JP2008199282A - 高周波増幅回路及びそれを用いた受信分配器 - Google Patents

Abstract

【課題】電力損及びノイズ・フィギュア（NF）と２次及び３次の相互変調性能（2IIP及び3IIP）が改善でき、高周波信号を低雑音、低歪みで増幅できる高周波増幅回路及び受信分配器を提供する。
【解決手段】ＮＰＮトランジスタ３６と、第１出力端子３５ａとＮＰＮトランジスタ３６のコレクタ間に接続された１次巻線３７ａと、一端が基準電位に固定され、他端がＮＰＮトランジスタ３６のベースと接続された２次巻線３７ｂとを有し、１次巻線３７ａの電流に応じた帰還信号を２次巻線３７ｂに生成する第１トランス３７と、一端が基準電位に固定され、他端がＮＰＮトランジスタ３６のコレクタと接続された１次巻線３８ａと、一端が基準電位に固定され、他端がＮＰＮトランジスタ３６のエミッタと接続された２次巻線３８ｂとを有し、１次巻線に加えられる電圧に応じた帰還信号を２次巻線３８ｂに生成する第２トランス３８とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、短波帯の受信信号を増幅する高周波増幅回路及びそれを用いた受信分配器に関するものである。

近年、短波帯でデジタル通信を行う高速デジタル通信システムが増加している。この高速デジタル通信システムの受信分配器は、受信信号を増幅する高周波増幅回路を備えている。

図１１、１４、及び１５は、従来の高周波増幅回路の一例を示すブロック図である。

従来の高周波増幅回路は、図１１に示すように、第１及び第２入力端子１１ａ、１１ｂと第１及び第２出力端子１２ａ、１２ｂとを有し、第２入力端子１１ｂと第２出力端子１２ｂが基準電位に固定され、第１及び第２入力端子１１ａ、１１ｂ間に加えられた高周波信号を増幅し、増幅した高周波信号を第１及び第２出力端子１２ａ、１２ｂ間に出力するようになっている。

また、高周波増幅回路は、第１出力端子１２ａとＮＰＮトランジスタ１３のコレクタ間に接続された抵抗１４と、ＮＰＮトランジスタ１３のコレクタとベース間に接続された抵抗１５と、一端が電源電圧に固定され、他端がＮＰＮトランジスタ１３のコレクタと接続された１次巻線と、一端が第１入力端子１１ａに接続され、他端が増幅素子のベースに接続された２次巻線とを有し、１次巻線の電流に応じた帰還信号を２次巻線に生成するトランスを備えている。また、ＮＰＮトランジスタ１３のエミッタは、基準電位に固定されている。

このような構成の従来の高周波増幅回路の２次及び３次の入力換算での相互変調性能（2IIP及び3IIP）は、図１２及び図１３から算出でき、以下の通りであった。

２次相互変調性能（2IIP）＝ (38.3+10.0)+ 0 ＝ + 48.3 dBm
３次相互変調性能（3IIP）＝ (51.2+10.0)／2 + 0 ＝ + 30.6 dBm
また、図１４に示すように、高周波増幅回路１７が、エミッタ接地形式のバイポーラトランジスタ１８からなる増幅素子と、このバイポーラトランジスタ１８のコレクタ１８ｂからの出力信号が入力される１次巻線１９ａ、および負帰還信号を出力する２次巻線１９ｂを備えるトランス１９と備え、このトランス１９の２次巻線１９ｂは、バイポーラトランジスタ１８のコレクタ１８ｂからの出力信号の極性を反転させて、エミッタ１８ｃに帰還させるようにしたものも知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、図１５に示すように、高周波増幅回路が、ＮＰＮトランジスタと、一端に高周波信号が入力され、他端がベース端子と接続された１次巻線と、一端に抵抗を介して直流電圧が加えられ、他端がＮＰＮトランジスタのコレクタ端子と接続された２次巻線とを有するトランスとを備え、２次巻線の中間端子から取得される信号を抵抗及びコンデンサを介して出力し、更に、２次巻線の中間端子からの信号を帰還回路を介してＮＰＮトランジスタのベース端子に帰還させるようにしたものも知られている（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００２−１９８７４７号公報 EXPERIMENTAL METHODS IN RF DESIGN published by ARRL AMATEUR RADIO, p2.28, Chapter 2

