CN104662795A - 微波放大器 - Google Patents

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Abstract

即使在宽频带下输入多个通信载波的情况下，也抑制了根据特定的拍频信号的频率关系而产生的极端的性能劣化。本发明包括：偏置电路，该偏置电路由线路(20)及电容器(14)构成，该线路(20)连接在放大器(11)的输出端子与偏置电压源(13)之间，且具有微波放大器的放大对象的频率下的1/4波长的电长度，该电容器(14)连接在线路(20)的与偏置电压源(13)相连接的端子和设定微波放大器的基准电位的接地(10)之间；以及谐振电路，该谐振电路在线路(20)的与偏置电压源(13)相连接的端子和接地(10)之间包含串联连接的电阻(15)及电容器(16)。

Description

微波放大器
技术领域
本发明涉及在使用有源元件的微波或毫米波带等高频带中所使用的微波放大器。更详细而言，涉及同时输入不同频率的多个通信载波的微波放大器。
背景技术
在用于通信的微波放大器中，在一定的运用频带有时会同时输入不同频率的多个通信载波。然而，微波放大器中，由于不同频率的多个通信载波之间产生的拍频信号，会产生多个通信载波之间的相互作用。
例如，专利文献1提出了如下微波放大器：即使在放大的微波信号中包含多个通信载波频率的情况下，也能对失真特性进行改善。专利文献1的微波放大器中，FET(场效应晶体管)的漏极与滤波电路相连接，该滤波电路在微波信号的通信载波频率下成为高阻抗，而在由多个通信载波频率引起而产生的拍频信号的频率下成为低阻抗，并且在另一端与接地电位(GND)之间连接对拍频信号进行短路的电容器。
此外，专利文献2中记载有如下情况：在微波放大器放大多通信载波时成为问题的低频带下的增益大大降低，且降低了放大器输入输出侧的低频分量。专利文献2的微波放大器中，在具有半导体元件的微波放大电路与输入侧以及输出侧传输线路之间的各连接点上连接有分别具有规定长度的偏置供给线路的一端，偏置供给线路的另一端分别连接电容器。在输入侧偏置电路的连接到输入侧传输线路的连接点与微波放大电路的输入端子之间，安装有电阻和电容器的并联电路。
另外，为了使微波放大器中超高频功率的损耗较小，且使低频的半导体元件稳定工作，已知有在偏置供给电路中附加电阻。例如，专利文献3的超高频半导体电路采用如下结构：偏置电路中的电阻在所需频率附近的超高频下具有充分小的电抗，且并联设置有具有在低频下具有大电抗那样的电容值的电容器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平11－136045号公报
专利文献2：日本专利特开平11－41042号公报
专利文献3：日本专利特开昭62－209909号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
专利文献1的微波放大器中，使用LC谐振电路，在多个频率间产生的拍频信号的频率下，通过降低从放大器观察到的阻抗，来抑制多个通信载波之间的相互作用。然而，在专利文献1所记载的方法中，由于使用LC谐振电路，因此，即使在低频区域也存在有利于电长度的电感分量，虽然在特定频率能实现低阻抗，但在扩大运用频带的情况下，有时反而会使阻抗增大。
由于该效果，在宽频带的运用条件下将多个通信载波输入至微波放大器的情况下，具有如下问题：在特定拍频信号的频率条件下，会导致通信载波之间的相互影响增大、增益降低、失真量增加这样的性能劣化。
专利文献2以对于低频区域的输入信号抑制增益为目的，而不是针对因通信载波之间的相互影响而产生的增益降低、失真量增加这样的性能劣化的对策。此外，由于在电源供给电路中串联增加了电阻，因此具有增大直流电功耗的缺点。
在专利文献3的超高频半导体电路中，FET单体的增益较高、能降低低频的增益，因此防止了因外部干扰(噪声等)、反馈等引起的放大器的振荡等不稳定动作。然而，拍频信号产生在有源元件的输出侧，因此专利文献3的技术不能抑制拍频信号的影响。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，即使在宽频带下输入多个通信载波的情况下，也能抑制根据特定的拍频信号的频率关系而产生的极端的性能劣化。
