JP2010183486A - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２次高調波の反射レベルを増大させると共に、寄生容量による電力損失を無くして、ドハティ増幅装置の電力効率を更に向上させることができる高周波電力増幅器を提供する。
【解決手段】 ドハティ増幅器において、２次高調波を発生する高調波発生器３２と、発生した２次高調波の位相を調整する可変移相器３３と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器３４とを備え、基本波信号に２次高調波を注入した合成信号を、高調波反射回路６４を備えたキャリア増幅回路６の入力信号とし、更にキャリア増幅回路６のＦＥＴ６２と出力整合回路６３との間にＥ級処理回路６５を備えた高周波電力増幅器としている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、高周波信号を増幅する高周波電力増幅器に係り、特に電力変換効率を向上させることができる高周波電力増幅器に関する。

［先行技術の説明］
送信用電力増幅器は、高周波信号を所要の送信出力に増幅するものであり、ほとんどの無線機において最も多くの電力を消費する部分である。
電力増幅器が消費する電力は、高周波出力に変換されるだけでなく、内部損失となる熱として放出される。
そのため、発熱量を低減して消費電力の低減や信頼性の向上を図るために、電力増幅器の電力変換効率を上げて、無駄な内部損失を抑えることが要求されている。
この要求に応えるために、種々の高効率動作方式を取り入れた増幅器があり、例えばＦ級増幅器がある。

［従来のＦ級増幅器：図７（ａ）］
従来のＦ級増幅器について図７（ａ）を用いて説明する。図７は、従来のＦ級増幅器の構成を示す概略構成ブロック図である。
図７（ａ）に示すように、従来のＦ級増幅器は、入力端子１１と、出力端子１２と、入力整合回路１３と、ＦＥＴ（Field Effect Transistor；電界効果トランジスタ）１４と、出力整合回路１５と、高調波反射回路１６とから構成される。

入力整合回路１３は、入力信号において、ＦＥＴ１４の入力インピーダンスと特性インピーダンスＺ0とのインピーダンス整合を実現するためのインピーダンス変換回路である。
また、出力整合回路１５は、基本波周波数ｆ0において、ＦＥＴ１４の出力インピーダンスと特性インピーダンスＺ0とのインピーダンス整合を実現するためのインピーダンス変換回路である。

ＦＥＴ１４は入力された信号を増幅して出力する能動素子であり、ゲート端子に入力信号が印加され、ソース端子は接地されている。尚、能動素子としては、ＦＥＴの代わりにバイポーラトランジスタや電子管を用いてもよい。
高調波反射回路１６は、ＦＥＴ１４のドレイン端子に接続され、基本波周波数及び奇数次高調波周波数に対して開放し、且つ偶数次高調波周波数に対して短絡となるインピーダンス特性を備えている。したがって、ＦＥＴ１４の出力端子（ドレイン端子）における負荷のインピーダンス周波数特性は、基本波周波数で整合、偶数次高調波周波数で短絡、奇数次高調波周波数で開放となる。

そして、入力信号は、入力端子１１から入力整合回路１３を介してＦＥＴ１４のゲート端子に入力される。ＦＥＴ１４で増幅された信号は、ドレイン端子から出力整合回路１５を介して出力端子１２に取り出される。また、ＦＥＴ１４で発生した奇数次高調波は、高調波反射回路１６で反射されてＦＥＴ１４に入力され、更に増幅される。

[Ｆ級増幅器における電圧・電流の波形：図８]
次に、Ｆ級増幅器における電圧及び電流の理論上の波形について図８を用いて説明する。図８は、Ｆ級増幅器における電圧及び電流の理論上の波形図である。
図８に示すように、図７（ａ）に示した増幅器のＦＥＴ１４をＢ級バイアス条件で動作させて基本波周波数の正弦波を入力すれば、理論上、ドレイン端子とソース端子との間の電圧の時間波形は、基本波と奇数次高調波成分のみを有する矩形波となる。
また、ドレイン端子とソース端子との間の電流の時間波形は、基本波と偶数次高調波成分のみを有する半波形となる。

