JP2002318256A - 増幅器の総合特性計算装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 計算精度を保持しながら、測定時間を大幅に
短縮することができ、増幅器全体の総合特性の温度依存
性や周波数依存性などを計算することが可能となる増幅
器の総合特性計算装置を得る。 【解決手段】 単位増幅器が多段に縦続または並列接続
された増幅器全体の総合特性を計算する増幅器の総合特
性計算装置であって、各段の単位増幅器のロードプルデ
ータおよびＳパラメータを用い、各段の単位増幅器の入
出力に接続される負荷の反射係数を考慮に入れて、増幅
器全体の利得、出力、消費電力、位相変化量、Ｓパラメ
ータのいずれか少なくとも１つを計算する計算手段８
と、計算手段８が計算に用いるロードプルデータおよび
Ｓパラメータを、測定によって得られるロードプルデー
タおよびＳパラメータから推定するデータ処理手段９と
を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波、ミリ
波帯で使用される増幅器の総合特性を計算する増幅器の
総合特性計算装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１９は例えば特開平１１−２４８７７
４号公報に開示された従来の増幅器の総合特性測定方法
を説明するためのもので、２個の単位増幅器を縦続接続
してなる増幅器の構成図（ａ）と説明に供する表（ｂ）
を示している。

【０００３】図１９の（ａ）において、１０１は入力端
子、１０２は出力端子、１０３はドライバ段増幅器、１
０４はパワー段増幅器を示す。なお、この従来例では、
単位増幅器を２段接続した場合について述べるが、多段
の場合についても適用できる。

【０００４】図示されるように、２個の単位増幅器（ド
ライバ段増幅器およびパワー段増幅器）を単純に縦続接
続された２段増幅器の利得、出力、効率、位相変化量の
計算について述べる。ドライバ段増幅器１０３から電源
側を見た反射係数をΓi（１）、負荷側を見た反射係数
をΓo（１）、また、パワー段増幅器１０４から電源側
を見た反射係数をΓi（２）、負荷側を見た反射係数を
Γo（２）とする。２段増幅器の利得、出力、効率、位
相変化量の計算に必要なドライバ段増幅器１０３および
パワー段増幅器１０４の利得Ｇ（１），Ｇ（２）、消費
電力Ｐdc（１），Ｐdc（１）、入力電力Ｐin（１），Ｐ
in（２）、出力電力Ｐout（１），Ｐout（２）、位相変
化量φ（１），φ（２）はロードプルデータから得られ
るものであり、図１９の（ｂ）に示した記号および単位
で表現する。

【０００５】２段増幅器の利得、出力、効率、位相変化
量の計算の基本は、先ず、ドライバ段１０３およびパワ
ー段増幅器１０４の入出力電力、入出力負荷の反射係数
を計算してから、次に、利得、効率、位相変化量を計算
する。２段増幅器の出力電力を計算するフローチャート
を図２０に示す。図２０に示すように、最初に、２段増
幅器（ＳＳＰＡ）の入力電力Ｐinを設定する（ステップ
Ｓ１１）。入力電力Ｐinはドライバ段増幅器１０３のロ
ードプルデータが存在する範囲に限られる。ドライバ段
増幅器１０３の入力電力Ｐin（１）は、入力回路が接続
されていないので、Ｐin（１）＝Ｐinとなる（ステップ
Ｓ１２）。

【０００６】次に、ドライバ段増幅器１０３に接続され
る入出力負荷の影響を考慮するために入出力負荷の反射
係数を計算する。入力側は５０Ωであるので、Γi
（１）＝０である。出力側はパワー段増幅器１０４が接
続されているので、Γo（１）＝Ｓ11（２）となる。Ｓ1
1（２）はパワー段増幅器１０４の入力電力Ｐin（２）
のレベルに依存して変化するので、ここでは、初期値Ｐ
in（２）'として線形動作を仮定し、Ｐin（２）'＝−１
００ｄＢｍとしている（ステップＳ１３，Ｓ１４）。

【０００７】ドライバ段増幅器１０３の入力電力Ｐin
（１）および入出力負荷（Γi（１），Γo（１））が決
まったので、ロードプルデータから入出力特性のデータ
（Ｐout（１），Ｐdc（１），Ｇ（１），φ（１））を
読み込む。図２０において、ｆ１はロードプルデータか
らの読み込みを意味する。パワー段増幅器１０４の入力
電力Ｐin（２）は、ドライバ段増幅器１０３とパワー段
増幅器１０４の間に何も接続されていないので、Ｐin
（２）＝Ｐout（１）となる。ここで、初期値Ｐin
（２）'と比較を行い、Ｐin（２）とＰin（２）'が異な
れば、また、ドライバ段増幅器１０３の入出力負荷の計
算のところに戻り、Ｐin（２）＝Ｐin（２）'が得られ
るまで計算を繰り返す（ステップＳ１５からＳ１７）。

【０００８】次に、パワー段増幅器１０４に接続される
入出力負荷の影響を考慮するために入出力負荷の反射係
数を計算する。入力側はドライバ段増幅器１０３が接続
されているので、Γi（２）＝Ｓ22（１）となる。出力
側は５０Ωであるので、Γo（２）＝０である（ステッ
プＳ１８）。パワー段増幅器１０４の入力電力Ｐin
（２）および入出力負荷（Γi（２）, Γo（２））が決
まったので、ロードプルデータから入出力特性のデータ
（Ｐout（２）,Ｐdc（２）,Ｇ（２）, φ（２））を読
み込む。図２０において、f（２）はロードプルデータ
からの読み込みを意味する。２段増幅器の出力電力Ｐou
tは、パワー段増幅器１０４に出力回路が接続されてい
ないので、Ｐout＝Ｐout（２）となる（ステップＳ１
９，Ｓ２０）。

