JP3589446B2

JP3589446B2 - 電力増幅器

Info

Publication number: JP3589446B2
Application number: JP2000079626A
Authority: JP
Inventors: 敦史福田; 哲夫廣田; 俊雄野島
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: JP2001267863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マルチビーム通信衛星や、アレーアンテナを用いる移動体通信用基地局に用いられ、複数の信号をそれぞれ増幅する増幅器に関し、特に８入力、８出力ポートを備えた電力増幅器の構成法に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
マルチビーム通信衛星や、アレーアンテナを用いる移動体通信用基地局では、入力Ｎポート、出力Ｎポートの入力用方向性結合器の出力にＮ個の等利得、等位相の単位増幅器を接続し、その出力に入力と同等な出力用方向性結合器を接続し、Ｎ入力信号を増幅するマルチポート電力増幅器が利用されることがある。
これは、入力用方向性結合器で入力ポートの信号を各単位増幅器に等しく分配し、増幅した後、再び出力用方向性結合器で対応する出力ポートに合成するものである。各単位増幅器は各入力信号を共通に増幅するので、入力信号間のレベルの偏りがある場合でも各単位増幅器の電力レベルを均一にすることができる。
【０００３】
ここでは、Ｎ＝８に相当するマルチポート電力増幅器の従来技術による構成法について図１を用いて説明する。図１はマルチポート電力増幅器１の全体構成を示したもので、入力用方向性結合器１１と出力用方向性結合器１２と８個の増幅器１３〜２０が従属に接続されている。この回路構成法は江上、川合：「多端子電力合成型マルチビーム送信系」電子情報通信学会誌、Ｖｏｌ．Ｊ６９−ＢＮｏ．２ｐｐ２０６〜２１２（１９８６年２月発行）に報告されている。
【０００４】
上記文献において、入力用および出力用方向性結合器１１、１２は各々図２のような構成になっている。すなわち、入力用および出力用方向性結合器１１、１２は、４ポート方向性結合器３３、３４とπ／２ハイブリッド２９〜３２から構成され、さらに４ポート方向性結合器３３、３４はπ／２ハイブリッド２１、２２、２５、２６およびπ／２ハイブリッド２３、２４、２７、２８とから構成される。
【０００５】
次にマルチポート電力増幅器の動作について説明する。図１において入力ポート３５への入力信号は図２に示す入力用方向性結合器１１の入力ポート５１ａに入力される。そして、π／２ハイブリッド２１により２分配され、同様に正確な位相関係のもとに２分配された入力ポート５２ａからの信号と合成され、その出力はπ／２ハイブリッド２５および２６に入力される。π／２ハイブリッド２５の出力には正確な位相関係のもと４分配された入力ポート５１ａ〜５４ａの信号が合成され、それらはπ／２ハイブリッド２９および３０に入力される。同様に考えると、出力ポート５１ｂには正確な位相関係のもとに８分配された入力ポート５１ａ〜５８ａの信号がそれぞれ正確な位相関係のもとに合成されたものが現れる。
【０００６】
次に出力ポート５１ｂ〜５８ｂの信号は単位増幅器１３〜２０によって増幅され、出力用方向性結合器１２に入力される。入力用方向性結合器１１と同様な構成をとる出力用方向性結合器１２では、分配された信号を合成し再びもとの信号に戻す。
ここで、図１におけるマルチポート電力増幅器１の出力ポート５０に出力される信号は入力ポート３５より入力された信号が増幅された信号となる。他の入力ポート３６〜４２に入力された信号も同様に増幅され、それぞれ出力ポート４９〜４３に出力される。
【０００７】
方向性結合器の構成法については、従来技術によりいくつかのものが考えられるが、多層誘電体基板を用いたものについては、石川、竹原、西田「電力合成分配装置」特開平４−２４９４０２号公報に報告されている。