このときのＦＥＴ１４の動作としては、ドレイン電流が流れているときにドレイン電圧がゼロとなり、逆にドレイン電圧が印加されているときにドレイン電流がゼロとなるので、ドレイン端子とソース端子間の消費電力を常にゼロの状態にすることができる。
すなわち、図８のように電圧及び電流の時間波形が重なっていない状態では、ＦＥＴ１４で消費する電力をゼロにすることができ、内部損失を抑えることができる。これがＦ級増幅器の理論である。

更に、上述したＦ級増幅器とは逆に、基本波周波数で整合、偶数次高調波周波数で開放、奇数次高調波周波数で短絡となり、図８の波形とは逆の波形が得られる増幅器もある。このような増幅器では、高調波反射回路は偶数次の高調波を反射する。この場合にも、ドレイン電流が流れているときにドレイン電圧がゼロとなり、逆にドレイン電圧が印加されているときにドレイン電流がゼロとなるので、同様にドレイン端子とソース端子間の消費電力を常にゼロの状態にすることができる。

ところで、パッケージの外に高調波反射回路を挿入した高周波帯のＦ級増幅器を構成する場合には、基本波周波数だけでなく、２次高調波周波数においても、ＦＥＴパッケージ、ワイヤボンディングその他の影響によるリアクタンスや、ＦＥＴチップ自身のインピーダンスの存在を考慮した回路構成が必要になる。

[従来の別のＦ級増幅器：図７（ｂ）]
２次高調波周波数を利用して、ＦＥＴやそのパッケージの存在に起因する各種の浮遊リアクタンスの影響を回避し、効率の向上を図るＦ級増幅器（従来の別のＦ級増幅器）がある。
２次高調波周波数を利用して効率の向上を図るＦ級増幅器について図７（ｂ）を用いて説明する。
図７（ｂ）に示すように、従来の別のＦ級増幅器は、入力端子１１と、出力端子１２と、入力整合回路１３と、ＦＥＴ１４と、出力整合回路１５と、高調波反射回路１６とから構成される。
高調波反射回路１６は、出力整合回路１５と出力端子１２との間に並列に接続された終端回路であり、入力信号の周波数に対して高入力インピーダンスで、且つその２次高調波周波数に対して低入力インピーダンスである。

入力整合回路１３は、入力信号の周波数とその２次高調波周波数の両方に対して、ＦＥＴ１４の入力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備えている。
出力整合回路１５は、入力信号の周波数とその２次高調波周波数の両方に対して、ＦＥＴ１４の出力インピーダンスと共役整合するインピーダンス特性を備えている。これらの点が図７（ａ）に示した増幅器とは異なっている。
そして、終端にある高調波反射回路１６で、ＦＥＴ１４のドレイン端子に発生した２倍波信号（２次高調波）をＦＥＴ１４に反射させることにより、電圧波形を矩形波に近づけ、高効率動作に必要なスイッチング動作を容易に実現できるものである。

[ドハティ増幅器：図９]
また、従来の高効率を図る増幅器としては、ドハティ増幅器がある。
従来のドハティ増幅器の構成について図９を用いて説明する。図９は、従来のドハティ増幅器の構成を示す構成ブロック図である。
図９に示すように、従来のドハティ増幅器は、入力端子１と、出力端子２と、分配器４と、移相器５と、キャリア増幅回路６と、ピーク増幅回路７と、伝送線路８と、合成点９と、伝送線路１０とから構成されている。

更に、キャリア増幅回路６は、入力整合回路６１と、ＦＥＴ６２と、出力整合回路６３とから構成され、ピーク増幅回路７は、入力整合回路７１と、ＦＥＴ７２と、出力整合回路７３とから構成されている。

そして、入力端子１から入力された信号は、分配器４で分配され、その一方はキャリア増幅回路６に入力されて、ＦＥＴ６２で増幅され、出力整合回路６３を介して伝送線路８でインピーダンス変換される。

分配器４で分配されたもう一方の信号は、移相器５で位相をキャリア増幅回路６に合わせて調整された後、ピーク増幅回路７に入力され、ＦＥＴ７２で増幅されて出力整合回路７３でインピーダンス変換されて出力される。

合成点９では伝送線路８からの出力とピーク増幅回路７からの出力が合成され、更に伝送線路１０で出力負荷（図示せず）に整合するためインピーダンス変換されて出力端子２から出力され、出力負荷に接続される。

