JP5829885B2

JP5829885B2 - バラン

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Publication number: JP5829885B2
Application number: JP2011229347A
Authority: JP
Inventors: 高木　直; 直高木; 亀田　卓; 卓亀田; 末松　憲治; 憲治末松; 坪内　和夫; 和夫坪内; 藤井　憲一; 憲一藤井; 一真寺嶋; 琢二園田
Original assignee: Wave Technology Inc Japan
Current assignee: Wave Technology Inc Japan
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2031-10-19
Also published as: JP2013090166A

Description

本発明は、マイクロ波集積回路技術を用いて構成されるバランに関し、特に２次高調波を注入または抽出し得るバランに関する。

無線通信等の高周波を利用する装置において、平衡モードの信号および不平衡モードの信号を変換するバランは、アンテナ、ミキサおよびプシュプル増幅器などの多くの回路に用いられている。特に、マイクロ波集積回路技術を用いて形成でき、広帯域で良好な特性が得られるとして、平面構造（プレーナタイプ）のマーチャントバランが提案され、広く用いられている。

このようなマーチャントバランの一例として、非特許文献１に示されたマーチャントバラン(1000)の回路構成図を図１２に示す。
２つの１／４波長の結合伝送線路(1011),(1012)を組み合わせて構成され、入力端子(1001)から入力された不平衡モード信号は、第１結合伝送線路(1011)および第２結合伝送線路(1012)を順次伝播し、２つの出力端子(1003),(1008)に、逆相で同振幅の平衡モード信号として出力され、バランとして動作する。
K.S.Ang and I.D.Robertson:"Analysis and Design of Impedance-Transforming Planar Marchand Baluns", IEEE Trans. On MTT, Vol.49, No.2, pp.402-406, Feb. 2001.

ところで、電力増幅器においては、高調波を増幅素子に注入することによって、増幅器の電力付加効率を向上できることが知られている。本発明者らは、HEMT増幅器に高調波を注入して、効率を改善する効果について、実験的に検討し、非特許文献２にて報告した。この報告では、高調波のうち特に次数が低い２次高調波を適切な位相と振幅で、増幅器に注入することにより、電力付加効率を大きく改善できることを明らかにした。
藤井憲一，辻岡孝作，高木直："L帯10W GaN HEMT増幅器の高調波注入による効率改善効果の実験的検討"，信学技報，MW2010-121(2010-11), pp.93-98, 2010年11月

バランを用いる用途の一つとして、プシュプル電力増幅器がある。しかし、プシュプル電力増幅器に用いられてきたバランでは、２次高調波を含む偶数次高調波を伝達することができない。このため、バランを経由して高調波を増幅素子に注入できず、高調波の注入による電力付加効率の向上を図れていなかった。

また、図１２に示したマーチャントバランの一例において、平衡モード信号に対する出力端子である(1003)および(1008)が、直流には短絡された状態になっている。このため、平衡モード信号に対する負荷である(1042)および(1043)に対して、バランを介して直流バイアスを印加できなかった。

そこで本発明は、プッシュプル電力増幅器に適用でき、２次高調波を注入または抽出し得るバランを提供する。さらには、直流バイアスを印加し得るバランを提供する。

本発明によるバランは、基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有し、性能が同等の２つの結合伝送線路を用いて構成され、２次高調波を注入もしくは抽出し、または直流バイアスを印加できるようにするために、入力される周波数により短絡および開放を切り換える周波数選択性インピーダンス回路を設け、これによりバランを介してプッシュプル電力増幅器に、２次高調波を注入もしくは抽出することを可能にするとともに、直流バイアスの印可を可能にすることを特徴とする。

すなわち、本発明の第１発明は、
基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有し、性能が同等である、第１結合伝送線路および第２結合伝送線路を有して構成されるバランであって、
前記第１結合伝送線路は、互いに対向し近接して並行に配置された、第１伝送線路および第２伝送線路で構成され、
前記第１伝送線路は、第１端子および第２端子を有し、前記第２伝送線路は、前記第１端子に対応する第４端子および前記第２端子に対応する第３端子を有し、
前記第２結合伝送線路は、互いに対向し近接して並行に配置された、第３伝送線路および第４伝送線路で構成され、
前記第３伝送線路は、第５端子および第６端子を有し、前記第４伝送線路は、前記第５端子に対応する第８端子および前記第６端子に対応する第７端子を有しており、
前記第１端子は第１負荷に接続され、前記第３端子は第２負荷に接続され、前記第８端子は第２負荷とそのインピーダンスの等しい第３負荷に接続されており、
前記第６端子は開放され、前記第２端子および前記第５端子は互いに接続され、前記第４端子および前記第７端子は互いに接続されており、
前記第４端子および前記第７端子の接続部分に、基本波ｆ₀に対してグランドと短絡となり、直流および２次高調波に対してグランドと開放となる周波数選択性インピーダンス回路が接続されており、
さらに、２次高調波を注入もしくは抽出する注入抽出用端子が設けられていることを特徴とする。

