JPH10506516A - 無線周波システムに用いるパワー・コンバイナおよびパワー・コンバイナの作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 パワー・コンバイナに結合される増幅器の集合104を支援する複数の位相化伝送線路122および複数の整合化伝送線路124を含むパワー・コンバイナ。最低値と最高値との間で選択可能の増幅器数を有する増幅器の集合104。整合化伝送線路124の各々は、その一端が位相化伝送線路122の内の１つに結合され他端は共通ノード126に結合される。整合化伝送線路124の各々は、増幅器の集合104における最低および最高の増幅器数の関数に従って決まる実質的に等価の特性インピーダンスを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 無線周波システムに用いるパワー・コンバイナおよび パワー・コンバイナの作成方法 発明の分野 本発明は、一般に無線周波システムに関し、さらに詳しくは、無線周波システ ムに用いるパワー・コンバイナ（power combiner）に関する。 発明の背景 拡張型の線型電力増幅器は、セルラ基地局における使用が提唱されてきた。こ れらのシステムは、いくつかの線型電力増幅器モジュールを含み、線型電力増幅 器モジュールはその数と一致する数の出力信号を生成し、これらの出力信号は送 信に先駆けて単一の高出力信号に結合する必要がある。こうしたシステムは通常 、無線電話システムの基地サイトのような通信システムで使われる。こうしたシ ステムでは、線型電力増幅器モジュールの数が許容される増幅器の最低数から最 高数までのどれかの数になることが望ましい。このようにして、基地局の送信ユ ニットにより出力される電力の量を調整することができる。さらに、システ ムは選択された増幅器の範囲、すなわち増幅器の最低数から増幅器の最高数まで の範囲全体にわたって、十分な電力増幅効率を提供することが望ましい。 しかし、ウィルキンソン型コンバイナのような従来のパワー・コンバイナは、 使用可能な増幅器のすべてが存在するときに限り効率的であり、最高数に満たな い増幅器が選択されるときにはインピーダンスの不整合と抵抗性の回路素子のた めに急速に非効率的になる。たとえば、ウィルキンソン型10:１コンバイナは、 コンバイナに単一の増幅器が結合されているときは効率性がわずか10％になる。 この最高増幅に満たない低い効率性は、拡張型線型増幅器の用途にとって望まし くない。 この問題に対処するために提案された装置は、欧州特許EP 0540286 A1（'286 特許）で説明される。'286特許は、設置済み増幅器の選択可能の整数にて最大の 効率性を有するコンバイナ設計に運用できる２段階インピーダンス変換プロセス を説明する。この整数は、増幅器の最低数と最高数の間で選択される。説明され た'286特許のコンバイナは、ウィルキンソン型コンバイナよりも効率的に作動す るように見えるが、'286特許には欠陥がある。選択された整数で最大効率を強制 することは、増幅器の最低数から最高数までの典型的範囲で最適以下の性能を生 じさせる。これは、最適効率の場所が普通は整数値にないためである。 従って、コンバイナに結合することのできる増幅器の範 囲全体にわたって、コンバイナの有効帯域幅を損なうことなく、高い効率性を維 持する改善されたパワー・コンバイナの必要性がある。 発明の概要 本発明は、無線周波システムに用いるパワー・コンバイナとパワー・コンバイ ナの作成方法を提供することで、この必要性に対処する。本発明の解釈によると パワー・コンバイナは、パワー・コンバイナに結合された増幅器の集合を支援す る複数の位相化伝送線路（phasing transmission line）と、複数の整合化伝送 線路（matching transmission line）によって構成される。増幅器の集合は、最 低値と最高値の間で選択可能の増幅器数を有する。好適な実施例において、位相 化伝送線路の各々は波長の４分の１に実質的に等価の長さと、システム特性イン ピーダンスに等しい特性インピーダンスを有する。