JP5811900B2

JP5811900B2 - 高周波電力増幅回路

Info

Publication number: JP5811900B2
Application number: JP2012048680A
Authority: JP
Inventors: 卓弥谷本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: JP2013187578A

Description

本発明は、電力増幅回路に関する技術であり、特に高周波の電気信号を増幅するための電力増幅回路に関するものである。

放送や通信分野において高速大容量のデータ通信が行われるようになり、高周波の電気信号を広帯域で安定した状態で伝送する技術が重要となっている。電気信号の伝送に関する様々な装置について検討が行われているが、電気信号を増幅するための電力増幅回路も重要な装置の１つである。電力増幅回路では高周波領域においてある周波数の電気信号を増幅しようとすると、その周波数の整数倍にあたる周波数の信号も同時に生成されるという特性を持っている。電力増幅回路で生じた整数倍の周波数の信号が放送や通信で使用している帯域に入る場合、信号伝達に影響を与える可能性がある。そのため、電力増幅回路で生じる整数倍の周波数の信号は低減されることが望ましく、技術検討が盛んに進められている。

高周波の電力増幅回路で生じる整数倍の周波数の電気信号を低減するための技術の１つとしては、特許文献１に示されている技術があげられる。特許文献１に記載されている電力増幅回路には信号を互いの位相差１８０度、すなわち逆位相の２つの信号に分ける回路が備えられている。分けられた信号のうち、一方の位相の経路上には増幅器と基本波でλ／２波長すなわち１８０度の位相がずれる伝送路が備えられている。また、もう一方の逆位相の経路上には増幅器が備えられている。各々の増幅器を通過した後の経路上には、両方の位相の信号の経路をつなぐように、直列共振回路が設けられている。直列共振回路はλ／２波長の位相がずれる伝送路のちょうど中央に接続する。この構造により、基本波でλ／２波長位相がずれる伝送路を通った信号は元の信号と逆位相となり、もう一方の経路を通った信号と位相が一致して合成されて出力される。一方で、増幅器で生じる基本波の偶数倍の信号は直列共振回路で打ち消し合うため出力されないとしている。

特許文献２においても高周波の電力増幅回路で生じる２倍の周波数の信号の影響を抑制する技術が開示されている。特許文献２に記載されている電力増幅回路には互いに逆位相の２つの電気信号に分配する分配回路が設けられている。２つの信号の経路上には各々増幅器が備えられており、増幅器を通った電気信号は整合回路に入るようになっている。基本波の周波数の電気信号は整合回路を位相のずれを生じることなく通過する。整合回路の次には逆位相の信号が合成される合成回路が設けられており、基本波の周波数の信号は同位相となって合成されて出力される。一方、増幅器で生じた２倍の周波数の信号は整合回路によって反射される。これらの結果、２倍の周波数の信号を抑制することができたとされている。

特開２００５−３９７９９号公報特開２００６−２７０７７４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術には次のような課題がある。特許文献１の電力増幅回路では、直列共振回路を用いて基本波の周波数の偶数倍の電気信号を打ち消している。直列共振回路は抑制したい周波数に近い周波数の信号にまで影響を与える可能性がある。よって、特許文献１の電力増幅回路は広帯域で使用したい際には適さない。特許文献２の電力増幅回路では整合回路において電力損失が生じてしまう。また、整合回路を用いることにより、装置が大型化してしまうという課題も生じる。

本発明では、電力損失や回路の大型化をすることなく広帯域で利用可能としつつ、増幅の際に生じる２倍の高周波を抑制することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の電力増幅回路は、分配器と、合成器と、第１の増幅器と、第２の増幅器と、第１の遅延素子と、第２の遅延素子からなる。

分配器は入力された信号を第１及び第２の出力信号に分け各々第１及び第２の出力端子から出力する。第１の増幅器は第１の出力信号を増幅した第１の増幅信号を出力する。第１の遅延素子は第１の増幅信号に含まれる所定の周波数の信号の位相を１８０度遅延させた第１の遅延信号を出力する。第２の遅延素子は第２の出力信号に含まれる所定の周波数の信号の位相を１８０度遅延させた第２の遅延信号を出力する。第２の増幅器は第２の遅延信号を増幅した第２の増幅信号を出力する。合成器は所定の周波数における第１及び第２の出力端子からの位相の遅延量が略等しい第１の遅延信号及び第２の増幅信号を合波し端子から出力する。

本発明によれば、電力損失や回路規模が増大することなく、増幅器で生じる２倍の高周波の影響を抑えて電力増幅をすることができる。また、広帯域で利用することができる。

本発明の第１の実施形態における構成の概要図である。本発明の第１の実施形態の増幅回路での位相差を示す表である。本発明の第１の実施形態での高調波の低減量を示すグラフである。本発明の第２の実施形態における構成の概要図である。本発明の第２の実施形態の増幅回路での位相差を示す表である。本発明の第３の実施形態における構成の概要図である。本発明の第３の実施形態の増幅回路での位相差を示す表である。本発明の第４の実施形態における構成の概要図である。本発明の第４の実施形態の増幅回路での位相差を示す表である。本発明の第５の実施形態における構成の概要図である。

