JP2010166510A

JP2010166510A - 電力増幅器の調整方法

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Publication number: JP2010166510A
Application number: JP2009009084A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ishiuchi; 豊石内; Yuji Takano; 雄二高野
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-19
Also published as: JP5140611B2

Abstract

【課題】個々の高周波増幅素子の特性のバラツキを吸収して、高周波増幅素子のアイドル電流を揃える調整方法を提供する。
【解決手段】電源制御トランジスタ２１及び高周波増幅素子１１が備える静電容量が充電される。その静電容量に充電された電荷が放電されるときの静電容量の端子電圧が、放電開始から予め定められた所定の時間における該端子電圧の値を検出する。バイアス電圧発生部３０は、検出された静電容量の端子電圧が、予め定められた所定の電圧範囲内となる増幅部１０における高周波増幅素子１１のアイドル電流値が設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦパルス信号を増幅する電力増幅器の調整方法に関する。

近年、船用レーダ、気象レーダ、航空管制用レーダなどの高周波数（以下、「ＲＦ」という。）の無線信号を用いる分野において、従来のマグネトロン、クライストロンなどの電子管を用いた電力増幅器から、化合物半導体デバイスを増幅デバイスとして使用する固体化電力増幅器への移行が進んでいる。
単体の化合物半導体デバイスによって出力可能な電力は、マグネトロン、クライストロンなどの電子管による出力可能な電力に対して小電力となる。出力電力を効率よく用いるための方法として、パルス幅を伸張して生成し、そのパルス信号に対してパルス圧縮処理を組み合わせる方法がある。このようなパルス圧縮処理を組み合わせたとしても、化合物半導体デバイス単体では、従来の電子管によるシステム同等以上の性能を実現するほど十分な出力電力を得ることは困難である。
このような化合物半導体デバイスの利得不足並びに出力電力不足を解決するために、複数の化合物半導体デバイスを用いた電力増幅回路を組み合わせて、その出力電力を合成した最終出力によって所望の電力を得ている。

図１２は、電力増幅器３００のブロック図である。この図に示される電力増幅器３００は、複数の電力増幅回路の組み合わせで構成される。電力増幅器３００における複数の電力増幅回路の組み合わせ方法には、複数の電力増幅回路を直列に多段接続としたり、或いは、複数の電力増幅回路を並列接続したり、さらにそれらを組み合わせる方法によって実現されている。図１２に示される電力増幅器３００では、入力される信号は、初段の電力増幅回路３１１と直列に接続された電力増幅回路３２１によって順に増幅され、増幅された信号は、２つに分配されて電力増幅回路３３１と３３２にそれぞれ入力され増幅される。電力増幅回路３３１の出力信号は４つに分配され、分配された信号は電力増幅回路３４１〜３４４によってそれぞれ増幅され、それぞれの出力信号は合成される。他方の、電力増幅回路３３２の出力信号は４つに分配され、分配された信号は電力増幅回路３４５〜３４８によってそれぞれ増幅され、それぞれの出力信号は合成される。２系統に分配されて増幅された出力信号はまとめて合成されて、８つの電力増幅回路の出力信号を合成することができる。すなわち、電力増幅器３００では、化合物半導体デバイスによる電力増幅回路を４段直列に接続することで利得を増加し、最終段にて８個の電力増幅回路を並列接続することにより、電力増幅回路ごとの出力を合成し所望の出力電力を得ている。
さらなる大電力出力が要求される場合は、上記のような電力増幅器３００を複数組み合わせ、それぞれの出力を合成することで、より大きな大電力出力を実現する。この合成方法により、従来の電子管を用いたシステム同等以上の性能を実現した大型レーダの送信部が実現されている。

特開平１０−３２２１４４号公報特開２０００−０３１７５３号公報

ところで、複数の電力増幅回路を組み合わせて構成されているＲＦパルス信号の電力増幅器３００では、それぞれの電力増幅回路の特性を所定の範囲内にそろえるための調整工程が必要とされている。
図１３は、電力増幅回路４００の電力増幅特性の調整時の構成を示すブロック図である。
図に示される電力増幅回路４００は、高周波増幅素子１１を備える増幅部１０と、高周波増幅素子１１の動作点を定めるバイアス電圧発生部３０と、直流電力計４０を備えている。バイアス電圧発生部３０は、電源電圧Ｖｇｇが可変抵抗器３５によって分圧され、増幅器３１によって、その分圧された電圧がバイアス電圧として出力する。出力されたバイアス電圧によって、高周波増幅素子１１のアイドル電流、増幅率などが制御される。

電力増幅回路４００の電力増幅特性を調整する工程には、高周波増幅素子１１のアイドル電流を測定する工程と、増幅特性を決定するゲート・ソース間電圧を調整する工程などがある。高周波増幅素子１１のアイドル電流を測定する工程では、一般的にプリント基板上に構成される回路網において行われるため、困難な作業となる。電力増幅回路が複数接続された回路網においては、さらに困難となる。
そのため、予め高周波増幅素子１１ごとに特性を取得しておき、ゲート・ソース間電圧を調整する方法、或いは、高周波増幅素子１１の製造段階でランク分けし、ランク分けされた高周波増幅素子１１を組み合わせて組み付ける方法がとられていた。これらの方法では、手間の増大と生産性を落す要因となる問題がある。