整合化伝送線路の各々は、そ の一端が位相化線路の内の１つに結合され、他端が共通ノードに結合される。整 合化伝送線路の各々は、波長の４分の１に実質的に等価の長さと、増幅器集合に おける増幅器の最低数と最高数の関数に従って決まる特性インピーダンスを有す る。好ましくは、この関数は集合内の増幅器の最高数の最低数倍の４乗根で構成 される。 本発明のさらなる解釈によると、パワー・コンバイナは増幅器集合を支援する 複数の位相化伝送線路と、位相化伝送線路の各々に結合される変成線路（transf orming line）で構成される。増幅器の集合は、最低値と最高値の間で選択可能 の増幅器数を有する。位相化伝送線路の各々は、波長の２分の１に実質的に等し い長さと、システム特性インピーダンスに等しい特性インピーダンスを有する。 変成線路は、波長の４分の１に等しい長さと、増幅器集合における増幅器の最低 数と最高数の関数に従って決まる特性インピーダンスを有する。好ましくは、こ の関数は集合内の増幅器の最高数の最低数倍の４乗根の逆数で構成される。 本発明のさらなる解釈によると、パワー・コンバイナの作成方法は、パワー・ コンバイナに結合される増幅器集合を支援する複数の並列位相化伝送線路を設け る段階，複数の整合化伝送線路を設ける段階および増幅器集合における増幅器の 最低数と最高数の非線型関数に従って整合化伝送線路の特性インピーダンスを決 める段階を含む。増幅器の集合は、最低値と最高値の間で選択可能の増幅器数を 有する。整合化伝送線路の各々は、その一端が位相化線路の内の１つに結合され 、他端が共通ノードに結合される。整合化伝送線路の各々は、実質上等価の特性 インピーダンスを有する。 本発明そのものは、付随する利点と共に、以下の詳細な説明と添付の図面を参 照することにより、よく理解頂ける であろう。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明の好適な実施例によるスプリッタおよびパワー・コンバイナ を備える無線周波回路のブロック図である。 第２図は、第１図のパワー・コンバイナの好適な実施例の概略図である。 第３図は、４つの入力を有するパワー・コンバイナの好適な実施例の概略図で ある。 第４図は、第１図のパワー・コンバイナの別の好適な実施例の概略図である。 第５図は、従来技術による装置に関して好適な実施例の改善された効率性を図 示するグラフである。 好適な実施例の詳細な説明 第１図を参照し、パワー・スプリッタとパワー・コンバイナ100を含む無線周 波（RF）回路が示される。パワー・スプリッタとパワー・コンバイナ回路100は 、パワー・スプリッタ回路102，増幅器の集合104およびパワー・コンバイナ106 を含む。パワー・スプリッタ102は、入力信号108を受信し、入力信号108は複数 の出力信号に分離されることに なる。パワー・スプリッタ102からの複数の出力信号は、電力増幅器集合104内の 個々の電力増幅器に供給される。電力増幅器104の出力は、パワー・コンバイナ1 06にそれぞれ供給される。コンバイナ106は、増幅器集合104からの出力の各々を 受信して、出力信号110を生成する。好適な実施例において、パワー・スプリッ タ102は増幅器集合104に結合され、増幅器集合104はパワー・コンバイナ106に結 合される。好適な実施例によりパワー・スプリッタ102またはパワー・コンバイ ナ106の機能のいずれかを実行するための回路は、第２図に関して示される。こ うした回路はパワー・スプリッタとしても構成されうるが、便宜上、この回路を パワー・コンバイナと称する。 第２図を参照し、好適な実施例によるパワー・コンバイナ120が示される。パ ワー・コンバイナ120は、複数の位相化伝送線路122，複数の整合化伝送線路124 ，共通ノード126，出力負荷128および入力ノードの集合130を含む。入力ノード 集合130は、増幅器集合104内の増幅器にそれぞれ結合される。位相化伝送線路12 2の各々は、その一端が入力ノード130の内の１つに接続され、他端が整合化伝送 線路124の内の１つに接続される。