JP4209652B2 - 高周波電力増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体通信、衛星通信等のマイクロ波、ミリ波帯の通信機に用いられる高周波電力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この発明の高周波電力増幅器の基本形であるドハティ型増幅器は、１９３６年にドハティ（W. H. Doherty）氏によって最初に提案された（非特許文献１参照。）。
非特許文献１は、ＡＭ放送等の低い周波数帯での使用を意図されていたが、この概念を拡張してマイクロ波帯の周波数で使用することを意図したマイクロ波ドハティ型増幅器を開示するものもある（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、信号周波数に対する高調波負荷を制御する「第２次高調波同調ネットワーク」が、夫々、主増幅器と補助増幅器のトランジスタの出力側に設けられているが、主増幅器と補助増幅器の夫々の第２次高調波同調ネットワークの構成を互いに異ならせることについて記載されていない。
【０００３】
【非特許文献１】
"A New High Efficiency Power Amplifier For Modulated Waves", Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Vol. 24, No. 9, September 1936
【特許文献１】
特許第２９４５８３３号公報（段落２２乃至段落２７、図４）
【０００４】
図９は、従来のマイクロ波ドハティ型増幅器を示す。従来のマイクロ波ドハティ型増幅器は、主増幅器１１０、補助増幅器１２０、分配回路１３０、電気入力側位相調整回路１３５とドハティ回路１４０を備える。信号周波数に対応する波長をλとする時、ドハティ回路１４０はλ／４のドハティネットワーク１４１を有する。
【０００５】
主増幅器１１０は、トランジスタ１１２と、トランジスタ１１２の入力及び出力の基本波整合と高調波処理を行う入力回路１１１及び出力回路１１３とによって形成される。この目的のため、入力整合回路１１１Ａと逆Ｆ級高調波処理回路１１１Ｂが入力回路１１１に設けられる一方、出力整合回路１１３Ａと高調波処理回路１１３Ｂが出力回路１１３に設けられる。又、補助増幅器１２０は、トランジスタ１２２と、トランジスタ１２２の入力及び出力の基本波整合と高調波処理回路を行う入力回路１２１及び出力回路１２３とによって形成される。この目的のため、入力整合回路１２１ＡとＦ級高調波処理回路１２１Ｂが入力回路１２１に設けられる一方、出力整合回路１２３Ａと高調波処理回路１２３Ｂが出力回路１２３に設けられる。
【０００６】
図９の従来のマイクロ波ドハティ型増幅器では、主増幅器１１０の高調波処理を行う逆Ｆ級高調波処理回路１１１Ｂと高調波処理回路１１３Ｂにより規定される高調波処理条件と、補助増幅器１２０の高調波処理を行うＦ級高調波処理回路１２１Ｂと高調波処理回路１２３Ｂにより規定される高調波処理条件が同一であって、主増幅器１１０と補助増幅器１２０は共にＦ級動作をし、更に、主増幅器１１０と補助増幅器１２０において異なる高調波処理条件を設定する回路が設けられていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
主増幅器と補助増幅器のトランジスタの出力側に、夫々、設けられて高調波負荷制御回路として働く第２次高調波同調ネットワークが同一の構成を有する上記特許文献１のマイクロ波ドハティ型増幅器と、主増幅器１１０と補助増幅器１２０が同一の高調波処理条件を有する図９の公知マイクロ波ドハティ型増幅器においては、高効率特性を得ることが困難である。
【０００８】
そこで、本発明者は、厳密な研究の結果、上記特許文献１のマイクロ波ドハティ型増幅器の主増幅器の第２次高調波同調ネットワークと補助増幅器の第２次高調波同調ネットワークに異なる構成を設けることにより、高効率特性を得ることができることを見出した。
更に、本発明者は、図９の従来のマイクロ波ドハティ型増幅器においても、主増幅器１１０と補助増幅器１２０に異なる高調波処理条件を設定することにより、高効率化が実現されることを確認した。
【０００９】
この発明は、従来技術の上記問題点を解決するためになされたもので、主増幅器と補助増幅器において異なる高調波処理条件を設定することにより高効率特性を得ることのできる高周波電力増幅器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる高周波電力増幅器は、信号増幅を行う第１トランジスタ、前記第１トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数の偶数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を与える第１の２端子ネットワーク、前記第１トランジスタの入力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第１入力整合回路、及び前記第１トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第１出力整合回路を含む第１増幅器と、信号増幅を行う第２トランジスタ、前記第２トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数の偶数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を与える第２の２端子ネットワーク、前記第２トランジスタの入力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第２入力整合回路、及び前記第２トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第２出力整合回路を含む第２増幅器と、前記第１増幅器の入力と前記第２増幅器の入力の間に接続されて、前記第１トランジスタに対する前記第２トランジスタの位相差がほぼ９０度となるように、入力信号を前記第１トランジスタと前記第２トランジスタに分配する電力分配回路と、前記第１増幅器の出力と前記第２増幅器の出力の間に接続されて、前記第２トランジスタの動作状態によるインピーダンス変換により前記第１トランジスタの出力側負荷を制御する分散線路と、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタのために、前記バイアス回路が、前記第１トランジスタの入力端子と前記第２トランジスタの入力端子の間に設けられていると共に、前記第１トランジスタの前記入力端子と前記第２トランジスタの前記入力端子の間で信号周波数の高調波帯域の周波数のみを通過させるフィルタと、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタの入力側高調波負荷を最適化する高調波処理回路とを含むバイアス回路とを備えるものである。
