JP2501994B2 - 電力増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は衛星通信，地上マイク
ロ波通信等に用いられ、高効率化即ち消費電力の低減を
図ったマイクロ波半導体電力増幅器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】電力増幅器の高効率化を図る目的で信号
波の高調波を制御する方法がある。これは増幅素子出力
端において、偶数次高調波に対し短絡，奇数次高調波に
対し開放となるような高調波整合用インピーダンスを付
加することによって、出力電圧波形と出力電流波形の整
形を行ない、消費電力を低減するものである。しかし実
際には、全ての高調波に対して前述のような整合用イン
ピーダンスを実現することは難しい。そこで、消費電力
に対する影響の大きい第２次高調波のみを対象にその出
力インピーダンスを最適化することで、充分な消費電力
の低減効果を見込んでいた。また増幅素子のパッケージ
やボンディングワイヤー等による寄生的な容量やインダ
クタンスの影響により、また素子の製造時におけるばら
つき等により、増幅素子の出力接続点での第２次高調波
整合回路が実現すべきインピーダンスは必ずしも短絡で
はなく、リアクタンスとなる場合が多い。

【０００３】図５は、特開昭６０−５６１５号公報“マ
イクロ波電力増幅器”に示された、第２次高調波のみを
対象に整合用インピーダンスを付加した例の構成図であ
る。図において１は増幅素子、２は入力整合回路、３は
出力整合回路、１４は基本波の約８分の１の長さを有し
出力整合回路３と結合している第２次高調波用インピー
ダンス回路、Ｃ１，Ｃ２は一端が第２次高調波インピー
ダンス回路１４の各端に接続され他端が接地されたキャ
パシタ（容量）、Ｃ３は入力側のカップリングキャパシ
タ、Ｃ５は出力側のＤＣカット用カップリングキャパシ
タ、Ｃ４，Ｃ６はバイアス（またはバイパス）キャパシ
タ、ＲＦＣ１，ＲＦＣ２は高周波チョークコイルであ
る。この構成においてＣ１，Ｃ２のキャパシタを変化さ
せると、増幅信号周波数に対する入力インピーダンスを
一定に保ったまま、増幅信号周波数の第２次高調波に対
する入力インピーダンスを独立に変化させることができ
る。従って第２次高調波に対する入力インピーダンスの
最適化即ち消費電力の低減は、２つのキャパシタＣ１，
Ｃ２を、適切なキャパシタのものに取り替えることで達
成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上に示したような従
来の電力増幅器においては、調整箇所が２箇所有り、キ
ャパシタＣ１，Ｃ２変化させると、増幅信号周波数に対
する入力インピーダンスを一定に保ったまま、増幅信号
周波数の第２次高調波に対する入力インピーダンスを独
立に変化させることができる。図６はキャパシタＣ１と
Ｃ２を調整して、第２次高調波に対する入力インピーダ
ンスを短絡状態に設定した場合の、入力インピーダンス
の周波数特性をスミスチャートで示したものである。こ
の図からは、短絡状態を実現する周波数範囲が狭いこと
が分かる。また、図７にキャパシタＣ２を最適値から僅
かにずれた所に設定して、Ｃ１の値を変化させた場合の
第２次高調波に対する入力インピーダンスをスミスチャ
ートで表示する。この図から、入力インピーダンスはス
ミスチャートの内側にあるため、短絡条件を実現するの
が困難であることが分かる。

【０００５】すなわち、従来の構成では、増幅素子１の
出力端子近傍で第２次高調波に対して短絡条件を広い周
波数範囲で実現することが困難なこと、およびキャパシ
タＣ２の設定が不十分であると、キャパシタＣ１の値を
変化させても、所望の周波数で短絡に近い最適なインピ
ーダンスに追い込むのが困難であること等の問題点を有
していた。