入力用および出力用方向性結合器１１、１２は図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように多層基板７４上に構成される。図３（ｂ）は図３（ａ）の反対側の面を示している。また、各番号は図２に対応させてある。多層基板７４は上から第１層の誘電体基板７５と第２層の誘電体基板７６がグランド７７を挟んだ構成となっている。
【０００８】
環状にかつ直列に接続された４本の伝送線路からなるπ／２ハイブリッドはマイクロストリップ線路またはストリップ線路により図１２に示すように誘電体基板上に形成される。ここで、マイクロストリップ線路によって構成されたπ／２ハイブリッドへの信号の入出力には５０Ω線路を用いる。
図２における４ポート方向性結合器３３は２つのπ／２ハイブリッド２１、２２を２つのπ／２ハイブリッド２５、２６で結合していることから、これらπ／２ハイブリッド２１、２２、２５、２６の並びを図４に示すように変えることで、襷がけ状の配線が不要となり図５に示すようにマイクロストリップ線路またはストリップ線路で誘電体基板６８上に形成される。ここで、π／２ハイブリッド間の接続には所定の電気長のマイクロストリップ線路またはストリップ線路を用いる。
【０００９】
そして、４ポート方向性結合器３３を第１誘電体基板７５上に形成し、もう１つの４ポート方向性結合器３４を上記第１の誘電体基板に対向して配設される第２の誘電体基板７６上に形成する。さらに、上記第１の誘電体基板に形成された上記４ポート方向性結合器３３の各出力端子と上記第２の誘電体基板に形成された上記もう１つの４ポート方向性結合器３２の出力端子を４個のπ／２ハイブリッド回路２９、３０、３１、３２を介して電気的に接続させれば、図３ａおよび図３ｂに示す８ポート方向性結合器を多層基板上に形成することができる。なお、４個のπ／２ハイブリッド回路２９、３０、３１、３２は上記第１、第２の誘電体基板を貫通するスルーホールに形成されたスルーホール導体５９〜６６を含む。
【００１０】
従来の技術による多層基板上で形成された２つの方向性結合器を用いた電力増幅器の一例を図６に示す。図６は多層基板によって形成された入力用方向性結合器１１と出力用方向性結合器１２の間にケーブル７８等を用いて接続している。なお、入力用方向性結合器１１と増幅器群１３〜２０および増幅器群１３〜２０と出力用方向性結合器１２を結ぶケーブルは各々同じ長さのものを使用するため、増幅器の配置によってケーブル長の調整が必要となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示したような構成法では、入力用方向性結合器１１および出力用方向性結合器１２の入出力の位置関係から８個の増幅器１３〜２０を対称に配置することができず、ケーブル長を調整する必要があり、小スペース設計には不利である。すなわち、設置面積が大きく必要であり、特に移動体通信用基地局などに使用する場合には、その設置面積の縮小と装置全体の小型化が要求される。さらにこの場合、入力用方向性結合器１１と８個の増幅器１３〜２０の接続にケーブルを用いるためにケーブルでの電力損失が避けられない。また、接続ケーブルも最も長く必要な長さに合わせる必要があり、ケーブル長の違いに各伝送路間で位相差が生じてはならないため、装置の最適設計を行なうことが難しい。
【００１２】
この発明は、装置の設置面積の縮小を可能とする、小型で最適設計可能なマルチポート電力増幅器の構成法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、請求項１に記載の発明の電力増幅器は、複数の入力ポートと複数の出力ポートを備え、入力用および出力用方向性結合器と増幅器を従属接続し、方向性結合器は複数のπ／２ハイブリッドを環状に配置して形成し、これら２つの方向性結合器を積み重ね１つの多層基板上にマイクロストリップ線路およびストリップ線路により構成することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明の電力増幅器は、請求項１に記載の電力増幅器において、複数の入力ポートおよび複数の出力ポートの数が８であり、増幅器が８個であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明の電力増幅器は、請求項１および請求項２に記載の電力増幅器において、入力用方向性結合器および出力用方向性結合器は１つの多層基板上に形成し、対称に配置された８個の増幅器とケーブル等を用いて接続されることを特徴とする。
