JP5059647B2 - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、高周波信号を増幅する高周波電力増幅器に係り、特に電力変換効率を向上させることができる高周波電力増幅器に関する。

［先行技術の説明］
送信用電力増幅器は、高周波信号を所要の送信出力に増幅するものであり、ほとんどの無線機において最も多くの電力を消費する部分である。
電力増幅器が消費する電力は、高周波出力に変換されるだけでなく、内部損失となる熱として放出される。
そのため、発熱量を低減して消費電力の低減や信頼性の向上を図るために、電力増幅器の電力変換効率を上げて、無駄な内部損失を抑えることが要求されている。
この要求に応えるために、種々の高効率動作方式を取り入れた増幅器があり、例えばＦ級増幅器がある。

［従来のＦ級増幅器：図７］
従来のＦ級増幅器について図７（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。図７（ａ）（ｂ）は従来のＦ級増幅器の構成を示す概略構成ブロック図である。
図７（ａ）に示すように、従来のＦ級増幅器は、入力端子１１と、出力端子１２と、入力整合回路１３と、ＦＥＴ（Field Effect Transistor；電界効果トランジスタ）１４と、出力整合回路１５と、高調波反射回路１６とから構成される。

入力整合回路１３は、入力信号において、ＦＥＴ１４の入力インピーダンスと特性インピーダンスＺ0とのインピーダンス整合を実現するためのインピーダンス変換回路である。
また、出力整合回路１５は、基本波周波数ｆ0において、ＦＥＴ１４の出力インピーダンスと特性インピーダンスＺ0とのインピーダンス整合を実現するためのインピーダンス変換回路である。

ＦＥＴ１４は入力された信号を増幅して出力する能動素子であり、ゲート端子に入力信号が印加され、ソース端子は接地されている。尚、能動素子としては、ＦＥＴの代わりにバイポーラトランジスタや電子管を用いてもよい。
高調波反射回路１６は、ＦＥＴ１４のドレイン端子に接続され、基本波周波数及び奇数次高調波周波数に対して開放し、且つ偶数次高調波周波数に対して短絡となるインピーダンス特性を備えている。したがって、ＦＥＴ１４の出力端子（ドレイン端子）における負荷のインピーダンス周波数特性は、基本波周波数で整合、偶数次高調波周波数で短絡、奇数次高調波周波数で開放となる。

そして、入力信号は、入力端子１１から入力整合回路１３を介してＦＥＴ１４のゲート端子に入力される。ＦＥＴ１４で増幅された信号は、ドレイン端子から出力整合回路１５を介して出力端子１２に取り出される。また、ＦＥＴ１４で発生した奇数次高調波は、高調波反射回路１６で反射されてＦＥＴ１４に入力され、更に増幅される。

次に、Ｆ級増幅器における電圧及び電流の理論上の波形について図８を用いて説明する。図８は、Ｆ級増幅器における電圧及び電流の理論上の波形図である。
図８に示すように、図７（ａ）に示した増幅器のＦＥＴ１４をＢ級バイアス条件で動作させて基本波周波数の正弦波を入力すれば、理論上、ドレイン端子とソース端子との間の電圧の時間波形は、基本波と奇数次高調波成分のみを有する矩形波となる。
また、ドレイン端子とソース端子との間の電流の時間波形は、基本波と偶数次高調波成分のみを有する半波形となる。

このときのＦＥＴ１４の動作としては、ドレイン電流が流れているときにドレイン電圧がゼロとなり、逆にドレイン電圧が印加されているときにドレイン電流がゼロとなるので、ドレイン端子とソース端子間の消費電力を常にゼロの状態にすることができる。
すなわち、図８のように電圧及び電流の時間波形が重なっていない状態では、ＦＥＴ１４で消費する電力をゼロにすることができ、内部損失を抑えることができる。これがＦ級増幅器の理論である。

更に、上述したＦ級増幅器とは逆に、基本波周波数で整合、偶数次高調波周波数で開放、奇数次高調波周波数で短絡となり、図８の波形とは逆の波形が得られる増幅器もある。このような増幅器では、高調波反射回路は偶数次の高調波を反射する。この場合にも、ドレイン電流が流れているときにドレイン電圧がゼロとなり、逆にドレイン電圧が印加されているときにドレイン電流がゼロとなるので、同様にドレイン端子とソース端子間の消費電力を常にゼロの状態にすることができる。

ところで、パッケージの外に高調波反射回路を挿入した高周波帯のＦ級増幅器を構成する場合には、基本波周波数だけでなく、２次高調波周波数においても、ＦＥＴパッケージ、ワイヤボンディングその他の影響によるリアクタンスや、ＦＥＴチップ自身のインピーダンスの存在を考慮した回路構成が必要になる。

