JP4732204B2

JP4732204B2 - 増幅回路

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Publication number: JP4732204B2
Application number: JP2006076666A
Authority: JP
Inventors: 正浩葛西; 宏之三浦; 敬横山; 長明吉田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: JP2007258777A

Description

本発明は、増幅器を使用して電気信号を増幅する増幅回路に関し、特に高周波信号を増幅する増幅器の制御に関する。より詳しくは、自動車、航空機や船舶に搭載され、又は陸上に設置されてパルス状のレーダ波を放射し、ターゲットで反射した反射波を捉えて対象物との相対距離及び相対速度を求めるパルスレーダ装置やパルス圧縮レーダ装置において、送信レーダ波の増幅のために用いられる増幅器の制御に関する。

現在レーダとして用いられているものの多くはパルスレーダである。一般にパルスレーダは距離の遠いターゲットを検出し、ターゲットまでの距離を測定することができる。図１は、従来のパルスレーダ装置１におけるパルスレーダ送信機２の概略構成を示すブロック図である。
パルスレーダ送信機２は、発振器１１において高周波信号（ＣＷ）を発生させ、この高周波信号をスイッチ２２へ入力し、駆動部３に設けられた制御回路３３が所望のパルス幅に対応する間隔でスイッチ２２を開閉することによって、連続する高周波信号をパルス状のパルス信号に成形する。

成形されたパルス信号は、アンテナ１４によって送出される前に、直列に多段接続された複数の増幅器４０ａ〜４０ｎによって増幅される。このとき、各増幅器４０ａ〜４０ｎには、パルス部分を入力している期間（すなわち入力信号に信号レベルがある期間）の間だけ電源が供給され、パルス部分とパルス部分の間の信号レベルがない期間には各増幅器４０ａ〜４０ｎへの電源の供給を停止し、これら増幅器４０ａ〜４０ｎを停止させることによって消費電力を節約している。
このため各増幅器４０ａ〜４０ｎにそれぞれ電源を供給するドライバ回路３１ａ〜３１ｎは、各増幅器がパルス部分を入力する期間に前後に１００ｎｓ程度のマージンを持たせた期間だけ、安定化電源回路９０から供給される電源電圧を各増幅器４０ａ〜４０ｎに供給する。この様子を図２に示す。なお以下の説明において、各増幅器４０ａ〜４０ｎを総称する場合には増幅器４０と記すことがあり、ドライバ回路３１ａ〜３１ｎを総称する場合にはドライバ回路３１と記すことがある。

図２は、スイッチ２２の開閉並びに増幅器４０ａ〜４０ｎへの電源供給及び停止（オンオフ動作）によるパルス成形の様子の説明図である。図示の信号ａ及び信号ｂは、図１のａ部分及びｂ部分に現れる信号であり、それぞれスイッチ２２を開閉する制御回路３３からの制御信号、及びドライバ回路３１ａ〜３１ｎによる増幅器４０ａ〜４０ｎへの電源供給を開始及び停止する制御回路３３からの制御信号を示す。
また、図２に示す信号Ａ及び信号Ｂは図１のＡ部分及びＢ部分に現れる信号であり、それぞれ高周波の連続波をスイッチ２２によりパルス成形した信号、及びパルス成形された信号を増幅器４０によって増幅した後の信号を示す。

図示する通り、制御回路３３からの制御信号ａにより、スイッチ２２は所定の繰り返し周期Ｔで所望のパルス幅Ｗの間だけ閉じ、その他の期間において開放される。これによってスイッチ２２は発振器１１で発生した高周波信号を信号Ａに示すようなパルス状に成形する。
一方で、制御回路３３からの制御信号ｂによって、ドライバ回路３１は、成形されたパルス信号に同期するタイミングで、かつこのパルス信号の前後に所定のマージンを持たせた時間だけ増幅器４０へ電源を供給することによって、成形されたパルス信号を信号Ｂに示すような所定の送信電力値Ｐの信号に増幅する。

また、パルスレーダ送信機２では、パルスレーダの方式及び用途によって、送信するパルス信号の種類を切り替える。例えば測定範囲を広げ遠距離までパルス信号を送出する必要がある場合には大きい出力電力のパルス信号を用い、また測定範囲が狭くパルス信号の送出距離が近距離までで足りる場合には小さい出力電力のパルス信号を用いる。
また、高い分解能を必要とする場合にはパルス幅が短いパルス信号を用い、そうでない場合にはパルス幅が長いパルス信号を用いる。

したがって、パルスレーダ送信機２が送信するパルス信号を分類すると、高出力及び長パルスのパルス信号と、高出力及び短パルスのパルス信号と、低出力及び長パルスのパルス信号と、低出力及び短パルスのパルス信号とに分類される。
この分類分けを図３に示す。送信機２を、それぞれ第１モードで使用する場合には高出力及び長パルスのパルス信号が、第２モードで使用する場合には高出力及び短パルスのパルス信号が、それぞれ第３モードで使用する場合には低出力及び長パルスのパルス信号が、第４モードで使用する場合には低出力及び短パルスのパルス信号が送信される。

送信パルス信号のパルス幅Ｗの長短の切り換えは、制御回路３３が、スイッチ２２を開閉する制御信号ａ、及び増幅器４０ａ〜４０ｎへの電源の供給及び停止を制御する制御信号ｂの、各々パルス幅を変更することによって行う。
送信パルス信号の出力電力の切り換えは、図１に示す可変減衰器２１により行う。制御回路３３は、可変減衰器２１の減衰量を調整することによって発振器１１で発生した高周波信号を所定量だけ減衰させることによって、所定の信号レベルに調整する。

