JP2616464B2 - 高効率電力増幅回路 - Google Patents
高効率電力増幅回路Info
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Description
係わり、特に高調波を除去できるようにした高効率増幅
回路に関するものである。
ることは、システム構築上において非常に重要なことで
ある。特に、電池を電源とする携帯装置や、衛星あるい
は宇宙通信装置にあっては、電力効率を向上させること
の重要性は顕著である。
して増幅回路を構成したときに、トランジスタの出力電
流には、基本波以外に偶数次高調波成分しか存在しない
ことは周知のとおりである。そこで、このような増幅回
路であって、電圧波形に偶数次高調波成分を含ませない
ようにし、奇数次高調波成分のみを含ませるようにする
と、高調波における電力損失が起こらずに、高効率化で
きることが従来知られている。具体的には、トランジス
タの出力端子であって、偶数次高調波における負荷イン
ピーダンスを零となるようにしてやれば(例えば、特開
平1−279612号公報参照)、電圧の偶数次高調波
成分は必然的に存在しないことになる。
スを無限大として電圧成分を存在させても、もともとの
奇数次の電流成分は存在しないので問題はない。
増幅回路のインピーダンス整合の条件は、基本波に対し
て整合させ、奇数次高調波に対して開放とさせ、偶数次
高調波に対して短絡とさせるようにすることが、高効率
化に有効である。
44611号公報に記載されているような高効率増幅回
路が従来使用されていた。この高効率電力増幅回路の一
例を図4に示す回路図を用いて説明する。
のエミッタが接地されており、そのベースには例えばB
級バイアスが印加されるとともに高周波信号が入力され
ている。また、トランジスタ101の出力端子102に
は、線路103が接続されている。この線路103は、
基本波の波長をλとすると、基本波対して8分の1波長
(λ/8)の線路となる。したがって、トランジスタ1
01の出力端子102に線路103を接続したときに
は、第2高調波に対して先端開放の4分の1波長(λ/
4)線路となる。このため、第2高調波短絡が実現され
る。
分の1波長線路103は容量性スタブとなるため、トラ
ンジスタ101の出力インピーダンスは、トランジスタ
本来の値より、さらに低下する。このため、基本波整合
回路105を設けることにより、このように低下した出
力インピーダンスを、伝送路105の特性インピーダン
スZoに整合させている。
率電力増幅回路に使用する高出力トランジスタでは、電
流容量を大きくとるために、微小素子を多数並列させて
構成されているので、トランジスタ素子のインピーダン
スは非常に低いものとなる。このような低インピーダン
スな高出力トランジスタに対して、さらにキャパシタを
付加すると、一層低インピーダンス化され、整合回路に
よる損失増大を招くばかりか、広帯域整合を行うことが
できないという欠点があった。
インピーダンスを低下させることなく、第2次高調波短
絡、第3次高調波開放の条件を満足させる高効率増幅回
路を提供することにある。
素子近傍のインピーダンスを低下させることなく、任意
のn次高調波までを完全に高効率動作条件を満たす高効
率電力増幅回路を提供することにある。
に、請求項1記載の発明に係る高効率電力増幅回路は、
B級バイアスで増幅動作を行う高出力トランジスタから
所定の特性インピーダンスの伝送路にその出力を供給で
きるようにした高効率電力増幅回路であって、高出力ト
ランジスタの出力端子が基本周波数に対して4分の1波
長の線路長のインピーダンス整合回路を介して伝送路に
接続されており、このインピーダンス整合回路および伝
送路の接続点に複数の直列共振器のそれぞれ一端を接続
すると共にこれらの直列共振器の他端をアース電極に接
続し、各直列共振器は、2次以上の高調波の一つに対し
て共振し、かつ基本周波数に対しては伝送路の所定の特
性インピーダンスより十分大きいリアクタンスとなるよ
うにしたことを特徴とするものである。
は、インダクタンスLn(ただし、n=1,2,3,
…)とキャパシタンスCn(ただし、n=1,2,3,