解决技术问题所采用的技术方案
为了达到上述目的，本发明的观点所涉及的微波放大器是使用有源元件对微波信号进行放大的微波放大器，该微波放大器包括：偏置电路，该偏置电路由线路及第一电容元件构成，该线路连接在有源元件的输出端子与偏置电压源之间，且具有微波放大器的放大对象的频率下的1/4波长的电长度，该第一电容元件连接在该线路的与偏置电压源相连接的端子和设定微波放大器的基准电位的接地之间；以及谐振电路，该谐振电路在线路的与偏置电压源相连接的端子与接地之间包含串联连接的电阻及第二电容元件。
发明效果
根据本发明，即使在宽频带下输入多个任意频率的通信载波的情况下，也能抑制通信载波之间的相互作用，能无关于通信载波的输入个数和通信载波之间的频率关系地进行稳定的动作。
附图说明
图1是本发明的实施方式1所涉及的微波放大器的电路图。
图2是具有一般的偏置电路的微波放大器的电路图。
图3是表示由通信频带内的2个波产生的相互作用的图。
图4是表示实施方式1所涉及的微波放大器所使用的第二电容元件的特性例的图。
图5是表示拍频信号的频率区域中从有源元件观察到的阻抗的图。
图6是表示在输入多个通信载波时、因有无谐振电路的电阻的不同而产生的通信载波的增益变化的图。
图7是本发明的实施方式2所涉及的微波放大器的电路图。
图8是本发明的实施方式3所涉及的微波放大器的电路图。
具体实施方式
(实施方式1)
图1是本发明的实施方式1所涉及的微波放大器的电路图。微波放大器中，在作为有源元件的放大器11的输出端子与偏置电压源13之间连接有线路20，该线路20在微波放大器的放大对象的频率λg下、具有1/4波长的电长度λg/4。放大器11例如由FET(场效应晶体管)构成，FET的栅极为输入端子，漏极为输出端子。线路20的连接有偏置电压源13的端子与设定微波放大器的基准电位的接地10之间连接有电容器14(第一电容元件)。此外，线路20的连接有偏置电压源13的端子与接地10之间串联连接有电阻15以及电容器16(第二电容元件)。
此处，对多个频率的通信载波输入至微波放大器的情况下、通信载波之间的相互作用进行说明。图2是具有一般的偏置电路的微波放大器的电路图。微波放大器中，在由有源元件构成的放大器11的输出部设有取出通信载波的频率的放大器输出端口12、以及连接用于提供DC电力的偏置电压源13的端口。放大器11与偏置电压源13之间连接有将印刷基板的波长缩短率也考虑在内的与通信载波的波长λg相对应的线路长λg/4的线路20。然后，在该线路20的端部设有由用于对通信载波频率形成短路点的通信频带短路用的电容器14构成的偏置电路。
利用该结构，在理想的情况下不会给放大器11带来通信载波的频率损耗，能提供来自偏置电压源13的直流电。另外，也能使用用于视作对于通信频带短路的开路短截线来取代电容器14，或使用电感器等来取代偏置电路。
图3是表示由通信频带内的2个波产生的相互作用的图。图3中，放大器11的输入波和输出波的功率大小分别由信号功率与频率ω1的比来表示。频率ω1的通信载波1和频率ω2的通信载波2的功率分别为功率P1[W]、P2[W]。利用放大器11的增益G，通信载波1的功率P1[W]被放大到功率G·P1[W]。放大器11在包含频率ω1和频率ω2的频率范围内具有线性增益，若将通信载波2的频率ω2也设为相同增益G，则通信载波2的输出波的功率成为原来图3的右端的实线箭头和其上方的虚线箭头4的长度相加而得到的G·P2[W]。
然而，由通信载波1(ω1)及通信载波2(ω2)产生频率为(ω2-ω1)的拍频信号3。在拍频信号3的频率(ω2-ω1)下，从放大器11观察到的输出侧的阻抗(R+jX)(j：虚数单位)为有限值，因此在放大器11的输出侧产生与拍频信号3的功率Pb成正比的电压变动δVb。
δVb＝(Pb(R+jX))1/2[V]
其结果是，因通信载波1和拍频信号3的混频而导致施加于通信载波2的施加电压降低，通信载波2的增益降低。增益的下降量依赖于以下内容。
(1)拍频信号3的功率Pb[W]
(2)在拍频信号3的频率下从放大器11观察到的阻抗(R+jX)[Ω]
(3)对于通信载波1的输出功率(G·P1)[W]
即，由于多个通信载波1及通信载波2之间产生的拍频信号3，在多个通信载波之间产生相互作用(图3的虚线箭头4)。
