JP2010287930A - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 基本波と２次高調波を同時に整合をとって増幅することにより、２次高調波の反射特性を向上させ、ドハティ増幅器の効率を一層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】 キャリア増幅回路６に高調波反射回路６４を備えた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回路３を備え、発生した２次高調波をキャリア増幅回路６の入力に注入すると共に、基本波と２次高調波を互いに反射させて、他方の整合に影響を与えることなく基本波と２次高調波について同時に整合をとって合成してＦＥＴ６２に出力する基本波・２次高調波入力整合回路６５を備えた高周波電力増幅器としている。
【選択図】 図４

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］
従来のＦ級増幅器について簡単に説明する。
Ｆ級増幅器は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）をＢ級の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し、出力端子の負荷インピーダンスを、基本波周波数で整合、偶数次高調波周波数で短絡、さらに奇数次高調波周波数で開放として、ドレイン端子とソース端子との間の電圧の時間波形を、基本波と奇数次高調波成分のみを有する矩形波とするものである。

ＦＥＴの動作は、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ゼロの状態にすることができる。つまり、ＦＥＴで消費する電力をゼロにすることができる。

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る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。

［ドハティ増幅器及び高調波反射回路を設けたドハティ増幅器：図８］
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。
更に、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。
従来の高調波反射回路を備えたドハティ増幅器の構成について図８を用いて説明する。図８は、従来の高調波反射回路を備えたドハティ増幅器の構成を示す構成ブロック図である。
図８に示すように、従来の高調波反射回路を備えたドハティ増幅器は、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、高調波反射回路６４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、高調波反射回路７４とから構成されている。尚、高調波反射回路をキャリア増幅回路のみに設けたものもある。

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。高調波反射回路６４は、ＦＥＴ６２で発生する高調波を反射して、キャリア増幅回路６の効率を向上させる。

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。高調波反射回路７４は、ＦＥＴ７２で発生する高調波を反射して、ピーク増幅回路７の効率を向上させる。

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、更に出力負荷に整合するため、伝送線路１０で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。

尚、一般的なドハティ増幅器の構成は、図８の構成から高調波反射回路６４，７４を除いたものである。
ここで、ドハティ増幅器の効率について簡単に説明する。
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。
図８の構成では、キャリア増幅回路６とピーク増幅回路７に高調波反射回路を備えているので、一層の効率改善を図ることができるものである。

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、従来の高調波反射回路を組み合わせた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級で動作する第１の増幅素子と、第１の増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを有するキャリア増幅回路と、Ｂ級又はＣ級で動作する第２の増幅素子を有するピーク増幅回路とを備え、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高周波電力増幅器であって、キャリア増幅回路の入力側に、入力される基本波の２次高調波を生成する２次高調波発生回路を備え、キャリア増幅回路に、生成された２次高調波と基本波について、それぞれ第１の増幅素子との整合をとり、整合された２次高調波と基本波とを合成して第１の増幅素子に出力する基本波・２次高調波入力整合回路を備え、基本波・２次高調波入力整合回路が、基本波を入力する基本波入力端子と、２次高調波を入力する２次高調波入力端子と、整合された２次高調波と基本波とを合成する合成点と、合成点からの信号を出力する出力端子とを備え、基本波入力端子と出力端子との間に、基本波を第１の増幅素子に整合させる基本波用整合回路と、基本波の１／８波長の長さを備えた第１の伝送線路と、合成点とが直列に接続され、基本波用整合回路と第１の伝送線路との間の点に基本波の１／８波長の長さを備えた第１のオープンスタブが接続され、２次高調波用整合回路の出力側と基本波の１／４波長の長さを備えた第２のオープンスタブの間の点と、合成点とが、基本波の１／４波長の長さを備えた第２の伝送線路で接続されたことを特徴としている。

