JP4611081B2 - 高調波抑制回路及び信号増幅回路 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、宇宙空間に巨大な太陽電池パネルを広げ、発生した電力をマイクロ波で地上に送信するようにした宇宙太陽発電システムに用いられるマイクロ波発生装置に係り、特に、高出力の送信信号の高調波を抑制する高調波抑制及び信号増幅回路に関するものである。

近年、化石燃料の利用による二酸化炭素排出量の増加に伴い、地球温暖化などの環境問題や化石燃料枯渇などのエネルギー問題がクローズアップされている。このためクリーンエネルギーの需要は年々高まっており、それらの問題に対する解決方法の一つとしてＳＳＰＳ（Space Solar Power System）計画が挙げられている。
ＳＳＰＳ計画とは、図５に示すように、巨大な太陽電池パネルを搭載した人口衛星を赤道上空に打ち上げ、太陽光によって発電した電力を太陽電池パネルの中の発信モジュールによりマイクロ波に変換する。そして、マイクロ波１００をマイクロ波送電部１０１から地上に設けた地上受電基地１０２へ送電し、地上において再び電力に変換して利用するという計画である。
これにより太陽発電の欠点である天候や時間帯に左右されること無く、クリーンなエネルギーを安定して供給することができる。この計画の実現のためには、大電力送電、マイクロ波ビーム制御、運用コストの低減などが技術課題として挙げられ、それらを満足させるための様々な技術の一つとして、上記マイクロ波送電部１０１にマイクロ波を高効率で送電するために、プッシュプル増幅器やＦ級動作増幅器を採用することが提案、検討されている。

上記Ｆ級動作増幅器では、例えば、図６に示すように、マッチング回路において、高調波成分用スタブを設けることにより、高調波成分を抑制し、出力の高効率化を図ることが検討されている（例えば、非特許文献１などを参照）。
Yukiko Kobayashi他、「A Circuit Element Reduction Method forClass-F Ultra-High-Efficiency Amplifiers with Reactance-Compensation Circuits」、2002 Asia-Pacific Microwave ConferenceProceedings WEOF18、2002年11月、日本

ところで、上述の宇宙太陽発電システムでは、輸送ロケットの収納スペースに限度があるなどの理由から、アンテナや回路などは高性能を保ちつつ、小型、且つ、簡易な構造であることが必要とされる。
しかしながら、上述したＦ級動作増幅器においては、高調波成分用スタブを各高調波成分に対応してそれぞれ設ける必要があるため、増幅回路が大型化し、アンテナサイズが全体として大きくなってしまう上、システム質量が増加するという問題があった。
また、アレイアンテナなどのように、半導体増幅器の調整スタブの取り付けサイズが制限される場合には、高調波成分を十分抑制することができず、システム効率が低下するとともに、アンテナから不要波が放射される可能性があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、高出力と同時に、高調波抑制による高効率化を図りつつ、回路の簡易化及び小型化を図ることのできる高調波抑制回路及び信号増幅回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、第１の信号が入力される第１のポートと、第１の信号と逆位相の第２の信号が入力される第２のポートと、前記第１の信号と前記第２の信号との合成信号が出力される第３のポートと、前記第１の信号と前記第２の信号との合成信号が出力される第４のポートと、（ｎ＋１／２）λの長さ（ｎは０を含む整数であり、λは基本波の波長である。以下同様）を有するとともに、前記第１のポートと第２のポートとを接続する第１の伝送線路と、（ｎ＋１／４）λの長さを有するとともに、前記第１のポートと前記第３のポートとを接続する第２の伝送線路と、（ｎ＋１／４）λの長さを有するとともに、前記第２のポートと前記第４のポートとを接続する第３の伝送線路と、（ｎ＋１／２）λの長さを有するとともに、前記第３のポートと前記第４のポートとを接続する第４の伝送線路と、一端が前記第１の伝送線路の中間点に接続され、他端が接地されている終端抵抗とを具備する高調波抑制回路を提供する。