第１発明のバランにおいて、
さらに、前記２次高調波を注入または抽出する注入抽出用端子は、直流バイアスを印加する直流バイアス印加用端子も兼ねていてもよい。

第１発明のバランにおいて、
前記第１結合伝送線路および前記第２結合伝送線路における、偶モード特性インピーダンスＺ_oeおよび奇モード特性インピーダンスＺ_ooは、前記第１負荷のインピーダンスＺ_S、ならびに、前記第２負荷および前記第３負荷のインピーダンスＺ_Lに対して、
（数１）
１／２（１／Ｚ_oo−１／Ｚ_oe）＝√(１／(２Ｚ_S・Ｚ_L))
の関係式を満足するように設定されているとよい。

第１発明のバランにおいて、
前記周波数選択性インピーダンス回路は、基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有する先端開放伝送線路であるとよい。

第１発明のバランにおいて、
前記周波数選択性インピーダンス回路は、インダクタＬ₁およびキャパシタＣ₁とで構成される直列共振回路、ならびに、該直列共振回路に並列に接続されたキャパシタＣ₂で構成される第１集中定数回路であり、
前記Ｌ₁，前記Ｃ₁および前記Ｃ₂の各値が、
（数２）
ｆ₀＝１／(２π√(Ｌ₁Ｃ₁))
（数３）
Ｃ₁＝Ｃ₂
の関係式を満足するように設定されているとよい。

また、本発明の第２発明のバランは、
基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有し、性能が同等である、第１結合伝送線路および第２結合伝送線路を有して構成されるバランであって、
前記第１結合伝送線路は、互いに対向し近接して並行に配置された、第１伝送線路および第２伝送線路で構成され、
前記第１伝送線路は、第１端子および第２端子を有し、前記第２伝送線路は、前記第１端子に対応する第４端子および前記第２端子に対応する第３端子を有し、
前記第２結合伝送線路は、互いに対向し近接して並行に配置された、第３伝送線路および第４伝送線路で構成され、
前記第３伝送線路は、第５端子および第６端子を有し、前記第４伝送線路は、前記第５端子に対応する第８端子および前記第６端子に対応する第７端子を有しており、
前記第１端子は第１負荷に接続され、前記第３端子は第２負荷に接続され、前記第８端子は第２負荷とそのインピーダンスの等しい第３負荷に接続されており、
前記第２端子および前記第５端子は互いに接続されてグランドに短絡され、
前記第４端子および前記第７端子は互いに接続され、
前記第６端子はグランドに短絡されており、
前記第４端子および前記第７端子の接続部分に、基本波ｆ ₀ ，直流および２次高調波につきグランドに対して開放となる周波数選択性インピーダンス回路が接続されているとともに、直流バイアスを印加し、または、２次高調波を注入もしくは抽出する注入抽出用端子が設けられていることを特徴とする。

第２発明のバランにおいて、
前記第１結合伝送線路および前記第２結合伝送線路における、偶モード特性インピーダンスＺ_oeおよび奇モード特性インピーダンスＺ_ooは、前記第１負荷のインピーダンスＺ_S、ならびに、前記第２負荷および前記第３負荷のインピーダンスＺ_Lに対して、
（数４）
１／２（１／Ｚ_oo−１／Ｚ_oe）＝√(２／(Ｚ_S・Ｚ_L))
の関係式を満足するように設定されているとよい。

第２発明のバランにおいて、
前記回路は、基本波ｆ₀に対して１／２波長の長さを有する先端開放伝送線路であり、
前記注入抽出用端子が、前記先端開放伝送線路の長さ方向の中央部に設けられているとよい。

第２発明のバランにおいて、
前記周波数選択性インピーダンス回路は、インダクタＬ₃およびキャパシタＣ₃で構成される並列共振回路、ならびに、該並列共振回路に直列に接続されたインダクタＬ₄で構成される第２集中定数回路であり、
前記Ｌ₃，前記Ｌ₄および前記Ｃ₃の各値が、
（数５）
ｆ₀＝１／(２π√(Ｌ₃Ｃ₃))
（数６）
Ｌ₃＝Ｌ₄
の関係式を満足するように設定されており、
前記第２集中定数回路における、前記第４端子および前記第７端子の接続部分の反対側に、前記注入抽出用端子が接続されているとよい。

さらに、本発明の第３発明は、本発明の第１発明や第２発明に記載のいずれかのバランを、プッシュプル電力増幅器の入力側および出力側の少なくとも一方に組み合わせたことを特徴とするプッシュプル電力増幅装置である。

