JP2005260703A - 電力合成型増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した動作を行う電界効果トランジスタを用いた電力合成型増幅器を提供する。
【解決手段】 電力分配器５および電力合成器６と、電界効果トランジスタ３，４によって形成される閉ループにおいて、搬送波の基本周波数のみを通過するバンドパスフィルタ１９，２１を挿入し、搬送波の基本周波数以外の全ての周波数帯域でループ利得を０ｄＢより低いレベルに減衰する。その結果、発振が生じる、電界効果トランジスタ３，４の利得が高い低周波帯域の周波数領域や、歪み成分として生じる各高調波の周波数において、発振条件を満足させることがなくなり、安定な電力合成型増幅器を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、増幅素子として、例えば２個以上の電界効果トランジスタを使用し、電力合成を行う電力合成型増幅器に関するものである。

一般に、高出力増幅器においては、高出力を得るために電界効果トランジスタを並列に接続し、電力合成を行う。

２つの電界効果トランジスタの出力電力を合成する回路としては、例えば、非特許文献１に示されたような先行技術１の電力合成増幅器の回路が知られている。図６はその電力合成回路の概略を表すブロック図である。

図６において、符号１は入力端子を示し、符号２は出力端子を示し、符号３，４は電界効果トランジスタを示す。符号５は電力分配器を示し、符号６は電力合成器を示す。電力分配器５および電力合成器６は図７に示すようなウイルキンソンカプラが用いられる。

図７において、符号７は抵抗値Ｒを有するアイソレーション用抵抗を示し、符号８および９はλｇ／４波長マイクロストリップライン（λｇは搬送波の基本周波数の波長）を示し、符号１０，１１，１２はそれぞれ端子を示す。

つぎに、先行技術１の電力合成型増幅器の動作について、図６を用いて説明する。

入力端子１に入力された信号は、電力分配器５で等電力に分配された後、電界効果トランジスタ３，４にそれぞれ入力されて増幅される。電界効果トランジスタ３，４で増幅された電力は電力合成器６で電力合成されて出力端子２より出力される。

その際、２個の電界効果トランジスタ３，４に特性バラツキがある場合、一方の増幅器（電界効果トランジスタ３または４）から他方の増幅器（電界効果トランジスタ４または３）へ電力の回り込みが生じ、電力分配器５および電力合成器６と、電界効果トランジスタ３，４とによって形成される閉ループ内で特定の周波数においてループ発振が発生し、増幅動作が不安定になる。

ループ発振の条件は、ループ利得が０ｄＢ以上でループ位相が０度となる周波数が存在することである。そのため、通常の発振は、電界効果トランジスタの利得が高い低周波帯域の周波数か、歪み成分として生じる各高調波の周波数において生じる。

そこで、電力合成型増幅器の安定性を確保するために、先行技術１の電力合成型増幅器では、電力分配器５および電力合成器６にアイソレーション用抵抗７を設けて増幅動作の安定化を図っている。

つぎに、アイソレーション用抵抗７の動作について、図７に示すウイルキンソンカプラを用いて説明する。ウイルキンソンカプラは、端子１０より入力された電力は、λg／４波長マイクロストリップライン８，９により２分配され、端子１１および端子１２より出力される。

ここで、出力用の端子１１と出力用の端子１２との間のアイソレーションについて考えてみる。例えば、端子１１から端子１２へ電力が伝送される経路では、２つのλｇ／４波長マイクロストリップライン８，９があるため、位相は１８０度変化する。一方、アイソレーション用抵抗７を通過する経路では、位相の変化は０度である。そのため、２つの経路からの電力量が同量となるようにアイソレーション用抵抗７の値を調整することで、端子１１から端子１２への電力はアイソレーション用抵抗７で吸収され、端子１１と端子１２の間のアイソレーションが確保される。

ただし、このようなウイルキンソンカプラでは、搬送波の基本周波数および奇数次数の高調波の周波数では、２つのλg／４波長マイクロストリップライン８，９を通過する位相変化量が１８０度となってアイソレーションが確保されるが、その他の周波数では位相変化量が１８０度とならないため、端子１１と端子１２間のアイソレーションが確保できず、電力分配器５および電力合成器６の動作が不安定となるという問題点があった。

