JP3183360B2 - 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】本発明は、衛星通信、地上マイク
ロ波通信等に使用されるマイクロ波半導体電力増幅器の
高効率化、すなわち消費電力を低減する電力増幅器に関
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
波の高調波を利用する方法が知られている。すなわち、
増幅素子出力端において、偶数次高調波に対して短絡
し、奇数次高調波に対して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
形の整形を行い、出力電流波形と重ならないようにして
消費電力を低減するものである。つまり、Ｆ級動作を実
現するように、ＦＥＴ等の半導体増幅素子の出力電圧が
０であるときに電流が流れ、一方、ＦＥＴ等の半導体増
幅素子の出力電圧が発生しているときに電流が０になる
ようにし、このようにすることによって、消費電力を低
減するものである。

【０００３】ところで、増幅素子出力端において発生す
る高調波に対して、各次数の高調波に対するインピーダ
ンスだけに影響を与え、しかも基本波を含む他の周波数
のインピーダンスには全く影響を与えない性質の各高調
波専用の整合回路を構成することができれば、各高調波
の整合回路を多数組合せて構成することによって、上記
目的を達成する出力整合回路を構成することができる。
しかし、一般に、整合回路において、ある周波数に対す
るインピーダンスを変えると、他の周波数に対するイン
ピーダンスも変わるので、実際には、全ての高調波に対
して上記のような整合用インピーダンスを実現すること
は困難である。

【０００４】したがって、消費電力に対する影響の大き
な第２次高調波のみを対象にし、その出力インピーダン
スを最適化することによって、消費電力の充分な低減効
果を見込むようにすればよい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような観点から、
本件出願人は、特願平３−２９５，１３３号において、
第２次高調波のみを対象にして整合用インピーダンスを
付加する電力増幅器を提案している。ここで提案した電
力増幅器を図７に示してある。

【０００６】図７において、増幅素子１と、入力整合回
路２と、出力整合回路３と、第２次高調波整合回路２０
ａと、カップリングコンデンサＣ３と、ＤＣカット用カ
ップリングコンデンサＣ５と、バイアスコンデンサＣ
４、Ｃ６と、高調波チョークコイルＲＦＣ１、ＲＦＣ２
とが設けられている。また、第２次高調波整合回路２０
ａは、基本波の約１／８の長さを有し、その中央部が接
地され、出力整合回路３と結合している結合線路５ａ
と、接続線路６ａ、８ａと、キャパシタＣ１１、Ｃ１２
とで構成されている。

【０００７】図８は、図７に示す電力増幅器における第
２次高調波整合回路２０ａの機能を説明するスミスチャ
ートであり、信号波と第２次高調波とが互いに独立的に
整合可能である様子を示している。信号周波数を２．５
ＧＨｚとし、第２次高調波整合回路２０ａを適当な線路
に結合させ、結合線路５ａの長さＬ０を信号波の電気長
で４５度とし、接続線路６ａ、８ａのそれぞれの長さＬ
１、Ｌ２をともに信号波の電気長で７０度とし、キャパ
シタＣ１２の値を約５ｐＦとし、キャパシタＣ１１の値
を１ｐＦから２１ｐＦまで変化させることによって、図
８に示すスミスチャートを得ることができる。

【０００８】上記のように、接続線路６ａ、８ａの長さ
が適切であるときに、キャパシタＣ１１、Ｃ１２の値を
変化させると、増幅信号周波数に対する出力インピーダ
ンスを一定に保持したまま、増幅信号周波数の第２次高
調波に対する出力インピーダンスを独立して変化させる
ことができる。したがって、２つのキャパシタＣ１１、
Ｃ１２の値を適切に設定すると、第２次高調波に対する
出力インピーダンスの最適化、すなわち消費電力の低減
が達成される。

【０００９】しかし、図７の電力増幅器において、結合
線路５ａはその中央部が接地されているので、共通の接
地点を持つ接地点の両側の線路が互いに干渉を生じ、性
能に悪影響を及ぼすという問題がある。また、マイクロ
波帯で使用する電力増幅器の整合回路は一般に分布定数
回路で構成されるので、その形状が性能に大きな影響を
及ぼし、図７に示す電力増幅器において、出力整合回路
３は、基本波長の約８分の１の長さに渡って結合線路５
ａと結合するので、その配置および形状が制限されると
いう問題がある。