上記構成によれば、第１のポートと第２のポートとが第１の伝送線路により接続され、第２のポートと第４のポートとが第３の伝送線路により接続され、第４のポートと第３のポートとが第４の伝送線路により接続され、第３のポートと第１のポートが第２の伝送線路により接続されるので、リング状のループ回路が形成されることとなる。
上記第１のポート及び第２のポートから入力された第１の信号及び第２の信号は、それぞれ右回りと左回りとに分割され、リング状に接続された第１乃至第４の伝送線路上を伝送して、第３のポート及び第４のポートへ到達する。
この場合において、上記第１及び第４の伝送線路は、（ｎ＋１／２）λの長さを有し、第２及び第３の伝送線路は、（ｎ＋１／４）λの長さを有し、また、第１の信号と第２の信号とは逆位相であるので、第１の信号の基本波及び第２の信号の基本波は、第３のポート及び第４のポートに到達するときには、互いに同位相となり、互いに強めあうこととなる。これに対し、第１の信号の２次高調波、及び、第２の信号の２次高調波は、第３のポート及び第４のポートに到達するときには、互いに逆位相となり、互いに弱めあうこととなる。そして、偶数次の高調波については、２次高調波と同様のことが言えるため、偶数次の高調波については、第３のポート及び第４のポートにおいて、弱めあうこととなる。
以上のことから、偶数次の高調波が抑制された信号を第３のポート及び第４のポートから出力することが可能となる。

上記記載の高調波抑制回路において、前記第４の伝送線路の中間点に設けられたショートスタブを更に備えると良い。

上記構成によれば、第４の伝送線路の中間点には、ショートスタブが設けられているため、偶数次の高調波を効率的に取り除くことが可能となる。これにより、第３ポート及び第４ポートから出力される信号に含まれる偶数次の高調波を更に抑制することが可能となる。

また、本発明は、１つの入力端子及び２つの出力端子を備え、前記入力端子から入力された入力信号と同位相の第１の信号を一の前記出力端子から出力するとともに、前記第１の信号と逆位相の第２の信号を他の前記出力端子から出力する電力分配器と、前記第１の信号が入力され、この信号を増幅した第３の信号を出力する第１の増幅手段及び、前記第２の信号が入力され、この信号を増幅した第４の信号を出力する第２の増幅手段を備えるプッシュプル回路と、前記プッシュプル回路の出力側に設けられた高調波抑制回路とを備え、前記高調波抑制回路は、前記第３の信号が入力される第１のポートと、前記第４の信号が入力される第２のポートと、前記第３の信号と前記第４の信号との合成信号が出力される第３のポートと、前記第３の信号と前記第４の信号との合成信号が出力される第４のポートと、（ｎ＋１／２）λの長さ（ｎは０を含む整数であり、λは基本波の波長である。以下同様）を有するとともに、前記第１のポートと第２のポートとを接続する第１の伝送線路と、（ｎ＋１／４）λの長さを有するとともに、前記第１のポートと前記第３のポートとを接続する第２の伝送線路と、（ｎ＋１／４）λの長さを有するとともに、前記第２のポートと前記第４のポートとを接続する第３の伝送線路と、（ｎ＋１／２）λの長さを有するとともに、前記第３のポートと前記第４のポートとを接続する第４の伝送線路と、一端が前記第１の伝送線路の中間点に接続され、他端が接地されている終端抵抗とを備える信号増幅回路を提供する。

上記構成によれば、移相器から出力される第１の信号と第２の信号とを増幅する増幅回路として、プッシュプル回路を採用することにより、装置の小型化及び高効率化を図ることが可能となる。
また、第１のポートと第２のポートとからなる２つの入力端子を備えるとともに、上記伝送線路長を有する第１乃至第４の伝送線路を備えるリング状のループ回路である高調波抑制回路をプッシュプル回路の後段に接続することにより、プッシュプル回路から出力される信号に含まれている偶数次の高調波成分を小型な回路により、効率よく抑制することが可能となる。

本発明の高調波抑制回路によれば、高調波抑制の高効率化を図りつつ、回路の簡易化及び小型化を図ることができるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る信号増幅回路をＳＳＰＳに適用する場合の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る信号増幅回路の概略構成を示したブロック図である。本実施形態に係る信号増幅回路は、図示しないマイクロ波発生器から出力されたマイクロ波を増幅するとともに、高調波成分を抑制して出力するものであり、図１に示すように、ラットレースリング（電力分配器）１と、プッシュプル回路２と、高調波抑制回路３とを備えて構成されている。

