JP4652095B2

JP4652095B2 - 電力増幅器

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Publication number: JP4652095B2
Application number: JP2005088528A
Authority: JP
Inventors: 秀憲湯川; 健一堀口; 正敏中山; 直高木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP2006270774A

Description

この発明は、マイクロ波およびミリ波で使用される電力増幅器に関するものである。

従来の電力増幅器として、２倍波を抑圧することにより増幅器の効率を向上することを目的としたものがある（例えば、特許文献１参照）。この従来の電力増幅器は、入力端子と出力端子との間に、入力信号の基本波を同振幅、同相で出力する電力分配回路、増幅回路、９０度ハイブリッド及び同振幅、同相の基本波を合成して出力する電力合成回路を順次配設してなり、９０度ハイブリッドは、基本波に対して１／４波長となる線路で構成されている。

上記構成に係る従来の電力増幅器において、入力端子に入力された信号の基本波は、電力分配回路により同振幅、同相で分配され、増幅回路で増幅されて同振幅、同相の関係のまま出力され、９０度ハイブリッドに入力される。９０度ハイブリッドに同振幅、同相で基本波が入力された場合、対称面では磁気壁となるため、入出力端子間の回路は、直列に接続された基本波で１／４波長の線路と、並列に接続された基本波で１／８波長の２つのオープンスタブで構成される回路と等価になる。従って、入力信号の基本波は、同振幅、同相の関係のまま出力されることになり、電力合成回路により合成されて出力端子に出力される。

一方、増幅回路により発生した２倍波は、同振幅、同相で９０度ハイブリッドに入力される。同振幅、同相で２倍波が入力された場合、対称面では磁気壁となるため、入出力端子間の回路は、直列に接続された２倍波で１／２波長の線路と、並列に接続された２倍波で１／４波長の２つのオープンスタブで構成される回路と等価になり、結局、入力端子がショートされた回路と等価となる。従って、９０度ハイブリッドに入力された２倍波の信号は完全反射されることになる。このため、２倍波を完全反射させない場合にくらべ、増幅器の効率が向上するという効果がある。

特開平１１−１１２２５２号公報

ところで、２倍波を完全反射にしてもその位相条件によっては効率が低下することも知られている。しかしながら、従来の電力増幅器では２倍波に対する位相条件を変える機能は有していなかった。また、基本波についても、前述したような１／８波長のオープンスタブが並列に接続されることによる損失が生じるという問題もあった。

この発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、基本波に影響を与えることなく２倍波を完全反射し、また、２倍波に対する位相条件を容易に変更して効率を向上する電力増幅器を実現することを目的とする。

この発明に係る電力増幅器は、入力信号の基本波を同振幅、位相差１８０度で分配する電力分配回路と、前記電力分配回路により分配された出力をそれぞれ増幅する２つの増幅回路と、前記２つの増幅回路をそれぞれ介した入力信号の基本波を同振幅、位相差１８０度で２つの入力端子から入力して同振幅、位相差１８０度の関係のまま２つの出力端子に出力すると共に、入力信号の２倍波を同振幅、同相で２つの入力端子から入力して２つの入力端子に反射させる整合回路と、前記整合回路を介して同振幅、位相差１８０度で入力された基本波を合成して出力する電力合成回路とを備え、前記整合回路は、一方の入力端子と一方の出力端子との間に直列に接続された基本波で１／８波長の一方の第１の線路および一方の第２の線路と、他方の入力端子と他方の出力端子との間に直列に接続された基本波で１／８波長の他方の第１の線路および他方の第２の線路と、前記一方の第１の線路と前記一方の第２の線路との接続点と、前記他方の第１の線路と前記他方の第２の線路との接続点とを接続する基本波で１／４波長の第３の線路と、前記一方の第２の線路と前記一方の出力端子との接続点と、前記他方の第２の線路と前記他方の出力端子との接続点とを接続する基本波で１／４波長の第４の線路と、前記一方の第１の線路と前記一方の第２の線路との接続点に接続された基本波で１／８波長の一方の第１のオープンスタブと、前記他方の第１の線路と前記他方の第２の線路との接続点に接続された基本波で１／８波長の他方の第１のオープンスタブと、前記一方の第２の線路と前記一方の出力端子との接続点に接続された基本波で１／８波長の一方の第２のオープンスタブと、前記他方の第２の線路と前記他方の出力端子との接続点に接続された基本波で１／８波長の他方の第２のオープンスタブと、前記一方の第１の線路と前記一方の入力端子との接続点と、前記他方の第１の線路と前記他方の入力端子との接続点との間で直列に接続された基本波で１／４波長の２つの第５の線路と、前記２つの第５の線路の接続点に接続された第３のオープンスタブとを備えたものである。