２次高調波周波数を利用して、ＦＥＴやそのパッケージの存在に起因する各種の浮遊リアクタンスの影響を回避し、効率の向上を図るＦ級増幅器（従来の別のＦ級増幅器）がある。
２次高調波周波数を利用して効率の向上を図るＦ級増幅器について図７（ｂ）を用いて説明する。
図７（ｂ）に示すように、従来の別の入力端子１１と、出力端子１２と、入力整合回路１３と、ＦＥＴ１４と、出力整合回路１５と、高調波反射回路１６とから構成される。
高調波反射回路１６は、出力整合回路１５と出力端子１２との間に並列に接続された終端回路であり、入力信号の周波数に対して高入力インピーダンスで、且つその２次高調波周波数に対して低入力インピーダンスである。

入力整合回路１３は、入力信号の周波数とその２次高調波周波数の両方に対して、ＦＥＴ１４の入力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備えている。
出力整合回路１５は、入力信号の周波数とその２次高調波周波数の両方に対して、ＦＥＴ１４の出力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備えている。これらの点が図７（ａ）に示した増幅器とは異なっている。
そして、終端にある高調波反射回路１６で、ＦＥＴ１４のドレイン端子に発生した２倍波信号（２次高調波）をＦＥＴ１４に反射させることにより、電圧波形を矩形波に近づけ、高効率動作に必要なスイッチング動作を容易に実現できるものである。

また、従来の高効率を図る増幅器としては、ドハティ増幅器がある。
従来のドハティ増幅器の構成について図９を用いて説明する。図９は、従来のドハティ増幅器の構成を示す構成ブロック図である。
図９に示すように、従来のドハティ増幅器は、入力端子１と、出力端子２と、分配器４と、キャリア増幅回路６と、ピーク増幅回路７と、伝送線路８と、合成点９と、伝送線路１０とから構成されている。

更に、キャリア増幅回路６は、入力整合回路６１と、ＦＥＴ６２と、出力整合回路６３とから構成され、ピーク増幅回路７は、入力整合回路７１と、ＦＥＴ７２と、出力整合回路７３とから構成されている。

そして、入力端子１から入力された信号は、分配器４で分配され、その一方はキャリア増幅回路６に入力されて、ＦＥＴ６２で増幅され、出力整合回路６３を介して伝送線路８でインピーダンス変換される。

分配器４で分配されたもう一方の信号は、移相器５で位相をキャリア増幅回路６に合わせて調整された後、ピーク増幅回路７に入力され、ＦＥＴ７２で増幅されて出力整合回路７３でインピーダンス変換されて出力される。

合成点９では伝送線路８からの出力とピーク増幅回路７からの出力が合成され、更に伝送線路１０で出力負荷（図示せず）に整合するためインピーダンス変換されて出力端子２から出力され、出力負荷に接続される。

キャリア増幅回路６のＦＥＴ６２はＡＢ級にバイアスされ、ピーク増幅回路７のＦＥＴ７２はＢ級又はＣ級にバイアスされている。そのため、入力レベルが低くＦＥＴ７２が動作しない内はＦＥＴ６２が単独で動作する。そして、ＦＥＴ６２が飽和領域に入る、つまりＦＥＴ６２の線形性が崩れ始めると、ＦＥＴ７２が動作し始め、ＦＥＴ７２の出力が負荷に供給され、ＦＥＴ６２と共に負荷を駆動する。これにより、ドハティ増幅器では、出力レベルが最大出力レベルよりも低い場合でも、高い効率が得られるものである。
尚、ドハティ増幅器に高調波反射回路を用いて一層の高効率を図ることは周知の技術である。

［先行技術文献］
尚、高効率化を図る増幅器に関する先行技術としては、特開２００５−２０４２０８号公報（特許文献１）がある。
特許文献１には、増幅対象となる基本波信号に対する奇数次の高調波信号を発生させ、当該奇数次の高調波信号を増幅対象となる基本波信号と合成して矩形波信号を生成し、矩形波信号を能動素子により増幅し、当該能動素子の出力端から負荷側を見た場合における奇数次の高調波信号に対するインピーダンスの値を無限大とすると共に、偶数次の高調波信号に対するインピーダンスの値をゼロとするようにして、高効率化を実現できる増幅器が記載されている。

特開２００５−２０４２０８号公報

しかしながら、従来のＦ級増幅器では、必ずしも図８に示した理論上の電圧電流波形が得られるものではなく、また、増幅素子が飽和であれば高調波も多いが、出力レベルが低いと高調波の出力レベルも低くなって、高調波反射による効率向上の効果が小さくなるという問題点があった。

また、従来のドハティ増幅器に高調波反射回路を組み合わせた増幅器においても、出力レベルが低いと高調波の出力レベルが低下し、効率向上の効果が小さくなるという問題点があった。