本实施方式1所涉及的微波放大器中，如图1所示，包括与连接有电容器14的部位相连接的、电阻15和电容器16的串联电路。图4是表示实施方式1所涉及的微波放大器所使用的第二电容元件的特性例的图。图1的微波放大器所使用的电容器16(第二电容元件)中，如图4所示，在放大对象的频率中的最低频率fL与最高频率fH之间所产生的拍频信号的最大频率fbmax(＝fH-fL)被选定为在自共振频率17以下。例如在线路的特性阻抗为50Ω类的情况下，电阻15的电阻值包含寄生电阻在内需要选定为2Ω～25Ω这样较低的阻抗值，需要设为能抑制谐振的值。
A.放大对象的频率下的动作
电容器14为了通信频带短路用而设定了电容，因此在放大对象的频率下被视作零Ω(短路)。因此，从1/4波长的线路20与电容器14之间的连接点不能观察到偏置电压源13侧的电路。从线路20与主线路(放大器11的输出侧)之间的连接点观察到的偏置电压源13侧的阻抗被视为无限大，因此在所用的频率下不会产生输出损耗。此时，若相对于通信频带的频率f1而电容器14的电容为C1，则由此产生的阻抗与虚数单位为j的1/(j2πfl·C1)的绝对值相对应，通常将电容器的电容选定为使得该阻抗的值在1Ω以下。
B.拍频信号的频率(低频)下的动作
电容器14用于通信频带短路，因此在拍频信号的频率下阻抗为有限值，从1/4波长的线路20与电容器14之间的连接点能观察到偏置电压源13侧的电路。根据电容＝C的频率f下的阻抗＝1/(j2πf·C)，在拍频信号的频率f2与通信频带相比变小的情况下，电容器14的阻抗也与(f1/f2)的值相对应地变大。
因此，若在线路20的偏置电压源13侧存在电容为C2的电容器16，则通过与拍频信号3的频率f2的关系，同样地提供与1/(j2πf2·C2)相对应的阻抗。通过增大C2的值，即使在与放大对象的频率f1相比较小的频率f2下，也能实现低阻抗。若与电容器16相连接的电阻15和1/(j2πf1·C1)的绝对值相比充分地小，则并联连接的电容器14的作用变得相对小。
因此，从1/4波长的线路20和主线路(放大器11的输出侧)的连接点观察到的偏置电压源13侧的阻抗成为线路20的电感和电阻15、电容器14、16的合成阻抗。在拍频信号3的频率下，线路20(的电感)、电阻15及电容器16构成谐振电路。
图5是表示拍频信号的频率区域中从有源元件观察到的阻抗的图。区域18表示不具有电阻15时的谐振电路的阻抗范围。区域19表示具有电阻15时的谐振电路的阻抗范围。利用实施方式1的结构，对于由多个通信载波频率产生的任意的拍频信号的频率，从放大器11观察到的阻抗能回避图5所示的区域18(全反射或其附近)，可表现为汇集于实轴附近的区域19的阻抗。区域19在史密斯图表中位于圆周内侧的实轴附近。对于拍频信号3的频率，增大电阻15和电容器16的作用，阻抗能设定为假定值，使得该假定值成为史密斯图表上图5的区域19的阻抗。
在同时将2个通信载波输入至放大器11(FET等)的情况下，因放大器11的相互作用而产生拍频信号3，因此，在放大器11的输出侧构成抑制拍频信号3的抑压电路。如图3所示，由于拍频信号3的频率(ω2-ω1)下从放大器11观察到的负载侧阻抗(R+jX[Ω])的影响，使得通信载波2的增益因拍频信号3而降低。
通过对于拍频信号3的频率将阻抗限制在特定的区域19中，能消除使多个通信载波之间所产生的相互作用显著变大的条件。若利用图5的史密斯图表进行说明，则利用电阻15，在拍频信号3的频率区域中从FET观察到的阻抗被配置在史密斯图表的圆周上的内侧。
图6是表示在输入多个通信载波时、因有无谐振电路的电阻的不同而产生的通信载波的增益变化的图。通过对于任意的拍频信号的频率将阻抗限制在特定的区域19中，如图6所示，能消除使多个通信载波之间产生的相互作用显著变大的条件。由此，在通信过程中追加频率不同的通信载波的情况下，通信线路状况不会劣化，能抑制同时使用多个通信载波时的问题。
根据实施方式1的微波放大器，通过在谐振电路中追加电阻分量，从而根据降低谐振电路的Q值的效果，即使在宽频带中输入多个任意频率的通信载波，也能抑制通信载波之间的相互作用。其结果是，无关于通信载波的输入个数及通信载波之间的频率关系，均能稳定工作。另外，专利文献2中，通过各元件及其配置的选择方式，也能期待对稳定工作产生的效果。与此相比，本实施方式1中，没有在直流电流流动的路径中使用串联插入的电阻分量，因此还具有能在维持放大器自身的高效率性能的状态下稳定工作的优点。