若しくは、図１４に示す手順にしたがって電力増幅回路５００を調整する場合がある。
最初に、電力増幅器を構成する全ての高周波増幅素子５１１、５２１、５３１をピンチオフ状態とし、動作する高周波増幅素子を一つずつ増やしていく。図では、初段の高周波増幅素子５１１から、バイアス電圧を可変抵抗５１１ｂで調整を行う工程を、はじめに行う。そのときの電流の値を直流電流計４０によって測定し、高周波増幅素子５１１のアイドル電流Ｉｄとする。続いて、次段の高周波増幅素子５２１について、バイアス電圧を可変抵抗５２１ｂで調整を行う工程を行う。そのときの電流の値を直流電流計４０によって測定する。その測定された電流の値は、高周波増幅素子５１１と５２１のアイドル電流Ｉｄの和となる。このように、前段の測定結果のアイドル電流Ｉｄの値を減算することにより、調整中の高周波増幅素子５２１のアイドル電流を求めることができる。このように、それぞれの段階の電流測定結果の差分値を、該当の高周波増幅素子のドレイン電流として取り扱い、調整を進めることができる。この電流値を重ねていく調整方法では、最初に全ての高周波増幅素子をピンチオフ状態に設定する必要があり、また、個々のデバイスに流れる電流値を後から確認することができない。そのため、調整がずれるようなことがあれば、全ての高周波増幅素子５１１、５２１、５３１をピンチオフ状態に戻し、最初から調整をやり直さなければならないという問題がある。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、個々の高周波増幅素子の特性のバラツキを吸収して、高周波増幅素子のアイドル電流を揃える調整方法を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明は、高周波増幅素子によって構成される電力増幅回路を備える電力増幅器における調整方法であって、電源遮断回路が該電源遮断回路の出力端に電源供給線路を介して接続される前記電力増幅回路に電源を供給する過程と、前記電源供給線路に接続される静電容量が充電される過程と、前記電源遮断回路が前記電力増幅回路への電源を遮断する過程と、前記静電容量に充電された電荷が放電されるときの該静電容量の端子電圧の応答波形を検出する波形検出過程と、前記応答波形によって示される前記端子電圧の変化に基づいて前記電力増幅回路のアイドル電流値が設定されるアイドル電流値設定過程と、を備えることを特徴とする電力増幅器の調整方法である。

また、本発明は、上記発明において、前記波形検出過程は、前記静電容量に充電された電荷が放電されるときの該静電容量の端子電圧が、放電開始から予め定められた所定の時間における該端子電圧の値を検出し、前記アイドル電流値設定過程は、前記静電容量の端子電圧が予め定められた所定の電圧範囲内となる前記電力増幅回路のアイドル電流値が設定されることとする。

また、本発明は、上記発明において、電流検出回路が前記電源遮断回路に供給される電流の値を検出する過程と、を備え、前記アイドル電流値設定過程は、前記静電容量の端子電圧が前記電流の値に基づいて定められる所定の電圧範囲内となる前記電力増幅回路のアイドル電流値が設定されることとする。

また、本発明は、上記発明において、前記静電容量の容量値は、該電源供給線路に接続される前記電力増幅回路の出力回路が有する寄生容量の容量値に対し十分大きな値とすることとする。

また、本発明は、上記発明において、前記静電容量の容量値は、該電源供給線路に接続される前記電力増幅回路の出力回路及び前記電源供給線路が有する寄生容量の容量値に対し十分大きな値とすることとする。

また、本発明は、上記発明において、前記静電容量の容量値は、該電源供給線路に接続される前記電力増幅回路の出力回路が有する寄生容量に基づく値とすることとする。

この本発明によれば、電力増幅器における調整方法は、高周波増幅素子によって構成される電力増幅回路を備える電力増幅器における調整方法である。電源遮断回路がその電源遮断回路の出力端に接続される電源供給線路を介して電力増幅回路に電源を供給する。電源供給線路に接続される静電容量が充電される。電源遮断回路が電力増幅回路への電源を遮断する。その静電容量に充電された電荷が放電されるときの静電容量の端子電圧の応答波形を検出する。検出された端子電圧の応答波形によって示される端子電圧の変化に基づいて電力増幅回路のアイドル電流値が設定される。
これにより、測定が困難な電力増幅回路のアイドル電流を、電圧波形の変化から間接的に検出することができ、電流計などの計測手段を電源供給経路に設けることなく調整することができる。また、直列や並列に接続された複数の電力増幅回路において、その接続を崩すことなくそれぞれの電力増幅回路の調整を行うことができる。

また、本発明によれば、上記発明において、電源供給線路に接続される静電容量に充電された電荷が放電されるときの静電容量の端子電圧が、放電開始から予め定められた所定の時間における該端子電圧の値を検出する。そして、静電容量の端子電圧が予め定められた所定の電圧範囲内となる電力増幅回路のアイドル電流値が設定される。
また、これにより、静電容量に充電された電荷が放電されるときの静電容量の端子電圧を検出し、その電圧波形の変化が所定の時間において、所定の電圧範囲とすることで間接的に電力増幅回路のアイドル電流値を検出することが可能となる。直接的に電流を測定する場合には、回路の途中に電流検出回路を設けることが必要になるが、そのような電流検出回路を用いることなく回路に設けられた静電容量の端子電圧を検出することで電流値を検出することができる。

また、本発明によれば、上記発明において、電源遮断回路に供給する電流の電流値を検出する。静電容量の端子電圧が、電流の値に基づいて定められる所定の電圧範囲内となる電力増幅回路のアイドル電流値が設定される。
また、これにより、電源遮断回路に供給される電流の電流値を検出でき、所望の電流値となっているかを確認することができる。すなわち、基準とされる電流値を定め、複数の電力増幅回路における調整のばらつきを、定量的な検出方法を用いて低減することができる。