しかしながら、従来の高周波増幅回路は、出力側の抵抗による電力損があり、ノイズ・フィギュア（NF）と相互変調性能（IIP）も低いという問題があった。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、従来の高周波増幅回路と比較して、電力損及びノイズ・フィギュア（NF）と相互変調性能（IIP）が改善でき、高周波信号を低雑音、低歪みで増幅できる高周波増幅回路を実現し、結果として、低雑音、低歪みで増幅された高周波信号を複数の機器に分配できる高性能受信分配器を提供することを目的とする。

本発明の高周波増幅回路は、第１及び第２入力端子と第１及び第２出力端子とを有し、前記第２入力端子と前記第２出力端子が基準電位に固定され、前記第１及び第２入力端子間に加えられた高周波信号を増幅し、増幅した高周波信号を前記第１及び第２出力端子間に出力する高周波増幅回路において、第１乃至第３端子を有する増幅素子と、前記第１出力端子と前記増幅素子の第１端子間に接続された１次巻線と、一端が前記基準電位に固定され、他端が前記増幅素子の第２端子と接続された２次巻線とを有し、前記１次巻線の電流に応じた帰還信号を前記２次巻線に生成する第１トランスと、一端が前記基準電位に固定され、他端が前記増幅素子の第１端子と接続された１次巻線と、一端が前記基準電位に固定され、他端が前記増幅素子の第３端子と接続された２次巻線とを有し、１次巻線に加わる電圧に応じた帰還信号を前記２次巻線に生成する第２トランスとを備える構成を有している。

この構成により、ノイズ・フィギュア（NF）と２次及び３次の相互変調性能（2IIP及び3IIP）が改善でき、高周波信号を低雑音、低歪みで増幅できる。

本発明の高周波増幅回路において、前記増幅素子がバイポーラトランジスタで構成されてもよい。

本発明の受信分配器は、上述の高周波増幅回路を備える構成を有している。

この構成により、低雑音、低歪みで増幅される高周波信号を複数の機器に分配することができる。

本発明は、従来の高周波増幅回路と比較して、ノイズ・フィギュア（NF）と２次及び３次の相互変調性能（2IIP及び3IIP）が改善でき、高周波信号を低雑音、低歪みで増幅できる高周波増幅器と、低雑音、低歪みで増幅された高周波信号を複数の機器に分配することができる受信分配器を提供できるものである。

以下、図１乃至１０を参照しながら、本発明の実施の形態の受信分配器及びそれに用いる高周波増幅回路について説明する。

本実施の形態の受信分配器２０は、図１に示すように、高周波信号処理部（以下、単にＲＦ部という）２０ａと、このＲＦ部２０ａを制御する制御部２０ｂとを備えている。

ＲＦ部２０ａは、第１スイッチ２２と、中波放送波除去フィルタ２３と、第２スイッチ２４と、第１及び第２低域通過フィルタ２５、２６と、電力検出器２７と、第３スイッチ２８と、抵抗２９と、第４スイッチ３０と、高周波増幅回路３１と、分配回路３２とを含んでいる。

中波放送波除去フィルタ２３は、アンテナ２１からの受信信号を第１スイッチ２２経由で受け取り、この受信信号に含まれる中波放送波（例えば、〜1700kHzの帯域に含まれる放送波）を除去し、中波放送波が除去された信号を第１及び第２スイッチ２２、２４経由で第１又は第２低域通過フィルタ２５、２６に出力するようになっている。

第１スイッチ２２は、アンテナ２１からの受信信号を中波放送波除去フィルタ２３に出力し、中波放送波が除去された信号を第２スイッチ２４に出力する第１の状態と、アンテナ２１からの受信信号を第２スイッチ２４に出力する第２の状態を取るようになっている。

第１低域通過フィルタ２５は、第２スイッチ２４からの信号を３０ＭＨｚ以下の低域に制限し、３０ＭＨｚ以下の低域に制限された信号を第２スイッチ２４に出力するようになっている。