【００１１】
請求項２にかかる高周波電力増幅器は、前記第１増幅器と前記第２増幅器の位相差を調整する位相調整回路を、前記第２増幅器と前記分散線路の間に更に備えるものである。
【００１２】
請求項３にかかる高周波電力増幅器は、前記バイアス回路が、更に、アイソレータを含むものである。
【００１３】
請求項４にかかる高周波電力増幅器は、前記バイアス回路と前記第１トランジスタの結合部に設けられた第１方向性結合器と、前記バイアス回路と前記第２トランジスタの結合部に設けられた第２方向性結合器とを更に備えるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の各実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１にかかる高周波電力増幅器の構成を示す。この高周波電力増幅器は、逆Ｆ級増幅器として働く主増幅器１０、Ｆ級増幅器として働く補助増幅器２０、分配回路３０、電気入力側位相調整回路３５とドハティ回路４０を備える。信号周波数に対応する波長をλとする時、ドハティ回路４０はλ／４のドハティネットワーク４１を有する。
【００１６】
主増幅器１０は、トランジスタ１２と、トランジスタ１２の入力及び出力に、夫々、接続される入力回路１１及び出力回路１３とによって形成される。主増幅器１０は、逆Ｆ級動作するように、信号周波数の偶数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を与えるように構成される。この目的のため、入力整合回路１１Ａと逆Ｆ級高調波処理回路１１Ｂが入力回路１１に設けられる一方、出力整合回路１３Ａと、逆Ｆ級高調波処理回路１３Ｂと、バイアス回路として働く高調波反射回路１３Ｃとが出力回路１３に設けられる。
【００１７】
又、補助増幅器２０は、トランジスタ２２と、トランジスタ２２の入力及び出力に、夫々、接続される入力回路２１及び出力回路２３によって形成される。補助増幅器２０は、Ｆ級動作するように、信号周波数の偶数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を与えるように構成される。この目的のため、入力整合回路２１ＡとＦ級高調波処理回路２１Ｂが入力回路２１に設けられる一方、出力整合回路２３Ａと、Ｆ級高調波処理回路２３Ｂと、バイアス回路として働く高調波反射回路２３Ｃとが出力回路２３に設けられる。
【００１８】
分配回路３０、電気入力側位相調整回路３５、ドハティ回路４０、主増幅器１０のトランジスタ１２と補助増幅器２０のトランジスタ２２の構成は図９に示す従来の高周波電力増幅器の構成と同じである。分配回路３０と電気入力側位相調整回路３５は、トランジスタ１２に対するトランジスタ２２の位相差がほぼ９０度となるように、入力信号をトランジスタ１２とトランジスタ２２に分配する。又、ドハティ回路４０のドハティネットワーク４１は、トランジスタ２２の動作状態によるインピーダンス変換によりトランジスタ１２の出力側負荷を制御する分散線路として機能する。
【００１９】
ドハティ型増幅器は、通常、主増幅器はＡ〜ＡＢ級動作を、又、補助増幅器はＣ級動作をするように異なるバイアスを有する主増幅器と補助増幅器をドハティネットワークにより結合し、飽和点付近で駆動し始める補助増幅器の出力側インピーダンスの変化により主増幅器に与える出力側負荷を減少させるように変化させて、高い線形性と、飽和出力点からはるかに小さい出力レベル（１０〜５ｄＢのバックオフ出力時）の高効率化を達成する。
【００２０】
この実施の形態は、異なるバイアスを主増幅器と補助増幅器に印加してドハティ型増幅器が動作することに着目して、Ａ〜ＡＢ級の動作点で高効率となる逆Ｆ級動作を与える高調波処理回路１１Ｂ及び１３Ｂを主増幅器１０のトランジスタ１２に接続すると共に、Ｃ級の動作点で高効率となるＦ級動作を与える高調波処理回路２１Ｂ及び２３Ｂを補助増幅器２０のトランジスタ２２に接続していることを特徴とする。
【００２１】
図２は、図１の高周波電力増幅器においてＦ級増幅器と逆Ｆ級増幅器の効率の動作点に対する変化を示す。図２から、Ｆ級増幅器は、初期設定電流の小さいＢ〜Ｃ級動作点で高効率となるのに対し、逆Ｆ級増幅器は、ＡＢ〜Ａ級動作点で高効率となることが分る。この結果から、ドハティ型増幅器の主増幅器と補助増幅器には、夫々、逆Ｆ級増幅器とＦ級増幅器が最適であることが理解される。
【００２２】
図３は、主増幅器と補助増幅器の高調波処理条件をＦ級動作と逆Ｆ級動作のいずれかに設定して計算することにより、図１の高周波電力増幅器と従来の高周波電力増幅器の電力付加効率を比較する。横軸は飽和出力点からのバックオフ量（ｄＢ）を示す。図３から、主増幅器と補助増幅器が、夫々、逆Ｆ級動作とＦ級動作をする図１の高周波電力増幅器が、他の組合せと比較して飽和出力点からのバックオフ量が１２〜５ｄＢの範囲で最も高効率となり、主増幅器と補助増幅器が共にＦ級動作をする従来の高周波電力増幅器と比較して５％の高効率化を達成していることが分る。
【００２３】
この実施の形態では、主増幅器１０が逆Ｆ級動作をするように入力回路１１と出力回路１３がトランジスタ１２に接続される一方、補助増幅器２０がＦ級動作をするように入力回路２１と出力回路２３がトランジスタ２２に接続されるので、主増幅器１０と補助増幅器２０において異なる高調波処理条件が設定されるから、高効率特性を得ることができる。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２にかかる高周波電力増幅器の構成を示す。実施の形態１の高周波電力増幅器と比較して、この高周波電力増幅器は、分配回路３０、電気入力側位相調整回路３５とドハティ回路４０に加えて、主増幅器１０と補助増幅器２０の代りに主増幅器５０と補助増幅器６０を備える。この高周波電力増幅器は、更に、主増幅器５０と補助増幅器６０の位相差を調整する位相調整回路６５を備える。
