JP2014518482A - 高周波電力増幅器を終端不良から保護する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、高周波電力増幅器の出力側にインピーダンス不整合が生じたときに高周波電力増幅器を保護する不整合保護回路に関する。かかるインピーダンス不整合が生じると電力の反射が発生し、出力電力の一部が高周波電力増幅器の出力段へ返されることになる。かかる接続不良事象のうちでも特に重大なのは開放と短絡であり、これらが生じると、高周波電力増幅器が出力する高周波電力の全てが、その高周波電力増幅器へ返されるようになる。開放や短絡による電力の全反射は、例えば高周波電力増幅器の動作開始時の誤動作や、高周波電力増幅器の計測実行時の誤操作などによって発生し得るものである。出力段がトランジスタで構成された高周波電力増幅器では、その高周波電力増幅器の出力電力のうちの反射した電力による熱負荷が加わることによって、半導体素子であるトランジスタが損傷するおそれがあり、場合によっては破壊されることもある。本発明は、請求項１及び請求項８の特徴部分に記載した特徴によって以上の問題を解決するものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、高周波電力増幅器の出力側にインピーダンス不整合が生じたときに高周波電力増幅器を保護する不整合保護回路に関する。

導波路系に組込まれる高周波電力増幅器は、所定の特性インピーダンスを持つように設計されており、その特性インピーダンスの値は例えば５０オームなどである。かかる高周波電力増幅器を良好に機能させるためには、また、かかる高周波電力増幅器が例えばアンテナのバスバーなどの後続の導波路系へ出力する電力を最大にするためには、後続の導波路系の線路インピーダンスが、かかる高周波電力増幅器の特性インピーダンスに一致している必要がある。

高周波電力増幅器と後続の導波路系とでインピーダンスが一致していない場合には、両者の間の接続箇所で電力の反射が発生し、出力電力の一部が高周波電力増幅器の出力段へ返されることになる。かかる接続不良事象のうちでも特に重大なのは開放と短絡であり、これらが生じたならば、高周波電力増幅器が出力する高周波電力の全てが、その高周波電力増幅器へ返されるようになる。

このような開放や短絡による電力の全反射は、例えば高周波電力増幅器の動作開始時の誤動作及び／または計測実行時の誤操作などによって発生し得るものである。

出力段がトランジスタで構成された高周波電力増幅器では、その高周波電力増幅器の出力電力のうちの反射した電力による熱負荷が加わることによって、半導体素子であるトランジスタが損傷するおそれがあり、場合によっては破壊されることもある。

終端不良が生じたときに発生する反射電力から出力段を保護するための手段として、従来、トランジスタで構成された高周波電力増幅器では、その出力端にサーキュレータを接続するということが行われていた。その一例を示したのが図１であり、同図は２つの並列な出力段を備えた高周波電力増幅器の出力部を示している。

図１に示された回路のうち、３ポートの回路（図中にアイソレータと記した回路）は、一方向性導波路を用いて構成されている。第１ポートへ入力された電力は、低損失で第２ポートへ出力される。第２ポートへは、高周波電力の出力端（ＲＦｏｕｔ）に終端不良が生じて反射電力が発生したときにその反射電力が入力し、入力した電力は第３ポートへ出力される。第３ポートは、標準導波路系の線路インピーダンスに等しいインピーダンスの負荷抵抗体で終端されており、そのため第３ポートへ出力された電力はその全てが吸収され、この第３ポートで反射した電力が第１ポートへ出力されるということはない。従ってこの回路は、３ポートのサーキュレータの第３ポートを負荷抵抗体で終端することで構成された回路であり、それによって、アイソレータとして機能する回路となっている。

近年、高周波電力増幅器に使用するのに適したトランジスタとして、窒化ガリウムを用いた新型のトランジスタの開発が進められている。かかるトランジスタのうちには、出力電力が２００Ｗにも達するものがある。また、かかるトランジスタは高効率であるため、人工衛星関連の用途における高周波電力増幅器に用いるのに適している。ただし、人工衛星関連の用途に関しては、高周波電力増幅器の効率を損なわないようにするために、高周波電力増幅器の下流側部分である出力部の回路を低損失とすることも求められている。更には、機器の全体を小型軽量のものとすることも求められている。

そのような高周波電力増幅器に関して、終端不良が生じたときに発生する反射電力から高周波電力増幅器を保護するための手段として、サーキュレータの第３ポートを負荷抵抗体で終端して構成したアイソレータを用いるならば、２００Ｗもの大電力の全てを吸収できる負荷抵抗体が必要になる。しかし、そのようなアイソレータを高周波領域で使用する場合に、低損失でしかも小型でなければならないという要求を同時に満足するものとすることは不可能である。

