JP2002344255A - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 良好な整合条件を複数与えることで、広い範
囲の出力電力での効率を向上させることができる高周波
電力増幅器を得る。 【解決手段】 本発明においては、ダイオードスイッチ
等からなる能動素子２０を用いた高調波整合回路１８を
備えるので、高調波整合回路１８の共振周波数を上記能
動素子２０の状態遷移によって任意に与えることができ
る。そのため、良好な整合条件を複数持つことができ、
広い範囲の出力レベルで効率を上げることが可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界効果トランジ
スタやバイポーラトランジスタ等を備えた高周波電力増
幅器、特に移動体通信やマイクロ波帯通信機等に使用す
る高効率増幅器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１２に、特開２０００−１０６５１０
号公報に記載された、従来の高周波電力増幅器の例を示
した概略のブロック図を示す。図１２に示す高周波信号
の増幅を行う高周波電力増幅器１は、電界効果トランジ
スタやバイポーラトランジスタ等の能動素子からなる高
周波信号の増幅を行う増幅素子２と、信号入力端子３に
入力される高周波信号に対してインピーダンス整合を行
う入力整合回路４、及び増幅素子２の出力端から出力さ
れた高周波信号に対するインピーダンス整合を行う出力
整合回路５からなる。

【０００３】図１３は、図１２で示した高周波電力増幅
器の具体例を示した回路図である。図１３において、図
１２と同一の符号は、図１２に示されたものと同一また
は相当なものであることを示す。

【０００４】図に示されるように、ソース接地された電
界効果トランジスタ（以下「ＦＥＴ」と呼ぶ）２は、ド
レインバイアス線路８からドレインバイアス電圧が印加
され、ゲートには増幅を行う高周波信号が入力される。
ドレインバイアス線路８には、パスコン７が並列に付加
されている。第３次高調波整合回路６は、ドレインバイ
アス線路８の線路長を調整することで、第３次高調波の
インピーダンス整合を行って、ＦＥＴ２の出力端での第
３次高調波のインピーダンスを十分に小さい短絡負荷に
している。また、第２次高調波整合回路９は、ＦＥＴ２
の出力端における第２次高調波のインピーダンスを十分
に大きい開放負荷にすることで、逆Ｆ級電力増幅器とし
て動作する。また、ＦＥＴ２で増幅され第３次高調波整
合回路６及び第２次高調波整合回路９によって高調波処
理された信号は、基本波整合回路１０を介して信号出力
端子１１から出力される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
高周波電力増幅器は、抵抗やコンデンサ等の受動素子お
よびマイクロストリップラインを用いて、基本波整合回
路と高調波整合回路が形成されていた。つまり、ＦＥＴ
２に対して単一の整合条件しか与えられず、複数の条件
を与えたい場合には、トレードオフとなる特性間で最適
なトレードオフポイントを与える必要があった。したが
って、そのような場合には、必ずしも求められる高周波
電力増幅器としての性能を与えられるとは限らない、と
いう問題があった。

【０００６】図１４は、従来の高周波電力増幅器の入出
力特性を表す図である。入力電力に対する、出力電力の
関係１２と、電力変換効率の関係１３をそれぞれ示して
いる。従来、移動体通信機等のアプリケーションでは最
大出力時の高効率化を求められており、受動素子からな
る出力整合回路を用いた電力増幅器では、図から分かる
ように、出力電力が下がると同時に電力変換効率も下が
っていた。

【０００７】図１５は、移動体通信機のフロントエンド
部のブロック図を示している。いま、移動体通信機では
複数の通信方式の採用や、送受信に使用する周波数帯の
増加に伴い、電力増幅器１からアンテナ１４までの間の
経路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの数が増え、それら経路１
５ａ、１５ｂ、１５ｃ間の損失差が発生していると共
に、フィルタ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ等の影響で損失が
大きくなっている。尚、経路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの
切り替えはスイッチ１７によって行われている。また、
このスイッチ１７の制御は、移動体通信機の制御部４１
によって行われる。

【０００８】このような経路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ間
の損失差を補完するために、現在、電力増幅器１からの
出力電力の切り替えが要求されている。そして、現行の
歪特性等の電気的特性を保ったまま、最大出力電力を増
加させることを前提条件として要求されている。しか
し、図１４に示されるように、最大出力電力を上げるこ
とは、従来の単一の整合条件のもとにおいては、現行の
出力電力時の効率を低下させるという問題点がある。

