JP2021180472A - 整合回路、電力増幅回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力増幅回路の効率を向上させることを目的とする。【解決手段】 電力増幅器から増幅信号が入力される入力端子と、出力端子と、一端が前記入力端子に接続され、他端が前記出力端子に接続される第１インダクタと、前記第１インダクタと並列に接続される第１キャパシタと、一端が前記入力端子に接続され、他端が接地に接続される第２インダクタと、前記第２インダクタと並列に接続される第１直列共振回路と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、整合回路、電力増幅回路に関する。

携帯電話などの移動通信端末では、基地局へ送信するＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を増幅する電力増幅回路を用いている。電力増幅回路は、その効率を向上させるために整合回路を備える。

ＵＳ９６６０６０６

特許文献１に記載の整合回路は、第１端子と第２端子を有する第１メタルトレースを備える。第１メタルトレースは、第１端子が電圧源に接続され、第２端子がパワーアンプ出力に接続されている。また、特許文献１に記載の整合回路は、第３端子と第４端子を有する第２メタルトレースを備える。第２メタルトレースの第３端子は、第１メタルトレースの第２端子に接続されている。第２のメタルトレースの第４端子は、出力端子に接続される。そして、第１メタルトレースには、キャパシタが並列に接続されている。

しかしながら、特許文献１に記載の整合回路では、パワーアンプの出力における２倍高調波インピーダンスが制御できないため、電力増幅回路の効率が低下する虞があった。

そこで、本開示は、電力増幅回路の効率を向上させることを目的とする。

本発明の一側面に係る整合回路は、電力増幅器から増幅信号が入力される入力端子と、出力端子と、一端が前記入力端子に接続され、他端が前記出力端子に接続される第１インダクタと、前記第１インダクタと並列に接続される第１キャパシタと、一端が前記入力端子に接続され、他端が接地に接続される第２インダクタと、前記第２インダクタと並列に接続される第１直列共振回路と、を備える。

本発明の一側面に係る整合回路は、第１電力増幅器と第２電力増幅器との間に設けられる整合回路であって、前記第１電力増幅器から増幅信号が入力される入力端子と、出力端子と、一端が前記入力端子に接続され、他端が前記出力端子に接続される第１０インダクタと、前記第１０インダクタと並列に接続される第６キャパシタと、一端が前記出力端子に接続され、他端が接地に接続される第１１インダクタと、を備える。

本開示によれば、電力増幅回路の効率を向上させる整合回路を提供することができる。

第１実施形態に係る電力増幅回路の構成の概要を示す図である。 整合回路の概要を示す図である。 整合回路の等価回路を示す図である。 整合回路の基本周波数におけるスミスチャートである。 第２実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す図である。 第３実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す図である。 第４実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す図である。 第５実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す図である。 第６実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す図である。 第７実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す図である。 第８実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す図である。 第９実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す図である。 第１０実施形態に係る電力増幅回路の構成の一例を示す図である。 ドライバアンプから見た周波数の変化に対する負荷インピーダンスの一例を示すスミスチャートである。 第１０実施形態に係る整合回路の等価回路を示す図である。 第１０実施形態に係る整合回路の基本波の周波数帯における負荷インピーダンスの動きの一例を示すスミスチャートである 第１０実施形態に係る電力増幅回路の構成の第１変形例の構成の一例を示す図である。 第１０実施形態に係る電力増幅回路の構成の第２変形例の構成の一例を示す図である。

以下、各図を参照しながら本開示の各実施形態について説明する。ここで、同一符号の回路素子は、同一の回路素子を示すものとし、重複する説明を省略する。

＝＝＝第１実施形態に係る電力増幅回路１００の構成＝＝＝
図１は、第１実施形態に係る電力増幅回路１００の構成の概要を示す図である。電力増幅回路１００は、例えば、携帯電話等の移動体通信機に搭載され、入力信号ＲＦｉｎの電力を基地局に送信するために必要なレベルまで増幅し、これを出力信号ＲＦｏｕｔとして出力する。入力信号ＲＦｉｎは、例えばＲＦＩＣ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等により所定の通信方式に応じて変調された無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号である。入力信号ＲＦｉｎの通信規格は、例えば２Ｇ（第２世代移動通信システム）、３Ｇ（第３世代移動通信システム）、４Ｇ（第４世代移動通信システム）、５Ｇ（第５世代移動通信システム）、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）−ＦＤＤ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）、ＬＴＥ−ＴＤＤ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）、ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ、又はＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｒｏ等を含み、周波数は、例えば数百ＭＨｚ〜数十ＧＨｚ程度である。なお、入力信号ＲＦｉｎの通信規格及び周波数はこれらに限られない。

電力増幅回路１００は、例えば電力増幅器１１０および整合回路１２０を備える。

電力増幅器１１０は、それぞれ、入力されるＲＦ信号を増幅して出力する。電力増幅器１１０は、整合回路（不図示）を通じて入力端子から入力される入力信号ＲＦｉｎを増幅して、ＲＦ信号ＲＦ１（増幅信号）を出力する。電力増幅器１１０は、それぞれ、例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのトランジスタにより構成される。なお、電力増幅器１１０は、ＨＢＴの代わりに電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成されてもよい。この場合、コレクタ、ベース、エミッタを、それぞれ、ドレイン、ゲート、ソースに読み替えればよい。なお、以下では、特に記載のない限り、トランジスタがＨＢＴにより構成される場合を例として説明する。