【０００９】このようにして、あらかじめ測定しておい
た各段の単位増幅器のロードプルデータおよびＳパラメ
ータを用い、各段の単位増幅器に入出力に接続される負
荷の反射係数を考慮して増幅器全体総合特性、つまり、
利得、出力、効率、位相変化量、安定係数、Ｓパラメー
タ、歪み特性の総合特性を求めることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来例は、各段
の単位増幅器のロードプルデータおよびＳパラメータを
用い、各段の単位増幅器の入出力に接続される負荷を考
慮に入れて、増幅器全体総合特性を計算する事ができ
る。しかし、測定条件や各単位増幅器ごとにロードプル
データおよびＳパラメータの測定が必要となるため、単
位増幅器から構成される増幅器全体の総合特性の温度依
存性や周波数依存性などを計算する場合、温度や周波数
ごとに各段の単位増幅器のロードプルデータおよびＳパ
ラメータの測定が必要となり、きわめて多大な測定時間
を必要とする問題点がある。

【００１１】そこで、測定時間を短縮するために、各段
の単位増幅器のロードプルデータを測定する負荷点の点
数を削減することが考えられるが、点数を削減すると計
算精度の低下を招く。一般に、精度の良い計算結果を得
るためには単位増幅器のロードプルデータを多くの負荷
点において測定する必要があり、測定時間と測定精度は
相反する。

【００１２】本発明では、計算に用いるロードプルデー
タおよびＳパラメータを、測定によって得られるロード
プルデータおよびＳパラメータから推定するデータ処理
手段を備えることで、計算に必要となる測定数、測定条
件を大幅に削減する事が可能となる。これにより、計算
精度を保持しながら、測定時間を大幅に短縮することが
でき、増幅器全体の総合特性の温度依存性や周波数依存
性などを計算することが可能となる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る増幅器の
総合特性計算装置は、単位増幅器が多段に縦続または並
列接続された増幅器全体の総合特性を計算する増幅器の
総合特性計算装置であって、各段の単位増幅器のロード
プルデータおよびＳパラメータを用い、各段の単位増幅
器の入出力に接続される負荷の反射係数を考慮に入れ
て、増幅器全体の利得、出力、消費電力、位相変化量、
Ｓパラメータのいずれか少なくとも１つを計算する計算
手段と、計算手段が計算に用いるロードプルデータおよ
びＳパラメータを、測定によって得られるロードプルデ
ータおよびＳパラメータから推定するデータ処理手段と
を備えている。

【００１４】また、計算手段は、周波数が隣接する２波
の信号、デジタル変調波、雑音に見立てたマルチキャリ
ア信号を増幅した際に発生する相互変調歪み、または隣
接チャンネル漏洩電力、またはノイズ・パワー・レシオ
を計算する。

【００１５】また、増幅器の前段に周波数変換回路また
は変調回路が接続され、計算手段は、周波数変換回路ま
たは変調回路を含めた増幅器全体の利得、出力、消費電
力、位相変化量、Ｓパラメータ、歪特性のいずれか少な
くとも１つを計算する。

【００１６】また、増幅器の前段に可変減衰器または移
相器が接続され、計算手段は、可変減衰器または移相器
を含めた増幅器全体の利得、出力、消費電力、位相変化
量、Ｓパラメータ、歪特性のいずれか少なくとも１つを
計算する。

【００１７】また、整合回路が集中定数素子、分布定数
素子またはＳパラメータで定義され、計算手段は、整合
回路を構成する素子の値または回路構成を変えながら、
増幅器全体の利得、出力、消費電力、位相変化量、Ｓパ
ラメータ、歪特性のいずれか少なくとも１つを計算す
る。

【００１８】さらに、計算手段は、ロードプルデータお
よびＳパラメータに対して、増幅器の総合特性を複数回
計算する前にあらかじめデータ処理を実行しておき、そ
の後、総合特性を求める計算のみを連続して行う。

【００１９】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の増
幅器の総合特性計算装置の実施の形態１の計算アルゴリ
ズムを示すフローチャートである。図１において、８は
計算手段としての総合特性計算部、９はデータ処理手段
としてのデータ処理部である。図２に総合特性を計算す
る増幅器の構成を示す。図２の増幅器は単位増幅器が２
つ縦続に接続された増幅器であるが、さらに、多段構成
になっても図１に示した計算アルゴリズムで総合特性を
計算することは可能である。図１に示した計算アルゴリ
ズムの適用例として、本実施の形態では２つの単位増幅
器から構成される増幅器について説明する。

【００２０】図２において、１は入力整合回路、２は単
位増幅器、３は段間整合回路、４は単位増幅器、５は出
力整合回路、６は入力端子、７は出力端子である。ま
た、Γ２ｉは単位増幅器２から入力側をみた反射係数、
Γ２ｏは単位増幅器２から出力側をみた反射係数、Γ４
ｉは単位増幅器４から入力側をみた反射係数、Γ４ｏは
単位増幅器４から出力側をみた反射係数である。

【００２１】図２の増幅器を図１に示した計算アルゴリ
ズムを用いて総合特性を計算する場合の計算の動作につ
いて説明する。本計算の流れは、総合特性計算部８とデ
ータ処理部９の２つの部分から構成される。

【００２２】まず、計算手段としての総合特性計算部８
について説明する。総合特性計算部８では、はじめにあ
らかじめ測定された各単位増幅器２，４のＳパラメータ
および入力整合回路１、段間整合回路３、出力整合回路
５のＳパラメータを用い、図２に示した増幅器の小信号
利得特性、反射特性を計算すると共に、単位増幅器２，
４から入力側、及び出力側をみた反射係数Γ２ｉ，Γ２
ｏ，Γ４ｉ，Γ４ｏを計算する。ここで、増幅器の小信
号利得特性、反射特性は、単位増幅器２のＳパラメータ
Ｓ（２）、単位増幅器４のＳパラメータＳ（４）、入力
整合回路のＳパラメータＳ（１）、段間整合回路のＳパ
ラメータＳ（３）、出力整合回路のＳパラメータＳ
（５）をＦ行列に変換したＦ（２），Ｆ（４），Ｆ
（１），Ｆ（３），Ｆ（５）を用いて計算することがで
きる。