特開２００２−２４６８５９号公報特開平３−１０４４０８号公報

従来のパルスレーダ送信機では、パルスレーダ送信機２がレーダ波を高出力で送信するか低出力で送信するかによって増幅器４０の動作領域が変わるという問題がある。
図４に一般的な増幅器の入出力電力特性を示す。一般にレーダ装置では、出力電力を安定化させかつ増幅器の増幅効率を高めるために、増幅器を飽和領域Ａ１（非線形動作領域）で使用する場合が多い。しかし、上記の通り送信信号の出力電力の切り換えを増幅器の前段の減衰器２１で行うと、低出力時に入力レベルが低下して増幅器が線形領域Ａ２内で動作する。

このため、まず低出力時においてパルス高さの変動が大きくなるという問題がある。この様子を図５の（Ａ）及び図５の（Ｂ）を参照して説明する。すなわち高出力時においては増幅器が飽和領域で動作しているため、発振器１１の出力レベルの変動や増幅器自体の温度変動による出力波形への影響が緩和されるが、低出力時には線形領域で動作するためこのようなパルス高さの変動が大きくなる。

またレーダ装置の装置特性を変えないためには、送信パルスの位相変動を抑えることが望ましい。しかし従来のパルスレータ送信機では、高出力時と低出力時で増幅器の動作領域が異なることにより、増幅器による位相ずれ量に差が生じ位相変動が生じていた。
さらに、高出力時は飽和動作のため効率が高いが、低出力時は線形動作のため効率が低下するといった問題があった。

増幅器の動作領域を変えず送信信号の出力を切り替えるために、増幅器の後段に可変減衰器を設ける手法も考えられるが、この場合高出力型の可変減衰器が必要となる。また減衰器自体の電力損失が大きいので高出力モードにおける送信信号の出力電力を確保するために更に高出力の増幅器が必要となる。このため増幅器の後段に可変減衰器を設ける手法は技術的ハードルが高く装置のコスト増を招く。

上記問題点に鑑み、本発明は、増幅器を有する増幅回路において、増幅器の入力電力を変えることなく増幅回路の出力電力を制御し、かつこの出力電力の調整範囲を拡大することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、複数の増幅器を並列接続して増幅回路を構成し、並列接続されたこれら増幅器のうちのいずれかを停止させて増幅回路の出力電力を低減する。このため増幅回路へ入力する入力電力を変えることなく出力電力を変化させることが可能となる。
このとき、残りの動作中の増幅器の直流バイアス点を可変制御することによって、増幅回路の出力電力をさらに低減する。例えば増幅器の直流バイアス点を変えることにより、Ａ級動作していた増幅器をＡＢ級動作させることにより増幅器の出力電力を低減することが可能である。

すなわち本発明による増幅回路は、並列接続された複数の増幅器と、並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを停止させる増幅器停止部と、この増幅器停止部が並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを停止させるときに残りの他の増幅器の直流バイアス点を可変制御する直流バイアス制御部と、を備えて構成される。
例えば直流バイアス制御部は、Ａ級動作している並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかが増幅器停止部によって停止させられるとき、残りの増幅器にＡＢ級動作させることによって、残りの増幅器の出力電力を低減させてもよい。このような動作により、増幅回路の出力電力の調整幅をさらに拡げることが可能となる。

そして、増幅器停止部は、増幅回路から出力すべき所望の出力電力に応じて、並列接続された複数の増幅器のうち停止させる増幅器の数を増減する。
さらに、増幅器停止部は、増幅回路の入力信号の信号レベルがない期間に、前記並列接続された複数の増幅器を停止させてもよい。このように増幅器を間欠動作させることによって消費電力を節約する。

増幅回路は、増幅器へ供給する電源電圧を可変制御する電圧制御部をさらに備えてもよい。この電圧制御部によって、増幅器停止部が並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを停止させるとき、残りの他の増幅器に供給する電源電圧を低減することによって、増幅回路の出力電力の調整幅をさらに拡げることが可能となる。

電圧制御部を増幅器停止部として使用してもよい。このとき電圧制御部は、並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかに対して電源の供給を停止することによって増幅器を停止させる。
電圧制御部は、並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを停止させるとき、残りの他の増幅器に供給する電源電圧を低減してもよい。またこのとき、直流バイアス制御部によって、残りの前記増幅器にＡＢ級動作させてもよい。

直流バイアス制御部は、直流バイアス点を複数のバイアス点の間で切替制御してもよく、または無段階に直流バイアス点を調整してもよい。電圧制御部もまた、増幅器へ供給する電源電圧を複数の電圧値の間で切替制御してもよく、または無段階に電源電圧を調整してもよい。

本発明により、増幅器を有する増幅回路において、増幅器の入力電力を変えることなく増幅回路の出力電力を制御し、かつこの出力電力の調整範囲を拡大することが可能となる。
このため、例えば上記パルスレーダ送信機の送信レーダ波の増幅に使用すれば、増幅器を飽和領域で動作させたまま増幅器の出力電圧を可変制御することが可能となり、増幅器の動作領域の変化に起因する上述の問題が解消される。