整合回路１２０は、電力増幅回路１００のインピーダンスと負荷のインピーダンスを整合させる。また、整合回路１２０は、例えば、偶数次高調波において負荷インピーダンスをゼロに近づけ、奇数次高調波において負荷インピーダンスを無限大に近づける。すなわち、整合回路１２０によって、電力増幅回路１００は、Ｆ級として動作する。以下、整合回路１２０について詳細に説明する。

＝＝整合回路１２０の構成＝＝
図１に示すように、整合回路１２０は、電力増幅器１１０から、入力信号ＲＦｉｎが増幅されたＲＦ信号が入力される入力端子１２１と、出力信号ＲＦｏｕｔが出力される出力端子１２２とを備える。

整合回路１２０は、例えば第３次高調波の負荷インピーダンスを無限大に近づけるために、一端が入力端子１２１に接続され、他端が出力端子１２２に接続されるインダクタ１２３と、インダクタ１２３と並列に接続されるキャパシタ１２４とを備える。本発明における無限大とは、例えば、基本周波数における負荷インピーダンスに対して、約３倍以上となるインピーダンスと定義する。

また、整合回路１２０は、例えば、一端が入力端子１２１に接続され、他端が所定の電位１２７に接続されるインダクタ１２５と、インダクタ１２５と並列に接続される共振回路１２６とを備える。ここで、インダクタ１２５は、例えば、インダクタ１２３と磁界結合するように配置されていることが望ましい。これにより、整合回路１２０は、基本周波数における負荷インピーダンスを調整できる。

共振回路１２６は、例えば、直列共振回路であり、第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。本発明におけるゼロとは、例えば、基本周波数における負荷インピーダンスに対して、約３分の１となるインピーダンスと定義する。

ここで、インダクタ１２５の他端に接続される所定の電位１２７は、電力増幅器１１０に供給される電源とは異なるものであることが望ましく、例えばグランドである。

なお、インダクタ１２５の他端に接続される所定の電位１２７は、電力増幅器１１０に供給される電源であることを妨げない。この場合、電力増幅器１１０は、当該電源によって、ＲＦ信号の包絡線に応じて制御された可変電源電圧Ｖｃｃを、電力増幅回路１００に供給する。

以下、所定の電位を「グランド」として説明する。

＝＝整合回路１２０の作用＝＝
図２Ａ、図２Ｂ、図３を参照しつつ、整合回路１２０の作用について説明する。図２Ａは、整合回路の概要を示す図である。図２Ｂは、整合回路１２０の等価回路を示す図である。図３は、整合回路１２０の基本周波数におけるスミスチャートである。

図２Ａに示す整合回路１２０は、図２Ｂに示すような等価回路で表現できる。この等価回路に基づいて、整合回路１２０の基本周波数における、整合回路１２０のインピーダンスの動作について説明する。

図３では、一例として、出力端子１２２に５０ｏｈｍの負荷インピーダンスが接続され、入力端子１２１から出力端子１２２を見た負荷インピーダンスが２０ｏｈｍとなることにつき示す。

図３に示すように、負荷インピーダンスは、出力端子１２２からスタートしてキャパシタ１２４で容量性に移行された後、インダクタ１２３１によって実部付近に移行される。そして、負荷インピーダンスは、１：ｎの理想的なバランの作用によって、１／ｎ²のインピーダンスに移行される。その後、インダクタ１２５１によって誘導性に移行され、さらに、インダクタ１２５２によって誘導性に移行される。そして、負荷インピーダンスは、共振回路１２６によって実部付近に戻される。

共振回路１２６は、インダクタとキャパシタとで構成される直接共振回路であり、第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。

また、インダクタ１２３とキャパシタ１２４とで形成される回路は、入力端子１２１から出力端子１２２を見た第３次高調波の負荷インピーダンスを無限大に近づける。

これにより、電力増幅回路１００は、基本波周波数に影響を与えることなく、Ｆ級動作に近づけることにとなるため、電力効率を向上できる。

＝＝＝第２実施形態に係る電力増幅回路２００＝＝＝
図４は、第２実施形態に係る電力増幅回路２００の構成の一例を示す図である。なお、第２実施形態に係る電力増幅回路２００は、上述の第１実施形態に係る電力増幅回路１００と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。また、同様の構成による同様の作用効果につき、逐次言及しない。これらについては、以降の実施形態に係る電力増幅回路３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００おいても同様とする。

図４に示すように、電力増幅回路２００の整合回路２２０は、整合回路１２０と比較して、共振回路１２６に替えて、第１共振回路２２６ａ、スイッチ２２６ｂ、および第２共振回路２２６ｃを設けたものである。

第１共振回路２２６ａは、例えば、直列共振回路であり、基本周波数に対する第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。

スイッチ２２６ｂは、第１共振回路２２６ａと直列に接続される。

第２共振回路２２６ｃは、第１共振回路２２６ａおよびスイッチ２２６ｂと並列に接続される。第２共振回路２２６ｃは、例えば、直列共振回路であり、基本周波数とは異なる周波数に対する第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。