一方、第２低域通過フィルタ２６は、第２スイッチ２４からの信号を８０ＭＨｚ以下の低域に制限し、８０ＭＨｚ以下の低域に制限された信号を第２スイッチ２４に出力するようになっている。

第２スイッチ２４は、第１スイッチ２２からの信号を第１低域通過フィルタ２５に出力し、第１低域通過フィルタ２５で３０ＭＨｚ以下の低域に制限された信号を電力検出器２７と第３スイッチ２８に出力する第１の状態と、第１スイッチ２２からの信号を第２低域通過フィルタ２６に出力し、第２低域通過フィルタ２６で８０ＭＨｚ以下の低域に制限された信号を電力検出器２７と第３スイッチ２８に出力する第２の状態を取るようになっている。

第３スイッチ２８は、第２スイッチ２４からの信号を抵抗２９に出力する第１の状態と、第２スイッチ２４からの信号を第４スイッチ３０に出力する第２の状態とを取るようになっている。

電力検出器２７は、第２スイッチ２４からの信号が予め設定された閾値（例えば、+6dBm）を超えたか否か（すなわち、過入力か否か）を検出し、第２スイッチ２４からの信号が予め設定された閾値を超えている場合には、第３スイッチ２８が第１の状態を取るように制御し、第２スイッチ２４からの信号が予め設定された閾値を超えていない場合には、第３スイッチ２８が第２の状態を取るよう制御している。

第４スイッチ３０は、第３スイッチ２８からの信号を高周波増幅回路３３を介して分配回路３２に出力する第１の状態と、第３スイッチ２８からの信号を高周波増幅回路３１に出力し、高周波増幅回路３１で増幅された信号を高周波増幅回路３３を介して分配回路３２に出力する第２の状態とを有している。

分配回路３２は、高周波増幅回路３３からの信号を複数の機器に分配するようになっている。

制御部２０ｂは、第１、第２、第４スイッチ２２、２４、３０を制御し、第１及び第２の状態を選択的に取らせるようになっている。

本実施の形態の受信分配器２０に用いる高周波増幅回路３１及び高周波増幅回路３３は、図２に示すように、第１及び第２入力端子３４ａ、３４ｂと第１及び第２出力端子３５ａ、３５ｂとを有し、第２入力端子３４ｂと第２出力端子３５ｂが基準電位に固定され、第１及び第２入力端子３４ａ、３４ｂ間に加えられる高周波信号（第４スイッチ３０からの信号）を増幅し、増幅した高周波信号を第１及び第２出力端子３５ａ、３５ｂ間に出力するようになっている。

高周波増幅回路３１及び高周波増幅回路３３は、第１乃至第３端子（コレクタ、ベース、エミッタ）を有するＮＰＮトランジスタ（増幅素子）３６と、第１出力端子３５ａとＮＰＮトランジスタ３６のコレクタ（第１端子）間に接続された１次巻線（第１の巻線）３７ａと、一端が基準電位に固定され、他端がＮＰＮトランジスタ３６のベース（第２端子）と接続された２次巻線（第２の巻線）３７ｂとを有し、１次巻線３７ａの電流に応じた帰還信号を２次巻線３７ｂに生成する第１トランス３７と、一端が基準電位に固定され、他端がＮＰＮトランジスタ３６のコレクタ（第１端子）と接続された１次巻線３８ａと、一端が基準電位に固定され、他端がＮＰＮトランジスタ３６のエミッタ（第３端子）と接続された２次巻線３８ｂとを有し、ＮＰＮトランジスタ３６のコレクタの電位に応じた帰還信号を２次巻線３８ｂに生成する第２トランス３８とを備えている。本実施例では、第１トランス３７の巻線３７ａを１次巻線、巻線３７ｂを２次巻線と定義しているが、巻線３７ａを２次巻線、巻線３７ｂを１次巻線と定義してもよい。同様に、第２トランス３８の巻線３８ａを１次巻線、巻線３８ｂを２次巻線と定義しているが、巻線３８ａを２次巻線、巻線３８ｂを１次巻線と定義してもよい。