尚、上記特許文献１では、奇数次高調波を増幅器入力に注入することは記載されているが、偶数次高周波を注入することは記載されていない。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、広範囲の出力レベルにわたって、従来の高調波反射回路を用いたＦ級増幅器に比べて高い効率が得られる高周波電力増幅器を提供することを目的とする。

また、本発明は、従来の高調波反射回路を組み合わせたドハティ増幅器に比べて高い効率が得られる高周波電力増幅器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、増幅回路と、増幅回路の入力段に設けられた高調波発生回路とを備えた高周波電力増幅器であって、増幅回路が、入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、増幅素子の入力段に設けられた入力整合回路と、増幅素子の出力段に設けられた出力整合回路と、出力整合回路から出力される高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備え、高調波発生回路が、基本波周波数の入力信号を分配する分配器と、分配された一方の基本波信号から２次高調波を発生する高調波発生器と、高調波発生器で発生した２次高調波の位相及び振幅を調整する調整器と、位相及び振幅が調整された２次高調波と分配された他方の基本波信号とを合成して増幅回路に出力する合成器とを有する高調波発生回路を備え、高調波発生器は、入力信号が基本波周波数に整合され、出力信号が２次高調波周波数に整合され、調整器は、２次高調波の位相及び振幅を、増幅素子で発生する２次高調波の位相及び振幅と最適な関係となるよう調整し、入力整合回路は、基本波周波数と２次高調波周波数の両方に対して、増幅素子の入力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備え、出力整合回路は、基本波周波数と２次高調波周波数の両方に対して、増幅素子の出力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備え、高調波反射回路が、２次高調波周波数を反射する特性を有することを特徴としている。

また、本発明は、ＡＢ級で動作する第１の増幅素子を有するキャリア増幅回路と、Ｂ級又はＣ級で動作する第２の増幅素子を有するピーク増幅回路とを備え、前記キャリア増幅回路と前記ピーク増幅回路の出力を合成して出力するドハティ増幅器であって、請求項１記載の高周波電力増幅器をキャリア増幅回路として用いたことを特徴としている。

本発明によれば、増幅回路と、増幅回路の入力段に設けられた高調波発生回路とを備えた高周波電力増幅器であって、増幅回路が、入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、増幅素子の入力段に設けられた入力整合回路と、増幅素子の出力段に設けられた出力整合回路と、出力整合回路から出力される高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備え、高調波発生回路が、基本波周波数の入力信号を分配する分配器と、分配された一方の基本波信号から２次高調波を発生する高調波発生器と、高調波発生器で発生した２次高調波の位相及び振幅を調整する調整器と、位相及び振幅が調整された２次高調波と分配された他方の基本波信号とを合成して増幅回路に出力する合成器とを有する高調波発生回路を備え、高調波発生器は、入力信号が基本波周波数に整合され、出力信号が２次高調波周波数に整合され、調整器は、２次高調波の位相及び振幅を、増幅素子で発生する２次高調波の位相及び振幅と最適な関係となるよう調整し、入力整合回路は、基本波周波数と２次高調波周波数の両方に対して、増幅素子の入力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備え、出力整合回路は、基本波周波数と２次高調波周波数の両方に対して、増幅素子の出力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備え、高調波反射回路が、２次高調波周波数を反射する特性を有する２次高調波周波数を反射する特性を有する高周波電力増幅器としているので、増幅素子から出力される２次高調波の出力レベル及び高調波反射回路で反射される２次高調波の反射レベルを増大させて、電圧電流波形を最適化でき、電力効率を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、請求項１記載の高周波電力増幅器をキャリア増幅回路として用いたドハティ増幅器としているので、キャリア増幅素子から出力される２次高調波の出力レベル及び高調波反射回路で反射される２次高調波の反射レベルを増大させて、キャリア増幅回路の電圧電流波形を最適化でき、特にキャリア増幅素子のみが動作する広い入力レベル領域において、ドハティ増幅器全体の電力効率を大幅に向上させることができる効果がある。

［発明の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器は、高調波反射回路を備えた増幅器の入力段に、高調波を発生する高調波発生器と、高調波発生器から出力された高調波の位相及び振幅を調整するベクトル調整器とを備え、ベクトル調整された高調波を、高調波反射回路を備えた増幅器の入力信号に合成することによって、増幅器の高調波出力レベルを増大させ、出力の高調波反射レベルを増大させることができるものであり、電圧電流波形の重なりを減らして効率を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器は、ドハティ増幅器において、入力信号をキャリア増幅器とピーク増幅器に分配する分配器の前段に、高調波を発生する高調波発生器と、当該高調波の位相及び振幅を調整するベクトル調整器とを備え、ベクトル調整された高調波をキャリア増幅器及びピーク増幅器の入力信号に合成することによって、高調波反射回路を備えたドハティ増幅器の高調波出力レベルを増大させ、それに伴って出力の高調波反射レベルを増大させて効率を向上させることができるものである。