本発明の第１の実施形態について図１を参照して詳細に説明する。図1は本実施形態の電力増幅回路の構成の概要を示したものである。

本実施形態の電力増幅回路は分配器３０と、合成器３１と、第１の増幅器３２と、第２の増幅器３３と、第１の伝送線路３４と、第２の伝送線路３５からなる。

分配器３０は電気信号を入力部２１で受信し、出力部１２と出力部２２から送信する。出力部１２から送信される電気信号は出力部２２から送信される電気信号に比べて、９０度位相が遅くなる。入力部１１には終端抵抗が接続されている。

合成器３１は電気信号を入力部１５および入力部２５で受信する。入力部１５および入力部２５で受信された電気信号は合成されて出力部１６から送信される。入力部２５で受信された電気信号は出力部１６から送信されるまでの間に、入力部１５で受信された電気信号に比べ、９０度位相が遅い方向にずれる。出力部２６は終端抵抗に接続されている。出力部１６から送信された電気信号は送信設備３６等へと送られる。出力部１６から出力された電気信号は、その他の電気回路へと送られることもある。本実施形態で用いた分配器３０および合成器３１は結合度3dBのハイブリッド回路を使用しており、入力部と出力部の位置関係による経路の違いにより９０度位相のずれが生じる。

第１の増幅器３２は入力部１３で受信した電気信号を増幅し出力部１４から送信する。第２の増幅器３３は入力部２３で受信した電気信号を増幅し出力部２４から送信する。また、第１の増幅器３２および第２の増幅器３３では、高周波の電気信号を受信すると受信した電気信号の周波数の整数倍の周波数の電気信号が同時に生成されて送信される。この整数倍の周波数の電気信号を高調波ともいう。

第１の伝送線路３４は所定の周波数の電気信号で１８０度の位相に相当する電気長を有する遅延素子である。所定の周波数は、例えば、電力増幅器の仕様上の帯域で一番小さい周波数や、帯域の中心となる周波数などが設定される。第１の伝送線路３４を通る所定の周波数の電気信号は、第１の伝送線路３４が無いときと比較し１８０度位相が遅れる。所定の周波数をｆ、所定の周波数以外のある周波数をｆaとすると、第１の伝送線路３４を通過した周波数ｆaの電気信号は、（１８０×ｆa÷ｆ）度位相が遅れる。すなわち、第１の伝送線路３４を通る所定の周波数の２倍の周波数の電気信号は、第１の伝送線路３４が無いときと比較し３６０度位相が遅れる。第２の伝送線路３５は所定の周波数の電気信号で１８０度の位相に相当する電気長を有する遅延素子である。第２の伝送線路３５を通る所定の周波数の電気信号は、第２の伝送線路３５が無いときと比較し１８０度位相が遅れる。他の周波数の電気信号の位相は第１の伝送線路３４の場合と同様の位相のずれとなる。本実施形態では分配器３０の出力部１２から合成器３１の入力部１５までを第１の伝送路、分配器３０の出力部２２から合成器３１の入力部２５までを第２の伝送路と呼ぶ。

次に本実施形態の電力増幅回路において、電気信号の増幅が行われる際の動作について説明する。合成器３０の入力部２１で受信された信号は出力部２２への信号と出力部１２への信号とに分配される。出力部１２へ向かう電気信号の方が経路は長く、出力部１２からの電気信号は出力部２２からの電気信号と比べて位相差が９０度遅れる。

分配器３０の出力部１２から第１の伝送路へ送信された電気信号は、第１の増幅器３２の入力部１３によって受信される。第１の増幅器３２は電気信号の増幅を行い出力部１４から送信する。このとき、第１の増幅器３２では入力部１３で受信した電気信号の整数倍にあたる周波数の電気信号が生成され、入力部１３で受信した周波数の電気信号とともに出力部１４から送信される。第１の増幅器３２の出力部１４から送信された電気信号は、第１の伝送線路３４を通り、合成器３１の入力部１５へと送られる。第１の伝送線路３４では、電気信号の周波数に応じて位相のずれが生じる。例えば、所定の周波数の電気信号は第１の伝送線路がなかった場合に比べて１８０度位相が遅くなる。また、所定の周波数の２倍の周波数を持つ電気信号は３６０度位相が遅くなる。すなわち、第１の伝送路を通過する電気信号は、所定の周波数で１８０度、所定の周波数の２倍の周波数で３６０度の位相が遅くなる。