【００２５】
実施の形態１では、主増幅器１０の入力回路１１及び出力回路１３と、補助増幅器２０の入力回路２１及び出力回路２３との間の構成の相違により、主増幅器１０と補助増幅器２０の間に位相差が生じて、電力合成時に特性が劣化する現象が発生するおそれがある。そこで、図４の高周波電力増幅器では、位相調整回路６５により主増幅器５０と補助増幅器６０の通過位相を同一にする。
【００２６】
この実施の形態では、主増幅器５０と補助増幅器６０の位相差が位相調整回路６５によって調整されるので、主増幅器５０と補助増幅器６０の位相差により電力合成時に特性が劣化する現象の発生を防止することができる。
【００２７】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３にかかる高周波電力増幅器の構成を示す。実施の形態１の高周波電力増幅器と比較して、この高周波電力増幅器は、分配回路３０、電気入力側位相調整回路３５とドハティ回路４０に加えて、主増幅器１０と補助増幅器２０の代りに主増幅器７０と補助増幅器８０を備える。
【００２８】
主増幅器７０は、入力整合回路７１Ａと逆Ｆ級高調波処理回路７１Ｂを有する入力回路７１と、トランジスタ７２と、出力基本波整合回路７３とを備える一方、補助増幅器８０は、入力整合回路８１ＡとＦ級高調波処理回路８１Ｂを有する入力回路８１と、トランジスタ８２と、出力基本波整合回路８３とを備える。この高周波電力増幅器は、更に、実施の形態１の高周波電力増幅器の主増幅器１０のバイアス回路としての高調波反射回路１３Ｃと補助増幅器２０のバイアス回路としての高調波反射回路２３Ｃの代りに、主増幅器７０のトランジスタ７２の出力端子と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子の間に設けられたバイパス回路９０を備える。
【００２９】
バイパス回路９０は、Ｎ次高調波フィルタ回路９１及び９３と、Ｎ次高調波フィルタ回路９１と９３の間に設けられ分布定数線路を有するＮ次高調波処理回路９２とを備える。バイパス回路９０では、主増幅器７０のトランジスタ７２と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子での高調波負荷を、夫々、逆Ｆ級動作とＦ級動作に設定するように、Ｎ次高調波処理回路９２の分布定数線路の電気長が調整される。
【００３０】
図５の高周波電力増幅器では、バイパス回路９０は、主増幅器７０のトランジスタ７２の出力端子と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子の間に設けられている。しかしながら、図５の高周波電力増幅器の変形例を示す図６に例示するように、バイパス回路９０を主増幅器７０のトランジスタ７２の入力端子と補助増幅器８０のトランジスタ８２の入力端子の間に設けてもよい。
【００３１】
この実施の形態では、実施の形態１の高周波電力増幅器の主増幅器１０のバイアス回路としての高調波反射回路１３Ｃと補助増幅器２０のバイアス回路としての高調波反射回路２３Ｃの代りに、バイパス回路９０が、主増幅器７０のトランジスタ７２の出力端子と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子の間又は主増幅器７０のトランジスタ７２の入力端子と補助増幅器８０のトランジスタ８２の入力端子の間に設けられているので、主増幅器７０と補助増幅器８０の構成が簡略化される。
【００３２】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４にかかる高周波電力増幅器のバイパス回路９５の構成を示す。バイパス回路９５は、実施の形態３の高周波電力増幅器のバイパス回路９０において、Ｎ次高調波処理回路９２とＮ次高調波フィルタ回路９３の間にアイソレータ９６を付加している。この高周波電力増幅器の他の構成は実施の形態３の高周波電力増幅器と同様であるので、その説明を省略する。
【００３３】
アイソレータ９６は、高調波を主増幅器７０から補助増幅器８０へ、又は、補助増幅器８０から主増幅器７０へ伝播させるように、高調波を単方向化する。
【００３４】
この実施の形態では、アイソレータ９６が、高調波を主増幅器７０から補助増幅器８０へ、又は、補助増幅器８０から主増幅器７０へ伝播させるように、高調波を単方向化するので、主増幅器７０のトランジスタ７２と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子又は入力端子での高調波負荷の調整が容易となる。
【００３５】
実施の形態５．
図８は、この発明の実施の形態５にかかる高周波電力増幅器のバイパス回路９０の近傍の構成を示す。この高周波電力増幅器は、実施の形態３の高周波電力増幅器のバイパス回路９０を、夫々、方向性結合器９７と９８を介して、主増幅器７０と補助増幅器８０に接続している。この高周波電力増幅器の他の構成は実施の形態３の高周波電力増幅器と同様であるので、その説明を省略する。
【００３６】
方向性結合器９７と９８は、夫々、主増幅器７０と補助増幅器８０から出力された高調波を単方向化する。
【００３７】
この実施の形態では、方向性結合器９７と９８が、夫々、主増幅器７０と補助増幅器８０から出力された高調波を単方向化するので、主増幅器７０のトランジスタ７２と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子又は入力端子での高調波負荷の調整が容易となる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、高周波電力増幅器が、信号増幅を行う第１トランジスタ、前記第１トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数の偶数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を与える第１の２端子ネットワーク、前記第１トランジスタの入力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第１入力整合回路、及び前記第１トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第１出力整合回路を含む第１増幅器と、信号増幅を行う第２トランジスタ、前記第２トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数の偶数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を与える第２の２端子ネットワーク、前記第２トランジスタの入力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第２入力整合回路、及び前記第２トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第２出力整合回路を含む第２増幅器と、前記第１増幅器の入力と前記第２増幅器の入力の間に接続されて、前記第１トランジスタに対する前記第２トランジスタの位相差がほぼ９０度となるように、入力信号を前記第１トランジスタと前記第２トランジスタに分配する電力分配回路と、前記第１増幅器の出力と前記第２増幅器の出力の間に接続されて、前記第２トランジスタの動作状態によるインピーダンス変換により前記第１トランジスタの出力側負荷を制御する分散線路と、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタのために、前 記第１トランジスタの入力端子と前記第２トランジスタの入力端子の間に設けられていると共に、前記第１トランジスタの前記入力端子と前記第２トランジスタの前記入力端子の間で信号周波数の高調波帯域の周波数のみを通過させるフィルタと、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタの入力側高調波負荷を最適化する高調波処理回路とを含むバイアス回路とを備えるので、主増幅器としての第１増幅器と補助増幅器としての第２増幅器において異なる高調波処理条件が設定されるから、高効率特性を得ることができる。更に、主増幅器と補助増幅器に、夫々、内蔵されている２個のバイアス回路が単一のバイアス回路に置換されるから、主増幅器と補助増幅器の構成が簡略化される。
【００３９】
又、請求項２の発明によれば、前記第１増幅器と前記第２増幅器の位相差を調整する位相調整回路を、前記第２増幅器と前記分散線路の間に更に備えるので、主増幅器と補助増幅器の位相差が位相調整回路によって調整されるから、主増幅器と補助増幅器の位相差により電力合成時に特性が劣化する現象の発生を防止することができる。
【００４０】
又、請求項３の発明によれば、前記バイアス回路が、更に、アイソレータを含むので、アイソレータが、高調波を主増幅器から補助増幅器へ、又は、補助増幅器から主増幅器へ伝播させるように、高調波を単方向化するから、主増幅器のトランジスタと補助増幅器のトランジスタの出力端子又は入力端子での高調波負荷の調整が容易となる。
【００４１】
又、請求項４の発明によれば、前記バイアス回路と前記第１トランジスタの結合部に設けられた第１方向性結合器と、前記バイアス回路と前記第２トランジスタの結合部に設けられた第２方向性結合器とを更に備えるので、第１方向性結合器と第２方向性結合器が、夫々、主増幅器と補助増幅器から出力された高調波を単方向化するから、主増幅器のトランジスタと補助増幅器のトランジスタの出力端子又は入力端子での高調波負荷の調整が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１にかかる高周波電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図２】 図１の高周波電力増幅器におけるＦ級増幅器と逆Ｆ級増幅器の効率の動作点に対する変化を示すグラフである。
【図３】 図１の高周波電力増幅器と従来の高周波電力増幅器の電力付加効率を比較するグラフである。
【図４】 この発明の実施の形態２にかかる高周波電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図５】 この発明の実施の形態３にかかる高周波電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図６】 図５の高周波電力増幅器の変形例の構成を示す回路図である。
【図７】 この発明の実施の形態４にかかる高周波電力増幅器のバイパス回路の構成を示す回路図である。
【図８】 この発明の実施の形態５にかかる高周波電力増幅器のバイパス回路の近傍の構成を示す回路図である。
【図９】 従来の高周波電力増幅器の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１０ 主増幅器、 １１ 入力回路、 １２ トランジスタ、 １３ 出力回路、 ２０ 補助増幅器、 ２１ 入力回路、 ２２ トランジスタ、 ２３ 出力回路、 ３０ 分配回路、 ３５ 電気入力側位相調整回路、 ４０ ドハティ回路、 ５０ 主増幅器、 ６０ 補助増幅器、 ６５ 位相調整回路、 ７０ 主増幅器、 ８０ 補助増幅器、 ９０ バイパス回路、 ９６ アイソレータ、 ９７ 方向性結合器、 ９８ 方向性結合器。
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体通信、衛星通信等のマイクロ波、ミリ波帯の通信機に用いられる高周波電力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この発明の高周波電力増幅器の基本形であるドハティ型増幅器は、１９３６年にドハティ（W. H. Doherty）氏によって最初に提案された（非特許文献１参照。）。
非特許文献１は、ＡＭ放送等の低い周波数帯での使用を意図されていたが、この概念を拡張してマイクロ波帯の周波数で使用することを意図したマイクロ波ドハティ型増幅器を開示するものもある（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、信号周波数に対する高調波負荷を制御する「第２次高調波同調ネットワーク」が、夫々、主増幅器と補助増幅器のトランジスタの出力側に設けられているが、主増幅器と補助増幅器の夫々の第２次高調波同調ネットワークの構成を互いに異ならせることについて記載されていない。
【０００３】
【非特許文献１】
"A New High Efficiency Power Amplifier For Modulated Waves", Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Vol. 24, No. 9, September 1936
【特許文献１】