［第１の実施の形態：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅器について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第１の増幅器）の構成ブロック図である。
図１に示すように、第１の増幅器は、入力端子１と、出力端子２と、増幅器２０と、第１の増幅器の特徴部分である高調波発生回路３とから構成されている。入力端子１から入力された信号は、高調波発生回路３を経て、増幅器２０に入力されて増幅され、出力端子２から出力される。

ここで、増幅器２０は、図７（ａ）に示した従来の高周波電力増幅器であり、入力端子１１と、入力整合回路１３と、ＦＥＴ（増幅素子）１４と、出力整合回路１５と、高調波反射回路１６と、出力端子１２を備えた構成である。入力整合回路１３は基本波に整合している。

増幅器２０の高調波反射回路１６は、基本波の周波数に対して高入力インピーダンスで、且つ、その２次高調波周波数に対して低入力インピーダンスとなる高周波終端回路である。
高調波反射回路を挿入する位置は、線路の損失を考慮すると、増幅素子に近い方がよいが、従来のＦ級増幅器ほどこだわらなくてもよい。また、高出力増幅素子を用いる場合には、内部整合回路の２次高調波反射特性を利用してもよい。

［高調波発生回路］
第１の増幅器の特徴部分である高調波発生回路３について具体的に説明する。
高調波発生回路３は、増幅器２０で発生する高調波を増幅する回路であり、分配器３１と、高調波発生器３２と可変移相器３３と、可変減衰器３４と、遅延線３５と、合成器３６とから構成されている。
分配器３１は、入力端子１からの入力信号を分配する。
高調波発生器３２は、高調波を発生するものであり、第１の増幅器では２次高調波を発生するものとしている。

可変移相器３３は、高調波発生器３２で発生した２次高調波の位相を調整する。
可変減衰器３４は、高調波発生器３２で発生した２次高調波の振幅を調整する。
尚、可変移相器３３及び可変減衰器３４から成る部分は、発生した２次高調波のベクトル調整を行うベクトル調整器に相当し、可変移相器３３と可変減衰器３４の順序が逆であっても構わない。

可変移相器３３及び可変減衰器３４では、高調波発生器３２で発生した２次高調波の位相及び振幅を、増幅器２０で発生する２次高調波の位相及び振幅との関係が最適となるよう調整すると共に、基本波と２次高調波との位相のずれ及び振幅レベルの比が最適となるよう調整するものである。

遅延線３５は、高調波発生器３２、可変移相器３３、可変減衰器３４における処理時間分、分配器３１からの入力信号（基本波）を遅延する。
そして、合成器３６は、遅延された基本波信号と、可変減衰器３４から出力された位相及び振幅が調整された２次高調波とを合成して、増幅器２０に出力する。

このように、高調波発生回路３は、構成の簡単なアナログ回路から成り、基本波と２次高調波との位相のずれ及び必要な振幅レベルの比を調整するベクトル調整回路を備えているので、増幅器２０に必要な高調波の出力レベル及び位相を正確に調整でき、増幅器２０における増幅動作を高効率で行うことができるものである。

尚、ここでは、位相を調整する可変移相器３３と振幅を調整する可変減衰器３４とを用いた構成としているが、高調波発生器３２で発生した高調波の位相及び振幅を調整する調整器として位相と振幅が調整できればよく、同等の機能があればどのような方法を用いてもよい。

特に、第１の増幅器では、発生する高調波の中でもレベルが高い２次高調波に着目して、増幅器の入力に２次高調波を注入した上、出力では高調波反射回路で無駄なく２次高調波を反射させる構成としているので、効率向上の効果が大きくなるものである。

［増幅器２０の別の構成］
増幅器２０として、図７（ｂ）の増幅器を用いることも可能である。
その場合、ＦＥＴ１４の入力段に設けられた入力整合回路１３は、基本波と、その２次高調波周波数の両方に対して、ＦＥＴ１４の入力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備えており、また、ＦＥＴ１４の出力段に設けられた出力整合回路１５は、基本波と、その２次高調波周波数の両方に対して、ＦＥＴ１４の出力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備えている。

このように、増幅器２０に図７（ｂ）の増幅器を用いた場合には、入力整合回路が基本波だけでなく２次高調波にも整合しているので、高調波発生回路３からの２次高調波の注入量はより小さくて済み、一層の高効率を図ることができるものである。

［第１の増幅器の動作］
第１の増幅器の動作について図１及び図７（ａ）を用いて説明する。
入力端子１から入力された基本波信号は、高調波発生回路３に入力され、高調波発生回路３の分配器３１で分配され、その一方の基本波信号は高調波発生器３２に入力されて、基本波周波数の２倍の周波数を有する２次高調波が生成される。
発生した２次高調波は、可変移相器３３で位相調整され、可変減衰器３４で振幅調整されて、合成器３６に入力される。

