JP4774949B2 - 分配器及び合成器並びにそれらを用いた電力増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は分配器及び合成器並びにそれらを用いた電力増幅装置に関し、特に高周波電力を複数の並列接続された電力増幅器に分配して並列増幅した後に、合成するための分配器及び合成器並びにそれらを用いた電力増幅装置に関するものである。

ＶＨＦ帯域やＵＨＦ帯域におけるテレビジョン送信機やＦＭ送信機などの高周波電力部では、複数の電力増幅器を並列に配置して、増幅すべき電力をこれら並列の電力増幅器へ分配して供給し、これら複数の電力増幅器の増幅出力を合成することが行われる。この種の電力増幅システムの構成を図５に示している。

図５において、分配器１８０はストリップライン８３〜８５により構成されており、これらストリップラインは入力された信号の波長の１／４の電気長を有するインピーダンス変換器であり、入力端子ＩＮに入力された信号を、端子８７及び８８へ２等分配する機能を有する。

また、合成器２００はストリップライン９４〜９６により構成されており、これらストリップラインは入力された信号の波長の１／４の電気長を有するインピーダンス変換器であり、端子９２及び９３に入力された信号を，出力端子ＯＵＴに合成して出力する合成機能を有する。この分配器１８０と合成器２００との間には、並列に配置された電力増幅器が設けられるが、図では、単に１つの電力増幅器１９０のみを示しているものとする。

図５のように、分配器１８０の端子８８が開放になっている場合、ストリップライン８５によりインピーダンス変換され、接点８６のインピーダンスは０Ω、つまり短絡状態となる。分配器１８０の入力端子ＩＮを外から見込んだインピーダンスは、接点８６が０Ωになると、ストリップライン８３により変換されインピーダンスは無限大に見える。

同様に、分配器１８０の端子８７を外から見込んだインピーダンスは、接点８６が０Ωになると、ストリップライン８４によりインピーダンス変換されて無限大に見える。こうして、分配器１８０の入力端子ＩＮと端子８７もインピーダンスが無限大となって信号を入力及び分配出力できなくなり、分配器としての機能を果たせなくなる。

また、図５のように、合成器２００の端子９３が開放になっている場合、ストリップライン９５によりインピーダンス変換され、接点９７のインピーダンスは０Ω、つまり短絡状態となる。合成器２００の端子９２を外から見込んだインピーダンスは、接点９７が０Ωになると、ストリップライン９４によりインピーダンス変換されて無限大になる。

同様に、合成器２００の出力端子ＯＵＴを外から見込んだインピーダンスは、接点９７が０Ωになると、ストリップライン９６によりインピーダンス変換されて無限大になる。こうして、合成器２００の端子９２と出力端子ＯＵＴもインピーダンスが無限大になって、信号を入力も出力もできなくなってしまい、送信が停止してしまう欠点がある。また、端子９２のインピーダンスが無限大になると、端子９２で全反射した信号が電力増幅器１９０に戻り電力増幅部９０を破損する可能性がある。

図６は、他の電力増幅装置の構成を示す図であり、本例では、図５の分配器１８０にストリップライン９８及び９９をそれぞれ追加し、また、合成器２００にストリップライン１０１及び１０２をそれぞれ追加した構成である。図５の構成における端子のインピーダンスが無限大になる問題を部分的に解消したものである。

これらストリップライン９８，９９，１０１，１０２は５０Ωのストリップラインであり、信号の波長の１／４の電気長を有する。この構成では、端子８８が開放になっている場合、ストリップライン９９でインピーダンス変換されるために接点１０５のインピーダンスは０Ωとなる。接点８６からストリップライン８５を見込んだインピーダンスは、接点１０５の０Ωがストリップライン８５でインピーダンス変換されるため無限大に見える。

つまり、図５のように接点８６が０Ωにならないため、入力端子ＩＮや端子８７のインピーダンスは無限大にならない。同様に、端子９３が開放になっていても，接点９７からストリップライン９５を見込んだインピーダンスは無限大に見えるため、図５のように接点９７が０Ωにならず、端子９２や出力端子ＯＵＴのインピーダンスは無限大にならない。