また、本発明によれば、上記発明において、設けられる静電容量の容量値は、電力増幅回路の出力回路及び電源遮断回路における出力回路が有する寄生容量の容量値に対し十分大きな値とする。さらに、設けられる静電容量の容量値は、電源供給線路に接続される前記電力増幅回路の出力回路及び前記電源供給線路が有する寄生容量の容量値に対し十分大きな値とする。或いは、静電容量の容量値は、該電源供給線路に接続される電力増幅回路の出力回路が有する寄生容量に基づく値とする。
また、これにより、電力増幅回路及び電源遮断回路が有する静電容量の容量値の精度にバラツキが大きい場合であっても、電源供給線路に設けられる静電容量の容量値を大きくすることにより、バラツキの影響を低減することができ、電流値の精度を高めた調整を行うことができる。

本発明の第１実施形態における電力増幅回路を示す概略ブロック図である。第１実施形態における電力増幅回路を示す概略ブロック図である。第１実施形態における電力増幅回路におけるパルス出力時の説明図である。第１実施形態における電力増幅回路におけるパルス出力時の説明図である。第１実施形態における増幅器の増幅特性を示す特性図である。第１実施形態における増幅器の遮断特性を示す特性図である。第２実施形態における電力増幅回路を示すブロック図である。第２実施形態における増幅器の遮断動作を示すタイミングチャートである。第２実施形態における増幅器の調整手順を示すフローチャートである。第３実施形態における電力増幅回路を示すブロック図である。第３実施形態における電力増幅回路の調整手順を示すフローチャートである。従来の実施形態における電力増幅回路を示す概略ブロック図である。従来の実施形態における電力増幅回路を示すブロック図である。従来の実施形態における電力増幅回路の調整手順を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
船舶用レーダ、気象レーダ、航空管制用レーダなどは、そのレーダの方式から一般にパルスレーダと呼ばれている。パルスレーダは、短い時間ＲＦパルス信号を送信し、空間に放射されたＲＦパルス信号が、目標物に到達する。目標物では、放射されたパルス信号の反射が起こる。パルスレーダは、目標物で反射された反射信号を受信して、送信時から受信時までの電波伝搬に要した時間を測定し、目標物までの距離を計測する。

このような、パルスレーダの送信回路に適用される電力増幅器について説明を行う。
化合物半導体デバイスを用いた電力増幅器（固体化電力増幅器）においても、真空管による電力増幅器と同じくＲＦパルス信号を増幅するのに適したものが要求される。化合物半導体デバイスを用いた電力増幅回路（以下、特に示す場合を除き化合物半導体デバイスを用いた電力増幅回路を「電力増幅回路」という。）では、Ｂ級又はＡＢ級での増幅特性が必要とされる。Ｂ級又はＡＢ級で動作する電力増幅回路は、ＲＦパルス信号が入力されていない状況であっても、化合物半導体デバイスのドレイン・ソース間に常にアイドル電流を流すことになる。このアイドル電流による損失は、電力効率の低下や発熱を招くことになる。そのため、電力増幅回路では、ＲＦパルス信号を送信しない無信号時のアイドル電流を遮断する方法がとられている。アイドル電流を遮断する方法として、化合物半導体デバイスのドレイン電源の供給を停止することにより、そのアイドル電流を遮断して、電力効率の向上と発熱の抑圧をはかるドレイン制御ドライブ回路が電力増幅器の回路として実現されている。

図を参照して、複数の電力増幅回路によって構成される電力増幅器におけるドレイン制御ドライブ回路の一例について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における電力増幅回路を示すブロック図である。
図に示される電力増幅回路１００は、高周波増幅素子１１を備える増幅部１０と、増腹部１０への電源供給を制御する電源制御部２０と、高周波増幅素子１１の動作点を定めるバイアス電圧発生部３０を備えている。
増幅部１０は、高周波増幅素子１１、コンデンサ１２、１３、１７、整合パタン１４、１５及び電源供給線路１６を備える。
高周波増幅素子１１は、電界効果型トランジスタである。ここでは、ｎチャネル型を示す。コンデンサ１２、１３は、直流成分を遮断するカプリングコンデンサである。整合パタン１４、１５は、高周波増幅素子１１の入出力インピーダンスのマッチングを取る分布定数回路である。電源供給線路１６は、高周波増幅素子１１に電力を供給するドレイン電源供給線路の一部を形成する。コンデンサ１７は、電源供給線路１６の電源側の端子を高周波的に接地することを目的とするコンデンサである。

電源制御部２０は、電源制御トランジスタ２１、駆動回路２２及びコンデンサ２３を備える。電源制御部２０における電源制御トランジスタ２１は、ソースが電源Ｖｄｄに接続され、ドレインが増幅部１０に接続され、電源Ｖｄｄの供給においてＯＮ（オン）状態／ＯＦＦ（オフ）状態を切り換えるスイッチである。電源制御トランジスタ２１は、ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴとして示されている。駆動回路２２は、入力端がドレイン電源制御信号の入力端子に接続され、出力端が電源制御トランジスタ２１のゲートに接続される。駆動回路２２は、電源Ｖｄｄに接続されるｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴと基準電位に接続されるｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴとからなるインバータ回路である。駆動回路２２は、入力されるドレイン電源制御信号を反転し出力する。コンデンサ２３は、電源制御トランジスタ２１のソース端子に接続されたパルス電流対応の充電コンデンサである。

