目する。高調波周波数の変調信号を最適化することにより電力増幅器が高効率動作を行う原理に関しては、「マイクロ波トランジスタ」高山洋一郎著、社団法人電子情報通信学会等の書籍に記述されているため、ここでは説明を省略する。
【００６３】
図１１の測定結果から明らかなように、高調波周波数の変調信号に対する出力インピーダンスを最適化することにより、所望周波数の変調信号に対する出力インピーダンスの調整のみでは不可能である、電力増幅器の高効率化が可能であることが分かる。また、所望波周波数の変調信号に対するインピーダンス整合条件と高調波周波数の変調信号に対するインピーダンス整合条件は互いに独立なものであるため、電力増幅器を最大効率で増幅動作をさせるためには所望周波数と高調波周波数の２つの変調信号に対するインピーダンス整合条件が別々に調整できなければ、電力増幅器が発揮し得る最大効率での増幅動作を実現することはできない。
【００６４】
特許文献２の電力増幅器では、この電力増幅器の高効率動作に欠かすことのできない高調波信号に対するインピーダンス整合条件を任意の条件に設定することができない。その理由は、特許文献２の電力増幅器では出力側に設けられた出力整合回路が信号線路に挿入されたキャパシタと該キャパシタの負荷側端とグラウンド間に挿入されたインダクタによってのみ構成されていることによる。このような出力整合回路では、所望周波数の変調信号に対してインピーダンス整合をとることはできるが、高調波周波数の変調信号に対して所望周波数の変調信号とは独立してインピーダンス整合をとることはできない。
【００６５】
これに対し、本実施形態の電力増幅器では、出力整合回路４に高調波整合回路２６と所望波整合回路２７及びインダクタ５３が設けられ、インダクタ５３が高調波周波数の信号に対して高いインピーダンスを実現することにより、所望波整合回路２７が高調波周波数の信号に影響を与えないようになるため、高調波周波数の変調信号及び所望周波数の変調信号に対して独立に、増幅段３の変調信号出力端子３６と出力負荷１２とのインピーダンス整合をとることができ、それによって高効率動作を実現できる。
【００６６】
以下、図１０に示す測定結果を用いて本実施形態の電力増幅器の具体的な動作説明を行う。増幅段３は、Ａ級動作をしているときに所望波周波数の変調信号に対して出力負荷１２のインピーダンスがＺＡη＝６．５１７＋ｊ１．７７８の場合に、最大出力レベルは２６ｄＢｍ以上、歪みレベルは−３８ｄＢｃ以下、利得は１５ｄＢ以上という性能を有し、またＢ級動作をしているときに出力負荷１２のインピーダンスがＺＢη＝１０．２２４＋ｊ６．９７７の場合には、最大出力レベルは２３ｄＢｍ以上、歪みレベルは−３８ｄＢｃ以下、利得は１２ｄＢ以上という性能を有するものとする。
【００６７】
本実施形態において、電力増幅器の使用される状況がケースＡからケースＢに変わったときに変更を伴う構成要素は、図１における増幅段３、出力整合回路４、入力バイアス回路６及び出力バイアス回路７である。これ以外の入力整合回路２及び制御回路１０に関しては、特に変更を伴わないために、以下では入力整合回路２及び制御回路１０の動作説明を省略する。
【００６８】
まず、本実施形態の電力増幅器がケースＡで使用される場合、増幅段３はＡ級動作を行う。すなわち、制御回路１０からは増幅段３がＡ級動作を行うための制御信号８が出力整合回路４、入力バイアス回路６及び出力バイアス回路７へ送られる。
【００６９】
入力バイアス回路６では、制御回路１０からの制御信号８に従って抵抗６３または６４のいずれかが選択される。ケースＡの場合、仮に抵抗６３が選択されるとする。このとき、電流源６５から出力されたバイアス電流は、抵抗６３を通り、インダクタ６１を介して増幅段３の入力端子に供給される。すなわち、増幅段３の変調信号入力端子には増幅段３がＡ級動作を行うために必要なバイアス電流が供給される。
【００７０】
出力バイアス回路７では、制御回路１０からの制御信号８に従って抵抗７３が選択される。このとき、電流源７５から出力されたバイアス電流は抵抗７３を通り、インダクタ７１を介して増幅段３の出力端子に供給される。すなわち、増幅段３の出力端子には増幅段３がＡ級動作を行うために必要なバイアス電流が供給される。