このように、分配器の端子の一つもしくは合成器の端子の一つが開放になっても、他の端子のインピーダンスが無限大になる点は解消されている。しかし、信号の波長によっては、ストリップライン８５とストリップライン９９のインピーダンス変換で接点８６が非常に低いインピーダンスになり、入力端子ＩＮや端子８７が非常に高いインピーダンスとなる場合がある。その場合、分配器１８０の各端子で反射が起きるため分配器としての機能を果たすことができない。

同様に、合成器２００の端子９３が開放になると、信号の波長によっては接点９７が非常に低いインピーダンスとなり、端子９２や出力端子ＯＵＴが非常に高いインピーダンスになる場合がある。その場合、合成器２００の各端子で反射が起きるため合成器としての機能を果たすことができなくなる。以上のように、図６に示した構成では、ある周波数においては、図５の問題を回避できるが、別の周波数では反射を起こす場合があり、広帯域化が不可能である。

図７は分配器１８０と合成器２００とに，それぞれウィルキンソン型分配器とウィルキンソン型合成器とを使用した構成であり、図５と同等部分は同一符号により示す。この図７の構成では、図５の構成における端子のインピーダンスが無限大になる問題は、吸収抵抗１２１及び吸収抵抗１２３によって解消されている。しかし、広帯域化するためにインピーダンス変換器の段数を増やすと、各段に応じた様々な値の吸収抵抗が必要になるために、この構成では高コストになる。

なお、電力分配合成器として、方向性結合器を用いた技術は、特許文献１，２に開示されている。
特開２００１−２６７８６２号公報 特開２００５−２３６４４９号公報

このように、電力増幅装置に用いられる分配器または合成器としては、ストリップラインによるインピーダンス変換器を複数接続した構成や、ウィルキンソン型分配器・合成器が一般的である。しかしながら、これらの分配器・合成器においては、上述したような課題がある。

すなわち、インピーダンス変換器による分配器・合成器は、分配器の出力端子や合成器の入力端子が開放になったとき、内部で短絡点が発生するため、分配や合成ができなくなり電力増幅装置の出力が停止してしまう。また、ウィルキンソン型分配器・合成器では、この点は解消されているものの、インピーダンス変換器を多段接続して広帯域化するためには、様々な定数の吸収抵抗が必要であり、結果的にコストが高くなってしまう。

本発明の目的は、電力増幅器を外して分配器の出力端子や合成器の入力端子が開放になった場合にも、分配・合成器の内部に短絡点が発生するのを回避し、かつ広帯域化を安価に実現できる電力分配器及び電力合成器並びにそれらを用いた増幅装置を提供することである。

本発明による分配器は、
分配すべき入力信号が供給される入力端子に一端が接続された第一のストリップラインと、
この第一のストリップラインの他端に一端がそれぞれ接続された第二及び第三のストリップラインと、
互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組有し、その一組の一対の端子の一の端子に、前記第二のストリップラインの他端が接続され、当該一対の端子の他の端子に終端抵抗が接続された第一の方向性結合器と、
互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組有し、その一組の一対の端子の一の端子に、前記第三のストリップラインの他端が接続され、当該一対の端子の他の端子に終端抵抗が接続された第二の方向性結合器とを含み、
前記第一及び第二の方向性結合器の各他の組の各端子を、前記入力信号の分配出力とすることを特徴とする。

本発明による合成器は、
合成信号が導出される出力端子に一端が接続された第一のストリップラインと、
この第一のストリップラインの他端に一端がそれぞれ接続された第二及び第三のストリップラインと、
互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組有し、その一組の一対の端子の一の端子に、前記第二のストリップラインの他端が接続され、当該一対の端子の他の端子に終端抵抗が接続された第一の方向性結合器と、
互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組有し、その一組の一対の端子の一の端子に、前記第三のストリップラインの他端が接続され、当該一対の端子の他の端子に終端抵抗が接続された第二の方向性結合器とを含み、
前記第一及び第二の方向性結合器の各他の組の各端子を、合成すべき信号の入力とすることを特徴とする。

