JP4421504B2 - マイクロ波増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波信号を複数に分配し、分配した複数の高周波信号をそれぞれ別個に増幅した後に、合成器で合成するマイクロ波増幅装置に関する。

従来のマイクロ波増幅装置について、低雑音マイクロ波増幅装置を例にとり図６を参照して説明する。

ＲＦ入力端子６１に、ウイルキンソン形分配器６２の入力端６２ａが接続されている。ウイルキンソン形分配器６２は、線路長がλ／４の第１、第２の伝送線６２１、６２２および抵抗６２３などから構成されている。たとえば第１、第２の伝送線６２１、６２２の各一端が共通の入力端６２ａに接続され、第１、第２の伝送線６２１、６２２の他端が第１および第２の２つの出力端６２ｂ、６２ｃに接続されている。そして、第１、第２の伝送線６２１、６２２の他端間に抵抗６２３が接続されている。

また、ウイルキンソン形分配器６２の第１出力端６２ｂは第１増幅器６３１に接続されている。第２出力端６２ｃは、線路長がλ／４の第３伝送線路６４を介して第２増幅器６３２に接続されている。第１増幅器６３１の出力側は線路長がλ／４の第４伝送線路６５を介してウイルキンソン形合成器６６の一方の入力端６６ａに接続されている。第２増幅器６３ｂの出力側はウイルキンソン形合成器６６の他方の入力端６６ｂに接続されている。

ウイルキンソン形合成器６６は、ウイルキンソン形分配器６２と同様に、線路長がλ／４の２つの第５、第６の伝送線路６６１、６６２および抵抗６６３などから構成されている。たとえば第５、第６伝送線６６１、６６２の一端がそれぞれ入力端６６ａ、６６ｂに接続され、第５、第６伝送線６６１、６６２の他端がそれぞれ共通の出力端６６ｃに接続されている。また、第５、第６伝送線６６１、６６２の他端間に抵抗６６３が接続されている。そして、ウイルキンソン形合成器６６の出力端６６ｃにＲＦ出力端子６７が接続されている。

上記したように、高周波信号を分配器で複数に分配し、分配した複数の高周波信号をそれぞれ別個に増幅した後に、合成器で合成するマイクロ波増幅装置は特許文献１などに記載されている。
特開平９−３１２５３４号公報

従来のマイクロ波増幅装置は、高周波信号を複数に分配して増幅する場合、高周波信号の分配に分配器が使用され、増幅された高周波信号の合成に合成器が使用される。

図６の従来例では、分配器および合成器として、たとえばウイルキンソン形回路が使用されている。ウイルキンソン形回路は、たとえば線路長がλ／４の２つの伝送線路と１つの抵抗で構成されている。この場合、分配器の２つの出力端間（たとえば図６の６２ｂ、６２ｃ間）、あるいは、合成器の２つの入力端間（たとえば図６の６６ａ、６６ｂ間）は、帯域内では良好なアイソレーション特性をもっている。しかし、分配器の２つの出力端間、あるいは、合成器の２つの入力端間は、それぞれ２つの伝送線路などを介して直流的に接続され、直流で短絡モードになっている。

したがって、ウイルキンソン形回路を分配器および合成器に用いると、帯域外とくに帯域よりも低い周波数帯において、図６の点線Ｌに示すように、２つの増幅器６３１、６３２および分配器６２、合成器６６などを含むループが形成され、回路の安定指数が悪化する。

従来のマイクロ波増幅器は、上記した問題を解決するために、増幅器のバイアス回路部分などに安定化回路、たとえばローパスフィルタを設け、帯域よりも低い周波数帯でループが形成されないようにしている。しかし、この方法は安定化回路を別に設けるため、その分、回路が複雑になる。

また、分配器および合成器の両方に、ランゲカプラ形回路を使用する方法がある。ランゲカプラ形回路は、線路長がλ／４の２つの伝送線路を並行に配置する構成になっている。したがって、分配器として用いる場合の２つの出力端間、あるいは、合成器として用いる場合の２つの入力端間は直流的に接続せず、直流で開放モードになっている。したがって、ウイルキンソン形回路を用いた場合のようなループが形成されず、低周波領域における安定性が向上する。