このような問題を解決するため、例えば、特許文献１に記載されている電力合成型増幅器が提案されている。

図８は特許文献１に記載されている先行技術２の電力合成型増幅器の概略を表す回路図である。図８において、符号１は入力端子を示し、符号２は出力端子を示し、符号３，４は電界効果トランジスタを示す。符号５は電力分配器を示し、符号６は電力合成器を示す。符号１３，１４，１５，１６はそれぞれ抵抗値Ｒの抵抗を示し、符号１７，１８はそれぞれλｇ波長マイクロストリップラインを示す。

図８では、図７におけるアイソレーション用抵抗７を、λｇ波長マイクロストリップライン１７とその両端に接続した２つの抵抗１３，１４で構成したアイソレーション回路、もしくはλｇ波長マイクロストリップライン１８とその両端に接続した２つの抵抗１５，１６で構成したアイソレーション回路に変更した点が先行技術１の電力合成型増幅器（図６および図７参照）と違っている。

以下、図８の動作について、先行技術１の電力合成型増幅器（図６および図７）と同じところは省略し、違う点について説明する。図８の回路では、各電界効果トランジスタ３，４間において、アイソレーション回路を通過する経路では、λｇ波長マイクロストリップライン１７，１８があるため、搬送波の基本周波数に対しては、位相が０度変化し、搬送波の基本周波数の１／２、３／２の周波数では位相が１８０度変化する。そのため、各電界効果トランジスタ３，４間のアイソレーションは搬送波の基本周波数の１／２、３／２の周波数においても改善でき、先行技術１の電力合成型増幅器と比較し、より安定な周波数帯域を確保することができる。
特開平１１−３５５０１５号公報 本城和彦著"マイクロ半導体回路 基礎と展開"第１４０頁

しかしながら、図８で説明した電力合成型増幅器では、すべての周波数に対して安定性を満足することはできず、電界効果トランジスタ３，４の利得が高い低周波帯域の周波数および、偶数次数の高調波の周波数において動作の安定性を確保することが困難であるという課題があった。

したがって、本発明の目的は、搬送波の基本周波数以外のすべての周波数範囲において、安定した動作を行うことができる電界効果トランジスタを用いた電力合成型増幅器を提供することである。

上記の課題を解決するため、第１の発明の電力合成型増幅器は、例えば電界効果トランジスタからなる２個以上の増幅素子と、２個以上の増幅素子の各々の入力端子に電力を分配する電力分配器と、２個以上の増幅素子の出力端子の電力を合成する電力合成器と、２個以上の増幅素子の各々の入力端子と電力分配器の間、および２個以上の増幅素子の各々の出力端子と電力合成器との間の少なくともどちらかに一方に挿入接続されて搬送波の基本周波数を通過させるバンドパスフィルタとを備えている。

この構成によれば、電力分配器および電力合成器と２個以上の増幅素子とによって形成される閉ループにおいて、搬送波の基本周波数のみを通過させるバンドパスフィルタが挿入されるため、搬送波の基本周波数以外の全ての周波数帯域でループ利得を０ｄＢより低くすることができる。

以上により、発振が生じる、電界効果トランジスタの利得が高い低周波帯域の周波数や、歪み成分として生じる各高調波の周波数において、発振条件を満足させることがなくなり、安定な電力合成型増幅器を実現できる。

上記第１の発明の電力合成型増幅器においては、バンドパスフィルタと並列に直流成分を選択的に通過させる直流成分通過手段を設けてもよい。

この構成によれば、バンドパスフィルタと並列に直流成分を選択的に通過させる直流成分通過手段を設けることにより、バイアス用の直流電源の供給経路を信号経路と共用でき、電源供給経路の簡略化を図ることができる。

第２の発明の電力合成型増幅器は、例えば電界効果トランジスタからなる２個以上の増幅素子と、２個以上の増幅素子の各々の入力端子に電力を分配する電力分配器と、２個以上の増幅素子の出力端子の電力を合成する電力合成器と、２個以上の増幅素子の各々の入力端子と電力分配器の間に挿入接続されて搬送波の基本周波数およびそれより高い周波数を通過させるハイパスフィルタと、２個以上の増幅素子の各々の出力端子と電力合成器との間に挿入接続されて搬送波の基本周波数およびそれより低い周波数を通過させるローパスフィルタとを備えている。