位相化伝送線路122の各々は、出力負荷128と 実質的に等価の特性インピーダンスを有する。この例においては、出力負荷が50 オームのインピーダンスを有するので、位相化伝送線路の各々は約50オームの特 性インピーダンスを有する。また、位相化伝送線路122の各々 は、４分の１波長に等しい長さを有する。 整合化伝送線路124の各々は、共通ノード126に接続される。これにくわえて、 整合化伝送線路124の各々は、４分の１波長またはその奇数の倍数に等しい長さ を有する。さらに、整合化伝送線路124の各々は、増幅器集合104における増幅器 の最低数と最高数の関数に従って決まる特性インピーダンスを有する。好適な実 施例において、この関数は非線型関数である。最も好ましくは、この関数は増幅 器の最低数と増幅器の最高数の積の４乗根であり、次にこれに負荷インピーダン ス128が掛けられる。しかしながら、３乗根関数のような他の非線型関数は４乗 根関数ほどに最適でないにしろ、適当な性能を提供する。この式は、第２図にお いて整合化伝送線路124の付近に示される。共通ノード126は、整合化伝送線路12 4の各々に接続され、さらに負荷（通常は50オームの抵抗）128にも接続される。 第２図に関する上記の説明は、パワー・コンバイナ106を示するが、回路120もま たパワー・スプリッタ102としての使用に適する。 第３図を参照し、最低１つの増幅器と最高４つの増幅器を有するパワー・コン バイナ140の例が示される。コンバイナ140は、４つの位相化伝送線路142，４つ の整合化伝送線路１44および共通ノード146を含む。位相化伝送線路142の各々は 、50オームのインピーダンスと４分の１波長に等しい長さとを有する。整合化伝 送線路の各々は、４分の１波長の長さと、約70.71オームの特性インピーダンス を有す る。整合化伝送線路144のインピーダンスは、上記で説明された好適な４乗根式 に従って決まる。当業者は、パワー・コンバイナ回路140が多数の利点を有する ことを理解するだろう。たとえば、パワー・コンバイナ回路140は、コンバイナ1 40に接続することのできる増幅器の範囲にわたって改善された電力と効率性を提 供する。さらに、好適な回路140は、コンバイナの有効帯域幅を損なうことなく 改善された効率性を提供する。 第４図を参照し、パワー・コンバイナ200の第２好適実施例が示される。コン バイナ200は、位相化線路202と、出力ノード206に接続される変成線路204とを含 む。出力ノード206は、負荷抵抗208に接続される。位相化線路202は、増幅器集 合104を支援し、増幅器集合104に結合される入力ノードの集合210の内の１つに それぞれ接続される。位相化伝送線路202は、２分の１波長の長さをそれぞれ有 し、約50オームの特性インピーダンスをそれぞれ有する。変成線路204は、その 一端が位相化線路202の各々に結合され、他端が出力ノード206に結合される。変 成線路204は、４分の１波長の長さを有する。好適な実施例において、変成線路2 04は第４図に示された式に従って決まる特性インピーダンスを有する。変成線路 の特性インピーダンスは、負荷抵抗インピーダンスを、入力集合210に接続可能 の増幅器の最低数と入力210に接続可能の増幅器の最高数の積の４乗根で割るこ とによって計算される。 当業者は、コンバイナ120により適した用途と、コンバイナ200により適した用 途があろうことを理解するだろう。コンバイナ120またはコンバイナ200のいずれ を使用するかを決める１つの要因は、変成線路204の計算される特性インピーダ ンスおよび長さである。一部の用途では、変成線路204の特性インピーダンスが 小さすぎて、既存の変成線路技術をもって実現できないかもしれない。この場合 は、第２図で図示されたコンバイナ120がかわりに使われるべきである。また当 業者は、ここで説明される変成線路はすべてストリップ線路技術のような周知の 変成線路技術に従って生産されうることを理解するだろう。好ましくは、実際的 な寸法の制約を考慮し、選定される変成線路技術は、200メガヘルツを上回る周 波数での用途に適するべきである。 