JPH07111426A - 電力増幅器 - Google Patents

電力増幅器

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JPH07111426A
JPH07111426A JP25422893A JP25422893A JPH07111426A JP H07111426 A JPH07111426 A JP H07111426A JP 25422893 A JP25422893 A JP 25422893A JP 25422893 A JP25422893 A JP 25422893A JP H07111426 A JPH07111426 A JP H07111426A
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JP
Japan
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line
microwave
component
power amplifier
series connection
Prior art date
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Withdrawn
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JP25422893A
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English (en)
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Yoshiaki Nakano
義明 中野
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 例えば、マイクロ波帯で使用する電力増幅器
に関し、高出力、高効率、小型化を図ることを目的とす
る。 【構成】 波長λの入力信号を増幅し、該入力信号の基
本波成分および高調波成分に対して整合を取って送出す
る増幅部分1を有する電力増幅において、約nλ/4の
線路の一端と並列接続した複数個の集中定数素子のコン
デンサの他端とを接続して直列接続部分2を形成し、線
路の他端を増幅部分の出力側に、コンデンサの一端を接
地導体に接続するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、マイクロ波帯
で使用する電力増幅器に関するものである。電力増幅器
は、送信信号を所定の送信電力に増幅する部分である
が、送信時の消費電力は殆ど電力増幅器で消費されるこ
とになる。そこで、無線装置などに使用されている準マ
イクロ波帯/マイクロ波帯の電力増幅器としては高出
力、高効率化を図ることが必要である。
【0002】
【従来の技術】図7は従来例の要部構成図、図8は図7
中の直列接続部分のシミュレーション説明図で、(a) は
スミスチャートを用いた説明図、(b) はパラメータS11
とS21を用いた説明図、図9は図8のシミュレーション
条件説明図である。
【0003】以下、図8、図9を参照して図7の動作を
説明するが、この図は電圧供給部分が省略してある。先
ず、図7において、電界効果トランジスタ(FET) Q1は入
力側線路12を介して印加したマイクロ波を増幅して出力
側線路111 に送出する。ここで、線路111 はマイクロ波
の基本波成分及び偶数次及び奇数次の高調波成分に対す
るインピーダンス変換部分で、FET の出力側と図示しな
い負荷との間の整合を取っている。
【0004】また、線路111 の一端とアース間に、基本
波成分の波長の約1/4 の長さの線路21と直流阻止用の積
層セラミックコンデンサC0を直列接続した直列接続部分
2´が設けられているが、A 点から矢印側を見たインピ
ーダンスは基本波成分と奇数次高調波成分に対しては開
放状態、偶数次高調波成分に対してほぼ短絡状態にな
る。そこで、公知の様に、FET はスイッチング動作して
電流は半波整流波、電圧は電流と逆相の方形波となるF
級動作を行い理想的にはドレイン効率が100 % となる。
【0005】さて、出力側の線路111 に現れたマイクロ
波の基本波成分は、基本波成分のみを通過させる線路11
2 、コンデンサC3を通って外部に送出される。次に、直
列接続部分2´のインピーダンスの周波数特性をシミュ
レーションする際、この部分が図9に示す様に、誘電率
(ER) 4.5, 厚さ0.8 mmのガラス・エポキシ系基板(egp)