この構成によれば、電力分配器および電力合成器と複数の増幅素子とによって形成される閉ループにおいて、搬送波の基本周波数より低い周波数帯域では、各増幅素子の入力端子側のハイパスフィルタによって各増幅素子への入力電力を減衰させ、搬送波の基本周波数より高い周波数帯域では、各増幅素子の出力端子側のローパスフィルタで各増幅素子からの出力電力を減衰させるため、搬送波の基本周波数以外の全ての周波数帯域でループ利得を０ｄＢより低くすることができる。

以上により、発振が生じる、増幅素子の利得が高い低周波帯域の周波数や、歪み成分として生じる各高調波の周波数において、発振条件を満足させることがなくなり、安定な電力合成型増幅器を実現できる。

なお、上記のハイパスフィルタとローパスフィルタの挿入位置を入れ替えてもよく、この場合も上記と同様の作用効果が得られる。

また、ローパスフィルタの位相進み成分を、電力合成器を構成するλg／４波長マイクロストリップラインの位相変換の一部とすることで、電力合成器を小型化できる。

また、第１の発明の構成では、出力する高調波の周波数成分を減衰させるために、増幅素子の出力端子側の信号経路にバンドパスフィルタを挿入しているが、第２の発明の構成では、増幅器の出力端子側の信号経路に挿入するのはローパスフィルタのみとなるため、挿入損失を少なくすることができ、最大電力および電力効率を改善できる。

上記第２の発明の構成においては、ローパスフィルタは搬送波の２次高調波もしくは３次高調波のうち少なくとも一方に対して出力負荷が開放となるように構成され、各増幅素子がＦ級動作をすることが好ましい。

この構成によれば、各増幅素子をＦ級増幅器として動作させることができるため、供給する直流電力を搬送波の基本周波数成分のみに有効活用することができ、電力効率を改善できる。

また、搬送波の２次高調波もしくは３次高調波の周波数成分の出力負荷を開放にすることで、高調波周波数の成分を低減し、線形性を改善できる。

また、ハイパスフィルタと並列に直流成分を選択的に通過させる第１の直流成分通過手段を設け、ローパスフィルタと並列に直流成分を選択的に通過させる第２の直流成分通過手段を設けてもよい。

この構成によれば、ハイパスフィルタと並列に直流成分を選択的に通過させる直流成分通過手段を設け、ローパスフィルタと並列に直流成分を選択的に通過させる第２の直流成分通過手段を設けることにより、バイアス用の直流電源の供給経路を信号経路と共用でき、電源供給経路の簡略化を図ることができる。

また、第２の直流成分通過手段をローパスフィルタで兼用させてもよい。

この構成によれば、第２の直流成分通過手段を省くことができるので、構成を簡略化できる。

第１の発明の電力合成型増幅器によれば、電力分配器および電力合成器と２個以上の増幅素子とによって形成される閉ループにおいて、搬送波の基本周波数のみを通過させるバンドパスフィルタが挿入されるため、搬送波の基本周波数以外の全ての周波数帯域でループ利得を０ｄＢより低くすることができ、増幅素子の利得が高い低周波帯域の周波数や、歪み成分として生じる各高調波の周波数において、発振条件を満足させることがなく、安定な電力合成型増幅器を実現できる。

第２の発明の電力合成型増幅器によれば、電力分配器および電力合成器と２個以上の増幅素子とによって形成される閉ループにおいて、搬送波の基本周波数およびそれより低い周波数を通過させるローパスフィルタおよび搬送波の基本周波数およびそれより高い周波数を通過させるハイパスフィルタがカスケードに挿入されるため、搬送波の基本周波数以外の全ての周波数帯域でループ利得を０ｄＢより低くすることができ、増幅素子の利得が高い低周波帯域の周波数や、歪み成分として生じる各高調波の周波数において、発振条件を満足させることがなく、安定な電力合成型増幅器を実現できる。

また、ローパスフィルタの位相進み成分を、電力合成器を構成するλg／４波長マイクロストリップラインの位相変換の一部とすることで、電力合成器を小型化できる。

また、第１の発明の構成では、出力する高調波の周波数成分を減衰させるために、増幅器の出力端子側の信号経路にバンドパスフィルタを挿入しているが、第２の発明の構成では、増幅器の出力端子側の信号経路に接続するのはローパスフィルタのみとなるため、挿入損失を少なくすることができ、最大電力および電力効率を改善できる。