キャリア増幅回路６のＦＥＴ６２はＡＢ級にバイアスされ、ピーク増幅回路７のＦＥＴ７２はＢ級又はＣ級にバイアスされている。そのため、入力レベルが低くＦＥＴ７２が動作しない内はＦＥＴ６２が単独で動作する。そして、ＦＥＴ６２が飽和領域に入る、つまりＦＥＴ６２の線形性が崩れ始めると、ＦＥＴ７２が動作し始め、ＦＥＴ７２の出力が負荷に供給され、ＦＥＴ６２と共に負荷を駆動する。これにより、ドハティ増幅器では、出力レベルが最大出力レベルよりも低い場合でも、高い効率が得られるものである。
尚、ドハティ増幅器に高調波反射回路を用いて一層の高効率を図ることは周知の技術である。

[寄生容量の影響]
ところで、一般に、ＦＥＴから出力される信号は、周波数が高いほど、ＦＥＴのドレイン端子に存在する寄生容量の影響によって放電損失となってしまい、増幅器の効率を大きく低下させることが知られている。
ＦＥＴのスイッチング動作に伴い、スイッチ中の電圧及びその寄生容量がゼロでないときにスイッチが入ると、充電済みの容量に蓄えられていたエネルギーが熱となって失われるためである。

[Ｅ級増幅器：図６]
寄生容量に起因する電力損失を実質上取り除くことにより、高周波で高い効率が得られる増幅器としてＥ級増幅器が知られている。
Ｅ級増幅器について図６を用いて説明する。図６は、Ｅ級増幅器の概略構成図である。
図６に示すように、Ｅ級増幅器は、入力端子１１１と、出力端子１１２と、入力整合回路１１３と、ＦＥＴ１１４と、Ｅ級処理回路１１５と、出力整合回路１１６とから構成されている。

ＦＥＴ１１４は増幅素子であり、スイッチング動作を行う。
入力整合回路１１３は、入力信号に整合されたインピーダンス変換回路であり、出力整合回路１１５は、出力側に整合されたインピーダンス変換回路である。

Ｅ級処理回路１１５は、ＦＥＴ１１４をスイッチング動作させることで、寄生容量の充電／放電を利用してＦＥＴ１１４のドレイン端子に存在する電力損失を無くすものであり、図示は省略するが、寄生容量のスイッチＯＮ／ＯＦＦを実現する電圧位相調整用補正リアクタンスと、ＦＥＴ１１４の基本波周波数ｆ0において共振する共振回路から成る。

ここで、ＦＥＴ１１４が理想スイッチとして動作するのであれば、スイッチがＯＮの状態では電流のみが流れ、スイッチがＯＦＦの状態では、寄生容量の放電により電圧のみが発生する。つまり、電圧と電流は必ずどちらかが０となるため、ＤＣ（直流）での電力消費は０となり、ＤＣから供給される電力は全てＲＦに変換されて熱損失が発生しないものである。

尚、高効率化を図る増幅器に関する先行技術としては、特開２００５−２０４２０８号公報（特許文献１）がある。
特許文献１には、増幅対象となる基本波信号に対する奇数次の高調波信号を発生させ、当該奇数次の高調波信号を増幅対象となる基本波信号と合成して矩形波信号を生成し、矩形波信号を能動素子により増幅し、当該能動素子の出力端から負荷側を見た場合における奇数次の高調波信号に対するインピーダンスの値を無限大とすると共に、偶数次の高調波信号に対するインピーダンスの値をゼロとするようにして、高効率化を実現できる増幅器が記載されている。

特開２００５−２０４２０８号公報

しかしながら、従来のＦ級増幅器では、必ずしも図８に示した理論上の電圧電流波形が得られるものではなく、また、増幅素子が飽和であれば高調波も多いが、出力レベルが低いと高調波の出力レベルも低くなって、高調波反射による効率向上の効果が小さくなるため、従来のドハティ増幅器に高調波反射回路を組み合わせた増幅器においても、出力レベルが低いと高調波の出力レベルが低下し、効率向上の効果が小さくなるという問題点があった。