…)とを直列接続してなり、基本周波数f0 とすると、 (n+1)f0 =1/{2π(LnCn)1/2 } を満足でき、かつ2πf0 Lnが伝送路の特性インピー
ダンスより十分大きくなることを満足できるように、イ
ンダクタンスLnおよびキャパシタンスCnの値をそれ
ぞれ設定したことを特徴とするものである。
整合回路は、伝送路の特性インピーダンスと高出力トラ
ンジスタの素子インピーダンスのかけた値と、この整合
回路の特性インピーダンスの自乗値とが等しくなる特性
インピーダンスを持ち、かつ基本周波数に対して4分の
1波長の長さとなるような整合線路から構成したことを
特徴とするものである。
の発明に係る高効率電力増幅回路は、B級バイアスで増
幅動作を行う高出力トランジスタから所定の特性インピ
ーダンスの伝送路にその出力を供給できるようにした高
効率電力増幅回路であって、高出力トランジスタの出力
端子がインピーダンス整合回路を介して伝送路に接続さ
れており、このインピーダンス整合回路および伝送路の
接続点に複数の直列共振器のそれぞれ一端を接続すると
共にこれらの直列共振器の他端をアース電極に接続し、
各直列共振器は、インダクタンスLn(ただし、n=
1,2,3,…)とキャパシタンスCn(ただし、n=
1,2,3,…)とを直列接続してなり、基本周波数f
0 とすると、 (n+1)f0 =1/{2π(LnCn)1/2 } を満足でき、かつ2πf0 Lnが伝送路の特性インピー
ダンスより十分大きくなることを満足できるように、イ
ンダクタンスLnおよびキャパシタンスCnの値をそれ
ぞれ設定したことを特徴とするものである。
の発明に係る高効率電力増幅回路は、B級バイアスで増
幅動作を行う高出力トランジスタから所定の特性インピ
ーダンスの伝送路にその出力を供給できるようにした高
効率電力増幅回路であって、高出力トランジスタの出力
端子が、伝送路の特性インピーダンスと高出力トランジ
スタの素子インピーダンスのかけた値と、当該回路の特
性インピーダンスの自乗値とが等しくなる特性インピー
ダンスを持ち、かつ基本周波数に対して4分の1波長の
長さとなるような整合線路を介して伝送路に接続されて
おり、このインピーダンス整合回路および伝送路の接続
点に複数の直列共振器のそれぞれ一端を接続すると共に
これらの直列共振器の他端をアース電極に接続し、各直
列共振器は、インダクタンスLn(ただし、n=1,
2,3,…)とキャパシタンスCn(ただし、n=1,
2,3,…)とを直列接続してなり、基本周波数f0 と
すると、 (n+1)f0 =1/{2π(LnCn)1/2 } を満足でき、かつ2πf0 Lnが伝送路の特性インピー
ダンスより十分大きくなることを満足できるように、イ
ンダクタンスLnおよびキャパシタンスCnの値をそれ
ぞれ設定したことを特徴とするものである。
では、例えばインピーダンス整合回路および伝送路の接
続点に複数の直列共振器のそれぞれ一端を接続すると共
にこれらの直列共振器の他端をアース電極に接続してい
るので、この接続点から見たインピーダンスは、2次高
調波,3次高調波,4次高調波,…に対して零となる。
また、これら直列共振器は、基本波に対して伝送路の特
性インピーダンスより十分に大きな値となる。さらに、
高出力トランジスタの出力端子から見たインピーダンス
は、インピーダンス整合回路の作用により、2次高調
波,4次高調波,…に対して短絡状態になり、3次高調
波,5次高調波,…に対して開放状態になるようになっ
ている。これにより、電力損失を抑えて、高効率な増幅
回路を実現できる。
の実施例を示す回路図である。この図に示す高効率電力
増幅回路1は、トランジスタ2と、インピーダンス整合
回路3と、複数の共振回路51 ,52 とを備え、次のよ
うに構成されている。トランジスタ2のエミッタは接地
されており、またトランジスタ2のベースには、図示し
ないが、高周波信号が入力されるとともに、B級バイア
スが印加されるようになっている。トランジスタ2のコ
レクタ(出力端子)6には、インピーダンス整合回路3
を介して伝送路7が接続されている。このインピーダン
ス整合回路3は、図1に示すように、整合線路31から
なる。すなわち、整合線路31は、基本波f0 の波長を
λとすると、この基本波の波長λに対して4分の1波長