分配器３０の出力部２２から第２の伝送路へ送信された電気信号は、第２の伝送線路３５を通過して、第２の増幅器３３の入力部２３で受信される。第２の伝送線路３５では、電気信号の周波数に応じて位相のずれが生じる。例えば、所定の周波数の電気信号は第２の伝送線路３５がなかった場合に比べて１８０度位相が遅くなる。第２の増幅器３３の入力部２３で受信された電気信号は増幅され出力部２４から送信される。このとき、入力部２３から受信した電気信号の周波数の整数倍にあたる周波数の電気信号が生成され、入力部２３で受信した周波数の電気信号とともに出力部２４から送信される。出力部２４から送信された電気信号は合成器３１の入力部２５で受信される。第２の伝送路を通った電気信号は所定の周波数、その２倍の周波数の電気信号とも１８０度位相が遅くなったものとなっている。

第１の伝送路を通った電気信号と第２の伝送路を通った電気信号の、所定の周波数および増幅器で生成されたその２倍の周波数における位相差を考えることとする。第２の伝送路を通った電気信号のうち所定の周波数の信号を基準とすると、第１の伝送路を通った所定の周波数の電気信号は９０度遅くなる。所定の周波数の電気信号にとって第１の伝送路と第２の伝送路は位相の遅延量が同じであり、分配器２２の出力部２２および出力部１２での位相差がそのまま残っている。

第２の伝送路で合成器３１の入力部２５に到達した所定の周波数の２倍の周波数の電気信号は所定の周波数の電気信号と同じ位相の電気信号となっている。第２の伝送路では伝送線路３５を通過した後に増幅が行われたためである。一方で、第１の伝送路での２倍の周波数の電気信号は、第１の伝送路の所定の周波数の電気信号に比べて１８０度、第２の伝送路の所定の周波数およびその２倍の周波数の電気信号に比べ２７０度位相が遅くなっている。第１の伝送路の電気信号は出力部１２から送信された時点で９０度位相が遅くなっており、さらに伝送線路３４で１８０度位相が遅くなるためである。

合成器３１の出力部１６から送信される電気信号では、入力部２５で受信される電気信号の方が、入力部１５で受信される電気信号よりも経路が長いため９０度位相が遅くなる。よって、所定の周波数の電気信号は入力部１５と入力部２５で受信された電気信号とで同位相となって、出力部１６から送信される。一方で、２倍の周波数の電気信号は入力部１５と入力部２５で受信された信号との位相差が９０度分縮まって１８０度となり逆位相となる。よって、出力部１６では２倍の周波数の電気信号どうしが打ち消しあい、２倍の周波数の電気信号は出力部１６からは送信されない。合成部３１に入った２倍の周波数の電気信号は終端抵抗が接続されている出力部２６側へと進む。以上から、本実施形態の電力増幅回路では、所定の周波数の電気信号が送信され、所定の周波数の２倍の周波数の電気信号は合成器３１から送信されない。また、以上に説明した本実施形態の電力増幅回路の各箇所での所定の周波数およびその２倍の周波数の電気信号の位相差を図２の表にまとめた。図２の表に示す位相差は第２の伝送路の開始地点、すなわち、出力部２２での所定の周波数の位相を基準に各箇所における位相差を示している。図２の表の括弧内の数値は３６０度以上の位相差の場合に、３６０度分を補正した値である。

本実施形態の電力増幅回路を用いた場合の、２倍の周波数の電気信号の低減量を図３に示した。図３に示した低減量はハイブリッド回路の分配器と合成器と各々増幅器を備えた２本の伝送路で構成された電力増幅回路を基準としている。比帯域は、所定の周波数と電気信号の周波数の差と電力増幅器の帯域の比を示している。ある電気信号の周波数がｆcであるとする。第１および第２の伝送線路は所定の周波数で１８０度、その２倍の周波数で３６０度ずれる設計となっているが、電気信号の周波数ｆcと所定の周波数の差から伝送路での位相のずれには差が生じる。位相がずれた場合は２倍の周波数の電気信号が合成器３１の出力部１６で打ち消されず、出力部１６から送信される要因となる。第１および第２の伝送路を通った周波数ｆcの２倍の周波数の電気信号の出力部１６での位相のずれ量をθｃとする。２倍の周波数の電気信号の位相差は逆位相、すなわち、１８０度であることが望ましい。２倍の周波数の電気信号が逆位相であるときと実際の位相差との差をθとすると、θはθ＝θｃ−１８０度となる。このとき、θはθ＝（周波数ｆcでの第１の伝送線路の電気長）−（周波数ｆcの２倍の周波数での第２の伝送線路での電気長）−１８０度で求められる。θが負の値となったときはその絶対値をθの値とする。片方の伝送路の増幅器で増幅された２倍の周波数の出力量をＰとする。伝送線路を持たず単に増幅器のみを備えた回路での、合成器の出力部では第１および第２の伝送線路からの２倍の周波数の電気信号が合成され２×Ｐの電気信号が合成器の出力側から送信される。所定の周波数の場合との位相のずれの差がθであるとき、２倍の周波数の電気信号が合成器３１の出力部１６から送信される量はＰ×（１−cosθ）と表すことができる。よって、本実施形態の電力増幅回路を用いると、増幅器のみを有する電力増幅回路に対して、１０×log（Ｐ×（１−cosθ）／（２×Ｐ））dB、すなわち、１０×log（（１−cosθ）/２)dBの低減量が期待できる。図３に示すとおり、本実施形態の電力増幅回路の低減量は増幅器のみを有する電力増幅回路に比べて、例えば、±６％付近では20dB程度の低減量が見られるなど、優れた低減特性が得られている。