ラットレースリング１は、例えば、図２に示されるように、４つのポート１１乃至１４と、４つの伝送線路２１乃至２４とを備えて構成されている。上記ポート１１とポート１２とは、４分の１波長の長さを有する伝送線路２１により接続されている。ポート１２とポート１３とは、４分の１波長の長さを有する伝送線路２２により接続されている。ポート１３とポート１４とは、４分の３波長の長さを有する伝送線路２３により接続されている。ポート１４とポート１１とは、４分の１波長の長さを有する伝送線路２４により接続されている。

そして、本実施形態においては、このように構成されるラットレースリングにおいて、図１に示されるように、マイクロ波発生器（図示略）から出力されたマイクロ波が入力される入力端子として、ポート１３を選択し、出力端子としてポート１４とポート１２とを選択している。これにより、ポート１４とポート１２の出力は、互いに逆位相となる。なお、本実施形態においては、ポート１１については使用しない。

上記ラットレースリング１の出力端子であるポート１４及びポート１２から出力されたそれぞれの信号は、後段に設けられたプッシュプル回路２に入力される。
プッシュプル回路２は、２つの増幅器３１及び３２を備えている。増幅器３１の入力端子４１は、上述のラットレースリング１の出力ポート１４に接続されている。一方、増幅器３２の入力端子４２は、ラットレースリング１の出力ポート１２に接続されている。増幅器３１は、入力端子４１から入力された信号を増幅し、出力端子４３から出力する。増幅器３２は、入力端子４２から入力された、入力端子４１からの入力信号と逆位相の信号を増幅し、出力端子４４から出力する。

このようにして、プッシュプル回路２から出力されたそれぞれ逆位相の信号は、後段に設けられた高調波抑制回路３に入力される。
高調波抑制回路３は、図３に示されるように、リング状のループ回路であり、第１のポート５１、第２のポート５２、第３のポート５３、第４のポート５４を備えている。第１のポート５１は、図１に示されるように、上述のプッシュプル回路２が備える増幅器３１の出力端子４３に接続されている。第２のポート５２は、上述のプッシュプル回路２が備える増幅器３２の出力端子４４に接続されている。また、第３のポート５３及び第４のポート５４は、それぞれ第１のポート及び第２のポートから入力された信号を合成した合成信号を、互いに逆位相で出力する出力端子として用いられる。

図３に戻り、上記第１のポート５１と第２のポート５２とは、２分の１波長の長さを有する伝送線路（第１の伝送線路）６１により接続されている。第１のポート５１と第３のポート５３とは、４分の１波長の長さを有する伝送線路（第２の伝送線路）６２により接続されている。第２のポート５２と第４のポート５４とは、４分の１波長の長さを有する伝送線路（第３の伝送線路）６３により接続されている。第３のポート５３と第４のポート５４とは、２分の１波長の長さを有する伝送線路（第４の伝送線路）６４により接続されている。上述の伝送線路６１の中間点には、終端抵抗７０が設けられている。この終端抵抗７０は、コンデンサと抵抗によって構成されている。例えば、コンデンサには１ｐＦのものが用いられ、抵抗には、４７Ωのものが用いられる。
一方、伝送線路６４の中間点、つまり、第３のポート５３及び第４のポート５４からそれぞれ４分の１波長の距離、離れた位置には、ショートスタブ８０が設けられている。このショートスタブ８０は、偶数次の高調波を効率よく抑制するためのものである。

そして、上述した高調波抑制回路３の後段には、図４に示すように、オープンスタブ群４が設けられている。このオープンスタブ群４は、上記第３のポート５３及び第４のポート５４の出力側にそれぞれ設けられている。各オープンスタブ群４は、３、５、７次等の各奇数次の高調波成分の抑制に対応する複数のオープンスタブを備えて構成されている。
これらオープンスタブ群４の出力側には、例えば、アクティブ集積アンテナを構成する目的でアンテナアレイ５が設けられている。このアンテナアレイ５は、各オープンスタブ群４の出力端子９１、９２から出力される逆位相の信号を同位相に揃えるべく、Ｅ面逆相配列されている。