(λ/4)の長さをしており、かつその特性インピーダ
ンスZa は、トランジスタの素子インピーダンスをZT
とし、伝送路7のインピーダンスをZ0 (=50
〔Ω〕)とすると、Za ≒(ZT ・Z0 )1/2 となるよ
うになっている。したがって、インピーダンス整合回路
3の接続状態は、整合線路31の一端32にトランジス
タ2の出力端子6を接続し、また整合線路31の他端3
3に伝送路7を接続することにより実現している。この
インピーダンス整合回路3、すなわち整合線路31の他
端33と伝送路7の接続点8には集中定数回路の直列共
振回路51 ,52 の一端が接続されている。また、これ
ら直列共振回路51 ,52 の他端はアース電極に接続さ
れている。
と、コンデンサC1 とを直列接続して構成したものであ
り、基本周波数f0 と、インダクタンスL1 およびコン
デンサC1 との間に、次の数式1のような関係が満足さ
れるようなパラメータを選択している。
と、コンデンサC2 とを直列接続して構成されており、
基本周波数f0 と、インダクタンスL2 およびコンデン
サC 2 ときの間に、次の数式2のような関係が満足され
るようなパラメータを選択している。
波(2f0 )、三次高調波(3f0)においては、接続
点8のインピーダンスは零〔Ω〕になる。
長(λ/4)となっているインピーダンス整合回路3の
作用により、トランジスタ2の出力端子6から負荷側を
見たインピーダンスZL は、二次高調波(2f0 )にあ
っては短絡となり、三次高調波(3f0 )にあっては開
放となることになる。
ピーダンスは、数式3,4からも分かるように、基本波
(f0 )に対して十分に大きくなるので、無視してもよ
い。
ピーダンスZT は、4分の1波長の整合回路31(イン
ピーダンス整合回路3)によって、50〔Ω〕にインピ
ーダンス変換されている。
成例を示す構成図である。
の半絶縁性GaAsチップ11の上に、1〔W〕級高出
力ヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)素子12を
形成させてある。このHBT素子12の出力側には、特
性インピーダンスが13〔Ω〕であって、かつ長さが例
えば26〔GHz〕において4分の1波長となる整合線路
31を設けてある。HBT素子12の入力側には、特性
インピーダンスが7〔Ω〕であって、かつ例えば26
〔GHz〕において4分の1波長となる整合線路13が設
けられている。
線14により、例えば0.25〔mm〕厚のアルミナ基
板15上に設けられて出力回路を構成する伝送路7の一
端に接続されている。この伝送路7とボンディング線1
4との接続点(接続点8)は、ボンデング線51を介し
てMIMキャパシタ52に接続されている。このボンデ
ング線51がインダクタンスL1 を構成し、かつMIM
キャパシタ52がコンデンサC1 を構成する。これらが
直列接続されて第1共振回路51 となっており、第1共
振回路51 は、2次高調波(2f0 )に共振するように
なっている。また、伝送路7とボンディング線14のと
接続点(接続点8)は、ボンデング線53を介してMI
Mキャ0 シタ54に接続されている。このボンデング線
53がインピーダンスL2 を構成し、MIMキャ0 シタ
54がコンデンサC2 を構成している。これらが直列接
続されて第2共振回路52 が得られることになり、この
第2共振回路52 は、3次高調波(3f0 )に共振する
ようになっている。
は、インダクタンスL1 、L2 ともにリアクタンスは2
00〔Ω〕以上となり、基本波(f0 )に大きな影響を
与えないことが分かる。
グ線16により、例えば0.25〔mm〕厚のアルミナ
基板17上に設けられて入力回路を構成する伝送路18
の一端に接続されている。
したように各部品を配置することにより実現されること
になる。
である。
続点8とアース電極との間に、第1直列共振回路51 ,
第2直列共振回路52 ,第3直列共振回路53 ,…,第
n直列共振回路5n を接続した点に特徴があり、他の構
成は図1のものと全く同一である。したがって、図1の
実施例と同一構成要素には同一の符号を付して説明を省
略する。
