JP2005039799A - 電力増幅器、電力分配器および電力合成器 - Google Patents

Abstract

【課題】 プシュプル型の電力増幅器を高効率化するために一対の直列共振回路を設けると回路が大型化し、また特性ばらつきが生じる。
【解決手段】 分布定数線路１０５ａ，１０５ｂは、第１の増幅素子１０２ａによって増幅された第１の信号における基本波成分の位相を反転させるため、基本波の１／２波長の線路長を有する。直列共振回路１０６の一端は、２次高調波成分の位相が反転する分布定数線路１０５ａと１０５ｂとの間に並列に接続されている。その他端は、第２の増幅素子１０２ｂの出力側に接続されている。直列共振回路１０６は、２次高調波成分の周波数で共振することによって、２次高調波成分を打ち消す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波電力増幅器に関し、より特定的には、プッシュプル型の高周波電力増幅器およびそれに用いられる電力分配器および電力合成器に関する。

図６は、従来のプッシュプル型の高周波電力増幅器の構成を示す図である。図６において、従来の電力増幅器９は、入力端子９００と、バラン／整合回路９０１と、同一規格の電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという）９０２ａ，９０２ｂと、ＦＥＴ９０２ａ，９０２ｂのドレインに接続されたインダクタ９０３ａ，９０３ｂと、出力端子９０４と、出力端子９０４とＦＥＴ９０２ａのドレインとの間に接続された分布定数線路９０５と、分布定数線路９０５とＦＥＴ９０２ａのドレインとの間に並列に接続された直列共振回路９０６ａと、出力端子９０４とＦＥＴ９０２ｂのドレインとの間に並列に接続された直列共振回路９０６ｂとを含む。

バラン／整合回路９０１は、入力端子９００に入力される基本波の位相を回転させ、互いに逆相の基本波成分を有する第１および第２の信号を出力する。第１および第２の信号は、それぞれＦＥＴ９０２ａ，９０２ｂによって増幅される。ここで、基本波の波長をλとする。分布定数線路９０５の長さは、基本波の１／２波長（λ／２）の長さとなっている。ＦＥＴ９０２ａから出力された信号は、分布定数線路９０５によって基本波成分の位相を１８０度回転させられ、ＦＥＴ９０２ｂから出力された信号と合成される。合成された信号は、出力端子９０４から出力される。

基本波の周波数をｆｏ（＝１／λ）とした場合、直列共振回路９０６ａ，９０６ｂは、ｆｏの２倍の周波数２ｆｏで共振するように設定されている。したがって、増幅素子９０２ａ，９０２ｂで発生した互いに同相の２次高調波は、直列共振回路９０６ａ，９０６ｂにおいて短絡する。したがって、図６に示す従来の電力増幅器９は、２次歪みの発生を抑圧することができる。

図７は、高調波に対するインピーダンスを考慮した整合回路を設けた従来のプッシュプル型の電力増幅器の構成を示す図である（特許文献１参照）。図７に示す従来の電力増幅器において、入力端子９１１に入力された基本波は、位相反転回路９１２によって、互いに逆相の二つの信号として出力され、それぞれ整合回路９１３，９１４を介して、ＦＥＴ９１５，９１６へ入力される。

ＦＥＴ９１５，９１６のドレインには、分布定数線路９１７，９１８が接続されている。分布定数線路９１７，９１８において、基本波の１／４波長の整数倍の長さＬ１の位置に、偶数次高調波に対して短絡となる基本波の１／４波長の長さＬ２となる一端を短絡したスタブ９１９，９２０が接続されている。

また、分布定数線路９１７，９１８において、３次高調波に対して開放とするために基本波の１／１２波長の長さＬ３の位置に、分布定数線路９１７と分布定数線路９１８とを結ぶコンデンサ９２１が接続されている。さらに、コンデンサ９２１の接続位置とスタブ９１９，９２０の接続位置との間の分布定数線路９１７，９１８において、基本波に対するインピーダンスの整合を取るために、コンデンサ９２２が接続されている。分布定数線路９１７，９１８からの信号は、位相反転器９２３で互いに同相の信号とされて合成され、出力端子９２４から出力される。

図７に示す従来の電力増幅器において、ＦＥＴ９１５，９１６のゲート電圧をピッチオフ点に設定し、入力信号を十分振り込んだ場合、ＦＥＴのドレイン電圧ｖｄおよびドレイン電流ｉｄは、図８に示すような形状の波形となる。すなわち、ドレイン電圧ｖｄは基本波と奇数次高調波成分からなる矩形波になり、ドレイン電流ｉｄは基本波と偶数次高調波からなる半波整流波形になる。したがって、電圧と電流とが同時に存在することがないため増幅素子内での電力消費がなくなるので、効率が１００％になる。
特開平０５−０２９８５１号公報

図６に示した従来の電力増幅器では、２次高調波に対してインピーダンスを短絡とするために、直列共振回路９０６ａ，９０６ｂを一対のＦＥＴに対してそれぞれ設ける必要があった。

また、図７に示した従来の電力増幅器では、偶数次高調波に対してインピーダンスを短絡とするためのスタブ９１９，９２０を、一対のＦＥＴに対してそれぞれ設ける必要があった。

そのため、いずれの従来の電力増幅器においても、回路が大型化してしまうという問題があった。

また、これら一対の直列共振回路やスタブは、それぞれが同じ特性である必要がある。しかし、増幅器を集積してモジュール化するような場合には、周辺部品の影響などにより一対の直列共振回路やスタブの高周波特性が微妙に異なることがある。これは、利得特性にばらつきを生じさせる原因となる。

それゆえ、本発明の目的は、小型でかつ特性ばらつきの小さい高効率の電力増幅器を提供することである。さらに、本発明の他の目的は、このような電力増幅器で用いられる電力分配器および電力合成器を提供することである。

