JP2012244545A - リニアライザ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイオードから見るインピーダンスが変化しても、利得特性と位相特性の単調変化を実現することができるリニアライザを得ることを目的とする。
【解決手段】アノードが信号路３に接続されて、順方向に電圧が印加されているダイオード１５と、アノードが信号路４に接続されて、順方向に電圧が印加されているダイオード１６とを備え、ダイオード１５のカソードとダイオード１６のカソードとの接続点がバイアス接地用ビアホール１７に接地されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、衛星通信用増幅器、移動体通信用増幅器や地上マイクロ波通信用増幅器などに適用され、振幅非線形性及び位相非線形性を補償する低歪増幅器用のリニアライザに関するものである。

一般的に通信用増幅器には線形性が求められ、その線形性は通信の劣化を防ぐ重要なファクターとなっている。
また、同時に増幅器には高効率化が求められており、昨今の増幅器には線形性を改善するためにリニアライザや歪み補償回路を併用していることが多い。
リニアライザや歪み補償回路は、大きく３つに分類され、負帰還形、フィードフォワード型、プリディストーター型がある。

負帰還形は主に低周波で用いられる技術であり、フィードフォワード型は線形性が非常に高く、高い線形性が求められる場合に使用される。
プリディストーター型はディジタル型とアナログ型に分類され、ディジタル型は比較的高い線形性が用いられる場合に用いられ、高出力で高効率な増幅器に適用されることが多い。
アナログ型は比較的線形性が低くてもシステム動作する場合に用いられ、低コスト化に非常に有利な構成である。

アナログ型のプリディストーターにおいて、ダイオードを用いているダイオードリニアライザは、小型かつ低コストであり、原理的には、広帯域に線形性を改善することができる。
ここで、図８は以下の特許文献１に開示されているダイオードリニアライザを示す構成図である。
図８のダイオードリニアライザでは、信号路の入力側と出力側にキャパシタＣが直列に接続されており、アノードが信号路に接続されて、カソードが接地されているダイオードが、直流電源によって順方向に直流電圧が印加されている。
このリニアライザでは、入力電力Ｐｉｎの増加に対して、利得Ｇａｉｎが増加して、位相Ｐｈａｓｅが遅れる特性が得られる。

このリニアライザでは、ダイオードに印加する直流電圧を変化させることで、利得や通過位相特性を容易に調整することができる。
また、直流電源と信号路の間に接続されている抵抗素子の抵抗値を変化させることで、利得や通過位相特性のほか、入力電力に対する感度を調整することができる。
しかし、このリニアライザでは、比較的周波数が高くなると、単調に利得が増加しない特性に変化する。
図９は高周波帯で測定された出力電力に対する利得特性を示すグラフ図である。
図９に示すように、高周波帯では、利得特性が単調に増加していないことが分かる。原因は、ダイオードのカソードとアノードにおける寄生成分の影響と、ダイオードのＲＦ接地のインダクタンスの影響である。

また、図１０は以下の特許文献２に開示されているダイオードリニアライザを示す構成図である。
図１０のダイオードリニアライザは、図８のダイオードリニアライザで高周波化を妨げているダイオードのカソードとアノードにおける寄生成分の影響や、ダイオードのＲＦ接地のインダクタンスの影響を改善している。
図１０のダイオードリニアライザでは、入力信号を２分配して、位相が１８０度異なる２つの分配信号を出力する分配器と、その分配器から出力された分配信号を伝送する２つの信号路と、２つの信号路により伝送された２つの分配信号の位相を揃えて、２つの分配信号を合成する合成器とを設け、直流電源から供給される直流電流が、抵抗を介して順方向に印加されるダイオードを２つの信号路の間に挿入している。

これにより、このリニアライザでは、高周波帯でも利得特性が単調に変化する効果が得られる。
図１１は高周波帯で測定された出力電力に対する利得特性と位相特性を示すグラフ図である。
図１１に示すように、高周波帯でも、入力電力に対して単調な利得特性と位相特性が得られていることが分かる。
しかし、周波数やバイアス条件を変更することで、図１２（ｂ）に示すように、リップルを持つ特性になることがある。特に位相特性に顕著に現れる。
これは、図１２（ａ）において、反射特性ΓＡ，ΓＡ’が、ΓＡ≠ΓＡ’、 ΓＢ≠ΓＢ’となり、インピーダンスが異なることによって生じるものである。

