JP4862724B2 - 高周波増幅器 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波帯域などの高周波領域において動作する高周波増幅器に関するものである。

動作環境温度変化に対して歪特性の劣化を最小限とするＦＥＴ増幅器として、例えば、特開２００３−２２４４２９号公報図１（特許文献１参照）には、ＬＤＭＯＳ ＦＥＴ１のソース端子が接地され、ゲートバイアス端子３から温度補償回路２およびチョークコイルを介してゲート電圧Ｖｇｓが、またドレインバイアス端子４からチョークコイルを介してドレイン電圧Ｖｄｓがそれぞれ印加され、増幅器として動作するものが開示されている。

また、特開平７−２０２５８０号公報図１（特許文献２参照）には、信号増幅用のＦＥＴ１と制御専用のＦＥＴ２のゲート同士を接続し、可変基準電圧発生器によってゲート電圧を可変し、ドレイン電流を制御する。ＦＥＴ１のドレイン端子は出力端子に接続され、ＦＥＴ２のドレイン端子は、歪が発生する周波数を通すバンドパスフィルタとピーク検出器を用いて歪量を検出し、電圧比較増幅器でこの歪量がある値を超えない様に可変基準電圧発生器を制御している。従ってＦＥＴ２は常に歪特性が最適になる様にドレイン電流を制御され、結果、ＦＥＴ１も最適ドレイン電流となる。

特開２００３−２２４４２９号公報（第１図）

特開平７−２０２５８０号公報（第１図）

しかし、特許文献１に記載のものでは、増幅器のゲート電圧Ｖｇ側に、温度補償回路としてサーミスタ（温度センサ）を利用し、環境温度に対応してゲート電圧を変化させ、増幅器に流れる電流を制御することで効率化を図っているものの温度補償回路２には、抵抗素子２１、２２やサーミスタ２３、２４の素子固有の抵抗値ばらつきがあり、十分な温度補償が困難であるという課題があった。

また、特許文献２に記載のものでは、電圧比較増幅器６の一方の入力端子に基準電圧（Ｖｒｅｆ）を入力し、ピーク検出器５からの信号がＶｒｅｆよりも小さいときは動作しないため、広いレンジに亘る動作が不可能であるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、マイクロ波、ミリ波帯などの高周波領域において動作する通信用増幅器の相互変調歪みの信号レベルを一定に保つことにより通信品質を確保し、また、環境温度が変化しても高効率で低消費電力動作が可能な高周波増幅器を提供することを目的とする。

請求項１の発明に係る高周波増幅器は、ソース電極が接地されゲート電極及びドレイン電極を有し、高周波電力を入力する増幅器と、この増幅器の出力ラインに設けられ、一方の分岐出力を高周波増幅出力線路とし、他方の分岐出力を前記増幅器で生じた非線形歪量を抽出し出力する制御出力線路とする電力分配器と、この電力分配器の前記制御出力線路に接続され、前記増幅器で生じた非線形歪量を検波し、電圧を出力する歪レベル検波回路と、この歪レベル検波回路の出力電圧を一方の入力とし、あらかじめ設定した所望の高周波出力電力の非線形歪量に対応した基準電圧を他方の入力とすることにより差分電圧を出力する比較器と、この比較器の出力電圧が入力され、出力は前記増幅器のゲート電極とドレイン電極とにそれぞれ接続され、内部に前記比較器の出力電圧に対応し、前記増幅器で生ずる非線形歪量に対応した最適定数を所定の値とする前記増幅器のゲート電極及びドレイン電極に対する供給電圧が定められたデータテーブルを書き込んだＲＯＭを有する制御回路とを備え、前記比較器に入力する前記基準電圧の出力電圧値より大きい電圧値に対しては、前記増幅器のドレイン電圧を減少させると共にゲート電圧を減少させ、前記比較器に入力する前記基準電圧の出力電圧値より小さい電圧値に対しては、前記増幅器のドレイン電圧を増加させると共にゲート電圧を増加させることにより、前記基準電圧に対応する非線形歪量となる最適定数で出力電力を保ちつつ動作するものである。