上記課題を解決するために本発明は以下のような特徴を有する。本発明は、高周波信号を増幅するための電力増幅器であって、第１の信号を増幅するための第１の増幅素子と、第１の増幅素子とプッシュプル型に接続されており、第１の信号と逆相の第２の信号を増幅するための第２の増幅素子と、第１の増幅素子によって増幅された第１の信号における基本波成分の位相を反転させる線路長を有する第１の分布定数線路と、短絡させたい偶数次高調波成分の位相が反転する第１の分布定数線路上の位置と第２の増幅素子の出力側との間に接続され、短絡させたい偶数次高調波成分の周波数で直列共振する第１の共振回路と、第１の分布定数線路からの信号と第２の増幅素子からの信号とを合成して出力する出力端子とを備える。

本発明によれば、プッシュプル型の電力増幅器において、所望の偶数次高調波成分の周波数で直列共振し、かつ当該偶数次高調波の位相が反転する位置に接続されている一つの共振回路が、第１および第２の増幅素子で発生する偶数次高調波を相殺する。このように、１つの共振回路によって偶数次高調波歪みの発生を抑えることができるので、回路が小型化される電力増幅器を提供することができる。また、プッシュプル型の電力増幅器で用いられる二つの増幅素子毎に偶数次高調波歪みの発生を抑圧するための共振回路をそれぞれ設ける場合に比べ、特性ばらつきを低減することができる。

好ましくは、第１の分布定数線路の線路長は、基本波の１／２波長であり、第１の共振回路を接続するための第１の分布定数線路上の位置は、第１の分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところであり、第１の共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振することを特徴とする。

これにより、第１の分布定数線路の線路長が基本波の１／２波長となるので、第１の信号における基本波の位相が１８０度回転する。また、第１の共振回路は、第１の分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところ、すなわち２次高調波の１／２波長のところに接続されているので、第１の共振回路の両端において、２次高調波の位相は互いに反転している。さらに、第１の共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振するので、２次高調波に対して短絡回路として働く。したがって、第１および第２の増幅素子の出力端において、２次高調波は相殺されることとなる。このように、各増幅素子の出力端に、個別に共振回路を設けなくとも、１つの共振回路によって構成される小型の電力増幅器が提供されることとなる。

好ましくは、第１の共振回路は、インダクタおよびコンデンサが対称に配置された直列共振回路であるとよい。これにより、第１の共振回路の両端から見たときのインピーダンスのずれを防止することができる。

好ましくは、第１の共振回路は、短絡させたい偶数次高調波成分の波長の１／２の電気長を有する分布定数線路であるとよい。これにより、第１の共振回路の両端から見たときのインピーダンスのずれ防止できると共に、素子点数を低減することができる。

好ましくは、第１および第２の信号をそれぞれ第１および第２の増幅素子に入力するための電力分配器をさらに備え、電力分配器は、入力される信号を二分配し、一方を第１の信号として第１の増幅素子に入力する分配手段と、分配手段からの他方の信号における基本波成分の位相を反転させる線路長を有し、当該位相を反転させた信号を第２の信号として第２の増幅素子に入力する第２の分布定数線路と、短絡させたい偶数次高調波成分の位相が反転する第２の分布定数線路上の位置と第２の増幅素子の入力側との間に接続され、短絡させたい偶数次高調波成分の周波数で直列共振する第２の共振回路とを含む。

これにより、偶数次高調波が短絡されている第１および第２の信号が入力されることとなる。第１および第２の信号を入力するための電力分配器では、所望の偶数次高調波成分の周波数で直列共振し、かつ当該偶数次高調波の位相が反転する位置に接続されている一つの共振回路が、第１および第２の増幅素子で発生する偶数次高調波を相殺する。このように、１つの共振回路によって偶数次高調波歪みの発生が抑えられている信号を入力することができるので、電力分配器が内蔵されている小型の電力増幅器を提供することができる。１つの共振回路を用いるので、特性ばらつきを低減することができる。

好ましくは、第２の分布定数線路の線路長は、基本波の１／２波長であり、第２の共振回路を接続するための第２の分布定数線路上の位置は、第２の分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところであり、第２の共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振することを特徴とする。

これにより、第２の分布定数線路の線路長が基本波の１／２波長となるので、入力信号における基本波の位相が１８０度回転する。また、第２の共振回路は、第２の分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところ、すなわち２次高調波の１／２波長のところに接続されているので、第２の共振回路の両端において、２次高調波の位相は互いに反転している。さらに、第２の共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振するので、２次高調波に対して短絡回路として働く。したがって、第１および第２の増幅素子の入力端において、２次高調波は相殺されることとなり、２次高調波歪みの発生を抑圧する小型の電力増幅器が提供されることとなる。

好ましくは、第２の共振回路は、インダクタおよびコンデンサが対称に配置された直列共振回路であるとよい。これにより、第２の共振回路の両端から見たときのインピーダンスのずれを防止することができる。

好ましくは、第２の共振回路は、短絡させたい偶数次高調波成分の波長の１／２の電気長を有する分布定数線路であるとよい。これにより、第２の共振回路の両端から見たときのインピーダンスのずれ防止できると共に、素子点数を低減することができる。