図１２（ｃ）は点IIと点IIIにおける高周波帯での利得特性、位相特性及びインピーダンスを示しており、利得特性では大きな変化はないが、位相特性にリップルが存在し、その結果、図１２（ｂ）に示すようなリップルを持つ特性になる。このときのインピーダンスは、図１２（ｃ）に示すように異なる。
このように、インピーダンスが異なるためにバランス動作しなくなり、図１２（ｃ）に示すように、位相特性でリップルを生じることになり、合成した位相特性も図１２（ｂ）に示すようにリップルを持つ特性になる。

図１０のダイオードリニアライザにおけるダイオードの等価回路は、図１３（ａ）に示すように、接合容量Ｃと内部抵抗Ｇで表される。
理想的には、ダイオードのカソードとアノードの両端において、１８０度の位相差があり、バランス動作していれば、図１３（ｂ）のように、ダイオードの接合容量２Ｃと内部抵抗２Ｇに分割されて、その中点にはＲＦ的に仮想接地点が形成され、アノードから見た回路もカソードから見た回路も同じ動作をする。

しかし、ダイオードのアノードから見たインピーダンスと、ダイオードのカソードから見たインピーダンスは、分配器と１８０度線路によって理想的にはならない。
そのため、ダイオードの接合容量が２Ｃ±α、内部抵抗が２Ｇ±βとなり、両端の利得特性と位相特性が異なることになる。

特許第３３３５９０７号（段落番号［００１７］、図１） 特開２０１０−２３３０５５号公報（段落番号［００１１］、図１）

従来のリニアライザは以上のように構成されているので、特許文献１の場合、ダイオードのカソードとアノードにおける寄生成分の影響や、ダイオードのＲＦ接地におけるインダクタンスの影響で、高周波帯では利得特性が単調に増加しなくなる課題があった。
特許文献２の場合、高周波帯でも、入力電力に対して単調な利得特性と位相特性が得られるが、周波数やバイアス条件を変更すると、位相特性がリップルを持つ特性になることがある課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、ダイオードから見るインピーダンスが変化しても、利得特性と位相特性の単調変化を実現することができるリニアライザを得ることを目的とする。

この発明に係るリニアライザは、入力信号を２分配して、位相が１８０度異なる第１の分配信号と第２の分配信号を出力する信号分配器と、信号分配器から出力された第１の分配信号を伝送する第１の信号路と、信号分配器から出力された第２の分配信号を伝送する第２の信号路と、第１の信号路により伝送された第１の分配信号と第２の信号路により伝送された第２の分配信号の位相を揃えて、第１の分配信号と第２の分配信号を合成する信号合成器と、アノードが第１の信号路に接続されて、順方向に電圧が印加されている第１のダイオードと、アノードが第２の信号路に接続されて、順方向に電圧が印加されている第２のダイオードとを備え、第１のダイオードのカソードと第２のダイオードのカソードとの接続点が接地されているようにしたものである。

この発明によれば、入力信号を２分配して、位相が１８０度異なる第１の分配信号と第２の分配信号を出力する信号分配器と、信号分配器から出力された第１の分配信号を伝送する第１の信号路と、信号分配器から出力された第２の分配信号を伝送する第２の信号路と、第１の信号路により伝送された第１の分配信号と第２の信号路により伝送された第２の分配信号の位相を揃えて、第１の分配信号と第２の分配信号を合成する信号合成器と、アノードが第１の信号路に接続されて、順方向に電圧が印加されている第１のダイオードと、アノードが第２の信号路に接続されて、順方向に電圧が印加されている第２のダイオードとを備え、第１のダイオードのカソードと第２のダイオードのカソードとの接続点が接地されているように構成したので、ダイオードから見るインピーダンスが変化しても、利得特性と位相特性の単調変化を実現することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるリニアライザを示す構成図である。 ダイオード１５，１６から見た反射特性ΓＡ，ΓＡ’を示す説明図である。 リニアライザの振幅特性及び位相特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態４によるリニアライザを示す構成図である。 この発明の実施の形態４によるリニアライザを示す構成図である。 この発明の実施の形態５によるリニアライザを示す構成図である。 この発明の実施の形態６によるリニアライザを示す構成図である。 特許文献１に開示されているダイオードリニアライザを示す構成図である。 高周波帯で測定された出力電力に対する利得特性を示すグラフ図である。 特許文献２に開示されているダイオードリニアライザを示す構成図である。 高周波帯で測定された出力電力に対する利得特性と位相特性を示すグラフ図である。 高周波帯での利得特性、位相特性及びインピーダンスを示す説明図である。 図１０のダイオードリニアライザにおけるダイオードを示す等価回路である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるリニアライザを示す構成図である。
図１のリニアライザは、図示せぬ増幅器の入力側又は出力側に設けられるものを想定している。
図１において、入力端子１はＲＦ信号（入力信号）が入力される端子である。
１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２は入力端子１から入力されたＲＦ信号を２分配して、位相が１８０度異なる分配信号ｆ（Ｐ）と分配信号ｆ（Ｍ）を出力する処理を実施する。
なお、１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２は信号分配器を構成しており、分配信号ｆ（Ｐ）は第１の分配信号に相当し、分配信号ｆ（Ｍ）は第２の分配信号に相当する。