整合回路２２０は、スイッチ２２６ｂがオフのとき、所定の周波数帯域において、入力端子２２１から出力端子２２２を見たときの第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。一方、整合回路２２０は、スイッチ２２６ｂがオンすると、所定の周波数帯域とは異なる周波数帯域において、入力端子２２１から出力端子２２２を見たときの第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。

これにより、整合回路２２０は、電力増幅回路２００を広帯域化できる。

＝＝第３実施形態に係る電力増幅回路３００＝＝
図５は、第３実施形態に係る電力増幅回路３００の構成の一例を示す図である。

図５に示すように、電力増幅回路３００の整合回路３２０は、整合回路１２０と比較して、共振回路３２６ａ、当該共振回路３２６ａと並列に接続される、キャパシタ３２６ｂ、インダクタ３２６ｃおよびスイッチ３２６ｄを設けたものである。

共振回路３２６ａは、例えば、直列共振回路であり、２倍高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。

キャパシタ３２６ｂ、インダクタ３２６ｃ、およびスイッチ３２６ｄは、直列に接続される。

インダクタ３２６ｃは、インダクタ３２３またはインダクタ３２５の少なくともいずれかと磁界結合するように配置されることが望ましい。この場合、スイッチ３２６ｄがオンすると、インダクタ３２６ｃに電流が流れ、磁界結合するインダクタ３２３またはインダクタ３２５のインダクタンス値が増減する。これにより、整合回路３２０は、基本周波数において、入力端子３２１から出力端子３２２を見たときの負荷インピーダンスを調整できる。さらに言うと、スイッチ３２６ｄのオンオフで負荷インピーダンスが動き、第２次高調波の負荷インピーダンスが生じた場合において、磁界結合による調整が可能となる。

＝＝第４実施形態に係る電力増幅回路４００＝＝
図６は、第４実施形態に係る電力増幅回路４００の構成の一例を示す図である。

図６に示すように、電力増幅回路４００の整合回路４２０は、整合回路３２０と比較して、共振回路３２６ａがキャパシタ４２６ａ、インダクタ４２６ｂ、およびスイッチ４２６ｃで構成されている。

インダクタ４２６ｂは、インダクタ４２３またはインダクタ４２５の少なくともいずれかと磁界結合するように配置されることが望ましい。この場合、スイッチ４２６ｃがオンすると、インダクタ４２６ｂに電流が流れ、磁界結合するインダクタ４２３またはインダクタ４２５のインダクタンス値が増減する。

これにより、スイッチ４２６ｃをオンオフすることで、基本周波数における入力端子４２１から出力端子４２２を見たときの負荷インピーダンスの値を選択的に調整できる。すなわち、インダクタ４２３またはインダクタ４２５の少なくともいずれかと磁界結合するインダクタ４２６ｂによって、第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づけるとともに、基本周波数のインピーダンスも同時に調整できる。
＝＝第５実施形態に係る電力増幅回路５００＝＝

図７は、第５実施形態に係る電力増幅回路５００の構成の一例を示す図である。

図７に示すように、電力増幅回路５００の整合回路５２０は、整合回路１２０と比較して、共振回路１２６に替えて、キャパシタ５２６ａ、インダクタ５２６ｂ，５２６ｄおよびスイッチ５２６ｃで構成されているものである。

キャパシタ５２６ａは、一端が整合回路５２０の入力端子５２１に接続される。

インダクタ５２６ｂは、一端がキャパシタ５２６ａの他端に接続され、他端がスイッチ５２６ｃに接続される。

スイッチ５２６ｃは、一端がインダクタ５２６ｂの他端に接続され、他端がグランド５２７に接続される。

インダクタ５２６ｄは、一端がキャパシタ５２６ａの他端に接続され、他端がグランド５２７に接続される。すなわち、インダクタ５２６ｄは、インダクタ５２６ｂおよびスイッチ５２６ｃと並列に接続されている。

整合回路５２０は、スイッチ５２６ｃがオフのとき、所定の周波数帯域において、入力端子５２１から出力端子５２２を見たときの第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。一方、整合回路５２０は、スイッチ５２２ｃがオンすると、所定の周波数帯域とは異なる周波数帯域において、入力端子５２１から出力端子５２２を見たときの第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。

これにより、整合回路５２０は、電力増幅回路５００を広帯域化できる。

＝＝第６実施形態に係る電力増幅回路６００＝＝
図８は、第６実施形態に係る電力増幅回路６００の構成の一例を示す図である。

図８に示すように、電力増幅回路６００の整合回路６２０は、整合回路５２０の共振回路５２６と比較して、キャパシタ５２６ａをインダクタ６２６ａに替えて、インダクタ５２６ｂ，５２６ｄをキャパシタ６２６ｂ，６２６ｄに替えたものである。