次に、図３及び図４から２次及び３次の入力換算での相互変調性能（2IIP及び3IIP）を算出する。

２次相互変調性能（2IIP）＝ (52.9+9.1) + 0 ＝ + 62.0 dBm
３次相互変調性能（3IIP）＝ (69.7+9.1)／2 + 0 ＝ + 39.4 dBm
この算出結果から、本発明の高周波増幅器は、２次及び３次の相互変調性能（2IIP及び3IIP）が、従来の高周波増幅回路に比べ、改善されている。

また、従来の高周波増幅回路のようなＮＰＮトランジスタのコレクタ端子とベース端子間に挿入される帰還抵抗１５（図１１参照）を用いない為、ノイズ・フィギュア（NF）も従来回路の値である3.5 dBから本発明回路の値である2.7 dBに改善されている。

以上説明したように、本発明の一実施の形態の高周波増幅回路は、ＮＰＮトランジスタと、第１出力端子とＮＰＮトランジスタのコレクタ端子間に接続された１次巻線と、一端が基準電位に固定され、他端がベース端子と接続された２次巻線とを有し、１次巻線の電流に応じた帰還信号を２次巻線に生成する第１トランスと、一端が基準電位に固定され、他端がＮＰＮトランジスタのコレクタと接続された１次巻線と、一端が基準電位に固定され、他端がＮＰＮトランジスタのエミッタと接続された２次巻線とを有し、ＮＰＮトランジスタのコレクタの電位に応じた帰還信号を２次巻線に生成する第２トランスとを備えているので、従来の高周波増幅回路に比べてノイズ・フィギュア（NF）と２次及び３次の相互変調性能（2IIP及び3IIP）が改善され、高周波信号を低雑音、低歪みで増幅することができる。

また、本発明の一実施の形態の高周波増幅回路は、出力側に抵抗がないので、高周波増幅回路における電力損を改善することができる。

また、本実施の形態の受信分配器は、上述の高周波増幅回路及び分配回路を備えているので、低雑音、低歪みで増幅された高周波信号を複数の機器に分配することができる。

本実施例では、第２トランスの１次巻線の一端が基準電位に固定され、他端がＮＰＮトランジスタのコレクタと接続されているが、他端が第１出力端子と接続されても同じ効果を得ることができる。

また、本実施例では、図２に示すように、１つのＮＰＮトランジスタを備えているが、図５に示すように、並列に接続された複数のＮＰＮトランジスタ４０、４１を備えてもよい。この構成により、ＮＰＮトランジスタ１個当りの電力を小さくできるので、第１及び第２入力端子に、より大きな高周波信号が入力される場合でも、高周波信号を低雑音、低歪みで増幅することができる。

次に、図６及び図７から２個のトランジスタが並列接続された場合の２次及び３次の入力換算での相互変調性能（2IIP及び3IIP）を算出する。

２次相互変調性能（2IIP）＝ (66.9+9.1) + 0 ＝ + 76.0 dBm
３次相互変調性能（3IIP）＝ (77.8+9.1)／2 + 0 ＝ + 43.5 dBm
この算出結果から、本発明の高周波増幅器は、２次及び３次の相互変調性能（2IIP及び3IIP）が、従来の高周波増幅回路に比べ、改善されている。

また、本実施の形態の受信分配器の高周波増幅回路が、図８に示すプッシュプルアンプにより構成され、このプッシュプルアンプの第１及び第２アンプ４４、４５が本実施の形態の高周波増幅回路により構成されてもよい。この構成により、特に２次の相互変調性能（2IIP）が改善でき、高周波信号をより低歪みで増幅することができる。

次に、図９及び図１０からプッシュプルアンプの場合の２次及び３次の入力換算での相互変調性能（2IIP及び3IIP）を算出する。

２次相互変調性能（2IIP）＝ (81.7+9.4) + 0 = + 91.1 dBm
３次相互変調性能（3IIP）＝ (81.8+9.4)／2 + 0 = + 45.6 dBm
この算出結果から、本発明の高周波増幅器は、２次及び３次の相互変調性能（2IIP及び3IIP）が、従来の高周波増幅回路に比べ、改善されている。