請求項２の発明に係る高周波増幅器は、前記制御回路と前記増幅器のドレイン電極との接続、及び前記制御回路と前記増幅器のゲート電極との接続は、それぞれ高周波電力周波数のｎ／４（ｎ：正の奇数）管内波長のストリップ線路を介している請求項１に記載のものである。

以上のように、請求項１に係る発明によれば、入力電力に対応して、あらかじめ設定した歪み信号レベルに合わせてドレイン電圧及びゲート電圧を制御することで、出力飽和電力以下の一定領域に出力電力を保つことができる。また、歪み信号レベルに対して適切なバックオフ量を保つことで、環境温度変化に対しても電力効率と低消費電力を考慮した通信品質の良い高周波増幅器を得ることができる。

請求項２に係る発明によれば、高周波の漏洩による制御回路への影響を軽減するため制御回路と高周波回路とは、１／４λｇ線路で隔離されているので、マイクロ波などの漏洩による制御信号の誤動作などを軽減することが可能である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１による高周波増幅器のブロック構成図である。図１において、１はマイクロ波帯域などの高周波入力信号を入力する入力端子、２は高周波入力信号を増幅するＦＥＴトランジスタなどで構成した増幅器、３は増幅した高周波信号を出力する出力端子、４は増幅器２で増幅された増幅信号を通過させると共にその一部を分岐出力させる電力分配器などで構成された電力検出回路、５は電力検出回路４の分岐信号を受け、この分岐信号を検波する歪みレベル検波回路である。歪みレベル検波回路５は分岐信号レベルに応じて出力電圧（Ｖｄｅｔ）を発生する。

６は検波された検波電圧（Ｖｄｅｔ）を一方の入力とし、任意に設定可能な基準電圧発生器からの基準電圧（Ｖｒｅｆ）を他方の入力する比較器である。７は、比較器６で比較したＶｄｅｔとＶｒｅｆとの比較結果に対応した出力電圧（Ｖｃｏｍ）を受け、増幅器２に制御信号を送出する制御回路である。制御回路７は、あらかじめ、Ｖｃｏｍの出力電圧値に対応する内容を書き込み、メモリテーブルとしたＲＯＭなどの記憶素子を保有しており、Ｖｃｏｍに対応して増幅器２のドレイン電圧（Ｖｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）を発生させ、増幅器２のゲートとドレインに制御電圧を供給する機能を受け持つ。

次に動作について説明する。制御回路７のＲＯＭに書き込まれたデータテーブルは、あらかじめ増幅器２の入出力電力特性を求め、増幅器２のドレイン電圧（Ｖｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の最適定数（バックオフ量）を保有しており、最適定数は増幅器２の歪を抽出し、歪みレベル検波回路５の検波電圧の大小から抽出した出力電圧Ｖｃｏｍに対応している。Ｖｃｏｍに対応したドレイン電圧（Ｖｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）を合わせて制御することで予め設定した一定の歪み信号レベルを保つ。

