JP4503037B2 - 電力増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力増幅装置に関し、特に、入力高周波信号を分岐させて複数の電力増幅器で増幅した後、合成回路で合成する電力増幅装置に関する。

従来、放送のように大きな電力を必要とする送信機等に用いられる電力増幅装置は、入力高周波信号を複数に分岐し、分岐した信号をそれぞれ電力増幅器で増幅した後、増幅された信号を合成回路で合成するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、高効率の電力増幅器として、Ｅ級，Ｆ級、Ｅ／Ｆ級の電力増幅器が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００６−２８６３０１号公報（段落０００２、図３） Mihai Albulet著「RF POWER AMPLIFIERS」Noble Publishing Company

従来の電力増幅装置は、例えば、図９に示すように、入力高周波信号Ｓ９１が分岐入力される２つの電力増幅器９１−１，９１−２と、これらの出力を合成し合成出力Ｓ９２を得るための合成回路を構成する抵抗９２及び合成トランス９３とを有している。電力増幅器９１−１，９１−２としては、例えば、図１０に示されるように構成されたＥ級電力増幅器が用いられる。

図１０のＥ級電力増幅器は、ＦＥＴ１０２、電源とＦＥＴ１０２との間に接続されたリアクタンス１０１、及びＦＥＴ１０２の寄生容量（出力静電容量）Ｃout１０３とともにＦＥＴ１０２のスイッチング動作に伴うスイッチング損失を低減する同調回路を構成するリアクタンスＬo１０４及びコンデンサＣo１０５及びコンデンサＣp１０６を有している。この増幅器は、分岐された高周波信号Ｓ９１を増幅し、ＰＡ出力Ｓ１０２を出力する。

このような従来の電力増幅装置では、入力高周波信号Ｓ９１の周波数（即ち、ＦＥＴ１０２のスイッチング周波数）が変更されると、その周波数に合わせて同調回路を調整する必要がある。しかし、同調回路は、各電力増幅器９１−１，９１−２に設けられているため、電力増幅器９１−１．９１−２それぞれについて調整を行わなければならず、調整が煩雑であるという問題点がある。このような問題点は、短波送信機のように、頻繁に送信周波数を変更する必要がある機器においては特に顕著となる。

ここで、電力増幅器９１−１，９１−２の同調回路部（上記同調回路から寄生容量Ｃout１０３を除いたもの）が同一構成なので、これらの同調回路部を一つにして２つの電力増幅部（リアクタンス１０１及びＦＥＴ１０２の組み合わせ）で共用することが考えられる。この場合、その同調回路部は、合成トランス９３によって合成された信号に対して作用するように、合成トランス９３よりも後段に配置されなければならない。

しかしながら、図１０におけるａ点からみた出力側のインピーダンスにはＥ級電力増幅器動作理論より虚数部が含まれる。また、合成トランス９３は、位相回転特性を有している。それゆえ、合成トランス９３の前段側に設けられていた同調回路部を、合成トランス９３の後段側に設けると、図１０のａ点に相当する位置から見た出力側のインピーダンスが変化してしまう。つまり、合成トランス９３の後段側に設けられた同調回路部は、合成トランス９３との組み合わせによりＥ級電力増幅器として動作するために必要な同調回路とは全く異なるものとなってしまう。

また、合成トランス９３の後段に設けられる同調回路部を、合成トランス９３の前段に設けられた電力増幅部とともにＥ級電力増幅器として動作するよう、設計、調整することは、合成トランス９３により変換される負荷側のインピーダンスを予測しなければならないため困難である。つまり、電力増幅器１台にて動作していた場合と回路定数が大きく異なるため、大幅な設計変更・調整が必要である。また、合成トランス９３により変換された負荷インピーダンスの虚数部の符号（＋，−）が変わる場合は、回路構成まで変更する必要が生じる。それゆえ、従来の電力増幅装置では、それぞれが同調回路部を備えている複数の電力増幅器９１−１，９１−２が用いられている。