上記第２の発明の電力合成型増幅器において、各増幅素子の出力端子側の信号経路に挿入されるローパスフィルタを、搬送波の２次高調波か３次高調波のうち、少なくともどちらか一方の出力負荷が開放となるよう設定すれば、各増幅素子をＦ級増幅器として動作させることができ、供給する直流電力を搬送波の基本周波数成分のみに有効活用させて、電力効率を改善できる。

また、搬送波の２次高調波もしくは３次高調波の周波数成分の出力負荷を開放にすることで、高調波周波数の成分を低減し、線形性を改善できる。

また、出力負荷の整合状態が変動した場合でも、高調波周波数成分の出力負荷は変化しないため、出力負荷変動による特性の変化および、耐破壊特性が改善される。

また、Ｆ級増幅器を各増幅素子の飽和領域で動作させることで、入力電力変動に対する出力電力変動がなくなるため、各増幅素子に入力される電力量が、電力分配器で等分配され減少しても、出力電力は変化せず、電力合成器により電力合成されるため、結果として電力合成型増幅器のゲインを増加させることができる。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

図１は本発明の実施の形態１の電力合成型増幅器のブロック図を示している。この実施の形態では、増幅素子である電界効果トランジスタを２個とし、各電界効果トランジスタの入力端子（ゲート）側の信号経路にバンドパスフィルタおよび直流成分を選択的に通過させる直流成分通過手段の並列回路を挿入した場合について説明する。

この電力合成型増幅器は、図１に示すように、入力端子１と、出力端子２と、電界効果トランジスタ３，４と、電力分配器５と、電力合成器６と、バンドパスフィルタ１９，２１と、直流成分を選択的に通過させる直流成分通過手段２０，２２から構成されている。

上記の直流成分通過手段２０，２２としては、例えばインダクタ、ストリップライン、フェライト材料部品が使用される。なお、これらの素子は、周波数帯域に制限がかかる。

つぎに、上記実施の形態１における動作について説明する。図１において、入力端子１より入力された搬送波の基本周波数の電力は、電力分配器５で等分配に電力分配され、互いに並列接続されたバンドパスフィルタ１９と直流成分通過手段２０、およびバンドパスフィルタ２１と直流成分通過手段２２にそれぞれ入力され、搬送波の基本周波数の電力以外はループ発振を起こさない程度まで減衰され、各電界効果トランジスタ３，４にそれぞれ入力される。各電界効果トランジスタ３，４より出力された電力は、電力合成器６により電力合成されて出力端子２から出力される。

この構成によれば、搬送波の基本周波数以外の周波数帯域の電力は、バンドパスフィルタ１９，２１で減衰するため、搬送波の基本周波数の電力以外をループ発振を起こさない程度にまで減衰することができる。

また、電界効果トランジスタ３，４のゲートに対する直流バイアス電圧は、入力端子１から直流成分通過手段２０を通して与えることができる。

図２（ａ）は上記実施の形態における、電界効果トランジスタ４の入力端子（ゲート）から電界効果トランジスタ３の入力端子（ゲート）までの経路を示し、図２（ｂ）は同図（ａ）の経路の通過特性を示している。図２は、例として、搬送波の基本周波数を５ＧＨｚと設定した場合を示している。点線２３は先行技術１の電力合成型増幅器の通過特性を示し、実線２４は本発明の電力合成型増幅器の通過特性を示している。図２に示すように、バンドパスフィルタ１９，２１を挿入することにより、通過特性は、搬送波の基本周波数では変わらないが、それ以外の周波数帯域では減衰させることが可能となり、減衰量はバンドパスフィルタ特性により任意に調整できる。

なお、各電界効果トランジスタの入力端子（ゲート）側にバンドパスフィルタおよび直流成分通過手段の並列回路を挿入する代わりに、各電界効果トランジスタの出力端子（ドレイン）側にバンドパスフィルタおよび直流成分を選択的に通過させる直流成分通過手段を並列に挿入してもよいし、各電界効果トランジスタの入力端子側および出力端子側の両方にそれぞれバンドパスフィルタおよび直流成分通過手段を挿入してもよい。

また、図２において、例えば、バンドパスフィルタと直流成分通過手段の並列回路を、電界効果トランジスタの出力端子（ドレイン）側に設ける場合は、直流成分通過手段として、直流電源成分以外の周波数帯域を広帯域で減衰させることができるインダクタ等を用いるが、電界効果トランジスタの入力端子側に設ける場合には、電界効果トランジスタの制御電流がほとんど流れないため、インダクタ等の代わりに抵抗を用いてもよい。この構成により、減衰できる周波数帯域をさらに広げ、直流成分を選択的に通過させる直流成分通過手段を小型化することも可能である。