【０００６】本発明は以上のような問題点を解決するた
めになされたものであり、その目的は容易な回路構成で
実現できる高効率な高調波制御型の電力増幅器を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の電力増幅器においては、増幅素子と入力整
合回路と出力整合回路と第２次高調波整合回路を有する
電力増幅器において、上記第２次高調波整合回路は、少
なくとも上記増幅素子の出力側に配置されて入力端子が
該増幅素子の出力側に接続され、信号波長のほぼ４分の
１の長さあるいは信号波長のほぼ４分の１の奇数倍の長
さを有した第１の結合線路と結合する第１の主線路と、
一端が上記第１の結合線路に結合した後に上記第１の主
線路に接続され他端が接地されたリアクタンス素子と、
一端が出力端子に接続され他端が抵抗素子を介して接地
され該両端の間で信号波長のほぼ４分の１の長さあるい
は信号波長のほぼ４分の１の奇数倍の長さを有した第２
の結合線路と結合する第２の主線路と、上記第１の結合
線路と第２の結合線路の両端が上記入力端子に信号を入
力したとき上記出力端子に信号を出力するように接続線
路で接続されて形成され該接続により閉じられた線路長
が該信号のほぼ一波長の長さあるいはほぼ一波長の整数
倍の長さを有する閉回路と、を具備することを特徴とし
ている。

【０００８】

【作用】本発明の電力増幅器では、増幅素子の少なくと
も出力側に第２次高調波整合回路を配置し、増幅素子の
出力を信号波に共振する閉回路に結合した後にリアクタ
ンス素子で接地した第１の主線路へ導き、その出力に含
まれる第２次高調波を信号波と独立に整合させる。一
方、信号波は共振により第１の主線路から閉回路を介し
て第２の主線路に導いて、この第２の主線路の一端から
出力する。ここで、第２の主線路の他端を抵抗素子で終
端することにより、上記の一つのリアクタンス素子の値
を変化させるのみで第２高調波を制御可能にして、消費
電力の低減すなわち高効率化を図る。以上により、調整
が容易であり、従って設計性の高い高調波制御型の電力
増幅器を実現している。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

【００１０】図１は本発明の一実施例の構成図を示す。
図において、１は例えば半導体を用いた増幅素子、２は
入力整合回路、３は出力整合回路、４は第２次高調波整
合回路、５は第２次高調波整合回路２の入力端子、６，
８は接続線路（主線路）の端子、７は第２次高調波整合
回路２の出力端子、９，１０は接続線路（主線路）、１
１は接続線路９に結合する結合線路１１ａと接続線路１
０に結合する結合線路１１ｂと両者を閉じるように接続
する接続線路１１ｃから構成される閉回路、Ｃ３，Ｃ
４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７はキャパシタ、１３は終端抵抗、
１５は電力増幅器の入力端子、１６は電力増幅器の出力
端子、ＲＦＣ１，ＲＦＣ２はチョークコイルである。

【００１１】本実施例の接続構成において、入力端子１
５はＤＣ（直流）カットカップリングキャパシタＣ３を
通して入力整合回路２に接続され、この入力整合回路２
にはチョークコイルＲＦＣ１，バイパス（またはバイア
ス）キャパシタＣ４から成るバイアス回路が接続されて
いる。入力整合回路２と出力整合回路３の間には、増幅
素子１と第２次高調波整合回路４が接続される。第２次
高調波整合回路４は、接続線路９，１０を有し、接続線
路９，１０に結合した閉回路１１を備え、増幅素子１の
出力側に配置されて、その入力端子５が増幅素子１の出
力に接続される。接続線路９は、一端が上記第２次高調
波整合回路４の入力端子５に接続され、他端が端子６を
介してキャパシタＣ７で接地される。また端子６にはチ
ョークコイルＲＦＣ２とバイパスキャパシタＣ６からな
るバイアス回路が接続される。接続線路１０の一端は端
子８を介し終端抵抗１３を通して接地される。接続線路
１０の他の一端は、上記第２次高調波整合回路４の出力
端子７を介して出力整合回路３に接続される。出力整合
回路３の出力はＤＣカット用カップリングキャパシタＣ
５を介して出力端子１６へ接続される。

