JP2017005618A - Power synthesis amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の増幅器の出力を合成する電力合成増幅装置に関し、特に、マイクロ波、準ミリ波等の信号の増幅に好適に使用される電力合成増幅装置に関する。 The present invention relates to a power combiner / amplifier that combines outputs of a plurality of amplifiers, and more particularly to a power combiner / amplifier that is suitably used for amplification of signals such as microwaves and quasi-millimeter waves.
現在マイクロ波、準ミリ波回路の電力増幅器としては一般的にGaAs FETを用いたMMIC化電力増幅器が用いられている、例えばWINDS用WOTMシステムやWASシステム用電力増幅器ではGaAs FETを用いたMMIC 電力増幅器(Amplifier)を8個パラレルで合成して25W出力を得ているものが実用化されている。しかしながら使用目的によっては、より効率向上と出力電力の高出力化が要請される。更にその使用目的からMTBF (Mean Time Before Failure)のより長い、即ち信頼性のより高い電力増幅装置の設計とその実現が要求される。 Currently, MMIC power amplifiers using GaAs FETs are generally used as power amplifiers for microwave and quasi-millimeter wave circuits. For example, MMIC power using GaAs FETs for WOTM systems for WINDS and power amplifiers for WAS systems. A device that obtains 25 W output by synthesizing eight amplifiers in parallel has been put into practical use. However, depending on the purpose of use, higher efficiency and higher output power are required. Furthermore, the design and realization of a power amplifying device having a longer MTBF (Mean Time Before Failure), that is, a higher reliability is required for the purpose of use.
電力増幅装置の信頼性を向上させる手法として、予備方式(冗長方式)が知られている。図1は、予備方式を採用した電力増幅装置10を示す。図1の電力増幅装置10では、並列に設置された2つの電力増幅器1,2の入力及び出力に切り替えスイッチSW1,SW2を設けた構造を有する。常時は、電力増幅器1側を動作させておく。即ち、スイッチSW1は、入力電力(RF(IN))を電力増幅器1に接続するように設定され、スイッチSW2は、電力増幅器1の出力を出力回路(RF(OUT))側に接続するように設定されている。そして、電力増幅器1に不具合が生じた場合には、スイッチSW1は、RF(IN)を電力増幅器2に接続し、スイッチSW2は、電力増幅器2の出力をRF(OUT)に導くように接続するよう切り替え動作する。このように、常時は一方のルート(電力増幅器1を通るルート)で電力増幅が行われ、電力増幅器1に不具合を生じると、他方のルート(電力増幅器2を通るルート)で電力増幅が行われる。これにより、故障に対する信頼性が向上する。ただし、更に電力増幅器2に不具合が生じた場合は既に電力増幅器1が不具合である為、システム全体が動作不可能に陥ってしまうことになる。
As a technique for improving the reliability of the power amplifying apparatus, a standby system (redundant system) is known. FIG. 1 shows a
固体増幅素子としてGaAs FETを用いた電力増幅器の場合、1つの固体増幅器ではその出力電力が限られていることから、高出力を得る為に電力合成方式を採用することが一般的に行われている。図2は、電力合成方式を採用した電力合成増幅装置20を示す。電力合成増幅装置20では、並列に配置した2台の電力増幅器A1,A2の出力を合成することにより、電力出力は3dB増加する。さらに、電力増幅器A1,A2の出力と、電力増幅器A3,A4の出力を合成することで、出力を更に2倍にし、電力出力を6dB増加させることができる。例えば、個々の電力増幅器A1〜A4の出力が4Wであれば、電力合成増幅装置20は、16W出力の電力出力を得ることができる。しかし、いずれかの電力増幅器A1〜A4に不具合が発生し出力が無くなると、合成機能の不均衡を生じ、電力合成増幅装置20の全体の合成出力に異常が生じ、正常な動作を行えなくなってしまう。