【００２３】

【数１】

【００２４】式１で示した行列ＦをＳパラメータに変換
することで、増幅器の小信号利得特性、反射特性を得
る。また、単位増幅器２，４から入力側、及び出力側を
みた反射係数Γ２ｉ，Γ２ｏ，Γ４ｉ，Γ４ｏは、Ｆ
（２），Ｆ（４），Ｆ（１），Ｆ（３），Ｆ（５）を用
いて次の手順で求めることができる。

【００２５】

【数２】

【数３】

【数４】

【数５】

【００２６】上記式２から５で得られたＦ行列Ｆ（２
ｉ），Ｆ（２ｏ），Ｆ（４ｉ），Ｆ（４ｏ）をＳパラメ
ータに変換することで、単位増幅器２，４から入力側、
及び出力側をみた反射係数Γ２ｉ，Γ２ｏ，Γ４ｉ，Γ
４ｏを求めることができる。次に、測定された入出力整
合回路、段間回路のＳパラメータＳ（１），Ｓ（５），
Ｓ（３）および単位増幅器から入力側、及び出力側をみ
た反射係数Γ２ｉ，Γ２ｏ，Γ４ｉ，Γ４ｏをもちい
て、入出力整合回路、段間回路の損失を計算する。入力
整合回路の損失ｌｏｓｓ（１）、出力整合回路の損失ｌ
ｏｓｓ（５）、段間回路の損失ｌｏｓｓ（３）は次式を
用いて計算することができる。

【００２７】

【数６】

【数７】

【数８】

【００２８】次に、単位増幅器の入力電力、出力電力、
位相変化量、利得、電力効率に関する特性を示す入出
力、位相、効率特性を入出力の反射係数を変えて測定し
たデータ、つまり、単位増幅器のロードプルデータの中
から、単位増幅器２，４から入力側、及び出力側をみた
反射係数を有する入出力、位相、効率特性を選択する。
所望の反射特性を有する入出力、位相、効率特性がない
場合、各単位増幅器の反射係数に最も近いインピーダン
スで測定した入出力、位相、効率特性を選択する。選択
方法について述べる。

【００２９】単位増幅器の入力反射係数Γｉおよび、ロ
ードプルデータで測定された反射係数Γｓをそれぞれイ
ンピーダンスＺｓ，Ｚｉに変換する。そして、単位増幅
器の入力インピーダンスＺｓを特性インピーダンスとし
て、ロードプルデータで測定されたインピーダンスＺｉ
における反射係数Γ１を求める。

【００３０】

【数９】

【００３１】この計算を出力側に対しても行い、単位増
幅器の出力インピーダンスを特性インピーダンスとし
て、ロードプルデータで測定されたインピーダンスにお
ける反射係数Γ２を求める。反射係数Γ１，Γ２を求め
る操作をロードプルデータの各測定点の数だけ行い、｜
Γ１｜²＋｜Γ２｜²が最小となる単位増幅器のロードプ
ルデータを選択する。これによって、各単位増幅器の反
射係数に最も近いインピーダンスで測定した入出力、位
相、効率特性を選択する。

【００３２】次に、選択された入出力、位相、効率特性
と入出力整合回路、段間回路の損失を用いて、増幅器の
入出力、位相、効率特性を計算する。単位増幅器２の利
得をＧ（２）［ｄＢ］、位相変化量をＰｈａｓｅ（２）
［ｄｅｇ］、消費電力をＰｄｃ（２）［Ｗ］、単位増幅
器４の利得をＧ（４）［ｄＢ］、位相変化量をＰｈａｓ
ｅ（４）［ｄｅｇ］、消費電力をＰｄｃ（４）［Ｗ］と
し、増幅器に入力する電力をＰｉｎ［ｄＢ］、増幅器か
ら得られる出力電力をＰｏｕｔ［ｄＢ］、増幅器の位相
変化量をＰｈａｓｅ［ｄｅｇ］、電力付加効率をＥａｄ
ｄ［％］とした場合、増幅器の入出力、位相、効率特性
は次のようにして求められる。

【００３３】

【数１０】

【数１１】

【数１２】

【００３４】次に、データ処理手段としてのデータ処理
部９について説明する。前記の総合特性計算部で用いら
れる単位増幅器のロードプルデータは、測定によって得
られるロードプルデータおよびＳパラメータを基に、計
算によって推定して得たロードプルデータである。デー
タ処理部で行われる計算は内挿法に基づいており、２つ
の測定値から内挿により所望の計算値を得る。ロードプ
ルデータのデータ処理の対象として、反射係数、周波
数、単位増幅器の特性の個体ばらつき、単位増幅器のゲ
ート幅、単位増幅器のバイアス条件、温度特性などがあ
る。

【００３５】ロードプルデータの反射係数に対してデー
タ処理を行うことで、ロードプルデータ中の負荷点２つ
における入出力、位相、効率特性から、その間にある負
荷点での単位増幅器の入出力、位相、効率特性を算出す
ることができる。ロードプルデータの周波数に対してデ
ータ処理を行うことで、あらかじめ測定した２つの周波
数でのロードプルデータから、その間の周波数における
単位増幅器のロードプルデータを算出することができ
る。

【００３６】単位増幅器の特性の個体ばらつきに対して
ロードプルデータのデータ処理を行うことで、ロードプ
ルデータの入出力の負荷点の位置や単位増幅器の利得、
飽和電力、位相変化量、消費電力等を変化させたロード
プルデータを得ることができる。