しかし、ランゲカプラ形回路は、たとえば低雑音増幅器に用いると、ウイルキンソン形回路に比べ挿入損失が大きいため、雑音指数が悪化する。また、電力増幅器に用いると、ウイルキンソン形回路に比べて挿入損失が増大し、たとえば利得１ｄＢ圧縮時出力電力が低下する。また、ランゲカプラ形回路は周波数が高くなると、導体損失が増加し、挿入損失がさらに増大する。

なお、図６の従来例では、分配器および合成器にウイルキンソン形回路を使用している。しかし、ウイルキンソン形回路に代えてブランチライン形回路やラットレース形回路を使用した場合も、分配器の２つの出力端間、あるいは、合成器の２つの入力端間が、いずれも直流で短絡する構造になるため、ウイルキンソン形回路の場合と同様の問題が発生する。

本発明は、上記した欠点を解決し、低雑音増幅器として用いる場合の雑音指数の劣化を防止し、また、電力増幅器として用いる場合の挿入損失の増大を防止し、かつ、低周波領域の安定指数が向上したマイクロ波増幅装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数の出力端を有し、高周波信号を複数に分配する分配器と、この分配器で分配した複数の高周波信号を増幅する複数の増幅器と、複数の入力端を有し、前記増幅器で増幅した複数の高周波信号を合成する合成器とを具備したマイクロ波増幅装置であって、前記分配器は、ウイルキンソン形回路、ブランチライン形回路、ラットレース形回路のいずれかにより構成され、前記合成器は、前記複数の入力端間が直流で短絡しないランゲカプラ形回路により構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、低周波領域の安定指数が向上したマイクロ波増幅装置が実現する。

本発明の実施形態について、低雑音マイクロ波増幅器に適用した場合を例にとり図１を参照して説明する。

ＲＦ入力端子１１は分配器１２の入力端１２ａに接続されている。分配器１２は、たとえばウイルキンソン形回路で構成され、線路長がλ／４の第１、第２の伝送線１２１、１２２および抵抗１２３などから構成されている。分配器１２の第１出力端１２ｂは第１増幅器１３１に接続され、第２出力端１２ｃは、線路長がλ／４の第３伝送線路１４を介して第２増幅器１３２に接続されている。第３伝送線路１４は第１増幅器１３１および第２増幅器１３２で反射した反射成分が、たとえば分配器１２の入力端１２ａで逆相になって相殺するように作用する。

第１増幅器１３１および第２増幅器３３ｂの出力側は、それぞれ合成器１５の第１および第２の２つの入力端１５ａ、１５ｂに接続されている。合成器１５はランゲカプラ形回路で構成され、第１出力端１５ｃにＲＦ出力端子１６が接続され、第２出力端１５ｄに終端抵抗ｒが接続されている。

上記した構成において、ＲＦ入力端子１１から入力する高周波信号は分配器１２で、たとえば２分され、それぞれ第１増幅器１３１および第２増幅器１３２で別々に増幅される。第１増幅器１３１および第２増幅器１３２で増幅された高周波信号は、その後、合成器１５で合成され、第１出力端１５ｃに出力し、ＲＦ出力端子１６に供給される。

ここで、分配器１２を構成するウイルキンソン形回路について図２を参照して説明する。

ウイルキンソン形回路は、線路長がλ／４の第１、第２の伝送線２１、２２および抵抗２３などから構成されている。そして、たとえば第１、第２の伝送線２１、２２の各一端は共通の第１ポートＰ１に接続されている。第１、第２の伝送線２１、２２の他端は第２ポートＰ２および第３ポートＰ３に接続され、第１、第２の伝送線２１、２２の他端間に抵抗２３が接続されている。

そして、上記のウイルキンソン形回路を分配器として用いる場合、第１ポートＰ１が入力端となり、第２ポートＰ２および第３ポートＰ３が出力端となる。ウイルキンソン形回路は合成器としても用いることができ、この場合、第２ポートＰ２および第３ポートＰ３が入力端となり、第１ポートＰ１が出力端となる。

ウイルキンソン形回路は、第２ポートＰ２と第３ポートＰ３との間が第１伝送線２１および第２伝送線路２２などを介して直流的に接続し、直流で短絡モードになっている。

次に、合成器を構成するランゲカプラ形回路について図３を参照して説明する。

ランゲカプラ形回路は、線路長がたとえばλ／４の第１および第２の２つの伝送線路３１、３２をたとえば並行に配置した構成になっている。この場合、第１伝送線路３１の両端に第１ポートＰ１および第２ポートＰ２が接続され、第２伝送線路３２の両端に第３ポートＰ３および第４ポートＰ２が接続される。