本発明の第３発明のプッシュプル電力増幅器は、さらに前記注入抽出用端子に、高調波の位相および振幅を調整する、位相および振幅調整回路が接続されていることが好ましい。

本発明によるバランをプッシュプル電力増幅器に適用すれば、平衡モードおよび不平衡モードの変換回路として基本波信号を伝達するとともに、プッシュプル電力増幅器に２次高調波を注入することが可能となる。この結果、プッシュプル電力増幅器において、２次高調波の注入により、その電力付加効率を向上できる。

また、本発明によるバランをプッシュプル電力増幅器に適用すれば、プッシュプル電力増幅器から２次高調波を抽出することが可能となる。プッシュプル電力増幅器において、基本波の入力信号が入力されることにより発生する２次高調波を、入力側バランから抽出できると、それを適切に調整した後、出力側バランから注入することが可能となる。したがって、別途２次高調波の発生器を準備する必要がなく、簡単な構成で２次高調波の注入による電力付加効率の向上を図ることができる。

さらに、本発明によるバランをプッシュプル電力増幅器に適用すれば、注入抽出用端子を介して直流バイアスを印加することが可能となる。

なお、本明細書において、「結合伝送線路の性能」とは、いわゆるＳパラメータで示される性能をいい、「２つの結合伝送線路の性能が同等である」とは、２つの結合伝送線路の構造および寸法がそれぞれ同等であり、その結果、偶モード特性インピーダンスＺ_oe，奇モード特性インピーダンスＺ_oo，および電気長がそれぞれ同等であることをいう。つまり、２つの結合伝送線路の特性を表す４ポートＳパラメータの性能が、同等であることをいう。

本発明の参考実施形態１によるバランの回路構成図である。本発明の参考実施形態２によるバランにおける、第１端子の電圧反射特性のグラフである。同じく、第１端子から第３端子への電圧伝達特性のグラフである。同じく、第１端子から第８端子への電圧伝達特性のグラフである。同じく、第１端子から第３端子に通過する信号の通過位相∠Ｓ21と、第１端子から第８端子に通過する信号の通過位相∠Ｓ31を示すグラフである。本発明の実施形態１によるバランの回路構成図である。本発明の実施形態２によるバランの回路構成図である。本発明の実施形態３によるバランの回路構成図である。本発明の参考実施形態３によるバランの回路構成図である。本発明の参考実施形態４によるバランにおける、第１端子の電圧反射特性のグラフである。同じく、第１端子から第３端子への電圧伝達特性のグラフである。同じく、第１端子から第８端子への電圧伝達特性のグラフである。同じく、第１端子から第３端子に通過する信号の通過位相∠Ｓ₂₁と、第１端子から第８端子に通過する信号の通過位相∠Ｓ₃₁を示すグラフである。本発明の実施形態４によるバランの回路構成図である。本発明の実施形態５によるバランの回路構成図である。本発明の実施形態６によるバランの回路構成図である。本発明によるバランを、プッシュプル電力増幅器の入力側および出力側に用いる回路構成図である。従来のマーチャントバランの構成を示す回路構成図である。

（参考実施形態１）
まず、本発明の第１発明の参考実施形態１のバランについて説明する。参考実施形態１におけるバラン(101)の回路構成図を図１に示す。

参考実施形態１におけるバランは、
基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有し、性能が同等である、第１結合伝送線路(11)および第２結合伝送線路(12)を有して構成されるバラン(101)であって、
前記第１結合伝送線路(11)は、互いに対向し近接して並行に配置された、第１伝送線路(111)および第２伝送線路(112)で構成され、
前記第１伝送線路(111)は、第１端子(1)および第２端子(2)を有し、前記第２伝送線路(112)は、前記第１端子(1)に対応する第４端子(4)および前記第２端子(2)に対応する第３端子(3)を有し、
前記第２結合伝送線路(12)は、互いに対向し近接して並行に配置された、第３伝送線路(123)および第４伝送線路(124)で構成され、
前記第３伝送線路(123)は、第５端子(5)および第６端子(6)を有し、前記第４伝送線路(124)は、前記第５端子(5)に対応する第８端子(8)および前記第６端子(6)に対応する第７端子(7)を有しており、
前記第１端子(1)は第１負荷(41)に接続され、前記第３端子(3)は第２負荷(42)に接続され、前記第８端子(8)は第２負荷(42)とそのインピーダンスの等しい第３負荷(43)に接続されており、
前記第６端子(6)は開放され、前記第２端子(2)および前記第５端子(5)は互いに接続され、前記第４端子(4)および前記第７端子(7)は互いに接続されており、
前記第４端子(4)および前記第７端子(7)の接続部分に、基本波ｆ₀に対してグランドと短絡となり、直流に対してグランドと開放となる周波数選択性インピーダンス回路(21)が接続されていることを特徴とする。