以下、添付する添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図６は、本発明の実施例による増幅回路の概略構成例を示すブロック図である。増幅回路１０は、例えば図１に示すようなパルスレーダ送信機１のパルスレーダ波を増幅する多段増幅器４０ａ〜４０ｎの各段の増幅器に好適に利用される増幅回路である。以下本明細書において、増幅回路１０は、図１に示すパルスレーダ送信機１の多段増幅器４０ａ〜４０ｎの１つの段の増幅器に使用されるものとして説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、電気信号（特に高周波信号）を増幅する増幅回路に広く利用可能である。

図６に示すように、増幅回路１０は、入力端子Ｔｉｎに入力された高周波信号を増幅器４０ｍ及び４０ｎで増幅して出力端子Ｔｏｕｔから出力する高周波回路部４と、高周波回路部４の増幅器４０ｍ及び４０ｎを駆動する増幅器駆動回路３と、増幅器４０ｍ及び４０ｎの駆動に必要な電源を供給する安定化電源回路９とを備える。
高周波回路部４は、高周波信号増幅用の増幅器４０ｍ及び４０ｎと、入力信号を増幅器４０ｍ及び４０ｎの各々に分配する分配器として動作する３ｄｂ方向性結合器（９０度ハイブリッド結合器）４１と、増幅器４０ｍ及び４０ｎの各々から出力された増幅信号を合成する合成器として動作する３ｄｂ方向性結合器４２とを備えて構成され、増幅器４０ｍ及び４０ｎは入出力端子Ｔｉｎ、Ｔｏｕｔに対して並列に接続される。

信号分配用の３ｄｂ方向性結合器４１の入力側の２つの端子４１ａ及び４１ｂのうち一方（端子４１ａ）に信号が入力され、他方（端子４２ｂ）には反射防止用の終端器４３が設けられる。そして、出力側の一方の端子４１ｃからの出力信号、及びこの信号に対して９０度位相が遅れた信号を出力する端子４１ｄからの出力信号を、２つの増幅器４０ｍ及び４０ｎのうちの一方（図の構成例では増幅器４０ｍ）及び他方（図の構成例では増幅器４０ｎ）にそれぞれ出力する。

増幅器４０ｍ及び４０ｎで各々増幅された信号は、信号合成用の３ｄｂ方向性結合器４２に入力されてここで合成される。３ｄｂ方向性結合器４２において出力側の２つの端子４２ａ及び４２ｂの一方（端子４２ａ）から信号を取り出し、他方（端子４２ｂ）には反射防止用の終端器４４が設けられる。
ここで入力側の一方の端子４２ｃ、及び端子４２ｃに入力された信号に対して９０度位相が遅れて入力信号が合成される他方の端子４２ｄへ、２つの増幅器４０ｍ及び４０ｎのうちの上記他方（図の構成例では増幅器４０ｎ）及び一方（図の構成例では増幅器４０ｍ）の出力信号をそれぞれ入力する。
このように構成することによって、分配用の３ｄｂ方向性結合器４１によって９０度位相が遅れた信号が供給された上記他方の増幅器（図の構成例では増幅器４０ｎ）の出力信号に、上記一方の増幅器（図の構成例では増幅器４０ｍ）からの出力信号が、９０度位相を遅らせて合成用の３ｄｂ方向性結合器４２にて合成され、２つの増幅器の４０ｍ及び４０ｎにより増幅された信号が同相で合成される。

なお本実施例では、並列接続される増幅器４０ｍ及び４０ｎの入力端及び出力端に、アイソレータ４５〜４８を設けた。これらアイソレータを設けることによって、後述するように増幅器４０ｍ及び４０ｎのうちの一方の電源供給を停止しても、そのインピーダンス変化の影響が増幅回路１０や送信機２の他の部分へ及ぶことを防止する。

図７は、図６に示す増幅器４０ｍ及び４０ｎの概略構成例を示すブロック図である。図示するとおり増幅器４０ｍ及び４０ｎは、増幅素子としての電界効果トランジスタＱ４１を備える。電界効果トランジスタＱ４１のゲート端子には、トランジスタＱ４１により増幅される高周波（無線周波数）の入力信号が直流成分除去用のキャパシタＣ４１を経由して入力される。この入力信号には、チョークインダクタＬ４１を介してゲートバイアス電圧Ｖ_GSが加えられ、ゲートバイアス電圧Ｖ_GSによって入力信号のバイアス点が決定される。

一方でソース端子は接地され、ドレイン端子にはチョークインダクタＬ４２を介して電源電圧Ｖ_DSが印加される。そして、ドレインソース間電圧Ｖ_dからキャパシタＣ４２によって直流成分を除去した増幅信号を出力信号として取り出す。
ここで電源電圧Ｖ_DSは、ドレイン端子から取り出される増幅信号の直流成分を与え、増幅信号は電源電圧Ｖ_DSを中心として振動する交流信号（高周波信号）となるため、電圧Ｖ_DSは「ドレインバイアス電圧」と呼ばれ、本明細書でもこの名称を使用する。

再び図６を参照する。安定化電源回路９は、増幅器４０ｍ及び４０ｎ各々の電界効果トランジスタＱ４１に負の電圧のゲートバイアス電圧Ｖ_GSを供給するゲートバイアス用電源回路９１と、電界効果トランジスタＱ４１に正の電圧のドレインバイアス電圧Ｖ_DSを供給するドレインバイアス用電源回路９２を備える。