本発明によれば、ＡＢ級で動作する第１の増幅素子と、第１の増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを有するキャリア増幅回路と、Ｂ級又はＣ級で動作する第２の増幅素子を有するピーク増幅回路とを備え、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高周波電力増幅器であって、キャリア増幅回路の入力側に、入力される基本波の２次高調波を生成する２次高調波発生回路を備え、キャリア増幅回路に、生成された２次高調波と基本波について、それぞれ第１の増幅素子との整合をとり、整合された２次高調波と基本波とを合成して第１の増幅素子に出力する基本波・２次高調波入力整合回路を備え、基本波・２次高調波入力整合回路が、基本波を入力する基本波入力端子と、２次高調波を入力する２次高調波入力端子と、整合された２次高調波と基本波とを合成する合成点と、合成点からの信号を出力する出力端子とを備え、基本波入力端子と出力端子との間に、基本波を第１の増幅素子に整合させる基本波用整合回路と、基本波の１／８波長の長さを備えた第１の伝送線路と、合成点とが直列に接続され、基本波用整合回路と第１の伝送線路との間の点に基本波の１／８波長の長さを備えた第１のオープンスタブが接続され、２次高調波用整合回路の出力側と基本波の１／４波長の長さを備えた第２のオープンスタブの間の点と、合成点とが、基本波の１／４波長の長さを備えた第２の伝送線路で接続された高周波電力増幅器としているので、キャリア増幅回路において、２次高調波注入と２次高調波反射による効率改善を図ると共に、基本波・２次高調波入力整合回路において、基本波と２次高調波を互いに反射させて、他方の整合回路へ影響を与えないようにしてそれぞれ最適に整合をとることができ、２次高調波の反射効率を向上させて、２次高調波の注入レベルを低減することができ、高調波発生器における消費電力を低減することにより、増幅器全体の効率を一層向上させることができる効果がある。

高調波注入型ドハティ増幅器のブロック構成図である。 高調波発生器３２の構成ブロック図である。 別の高調波注入型ドハティ増幅器の構成を示す構成ブロック図である。 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）の構成を示す構成ブロック図である。 基本波・２次高調波入力整合回路の構成を示す回路図である。 第１の増幅器と、図１に示した２次高調波注入型ドハティ増幅器の出力−２次高調波注入レベル特性比較図である。 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。 従来の高調波反射回路を備えたドハティ増幅器の構成を示す構成ブロック図である。

［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る高周波電力増幅器は、キャリア増幅回路に高調波反射回路を備えたドハティ増幅器において、入力信号から２次高調波を発生する高調波発生回路と、基本波と２次高調波の両方について独立に整合をとり、合成して、キャリア増幅回路の増幅素子に出力する基本波・２次高調波整合回路とを備え、キャリア増幅回路において基本波と２次高調波の同時整合を容易にして、２次高調波の反射特性を向上させ、２次高調波の注入レベルを小さくでき、増幅器全体の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波、キャリア増幅回路とピーク増幅回路に高調波反射回路を備えたドハティ増幅器において、入力信号から２次高調波を発生する高調波発生回路と、２次高調波を分配する分配器と、基本波と分配された一方の２次高調波について独立に整合をとって、合成してキャリア増幅回路の増幅素子に出力する第１の基本波・２次高調波整合回路と、基本波と分配された他方の２次高調波について独立に整合をとって、合成してピーク増幅回路の増幅素子に出力する第２の基本波・２次高調波整合回路とを備え、キャリア増幅回路とピーク増幅回路の両方において、基本波と２次高調波の同時整合を容易にし、２次高調波の注入レベルを小さくして、増幅器全体の効率を向上させることができるものである。

［高調波注入型ドハティ増幅器（１）：図１］
本発明の実施の形態について説明する前に、発明者らによって提案されている、高調波を注入することによって効率の向上を図るドハティ増幅器（高調波注入型ドハティ増幅器）について図１を用いて説明する。図１は、高調波注入型ドハティ増幅器のブロック構成図である。
図１に示すように、高調波注入型ドハティ増幅器は、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の入力段に、２次高調波を発生する高調波発生回路３と、入力信号と２次高調波とを合成する合成回路３６を設けた構成である。

具体的には、高調波注入型ドハティ増幅器は、入力端子１と、高調波発生回路３と、分配器４と、合成器３６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、出力端子２とを備えている。つまり、第１の増幅器は、図８に示した従来の高調波反射回路を備えたドハティ増幅器に、高調波発生回路３と合成器３６とを備えた構成である。従来と同様の部分については説明を省略する。

キャリア増幅回路６に設けられた高調波反射回路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ものである。尚、高調波反射回路６４は、出力整合回路６３の前に設けてもよい。