【００７１】
このように入力バイアス回路６及び出力バイアス回路７から、増幅段３にＡ級動作を行うために必要なバイアス電流が供給されることにより、増幅段３はＡ級動作を行う。一方、出力整合回路４は、制御回路１０からの制御信号８に従って増幅段３が所望の特性で増幅動作を行うようにインピーダンス整合をとるように動作する。
【００７２】
ここで、増幅段３がＡ級動作を行っているとき、所望周波数の変調信号に対する最適な出力負荷のインピーダンスの値を図１０の測定結果よりＺＡη＝６．５１７＋ｊ１．７７８とする。この場合、出力整合回路４における所望波整合回路２７内の可変キャパシタ５５，５６は、出力整合回路４の出力端子５８に５０Ωの出力負荷１２が接続されたときに、出力整合回路４の信号入力端子５７から出力整合回路４側を見込んだインピーダンスがＺＡη＝６．５１７＋ｊ１．７７８となるように制御される。このとき、インダクタ５３のインダクタンスは５ｎＨ、可変キャパシタ５５，５６の容量値はそれぞれ１．９ｐＦ，４．３ｐＦとなる。
【００７３】
一方、インダクタ５３、所望波整合回路２７及び５０Ωの出力負荷１２の全てを見込んだ高調波周波数の変調信号に対するインピーダンスは、高調波周波数が所望周波数の２倍である３９００ＭＨｚの場合は１．７＋ｊ９２であり、反射係数でいうと０．９８＊ｅｘｐ（ｊ５７）となる。よって、本実施形態の電力増幅器によると、従来の電力増幅器では実現できなかった、高調波周波数の変調信号に対して十分な大きさを持つ反射係数が実現できる。
【００７４】
また、高調波周波数の変調信号に対するインピーダンス整合条件を説明の都合上、位相角が０°のときに最も効率が高くなるとすれば、インダクタ５３、所望波整合回路２７及び５０Ωの出力負荷１２の全てを見込んだ高調波周波数の変調信号に対する反射係数の位相角を０°とし、できる限り大きな反射係数を実現する必要がある。本実施形態において、この条件を満足するためには高調波整合回路２６のキャパシタ５２の容量値を０．３ｐＦ、可変インダクタ５１のインダクタンスを１．８ｎＨとすればよい。このとき、出力整合回路４の信号入力端子５７から高調波整合回路２６、インダクタ５３、所望波整合回路２７及び５０Ωの出力負荷１２を見込んだインピーダンス及び反射係数は、所望波周波数では６．４＋ｊ１．６及び０．８＊ｅｘｐ（ｊ１７６）、高調波周波数では４９００＋ｊ１６及び０．９８＊ｅｘｐ（ｊ０．００４）である。
【００７５】
このように制御回路１０により増幅段３、出力整合回路４、入力バイアス回路６及び出力バイアス回路７を制御することで、増幅段３にＡ級動作を行わせつつ、最大効率で増幅動作を行うことができる。
【００７６】
次に、増幅段３がケースＢで動作する場合、すなわち、Ａ級動作からＢ級動作に切り替わるときの動作について説明する。
まず、制御回路１０から制御信号８が入力バイアス回路６、出力バイアス回路７及び出力整合回路４に送られる。入力バイアス回路６では、制御回路１０からの制御信号８に従ってスイッチ６２によりバイアス電流供給路の抵抗が抵抗６３から抵抗６４へ切り替わる。このとき、電流源６５から出力されたバイアス電流は抵抗６４を通り、インダクタ６１を介して増幅段３の入力端子に供給される。すなわち、増幅段３の入力端子には増幅段３がＢ級動作を行うために必要なバイアス電流が供給される。
【００７７】
出力バイアス回路７では、制御回路１０からの制御信号８に従って抵抗７３が選択される。本実施形態では、出力バイアス電流の値をＡ級動作時とＢ級動作時で共通としているため、増幅段３に供給されるバイアス電流はケースＡのときと同じである。このように、入力バイアス回路６及び出力バイアス回路７から増幅段３にＢ級動作を行うために必要なバイアス電流が供給されることにより、増幅段３はＢ級動作を行う。
【００７８】