この発明によれば、基本波に影響を与えることなく２倍波を完全反射し、また、２倍波に対する位相条件を容易に変更して増幅器の効率を向上することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力増幅器の構成を示すブロック図である。図１に示される実施の形態１に係る電力増幅器は、入力端子１から入力される入力信号の基本波を同振幅、位相差１８０度で分配する電力分配回路４と、電力分配回路４により分配された出力をそれぞれ増幅する増幅回路３−１，３−２と、増幅回路３−１，３−２を介した入力信号の基本波を同振幅、位相差１８０度で２つの入力端子から入力して同振幅、位相差１８０度の関係のまま２つの出力端子に出力すると共に、入力信号の２倍波を同振幅、同相で２つの入力端子から入力して２つの入力端子に反射させる整合回路６と、整合回路６を介して同振幅、位相差１８０度で入力された基本波を合成して出力端子２から出力する電力合成回路５とを備えている。なお、７−１，７−２は増幅回路３と整合回路６との接続点、８−１，８−２は整合回路６と電力合成回路５との接続点、９−１，９−２は電力分配回路４と増幅回路３−１，３−２との接続点である。

次に、上述した構成を備える電力増幅器の動作原理について説明する。入力端子１に入力された信号の基本波は、電力分配回路４により同振幅、位相差１８０度で分配され、増幅回路３−１，３−２で増幅されて同振幅、位相差１８０度の関係のまま出力され、整合回路６に入力される。整合回路６に同振幅、位相差１８０度で入力された基本波は、同振幅、位相差１８０度の関係のまま電力合成回路５に入力され合成されて出力端子２から出力される。

一方、増幅回路３−１，３−２により発生した２倍波は、同振幅、同相で整合回路６に入力され、完全反射される。このため、２倍波を完全反射させない場合にくらべ、増幅器の効率が向上するという効果がある。

なお、図２に示すように、電力分配回路４と増幅回路３との間にも整合回路６と同様な整合回路６を挿入してもよく、その場合は増幅回路に対して対称な構成となるため、設計検証が容易になる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る電力増幅器の構成を示すブロック図であり、特に、整合回路６内の構成を詳細に示すブロック図である。図３に示すように、整合回路６は、入力端子７−１，７−２と出力端子８−１，８−２との間でそれぞれ直列に接続された基本波で１／８波長の第１の線路１０−１，１０−２および第２の線路１１−１，１１−２と、前記第１の線路１０−１，１０−２と第２の線路１１−１，１１−２との接続点同士を接続する基本波で１／４波長の第３の線路１２と、前記第２の線路１１−１，１１−２と出力端子８−１，８−２との接続点同士を接続する基本波で１／４波長の第４の線路１３と、前記第１の線路１０−１，１０−２と第２の線路１１−１，１１−２との接続点に接続された基本波で１／８波長の第１のオープンスタブ１４−１，１４−２と、前記第２の線路１１−１，１１−２と出力端子８−１，８−２との接続点に接続された基本波で１／８波長の第２のオープンスタブ１５−１，１５−２と、前記第１の線路１０−１，１０−２と入力端子７−１，７−２との接続点同士の間で直列に接続された基本波で１／４波長の２つの第５の線路１６−１，１６−２と、前記２つの第５の線路１６−１，１６−２の接続点に接続された第３のオープンスタブ１７とを備えている。

次に、実施の形態２に係る電力増幅器の動作原理について説明する。入力端子１に入力された信号の基本波は、電力分配回路４により同振幅、位相差１８０度で分配され、増幅回路３で増幅されて同振幅、位相差１８０度の関係のまま出力され、整合回路６に入力される。