バイアス電圧発生部３０は、演算増幅器３１、抵抗３２、３６、信号伝送線路３３、３７、コンデンサ３４、３８、３９及び可変抵抗３５を備える。
バイアス電圧発生部３０における演算増幅器３１は、出力端が信号伝送線路３７、抵抗３６、３２及び信号伝送線路３３を介して反転入力端子に接続され、非反転出力端子に入力される電圧を等倍で増幅するボルテージフォロアアンプである。可変抵抗器３５は、電源電圧Ｖｇｇを分圧し、演算増幅器３１の非反転出力端子に入力する。コンデンサ３４、３８は、それぞれ信号伝送線路３３、３７を高周波的に接地し、それぞれショートスタブを形成する。コンデンサ３９は、演算増幅器３１の電源端子に接続されるバイパスコンデンサである。

バイアス電圧発生部３０は、電源電圧Ｖｇｇが可変抵抗器３５によって分圧され、その分圧された電圧が増幅器３１によってバッファリングされ、その電圧をバイアス電圧として出力する。バイアス電圧発生部３０から供給されるバイアス電圧は、演算増幅器３１の帰還路に設けられた抵抗３２と３６の接続点から出力され、高周波増幅素子１１のゲートに入力される。
高周波増幅素子１１のゲート・ソース間電圧には、常に一定の電圧が印加され、最適なバイアス電圧が印加される。出力されたバイアス電圧によって、高周波増幅素子１１の動作点が定められアイドル電流、増幅率などが制御される。

続いて、電力増幅回路１００の増幅動作を示す。
図２は、第１実施形態における電力増幅回路の増幅動作を示すための概略ブロック図である。
図1に示した構成と同じ構成には、同じ符号を付し、異なる構成について説明する。
電源制御トランジスタ２１のゲートは、抵抗２４を介してドレイン電源制御信号が入力される。ドレイン電源制御信号は、図１で示したようにインバータ２２を介して入力するほかに、抵抗２４を介して入力することができる。図２で示すドレイン電源制御信号は、図１に示すドレイン電源制御信号と信号の論理が反転することになる。

高周波増幅素子１１のゲート・ソース間電圧は、ＲＦパルス信号の有無に関わらず常に最適なバイアス電圧が印加されている。ＲＦパルス信号の入力に先立ち、ドレイン電源供給線路に挿入された電源制御トランジスタ２１（スイッチングＭＯＳＦＥＴ）がドレイン電源制御信号により制御され、オン状態となる。電源制御トランジスタ２１における電力消費および発熱を抑圧するためには、電源制御トランジスタ２１のオン抵抗は極力小さいことが望ましい。高周波増幅素子１１にＲＦパルス信号が入力されると、電源Ｖｄｄより電源制御トランジスタ２１を介して、高周波増幅素子１１（化合物半導体デバイス）のドレイン・ソース間にドレイン電流が流れる。この間、高周波増幅素子１１は、Ｂ級又はＡＢ級で増幅動作を行う。ＲＦパルス信号の入力が途絶える状態になると、ドレイン電源制御信号により電源制御トランジスタ２１はオフ状態となる。また、高周波増幅素子１１の出力容量及び接続されたコンデンサ１７に充電された電荷は、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間を経て放電される。
出力容量及び接続されたコンデンサ１７に充電された電荷が放電されると、ドレイン電流はやがてゼロとなり増幅動作を停止する。

図を参照し、高周波増幅素子１１のドレイン制御ドライブ回路における、ゲート・ソース間電圧を調整し、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間に流れるアイドル電流を揃え、高周波増幅素子１１の特性のバラツキを吸収する方法を説明する。
図３は、第１実施形態における電力増幅回路におけるパルス出力時の説明図である。
図1に示した構成と同じ構成には、同じ符号を付し、異なる構成について説明する。
電源制御トランジスタ２１のゲートは、抵抗２６を介して自己バイアス電圧が印加され、コンデンサ２５を介してドレイン電源制御信号が入力される。ドレイン電源制御信号は、図１で示したようにインバータ２２を介して入力するほかに、コンデンサ２５を介して入力することができる。コンデンサ２５を介することにより、Ｖｄｄ電圧とドレイン電源制御信号の電圧の相違を吸収することが可能となる。図２で示すドレイン電源制御信号は、図１に示すドレイン電源制御信号と信号の論理が反転することになる。

ドレイン電源制御信号により、電源制御トランジスタ２１がオン状態になると、高周波増幅素子１１にドレイン電源が供給される。同時に、高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃ（以下、「出力容量１１ｃ」は、ドレイン・ソース間容量１１ｃ２（容量値Ｃｄｓ）とドレイン・ゲート間容量１１ｃ１（容量値Ｃｄｇ）を合わせた容量を示す。）は急速に充電される。
このコンデンサ１７は、増幅されるＲＦ信号波長の１／４の距離でＲＦ線路（ストリップラインやマイクロストリッブラインともいう。）と結ばれ、全体でショートスタブを構成している。このような場合、コンデンサ１７は、高周波に対して低損失で、数ｐＦの容量値であり、高周波増幅素子１１の出力容量の容量値に対して十分小さな値であるため無視できる。同時に、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間にドレイン電流が流れる。この電流量は、高周波増幅素子１１のゲート・ソース間電圧にて制御される。

次に、ドレイン電源供給がオフ状態になる場合の状態遷移について示す。
図４は、第１実施形態における電力増幅回路におけるパルスＲＦ停止時の説明図である。
この図に示す構成は、図３に示した構成と同じ構成であり、同じ符号を付す。
ドレイン電源制御信号によって電源制御トランジスタ２１がオフ状態にされると、電源制御トランジスタ２１を介して供給されるドレイン電流が遮断される。代わりに高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃに充電された電荷が、高周波増幅素子１１のドレインに流れ込み、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間にはドレイン電流が引き続き流れる。高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃからの放電は、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間電圧が低下しながら行われる。その後、高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃの電荷がなくなると、ドレイン電流が停止し、ドレイン・ソース間電圧が０ボルトとなる。出力容量１１ｃからの放電が終了すると、高周波増幅素子１１の増幅動作も終了する。