また、本実施の形態では、直流電源の供給を入力端子１、出力端子２からとし、信号経路とバイアス電圧供給経路とを共用し、電源供給経路の簡略化を図ったが、各電界効果トランジスタの端子に個別に直接電源バイアス回路を通して供給し、直流成分を選択的に通過させる手段と搬送波の基本周波数の電力経路を分けることも可能である。この場合、直流成分通過手段の電界効果トランジスタの入力端子側あるいは出力端子側への挿入は不要となる。

この実施の形態によれば、電力分配器５および電力合成器６と、電界効果トランジスタ３，４とによって形成される閉ループにおいて、搬送波の基本周波数のみを通過するバンドパスフィルタ１９，２１が挿入されるため、搬送波の基本周波数以外の全ての周波数帯域でループ利得を０ｄＢより低くすることができる。

以上により、発振が生じる、電界効果トランジスタ３，４の利得が高い低周波帯域の周波数や、歪み成分として生じる各高調波の周波数において、発振条件を満足させることがなくなり、安定な電力合成型増幅器を実現できる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２による電力合成型増幅器のブロック図を示している。図３において、図２と同じ構成については、同じ符号を用い、説明を省略する。

この電力合成型増幅器は、図３に示すように、電界効果トランジスタ３の入力端子（ゲート）と電力分配器１との間の経路にハイパスフィルタ２５と直流成分選択手段２０の並列回路を挿入し、電界効果トランジスタ４の入力端子（ゲート）と電力分配器１との間の経路にハイパスフィルタ２６と直流成分選択回路２２の並列回路を挿入し、電界効果トランジスタ３の出力端子（ドレイン）と電力合成器６との間の経路にローパスフィルタ２７と直流成分通過手段２９の並列回路を挿入し、電界効果トランジスタ４の出力端子（ドレイン）と電力合成器６との間の経路にローパスフィルタ２８と直流成分通過手段３０の並列回路を挿入した点が実施の形態１とは異なる。なお、ハイパスフィルタ２６の挿入位置とローパスフィルタ２８の挿入位置を入れ替えてもよい。

上記のハイパスフィルタ２６，２６は、搬送波の基本周波数およびそれより高い周波数成分を通過させる。また、上記のローパスフィルタ２７，２８は搬送波の基本周波数およびそれより低い周波数を通過させる。

この構成によれば、搬送波の基本周波数より低い周波数帯域の電力は、各電界効果トランジスタ３，４の入力端子（ゲート）側のハイパスフィルタ２５，２６で減衰し、搬送波の基本周波数より高い周波数帯域の電力は、各電界効果トランジスタ３，４の出力端子（ドレイン）側のローパスフィルタ２７，２８で減衰するため、搬送波の基本周波数の電力以外をループ発振を起こさない程度にまで減衰することができる。

また、実施の形態１の回路構成では、電界効果トランジスタ３，４から出力される高調波の周波数成分を減衰させたい場合には、電界効果トランジスタ３，４の出力端子にバンドパスフィルタ（ローパスフィルタとハイパスフィルタの組み合わせの構成）１９，２１を挿入する必要があり、挿入損失が問題となるが、実施の形態２の回路構成では、ローパスフィルタのみ、あるいはハイパスフィルタのみとなり、同様の性能をもたせた場合、挿入損失を少なくすることができ、最大電力および電力効率を改善できる。

また、ループ発振を生じる特定の周波数が搬送波の基本周波数より離れている場合、各電界効果トランジスタ３，４の入力端（ゲート）に挿入するハイパスフィルタ２５，２６はコンデンサのみの１次ハイパスフィルタとし、出力端に挿入するローパスフィルタ２７，２８はそれぞれインダクタのみの１次ローパスフィルタ２７および１次ローパスフィルタ２８として、直流成分を選択的に通過させる直流成分通過手段２９，３０を削除することにより、構成を簡略化してもよい。

また、ローパスフィルタ２７，２８の位相進み成分を、電力合成器６を構成するλg／４波長マイクロストリップラインの位相変換の一部とすることで、電力合成器を小型化することもできる。