また、本発明は、高周波信号を増幅するための電力増幅器であって、第１の信号、および第１の信号と逆相の第２の信号を出力する電力分配器と、第１の信号を増幅するための第１の増幅素子と、第１の増幅素子とプッシュプル型に接続されており、第２の信号を増幅するための第２の増幅素子と、第１の増幅素子によって増幅された第１の信号における基本波成分の位相を反転させて、当該位相を反転させた第１の信号と第２の増幅素子によって増幅された第２の信号と合成して出力する電力合成器とを備え、電力分配器は、入力される信号を二分配し、一方を第１の信号として第１の増幅素子に入力する分配手段と、分配手段からの他方の信号における基本波成分の位相を反転させる線路長を有し、当該位相を反転させた信号を第２の信号として第２の増幅素子に入力する分布定数線路と、短絡させたい偶数次高調波成分の位相が反転する分布定数線路上の位置と第２の増幅素子の入力側との間に接続され、短絡させたい偶数次高調波成分の周波数で直列共振する共振回路とを含む。

これにより、偶数次高調波歪みの発生を抑圧する電力分配器が内蔵された電力増幅器が提供されることとなる。

好ましくは、分布定数線路の線路長は、基本波の１／２波長であり、共振回路を接続するための分布定数線路上の位置は、分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところであり、共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振するとよい。これにより、２次高調波歪みの発生を抑圧する電力分配器が提供されることとなる。

好ましくは、共振回路は、インダクタおよびコンデンサが対称に配置された直列共振回路であるとよい。これにより、共振回路の両端から見たときのインピーダンスのずれを防止することができる。

好ましくは、共振回路は、短絡させたい偶数次高調波成分の波長の１／２の電気長を有する分布定数線路であるとよい。これにより、共振回路の両端から見たときのインピーダンスのずれ防止できると共に、素子点数を低減することができる。

また、本発明は、入力信号を二分配するための電力分配器であって、入力信号の電力を二分配する分配手段と、分配手段によって二分配された一方の信号を、第１の信号として出力するための第１の出力端子と、分配手段によって二分配された他方の信号における基本波成分の位相を反転させる線路長を有し、当該位相を反転させた信号を第２の信号とするための分布定数線路と、分布定数線路からの第２の信号を出力するための第２の出力端子と、短絡させたい偶数次高調波成分の位相が反転する分布定数線路上の位置と第１の出力端子との間に接続され、短絡させたい偶数次高調波成分の周波数で直列共振する共振回路とを備える。

これにより、偶数次高調波歪みの発生を抑圧する電力分配器が提供されることとなる。

好ましくは、分布定数線路の線路長は、基本波の１／２波長であり、共振回路を接続するための分布定数線路上の位置は、分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところであり、共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振することを特徴とする。

これにより、２次高調波歪みの発生を抑圧する電力分配器が提供されることとなる。

好ましくは、共振回路は、インダクタおよびコンデンサが対称に配置された直列共振回路であることとよい。これにより、共振回路の両端から見たときのインピーダンスのずれを防止することができる。

好ましくは、共振回路は、前記短絡させたい偶数次高調波成分の波長の１／２の電気長を有する分布定数線路であるとよい。これにより、第１の共振回路の両端から見たときのインピーダンスのずれ防止できると共に、素子点数を低減することができる。

また、本発明は、入力される第１の信号と第２の信号とを合成するための電力合成器であって、第１の信号を入力するための第１の入力端子と、第２の信号を入力するための第２の入力端子と、第２の入力端子からの第２の信号における基本波成分の位相を反転させる線路長を有する分布定数線路と、短絡させたい偶数次高調波成分の位相が反転する分布定数線路上の位置と第１の入力端子との間に接続され、短絡させたい偶数次高調波成分の周波数で直列共振する共振回路と、第１の入力端子からの第１の信号と、分布定数線路からの信号とを合成する合成手段とを備える。

これにより、偶数次高調波歪みの発生を抑圧する電力合成器が提供されることとなる。

好ましくは、分布定数線路の線路長は、基本波の１／２波長であり、共振回路を接続するための分布定数線路上の位置は、分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところであり、共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振することを特徴とする。

これにより、２次高調波歪みの発生を抑圧する電力合成器が提供されることとなる。

好ましくは、共振回路は、インダクタおよびコンデンサが対称に配置された直列共振回路であるとよい。これにより、第１の共振回路の両端から見たときのインピーダンスのずれを防止することができる。

好ましくは、共振回路は、前記短絡させたい偶数次高調波成分の波長の１／２の電気長を有する分布定数線路であるとよい。これにより、第１の共振回路の両端から見たときのインピーダンスのずれ防止できると共に、素子点数を低減することができる。

本発明によれば、所望の偶数次高調波成分の周波数で直列共振し、かつ当該偶数次高調波の位相が反転する位置に接続されている一つの共振回路が、第１および第２の増幅素子で発生する偶数次高調波を相殺する。プッシュプル型の電力増幅器で用いられる二つの増幅素子毎に偶数次高調波歪みの発生を抑圧するための共振回路をそれぞれ設ける場合に比べ、一つの共振回路によって偶数次高調波歪みの発生を抑えることができるので、回路が小型化される電力増幅器、電力分配器および電力合成器を提供することができ、特性ばらつきを低減することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力増幅器１の構成を示す図である。図１において、電力増幅器１は、入力端子１００と、バラン／整合回路１０１と、第１の増幅素子１０２ａと、第２の増幅素子１０２ｂと、第１の増幅素子１０２ａのドレインに接続されたインダクタ１０３ａと、第２の増幅素子１０２ｂのドレインに接続されたインダクタ１０３ｂと、出力端子１０４と、出力端子１０４と第１の増幅素子１０２ａのドレインとの間に接続された分布定数線路１０５ａ，１０５ｂと、直列共振回路１０６とを含む。第１の増幅素子１０２ａと第２の増幅素子１０２ｂとは、同一規格である。

直列共振回路１０６の一端は、分布定数線路１０５ａと分布定数線路１０５ｂとの間に並列に接続されている。他端は、第２の増幅素子１０２ｂのドレインと出力端子１０４との間に並列に接続されている。直列共振回路１０６は、基本波の２次高調波の周波数で共振するように設定されている。