尚、上記特許文献１では、奇数次高調波を増幅器入力に注入することは記載されているが、偶数次高周波を注入することは記載されていない。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、従来のドハティ増幅器に比べて高い効率が得られる高周波電力増幅器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、ＡＢ級で動作するキャリア増幅回路と、Ｂ級又はＣ級で動作するピーク増幅回路とを有し、キャリア増幅回路とピーク増幅回路の出力を合成して出力するドハティ増幅器を備えた高周波電力増幅器であって、入力された基本周波数の信号から２次高調波を発生し、２次高調波の位相及び振幅を調整して、ドハティ増幅器のキャリア増幅回路、又はキャリア増幅回路とピーク増幅回路の双方、に出力する２次高調波発生回路を備えると共に、キャリア増幅回路、又はキャリア増幅回路とピーク増幅回路の双方、にＥ級処理回路を備えたことを特徴としている。

また、本発明によれば、ＡＢ級で動作するキャリア増幅回路と、Ｂ級又はＣ級で動作するピーク増幅回路とを有し、キャリア増幅回路とピーク増幅回路の出力を合成して出力するドハティ増幅器を備えた高周波電力増幅器であって、入力された基本周波数の信号から２次高調波を発生し、２次高調波の位相及び振幅を調整して、ドハティ増幅器のキャリア増幅回路、又はキャリア増幅回路とピーク増幅回路の双方、に出力する２次高調波発生回路を備えると共に、キャリア増幅回路、又はキャリア増幅回路とピーク増幅回路の双方、にＥ級処理回路を備えた高周波電力増幅器としているので、２次高調波の反射レベルを増大させて、キャリア増幅回路又はピーク増幅回路の電圧電流波形を最適化して効率を向上させると共に、キャリア増幅回路又はピーク増幅回路の寄生容量に起因する電力損失を無くして、一層の高効率化を図ることができる効果がある。

本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第１の増幅器）の構成ブロック図である。 高調波発生器３２の構成ブロック図である。 第１の増幅器の入力電力−電力効率特性を示す模式説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第２の増幅器）の構成ブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第３の増幅器）の構成ブロック図である。 第２の増幅器及び第３の増幅器の入力電力−電力効率特性を示す模式説明図である。 （ａ）（ｂ）は従来のＦ級増幅器の構成を示す概略構成ブロック図である。 Ｆ級増幅器における電圧及び電流の理論上の波形図である。 従来のドハティ増幅器の構成を示す構成ブロック図である。

［発明の概要］
本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器は、ドハティ増幅器において、ドハティ増幅器の入力信号から高調波を発生する高調波発生器と、当該高調波の位相及び振幅を調整するベクトル調整器とを備え、ベクトル調整された高調波をキャリア増幅器の入力信号に合成することによって、高調波反射回路を備えたドハティ増幅器の高調波出力レベルを増大させ、それに伴って出力の高調波反射レベルを増大させて効率を向上させることができ、電圧電流波形の重なりを減らして効率を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器は、上記高周波電力増幅器において、キャリア増幅回路の増幅素子と出力整合回路との間に、Ｅ級処理回路を備えたものであり、スイッチング動作における寄生容量による電力損失を抑えて、一層効率を向上させることができるものである。

［第１の実施の形態：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅器について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第１の増幅器）の構成ブロック図である。
図１に示すように、第１の増幅器は、ドハティ増幅器において、キャリア増幅回路６に２次高調波を反射する高調波反射回路６４を備え、キャリア増幅回路６の入力信号に２次高調波を注入する高調波発生回路３を設けた構成である。

具体的には、第１の増幅器は、入力端子１と、高調波発生回路３と、分配器４と、移相器５と、キャリア増幅回路６と、ピーク増幅回路７と、伝送線路８及び１０と、合成点９とから構成されている。分配器４と、移相器５と、伝送線路８と、合成点９と、伝送線路１０は図９に示した従来のドハティ増幅器と同様であるため、説明は省略する。

第１の増幅器の特徴部分である高調波発生回路３は、図１に示すように、分配器３１と、遅延線３５と、２次高調波発生器３２と、可変移相器３３と、可変減衰器３４と、合成器３６とから構成されている。

分配器３１は、入力端子１からの入力信号を分配する。
高調波発生器３２は、高調波を発生するものであり、第１の増幅器では２次高調波を発生するものとしている。具体的には、高調波発生回路３は、入力端子と、入力整合回路と、ダイオードと、出力整合回路と、出力端子とが直列に接続された構成である。