一方、出力整合回路４は、制御回路１０からの制御信号８に従って増幅段３が所望の特性で増幅動作を行うようにインピーダンス整合を行う。増幅段３がＢ級動作をするとき、所望周波数の変調信号に対する最適な出力負荷のインピーダンスの値を図１０の測定結果を用いてＺＢη＝１０．２２４＋ｊ６．９７７とする。この場合、出力整合回路４における所望波整合回路２７内の可変キャパシタ５５，５６は、出力整合回路４の出力端子５８に５０Ωの出力負荷１２が接続されたときに出力整合回路４の信号入力端子５７から出力整合回路４側を見込んだインピーダンスがＺＢη＝１０．２２４＋ｊ６．９７７となるように制御される。インダクタ５３は可変ではないため、そのインダクタンスはＡ級動作時と同じ５ｎＨである。キャパシタ５５，５６は可変キャパシタであり、容量値は制御回路１０からの制御信号８に従ってＡ級動作時の値から所望の値へ変更される。具体的には、キャパシタ５５の容量値は１．９ｐＦから２．４ｐＦ、キャパシタ５６の容量値は４．３ｐＦから３．３ｐＦへ変更される。
【００７９】
このときインダクタ５３、所望波整合回路２７及び５０Ωの出力負荷１２の全てを見込んだ高調波周波数の変調信号に対するインピーダンスは、高調波周波数が所望周波数の２倍である３９００ＭＨｚの場合に３．１＋ｊ９４であり、反射係数でいうと０．９７＊ｅｘｐ（ｊ５６）となる。よって、ケースＡの場合と同様にケースＢであっても、従来の電力増幅器では実現できなかった、高調波周波数の変調信号に対して十分な大きさを持つ反射係数が実現できる。
【００８０】
また、高調波周波数の変調信号に対するインピーダンス整合条件を説明の都合上、ケースＡの場合とは異なる位相角が１８０°のときに最も効率が高くなるとすれば、インダクタ５３、所望波整合回路２７及び５０Ωの出力負荷１２の全てを見込んだ高調波周波数の変調信号に対する反射係数の位相角を１８０°とし、できる限り大きな反射係数を実現する必要がある。この条件を満足するためには、高調波整合回路２６のキャパシタ５２の値を０．３ｐＦ、可変インダクタの値を５．６ｎＨとすればよい。このとき、出力整合回路４の信号入力端子５７から高調波整合回路２６、インダクタ５３、所望波整合回路２７、及び信号出力端子５８に接続された５０Ωの出力負荷１２を見込んだインピーダンス及び反射係数は、所望波周波数では１０．６＋ｊ７．１と０．６６＊ｅｘｐ（ｊ１６３）、高調波周波数では０．００１＋ｊ１．２と０．９９＊ｅｘｐ（ｊ１７７）である。
【００８１】
このように制御回路１０によって増幅段３、出力整合回路４、入力バイアス回路６及び出力バイアス回路７を制御することにより、Ａ級動作を行っていた増幅段３がＢ級動作を行い、かつ電力増幅器が出し得る最大効率で増幅動作を行うことができる。
【００８２】
上記の説明では、増幅段３のＡ級動作時及びＢ級動作時の所望周波数の変調信号に対する最適インピーダンスとして、ＺＡη＝６．５１７＋ｊ１．７７８とＺＢη＝１０．２２４＋ｊ６．９７７を用い、本実施形態の構成を用いればＺＡη＝６．５１７＋ｊ１．７７８とＺＢη＝１０．２２４＋ｊ６．９７７の両方のインピーダンスを実現できることを示したが、最適インピーダンスがこれら以外のインピーダンスであっても、本実施形態の構成により、その最適インピーダンスを実現することが可能である。
【００８３】
図１２に、本実施形態で用いた構成で実現できるインピーダンスの計算結果をスミスチャートを用いて示す。スミスチャート上で、斜線を施した部分が本実施形態の構成で実現できるインピーダンスの範囲である。図１０の場合と同様に、スミスチャートの中心は５０Ωである。本計算結果は、出力整合回路４の出力端子５８に出力負荷１２として５０Ωの抵抗負荷１２が接続されたときに信号入力端子５７より出力整合回路４側を見込んだインピーダンスである。計算する際に用いたインダクタ５３のインダクタンス値は５ｎＨであり、可変キャパシタ５５，５６の容量値の可変範囲はそれぞれ１．３〜１０ｐＦ，０．３〜１０ｐＦである。
【００８４】
バイポーラトランジスタを用いた電力増幅器において、実現し得る最大効率の増幅動作が可能な最適なインピーダンスの範囲は、インピーダンスの逆数であるアドミッタンスの表現を用いると、アドミッタンスの大きさが２５［Ｓ］以下の円の内部に存在する。よって、実使用上、必要となるであろうインピーダンスの値は、本実施形態の構成で実現できるインピーダンスの範囲内にある。しかし、最適なインピーダンスが本実施形態で実現できる図１２に示すインピーダンスの範囲外にあったとしても、出力整合回路４のインダクタンス５３の値を変化させることにより、本実施形態によって実現できるインピーダンスの範囲を広げることができるため、特に問題は無い。