分配器３１で分配されたもう一方の基本波信号は、遅延線３５で遅延されて位相が遅らされ、合成器３６に入力されて、合成器３６で、ベクトル調整された２次高調波と合成される。
合成器３６は、基本波とベクトル調整された２次高調波の合成信号を増幅器２０に出力する。

増幅器２０では、合成信号は、入力整合回路１３を介して能動素子のＦＥＴ１４に入力されて増幅され、出力端子１２に出力される。
合成信号中には２次高調波が含まれるため、ＦＥＴ１４のドレイン端子において発生する２次高調波は従来よりも高レベルとなり、ＦＥＴが高調波に対する利得が少ないものであったり、また、高調波が少ない低出力時であっても効率よく動作できるものである。

更に、高調波反射回路は、基本波周波数に対しては作用せず、２次高調波周波数は反射するので、出力の高調波反射レベルを一層大きくして、電圧電流波形の重なりを減らすことができ、効率を向上させることができるものである。

［高調波発生器３２の構成：図２］
次に、高調波発生器３２の構成について図２を用いて説明する。図２は、高調波発生器３２の構成ブロック図である。
図２に示すように、高調波発生器３２は、入力端子１０１と、入力整合回路１０３と、ダイオード１０４と、出力整合回路１０５と、出力端子１０２とが直列に接続された構成である。
ダイオード１０４は、入力された信号を増幅し、２次高調波を発生する。高調波を発生させるものであれば、ダイオードの代わりにＦＥＴ等でもよい。

入力整合回路１０３は、入力される信号を無駄なく伝達するために、基本波に整合されたインピーダンス変換回路である。
また、出力整合回路１０５は、ダイオード１０４から発生する２次高調波をできるだけ無駄なく出力するために、高調波に整合されたインピーダンス変換回路である。
入力整合回路１０３，出力整合回路１０５は、マイクロストリップライン等の伝送線路、コンデンサやコイルといった回路素子、またはこれらを組み合わせた回路によって構成される。

高調波発生器３２の入力端子１０１から入力された入力信号は、入力整合回路１０３でインピーダンス変換され、ダイオード１０４で増幅され、２次高調波が生成される。
２次高調波を含む信号は、出力整合回路１０５でインピーダンス変換され、２次高調波を多く含む信号として出力端子１０２から出力される。
そして、高調波発生回路３の可変移相器３３及び可変減衰器３４で、位相及び振幅が調整されて、合成器３６で基本波と合成されて増幅器２０に出力されるものである。

［第１の増幅器の特性：図３］
次に、第１の増幅器の特性について図３を用いて説明する。図３は、第１の増幅器の入力電力−電力効率特性を示す模式説明図である。
図３では、従来の高調波反射回路を備えた増幅器の特性を実線で示し、入力信号に２次高調波を注入した第１の増幅器の特性を破線で示している。

図３に示すように、第１の増幅器では、入力電力が低い所から高い所まで広範囲にわたって、従来の高調波反射回路を備えた増幅器よりも高い効率を示すことがわかる。これは、第１の増幅器では、入力信号に２次高調波を注入しているため、２次高調波出力レベルを上げて、そこに高調波反射回路を用いることで、入力位相や電流の波形を最適化して、電圧電流波形の重なりを一層少なくできることにより、大幅に効率を上げることができるものである。

［第１の実施の形態の効果］
第１の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第１の増幅器）によれば、高調波反射回路を備えた高周波電力増幅器において、増幅器２０の入力段に２次高調波を発生する高調波発生器３２と、発生した２次高調波の位相を調整する可変移相器３３と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器３４とを備え、基本波の入力信号に２次高調波を注入して合成し、合成された信号を増幅器２０に入力して増幅し、更に、増幅器２０の高調波反射回路１６で２次高調波を反射してＦＥＴ１４に入力するようにしているので、ＦＥＴ１４への２次高調波反射レベルを上げて、電圧電流波形の重なりを低減し、電力効率を向上させることができる効果がある。

また、第１の増幅器では、注入する高調波をレベルの高い２次高調波としているので、効率向上の効果が一層大きくなる効果がある。

また、従来の増幅器では、高調波の位相及び振幅を調整するには、高調波反射回路を調整しなければならず、回路規模が増大してしまうおそれがあったが、第１の増幅器では、可変移相器３３と可変減衰器３４とを調整することにより、高調波発生回路３で入力される２次高調波の位相及び振幅を、増幅器２０のＦＥＴで発生する２次高調波の位相及び振幅と最適な関係となるよう調整することができ、簡易な構成で、一層効率を向上させることができる効果がある。

また、増幅器２０を、図７（ｂ）に示した２次高調波にも整合したものとすることも可能であり、これにより、入力信号に注入する２次高調波のレベルを低減することができ、より一層電力変換効率を向上させることができる効果がある。