【００１０】本発明は、性能に悪影響を及ぼす干渉を低
減することができる高調波制御型の電力増幅器を提供す
ることを目的とし、また、出力整合回路の配置および形
状の自由度を増すことができる高調波制御型の電力増幅
器を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体増幅素
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
路と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、上記出力整合回路と結合し、その一端が接地
され、信号波の高調波に結合する第１の結合線路と、上
記第１の結合線路から有限長の距離を置いて設けられ、
上記出力整合回路と結合し、その一端が上記第１の結合
線路とは独立の接地点で接地され、信号波の高調波に結
合する第２の結合線路と、上記第１の結合線路の他端に
接続され、しかも有限長の線路長を具備する第１の接続
線路と、上記第２の結合線路の他端に接続され、しかも
有限長の線路長を具備する第２の接続線路と、上記第１
の接続線路と接地点との間に接続された第１のリアクタ
ンス素子と、上記第２の接続線路と接地点との間に接続
された第２のリアクタンス素子とを有する回路であり、
上記出力整合回路は、上記第１の結合線路と上記第２の
結合線路との結合に必要な長さを有し、上記第１の結合
線路と上記第２の結合線路との２箇所に分けて結合する
回路である電力増幅器である。

【００１２】

【作用】本発明は、第１の結合線路と第２の結合線路と
が、それぞれ独立の接地点を有し、しかもそれら接地点
は距離をおいて設けられているので、性能に悪影響を及
ぼす干渉を低減することができ、また、出力整合回路
は、第１の結合線路と第２の結合線路との２箇所に分け
て結合すればよいので、出力整合回路の配置、形状の自
由度が増す。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す図である。

【００１４】この実施例において、入力整合回路２と、
出力整合回路３と、入力整合回路２と出力整合回路３と
の間に接続された増幅素子１と、第２次高調波整合回路
２０と、カップリングコンデンサＣ３と、ＤＣカット用
カップリングコンデンサＣ５と、バイアスコンデンサＣ
４、Ｃ６と、高調波チョークコイルＲＦＣ１、ＲＦＣ２
とが設けられている。

【００１５】第２次高調波整合回路２０は、マイクロス
トリップ結合線路５と、接続線路６と、キャパシタＣ１
１と、マイクロストリップ結合線路７と、接続線路８
と、キャパシタＣ１２とで構成されている。

【００１６】マイクロストリップ結合線路５は、長さＬ
を有し、出力整合回路３と結合している。また、マイク
ロストリップ結合線路５は、その一端が接地され、その
他端が、長さＬ１の接続線路６とキャパシタＣ１１とを
介して接地されている。また、マイクロストリップ結合
線路７は、長さＬを有し、出力整合回路３と結合し、マ
イクロストリップ結合線路５の端部から出力整合回路３
の延びる方向に長さＬ３だけ距離をおいて設けられてい
る。また、マイクロストリップ結合線路７は、その一端
が接地され、その他端が、長さＬ２の接続線路８とキャ
パシタＣ１２を介して接地されている。

【００１７】なお、マイクロストリップ結合線路５は、
出力整合回路と結合し、その一端が接地され、信号波の
高調波に結合する第１の結合線路の一例であり、マイク
ロストリップ結合線路７は、第１の結合線路から有限長
の距離を置いて設けられ、出力整合回路と結合し、その
一端が接地され、信号波の高調波に結合する第２の結合
線路の一例であり、接続線路６は、第１の結合線路の他
端に接続され、しかも有限長の線路長を具備する第１の
接続線路の一例であり、接続線路８は、第２の結合線路
の他端に接続され、しかも有限長の線路長を具備する第
２の接続線路の一例であり、キャパシタＣ１１は第１の
接続線路と接地点との間に接続された第１のリアクタン
ス素子の一例であり、キャパシタＣ１２は、第２の接続
線路と接地点との間に接続された第２のリアクタンス素
子の一例である。

【００１８】次に、上記実施例の動作について説明す
る。

【００１９】入力端子Ｔｉ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、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、電力増幅器の出力端子Ｔｏから出
力される。増幅素子１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が、
この第２次高調波は第２次高調波整合回路２０によっ
て、信号波とは独立的に整合される。

【００２０】図２は、上記実施例において、信号波と第
２次高調波とが互いに独立的に整合可能である様子を示
す図である。図３は、上記実施例における第２次高調波
整合回路２０の説明図である。