以下、この点について、図９から図１３を参照しながら説明する。図９は通常の電力合成部とローパスフィルタの構成を示す概略図である。図１０は２次ローパスフィルタの構成を示す回路図である。図１１は小型化用の電力合成部とローパスフィルタの構成を示す概略図である。図１２は通常のローパスフィルタの減衰量および位相量の周波数特性図である。図１３は小型化用のローパスフィルタの減衰量および位相量の周波数特性図である。

ローパスフィルタとして、図１０に示すような、インダクタ、コンデンサで構成される２次ローパスフィルタの場合を例にとって説明する。通常のローパスフィルタは、基本周波数である５ＧＨｚで減衰させず、目標の２倍、３倍高調波（１０ＧＨｚ、１５ＧＨｚ）で減衰させるように設計している。すなわち、通過損失が増える周波数を基本周波数から十分余裕を持って高い周波数で設計している。そのため、５ＧＨｚでの位相変化量は図１２に示すように0度となっている。そのため、電力合成器を構成するマイクロストリップラインでは、その長さをＬ＝λｇ／４とし、マイクロストリップラインにて９０度位相を回転させている。

ＬＰＦ＋電力合成部の入出力位相変化（図９の構成）
＝ＬＰＦ（０度）＋ 電力合成部（９０度） ＝９０度
一方、電力合成部の小型化を図る場合は、通過損失を許容できるまで、通過損失が増える周波数を基本周波数に近づけて設計するため、図１３に示すようにα度の位相変化が、基本周波数に対し生じる。

そのため、ＬＰＦを電力合成器の一部とする場合、電力合成のためには、マイクロストリップラインにおいて、９０−α度の位相を回転させればよいことになるので、その長さはＬ＜λｇ／４となり、ストリップライン部を短くできるため、結果として電力合成部を小型化できる。

ＬＰＦ＋電力合成部の入出力位相変化（図１１構成）
＝ＬＰＦ（α度）＋ 電力合成部（９０−α度） ＝９０度
この実施の形態によれば、電力分配器５および電力合成器６と、電界効果トランジスタ３，４とによって形成される閉ループにおいて、搬送波の基本周波数より低い周波数帯域では、各電界効果トランジスタ３，４の入力端子側のハイパスフィルタで減衰し、高い周波数帯域では、各電界効果トランジスタ３，４の出力端子側のローパスフィルタで減衰させるため、搬送波の基本周波数以外の全ての周波数帯域でループ利得を０ｄＢより低くすることができる。

以上により、発振が生じる、電界効果トランジスタ３，４の利得が高い低周波帯域の周波数や、歪み成分として生じる各高調波の周波数において、発振条件を満足させることがなくなり、安定な電力合成型増幅器を実現できる。

また、ローパスフィルタ２７，２８の位相進み成分を、電力合成器を構成するλg／４分波長マイクロストリップラインの位相変換の一部とすることで、電力合成器を小型化できる。

また、実施の形態１の回路構成では、出力する高調波の周波数成分を減衰させるために、電界効果トランジスタ３，４の出力端子にバンドパスフィルタ１９，２１を挿入していたが、この実施の形態の回路構成では、ローパスフィルタ２７，２９のみとなるため、挿入損失を少なくすることができ、最大電力および電力効率を改善できる。

（実施の形態３）
実施の形態３では、上記実施の形態２において、ローパスフィルタ２７，２８の２次高調波もしくは３次高調波に対する負荷整合が開放になるように、ローパスフィルタ２７，２８の整合状態を調整し、それによって各電界効果トランジスタ３，４をＦ級動作とした構成のみが異なっている。

一般のＦ級増幅器では、出力端子の高調波整合回路で、２次高調波または３次高調波の負荷を開放にするが、本実施の形態の回路では、出力端子のローパスフィルタに高調波整合回路部を持たせて、ローパスフィルタで２次高調波または３次高調波の負荷を上記と同様に開放状態に調整する機能を含めるものである。