これにより、第５実施形態に係る電力増幅回路５００と同様に、整合回路６２０は、電力増幅回路６００を広帯域化できる。

＝＝第７実施形態に係る電力増幅回路７００＝＝
図９は、第７実施形態に係る電力増幅回路７００の構成の一例を示す図である。

図９に示すように、電力増幅回路７００は、電力増幅回路１００、２００、３００、４００、５００、６００と比較して、電力増幅器７１０のエミッタとコレクタとを、インダクタ７１１ａとキャパシタ７１１ｂとで構成される直列共振回路７１１で接続したものである。電力増幅器７１０のエミッタと直列共振回路７１１とは、共通のグランド７１３に接続されている。ここで、直列共振回路７１１は、例えば、電力増幅器７１０とともに半導体基板７３０上に形成されている。

各素子の接続関係の一例について具体的に説明する。インダクタ７１１ａの一端は、電力増幅器７１０のコレクタと接続され、インダクタ７１１ａの他端は、キャパシタ７１１ｂの一端と接続される。キャパシタ７１１ｂの他端は、電力増幅器７１０のエミッタと接続される。電力増幅器７１０のエミッタとキャパシタ７１１ｂの他端とは、グランド７１３に接続される。

また、図９においては、一例として、整合回路７２０の共振回路となるキャパシタ７２６ａ、インダクタ７２６ｂ、スイッチ７２６ｃが直列に接続して構成されていることとするが、これに限定されず、例えば図１，図４〜図８に示す共振回路１２６、２２６、３２６、４２６、５２６、６２６であってもよい。

第７実施形態に係る電力増幅回路７００では、直列共振回路７１１によって、スイッチ７２６ｃがオフのとき、所定の周波数帯域において、入力端子７２１から出力端子７２２を見たときの第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。一方、電力増幅回路７００では、スイッチ７２６ｃがオンすると、所定の周波数帯域とは異なる周波数帯域において、入力端子７２１から出力端子７２２を見たときの第２次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。すなわち、電力増幅回路７００では、二つの周波数帯域において負荷インピーダンスをゼロに近づけることができる。

そして、直列共振回路７１１が電力増幅器７１０のエミッタとともにグランド７１３に接続されることで、電力増幅回路７００の動作周波数が高い場合においても、キャパシタ７１１ｂの容量を大きくできる。これは、直列共振回路７１１が電力増幅器７１０のエミッタとともにグランド７１３に接続されることで、グランド７２７とグランド７１３との間に生じる寄生インダクタの影響を排除できるためである。

動作周波数が高い場合の課題について、具体的に、図７に示す電力増幅回路５００を例に挙げて説明する。図７に示すように、共振回路５２６のグランド５２７と、電力増幅器５１０のエミッタに接続されるグランド５１３との間に、基板上の配線の引き回しによって寄生インダクタが接続される。このため、電力増幅回路５００の動作周波数が高い場合、当該寄生インダクタによって、キャパシタ５２６ａを小さくしなければならない。これにより、第２次高調波のインピーダンスを低くできる周波数の帯域が狭くなる。

＝＝第８実施形態に係る電力増幅回路８００＝＝
図１０は、第８実施形態に係る電力増幅回路８００の構成の一例を示す図である。

図１０に示すように、電力増幅回路８００は、図９に示す電力増幅回路７００と比較して、直列共振回路８１１のインダクタ８１１ａと、共振回路８２６のインダクタ８２６ａとが磁界結合するように構成されている。

第８実施形態に係る電力増幅回路８００では、共振回路８２６のスイッチ８２６ｃをオンオフすることで、インダクタ８１１ａのインダクタンス値を増減できる。これにより、基板８３０上のインダクタ８１１ａとキャパシタ８１１ｂとの直列共振回路８１１の共振周波数を調整できる。

＝＝第９実施形態に係る電力増幅回路９００＝＝
図１１は、第９実施形態に係る電力増幅回路９００の構成の一例を示す図である。

図１１に示すように、電力増幅回路９００は、図１に示す電力増幅回路１００と比較して、電力増幅器９１０への給電用の直流給電端子９４１を備える。

具体的には、直流給電端子９４１は、高周波成分を除去するためのシャントキャパシタ９４２を通じて接地９４４に接続される。直流給電端子９４１は、インダクタ９４３を通じて、直流カット用のキャパシタ９２８の一端と接続される。キャパシタ９２８の一端は入力端子９２１と接続される。また、キャパシタ９２８は、第１実施形態のインダクタ１２３およびインダクタ１２５に対応するインダクタ９２３およびインダクタ９２５と直列に接続される。なお、第９実施形態に係る電力増幅回路９００においては、共振回路９２６に接続される所定の電位９２７はグランドである。

ここで、図１１では、第９実施形態に係る電力増幅回路９００における共振回路９２６が、図１に対応する共振回路１２６と同様の構成であるように示したが、これに限定されない。例えば、共振回路９２６は、図４〜図８に示す共振回路４２６、５２６、６２６，７２６、８２６であってもよく、各共振回路４２６、５２６、６２６、７２６、８２６が奏する効果も同様とする。

＝＝第１０実施形態に係る電力増幅回路１０００＝＝
図１２を参照して、第１０実施形態に係る電力増幅回路１０００の構成について説明する。図１２は、第１０実施形態に係る電力増幅回路１０００の構成の一例を示す図である。