第１の信号路である信号路３は分配信号ｆ（Ｐ）に含まれている直流成分の伝送を阻止するＤＣカットとして、キャパシタ５，６が挿入されており、１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２から出力された分配信号ｆ（Ｐ）を伝送する。
第２の信号路である信号路４は分配信号ｆ（Ｍ）に含まれている直流成分の伝送を阻止するＤＣカットとして、キャパシタ７，８が挿入されており、１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２から出力された分配信号ｆ（Ｍ）を伝送する。

１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路９は信号路３により伝送された分配信号ｆ（Ｐ）と信号路４により伝送された分配信号ｆ（Ｍ）の位相を揃えて、その分配信号ｆ（Ｐ）と分配信号ｆ（Ｍ）を合成し、その合成信号を出力端子１０に出力する処理を実施する。なお、１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路９は信号合成器を構成している。
直流電源１１はバイアス印加用抵抗１２を介して信号路３と接続されており、直流電源１３はバイアス印加用抵抗１４を介して信号路４と接続されている。

第１のダイオードであるダイオード１５はアノードが信号路３と接続され、カソードがダイオード１６のカソード及びバイアス接地用ビアホール１７と接続されており、直流電源１１から供給される直流電流によって、順方向に直流電圧が印加されている。
第２のダイオードであるダイオード１６はアノードが信号路４と接続され、カソードがダイオード１５のカソード及びバイアス接地用ビアホール１７と接続されており、直流電源１３から供給される直流電流によって、順方向に直流電圧が印加されている。

次に動作について説明する。
入力端子１から入力されたＲＦ信号は、１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２を通過して２分配される。
１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２により２分配された分配信号ｆ（Ｐ）と分配信号ｆ（Ｍ）は、互いに１８０度の位相差を有している。

１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２により２分配された分配信号ｆ（Ｐ）は信号路３に出力され、その信号路３によって１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路９に伝送される。
ただし、分配信号ｆ（Ｐ）に含まれている直流成分は、信号路３に挿入されているキャパシタ５，６によって伝送が阻止される。
また、１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２により２分配された分配信号ｆ（Ｍ）は信号路４に出力され、その信号路４によって１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路９に伝送される。
ただし、分配信号ｆ（Ｍ）に含まれている直流成分は、信号路４に挿入されているキャパシタ７，８によって伝送が阻止される。

１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路９により入力された分配信号ｆ（Ｐ）と分配信号ｆ（Ｍ）は、位相が揃えられて合成され、その合成信号（分配信号ｆ（Ｐ）＋分配信号ｆ（Ｍ））が出力端子１０から外部に出力される。

ここで、ダイオード１５は、直流電源１１から供給される直流電流によって、順方向に直流電圧が印加されており、カソードがバイアス接地用ビアホール１７に接続されている。
また、ダイオード１６は、直流電源１３から供給される直流電流によって、順方向に直流電圧が印加されており、カソードがバイアス接地用ビアホール１７に接続されている。
これにより、１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２により２分配された分配信号ｆ（Ｐ）と分配信号ｆ（Ｍ）は、ダイオード１５，１６のカソードでＲＦ的に仮想接地される。
なお、分配信号ｆ（Ｐ）と分配信号ｆ（Ｍ）は、ダイオード１５，１６のアノードを通過する際に、その分配信号ｆ（Ｐ），ｆ（Ｍ）の電力の大きさに対して、利得と位相が変化する。
その振幅特性及び位相特性は、図示せぬ増幅器と逆の振幅特性及び位相特性を有している。