このように、従来の電力増幅装置では、同調回路部を共有することが困難であるため、周波数が変更されたときの同調回路の調整が煩雑で、結果として周波数の変更が容易ではないという問題点がある。

そこで、本発明は、複数の電力増幅器にそれぞれ備えられるべき同調回路部を一つに集約して部品点数を削減してコストを低減するとともに、周波数変更時の調整を容易にした電力増幅装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の要旨は、入力高周波信号を分岐させた分岐信号がそれぞれ入力される複数の電力増幅器と、該複数の電力増幅器の出力を合成する合成回路とを有する電力増幅装置において、前記合成回路は合成トランスを含み、前記複数の電力増幅器にそれぞれ含まれるべき同調回路部を集約して同調回路とし、前記合成回路の後段側に配置するとともに、前記合成回路と前記同調回路との間に位相回路を設け、前記位相回路が前記合成回路によって引き起こされる位相回転を打ち消すように位相制御を行うことを特徴とする。

前記電力増幅器は、Ｅ級、Ｆ級又はＥ／Ｆ級電力増幅器であり得る。

前記位相回路は、一又は複数のπ型回路又はＴ型回路からなる回路であってよい。

本発明の第２の要旨は、入力高周波信号を分岐させた分岐信号を複数の電力増幅器でそれぞれ増幅し、その後合成する電力増幅方法において、前記電力増幅器において同調処理することなく増幅を行い、前記電力増幅器の出力を合成トランスを含む合成回路により合成したあと前記合成回路によって引き起こされる位相回転を打ち消すように位相調整を行い、その後同調処理を行うようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、合成回路によって引き起こされる位相回転を打ち消すよう補正する位相回路を合成回路の後段に設けるようにしたことで、複数の電力増幅器に含まれるべき同調回路部を一つの同調回路として集約し共用することができる。これにより、部品点数の削減とコストの低減を実現できる。また、同調回路の設計、調整が容易になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る電力増幅装置の構成を示す概略構成図である。ここで、従来と同一のものには同一の参照符号を付してある。

図示の電力増幅装置は、複数（ここでは、２個）の電力増幅器１１−１，１１−２と、合成回路を構成する抵抗９２及び合成トランス９３と、位相回路１２と、同調回路１３とを有している。

電力増幅器１１−１，１１−２の各々は、図２に示すように、ＦＥＴ１０２、及び電源とＦＥＴ１０２との間に接続されたリアクタンス１０１を有している。リアクタンス１０１は、カットオフ周波数が十分に低いロー・パス・フィルタとして働く。即ち、リアクタンス１０１は、入力電流を直流電流にするためのチョークコイルである。ＦＥＴ１０２は、そのゲートに入力される高周波信号Ｓ１１に応じて、そのドレインにＰＡ出力Ｓ２２を発生させる。

各電力増幅器１１−１，１１−２には、ＦＥＴ１０２の寄生容量Ｃout１０３とともに同調回路を構成する同調回路部は設けられておらず、リアクタンス１０１とＦＥＴ１０２のドレインとの接続点からＰＡ出力Ｓ２２が出力される。

抵抗９２は、電力増幅器１１−１，１１−２の出力間に接続され、それらの間の不平衡電力を吸収する。

合成トランス９３は、例えばバルントランスであって、電力増幅器１１−１，１１−２の出力側に接続され、これら電力増幅器１１−１，１１−２の出力を合成する。

位相回路１２は、合成トランス９３の出力側に接続され、入力される信号の位相を補正（制御又は調整）する。位相回路１２は、例えば、図３に示すようなリアクタンスＬと一対のコンデンサＣ，Ｃよりなるπ型回路（ここでは、ロー・パス・フィルタ）であって、合成トランス９３により電力増幅器１１−１，１１−２の出力を合成した際に生じる位相回転を打ち消すように（あるいは、合計の位相回転量がλ／２つまりスミスチャート上で一回転となるように）構成される。