整合回路６に同振幅、位相差１８０度で基本波（逆相基本波）が入力された場合、対称面では電気壁となるため、図４に示すように、入力端子７−１と出力端子８−１との間の回路は、第１の線路と第２の線路が直列接続された回路と等価になる。従って、同振幅、位相差１８０度の関係のまま出力されることになり、電力合成回路５により合成されて出力端子２に出力される。

一方、増幅回路３により発生した２倍波は、同振幅、同相で整合回路６に入力される。同振幅、同相で２倍波（同相２倍波）が入力された場合、対称面では磁気壁となるため、図５に示すように、入力端子７−１に第５の線路と第３のオープンスタブが直列接続された回路と等価となる。従って、整合回路６に入力された２倍波の信号は、２倍波に対して１／２波長の線路の先端に接続されたオープンスタブにより完全反射されることになる。このため、２倍波を完全反射させない場合にくらべ、増幅器の効率が向上するという効果がある。

また、整合回路６は、図６に示すように、第２の線路１１−１，１１−２、第４の線路１３、第２のオープンスタブ１５−１，１５−２をさらに増やして多段の構成にしてもよく、この場合、特性を広帯域にできるという利点も有する。

なお、入力信号の基本波を同振幅、位相差１８０度で出力する電力分配回路４、同振幅、位相差１８０度で入力された基本波を合成する電力合成回路５としては、図７、図８、図９、図１０に示すように、ウィルキンソン分配器の分配端子の片端に基本波で１／２波長の線路を接続した回路や、ブランチラインカプラの片端に基本波で１／４波長の線路を接続した回路、結合線路形カプラの片端に基本波で１／４波長の線路を接続した回路、ラットレース回路などであってもよい。

実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３に係る電力増幅器における整合回路６内の構成を詳細に示すブロック図である。図１１に示す実施の形態３に係る整合回路６の構成において、図３に示す実施の形態２に係る整合回路６の構成と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、１８は、第３のオープンスタブ１７の先端に設けた縞パターンであり、第３のオープンスタブ１７は、先端に設けた縞パターン１８により、高調波に対して所定の位相角になるように長さが設定可能になされている。

縞パターン１８とオープンスタブ１７をリボンあるいはワイヤで接続することにより、オープンスタブの長さを変えることができる。このとき、基本波に対しては、図４に示したように、オープンスタブの長さは依存しないので基本波の特性は変わらず、一方、２倍波に対しては、図５に示すように、オープンスタブの長さが変わると２倍波に対する反射の位相が変わることになる。

図１２に、第３のオープンスタブ１７の長さを変えたときの入出力特性の計算結果を示す。図１２には、第３のオープンスタブ１７の基本波に対する電気長をＬとして０〜９０度変化させたときの基本波における線形利得Ｇａｉｎ、１デシベル利得圧縮点における出力電力Ｐ１ｄＢ、電力付加効率ＰＡＥを示している。２倍波では、位相は基本波の２倍になり、また、往復する分２倍になるので、Ｌは０〜９０度変化させれば２倍波に対して３６０度すべての変化を網羅することになる。図１２に示すように、Ｌの変化は基本波に影響を与えないので線形利得はほとんど変化しない。それに対し、電力付加効率は２倍波に対する反射の位相により変化するため、ある位相条件で効率が低下する結果となる。

従って、電力増幅器を製作した後でも、縞パターン１８とオープンスタブ１７を接続することにより、利得や反射などの特性を変えることなく効率を向上させることができるという効果がある。

実施の形態４．
図１３は、この発明の実施の形態４に係る電力増幅器における整合回路６の基本波に対する等価回路を示す図である。図１３において、図３に示す実施の形態２と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。

図１３において、第１の線路１０−１、第２の線路１１−１の特性インピーダンスは、入力端子７−１から見た増幅回路３−１の出力インピーダンスを、出力端子８−１から見た電力合成回路５の入力インピーダンスに変成するように設定する。

この場合でも、実施の形態１、２と同様の利点を有する。さらに、増幅回路３（３−１，３−２を総称する）の出力インピーダンスと電力合成回路５の入力インピーダンスを同一にする必要がないので、設計の自由度が向上するという利点も有する。

実施の形態５．
図１４は、この発明の実施の形態５に係る電力増幅器における整合回路６の基本波に対する等価回路を示す図である。図１４において、図３に示す実施の形態２と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。なお、１９は電力合成回路５における基本波に対する等価回路を示す。