高調波発生器３２の構成について簡単に説明する。
入力整合回路は、入力される信号を無駄なく伝達するために、基本波に整合されたインピーダンス変換回路である。
ダイオードは、入力された信号を増幅し、２次高調波を発生する。高調波を発生させるものであれば、ダイオードの代わりにＦＥＴ等でもよい。
出力整合回路は、発生する２次高調波をできるだけ無駄なく出力するために、高調波に整合されたインピーダンス変換回路である。
入力整合回路、出力整合回路は、マイクロストリップライン等の伝送線路、コンデンサやコイルといった回路素子、またはこれらを組み合わせた回路によって構成される。

高調波発生回路３の可変移相器３３は、高調波発生器３２で発生した２次高調波の位相を調整する。
可変減衰器３４は、高調波発生器３２で発生した２次高調波の振幅を調整する。
尚、可変移相器３３及び可変減衰器３４から成る部分は、発生した２次高調波のベクトル調整を行うベクトル調整器に相当し、可変移相器３３と可変減衰器３４の順序が逆であっても構わない。

遅延線３５は、高調波発生器３２、可変移相器３３、可変減衰器３４における処理時間分、分配器３１からの入力信号（基本波）を遅延する。
そして、合成器３６は、遅延された基本波信号と、可変減衰器３４から出力された位相及び振幅が調整された２次高調波とを合成して、キャリア増幅回路に出力する。

このように、高調波発生回路３は、構成の簡単なアナログ回路から成り、基本波と２次高調波との位相のずれ及び必要な振幅レベルの比を調整するベクトル調整回路を備えているので、キャリア増幅回路６に注入される２次高調波の位相及び振幅が、キャリア増幅回路６で発生する２次高調波の位相及び振幅と、最適な関係となるように、可変移相器３３及び可変減衰器３４でベクトル調整を行うことができ、キャリア増幅回路６における増幅動作を高効率で行うことができるものである。

尚、ここでは、位相を調整する可変移相器３３と振幅を調整する可変減衰器３４とを用いた構成としているが、高調波発生器３２で発生した高調波の位相及び振幅を調整する調整器として位相と振幅が調整できればよく、同等の機能があればどのような方法を用いてもよい。

特に、第１の増幅器では、発生する高調波の中でもレベルが高い２次高調波に着目して、キャリア増幅器の入力に２次高調波を注入した上、出力では高調波反射回路で無駄なく２次高調波を反射させる構成としているので、効率向上の効果が大きくなるものである。

キャリア増幅回路６は、図９に示した従来のドハティ増幅器と同様の部分として、入力整合回路６１と、ＦＥＴ（キャリア増幅素子）６２と、出力整合回路６３とを備え、第１の増幅器の特徴部分として、高調波反射回路６４を備えている。
ピーク増幅回路７は、図９に示した従来のドハティ増幅器と同様の構成であり、入力整合回路７１と、ＦＥＴ（ピーク増幅素子）７２と、出力整合回路７３とを備えている。

キャリア増幅回路６の高調波反射回路６４は、基本波に影響を与えず、２次高調波を反射するインピーダンス特性を有する。高調波反射回路６４を挿入する位置は、線路の損失を考慮すると、増幅素子に近い方がよいが、従来のＦ級増幅器ほどこだわらなくてもよい。また、高出力増幅素子を用いる場合には、内部整合回路の２次高調波反射特性を利用してもよい。

［第１の増幅器の動作］
第１の増幅器の動作について図１を用いて説明する。
第１の増幅器では、図１の入力端子１から入力された基本波信号は、高調波発生回路３に入力され、分配器３１で分配され、その一方の基本波信号は高調波発生器３２に入力されて、基本波周波数の２倍の周波数を有する２次高調波が生成される。

具体的には、高調波発生器３２の入力端子から入力された入力信号は、入力整合回路でインピーダンス変換され、ダイオードで増幅され、２次高調波が生成される。２次高調波を含む信号は、出力整合回路インピーダンス変換され、２次高調波を多く含む信号として出力端子から出力される。
そして、発生した２次高調波は、可変移相器３３で位相調整され、可変減衰器３４で振幅調整されて、合成器３６に入力される。