【００８５】
一方、可変キャパシタ５５，５６の容量値可変範囲については、例えば図９に示したようにダイオード接続のトランジスタ９３，９８を用いたものでは、ＳｉＧｅのトランジスタで５０％程度の可変範囲を持ち、また、電圧を加えることにより容量値が変化するパッシブ素子である積層セラミックコンデンサでも、５０％程度の可変範囲が得られることが分かっている。容量値に関しては、ダイオード接続のトランジスタを用いる場合は、必要となる容量値を実現できる面積を持つトランジスタを用意し、また、積層セラミックコンデンサを用いる場合には、必要となる容量値のものを用意することにより、本実施形態で用いる可変キャパシタ５５，５６を実現することは十分可能である。
【００８６】
本実施形態では、入力整合回路２、増幅段３、出力整合回路４、入力バイアス回路６及び出力バイアス回路７にそれぞれ一つの具体例を示したが、これらの回路が例示した構成とは異なる場合であっても、本実施形態で説明した機能と同じ機能を有するものであれば、他の構成でも構わない。
【００８７】
また、本実施形態では、同一の無線通信システムにおいて出力レベルを変化させるために増幅器の動作級を変化させた場合を例に挙げて説明したが、変調方式が異なる複数の無線通信システムの変調信号を増幅する場合であっても、基本的な動作原理は同様である。
【００８８】
［第２の実施形態］
図１３に、本発明の第２の実施形態に係る電力増幅器の構成を示す。図１と同一部分に同一符号を付して第１の実施形態との相違点のみ説明すると、本実施形態は第１の実施形態において個別に設けられていた入力バイアス回路６及び出力バイアス回路７が入出力共用バイアス回路９に置き換えられ、これに伴い増幅段３ａ及び制御信号８の構成も一部変更されている。本実施形態の電力増幅器は、第１の実施形態と同様にケースＡの場合にＡ級動作、ケースＢの場合にＢ級動作を行うものとする。
【００８９】
本実施形態における増幅段３ａは、例えば図１４に示すようにバイポーラトランジスタ（この例では、ｎｐｎトランジスタ）１１０を用いたエミッタ接地増幅回路１１１、トランジスタ１１０のベース端子とコレクタ端子との間に接続された可変抵抗１１２、及びトランジスタ１１０のベース端子とグラウンド間に接続された可変抵抗１１３を有する。トランジスタ１１０のベース端子は変調信号入力端子１１５に接続され、トランジスタ１１０のコレクタ端子は変調信号出力端子１１７に接続される。可変抵抗１１２，１１３の抵抗値は、制御回路１０からの制御信号８に従って制御される。
【００９０】
トランジスタ１１０のコレクタ端子と可変抵抗１１２との接続点は、入出力バイアス線路１１４を介して入出力バイアス電流入力端子１１６に接続される。入出力バイアス電流入力端子１１６には、入出力共用バイアス回路９からバイアス電流が供給される。エミッタ接地増幅回路１１１は、入出力バイアス電流入力端子１１６及び入出力バイアス線路１１４を介して入出力バイアス電流が供給されたときに、変調信号入力端子１１５から入力された所望周波数の変調信号を利得倍に増幅し、変調信号出力端子１１７より出力する。
【００９１】
ここで、エミッタ接地増幅回路１１１の変調信号出力端子１１７に供給される出力バイアス電流は、入出力共用バイアス回路９から供給されるバイアス電流によって決定され、変調信号入力端子１１５に入力される入力バイアス電流は、入出力共用バイアス回路９から入力されるバイアス電流と可変抵抗１１２，１１３の値によって決定される。
【００９２】
可変抵抗１１２，１１３は、制御回路１０からの制御信号８に従って抵抗値が変化されることにより、所望の入力バイアス電流を増幅段３ａの変調信号入力端子１１５へ供給する。すなわち、本実施形態では可変抵抗１１２，１１３の抵抗値が制御されることにより、増幅段３ａの動作級がＡ級動作をＢ級動作とに切り替えられる。
【００９３】
図１５に、可変抵抗１１２，１１３の具体例を示す。二つの抵抗１３１，１３２が抵抗切替スイッチ１３３Ａ，１３３Ｂによって制御信号８に従って切り替えられることにより、抵抗値が二段階に切り替えられる構成となっている。
【００９４】