次に、上述した構成を備えるマイクロ波増幅回路の作用について説明する。
まず、図示しないマイクロ波発振器から出力されるマイクロ波は、図１に示すラットレースリング１のポート１３に入力される。このマイクロ波は、右回りと左回りとに分割され、４分の３波長の長さの伝送路線を経由してポート１４に到達するとともに、４分の１波長の長さの伝送路線を経由してポート１２に到達する。これにより、ポート１４に現れる信号と、ポート１２に現れる信号とは、逆位相の信号となる。

ラットレースリング１のポート１４から出力される信号は、プッシュプル回路２が備える増幅器３１の入力端子４１に入力され、増幅器３１により増幅されて、出力端子４３から後段の高調波抑制回路３へ出力される。
同様に、ラットレースリング１のポート１２から出力される信号は、プッシュプル回路２が備える増幅器３２の入力端子４２に入力され、増幅器３２により増幅されて、出力端子４４から後段の高調波抑制回路３へ出力される。

これにより、高調波抑制回路３の第１のポート５１には、出力端子４３から出力された信号（以下「第１の信号」という。）が入力され、第２のポート５２には、出力端子４４から出力された信号（以下「第２の信号」という。）が入力される。ここで、上記第１の信号と第２の信号は、振幅及び波長が同一であり、逆位相の信号である。

第１のポート５１に入力された第１の信号は、第１のポート５１において右回りと左回りとに分割され、第３のポート及び第４のポートへ到達する。同様に、第２のポート５２に入力された第１の信号と逆位相の第２の信号は、第２のポート５２において、右回りと左回りとに分割され、第３のポート及び第４のポートへ到達する。

このとき、伝送線路６１及び６４は、１／２λの長さを有し、伝送線路６２及び６３は、１／４λの長さを有するので、第１のポート及び第２のポートからそれぞれ入力された互いに逆位相の第１の信号及び第２の信号の基本波は、第３のポート及び第４のポートに到達するときには、互いに同位相となる。これにより、第３のポート及び第４のポートにおいて、第１の信号及び第２の信号の基本波は、互いに強めあうこととなる。

これに対し、第１のポートから入力された第１の信号の２次高調波、及び、第２のポートから入力された第２の信号の２次高調波は、第３のポート及び第４のポートに到達するときには、互いに波長が逆位相となり、互いに弱めあうこととなる。

そして、４次、６次などの他の偶数次の高調波についても、上記２次高調波と同様のことが言えるため、第１及び第２の信号における偶数次の高調波については、第３のポート及び第４のポートにおいて、互いに弱めあうこととなる。

以上のことから、偶数次の高調波成分が抑制された第１の信号及び第２の信号の合成信号が、第３のポート５３及び第４のポート５４からそれぞれ出力されることとなる。
なお、上記第３のポート５３及び第４のポート５４からそれぞれ出力される合成信号の位相差は、依然として１８０°である。

そして、上述した高調波抑制回路３の第３のポート５３及び第４のポート５４から出力された信号は、図４に示されるように、各オープンスタブ群４にそれぞれ入力される。これにより、上記第３のポート５３及び第４のポート５４から出力された信号において基本波を除く奇数次の高調波成分が抑制される。
この結果、偶数次及び奇数次の高調波成分が抑制された逆位相の信号が、各オープンスタブ群４の出力端子である９１、９２から出力され、これら信号が例えばアクティブ集積アンテナを構成する場合のアンテナアレイ５に入力される。アンテナアレイ５に入力された逆位相の信号は、Ｅ面逆相配列されたアンテナアレイ５によりその位相が同一位相に揃えられて、図５に示すように、このアンテナアレイ５から地上に設置された地上受電基地１０２に対して送電されることとなる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る高調波抑制回路３によれば、この回路により、入力信号の偶数次の高調波成分を抑制することが可能となるため、全ての高調波成分に対応してスタブを設置する場合に比べ、回路全体を小型化することが可能となる。これにより、小さな回路により効率よく高調波成分を抑制することができる。
また、ラットレースリング１から出力される信号を増幅する増幅回路として、プッシュプル回路を採用することにより、装置の更なる小型化及び高効率化を図ることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
第１に、上述した伝送線路の線路長は、一例であり、２分の１波長の長さを有する伝送線路は、例えば、（ｎ＋１／２）λの長さ（ｎは０を含む整数であり、λは基本波の波長である。）であればよく、同様に、４分の１波長の長さを有する伝送線路は、例えば、（ｎ＋１／４）λの長さ（ｎは０を含む整数であり、λは基本波の波長である。）であれば良い。