特許第２９４５８３３号公報（段落２２乃至段落２７、図４）
【０００４】
図９は、従来のマイクロ波ドハティ型増幅器を示す。従来のマイクロ波ドハティ型増幅器は、主増幅器１１０、補助増幅器１２０、分配回路１３０、電気入力側位相調整回路１３５とドハティ回路１４０を備える。信号周波数に対応する波長をλとする時、ドハティ回路１４０はλ／４のドハティネットワーク１４１を有する。
【０００５】
主増幅器１１０は、トランジスタ１１２と、トランジスタ１１２の入力及び出力の基本波整合と高調波処理を行う入力回路１１１及び出力回路１１３とによって形成される。この目的のため、入力整合回路１１１Ａと逆Ｆ級高調波処理回路１１１Ｂが入力回路１１１に設けられる一方、出力整合回路１１３Ａと高調波処理回路１１３Ｂが出力回路１１３に設けられる。又、補助増幅器１２０は、トランジスタ１２２と、トランジスタ１２２の入力及び出力の基本波整合と高調波処理回路を行う入力回路１２１及び出力回路１２３とによって形成される。この目的のため、入力整合回路１２１ＡとＦ級高調波処理回路１２１Ｂが入力回路１２１に設けられる一方、出力整合回路１２３Ａと高調波処理回路１２３Ｂが出力回路１２３に設けられる。
【０００６】
図９の従来のマイクロ波ドハティ型増幅器では、主増幅器１１０の高調波処理を行う逆Ｆ級高調波処理回路１１１Ｂと高調波処理回路１１３Ｂにより規定される高調波処理条件と、補助増幅器１２０の高調波処理を行うＦ級高調波処理回路１２１Ｂと高調波処理回路１２３Ｂにより規定される高調波処理条件が同一であって、主増幅器１１０と補助増幅器１２０は共にＦ級動作をし、更に、主増幅器１１０と補助増幅器１２０において異なる高調波処理条件を設定する回路が設けられていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
主増幅器と補助増幅器のトランジスタの出力側に、夫々、設けられて高調波負荷制御回路として働く第２次高調波同調ネットワークが同一の構成を有する上記特許文献１のマイクロ波ドハティ型増幅器と、主増幅器１１０と補助増幅器１２０が同一の高調波処理条件を有する図９の公知マイクロ波ドハティ型増幅器においては、高効率特性を得ることが困難である。
【０００８】
そこで、本発明者は、厳密な研究の結果、上記特許文献１のマイクロ波ドハティ型増幅器の主増幅器の第２次高調波同調ネットワークと補助増幅器の第２次高調波同調ネットワークに異なる構成を設けることにより、高効率特性を得ることができることを見出した。
更に、本発明者は、図９の従来のマイクロ波ドハティ型増幅器においても、主増幅器１１０と補助増幅器１２０に異なる高調波処理条件を設定することにより、高効率化が実現されることを確認した。
【０００９】
この発明は、従来技術の上記問題点を解決するためになされたもので、主増幅器と補助増幅器において異なる高調波処理条件を設定することにより高効率特性を得ることのできる高周波電力増幅器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる高周波電力増幅器は、信号増幅を行う第１トランジスタ、前記第１トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数の偶数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を与える第１の２端子ネットワーク、前記第１トランジスタの入力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第１入力整合回路、及び前記第１トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第１出力整合回路を含む第１増幅器と、信号増幅を行う第２トランジスタ、前記第２トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数の偶数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を与える第２の２端子ネットワーク、前記第２トランジスタの入力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第２入力整合回路、及び前記第２トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第２出力整合回路を含む第２増幅器と、前記第１増幅器の入力と前記第２増幅器の入力の間に接続されて、前記第１トランジスタに対する前記第２トランジスタの位相差がほぼ９０度となるように、入力信号を前記第１トランジスタと前記第２トランジスタに分配する電力分配回路と、前記第１増幅器の出力と前記第２増幅器の出力の間に接続されて、前記第２トランジスタの動作状態によるインピーダンス変換により前記第１トランジスタの出力側負荷を制御する分散線路と、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタのために、前記バイアス回路が、前記第１トランジスタの入力端子と前記第２トランジスタの入力端子の間に設けられていると共に、前記第１トランジスタの前記入力端子と前記第２トランジスタの前記入力端子の間で信号周波数の高調波帯域の周波数のみを通過させるフィルタと、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタの入力側高調波負荷を最適化する高調波処理回路とを含むバイアス回路とを備えるものである。
【００１１】
請求項２にかかる高周波電力増幅器は、前記第１増幅器と前記第２増幅器の位相差を調整する位相調整回路を、前記第２増幅器と前記分散線路の間に更に備えるものである。
【００１２】
請求項３にかかる高周波電力増幅器は、前記バイアス回路が、更に、アイソレータを含むものである。
【００１３】
請求項４にかかる高周波電力増幅器は、前記バイアス回路と前記第１トランジスタの結合部に設けられた第１方向性結合器と、前記バイアス回路と前記第２トランジスタの結合部に設けられた第２方向性結合器とを更に備えるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の各実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１にかかる高周波電力増幅器の構成を示す。この高周波電力増幅器は、逆Ｆ級増幅器として働く主増幅器１０、Ｆ級増幅器として働く補助増幅器２０、分配回路３０、電気入力側位相調整回路３５とドハティ回路４０を備える。信号周波数に対応する波長をλとする時、ドハティ回路４０はλ／４のドハティネットワーク４１を有する。