に、導体厚 0.35 μm,長さ20 mm,幅 1.4 mm のパターン
で形成した線路21の一端を、他端が接地された積層セラ
ミックコンデンサC0の一端に接続して構成したものとす
る。
【0006】また、シミュレーションは、線路の他端に
内部抵抗50Ωの信号源と50Ωの負荷に接続し、測定周波
数を100 MHz から5.1 GHz まで変化して図8(a) と図8
(b)の結果が得られたが、これらの結果について以下に
説明する。
【0007】ここで、基本波成分の周波数は2GHz 、2
次高調波成分の周波数は4GHz で、図8(b) の横軸は左
端が100MHz、右端が5.1 GHz で、2目盛りが1GHz であ
り、基本波成分に対する直列接続部分の状態をM1の位置
で、2次高調波成分に対するものをM2の位置でそれぞれ
示す。
【0008】図8(a) において、2次高調波成分に対す
る直列接続部分2´は短絡状態にある筈なので、回路損
失がなければa1の位置、回路損失があれば損失分だけ右
側にシフトしたa2の位置になければならない。しかし、
後述の様に積層セラミックコンデンサのインダクタンス
成分の影響を受けて、左上部のM2の位置まで位相が周
り、短絡状態でなくなる。しかし、基本波成分に対して
はFET から見たインピーダンスはM1の位置( ほぼ50Ω)
にあるので、直列接続部分2´は開放状態になってい
る。
【0009】一方、図8(b) のS11 (FET の出力側から
A 点側を見た時のリターン・ロス)でみると、基本波成
分に対しては約 23dB のリターン・ロスがある M1 の位
置にあるので、直列接続部分2´のインピーダンスは開
放状態にある。しかし、2次高調波成分に対しては約3
dBのリターン・ロスがある M2 の位置にあり( 本来は0
dB) 、全反射になっていない。
【0010】また、S21(入力波と出力波の比) で見る
と、基本波成分に対してはM1の位置にあり、通過損失は
0である。2次高調波成分に対しては−4dB位の損失が
あり、短絡状態にはなっていない( 本来は−20位の損失
でなければならない) 。
【0011】即ち、図8(a), (b)に示す様に、直列接地
部分2´は2次高調波成分に対して短絡状態とならない
ので、電力増幅器は F級動作からずれた動作をし、出力
及び効率が低下していた。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】図10は課題説明図で、
(a) は積層セラミックコンデンサ実装説明図、(b) は積
層セラミックコンデンサの等価回路図である。
【0013】上記の様に、直列接続部分2´で使用する
直流阻止用の積層セラミックコンデンサは、図10(a) に
示す様に、セラミック板の両面に電極を付けて形成した
セラミックコンデンサを積層したもので、例えば、誘電
体基板上のマイクロストリップラインに半田付けして実
装される。また、積層セラミックコンデンサの等価回路
を図10(b) に示すが、図中のインダクタンス成分L1〜L3
は電極や引出し線などで生ずるものである。
【0014】ここで、上記のインダクタンス成分による
サセプタンス値が基本波成分に対してほぼ0になってい
ても、高調波成分では無視できない値になる。この為、
2次高調波成分に対して短絡状態とならず、電力増幅器
の出力及び効率が低下すると云う問題がある。
【0015】なお、集中定数素子である積層セラミック
コンデンサを使用せず、分布定数回路のみで構成するこ
とはできるが、形状が大きくなり機器の小型化の傾向と
逆行することになる。
【0016】本発明は、電力増幅器の高出力、高効率小
型化を図ることを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理構成
図である。図中、1は波長λの入力信号を増幅し、該入
力信号の基本波成分および高調波成分に対して整合を取
って送出する増幅部分、2は直列接続部分である。第1
の本発明は、約nλ/4の線路の一端と並列接続した複
数個の集中定数素子のコンデンサの他端とを接続して直
列接続部分を形成し、線路の他端を増幅部分の出力側
に、コンデンサの一端を接地導体に接続する構成にし
た。第2の本発明は、接地導体を複数個に分割し、それ
ぞれのコンデンサを対応する接地導体部分に接続する構
成にした。第3の本発明は、直列接続部分を、高調波成
分毎に分割して設ける構成にした。第4の本発明は、線
路を高インピーダンス線路で構成した。
【0018】
【作用】第1の本発明は集中定数素子である直流阻止用
の積層セラミックコンデンサを1個でなく、複数個並列