高調波発生器３の分配器３１で分配されたもう一方の基本波信号は、遅延線３５で遅延され、分配器４でキャリア増幅回路６とピーク増幅回路７とに分配される。
キャリア増幅回路側に分配された基本波信号は、合成器３６に入力され、合成器３６において、ベクトル調整された２次高調波と合成され、ドハティ増幅器のキャリア増幅回路６に出力される。

そして、キャリア増幅器６に入力された信号は増幅されて伝送線路８を介して合成点９に出力され、移相器５を経てピーク増幅器７に入力された信号は増幅されて合成点９に出力され、合成点９において合成後、伝送線路１０を経て出力端子から出力される。

すなわち、第１の増幅器では、ドハティ増幅器のキャリア増幅回路６に入力される信号は、２次高調波を多く含むものであるから２次高調波の出力レベルが増大し、キャリア増幅回路６の、高調波反射回路６４によってＦＥＴ６２に反射される２次高調波反射レベルを一層大きくすることができ、電圧電流波形の重なりを減らして、電力効率を向上させることができるものである。

ドハティ増幅器では、ピーク増幅回路７が動作する領域では元々効率が高く、また、ピーク増幅回路７が動作する時間が短いため、ピーク増幅回路７の効率が全体に与える影響はそれほど大きくない。
そのため、第１の増幅器では、キャリア増幅回路６のみに２次高調波を注入する構成として、キャリア増幅回路６のみが動作する領域の効率を向上させてドハティ増幅器全体の効率を大幅に向上できると共に、２次高調波の注入に要する電力を抑えることができるものである。

［第１の実施の形態の効果］
第１の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第１の増幅器）によれば、ドハティ増幅器において、キャリア増幅回路６の入力段に、２次高調波を発生する高調波発生器３２と、発生した２次高調波の位相を調整する可変移相器３３と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器３４とを備え、入力信号に２次高調波を注入した合成信号をキャリア増幅回路６の入力信号とすることでＦＥＴ６２の高調波出力レベルを増大させ、更に、キャリア増幅回路６に高調波反射回路６４を備えて、高レベルの２次高調波を反射するようにしているので、２次高調波の反射レベルを増大させて、電圧電流波形の重なりを低減し、ドハティ増幅器全体の電力効率を向上させることができる効果がある。

また、高調波発生回路３の可変移相器３３と可変減衰器３４とを調整することにより、高調波発生回路３で基本波に注入される２次高調波の位相及び振幅を、キャリア増幅回路６で発生する２次高調波の位相及び振幅と最適な関係となるよう調整することができ、簡易な構成で一層効率を向上させることができる効果がある。

また、従来は、２次高調波の位相及び振幅を調整するには、高調波反射回路を調整しなければならず、それと共に出力整合回路も調整する必要があり、基本波整合と２次高調波整合を同時に合わせることは困難であったが、第１の増幅器によれば、キャリア増幅回路６の入力信号に２次高調波を加え、且つ可変位相器３３及び可変減衰器３４で２次高調波の位相及び振幅を調整することにより、基本波と２次高調波の整合を同時に合わせることが容易になる効果がある。

[第２の実施の形態：図２]
次に、本発明の第２の実施の形態に係る高周波電力増幅器について図２を用いて説明する。図２は、本発明の第２の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第２の増幅器）の構成ブロック図である。
第２の増幅器は、第１の増幅器と同様にドハティ増幅器に２次高調波を注入する高調波発生回路を設けたものであるが、第２の増幅器の特徴として、キャリア増幅回路とピーク増幅回路の両方に２次高調波を注入する構成としている。

図２に示すように、第２の増幅器の基本的な構成は、図１に示した第１の増幅器の構成とほぼ同様であるが、ドハティ増幅器において、キャリア増幅回路６及びピーク増幅回路７に２次高調波を反射する高調波反射回路６４，７４を備え、キャリア増幅回路６及びピーク増幅回路７の入力信号に２次高調波を注入する高調波発生回路３を設けた構成となっている。

そして、第２の増幅器の構成は、ピーク増幅回路７に高調波反射回路７４が設けられている点と、高調波発生回路３にベクトル調整された２次高調波をキャリア増幅回路６側とピーク増幅回路７側とに分配する分配器３８が設けられている点と、基本波に高調波を合成してピーク増幅回路７に出力する合成器３７が設けられている点が図１の第１の増幅器とは異なっている。