［高調波発生回路３の構成：図１］
高調波発生回路３の構成について説明する。
高調波発生回路３は、高調波を発生する回路であり、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、ここでは２次高調波を発生するものとしている。

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、可変減衰器３４、高調波発生器３２の配列順が変わっても構わない。

可変移相器３３及び可変減衰器３４では、高調波発生器３２で発生した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の関係が最適となるよう調整すると共に、基本波と２次高調波との位相のずれ及び振幅レベルの比が最適となるよう調整するものである。

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６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で必要な高調波の出力レベル及び位相を正確に調整でき、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、高調波発生回路３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。

また、図１の高調波注入型ドハティ増幅器では、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、キャリア増幅回路６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６４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。

［高調波発生器３２の構成：図２］
高調波発生回路３の、高調波発生器３２の構成について図２を用いて説明する。図２は、高調波発生器３２の構成ブロック図である。
高調波発生器３２は、入力端子３２１と、入力整合回路３２３と、ダイオード３２４と、出力整合回路３２５と、出力端子３２２とが直列に接続された構成である。
ダイオード３２４は入力端子３２１から入力された基本波を用いて２次高調波を発生する。
入力整合回路３２３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り、出力整合回路３２５は、ダイオード３２４から発生する２次高調波をできるだけ無駄なく出力するために、２次高調波に整合されたインピーダンス変換回路である。
尚、ここではダイオードを用いた場合の構成について説明したが、増幅素子を用いて構成することも可能であり、２次高調波を発生するのであれば別の方法を用いてもよい。

入力整合回路３２３、出力整合回路３２５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。

そして、高調波発生器３２の入力端子３２１から入力された入力信号は、入力整合回路３２３でインピーダンス変換され、ダイオード３２４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３２５で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３２２から出力される。

［高調波注入型ドハティ増幅器の動作：図１］
高調波注入型ドハティ増幅器の動作について図１を用いて説明する。
図１に示した高調波注入型ドハティ増幅器では、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、高調波発生回路３の分配器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。
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。

高調波発生回路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で遅延されて合成器３６に入力され、分配器４で分配されて、分配された一方の基本波信号は、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、キャリア増幅回路６に入力される。キャリア増幅回路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に入力される。
分配器４で分配された他方の基本波信号は、移相器５を経てピーク増幅回路７に入力されて、増幅され、合成点９に入力される。
そして、合成点９において合成後、伝送線路１０を経て出力端子２から出力される。

すなわち、図１の高調波注入型ドハティ増幅器では、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。

また、図１の高調波注入型ドハティ増幅器では、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ものである。

［高調波注入型ドハティ増幅器（２）：図３］
次に、高調波注入型ドハティ増幅器の別の構成について図３を用いて説明する。図３は、別の高調波注入型ドハティ増幅器の構成を示す構成ブロック図である。
図３に示すように、別の高調波注入型ドハティ増幅器は、図１の高調波注入型ドハティ増幅器と同様に、キャリア増幅回路６に高調波反射回路６４を設けて入力に２次高調波を注入すると共に、ピーク増幅回路７にも高調波反射回路７４を設け、ピーク増幅回路７の入力に２次高調波を注入するものである。
すなわち、別の高調波注入型ドハティ増幅器は、図１に示した高調波注入型ドハティ増幅器の構成に加えて、分配器３８と、合成器３７と、高調波反射回路７４とを備えたものである。他の部分は図１に示した高調波注入ドハティ増幅器と同様であるため説明を省略する。

分配器３８は、２次高調波発生器３２で発生され、位相及び振幅が調整された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。
合成器３７は、分配器４で分配され、位相調整された基本波信号と、分配器３８で分配された２次高調波とを合成し、合成信号をピーク増幅回路７に出力する。
高調波反射回路７４は、ＦＥＴ７２から出力される２次高調波を反射してピーク増幅回路７の効率を向上させる。

別の高調波注入型ドハティ増幅器では、高調波発生回路３で発生された最適レベルの２次高調波は、分配器３８で分配され、一方は合成器３６で基本波と合成されてキャリア増幅回路６に入力され、他方は合成器３７で基本波と合成されてピーク増幅回路７に入力され、それぞれ増幅されて、合成点９で合成されて、伝送線路１０を介して出力端子２から出力される。
このようにして別の高調波注入型ドハティ増幅器の動作が行われるようになっている。