接続して前記の課題を解決した。即ち、図10(b) に示す
積層セラミックコンデンサの等価回路より、直列 LC 回
路のインピーダンスZ =j[ ωL −( 1/ωC) ]となる。こ
こで、( 1/ωC)は容量が大きければ大きい程、周波数が
高ければ高い程小さくなるので、2次高調波成分に対し
ては殆どインダクタンス成分ωL が残り、この成分によ
って直列接続部分が短絡状態にならないと考えられる。
【0019】そこで、コンデンサを並列に接続して上記
のインダクタンス成分を低減すれば、基本波成分に対し
ては開放状態、偶数次高調波成分に対しては短絡状態と
なり、電力増幅器の高出力、高効率化を図ることができ
る。
【0020】なお、接地導体もコンデンサの個数に合わ
せて分割することにより、インダクタンス成分の影響を
低減させることができる。
【0021】
【実施例】図2は第1,第2の本発明の実施例の要部構
成図、図3は図2の実装説明図、図4は第3の本発明の
実装説明図、図5は図2中の直列接続部分のシミュレー
ション説明図で、(a) はスミスチャートを用いた説明
図、(b) はパラメータS11 とS21 を用いた説明図、図6
は図5のシミュレーション条件説明図である。
【0022】なお、全図を通じて同一符号は同一対象物
を示す。以下、n=1として、図2〜図6を説明する
が、上記で詳細説明した部分については概略説明し、本
発明の部分について詳細説明する。また、上記で定義し
た事項は本発明でもそのまま使用する。
【0023】先ず、図2において、基本波成分の波長の
約1/4 の長さのマイクロストリップ線路で形成された線
路21の一端を、並列接続した積層セラミックコンデンサ
C1,C2を介して接地し、他端をFET Q1の出力側に接続さ
れた線路11に接続する。
【0024】一方、FET Q1は入力側線路 12 を介して印
加したマイクロ波を増幅して出力側線路111 に送出す
る。線路111 はマイクロ波の基本波成分及び偶数次及び
奇数次の高調波成分に対するインピーダンス変換機能を
持っているので、マイクロ波の基本波成分は、線路111,
線路112 とコンデンサC3を通って外部に送出される。
【0025】なお、線路21と積層セラミックコンデンサ
C1, C2の直列接続部分は、後述する様に、例えば2次高
調波成分に対してはほぼ短絡状態となるので、公知の様
に、FET はF級動作を行う。
【0026】さて、上記の電力増幅器の実装は図3に示
す様に、入力側基板上に直流阻止用コンデンサC4を持つ
入力側線路12が形成され、出力側基板上に直流阻止用の
コンデンサC3を持つ出力側線路11、線路12とスルーホー
ル22を介して一端が接地されたコンデンサC1, C2からな
る直列接続部分2、インピーダンス整合用のスタブ13が
形成され、FET Q1で増幅したマイクロ波を出力側線路11
を介して外部に取り出す様になっている。
【0027】ここで、接地は2個並列に分割したスルー
ホール(接地導体になっている)を用いることにより、
スルーホールのインダクタンス成分の影響も低減するこ
とができる。また、コンデンサの取付け位置のズレ、容
量値及びインダクタンス成分のバラツキに対しても、コ
ンデンサの個数を調整することにより容易に補正するこ
とができる。
【0028】更に、図4は入力したマイクロ波をFET
Q2, Q3で増幅した後、2次高調波成分に対してほぼ短絡
状態となる直列接続部分2、3次高調波成分に対して開
放状態となる直列接続部分3が接続された出力側線路11
を介して、基本波成分を取り出す様にしたもので、それ
ぞれの高調波成分に対する終端条件を確実に満足させる
ことができる。また、直列接続部分の線路インピーダン
スを高くすることにより、広帯域にわたり終端条件を満
足させることができる。
【0029】次に、直列接続部分2のインピーダンスの
周波数特性をシミュレーションする際、この部分が図6
に示す様に、誘電率(ER) 4.5, 厚さ0.8 mmのガラス・エ
ポキシ系基板(egp) に、導体厚 0.35 μm,長さ20 mm,幅
1.4 mm のパターンで形成した線路21の一端を、5個並
列接続した積層セラミックコンデンサの他端と接続する
が、この積層セラミックコンデンサの一端が接地されて
いるとする。
【0030】そして、上記と同様に、線路の他端を内部
抵抗50Ωの信号源と50Ωの負荷に接続し、2GHz の基本
波成分に対して、測定周波数を100 MHz から5.1 GHz ま
で変化して図5(a) と図5(b) の結果が得られたが、こ
れらの結果について以下に説明する図5(a) において、
2次高調波成分に対する直列接続部分の状態はM2の位置