【００２１】図３において、信号周波数を２．５ＧＨｚ
とし、第２次高調波整合回路２０を適当な線路に結合さ
せ、結合線路５、７の長さＬをともに信号波の電気長で
２２．５度とし、接続線路６、８のそれぞれの長さＬ
１、Ｌ２をともに信号波の電気長で７０度とし、マイク
ロストリップ結合線路５の端部とマイクロストリップ結
合線路７の端部との距離Ｌ３を信号波の電気長で９０度
とし、キャパシタＣ１２の値を約５ｐＦとし、キャパシ
タＣ１１の値を１ｐＦから２１ｐＦまで変化させてあ
る。図２には、上記のようにしたときに、信号波に対す
る線路の入力インピーダンスＺ１と、第２次高調波に対
する同じ線路の入力インピーダンスＺ２とをスミスチャ
ートに表示してある。

【００２２】図２に示すように、キャパシタＣ１１の値
が変化するのに伴って、スミスチャートの外周部に沿っ
て、入力インピーダンスＺ２（第２次高調波に対する線
路の入力インピーダンス）がほぼ１周するのに対して、
信号波に対する線路の入力インピーダンスＺ１は殆ど動
かない。したがって、第２次高調波整合用の結合線路
５、７との、第２次高調波における結合に必要な長さ
を、出力整合回路３が備えていれば、出力整合回路３と
しては、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２０は何ら信号波に影響を及
ぼさないので、第２次高調波整合回路２０の調整を自由
に行うことができる。

【００２３】上記のように、接続線路６、８の一端にそ
れぞれ設けられたキャパシタＣ１１、Ｃ１２のインピー
ダンスを変化させると、増幅信号周波数に対する出力整
合回路３のインピーダンスを一定に保ったまま、信号周
波数の第２次高調波に対する出力整合回路３のインピー
ダンスを独立的に変化させることができ、第２次高調波
に対する出力整合回路３のインピーダンスが適切であれ
ば消費電力の低減を図ることができる。したがって、キ
ャパシタＣ１１、Ｃ１２のインピーダンスを適切に選択
することによって高効率が達成できる。ただし、増幅素
子１のパッケージやボンディングワイヤ等による寄生的
なキャパシタンスやインダクタンスの影響、また増幅素
子１の製造時におけるバラツキ等によって、増幅素子１
の出力接続点における第２次高調波整合回路２０が実現
すべきインピーダンスは必ずしも短絡ではないので、そ
れらを総合してそのインピーダンスを実験的に決定する
必要がある。

【００２４】上記実施例において、必要とされるインピ
ーダンスの変化範囲を、第２次高調波整合回路２０が実
現するように接続線路６、８の長さを、設計の段階で予
め決めておく必要がある。実際の調整時には、電力増幅
器の使用時と同じ条件でその電力増幅器を動作させ、し
かもキャパシタＣ１１、Ｃ１２の各値を変化させながら
効率を測定し、高効率動作を行なっているときのキャパ
シタＣ１１、Ｃ１２の値を実際にも使用すればよい。

【００２５】図２と図８とを比べれば明らかなように、
上記実施例（図２）においても、提案されている電力増
幅器（図８）と解析上同等の性能が得られる。また、上
記実施例においては、干渉等の影響を低減できるので、
解析結果により近い結果を製作時に得ることができ、図
７に示す例で発生する性能劣化を防ぐことができるとい
う利点がある。

【００２６】なお、上記実施例では、マイクロストリッ
プ結合線路５、７と接続線路６、８とキャパシタＣ１
１、Ｃ１２とで構成されている第２次高調波整合回路２
０は出力整合回路３にのみ結合されているが、この第２
次高調波整合回路２０を出力整合回路３と入力整合回路
２とに結合させるようにしてもよい。

【００２７】図４は、本発明の他の実施例の説明図であ
る。

【００２８】図４に示す第２次高調波整合回路２１は、
基本的には、第２次高調波整合回路２０と同じである
が、結合線路と接続線路とキャパシタとの存在位置が第
２次高調波整合回路２０とは異なる。つまり、結合線路
７１（結合線路７と同様の線路）と接続線路８１（接続
線路８と同様の線路）とキャパシタＣ１２とで構成され
るグループは、結合線路５と接続線路６とキャパシタＣ
１１とで構成されるグループと、出力整合回路３に関し
て反対側に存在する。