図１２に示すように、電力増幅回路１０００は、図１に示す電力増幅回路１００と比較して、ドライバ段の電力増幅器（以下、「ドライバアンプ１０１０」という）と出力段の電力増幅器（以下、「出力アンプ１０１１」という）とを含み、ドライバアンプ１０１０と出力アンプ１０１１との間に、整合回路１０２０を備える。また、整合回路１０２０は、電力増幅回路１００の整合回路１２０と比較して、例えば第２次高調波における負荷インピーダンスを無限大に近づけるように構成されている。電力増幅回路１０００は、例えば、ドライバアンプ１０１０と整合回路１０２０との間にキャパシタ１０３０を備える。キャパシタ１０３０は、例えば直流成分をカットする。また、キャパシタ１０３０は、例えばドライバアンプ１０１０の負荷インピーダンスの基本波成分を調整する。

図１２に示すように、整合回路１０２０は、ドライバアンプ１０１０から、入力信号ＲＦｉｎが増幅されたＲＦ信号が入力される入力端子１０２１と、出力アンプ１０１１に出力信号ＲＦｏｕｔが出力される出力端子１０２２とを備える。整合回路１０２０は、例えば、一端が入力端子１０２１に接続され、他端が出力端子１０２２に接続されるインダクタ１０２３と、インダクタ１０２３と並列に接続されるキャパシタ１０２４とを備える。整合回路１０２０は、インダクタ１０２３およびキャパシタ１０２４によって、例えば第２次高調波の負荷インピーダンスを無限大に近づけるように構成されている。本実施例では、インダクタ１０２３およびキャパシタ１０２４で２次高調波の負荷インピーダンスを無限大にしているが、第ｎ次（ｎ：2以上の自然数）高調波の負荷インピーダンスを無限大にしても良い。

また、整合回路１０２０は、例えば、一端が出力端子１０２２に接続され、他端が接地１０２６に接続されるインダクタ１０２５を備える。ここで、インダクタ１０２５は、例えば、インダクタ１０２３と磁界結合するように配置されていることが望ましい。これにより、整合回路１０２０は、例えば、基本波の周波数帯における負荷インピーダンスを調整できる。

次に、図１３を参照して、ドライバアンプ１０１０から見た基本波の周波数帯および第２次高調波の周波数帯における負荷インピーダンスの概要について説明する。図１３は、ドライバアンプ１０１０から見た周波数の変化に対する負荷インピーダンスの一例を示すスミスチャートである。図１３では、太い破線において基本波の周波数帯における負荷インピーダンスの動きを示し、太い実線において第２次高調波の周波数帯における負荷インピーダンスの動きを示す。

図１３では、基本波の周波数帯のスミスチャート上の領域Ｒ１において、広帯域化が図られていることを示している。また、図１３では、第２次高調波の周波数帯のスミスチャート上の領域Ｒ２において、負荷インピーダンスが無限大に近づくことを示している。ここで、領域Ｒ２における負荷インピーダンスが無限大に近づくといことは、例えば、領域Ｒ１における負荷インピーダンスに対して、２倍以上の負荷インピーダンスを示すことである。このように、第１０実施形態に係る電力増幅回路１０００は、インダクタ１０２３およびインダクタ１０２５で形成されるバランによって、基本波の周波数帯で負荷インピーダンスを広帯域化できる。また、第１０実施形態に係る電力増幅回路１０００は、インダクタ１０２３およびキャパシタ１０２４で形成される並列共振回路によって、第２次高調波の周波数帯で負荷インピーダンスを無限大に近づける。これにより、電力増幅回路１０００はその効率を向上できる。

＝＝整合回路１０２００の作用＝＝
次に、図１４、図１５を参照しつつ、基本波の周波数帯において負荷インピーダンスを広帯域化する整合回路１０２０の作用について詳細に説明する。図１４は、第１０実施形態に係る整合回路１０２０の等価回路を示す図である。図１５は、第１０実施形態に係る整合回路１０２０の基本波の周波数帯における負荷インピーダンスの動きの一例を示すスミスチャートである。

図１２に示す整合回路１０２０は、図１４に示すような等価回路で表現できる。図１４において、便宜上、インダクタ１０２３のインダクタンスを“Ｌ１”とし、インダクタ１０２５のインダクタンスを“Ｌ２”とし、インダクタ１０２３とインダクタ１０２５との結合係数を“ｋ”とし、出力アンプ１０１１のベースバラスト容量を“Ｃｂｂ”とし、キャパシタ１０２４のキャパシタンスを“Ｃ２”とし、キャパシタ１０３０のキャパシタンスを“Ｃ１”として説明する。そして、図１４では、例えば、整合回路１０２０において、インダクタ１０２５のインダクタンス値が小さく、出力端子１０２２から出力アンプ１０１１を見たインピーダンス、及び出力端子１０２２からインダクタ１０２３側を見たインピーダンスよりも、出力端子１０２２からインダクタ１０２５を見た時のインピーダンスが十分小さい場合の等価回路が示されるものとする。この等価回路に基づいて、図１５を参照して、基本波の周波数帯における、ドライバアンプ１０１０から見た負荷インピーダンスの動作について説明する。

