JP5768087B2

JP5768087B2 - 半導体電力増幅器

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Publication number: JP5768087B2
Application number: JP2013104287A
Authority: JP
Inventors: 健太黒田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: US9112454B2; EP2804318A1; US20140340160A1; JP2014225791A

Description

本発明の実施形態は、半導体電力増幅器に関する。

マイクロ波、ミリ波などの電力増幅器においては、マグネトロン発振器に代えて化合物半導体を用いた半導体電力増幅器が用いられるようになってきた。しかし、この半導体電力増幅器はトランジスタ等、個々の半導体増幅器の電力利得が必ずしも十分でないため、複数の半導体増幅器を縦続接続して所望の電力利得を得ている。

しかしながら複数の増幅器を縦続に接続すると、接続される負荷との不整合などで生じた反射波による増幅器の状態変化によって発振が生じやすくなるなど、電力増幅器としての安定性が低下する。

この様な問題は、例えば半導体電力増幅器により増幅したマイクロ波を用いて対象物を加熱、或いは加工する場合のように負荷インピーダンスが時々刻々変化する場合に特に顕在化する。

そこで、従来は縦続された複数の半導体増幅器の間にサーキュレータ又は減衰器を設け、反射波を熱エネルギーに変換することにより吸収していた。

しかしながら、減衰器を挿入すると電力利得や電力効率が低下する。サーキュレータは電力利得や電力効率に与える影響が小さいが、強磁界環境下では機能しないという問題がある。

特開平５−４８３５３号公報

従って、負荷のインピーダンスが大きく変化しても、また強磁界環境下においても、反射波を効率よく抑制でき、安定な動作を行わせることができる半導体電力増幅器が求められている。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態は、入力信号を増幅する入力側半導体増幅器と、入力側半導体増幅器の出力端子に接続された平衡型増幅器と、平衡型増幅器の出力端子に接続された出力側半導体増幅器と、を備え、平衡型増幅器は、第１の入出力端子である和ポート、第２の入出力端子である差ポート、第３の入出力端子および第４の入出力端子を有し、和ポートに入力側半導体増幅器の出力端子が接続された第１のハイブリッドカプラと、第１のハイブリッドカプラの差ポートに接続された第１の終端抵抗と、第１のハイブリッドカプラの第３の入出力端子に接続された第１の半導体増幅器と、第１のハイブリッドカプラの第４の入出力端子に接続された第２の半導体増幅器と、第１の入出力端子である和ポート、第２の入出力端子である差ポート、第３の入出力端子および第４の入出力端子を有し、第４の入出力端子に第１の半導体増幅器の出力端が接続され、第３の入出力端子に第２の半導体増幅器の出力端が接続され、かつ、和ポートに出力側半導体増幅器の入力端が接続された第２のハイブリッドカプラと、第２のハイブリッドカプラの差ポートに接続された第２の終端抵抗と、第１の半導体増幅器に縦続接続される第３の半導体増幅器と、第２の半導体増幅器に縦続接続される第４の半導体増幅器と、を備える半導体電力増幅器を提供する。

半導体電力増幅器の構成を示す図である。平衡型増幅器の第１の例を示す図である。平衡型増幅器の第２の例を示す図である。半導体電力増幅器の第１の変形例の構成を示す図である。半導体電力増幅器の第２の変形例の構成を示す図である。半導体電力増幅器の第３の変形例の構成を示す図である。

以下、半導体電力増幅器の一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本実施形態の半導体電力増幅器は、入力信号を入力して増幅する入力側増幅器と、入力側増幅器の出力端子に接続し、２つのハイブリッドカプラ及び複数の電力増幅器を備え、入力信号を通過させ、反射波を熱エネルギーに変換する平衡型増幅器と、平衡型増幅器の出力端子に接続し、出力信号を増幅する出力側増幅器と、を備える。

図１は、本実施形態の半導体電力増幅器１１の構成を示す図である。図１に示すように、半導体電力増幅器１１は、入力信号を入力して増幅する入力側半導体増幅器１０１と、入力側半導体増幅器１０１の出力端子に接続される平衡型増幅器１０３と、平衡型増幅器１０３の出力端子に接続し、出力信号を増幅する出力側半導体増幅器１０２と、を備える。