高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃに充電された電荷の放電に要する時間は、高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃとドレイン・ソース間に流れる電流量で決定される。
高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃを定数と考えることができれば、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間電圧を測定し、放電時間を検出することで、間接的にドレイン・ソース間を流れるドレイン電流を検出することができる。

図５は、第１実施形態における電力増幅器の増幅特性を示す特性図である。
この図に示されるグラフは、横軸にドレイン・ソース電圧、縦軸にドレイン電流を示す電界効果型トランジスタの静特性を示すグラフである。
このグラフに示される特性線ＶＧＳ０、ＶＧＳ１、ＶＧＳ２及びＶＧＳ３は、ゲート・ソース間電圧が異なる複数のグラフが示され、順に電圧が大きくなる。特性線ＶＧＳ２で示される特性において、動作点をＰ５１として設定したとすると、ＲＦパルス信号が入力されない無信号状態において、そのＰ５１に応じたドレイン電流がアイドル電流となる。このアイドル電流が流れる時にゲート・ソース間に印加された電圧が、バイアス電圧となる。また、動作点Ｐ５１からドレイン・ソース間電圧が低くなると、ドレイン電流はほぼ一定のまま同じ特性線ＶＧＳ２に沿ってＰ５２に達する。
図４に示したようにドレイン電源Ｖｄｄが遮断された後、出力容量１１ｃが放電されることにより、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間電圧が低下していく。その過程で、高周波増幅素子１１の飽和領域において、ほぼ一定のドレイン電流を流し続ける。さらに放電がすすみ、十分にドレイン・ソース間電圧が低下した点（Ｐ５２）では、高周波増幅素子１１は非飽和領域での動作となり、ドレイン・ソース間電圧に比例して、ドレイン電流が減少していくことが知られている。

図６は、第１実施形態における電力増幅器の遮断特性を示す特性図である。
この図に示されるグラフは、縦軸にドレイン・ソース間電圧を示すタイミングチャートである。
時刻ｔ０において、電源制御トランジスタ２１がオン状態となり、ドレイン電源Ｖｄｄが供給され、高周波増幅素子１１が能動状態となる。時刻ｔ１において電源制御トランジスタ２１がオフ状態となり、ドレイン電源Ｖｄｄが遮断される。時刻ｔ１を過ぎても、高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃに充電された電荷が放電されるまでは、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間電圧は過度的に変化する特性を持って低下する。このグラフに示されるように、過度的に変化する電圧の変化は、ドレイン電流が多いほど急な変化を示すことになる。

そこで、高周波増幅素子１１を飽和領域で動作させ、高周波増幅素子１１ごとにドレイン・ソース間電圧を測定する。すべての高周波増幅素子１１において、所定の電圧に低下するまでの時間を放電時間（ｔ２−ｔ１）とし、放電時間（ｔ２−ｔ１）が同じになるように高周波増幅素子１１のゲート・ソース間電圧を調整する。この調整は、調整者が可変抵抗器３５を操作し、高周波増幅素子１１に最適なバイアス電圧を印加することで、高周波増幅素子１１ごとのアイドル電流を一定にすることができる。これにより、高周波増幅素子１１ごとのバラツキを吸収し、高周波増幅素子１１の特性を揃えることが可能となる。

上記に示した調整方法では、高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃを定数として取り扱った場合の例である。また、ドレイン電源供給線路に挿入された電源制御トランジスタ２１の出力容量を考慮していない。
実際には、高周波増幅素子１１に印加されるドレイン・ソース間電圧や高周波増幅素子１１の特性により、容量値のバラツキが含まれている。実際との差異が考慮されない条件によって調整されることになるため、調整されたバイアス電圧、アイドル電流にも誤差が含まれることになる。

（第２実施形態）
第１実施形態の結果に見込まれる含有される誤差を減少させ、精密な調整を行うことを可能とする高周波増幅素子１１のドライブ回路の一例を示す。
図７は、第２実施形態における電力増幅回路を示すブロック図である。
図１に示した構成と同じ構成には、同じ符号を付し、異なる構成について説明する。
図１に示したコンデンサ１７に対して、放電用コンデンサ１８が、並列に接続されることが異なっている。コンデンサ１７は、増幅されるＲＦ信号波長の１／４の距離でＲＦ線路と結ばれる電源供給線路１６を高周波的に接地する。
放電用コンデンサ１８は、高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃ及び電源制御トランジスタ２１の出力容量２１ｃに対して、１０倍以上の大きさの静電容量値を有し、加えて、放電用コンデンサ１８の静電容量値１８ｃの許容誤差が小さいものが望ましい。例えば、高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃ及び電源制御トランジスタ２１の出力容量２１ｃを加算した結果、そのバラツキが±５０％となる場合でも、放電用コンデンサ１８の静電容量値１８ｃが１０倍であれば、影響は±５％以下となり、放電用コンデンサ１８の静電容量値１８ｃの許容誤差と同等かそれ以下のバラツキ誤差となる。