【００１５】
従って、ケーブル長の調整が容易となる。
また、請求項４に記載の発明の電力増幅器は請求項１および請求項２に記載の電力増幅器において、入力用方向性結合器および出力用方向性結合器および８個の増幅器を１つの多層基板上に構成することを特徴とする。
従って、従来平面状に配置していた入力用および出力用方向性結合器と８個の増幅器を１つの多層基板で形成するために、設置面積の縮小と装置の小型化が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
請求項１〜５に記載の実施例を説明する。
まず、入力用方向性結合器１１および出力用方向性結合器１２を１つの多層基板上に構成する一例を図７に示す。
ここで、入力用方向性結合器１１を、出力用方向性結合器１２を構成する２つの層で挟む構成を示している。
【００１７】
多層基板の各層は上側から出力用方向性結合器１２の一部を形成するマイクロストリップ線路７１、誘電体層７８、グランド層７９、誘電体層８０、入力用方向性結合器１１の一部を形成するストリップ線路８１、誘電体層８２、グランド層８３、誘電体層８４、入力用方向性結合器１１の一部を形成するマイクロストリップ線路８５、グランド層８６、誘電体層８７、誘電体層８８、出力用方向性結合器の一部を形成するマイクロストリップ８９からなる。
【００１８】
多層基板の内側に構成される入力用方向性結合器１１には、２つのグランド層で挟まれた構造であるストリップ線路を用いているため、多層に重ね合わせても結合がなく、良好な特性を得ることができる。
この例では、入力用方向性結合器１１を出力用方向性結合器１２で挟む構成を示したが、同様に出力用方向性結合器１２を入力用方向性結合器１１で挟む構成としてもよい。また、上下にさらに誘電体層およびグランド層をそれぞれ一層ずつ追加し、全てをストリップ線路により構成しても良い。
【００１９】
なお、入力用および出力用方向性結合器は従来技術と同様にスルーホール７３を通して電気的に接続される。
入力用方向性結合器１１および出力用方向性結合器１２を含んだ多層基板の外観を図８に示す。ここで、入力用方向性結合器１１の入出力は入力ポート９０〜９７、出力ポート９８〜１０５であり、出力用方向性結合器１２の入出力は入力ポート１０６〜１１３、出力ポート１１４〜１２１である。
【００２０】
次に、入力用方向性結合器１１と出力用方向性結合器１２を積み重ね１つの多層基板で実現した図８を用いた電力増幅器の構成例を図９に示す。
入力用方向性結合器１１の８個の入力ポート９０〜９７に入力された信号はそれぞれ８分配され、正確な位相関係のもとに合成された信号が入力用方向性結合器１１の８個の出力ポート９８〜１０５に出力される。
これらの信号は、ケーブル等を通して８個の増幅器に入力され、増幅された後、ケーブル等で出力用方向性結合器１２の８個の入力ポート１０６〜１１３に入力される。出力用方向性結合器１２で再び合成され、その８個の出力ポート１１４〜１２１に出力される。このような構成にすることにより、図９に示すように増幅器を対称に配置することができるため、ケーブル等による接続も容易となるという利点を有する。
【００２１】
次に、８個の電力増幅器を多層基板上に入力用、出力用方向性結合器１１、１２と共に構成する。図１０に多層基板上に入力用方向性結合器１１および出力用方向性結合器１２および８個の増幅器を構成した例を示す。この場合、入力用方向性結合器１１および出力用方向性結合器１２の構成は上記に示したものと同様であるが、出力用方向性結合器１２を形成している誘電体層７８、８８に合計８個の増幅器を配置する。そして、入力用方向性結合器１１の８個の出力ポート９８〜１０５をスルーホールを通して８個の増幅器にそれぞれ５０Ω線路を用いて接続する。さらに、増幅器の８出力を出力用方向性結合器１２の８個の入力ポート１０６〜１１３に５０Ω線路等で接続する。この構成の電力増幅器の動作も上記と同様に、入力用方向性結合器１１の８個の入力ポート９０〜９７に入力された信号はそれぞれ８分配され、正確な位相関係のもとに合成された信号が入力用方向性結合器１１の８個の出力ポート９８〜１０５に出力される。