本発明による電力増幅装置は、上記の分配器と、この分配器の分配出力をそれぞれ増幅する増幅手段と、この増幅手段の各出力を合成する上記の合成器とを含むことを特徴とする。

本発明による他の電力増幅装置は、上記の分配器と、上記の合成器と、これら分配器と合成器との間に設けられた増幅手段とを含み、
前記増幅手段は、
互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組（第一及び第二の組と称す）有し、前記第一の組の一対の端子に、前記分配器の前記第一の方向性結合器の前記他の組の一対の端子がそれぞれ接続され、前記第二の組の一対の端子の一つの端子に終端抵抗が接続された第三の方向性結合器と、
互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組（第三及び第四の組と称す）有し、前記第三の組の一対の端子に、前記合成器の前記第一の方向性結合器の前記他の組の一対の端子がそれぞれ接続され、前記第四の組の一対の端子の一つの端子に終端抵抗が接続された第四の方向性結合器と、
前記第三の方向性結合器の前記第二の組の一対の端子の他の端子と、前記第四の方向性結合器の前記第四の組の一対の端子の他の端子との間に接続された増幅部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、以下に記載するような効果を奏する。すなわち、その第一の効果は、電力増幅装置から一部の電力増幅器を外しても、分配器の出力端子が終端されて短絡点が発生しないため、分配器としての性能を維持し送信を継続できることである。

また、第二の効果は、電力増幅装置から一部の電力増幅器を外しても、合成器の入力端子が終端されて短絡点が発生しないため、送信を継続できることである。更に、第三の効果は、終端抵抗として一般的な５０Ωの抵抗値を持つもののみを使用するために、広帯域化を安価に実現できることである。

本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態を示す図である。図１においては、電力増幅器を２個並列動作させて高出力を得る電力増幅装置が示されている。図１を参照すると、分配器１００は入力端子ＩＮに入力された信号を４分配して、端子１７，１８と端子１９，２０に、それぞれ出力する。電力増幅器１１０及び電力増幅器１３０は分配器１００で分配されて端子２１，２２と端子４２，４３にそれぞれ入力された信号を増幅し、端子２８，２９と端子４９，５０にそれぞれ出力する。合成器１２０は電力増幅器１１０と電力増幅器１３０とにより増幅されて端子３０，３１と端子３２，３３に入力された信号をそれぞれ合成し、出力端子ＯＵＴに出力する。

次に、分配器１００の詳細な構成を、図１を参照して説明する。分配器１００は入力端子ＩＮに入力される信号の波長の１／４の電気長を有するストリップライン１２〜１４と、結合度３ｄＢの方向性結合器１５，１６と、５０Ωの終端抵抗１０，１１とにより構成されており、入力端子ＩＮに入力された信号が端子１７，１８と端子１９，２０に４分配されて出力される。

分配器１００のストリップライン１２〜１４はインピーダンス変換を利用した分配器を構成しており、入力端子ＩＮに入力された信号を方向性結合器１５，１６に２等分配する。出力端子である端子１７，１８と端子１９，２０には、それぞれ方向性結合器の互いにアイソレーション端子の関係にあるそれぞれ２つの端子２１，２２と端子４２，４３が接続されており、端子２１と２２の位相差が９０度であり、また端子４２，４３の位相差が９０度である。

次に、電力増幅器１１０及び１３０の詳細な構成を、図１を参照して述べる。電力増幅器１１０は結合度３ｄＢの方向性結合器２３及び２６と、５０Ωの終端抵抗２４及び２７と、電力増幅部２５によって構成されており、端子２１及び２２に入力された信号を方向性結合器２３で合成した後、電力増幅部２５で増幅し、増幅された信号を方向性結合器２６により９０度の位相差で２分配して端子２８及び２９に出力する。