図１６には、入出力共用バイアス回路９の具体例を示す。増幅段３の入出力バイアス電流入力端子１１６に一端が接続されるインダクタ１２１、切替スイッチ１２２、抵抗１２３及び電流源１２５からなる。切替スイッチ１２２は、制御回路１０からの制御信号８により制御され、インダクタ１２１の他端に抵抗６３及び基準電位点（ここでは、グラウンド）のいずれかを接続する。
【００９５】
図１６から明らかなように、入出力共用バイアス回路９の構成は、第１の実施形態における図６に示した出力バイアス回路６の構成と同様であり、電流源１２５の構成も電流源７５の構成と同じである。ただし、本実施形態における入出力共用バイアス回路９は、第１の実施形態における入力バイアス回路６と出力バイアス回路７の両方の働きを担うものであるため、入力バイアス回路６と出力バイアス回路７で供給できるバイアス電流の両方を足し合わせた電流を供給できる能力を有する必要がある。入出力共用バイアス回路９において、電流源１２５で出力されたバイアス電流は抵抗１２３を通り、インダクタ１２１を介して増幅段３ａに供給される。
【００９６】
まず、ケースＡの場合には、増幅段３ａがＡ級動作をするように入出力共用バイアス回路９が制御される。すなわち、入出力共用バイアス回路９は増幅段３ａがＡ級動作を行うために必要なバイアス電流を供給する。増幅段３ａでは、可変抵抗１１２，１１３が制御されることにより、エミッタ接地増幅回路１１１がＡ級動作をするために必要な入力バイアス電流が作られ、変調信号入力端子１１５に供給される。
【００９７】
ケースＢの場合には、増幅段３ａがＢ級動作をするように入出力共用バイアス回路９が制御される。Ａ級動作時とＢ級動作時において、本実施形態の入出力共用バイアス回路９は同じバイアス電流を供給するため、ケースＡの場合と同じ働きをすることになる。すなわち、入出力共用バイアス回路９は増幅段３ａがＢ級動作を行うために必要なバイアス電流を供給する。増幅段３ａでは、可変抵抗１１２，１１３がＡ級動作時とは異なる抵抗値に変更されることにより、エミッタ接地増幅回路１１１がＢ級動作をするために必要な入力バイアス電流が作られ、変調信号入力端子１１５に供給される。
【００９８】
以上のように、入力整合回路２から出力された所望周波数の変調信号は増幅段３ａに入力され、増幅段３ａにより電力増幅される。増幅段３ａが非線形性を持つ場合は、増幅段３ａから所望周波数の変調信号と高調波周波数の変調信号が出力整合回路４へ出力される。以降、第１の実施形態で説明したように増幅段３ａがＡ級動作をする場合とＢ級動作をする場合とで、電力増幅器が発揮し得る最大効率で増幅動作を行うように出力整合回路４が制御される。
【００９９】
本実施形態では説明の都合上、増幅段３ａ及び入出力共用バイアス回路９にそれぞれ一つの具体例を示したが、これらの回路が例示した構成とは異なる場合であっても、本実施形態で説明した機能と同じ機能を有するものであれば、他の構成でも構わない。
【０１００】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る電力増幅器の全体的な構成は、第１の実施形態を示した図１と同様であり、増幅段のみが異なっている。
【０１０１】
図１７に、本発明の第３の実施形態における増幅段３ｂの具体例を示す。第１及び第２の実施形態においては、増幅段３，３ｂにバイポーラトランジスタを用いたが、本実施形態における増幅段３ｃは電界効果トランジスタ１４０を用いている。図１７では、図３に示した増幅段３のバイポーラトランジスタ３０によるエミッタ接地増幅回路３１が電界効果トランジスタ１４０によるソース接地増幅回路１４１に置き換わっただけであり、入力バイアス線路１４２、出力バイアス線路１４３、変調信号入力端子１４４、入力バイアス電流入力端子１４５、変調信号出力端子１４６及び出力バイアス電流入力端子１４７については、図３と同様である。
【０１０２】
図１に示した入力整合回路２、出力整合回路４、入力バイアス回路６、出力バイアス回路７及び制御回路１０の基本的な構成と動作は、本実施形態においても同様であるため、以下では電界効果トランジスタ１４０を用いた増幅段３ｂを中心に動作説明を行う。また、本実施形態に係る電力増幅器は、第１の実施形態と同様に、ケースＡの場合はＡ級動作、ケースＢの場合はＢ級動作を行うものとする。