In the case of a power amplifier using a GaAs FET as a solid-state amplifying element, the output power of one solid-state amplifier is limited. Therefore, in order to obtain a high output, a power combining method is generally employed. Yes. FIG. 2 shows a power combining
図3(A)は、予備方式(50%予備方式)と電力合成方式を併用した電力合成増幅装置30を示す。電力合成増幅装置30は、並列配置された3台の電力増幅器A1〜A3と、分配回路HYB−Dと、合成回路HYB−Sを有する。電力増幅器A1〜A3の入力及び出力は、スイッチSWI1〜SWI3及びスイッチSWO1〜SWO3を介して分配回路HYB−D及び合成回路HYB−Sに接続される。スイッチSWI1〜SWI3、SWO1〜SWO3は、すべて、サーキュレータ型スイッチで構成される。なお、個別のスイッチSWI1〜SWI3、SWO1〜SWO3を区別する必要がない場合には、単に「スイッチSW」と簡略表記する場合がある。
FIG. 3A shows a power combining amplifying
電力合成増幅装置30では、スイッチSWの切り換えにより、3台の電力増幅器A1〜A3のうちの任意の2台を分配回路HYB−D及び合成回路HYB−Sと接続状態にすることができる。これにより、通常時(例えば、すべての電力増幅器A1〜A3が正常である場合)は、特定の2台の電力増幅器(例えば、電力増幅器A1,A3)を用いて電力増幅を行い、そのいずれか(例えば、電力増幅器A1)が故障した場合は、予備系統の1台(例えば、電力増幅器A2)を稼働させるようにスイッチSWを切り換える。このように2台の電力増幅器の合成出力が常に出力されるため、出力電力は、3dB増加する。また、いずれか1台の電力増幅器が故障した場合でも出力低下を生じず動作を継続することが可能であり、信頼性が向上する。
In the power combining
図3(B)は、他の態様の電力合成増幅装置31を示す。電力合成増幅装置31では、2台の電力合成増幅装置30の出力を合成することで、出力電力を更に3dB増加させることができる。図3(B)では、スイッチSWI1〜SWI3、SWO1〜SWO3は「SW」と簡略表示されている。3台以上の電力合成増幅装置30の出力を合成することにより、更なる出力増を得ることも可能である。
FIG. 3B shows a
しかし、電力合成増幅装置30では、3台の電力増幅器A1〜A3のうちの1台は常に不使用である。同様に、電力合成増幅装置31では、6台の電力増幅器A1〜A6のうちの2台は常に不使用である。よって、すべての電力増幅器を動作させる場合と比較して、不使用となる台数分だけ最大出力電力は小さくなる。
However, in the
本発明は、電力合成増幅装置30,31と同様の高増幅特性と高信頼性を有することに加えて、最大出力電力を電力合成増幅装置30,31よりも増加させることができる電力合成増幅装置を提供することを目的とする。
In addition to having the same high amplification characteristics and high reliability as the
本発明、上記目的を達成したものであり、
分配器と、
N個(Nは、3以上の自然数)の電力増幅器と、
合成器と、
前記N個の電力増幅器と前記合成器の接続状態を切り替える切替器を有し、
前記分配器によって分配した入力電力を前記N個の電力増幅器によって増幅してから前記合成器によって合成することにより電力増幅を行う電力合成増幅装置であって、
前記切替器を切り替えることにより、
すべての前記N個の電力増幅器の出力が前記電力合成器で合成される全ルートモードと、
前記N個の電力増幅器のうちのM個(Mは、Nよりも小さい2以上の自然数)の電力増幅器のみの出力が前記電力合成器で合成される高信頼性モード
の2つのモードで動作が可能である、電力合成増幅装置である。
The present invention has achieved the above object,
A distributor;
N power amplifiers (N is a natural number of 3 or more);
A synthesizer;
A switch for switching a connection state of the N power amplifiers and the combiner;
A power combiner / amplifier for amplifying power by amplifying input power distributed by the distributor by the N power amplifiers and then combining the amplified power by the combiner;
By switching the switch,
All root modes in which the outputs of all the N power amplifiers are combined by the power combiner;
Of the N power amplifiers, the operation is performed in two modes, namely, a high reliability mode in which outputs of only M power amplifiers (M is a natural number of 2 or more smaller than N) are combined by the power combiner. This is a power combiner / amplifier.