【００３７】単位増幅器のゲート幅に対してロードプル
データのデータ処理を行うことで、あらかじめ測定した
２つのゲート幅でのロードプルデータからその間のゲー
ト幅を持つ単位増幅器のロードプルデータを算出するこ
とができる。単位増幅器のバイアス条件に対してロード
プルデータのデータ処理を行うことで、あらかじめ測定
した２つのバイアス条件でのロードプルデータからその
間にあるバイアス条件でのロードプルデータを算出する
ことができる。

【００３８】単位増幅器の温度に対してロードプルデー
タのデータ処理を行うことで、あらかじめ測定した２つ
の温度でのロードプルデータからその間にある温度での
ロードプルデータを算出することができる。単位増幅器
のゲート幅に対するロードプルデータのデータ処理およ
び、ロードプルデータの反射係数に対するデータ処理の
具体的な算出方法について、以下に記す。

【００３９】はじめに、単位増幅器のゲート幅に対する
ロードプルデータのデータ処理の具体的方法について述
べる。まず、小信号Ｓパラメータの変換方法について述
べる。ゲート幅Ｗｇ［ｍｍ］である電界効果トランジス
タのｙパラメータがｙ１１，ｙ２１，ｙ１２，ｙ２２で
与えられるとき、電界効果トランジスタの寄生部分を無
視するとゲート幅をｎ倍にしたときのｙパラメータｙ１
１’，ｙ２１’，ｙ１２’，ｙ２２’はスケーリング則
により、次式のように表せる。

【００４０】

【数１３】

【００４１】このｙパラメータをＳパラメータに変換す
ることで、ゲート幅ｎＷｇ［ｍｍ］のＳパラメータＳ１
１’，Ｓ２１’，Ｓ１２’，Ｓ２２’が得られる。ここ
で、ゲート幅の増加による利得の低下を考慮すること
で、一層精度向上を図ることができる。ゲート幅と最大
安定利得（ＭＳＧ：Maximum Stable Gain）の関係が図
３で表される場合、ゲート幅Ｗｇの利得に対するゲート
幅ｎＷｇの利得差ΔＧ［ｄＢ］はΔＧ＝Ｇｎｗｇ−Ｇｗ
ｇで表される。デバイス寸法が大きくなることに伴い、
利得が低下する原因として、電界効果トランジスタ内部
のユニットフィンガーごとの入出力信号に位相差が生
じ、利得が減少することが挙げられる。ゲート幅増加に
よる利得低下を考慮したＳパラメータＳ１１’’，Ｓ２
１’’，Ｓ１２’’，Ｓ２２’’は次式のように表され
る。

【００４２】

【数１４】

【００４３】次に大信号特性ついて述べる。ゲート幅Ｗ
ｇ［ｍｍ］である電界効果トランジスタの入力電力、出
力電力、位相変化量がＰｉｎｗｇ［ｄＢ］、Ｐｏｕｔｗ
ｇ［ｄＢ］、Ｐｈａｓｅｗｇ［ｄｅｇ］で表されると
き、ゲート幅ｎＷｇ［ｍｍ］である電界効果トランジス
タの入力電力Ｐｉｎｎｗｇ［ｄＢ］、出力電力Ｐｏｕｔ
ｎｗｇ［ｄＢ］、位相変化量Ｐｈａｓｅｎｗｇ［ｄｅ
ｇ］はゲート幅の増加による利得および飽和電力の低下
を考慮し、次式で表される。

【００４４】

【数１５】

【００４５】ここで、ゲート幅増加による利得差は電界
効果トランジスタの入出力の合成分配損によって発生す
るものと仮定し、それぞれ損失は１／２ΔＧとした。上
式に基づき、ロードプルデータを変換することによっ
て、ゲート幅に関して、データを変換する計算する事が
できる。

【００４６】上記計算手法に基づき、単位増幅器を構成
するトランジスタのゲート幅に対してデータ変換を行っ
た。ゲート幅に関するロードプルデータの変換は周波数
９５０ＭＨｚにおいて行い、ゲート幅６ｍｍの電界効果
トランジスタのロードプルデータからゲート幅３０ｍｍ
のロードプルデータを計算した。図４に飽和電力の計算
値と測定値を示す。良好な一致が見られており、本計算
法の妥当性を確認した。

【００４７】次に、ロードプルデータの反射係数に対す
るデータ処理の具体的方法について述べる。まず、入力
側および出力側の反射係数平面を実部ＮＤ分割、虚部Ｎ
Ｄ分割する。ここではＮＤ＝２５とした。求めたい反射
係数が内挿となるように複素平面での距離が近い順に反
射係数を入出力それぞれ３つ選択する。この時、内挿と
なる測定データが存在しない場合や反射係数の絶対値が
１を超える反射係数点および外挿点は、データの精度、
信憑性の観点から問題があると考えられるので除外す
る。

【００４８】まず、はじめに、選択した入力側の反射係
数３点を用いて、入力側の反射係数を補間する方法につ
いて述べる。図５に入力反射係数を補間する際の模式図
を示す。ＩＮ１，２，３は上記で選ばれた入力側の３点
であり、ＯＵＴ１，２，３は出力側の３点である。ＩＮ
ｉは求めたい入力側の反射係数であり、ＯＵＴｉは求め
たい出力側の点である。入出力の反射係数がＩＮｉとＯ
ＵＴ１である入出力、位相、効率特性はＩＮ１，２，３
とＯＵＴ１における入出力、位相、効率特性から計算す
ることができる。本計算手法では反射係数と入出力、位
相、効率特性の関係を平面近似で関係づけ、補間を行っ
ている。入力側の３点ＩＮ１，２，３の反射係数を各々
Γ１，Γ２，Γ３とし、点ＩＮ１，２，３での利得や出
力電力などの値をＰ１，Ｐ２，Ｐ３とすると、点ＩＮ
１，２，３を通過する平面は次式のように示される。