【００１２】上記の閉回路１１において、接続線路９と
結合する結合回路１１ａは信号波長のほぼ４分の１の長
さあるいは信号波長のほぼ４分の１の奇数倍の長さを有
し、接続線路１０と結合する結合線路１１ｂは信号波長
のほぼ４分の１の長さあるいは信号波長のほぼ４分の１
の奇数倍の長さを有し、結合線路１１ａと結合線路１１
ｂは各両端が上記入力端子５に信号が入力されたとき上
記出力端子７に信号を出力するように接続線路１１ｃで
閉じるように接続される。ここで、接続線路１１ｃの長
さは、その接続により形成される閉回路１１の線路長が
信号波のほぼ一波長の長さあるいはほぼ一波長の整数倍
の長さとなるように決定される。

【００１３】次に上記実施例の動作および作用について
説明する。

【００１４】入力端子１５から入力された信号波は、入
力整合回路２によって適切なインピーダンスに変換さ
れ、増幅素子１に入力される。増幅素子１から出力され
た信号波は、第２次高調波整合回路４を通り、出力整合
回路３によって再び適切なインピーダンスに変換され、
増幅器の出力となる。増幅素子１からの出力には、増幅
素子１の非線形特性によって発生した第２次高調波が含
まれている。この第２次高周波は、接続線路９とキャパ
シタＣ７からなる第２次高調波整合回路部によって、信
号波とは独立に整合される。一方、入力波は、閉回路１
１に共振するため、接続線路９と接続線路１０の結合部
を有する閉回路１１を介して低損失で出力端子７に伝達
される。このことを図を用いて説明する。

【００１５】図２は信号波と第２次高調波が独立に整合
可能な様子を示している。この図では、信号周波数を２
ＧＨｚとし、第２次高調波整合回路部としてキャパシタ
Ｃ７を０から１００ｐＦまで変化させたときの、第２次
高調波整合回路４と出力整合回路３を含む入力端子５か
ら見た、信号波（２ＧＨｚ）に対する入力インピーダン
スＺ１と、第２次高調波（４ＧＨｚ）に対する入力イン
ピーダンスＺ２をスミスチャートに表示している。Ｚ２
がキャパシタＣ７の変化に伴い、スミスチャートの外周
部（純リアクタンス）に添って概ね半周するのに対し、
Ｚ１がほとんど動かない点となっていることが明確に分
かる。即ち、本実施例の第２次高調波整合回路４は、信
号波に対しては一定値を示し、第２次高調波に対しては
純リアクタンスにインピーダンスを調整出来る機能を有
している。

【００１６】図３は、入力端子５と出力端子７の間の、
周波数１．０ＧＨｚから６．０ＧＨｚまでの伝達特性を
示している。キャパシタＣ７を０から１００ｐＦまで変
化させても、ほぼ同じ特性を示す。信号波である２ＧＨ
ｚにおいて、低損失で伝送され、第２次高調波に対して
は反射のため伝送されないことがわかる。

【００１７】また、図４は第２次高調波整合回路４と出
力整合回路３を含む入力端子５から見た入力インピーダ
ンス（ＳパラメータのＳ１１）の周波数特性を示してい
る。本図において、周波数は３．５ＧＨｚから４．５Ｇ
Ｈｚまで変化している。図６に示すように従来の構成で
は非常に狭い周波数範囲でしか純リアクタンスが実現出
来ないのに対して、本実施例では、図４から明らかなよ
うに、４ＧＨｚを中心として広い周波数範囲でスミスチ
ャートの外周にあり、広い周波数範囲で第２次高調波に
対してインピーダンス整合が可能である。

【００１８】以上より、第２次高調波整合回路４は、接
続線路９は基本波に対してほぼ４分の１波長あるいは信
号波長のほぼ４分の１の奇数倍の長さの結合回路を有
し、接続線路１０は基本波に対してはほぼ４分の１波長
あるいは信号波長のほぼ４分の１の奇数倍の長さの結合
回路を有し、かつ上記結合回路の結合線路１１ａ，１１
ｂが閉回路１１を構成し、この閉回路１１が基本波に対
してほぼ１波長あるいは基本波のほぼ整数倍の長さのを
備えておれば、入力端子５に入力された信号波はキャパ
シタＣ７の値に関係なく出力端子７に出力され、第２次
高調波は接続線路９とキャパシタＣ７からなる高調波整
合回路部により反射される。出力整合回路３は、信号波
の整合だけを目的に設計すればよい。また、第２次高調
波整合回路４はなんら信号波に影響を及ぼさないので、
その調整は自由に行なってよい。