本発明の目的は、以上に述べた種類の高周波電力増幅器に関する不整合の問題に対処する手段を提供することにある。

かかる技術的課題は、請求項１に記載の特徴によって、また、請求項８に記載の特徴によって達成される。

以下に添付図面を参照しつつ、本発明について更に詳細に説明して行く。添付図面については以下の通りである。

サーキュレータを用いた従来構成を示した図である。 不整合検出器の原理的回路を示した図である。 結合器の結合減衰量とアイソレーション（方向感度）を示した図である。 本発明に係る不整合保護回路を示した図である。 ２つの並列的な出力段の出力を合波する合波器に不整合保護回路を組込んだ構成を示した図である。

本発明に係る高周波電力増幅器のための不整合保護回路は、高周波電力増幅器の出力端に設けられる不整合検出器を備えてなるものである。この不整合検出器は、導波路結合器として構成されており、その導波路結合器のポートのうち、出力伝搬方向における非結合ポートは、負荷抵抗体で終端されている。当該ポートは、出力端で反射した反射波（反射電力）が当該ポートへ結合する際の結合減衰量が、高周波電力増幅器の出力段からこの導波路結合器に入力された電力が当該ポートへ結合する際の結合減衰量よりも小さく、また当該ポートには更に、検波用ダイオードが接続されている（図２）。

導光路結合器は、その各部寸法を適宜に定めることにより、結合ポートへの結合（その結合度は例えば−２５ｄＢである）における結合減衰量が、非結合ポートへの結合（その結合度は例えば−３０ｄＢである）における結合減衰量よりも小さくなるように構成されている（図３参照）。これによって、２つの検波用ダイオードに発生する夫々の信号レベルの夫々の発生源を明確に識別することができるようになっており、また、それら信号レベルの発生源とそれら検波用ダイオードとの関連が明らかとなっている。

２つの検波用ダイオードにより供給されるとともに、それら検波用ダイオードに作用している夫々の電力に比例した夫々の電圧に対しては、制御回路において更なる処理が施される。

検波用ダイオードＡにより供給される電圧は、高周波電力増幅器の出力端へ供給されている有効電力に対応した電圧である。この電圧は、制御回路において、例えば、ＡＬＣモード（オートレベルコントロールモード）で動作しているときに、及び／または、温度に応じて、出力電力を一定に維持するために用いられ、また、監視対象システムに関するテレメトリデータとして、制御回路から外部へ転送される。

検波用ダイオードＢにより供給される電圧は、終端インピーダンスが理想的でない大きさのときに、高周波電力増幅器の出力端で反射される反射電力に比例している。図４に示したように、この電圧は、例えば、適宜の増幅、及び／または、処理を施された後に、アナログ形式またはデジタル形式で、高周波電力増幅器の出力段のオンオフを行う回路へ供給されている。この電圧が所定レベルＵｒｅｆを超えたならば、不整合警告信号が発せられて、出力段が即座にオフにされる。

高周波電力増幅器のうちには、複数の並列的な出力段を備え、それら出力段の出力を、加算器として機能する結合器によって合波するようにしたものがある。また、そのような高周波電力増幅器では、その結合器（合波器）として、ストリップ線路型の合分波器が、低損失であるという理由で用いられている。そこで、そのような場合には、図５に示したように、その結合器（合波器）に、以上に説明した不整合保護回路を構成している導波路結合器を一体化するとよく、そうすることで、構成の全体としての合計損失を更に低減することができ、また、従来の高周波出力電力のテレメトリ計測機能と、本発明に係る不整合保護機能との両方の機能を備えたものとすることができる。

Claims (15)