図２は、実施の形態１による高周波増幅器の回路図である。図２において、増幅器２が介在する高周波線路と制御回路７からのＶｄ制御信号及びＶｇ制御信号とは高周波の漏洩を防止するため、表面線路を（ｎ／４）×λｇ（ｎ：奇数の整数）長で構成し、裏面などを地導体としたマイクロ波ストリップ線路で隔離しており、増幅器２のドレイン電圧（Ｖｄ）は制御回路７の電源（ＰＳ）から可変減衰器（ＶＡＴＴ）を介して直接供給される。また、増幅器２のゲート電圧（Ｖｇ）も同様に制御回路７のＰＳからＶＡＴＴを介して供給され、高周波線路と結合する。なお、λｇは高周波電力周波数（ｆ）の逆数であり、搬送される高周波伝送線路の管内波長を示す。
図２に示す１／２λｇ線路を有する結合線路において、増幅器２側の端子を端子ａ、出力端子３側の端子を端子ｂ、３０ＤＢ結合出力端子を端子ｃ、１／４λｇ線路側の端子を端子ｄとし、端子ａと端子ｂとの間の１／２λｇ線路を主線路、端子ｃと端子ｄとの間の１／２λｇ線路を分岐線路とする。
増幅器２で生じた非線形歪量を含む高周波電力は端子ａから入力し端子ｂへと伝送されるとともに、３０ＤＢの結合量で減衰して端子ｄへ伝送される。端子ｄには先端が解放端である１／４λｇ線路が接続されているため、高周波電力の周波数においては端子ｄは短絡状態となり、端子ｄへ到達した高周波電力は全反射される。非線形歪量の周波数は高周波電力の周波数と異なるので、端子ｄにおいては有限のインピーダンスとなり、この有限のインピーダンスに対応する振幅及び位相で反射される。
端子ｄで反射された高周波電力は端子ｃへと伝送されるが、分岐線路は１／２λｇ線路であることから、伝送中に位相が１８０度回転するので、端子ｃにおいては、端子ｄへと向かう高周波電力と端子ｄから反射されてきた高周波電力との位相が反対となるため相殺されて、高周波電力の周波数は除去される。
対して、非線形歪量の周波数に対しては、先端が解放端である１／４λｇ線路は端子ｄにおいては短絡ではなく有限のインピーダンスとなるので、非線形歪両は端子ｄにおいて所定の位相で回転して反射し、分岐線路は高周波電力の周波数に対しては１／２波長（１８０度）であるが、非線形歪量の周波数に対しては１／２波長（１８０度）ではないため、端子ｃにおいては、端子ｄへと向かう非線形歪量と端子ｄから反射されてきた非線形歪量との位相が反対とはならないので、端子ｃから非線形歪量の周波数が出力される。
端子ｃから出力される非線形歪量は、歪レベル検波回路へと伝送されて、歪レベル検波回路で検波される。

次に、増幅器２のドレイン電圧（Ｖｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）の最適定数（バックオフ量）を設定する方法について説明する。図３は、増幅器２の入出力特性を示す一例である。図３において、入力電力（Ｐ）が漸増することにより、低電力領域ではリニアに出力電力も増加するが、一定入力電力で出力電力は飽和する。このとき、既定の増幅器２のドレイン電圧（Ｖｄ）を増減させることにより、一定の入力電圧に対して出力飽和電力も変化する。すなわちＶｄが増加すると出力飽和電力も増加し、Ｖｄが減少すると出力飽和電力も減少する。また、一般的に増幅器のゲート電圧Ｖｇを変化させるとドレイン電流（Ｉｄｓ）も変化する。すなわちゲート電圧（Ｖｇ）が増加するとドレイン電流（Ｉｄｓ）も増加し、Ｖｇが減少するとＩｄｓも減少する。

図４は、高周波増幅器の環境温度変化などによる入出力特性を説明する図である。図４では、常温時既定の増幅器のドレイン電圧（Ｖｄ）及びゲート電圧（Ｖｇ）に対して低温時には出力飽和電力は増加し、高温時には出力飽和電量は減少する。これは、常温時、既定のゲート電圧（Ｖｇ）に対して、低温時にはゲート電圧（Ｖｇ）は上昇するためＩｄｓも増加する。逆に高温時にはゲート電圧（Ｖｇ）は減少するためＩｄｓも減少するためである。

以上から比較器６に入力する基準電圧（Ｖｒｅｆ）の出力値より大きい電圧値に対しては、ドレイン電圧を減少させるとともにゲート電圧も減少させ、比較器６に入力する基準電圧の出力値より小さい電圧値に対しては、ドレイン電圧を増加させると共にゲート電圧を増加させることにより、独立して制御する場合と比べて制御スピードの効率化を図ることが可能となる。