図１５では、基本波における周波数が低い順に、周波数ｆ１、周波数ｆ２、周波数ｆ３、周波数ｆ４、周波数ｆ５とする。なお、図１５では、便宜上、“Ｃ１”及び“Ｃ２”による負荷インピーダンスの動きを省略し、又、１：ｎのバランの作用を無視する。

まず、周波数ｆ１における負荷インピーダンスの動きについて説明する。図１５に示すように、負荷インピーダンスは、点Ｏからスタートして“Ｃｂｂ”の容量性で点ｆ１１に移行されて、直列の（１−ｋ）・Ｌ１の誘導性で点ｆ１２に戻されて、並列のｋ・Ｌ１の容量性で点ｆ１３に移行されて、直列の（１−ｋ）・Ｌ２の誘導性で点ｆ１４に移行される。同様に、周波数ｆ２〜ｆ５のそれぞれの負荷インピーダンスは、点Ｏからスタートして、点ｆ２１から点ｆ２４に、点ｆ３１から点ｆ３４に、点ｆ４１から点ｆ４４に、点ｆ５１から点ｆ５４に移行される。図１５では、点ｆ１４〜点ｆ５４を順に結ぶと、負荷インピーダンスがスミスチャート上で集まることが示される。このように、図１５に示すように点ｆ１４〜点ｆ５４を順に結ぶことによりスミスチャート上に巻きができることで、ｆ２４〜ｆ５４が示す周波数において負荷インピーダンスが一定になる。パワーアンプは、その出力負荷インピーダンスの周波数依存が少ない場合、広帯域なパワー特性を示すことから、図１５に示すように負荷インピーダンスが一定になることで、広帯域なパワーアンプの動作が実現できる。すなわち、図１５では、電力増幅回路１０００において、基本波の周波数帯でドライバアンプ１０１０から見た負荷インピーダンスが広帯域化される。

＜＜第１変形例＞＞
図１６を参照して、第１０実施形態に係る電力増幅回路１０００の第１変形例の構成について説明する。図１６は、第１０実施形態に係る電力増幅回路１０００の第１変形例の構成の一例を示す図である。図１６に示すように、第１変形例に係る電力増幅回路１０００ａの整合回路１０２０ａは、図１２に示す電力増幅回路１０００の整合回路１０２０と比較して、インダクタ１０２３と並列に接続される、複数のキャパシタで構成されるキャパシタ１０２４ａを備える。それぞれのキャパシタ１０２４ａには、直列にスイッチ１０２４ｂが接続される。これにより、インダクタ１０２３と、キャパシタ１０２４ａとで形成される並列共振回路の共振周波数を調整できる。

＜＜第２変形例＞＞
図１７を参照して、第１０実施形態に係る電力増幅回路１０００の第２変形例の構成について説明する。図１７は、第１０実施形態に係る電力増幅回路１０００の第２変形例の構成の一例を示す図である。図１７に示すように、第２変形例に係る電力増幅回路１０００ｂの整合回路１０２０ｂは、図１２に示す電力増幅回路１０００の整合回路１０２０と比較して、一端がドライバアンプ１０１０のコレクタ（出力端子）に接続され、他端が接地１０２８に接続される共振回路１０２７を備える。共振回路１０２７は、例えば、キャパシタとインダクタとで形成される直列共振回路であり、例えば第３次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づける。これにより、電力増幅回路１０００ｂの効率を向上できる。なお、実施例では、第３次高調波に対応しているが、第ｎ次高調波に設定してもよい。

＝＝＝まとめ＝＝＝
本開示の例示的な実施形態に係る電力増幅回路１００の整合回路１２０は、電力増幅器１１０から増幅信号が入力される入力端子１２１と、出力端子１２２と、一端が入力端子１２１に接続され、他端が出力端子１２２に接続されるインダクタ１２３（第１インダクタ）と、インダクタ１２３（第１インダクタ）と並列に接続されるキャパシタ１２４（第１キャパシタ）と、一端が入力端子１２１に接続され、他端が所定の電位１２７（接地）に接続されるインダクタ１２５（第２インダクタ）と、インダクタ１２５（第２インダクタ）と並列に接続される共振回路１２６（第１直列共振回路）と、を備える。これにより、整合回路１２０は、電力増幅回路１００の効率を向上させることができる。

また、電力増幅回路１００の整合回路１２０は、インダクタ１２５（第２インダクタ）の他端に接続される所定の電位１２７（接地）は、電力増幅器１１０に供給される電源とは異なる。これにより、整合回路１２０は、電力増幅回路１００の効率を向上させることができる。

また、電力増幅回路１００の整合回路１２０は、インダクタ１２５（第２インダクタ）の他端に接続される所定の電位１２７（接地）は、電力増幅器１１０に供給される電源である。これにより、整合回路９２０は、電力増幅回路９００の効率を向上させることができる。

また、電力増幅回路２００の整合回路２２０の共振回路２２６（第１直列共振回路）は、第１共振回路２２６ａ（第２直列共振回路）と、第１共振回路２２６ａ（第２直列共振回路）と直列に接続されるスイッチ２２６ｂ（第１スイッチ）と、第１共振回路２２６ａ（第２直列共振回路）およびスイッチ２２６ｂ（第１スイッチ）と並列に接続される第２共振回路２２６ｃ（第３直列共振回路）と、を有する。これにより、整合回路２２０は、電力増幅回路２００を広帯域化できる。

