JP2013192135A

JP2013192135A - ドハティ増幅器

Info

Publication number: JP2013192135A
Application number: JP2012058284A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Uchiyama; 和弘内山
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-26

Abstract

【課題】ピークアンプの効率を向上させることが可能なドハティ増幅器。
【解決手段】キャリア増幅器２へ入力するＲＦ変調信号からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部１と、キャリア増幅器２に入力されるＲＦ変調信号の包絡線を検波する検波部４と、検波部４から出力される包絡線の大きさを予め定めた閾値と比較する比較部５と、比較部５の出力で制御されＰＷＭ信号生成部１とピーク増幅器３との間に配置されるＲＦスイッチ部４と、ピーク増幅器３の出力に接続される濾波器７と、濾波器７の出力に配置するλ／４遅延線路８とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドハティ増幅器に関するものである。

近年、移動通信システムの基地局等に適用される高周波大電力増幅器に対する高効率化の要望が高まっており、これを実現する一つの方法として、ドハティ増幅器が広く使われている。

ドハティ増幅器は、当業者の間では既知の技術であり、Ａ級又はＡＢ級でバイアスされたキャリア増幅器と、Ｂ級又はＣ級でバイアスされたピーク増幅器が並列に配置されることを特徴とする増幅器である（非特許文献１参照）。このような構成とすることで、最大出力からのバックオフが６ｄＢより大きな低出力領域ではキャリア増幅器のみが動作するため、従来のストレート増幅器より高効率な動作が可能となる。

なお、ドハティ増幅器の動作原理については、例えば、非特許文献２などの文献により当業者によく知られているので、ここではその詳細な説明を省略する。

しかしながら、例えば実際のＲＦデバイスでは、Ｃ級バイアスに設定したとしても入力信号レベルの増加と共に緩やかに動作が始まる。つまり、ピーク増幅器は理想的なＯＮ−ＯＦＦ動作をしない。そのため、ドハティ増幅器の特徴であるバックオフが６ｄＢでの最大効率が、キャリア増幅器単体の最大効率より大きく劣るといった課題があり、ドハティ増幅器の実機における動作効率を向上させる検討が当業者の間で盛んに行われている。

上記課題を解決するためには、例えば、特許文献１に入力信号の包絡線情報を抽出して、その包絡線情報に応じてキャリア増幅器に供給するための電圧を算出し、当該算出電圧と予め定めた閾値とを比較して、キャリア増幅器に供給する電圧を変更するバイアス制御回路を備えたドハティ増幅器が提案されている。

国際公開第２０１０／０８４５４４号

"A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves" ，Proceedings of the Institute of Radio Engineers，Vol.24，No.9，pp.1163-1182 September 1936 "Advanced Techniques in RF Power Amplifiers"，Steve C. Cripps，Artech House 2002 p50

しかしながら、特許文献１に開示された公知技術によれば、ドハティ増幅器の動作効率の向上には効果があるが、複雑な回路構成の電源変調部を持つこと、電源変調部において電力損失が発生すること、および、算出部による信号伝達遅延からキャリア増幅器の出力信号とピーク増幅器の出力信号との間に位相差が発生するといった課題がある。

本発明は、上記課題を解決するため、キャリア増幅器へ入力するＲＦ変調信号からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、前記キャリア増幅器に入力される前記ＲＦ変調信号の包絡線を検波する検波部と、前記検波部から出力される包絡線の大きさを予め定めた閾値と比較する比較部と、前記ＰＷＭ信号生成部と前記ピーク増幅器との間に配置され、前記比較部の出力で動作制御するＲＦスイッチ部と、前記ピーク増幅器の出力信号の所定の周波数を遅延する濾波器と、前記濾波器の出力信号をアナログな信号に変換するλ／４遅延線路を具備することを特徴とする構成を採る。