次に、回路のインピーダンスについて説明する。
ここでは、図１のリニアライザにおいて、入力側のみの回路を考え（図２（ａ）を参照）、ダイオード１５，１６から見た反射特性をΓＡ，ΓＡ’とする。
理想的には、図２（ｂ）に示すように、反射特性ΓＡ，ΓＡ’は５０Ωになる。
この場合、リニアライザの振幅特性及び位相特性は、図３（ａ）に示すように、従来例（例えば、特許文献２に開示されているリニアライザ）の構成でも、本発明の構成でも、同様の単調な特性になる。

ただし、周波数が高くなっていくと理想からずれていき、ダイオード１５，１６から見た反射特性ΓＡ，ΓＡ’は図２（ｃ）のようになる。
このような場合でも、リニアライザの振幅特性及び位相特性は、図３（ｂ）に示すように、従来例の構成でも、本発明の構成でも、同様の単調な特性になる。
しかし、更に周波数が高くなると、反射振幅も反射位相も異なり、ダイオード１５，１６から見た反射特性ΓＡ，ΓＡ’は、図２（ｄ）に示すように異なる。
この場合、従来例の構成では、図３（ｃ）に示すように、位相特性にリップルを生じており、単調に動作していない。一方、本発明の構成では、位相特性にリップルを生じておらず、単調に動作する。
したがって、図１のリニアライザでは、使用する周波数が高くなることで、ダイオード１５，１６から見るインピーダンスが変化しても、利得特性と位相特性が単調に変化する。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、ＲＦ信号を２分配して、位相が１８０度異なる分配信号ｆ（Ｐ）と分配信号ｆ（Ｍ）を出力する１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２と、１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２から出力された分配信号ｆ（Ｐ）を伝送する信号路３と、１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２から出力された分配信号ｆ（Ｍ）を伝送する信号路４と、信号路３により伝送された分配信号ｆ（Ｐ）と信号路４により伝送された分配信号ｆ（Ｍ）の位相を揃えて、その分配信号ｆ（Ｐ）と分配信号ｆ（Ｍ）を合成する１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路９と、アノードが信号路３に接続されて、順方向に電圧が印加されているダイオード１５と、アノードが信号路４に接続されて、順方向に電圧が印加されているダイオード１６とを備え、ダイオード１５のカソードとダイオード１６のカソードとの接続点がバイアス接地用ビアホール１７に接地されているように構成したので、ダイオード１５，１６から見るインピーダンスが変化しても、利得特性と位相特性の単調変化を実現することができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、ＲＦ信号を２分配する信号分配器として１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２を使用するものを示したが、信号分配器は１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２に限るものではない。
例えば、信号分配器として、ＲＦ信号を２分配して、分配信号ｆ（Ｐ）と分配信号ｆ（Ｍ）を出力するウィルキンソン分配器と、そのウィルキンソン分配器から出力された分配信号ｆ（Ｐ）の位相を略１８０度遅延する２分の１波長線路とから構成し、位相遅延後の分配信号ｆ（Ｐ）を信号路３に出力して、そのウィルキンソン分配器により分配された分配信号ｆ（Ｍ）を信号路４に出力するようにしてもよい。
ここでは、２分の１波長線路が分配信号ｆ（Ｐ）の位相を略１８０度遅延するものとしているが、分配信号ｆ（Ｍ）の位相を略１８０度遅延するようにしてもよい。

また、上記実施の形態１では、分配信号ｆ（Ｐ）と分配信号ｆ（Ｍ）を合成する信号合成器として１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路９を使用するものを示したが、信号合成器は１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路９に限るものではない。
例えば、信号合成器として、信号路４により伝送された分配信号ｆ（Ｍ）の位相を略１８０度遅延する２分の１波長線路と、位相遅延後の分配信号ｆ（Ｍ）と信号路３により伝送された分配信号ｆ（Ｐ）を合成するウィルキンソン分配器とから構成してもよい。
ここでは、２分の１波長線路が信号路４により伝送された分配信号ｆ（Ｍ）の位相を略１８０度遅延するものとしているが、信号分配器における２分の１波長線路が分配信号ｆ（Ｍ）の位相を略１８０度遅延している場合には、信号路３により伝送された分配信号ｆ（Ｐ）の位相を略１８０度遅延する。