【００４９】

【数１６】

【００５０】ここで、

【００５１】

【数１７】

【００５２】である。式１６に、入力側の点ＩＮｉでの
反射係数を代入する事によって、入力側の点ＩＮｉと出
力側の点ＯＵＴ１の組み合わせにおける入出力、位相、
効率特性を計算することができる。

【００５３】出力側の点ＯＵＴ２，３に対しても同様に
上記計算を行うことで、入力側の点ＩＮｉと出力側の点
ＯＵＴ２，３の組み合わせにおける入出力、位相、効率
特性を得ることができる。以上により、入力側の点ＩＮ
ｉと出力側の点ＯＵＴ１，２，３の組み合わせ時の入出
力、位相、効率特性が得られる。

【００５４】次に上記で求めた入力側の点ＩＮｉと出力
側の点ＯＵＴ１，２，３の組み合わせ時の入出力、位
相、効率特性を用いて、入力側の点ＩＮｉ、出力側の点
ＯＵＴｉでの入出力、位相、効率特性を上記の計算手順
に従って計算する。図６に出力反射係数の補間を行う際
の模式図を示す。以上の方法により、入力側の点Ｉｎｉ
と出力側の点ＯＵＴｉを組み合わせた時の入出力、位
相、効率特性を得ることができる。

【００５５】図７に反射係数の補間例を示す。図８に反
射係数に関してデータを変換して得られたロードプルデ
ータから反射係数に対する電力付加効率の計算結果と実
測値を示す。良好な一致が見られており、本計算法の妥
当性を確認した。

【００５６】尚、本実施の形態においては、増幅器は、
単位増幅器２，４の２つの単位増幅器が縦続に接続され
たものであるが、並列接続したものであっても同様に増
幅器全体の総合特性を計算することができる。

【００５７】このように、本実施の形態の増幅器の総合
特性計算装置おいては、単位増幅器が多段に縦続または
並列接続された増幅器全体の総合特性を計算する増幅器
の総合特性計算装置であって、各段の単位増幅器のロー
ドプルデータおよびＳパラメータを用い、各段の単位増
幅器の入出力に接続される負荷の反射係数を考慮に入れ
て、増幅器全体の利得、出力、消費電力、位相変化量、
Ｓパラメータのいずれか少なくとも１つを計算する計算
手段としての総合特性計算部８と、この総合特性計算部
８が計算に用いるロードプルデータおよびＳパラメータ
を、測定によって得られるロードプルデータおよびＳパ
ラメータから推定するデータ処理手段としてのデータ処
理部９とを備えている。そのため、計算に必要となる測
定数、測定条件を大幅に削減する事が可能となる。これ
により、増幅器全体の総合特性の温度依存性や周波数依
存性などを簡便に計算することができる。

【００５８】実施の形態２．図９は本発明の増幅器の総
合特性計算装置による実施の形態２の計算方法を説明す
る図である。本実施の形態では周波数が隣接する２波の
信号または、デジタル変調波または、雑音に見立てたマ
ルチキャリア信号を増幅した場合に生じる相互変調歪
み、隣接チャンネル漏洩電力またはノイズ・パワー・レ
シオ（ＮＰＲ：Noise Power Ratio）を求めるものであ
り、これらを、シングルキャリアの入出力、位相特性か
らフーリエ変換および逆フーリエ変換を用いて計算す
る。

【００５９】本実施の形態の計算の流れについて説明す
る。まず、増幅器に加えられる入力信号の電圧をＶｉ
（ｔ）とし、式１８で表現する。なお、ここで、ｆｏは
周波数、ρは入力信号の複素振幅である。

【００６０】

【数１８】

【００６１】今、増幅器への入力信号として、相互変調
歪みの解析では周波数間隔の狭い２波のＣＷ信号、隣接
チャンネル漏洩電力の解析ではデジタル変調された信
号、ＮＰＲ解析では白色雑音をそれぞれ用いる。これら
の入力信号の波形を時間軸で観測すると、図９（ａ）に
示すように、キャリアの周期に対してかなり遅い周期で
ビートをうつ信号である。入力信号はｂ点を中心にａ点
（最小値）からｃ点（最大値）まで変化する。出力信号
は、図９（ｂ）の入出力、位相特性に従って変化する。
入出力の伝達特性を表現する振幅特性をＡ（｜ρ｜）、
位相特性をθ（｜ρ｜）で表す。図９（ｂ）において、
入力信号はａ点からｃ点まで変化し、それに対して出力
信号は振幅特性Ａ（｜ρ｜）、位相特性θ（｜ρ｜）に
従って変化し、出力信号の電圧Ｖｏ（ｔ）は、式１９で
与えられる。

【００６２】

【数１９】

【００６３】変調波やマルチキャリアはある占有帯域幅
を有するため、その帯域内で振幅特性Ａ（｜ρ｜）およ
び位相特性θ（｜ρ｜）の周波数依存性が小さい場合
に、出力信号は式１９で計算できる。入力信号のａ点か
らｃ点までの変化に対し、出力信号の振幅はΔＰ、位相
はΔΦだけ歪む。この歪みが増幅器の線形性を劣化さ
せ、結果として出力信号のスペクトラムが広がる。従っ
て、優れた線形性を得るためには、入力電力の広い範囲
で振幅歪みおよび位相歪みを小さくしておく必要があ
る。ここで、ΔＰは振幅歪み（ＡＭ／ＡＭ変換）、ΔΦ
は位相歪み（ＡＭ／ＰＭ変換）と呼ばれ、非線形動作時
の振幅および位相の線形動作時からの変化量で表現され
る。

