JP2911059B2 - 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、ＳＣＰＣ（Ｓｉｇｌ
ｅ Ｃｈａｎｎｅｌ／Ｃａｒｒｉｅｒ）信号のような多
数波信号を増幅する複数の入出力端子を有するマイクロ
波帯の増幅器に関するものであり、特にマルチビーム衛
星通信用衛星搭載増幅器に適するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の電力増幅器は特開昭６１
−７８２１３号に示されている。この電力増幅器は図２
Ａに示すように、Ｍ１個（Ｍ１≦Ｎ，Ｎ＝２ⁿ ）の信号
入力端子１₁ 〜１Ｍ１を有する電力結合器１１のＮ個の
信号出力端子にＮ個の増幅器２ ₁ 〜２_N が接続され、こ
れらＮ個の増幅器２₁ 〜２_N の出力端子に電力結合器１
２のＮ個の信号入力端子がそれぞれ接続され、電力結合
器１２はＭ２（Ｍ２≦Ｎ）の信号出力端子を備えてい
る。電力結合器１１，１２はそれぞれ、例えばハイブリ
ッド結合器により構成され、ハイブリッド結合器１３は
図２Ｂに示すように入力端子“ａ”，“ｂ”及び出力端
子“ａ”，“ｂ”を有するものを〔ａ，ｂ〕と標記し、
入力端子“ａ”からの入力信号を出力端子“ａ”と
“ｂ”とに＋９０°（または−９０°）の位相差で２等
分して出力し、かつ入力端子“ｂ”からの入力信号を出
力端子“ａ”と“ｂ”とに−９０°（または＋９０°）
の位相差で２等分して出力し（９０°ハイブリッド）、
あるいは入力端子“ａ”からの入力信号を出力端子
“ａ”と“ｂ”とに同相（または１８０°の位相差）で
２等分して出力し、かつ入力端子“ｂ”からの入力信号
を出力端子“ａ”と“ｂ”とに１８０°の位相差（また
は同相）で２等分して出力する（１８０°ハイブリッ
ド）。図２Ｃにハイブリッド結合器１３を、その結合の
生じている部分に縦の実線を接続して示す。

【０００３】電力結合器１１，１２の接続関係の例を図
３に示す。この図は図２Ｃに示した簡略記号を用いてい
る。このようにＮ／２個のハイブリッド結合器が並列に
配列したものがｎ段縦続的に配置される。その１段目の
ハイブリッド結合器の入出力端子に対しては〔２ｋ，２
ｋ＋１〕（ｋ＝０，１，・・・，２^n-1 −１）つまり
〔０，１〕，〔２，３〕，〔４，５〕，・・・，の番号
を付し、２段目のハイブリッド結合器の入出力端子に対
しては〔４ｋ₁ ＋Ｋ₂ ，４ｋ₁ ＋Ｋ₂ ＋２〕（ｋ ₁ ＝
０，１，・・・，２^n-2 −１，Ｋ₂ ＝０，１）つまり
〔０，２〕，〔１，３〕，〔４，６〕，・・・の番号を
付し、ｉ段目のハイブリッド結合器の入出力端子には
〔２ⁱ ｋ₁ ＋ｋ₂ ，２ⁱ ｋ₁ ＋ｋ₂ ＋２^i-1 〕（ｋ₁ ＝
０，１，・・・，２^n-i −１，ｋ₂ ＝０，１，・・・，
２^i-1 −１）つまり〔０，２^i-1 〕，〔１，１＋
２^i-1 〕，〔２ⁱ ，２ⁱ ＋２^i-1 〕，・・・の番号を付
し、同様に順次ｎ段目のハイブリッド結合器の入出力端
子に番号を付した時、任意の順序で段間のそれぞれ対応
する番号の後段の入力端子と前段の出力端子とがそれぞ
れ接続され、初段のＮ／２個のハイブリッド結合器の入
力端子０〜２^n-1 及び終段のＮ／２個のハイブリッド結
合器の出力端子がそれぞれ電力結合器の信号入力端子、
信号出力端子とされる。