入力側半導体増幅器１０１及び出力側半導体増幅器１０２は例えばトランジスタのような半導体増幅器を用いることができる。

増幅すべき入力信号は入力側半導体増幅器１０１の入力端子から入力される。出力側半導体増幅器１０２の出力端子には負荷（図示せず。）が接続される。

平衡型増幅器１０３は、第１の半導体増幅器１０５Ａと、第２の半導体増幅器１０５Ｂと、第１のハイブリッドカプラ１０４Ａと、第２のハイブリッドカプラ１０４Ｂと、を備える。

第１のハイブリッドカプラ１０４Ａは４個の入出力端子を備えており、これらの端子を図示のように、第１の入出力端子である端子Δ、第２の入出力端子である端子Σ、第３の入出力端子である端子Ａ１および第４の入出力端子である端子Ａ２とする。以下では端子Δを「差ポートΔ」と呼び、端子を「和ポートΣ」と呼ぶこととする。入力側半導体増幅器１０１の出力端子は第１のハイブリッドカプラ１０４Ａの和ポートΣに接続され、差ポートΔには終端抵抗１０６Ａが接続されている。また、出力側の端子Ａ１には第１の半導体増幅器１０５Ａの入力端子が接続され、端子Ａ２には第２の半導体増幅器１０５Ｂの入力端子が接続される。

第２のハイブリッドカプラ１０４Ｂも同様に、４個の入出力端子である和ポートΣ、差ポートΔ、端子Ａ１およびＡ２を備えている。入力側の端子Ａ２には第１の半導体増幅器１０５Ａの出力端子が接続され、端子Ａ１には第２の半導体増幅器１０５Ｂの出力端子が接続されている。出力側の和ポートΣには出力側半導体増幅器１０２の入力端子に接続され、差ポートΔには終端抵抗１０６Ｂが接続されている。なお、第１のハイブリッドカプラ１０４Ａと第２のハイブリッドカプラ１０４Ｂとは、それらの端子の位置が異なっているが、ハイブリッドカプラとしての構成は次に説明するように同じである。

図２は、ハイブリッドカプラ１０４Ａ又は１０４Ｂの具体例を示す回路図である。図２に示すように、このハイブリッドカプラは、４個の入出力端子、差ポートΔ、和ポートΣ、端子Ａ１およびＡ２の各２端子間に信号波長λに対して１／４の長さの線路、すなわち、λ／４線路２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃおよび２０１Ｄが接続された回路である。

このように構成されたハイブリッドカプラにおいては、和ポートΣに波長λの信号が入力すると、端子Ａ１とＡ２にそれぞれ半分の電力で位相が９０°および１８０°遅れた信号が出力され、差ポートΔには出力されない。

すなわち、和ポートΣから入力した信号は、λ／４線路２０１Ｂおよびλ／４線路２０１Ａを経て、又はλ／４線路２０１Ｃおよびλ／４線路２０１Ｄを経ることにより位相が１８０°回転して端子Ａ１から出力する。また、和ポートΣから入力した信号は、λ／４線路２０１Ｃを介して、又はλ／４線路２０１Ｂ、λ／４線路２０１Ａおよびλ／４線路２０１Ｄを経ることにより位相が９０°回転して端子Ａ２から出力する。

逆に、端子Ａ１及び端子Ａ２から入力した信号は、和成分が和ポートΣから出力する。すなわち、端子Ａ１から入力した信号は、λ／４線路２０１Ａを介して位相が９０°回転するのに対し、端子Ａ２からλ／４線路２０１Ｃおよびλ／４線路２０１Ｂを経た信号は位相が１８０°回転する。従って、これらの信号の差成分が差ポートΔから出力する。

すなわち、端子Ａ１とＡ２にそれぞれ波長λで位相が９０°および１８０°遅れた信号が入力すると、差ポートΔにはこれらの合成信号が出力されるが、和ポートΣには出力されない。

このようなハイブリッドカプラを用いて構成された図１に示す平衡型増幅器１０３は次のように動作する。

入力側半導体増幅器１０１の出力信号は第１のハイブリッドカプラ１０４Ａによって、１８０°回転されて端子Ａ１から、また、９０°回転されて端子Ａ２から出力される。

これらの出力信号は、それぞれ第１の半導体増幅器１０５Ａ及び第２の半導体増幅器１０５Ｂによって増幅される。

第１の半導体増幅器１０５Ａによって増幅された信号は第２のハイブリッドカプラ１０４Ｂの端子Ａ２に、第２の半導体増幅器１０５Ｂによって増幅された信号は端子Ａ１に、それぞれ入力する。