入力端子１００に入力される信号における基本波成分の波長をλとする。分布定数線路１０５ａ，１０５ｂの長さは、基本波の１／４波長の長さ、すなわち、λ／４である。なお、図１では、説明を分かりやすくするために、分布定数線路１０５ａと分布定数線路１０５ｂとの間が離れているように記載したが、実際は、二つの分布定数線路は、つながっており、基本波の１／２波長の長さの分布定数線路を構成している。直列共振回路１０６は、当該分布定数線路における第１の増幅素子１０２ａのドレイン側から基本波の１／４波長の位置に、接続されている。

バラン／整合回路１０１は、入力端子１００に入力された基本波の位相を反転させて、互いに逆相の基本波成分を有する第１および第２の信号を出力する。第１および第２の増幅素子１０２ａ，１０２ｂは、バラン／整合回路１０１から出力される互いに逆相の二つの信号を増幅する。分布定数線路１０５ａおよび分布定数線路１０５ｂによって、第１の増幅素子１０２ａから出力された信号は、位相が１８０度回転させられ、第２の増幅素子１０２ｂから出力された信号と合波されて、出力端子１０４から出力される。

第１および第２の増幅素子１０２ａ，１０２ｂで発生する２次高調波は互いに同相である。基本波の周波数をｆｏとした場合、２次高調波の波長λ２は、１／（２ｆｏ）となる。したがって、分布定数線路１０５ａの線路長は、２次高調波に対して、１／２波長となる。よって、分布定数線路１０５ａによって、２次高調波の位相は１８０度回転する。直列共振回路１０６は２次高調波の周波数で共振すると想定したので、分布定数線路１０５ａによって１８０度位相が回転した２次高調波と第２の増幅素子１０２ｂから出力される２次高調波とは、互いに打ち消し合うこととなる。結果、電力増幅器１は、２次歪みを抑圧することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る電力増幅器２の構成を示す図である。図２において、電力増幅器２は、入力端子１００と、バラン／整合回路１０１と、第１の増幅素子１０２ａと、第２の増幅素子１０２ｂと、第１の増幅素子１０２ａのドレインに接続されたインダクタ１０３ａと、第２の増幅素子１０２ｂのドレインに接続されたインダクタ１０３ｂと、出力端子１０４と、出力端子１０４と第１の増幅素子１０２ａのドレインとの間に接続された分布定数線路２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃと、直列共振回路２０６ａ，２０６ｂとを含む。なお、図２において、電力増幅器１と同一の部分については、図１に示したのと同一の参照符号を付し、説明を省略する。

直列共振回路２０６ａの一端は、分布定数線路２０５ａと分布定数線路２０５ｂとの間に並列に接続されている。その他端は、第２の増幅素子１０２ｂのドレインと出力端子１０４との間に並列に接続されている。直列共振回路２０６ａは、基本波の４次高調波の周波数で共振するように設定されている。

直列共振回路２０６ｂの一端は、分布定数線路２０５ｂと分布定数線路２０５ｃとの間に並列に接続されている。その他端は、第２の増幅素子１０２ｂのドレインと出力端子１０４との間に並列に接続されている。直列共振回路２０６ｂは、基本波の２次高調波の周波数で共振するように設定されている。

分布定数線路２０５ａ，２０５ｂの長さは、基本波の１／８波長の長さである。分布定数線路２０５ｃの長さは、基本波の１／４波長の長さである。なお、図２では、説明を分かりやすくするために、分布定数線路２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃがそれぞれ離れているように記載したが、実際は、三つの分布定数線路は、つながっており、基本波の１／２波長の長さの分布定数線路を構成している。直列共振回路２０６ａは、当該分布定数線路における第１の増幅素子１０２ａのドレイン側から基本波の１／８波長の位置に、接続されている。また、直列共振回路２０６ｂは、当該分布定数線路における第１の増幅素子１０２ａのドレイン側から基本波の１／４波長の位置に、接続されている。

分布定数線路２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃで構成される分布定数線路によって、第１の増幅素子１０２ａから出力された基本波は、位相が１８０度回転させられ、第２の増幅素子１０２ｂから出力された基本波と合波されて、出力端子１０４から出力される。

また、分布定数線路２０５ａ，２０５ｂで構成される分布定数線路によって、２次高調波の位相は１８０度回転させられる。直列共振回路２０６ｂは２次高調波の周波数で共振するので、１８０度位相が回転した２次高調波と第２の増幅素子１０２ｂから出力される２次高調波とは、互いに打ち消し合うこととなる。結果、電力増幅器２は、２次高調波を打ち消すことができる。

さらに、分布定数線路２０５ａによって、４次高調波の位相は１８０度回転させられる。直列共振回路２０６ａは４次高調波の周波数で共振するので、１８０度位相が回転した４次高調波と第２の増幅素子１０２ｂから出力される４次高調波とは、互いに打ち消し合うこととなる。結果、電力増幅器２は、４次高調波を打ち消すことができる。

図１および図２に示すように、本発明の実施形態に係る電力増幅器では、打ち消したい偶数次高調波を短絡させるための回路として、当該偶数次高調波の周波数で共振する直列共振回路が、分布定数線路の所定の位置に、一方の増幅素子の出力と他方の増幅素子の出力とをバイパスするように接続されている。これにより、偶数次高調波が直列共振回路で相殺されてしまうこととなるので、偶数次高調波歪みの発生を抑圧することができる。

なお、図１および図２に示すような直列共振回路を有する電力合成側の構成をバラン／整合回路内に設け、互いに逆相の基本波成分を有する第１および第２の信号を出力するようにしてもよい。