そして、図３に示した別の高調波注入型ドハティ増幅器では、キャリア増幅回路６とピーク増幅回路７の入力に２次高調波を注入して、キャリア増幅回路６とピーク増幅回路７の両方において高調波反射による効率向上を図り、ドハティ増幅器全体の効率を向上させることができるものである。
また、キャリア増幅回路６とピーク増幅回路７の２次高調波の注入量及び位相を変える場合には、移相器や減衰器をそれぞれに対応して設けることも可能である。

［第１の実施の形態に係る高周波増幅装置］
次に、本発明の第１の実施の形態に係る高周波増幅器（第１の増幅器）について説明する。
第１の増幅器は、図１に示した高調波注入型ドハティ増幅器において、更に、キャリア増幅回路の入力整合回路での基本波と２次高調波の同時整合を可能として、注入する２次高調波のレベルを低減し、高周波電力増幅器全体の効率を一層向上させることを目的とするものである。

［第１の増幅器の構成：図４］
第１の増幅器の構成について図４を用いて説明する。図４は、第１の増幅器の構成を示す構成ブロック図である。
図４に示すように、第１の増幅器は、図１に示した高調波注入型ドハティ増幅器の、合成器３６と入力整合回路６１の代わりに、キャリア増幅回路６に基本波・２次高調波入力整合回路６５を備えた構成である。他の構成部分については図１の増幅器と同じであるため、説明を省略する。
尚、キャリア増幅回路６のＦＥＴ６２は、請求項に記載した第１の増幅素子に相当し、ピーク増幅回路７のＦＥＴ７２は、第２の増幅素子に相当している。

一般の入力整合回路では、仮に基本波を中心に整合させた場合、２次高調波の整合がずれ、２次高調波の反射特性が劣化するため、その分注入しなければならない２次高調波レベルが大きくなってしまう。その結果、２次高調波発生器の消費電力が大きくなり、増幅器全体の高効率化の妨げとなってしまう恐れがある。
そこで、第１の増幅器では、キャリア増幅回路６に入力される基本波信号と、２次高調波の両方について同時にそれぞれ独立して整合をとり、それを合成してＦＥＴ６２に入力する基本波・２次高調波入力整合回路６を備えた構成としている。

［基本波・２次高調波入力整合回路：図５］
ここで、第１の増幅器の特徴部分である基本波・２次高調波入力整合回路６５について図５を用いて説明する。図５は、基本波・２次高調波入力整合回路の構成を示す回路図である。
図５に示すように、基本波・２次高調波入力整合回路６５は、基本波入力端子６５１と、２次高調波入力端子６５２と、出力端子６５３と、基本波用整合回路６５４と、２次高調波用整合回路６５５と、基本波の１波長をλとしたλ／８のオープンスタブ６５６と、λ／８の伝送線路６５７と、点６５８と、同じく基本波の１波長をλとしたλ／４のオープンスタブ６５９と、λ／４の伝送線路６６０と、点６６１と、合成点６６２とから構成されている。
尚、伝送線路６５７，６６０は、それぞれ、請求項に記載した第１の伝送線路、第２の伝送線路に相当し、オープンスタブ６５６，６５９は、それぞれ、第１のオープンスタブ、第２のオープンスタブに相当している。

そして、基本波入力端子６５１と出力端子６６３との間に、基本波用整合回路６５４とλ／８の伝送線路６５７とが直列に接続され、基本波用整合回路６５４とλ／８の伝送線路６５７との間の点６５８にλ／８のオープンスタブ６５６が接続されている。
また、２次高調波入力端子６５２には２次高調波用整合回路６５５が接続され、点６６１にはλ／４のオープンスタブ６５９が接続されている。
そして、λ／８の伝送線路６５７と出力端子６５３との間に設けられた合成点６６２と、点６６１との間は、λ／４の伝送線路６６０で接続されている。