本発明の一実施形態に係る信号増幅回路の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係るラットレースリングの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る高調波抑制回路の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係るオープンスタブ群とアンテナアレイの概略を示す図である。 宇宙太陽発電システムについて示した説明図である。 従来のＦ級動作増幅器のマッチング回路に設けられる高調波成分用スタブについて示した説明図である。

符号の説明

１ ラットレースリング
２ プッシュプル回路
３ 高調波抑制回路
４ オープンスタブ群
５ アレイアンテナ
５１ 第１のポート
５２ 第２のポート
５３ 第３のポート
５４ 第４のポート
６１、６２、６３、６４ 伝送線路
３１、３２ 増幅器

Claims (3)

1. 第１の信号が入力される第１のポートと、
   第１の信号と逆位相の第２の信号が入力される第２のポートと、
   前記第１の信号と前記第２の信号との合成信号が出力される第３のポートと、
   前記第１の信号と前記第２の信号との合成信号が出力される第４のポートと、
   （ｎ＋１／２）λの長さ（ｎは０を含む整数であり、λは基本波の波長である。以下同様）を有するとともに、前記第１のポートと第２のポートとを接続する第１の伝送線路と、
   （ｎ＋１／４）λの長さを有するとともに、前記第１のポートと前記第３のポートとを接続する第２の伝送線路と、
   （ｎ＋１／４）λの長さを有するとともに、前記第２のポートと前記第４のポートとを接続する第３の伝送線路と、
   （ｎ＋１／２）λの長さを有するとともに、前記第３のポートと前記第４のポートとを接続する第４の伝送線路と、
   一端が前記第１の伝送線路の中間点に接続され、他端が接地されている終端抵抗と
   を具備する高調波抑制回路。
2. 前記第４の伝送線路の中間点に設けられたショートスタブを更に備える請求項１に記載の高調波抑制回路。
3. １つの入力端子及び２つの出力端子を備え、前記入力端子から入力された入力信号と同位相の第１の信号を一の前記出力端子から出力するとともに、前記第１の信号と逆位相の第２の信号を他の前記出力端子から出力する電力分配器と、
   前記第１の信号が入力され、この信号を増幅した第３の信号を出力する第１の増幅手段及び、前記第２の信号が入力され、この信号を増幅した第４の信号を出力する第２の増幅手段を備えるプッシュプル回路と、
   前記プッシュプル回路の出力側に設けられた高調波抑制回路と
   を備え、
   前記高調波抑制回路は、
   前記第３の信号が入力される第１のポートと、
   前記第４の信号が入力される第２のポートと、
   前記第３の信号と前記第４の信号との合成信号が出力される第３のポートと、
   前記第３の信号と前記第４の信号との合成信号が出力される第４のポートと、
   （ｎ＋１／２）λの長さ（ｎは０を含む整数であり、λは基本波の波長である。以下同様）を有するとともに、前記第１のポートと第２のポートとを接続する第１の伝送線路と、
   （ｎ＋１／４）λの長さを有するとともに、前記第１のポートと前記第３のポートとを接続する第２の伝送線路と、
   （ｎ＋１／４）λの長さを有するとともに、前記第２のポートと前記第４のポートとを接続する第３の伝送線路と、
   （ｎ＋１／２）λの長さを有するとともに、前記第３のポートと前記第４のポートとを接続する第４の伝送線路と、
   一端が前記第１の伝送線路の中間点に接続され、他端が接地されている終端抵抗と
   を具備する信号増幅回路。

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