第２のハイブリッドカプラ１０４Ｂの端子Ａ２に入力する信号の位相は１８０°既に回転されており、さらに９０°回転され、合計２７０°回転されて和ポートΣから出力する。

第２のハイブリッドカプラ１０４Ｂの端子Ａ１に入力する信号の位相は９０°既に回転されており、さらに１８０°回転され、合計２７０°回転されて和ポートΣから出力する。

次に、各半導体増幅器１０５Ａ、１０５Ｂおよび出力側半導体増幅器１０２において反射した信号について検討する。第１の半導体増幅器１０５Ａ及び第２の半導体増幅器１０５によって反射された信号波は第１のハイブリッドカプラ１０４Ａの差ポートΔに接続された終端抵抗によって熱エネルギーに変換される。

出力側半導体増幅器１０２において反射された信号波は、第２のハイブリッドカプラ１０４Ｂの差ポートΔに接続された終端抵抗によって熱エネルギーに変換される。

従って、出力側半導体増幅器１０２によって反射された反射波は平衡型増幅器１０３によって熱エネルギーに変換され、増幅された所望の周波数の信号が出力側半導体増幅器１０２から取り出すことが可能となる。

図３は、ハイブリッドカプラ１０４Ａ又は１０４Ｂの他の具体例を示す図である。図３に示すように、このハイブリッドカプラは、平行に信号が結合できる程度の間隔をあけて配置された２本のλ／４線路３０１Ａ及びλ／４線路３０１Ｂと、λ／４線路３０１Ａ及びλ／４線路３０１Ｂの各端部に接続される４個の入出力端子、差ポートΔ、和ポートΣ、端子Ａ１およびＡ２を備える。

λ／４線路３０１Ａの一端に接続される線路が和ポートΣであり、他端に接続されるのが端子Ａ２である。また、λ／４線路３０１Ｂの和ポートΣ側の一端に接続されるのが端子Ａ１であり、λ／４線路３０１Ｂの他端に接続されるのが差ポートΔである。

図４は、半導体電力増幅器１１の第１の変形例の構成を示す図である。図４に示すように、半導体電力増幅器１１は、入力信号を入力して増幅する入力側半導体増幅器１０１と、入力側半導体増幅器１０１の出力端子に接続し、入力信号を通過させ、反射波を熱エネルギーに変換する平衡型増幅器１０３と、平衡型増幅器１０３の出力端子に接続し、出力信号を増幅する第１の出力側半導体増幅器１０２Ａ及び第１の出力側半導体増幅器１０２Ａに縦続する第２の出力側半導体増幅器１０２Ｂと、を備える。

出力側増幅器を多段にすることにより、より大きい電力の信号を得ることができる。

図５は、半導体電力増幅器１１の第２の変形例の構成を示す図である。図５に示すように、半導体電力増幅器１１は、入力端子から信号を入力し、出力端子に入力信号を入力して増幅する入力側半導体増幅器１０１が接続され、入力信号を通過させ、反射波を熱エネルギーに変換する第１の平衡型増幅器１０３Ａと、入力側半導体増幅器１０１の出力端子に接続し、反射波を熱エネルギーに変換する第２の平衡型増幅器１０３Ｂと、第２の平衡型増幅器１０３Ｂの出力端子に接続し、出力信号を増幅する出力側半導体増幅器１０２と、を備える。

平衡型増幅器を入力側半導体増幅器１０１の入力端子にも設けることにより、より効率的に反射による発振を抑制することが可能となる。

図６は、半導体電力増幅器１１の第３の変形例の構成を示す図である。図６に示すように、半導体電力増幅器１１は、入力信号を入力して増幅する入力側半導体増幅器１０１と、入力側半導体増幅器１０１の出力端子に接続し、入力信号を通過させ、反射波を熱エネルギーに変換する多段型平衡型増幅器１０３Ｃと、平衡型増幅器１０３の出力端子に接続し、出力信号を増幅する出力側半導体増幅器１０２と、を備える。