図８は、各動作モードにおける増幅回路１０の各部の動作を示す表である。増幅回路１０は少なくとも２つの動作モード、すなわち、増幅信号を高電力で出力する高出力モードと、増幅信号を低電力で出力する低出力モードとを有する。
増幅回路１０は、高出力モードでは２つの増幅器４０ｍ及び４０ｎを動作させ、低出力モードでは２つの増幅器４０ｍ及び４０ｎのうちの一方である増幅器４０ｍを停止させることにより、高出力モードと低出力モードとの間で出力電力に差を設ける。
さらに、高出力モードでは２つの増幅器４０ｍ及び４０ｎに供給するドレインバイアス電圧を所定の定格値Ｖｄ１とする一方で、低出力モードでは増幅器４０ｎに供給するドレインバイアス電圧を定格値より低いＶｄ２（但し定格値Ｖｄ１の５０％以上とする）とする。
増幅器４０ｍ、４０ｎを飽和領域で使用する場合には出力信号の振幅はドレインバイアス電圧の約２倍であり、ドレインバイアス電圧を下げることによって出力電力も低減するので、上述の通り低出力モードにおいて増幅器４０ｎに供給するドレインバイアス電圧を低減することによって高出力モードと低出力モードとの間の出力電力差を拡げる。

このために増幅器駆動回路３は、ドレインバイアス用電源回路９２から増幅器４０ｍへ供給されるドレインバイアス電圧Ｖ_DS1を変更する第１のドレインバイアス変更回路５０と、ドレインバイアス用電源回路９２から増幅器４０ｎへ供給されるドレインバイアス電圧Ｖ_DS2を変更する第２のドレインバイアス変更回路６０とを備える。
また増幅器駆動回路３は、図１に示すようなレーダ装置１の操作部（図示せず）などから指示される動作モード信号に応答して、指示された動作モードに対応するドレインバイアス電圧Ｖ_DS1を指示する第１のドレインバイアス指示信号（図示ｃ）を生成して第１のドレインバイアス変更回路５０に出力し、指示された動作モードに対応するドレインバイアス電圧Ｖ_DS2を指示する第２のドレインバイアス指示信号（図示ｄ及びｅ）を生成して第２のドレインバイアス変更回路６０に出力する制御回路３２を備える。

第１のドレインバイアス変更回路５０は、第１のドレインバイアス指示信号ｃに従って増幅器４０ｍに供給するドレインバイアス電圧Ｖ_DS1を可変制御し、高出力モード時には定格Ｖｄ１のドレインバイアス電圧Ｖ_DS1を増幅器４０ｍに出力する一方で、低出力モード時にはドレインバイアス電圧Ｖ_DS1を０にして増幅器４０ｍを停止する。
第２のドレインバイアス変更回路６０は、増幅器４０ｎに供給するドレインバイアス電圧Ｖ_DS2を可変制御し、高出力モード時には定格Ｖｄ１のドレインバイアス電圧Ｖ_DS2を増幅器４０ｎに出力し、低出力モード時には低電圧Ｖｄ２のドレインバイアス電圧Ｖ_DS2を増幅器４０ｎに出力する。

したがって、制御回路３２及び第１のドレインバイアス変更回路５０は本願の特許請求の範囲に係る電圧制御部を成し、制御回路３２及び第２のドレインバイアス変更回路６０もまた本願の特許請求の範囲に係る電圧制御部を成す。また制御回路３２及び第１のドレインバイアス変更回路５０は本願の特許請求の範囲に係る増幅器停止部を成す。

図９は、図６に示す第１のドレインバイアス変更回路５０の概略構成例を示すブロック図である。第１のドレインバイアス変更回路５０は、ドレインバイアス用電源回路９２と増幅器４０ｍのドレイン端子との間を開閉するＭＯＳ型電界効果トランジスタＱ５１と、図６に示した制御回路３２からの制御信号ｃに従ってトランジスタＱ５１を駆動するドライバＩＣ５２と、ドレインバイアス用電源回路９２から供給される電源電圧を平滑するための平滑用コンデンサＣ５１と、出力するドレインバイアス電圧Ｖ_DS1を所定の電圧値Ｖｄ１に調整するための抵抗Ｒ５１及びＲ５２とを備えて構成される。
本構成によって、第１のドレインバイアス変更回路５０は、制御回路３２からの制御信号ｃが高出力モード及び低出力モードのいずれかを示すかに応じて、出力するドレインバイアス電圧Ｖ_DS1を定格値Ｖｄ１又は０のいずれかに切り替える。

図１０は、図６に示す第２のドレインバイアス変更回路６０の概略構成例を示すブロック図である。
第２のドレインバイアス変更回路６０は、ドレインバイアス用電源回路９２と増幅器４０ｎのドレイン端子との間を開閉する第１のＭＯＳ型電界効果トランジスタＱ６１と第２のＭＯＳ型電界効果トランジスタＱ６２とを備え、第１のトランジスタＱ６１及びこれに直列接続されるドレインバイアス電圧調整用抵抗Ｒ６１と、第２のトランジスタＱ６２及びこれに直列接続されるドレインバイアス電圧調整用抵抗Ｒ６２と、が並列接続される。

また、第２のドレインバイアス変更回路６０は、図６に示した制御回路３２からの制御信号ｄに従ってトランジスタＱ６１を駆動するドライバＩＣ６１と、制御回路３２からの制御信号ｅに従ってトランジスタＱ６２を駆動するドライバＩＣ６２と、ドレインバイアス用電源回路９２から供給される電源電圧を平滑するための平滑用コンデンサＣ６１及びＣ６２と、出力するドレインバイアス電圧Ｖ_DS2を調整するための抵抗Ｒ６３を備えて構成される。