本発明の電力合成増幅装置では、N個の電力増幅器の一部(M個の電力増幅器)の出力が電力合成器で合成される高信頼性モードでの動作が可能であるため、電力合成増幅装置30,31と同様の高増幅特性と高信頼性を達成できる。加えて、すべて(N個)の電力増幅器の出力が電力合成器で合成される全ルートモードでの動作が可能であるため、最大出力電力を増加させることができる。
In the power combiner / amplifier of the present invention, operation in a high-reliability mode in which the outputs of some of the N power amplifiers (M power amplifiers) are combined by the power combiner is possible. High amplification characteristics and high reliability similar to those of the
本発明では、前記N個の電力増幅器のいずれかに不具合が発生した場合に、前記全ルートモードから前記高信頼性モードに移行することが好ましい。 In the present invention, it is preferable to shift from the all-root mode to the high-reliability mode when a failure occurs in any of the N power amplifiers.
本発明では、
前記合成器は、N個の入力端を有し、
前記高信頼性モードでは、N個の前記電力増幅器から選択されるM個の前記電力増幅器の出力が前記合成器によって合成され、
前記M個の前記電力増幅器の選択の仕方に拘わらず、当該選択されたM個の前記電力増幅器の出力が、常に、既定のM個の前記入力端に出力されることが好ましい。
In the present invention,
The synthesizer has N inputs,
In the high reliability mode, outputs of the M power amplifiers selected from the N power amplifiers are combined by the combiner,
Regardless of how the M power amplifiers are selected, it is preferable that the outputs of the selected M power amplifiers are always output to the predetermined M input terminals.
本発明では、前記合成器が、位相調整器を有することが一つの方法である。 In the present invention, it is one method that the combiner includes a phase adjuster.
図4は、本発明の1実施形態に係る電力合成増幅装置40を示す。
FIG. 4 shows a power combining
電力合成増幅装置40は、入力Inputに接続された分配回路HYB−Dと、出力Outputに接続された合成回路HYB−Sと、分配回路HYB−Dと合成回路HYB−Sの間に並列に配置された3台の電力増幅器A1〜A3を有する。電力増幅器A1〜A3は、好ましくは、GaAsFETを用いた半導体増幅器である。電力増幅器A1〜A3は、単一又は複数のGaAsFETで構成され得る。電力合成増幅装置40は、好ましくは、MMIC電力増幅器である。
The power combiner /
分配回路HYB−Dは、3つの出力端PO1〜PO3を有する。合成回路HYB−Sは、3つの入力端PI1〜PI3を有する。電力増幅器A1〜A3の入力側は、分配回路HYB−Dの出力端PO1〜PO3に図示のように接続される。電力増幅器A1〜A3の出力側は、出力側スイッチSWO1〜SWO3を介して、合成回路HYB−Sの入力端PI1〜PI3に図示のように接続される。 The distribution circuit HYB-D has three output terminals PO1 to PO3. The synthesis circuit HYB-S has three input terminals PI1 to PI3. The input sides of the power amplifiers A1 to A3 are connected as shown to the output terminals PO1 to PO3 of the distribution circuit HYB-D. The output sides of the power amplifiers A1 to A3 are connected to the input terminals PI1 to PI3 of the synthesis circuit HYB-S as shown in the figure via output side switches SWO1 to SWO3.
電力合成増幅装置40は、全ルートモードと高信頼性モードの2種類のモードで動作が可能である
The power combiner /
全ルートモードでは、すべての電力増幅器A1〜A3を動作させ、すべての電力増幅器A1〜A3の出力を合成するモードである。 In the all route mode, all the power amplifiers A1 to A3 are operated, and the outputs of all the power amplifiers A1 to A3 are combined.
全ルートモードでは、電力増幅器A1の出力は、スイッチSWO1を介して入力端PI1から合成回路HYB−Sに入力され、電力増幅器A2の出力は、スイッチSWO2を介して入力端PI2から合成回路HYB−Sに入力され、電力増幅器A3の出力は、スイッチSWO3を介して入力端PI3から合成回路HYB−Sに入力される。 In the all-route mode, the output of the power amplifier A1 is input from the input terminal PI1 to the combining circuit HYB-S via the switch SWO1, and the output of the power amplifier A2 is input from the input terminal PI2 to the combining circuit HYB- via the switch SWO2. S and the output of the power amplifier A3 is input from the input terminal PI3 to the synthesis circuit HYB-S via the switch SWO3.