図３と同じ構成については、同じ符号を用い、説明を省略する。

ここで、Ｆ級アンプについて説明する。Ｆ級アンプとは増幅器の飽和領域にて効率特性の向上を図るものとして、一般に増幅器出力端に高調波整合回路を設けたものが知られている。高調波整合回路は、増幅器で発生する高調波の中で、特に２次高調波または３次高調波の負荷を開放にし、２次高調波電圧または３次高調波電圧を電界効果トランジスタ出力端の搬送波の基本周波数電圧に重畳することで、出力電圧形状をパルス形状に近くし、電流波形と交差することで生じる無効電力を減少させ効率の改善を図るものである。重畳する高調波の電力量は高調波整合回路の負荷点を変更し、位相を調整することで最適化でき、例えば、３次高調波を最適化した場合に、Ｆ級増幅器の理想効率は８８．４％となり、Ｂ級増幅器の理想効率７８．５％を上回ることが、Ｍｉｈａｉ Ａｌｂｕｌｅｔ著“ＲＦ ＰＯＷＥＲ ＡＭＰＬＩＦＩＥＲＳ”第３０６頁に記載されている。

ローパスフィルタにて２次高調波もしくは３次高調波の負荷を整合する場合、２ＧＨｚ以下の周波数帯域では、集中定数回路による直列および並列共振を用いることが多いが、５ＧＨｚ以上の周波数帯域では、マイクロストリップラインを用いる場合が多い。マイクロストリップラインにて構成した場合には、集中定数回路と比較し、素子による損失がない点が有利である。

また、マイクロストリップラインを用いて構成することで、直流成分を選択的に通過させる直流成分通過手段を削減でき、かつ部品ばらつきによる特性劣化を低減することもできる。

図４はマイクロストリップラインを用いた場合のローパスフィルタの一例である。図４において、符号３１は主要線路を示し、符号３２は副線路を示し、符号３３は入力端子を示し、符号３４は出力端子を示す。副線路３２の線路長さは任意であり、主要線路３１の長さは副線路の長さより減衰させる高調波の周波数において１／２波長分（１８０度位相分）長く設定してある。そのため、減衰させる高調波の周波数では、主要線路３１および副線路３２を通過する位相は１８０度異なり、入力端子３３でそれぞれの線路が分岐して出力端子３３でそれぞれの線路が結合することで、高調波周波数の電力は減衰し、出力負荷は並列共振のために開放となる。

図４の回路において、搬送波の基本周波数を５ＧＨｚとし、３次高調波の周波数である１５ＧＨｚの周波数を減衰させた例の通過特性を図５（ａ）に示し、スミス座標上の負荷を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）において、３次高調波のインピーダンスは副線路３２の長さを変更することで調整でき、図５（ａ）に示すように搬送波の基本周波数の５ＧＨｚでは減衰せず、３次高調波の周波数である１５ＧＨｚで任意の減衰量を確保することができる。

これにより、高調波の減衰量と位相を調整し最適にでき、最適なＦ級回路を構成することができる。

この実施の形態によれば、各電界効果トランジスタ３，４をＦ級増幅器として動作させることができるため、供給する直流電力を搬送波の基本周波数成分のみに有効活用することができ、電力効率を改善できる。

また、搬送波の２次高調波もしくは３次高調波の周波数成分の出力負荷を開放にすることで、高調波周波数の成分を低減し、線形性を改善できる。

また、出力負荷の整合が変動した場合でも、高調波周波数成分の出力負荷は変化しないため、出力負荷変動による特性の変化および、耐破壊特性が改善される。

また、Ｆ級増幅器を各電界効果トランジスタの飽和領域で動作させることで、入力電力変動に対する出力電力変動がなくなるため、各電界効果トランジスタに入力する電力量が、電力分配器で等分配され減少しても、出力電力は変化せず、電力合成器により電力合成されるため、結果として電力合成型増幅器のゲインを増加させることができる。

なお、上記の各実施の形態では、増幅素子として電力用の電界効果トランジスタを用いたものについて説明したが、電力用のバイポーラトランジスタを増幅素子として用いてもよい。

本発明にかかる電力合成型増幅器は、増幅素子の利得が高い低周波帯域の周波数や歪み成分として生じる各高調波の周波数において発振条件を満足させることがなく、安定な電力合成型増幅器を実現できるという効果を有し、電力合成を行う、各種トランジスタを用いる増幅器の用途にも適応できる。