【０００９】本発明は、上記のような問題を解決するた
めになされたものであり、良好な整合条件を複数与える
ことで、広い範囲の出力電力での効率を向上させること
ができる高周波電力増幅器を得ることを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る高周波電
力増幅器は、高周波信号の増幅を行う第１の能動素子
と、該第１の能動素子の出力端に接続され、該出力端か
ら出力される高周波信号に対するインピーダンス整合を
行う出力整合回路とを備えた高周波電力増幅器におい
て、該出力整合回路は、基本波に対するインピーダンス
整合を行う基本波整合回路と、基本波以外の高調波に対
するインピーダンス整合が可能であるとともに、第２の
能動素子を有し共振周波数の切り替えが可能な高調波整
合回路とを備えたものである。

【００１１】又、高調波整合回路が、外部からの制御信
号により第２の能動素子が制御されることで、共振周波
数が切り替えられるものである。

【００１２】又、第２の能動素子がダイオードであるも
のである。

【００１３】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、本発明の
実施の形態における高周波電力増幅器１００を示した回
路図である。図１において、図１３と同一の符号は、図
１３に示されたものと同一または相当なものであること
を示す。

【００１４】図中、１８はダイオードスイッチを用いた
高調波整合回路、２０はＰＩＮダイオード、２４、２５
はコンデンサ、２６はバイアス回路、２７はバイアス電
源端子、２８はインダクタ、２９は抵抗器である。バイ
アス回路２６には、端子２７以降のインピーダンスが見
えにくいように、直列にインダクタ２８とレジスタ２９
が付加されている。

【００１５】図２は、本実施の形態における高周波電力
増幅器１００を備えた、移動体通信端末機のフロントエ
ンド部を示すブロック図である。図２において、図１５
と同一の符号は、図１５に示されたものと同一または相
当なものであることを示す。図中Ａは、移動体通信機の
制御部４１より、高周波電力増幅器１００に与えられる
制御信号である。

【００１６】図１に戻り、バイアス電源端子２７に制御
部４１から与えられる制御信号Ａに基づいて、バイアス
回路２６からダイオード２０に与えられる電力によって
ダイオード２０の状態は遷移し、ダイオード２０はＯＮ
状態では例えば０．５Ω程度の抵抗成分２２として働
き、ＯＦＦ状態では例えば０．６ｐＦ程度の容量成分と
して働く。

【００１７】図３は、図１に示した高調波整合回路１８
を示す回路図である。図３に示すように、高調波整合回
路１８は信号線路３７に並列型の容量可変回路３９が付
加されており、この容量可変回路３９は、２つのコンデ
ンサ２４（容量値α）、２５（容量値β）、ＰＩＮダイ
オード２０、及び該ダイオード２０へのバイアス回路２
６で構成されている。

【００１８】このような並列型の容量可変回路３９にお
いては、ダイオード２０がＯＮの状態では、図４に示す
等価回路のように、ダイオード２０は抵抗成分２２とし
て働くので、回路３９の容量値Ｃ１としては下記の式
（１）のようになる。 Ｃ１＝α＋β ・・・・・（１）

【００１９】一方、ダイオード２０がＯＦＦの状態で
は、図５に示す等価回路のように、ダイオード２０は容
量成分２３（容量値γ）として働き、回路３９の容量値
Ｃ２は下記の式（２）のようになる。 Ｃ２＝｛α×（β＋γ）＋β×γ｝／（β＋γ） ・・・・・（２）

【００２０】尚、図４は、図３に示される並列型の容量
可変回路３９において、ダイオード２０がＯＮ状態の場
合における等価回路を示す図であり、図５は、ダイオー
ド２０がＯＦＦ状態の場合における等価回路を示す図で
ある。

【００２１】又、図６に、複数のＰＩＮダイオードを用
いた本発明に係る高調波整合回路の変形例１９を示す。
図６において、図１と同一の符号は、図１に示されたも
のと同一または相当なものであることを示す。図に示す
ように、任意の数のダイオード２０ａ、２０ｂ・・・、
コンデンサ２１ａ、２１ｂ・・・及びバイアス回路２６
ａ、２６ｂ・・・を用いて構成される。これを利用する
ことで、ＯＮ／ＯＦＦの状態遷移とコンデンサ２１の組
み合わせにより、任意の容量値を選択することが可能と
なる。