本発明によれば、ピーク増幅器の入力にはキャリア増幅器で出力が不足する時間領域のみを抜き出したＰＷＭ信号とする構成としたので、ピーク増幅器における動作不要時の無駄な消費電力が発生することは無い。また、ピーク増幅器の入力信号がパルス形状となるので、ピーク増幅器を効率の優れたスイッチング増幅器とすることが可能となり、ピーク増幅器をＢ級またはＣ級にバイアスする従来のドハティ増幅器より動作効率が大きく向上する。

本発明の実施の形態１の構成を示した図本発明のドハティ増幅器の効率を従来技術と比較した特性図ローパスフィルタ型のＬＣ遅延回路を示す図ローパスフィルタ型のＬＣ遅延回路のインピーダンス変換特性図ローパスフィルタ型のＬＣ遅延回路の遅延特性図ローパスフィルタ型のＬＣ遅延回路の通過特性図本発明の実施の形態２の構成を示した図

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１を示す図である。１はＰＷＭ信号生成部、２はキャリア増幅器、３はピーク増幅器、４は検波部、５は比較部、６はＲＦスイッチ部、７は濾波器、８はλ／４遅延線路である。

次に、動作について説明する。図１に示すように、ＲＦアナログ信号はＰＭＷ信号生成部１に入力される。ＰＭＷ信号生成部１ではＲＦアナログ信号からＲＦ−ＰＭＷ信号を生成し、キャリア増幅器２へ入力するＲＦアナログ信号と、ピーク増幅器３へ入力するＲＦ−ＰＷＭ信号とを時間軸での位相を合わせた状態で出力する。キャリア増幅器２へ入力する信号の一部を取り出し、検波部４でＲＦアナログ信号の包絡線を検波する。比較部５では、検波した包絡線を予め決めた閾値と比較してＲＦスイッチ部４の制御信号を生成する。基本的にはキャリア増幅器２が飽和する入力レベルに閾値を設定するが、それ以外の条件に設定しても良い。ＲＦスイッチ６は、ＲＦスイッチ部４からの制御信号を受けＲＦ−ＰＷＭ信号を通過させる。そうすることで、キャリア増幅器２が飽和出力に達する時にのみピーク増幅器３は動作するので、不要時の無駄な消費電力を削減できる。

また、ピーク増幅器３への入力信号はパルス波形のＰＷＭ信号であるので増幅器に線形性は不要なため、必然的に消費電力が発生するリニア増幅器ではなく、理論効率を１００％とするスイッチング増幅器を用いることができる。

また、ピーク増幅器３の出力には所望の周波数を通過させる濾波器７を配置するのでピーク増幅器３から出力されたＲＦ−ＰＷＭ信号はＲＦアナログ信号に戻され、λ／４遅延線路８の出力信号はキャリア増幅器２の出力信号と合成することが可能となる。

また、上記合成する際に、キャリア増幅器２とピーク増幅器３との間に信号の伝達遅延が生じた場合でも、前述のようにＰＷＭ信号生成部１に各経路間の伝送遅延を調整する機能を備えることで遅延の修復が可能である。

なお、図１に示すＰＷＭ信号生成部１は、ＲＦアナログ信号とＰＷＭ搬送波を入力してＲＦ−ＰＷＭ信号を生成する構成としているが、ベースバンド処理を行ってＲＦ−ＰＷＭ信号を生成しても構わない。

このような構成とすることで、ピーク増幅器３の理論上の動作効率は１００％となるので、図２に示すように、従来のドハティ増幅器における理論上の最大効率が７８．５％であったのに対して、本発明のドハティ増幅器では８８．０％まで向上させることが出来る。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２を示す図である。１はＰＷＭ信号生成部、２はキャリア増幅器、３はピーク増幅器、４は検波部、５は比較部、６はＲＦスイッチ部、９はＬＣ遅延回路である。図１と同一の機能を有する構成要素については、同じ記号を付している。