同調回路１３は、位相回路１２と電力増幅装置の出力端子との間に接続されている。同調回路１３は、例えば、図４に示すようにリアクタンスＬo４１と、コンデンサＣo４２及びコンデンサＣp４３とからなり、電力増幅器１１−１，１１−２とともにＥ級電力増幅器として動作するのに必要な同調回路部として構成される。

次に、位相回路１２と同調回路１３についてさらに詳細に説明する。

合成トランス９３がバルントランスであり、巻線として同軸ケーブルが使用されている場合、同軸ケーブルの短縮率をｋ、光速をｃ、高周波信号Ｓ１１の周波数をｆとして、同軸ケーブル内の波長Ｍは下記の数１で表される。

また、合成トランス９３の同軸ケーブルの長さをΔＭ、高周波信号Ｓ１１の真空中での波長をλとすると、合成トランス９３は下記の数２で表される位相回転量Λ_１を持つ。

この合成トランス９３による位相回転量Λ_１を位相回路１２で打ち消すためには、合成トランス９３と位相回路１２とにおける位相回転量の合計がλ／２となるようにしなければならない。即ち、位相回路１２における位相回転量Λ_２は、下記の数３で表される。

位相回路１２が、図３に示すようなπ型回路である場合、上記位相回転量Λ_２を実現するためのコンデンサの容量Ｃ及びコイルのリアクタンスＬは、島山鶴雄著、「放送機と発信器の設計と調整」（無線技術普及会）に示されるように、下記の数４により求めることができる。

以上の構成により、合成トランス９３の位相回転量Λ_２は、位相回路１２による位相回転量との合計がλ／２となり打ち消される。その結果、図１のｂ点、ｃ点から負荷側を見たときのインピーダンスは、図１０のａ点から負荷側を見たときのインピーダンスに等しいものとなる。

ただし、合成トランス９３により、合成トランス９３の出力から負荷側を見たインピーダンスは、図１のｂ点、ｃ点から負荷側を見たときのインピーダンスの１／２となる。したがって、位相回路１２の入力から見たインピーダンスが、実数部・虚数部ともに１／２となるように位相回路１２、同調回路１３を設計する。

次に、上述した電力増幅装置の動作について説明する。

入力高周波信号Ｓ１１は２分岐され、電力増幅器１１−１，１１−２に入力される。電力増幅器１１−１，１１−２は、入力高周波信号Ｓ１１を同調させることなく増幅し、増幅された信号を合成トランス９３へ出力する。

合成トランス９３は、電力増幅器１１−１，１１−２から出力される増幅された信号を合成し、合成信号を位相回路１２へ出力する。電力増幅器１１−１，１１−２から出力される増幅された信号間に不平衡電力が存在する場合は、抵抗９２により吸収される。

位相回路１２は、その出力信号が、電力増幅器１１−１，１１−２から出力される信号に対して位相回転量がλ／２又は打ち消し合うように調整する。位相調整された信号は同調回路１３へ供給される。

同調回路１３は、入力された信号に対し同調処理を行う。ここでの同調処理は、電力増幅器１１−１，１１−２との組み合わせによりＥ級電力増幅器として動作することを意味する。

以上のようにして本実施の形態に係る電力増幅装置は、従来と同様のＥ級増幅動作を実現することができる。

本実施の形態に係る電力増幅装置では、電力増幅部（電力増幅器１１−１，１１−２）が２つあるにもかかわらず、同調回路部（同調回路１３）が一つなので、部品点数を削減でき、コストダウンを実現できる。

また、本実施の形態に係る電力増幅装置では、入力される高周波信号の周波数に依存する同調回路が一つなので、周波数変更に伴う調整が容易である。

さらに、本実施の形態に係る電力増幅装置では、同調回路１３に入力される信号の位相が、電力増幅器１１−１，１１−２から出力された位相と実質上一致するように位相調整されるので、合成トランス９３の存在を考慮する必要がなくなり、同調回路１３の設計、調整が容易に行える。