本発明の第１発明の参考実施形態１のバラン(101)は上述のように構成され、基本波ｆ₀に対してマーチャントバランと同等の構成となっているので、バランとして動作する。
すなわち、第１結合伝送線路(11)の第１端子(1)から入力された基本波ｆ₀の不平衡モード信号は、第１結合伝送線路(11)および第２結合伝送線路(12)を順次伝播し、第３端子(3)および第８端子(8)に、互いに逆相で同振幅の平衡モード信号として出力される。

一方、第４端子(4)および第７端子(7)の接続部分に、基本波ｆ₀に対してグランドと短絡となり、直流に対してグランドと開放となる周波数選択性インピーダンス回路(21)が接続されていることにより、第４端子(4)および第７端子(7)の接続部分から、直流バイアスを第２負荷(42)および第３負荷(43)に、印加することが可能となっている。
なお、直流バイアスは、第４端子(4)および第７端子(7)の接続部分に、プローブなどの接触端子を介して印加してもよいし、直流バイアス印加用の端子を設けてもよい。

（参考実施形態２）
本発明の参考実施形態２のバランは、図１に示した回路構成のバランにおいて、
第１結合伝送線路(11)と第２結合伝送線路(12)における、偶モード特性インピーダンスＺ_oeおよび奇モード特性インピーダンスＺ_ooは、第１負荷(41)のインピーダンスＺ_S、ならびに、第２負荷(42)および第３負荷(43)のインピーダンスＺ_Lに対して、
（数１）
１／２（１／Ｚ_oo−１／Ｚ_oe）＝√(１／(２Ｚ_S・Ｚ_L)) 式（１）
の関係式を満足するように設定されている。

このような構成により、第１負荷(41)、ならびに、第２負荷(42)および第３負荷(43)の間における、インピーダンス整合がなされている。

上述した式（１）を満足すれば、バランとして動作するとともに、インピーダンス整合がなされていることを、以下のシミュレーションにより検証する。
一例として、以下の条件でシミュレーションした。
ｆ₀＝５０ＧＨｚ
Ｚ_S＝５０Ω
ＺL＝２５Ω
Ｚ_oo＝２０．７Ω
Ｚ_oe＝１２０Ω
なお、このシミュレーションでは、基本波ｆ₀に対してグランドと短絡となり、直流に対してグランドと開放となる周波数選択性インピーダンス回路(21)として、大容量のキャパシタを用いた。

シミュレーション結果を図２Ａ〜図２Ｄに示す。この結果から、３８〜６２ＧＨｚの帯域にわたり、
｜Ｓ₂₁｜＝｜Ｓ₃₁｜＝−３．０〜−３．５ｄＢ
∠Ｓ₃₁−∠Ｓ₂₁＝１８０°
｜Ｓ₁₁｜≦−１０ｄＢ
であり、インピーダンス整合されていることが分かった。つまり、式（１）の妥当性が示された。
なおここで、Ｓ₁₁は第１端子(1)の電圧反射特性、Ｓ₂₁は第１端子(1)から第３端子(3)への電圧伝達特性、Ｓ₃₁は第１端子(1)から第８端子(8)への電圧伝達特性である。

（実施形態１）
本発明による実施形態１のバラン(103)の回路構成図を図３に示す。実施形態３のバランは、図１に示した参考実施形態１または参考実施形態２における周波数選択性インピーダンス回路(21)に代えて、基本波ｆ₀に対してグランドと短絡となり、直流および２次高調波に対してグランドと開放となる周波数選択性インピーダンス回路(23)が接続されており、さらに周波数選択性インピーダンス回路(23)には、２次高調波の注入または抽出と直流バイアスの印加を兼ねた注入抽出用端子(9)が接続されている。

このような構成により、実施形態３のバランは、周波数選択性インピーダンス回路(23)が基本波ｆ₀に対してグランドと短絡になっているので、参考実施形態１または参考実施形態２と同等に、バランとして動作する。

すなわち、実施形態１のバランにおいて、第１結合伝送線路(11)の第１端子(1)から入力された不平衡モード信号は、第１結合伝送線路(11)および第２結合伝送線路(12)を順次伝播し、第３端子(3)および第８端子(8)に、逆相で同振幅の平衡モード信号として出力され、バランとして動作する。

さらに、周波数選択性インピーダンス回路(23)が２次高調波に対して開放となっているので、注入抽出用端子(9)から注入された２次高調波は、周波数選択性インピーダンス回路(23)の影響を受けることなく、第４端子(4)および第７端子(7)を介して、第２負荷(42)および第３負荷(43)に注入される。

さらにまた、直流バイアスは周波数選択性インピーダンス回路(23)の影響を受けることなく、第４端子(4)および第７端子(7)を介して、第２負荷(42)および第３負荷(43)に印加される。

このように実施形態１のバランは、注入抽出用端子(9)から２次高調波を注入するとともに、直流バイアスも印加できるので、この実施形態３のバランをプッシュプル電力増幅器に組み合わせると、２次高調波の注入効果によりその電力付加効率を向上することができるとともに、基本波ｆ₀の信号に影響を与えないようにバイアス回路を構成できるので、損失を低減でき、その結果、電力付加効率を向上することができる。