【００２２】又、図７に、本発明に係る高調波整合回路
の他の変形例３０を示す。図７において、図３と同一の
符号は、図３に示されたものと同一または相当なもので
あることを示す。図に示すように、この高調波整合回路
３０は信号線路３７に直列型容量可変回路４０が付加さ
れており、図８に示すように、ダイオード２０がＯＮの
状態では、回路４０の容量値Ｃ３は、下記の式（３）の
容量値になる。 Ｃ３＝（α×β）／（α＋β） ・・・・・（３） 一方、図９に示すように、ＯＦＦの状態の容量値Ｃ４
は、下記の式（４）のようになる。 Ｃ４＝α×（β＋γ）／（α＋β＋γ） ・・・・・（４）

【００２３】尚、図８は、図７に示される並列型の容量
可変回路４０において、ダイオード２０がＯＮ状態の場
合における等価回路を示す図であり、図９は、ダイオー
ド２０がＯＦＦ状態の場合における等価回路を示す図で
ある。

【００２４】このように、本発明においては、ダイオー
ドスイッチ等からなる能動素子を用いた高調波整合回路
を備えるので、高調波整合回路の共振周波数を上記能動
素子の状態遷移によって任意に調節することができる。

【００２５】図１３に示される従来の高周波電力増幅器
においては、第２次高調波整合回路９によって、ＦＥＴ
２出力端の第２次高調波のインピーダンスは十分にイン
ピーダンスの大きい開放負荷にある。このとき、第２次
高調波整合回路９に接続されているコンデンサ３８の容
量値は信号線路３７の長さと第２次高調波の周波数に基
づいて定められるが、例えば基本波の周波数帯が９００
ＭＨｚ付近の場合には、３ｐＦ程度のコンデンサが付加
されている。このときに効率、ゲイン、歪み等を最適化
した、基本波のインピーダンスは図９に示す３３にあ
る。

【００２６】一方、本実施の形態における高調波整合回
路１８を用いて、並列型容量可変回路３９の容量をダイ
オード２０がＯＦＦ状態では３ｐＦ程度、ＯＮ状態で７
ｐＦ程度になるように、コンデンサ２４,２５の容量を
決定する。これにより、ダイオード２０をＯＦＦ状態か
らＯＮ様態に遷移させると、図９の符号３３から符号３
４への移動にて示されるように、ＦＥＴ端における基本
波のインピーダンスを、インピーダンスの低いほうに動
かす事ができる。

【００２７】基本波の整合条件はインピーダンスの低い
ほうに動くことで、よりゲインマッチになり、歪みを保
ったままで最大出力電力を上げる事ができる。ただし、
高調波整合回路１８は、ダイオード２０がＯＦＦ状態で
は第２次高調波のスタブとして働いているが、ＯＮ状態
では共振周波数は第２次高調波の帯域からずれるため
に、本来の第２次高調波性整合回路としての役割は失
う。つまり、ＯＮ状態では、最大出力電力を上げる事が
できるが反面、第２次高調波のスプリアスレベルは大き
くなる。

【００２８】ここで、図１１に、図１で示した高周波電
力増幅器の入出力特性を示す。この図に示されるよう
に、効率の高い範囲が広くなる。

【００２９】本発明によれば、能動素子を備えた高調波
整合回路を従来の受動素子からなる第２次高調波整合回
路の代わりに用いることで、最大出力電力の切り替え可
能な電力増幅器が実現でき、そのため、効率の高い範囲
が広くなる。つまり、良好な整合条件を複数持つこと
で、広い範囲の出力レベルで効率を上げることが可能と
なっている。

【００３０】尚、第２次高調波のスプリアスレベルは、
電力切り替え時（ダイオード２０がＯＮ状態の時）には
劣化することとなる。しかし、一般に、移動体通信機の
信号経路にはフィルタが挿入されることから、スプリア
スレベルの許容量は大きくなることが予想され、スプリ
アスレベルの劣化は実際には問題とはならない。

【００３１】

【発明の効果】この発明に係る高周波電力増幅器は、高
周波信号の増幅を行う第１の能動素子と、該第１の能動
素子の出力端に接続され、該出力端から出力される高周
波信号に対するインピーダンス整合を行う出力整合回路
とを備えた高周波電力増幅器において、該出力整合回路
は、基本波に対するインピーダンス整合を行う基本波整
合回路と、基本波以外の高調波に対するインピーダンス
整合が可能であるとともに、第２の能動素子を有し共振
周波数の切り替えが可能な高調波整合回路とを備えたの
で、良好な整合条件を複数与えることができ、そのた
め、広い範囲の出力電力での効率を向上させることが可
能となる。

【００３２】又、高調波整合回路が、外部からの制御信
号により第２の能動素子が制御されることで、共振周波
数が切り替えられるので、整合条件の切り替えを容易に
行うことが可能となる。