また、電力増幅回路３００の整合回路３２０の共振回路（第１共振回路２２６ａに対応する共振回路）（第２直列共振回路）は、キャパシタ３２６ｂ（第１キャパシタ）と、キャパシタ３２６ｂ（第１キャパシタ）と直列に接続されるインダクタ３２６ｃ（第３インダクタ）と、を有する。これにより、整合回路３２０は、基本周波数において、入力端子３２１から出力端子３２２を見たときの負荷インピーダンスを調整できるため、電力増幅回路３００の効率を向上させることができる。

また、電力増幅回路４００の整合回路４２０の共振回路（図５の第２共振回路２２６ｃに対応する共振回路）（第３直列共振回路）は、キャパシタ４２６ａ（第２キャパシタ）と、キャパシタ４２６ａ（第２キャパシタ）と直列に接続されるスイッチ４２６ｃ（第２スイッチ）と、スイッチ４２６ｃ（第２スイッチ）と直列に接続されるインダクタ４２６ｂ（第４インダクタ）と、を有する。これにより、スイッチ４２６ｃをオンオフすることで、基本周波数における入力端子４２１から出力端子４２２を見たときの負荷インピーダンスの値を選択的に調整できるため、電力増幅回路４００の効率を向上させることができる。

また、電力増幅回路５００の整合回路５２０の共振回路５２６（第１直列共振回路）は、キャパシタ５２６ａ（第３キャパシタ）と、キャパシタ５２６ａ（第３キャパシタ）と直列に接続されるインダクタ５２６ｂ（第５インダクタ）と、インダクタ５２６ｂ（第５インダクタ）と直列に接続されるスイッチ５２６ｃ（第３スイッチ）と、インダクタ５２６ｂ（第５インダクタ）およびスイッチ５２６ｃ（第３スイッチ）と並列に接続されるインダクタ５２６ｄ（第６インダクタ）と、を有する。これにより、整合回路５２０は、電力増幅回路５００を広帯域化できる。

また、電力増幅回路６００の整合回路６２０の共振回路６２６（第１直列共振回路）は、インダクタ６２６ａ（第７インダクタ）と、インダクタ６２６ａ（第７インダクタ）と直列に接続されるキャパシタ６２６ｂ（第４キャパシタ）と、キャパシタ６２６ｂ（第４キャパシタ）と直列に接続されるスイッチ６２６ｃ（第４スイッチ）と、キャパシタ６２６ｂ（第４キャパシタ）およびスイッチ６２６ｃ（第４スイッチ）と並列に接続されるキャパシタ６２６ｄ（第５キャパシタ）と、を有する。これにより、整合回路６２０は、電力増幅回路６００を広帯域化できる。

また、電力増幅回路７００は、整合回路７２０と、電力増幅器７１０と、一端が電力増幅器７１０の出力端子７２２に接続され、他端がグランド７１３（接地）に接続される直列共振回路７１１（第４直列共振回路）と、を備える。これにより、電力増幅回路７００の動作周波数が高い場合においても、直列共振回路７１１のキャパシタ７１１ｂの容量を大きくできる。

また、電力増幅回路８００は、直列共振回路８１１（第４直列共振回路）が、インダクタ８１１ａ（第８インダクタ）と、インダクタ８１１ａ（第８インダクタ）と直列に接続されるキャパシタ８１１ｂ（第５キャパシタ）と、を有し、共振回路８２６（第１直列共振回路）が、インダクタ８１１ａ（第８インダクタ）と磁界結合するインダクタ８２６ａ（第９インダクタ）を有する。これにより、電力増幅器８１０が配置される基板８３０上のインダクタ８１１ａとキャパシタ８１１ｂとの直列共振回路８１１の共振周波数を調整できる。

また、整合回路１０２０は、ドライバアンプ１０１０（第１電力増幅器）と出力アンプ１０１１０（第２電力増幅器）との間に設けられる整合回路１０２０であって、ドライバアンプ１０１０（第１電力増幅器）から増幅信号が入力される入力端子１０２１と、出力端子１０２２と、一端が入力端子１０２１に接続され、他端が出力端子１０２２に接続されるインダクタ１０２３（第１０インダクタ）と、インダクタ１０２３（第１０インダクタ）と並列に接続されるキャパシタ１０２４（第６キャパシタ）と、一端が出力端子１０２２に接続され、他端が接地１０２６に接続されるインダクタ１０２５（第１１インダクタ）と、を備える。これにより、基本波の周波数帯で負荷インピーダンスを広帯域化できるとともに、第２次高調波の周波数帯で負荷インピーダンスを無限大に近づけることができるため、電力増幅回路１０００の効率を向上できる。

また、整合回路１０２０ａにおいて、キャパシタ１０２４ａ（第６キャパシタ）は、複数のキャパシタを含み、キャパシタ１０２４ａ（第６キャパシタ）における複数のキャパシタそれぞれに直列に接続されるスイッチ１０２４ｂ（第５スイッチ）をさらに備える。これにより、インダクタ１０２３と、キャパシタ１０２４ａとで形成される並列共振回路の共振周波数を調整できる。