ンスL1 とキャパシタンスC1 とを直列接続して構成さ
れている。第2直列共振回路52 はインダクタンスL2
とキャパシタンスC2 とを直列接続して構成されてい
る。第3直列共振回路53 はインダクタンスL3 とキャ
パシタンスC3 とを直列接続して構成されており、この
ように次々に構成してゆく。最後に、第n共振回路はイ
ンダクタンスLn とキャパシタンスCn とを直列接続し
て構成している。
1aによれば、接続点8におけるインピーダンスは、2
次以上の高調波(2f0 ,3f0 ,4f0 ,5f0 ,
…,nf0 )に対して、零〔Ω〕となり、かつ各インダ
クタンスL1 ,L2 ,L3 ,…,Ln の基本波に対する
リアクタンス(2πf0 L1 ,2πf0 L2 ,2πf0
L3 ,…, 2πf0 Ln )は、伝送路7の特性インピー
ダンスZ0 (=50〔Ω〕)より十分大きく設定されて
いるため、基本波f0 の整合に対して影響を与えないこ
とになる。
とキャパシタンスCn との直列共振回路のインピーダン
スZ(ω)は、ωn =1/(Ln Cn )1/2 とすると、
数式5に示すようになる。
ピーダンスZ(ω)ついて考えると、例えば(ω+
ωn )/(ωn ω)≒Z/ωと近似し、さらに、ω−ω
n =Δω n =2πΔfn とおくと、インピーダンスZ
(ω)は数式6のようになる。
に、共振点においてはインピーダンスZ(ω)=0とな
り、かつ共振点をずれればずれるほどインピーダンスZ
(ω)の値が大きくなる。
振周波数(ω0 )とωが一致しているときには、ω=ω
0 =2πf0 とし、ωn =2π×2f0 とすると、ω−
ωn=−2πf0 となるから、インピーダンスZ
(ω0 )=−j4πf0 Ln となることが分かる。
2π×3f0 とすると、ω−ωn =−4πf0 となるか
ら、インピーダンスZ(ω)=−j8πf0 Ln とな
る。このように|Z(ω)|≫50〔Ω〕を保つために
は、2πf0 Ln が50〔Ω〕より十分に大きければよ
いことが、目安であることが分かる。
スタの出力端子をインピーダンス整合回路を介して伝送
路に接続し、かつインピーダンス接合回路と伝送路の接
続点と、アース電極との間に、複数の直列共振回路を接
続し、これら直列共振回路で二次以上の高調波を除去
し、かつ直列共振回路のインピーダンスが基本波に対し
て十分大きな値を保つようにしてあるので、不用なトラ
ンジスタの低インピーダンス化をさけることができ、導
体損失を減らすことができる。
出力端子から見て、二次高調波で短絡、三次高調波で開
放となるように直列共振回路およびインピーダンス整合
回路のパラメータを選定するようにしたので、高効率動
作が実現できる。
三次高調波に限らず、任意にn次の高調波まで完全に高
効率動作条件を満たす高効率増幅回路を実現できる。
GaAsモノリシックIC(集積回路)により基本波整
合回路までを構成し、各直列共振回路ならびに50
〔Ω〕伝送線路をアルミナ基板上に構成することも可能
で、微調整の難しいモノリシックIC構成の欠点を補う
回路構成の実現が可能となる。
明では、B級バイアスで増幅動作を行う高出力トランジ
スタの出力端子が接続される基本周波数に対して4分の
1波長の線路長のインピーダンス整合回路および伝送路
の接続点に複数の直列共振器のそれぞれ一端を接続する
と共にこれらの直列共振器の他端をアース電極に接続し
たので、共振器の取付位置をそれぞれ調整して取り付け
る従来の回路に比べて取り付けの位置関係が複雑となる
ことがなく、また、これらの取付位置が異なっているこ
のような従来の回路に比べて1つの共振器の取り付けが
他の共振器の共振周波数に影響を与えるといったことが
なく、回路の信頼性を向上させることができる。また、
各直列共振器は、2次以上の高調波の一つに対して共振
し、かつ基本周波数に対しては伝送路の所定の特性イン
ピーダンスより十分大きいリアクタンスとなるようにし
たので、不用なトランジスタの低インピーダンス化をさ
けることができ、導体損失を減らすことができる。
スタの出力端子から見たインピーダンスを、インピーダ
ンス整合回路と複数の直列共振回路との作用により特定
の関係に保てるようにしたので、高効率動作が実現でき
る。