好適な実施例は多数の利点を有する。たとえば、好適なコンバイナは、コンバ イナに結合される増幅器の範囲にわたって高い効率性を維持する。より具体的に 、第５図は好適な実施例と、ウィルキンソンおよび'286特許の従来技術の装置と の間での効率性の比較を図示する。従来技術の装置が60ないし75％の最悪の事例 の効率性を有するのに対し、好適な実施例は89パーセント超の効率性を維持する 。よって、好適な実施例は、範囲全体にわたってより一貫した性能を提供する。 さらに、他の利点および修正も当業者には容易に可能であろう。従って本発明 は、そのより広い意味で、ここに図 示および説明される特定の詳細，代表的装置および図例に限られない。本発明の 範囲または精神から離れずに、上記の仕様に種々の修正および変形を行なうこと ができ、本発明は、これらすべての修正および変形が以下の添付の請求項および その等価事項の範囲にある限り、これらすべての修正および変形を包含するもの である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．無線周波システムに用いるパワー・コンバイナであって： それに結合された増幅器の集合を支援する複数の位相化伝送線路であって、前 記集合は最低数と最高数との間で選択可能の増幅器数を有する複数の位相化伝送 線路；および それぞれが第１および第２末端を有する複数の整合化伝送線路であって、前記 第１末端は位相化線路の内の１つに結合され前記第２末端は共通ノードに結合さ れ、各整合化伝送線路が前記増幅器集合における選択可能の最低および最高増幅 器数の関数に従って決まる実質的に等価の特性インピーダンスを有する複数の整 合化伝送線路； によって構成されることを特徴とするパワー・コンバイナ。 ２．前記位相化伝送線路の各々が波長の４分の１の長さを有する請求項１記載 のパワー・コンバイナ。 ３．前記関数が集合における選択可能の増幅器の最低数および最高数の積の４ 乗根によって構成される請求項１記載のパワー・コンバイナ。 ４．前記最低数が２であり、前記最高数が４であり、ならびに前記特性インピ ーダンスが約８０オームから約９０オームの間である請求項１記載のパワー・コ ンバイナ。 ５．無線周波システムに用いるパワー・コンバイナを作成 する方法であって： それに結合された増幅器の集合を支援する複数の並列位相化伝送線路を設ける 段階であって、前記集合が最低数および最高数の間で選択可能の増幅器数を有す る段階； それぞれが第１および第２末端を有する複数の整合化伝送線路を設ける段階で あって、前記第１末端は位相化線路の内の１つに結合され前記第２末端は共通ノ ードに結合され、整合化伝送線路の各々が実質的に等価の特性インピーダンスを 有する段階；および 前記増幅器集合における最低および最高の選択可能の増幅器の非線型関数に従 って特性インピーダンスを決める段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ６．前記無線周波システムが無線電話システムの基地サイトによって構成され る請求項５記載の方法。 ７．無線周波システムに用いるパワー・コンバイナであって： それに結合される増幅器の集合を支援する複数の並列位相化伝送線路であって 、前記集合は最低値および最高値の間で選択可能の増幅器数を有し、前記位相化 伝送線路の各々が波長の２分の１またはその倍数に実質的に等しい長さを有する 複数の並列位相化伝送線路；および 一端が位相化線路の各々に結合され、前記増幅器集合における最低および最高 の増幅器数の関数に従って決まる特 性インピーダンスを有する変成線路； によって構成されることを特徴とするパワー・コンバイナ。 ８．前記変成線路が抵抗出力負荷に結合され、前記位相化伝送線路が出力負荷 のインピーダンスと実質的に等しい特性インピーダンスをそれぞれ有する請求項 ７記載のパワー・コンバイナ。 ９．前記長さが２分の１波長の倍数に実質的に等しい請求項７記載のパワー・ コンバイナ。 10．前記関数が集合における増幅器の選択可能の最低数および最高数の積の４ 乗根の逆数である請求項７記載のパワー・コンバイナ。