【０１０３】
入力整合回路２から出力される所望波周波数の変調信号は、電界効果トランジスタ１４０を用いた増幅段３ｂへ入力される。電界効果トランジスタにおけるゲート端子、ソース端子及びドレイン端子は、それぞれバイポーラトランジスタのベース端子、エミッタ端子及びコレクタ端子に対応しており、第１の実施形態におけるエミッタ接地増幅回路３１と本実施形態のソース接地増幅回路１４１は、互いに同様の電力増幅動作を行う。また、バイポーラトランジスタと同様に、電界効果トランジスタであってもバイアス電流を制御することにより動作級を変えることも可能である。
【０１０４】
ただし、バイポーラトランジスタ及び電界効果トランジスタは物理構造が異なり、またトランジスタを製作する際に用いられる材料が異なる場合には、各々のトランジスタがＡ級動作及びＢ級動作をする場合に供給しなければならないバイアス電流の量は異なり、さらに最大効率の増幅動作が可能な出力負荷のインピーダンスも異なってくる。よって、本実施形態で用いられる入力バイアス回路６、出力バイアス回路７及び出力整合回路４においては、第１の実施形態と比較して供給すべきバイアス電流や変更すべき可変キャパシタの容量値等は異なる。しかし、供給すべきバイアス電流や変更すべき可変キャパシタの容量値等は異なったとしても、入力バイアス回路６、出力バイアス回路７、及び出力整合回路４の構成は第１の実施形態と同一のものが使用できる。
【０１０５】
ケースＡの場合、電界効果トランジスタ１４１を用いた増幅段３ｂがＡ級動作をするように、入力バイアス回路６、及び出力バイアス回路７は制御回路１０からの制御信号に従って制御された入力バイアス電流及び出力バイアス電流を供給する。同様に、ケースＢの場合には、増幅段３ｂがＢ級動作をするように、入力バイアス回路６、及び出力バイアス回路７は制御回路１０からの制御信号に従って制御された入力バイアス電流及び出力バイアス電流を供給する。
【０１０６】
すなわち、入力バイアス回路６では制御回路１０からの制御信号８により抵抗６３及び６４の切り替えが行われる。出力バイアス回路７はＡ級動作時とＢ級動作時で同一の働きを行うため、特に変化は無い。一方、出力整合回路４は、第１の実施形態で説明したように、増幅段３ｂがＡ級動作をする場合とＢ級動作をする場合とで、電力増幅器が発揮し得る最大効率で増幅動作を行うように制御回路１０によって制御される。
【０１０７】
「第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態として、上述した電力増幅器を用いた無線通信装置について説明する。図１８は、本実施形態に係る無線通信装置、例えば携帯電話機のような携帯無線機の受信側の構成を示している。本実施形態の無線通信装置は、二つの複数の無線通信システム（システムＡ及びシステムＢという）に対応可能に構成されている。
【０１０８】
図１８において、ベースバンド処理部２０１は送信時にＩ信号及びＱ信号と呼ばれる直交する二つのベースバンド信号を発生する。Ｉ信号及びＱ信号は直交変調器２０３に入力され、シンセサイザを用いたローカル信号源２０２からのローカル信号に従って直交変調器２０３内部の９０°移相器により生成される直交する二つの第１ローカル信号によって変調される。直交変調器２０３からの出力信号は、いわゆる中間周波数（ＩＦ）信号であり、可変利得増幅器２０４により増幅された後、ＩＦフィルタ２０５を経由してしてスイッチ２０６に入力される。ここで、直交変調器２０３、可変利得増幅器２０４及びＩＦフィルタ２０５はシステムＡとシステムＢに共用である。
【０１０９】
ＩＦフィルタ２０５からの出力信号は、スイッチ２０６によって、使用する無線通信システムがシステムＡの場合はシステムＡ用周波数変換器２０７に、システムＢの場合はシステムＢ用周波数変換器２０８にそれぞれ入力され、シンセサイザを用いたローカル信号源２０９からの第２ローカル信号に従って所望のＲＦ周波数までアップコンバートされる。システムＡ用周波数変換器２０７及びシステムＢ用周波数変換器２０８からの出力信号は、それぞれシステムＡ用第１ＲＦフィルタ２１０及びシステムＢ用第１ＲＦフィルタ２１１を経て、システムＡとシステムＢに共用の可変利得増幅器２１２により所要の電圧レベルまで増幅された後、システムＡ用第２ＲＦフィルタ２１３及びシステムＢ用第２ＲＦフィルタ２１４に入力される。