1. 高出力で高効率の高周波電力増幅器を終端不良から保護する方法において、
   前記高周波電力増幅器の出力端側に不整合保護回路を接続し、
   前記不整合保護回路の第１検波用ダイオード（Ａ）と第２検波用ダイオード（Ｂ）とから、それら検波用ダイオードに作用している夫々の電力のレベルに比例した第１電圧と第２電圧とを取出し、前記第１電圧は前記出力端へ供給されている有効電力に対応し、前記第２電圧は反射電力に対応しており、
   取出した前記第１電圧と前記第２電圧とを制御回路へ供給し、
   前記制御回路が、前記高周波電力増幅器の出力段を、または前記高周波電力増幅器を、前記第２検波用ダイオード（Ｂ）から取出された前記第２電圧が所定の基準電圧を超えたときにオフにし、前記第２電圧が前記所定の基準電圧を下回ったときにオンにする、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記不整合保護回路は導波路結合器により構成されており、該導波路結合器のポートのうちの出力伝搬方向における非結合ポートは負荷抵抗体で終端されていることを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器を終端不良から保護する方法。
3. 前記導波路結合器は、非結合ポートへの結合における結合減衰量よりも、結合ポートへの結合における結合減衰量の方が小さくなるように構成されており、それによって、前記第１検波用ダイオード及び前記第２検波用ダイオードに発生する夫々の信号レベルと、それら検波用ダイオードとを明確に関連付けることを可能にしていることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記出力端へ供給されている前記有効電力は、前記第１検波用ダイオード（Ａ）により供給される電圧に対応しており、ＡＬＣモードで動作しているときに、及び／または、温度に応じて、前記高周波電力増幅器の出力電力を一定に維持するために用いられ、または、テレメトリデータとして監視システムを制御するために用いられることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項記載の方法。
5. 前記第２検波用ダイオード（Ｂ）により供給される電圧は、終端不良のために前記高周波電力増幅器の前記出力端で反射される反射電力に対応した電圧であることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項記載の方法。
6. 前記第２検波用ダイオード（Ｂ）により供給された電圧は、適宜の増幅または処理を施された後に、アナログ形式またはデジタル形式で前記不整合保護回路へ供給され、該電圧が所定レベルＵrefを超えたならば、前記不整合保護回路が前記出力段をオフにすることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項記載の方法。
7. 前記高周波電力増幅器は２つの並列な出力段を有しており、
   前記２つの出力段の出力は合波器によって合波され、
   前記合波器は結合器として機能するものであり、
   前記結合器に、前記不整合保護回路が一体化されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器を保護する方法。
8. 請求項１記載の特徴を備えており、高出力で高効率の高周波電力増幅器を終端不良から保護する回路において、
   前記高周波電力増幅器の出力端に接続された導波路結合器を備えており、該導波路結合器は第１検波用ダイオード（Ａ）と第２検波用ダイオード（Ｂ）とを備え、前記第１検波用ダイオードは、該第１検波用ダイオードに作用している電力のレベルに対応した第１電圧を供給し、該第１電圧は供給される有効電力に対応しており、前記第２検波用ダイオードが供給する第２電圧は、不整合のために反射する反射電力に対応しており、
   制御回路を備えており、該制御回路によって、前記第２検波用ダイオード（Ｂ）の電圧値と基準電圧との差から不整合の大きさが判定され、前記高周波電力増幅器の出力段が、または前記高周波電力増幅器が、前記電圧差が所定の基準値Ｕrefを下回ったときにオンにされ、該基準値を超えたときにオフにされる、
   ことを特徴とする保護回路。
9. 前記第１検波用ダイオード（Ａ）により供給される電圧は、前記出力端へ供給されている有効電力に対応した電圧であって、前記制御回路において、例えばＡＬＣモードで動作しているときに、及び／または、温度に応じて、前記高周波電力増幅器の出力電力を一定に維持するために用いられ、または、モニタシステムのためのテレメトリデータとして機能することを特徴とする請求項８項記載の保護回路。
10. 前記第２検波用ダイオード（Ｂ）により供給される電圧は、不適切なインピーダンスで終端されているために前記高周波電力増幅器の前記出力端で反射されている反射電力に比例した電圧であることを特徴とする請求項８記載の保護回路。
11. 前記第２検波用ダイオード（Ｂ）により供給される電圧は、適宜の増幅または処理を施された後に、アナログ形式またはデジタル形式で前記回路へ供給され、該電圧が所定レベルＵrefを超えたならば、前記出力段をオンまたはオフにすることを特徴とする請求項８記載の保護回路。
12. 前記導波路結合器のポートのうちの出力伝搬方向における非結合ポートは負荷抵抗体で終端されていることを特徴とする請求項８〜請求項１１の何れか１項記載の保護回路。
13. 前記導波路結合器のポートのうちの出力伝搬方向における非結合ポートは、前記高周波電力増幅器の出力端からの反射波の結合における結合減衰量が、前記出力段から供給される電力の結合における結合減衰量より小さいことを特徴とする請求項８〜請求項１２の何れか１項記載の保護回路。
14. 前記高周波電力増幅器は２つの出力段を有しており、
    前記２つの出力段の出力は、合波器として機能する結合器によって合波され、
    前記回路に、請求項８に記載の特徴を備えた不整合保護回路が一体化されている、
    ことを特徴とする請求項８記載の高周波電力増幅器の保護回路。
15. 前記結合器はストリップ線路型の合分波器として構成されていることを特徴とする請求項１４記載の保護回路。

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