（実施形態２）
本発明による実施形態２のバラン(104)の回路構成図を図４に示す。実施形態２のバランは、図３に示した実施形態１における周波数選択性インピーダンス回路(23)として、基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有する先端開放伝送線路(24)を用いて、構成されている。

この先端開放伝送線路(24)は、基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有していることにより、グランドとの間が基本波ｆ₀に対して短絡であり、また、直流および２次高調波に対して開放の回路となっている。また、注入抽出用端子(9)が接続されており、当該注入抽出用端子(9)から２次高調波を注入するとともに、直流バイアスを印加することができる。したがって、実施形態２のバラン(104)は、実施形態１と同等の構成をしており、同等の動作をする。

（実施形態３）
本発明による実施形態３のバラン(105)の回路構成図を図５に示す。実施形態３のバランは、図３に示した実施形態１の周波数選択性インピーダンス回路(23)として、インダクタＬ₁およびキャパシタＣ₁で構成される直列共振回路、ならびに、該直列共振回路に並列に接続されたキャパシタＣ₂で構成される第１集中定数回路(31)を備えており、
前記Ｌ₁，前記Ｃ₁および前記Ｃ₂の各値が、
（数２）
ｆ₀＝１／(２π√(Ｌ₁Ｃ₁)) 式（２）
（数３）
Ｃ₁＝Ｃ₂ 式（３）
の関係式を満足するように、選ばれて構成されている。

前記第１集中定数回路(31)は、グランドに対して基本波ｆ₀には短絡されており、直流および２次高調波に対して開放の回路となっている。したがって、実施形態３のバラン(105)は、実施形態１と同等の構成をしており、同等の動作をする。

（参考実施形態３）
次に、本発明の第２発明の参考実施形態３のバランについて説明する。本発明の参考実施形態３によるバラン(106)の回路構成図を図６に示す。
参考実施形態３のバラン(106)は、図１に示した参考実施形態１のバラン(101)に比べて、
（１）インピーダンスの関係式が異なる、
（２）周波数選択性インピーダンス回路が基本波に対して開放である、
（３）第２端子および第５端子の接続部分、ならびに第６端子が、グランドに接続されている、
ことが異なっている。

すなわち、参考実施形態３のバランは、
基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有し、性能が同等である、第１結合伝送線路(11)と第２結合伝送線路(12)とを用いて構成されるバラン(106)であって、
前記第１結合伝送線路(11)は、互いに対向し近接して並行に配置された、第１伝送線路(111)および第２伝送線路(112)で構成され、
前記第１伝送線路(111)は、第１端子(1)および第２端子(2)を有し、前記第２伝送線路(112)は、前記第１端子(1)に対応する第４端子(4)および前記第２端子(2)に対応する第３端子(3)を有し、
前記第２結合伝送線路(12)は、互いに対向し近接して並行に配置された、第３伝送線路(123)および第４伝送線路(124)で構成され、
前記第３伝送線路(123)は、第５端子(5)および第６端子(6)を有し、前記第４伝送線路(124)は、前記第５端子(5)に対応する第８端子(8)および前記第６端子(6)に対応する第７端子(7)を有しており、
前記第１端子(1)は第１負荷(41)に接続され、前記第３端子(3)は第２負荷(42)に接続され、前記第８端子(8)は第２負荷(42)とそのインピーダンスの等しい第３負荷(43)に接続されており、
前記第２端子(2)および前記第５端子(5)とは互いに接続されてグランドに短絡され、
前記第４端子(4)および前記第７端子(7)とは互いに接続され、
前記第６端子(6)はグランドに短絡されていることを特徴とする。

本発明の第２発明の参考実施形態３のバラン(106)は、上述のように構成され、第１結合伝送線路(11)の第１端子(1)から入力された基本波ｆ₀の不平衡モード信号は、第１結合伝送線路(11)および第２結合伝送線路(12)とを順次伝播し、第３端子(3)および第８端子(8)に、互いに逆相で同振幅の平衡モード信号として出力され、バランとして動作する。

一方、第４端子(4)および第７端子(7)の接続部分は、グランドに接続されていないので、第４端子(4)および第７端子(7)の接続部分から、第２負荷(42)および第３負荷(43)に、直流バイアスを印加することが可能となっている。
なお、直流バイアスは、第４端子(4)および第７端子(7)の接続部分に、プローブなどの接触端子を介して印加してもよいし、直流バイアス印加用の端子を設けてもよい。

本発明の第２発明の参考実施形態３のバランは、従来のマーチャントバランと比べると、２つの結合伝送線路の各端子における接続が異なっている。
参考実施形態３のバランでは、第２端子および第５端子とは互いに接続されてグランドに短絡され、第４端子および第７端子とは互いに接続され、第６端子はグランドに短絡されている。