【０１１０】
システムＡ用第２ＲＦフィルタ２１３及びシステムＢ用第２ＲＦフィルタ２１４からの出力信号は、システムＡとシステムＢに共用の電力増幅器２１５によって電力増幅される。電力増幅器２１５からの出力信号は、カプラ２１６、アイソレータ２１７、デュプレクサ２１８及びスイッチ２１９を経てアンテナ２２０に供給され、電波として放射される。カプラ２１６、アイソレータ２１７、デュプレクサ２１８及びスイッチ２１９も、それぞれシステムＡとシステムＢに共用である。
【０１１１】
このような構成の無線通信装置おいて、電力増幅器２１５には先の実施形態で説明した電力増幅器が用いることにより、変調信号の違いや出力レベルの違いに応じて電力増幅器２１５の動作級を変化させたときでも最大効率での増幅動作を実現することができ、良好な送信特性が得られる。
【０１１２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【０１１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば高出力、高利得及び高効率の電力増幅器を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力増幅器の構成を示すブロック図
【図２】同実施形態における入力整合回路の具体例を示す回路図
【図３】同実施形態における増幅段の具体例を示す回路図
【図４】同実施形態における入力バイアス回路の具体例を示す回路図
【図５】電流源の具体例を示す回路図
【図６】同実施形態における出力バイアス回路の具体例を示す回路図
【図７】同実施形態における出力整合回路の具体例を示す回路図
【図８】図７における可変インダクタの具体例を示す回路図
【図９】図７における高調波整合回路のより具体的な構成例を示す回路図
【図１０】電力増幅器のＡ級動作時とＢ級動作時に最大効率で増幅動作を行うために必要な所望周波数の変調信号に対する出力負荷インピーダンスの測定結果の例を示す図
【図１１】所望周波数の２倍の高調波周波数の変調信号に対する出力負荷の反射係数の位相角と電力増幅器の効率の関係の測定結果の例を示す図
【図１２】同実施形態における出力整合回路のインピーダンス可変範囲について示す図
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る電力増幅器の構成を示すブロック図
【図１４】同実施形態における増幅段の具体例を示す回路図
【図１５】図１４における可変抵抗器の具体例を示す回路図
【図１６】同実施形態における入出力共用バイアス回路の具体例を示す回路図
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る増幅段の構成を示す回路図
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１：信号入力端子、２：入力整合回路、３，３ａ，３ｂ：増幅段、４：出力整合回路、５：信号出力端子、６：入力バイアス回路、７：出力バイアス回路、８：制御信号、９：入出力共用バイアス回路、１０：制御回路、１１…信号源、１２…出力負荷、３１：エミッタ接地増幅回路、３２：入力バイアス線路、３３：出力バイアス線路、３４：信号入力端子、３５：入力バイアス電流入力端子、３６：信号出力端子、３７：出力バイアス電流入力端子、５１：可変インダクタ、５２：キャパシタ、５３：インダクタ、５５：可変キャパシタ、５６：可変キャパシタ、５７：信号入力端子、５８：信号出力端子、６１：インダクタ、６２：切り替えスイッチ、６３：抵抗、６４：抵抗、６５：電流源、７１：インダクタ、７２：切り替えスイッチ、７３：抵抗、７５：電流源、８１：インダクタ、８２：インダクタ、８３：切り替え用スイッチ、９０：キャパシタ、９１：インダクタ、９２：抵抗、９３：ダイオード接続のトランジスタ、９４：インダクタ、９５：キャパシタ、９６：インダクタ、９７：抵抗、９８：ダイオード