ここで、ドレインバイアス電圧調整用抵抗Ｒ６１とＲ６２とで抵抗値を変えれば、トランジスタＱ６１及びＱ６２のいずれを駆動するかによって、出力するドレインバイアス電圧Ｖ_DS2を切り替えることが可能になる。本構成により第２のドレインバイアス変更回路６０は、制御回路３２からの制御信号ｄ及びｅが高出力モード及び低出力モードのいずれかを示すかに応じて、出力するドレインバイアス電圧Ｖ_DS2を定格値Ｖｄ１及び低電圧のＶｄ２のいずれかに切り替える。図１１を参照してドレインバイアス電圧Ｖ_DS1及びＶ_DS2を可変制御する制御回路３２による制御信号ｃ、ｄ及びｅの例を説明する。

図１１は、図６に示す増幅回路１０の各部ａ〜ｆにおける信号と、各ゲートバイアス電圧Ｖ_GS1、Ｖ_GS2及びドレインバイアス電圧Ｖ_DS1、Ｖ_DS2を示すタイムチャートである。ここで信号ａは、高周波回路部４に入力される高周波信号であり、増幅回路１０がパルスレーダ送信機のレーダ波の増幅に使用される場合には、入力信号ａは図示するとおりのパルス成形された高周波信号となる。
信号ｂは、信号ａのパルス成形に使用されたタイミング信号である。例えば図１に示すように、高周波の連続波を入力するスイッチ２２を、信号ｂがＨである時間幅Ｗの期間だけ閉じることによって、パルス幅Ｗのパルス信号である信号ａが得られる。

制御回路３２は、パルス成形に使用されたタイミング信号ｂをスイッチ２２のようなパルス成形手段（図示せず）から入力して、この信号のタイミングと同期して、かつこのタイミング信号により成形されるパルス信号の前後に１００ｎｓ程度のマージンを持たせた幅のパルスを含む制御信号ｃ並びにｄ及びｅを生成し、これらをドレインバイアス変更回路５０並びに６０に出力する。ドレインバイアス変更回路５０並びに６０は、この制御信号にパルスの期間だけ（すなわち制御信号ｃ並びにｄ及びｅの信号レベルがＨである期間だけ）、増幅器４０ｍ並びに４０ｎにドレインバイアス電圧を供給し、それ以外の期間ではドレインバイアス電圧の供給を停止し増幅器４０ｍ並びに４０ｎを停止する。
制御回路３２は、このような制御信号ｃ〜ｅによって増幅器４０ｍ、４０ｎを動作及び停止させ、増幅回路１０への入力信号ａに信号レベルがない間に増幅器４０ｍ、４０ｎを停止させて、消費電力を節約することが可能である。

また、制御回路３２は、ドレインバイアス変更回路５０及び６０に出力する制御信号ｃ、ｄ及びｅにパルスを含めるか否かを指定された動作モードに応じて定める。
図１１の例では、パルス信号ａの１つ目のパルスＰＬ１が低出力モードで送信され、２つ目のパルスＰＬ２が高出力で出力されるように動作モードが定められる場合を示している。図示するように制御回路３２は、第１のドレインバイアス変更回路５０への制御信号ｃについては、高出力モードの場合だけパルスを含め、低出力モードの場合にはパルスを含めず信号レベルをＬに保つ。このため、図示Ｖ_DS1に示すとおり、高出力モードにおいて増幅器４０ｍは定格のドレインバイアス電圧Ｖｄ１が供給され、低出力モードにおいてはドレインバイアス電圧_DS1が０となり増幅器４０ｍが停止する。

また制御回路３２は、第２のドレインバイアス変更回路６０への制御信号ｄについては高出力モードの場合だけパルスを含め、制御信号ｅには低出力モードの場合だけパルスを含める。
すると図１０に示すように、制御信号ｄにより駆動されるトランジスタＱ６１は高出力モードの場合だけ動作し低出力モードの場合には動作しない。一方で制御信号ｅにより駆動されるトランジスタＱ６２は低出力モードの場合だけ動作し高出力モードの場合には動作しない。

したがって抵抗Ｒ６２に抵抗Ｒ６１よりも抵抗値が大きな素子を選択して、トランジスタＱ６１が駆動されるときには第２のドレインバイアス変更回路６０が定格Ｖｄのドレインバイアス電圧Ｖ_DS2を出力するように抵抗Ｒ６１の抵抗値を設定し、トランジスタＱ６２が駆動されるときには定格より低いＶｄ２のドレインバイアス電圧Ｖ_DS2を出力するように抵抗Ｒ６２の抵抗値を設定することによって、第２のドレインバイアス変更回路６０が出力するドレインバイアス電圧Ｖ_DS2は、信号ｄがパルスを含む高出力モードで定格Ｖｄ１となり、信号ｅがパルスを含む低出力モードでは定格より低いＶｄ２となる（図１１参照）。

なお上記構成例において、第１のドレインバイアス変更回路５０及び第２のドレインバイアス変更回路６０は、ドレインバイアス電圧を複数の電圧値の間で切替制御するように構成したが、これに代えてドレインバイアス電圧を０Ｖ〜定格電圧Ｖｄ１まで無段階に変化させるように構成し、増幅回路１０の出力電力を無段階に変更できるようにしてもよい。