多段型平衡型増幅器１０３Ｃは、第１の半導体増幅器１０５Ａ及び第１の半導体増幅器１０５Ａに縦続する第３の半導体増幅器１０５Ｃと、第２の半導体増幅器１０５Ｂ及び第２の半導体増幅器１０５Ｂに縦続する第４の半導体増幅器１０５Ｄと、第１のハイブリッドカプラ１０４Ａと、第２のハイブリッドカプラ１０４Ｂと、を備える。

第１のハイブリッドカプラ１０４Ａは、和ポートΣに入力側半導体増幅器１０１の出力端子が接続され、差ポートΔに終端抵抗１０６Ａが接続され、端子Ａ１に第１の半導体増幅器１０５Ａの入力端子が接続され、端子Ａ２に第２の半導体増幅器１０５Ｂの入力端子が接続される。

第２のハイブリッドカプラ１０４Ｂは、端子Ａ１が第４の半導体増幅器１０５Ｄの出力端子に接続し、端子Ａ２が第３の半導体増幅器１０５Ｃの出力端子に接続し、和ポートΣが出力側半導体増幅器１０２の入力端子に接続し、差ポートΔが終端抵抗１０６Ｂに接続する。

多段型平衡型増幅器１０３Ｃは、増幅器を多段に縦続しているため、より大きい電力を反射波による発振を効率的に抑えつつ得ることが可能となる。

以上述べたように、本実施形態の半導体電力増幅器１１は、入力信号を入力して増幅する入力側半導体増幅器１０１と、入力側半導体増幅器１０１の出力端子に接続し、２つのハイブリッドカプラ１０４Ａ、１０４Ｂ及び複数の半導体増幅器１０５Ａ、１０５Ｂを備え、入力信号を通過させ、反射波を熱エネルギーに変換する平衡型増幅器１０３と、平衡型増幅器１０３の出力端子に接続し、出力信号を増幅する出力側半導体増幅器１０２と、を備える。

平衡型増幅器１０３は、第１の半導体増幅器１０５Ａと、第２の半導体増幅器１０５Ｂと、和ポートΣに入力側半導体増幅器１０１の出力端子が接続され、差ポートΔに終端抵抗１０６Ａが接続され、端子Ａ１に第１の半導体増幅器１０５Ａの入力端子が接続され、端子Ａ２に第２の半導体増幅器１０５Ｂの入力端子が接続される第１のハイブリッドカプラ１０４Ａと、端子Ａ１が第２の半導体増幅器１０５Ｂの出力端子に接続し、端子Ａ２が第１の半導体増幅器１０５Ａの出力端子に接続し、和ポートΣが出力側半導体増幅器１０２の入力端子に接続し、差ポートΔが終端抵抗１０６Ｂに接続する第２のハイブリッドカプラ１０４Ｂと、を備える。

従って、強磁界下においても、また負荷のインピーダンスが変化しても反射波を効率よく抑制できるという効果がある。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０１：入力側増幅器
１０２：出力側増幅器
１０３：平衡型増幅器
１０４Ａ、１０４Ｂ：ハイブリッドカプラ

Claims

入力信号を増幅する入力側半導体増幅器と、
前記入力側半導体増幅器の出力端子に接続された平衡型増幅器と、
前記平衡型増幅器の出力端子に接続された出力側半導体増幅器と、
を備え、
前記平衡型増幅器は、
第１の入出力端子である和ポート、第２の入出力端子である差ポート、第３の入出力端子および第４の入出力端子を有し、前記和ポートに前記入力側半導体増幅器の出力端子が接続された第１のハイブリッドカプラと、
前記第１のハイブリッドカプラの差ポートに接続された第１の終端抵抗と、
前記第１のハイブリッドカプラの第３の入出力端子に接続された第１の半導体増幅器と、
前記第１のハイブリッドカプラの第４の入出力端子に接続された第２の半導体増幅器と、
第１の入出力端子である和ポート、第２の入出力端子である差ポート、第３の入出力端子および第４の入出力端子を有し、前記第４の入出力端子に前記第１の半導体増幅器の出力端が接続され、前記第３の入出力端子に前記第２の半導体増幅器の出力端が接続され、かつ、前記和ポートに前記出力側半導体増幅器の入力端が接続された第２のハイブリッドカプラと、
前記第２のハイブリッドカプラの差ポートに接続された第２の終端抵抗と、
前記第１の半導体増幅器に縦続接続される第３の半導体増幅器と、
前記第２の半導体増幅器に縦続接続される第４の半導体増幅器と、
を備える半導体電力増幅器。