【００１６】
主増幅器１０は、トランジスタ１２と、トランジスタ１２の入力及び出力に、夫々、接続される入力回路１１及び出力回路１３とによって形成される。主増幅器１０は、逆Ｆ級動作するように、信号周波数の偶数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を与えるように構成される。この目的のため、入力整合回路１１Ａと逆Ｆ級高調波処理回路１１Ｂが入力回路１１に設けられる一方、出力整合回路１３Ａと、逆Ｆ級高調波処理回路１３Ｂと、バイアス回路として働く高調波反射回路１３Ｃとが出力回路１３に設けられる。
【００１７】
又、補助増幅器２０は、トランジスタ２２と、トランジスタ２２の入力及び出力に、夫々、接続される入力回路２１及び出力回路２３によって形成される。補助増幅器２０は、Ｆ級動作するように、信号周波数の偶数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を与えるように構成される。この目的のため、入力整合回路２１ＡとＦ級高調波処理回路２１Ｂが入力回路２１に設けられる一方、出力整合回路２３Ａと、Ｆ級高調波処理回路２３Ｂと、バイアス回路として働く高調波反射回路２３Ｃとが出力回路２３に設けられる。
【００１８】
分配回路３０、電気入力側位相調整回路３５、ドハティ回路４０、主増幅器１０のトランジスタ１２と補助増幅器２０のトランジスタ２２の構成は図９に示す従来の高周波電力増幅器の構成と同じである。分配回路３０と電気入力側位相調整回路３５は、トランジスタ１２に対するトランジスタ２２の位相差がほぼ９０度となるように、入力信号をトランジスタ１２とトランジスタ２２に分配する。又、ドハティ回路４０のドハティネットワーク４１は、トランジスタ２２の動作状態によるインピーダンス変換によりトランジスタ１２の出力側負荷を制御する分散線路として機能する。
【００１９】
ドハティ型増幅器は、通常、主増幅器はＡ〜ＡＢ級動作を、又、補助増幅器はＣ級動作をするように異なるバイアスを有する主増幅器と補助増幅器をドハティネットワークにより結合し、飽和点付近で駆動し始める補助増幅器の出力側インピーダンスの変化により主増幅器に与える出力側負荷を減少させるように変化させて、高い線形性と、飽和出力点からはるかに小さい出力レベル（１０〜５ｄＢのバックオフ出力時）の高効率化を達成する。
【００２０】
この実施の形態は、異なるバイアスを主増幅器と補助増幅器に印加してドハティ型増幅器が動作することに着目して、Ａ〜ＡＢ級の動作点で高効率となる逆Ｆ級動作を与える高調波処理回路１１Ｂ及び１３Ｂを主増幅器１０のトランジスタ１２に接続すると共に、Ｃ級の動作点で高効率となるＦ級動作を与える高調波処理回路２１Ｂ及び２３Ｂを補助増幅器２０のトランジスタ２２に接続していることを特徴とする。
【００２１】
図２は、図１の高周波電力増幅器においてＦ級増幅器と逆Ｆ級増幅器の効率の動作点に対する変化を示す。図２から、Ｆ級増幅器は、初期設定電流の小さいＢ〜Ｃ級動作点で高効率となるのに対し、逆Ｆ級増幅器は、ＡＢ〜Ａ級動作点で高効率となることが分る。この結果から、ドハティ型増幅器の主増幅器と補助増幅器には、夫々、逆Ｆ級増幅器とＦ級増幅器が最適であることが理解される。
【００２２】
図３は、主増幅器と補助増幅器の高調波処理条件をＦ級動作と逆Ｆ級動作のいずれかに設定して計算することにより、図１の高周波電力増幅器と従来の高周波電力増幅器の電力付加効率を比較する。横軸は飽和出力点からのバックオフ量（ｄＢ）を示す。図３から、主増幅器と補助増幅器が、夫々、逆Ｆ級動作とＦ級動作をする図１の高周波電力増幅器が、他の組合せと比較して飽和出力点からのバックオフ量が１２〜５ｄＢの範囲で最も高効率となり、主増幅器と補助増幅器が共にＦ級動作をする従来の高周波電力増幅器と比較して５％の高効率化を達成していることが分る。
【００２３】
この実施の形態では、主増幅器１０が逆Ｆ級動作をするように入力回路１１と出力回路１３がトランジスタ１２に接続される一方、補助増幅器２０がＦ級動作をするように入力回路２１と出力回路２３がトランジスタ２２に接続されるので、主増幅器１０と補助増幅器２０において異なる高調波処理条件が設定されるから、高効率特性を得ることができる。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２にかかる高周波電力増幅器の構成を示す。実施の形態１の高周波電力増幅器と比較して、この高周波電力増幅器は、分配回路３０、電気入力側位相調整回路３５とドハティ回路４０に加えて、主増幅器１０と補助増幅器２０の代りに主増幅器５０と補助増幅器６０を備える。この高周波電力増幅器は、更に、主増幅器５０と補助増幅器６０の位相差を調整する位相調整回路６５を備える。
【００２５】
実施の形態１では、主増幅器１０の入力回路１１及び出力回路１３と、補助増幅器２０の入力回路２１及び出力回路２３との間の構成の相違により、主増幅器１０と補助増幅器２０の間に位相差が生じて、電力合成時に特性が劣化する現象が発生するおそれがある。そこで、図４の高周波電力増幅器では、位相調整回路６５により主増幅器５０と補助増幅器６０の通過位相を同一にする。
【００２６】
この実施の形態では、主増幅器５０と補助増幅器６０の位相差が位相調整回路６５によって調整されるので、主増幅器５０と補助増幅器６０の位相差により電力合成時に特性が劣化する現象の発生を防止することができる。
【００２７】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３にかかる高周波電力増幅器の構成を示す。実施の形態１の高周波電力増幅器と比較して、この高周波電力増幅器は、分配回路３０、電気入力側位相調整回路３５とドハティ回路４０に加えて、主増幅器１０と補助増幅器２０の代りに主増幅器７０と補助増幅器８０を備える。
【００２８】
主増幅器７０は、入力整合回路７１Ａと逆Ｆ級高調波処理回路７１Ｂを有する入力回路７１と、トランジスタ７２と、出力基本波整合回路７３とを備える一方、補助増幅器８０は、入力整合回路８１ＡとＦ級高調波処理回路８１Ｂを有する入力回路８１と、トランジスタ８２と、出力基本波整合回路８３とを備える。この高周波電力増幅器は、更に、実施の形態１の高周波電力増幅器の主増幅器１０のバイアス回路としての高調波反射回路１３Ｃと補助増幅器２０のバイアス回路としての高調波反射回路２３Ｃの代りに、主増幅器７０のトランジスタ７２の出力端子と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子の間に設けられたバイパス回路９０を備える。