更に、ここでは、２次高調波を注入するための構成について説明したが、更に４次以上の偶数次高調波を注入することで、電流と電圧の波形の重なりを一層小さくすることができるものである。この場合には、４次以上の高調波を発生する高調波発生回路を図１に示した高調波発生回路３に並列に設ければよい。各々の高調波発生回路の構成は２次の場合と同様であり、発生する高調波の周波数を変えればよい。

［第２の実施の形態：図４］
本発明の第２の実施の形態に係る高周波電力増幅器について図４を用いて説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第２の増幅器）の構成ブロック図である。
図４に示すように、第２の増幅器は、ドハティ増幅器において、キャリア増幅回路６とピーク増幅回路７に２次高調波を反射する高調波反射回路を備え、ドハティ増幅器の前段に、入力信号に２次高調波を注入する高調波発生回路３を設けた構成である。

具体的には、第２の増幅器は、入力端子１と、高調波発生回路３と、分配器４と、移相器５と、キャリア増幅回路６と、ピーク増幅回路７と、伝送線路８及び１０と、合成点９とから構成されている。分配器４と、移相器５と、伝送線路８と、合成点９と、伝送線路１０は図９に示した従来のドハティ増幅器と同様であるため、説明は省略する。

第２の増幅器の特徴である高調波発生回路３の構成は、図１に示した高調波発生回路３と同様の構成であるため、図１を用いて説明する。
第２の増幅器の高調波発生回路３は、図１に示すように、分配器３１と、遅延線３５と、２次高調波発生器３２と、可変移相器３３と、可変減衰器３４と、合成器３６とから構成される。そして、入力信号の基本波から２次高調波を生成して、生成された２次高調波の位相及び振幅の調整を行って基本波と合成して、２次高調波を多く含む合成信号を分配器４に出力するものである。

また、高調波発生回路３の、２次高調波発生器３２の構成は、図２に示した高調波発生器と同様の構成であり、入力端子１０１と、入力整合回路１０３と、ダイオード１０４と、出力整合回路１０５と、出力端子１０２とから構成されている。

第２の増幅器の高調波発生回路３は、ドハティ増幅器で発生する２次高調波を増幅するものであり、高調波発生回路３で注入される２次高調波の位相及び振幅が、ドハティ増幅器で発生する２次高調波の位相及び振幅と、最適な関係となるように、可変移相器３３及び可変減衰器３４でベクトル調整を行うようになっている。

キャリア増幅回路６は、図９に示した従来のドハティ増幅器と同様の部分として、入力整合回路６１と、ＦＥＴ（キャリア増幅素子）６２と、出力整合回路６３とを備え、第２の増幅器の特徴部分として、高調波反射回路６４を備えている。
また、ピーク増幅回路７は、従来のドハティ増幅器と同様の部分として、入力整合回路７１と、ＦＥＴ（ピーク増幅素子）７２と、出力整合回路７３とを備え、第２の増幅器の特徴部分として、高調波反射回路７４を備えている。従来と同様の部分については説明を省略する。

キャリア増幅回路６の高調波反射回路６３と、ピーク増幅回路７の高周波反射回路７３は、基本波に影響を与えず、２次高調波を反射するインピーダンス特性を有する。高調波反射回路６３，７３を挿入する位置は、線路の損失を考慮すると、増幅素子に近い方がよいが、従来のＦ級増幅器ほどこだわらなくてもよい。また、高出力増幅素子を用いる場合には、内部整合回路の２次高調波反射特性を利用してもよい。

［第２の増幅器の動作］
第２の増幅器の動作について図４及び図１を用いて説明する。
第２の増幅器では、図４の入力端子１から入力された基本波信号は、高調波発生回路３に入力され、図１の高調波発生回路３の分配器３１で分配され、その一方の基本波信号は高調波発生器３２に入力されて、基本波周波数の２倍の周波数を有する２次高調波が生成される。
発生した２次高調波は、可変移相器３３で位相調整され、可変減衰器３４で振幅調整されて、合成器３６に入力される。

高調波発生器３の分配器３１で分配されたもう一方の基本波信号は、遅延線３５で遅延されて合成器３６に入力され、合成器３６において、ベクトル調整された２次高調波と合成され、図１のドハティ増幅器の分配器４に出力される。
そして、キャリア増幅器６に入力された信号は増幅されて伝送線路８を介して合成点９に出力され、移相器５を経てピーク増幅器７に入力された信号は増幅されて合成点９に出力され、合成点９において合成後、伝送線路１０を経て出力端子から出力される。