本実施形態の電力増幅回路を用いると、電力損失や回路規模が増大することなく、増幅器で生じる２倍の高周波の影響を抑えて電力増幅をすることができる。また、共振回路等も使用していないので広帯域で利用することができる。

次に本発明の第２の実施形態について図４を用いて説明する。図４は本実施形態の電力増幅回路の構成の概要を示したものである。第１の実施形態と本実施形態の違いは第１の伝送路と第２の伝送路の各々において、増幅器と伝送線路の順番が第１の実施形態の電力増幅回路と逆の点である。

本実施形態の電力増幅回路は分配器３０と、合成器３１と、第１の増幅器３２と、第２の増幅器３３と、第１の伝送線路３４と、第２の伝送線路３５からなる。各部の構成や機能は第１の実施形態と同一である。

本実施形態においても分配器３０の出力部１２から合成器３１の入力部１５までを第１の伝送路、分配器３０の出力部２２から合成器３１の入力部２５までを第２の伝送路と呼ぶ。

次に本実施形態の電力増幅回路において、電気信号の増幅が行われる際の動作について説明する。合成器３０の入力部２１で受信された電気信号は出力部２２への電気信号と出力部１２への電気信号とに分配される。出力部１２へ向かう電気信号の方が経路は長く、出力部１２からの電気信号は出力部２２からの電気信号と比べて位相差が９０度遅れる。

分配器３０の出力部１２から第１の伝送路に入った電気信号は、第１の伝送線路３４を通過して、第１の増幅器３２の入力部１３へと向かう。第１の伝送線路３４では、第１の伝送線路３４がない場合と比べて電気信号の位相にずれが生じる。例えば、所定の周波数の電気信号は第１の伝送線路３４がなかった場合に比べて１８０度位相が遅くなる。第１の増幅器３２の入力部１３から受信された電気信号は、第１の増幅器３２で増幅され出力部１４から送信される。このとき、第１の増幅器３２では入力部１３で受信した電気信号の整数倍にあたる周波数の電気信号が生成され、受信した周波数の電気信号とともに出力部１４から送信される。第１の増幅器３２の出力部１４から送信された電気信号は、合成器３１の入力部１５へと送られる。以上より、第１の伝送路を通過する電気信号は、所定の周波数および所定の周波数の２倍の周波数ともに１８０度位相が遅くなる。

分配器３０の出力部２２から第２の伝送路へ送信された電気信号は、第２の増幅器３３の入力部２３で受信される。第２の増幅器３３では電気信号が増幅されるとともに、受信した電気信号の周波数の整数倍にあたる周波数の電気信号も生成される。受信した周波数の電気信号およびその整数倍の周波数の電気信号は出力部２４から送信される。第２の増幅器３３の出力部２４から送信された電気信号は第２の伝送線路３５を通って、合成器３１の入力部２５へと送られる。第２の伝送線路３５では、第２の伝送線路３５がない場合に比べ、位相のずれが生じる。例えば、所定の周波数の電気信号は伝送線路がなかったときと比較すると１８０度位相が遅れる。また、所定の周波数の２倍の周波数の電気信号は３６０度位相が遅れる。以上より、合成器３１の入力部２５で受信される第２の伝送路を通った電気信号は所定の周波数で１８０度、その２倍の周波数の電気信号で３６０度位相が遅くなったものとなっている。

第１の伝送路を通った電気信号と第２の伝送路を通った電気信号の、所定の周波数および増幅器で生成されたその２倍の周波数における位相差を考えることとする。第２の伝送路を通った電気信号のうち所定の周波数の信号を基準とすると、第１の伝送路を通った所定の周波数の電気信号は９０度遅くなっている。所定の周波数の電気信号にとって第１の伝送路と第２の伝送路は位相の遅延量が同じであり、分配器２２の出力部２２および出力部１２での位相差がそのまま残っている。

第１の伝送路で合成器３１の入力部１５に到達した２倍の周波数の電気信号は所定の周波数の電気信号と同位相である。第２の伝送路では所定の周波数の電気信号に比べ２倍の周波数の電気信号は１８０度位相が遅れている。よって、２倍の周波数の電気信号同士で比較した場合、第２の伝送路の電気信号は第２の伝送路の電気信号に比べ９０度位相が遅い。