接続のトランジスタ、９９：キャパシタ、１００：電源、１０１：抵抗、１０３：ダイオード接続のトランジスタ、１０６：トランジスタ、１０８：電流出力端子、１１０：信号入力端子、１１１：エミッタ接地増幅回路、１１２：可変抵抗、１１３：可変抵抗、１１４：入出力バイアス線路、１１５：入出力バイアス電流入力端子、１１６：信号出力端子、１２１：インダクタ、１２２：切り替えスイッチ、１２３：抵抗、１２５：電流源、１３１：抵抗、１３２：抵抗、１３３：切り替えスイッチ、１４１：ソース接地増幅回路、１４２：入力バイアス線路、１４３：出力バイアス線路、１４４：信号入力端子、１４５：入力バイアス電流入力端子、１４６：信号出力端子、１４７：出力バイアス電流入力端子。

Claims (7)

1. 信号源からの所望周波数の変調信号が入力される変調信号入力端子と該入力される変調信号を増幅する増幅回路及び増幅された所望周波数及び高調波周波数の変調信号を出力する変調信号出力端子を有する増幅段と；
   前記所望周波数の変調信号に対して前記信号源と前記変調信号入力端子とのインピーダンス整合をとる入力整合回路と；
   前記変調信号入力端子にバイアスを供給する入力バイアス回路と；
   前記変調信号出力端子にバイアスを供給する出力バイアス回路と；
   前記所望周波数及び高調波周波数の変調信号に対して前記変調信号出力端子と負荷とのインピーダンス整合をとる出力整合回路と；
   前記入力バイアス回路と出力バイアス回路のバイアス値並びに前記出力整合回路の前記所望周波数及び高調波周波数の変調信号に対するインピーダンスを制御する制御回路とを具備する電力増幅器。
2. 信号源からの所望周波数の変調信号が入力される変調信号入力端子と該入力される変調信号を増幅する増幅回路及び増幅された変調信号を出力する変調信号出力端子を有する増幅段と；
   前記所望周波数の変調信号に対して前記信号源と前記変調信号入力端子とのインピーダンス整合をとる入力整合回路と；
   前記変調信号入力端子及び変調信号出力端子にバイアスを供給する入出力共用バイアス回路と；
   前記所望周波数及び高調波周波数の変調信号に対して前記変調信号出力端子と負荷とのインピーダンス整合をとる出力整合回路と；
   前記入出力バイアス回路のバイアス値並びに前記出力整合回路の前記所望周波数及び高調波周波数の変調信号に対するインピーダンスを制御する制御回路とを具備する電力増幅器。
3. 前記出力整合回路は、前記変調信号出力端子から出力される所望周波数及び高調波周波数の変調信号を一端から入力して他端へ伝送する信号線路と、前記信号線路に挿入されたインダクタと、前記信号線路の前記一端に接続され、前記高調波周波数の変調信号に対して前記変調信号出力端子と負荷とのインピーダンス整合をとる高調波整合回路と、前記信号線路の前記他端に接続され、前記所望周波数の変調信号に対して前記変調信号出力端子と負荷とのインピーダンス整合をとる所望波整合回路とを有する請求項１または２記載の電力増幅器。
4. 前記所望波整合回路は、前記信号線路に挿入された第１のキャパシタと、前記信号線路と基準電位点間に挿入された第２のキャパシタとを有し、前記第１及び第２のキャパシタの少なくとも一方は前記制御回路により容量値が制御される可変キャパシタである請求項３記載の電力増幅器。
5. 前記制御回路は、前記変調信号の変調方式または前記電力増幅器に必要とされる出力レベルに応じて前記バイアス値を制御すると共に前記出力整合回路の前記所望周波数及び高調波周波数の変調信号に対するインピーダンスを制御する請求項１または２記載の電力増幅器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力増幅器を送信回路部に有する無線通信装置。
7. 第１及び第２の無線通信システムに対応可能な無線通信装置において、
   送信回路部に前記第１及び第２の無線通信システムに共用される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力増幅器を有する無線通信装置。

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