全ルートモードでは、電力増幅器の台数が図3(A)の電力合成増幅装置30と同じ(3台)であるにも拘わらず、電力合成増幅装置30の1.5倍の最大出力電力を得ることができる。その結果、実用時回線設計係数であるEIRPは約2dB増大させることが出来る計算となる。その分、回線設計マージンを増加させて、より高い回線品質で運用出来る利点を提供することができる。
In the all-route mode, although the number of power amplifiers is the same (three) as that of the power combiner /
高信頼性モードは、図3(A)の電力合成増幅装置30と同様の態様で動作するモードである。すなわち、通常時(例えば、すべての電力増幅器A1〜A3が正常である場合)は、特定の2台の電力増幅器(例えば、電力増幅器A1,A3)を用いて電力増幅を行う。そして、いずれかの電力増幅器(例えば、電力増幅器A1)が故障した場合は、予備系統の1台(例えば、電力増幅器A2)を稼働させるようにスイッチSWを切り換えることができる。このように2台の電力増幅器の出力が常に合成出力されることで、出力電力を3dB増加させることができる。また、いずれか1台の電力増幅器が故障した場合でも出力低下を生じず継続動作が可能であり、高信頼性が達成される。
The high reliability mode is a mode that operates in a manner similar to that of the power combining
電力合成増幅装置40を高信頼性モードで動作させる場合、電力合成の効率を向上させるために、出力側スイッチSWO1〜SWO3を工夫すること、及び/又は、合成回路HYB−Sに位相調整機能を持たせることが一つの方法である。以下、これらの点について詳述する。
When operating the power combiner /
出力側スイッチSWO1〜SWO3の好ましい実施形態を図5に示す。図5のスイッチSWO1及びSWO3は、図4のスイッチSWO1及びSWO3に対応する。図5の破線の四角で囲われた部分(スイッチSWO2−1及びSWO2−2)は、図4のスイッチSWO2に対応する。 A preferred embodiment of the output side switches SWO1 to SWO3 is shown in FIG. The switches SWO1 and SWO3 in FIG. 5 correspond to the switches SWO1 and SWO3 in FIG. Portions surrounded by a broken-line square in FIG. 5 (switches SWO2-1 and SWO2-2) correspond to the switch SWO2 in FIG.
図5は、すべての出力側スイッチSWO1〜SWO3が、それぞれ、サーキュレータ型スイッチである場合を示す。各スイッチSWO1〜SWO3のサーキュレータ型スイッチ記号は、SW記号の左側に矢印がある場合、ある接点から左回りに次の接点に接続していることを意味する。また、SW記号の右側に矢印がある場合は、ある接点から右回りに次の接点に接続していることを意味する。 FIG. 5 shows a case where all the output side switches SWO1 to SWO3 are circulator type switches. The circulator type switch symbol of each of the switches SWO1 to SWO3 means that when there is an arrow on the left side of the SW symbol, it is connected to the next contact counterclockwise from a certain contact. Further, when there is an arrow on the right side of the SW symbol, it means that a connection is made clockwise from a certain contact to the next contact.
図5の実施形態の動作を説明する。 The operation of the embodiment of FIG. 5 will be described.
<全ルートモード>
全ルートモードでは、図5(A)に示すように、電力増幅器A1の出力は、スイッチSWO1を経由して、合成回路HYB−Sの入力端PI1に出力される。電力増幅器A2の出力は、スイッチSWO2−1及びスイッチSWO2−2を経由して、合成回路HYB−Sの入力端PI2に出力される。電力増幅器A3の出力は、スイッチSWO3を経由して、合成回路HYB−Sの入力端PI3に出力される。
<All route modes>
In the all-route mode, as shown in FIG. 5A, the output of the power amplifier A1 is output to the input terminal PI1 of the synthesis circuit HYB-S via the switch SWO1. The output of the power amplifier A2 is output to the input terminal PI2 of the synthesis circuit HYB-S via the switch SWO2-1 and the switch SWO2-2. The output of the power amplifier A3 is output to the input terminal PI3 of the synthesis circuit HYB-S via the switch SWO3.