合成器３１の出力部１６から送信される電気信号では、入力部２５で受信される電気信号の方が、入力部１５で受信される電気信号よりも経路が長いため９０度位相が遅くなる。よって、所定の周波数の電気信号は入力部１５と入力部２５で受信された電気信号とで同位相となって、出力部１６から送信される。一方で、２倍の周波数の電気信号は入力部１５と入力部２５で受信された信号との位相差が９０度広がって１８０度となり逆位相となる。よって、出力部１６では２倍の周波数の電気信号どうしが打ち消しあい、２倍の周波数の電気信号は出力部１６からは送信されない。以上より本実施形態の電力増幅回路では、所定の周波数の電気信号が送信され、その２倍の周波数の電気信号は送信されない。また、以上に説明した本実施形態の電力増幅回路の各箇所での電気信号の位相差を図５の表にまとめた。図５の表に示す位相差は第２の伝送路の開始地点、すなわち、出力部２２での所定の周波数の位相を基準に各箇所における位相差を示している。表の括弧内の数値は３６０度以上の位相差の場合に、３６０度分を補正した値である。

合成器の出力部１６から送信された電気信号は送信設備３６や他の電子回路などに送られる。

本実施形態の電力増幅回路を用いると、第１の実施形態の電力増幅回路と同様に電力損失や回路規模が増大することなく、増幅器で生じる２倍の高周波の影響を抑えて電力増幅をすることができる。また、共振回路等も使用していないので広帯域で利用することができる。

本発明の第３の実施形態について図６を参照して詳細に説明する。図６は本実施形態の電力増幅回路の構成の概要を示したものである。

本実施形態の電力増幅回路は分配器３０と、合成器３１と、第１の増幅ユニット３７と、第２の増幅ユニット３８と、第１の伝送線路３４と、第２の伝送線路３５からなる。分配器３０と、合成器３１と、第１の伝送線路３４と、第２の伝送線路３５の構成および機能は第１の実施形態と同一である。

第１の増幅ユニット３７は複数の増幅器が並列に備えられており、入力部１６から受信する電気信号を増幅して出力部１７から送信する。入力部１６で受信した電気信号は同位相、同振幅で分配され各増幅器に送られる。また、各増幅器で増幅された電気信号は、位相の調整等はされずに合成され、出力部１７から送信される。各増幅器は同一の設計でもよく、各々の設計が異なっていても良い。各々の増幅器の設計を変える場合は、例えば設計中心の周波数を変えた増幅器を用いる。設計の中心周波数を変えることより、増幅器の周波数依存性を抑制することができる。第２の増幅ユニット３８は入力部２６から受信した電気信号を増幅し、出力部２７から送信する。第２の増幅ユニット３８での電気信号の分配および合成方法、増幅器の構成は第１の増幅ユニット３７と同一とする。また、第１および第２の増幅ユニットでは入力部１６および入力部２６で受信した周波数の電気信号の他に、受信した電気信号の周波数の整数倍にあたる周波数の電気信号が生成される。

本実施形態では、分配器３０の出力部１２から合成器３１の入力部１５までを第１の伝送路、分配器３０の出力部２２から合成器３１の入力部２５までを第２の伝送路と呼ぶ。

分配器３０の出力部１２から第１の伝送路へ送信された電気信号は、第１の伝送線路３４を通過して、第１の増幅ユニット３７の入力部１６へと向かう。第１の伝送線路３４では、電気信号の位相は第１の伝送線路がなかった場合と比べずれが生じる。例えば、所定の周波数の電気信号は伝送線路がなかった場合に比べて１８０度位相が遅くなる。第１の増幅ユニット３７の入力部１２から受信された電気信号は、第１の増幅ユニット３７の各増幅器で増幅され出力部１７から送信される。このとき、第１の増幅器３２では入力部１６で受信した電気信号の周波数の整数倍にあたる周波数の電気信号が生成され、受信した周波数の電気信号と出力部１７から送信される。このとき生成される整数倍にあたる周波数の電気信号は元の電気信号と同位相である。第１の増幅ユニット３７の出力部１７から送信された電気信号は、合成器３１の入力部１５へと送られる。第１の伝送路を通過する電気信号は、所定の周波数、第１の増幅器ユニット３７で生じた所定の周波数の２倍の周波数ともに、第１の伝送路に入ったときの電気信号に比べ１８０度位相が遅くなっている。

分配器３０の出力部２２から第２の伝送路に入った電気信号は、第２の増幅ユニット３８の入力部２６で受信される。第２の増幅ユニット３８では電気信号が増幅されるとともに、受信した電気信号の周波数の整数倍にあたる周波数の電気信号も生成される。生成される整数倍の周波数の電気信号は基となる電気信号と同位相である。第２の増幅ユニット３８で生成された整数倍の周波数の電気信号は、受信した周波数の電気信号とともに出力部２７から送信される。第２の増幅ユニット３８の出力部２７から送信された電気信号は第２の伝送線路３５を通って、合成器３１の入力部２５へと送られる。第２の伝送線路３５では、第２の伝送線路３５がない場合と比べ電気信号の位相にずれが生じる。例えば、所定の周波数の電気信号は伝送線路が無かったときと比較すると１８０度位相が遅れる。また、所定の周波数の２倍の周波数の電気信号は３６０度位相が遅れる。そのため合成器３１の入力部２５で受信される電気信号は、第２の伝送路を通る前と比べ所定の周波数で１８０度、その２倍の周波数の電気信号とも３６０度位相が遅くなったものとなっている。