は、インダクタンスとキャパシタンスとを直列接続して
なり、二次以上の高調波の一つに共振し、かつインダク
タンスのリアクタンスが伝送路の特性インピーダンスよ
り十分大きくなるようにしてあるので、各高調波に対し
ては短絡状態になり、かつ基本波に対しては十分大きな
インピーダンスとなり、高調波を除去できるとともに、
基本波に減衰を招かない。
整合回路は、伝送路の特性インピーダンスと高出力トラ
ンジスタの素子インピーダンスのかけた値と、この整合
回路の特性インピーダンスの自乗値とが所定の関係にな
るようにしてあり、かつ基本周波数に対して4分の1波
長の長さとなる整合線路から構成したので、各直列共振
回路との作用により、トランジスタの出力端子から見た
インピーダンスを各高調波に対して所定の値にすること
ができる。
スで増幅動作を行う高出力トランジスタの出力端子が接
続されるインピーダンス整合回路および伝送路の接続点
に複数の直列共振器のそれぞれ一端を接続すると共にこ
れらの直列共振器の他端をアース電極に接続したので、
共振器の取付位置をそれぞれ調整して取り付ける従来の
回路に比べて取り付けの位置関係が複雑となることがな
く、また、これらの取付位置が異なっているこのような
従来の回路に比べて1つの共振器の取り付けが他の共振
器の共振周波数に影響を与えるといったことがなく、回
路の信頼性を向上させることができる。また、各直列共
振器は、インダクタンスとキャパシタンスとを直列接続
してなり、これらと高調波との間に特定の関係が満足で
きるようにし、かつインダクタンスのリアクタンスが伝
送路の特性インピーダンスより十分大きくなるようにし
たので、不用なトランジスタの低インピーダンス化をさ
けることができ、導体損失を減らすことができるととも
に、高効率動作を実現できる。
スで増幅動作を行う高出力トランジスタの出力端子が接
続されるインピーダンス整合回路および伝送路の接続点
に複数の直列共振器のそれぞれ一端を接続すると共にこ
れらの直列共振器の他端をアース電極に接続したので、
共振器の取付位置をそれぞれ調整して取り付ける従来の
回路に比べて取り付けの位置関係が複雑となることがな
く、また、これらの取付位置が異なっているこのような
従来の回路に比べて1つの共振器の取り付けが他の共振
器の共振周波数に影響を与えるといったことがなく、回
路の信頼性を向上させることができる。また、各直列共
振器は、インダクタンスとキャパシタンスとを直列接続
してなり、これらと高調波との間に特定の関係が満足で
きるようにし、かつインダクタンスのリアクタンスが伝
送路の特性インピーダンスより十分大きくなるように
し、しかも、伝送路の特性インピーダンスと高出力トラ
ンジスタの素子インピーダンスのかけた値と、当該回路
の特性インピーダンスの自乗値とを特性の関係を満足す
るようにし、かつ基本周波数に対して4分の1波長の長
さとなるような整合線路としてあるので、電力損失を抑
えて、高効率な増幅回路を実現できる。
す回路図である。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 B級バイアスで増幅動作を行う高出力ト
ランジスタから所定の特性インピーダンスの伝送路にそ
の出力を供給できるようにした高効率電力増幅回路であ
って、 前記高出力トランジスタの出力端子が基本周波数に対し
て4分の1波長の線路長のインピーダンス整合回路を介
して前記伝送路に接続されており、このインピーダンス
整合回路および伝送路の接続点に複数の直列共振器のそ
れぞれ一端を接続すると共にこれらの直列共振器の他端
をアース電極に接続し、 前記各直列共振器は、2次以上の高調波の一つに対して
共振し、かつ基本周波数に対しては前記伝送路の所定の
特性インピーダンスより十分大きいリアクタンスとなる
ようにしたことを特徴とする高効率電力増幅回路。 - 【請求項2】 前記各直列共振器は、インダクタンスL
n(ただし、n=1,2,3,…)とキャパシタンスC
n(ただし、n=1,2,3,…)とを直列接続してな
り、基本周波数f0 とすると、 (n+1)f0 =1/{2π(LnCn)1/2 } を満足でき、かつ2πf0 Lnが前記伝送路の特性イン
ピーダンスより十分大きくなることを満足できるよう