すなわち、第２の増幅器では、ドハティ増幅器のキャリア増幅回路６及びピーク増幅回路７に入力される信号は、２次高調波を多く含むものであるから２次高調波の出力レベルが増大し、キャリア増幅器６及びピーク増幅器７の、高調波反射回路６３，７３によってＦＥＴ６２，７２に反射される２次高調波反射レベルを一層大きくすることができ、電圧電流波形の重なりを減らして、電力効率を向上させることができるものである。
尚、第２の増幅器の特性については、図６を用いて後で説明する。

［第２の実施の形態の効果］
第２の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第２の増幅器）によれば、ドハティ増幅器において、ドハティ増幅器の入力段に、２次高調波を発生する高調波発生器３２と、発生した２次高調波の位相を調整する可変移相器３３と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器３４とを備え、入力信号に２次高調波を注入した合成信号をドハティ増幅器の入力信号とすることでＦＥＴの高調波出力レベルを増大させ、更に、ドハティ増幅器のキャリア増幅回路６とピーク増幅回路７にそれぞれ高調波反射回路６３，７３を備えて、高レベルの２次高調波を反射するようにしているので、２次高調波の反射レベルを増大させて、電圧電流波形の重なりを低減し、電力効率を向上させることができる効果がある。

また、高調波発生回路３の可変移相器３３と可変減衰器３４とを調整することにより、高調波発生回路３で基本波に注入される２次高調波の位相及び振幅を、ドハティ増幅器で発生する２次高調波の位相及び振幅と最適な関係となるよう調整することができ、簡易な構成で一層効率を向上させることができる効果がある。

また、従来は、２次高調波の位相及び振幅を調整するには、高調波反射回路を調整しなければならず、それと共に出力整合回路も調整する必要があり、基本波整合と２次高調波整合を同時に合わせることは困難であったが、第２の増幅器によれば、入力信号に２次高調波を加え、且つ可変位相器３３及び可変減衰器３４で２次高調波の位相及び振幅を調整することにより、基本波と２次高調波の整合を同時に合わせることが容易になる効果がある。

更に、４次以上の偶数次高調波を発生する高調波発生回路を図４示した高調波発生回路３に並列に設け、ドハティ増幅器の入力に、４次以上の偶数次高調波を注入する構成とすればより効率を向上させることができる効果がある。

［第３の実施の形態：図５］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る高周波電力増幅器について図５を用いて説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第３の増幅器）の構成ブロック図である。
第３の増幅器は、第２の増幅器と同様に、ドハティ増幅器に２次高調波を注入する高調波発生回路を設けたものであるが、第３の増幅器の特徴として、キャリア増幅回路の入力にのみ２次高調波を注入する構成としている。

図５に示すように、第３の増幅器では、キャリア増幅回路６の入力段に、高調波発生回路３を設けており、キャリア増幅回路６に、高調波反射回路６４を備えている。
第３の増幅器の高調波発生回路３は、第２の増幅器の高調波発生回路３と同様の構成であり、キャリア増幅回路６への入力信号に２次高調波を注入するものである。第３の増幅器の高調波発生回路３においては、高調波発生回路３で注入される２次高調波の位相及び振幅が、キャリア増幅回路６で発生する２次高調波の位相及び振幅と最適な関係となるよう、注入される２次高調波の位相及び振幅を可変移相器３３及び可変減衰器３４で調整するようになっている。

ドハティ増幅器では、ピーク増幅回路７が動作する領域では元々効率が高く、また、ピーク増幅回路７が動作する時間が短いため、ピーク増幅回路７の効率が全体に与える影響はそれほど大きくない。
第３の増幅器では、このことを利用して、キャリア増幅回路６のみに２次高調波を注入する構成として、ピーク増幅回路７の高調波反射回路を不要とし、また、第２の増幅器に比べて２次高調波の注入に要する電力を低減することができるものである。
尚、高調波の注入をキャリア増幅回路６のみとした場合に、ピーク増幅回路７に高調波反射回路を備えても構わない。

［第２、第３の増幅器の特性：図６］
次に、第２の増幅器と第３の増幅器の特性について図６を用いて説明する。図６は、第２の増幅器及び第３の増幅器の入力電力−電力効率特性を示す模式説明図である。
図６では、従来のドハティ増幅器の特性を実線で示し、キャリア増幅回路とピーク増幅回路の両方の入力信号に２次高調波を注入した第２の増幅器の特性を短い破線で示し、キャリア増幅回路の入力信号のみに２次高調波を注入した第３の増幅器の特性を長い破線で示している。

図６に示すように、第２及び第３の増幅器は、どちらも、入力電力が低い所から高い所まで広範囲にわたって、従来のドハティ増幅器よりも高い効率が得られる。特に、第３の増幅器では、キャリア増幅回路６のみが動作する入力レベルにおいて、第２の増幅器よりも高い効率となることがわかる。ピーク増幅回路７が動作を開始するレベルになると、幾分効率は低下するものの、全体的な影響は少ない。