これに対して、図１２に示したマーチャントバランでは、第２端子および第５端子とは互いに接続されているがグランドに短絡されておらず、第４端子および第７端子とはそれぞれグランドに短絡されているが直接接続されておらず、第６端子はオープンになっておりグランドに短絡されていない。

このように、参考実施形態３のバランの特徴的である、２つの結合伝送線路の各端子における接続の構成は、新規なものである。上述のように、実施形態６のバランでは、入力された不平衡モード信号を平衡モード信号として出力できる。さらに、第４端子および第７端子の接続部分はグランドに接続されていないので、この接続部分から、第２負荷および第３負荷に、直流バイアスを印加することが可能となっている。このように、実施形態６のバランは、バランとして動作するとともに、直流バイアスを印加することが可能な構成を有しており、マーチャントバランでは得られない効果を発揮することができる。

（参考実施形態４）
本発明による参考実施形態４のバランは、図６に示した回路構成において、
第１結合伝送線路と第２結合伝送線路における、偶モード特性インピーダンスＺ_oeおよび奇モード特性インピーダンスＺ_ooは、前記第１負荷のインピーダンスＺ_S、ならびに、前記第２負荷および前記第３負荷のインピーダンスＺ_Lとに対して、
（数４）
１／２（１／Ｚ_oo−１／Ｚ_oe）＝√(２／(Ｚ_S・Ｚ_L)) 式（４）
の関係式を満足するように設定されている。

上述した式（４）を満足すれば、バランとして動作し、かつ、インピーダンス整合することを、以下のシミュレーションにより検証する。
一例として、以下の条件でシミュレーションした。
ｆ₀＝５０ＧＨｚ
Ｚ_S＝５０Ω
Ｚ_L＝１００Ω
Ｚ_oo＝２０．７Ω
Ｚ_oe＝１２０Ω

シミュレーション結果を図７Ａ〜図７Ｄに示す。この結果から、３８〜６２ＧＨｚの帯域にわたり、
｜Ｓ₂₁｜＝｜Ｓ₃₁｜＝−３．０〜−３．５ｄＢ
∠Ｓ₃₁−∠Ｓ₂₁＝１８０°
｜Ｓ₁₁｜≦−１０ｄＢ
であり、インピーダンス整合されていることが分かった。つまり、式（４）の妥当性が示された。
なおここで、Ｓ₁₁は第１端子(1)の電圧反射特性、Ｓ₂₁は第１端子(1)から第３端子(3)への電圧伝達特性、Ｓ₃₁は第１端子(1)から第８端子(8)への電圧伝達特性である。

（実施形態４）
本発明の実施形態４によるバラン(108)の回路構成図を図８に示す。実施形態４のバランは、図６に示した参考実施形態３または参考実施形態４の回路構成において、第４端子(4)および第７端子(7)の接続部分に、基本波、直流および２次高調波に対してグランドと開放となる周波数選択性インピーダンス回路(26)が接続されており、さらに周波数選択性インピーダンス回路(26)には、２次高調波の注入または抽出と直流バイアスの印加を兼ねた注入抽出用端子(9)が接続されている。

実施形態４のバラン(108)は、図８に示された回路構成を有し、基本波に対して図６に示した参考実施形態３または参考実施形態４と同等の構成となっているので、バランとして動作する。すなわち、第１端子(1)から入力された不平衡モード信号は、第１結合伝送線路(11)および第２結合伝送線路(12)を順次伝播し、第３端子(3)および第８端子(8)に、逆相で同振幅の平衡モード信号として出力され、バランとして動作する。

さらに、周波数選択性インピーダンス回路(26)が２次高調波に対して開放となっているので、注入抽出用端子(9)から注入された２次高調波は、周波数選択性インピーダンス回路(26)の影響を受けることなく、第４端子(4)および第７端子(7)を介して、第２負荷(42)および第３負荷(43)に注入される。

またさらに、周波数選択性インピーダンス回路(26)が直流に対して開放となっているので、注入抽出用端子(9)から印加された直流バイアスは、周波数選択性インピーダンス回路(26)の影響を受けることなく、第４端子(4)および第７端子(7)を介して、第２負荷(42)および第３負荷(43)に印加される。

（実施形態５）
本発明の実施形態５によるバラン(109)の回路構成図を図９に示す。実施形態５によるバラン(109)は、図８に示した実施形態４における周波数選択性インピーダンス回路(26)に代えて、基本波に対して１／２波長先端開放伝送線路(29)を用いて構成するとともに、当該１／２波長先端開放伝送線路２１の長さ方向の中央部に、２次高調波を注入または抽出する注入抽出用端子(9)を設けたものである。

１／２波長先端開放伝送線路(29)は、基本波、直流および２次高調波に対してグランドと開放となっているので、この実施形態５のバランは、実施形態４のバランと同等の構成を有しており、同等の動作をする。