図８に戻り、増幅器駆動回路３は、高出力モードでは２つの増幅器４０ｍ及び４０ｎをＡ級動作させ、低出力モードでは動作している増幅器４０ｎをＡＢ級動作させる。
ここで例えば増幅器駆動回路３は、２つの増幅器４０ｍ及び４０ｎをＡ級動作させるときには、ドレイン電流Ｉｄが飽和ドレイン電流Ｉｄｓｓの０．５倍になるドレインバイアス電圧Ｖｇ１を増幅器４０ｍ及び４０ｎに各々供給し、増幅器４０ｎをＡＢ級動作させるときにはドレイン電流ＩｄがＩｄｓｓの０．２５倍になるドレインバイアス電圧Ｖｇ２を増幅器４０ｎに供給する。

増幅器４０ｎをＡＢ級動作させることによって、Ａ級動作させた場合と比較して増幅器４０ｎの出力電力を低減することができる。この理由を以下に概説する。
図１２は、図７に示す増幅器の電界効果トランジスタＱ４１の動作説明図である。ここで図示１００はトランジスタＱ４１のゲート電圧対ドレイン電流特性図であり、図示１０１は、入力信号にゲートバイアスＶ_GSを加えた場合のゲート電圧Ｖｇの時間変化を示すグラフであり、図示１０２はドレイン電圧対ドレイン電流特性図であり、図示１０３は、図示１０１の入力信号に対応して現れるドレイン電圧Ｖｄの時間変化を示すグラフであり、図示１０４は、図示１０１の入力信号に対応して現れるドレイン電流Ｉｄの時間変化を示すグラフである。図においてＩｍａｘはトランジスタＱ４１の最大ドレイン電流を示し、Ｖ_DSはドレインバイアス電圧を示し、Ｖｍｉｎ及びＶｍａｘはトランジスタＱ４１が飽和領域で動作する場合のドレイン電圧Ｖｄの瞬時最小値及び瞬時最大値を示す。

トランジスタＱ４１の各動作、Ａ級、ＡＢ級、Ｂ級…は、ドレイン電流の流通角によって区別することが可能である。ここで流通角とは、一周期内においてドレイン電流が流れている期間を示し、この期間を信号の位相角で表したものである。Ａ級動作の場合には流通角は３６０度であり、Ｂ級動作の場合にはドレイン電流が半周期だけ流れるので１８０度であり、Ｃ級動作では０度である。ＡＢ動作の場合には流通角は１８０度〜３６０度までの値となる。

以下において、流通角φの違いによるトランジスタＱ４１の信号出力電力Ｐ₀の変化を検討する。ゲート電圧Ｖｇ及びＶｄは、それぞれ、
Ｖｇ＝Ｖ_GSｃｏｓωｔ（１）
Ｖｄ＝−（Ｖ_DS−Ｖｍｉｎ）ｃｏｓωｔ（２）
と表現することができる。ここでドレイン電流Ｉｄが０となる角度ωｔをφとすると、２φが流通角となり、このときのドレイン電流は、

となる。ここでドレイン電流Ｉｄを与える上式（３）をフーリエ級数展開すると次式（５）を得る。

式（５）において、第１項が直流成分となり、第２項が信号周波数成分となる。したがって、信号出力電力Ｐ₀は、次式（６）により得られる。

ここで式（６）に含まれる係数（φ−ｓｉｎφｃｏｓφ）の値は、Ａ動作からＣ動作となるにつれて、すなわち流通角が小さくなるにつれて小さくなる単調減少関数であるため、トランジスタＱ４１はその流通角が小さくなるにしたがって信号出力電力Ｐ₀が小さくなる。このため増幅器４０ｎの動作をＡ級動作からＡＢ級動作へ変えることによって、増幅器４０ｎの出力電力を低減することが可能である。

したがって、増幅回路１０は、高出力モードでは２つの増幅器４０ｍ及び４０ｎをＡ級動作させ、低出力モードでは一方の増幅器４０ｍを停止させて、さらに残りの増幅器４０ｎをＡＢ級動作させることによって高出力モードと低出力モードとの間の出力電力差を拡。
このために増幅器駆動回路３は、図６に示すように、ゲートバイアス用電源回路９１から電源を供給されて、増幅器４０ｍをＡ級動作させるＶｇ１をゲートバイアス電圧Ｖ_GS1として増幅器４０ｍに供給するゲートバイアス供給回路７０と、ゲートバイアス用電源回路９１から増幅器４０ｎへ供給されるゲートバイアス電圧Ｖ_GS2を変更するゲートバイアス変更回路８０とを備える。

そして制御回路３２は、指示される動作モード信号に応答して、この動作モードに対応するドレインバイアス電圧Ｖ_GS2を指示するゲートバイアス指示信号（図示ｆ）を生成してゲートバイアス変更回路８０に出力する。
ゲートバイアス変更回路８０は、ゲートバイアス指示信号ｆにしたがって、増幅器４０ｎに供給するゲートバイアス電圧Ｖ_GS2を可変制御し、高出力モード時には増幅器４０ｎをＡ級動作させるＶｇ１のゲートバイアス電圧Ｖ_GS2を増幅器４０ｎに出力し、低出力モード時には増幅器４０ｎをＡＢ級動作させるＶｇ２のゲートバイアス電圧Ｖ_GS2を増幅器４０ｎに出力する。
したがって、制御回路３２及びゲートバイアス変更回路８０は本願の特許請求の範囲に係る入力バイアス制御部を成す。