第１の伝送路で合成器３１の入力部１５に到達した２倍の周波数の電気信号は所定の周波数の電気信号と同位相である。第２の伝送路では所定の周波数の電気信号に比べ２倍の周波数の電気信号は１８０度位相が遅れている。第１と第２の伝送路の２倍の周波数の電気信号同士での位相差を、分配器の出力部での位相差９０度も合わせて比較した場合、第２の伝送路の電気信号は第２の伝送路の電気信号に比べ９０度位相が遅い。

合成器３１の出力部１６から送信される電気信号では、入力部２５で受信される電気信号の方が、入力部１５で受信される電気信号よりも経路が長いため９０度位相が遅くなる。よって、所定の周波数の電気信号は入力部１５と入力部２５で受信された電気信号とで同位相となって、出力部１６から送信される。一方で、２倍の周波数の電気信号は入力部１５と入力部２５で受信された信号との位相差が９０度広がって１８０度となり逆位相となる。よって、出力部１６では２倍の周波数の電気信号どうしが打ち消しあい、２倍の周波数の電気信号は出力部１６からは送信されない。以上から、本実施形態の電力増幅回路では、所定の周波数の電気信号が送信され、２倍の周波数の電気信号は送信されない。また、以上に説明した本実施形態の電力増幅回路の各箇所での電気信号の位相差を図７の表にまとめた。図７の表に示す位相差は第２の伝送路の開始地点、すなわち、出力部２２での所定の周波数の位相を基準に各箇所における位相差を示している。図７の表の括弧内の数値は３６０度以上の位相差の場合に、３６０度分を補正した値である。

本実施形態の電力増幅回路を用いると、複数の増幅器を組み合わせた場合においても経路上に電気信号の位相を遅延させる伝送線路を設置するだけで、増幅器で生じる２倍の高周波の影響を抑えて電気信号の増幅を行うことができる。そのため、規模の大きな新たな回路素子が不要であり回路の大型化を抑制しつつ、使用する電気信号の周波数に最適な増幅器を組み合わせることが可能となる。また、共振回路等も使用していないので広帯域で利用することができる。

本発明の第４の実施形態について図８を参照して詳細に説明する。図８は本実施形態の電力増幅回路の構成の概要を示したものである。

本実施形態の電力増幅回路は分配器３９と、合成器４０と、第１の増幅器４１と、第２の増幅器４２と、第１の伝送線路４３と、第２の伝送線路４４からなる。

分配器３９および合成器４０としては、例えば、ウィルキンソン型の分配器および合成器が用いられる。分配器３９は電気信号を入力部５０で受信し、出力部５１と出力部６１へと電気信号を分配して送信する。出力部５１および出力部６１から送信される電気信号は同位相で同振幅である。

合成器４０は電気信号を入力部５４および入力部６４で受信する。入力部５４および入力部６４で受信された電気信号は合成されて出力部５５から送信される。合成器５４内での入力部５４と入力部６４から合成するまでの経路は位相の遅延量が同じである。合成された電気信号は出力部５５から送信され、送信設備３６や他の電気回路などへと送られる。

第１の増幅器４１は入力部５２で受信した電気信号を増幅し出力部５３から送信する。第２の増幅器４２は入力部６２で受信した電気信号を増幅し出力部６３から送信する。また、第１の増幅器４１および第２の増幅器４２では、高周波の電気信号を増幅すると受信した電気信号の周波数の整数倍の周波数の電気信号が生成され、受信した周波数の電気信号とともに出力される。

第１の伝送線路４３は所定の周波数の電気信号で１８０度の位相に相当する電気長を有する遅延素子である。第１の伝送線路４３を通る電気信号は、第１の伝送線路４３が無いときと比較し、所定の周波数の電気信号では１８０度位相が遅れる。第２の伝送線路４４は所定の周波数の電気信号で１８０度の位相に相当する電気長を有する遅延素子である。第２の伝送線路４４を通る電気信号は、第２の伝送線路４４が無いときと比較し１８０度位相が遅れる。それ以外の周波数の電気信号においても、第１の実施形態の伝送線路と同様の位相のずれが生じる。本実施形態では分配器３９の出力部５１から合成器４０の入力部５４までを第１の伝送路、分配器３９の出力部６１から合成器４０の入力部６４までを第２の伝送路と呼ぶ。

次に本実施形態の電力増幅回路において、電気信号の増幅が行われる際の動作について説明する。分配器３９の入力部５０で受信された電気信号は出力部５１への信号と出力部６１への電気信号とに分配される。電気信号は同位相、同振幅で出力部５１および出力部６１から送信される。