【０００４】電力結合器１１として入力端子の数Ｍ１が
出力端子の数Ｎより小のものもあり、この場合はＭ１個
の入力端子に信号が入力した際に、信号が通らないハイ
ブリッド結合器は除去されるか、または使用されない。
同様に電力結合器１２として出力端子の数Ｍ２が入力端
子の数Ｎより小のものもあり、この場合はＮ個の入力端
子に信号が入力した際に、信号が通らないハイブリッド
結合器は除去されるか、または使用されない。

【０００５】このような構成で、図２Ａにおいて１つの
入力端子からの信号は電力結合器１１でＮ等分された
後、このＮ等分された信号は増幅器２₁ 〜２_N でそれぞ
れ各別に増幅され、これら増幅出力は電力結合器１２で
合成されて１つの出力端子に出力される。図４に示すＭ
１＝Ｍ２＝５，Ｎ＝８で電力結合器１１，１２を９０°
ハイブリッドで構成した場合を例として、この従来の電
力増幅器の動作と問題点とを具体的に説明する。

【０００６】ＳＣＰＣ信号のような多数波信号を増幅す
る場合には混変調歪の影響を抑える必要がある。従来の
電力増幅器では、全ての信号入力端子から入力された信
号は、電力結合器１１により、各増幅器２ａ〜２ｈに等
振幅で均等に分配され、それらは、電力結合器１１のハ
イブリッド結合器１３の接続関係で決定される９０°単
位の位相関係となる。増幅器２ａ〜２ｈの非線形特性に
より多数波信号の混変調歪が多数発生する。各増幅器で
発生する混変調歪の位相関係は、その混変調歪を発生す
る入力信号の増幅器入力時の位相関係に依存するため、
それは９０°単位の位相関係となる。電力結合器１２に
より、各増幅器２ａ〜２ｈで増幅された多数波信号及び
各増幅器２ａ〜２ｈで発生した混変調歪は、電力結合器
１２のハイブリッド結合器１３の接続関係で決定される
位相関係で位相合成され、同相合成される関係にある信
号出力端子に出力される。

【０００７】混変調歪は数学的には多数波信号の積の高
次成分で表わされるため、増幅器出力端における信号と
混変調歪の位相関係は、各増幅器で異なる。そのため、
電力結合器１２による位相合成において、信号の出力さ
れる端子と混変調歪の出力される端子は必ずしも一致し
ない。簡単な例として、図３で周波数ｆ₁ （角周波数ω
₁ ）の信号が信号入力端子１ａに、周波数ｆ₂ （角周波
数ω₂ ）の信号が信号入力端子１ｂに入力される場合に
おいて、各増幅器２ａ〜２ｈが歪特性を含めて同一の特
性を有する理想的な場合について説明する。

【０００８】信号入力端子１ａに入力される信号電圧を
ｖ₁ ＝ａ・cos （ω₁ ｔ），信号入力端子１ｂに入力さ
れる信号電圧をｖ₂ ＝ａ・cos （ω₂ ｔ）とする。電力
結合器１１の信号入力端子１ａから各増幅器２ａ〜２ｈ
の入力端子への理想的な移相量をα_j1（ｊ＝２ａ〜２
ｈ）とすると、α_j1（ｊ＝２ａ〜２ｈ）＝０°，９０
°，９０°，１８０°，９０°，１８０°，１８０°，
２７０°であり、また、信号入力端子１ｂから各増幅器
２ａ〜２ｈの入力端子への理想的な移相量をα_j2（ｊ＝
２ａ〜２ｈ）とすると、α_j2（ｊ＝２ａ〜２ｈ）＝９０
°，１８０°，１８０°，２７０°，０°，９０°，９
０°，１８０°であるので、各増幅器２ｊには、 ｖ＝ｂ・cos （ω₁ ｔ＋α_j1）＋ｂ・cos （ω₂ ｔ＋α_j2） (1) の信号が入力される。ただし、ｂ＝ａ・２^-3/2であり、
α_j1，α_j2は電力結合器１１の構成で決定される位相で
あり、例えば、増幅器２ａではα_j1（ｊ＝２ａ）＝０
°，α_j2（ｊ＝２ａ）＝９０°である。各増幅器２ｊの
特性を以下のように仮定する。