【００２９】図５は、本発明のさらに他の実施例の説明
図である。

【００３０】第２次高調波整合回路２２は、出力整合回
路３の折れ曲がった部分で結合線路と結合している場合
の例であり、結合線路７２（結合線路７と同様の線路）
と結合線路５とが一直線上に存在しない場合の例であ
る。この場合、結合線路７２と接続する接続線路８２
（接続線路８と同様の線路）は、結合線路７２と同一線
上に存在するが、結合線路７２と接続線路８２との接続
点を中心に接続線路８２を反時計方向に９０度回動させ
た位置に設けてもよい。なお長さＬで示してある部分が
結合線路７２であり、長さＬ２で示してある部分が接続
線路８２である。

【００３１】図６は、本発明の別の実施例の説明図であ
る。

【００３２】第２次高調波整合回路２３は、出力整合回
路３の２つの折れ曲がった部分で結合線路と結合してい
る場合の例であり、結合線路７３（結合線路７と同様の
線路）と結合線路５１（結合線路５と同様の線路）とが
同一直線上には存在しないが同一方向に存在する場合の
例である。この場合、結合線路７３と接続する接続線路
８３（接続線路８と同様の線路）は、結合線路７３と同
一線上に存在するが、結合線路７３と接続線路８３との
接続点を中心に接続線路８３を時計方向に９０度回動さ
せた位置に設けてもよい。また、結合線路５１と接続す
る接続線路６１（接続線路６と同様の線路）は、結合線
路５１と同一線上に存在するが、結合線路５１と接続線
路６１との接続点を中心に接続線路６１を時計方向に９
０度回動させた位置に設けてもよい。なお、長さＬで示
してある部分が結合線路５１、７３であり、長さＬ１、
Ｌ２で示してある部分が接続線路６１、８３である。

【００３３】なお、上記各実施例におけるキャパシタＣ
１１、Ｃ１２は集中定数のキャパシタであるが、この代
わりに、可変容量キャパシタ、インダクタ、分布定数素
子等の他のリアクタンス素子を用いるようにしてもよ
い。つまり、接続線路６、６１、８、８１、８２、８３
は、それぞれ、リアクタンス素子を介して接地されてい
ればよい。

【００３４】また、上記各実施例において結合線路５、
５１、７、７１、７２、７３の長さはともにＬである
が、これらの結合線路５、５１、７、７１、７２、７３
の長さが互いに異なっていてもよい。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、半導体増幅素子と入力
整合回路と出力整合回路と第２次高調波整合回路とを有
する電力増幅器において、性能に悪影響を及ぼす干渉を
低減することができ、しかも、出力整合回路の配置およ
び形状の自由度を増すことができるという効果を奏す
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例を
示す図である。

【図２】上記実施例における第２次高調波整合回路２０
の機能を説明するスミスチャートである。

【図３】上記実施例の説明図である。

【図４】本発明の他の実施例の説明図である。

【図５】本発明のさらに他の実施例の説明図である。

【図６】本発明の別の実施例の説明図である。

【図７】提案されている電力増幅器の一例を示す図であ
る。

【図８】図７に示す電力増幅器における第２次高調波整
合回路の機能を説明するスミスチャートである。

【符号の説明】

１…増幅素子、 ２…入力整合回路、 ３…出力整合回路、 ５、５１、７、７１、７２、７３…マイクロストリップ
結合線路、 ６、６１、８、８１、８２、８３…接続線路、 Ｃ１１、Ｃ１２…キャパシタ、 ２０、２１、２２、２３…第２次高調波整合回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−111（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−5615（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−191175（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−83408（ＪＰ，Ａ) 1991年電子情報通信学会秋季大会Ｃ− 41 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03F 3/60

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体増幅素子と入力整合回路と出力整
   合回路と第２次高調波整合回路と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、 上記出力整合回路と結合し、その一端が接地され、信号
   波の高調波に結合する第１の結合線路と； 上記第１の結合線路から有限長の距離を置いて設けら
   れ、上記出力整合回路と結合し、その一端が上記第１の
   結合線路とは独立の接地点で接地され、信号波の高調波
   に結合する第２の結合線路と； 上記第１の結合線路の他端に接続され、しかも有限長の
   線路長を具備する第１の接続線路と； 上記第２の結合線路の他端に接続され、しかも有限長の
   線路長を具備する第２の接続線路と； 上記第１の接続線路と接地点との間に接続された第１の
   リアクタンス素子と； 上記第２の接続線路と接地点との間に接続された第２の
   リアクタンス素子と； を有する回路であり、 上記出力整合回路は、上記第１の結合線路と上記第２の
   結合線路との結合に必要な長さを有し、上記第１の結合
   線路と上記第２の結合線路との２箇所に分けて結合する
   回路である ことを特徴とする電力増幅器。