図８は、第２実施形態における電力増幅器の遮断動作を示すタイミングチャートである。
（ａ）に示されるグラフは、縦軸にドレイン・ソース間電圧を示すタイミングチャートである。（ｂ）に示されるグラフは、縦軸に高周波増幅素子１１の利得を示すタイミングチャートである。縦軸に示される値に応じて、その利得の高さが示される。（ｃ）に示されるグラフは、縦軸にパルスレーダの受信機プロテクタの動作を示すタイミングチャートである。受信機プロテクタの動作状態を２値で示し、縦軸において値が大きい条件はプロテクト動作が作動している状態を示し、縦軸において値が小さい条件はプロテクト動作が作動していない状態を示す。

（ａ）に示されるように、時刻ｔ０において、電源制御トランジスタ２１がオン状態となり、ドレイン電源Ｖｄｄが供給され、高周波増幅素子１１が能動状態となる。時刻ｔ１において電源制御トランジスタ２１がオフ状態となり、ドレイン電源Ｖｄｄが遮断される。時刻ｔ１を過ぎても、高周波増幅素子１１の出力容量１１ｃ及び放電用コンデンサ１８の静電容量値１８ｃに充電された電荷が放電されるまでは、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間電圧は過度的に変化する特性を持って低下する。過度的に変化する電圧の変化は、ドレイン電流が多いほど急な変化を示すことになる。

高周波増幅素子１１を飽和領域で動作させ、高周波増幅素子１１ごとにドレイン・ソース間電圧を測定する。すべての高周波増幅素子１１において、所定の電圧に低下するまでの時間を放電時間（ｔ２−ｔ１）とし、放電時間（ｔ２−ｔ１）が同じになるよう、高周波増幅素子１１のゲート・ソース間電圧を調整する。最適なバイアス電圧を印加することで、高周波増幅素子１１ごとのアイドル電流を一定にすることが可能である。これにより、高周波増幅素子１１ごとのバラツキを吸収し、高周波増幅素子１１の特性を揃えることが可能となる。

また、放電コンデンサ１８の静電容量値１８ｃを増やすほど、放電時間が長くなる。そして、高周波増幅素子１１のゲート・ソース間電圧の調整は容易になる。放電時間が長くなることは、ドレイン・ソース間にドレイン電源が印加され続ける状態が長くなることになる。
（ｂ）に示されるように、時刻ｔ１において、ドレイン電源制御信号によって電源制御トランジスタ２１が遮断されているにもかかわらず高周波増幅素子１１は、増幅動作状態にあり、徐々にその利得が低下する。増幅動作状態にある高周波増幅素子１１は、漏れＲＦ信号などのノイズを増幅し、システムに影響を及ぼす恐れがある。そのため、高周波増幅素子１１の利得がなくなるまでの放電時間（ｔ３−ｔ１）は、受信機プロテクタが作動し、パルスレーダの受信機に信号が漏れ込まない時間内に完了することが望ましい。

（ｃ）に示すように、パルスレーダでは、その受信機へ入力信号が漏れ込まないように入力信号を受信機プロテクタによって遮断させている。受信機プロテクタを解除した後は、反射信号を受信する時間となる。したがって、受信機プロテクタが動作し、受信機への入力を遮断している時間の間に、高周波増幅素子１１の利得をなくすことが必要となる。すなわち、時刻ｔ３までに高周波増幅素子１１の利得がなくなるが、受信機プロテクタの解除の時刻ｔ４は、それ以降とすることが望ましい。
受信機プロテクタは、ＴＲリミッター、ダイオードリミッター、固体化リミッターなどがあり、所定の時間の入力を遮断する。

図９は、第２実施形態における電力増幅器の調整手順を示すフローチャートである。
最初に、電力増幅器にドレイン電源制御信号が入力され、インバータ２２が入力されたドレイン電源制御信号を検出し、電源制御トランジスタ２１に制御信号を入力する（ステップＳａ１）。電源制御トランジスタ２１は、入力された制御信号を検出するとオン状態に遷移し、ドレイン電源を高周波増幅素子１１（化合物半導体デバイス）に供給する（ステップＳａ２）。

高周波増幅素子１１のドレイン・ソース電圧の測定を開始する（ステップＳａ３）。
可変抵抗器３５によって、高周波増幅素子１１のゲート・ソース電圧の調整を行う。バイアス電圧発生部３０は、可変抵抗器３５によって調整された電圧を高周波増幅素子１１のゲートに印加する（ステップＳａ４）。調整された高周波増幅素子１１のゲート・ソース電圧によって定められる高周波増幅素子１１のアイドル電流により、放電用コンデンサ１８の端子電圧が変化する。その端子電圧、すなわち高周波増幅素子１１のドレイン・ソース電圧の変化を測定した結果から、所定の電圧となるまでの時間が、基準とされる時間に対して所定の時間の範囲となっているかの判定を行う。判定の結果、所定の電圧となるまでの時間が、所定の時間の範囲にないと判定された場合には、ステップＳａ４からの処理を繰り返す（ステップＳａ５）。

ステップＳａ５の判定の結果、所定の電圧となるまでの時間が、所定の時間の範囲にあると判定され、高周波増幅素子１１が調整されたと判定された場合には、続いて、全ての高周波増幅素子１１に対しての調整が行えたかどうかの判定を行う。判定の結果、全ての高周波増幅素子１１の調整、すなわち全ての電力増幅回路１１０の調整が終了したと判定されると、電力増幅回路１１０を備える電力増幅器の調整を終了する（ステップＳａ６）。ステップＳａ６の判定の結果、全ての高周波増幅素子１１の調整が終了したと判定されなかった場合は、残りの高周波増幅素子１１を備える電力増幅回路１１０の中から次の電力増幅回路１１０の調整を行うため、ステップＳａ３からの処理を行う（ステップＳａ７）。
以上に示した手順により、第２実施形態における電力増幅回路１１０を備えた電力増幅器の調整が行える。