分配器３９の出力部５１から第１の伝送路に入った電気信号は、増幅器４１の入力部５２で受信される。増幅器４１は電気信号の増幅を行い出力部５３から送信する。このとき、増幅器４１では入力部５２で受信した電気信号の整数倍にあたる周波数の電気信号が生成され、受信した周波数の電気信号とともに出力部５３から送信される。増幅器４１の出力部５３から送信された電気信号は、第１の伝送線路４３を通り、合成器４０の入力部５４へと送られる。第１の伝送線路４３では、第１の伝送線路４３がなかった場合に比べ、電気信号の位相のずれが生じる。例えば、所定の周波数の電気信号は第１の伝送線路４３がなかった場合に比べて１８０度位相が遅くなる。また、所定の周波数の２倍の周波数を持つ電気信号は３６０度位相が遅くなる。第１の伝送路を通過する電気信号は、第１の伝送路を通過することによって所定の周波数で１８０度、所定の周波数の２倍の周波数で３６０度の位相が遅くなる。

分配器３９の出力部６１から第２の伝送路に入った電気信号は、第２の伝送線路４４を通過して、第２の増幅器４２の入力部６２で受信される。第２の伝送線路４４では、第２の伝送線路４４がない場合に比べ、電気信号の位相のずれが生じる。例えば、所定の周波数の電気信号は第１の伝送線路４４がなかった場合に比べて１８０度位相が遅くなる。第２の増幅器４２では入力部６２で受信した電気信号が増幅され出力部６３から送信される。このとき、入力部６２から受信した電気信号の周波数の整数倍にあたる周波数の電気信号が生成され、受信した周波数の電気信号とともに出力部６３から送信される。出力部６３から送信された電気信号は合成器４０の入力部２５で受信される。第２の伝送路を通った電気信号は所定の周波数、その２倍の周波数の電気信号とも１８０度位相が遅くなったものとなっている。

第１の伝送路を通って合成器４０の入力部５４に到達した電気信号と、第２の伝送路を通って合成器４０の入力部６４に到達した所定の周波数およびその２倍の周波数の電気信号の位相差を考えることとする。第１の伝送路を通った所定の周波数の電気信号と第２の伝送路を通った所定の周波数の電気信号とも伝送路に入る前に比べ１８０度位相が遅くなっており同位相である。所定の周波数の電気信号にとって第１の伝送路と第２の伝送路は位相の遅延量が同じであるためである。よって、所定の周波数の電気信号は合成器４０で合成され、出力部５５から送信される。
第１の伝送路を通った２倍の周波数の電気信号と第２の伝送路を通った２倍の周波数の電気信号は、伝送路に入る前と比べ第１の伝送路を通った電気信号が１８０度、第２の伝送路を通った電気信号は３６０度位相が遅くなっている。そなわち、２倍の周波数の電気信号は、１８０度の位相差があり逆位相となっている。従って、２倍の周波数の電気信号は合成器４０で互いに打ち消しあうため出力されない。以上から、本実施形態の電力増幅回路では、所定の周波数の電気信号が送信され、２倍の周波数の電気信号は送信されない。また、以上に説明した本実施形態の電力増幅回路の各箇所での所定の周波数およびその２倍の周波数の電気信号の位相差を表９にまとめた。表９に示す位相差は第２の伝送路の開始地点、すなわち、出力部２２での所定の周波数の位相を基準に各箇所における位相差を示している。表の括弧内の数値は３６０度以上の位相差の場合に、３６０度分を補正した値である。

本実施形態の電力増幅回路を用いると、ハイブリッド回路の分配器や合成器を用いなくとも電力損失や回路規模が増大することなく、増幅器で生じる２倍の高周波の影響を抑えて電力増幅をすることができる。通常の分配器および合成器を用いているため装置簡略化および小型化が可能である。また、共振回路等も使用していないので広帯域で利用することができる。

第１から第３の実施形態において、ハイブリッド回路の合成器は、所定の周波数をfとしたとき、所定の周波数fと２倍の周波数２fのどちらでも結合度3dBを満たすように、センター周波数を（f+2f）/2として設計されていることが望ましい。

第１から第４の実施形態において、増幅器に入力された電気信号の周波数の２倍の周波数の電気信号を抑制した電力増幅回路を示したが、合成器の出力部より後ろに３倍以上の整数倍の周波数を抑制するローパスフィルタを設置してもよい。２倍の周波数の電気信号を抑制するためにローパスフィルタを用いるとフィルタの遮蔽する周波数帯域が使用したい帯域にかかる可能性がある。一方で３倍以上の周波数は所定の周波数との差が大きくフィルタの遮蔽する帯域と使用したい帯域が重なる可能性は２倍の周波数の場合と比べて少なく影響は小さく、組み合わせにより高調波の影響を抑制できる。