（実施形態６）
本発明の実施形態６によるバラン(110)の回路構成図を図１０に示す。実施形態６によるバランは、実施形態４のバランおける周波数選択性インピーダンス回路(26)として、インダクタＬ₃およびキャパシタＣ₃で構成される並列共振回路、ならびに、該並列共振回路に直列に接続されたインダクタＬ₄で構成される第２集中定数回路(32)を備えており、
前記Ｌ₃，前記Ｃ₃および前記Ｌ₄の各値が、
（数５）
ｆ₀＝１／(２π√(Ｌ₃Ｃ₃)) 式（５）
（数６）
Ｌ₃＝Ｌ₄ 式（６）
の関係式を満足するように選ばれるとともに、前記第２集中定数回路(32)における、前記第４端子(4)と前記第７端子(7)の接続部分の反対側に、前記２次高調波を注入または抽出する注入抽出用端子(9)が接続されて構成されている。

第２集中定数回路(32)において、第４端子(4)および第７端子(7)の接続部分、ならびにグランドの間は、基本波、直流、および２次高調波に対して開放となっており、また、第４端子(4)および第７端子(7)の接続部分、ならびに注入抽出用端子(9)の間は、２次高調波および直流に対して導通となっている。

このため、注入抽出用端子(9)から注入された２次高調波、または印加された直流バイアスは、第２集中定数回路(32)の影響を受けることなく、そのまま第４端子(4)および第７端子(7)の接続部分を介して、第２負荷(42)および第３負荷(43)に、注入または印加される。したがって、この実施形態６は、実施形態４のバランと同等の構成を有しており、同等の動作をする。

（プッシュプル電力増幅器への適用例）
本発明によるバランは、プッシュプル電力増幅器の入力側および出力側バランとして用いることができる。例えば、実施形態１のバラン(103)を、プッシュプル電力増幅器の入力側および出力側に適用した回路構成図を図１１に示す。

基本波入力信号Ｖ_inは、入力側バラン(103a)により逆相で同振幅の信号Ｖ_1inおよびＶ_2inに変換されて、２つの増幅素子Ｔ₁およびＴ₂に入力され、それぞれＶ_1outおよびＶ_2outに増幅され、出力側バラン(103b)にて合成され、出力信号Ｖ_outとして出力される。なお図１１では、信号の流れを白抜き矢印で表している。

一方、２つの増幅素子Ｔ1およびＴ2の入力側には、同相で同振幅の２次高調波(SHa1)および(SHa2)が発生し、入力側バランに入力され、そこで合成され、入力側バランの注入抽出用端子(9a）から抽出される。さらに、この２次高調波は、位相および振幅調整回路にて、その位相と振幅が適切に調整された後に、出力側バランの注入抽出用端子(9b)から出力側バランに注入され、そこで同相で同振幅の２次高調波(SHb1)および(SHb2)に変換されて、２つの増幅素子Ｔ1およびＴ2の出力側から、同相で同振幅にて注入される。このため、２つの増幅素子Ｔ1およびＴ2の効率を同時に向上することができるので、プッシュプル電力増幅器の電力付加効率を向上できる。なお図１１では、２次高調波の流れを破線矢印で表している。

以上説明したように、本発明によるバランを、プッシュプル電力増幅器の入力側および出力側バランとして用いると、以下のような効果を奏する。つまり、プッシュプル電力増幅器の入力側バランから２次高調波を抽出し、抽出した２次高調波の位相および振幅を調整した後に、出力側バランからプッシュプル電力増幅器に注入できるので、電力付加効率をより高めることができる。

さらに、図１１に示したプッシュプル電力増幅器では、高調波の位相および振幅を調整する回路を備えているので、抽出した２次高調波の位相および振幅を調整することができる。したがって、より高効率なプッシュプル電力増幅器を実現できる。

また、図１１に示したプッシュプル電力増幅器では、入力側直流バイアスを、入力側バイアス回路(28a)から入力側バランの注入抽出用端子(9a)を介して、増幅素子Ｔ1およびＴ2の入力側に印加することが可能である。また、出力側直流バイアスを、出力側バイアス回路(28b)から出力側バランの注入抽出用端子(9b)を介して、増幅素子Ｔ1およびＴ2の出力側に印加することも可能である。なお図１１では、直流バイアスの流れを黒塗り矢印で表している。

図１１に示したように、入力側バイアス回路(28a)および出力側バイアス回路(28b)は、基本波が伝播する経路とは別に構成されているので、基本波信号に対する回路損失を低減でき、増幅器の利得および電力付加効率の低下を防ぐ効果もある。このように、注入抽出用端子(9)は、直流バイアスを印加する端子として利用可能である。