そして、上記のランゲカプラ形回路を合成器として用いる場合、第２ポートＰ２および第３ポートＰ３が２つの入力端となり、第１ポートＰ１が出力端となる。ランゲカプラ形回路は分配器としても用いることができ、この場合、第１ポートＰ１が入力端となり、第２ポートＰ２および第３ポートＰ３がそれぞれ出力端となる。

上記した図１のマイクロ波増幅装置によれば、合成器がランゲカプラ形回路で構成されている。この場合、合成器の２つの入力端１５ａ、１５ｂが直流的に接続せず、直流で開放モードになっている。したがって、帯域外とくに帯域より低い周波数帯においても、２つの増幅器１３１、１３２などを含むループが形成されず、低周波領域でも良好な安定指数が得られる。

また、分配器としてウイルキンソン形回路を用いているため、挿入損失の増大が防止され、雑音指数の悪化も防止される。

図１では、分配器としてウイルキンソン形回路を使用している。しかし、ウイルキンソン形回路に代えてブランチライン形回路やラットレース形回路を使用しても、ウイルキンソン形回路を使用した場合と同じ効果が得られる。

ここで、ブランチライン形回路およびラットレース形回路について図４を参照して説明する。

ブランチライン形回路は、図４（ａ）に示すように、線路長がたとえばλ／４の第１〜第４の伝送線路４１〜４４をたとえば４角形状に接続している。そして、伝送線路４１〜４４のそれぞれ隣接するどうしの接続点に第１〜第４のポートＰ１〜Ｐ４が接続され、第４ポートＰ４に終端抵抗ｒが接続される。

上記のブランチライン形回路を分配器として用いる場合は、第１ポートＰ１が入力端となり、第２、第３ポートＰ２、Ｐ３が出力端となる。ブランチライン形回路は合成器としても用いることができ、この場合、第２、第３ポートＰ２、Ｐ３が入力端となり、第１ポートＰ１が出力端となる。

ラットレース形回路は、図４（ｂ）に示すように、線路長がλ／４の第１〜第３の３個の伝送線路４６〜４８と、線路長が３λ／４の１個の第４伝送線路４９を、たとえば４角形状に接続している。このとき、伝送線路４６〜４９の隣接するどうしの接続点に第１〜第４のポートＰ１〜Ｐ４が接続され、第４ポートＰ４に終端抵抗ｒが接続される。そして、分配器として用いる場合、第１ポートＰ１が入力端となり、Ｐ２、Ｐ３が出力端となる。ラットレース形回路は合成器としても用いることができ、この場合、第２、第３ポートＰ２、Ｐ３が入力端となり、第１ポートＰ１が出力端となる。

ブランチライン形回路およびラットレース形回路は、分配器として用いる場合、ウイルキンソン形回路と同様に、複数の出力端間、たとえば図４の第２、第３ポートＰ２、Ｐ３が直流で短絡する構造になっている。しかし、合成器を構成するランゲカプラ形回路の２つの入力端が直流的に接続しない構造になっているため、ブランチライン形回路やラットレース形回路を分配器に用いても、帯域外とくに帯域より低い周波数帯において、２つの増幅器を含むループが形成されず、低周波領域でも良好な安定指数が得られる。

また、ブランチライン形回路およびラットレース形回路は、ウイルキンソン形と同様、挿入損失が悪化せず、雑音指数も悪化しない。

本発明の他の実施形態について、マイクロ波電力増幅器を例にとって図５を参照して説明する。

ＲＦ入力端子５１は分配器５２の入力端５２ａに接続されている。分配器５２は、たとえば図３で示したランゲカプラ形回路で構成され、分配器５２の第１出力端５２ｂは第１増幅器５３１に接続され、第２出力端５２ｃは第２増幅器５３２に接続されている。

第１増幅器５３１および第２増幅器５３２の出力側は、それぞれ合成器５４の第１および第２の２つの入力端５４ａ、５４ｂに接続されている。合成器５４は、たとえば図４（ａ）で説明したブランチライン形回路で構成され、合成器５４の第１出力端５４ｃにＲＦ出力端子５５が接続されている。また、第２出力端５４ｄに終端抵抗ｒが接続されている。