【００２９】
バイパス回路９０は、Ｎ次高調波フィルタ回路９１及び９３と、Ｎ次高調波フィルタ回路９１と９３の間に設けられ分布定数線路を有するＮ次高調波処理回路９２とを備える。バイパス回路９０では、主増幅器７０のトランジスタ７２と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子での高調波負荷を、夫々、逆Ｆ級動作とＦ級動作に設定するように、Ｎ次高調波処理回路９２の分布定数線路の電気長が調整される。
【００３０】
図５の高周波電力増幅器では、バイパス回路９０は、主増幅器７０のトランジスタ７２の出力端子と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子の間に設けられている。しかしながら、図５の高周波電力増幅器の変形例を示す図６に例示するように、バイパス回路９０を主増幅器７０のトランジスタ７２の入力端子と補助増幅器８０のトランジスタ８２の入力端子の間に設けてもよい。
【００３１】
この実施の形態では、実施の形態１の高周波電力増幅器の主増幅器１０のバイアス回路としての高調波反射回路１３Ｃと補助増幅器２０のバイアス回路としての高調波反射回路２３Ｃの代りに、バイパス回路９０が、主増幅器７０のトランジスタ７２の出力端子と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子の間又は主増幅器７０のトランジスタ７２の入力端子と補助増幅器８０のトランジスタ８２の入力端子の間に設けられているので、主増幅器７０と補助増幅器８０の構成が簡略化される。
【００３２】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４にかかる高周波電力増幅器のバイパス回路９５の構成を示す。バイパス回路９５は、実施の形態３の高周波電力増幅器のバイパス回路９０において、Ｎ次高調波処理回路９２とＮ次高調波フィルタ回路９３の間にアイソレータ９６を付加している。この高周波電力増幅器の他の構成は実施の形態３の高周波電力増幅器と同様であるので、その説明を省略する。
【００３３】
アイソレータ９６は、高調波を主増幅器７０から補助増幅器８０へ、又は、補助増幅器８０から主増幅器７０へ伝播させるように、高調波を単方向化する。
【００３４】
この実施の形態では、アイソレータ９６が、高調波を主増幅器７０から補助増幅器８０へ、又は、補助増幅器８０から主増幅器７０へ伝播させるように、高調波を単方向化するので、主増幅器７０のトランジスタ７２と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子又は入力端子での高調波負荷の調整が容易となる。
【００３５】
実施の形態５．
図８は、この発明の実施の形態５にかかる高周波電力増幅器のバイパス回路９０の近傍の構成を示す。この高周波電力増幅器は、実施の形態３の高周波電力増幅器のバイパス回路９０を、夫々、方向性結合器９７と９８を介して、主増幅器７０と補助増幅器８０に接続している。この高周波電力増幅器の他の構成は実施の形態３の高周波電力増幅器と同様であるので、その説明を省略する。
【００３６】
方向性結合器９７と９８は、夫々、主増幅器７０と補助増幅器８０から出力された高調波を単方向化する。
【００３７】
この実施の形態では、方向性結合器９７と９８が、夫々、主増幅器７０と補助増幅器８０から出力された高調波を単方向化するので、主増幅器７０のトランジスタ７２と補助増幅器８０のトランジスタ８２の出力端子又は入力端子での高調波負荷の調整が容易となる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、高周波電力増幅器が、信号増幅を行う第１トランジスタ、前記第１トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数の偶数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を与える第１の２端子ネットワーク、前記第１トランジスタの入力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第１入力整合回路、及び前記第１トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第１出力整合回路を含む第１増幅器と、信号増幅を行う第２トランジスタ、前記第２トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数の偶数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を与える第２の２端子ネットワーク、前記第２トランジスタの入力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第２入力整合回路、及び前記第２トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第２出力整合回路を含む第２増幅器と、前記第１増幅器の入力と前記第２増幅器の入力の間に接続されて、前記第１トランジスタに対する前記第２トランジスタの位相差がほぼ９０度となるように、入力信号を前記第１トランジスタと前記第２トランジスタに分配する電力分配回路と、前記第１増幅器の出力と前記第２増幅器の出力の間に接続されて、前記第２トランジスタの動作状態によるインピーダンス変換により前記第１トランジスタの出力側負荷を制御する分散線路と、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタのために、前 記第１トランジスタの入力端子と前記第２トランジスタの入力端子の間に設けられていると共に、前記第１トランジスタの前記入力端子と前記第２トランジスタの前記入力端子の間で信号周波数の高調波帯域の周波数のみを通過させるフィルタと、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタの入力側高調波負荷を最適化する高調波処理回路とを含むバイアス回路とを備えるので、主増幅器としての第１増幅器と補助増幅器としての第２増幅器において異なる高調波処理条件が設定されるから、高効率特性を得ることができる。更に、主増幅器と補助増幅器に、夫々、内蔵されている２個のバイアス回路が単一のバイアス回路に置換されるから、主増幅器と補助増幅器の構成が簡略化される。