(实施方式2)
图7是本发明的实施方式2所涉及的微波放大器的电路图。实施方式2所涉及的微波放大器包括串联连接在放大器21的输出侧与接地10之间的电感器23、电容器24以及电阻25。放大器21由有源元件构成。放大器21传输通信载波频率的电力，将直流电提供给放大器输出端口22。
实施方式2的电感器23、电阻25及电容器24采用如下结构：对于拍频信号3的频率设置电感与线路20相当的电感器23，来取代实施方式1的线路20。
通过该结构，在理想的情况下能使输出到放大器21的输出部的通信载波频率及直流电的损耗最小，并对于从放大器21观察到的拍频信号3的频率下的阻抗，能与实施方式1同样地将其汇集在史密斯图表的实轴附近的区域19。由此，能消除使多个通信载波之间产生的相互作用显著变大的条件。其结果是，在通信过程中重叠追加频率不同的通信载波的情况下，通信线路状况不会劣化，能抑制同时使用多个通信载波时的问题。此外，也不需要在放大器21周边设置偏置电路等对策。
(实施方式3)
图8是本发明的实施方式3所涉及的微波放大器的电路图。实施方式3中，与实施方式1的微波放大器的结构相比，如图8所示，在偏置电路与偏置电压源13之间追加了电感器36。电感器36使直流及低频信号通过，使频率较高的信号被阻断。电感器36对于从放大器11观察偏置电压源13侧所得的阻抗，抑制了电源电路的阻抗的影响。在实施方式3的微波放大器中，也与实施方式1同样地利用电阻15和电容器16来决定拍频信号3的频率下的阻抗值。
根据实施方式3的微波放大器，除了实施方式1的效果以外，还能抑制电源电路的阻抗的影响。
在不脱离本发明的广义实质与范围的情况下，可对本发明提出各种实施方式以及变形。另外，上述实施方式仅用来对本发明进行说明，而不对本发明的范围进行限定。本发明的范围由权利要求的范围来表示，而并非由上述实施方式来表示。并且，在权利要求的范围内及与其同等发明意义的范围内实施的各种变形也视为在本发明的范围内。
本申请于2012年9月25日提出，以包含有说明书、权利要求的范围，附图、以及摘要的日本专利申请2012－210863号为基础主张优先权。通过参照，日本专利申请2012－210863号的公开内容作为整体包含在本申请内。
标号说明
1、2通信载波、3拍频信号、10接地、11放大器、12放大器输出端口、13偏置电压源、14电容器(第一电容元件)、15电阻体、16电容器(第二电容元件)、17自共振频率、18、19区域、20线路、21放大器、22放大器输出端口、23电感器、24电容器、25电阻、36电感器。

Claims (5)

1.一种微波放大器，该微波放大器使用有源元件对微波信号进行放大，其特征在于，包括：
偏置电路，该偏置电路由线路及第一电容元件构成，所述线路连接在所述有源元件的输出端子与偏置电压源之间，且具有所述微波放大器的放大对象的频率下的1/4波长的电长度，所述第一电容元件连接在该线路的与所述偏置电压源相连接的端子和设定所述微波放大器的基准电位的接地之间；以及
谐振电路，该谐振电路在所述线路的与所述偏置电压源相连接的端子与所述接地之间包含串联连接的电阻及第二电容元件。
2.如权利要求1所述的微波放大电路，其特征在于，
所述第一电容元件是在所述放大对象的频率下视作为短路的电抗，
所述第二电容元件是如下电抗：在所述微波放大器的通信频带的最低频率与最高频率之间所产生的拍频信号的最大频率下，所述线路、所述电阻及所述第二电容元件的阻抗位于史密斯图表中的圆周内侧的实轴附近。
3.如权利要求1或2所述的微波放大器，其特征在于，
所述谐振电路的自共振频率为所述微波放大器的通信频带的最低频率与最高频率之间所产生的拍频信号的最大频率以上。
4.如权利要求1至3的任一项所述的微波放大器，其特征在于，
包括连接在所述线路与所述偏置电压源之间的感应元件。
5.一种微波放大器，该微波放大器使用有源元件对微波信号进行放大，其特征在于，包括：
LC谐振电路，该LC谐振电路连接在所述有源元件的输出端子与设定所述微波放大器的基准电位的接地之间，且包含电阻。
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