に、インダクタンスLnおよびキャパシタンスCnの値
をそれぞれ設定したことを特徴とする請求項1記載の高
効率電力増幅回路。 - 【請求項3】 前記インピーダンス整合回路は、伝送路
の特性インピーダンスと前記高出力トランジスタの素子
インピーダンスのかけた値と、当該回路の特性インピー
ダンスの自乗値とが等しくなる特性インピーダンスを持
ち、かつ基本周波数に対して4分の1波長の長さとなる
ような整合線路から構成したことを特徴とする請求項1
記載の高効率電力増幅回路。 - 【請求項4】 B級バイアスで増幅動作を行う高出力ト
ランジスタから所定の特性インピーダンスの伝送路にそ
の出力を供給できるようにした高効率電力増幅回路であ
って、 前記高出力トランジスタの出力端子がインピーダンス整
合回路を介して前記伝送路に接続されており、このイン
ピーダンス整合回路および伝送路の接続点に複数の直列
共振器のそれぞれ一端を接続すると共にこれらの直列共
振器の他端をア ース電極に接続し、 前記各直列共振器は、インダクタンスLn(ただし、n
=1,2,3,…)とキャパシタンスCn(ただし、n
=1,2,3,…)とを直列接続してなり、基本周波数
f0 とすると、 (n+1)f0 =1/{2π(LnCn)1/2 } を満足でき、かつ2πf0 Lnが前記伝送路の特性イン
ピーダンスより十分大きくなることを満足できるよう
に、インダクタンスLnおよびキャパシタンスCnの値
をそれぞれ設定したことを特徴とする高効率電力増幅回
路。 - 【請求項5】 B級バイアスで増幅動作を行う高出力ト
ランジスタから所定の特性インピーダンスの伝送路にそ
の出力を供給できるようにした高効率電力増幅回路であ
って、 前記高出力トランジスタの出力端子が、伝送路の特性イ
ンピーダンスと前記高出力トランジスタの素子インピー
ダンスのかけた値と、当該回路の特性インピーダンスの
自乗値とが等しくなる特性インピーダンスを持ち、かつ
基本周波数に対して4分の1波長の長さとなるような整
合線路を介して前記伝送路に接続されており、このイン
ピーダンス整合線路および伝送路の接続点に複数の直列
共振器のそれぞれ一端を接続すると共にこれらの直列共
振器の他端をアース電極に接続し、 前記各直列共振器は、インダクタンスLn(ただし、n
=1,2,3,…)とキャパシタンスCn(ただし、n
=1,2,3,…)とを直列接続してなり、基本周波数
f0 とすると、 (n+1)f0 =1/{2π(LnCn)1/2 } を満足でき、かつ2πf0 Lnが前記伝送路の特性イン
ピーダンスより十分大きくなることを満足できるよう
に、インダクタンスLnおよびキャパシタンスCnの値
をそれぞれ設定し、 前記伝送路の特性インピーダンスと前記高出力トランジ
スタの素子インピーダンスのかけた値と、当該回路の特
性インピーダンスの自乗値とが等しくなる特性インピー
ダンスを持ち、かつ基本周波数に対して4分の1波長の
長さとなるような整合線路から構成したことを特徴とす
る高効率電力増幅回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP6267724A JP2616464B2 (ja) | 1994-10-31 | 1994-10-31 | 高効率電力増幅回路 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH08130424A JPH08130424A (ja) | 1996-05-21 |
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Cited By (1)
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US6396348B1 (en) | 1999-10-06 | 2002-05-28 | Nec Corporation | Circuit for dealing with higher harmonics and circuit for amplifying power efficiency |
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