図１４において、第１の線路１０−１、第２の線路１１−１、電力合成回路１９の特性インピーダンスを、入力端子７−１から見た増幅回路３の出力インピーダンスを出力端子２のインピーダンスに変成するように設定する。

この場合でも、実施の形態１、２と同様の利点を有する。さらに、増幅回路３の出力インピーダンスと出力端子２のインピーダンスを同一にする必要がないので、設計の自由度が向上するという利点も有する。

また、インピーダンスを変成する線路の段数が増えることと等価であるので特性を広帯域化できるという利点も有する。

実施の形態６．
図１５は、この発明の実施の形態６に係る電力増幅器における整合回路６の基本波に対する等価回路を示す図である。図１５において、図３に示す実施の形態２と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、２０、２１はそれぞれ増幅回路３を構成する半導体素子、整合回路部である。

図１５において、増幅回路３の整合回路部２１と第１の線路１０−１、第２の線路１１−１の特性インピーダンスを、半導体素子２０の出力インピーダンスを端子８から見た電力合成回路５の入力インピーダンスに変成するように設定する。

この場合でも、実施の形態１、２と同様の利点を有する。さらに、半導体素子２０の出力インピーダンスと端子８から見た電力合成回路５の入力インピーダンスを同一にする必要がないので、設計の自由度が向上するという利点も有する。

また、インピーダンスを変成する線路の段数が増えることと等価であるのでさらに特性を広帯域化できるという利点も有する。

さらに、整合回路部２１を省略して第１の線路１０−１、第２の線路１１−１で整合をとることにより電力増幅器を小形化できるという利点も有する。

実施の形態７．
図１６は、この発明の実施の形態７に係る電力増幅器における整合回路６の基本波に対する等価回路を示す図である。図１６において、図１４に示す実施の形態５及び図１５に示す実施の形態６と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。

図１６において、増幅回路３の整合回路部２１と第１の線路１０、第２の線路１１、電力合成回路５の基本波に対する等価回路１９の特性インピーダンスを、半導体素子２０の出力インピーダンスを出力端子２に変成するように設定する。

この場合でも、実施の形態１、２と同様の利点を有する。さらに、半導体素子２０の出力インピーダンスと出力端子２のインピーダンスを同一にする必要がないので、設計の自由度が向上するという利点も有する。

さらに、整合回路２１を省略して第１の線路１０、第２の線路１１、電力合成回路１９で整合をとることにより電力増幅器を小形化できるという利点も有する。

この発明の実施の形態１に係る電力増幅器の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１の変形例に係る電力増幅器の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２に係る電力増幅器の構成を示すブロック図であり、特に、整合回路内の構成を詳細に示すブロック図である。図３の整合回路６に同振幅、位相差１８０度で基本波（逆相基本波）が入力された場合の等価回路を説明する図である。図３の整合回路６に同振幅、同相で２倍波（同相２倍波）が入力された場合の等価回路を説明する図である。図３の整合回路６の他の構成例を示す図である。図３の電力分配回路４及び電力合成回路５の構成例を示すもので、ウィルキンソン分配器の分配端子の片端に基本波で１／２波長の線路を接続した回路を示す図である。図３の電力分配回路４及び電力合成回路５の構成例を示すもので、ブランチラインカプラの片端に基本波で１／４波長の線路を接続した回路を示す図である。図３の電力分配回路４及び電力合成回路５の構成例を示すもので、結合線路形カプラの片端に基本波で１／４波長の線路を接続した回路を示す図である。図３の電力分配回路４及び電力合成回路５の構成例を示すもので、ラットレース回路を示す図である。この発明の実施の形態３に係る電力増幅器における整合回路６内の構成を詳細に示すブロック図である。第３のオープンスタブの長さを変えたときの入出力特性の計算結果を示す図である。この発明の実施の形態４に係る電力増幅器における整合回路６の基本波に対する等価回路を示すもので、増幅回路の出力インピーダンスを電力合成回路の入力端子のインピーダンスに変成する例を示す図である。この発明の実施の形態５に係る電力増幅器における整合回路６の基本波に対する等価回路を示すもので、増幅回路の出力インピーダンスを電力合成回路の出力端子のインピーダンスに変成するように設定する例を示す図である。この発明の実施の形態６に係る電力増幅器における整合回路６の基本波に対する等価回路を示す図である。この発明の実施の形態７に係る電力増幅器における整合回路６の基本波に対する等価回路を示す図である。