以上のように、本発明に係る高周波増幅回路は、電力損及びノイズ・フィギュア（NF）と２次及び３次の相互変調性能（2IIP及び3IIP）が改善でき、高周波信号を低雑音、低歪みで増幅できるという効果を有し、受信分配器に用いる高周波増幅回路として有用である。

本発明の一実施の形態の受信分配器の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態の高周波増幅回路の構成を示すブロック図である。 図２に示された高周波増幅回路の３次相互変調特性を示す図である。 図２に示された高周波増幅回路の２次相互変調特性を示す図である。 本発明の一実施の形態の高周波増幅回路において、複数のトランジスタが並列接続で用いられた場合のブロック図である。 図５に示された高周波増幅回路の３次相互変調特性を示す図である。 図５に示された高周波増幅回路の２次相互変調特性を示す図である。 本発明の一実施の形態の高周波増幅回路がプッシュプルアンプで用いられる場合のブロック図である。 図８に示された高周波増幅回路の３次相互変調特性を示す図である。 図８に示された高周波増幅回路の２次相互変調特性を示す図である。 従来の高周波増幅回路の構成を示すブロック図である。 図１１に示された従来の高周波増幅回路の３次相互変調特性を示す図である。 図１１に示された従来の高周波増幅回路の２次相互変調特性を示す図である。 従来の高周波増幅回路の他の構成を示すブロック図である。 従来の高周波増幅回路の他の構成を示すブロック図である。

符号の説明

２０ 受信分配器
２０ａ 高周波信号処理部
２０ｂ 制御部
２１ アンテナ
２２ 第１スイッチ
２３ 中波放送波除去フィルタ
２４ 第２スイッチ
２５ 第１低域通過フィルタ
２６ 第２低域通過フィルタ
２７ 電力検出器
２８ 第３スイッチ
２９ 抵抗
３０ 第４スイッチ
３１ 高周波増幅回路
３２ 分配回路
３３ 高周波増幅回路
３４ａ 第１入力端子
３４ｂ 第２入力端子
３５ａ 第１出力端子
３５ｂ 第２出力端子
３６ ＮＰＮトランジスタ（増幅素子）
３７ 第１トランス
３７ａ １次巻線（第１の巻線）
３７ｂ ２次巻線（第２の巻線）
３８ 第２トランス
３８ａ １次巻線（第１の巻線）
３８ｂ ２次巻線（第２の巻線）
４０、４１ ＮＰＮトランジスタ（増幅素子）
４２ プッシュプルアンプの第１トランス
４２ａ １次巻線
４２ｂ ２次巻線
４３ プッシュプルアンプの第２トランス
４３ａ １次巻線
４３ｂ ２次巻線
４４ 第１アンプ
４５ 第２アンプ

Claims (3)

1. 第１及び第２入力端子と第１及び第２出力端子とを有し、前記第２入力端子と前記第２出力端子が基準電位に固定され、前記第１及び第２入力端子間に加えられた高周波信号を増幅し、増幅した高周波信号を前記第１及び第２出力端子間に出力する高周波増幅回路において、
   第１乃至第３端子を有する増幅素子と、
   前記第１出力端子と前記増幅素子の第１端子間に接続された１次巻線と、一端が前記基準電位に固定され、他端が前記増幅素子の第２端子と接続された２次巻線とを有し、前記１次巻線の電流に応じた帰還信号を前記２次巻線に生成する第１トランスと、
   一端が前記基準電位に固定され、他端が前記増幅素子の第１端子と接続された１次巻線と、一端が前記基準電位に固定され、他端が前記増幅素子の第３端子と接続された２次巻線とを有し、１次巻線に加わる電圧に応じた帰還信号を前記２次巻線に生成する第２トランスとを備える高周波増幅回路。
2. 請求項１に記載の高周波増幅回路において、
   前記増幅素子がバイポーラトランジスタからなることを特徴とする高周波増幅回路。
3. 請求項１又は請求項２に記載の高周波増幅回路を備える受信分配器。

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