にあるので、ほぼ短絡状態にある。また、基本波成分に
対する直列接続部分の状態はM1の位置( ほぼ50Ω) にあ
るので、開放状態になっている。
【0031】一方、図5(b) のS11 でみると、基本波成
分に対する直列接続部分の状態はM1の位置にあるので、
リターン・ロスが約 23dB で開放状態にある。また、2
次高調波成分に対してはM2の位置にあるので、リターン
・ロスは0dBとなり、全反射の状態にある。また、S21
(入力波と出力波の比) で見ると、基本波成分に対して
はM1の位置にあるので通過損失は0であり、2次高調波
成分に対してはM2の位置にあるきで、通過損失は22dBあ
り、全反射の状態にある。
【0032】これにより、直列接続部分2は、基本波成
分に対しては開放状態、2次高調波成分に対しては短絡
状態となるので、FET は F級動作を行い、出力及び効率
が向上する。
【0033】
【発明の効果】以上詳細に説明した様に本発明によれ
ば、電力増幅器の高出力、高効率小型化を図ることがで
きると云う効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理構成図である。
【図2】第1,第2の本発明の実施例の要部構成図であ
る。
【図3】図2の実装説明図である。
【図4】第3の本発明の実装説明図である。
【図5】図2中の直列接続部分のシミュレーション説明
図で、(a) はスミスチャートを用いた説明図、(b) はパ
ラメータS11 とS21 を用いた説明図である。
【図6】図5のシミュレーション条件説明図である。
【図7】従来例の要部構成図である。
【図8】図7中の直列接続部分のシミュレーション説明
図で、(a) はスミスチャートを用いた説明図、(b) はパ
ラメータS11 とS21 を用いた説明図である。
【図9】図8のシミュレーション条件説明図である。
【図10】課題説明図で、(a) は積層セラミックコンデン
サ実装説明図、(b) は積層セラミックコンデンサの等価
回路図である。
【符号の説明】
1 増幅部分 2,2´ 直列接続部分

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 波長λの入力信号を増幅し、該入力信号
    の基本波成分および高調波成分に対して整合を取って送
    出する増幅部分(1) を有する電力増幅において、 約nλ/4(nは正の整数)の線路の一端と、並列接続
    した複数個の集中定数素子のコンデンサの他端とを接続
    して直列接続部分(2) を形成し、該線路の他端を増幅部
    分の出力側に、該コンデンサの一端を接地導体に接続す
    る構成にしたことを特徴とする電力増幅器。
  2. 【請求項2】 上記接地導体を複数個に分割し、それぞ
    れのコンデンサを対応する接地導体部分に接続する構成
    にした請求項1の電力増幅器。
  3. 【請求項3】 上記直列接続部分を、高調波成分毎に分
    割して設ける構成にした請求項1の電力増幅器。
  4. 【請求項4】 該線路を高インピーダンス線路で構成し
    た請求項1の電力増幅器。
JP25422893A 1993-10-12 1993-10-12 電力増幅器 Withdrawn JPH07111426A (ja)

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JP25422893A JPH07111426A (ja) 1993-10-12 1993-10-12 電力増幅器

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JP (1) JPH07111426A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010171650A (ja) * 2009-01-21 2010-08-05 Fujitsu Ltd バイアス回路
CN106817086A (zh) * 2017-03-22 2017-06-09 江苏博普电子科技有限责任公司 一种用于微波功率放大电路的供电臂

Cited By (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010171650A (ja) * 2009-01-21 2010-08-05 Fujitsu Ltd バイアス回路
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Effective date: 20001226