【００１９】増幅素子１のパッケージやボンディングワ
イヤー等による寄生的な容量やインダクタンスの影響に
より、また素子の製造時におけるばらつき等により、増
幅素子１の出力接続点での第２次高調波整合回路が実現
すべきインピーダンスは必ずしも短絡ではなく、リアク
タンスとなる場合が多いので、実験的に決定する必要が
ある。本発明によれば、実際の調整時には、増幅器の使
用時と同じ条件で増幅器を動作させながら、キャパシタ
Ｃ７の値を、高効率動作を行なえる適切なリアクタンス
の値にすればよい。

【００２０】なお、上記実施例では、第２次高調波整合
回路４は増幅素子１の出力側の回路のみに設ける例を説
明したが、その入力側の回路につけても同様な効果が期
待できる。また、増幅素子１は半導体以外で構成された
ものであっても良い。このように本発明は、その主旨に
沿って種々に応用され、種々の実施態様を取り得るもの
である。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の電力増幅器
では、増幅素子と、入出力整合回路と高調波整合回路を
有する電力増幅器において、高調波整合回路を入力の信
号波に共振する閉回路で結合された２つの主線路で構成
し、第１の主線路は入力波を導いて閉回路に結合した後
にリアクタンス素子で接地して、信号波と独立に第２次
高調波を整合させ、信号波は閉回路を介して第２の主線
路から出力し、その第２の主線路の一端は抵抗で終端し
たので、１つのリアクタンス素子を変化させることのみ
により、第２次高調波の整合ができる。このため、本発
明は、調整が簡単であり、再現性が良く、設計性が良
い、という効果がある。

【００２２】また、本発明は、第２次高調波整合回路内
に閉回路を有して、この閉回路で共振する信号のみを伝
送する。したがって、増幅器で発生する不要なスプリア
スを阻止する効果も合わせ有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す電力増幅器の構成図

【図２】上記実施例における第２次高調波整合回路の機
能を説明するスミスチャートの例

【図３】上記実施例における第２次高調波整合回路の機
能を説明する伝達特性図

【図４】上記実施例における第２次高調波整合回路の機
能を説明する入力インピーダンスの周波数特性図

【図５】電力増幅器の従来例を示す構成図

【図６】上記従来例の入力インピーダンスの周波数特性
図

【図７】上記従来例の電力増幅器の最適状態からずれた
場合のインピーダンスの軌跡を示す図

【符号の説明】

１…増幅素子 ２…入力整合回路 ３…出力整合回路 ４…第２次高調波整合回路 ５…第２次高調波整合回路の入力端子 ９，１０…接続回路 ７…第２次高調波整合回路の出力端子 １１…閉回路 １１ａ，１１ｂ…結合回路 １１ｃ…接続回路 Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７…キャパシタ ＲＦＣ１，ＲＦＣ２…チョークコイル

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 増幅素子と入力整合回路と出力整合回路
   と第２次高調波整合回路を有する電力増幅器において、 上記第２次高調波整合回路は、 少なくとも上記増幅素子の出力側に配置されて入力端子
   が該増幅素子の出力側に接続され、 信号波長のほぼ４分の１の長さあるいは信号波長のほぼ
   ４分の１の奇数倍の長さを有した第１の結合線路と結合
   する第１の主線路と、 一端が上記第１の結合線路に結合した後に上記第１の主
   線路に接続され他端が接地されたリアクタンス素子と、 一端が出力端子に接続され他端が抵抗素子を介して接地
   され該両端の間で信号波長のほぼ４分の１の長さあるい
   は信号波長のほぼ４分の１の奇数倍の長さを有した第２
   の結合線路と結合する第２の主線路と、 上記第１の結合線路と第２の結合線路の両端が上記入力
   端子に信号を入力したとき上記出力端子に信号を出力す
   るように接続線路で接続されて形成され該接続により閉
   じられた線路長が該信号のほぼ一波長の長さあるいはほ
   ぼ一波長の整数倍の長さを有する閉回路と、 を具備することを特徴とする電力増幅器。