上記した構成において、ＲＦ入力端子５１から入力する高周波信号は分配器５２で、たとえば２分され、それぞれ第１増幅器５３１および第２増幅器５３２で別々に増幅される。第１増幅器５３１および第２増幅器５３２で増幅された高周波信号は、その後、合成器５４で合成され、第１出力端５４ｃに出力し、ＲＦ出力端子５５に供給される。

図５の実施形態の場合、合成器５４の複数の入力端５４ａ、５４ｂ間が直流で短絡した構造になっている。しかし、分配器５２がランゲカプラ形回路で、その２つの出力端５４ｂ、５４ｃが直流で短絡しない構造になっているため、帯域外とくに帯域より低い周波数帯においてもループが形成されない。

したがって、低周波領域でも良好な安定指数を得ることができる。また、合成器がブランチライン形回路であるため、挿入損失が悪化せず、利得１ｄＢ圧縮時出力電力も悪化することがない。

図５は、合成器をブランチライン形回路で構成している。しかし、ブランチライン形回路に代えて、ウイルキンソン形回路やラットレース形回路を使用しても同様の効果が得られる。

上記の各実施形態は、たとえば２分配する分配器を１段に形成し、高周波信号を２分する場合で説明している。しかし、たとえば２分配する分配器の２つの出力端にそれぞれ、たとえば２分配する分配器を接続し、高周波信号を全部で４分配するなど、分配器を複数段に構成することもできる。また、分配器を複数段に構成した場合、それに合わせて合成器も複数段に構成することもできる。

このように分配器や合成器を複数段に構成する場合、分配器の複数の出力端間、あるいは合成器の複数の入力端間が直流で短絡しない構造の回路、たとえばランゲカプラ形回路は、増幅器に一番近い直前または直後に接続すれば、帯域外とくに帯域より低い周波数帯においてループが形成されない回路が形成される。したがって、その他の部分、たとえば増幅器の直前または直後の段よりも遠い複数段以上離れた段には、ブランチライン形回路やウイルキンソン形回路、ラットレース形回路などを使用することもできる。

上記した本発明によれば、低雑音増幅器として用いた場合の雑音指数が劣化せず、また、電力増幅器として用いた場合は、利得１ｄＢ圧縮時出力電力を劣化させず、低周波領域の安定指数が向上するマイクロ波増幅器が実現する。

本発明の実施形態を説明する回路構成図である。 本発明に使用されるウイルキンソン形回路を説明する回路構成図である。 本発明に使用されるランゲカプラ形回路を説明する回路構成図である。 本発明に使用されるブランチライン形回路を説明する回路構成図である。 本発明の他の実施形態を説明する回路構成図である。 従来例を説明する回路構成図である。

符号の説明

１１…ＲＦ入力端子
１２…分配器
１２ａ…分配器の入力端
１２ｂ、１２ｃ…分配器の出力端
１３１…第１増幅器
１３２…第２増幅器
１５…合成器
１５ａ、１５ｂ…合成器の入力端
１５ｃ…合成器の出力端
１６…ＲＦ出力端子

Claims (4)

1. 複数の出力端を有し、高周波信号を複数に分配する分配器と、
   この分配器で分配した複数の高周波信号を増幅する複数の増幅器と、
   複数の入力端を有し、前記増幅器で増幅した複数の高周波信号を合成する合成器とを具備したマイクロ波増幅装置であって、
   前記分配器は、ウイルキンソン形回路、ブランチライン形回路、ラットレース形回路のいずれかにより構成され、前記合成器は、前記複数の入力端間が直流で短絡しないランゲカプラ形回路により構成されたことを特徴とするマイクロ波増幅装置。
2. 前記合成器は、複数段により構成され、この複数段のうち、前記増幅器の直後に形成される段は、複数の前記ランゲカプラ形回路により構成されたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波増幅装置。
3. 複数の出力端を有し、高周波信号を複数に分配する分配器と、
   この分配器で分配した複数の高周波信号を増幅する複数の増幅器と、
   複数の入力端を有し、前記増幅器で増幅した複数の高周波信号を合成する合成器とを具備したマイクロ波増幅装置であって、
   前記分配器は、前記複数の入力端間が直流で短絡しないランゲカプラ形回路により構成され、前記合成器は、ウイルキンソン形回路、ブランチライン形回路、ラットレース形回路のいずれかにより構成されたことを特徴とするマイクロ波増幅装置。
4. 前記分配器は、複数段により構成され、この複数段のうち、前記増幅器の直前に形成される段は、複数の前記ランゲカプラ形回路により構成されたことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波増幅装置。

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