【０００９】 Ｖ＝ａ₁ ・ｖ＋ａ₃ ・ｖ³ (2) ただし、Ｖは出力電圧、ｖは入力電圧、ａ₁ ，ａ₃ は係
数である。(1) 式で表わされる信号がこの増幅器２ｊに
入力される場合には、出力電圧Ｖの基本波成分、三次混
変調歪成分は、以下のようになる。 ｆ₁ 成分：Ａ₁ ・cos （ω₁ ｔ＋α_j1） ｆ₂ 成分：Ａ₁ ・cos （ω₂ ｔ＋α_j2） ２ｆ₁ −ｆ₂ 成分：Ａ₂ ・cos 〔（２ω₁ −ω₂ ）ｔ＋（２α_j1−α_j2）〕 ２ｆ₂ −ｆ₁ 成分：Ａ₂ ・cos 〔（２ω₂ −ω₁ ）ｔ＋（２α_j2−α_j1）〕 ただし、Ａ₁ ＝（ｂ・ａ₁ ＋３ｂ・ａ₃ ／４），Ａ₂ ＝３ｂ・ａ₃ ／４である 。

【００１０】各増幅器２ｊで増幅された基本波成分及び
非線形特性により発生した三次混変調歪成分は、電力結
合器１２で位相合成される。各増幅器２ａ〜２ｈの出力
端子から電力結合器１２の信号出力端子３ａへの理想的
な移相量をβ_1j（ｊ＝２ａ〜２ｈ）とすると、β_1j（ｊ
＝２ａ〜２ｈ）＝２７０°，１８０°，１８０°，９０
°，１８０°，９０°，９０°，０°であり、また、各
増幅器２ａ〜２ｈの出力端子から信号出力端子３ｂへの
理想的な移相量をβ_2j（ｊ＝２ａ〜２ｈ）とすると、β
_2j（ｊ＝２ａ〜２ｈ）＝１８０°，９０°，９０°，０
°，２７０°，１８０°，１８０°，９０°である。信
号出力端子３ａに現れる基本波成分及び、三次混変調歪
成分は以下のようになる。

【００１１】 ｆ₁ 成分：Σ_j ２^-3/2・Ａ₁ ・cos （ω₁ ｔ＋α_j1＋β_1j） ｆ₂ 成分：Σ_j ２^-3/2・Ａ₁ ・cos （ω₂ ｔ＋α_j2＋β_1j） ２ｆ₁ −ｆ₂ 成分：Σ_j ２^-3/2・Ａ₂ ・cos 〔（２ω₁ −ω₂ ）ｔ＋ （２α_j1−α_j2）＋β_1j〕 ２ｆ₂ −ｆ₁ 成分：Σ_j ２^-3/2・Ａ₂ ・cos 〔（２ω₂ −ω₁ ）ｔ＋ （２α_j2−α_j1）＋β_1j〕 ただし、Σ_j はｊ＝２ａ〜２ｈについて総和を意味す
る。

【００１２】 α_j1＋β_1j（ｊ＝２ａ〜２ｈ）＝２７０°，２７０°，
２７０°，２７０°，２７０°，２７０°，２７０°，
２７０° α_j2＋β_1j（ｊ＝２ａ〜２ｈ）＝０°，０°，０°，０
°，１８０°，１８０°，１８０°，１８０° であるので、周波数ｆ₁ の信号は信号出力端子３ａに同
相合成されて出力されるが、周波数ｆ₂ の信号は信号出
力端子３ａでは逆相合成されてるため出力されない。ま
た、 （２α_j1−α_j2）＋β_1j＝１８０°，１８０°，１８０
°，１８０°，０°，０°，０°，０° （２α_j2−α_j1）＋β_1j＝９０°，９０°，９０°，９
０°，９０°，９０°，９０°，９０° であるので、２ｆ₁ −ｆ₂ の周波数に発生する三次混変
調歪は信号出力端子３ｂでは逆相合成されるため現れな
いが、周波数２ｆ₂ −ｆ₁ の周波数に発生する三次混変
調歪は信号出力端子３ａでは同相合成されて現れる。同
様にして、周波数ｆ₂ の信号は信号出力端子３ｂに出力
され、２ｆ₁ −ｆ₂ の周波数に発生する三次混変調歪は
信号出力端子３ｂに現れ、他の成分は信号出力端子３ｂ
には現れないことが分かる。このように従来の電力増幅
器においては、入力信号はその信号が入力される信号入
力端子に対応した出力端子だけにその出力が現れる。ま
た、異なる信号入力端子から入力された信号により増幅
器で発生する三次混変調歪が現れる端子と入力信号が出
力される端子とは必ずしも一致しない。