［第３の実施の形態の効果］
第３の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第３の増幅器）によれば、ドハティ増幅器において、キャリア増幅回路６の入力段に、２次高調波を発生する高調波発生器３２と、発生した２次高調波の位相を調整する可変移相器３３と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器３４とを備え、入力信号に２次高調波を注入した合成信号をキャリア増幅回路６の入力信号とすることでＦＥＴの高調波出力レベルを増大させ、更に、キャリア増幅回路６に高調波反射回路６３を備えて、ＦＥＴ６２で増幅された高レベルの２次高調波を反射するようにしているので、２次高調波の反射レベルを増大させて、電圧電流波形の重なりを低減し、電力効率を向上させることができる効果がある。

また、第３の増幅器では、キャリア増幅回路６のみに２次高調波を注入する構成としているので、第２の増幅器に比べて構成を簡易にすることができ、また、注入用の２次高周波発生に要する電力を低減することができ、特にキャリア増幅回路６のみが動作する広い範囲の入力レベル領域において、大幅な効率向上を図ることができる効果がある。

また、更に別の構成例として、キャリア増幅回路６とピーク増幅回路７の両方に高調波を注入する場合に、図４に示した第２の増幅器の構成以外にも、図５に示した第３の増幅器において移相器５とピーク増幅回路７との間に別の高調波発生回路を挿入した構成とし（図示せず）、キャリア増幅回路６とピーク増幅回路７にそれぞれ注入レベルを変えた高調波を注入して、一層の高効率を図ることも可能である。

本発明は、電力変換効率を向上させることができる高周波電力増幅器に適している。

本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第１の増幅器）の構成ブロック図である。 高調波発生器３２の構成ブロック図である。 第１の増幅器の入力電力−電力効率特性を示す模式説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第２の増幅器）の構成ブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第３の増幅器）の構成ブロック図である。 第２の増幅器及び第３の増幅器の入力電力−電力効率特性を示す模式説明図である。 （ａ）（ｂ）は従来のＦ級増幅器の構成を示す概略構成ブロック図である。 Ｆ級増幅器における電圧及び電流の理論上の波形図である。 従来のドハティ増幅器の構成を示す構成ブロック図である。

符号の説明

１，１１，１０１…入力端子、 ２，１２，１０２…出力端子、 ３…高調波発生回路、 ４…分配器、 ５…移相器、 ６…キャリア増幅回路、 ７…ピーク増幅回路、 ８，１０…伝送線路、 １３，１０３，６１，７１…入力整合回路、 １４，６２，７２…ＦＥＴ、 １５，１０５，６３，７３…出力整合回路、 １６，６４，７４…高調波反射回路、 ２０…増幅器、 ３１…分配器、 ３２…高調波発生器、 ３３…可変移相器、 ３４…可変減衰器、 ３５…遅延線、 ３６…合成器、 １０４…ダイオード

Claims (2)

1. 増幅回路と、前記増幅回路の入力段に設けられた高調波発生回路とを備えた高周波電力増幅器であって、
   前記増幅回路が、入力された高周波信号を増幅する増幅素子と、前記増幅素子の入力段に設けられた入力整合回路と、前記増幅素子の出力段に設けられた出力整合回路と、前記出力整合回路から出力される高調波周波数を反射する高調波反射回路とを備え、
   前記高調波発生回路が、基本波周波数の入力信号を分配する分配器と、前記分配された一方の基本波信号から２次高調波を発生する高調波発生器と、前記高調波発生器で発生した２次高調波の位相及び振幅を調整する調整器と、位相及び振幅が調整された２次高調波と前記分配された他方の基本波信号とを合成して前記増幅回路に出力する合成器とを有する高調波発生回路を備え、
   前記高調波発生器は、前記入力信号が前記基本波周波数に整合され、出力信号が前記２次高調波周波数に整合され、
   前記調整器は、前記２次高調波の位相及び振幅を、前記増幅素子で発生する２次高調波の位相及び振幅と最適な関係となるよう調整し、
   前記入力整合回路は、前記基本波周波数と前記２次高調波周波数の両方に対して、前記増幅素子の入力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備え、
   前記出力整合回路は、前記基本波周波数と前記２次高調波周波数の両方に対して、前記増幅素子の出力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備え、
   前記高調波反射回路が、２次高調波周波数を反射する特性を有することを特徴とする高周波電力増幅器。
2. ＡＢ級で動作する第１の増幅素子を有するキャリア増幅回路と、Ｂ級又はＣ級で動作する第２の増幅素子を有するピーク増幅回路とを備え、前記キャリア増幅回路と前記ピーク増幅回路の出力を合成して出力するドハティ増幅器であって、
   請求項１記載の高周波電力増幅器を前記キャリア増幅回路として用いたことを特徴とするドハティ増幅器。

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