【００６４】本計算のフローチャートを図１０に示す。
まず、入力信号を定義する。この計算では入力信号ｇ
（ｍ）は時間軸で定義した信号を用いる（ステップＳ
４）。そのため、周波数軸で定義された信号Ｇ（ｎ）は
逆フーリエ変換を用いて時間軸に変換され、式２０で与
えられる（ステップＳ２，３および５）。また、増幅器
で増幅された時間軸での出力信号ｇ’（ｍ）は、式１８
および１９を用いることにより式２１で与えられる（ス
テップＳ６，７）。周波数軸での出力信号（出力スペク
トラム）Ｇ’（ｎ）は、式２１をフーリエ変換すること
により得られる（ステップＳ８，９）。即ち、式２２が
得られる。

【００６５】

【数２０】

【数２１】

【数２２】

【００６６】ここで、相互変調歪み、隣接チャンネル漏
洩電力、ＮＰＲは次のようにして求める。相互変調歪み
（ＩＭ）は、周波数間隔の狭い２波の信号を増幅した場
合に生じるスペクトラムの広がりに起因するパラメータ
である。周波数ｆ１での出力電力をＰｆ１［ｄＢｍ］、
周波数２ｆ１−ｆ２での出力電力をＰ２ｆ１−ｆ２［ｄ
Ｂｍ］、周波数３ｆ１−ｆ２での出力電力をＰ３ｆ１−
ｆ２［ｄＢｍ］とすると、相互変調歪みＩＭ３，ＩＭ５
［ｄＢｃ］はそれぞれ

【００６７】

【数２３】

【００６８】で与えられる。相互変調歪みＩＭ３，ＩＭ
５はｆ２，２ｆ２−ｆ１，３ｆ２−２ｆ１に対しても同
様に計算でき、ＩＭ３，５の値と比較し、悪い方の値で
もって相互変調歪みＩＭ３、５の値とする。

【００６９】隣接チャンネル漏洩電力（ＡＣＰ：Adjace
nt Channel leakaage Power）はデジタル変調波を増幅
した場合に生じる帯域外への信号の漏れこみを評価する
パラメータである。隣接チャンネル漏洩電力は、隣接チ
ャンネルに漏れこむ電力量Ｐａｄｊを全体の電力量Ｐｔ
ｏｔａｌで割った値として定義される。全体の信号とし
て、周波数に対応する０〜（Ｎ−１）の信号があり、そ
の中のｎ１番目からｎ２番目の信号が隣接チャンネルに
あると仮定する。ｎ番目の信号の出力が｜Ｇ（ｎ）｜と
すると、隣接チャンネル漏洩電力は次式で与えられる。

【００７０】

【数２４】

【００７１】ＮＰＲはマルチキャリアに見立てた雑音信
号に狭いノッチを作り、その信号を増幅した際にノッチ
に漏れこんでくる電力を評価するパラメータである。信
号の帯域幅をＢ（＝ｎｅ−ｎｓ）、ノッチの幅をＷ（＝
ｎ２−ｎ１）とし、０〜（Ｎ−１）の信号は周波数に対
応している。マルチキャリア全体の信号の平均電力とノ
ッチに漏れこんでくる信号の平均電力との比としてＮＰ
Ｒを定義する。出力信号をＧ（ｎ）とすると、ＮＰＲは
次式で与えられる。

【００７２】

【数２５】

【００７３】このように、本実施の形態の増幅器の総合
特性計算装置おいては、計算手段としての総合特性計算
部は、周波数が隣接する２波の信号、デジタル変調波、
雑音に見立てたマルチキャリア信号を増幅した際に発生
する相互変調歪み、または隣接チャンネル漏洩電力、ま
たはノイズ・パワー・レシオを計算する。そのため、単
位増幅器が多段に縦続接続された増幅器全体のおよび各
段の歪み特性を、実施の形態１の結果を用いて計算する
ことができる。

【００７４】実施の形態３．図１１は本発明の増幅器の
総合特性計算装置の実施の形態３を説明する為の総合特
性を計算する増幅器の構成を示す図である。図１１にお
いて、１０は周波数変換回路や変調回路である。図１１
の回路および動作について説明する。入力端子６から入
力されたベースバンド信号は周波数変換回路や変調器に
より、高周波信号へ変換される。高周波信号は増幅器
２，４により増幅され、出力端子７へ導かれる。

【００７５】このように、本実施の形態の増幅器の総合
特性計算装置おいては、増幅器の前段に周波数変換回路
または変調回路が接続され、計算手段としての総合特性
計算部は、周波数変換回路または変調回路を含めた増幅
器全体の利得、出力、消費電力、位相変化量、Ｓパラメ
ータ、歪特性のいずれか少なくとも１つを計算する。そ
のため、送信モジュールなどのシステムの総合特性の計
算を行うことができる。

【００７６】実施の形態４．図１２は本発明の増幅器の
総合特性計算装置の実施の形態４を説明する為の総合特
性を計算する増幅器の構成を示す図である。図１２にお
いて、１１は移相器である。図１２の回路および動作に
ついて説明する。入力端子６から入力されたＲＦ信号は
移相器により、所望の位相変化が与えられた後、増幅器
２，４で増幅され、出力端子７へ導かれる。

【００７７】このように、本実施の形態の増幅器の総合
特性計算装置おいては、増幅器の前段に可変減衰器また
は移相器が接続され、計算手段としての総合特性計算部
は、可変減衰器または移相器を含めた増幅器全体の利
得、出力、消費電力、位相変化量、Ｓパラメータ、歪特
性のいずれか少なくとも１つを計算する。そのため、送
信モジュールなどのシステムの総合特性の計算を行うこ
とができる。