なお、図１および／または図２では、２次高調波および／または４次高調波を抑圧するための構成を示したが、その他の偶数次高調波を抑圧する場合にも同様の構成を取ることができる。具体的には、２ｎ（ｎは自然数）次高調波を抑圧したい場合、分布定数線路における増幅端子の出力側から基本波の１／（４ｎ）波長の位置に、相殺したい偶数次高調波の周波数で共振する直列共振回路を接続すればよい。

なお、直列共振回路を接続する位置は、分布定数線路における増幅端子の出力側から基本波の１／（４ｎ）波長の位置の他、分布定数線路における出力端子側から基本波の１／（４ｎ）波長の位置であってもよい。

また、接続される直列共振回路は、少なくとも１つあれば所望の効果を得ることができる。

なお、２次高調波の位相が反転するλ／４の位置では、２次高調波以外の偶数次高調波の位相も反転している。したがって、図１に示す電力増幅器１において、直列共振回路１０６が、２次高調波以外の偶数次高調波の波長でも直列共振するように、スタブを設けておけば、２次高調波以外の偶数次高調波も打ち消されることとなる。図２に示す場合も同様に、直列共振回路２０６ａまたは２０６ｂが、２次高調波以外の偶数次高調波の波長でも直列共振するように、スタブを設けておけば、２次高調波以外の偶数次高調波も打ち消されることとなる。これにより所望の効果を得ることが期待できる。

（実施例）
以下、本発明の実施例について説明する。
図３は、本発明の電力増幅器の実施例を示す回路図である。図３において、電力増幅器３は、入力端子３０１と、ゲートバイアス端子３０２と、ドレインバイアス端子３０３と、出力端子３０４と、入力結合コンデンサ３１１と、ゲートバイアスインダクタ３１２と、ドレインバイアスインダクタ３１３と、出力結合コンデンサ３１４と、第１のＦＥＴ３４１と、第２のＦＥＴ３４２と、合成端子３５１と、第１の分布定数線路３５２と、インダクタ３６１ａと、コンデンサ３６２と、インダクタ３６１ｂと、分配端子３２１と、第２の分布定数線路３２２と、インダクタ３３１ａと、コンデンサ３３２と、インダクタ３３１ｂとを含む。

第１のＦＥＴ３４１のソースと第２のＦＥＴ３４２のソースとは、それぞれ接地されている。第１および第２のＦＥＴ３４１，３４２は、第１の実施形態における第１および第２の増幅素子１０２ａ，１０２ｂに相当する（図１参照）。

第２のＦＥＴ３４２のドレインと合成端子３５１とは接続されている。第１のＦＥＴ３４１のドレインと合成端子３５１との間には、第１の分布定数線路３５２が接続されている。第１の分布定数線路３５２は、基本波の１／２波長の長さの線路である。第１の分布定数線路３５２において第１のＦＥＴ３４１のゲート側から基本波の１／４波長の長さの位置に、直列に接続されたインダクタ３６１ｂ、コンデンサ３６２、およびインダクタ３６１ａが、並列に接続される。インダクタ３６１ａの一端は、合成端子３５１と第２のＦＥＴ３４２のドレインとの間に並列に接続される。

インダクタ３６１ａ、コンデンサ３６２、およびインダクタ３６１ｂによって、第１の直列共振回路３６０が構成される。第１の直列共振回路３６０では、基本波の２倍の周波数で直列共振するように、インダクタ３６１ａ、コンデンサ３６２、およびインダクタ３６１ｂの値が設定されている。第１の直列共振回路３６０は、第１の実施形態における直列共振回路１０６に相当する（図１参照）。第１の直列共振回路３６０、第１の分布定数線路３５２、および合成端子３５１によって、電力合成器３５０が構成される。第１の直列共振回路３６０では、インダクタとコンデンサとが、ＬＣＬの関係になるように対称に接続されているので、第１の直列共振回路３６０の両端から見たときのインピーダンスが等しくなり、インピーダンスがずれることによるばらつきを防止することができる。なお、ＣＬＣの直列共振回路となるように、第１の直列共振回路３６０を構成してもよい。

合成端子３５１とドレインバイアス端子３０３との間には、ドレインバイアスインダクタ３１３が接続される。合成端子３５１と出力端子３０４との間には、出力結合コンデンサ３１４が接続される。

入力端子３０１と分配端子３２１との間には、入力結合コンデンサ３１１が接続されている。ゲートバイアス端子３０２と分配端子３２１との間には、ゲートバイアスインダクタ３１２が接続されている。

分配端子３２１と第２のＦＥＴ３４２のゲートとの間には、第２の分布定数線路３２２が接続されている。分配端子３２１と第１のＦＥＴ３４１のゲートとは接続されている。第２の分布定数線路３２２は、基本波の１／２波長の長さの線路である。第２の分布定数線路３２２において第２のＦＥＴ３４２のゲート側から基本波の１／４波長の長さの位置に、直列に接続されたインダクタ３３１ａ、コンデンサ３３２、およびインダクタ３３１ｂが、並列に接続される。インダクタ３３１ｂの一端は、分配端子３２１と第１のＦＥＴ３４１のゲートとの間に並列に接続される。

インダクタ３３１ａ、コンデンサ３３２、およびインダクタ３３１ｂによって、第２の直列共振回路３３０が構成される。第２の直列共振回路３３０において、基本波の２倍の周波数で直列共振するように、インダクタ３３１ａ、コンデンサ３３２、およびインダクタ３３１ｂの値が設定されている。第２の直列共振回路３３０、第２の分布定数線路３２２、および分配端子３２１によって、電力分配器３２０が構成される。電力分配器３２０は、第１の実施形態におけるバラン／整合回路１０１に相当する（図１参照）。第２の直列共振回路３３０では、インダクタとコンデンサとが、ＬＣＬの関係になるように対称に接続されているので、第２の直列共振回路３３０の両端から見たときのインピーダンスが等しくなり、インピーダンスがずれることによるばらつきを防止することができる。なお、ＣＬＣの直列共振回路となるように、第２の直列共振回路３３０を構成してもよい。