（第３実施形態）
図を参照し電力増幅回路の調整方法について説明する。
図１０は、第３実施形態における電力増幅回路１２０を示す概略ブロック図である。
電力増幅回路１２０は、電力増幅回路１１０及び直流電流計４０を備える。図には電力増幅回路１１０の一部が示されている。図１及び図２に示した構成と同じ構成には、同じ符号を付し、異なる構成について説明する。
直流電流計４０は、ドレイン電源Ｖｄｄと電源制御トランジスタ２１のソースとの間に接続され、電源制御トランジスタ２１のドレイン電流を測定することができる。図に示した接続では、インバータ２２への電源も直流電流計４０を介して供給されるが、電源制御トランジスタ２１のドレイン電流に比べると微弱となるため無視することができる。
アイドル電流の測定において、高周波増幅素子１１のゲートには、ＲＦパルス信号を入力することなく、バイアス電圧だけを印加する。

第２実施形態に示した調整方法では、電力増幅器に実装された電力増幅回路１１０における高周波増幅素子１１のバイアス電圧を個別に調整し、それぞれの電力増幅回路のアイドル電流を合わせ込むことは可能である。本実施形態では、さらに、定量的にアイドル電流を測定する測定方法について説明する。

高周波増幅素子１１の飽和領域では、ドレイン・ソース間電圧に依存せず、電流量が一定となる。すなわち、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間のインピーダンスがドレイン・ソース間電圧に応じて刻々と変化していることとなる。そのため、放電時間と接続された放電用コンデンサ１８が備える静電容量値１８ｃから、時定数を求め、高周波増幅素子１１のドレイン・ソース間のインピーダンスを求める方法が使用できない。
それに代わる解決方法として、高周波増幅素子１１単体でのドレイン電流を検出する直流電流計を備え、予め、アイドル電流の値と放電用コンデンサ１８に充電された電荷の放電時間の関係を記録する。

以下にドレイン電流計測モジュール回路とその概略手順を示す。
最初に、ドレイン電源制御信号（パルス信号）を入力し、ドレイン電源供給線路に挿入された電源制御トランジスタ２１においてオン状態とオフ状態とを切り換える。この時のドレイン電流の値を直流電流計４０で測定する。直流電流計４０で測定された値は、平均電流値になるので、ドレイン電源のオン状態とオフ状態の比率よりデューティ比を求め、電源制御トランジスタ２１がオン状態のときのドレイン電流の値を算出する。
次に、電源制御トランジスタ２１がオン状態のときのドレイン電流が、高周波増幅素子１１における所望のアイドル電流の値になるように、高周波増幅素子１１のゲート・ソース間電圧を調整する。
最後に、高周波増幅素子１１における所望のアイドリング電流が得られた状態で、ドレイン・ソース間電圧をオシロスコープで測定し、放電に要する時間を測定する。
上記で得られたアイドル電流と放電時間の関係に基づいて、他の電力増幅回路における放電時間を合わせ込み、所望のアイドル電流を得る。この時の誤差は、放電用コンデンサ１８の静電容量値１８ｃの許容誤差にほぼ等しいものとなる。

上記の測定項目を追加した調整方法についての手順を示す。
図１１は、第３実施形態における電力増幅器の調整手順を示すフローチャートである。
この電力増幅器は、複数の電力増幅器の組み合わせによって構成され、個々の電力増幅器は、複数の電力増幅回路１１０を備えている。
最初に、電力増幅回路１２０の構成において直流電流計４０を用いて、基準とする高周波増幅素子１１（化合物半導体デバイス）のドレイン電流の測定を開始する（ステップＳｂ１）。特定の電力増幅回路１２０における高周波増幅素子１１のゲート・ソース間電圧の調整を行う。ゲート・ソース間電圧の調整は、高周波増幅素子１１のバイアス電圧の設定変更によって行う（ステップＳｂ２）。ステップＳｂ２の調整の結果、高周波増幅素子１１のドレイン電流が所望のアイドル電流の値になっているか判定する。判定の結果、ドレイン電流が所望のアイドル電流の値になっていないと判定される場合には、ステップＳｂ２からの処理を繰り返す（ステップＳｂ３）。ドレイン電流が所望のアイドル電流の値になっていると判定された場合には、放電時間の測定を行う（ステップＳｂ４）。
ステップＳｂ４の結果に基づいて、所望のアイドル電流の値における放電時間基準値を決定する（ステップＳｂ５）。

続いて、ステップＳｂ５で導かれた放電時間基準値に基づいて電力増幅器の調整を行う。電力増幅器の調整は、電力増幅器を構成するそれぞれの電力増幅回路１１０の調整によって行われる。それぞれの電力増幅回路１１０の調整は、前述の図８に示した調整手順と同じ処理を行う。同じ符号を付したステップの処理は、それぞれ図８を参照することとして、説明を省略する（ステップＳｂ６）。
全ての電力増幅器の調整が完了しているかの判定を行う。判定の結果、全ての電力増幅器の調整が完了したと判定された場合には、電力増幅器の調整処理を終了する（ステップＳｂ７）。ステップＳｂ７における判定の結果、全ての電力増幅器の調整が完了していないと判定された場合には、次の電力増幅器の調整処理を行うため、ステップＳｂ６からの処理を繰り返す（ステップＳｂ８）。