【００３９】
又、請求項２の発明によれば、前記第１増幅器と前記第２増幅器の位相差を調整する位相調整回路を、前記第２増幅器と前記分散線路の間に更に備えるので、主増幅器と補助増幅器の位相差が位相調整回路によって調整されるから、主増幅器と補助増幅器の位相差により電力合成時に特性が劣化する現象の発生を防止することができる。
【００４０】
又、請求項３の発明によれば、前記バイアス回路が、更に、アイソレータを含むので、アイソレータが、高調波を主増幅器から補助増幅器へ、又は、補助増幅器から主増幅器へ伝播させるように、高調波を単方向化するから、主増幅器のトランジスタと補助増幅器のトランジスタの出力端子又は入力端子での高調波負荷の調整が容易となる。
【００４１】
又、請求項４の発明によれば、前記バイアス回路と前記第１トランジスタの結合部に設けられた第１方向性結合器と、前記バイアス回路と前記第２トランジスタの結合部に設けられた第２方向性結合器とを更に備えるので、第１方向性結合器と第２方向性結合器が、夫々、主増幅器と補助増幅器から出力された高調波を単方向化するから、主増幅器のトランジスタと補助増幅器のトランジスタの出力端子又は入力端子での高調波負荷の調整が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１にかかる高周波電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図２】 図１の高周波電力増幅器におけるＦ級増幅器と逆Ｆ級増幅器の効率の動作点に対する変化を示すグラフである。
【図３】 図１の高周波電力増幅器と従来の高周波電力増幅器の電力付加効率を比較するグラフである。
【図４】 この発明の実施の形態２にかかる高周波電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図５】 この発明の実施の形態３にかかる高周波電力増幅器の構成を示す回路図である。
【図６】 図５の高周波電力増幅器の変形例の構成を示す回路図である。
【図７】 この発明の実施の形態４にかかる高周波電力増幅器のバイパス回路の構成を示す回路図である。
【図８】 この発明の実施の形態５にかかる高周波電力増幅器のバイパス回路の近傍の構成を示す回路図である。
【図９】 従来の高周波電力増幅器の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１０ 主増幅器、 １１ 入力回路、 １２ トランジスタ、 １３ 出力回路、 ２０ 補助増幅器、 ２１ 入力回路、 ２２ トランジスタ、 ２３ 出力回路、 ３０ 分配回路、 ３５ 電気入力側位相調整回路、 ４０ ドハティ回路、 ５０ 主増幅器、 ６０ 補助増幅器、 ６５ 位相調整回路、 ７０ 主増幅器、 ８０ 補助増幅器、 ９０ バイパス回路、 ９６ アイソレータ、 ９７ 方向性結合器、 ９８ 方向性結合器。
Claims (4)
- 信号増幅を行う第１トランジスタ、前記第１トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数の偶数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を与える第１の２端子ネットワーク、前記第１トランジスタの入力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第１入力整合回路、及び前記第１トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第１出力整合回路を含む第１増幅器と、
信号増幅を行う第２トランジスタ、前記第２トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数の偶数次高調波周波数において短絡又は十分に小さい負荷を、又、信号周波数の奇数次高調波周波数において開放又は十分に大きい負荷を与える第２の２端子ネットワーク、前記第２トランジスタの入力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第２入力整合回路、及び前記第２トランジスタの出力側に設けられて、信号周波数に対するインピーダンス整合を行う第２出力整合回路を含む第２増幅器と、
前記第１増幅器の入力と前記第２増幅器の入力の間に接続されて、前記第１トランジスタに対する前記第２トランジスタの位相差がほぼ９０度となるように、入力信号を前記第１トランジスタと前記第２トランジスタに分配する電力分配回路と、
前記第１増幅器の出力と前記第２増幅器の出力の間に接続されて、前記第２トランジスタの動作状態によるインピーダンス変換により前記第１トランジスタの出力側負荷を制御する分散線路と、
前記第１トランジスタと前記第２トランジスタのために、前記バイアス回路が、前記第１トランジスタの入力端子と前記第２トランジスタの入力端子の間に設けられていると共に、前記第１トランジスタの前記入力端子と前記第２トランジスタの前記入力端子の間で信号周波数の高調波帯域の周波数のみを通過させるフィルタと、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタの入力側高調波負荷を最適化する高調波処理回路とを含むバイアス回路と
を備えることを特徴とする高周波電力増幅器。 - 前記第１増幅器と前記第２増幅器の位相差を調整する位相調整回路を、前記第２増幅器と前記分散線路の間に更に備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
- 前記バイアス回路が、更に、アイソレータを含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
- 前記バイアス回路と前記第１トランジスタの結合部に設けられた第１方向性結合器と、前記バイアス回路と前記第２トランジスタの結合部に設けられた第２方向性結合器とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
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