また、信号分配器や信号合成器として、１８０度の位相差を有するラットレース型分配器を用いてもよい。
また、信号分配器や信号合成器として、マーチャントバラン、同軸バラン、あるいは、アクティブバラン（例えば、トランジスタのコレクタとエミッタで位相が１８０度異なることを利用するアクティブバランや、差動増幅器を用いて構成されたアクティブバラン）を用いてもよい。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、分配信号ｆ（Ｐ），ｆ（Ｍ）に含まれている直流成分の伝送を阻止するキャパシタ５〜８が信号路３，４に挿入されているものを示したが、信号分配器である１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路２や、信号合成器である１８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路９が、分配信号ｆ（Ｐ），ｆ（Ｍ）に含まれている直流成分の伝送を阻止する機能を備えるようにしてもよい。

実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、リニアライザがダイオード１５，１６を実装しているものを示したが、図４に示すように、ダイオード１５，１６のそれぞれが並列に複数個接続されていてもよい。
また、図５に示すように、ダイオード１５，１６のそれぞれが直列に複数個接続されていてもよい。

実施の形態５．
上記実施の形態１では、キャパシタ５〜８が信号路３，４に挿入されているものを示したが、図６に示すように、更に、外部回路との反射特性を改善する整合回路１８，１９が信号路３，４に挿入されていてもよい。

実施の形態６．
上記実施の形態１〜５では、リニアライザが１個であるものを示したが、リニアライザがｎ個（ｎ＝１，２，３，・・・）縦続に接続されていてもよい。
図７はリニアライザが２個縦続に接続されている例を示している。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 入力端子、２ １８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路（信号分配器）、３ 信号路（第１の信号路）、４ 信号路（第２の信号路）、５，６，７，８ キャパシタ、９ １８０ｄｅｇＨｙｂｒｉｄ回路（信号合成器）、１１，１３ 直流電源、１２，１４ バイアス印加用抵抗、１５ ダイオード（第１のダイオード）、１６ ダイオード（第２のダイオード）、１７ バイアス接地用ビアホール、１８，１９ 整合回路。

Claims (9)

1. 入力信号を２分配して、位相が１８０度異なる第１の分配信号と第２の分配信号を出力する信号分配器と、上記信号分配器から出力された第１の分配信号を伝送する第１の信号路と、上記信号分配器から出力された第２の分配信号を伝送する第２の信号路と、上記第１の信号路により伝送された第１の分配信号と上記第２の信号路により伝送された第２の分配信号の位相を揃えて、上記第１の分配信号と上記第２の分配信号を合成する信号合成器と、アノードが上記第１の信号路に接続されて、順方向に電圧が印加されている第１のダイオードと、アノードが上記第２の信号路に接続されて、順方向に電圧が印加されている第２のダイオードとを備え、上記第１のダイオードのカソードと上記第２のダイオードのカソードとの接続点が接地されていることを特徴とするリニアライザ。
2. 信号分配器は、入力信号を２分配して、第１の分配信号と第２の分配信号を出力するウィルキンソン分配器と、上記ウィルキンソン分配器により分配された第１の分配信号の位相を略１８０度遅延する２分の１波長線路とから構成されており、
   信号合成器は、第２の信号路により伝送された第２の分配信号の位相を略１８０度遅延する２分の１波長線路と、位相遅延後の第２の分配信号と第１の信号路により伝送された第１の分配信号を合成するウィルキンソン分配器とから構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のリニアライザ。
3. 信号分配器及び信号合成器は、１８０度の位相差を有するラットレース型分配器を用いて構成されていることを特徴とする請求項１記載のリニアライザ。
4. 信号分配器及び信号合成器は、マーチャントバラン、同軸バラン、あるいは、アクティブバランを用いて構成されていることを特徴とする請求項１記載のリニアライザ。
5. 第１及び第２の信号路には、第１及び第２の分配信号に含まれている直流成分の伝送を阻止するキャパシタが挿入されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のリニアライザ。
6. 信号分配器及び信号合成器は、第１及び第２の分配信号に含まれている直流成分の伝送を阻止する機能を備えていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のリニアライザ。
7. 第１及び第２のダイオードは、直列又は並列に複数個接続されていることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のリニアライザ。
8. 第１及び第２の信号路には、外部回路との反射特性を改善する整合回路が挿入されていることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のリニアライザ。
9. 請求項１に記載のリニアライザが複数個縦続に接続されていることを特徴とするリニアライザ。

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