【００７８】実施の形態５．図１３は本発明の増幅器の
総合特性計算装置の実施の形態５を説明する為の総合特
性を計算する増幅器の構成を示す図である。図１４は総
合特性を計算する増幅器の他の例を構成を示す図であ
る。図１５は総合特性を計算する増幅器のさらに他の例
を構成を示す図である。図１３乃至１５において、１２
から１４は段間整合回路である。図１３乃至１５の回路
について説明する。入力端子６から入力された信号は単
位増幅器２，４で増幅され、出力端子７へ導かれる。

【００７９】図１３乃至１５で示す増幅器の動作につい
て説明する。図１３乃至１５で示す増幅器の段間整合回
路には、回路構成の異なる３種類の段間回路１２から１
４が用いられている。段間回路１２から１４では、段間
回路は分布定数素子で構成されている。そのため、単位
増幅器２の出力反射係数および単位増幅器４の入力反射
係数は周波数に対してそれぞれ異なる値となり、単位増
幅器の入出力、位相、効率特性に影響を与える。その結
果、増幅器全体の特性が変化する。

【００８０】図１６に、図１３乃至１５の増幅器の周波
数に対する利得平坦性の計算結果を示す。図１６の利得
平坦性ΔＧは中心周波数で規格化した利得である。図１
７は、図１３乃至１５の隣接チャンネル漏洩電力特性の
計算結果である。図１６，１５より、回路構成の異なる
３種類の段間回路１２から１４を用いることで増幅器の
特性が変化することが確認できる。

【００８１】尚、本実施の形態においては、段間回路１
２から１４の段間回路は分布定数素子で構成されている
が、集中定数素子で構成されてもよい、このような構成
においても、単位増幅器２の出力反射係数および単位増
幅器４の入力反射係数は周波数に対してそれぞれ異なる
値となり、単位増幅器の入出力、位相、効率特性に影響
を与える。その結果、増幅器全体の特性が変化する。

【００８２】このように、本実施の形態の増幅器の総合
特性計算装置おいては、整合回路が集中定数素子、分布
定数素子またはＳパラメータで定義され、計算手段とし
ての総合特性計算部は、整合回路を構成する素子の値ま
たは回路構成を変えながら、増幅器全体の利得、出力、
消費電力、位相変化量、Ｓパラメータ、歪特性のいずれ
か少なくとも１つを計算する。そのため、所望の特性を
有する増幅器を得ることができる。

【００８３】実施の形態６．図１８は本発明の増幅器の
総合特性計算装置の実施の形態６の計算アルゴリズムを
示すフローチャートである。本実施の形態では、整合回
路を構成する素子の値または回路構成を２回変化させて
計算する場合を例に挙げて示す。

【００８４】本実施の形態の動作について説明する。増
幅器の総合特性を２回連続して計算している。１回目の
計算では実施の形態１で示すようにデータ処理部、総合
特性計算部の双方を用いて増幅器の総合特性を計算す
る。２回目の計算では、１回目の総合特性計算時に計算
して求めたロードプルデータを用いることで、データ処
理を行わず。総合特性計算のみ行う。

【００８５】このように、本実施の形態の増幅器の総合
特性計算装置においては、計算手段としての総合特性計
算部は、ロードプルデータおよびＳパラメータに対し
て、増幅器の総合特性を複数回計算する前にあらかじめ
データ処理を実行しておき、その後、総合特性を求める
計算のみを連続して行う。このように、複数回、増幅器
の総合特性を計算する場合は、はじめの１回のみロード
プルデータの生成を行い、次回以降は１回目のロードプ
ルデータの計算結果を流用することで、計算時間を短縮
する事ができる。

【００８６】

【発明の効果】この発明に係る増幅器の総合特性計算装
置は、単位増幅器が多段に縦続または並列接続された増
幅器全体の総合特性を計算する増幅器の総合特性計算装
置であって、各段の単位増幅器のロードプルデータおよ
びＳパラメータを用い、各段の単位増幅器の入出力に接
続される負荷の反射係数を考慮に入れて、増幅器全体の
利得、出力、消費電力、位相変化量、Ｓパラメータのい
ずれか少なくとも１つを計算する計算手段と、計算手段
が計算に用いるロードプルデータおよびＳパラメータ
を、測定によって得られるロードプルデータおよびＳパ
ラメータから推定するデータ処理手段とを備えている。
そのため、計算に必要となる測定数、測定条件を大幅に
削減する事が可能となる。これにより、増幅器全体の総
合特性の温度依存性や周波数依存性などを簡便に計算す
ることができる。

【００８７】また、計算手段は、周波数が隣接する２波
の信号、デジタル変調波、雑音に見立てたマルチキャリ
ア信号を増幅した際に発生する相互変調歪み、または隣
接チャンネル漏洩電力、またはノイズ・パワー・レシオ
を計算する。そのため、単位増幅器が多段に縦続接続さ
れた増幅器全体のおよび各段の歪み特性を、実施の形態
１の結果を用いて計算することができる。

【００８８】また、増幅器の前段に周波数変換回路また
は変調回路が接続され、計算手段は、周波数変換回路ま
たは変調回路を含めた増幅器全体の利得、出力、消費電
力、位相変化量、Ｓパラメータ、歪特性のいずれか少な
くとも１つを計算する。そのため、送信モジュールなど
のシステムの総合特性の計算を行うことができる。

【００８９】また、増幅器の前段に可変減衰器または移
相器が接続され、計算手段は、可変減衰器または移相器
を含めた増幅器全体の利得、出力、消費電力、位相変化
量、Ｓパラメータ、歪特性のいずれか少なくとも１つを
計算する。そのため、送信モジュールなどのシステムの
総合特性の計算を行うことができる。

【００９０】また、整合回路が集中定数素子、分布定数
素子またはＳパラメータで定義され、計算手段は、整合
回路を構成する素子の値または回路構成を変えながら、
増幅器全体の利得、出力、消費電力、位相変化量、Ｓパ
ラメータ、歪特性のいずれか少なくとも１つを計算す
る。そのため、所望の特性を有する増幅器を得ることが
できる。