符号の説明

１入力端子、３−１，３−２増幅回路、４電力分配回路、５電力合成回路、６整合回路、１０−１，１０−２第１の線路、１１−１，１１−２第２の線路、１２第３の線路、１３第４の線路、１４−１，１４−２第１のオープンスタブ、１５−１，１５−２第２のオープンスタブ、１６−１，１６−２第５の線路、１７第３のオープンスタブ、１８縞パターン、１９電力合成回路５における基本波に対する等価回路、２０半導体素子、２１整合回路部。

Claims

入力信号の基本波を同振幅、位相差１８０度で分配する電力分配回路と、
前記電力分配回路により分配された出力をそれぞれ増幅する２つの増幅回路と、
前記２つの増幅回路をそれぞれ介した入力信号の基本波を同振幅、位相差１８０度で２つの入力端子から入力して同振幅、位相差１８０度の関係のまま２つの出力端子に出力すると共に、入力信号の２倍波を同振幅、同相で２つの入力端子から入力して２つの入力端子に反射させる整合回路と、
前記整合回路を介して同振幅、位相差１８０度で入力された基本波を合成して出力する電力合成回路と
を備え、
前記整合回路は、
一方の入力端子と一方の出力端子との間に直列に接続された基本波で１／８波長の一方の第１の線路および一方の第２の線路と、
他方の入力端子と他方の出力端子との間に直列に接続された基本波で１／８波長の他方の第１の線路および他方の第２の線路と、
前記一方の第１の線路と前記一方の第２の線路との接続点と、前記他方の第１の線路と前記他方の第２の線路との接続点とを接続する基本波で１／４波長の第３の線路と、
前記一方の第２の線路と前記一方の出力端子との接続点と、前記他方の第２の線路と前記他方の出力端子との接続点とを接続する基本波で１／４波長の第４の線路と、
前記一方の第１の線路と前記一方の第２の線路との接続点に接続された基本波で１／８波長の一方の第１のオープンスタブと、
前記他方の第１の線路と前記他方の第２の線路との接続点に接続された基本波で１／８波長の他方の第１のオープンスタブと、
前記一方の第２の線路と前記一方の出力端子との接続点に接続された基本波で１／８波長の一方の第２のオープンスタブと、
前記他方の第２の線路と前記他方の出力端子との接続点に接続された基本波で１／８波長の他方の第２のオープンスタブと、
前記一方の第１の線路と前記一方の入力端子との接続点と、前記他方の第１の線路と前記他方の入力端子との接続点との間で直列に接続された基本波で１／４波長の２つの第５の線路と、
前記２つの第５の線路の接続点に接続された第３のオープンスタブと
を備えたことを特徴とする電力増幅器。
請求項１に記載の電力増幅器において、
前記第３のオープンスタブは、高調波に対して所定の位相角になるように長さを設定する
ことを特徴とする電力増幅器。
請求項１に記載の電力増幅器において、
前記整合回路は、前記増幅回路のインピーダンスを前記電力合成回路の入力端子のインピーダンスに変成する
ことを特徴とする電力増幅器。
請求項１に記載の電力増幅器において、
前記整合回路は、前記増幅回路のインピーダンスを前記電力合成回路の出力端子のインピーダンスに変成する
ことを特徴とする電力増幅器。
請求項１に記載の電力増幅器において、
前記増幅回路は、半導体素子と整合回路部を有し、
前記整合回路と、前記増幅回路内の整合回路部は、前記増幅回路内の半導体素子のインピーダンスを前記電力合成回路の入力端子のインピーダンスに変成する
ことを特徴とする電力増幅器。
請求項５に記載の電力増幅器において、
前記整合回路と、前記電力合成回路と、前記増幅回路内の整合回路部は、前記増幅回路内の半導体素子のインピーダンスを前記電力合成回路の出力端子のインピーダンスに変成する
ことを特徴とする電力増幅器。