【００１３】以上の説明から分かるように電力増幅器の
各信号入力端子に多数波信号を分散して入力した場合に
は、増幅器の非線形特性により発生する多数の混変調歪
は各信号出力端子に分散して現れるため、１つの信号入
力端子に多数波信号を集中して入力する場合に比べて信
号チャネルに落ち込む混変調歪の数は減少する。すなわ
ち、電力増幅器では、各信号入力端子に多数波信号を分
散して入力する場合には、１つの信号入力端子に多数波
信号を集中して入力する場合に比べて、１つの信号チャ
ネルに落ち込む混変調歪量が改善されるという特徴を有
している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来の電力増幅器をマ
ルチビーム衛星通信用中継器の送信電力増幅器に使用す
る場合には、各ビームのトラヒックに応じて、各信号入
力端子への信号チャネル数を割り当てる必要がある。従
って、大都会などのトラヒックが多い地域を照射するビ
ームには他のビームに比べて多数の信号チャネルを割り
当てる必要があり、必ずしも各信号入力端子に信号を分
散して入力することができない。そのため従来の電力増
幅器の特徴である、各信号入力端子に信号を分散して入
力する場合に１つの信号チャネルに落ち込む混変調歪量
が改善される効果が小さくなる場合が発生するという欠
点があった。

【００１５】この発明は上記のような欠点を解決するた
めになされたもので、特定ビームのトラヒックが常に多
い場合でも、多数波信号を増幅する際に信号チャネルに
落ち込む混変調歪量が改善できる電力増幅器を提供する
ことを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、Ｍ１
個（Ｍ１≦Ｎ，Ｎ＝２ⁿ ）の入力端子、Ｍ２個（Ｍ２≦
Ｎ）の出力端子、Ｎ個の増幅器を有する従来の電力増幅
器に対し、１つの伝送帯域をＭ個（Ｍ＜Ｍ１）のサブ帯
域に分ける分波器と、Ｍ個のサブ帯域を合成して１つの
伝送帯域とする合波器とが付加され、Ｍ１個の信号入力
端子の中から任意のＭ個を選択して上記分波器のＭ個の
出力端子が接続され、その分波器に接続する電力増幅器
のＭ個の入力端子に対応した電力増幅器のＭ個の出力端
子に上記合波器のＭ個の入力端子が接続される。この発
明における電力増幅器の信号入力端子は、合波器の入力
端子と、合波器が接続されない（Ｍ１−Ｍ）個の入力端
子とである。

【００１７】

【作 用】この発明における電力増幅器は、分波器によ
り多数波信号の伝送帯域を複数のサブ帯域に分け、それ
ぞれのサブ帯域内の多数波信号を従来構成の電力増幅器
の異なる信号入力端子に入力し、増幅した後に合波器に
より１つの伝送帯域に合成する構成である。分波器を通
って従来構成の電力増幅器に入力される多数波信号は、
この分波器の効果により電力増幅器の異なる信号入力端
子に分散して入力されることになり、１つの信号チャネ
ルに落ち込む混変調歪量が改善される。従って、分波器
を通る信号入力端子にトラヒックが常に多いビームを割
り当てることにより、多数波信号を増幅する際に生じる
混変調歪量の改善効果を従来よりも大きくすることがで
きる。