以下、図３に示す電力増幅器３の動作について説明する。
入力端子３０１に入力された基本波は、入力結合コンデンサ３１１を介して、電力分配器３２０の分配端子３２１に入力され、第１および第２の信号として分配される。分配端子３２１からの第２の入力信号は、基本波の１／２波長の長さを有する第２の分布定数線路３２２を介して、第２のＦＥＴ３４２のゲートに入力される。分配端子３２１からの第１の信号は、第１のＦＥＴ３４１のゲートに直接入力される。

第２の分布定数線路３２２によって、第２の信号における基本波成分および奇数次高調波成分の位相が１８０度回転する。したがって、第２のＦＥＴ３４２のゲートに入力される信号と第１のＦＥＴ３４１のゲートに入力される信号とは、基本波成分および奇数次高調波成分において逆位相となり、偶数次高調波成分において同相となる。なお、ゲ−トバイアスはゲートバイアス端子３０２からゲートバイアスインダクタ３１２を介して印加される。

第２の直列共振回路３３０は、第２の分布定数線路３２２において第２のＦＥＴ３４２のゲート側から基本波の１／４波長の長さの所、すなわち、２次高調波に対して１／２波長の長さの所に接続されている。したがって、第２の直列共振回路３３０と第２の分布定数線路３２２との接続点では、２次高調波の位相は１８０度回転していることとなるので、第２の直列共振回路３３０の両端における２次高調波は互いに逆相となる。第２の直列共振回路３３０は、２次高調波の周波数で直列共振し、短絡回路として働くので、２次高調波は相殺される。よって、第１のＦＥＴ３４１および第２のＦＥＴ３４２のゲート端では、２次高調波が存在しないこととなる。

第２のＦＥＴ３４２で増幅された第２の信号は、合成端子３５１に入力される。一方、第１のＦＥＴ３４１で増幅された第１の信号は、基本波の１／２波長の長さを有する第１の分布定数線路３５２を介して、合成端子３５１に入力される。第１の分布定数線路３５２によって、第１の入力信号における基本波成分および奇数次高調波成分の位相が１８０度回転する。したがって、合成端子３５１において、第２のＦＥＴ３４２から出力される第２の信号と第１のＦＥＴ３４１から出力される第１の信号とは、基本波成分および奇数次高調波成分において同相となる。なお、ドレインバイアスはドレインバイアス端子３０３からドレインバイアスインダクタ３１３を介して印加される。

第１の直列共振回路３６０は、第１の分布定数線路３５２において第１のＦＥＴ３４１のドレイン側から基本波の１／４波長の長さの所、すなわち、２次高調波に対して１／２波長の長さの所に接続されている。したがって、第１の直列共振回路３６０と第１の分布定数線路３５２との接続点では、２次高調波の位相は１８０度回転している。第１の増幅素子３４１から出力される信号および第２の増幅素子３４２から出力される信号において、２次高調波は互いに同相であるので、第１の直列共振回路３６０の両端における２次高調波は互いに逆相となる。第１の直列共振回路３６０は、２次高調波の周波数で直列共振し、短絡回路として働くので、２次高調波は相殺される。よって、第１のＦＥＴ３４１および第２のＦＥＴ３４２のドレイン端では、２次高調波が存在しないこととなる。

このように、図３に示す回路構成を有する電力増幅器では、二つのＦＥＴの入出力端で２次高調波が存在しないこととなるので、歪みが抑圧され、高い効率が得られることとなる。また、２次高調波を打ち消すための構成として、電力分配器側に一つの直列共振回路を設け、電力合成器側に一つの直列共振回路を設けるだけでよいので、小型化された電力増幅器が提供されることとなる。さらに、２次高調波を打ち消すための短絡回路として、電力分配器または電力合成器において、それぞれ一つの直列共振回路が用いられることとなるので、短絡回路のばらつきをなくすことができる。結果、パワー特性のばらつきが低減される電力増幅器が提供されることとなる。

なお、第１の直列共振回路３６０および／または第２の直列共振回路３３０は、分布定数回路であってもよい。図４は、第１の直列共振回路３６０および／または第２の直列共振回路３３０を分布定数線路４００としたときの図を示す。図４において、第１の直列共振回路３６０および／または第２の直列共振回路３３０は、基本波の波長の１／４の電気長（２次高調波の波長の１／２の電気長）を有する分布定数線路４００からなる。分布定数線路４００の両端において、２次高調波は互いに逆相となるので、分布定数線路４００の両端では、２次高調波は相殺される。

インダクタおよびコンデンサなどの受動素子から構成される直列共振回路が、高い周波数において、直列共振回路の両端で高調波のインピーダンスを完全に制御することは、困難である。しかし、分布定数線路からなる直列共振回路を用いることにより、高い周波数においても、分布定数線路その両端で高調波のインピーダンスを高い精度で容易に制御することができる。したがって、直列共振回路に分布定数線路を用いることによって、高い周波数においても、高調波成分を相殺することが可能となる。

また、図３に示すように、直列共振回路において、受動素子を対称に接続するのが好ましいが、対称な接続とすることによって、受動素子の素子点数が増加することとなる。しかし、分布定数線路を用いれば、両端から見たときのインピーダンスを等しくすることができるので、インピーダンスがずれることによるばらつきを防止することができ、かつ素子点数を低減することができる。

なお、図３に示す実施例では、電力分配器および電力合成器に２次高調波の短絡回路として直列共振回路を設けることとしたが、いずれか一方にのみ直列共振回路を設けることとしてもよい。