電力増幅器１３０は結合度３ｄＢの方向性結合器４４及び４７と、５０Ωの終端抵抗４５及び４８と、電力増幅部４６によって構成されており、端子４２及び４３に入力された信号を方向性結合器４４で合成した後、電力増幅部４６で増幅し、増幅された信号を方向性結合器４７により９０度の位相差で２分配して端子４９及び５０に出力する。

次に、合成器１２０の詳細な構成を図１を参照して述べる。合成器１２０は端子３０及び３１と端子３２，３３と入力される信号の波長の１／４の電気長を有するストリップライン３９〜４１と、結合度３ｄＢの方向性結合器３５及び３６と、終端抵抗３７及び３８とにより構成されており、端子３０〜３３に入力された信号が出力端子ＯＵＴに合成されて出力される。合成器１２０の入力端子である端子３０〜３３には、それぞれ方向性結合器の互いにアイソレーション端子の関係にある２つの端子が接続されており、ストリップライン３９〜４１はインピーダンス変換を利用した合成器を構成しており、方向性結合器３５及び３６から出力された信号を合成して、出力端子ＯＵＴに出力している。

本発明で使用する方向性結合器は、本実施例を含むマイクロストリップラインやストリップラインや同軸線路のような分布定数回路の理論で設計され、かつ結合端子と通過端子の位相差が９０度となる方向性結合器を使用する。これは１／４波長の伝送線路長を有する方向性結合器の他に、３／４波長の伝送線路長を有する広帯域な方向性結合器も使用できる。また、分配器１００及び合成器１２０に使用されるストリップラインを、複数段のインピーダンス変換器で構成し広帯域化することもできる。

図１の電力増幅装置の動作を説明する。入力端子ＩＮに入力された信号は、ストリップライン１２〜１４により２分配されて方向性結合器１５及び１６へそれぞれ入力される。方向性結合器１５に入力された信号は、端子１７及び１８に出力され、端子１８に出力された信号は、端子１７に出力された信号に対して、振幅が等しく位相が−９０度となっている。また、方向性結合器１６に入力された信号は、端子１９及び２０に出力され、端子２０に出力された信号は、端子１９に出力された信号に対して対して、振幅が等しく位相が−９０度となっている。

分配器１００の端子１７及び１８から出力された信号は、電力増幅器１１０の端子２１及び２２にそれぞれ入力され、方向性結合器２３により合成されて電力増幅部２５で増幅された後、方向性結合器２６で２分配され、電力増幅器１１０の端子２８及び２９にそれぞれ出力される。端子２８に出力された信号は、端子２９に出力された信号に対して振幅が等しく位相が−９０度となっている。

分配器１００の端子１９及び２０からそれぞれ出力された信号は、電力増幅器１３０の端子４２及び４３に入力され、方向性結合器４４により合成されて電力増幅部４６増幅された後、方向性結合器４７で２分配され、電力増幅器１３０の端子４９及び５０にそれぞれ出力される。端子４９に出力された信号は端子５０に出力された信号に対して振幅が等しく位相が−９０度となっている。

合成器１２０の端子３０及び３１にそれぞれ入力された信号は、方向性結合器３５により合成され、また端子３２及び３３にそれぞれ入力された信号は、方向性結合器３６により合成される。それら信号は、ストリップライン３９〜４１により合成され、合成器１２０の出力端子ＯＵＴから出力される。

以上のように、図１の電力増幅装置では、入力された信号が分配器１００により分配され、２つの電力増幅器１１０及び１３０により増幅され、再び合成器１２０により合成されて、大きな出力を得ることができるものである。