以上、本発明について一実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、図５に示すように、電力増幅器１１が４又はそれ以上であってもよい。この場合、各電力増幅器１１−１〜１１−４から同調回路１３までの信号経路には、それぞれ２つの合成トランス９３−１又は９３−２と９３−３とが含まれることになる。したがって、位相回路１２は、合成トランス２個分の位相回転量（Λ_１×２）を補正するよう構成されなければならない。

また、上記実施の形態ではＥ級電力増幅器として構成する場合について説明したが、本発明は、電力増幅部と負荷との間に同調回路部を必要とするＦ級やＥ／Ｆ級の電力増幅器として構成する電力増幅装置に適用できる。

また、上記実施の形態では、位相回路１２としてπ型回路を一つだけ用いる場合について説明したが、補正量を大きくする場合には、図６に示すように複数個用いるようにしてもよい。また、位相回路１２として、図７に示すようなハイ・パス・フィルタを用いてもよいし、図８に示すようなＴ型回路を用いてもよい。

さらに、上記実施の形態では、合成トランス９３として同軸線を用いたバルントランスを用いる場合について説明したが、他のトランスや配線材を使用することもできる。そのような場合であっても、合成トランスによる位相回転量を計算又は実測にて求めることで、上記実施の形態と同様、位相回路１２による位相補正を可能にできる。

本発明の一実施の形態に係る電力増幅装置の概略構成図である。 図１の電力増幅装置に含まれる電力増幅器の構成を示す回路図である。 図１の電力増幅装置に含まれる位相回路の構成を示す回路図である。 図１の電力増幅装置に含まれる同調回路の構成を示す回路図である。 本発明の電力増幅装置の変形例を示す概略構成図である。 本発明の電力増幅装置に用いられる位相回路の変形例を示す回路図である。 本発明の電力増幅装置に用いられる位相回路の他の変形例を示す回路図である。 本発明の電力増幅装置に用いられる位相回路のさらに他の変形例を示す回路図である。 従来の電力増幅装置の一例を示す概略構成図である。 従来の電力増幅装置に用いられるＥ級電力増幅器の構成を示す回路図である。

符号の説明

１１−１〜１１−４ 電力増幅器
１２ 位相回路
１３ 同調回路
４１ リアクタンス
４２ コンデンサ
４３ コンデンサ
９１−１，９１−２ 電力増幅器
９２、９２−１〜９２−３ 抵抗
９３，９３−１〜９３−３ 合成トランス
１０１ リアクタンス
１０２ ＦＥＴ
１０３ 寄生容量
１０４ リアクタンス
１０５ コンデンサ
１０６ コンデンサ

Claims (4)

1. 入力高周波信号を分岐させた分岐信号がそれぞれ入力される複数の電力増幅器と、該複数の電力増幅器の出力を合成する合成回路とを有する電力増幅装置において、
   前記合成回路は合成トランスを含み、
   前記複数の電力増幅器にそれぞれ含まれるべき同調回路部を集約して同調回路とし、前記合成回路の後段側に配置するとともに、
   前記合成回路と前記同調回路との間に位相回路を設け、
   前記位相回路が前記合成回路によって引き起こされる位相回転を打ち消すように位相制御を行うことを特徴とする電力増幅装置。
2. 請求項１に記載された電力増幅装置において、
   前記電力増幅器がＥ級、Ｆ級又はＥ／Ｆ級電力増幅器であることを特徴とする電力増幅装置。
3. 請求項１又は２に記載された電力増幅装置において、
   前記位相回路が、一又は複数のπ型回路又はＴ型回路からなることを特徴とする電力増幅装置。
4. 入力高周波信号を分岐させた分岐信号を複数の電力増幅器でそれぞれ増幅し、その後合成する電力増幅方法において、
   前記電力増幅器において同調処理することなく増幅を行い、
   前記電力増幅器の出力を合成トランスを含む合成回路により合成したあと前記合成回路によって引き起こされる位相回転を打ち消すように位相調整を行い、
   その後同調処理を行うようにしたことを特徴とする電力増幅方法。

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