［基本波・２次高調波入力整合回路の動作：図５］
次に、基本波・２次高調波入力整合回路６５の動作について図５を用いて説明する。
図４の分配器４から出力された基本波は、基本波入力端子６５１に入力され、基本波用整合回路６５４でＦＥＴ６２のインピーダンスに合わせて整合される。
整合された基本波は、点６５８に入力される。点６５８から見てλ／８のオープンスタブ６５６は開放となるので、全ての基本波はλ／８の伝送線路６５７を通過し、合成点６６２に入る。

基本波は、合成点６６２において、λ／４のオープンスタブ６５９の先端が開放であるので、点６６１は短絡となる。よって合成点６６２から見てλ／４の伝送線路６６０は開放となるので、全ての基本波は出力端子６５３に出力される。
よって、基本波が２次高調波用整合回路６５５に影響を与えることはなく、２次高調波用整合回路６５５は、２次高調波のみについて独立して整合をとることができるものである。

また、図４の可変減衰器３４から出力された２次高調波は、２次高調波入力端子６５２から入力され、２次高調波用整合回路６５５でＦＥＴ６２のインピーダンスに合わせて整合される。
整合された２次高調波は、点６６１に入力される。点６６１から見てλ／４のオープンスタブ６５９は開放となるので、全ての２次高調波はλ／４の伝送線路６６０を通過し、合成点６６２に入る。

２次高調波は、合成点６６２において、λ／８のオープンスタブ６５６の先端が開放であるので、点６５８は短絡となる。よって合成点６６２から見てλ／８の伝送線路６５７は開放となるので、全ての２次高調波は出力端子６５３に出力される。
よって、２次高調波が基本波用整合回路６５４に影響を与えることはなく、基本波用整合回路６５４は、基本波のみについて独立して整合をとることができるものである。

すなわち、第１の増幅器の基本波・２次高調波入力整合回路では、適切な伝送線路とオープンスタブを組み合わせて用いることにより、基本波と２次高調波のそれぞれについて、互いに他方の整合回路へ影響を及ぼさないよう反射させて、損失なく合成することができるものである。
これにより、基本波用整合回路６５４では、２次高調波の調整に影響されることなく基本波について整合をとり、また、２次高調波用整合回路６５５では、基本波の調整に影響されることなく２次高調波について整合をとることができるものとなる。

つまり、第１の増幅器では、基本波及び２次高調波のそれぞれについて最適に整合をとって合成することにより、２次高調波を効率よく注入して損失なく合成することができ、また、高調波反射回路６４での反射特性を向上させて、注入する２次高調波のレベルを低減し、高調波発生回路３での消費電力を低減して、ドハティ増幅器全体の効率を向上させることができるものである。

［第１の増幅器の特性：図６］
次に、第１の増幅器の特性について図６を用いて説明する。図６は、第１の増幅器と、図１に示した２次高調波注入型ドハティ増幅器の出力−２次高調波注入レベル特性比較図である。
図６では、図１の２次高調波注入型ドハティ増幅器の２次高調波注入レベルを実線で示し、第１の増幅器の２次高調波注入レベルを点線で示している。

図６に示すように、一般の入力整合回路を用いた図１の２次高調波注入型ドハティ増幅器では、入力整合回路６１において基本波と２次高調波の同時整合が困難であり、基本波を中心に整合させた場合、２次高調波の反射特性が劣化してしまうことがある。そのため、注入しなければならない２次高調波レベルが大きくなり、その結果、高調波発生器３２の消費電力が大きくなる。
これに対して、第１の増幅器では、入力整合回路にスタブや伝送線路を追加した基本波・２次高調波入力整合回路６５を設けたことで、基本波と２次高調波のそれぞれについて、独立して整合をとることが可能となり、２次高調波注入レベルを大幅に低減できることがわかる。
その結果、高調波発生器３２の消費電力を小さくできるので、高周波電力増幅器の高効率化を図ることができるものである。

［第１の増幅器の動作：図４］
第１の増幅器の動作について図４を用いて説明する。
第１の増幅器では、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で分配されて、その一方の基本波信号は、高調波発生器３２基本波周波数の２倍の周波数の２次高調波が生成され、可変移相器３３で位相が調整され、可変減衰器３４で最適レベルの調整が行われ、基本波・２次高調波入力整合回路６５に入力される。