本発明の第５の実施形態について図１０を用いて説明する。図１０は本実施形態の電力増幅装置の構成の概要を示したものである。

本実施形態の電力増幅回路は、分配器７１と、合成器７２と、第１の増幅器７３と、第２の増幅器７４と、第１の遅延素子７５と、第２の遅延素子７６からなる。

分配器７１は入力された信号を第１及び第２の出力信号に分け各々第１及び第２の出力端子から出力する。第１の増幅器７３は第１の出力信号を増幅した第１の増幅信号を出力する。第１の遅延素子７５は第１の増幅信号に含まれる所定の周波数の信号の位相を１８０度遅延させた第１の遅延信号を出力する。第２の遅延素子７６は第２の出力信号に含まれる前記所定の周波数の信号の位相を１８０度遅延させた第２の遅延信号を出力する。第２の増幅器７４は第２の遅延信号を増幅した第２の増幅信号を出力する。合成器７２は所定の周波数における第１及び第２の出力端子からの位相の遅延量が略等しい第１の遅延信号及び第２の増幅信号を合波し端子から出力する。

本実施形態の電力増幅回路を用いると、電力損失や回路規模が増大することなく、増幅器で生じる２倍の高周波の影響を抑えて電力増幅をすることができる。また、広帯域で利用することができる。

本発明は、通信や放送分野等で必要な高周波の電気信号を増幅するための電力増幅回路に利用することができる。

１１入力部
１２出力部
１３入力部
１４出力部
１５入力部
１６出力部
２１入力部
２２出力部
２３入力部
２４出力部
２５入力部
２６出力部
３０分配器
３１合成器
３２第１の増幅器
３３第２の増幅器
３４第１の伝送線路
３５第２の伝送線路
３６送信設備
３７第１の増幅ユニット
３８第２の増幅ユニット
３９分配器
４０合成器
４１第１の増幅器
４２第２の増幅器
４３第１の伝送線路
４４第２の伝送線路
５０入力部
５１出力部
５２入力部
５３出力部
５４入力部
５５出力部
６１出力部
６２入力部
６３出力部
６４入力部
７１分配器
７２合成器
７３第１の増幅器
７４第２の増幅器
７５第１の遅延素子
７６第２の遅延素子

Claims

入力された信号を第１の出力信号と、前記第１の出力信号と所定の位相差の第２の出力信号とに分けて、各々第１及び第２の出力端子から出力する分配器と、
前記第１の出力信号を増幅した第１の増幅信号を出力する第１の増幅器と、
前記第１の増幅信号に含まれる所定の周波数の信号の位相を１８０度遅延させ、前記第１の増幅信号に含まれる前記所定の周波数の２倍の周波数の信号の位相を３６０度遅延させた第１の遅延信号を出力する第１の遅延素子と、
前記第２の出力信号に含まれる前記所定の周波数の信号の位相を１８０度遅延させた第２の遅延信号を出力する第２の遅延素子と、
前記第２の遅延信号を増幅した第２の増幅信号を出力する第２の増幅器と、
前記所定の周波数における前記第１及び第２の出力端子からの位相の遅延量が略等しい前記第１の遅延信号及び前記第２の増幅信号を、前記所定の周波数における位相が揃うように前記所定の位相差分、位相を補正して合波し端子から出力する合成器と
を備えていることを特徴とする電力増幅回路。
前記分配器および前記合成器がハイブリッド回路であり、
前記合成器は、前記所定の周波数と前記所定の周波数の２倍の周波数とのほぼ中間に、損失が小さくなる中心周波数を有することを特徴とする請求項１記載の電力増幅回路。
前記合成器の後段に、前記所定の周波数の３以上の整数倍の周波数の信号を減衰させるフィルタ回路をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の電力増幅回路。
前記第１の増幅信号および前記第２の増幅信号を出力する増幅器が各々複数であることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の電力増幅回路。
入力された信号を第１の出力信号と、前記第１の出力信号と所定の位相差の第２の出力信号とに分けて、各々第１及び第２の出力端子から出力し、
前記第１の出力信号を増幅して第１の増幅信号を出力し、
前記第１の増幅信号に含まれる所定の周波数の信号の位相を１８０度遅延させ、前記第１の増幅信号に含まれる前記所定の周波数の２倍の周波数の信号の位相を３６０度遅延させて第１の遅延信号を出力し、
前記第２の出力信号に含まれる前記所定の周波数の信号の位相を１８０度遅延させて第２の遅延信号を出力し、
前記第２の遅延信号を増幅して第２の増幅信号を出力し、
前記所定の周波数における前記第１及び第２の出力端子からの位相の遅延量が略等しい前記第１の遅延信号及び前記第２の増幅信号を、前記所定の周波数における位相が揃うように前記所定の位相差分、位相を補正して合波し端子から出力することを特徴とする
電力増幅方法。
前記第１の遅延信号と前記第２の増幅信号を合波した後に、前記所定の周波数の３以上の整数倍の周波数の信号を減衰させるフィルタ処理を行うことを特徴とした請求項５に記載の電力増幅方法。