また、整合回路１０２０ｂにおいて、一端がドライバアンプ１０１０（第１電力増幅器）の出力端子に接続され、他端が接地１０２８に接続される共振回路１０２７（第５直列共振回路）をさらに備える。これにより、第３次高調波の負荷インピーダンスをゼロに近づけることができるため、電力増幅回路１０００ｂの効率を向上できる。

また、電力増幅回路１０００は、整合回路１０２０と、ドライバアンプ１０１０（第１電力増幅器）と、出力アンプ１０１１（第２電力増幅器）と、整合回路１０２０とドライバアンプ１０１０（第１電力増幅器）との間に設けられるキャパシタ１０３０（第７キャパシタ）と、を備える。これにより、基本波の周波数帯で負荷インピーダンスを広帯域化できるとともに、第２次高調波の周波数帯で負荷インピーダンスを無限大に近づけることができる。

以上説明した実施形態は、本開示の理解を容易にするためのものであり、本開示を限定して解釈するためのものではない。本開示は、その趣旨を逸脱することなく、変更又は改良され得るとともに、本開示にはその等価物も含まれる。すなわち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。実施形態が備える素子及びその配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１００〜１０００…電力増幅回路、１１０〜１０１１…電力増幅器、１２０〜１０２０…整合回路。

Claims (16)

1. 電力増幅器から増幅信号が入力される入力端子と、
   出力端子と、
   一端が前記入力端子に接続され、他端が前記出力端子に接続される第１インダクタと、
   前記第１インダクタと並列に接続される第１キャパシタと、
   一端が前記入力端子に接続され、他端が接地に接続される第２インダクタと、
   前記第２インダクタと並列に接続される第１直列共振回路と、
   を備える整合回路。
2. 前記第２インダクタの前記他端に接続される前記接地は、前記電力増幅器に供給される電源とは異なる、
   請求項１に記載の整合回路。
3. 前記第２インダクタの前記他端に接続される前記接地は、前記電力増幅器に供給される電源である、
   請求項１に記載の整合回路。
4. 前記第１直列共振回路は、
   第２直列共振回路と、
   前記第２直列共振回路と直列に接続される第１スイッチと、
   前記第２直列共振回路および前記第１スイッチと並列に接続される第３直列共振回路と、
   を有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の整合回路。
5. 前記第２直列共振回路は、
   第１キャパシタと、
   前記第１キャパシタと直列に接続される第３インダクタと、
   を有する、
   請求項４に記載の整合回路。
6. 前記第３直列共振回路は、
   第２キャパシタと、
   前記第２キャパシタと直列に接続される第２スイッチと、
   前記第２スイッチと直列に接続される第４インダクタと、
   を有する請求項４又は５に記載の整合回路。
7. 前記第１直列共振回路は、
   第３キャパシタと、
   前記第３キャパシタと直列に接続される第５インダクタと、
   前記第５インダクタと直列に接続される第３スイッチと、
   前記第５インダクタおよび前記第３スイッチと並列に接続される第６インダクタと、
   を有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の整合回路。
8. 前記第１直列共振回路は、
   第７インダクタと、
   前記第７インダクタと直列に接続される第４キャパシタと、
   前記第４キャパシタと直列に接続される第４スイッチと、
   前記第４キャパシタおよび前記第４スイッチと並列に接続される第５キャパシタと、
   を有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の整合回路。
9. 前記第１インダクタと前記第２インダクタとは電磁界結合する、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の整合回路。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の整合回路と、
    前記電力増幅器と、
    一端が前記電力増幅器の出力端子に接続され、他端が接地に接続される第４直列共振回路と、
    を備える電力増幅回路。
11. 前記第４直列共振回路は、
    第８インダクタと、
    前記第８インダクタと直列に接続される第５キャパシタと、
    を有し、
    前記第１直列共振回路は、前記第８インダクタと磁界結合する第９インダクタを有する、
    請求項１０に記載の電力増幅回路。
12. 第１電力増幅器と第２電力増幅器との間に設けられる整合回路であって、
    前記第１電力増幅器から増幅信号が入力される入力端子と、
    出力端子と、
    一端が前記入力端子に接続され、他端が前記出力端子に接続される第１０インダクタと、
    前記第１０インダクタと並列に接続される第６キャパシタと、
    一端が前記出力端子に接続され、他端が接地に接続される第１１インダクタと、
    を備える整合回路。
13. 前記第６キャパシタは、複数のキャパシタを含み、
    前記第６キャパシタにおける複数のキャパシタそれぞれに直列に接続される第５スイッチをさらに備える、
    請求項１２に記載の整合回路。
14. 一端が前記第１電力増幅器の出力端子に接続され、他端が接地に接続される第５直列共振回路をさらに備える、
    請求項１２または請求項１３に記載の整合回路。
15. 前記第１０インダクタと前記第１１インダクタとは電磁界結合する、
    請求項１２から請求項１４のいずれか一項に記載の整合回路。
16. 請求項１２から請求項１５のいずれか一項に記載の整合回路と、
    前記第１電力増幅器と、
    前記第２電力増幅器と、
    前記整合回路と前記第１電力増幅器との間に設けられる第７キャパシタと、
    を備える電力増幅回路。

Images