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で遅延されて位相が遅らされ、分配器４でキャリア増幅回路６側とピーク増幅回路７側に分配される。
キャリア増幅回路６側に分配された基本波信号は、キャリア増幅回路６の基本波・２次高調波入力整合回路６５に入力されて、基本波用整合回路６５４で整合され、合成点６６２に入力される。
また、基本波・２次高調波入力整合回路６５に入力された２次高調波は、２次高調波用整合回路６５５で整合され、合成点６６２に入力される。

合成点６６２では、それぞれ独立して整合された基本波信号と２次高調波が合成されて、出力端子６５３に出力される。この合成された信号がＦＥＴ６２の入力信号となって、ＦＥＴ６２で増幅され、伝送線路８を介して合成点９に入力される。

一方、分配器４でピーク増幅回路７側に分配された信号は、移相器５で位相調整され、ピーク増幅回路７で増幅されて合成点９に入力される。
合成点９では、キャリア増幅回路６側からの信号とピーク増幅回路７側からの信号とが合成され、伝送線路１０を介して出力端子２に出力される。
このようにして第１の増幅器の動作が行われる。

［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、キャリア増幅回路６に高調波反射回路６４を備えたドハティ増幅器において、ドハティ増幅器の入力段に、２次高調波を発生する高調波発生回路３を備え、キャリア増幅回路６に、基本波信号と２次高調波とをそれぞれ独立に整合をとって合成し、ＦＥＴ６２に出力する基本波・２次高調波入力整合回路６５を備えた高周波電力増幅器としているので、広い入力レベルの範囲で動作するキャリア増幅回路６において２次高調波のレベルを増大させて高調波反射による効率向上を図ると共に、キャリア増幅回路６の入力信号となる基本波信号と２次高調波の整合をいずれも最適に調整することができ、２次高調波の反射特性を向上させ、注入される２次高調波のレベルを低減することができ、高調波発生回路３の消費電力を低減して、ドハティ増幅器全体の効率を一層向上させることができる効果がある。

［第２の実施の形態：図７］
次に第２の実施の形態に係る高周波電力増幅器（第２の増幅器）について図７を用いて説明する。図７は、第２の実施の形態に係る高周波電力増幅器の構成ブロック図である。
図７に示すように、第２の増幅器は、図３に示した別の高調波注入型ドハティ増幅器の合成器３６とキャリア増幅回路６の入力整合回路６１の代わりに、基本波・２次高調波入力整合回路６５を備え、更に、合成器３７とピーク増幅回路７の入力整合回路７１の代わりに、基本波・２次高調波入力整合回路６５とを備えた構成である。他の構成部分については図３の増幅器と同じであるため、説明を省略する。

また、キャリア増幅回路６に設けられた基本波・２次高調波入力整合回路（第１の基本波・２次高調波入力整合回路）６５は、図４に示した第１の増幅器の基本波・２次高調波入力整合回路６５と同様である。
更に、ピーク増幅回路７に設けられた基本波・２次高調波入力整合回路（第２の基本波・２次高調波入力整合回路）７５の構成は、基本波・２次高調波入力整合回路６５と同様の構成及び動作となっている。つまり、基本波・２次高調波入力整合回路７５の構成は図５に示した構成と同じである。

第２の増幅器の動作について説明する。
第２の増幅器の動作は、基本的な動作は第１の増幅器と同様であるため、特徴部分の動作についてのみ説明する。
第２の増幅器では、高調波発生回路３の高調波発生器３２で発生された２次高調波は、位相及び振幅を調整され、分配器３８によってキャリア増幅回路６側とピーク増幅回路７側とに分配される。
ピーク増幅回路７側に分配された２次高調波は、基本波・２次高調波入力整合回路７５に入力され、２次高調波用整合回路で整合され、合成点に入力される。
一方、分配器４で分配され、位相を調整された基本波信号は、基本波・２次高調波入力整合回路７５に入力され、基本波用整合回路で整合され、合成点に入力される。

そして、基本波・２次高調波入力整合回路７５の合成点で、それぞれ独立して整合された基本波信号と２次高調波が合成されて、ピーク増幅回路７のＦＥＴ７２の入力信号となって増幅され、合成点９に入力される。
そして、合成点９においてキャリア増幅回路６側からの信号と合成され、伝送線路１０を介して出力端子２に出力される。このようにして第２の増幅器の動作が行われるものである。