次に、図１において、例えば、一方の電力増幅器１３０を取り外した場合の動作について、図２を用いて説明する。なお、図２において図１と同等部分は同一符号により示している。一方の電力増幅器１３０を外した場合、分配器１００の端子１９及び２０と合成器１２０の端子３２及び３３が開放となる。分配器１００の方向性結合器１６から端子１９及び２０へ出力された信号は、端子開放のために全反射するが、端子２０の信号は端子１９の信号に対して−９０度の位相であるため、方向性結合器１６で合成されて全て終端抵抗１１に吸収され、端子１９及び２０で反射した信号は、ストリップライン１４へは戻らない。よって、ストリップライン１４は終端器１１で整合されている状態になり、従来技術のように短絡点が発生しないために、他の端子のインピーダンスが無限大とならず分配器として機能し続けることができる。

次に、合成器１２０の動作について説明する。合成器１２０の端子３２及び３３からの入力信号が途絶えるために、ストリップライン３９〜４１で構成される合成器が不均衡状態となり、端子３０及び３１から入力された信号の一部がストリップライン４０及び方向性結合器３６へ回り込む。回り込んできた信号は、方向性結合器３６により２分配されるが、端子３２及び３３は開放になっているために、信号は全反射される。

ここで、端子３３で反射した信号は、端子３２で反射した信号に対して−９０度の位相となる。このために、反射した信号は方向性結合器３６で合成され終端抵抗３８に吸収され、ストリップライン４０には反射した信号は戻らない。よって、ストリップライン４０は終端抵抗３８のインピーダンスに整合されている状態となり、従来技術のように短絡点が発生せず他の端子のインピーダンスが無限大とならない。

そのために、電力増幅器１１０から端子３０及び３１に入力された信号は反射せず、電力増幅器１１０には反射電力が戻らないため破損することもない。更に、電力増幅器１１０から出力された電力は、終端抵抗３８に吸収された一部の電力を除いて、合成器１２０の出力端子ＯＵＴから出力されるため、送信を継続することができる。

次に、本発明の他の実施形態について、図３を参照して説明する。その基本構成は上記の実施の形態と同等であるが、図３に示すように、電力増幅器を３個（１１０，１３０，１４０）並列で動作させる電力増幅装置の構成を示す。なお。図３において、図１と同等部分は同一符号にて示している。

図３において、分配器１００の入力端子ＩＮに入力された信号は、ストリップライン１２〜１４及び５１により３等分配されて、方向性結合器１５と１６と５２とにより、９０度の位相差を持った信号が分配器１００の端子１７と１８、端子１９と２０、端子５４と５５に、それぞれ出力される。

分配器１００から出力された信号は、電力増幅器１１０と１３０と１４０とにより、それぞれで増幅されて、端子２８と２９、端子４９と５０、端子６３と６４とに、それぞれ９０度の位相差で出力される。これらの信号は、合成器１２０で一つの信号に合成され、出力端子ＯＵＴに出力される。

この中で、任意の電力増幅器が外された場合でも、分配器１００及び合成器１２０のストリップライン１３，１４，５１，３９，４０，６９は、方向性結合器１５，１６，５２，３５，３６，６７の効果により、終端抵抗１０，１１，５３，３７，３８，６８のインピーダンスに整合されるため、短絡点が発生せず分配器及び合成器の端子のインピーダンスが無限大とならず分配及び合成を行うことができる。同様に、任意のＮ個の電力増幅器を並列に運転させる構成を容易に得ることができることは明白である。

本発明の更に他の実施の形態として、その基本構成は図１の例の通りであるが、図４に電力増幅器の入出力に方向性結合器を持たない電力増幅装置の構成を示す。図４において、図１と同等部分は同一符号により示している。分配器１００の端子１７と１８から出力された信号は、電力増幅器１６０内で合成されず、そのまま電力増幅部７３と７４で増幅されて合成器１２０へ出力される。これらの信号が合成器１２０の方向性結合器３５で合成されるためには、電力増幅部７３と７４の位相を等しくする必要がある。

分配器１００の端子１９と２０から出力された信号は、電力増幅器１７０内で合成されず、そのまま電力増幅部７９と８０で増幅されて合成器１２０へ出力される。電力増幅器１６０及び１７０から出力された信号は、合成器１２０で合成されて出力端子ＯＵＴから出力される。なお、本構成では、電力増幅器１６０内及び１７０で並列に動作している電力増幅部の利得と位相を合わせる必要がある。