図１３は、図６に示すゲートバイアス供給回路７０の概略構成例を示すブロック図である。ゲートバイアス供給回路７０はゲートバイアス用電源回路から与えられた電圧を分圧抵抗Ｒ７１及びＲ７２によって分圧し、所望の一定電圧値Ｖｇ１のゲートバイアス電圧Ｖ_GS1を供給する。
図１４は、図６に示すゲートバイアス変更回路８０の概略構成例を示すブロック図である。ゲートバイアス変更回路８０は、制御回路３２からのゲートバイアス指示信号ｆにしたがって、出力電圧を変化させる可変抵抗器であるディジタルポテンショメータ８１を備える。

図１１を参照してドレインバイアス電圧Ｖ_GS2を可変制御する制御回路３２による制御信号の例を説明する。
図１１に示す信号Ｖ_GS1に示すように、高出力モード及び低出力モードのいずれにおいても、ゲートバイアス供給回路７０は、増幅器をＡ級動作させるＶｇ１をゲートバイアス電圧Ｖ_GS1として増幅器４０ｍに供給する。
一方でゲートバイアス変更回路８０は、高出力モードと低出力モードで異なる信号レベルを有するゲートバイアス指示信号ｆを受信し、このゲートバイアス指示信号ｆに応じた電圧をディジタルポテンショメータ８１で生成することによって、高出力モードと低出力モードとで増幅器４０ｎに供給するゲートバイアス電圧Ｖ_GS2を変化させる。
すなわち、ゲートバイアス変更回路８０は、高出力モードにおいては増幅器をＡ級動作させるＶｇ１をゲートバイアス電圧Ｖ_GS2として増幅器４０ｎに供給し、低出力モードにおいては増幅器をＡＢ級動作させるＶｇ２をゲートバイアス電圧Ｖ_GS2として増幅器４０ｎに供給する。

なお上記構成例において、制御回路３２及びゲートバイアス変更回路５０は、ゲートバイアス電圧を複数の電圧値の間で切替制御するように構成したが、これに代えてゲートバイアス電圧を無段階に変化させるように構成し、増幅回路１０の出力電力を無段階に変更できるようにしてもよい。

図１５は、図６に示す増幅回路１０の動作領域の説明図である。本発明によって増幅器４０ｍ及び４０ｎを、図１５に示す非線形領域Ａ１内に動作領域を留めたまま使用する。好適には出力レベルがＰ２ｄＢ〜Ｐ５ｄＢとなる領域において増幅器４０ｍ及び４０ｎを使用する。このように増幅器の動作領域を非線形領域Ａ１内に留めたまま使用することによって、出力レベルの相違によるパルスレーダ送信機２の装置特性の変化を小さくして、安定したレーダ波を送信する。

本発明によって、可変減衰器で入力電力を変えることなく、または増幅回路１０の出力側に可変減衰器を設けることなく、増幅回路１０の出力電力を変更することが可能となり、また高出力時と低出力時との間の出力電力差を大きく設けることが可能である。
図１６は、図６に示す増幅回路１０の入出力電力特性図である。図において実線が本発明による増幅回路１０の高出力モードにおける入出力電力特性を示し、点線が低出力モードにおける入出力電力特性を示し、鎖線は従来と同じように増幅器４０ｍや４０ｎと同じ１つの増幅器をＡ級動作させた場合の入出力電力特性を示す。
図示するとおり、高出力モードでは２個の増幅器により電力が増幅されるため従来と比べて出力が３ｄＢ向上する。一方で低出力モードでは、増幅器をＡＢ級動作させることと、ドレインバイアス電圧低減降下のために、従来と比べて１０ｄＢほど出力を低減することが可能となる。

なお、上記実施例では、簡単のため２つの増幅器４０ｍ及び４０ｎを並列接続して、その一方を、送信パルス信号の出力電力に応じて制御回路７０及びドレインバイアス変更回路５０により停止させる構成例を示したが、同時に並列接続される増幅器の数を３個以上として、送信パルス信号の出力電力に応じて停止させる増幅器の数を増減するように構成してもよい。
このとき、ゲートバイアス変更回路５０及びドレインバイアス変更回路６０は、同時に３個以上並列接続される増幅器のうち、停止した一部の増幅器以外の増幅器に供給するゲートバイアス電圧及びドレインバイアス電圧をそれぞれ可変制御するように構成してもよい。

以上、本発明を特にその好ましい実施の形態を参照して詳細に説明したが、本発明の容易な理解のために、本発明の具体的な形態を以下に付記する。

（付記１）
出力電力が可変制御される増幅回路であって、
並列接続された複数の増幅器と、
前記並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを停止させる増幅器停止部と、
前記増幅器停止部が前記並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを停止させるとき、残りの他の増幅器の直流バイアス点を可変制御する直流バイアス制御部と、
を備えることを特徴とする増幅回路。（１）

（付記２）
前記増幅器へ供給する電源電圧を可変制御する電圧制御部を、さらに備えることを特徴とする付記１に記載の増幅回路。（２）

（付記３）
前記直流バイアス制御部は、前記直流バイアス点を複数のバイアス点の間で切替制御することを特徴とする付記１又は２に記載の増幅回路。（３）

（付記４）
前記電圧制御部は、前記増幅器へ供給する電源電圧を複数の電圧値の間で切替制御することを特徴とする付記１〜３のいずれか一項に記載の増幅回路。（４）

（付記５）
前記直流バイアス制御部は、Ａ級動作している前記並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを前記増幅器停止部が停止させるとき、残りの前記増幅器にＡＢ級動作させることを特徴とする付記１に記載の増幅回路。（５）

（付記６）
前記電圧制御部は、前記並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを前記増幅器停止部が停止させるとき、残りの他の増幅器に供給する電源電圧を低減することを特徴とする付記１又は付記５に記載の増幅回路。