【００２２】
これらの信号は、基板に設けられたスルーホールを通して８個の増幅器に入力され、増幅された後、マイクロストリップ線路等で形成された５０Ω線路を通り、出力用方向性結合器１２の８個の入力ポート１０６〜１１３に入力される。出力用方向性結合器１２で再び合成され、その８個の出力ポート１１４〜１２１に出力される。
なお、上記実施例において、各誘電体層に異なる誘電率をもつ材料を用いることにより、線路を調整し、配置を最適化することもできる。また、入出力ポート数が５〜８の場合には不要なポートは無反射終端する。このような構成をとることによって、入力用方向性結合器１１、出力用方向性結合器１２と８個の増幅器との接続に用いていたケーブルが不要となり、ケーブルにより生じる可能性のある損失およびアンバランスをなくし、最適設計が可能である。
【００２３】
また、同一の多層基板上に構成するために、設置面積の縮小および装置の小型化が可能であるという利点を有する。従って、従来各個別回路を分けて構成していた電力増幅器を一つの多層基板で実現するために、設置面積を小さくでき、装置全体としても小型化することができるという利点を有する。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、増幅器を対称に配置できる構成により、ケーブル長の調整を容易とし、増幅器を多層基板内に含めればケーブル自体も不要となり、電力損失を少なくできるなどの利点がある。さらに、入力用、出力用方向性結合器を構成する複数のπ／２ハイブリッドを１つの多層基板上に形成したので、設置面積が小さくでき基地局装置などへの利用の際に要求される、装置の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術の電力増幅器の構成を示すブロック図。
【図２】従来の技術の方向性結合器の回路構成を示すブロック図。
【図３】従来の技術による８ポート方向性結合器の回路パターンを示す図。
【図４】４ポート方向性結合器の構成を示す図。
【図５】４ポート方向性結合器の回路パターンを示す図。
【図６】従来の技術による電力増幅器の構成を示す図。
【図７】本発明の多層基板による方向性結合器の回路パターンを示す図。
【図８】本発明の多層基板による方向性結合器の外観を示す図。
【図９】本発明の実施例である電力増幅器の構成を示す図。
【図１０】本発明の実施例である多層基板による電力増幅器のパターンを示す図。
【図１１】本発明の実施例である電力増幅器の外観を示す図。
【図１２】π／２ハイブリッドの回路パターンを示す図。
【符号の説明】
１１入力用方向性結合器
１２出力用方向性結合器
１３〜２０増幅器
２１〜３２ π／２ハイブリッド
３３、３４４ポート方向性結合器
３５〜４２入力ポート
４３〜５０出力ポート
７３スルーホール
７４多層基板
７５第１層の誘電体基板
７６第２層の誘電体基板
７７グランド

Claims

複数の入力ポートと複数の出力ポートを備えた入力用方向性結合器と、複数の増幅器と、複数の入力ポートと複数の出力ポートを供えた出力用方向性結合器とを従属接続した電力増幅器において、
上記入力用方向性結合器および、上記出力用方向性結合器の一方は、他を構成する２つの層で、それらはグランド層を介して挟まれて積み重ねられていることを特徴とする電力増幅器。
請求項１に記載の電力増幅器において、
上記複数の入力ポートと上記複数の出力ポートが８個であり、上記増幅器が８個であることを特徴とする電力増幅器。
請求項１または２に記載の電力増幅器において、
上記入力用方向性結合器と上記出力用方向性結合器に複数の単位増幅器を線路を用いて従属接続することを特徴とする電力増幅器。
請求項１または２に記載の電力増幅器において、
上記複数の増幅器を上記１つの多層基板上に設けることを特徴とする電力増幅器。