【００９１】さらに、計算手段は、ロードプルデータお
よびＳパラメータに対して、増幅器の総合特性を複数回
計算する前にあらかじめデータ処理を実行しておき、そ
の後、総合特性を求める計算のみを連続して行う。その
ため、計算時間を短縮する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の増幅器の総合特性計算装置の実施の
形態１の計算アルゴリズムを示すフローチャートであ
る。

【図２】 総合特性を計算する増幅器の構成を示す図で
ある。

【図３】 ゲート幅と最大安定利得（ＭＳＧ）の関係を
示す図である。

【図４】 飽和電力の値を示す図であり、（ａ）は計算
値、（ｂ）は測定によって得られた値を示す。

【図５】 入力反射係数を補間する際の模式図である。

【図６】 出力反射係数の補間を行う際の模式図であ
る。

【図７】 反射係数の補間例を示す図である。

【図８】 反射係数に関してデータを変換して得られた
ロードプルデータから反射係数に対する電力付加効率の
計算結果と実測値を示す図である。

【図９】 本発明の増幅器の総合特性計算装置による実
施の形態２の計算方法を説明する図である。

【図１０】 実施の形態２の計算のフローチャートであ
る。

【図１１】 本発明の増幅器の総合特性計算装置の実施
の形態３を説明する為の総合特性を計算する増幅器の構
成を示す図である。

【図１２】 本発明の増幅器の総合特性計算装置の実施
の形態４を説明する為の総合特性を計算する増幅器の構
成を示す図である。

【図１３】 本発明の増幅器の総合特性計算装置の実施
の形態５を説明する為の総合特性を計算する増幅器の構
成を示す図である。

【図１４】 総合特性を計算する増幅器の他の例を構成
を示す図である。

【図１５】 総合特性を計算する増幅器のさらに他の例
を構成を示す図である。

【図１６】 図１３乃至１５の増幅器の周波数に対する
利得平坦性の計算結果を示す図である。

【図１７】 図１３乃至１５の隣接チャンネル漏洩電力
特性の計算結果を示す図である。

【図１８】 本発明の増幅器の総合特性計算装置の実施
の形態６の計算アルゴリズムを示すフローチャートであ
る。

【図１９】 従来の増幅器の総合特性測定方法を説明す
る図であり、（ａ）は２個の単位増幅器を縦続接続して
なる増幅器の構成図を示し、（ｂ）は説明に供する表を
示している。

【図２０】 従来の２段増幅器の出力電力を計算するフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１ 入力整合回路、２ 単位増幅器、３ 段間整合回
路、４ 単位増幅器、５出力整合回路、６ 入力端子、
７ 出力端子、８ 総合特性計算部（計算手段）、９
データ処理部（データ処理手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山中 宏治 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 檜枝 護重 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 高木 直 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2G028 AA01 AA05 BD05 CG01 CG15 CG19 CG20 CG22 CG26 GL20 LR20 2G036 AA05 AA06 AA09 AA10 AA28 BA41 CA01 5J069 AA01 CA00 CA97 FA00 KA29 KA33 KA68 MA08 TA01 TA02 TA06 TA07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単位増幅器が多段に縦続または並列接続
   された増幅器全体の総合特性を計算する増幅器の総合特
   性計算装置であって、 各段の単位増幅器のロードプルデータおよびＳパラメー
   タを用い、各段の単位増幅器の入出力に接続される負荷
   の反射係数を考慮に入れて、増幅器全体の利得、出力、
   消費電力、位相変化量、Ｓパラメータのいずれか少なく
   とも１つを計算する計算手段と、 上記計算手段が計算に用いるロードプルデータおよびＳ
   パラメータを、測定によって得られるロードプルデータ
   およびＳパラメータから推定するデータ処理手段とを備
   えたことを特徴とする増幅器の総合特性計算装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の増幅器の総合特性計算
   装置において、 上記計算手段は、周波数が隣接する２波の信号、デジタ
   ル変調波、雑音に見立てたマルチキャリア信号を増幅し
   た際に発生する相互変調歪み、または隣接チャンネル漏
   洩電力、またはノイズ・パワー・レシオを計算すること
   を特徴とする増幅器の総合特性計算装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の増幅器の総合
   特性計算装置において、 上記増幅器の前段に周波数変換回路または変調回路が接
   続され、 上記計算手段は、上記周波数変換回路または上記変調回
   路を含めた増幅器全体の利得、出力、消費電力、位相変
   化量、Ｓパラメータ、歪特性のいずれか少なくとも１つ
   を計算することを特徴とする増幅器の総合特性計算装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載の増幅器の総合
   特性計算装置において、 上記増幅器の前段に可変減衰器または移相器が接続さ
   れ、 上記計算手段は、上記可変減衰器または上記移相器を含
   めた増幅器全体の利得、出力、消費電力、位相変化量、
   Ｓパラメータ、歪特性のいずれか少なくとも１つを計算
   することを特徴とする増幅器の総合特性計算装置。
5. 【請求項５】 請求項１または２に記載の増幅器の総合
   特性計算装置において、 整合回路が集中定数素子、分布定数素子またはＳパラメ
   ータで定義され、 上記計算手段は、上記整合回路を構成する素子の値また
   は回路構成を変えながら、増幅器全体の利得、出力、消
   費電力、位相変化量、Ｓパラメータ、歪特性のいずれか
   少なくとも１つを計算することを特徴とする増幅器の総
   合特性計算装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の増幅器の総合特性計算
   装置において、 上記計算手段は、ロードプルデータおよびＳパラメータ
   に対して、増幅器の総合特性を複数回計算する前にあら
   かじめデータ処理を実行しておき、その後、総合特性を
   求める計算のみを連続して行うことを特徴とする増幅器
   の総合特性計算装置。