（付記７）
前記増幅器へ供給する電源電圧を可変制御する電圧制御部を前記増幅器停止部として備え、
この電圧制御部は、前記並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかに対する電源の供給を停止することにより、当該増幅器を停止することを特徴とする付記１又は２に記載の増幅回路。

（付記８）
前記電圧制御部は、前記増幅器へ供給する電源電圧を複数の電圧値の間で切替制御することを特徴とする付記７に記載の増幅回路。

（付記９）
前記直流バイアス制御部は、Ａ級動作していた前記並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを前記電圧制御部が停止させるとき、残りの前記増幅器にＡＢ級動作させることを特徴とする付記７又は８に記載の増幅回路。

（付記１０）
前記電圧制御部は、前記並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを停止させるとき、残りの他の増幅器に供給する電源電圧を低減することを特徴とする付記７〜９のいずれか一項に記載の増幅回路。

（付記１１）
前記増幅器停止部は、前記所望の出力電力に応じて、前記並列接続された複数の増幅器のうちの停止させる増幅器の数を増減することを特徴とする付記１〜１０の何れか一項に記載の増幅回路。

（付記１２）
前記増幅器停止部は、前記増幅回路の入力信号の信号レベルがない期間に、前記並列接続された複数の増幅器を停止させることを特徴とする付記１〜１１のいずれか一項に記載の増幅回路。

（付記１３）
前記増幅器は、ゲートバイアス電圧を加えた入力信号がゲート端子に入力され、ソース端子が接地され、チョークインダクタンスを介してドレインバイアス電圧が印加されるドレイン端子から増幅信号が取り出される電界効果トランジスタを備え、
前記ゲートバイアス電圧を可変制御することで、前記入力信号のバイアス点が可変制御されることを特徴とする付記１〜１２のいずれか一項に記載の増幅回路。

（付記１４）
前記増幅器は、ゲートバイアス電圧を加えた入力信号がゲート端子に入力され、ソース端子が接地され、チョークインダクタンスを介してドレインバイアス電圧が印加されるドレイン端子から増幅信号が取り出される電界効果トランジスタを備え、
前記ゲートバイアス電圧を可変制御することで前記入力信号のバイアス点が可変制御され、前記ドレインバイアス電圧を可変制御することで前記電源電圧が可変制御されることを特徴とする付記２〜１２のいずれか一項に記載の増幅回路。

本発明は、増幅器を使用して電気信号を増幅する増幅回路に利用可能であり、特に高周波信号を増幅する増幅器を有する増幅回路に好適に利用可能である。より好適には自動車、航空機や船舶に搭載され、又は陸上に設置されてパルス状のレーダ波を放射し、ターゲットで反射した反射波を捉えて対象物との相対距離及び相対速度を求めるパルスレーダ装置やパルス圧縮レーダ装置において、送信レーダ波の増幅のために用いられる回路に利用可能である。

従来のパルスレーダ装置のパルスレーダ送信機の概略構成を示すブロック図である。スイッチの開閉並びに増幅器への電源供給及び停止によるパルス成形の様子の説明図である。パルス信号の種類を示す表である。一般的な増幅器の入出力電力特性を示すグラフである。高出力時及び低出力時におけるパルス高さの変動の差を説明する図である。本発明の実施例による増幅回路の概略構成例を示すブロック図である。図６に示す増幅器の概略構成例を示すブロック図である。各動作モードにおける増幅回路の各部の動作を示す表である。図６に示す第１のドレインバイアス変更回路の概略構成例を示すブロック図である。図６に示す第２のドレインバイアス変更回路の概略構成例を示すブロック図である。図６に示す増幅回路の各部ａ〜ｆにおける信号と、各ゲートバイアス電圧及びドレインバイアス電圧を示すタイムチャートである。図７に示す増幅器の電界効果トランジスタの動作説明図である。図６に示すゲートバイアス供給回路の概略構成例を示すブロック図である。図６に示すゲートバイアス変更回路の概略構成例を示すブロック図である。図６に示す増幅回路の動作領域の説明図である。図６に示す増幅回路の入出力電力特性図である。

符号の説明

１パルスレーダ装置
２パルスレーダ送信機
３制御部
４高周波回路部
１０増幅回路
１４アンテナ

Claims

出力電力が可変制御される増幅回路であって、
並列接続された複数の増幅器と、
前記並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを停止させる増幅器停止部と、
前記増幅器停止部が前記並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを停止させるとき、残りの他の増幅器の直流バイアス点を可変制御する直流バイアス制御部と、
を備え、
前記増幅器は、ゲート端子に入力される入力信号を増幅する電界効果トランジスタを有し、
前記増幅器停止部は、前記電界効果トランジスタのドレイン端子への電源電圧の印加を停止することにより、前記複数の増幅器のうちのいずれかを停止させる、ことを特徴とする増幅回路。
前記直流バイアス制御部は、前記直流バイアス点を複数のバイアス点の間で切替制御することを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。
前記増幅器へ供給する電源電圧を可変制御する電圧制御部を、さらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の増幅回路。
前記電圧制御部は、前記増幅器へ供給する電源電圧を複数の電圧値の間で切替制御することを特徴とする請求項３に記載の増幅回路。
前記直流バイアス制御部は、Ａ級動作している前記並列接続された複数の増幅器のうちのいずれかを前記増幅器停止部が停止させるとき、残りの前記増幅器にＡＢ級動作させることを特徴とする請求項１に記載の増幅回路。