そして、第２の増幅器の高調波発生回路３は、ドハティ増幅器のキャリア増幅回路６及びピーク増幅回路７への入力信号に２次高調波を注入するものである。第２の増幅器の高調波発生回路３においては、高調波発生回路３で注入される２次高調波の位相及び振幅が、ドハティ増幅器で発生する２次高調波の位相及び振幅と最適な関係となるよう、注入される２次高調波の位相及び振幅を可変移相器３３及び可変減衰器３４で調整するようになっている。

これにより、ベクトル調整された２次高調波がキャリア増幅回路６だけでなくピーク増幅回路７の入力信号に注入されるので、ピーク増幅回路７の高調波反射回路７４で反射される２次高調波反射レベルを一層大きくすることができ、電圧電流波形の重なりを減らして、広い領域でドハティ増幅器の電力効率を一層向上させることができるものである。

[第２の実施の形態の効果]
第２の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第２の増幅器）によれば、ドハティ増幅器において、キャリア増幅回路６とピーク増幅回路７に高調波反射回路６４，７４を備え、２次高調波を発生する高調波発生器３２と、発生した２次高調波の位相を調整する可変移相器３３と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器３４とを設けて、基本波信号に２次高調波を注入した合成信号を生成し、当該合成信号をキャリア増幅回路６及びピーク増幅回路７の入力信号としているので、キャリア増幅回路６及びピーク増幅回路７の両方で２次高調波の反射レベルを増大させて、電圧電流波形の重なりを低減し、ドハティ増幅器全体の電力効率を向上させることができる効果がある。

[第３の実施の形態：図３]
次に、本発明の第３の実施の形態に係る高周波電力増幅器について説明する。
上述した第１及び第２の増幅器は、ドハティ増幅器に２次高調波を注入することにより、高周波で高い電力を効率的に供給できるものであるが、寄生容量の影響が十分考慮されているものではない。
本発明の第３の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第３の増幅器）は、ＦＥＴの寄生容量を考慮して電力損失を無くし、ドハティ増幅器の更なる効率向上を図るものである。

図３は、本発明の第３の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第３の増幅器）の構成ブロック図である。
図３に示すように、第３の増幅器の基本的な構成は、図１に示した第１の増幅器の構成とほぼ同様であり、キャリア増幅回路６の入力信号に２次高調波を注入するものであるが、ドハティ増幅器のキャリア増幅回路６にＥ級処理回路６５が設けられている点が図１の第１の増幅器とは異なっている。
その他の構成部分及び基本的な動作については図１の第１の増幅器と同様であるため、説明を省略する。

Ｅ級処理回路６５は、キャリア増幅回路６のＦＥＴ６２と出力整合回路６３との間に設けられ、図６に示したＥ級処理回路と同様の構成を備えている。
具体的には、Ｅ級処理回路６５は、ＦＥＴ６２のドレイン端子に発生する寄生容量の充電／放電（スイッチＯＮ／ＯＦＦ）を行うための電圧位相調整用補正リアクタンスと、ＦＥＴ６２の基本波周波数ｆ0に共振する共振回路とを備え、キャリア増幅回路６をＥ級増幅器として動作させるものである。

第３の増幅器では、Ｅ級処理回路６５を設けたことにより、ＦＥＴ６２のスイッチＯＮの時には電流のみが流れて寄生容量が充電され、スイッチがＯＦＦの時には充電済みの寄生容量に蓄えられていたエネルギーが放電され電圧のみが発生する。このため、電流と電圧の波形が重ならず、寄生容量に伴うエネルギーの損失を無くすことができるものである。

特に、寄生容量による電力損失は、ＦＥＴ６２のスイッチング周波数に直接的に比例するので、高周波増幅器においては大幅な効率低下を招く深刻な問題であるが、第３の増幅器ではこの電力損失を無くして、著しい効率向上を図ることができるものである。

更に、第３の増幅器では、キャリア増幅回路６に高調波反射回路６４を備え、キャリア増幅回路６の入力信号に２次高調波を注入しているので、高調波反射と寄生容量による損失低減により、第１の増幅器に比べて更なる高効率が得られるものである。