以上に示した実施形態から、測定が困難な電力増幅回路１００、１１０のアイドル電流を、電圧波形の変化から間接的に検出することができ、直流電流計４０などの計測手段を電源供給経路に設けることなく調整することができる。また、直列や並列に接続された複数の電力増幅回路１００、１１０において、その接続を崩すことなくそれぞれの電力増幅回路１００、１１０の調整を行うことができる。
また、電源制御部２０の電源制御トランジスタ２１（出力回路）、増幅部１０の高周波増幅素子１１及びコンデンサ１８に充電された電荷が放電されるときのコンデンサ１８の端子電圧を検出し、その電圧波形の変化が所定の時間において、所定の電圧範囲とすることで間接的に高周波増幅素子１１のアイドル電流値を検出することが可能となる。直接的に電流を測定する場合には、回路の途中に直流電流計４０を設けることが必要になるが、そのような直流電流計４０を用いることなく回路に設けられたコンデンサ１８の端子電圧を検出することで電流値を検出することができる。

また、直流電流計４０が電源制御部２０に供給される電流の電流値を検出する。バイアス電圧発生部３０は、コンデンサ１８の端子電圧が、電流値に基づいて定められる所定の電圧範囲内となる電力増幅回路１００、１１０のアイドル電流値が設定される。
また、直流電流計４０によって、電源制御部２０に供給される電流の電流値を検出でき、所望の電流値となっているかを確認することができる。すなわち、基準とされる電流値を定め、複数の電力増幅回路１００、１１０における調整のばらつきを、定量的な検出方法を用いて低減することができる。

また、電力増幅回路１１０において電源制御部２０から供給される電源供給線路に設けられるコンデンサ１８の静電容量値は、増幅部１０及び電源制御部２０、電源制御トランジスタ２１、増幅部１０の高周波増幅素子１１が有する静電容量の容量値に対し十分大きな値とすることにより、増幅部１０及び電源制御部２０における出力回路が有する静電容量の容量値の精度にバラツキが大きいものであっても、そのバラツキの影響を低減することができ、電流値の精度を高めた調整を行うことができる。

なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明の電力増幅器の調整方法では、電力増幅器が備える電力増幅回路の構成数、接続形態についても特に限定されるものではない。
また、電力増幅回路１００が備える高周波増幅素子１１は、適応する周波数帯域に応じたあらゆる種類の化合物半導体デバイスを適応することができ、例えば、ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＡｓＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ：High Electron Mobility Transistor）、ＧａＮＨＥＭＴなどの化合物半導体デバイスをはじめとする半導体素子とすることができる。
また、電源制御部２０の電源制御トランジスタ２１の駆動方法は、例示した駆動方法以外にも、他のあらゆる接続構成に適応でき、入力されるドレイン電流制御信号に応じて電源制御トランジスタ２１をスイッチング動作させることができればよい。

なお、本発明における電力増幅器は、電力増幅回路１００、１１０、１２０に相当する。また、本発明における電力増幅回路は、増幅部１０に相当する。また、本発明における高周波増幅素子は、高周波増幅素子１１に相当する。また、本発明における電源遮断回路は、電源制御部２０に相当する。また、本発明におけるアイドル電流値設定回路は、バイアス電圧発生部３０に相当する。また、本発明における電流検出回路は、直流電流計４０に相当する。

１００電力増幅回路
１０増幅部
１１高周波増幅素子
１２、１３、１７コンデンサ
１４、１５整合パタン
１６電源供給線路
２０電源制御部
２１電源制御トランジスタ
２２駆動回路
２３コンデンサ
３０バイアス電圧発生部
３１演算増幅器
３２、３６抵抗
３３、３７信号伝送線路
３４、３８、３９コンデンサ
３５可変抵抗器

Claims

高周波増幅素子によって構成される電力増幅回路を備える電力増幅器における調整方法であって、
電源遮断回路が該電源遮断回路の出力端に電源供給線路を介して接続される前記電力増幅回路に電源を供給する過程と、
前記電源供給線路に接続される静電容量が充電される過程と、
前記電源遮断回路が前記電力増幅回路への電源を遮断する過程と、
前記静電容量に充電された電荷が放電されるときの該静電容量の端子電圧の応答波形を検出する波形検出過程と、
前記応答波形によって示される前記端子電圧の変化に基づいて前記電力増幅回路のアイドル電流値が設定されるアイドル電流値設定過程と、
を備えることを特徴とする電力増幅器の調整方法。
前記波形検出過程は、
前記静電容量に充電された電荷が放電されるときの該静電容量の端子電圧が、放電開始から予め定められた所定の時間における該端子電圧の値を検出し、
前記アイドル電流値設定過程は、
前記静電容量の端子電圧が予め定められた所定の電圧範囲内となる前記電力増幅回路のアイドル電流値が設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器の調整方法。
電流検出回路が前記電源遮断回路に供給される電流の値を検出する過程と、
を備え、
前記アイドル電流値設定過程は、
前記静電容量の端子電圧が前記電流の値に基づいて定められる所定の電圧範囲内となる前記電力増幅回路のアイドル電流値が設定される
ことを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器の調整方法。
前記静電容量の容量値は、該電源供給線路に接続される前記電力増幅回路の出力回路が有する寄生容量の容量値に対し十分大きな値とする
ことを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器の調整方法。
前記静電容量の容量値は、該電源供給線路に接続される前記電力増幅回路の出力回路及び前記電源供給線路が有する寄生容量の容量値に対し十分大きな値とする
ことを特徴とする請求項４に記載の電力増幅器の調整方法。
前記静電容量の容量値は、該電源供給線路に接続される前記電力増幅回路の出力回路が有する寄生容量に基づく値とする
ことを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器の調整方法。