<高信頼性モード>
全ルートモードの動作中に、いずれか一つの電力増幅器に不具合が生じた場合、残りの2台を用いて電力増幅を行う高信頼性モードに移行することができる。高信頼性モードでは、どの電力増幅器A1〜A3が不具合となった場合でも、残りの2台からの出力は、常に、3つの入力端PI1〜PI3のうちの特定の2つ(PI1とPI2)に出力されるよう構成することが好ましい。
<High reliability mode>
If any one of the power amplifiers malfunctions during the operation in the all-route mode, it is possible to shift to the high reliability mode in which power amplification is performed using the remaining two units. In the high reliability mode, regardless of which power amplifier A1 to A3 becomes defective, the outputs from the remaining two units are always two specific ones of the three input terminals PI1 to PI3 (PI1 and PI2). It is preferable to be configured to output to
例えば、電力増幅器A3に不具合が生じた場合(不図示)には、電力増幅器A1の出力は、スイッチSWO1を介して入力端PI1に導かれ、電力増幅器A2の出力は、SWO2−1,SWO2−2,を介して入力端PI2に導かれる。 For example, when a failure occurs in the power amplifier A3 (not shown), the output of the power amplifier A1 is led to the input terminal PI1 via the switch SWO1, and the output of the power amplifier A2 is SWO2-1 and SWO2-. 2 to the input terminal PI2.
また、電力増幅器A2に不具合が生じた場合(不図示)には、電力増幅器A1の出力は、スイッチSWO1を介して入力端PI1に導かれ、電力増幅器A3の出力は、SWO3及びSW02−2を介して入力端PI2に導かれる。(図5(A)の状態から、SWO3及びSW02−2が切り替わる。) When a problem occurs in the power amplifier A2 (not shown), the output of the power amplifier A1 is guided to the input terminal PI1 via the switch SWO1, and the output of the power amplifier A3 is connected to SWO3 and SW02-2. Through the input terminal PI2. (SWO3 and SW02-2 are switched from the state shown in FIG. 5A.)
また、電力増幅器A1に不具合が生じた場合には、図5(B)に示すように、電力増幅器A2の出力は、SWO2−1,SWO1を介して入力端PI1に導かれ、電力増幅器A3の出力は、SWO3、SW02-2を介して入力端PI2に導かれる。(図5(A)の状態から、SWO1及びSWO2−1、SW02−2、SW03が切り替わる。) Further, when a problem occurs in the power amplifier A1, as shown in FIG. 5B, the output of the power amplifier A2 is led to the input terminal PI1 via SWO2-1 and SWO1, and the power amplifier A3 The output is guided to the input terminal PI2 via SWO3 and SW02-2. (SWO1, SWO2-1, SW02-2, and SW03 are switched from the state shown in FIG. 5A.)
上記のように、電力増幅器A1〜A3のどれに不具合が生じた場合であっても、特定の2つの入力端(上記の例では、入力端PI1及びPI2)に出力電力が伝送されるように操作することが可能である。これにより、電力合成の効率向上を図ることができる。 As described above, the output power is transmitted to two specific input terminals (in the above example, the input terminals PI1 and PI2) regardless of which of the power amplifiers A1 to A3 has a problem. It is possible to operate. Thereby, the efficiency improvement of electric power composition can be aimed at.
上記では、3個の電力増幅器のうちの2個の電力増幅器を常に動作させる場合で説明したが、N個の電力増幅器のうちのM個を常に動作させる構成も考えられる。(ただし、Nは、4以上の自然数であり、Mは、Nよりも小さい2以上の自然数である。入力端の個数はN個である。)この場合、稼働状態にあるM個の電力増幅器の出力は、常に、既定のM個の入力端に導かれるように構成することが好ましい。 In the above description, two power amplifiers of the three power amplifiers are always operated. However, a configuration in which M of the N power amplifiers is always operated is also conceivable. (However, N is a natural number of 4 or more, and M is a natural number of 2 or more smaller than N. The number of input terminals is N.) In this case, M power amplifiers in an operating state The output is preferably always guided to the predetermined M input terminals.