第２の増幅器では、ＦＥＴ６２とＦＥＴ７２の性能にもよるが、ピーク増幅回路７にも２次高調波を注入し、基本波・２次高調波入力整合回路７５において、基本波と２次高調波をそれぞれ独立して整合をとって、２次高調波の反射特性を向上させているので、より高効率な２次高調波注入型ドハティ増幅器を実現す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、キャリア増幅回路６に高調波反射回路６４を備え、ピーク増幅回路７に高調波反射回路７４を備えた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回路３を備え、キャリア増幅回路６に、基本波信号と２次高調波とをそれぞれ独立に整合をとって合成し、ＦＥＴ６２に出力する第１の基本波・２次高調波入力整合回路６５を備え、更にピーク増幅回路７に、基本波信号と２次高調波とをそれぞれ独立に整合をとって合成し、ＦＥＴ７２に出力する第２の基本波・２次高調波入力整合回路７５を備えた高周波電力増幅器としているので、キャリア増幅回路６及びピーク増幅回路７において、入力信号となる基本波信号と２次高調波の整合をいずれも最適に調整することができ、２次高調波の反射特性を向上させ、注入される２次高調波のレベルを低減することができ、高調波発生回路３の消費電力を低減して、ドハティ増幅器全体の効率を一層向上させることができる効果がある。

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…入力端子、 ２…出力端子、 ３…高調波発生回路、 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、 ６１，７１…入力整合回路、 ６２，７２…ＦＥＴ、 ６３，７３…出力整合回路、 ６４，７４…高調波反射回路、 ３１…分配器、 ３２…高調波発生器、 ３３…可変移相器、 ３４…可変減衰器、 ３５…遅延線、 ３６，３７…合成器、 ３８…分配器、 ３２３…入力整合回路、 ３２４…ダイオード、 ３２５…出力整合回路、 ６５，７５…基本波・２次高調波入力整合回路、 ６５１…基本波入力端子、 ６５２…２次高調波入力端子、 ６５３…出力端子、 ６５４…基本波要請号回路、 ６５５…２次高調波用整合回路、 ６５６，６５９…オープンスタブ、 ６５７，６６０…伝送線路、 ６５８，６６１…点、 ６６２…合成点

Claims (1)

1. ＡＢ級で動作する第１の増幅素子と、前記第１の増幅素子から出力される２次高調波周波数を反射する高調波反射回路とを有するキャリア増幅回路と、
   Ｂ級又はＣ級で動作する第２の増幅素子を有するピーク増幅回路とを備え、
   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高周波電力増幅器であって、
   前記キャリア増幅回路の入力側に、入力される基本波の２次高調波を生成する２次高調波発生回路を備え、
   前記キャリア増幅回路に、前記生成された２次高調波と前記基本波について、それぞれ前記第１の増幅素子との整合をとり、整合された２次高調波と基本波とを合成して前記第１の増幅素子に出力する基本波・２次高調波入力整合回路を備え、
   前記基本波・２次高調波入力整合回路が、前記基本波を入力する基本波入力端子と、前記２次高調波を入力する２次高調波入力端子と、整合された２次高調波と基本波とを合成する合成点と、前記合成点からの信号を出力する出力端子とを備え、
   前記基本波入力端子と前記出力端子との間に、前記基本波を前記第１の増幅素子に整合させる基本波用整合回路と、前記基本波の１／８波長の長さを備えた第１の伝送線路と、前記合成点とが直列に接続され、前記基本波用整合回路と前記第１の伝送線路との間の点に前記基本波の１／８波長の長さを備えた第１のオープンスタブが接続され、
   前記２次高調波入力端子に前記２次高調波を前記第１の増幅素子に整合させる２次高調波用整合回路が接続され、前記２次高調波用整合回路の出力側に前記基本波の１／４波長の長さを備えた第２のオープンスタブが接続され、
   前記２次高調波用整合回路の出力側と前記第２のオープンスタブの間の点と、前記合成点とが、前記基本波の１／４波長の長さを備えた第２の伝送線路で接続されたことを特徴とする高周波電力増幅器。

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