【００１８】

【実施例】図１にこの発明の実施例を示し、この実施例
はＭ１＝Ｍ２＝Ｎ＝８，Ｍ＝４の場合であり、図４と対
応する部分に同一符号を付けてある。つまり入力側の電
力結合器１１はＭ１＝８個の入力端子４ａ〜４ｈを有
し、また出力側の電力結合器１２はＭ２＝８個の出力端
子５ａ〜５ｈを有している。この実施例では入力側に分
波器１４が設けられ、信号入力端子１ｃから入力された
信号がＭ＝４個の帯域に分割され、その４つの出力端子
は電力結合器１１の入力端子４ｃ，４ｆ，４ｇ，４ｈに
それぞれ接続され、電力結合器１１の残りの入力端子４
ａ，４ｂ，４ｄ，４ｅはそれぞれ信号入力端子１ａ，１
ｂ，１ｄ，１ｅとされる。また、出力側に合波器１５が
設けられ、電力結合器１２の出力端子５ａ〜５ｈ中の分
波器１４が接続された入力端子４ｃ，４ｆ，４ｇ，４ｈ
と対応する出力端子５ｃ，５ｆ，５ｇ，５ｈに合波器１
５の４つの入力端子が接続され、合波器１５の出力は信
号出力端子３ｃとされ、電力結合器１２の他の出力端子
５ａ，５ｂ，５ｄ，５ｅはそれぞれ信号出力端子３ａ，
３ｂ，３ｄ，３ｅとされる。

【００１９】多数波信号の信号チャネルに周波数の低い
方から順に番号を付けて説明する。一例としてこの発明
の効果が大きく現れるように、等しい周波数間隔で配置
された５０波の多数波信号がすべて１つの信号入力端子
１ｃに集中して入力される場合について説明する。信号
入力端子１ｃに入力される５０波の信号は分波器１４に
より、分波されて４つの出力端子に別々に現れる。ここ
では、５０波の信号のうち、１〜１３，１４〜２５，２
６〜３８，３９〜５０のチャネル番号で示される信号が
それぞれ分波されて分波器１４の４つの出力端子に出力
されるとして説明を進める。分波器１４を備えることに
より、それに入力される多数波信号を従来構成の電力増
幅器の異なる信号入力端子に分散して入力することがで
きる。従って、分波器１４を通る信号入力端子に信号チ
ャネルの割り当て数が常に多いビームを割り当てれば、
電力増幅器の各信号入力端子に多数波信号を分散して入
力することが可能になる。

【００２０】各信号入力端子から入力された信号は、電
力結合器１１により、等振幅かつ電力結合器１１のハイ
ブリッド結合器の接続関係で決定される９０°単位の特
定の位相関係で各増幅器２ａ〜２ｈに分配される。各増
幅器２ａ〜２ｈでは多数波信号を増幅するとともに、増
幅器２ａ〜２ｈの非線形特性により、多数波信号の混変
調歪が多数発生する。電力結合器１２により、各増幅器
２ａ〜２ｈで増幅された多数波信号および各増幅器２ａ
〜２ｈで発生した混変調歪は、電力結合器１２のハイブ
リッド結合器の接続関係で決定される位相関係で位相合
成され、多数波信号は信号入力端子に対応した特定の信
号出力端子に出力され、多数の混変調歪は各信号出力端
子に分散して現れる。

【００２１】上記のようにして、この発明の電力増幅器
の信号入力端子に入力された多数波信号により発生する
混変調歪のうち３波の信号による（ｆ₁ ＋ｆ₂ −ｆ₃ ）
型の三次混変調歪の各信号チャネルに落ち込む数を計算
した結果を図５に示す。この型の三次混変調歪は一般に
混変調歪の中で最も支配的であり、混変調歪の検討にお
いてはこれに注目すれば十分である。比較のために図４
に示す従来の電力増幅器において、上記の例と同様に信
号入力端子に多数波信号を入力した場合の三次混変調歪
の各信号チャネルに落ち込む数を計算した結果を図５に
同時に示す。図５の結果から、信号チャネルに落ち込む
三次混変調非歪数の最大値（図中に斜線を付けてある）
は、この発明では従来の電力増幅器の場合に比べて約２
／５となり信号チャネルに落ち込む混変調歪量が改善さ
れる効果がある。