図6は、他の形態の電力合成増幅装置41を示す。電力合成増幅装置41では、2台の電力合成増幅装置40の出力を合成することで、電力合成増幅装置40の2倍の出力電力を得ることができる。図6では、スイッチSWI1〜SWI3、SWO1〜SWO3は「SW」と簡略表示されている。3台以上の電力合成増幅装置40の出力を合成することにより、更なる出力増を得ることも可能である。
FIG. 6 shows another embodiment of the power combiner /
図7は、電力合成増幅装置41のより具体的な回路構成の詳細を示す。
FIG. 7 shows details of a more specific circuit configuration of the
図8は、他の実施形態に係る電力合成増幅装置42の回路構成を示す。図示のように、電力合成増幅装置42は、合成回路に位相シフタPSが導入されている点で、電力合成増幅装置41と相違する。図示の例では、位相シフタPSは、合成回路HYB−S3の入力端のルート上に配置されている。位相シフタPSを有することにより、HYB−S1,S2から出力される電力量のレベルが異なる場合であっても、電力量合成のための位相調整を行うことで、電力合成の効率向上を図ることが可能となる。
FIG. 8 shows a circuit configuration of a
以上、好ましい実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は、特許請求の範囲の規定内で任意に変更することが可能である。例えば、電力合成増幅装置に使用される電力増幅器は、GaAs FETやGaN FET等の半導体増幅器に限らず、電力増幅機能を有する任意の増幅器を使用できる。本発明の電力合成増幅装置は、マイクロ波や準ミリ波の増幅に好ましく適用されるが、これ以外の波長帯の信号増幅にも適用は可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on preferable embodiment, this invention can be arbitrarily changed within the prescription | regulation of a claim. For example, the power amplifier used in the power combining amplification device is not limited to a semiconductor amplifier such as GaAs FET or GaN FET, and any amplifier having a power amplification function can be used. The power combining amplifier of the present invention is preferably applied to microwave and quasi-millimeter wave amplification, but can also be applied to signal amplification in other wavelength bands.
40〜42・・・電力合成増幅装置
A1〜A6・・・電力増幅器
HYB−S・・・合成回路
HYB−D・・・分配回路
PI1〜PI3・・・入力端
PO1〜PO3・・・出力端
PS・・・位相シフタ
SWO1〜SWO3・・・スイッチ
40-42 ... power combining amplifiers A1-A6 ... power amplifier HYB-S ... combining circuit HYB-D ... distributing circuits PI1-PI3 ... input terminals PO1-PO3 ... output terminals PS ... Phase shifter SWO1-SWO3 ... Switch
Claims (4)
N個(Nは、3以上の自然数)の電力増幅器と、
合成器と、
前記N個の電力増幅器と前記合成器の接続状態を切り替える切替器を有し、
前記分配器によって分配した入力電力を前記N個の電力増幅器によって増幅してから前記合成器によって合成することにより電力増幅を行う電力合成増幅装置であって、
前記切替器を切り替えることにより、
すべての前記N個の電力増幅器の出力が前記電力合成器で合成される全ルートモードと、
前記N個の電力増幅器のうちのM個(Mは、Nよりも小さい2以上の自然数)の電力増幅器のみの出力が前記電力合成器で合成される高信頼性モード
の2つのモードで動作が可能である、電力合成増幅装置。 A distributor;
N power amplifiers (N is a natural number of 3 or more);
A synthesizer;
A switch for switching a connection state of the N power amplifiers and the combiner;
A power combining and amplifying device for amplifying power by amplifying input power distributed by the distributor by the N power amplifiers and then combining by the combiner,
By switching the switch,
All root modes in which the outputs of all the N power amplifiers are combined by the power combiner;
Of the N power amplifiers, the operation is performed in two modes, namely, a high reliability mode in which outputs of only M power amplifiers (M is a natural number of 2 or more smaller than N) are combined by the power combiner. A power combiner / amplifier that is possible.
前記高信頼性モードでは、N個の前記電力増幅器から選択されるM個の前記電力増幅器の出力が前記合成器によって合成され、
前記M個の前記電力増幅器の選択の仕方に拘わらず、当該選択されたM個の前記電力増幅器の出力が、常に、既定のM個の前記入力端に出力される、請求項1又は2に記載の電力合成増幅装置。 The synthesizer has N inputs,
In the high reliability mode, outputs of the M power amplifiers selected from the N power amplifiers are combined by the combiner,
The output of the selected M power amplifiers is always output to the predetermined M input terminals regardless of how to select the M power amplifiers. The power combining amplification device described.
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