なお、図３に示す電力分配器または電力合波回路は、それぞれ単独の部品として実施することができる。これらの部品は、プッシュプル型の電力増幅器に用いるものに限られない。

なお、第１および第２の直列共振回路３６０，３３０は、２次高調波だけでなく、短絡させたい他の偶数次高調波に対しても同時に直列共振するように構成されていてもよい。これにより、２次高調波以外の偶数次高調波の発生を抑圧することができ、高効率化が図れる。

また、第１および第２の直列共振回路３６０，３３０の接続位置は、第１および第２の分布定数線路３５２，３２２のいずれかの端辺から偶数次高調波の１／２波長の長さの位置に接続されていてもよい。これにより、短絡させたい偶数次高調波の発生を抑圧することができる。

たとえば、２次高調波および４次高調波の発生を抑圧したい場合、各直列共振回路を分布定数線路とする構成を考える。図５は、２次高調波および４次高調波の発生を抑圧したい場合、各直列共振回路を分布定数線路とする構成を示す図である。基本波の波長の１／８の電気長（４次高調波の波長の１／２の電気長）を有する分布定数線路４０１は、図２に示す直列共振回路２０６ａの役割を果たす。また、基本波の波長の１／４の電気長（２次高調波の波長の１／２の電気長）を有する分布定数線路４０２は、図２に示す直列共振回路２０６ｂの役割を果たす。このように、短絡させたい偶数次高調波に対して共振するような分布定数線路を図２に示すような受動素子を用いた直列共振回路の代わりに接続することで、偶数次高調波の発生を抑圧することができ、高効率化が図れる。ここで、短絡させたい偶数次高調波に対して共振するような分布定数線路の電気長は、短絡させたい偶数次高調波の波長の１／２の電気長となる。なお、図５に示すように、長い方の分布定数線路４０２は、折り曲げるなどして、短い方の分布定数線路４０１と端が一直線上に並ぶようにすればよい。また、分布定数線路同士を立体交差させるなどして、端が一直線上に並ぶようにしてもよい。同様のことが、その他の偶数次高調波についても言える。

さらに、以上の構成に奇数次高調波を制御する回路を組み合わせれば、さらに高い効率が期待できる。

本発明にかかる電力増幅器、電力分配器および電力合成器は、小型でかつ特性ばらつきが小さく高効率であるので、通信機器等の分野において有用である。

本発明の第１の実施形態に係る電力増幅器１の構成を示す図 本発明の第２の実施形態に係る電力増幅器２の構成を示す図 本発明の電力増幅器の実施例を示す回路図 第１の直列共振回路３６０および／または第２の直列共振回路３３０を分布定数線路４００としたときの図 ２次高調波および４次高調波の発生を抑圧したい場合、各直列共振回路を分布定数線路とする構成を示す図 従来のプッシュプル型の高周波電力増幅器の構成を示す図 高調波に対するインピーダンスを考慮した整合回路を設けた従来のプッシュプル型の電力増幅器の構成を示す図 図７に示す電力増幅器におけるＦＥＴのドレイン電圧ｖｄおよびドレイン電流ｉｄの波形を示す図

符号の説明

１，２，３， 電力増幅器
１００，３０１ 入力端子
１０１ バラン／整合回路
１０２ａ 第１の増幅素子
１０２ｂ 第２の増幅素子
１０３ａ，１０３ｂ インダクタ
１０４，３０４ 出力端子
１０５ａ，１０５ｂ，２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃ 分布定数線路
１０６，２０６ａ，２０６ｂ 直列共振回路
３２１ 分配端子
３５１ 合成端子
３４１ 第１のＦＥＴ
３４２ 第２のＦＥＴ
３５２ 第１の分布定数線路
３２２ 第２の分布定数線路
３６０ 第１の直列共振回路
３３０ 第２の直列共振回路
３２０ 電力分配器
３５０ 電力合成器
３０２ ゲートバイアス端子
３０３ ドレインバイアス端子
３１１ 入力結合コンデンサ
３１２ ゲートバイアスインダクタ
３１３ ドレインバイアスインダクタ
３１４ 出力結合コンデンサ
３３１ａ，３３１ｂ，３６１ａ，３６１ｂ インダクタ
３３２，３６２ コンデンサ
４００，４０１，４０２ 分布定数線路

Claims (20)