【００２２】なお、上記実施例では、分波器１４で帯域
を４つに分割したが、この分割数は任意に選ぶことがで
きる。また一対の分波器、合波器を備えた場合について
説明したが、複数対の分波器、合波器を備えた構成とし
ても同様の効果が得られる。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば特
定ビームのトラヒックが多く、特定の信号入力端子の入
力信号数が多い場合でも、多数波信号を増幅する際に信
号チャネルに落ち込む混変調歪量の改善効果を大きくで
きる電力増幅器が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図。

【図２】Ａは従来の電力増幅器を示すブロック図、Ｂは
ハイブリッド結合器を示す図、Ｃは表記を示す図であ
る。

【図３】電力結合器の一般的構成例を示す図。

【図４】従来の電力増幅器の具体例を示すブロック図。

【図５】三次混変調歪が各チャネルに落ち込む数を示す
図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H03F 3/68

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｍ１個（Ｍ１≦Ｎ，Ｎ＝２ⁿ ）の信号入
   力端子、及び、Ｎ個の信号出力端子を有する第１電力結
   合器と、この第１電力結合器のＮ個の信号出力端子にそ
   れぞれ接続されるＮ個の増幅器と、これらのＮ個の増幅
   器の出力端子にそれぞれ接続されるＮ個の信号入力端子
   及びＭ２個（Ｍ２≦Ｎ）の信号出力端子を有する第２電
   力結合器を備え、２入力端子“ａ”，“ｂ”及び２出力
   端子“ａ”，“ｂ”を有するハイブリッド結合器〔ａ，
   ｂ〕の標記により特定するものとすると、上記第１、及
   び第２電力結合器はそれぞれＮ／２個のハイブリッド結
   合器を並列に配列したものがｎ段縦続的に配され、その
   １段目のハイブリッド結合器の入出力端子に対しては
   〔２ｋ，２ｋ＋１〕（ｋ＝０，１，・・・，２^n-1 −
   １）の番号を付し、２段目のハイブリッド結合器の入出
   力端子に対しては〔４ｋ₁ ＋ｋ₂ ，４ｋ₁ ＋ｋ₂ ＋２〕
   （ｋ₁ ＝０，１，・・・，２^n-2 −１，ｋ₂ ＝０，１）
   の番号を付し、ｉ段目のハイブリッド結合器の入出力端
   子に対しては〔２ⁱ ｋ₁ ＋ｋ₂ ，２ⁱ ｋ₁ ＋ｋ₂ ＋２
   ^i-1 〕（ｋ₁ ＝０，１，・・・，２^n-i −１，ｋ₂ ＝
   ０，１・・・，２^i-1 −１）の入出力端子番号を付し、
   同様に順次ｎ段目のハイブリッド結合器まで入出力端子
   に番号を付した時、任意の順序で段間の各々対応する番
   号の後段入力端子及び前段出力端子が接続され、１段目
   のハイブリッド結合器の入力端子及びｎ段目のハイブリ
   ッド結合器の出力端子がそれぞれ電力結合器の信号入力
   端子、信号出力端子とされている電力増幅器において、
   伝送帯域を２以上のＭ個（Ｍ＜Ｍ１）のサブ帯域に分け
   る分波器と、Ｍ個のサブ帯域を合成して伝送帯域とする
   合波器とを備え、上記分波器のＭ個の出力端子は上記第
   １電力結合器のＭ１個の入力端子の内Ｍ個の端子にそれ
   ぞれ接続され、そのＭ個の入力端子に対応した、上記第
   ２電力結合器のＭ個の出力端子と上記合波器のＭ個の入
   力端子が接続され、上記分波器の入力端子及びその分波
   器の出力端子が接続されない上記第１電力結合器の（Ｍ
   １−Ｍ）個の入力端子を信号入力端子とし、上記合波器
   の出力端子及びその合波器の入力端子が接続されない上
   記第１電力結合器の（Ｍ２−Ｍ）個の出力端子を信号出
   力端子とすることを特徴とする電力増幅器。