本発明の実施の形態１の電力合成型増幅器の構成を示すブロック図である。 （ａ）は図１の電力合成型増幅器で構成されるループを示すブロック図、（ｂ）は各電界効果トランジスタ入力端子間の通過特性を示す特性図である。 本発明の実施の形態２の電力合成型増幅器の構成を示すブロック図である。 マイクロストリップラインを用いたローパスフィルタを示す概略図である。 （ａ）はマイクロストリップラインを用いたローパスフィルタの通過特性を示す特性図、（ｂ）は同じくスミスチャートである。 先行技術１の電力合成型増幅器の構成を示すブロック図である。 ウイルキンソンカプラの構成を示すブロック図である。 先行技術２の電力合成型増幅器の構成を示すブロック図である。 通常の電力合成部とローパスフィルタの構成を示す概略図である。 ２次ローパスフィルタの構成を示す回路図である。 小型化用の電力合成部とローパスフィルタの構成を示す概略図である。 通常のローパスフィルタの減衰量および位相量の周波数特性図である。 小型化用のローパスフィルタの減衰量および位相量の周波数特性図である。

符号の説明

１ 入力端子
２ 出力端子
３〜４ 電界効果トランジスタ
５ 電力分配器
６ 電力合成器
７ アイソレーション用抵抗
８〜９ λｇ／４波長マイクロストリップライン
１０〜１２ 端子
１３〜１６ アイソレーション用抵抗
１７〜１８ λｇ波長マイクロストリップライン
１９，２１ バンドパスフィルタ
２０，２２，２９，３０ 直流成分通過手段
２３ 先行技術１の電力合成型増幅器の通過特性
２４ 本発明の電力合成型増幅器の通過特性
２５，２６ ハイパスフィルタ
２７，２８ ローパスフィルタ
３１ 主要線路
３２ 副線路
３３ 入力端子
３４ 出力端子

Claims (9)

1. ２個以上の増幅素子と、
   前記２個以上の増幅素子の各々の入力端子に電力を分配する電力分配器と、
   前記２個以上の増幅素子の出力端子の電力を合成する電力合成器と、
   前記２個以上の増幅素子の各々の入力端子と前記電力分配器の間、および前記２個以上の増幅素子の各々の出力端子と前記電力合成器との間の少なくともどちらかに一方に挿入接続されて搬送波の基本周波数を通過させるバンドパスフィルタとを備えた電力合成型増幅器。
2. 前記バンドパスフィルタと並列に直流成分を選択的に通過させる直流成分通過手段を設けた請求項１記載の電力合成型増幅器。
3. 前記増幅素子は電界効果トランジスタからなる請求項１または２記載の電力合成型増幅器。
4. ２個以上の増幅素子と、
   前記２個以上の増幅素子の各々の入力端子に電力を分配する電力分配器と、
   前記２個以上の増幅素子の出力端子の電力を合成する電力合成器と、
   前記２個以上の増幅素子の各々の入力端子と前記電力分配器の間に挿入接続されて搬送波の基本周波数およびそれより高い周波数を通過させるハイパスフィルタと、
   前記２個以上の増幅素子の各々の出力端子と前記電力合成器との間に挿入接続されて搬送波の基本周波数およびそれより低い周波数を通過させるローパスフィルタとを備えた電力合成型増幅器。
5. ２個以上の増幅素子と、
   前記２個以上の増幅素子の各々の入力端子に電力を分配する電力分配器と、
   前記２個以上の増幅素子の出力端子の電力を合成する電力合成器と、
   前記２個以上の増幅素子の各々の入力端子と前記電力分配器の間に挿入接続されて搬送波の基本周波数およびそれより低い周波数を通過させるローパスフィルタと、
   前記２個以上の増幅素子の各々の出力端子と前記電力合成器との間に挿入接続されて搬送波の基本周波数およびそれより高い周波数を通過させるハイパスフィルタとを備えた電力合成型増幅器。
6. 前記ハイパスフィルタと並列に直流成分を選択的に通過させる第１の直流成分通過手段を設け、前記ローパスフィルタと並列に直流成分を選択的に通過させる第２の直流成分通過手段を設けた請求項４または５記載の電力合成型増幅器。
7. 第２の直流成分通過手段は前記ローパスフィルタで兼用している請求項６記載の電力合成型増幅器。
8. 前記ローパスフィルタが前記搬送波の２次高調波もしくは３次高調波のうち少なくとも一方に対して出力負荷が開放となるように構成され、前記各増幅素子がＦ級動作をする請求項４、５、６または７記載の電力合成型増幅器。
9. 前記増幅素子は電界効果トランジスタまたはバイポーラトランジスタからなる請求項４、５、６または７記載の電力合成型増幅器。

Images