【００３３】又、第２の能動素子がダイオードであるの
で、高調波整合回路を安価に製造することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態における高周波電力増幅
器を示した概略ブロック図である。

【図２】 本発明の実施の形態における高周波電力増幅
器を備えた移動体通信端末機のフロントエンド部のブロ
ック図である。

【図３】 本発明の実施の形態における高調波整合回路
の例を示した図である。

【図４】 図３の並列型の容量可変回路３９において、
ダイオードがＯＮ状態での等価回路を示した図である。

【図５】 図３の並列型の容量可変回路３９において、
ダイオードがＯＦＦ状態での等価回路を示した図であ
る。

【図６】 本発明の実施の形態における高調波整合回路
の変形例を示した図である。

【図７】 本発明の実施の形態における高調波整合回路
の例を示した図である。

【図８】 図７の直列型の容量可変回路４０において、
ダイオードがＯＮ状態での等価回路を示した図である。

【図９】 図７の直列型の容量可変回路４０において、
ダイオードがＯＮ状態での等価回路を示した図である。

【図１０】 図１で示した高周波電力増幅器を用いて最
大出力電力切り替えを行った場合における、基本波のイ
ンピーダンスの遷移を示した図である。

【図１１】 図１で示した最大電力切り替え可能な高周
波電力増幅器の入出力特性を示した図である。

【図１２】 従来の高周波電力増幅器の例を示した概略
ブロック図である。

【図１３】 図１２に示した高周波電力増幅器の回路の
具体例を示した図である。

【図１４】 図１３で示した、高周波電力増幅器の入出
力特性を示した図である。

【図１５】 移動体通信端末機のフロントエンド部のブ
ロック図である。

【符号の説明】 １ 高周波電力増幅器、 ２ 増幅素子（第１の能動素
子）、３ 信号入力端子、 ４ 入力整合回路、 ５
出力整合回路、６ 第３次高調波整合回路、 ７、７
ａ、７ｂ コンデンサ、８ ドレインバイアス線路、
９ 第２次高調波整合回路、１０ 基本波整合回路、
１１ 信号出力端子、１２ 入力電力に対する出力電力
線の関係、１３ 入力電力に対する電力付加効率の関
係、 １４ アンテナ、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 経
路、１６ａ，１６ｂ、１６ｃ フィルタ、 １７ 信号
線路切り替えスイッチ、１８，１９，３０ 高調波整合
回路、２０、２０ａ、２０ｂ ＰＩＮダイオード（第２
の能動素子）、２１，２３，２４，２５，３８ コンデ
ンサ、２２，２９、２９ａ、２９ｂ 抵抗器、 ２６
バイアス回路、２７、２７ａ、２７ｂ バイアス電源端
子、２８、２８ａ、２８ｂ インダクタ、 ３１ 接続
端子、３３ 通常出力時の基本波のインピーダンス、３
４ 高出力時の基本波のインピーダンス、３５ ドレイ
ンバイアス電源端子、 ３６，３７ 信号線路、３９
並列型容量可変回路、 ４０ 直列型容量可変回路、４
１ 制御部、 １００ 高周波電力増幅器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 彰 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5J067 AA01 AA04 AA41 CA36 CA75 FA20 HA02 HA09 HA19 HA25 HA29 HA33 HA38 KA00 KA12 KA29 KA41 KA68 KS11 LS01 SA13 TA01 TA02 TA05 5J092 AA01 AA04 AA41 CA36 CA75 FA20 HA02 HA09 HA19 HA25 HA29 HA33 HA38 KA00 KA12 KA29 KA41 KA68 SA13 TA01 TA02 TA05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波信号の増幅を行う第１の能動素子
   と、該第１の能動素子の出力端に接続され、該出力端か
   ら出力される高周波信号に対するインピーダンス整合を
   行う出力整合回路とを備えた高周波電力増幅器におい
   て、 該出力整合回路は、基本波に対するインピーダンス整合
   を行う基本波整合回路と、基本波以外の高調波に対する
   インピーダンス整合が可能であるとともに、第２の能動
   素子を有し共振周波数の切り替えが可能な高調波整合回
   路とを備えたことを特徴とする高周波電力増幅器。
2. 【請求項２】 高調波整合回路は、外部からの制御信号
   により第２の能動素子が制御されることで、共振周波数
   が切り替えられることを特徴とする請求項１記載の高周
   波電力増幅器。
3. 【請求項３】 第２の能動素子はダイオードであること
   を特徴とする請求項１又は２記載の高周波電力増幅器。