従って、図３、図４に示すように入力電力や環境温度変化に対して出力飽和電力に到らない規定出力電力（Ｐ_０）を維持するためには、出力飽和電力（Ｐｓａｔ）と規定出力電力（Ｐ_０）との差分であるバックオフ電力量を設定することにより、これに対応するＶｄとＶｇのデータテーブルを作成し、規定出力電圧（Ｐ_０）時の歪レベル検波回路５からの情報に基づき制御回路７で増幅器２のドレインとゲートとを制御することにより省電力化を図ることが可能である。

すなわち、歪レベルを一定にするためには、規定出力電力（Ｐ_０）に対応するＶｒｅｆを設定し、このときのバックオフ量を零とし、バックオフ量と制御電圧を設定する。もしくは規定出力電力より大きい電力で設定する場合には、バックオフ量を＋の規定値とすることにより入力電力などの増減に対応させて制御する。

以上のように、実施形態１によれば温度補償回路を用いることなく、歪み信号成分のみを検出することで、入力電力や環境温度が変動した場合でも適切なバックオフ量を保つことで、一定の出力電力を保つようにする動作が可能となる。

また歪み信号レベルを一定に保ちつつバイアス制御を行うので，回路構成素子によるばらつきの影響を受けにくくなり、安定した通信品質を保つことができる効果がある。

この発明の実施の形態１による高周波増幅器のブロック構成図である。 この発明の実施の形態１による高周波増幅器の回路図である。 この発明の実施の形態１による高周波増幅器回路の高周波増幅器の入出力特性を説明する図である。 高周波増幅器の環境温度変化などによる入出力特性を説明する図である。

符号の説明

１・・入力端子 ２・・増幅器 ３・・出力端子 ４・・電力検出回路（電力分配器）
５・・歪みレベル検波回路 ６・・比較器 ７・・制御回路

Claims (2)

1. ソース電極が接地されゲート電極及びドレイン電極を有し、高周波電力を入力する増幅器と、この増幅器の出力ラインに設けられ、一方の分岐出力を高周波増幅出力線路とし、他方の分岐出力を前記増幅器で生じた非線形歪量を抽出し出力する制御出力線路とする電力分配器と、この電力分配器の前記制御出力線路に接続され、前記増幅器で生じた非線形歪量を検波し、電圧を出力する歪レベル検波回路と、この歪レベル検波回路の出力電圧を一方の入力とし、あらかじめ設定した所望の高周波出力電力の非線形歪量に対応した基準電圧を他方の入力とすることにより差分電圧を出力する比較器と、この比較器の出力電圧が入力され、出力は前記増幅器のゲート電極とドレイン電極とにそれぞれ接続され、内部に前記比較器の出力電圧に対応し、前記増幅器で生ずる非線形歪量に対応した最適定数を所定の値とする前記増幅器のゲート電極及びドレイン電極に対する供給電圧が定められたデータテーブルを書き込んだＲＯＭを有する制御回路とを備え、前記比較器に入力する前記基準電圧の出力電圧値より大きい電圧値に対しては、前記増幅器のドレイン電圧を減少させると共にゲート電圧を減少させ、前記比較器に入力する前記基準電圧の出力電圧値より小さい電圧値に対しては、前記増幅器のドレイン電圧を増加させると共にゲート電圧を増加させることにより、前記基準電圧に対応する非線形歪量となる最適定数で出力電力を保ちつつ動作する高周波増幅器。
2. 前記制御回路と前記増幅器のドレイン電極との接続、及び前記制御回路と前記増幅器のゲート電極との接続は、それぞれ高周波電力周波数のｎ／４（ｎ：正の奇数）管内波長のストリップ線路を介している請求項１に記載の高周波増幅器。

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