本発明の一実施の形態を示す図である。 図１の構成において、一つの電力増幅器を取り外した場合の図である。 本発明の他の実施の形態を示す図である。 本発明の更に他の実施の形態を示す図である。 従来の一例を示す図である。 従来の他の例を示す図である。 従来の更に他の例を示す図である。

符号の説明

１２〜１４，３９〜４１，５１，６９ ストリップライン
１０，１１，２４，２７，４５，４８，
３７，３８，５３，５９，６２，６８ 終端抵抗
１５，１６，２３，２６，３５，３６，
４４，４７，５２，５８，６１，６７ 方向性結合器
２５，４６，６０，７３，７４，７９，８０ 増幅部
１００ 分配器
１１０，１３０，１４０，１６０，１７０ 電力増幅器
１２０ 合成器

Claims (6)

1. 分配すべき入力信号が供給される入力端子に一端が接続された第一のストリップラインと、
   この第一のストリップラインの他端に一端がそれぞれ接続された第二及び第三のストリップラインと、
   互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組有し、その一組の一対の端子の一の端子に、前記第二のストリップラインの他端が接続され、当該一対の端子の他の端子に終端抵抗が接続された第一の方向性結合器と、
   互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組有し、その一組の一対の端子の一の端子に、前記第三のストリップラインの他端が接続され、当該一対の端子の他の端子に終端抵抗が接続された第二の方向性結合器とを含み、
   前記第一及び第二の方向性結合器の各他の組の各端子を、前記入力信号の分配出力とすることを特徴とする分配器。
2. 前記第一から第三のストリップラインの各々は１／４波長の電気長を有することを特徴とする請求項１記載の分配器。
3. 合成信号が導出される出力端子に一端が接続された第一のストリップラインと、
   この第一のストリップラインの他端に一端がそれぞれ接続された第二及び第三のストリップラインと、
   互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組有し、その一組の一対の端子の一の端子に、前記第二のストリップラインの他端が接続され、当該一対の端子の他の端子に終端抵抗が接続された第一の方向性結合器と、
   互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組有し、その一組の一対の端子の一の端子に、前記第三のストリップラインの他端が接続され、当該一対の端子の他の端子に終端抵抗が接続された第二の方向性結合器とを含み、
   前記第一及び第二の方向性結合器の各他の組の各端子を、合成すべき信号の入力とすることを特徴とする合成器。
4. 前記第一から第三のストリップラインの各々は１／４波長の電気長を有することを特徴とする請求項３記載の合成器。
5. 請求項１または２記載の分配器と、この分配器の分配出力をそれぞれ増幅する増幅手段と、この増幅手段の各出力を合成する請求項３または４記載の合成器とを含むことを特徴とする電力増幅装置。
6. 請求項１または２記載の分配器と、請求項３または４記載の合成器と、これら分配器と合成器との間に設けられた増幅手段とを含み、
   前記増幅手段は、
   互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組（第一及び第二の組と称す）有し、前記第一の組の一対の端子に、前記分配器の前記第一の方向性結合器の前記他の組の一対の端子がそれぞれ接続され、前記第二の組の一対の端子の一つの端子に終端抵抗が接続された第三の方向性結合器と、
   互いにアイソレーションの関係にある一対の端子を２組（第三及び第四の組と称す）有し、前記第三の組の一対の端子に、前記合成器の前記第一の方向性結合器の前記他の組の一対の端子がそれぞれ接続され、前記第四の組の一対の端子の一つの端子に終端抵抗が接続された第四の方向性結合器と、
   前記第三の方向性結合器の前記第二の組の一対の端子の他の端子と、前記第四の方向性結合器の前記第四の組の一対の端子の他の端子との間に接続された増幅部とを有することを特徴とする電力増幅装置。

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