[２次高調波注入型ドハティ増幅器の効率：図４]
ここで、２次高調波注入型ドハティ増幅器の効率について第１の増幅器と第３の増幅器の特性を比較する。図４は、２次高調波注入型ドハティ増幅器の出力−効率特性を示す説明図である。
図４では、キャリア増幅回路に２次高調波を注入した第１の増幅器の特性を実線で示し、更にＥ級処理回路を備えた第３の増幅器の特性を破線で示している。
図４に示すように、第１の増幅器では、ＦＥＴ６２のスイッチング動作に伴って寄生容量による電力損失が発生するため、飽和領域や、バックオフが低い領域において効率の劣化が見られる。
これに対して、Ｅ級処理回路６５を備えた第３の増幅器では、寄生容量による電力損失を抑えるため、全領域にわたって第１の増幅器に比べて高効率となり、特に飽和に近い領域では大幅に効率が向上することがわかる。

[第３の実施の形態の効果]
第３の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第３の増幅器）によれば、ドハティ増幅器において、２次高調波を発生する高調波発生器３２と、発生した２次高調波の位相を調整する可変移相器３３と、２次高調波の振幅を調整する可変減衰器３４とを備え、基本波信号に２次高調波を注入した合成信号を、高調波反射回路６４を備えたキャリア増幅回路６の入力信号とし、更にキャリア増幅回路６のＦＥＴ６２と出力整合回路６３との間にＥ級処理回路６５を備えた高周波電力増幅器としているので、２次高調波の反射レベルを増大させると共に、ＦＥＴ６２の寄生容量による電力損失を無くすことができ、キャリア増幅回路６の効率を向上させてドハティ増幅器全体の電力効率を大幅に向上させることができる効果がある。

[第４の実施の形態：図４]
次に、本発明の第４の実施の形態に係る高周波電力増幅器について図５を用いて説明する。図５は、本発明の第４の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第４の増幅器）の構成ブロック図である。
図５に示すように、第４の増幅器は、図２に示した第２の増幅器の構成に加えて、キャリア増幅回路６にＥ級処理回路６５を備え、ピーク増幅回路７にＥ級処理回路７５を備えたものである。

つまり、第４の増幅器は、高調波発生回路３で発生した２次高調波をキャリア増幅回路６とピーク増幅回路７の両方に注入すると共に、キャリア増幅回路６とピーク増幅回路７にＥ級処理回路６５，７５を備えた構成であり、キャリア増幅回路６とピーク増幅回路７の高調波反射レベルを増大させ、更に、ＦＥＴ６２，７２の寄生容量による電力損失を無くして、第２の増幅器に比べて更なる電力効率の向上を図ることができるものである。

本発明は、電力変換効率を向上させることができる高周波電力増幅器に適している。

１，１１，１１１…入力端子、 ２，１２，１１２…出力端子、 ３…高調波発生回路、３１…分配器、 ３２…高調波発生器、 ３３…可変位相器、 ３４…可変減衰器、 ３５…遅延線、 ３６，３７…合成器、 ３１，３８，４…分配器、 ５…移相器、 ６…キャリア増幅回路、 ７…ピーク増幅回路、 ８，１０…伝送線路、 ９…合成点、 １３，６１，７１，１１３…入力整合回路、 １４，６２，７２…ＦＥＴ（増幅素子）、 １５，６３，７３，１１６…出力整合回路、 １６，６４，７４…高調波反射回路、 ６５，７５…Ｅ級処理回路

Claims (1)

1. ＡＢ級で動作するキャリア増幅回路と、Ｂ級又はＣ級で動作するピーク増幅回路とを有し、前記キャリア増幅回路と前記ピーク増幅回路の出力を合成して出力するドハティ増幅器を備えた高周波電力増幅器であって、
   入力された基本周波数の信号から２次高調波を発生し、前記２次高調波の位相及び振幅を調整して、前記ドハティ増幅器のキャリア増幅回路、又は前記キャリア増幅回路と前記ピーク増幅回路の双方、に出力する２次高調波発生回路を備えると共に、
   前記キャリア増幅回路、又は前記キャリア増幅回路と前記ピーク増幅回路の双方、にＥ級処理回路を備えたことを特徴とする高周波電力増幅器。

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