次に、実施の形態２の動作について説明する。

ドハティ増幅器では、キャリア増幅器２から見たピーク増幅器３の出力インピーダンスの変換が重要である。基本的な構成例では、ピーク増幅器３がＯＦＦのときはＨｉｇｈインピーダンスに見えるように設定する。ピーク増幅器３がONのときはピーク増幅器３の出力インピーダンスを１００Ωとして、キャリア増幅器２との結合部（図示しない）でのインピーダンスを２５Ωとなるように設定する。この動作は、５０Ωのλ／４波長線路をピーク増幅器３の出力に配置することで実現する。

このインピーダンスを変換する回路は、ＬＣフィルタで構成することもできる。

一般に知られるように、λ／４波長（θ＝９０°）の遅延線路の伝送マトリクスは数式１で、ＬＣで構成したπ型ローパスフィルタの伝送マトリクスは数式２で表すことが出来る。ここで、両者が同じ特性と仮定すると、［ＡＢＣＤ_Ｚ０］と［ＡＢＣＤ_ＬＣ］は等しいと置くことができ、数式３を得る。すなわち、数式３を満たすように回路定数を選べば、λ／４遅延線路をＬＣフィルタと置き換えることができる。

例えば、図３にＲＦ信号の周波数を１００ＭＨｚとした場合のローパスフィルタ型のＬＣ遅延回路９の回路構成例を示す。このＬＣ遅延回路９は、図４に示すように線路のインピーダンスを１００Ωから２５Ωに変換する。また、図５は、ＬＣ遅延回路９における入出力間の通過位相特性を示し、１００ＭＨｚの入出力間の位相差が９０度（λ／４波長）であることがわかる。よって、ＬＣ遅延回路９は、ドハティ増幅器に必要なλ／４遅延線路（インピーダンス変換回路）と同様のピーク増幅器の出力インピーダンス変換特性を得る。

図３のＬＣ遅延回路９における通過利得特性を図６に示す。この図から解るように、ＬＣ遅延回路９を通過することで、高調波成分は大きく減衰する。そのため、ＬＣ遅延回路９をピーク増幅器３の出力インピーダンス変換回路として用いることで、ピーク増幅器３から出力されるＲＦ−ＰＷＭ信号の高調波成分は濾過され、キャリア増幅器２との結合部（図示しない）ではアナログ信号に戻る。

そのため、ピーク増幅器３から出力されるパルス形状のＲＦ−ＰＷＭ信号はＬＣ遅延回路９を通すことでＲＦアナログ信号に戻り、キャリア増幅器２から出力されるＲＦアナログ信号と電力合成することが可能となる。

このような構成とすることで、実施の形態１に示すドハティ増幅器の効果に加え、回路の実装面積が小さいドハティ増幅器が実現する。

高周波増幅器のみならず高周波増幅器以外にも、入力レベルの変動する電力増幅器の高効率化にも適用できる。

１ＰＷＭ信号生成部
２キャリア増幅器
３ピーク増幅器
４検波部
５比較部
６ＲＦスイッチ部
７濾波器
８ λ／４遅延線路
９ＬＣ遅延回路

Claims

キャリア増幅器へ入力するＲＦ変調信号からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、前記キャリア増幅器に入力される前記ＲＦ変調信号の包絡線を検波する検波部と、前記検波部から出力される包絡線の大きさを予め定めた閾値と比較する比較部と、前記ＰＷＭ信号生成部と前記ピーク増幅器との間に配置され、前記比較部の出力で動作制御するＲＦスイッチ部と、前記ピーク増幅器の出力信号の所定の周波数を遅延する濾波器と、前記濾波器の出力信号をアナログな信号に変換するλ／４遅延線路を具備することを特徴とするドハティ増幅器。
前記濾波器と前記λ／４遅延線路の代わりにローパスフィルタ型のＬＣ遅延回路を具備することを特徴とする請求項１記載のドハティ増幅器。