1. 高周波信号を増幅するための電力増幅器であって、
   第１の信号を増幅するための第１の増幅素子と、
   前記第１の増幅素子とプッシュプル型に接続されており、前記第１の信号と逆相の第２の信号を増幅するための第２の増幅素子と、
   前記第１の増幅素子によって増幅された前記第１の信号における基本波成分の位相を反転させる線路長を有する第１の分布定数線路と、
   短絡させたい偶数次高調波成分の位相が反転する前記第１の分布定数線路上の位置と前記第２の増幅素子の出力側との間に接続され、前記短絡させたい偶数次高調波成分の周波数で直列共振する第１の共振回路と、
   前記第１の分布定数線路からの信号と前記第２の増幅素子からの信号とを合成して出力する出力端子とを備える、電力増幅器。
2. 前記第１の分布定数線路の線路長は、基本波の１／２波長であり、前記第１の共振回路を接続するための前記第１の分布定数線路上の位置は、前記第１の分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところであり、前記第１の共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振することを特徴とする、請求項１に記載の電力増幅器。
3. 前記第１の共振回路は、インダクタおよびコンデンサが対称に配置された直列共振回路であることを特徴とする、請求項２に記載の電力増幅器。
4. 前記第１の共振回路は、前記短絡させたい偶数次高調波成分の波長の１／２の電気長を有する分布定数線路であることを特徴とする、請求項１に記載の電力増幅器。
5. 前記第１および第２の信号をそれぞれ前記第１および第２の増幅素子に入力するための電力分配器をさらに備え、
   前記電力分配器は、
   入力される信号を二分配し、一方を前記第１の信号として前記第１の増幅素子に入力する分配手段と、
   前記分配手段からの他方の信号における基本波成分の位相を反転させる線路長を有し、当該位相を反転させた信号を第２の信号として前記第２の増幅素子に入力する第２の分布定数線路と、
   短絡させたい偶数次高調波成分の位相が反転する前記第２の分布定数線路上の位置と前記第２の増幅素子の入力側との間に接続され、前記短絡させたい偶数次高調波成分の周波数で直列共振する第２の共振回路とを含む、請求項１に記載の電力増幅器。
6. 前記第２の分布定数線路の線路長は、基本波の１／２波長であり、前記第２の共振回路を接続するための前記第２の分布定数線路上の位置は、前記第２の分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところであり、前記第２の共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振することを特徴とする、請求項５に記載の電力増幅器。
7. 前記第２の共振回路は、インダクタおよびコンデンサが対称に配置された直列共振回路であることを特徴とする、請求項６に記載の電力増幅器。
8. 前記第２の共振回路は、前記短絡させたい偶数次高調波成分の波長の１／２の電気長を有する分布定数線路であることを特徴とする、請求項５に記載の電力増幅器。
9. 高周波信号を増幅するための電力増幅器であって、
   第１の信号、および前記第１の信号と逆相の第２の信号を出力する電力分配器と、
   前記第１の信号を増幅するための第１の増幅素子と、
   前記第１の増幅素子とプッシュプル型に接続されており、前記第２の信号を増幅するための第２の増幅素子と、
   前記第１の増幅素子によって増幅された前記第１の信号における基本波成分の位相を反転させて、当該位相を反転させた前記第１の信号と前記第２の増幅素子によって増幅された前記第２の信号と合成して出力する電力合成器とを備え、
   前記電力分配器は、
   入力される信号を二分配し、一方を前記第１の信号として前記第１の増幅素子に入力する分配手段と、
   前記分配手段からの他方の信号における基本波成分の位相を反転させる線路長を有し、当該位相を反転させた信号を第２の信号として前記第２の増幅素子に入力する分布定数線路と、
   短絡させたい偶数次高調波成分の位相が反転する前記分布定数線路上の位置と前記第２の増幅素子の入力側との間に接続され、前記短絡させたい偶数次高調波成分の周波数で直列共振する共振回路とを含む、電力増幅器。
10. 前記分布定数線路の線路長は、基本波の１／２波長であり、前記共振回路を接続するための前記分布定数線路上の位置は、前記分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところであり、前記共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振することを特徴とする、請求項９に記載の電力増幅器。
11. 前記共振回路は、インダクタおよびコンデンサが対称に配置された直列共振回路であることを特徴とする、請求項１０に記載の電力増幅器。
12. 前記共振回路は、前記短絡させたい偶数次高調波成分の波長の１／２の電気長を有する分布定数線路であることを特徴とする、請求項９に記載の電力増幅器。
13. 入力信号を二分配するための電力分配器であって、
    前記入力信号の電力を二分配する分配手段と、
    前記分配手段によって二分配された一方の信号を、第１の信号として出力するための第１の出力端子と、
    前記分配手段によって二分配された他方の信号における基本波成分の位相を反転させる線路長を有し、当該位相を反転させた信号を第２の信号とするための分布定数線路と、
    前記分布定数線路からの前記第２の信号を出力するための第２の出力端子と、
    短絡させたい偶数次高調波成分の位相が反転する前記分布定数線路上の位置と前記第１の出力端子との間に接続され、前記短絡させたい偶数次高調波成分の周波数で直列共振する共振回路とを備える、電力分配器。
14. 前記分布定数線路の線路長は、基本波の１／２波長であり、前記共振回路を接続するための前記分布定数線路上の位置は、前記分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところであり、前記共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振することを特徴とする、請求項１３に記載の電力分配器。
15. 前記共振回路は、インダクタおよびコンデンサが対称に配置された直列共振回路であることを特徴とする、請求項１４に記載の電力分配器。
16. 前記共振回路は、前記短絡させたい偶数次高調波成分の波長の１／２の電気長を有する分布定数線路であることを特徴とする、請求項１３に記載の電力分配器。
17. 入力される第１の信号と第２の信号とを合成するための電力合成器であって、
    前記第１の信号を入力するための第１の入力端子と、
    前記第２の信号を入力するための第２の入力端子と、
    前記第２の入力端子からの前記第２の信号における基本波成分の位相を反転させる線路長を有する分布定数線路と、
    短絡させたい偶数次高調波成分の位相が反転する前記分布定数線路上の位置と前記第１の入力端子との間に接続され、前記短絡させたい偶数次高調波成分の周波数で直列共振する共振回路と、
    前記第１の入力端子からの前記第１の信号と、前記分布定数線路からの信号とを合成する合成手段とを備える、電力合成器。
18. 前記分布定数線路の線路長は、基本波の１／２波長であり、前記共振回路を接続するための前記分布定数線路上の位置は、前記分布定数線路の端から基本波の１／４波長のところであり、前記共振回路は、２次高調波の周波数で直列共振することを特徴とする、請求項１７に記載の電力合成器。
19. 前記共振回路は、インダクタおよびコンデンサが対称に配置された直列共振回路であることを特徴とする、請求項１８に記載の電力合成器。
20. 前記共振回路は、前記短絡させたい偶数次高調波成分の波長の１／２の電気長を有する分布定数線路であることを特徴とする、請求項１７に記載の電力合成器。
    
    

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