以上では、２次高調波を注入または抽出するバランについて説明したが、これに限らず、任意の偶数次高調波を注入または抽出する場合であってもよい。

本発明によるバランは、プッシュプル電力増幅器の入力側および出力側バランとして用いることができ、プッシュプル電力増幅器の電力付加効率を高めることができる。

１０１，１０３，１０４，１０５，１０６，１０８，１０９，１１０バラン
１０３ａ，１０３ｂプッシュプル電力増幅器に適用されたバラン
１１第１結合伝送線路
１２第２結合伝送線路
１第１端子
２第２端子
３第３端子
４第４端子
５第５端子
６第６端子
７第７端子
８第８端子
９２次高調波を注入もしくは抽出し、または直流バイアスを印加する注入抽出用端子
２１基本波ｆ₀に対して短絡となり、直流に対して開放となる回路
２２基本波ｆ₀に対して開放となる回路
２３基本波ｆ₀に対して短絡となり、直流および２次高調波に対して開放となる回路
２４基本波ｆ₀に対して１／４波長を有する先端開放伝送線路
２６直流、基本波ｆ₀および２次高調波に対して開放となる回路
２７基本波ｆ₀に対して１／２波長を有する先端開放伝送線路
２８ａ入力側バイアス回路
２８ｂ出力側バイアス回路
２９位相および振幅調整回路
３１第１集中定数回路
３２第２集中定数回路
４１第１負荷
４２第２負荷
４３第３負荷
１１１第１伝送線路
１１２第２伝送線路
１２３第３伝送線路
１２４第４伝送線路
２００プッシュプル電力増幅器
１０００マーチャントバラン
１０１１結合伝送線路
１０１２結合伝送線路
１００１入力端子
１００３出力端子
１００８出力端子
１０４１第１負荷
１０４２第２負荷
１０４３第３負荷

Claims

基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有し、性能が同等である、第１結合伝送線路および第２結合伝送線路を有して構成されるバランであって、
前記第１結合伝送線路は、互いに対向し近接して並行に配置された、第１伝送線路および第２伝送線路で構成され、
前記第１伝送線路は、第１端子および第２端子を有し、前記第２伝送線路は、前記第１端子に対応する第４端子および前記第２端子に対応する第３端子を有し、
前記第２結合伝送線路は、互いに対向し近接して並行に配置された、第３伝送線路および第４伝送線路で構成され、
前記第３伝送線路は、第５端子および第６端子とを有し、前記第４伝送線路は、前記第５端子に対応する第８端子および前記第６端子に対応する第７端子を有しており、
前記第１端子は第１負荷に接続され、前記第３端子は第２負荷に接続され、前記第８端子は第２負荷とそのインピーダンスの等しい第３負荷に接続されており、
前記第６端子は開放され、前記第２端子および前記第５端子は互いに接続され、前記第４端子および前記第７端子は互いに接続されており、
前記第４端子および前記第７端子の接続部分に、基本波ｆ₀に対してグランドと短絡となり、直流および２次高調波に対してグランドと開放となる周波数選択性インピーダンス回路が接続されており、
さらに、２次高調波を注入もしくは抽出する注入抽出用端子が設けられていることを特徴とするバラン。
請求項１に記載のバランにおいて、
さらに、前記２次高調波を注入または抽出する注入抽出用端子は、直流バイアスを印加する直流バイアス印加用端子も兼ねているバラン。
請求項１または２に記載のバランにおいて、
前記第１結合伝送線路および前記第２結合伝送線路における、偶モード特性インピーダンスＺ_oeおよび奇モード特性インピーダンスＺ_ooは、前記第１負荷のインピーダンスＺ_S、ならびに、前記第２負荷および前記第３負荷のインピーダンスＺ_Lに対して、
（数１）
１／２（１／Ｚ_oo−１／Ｚ_oe）＝√(１／(２Ｚ_S・Ｚ_L)) 式（１）
の関係式を満足するように設定されているバラン。
請求項１から３いずれか１項に記載のバランにおいて、
前記周波数選択性インピーダンス回路は、基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有する先端開放伝送線路であるバラン。
請求項１から３いずれか１項に記載のバランにおいて、
前記周波数選択性インピーダンス回路は、インダクタＬ₁およびキャパシタＣ₁とで構成される直列共振回路と、該直列共振回路に並列に接続されたキャパシタＣ₂とで構成される第１集中定数回路であり、
前記Ｌ₁，前記Ｃ₁，前記Ｃ₂の値が、
（数２）
ｆ₀＝１／(２π√(Ｌ₁Ｃ₁)) 式（２）
（数３）
Ｃ₁＝Ｃ₂ 式（３）
の関係式を満足するように設定されているバラン。
基本波ｆ₀に対して１／４波長の長さを有し、性能が同等である、第１結合伝送線路および第２結合伝送線路を用いて構成されるバランであって、
前記第１結合伝送線路は、互いに対向し近接して並行に配置された、第１伝送線路および第２伝送線路で構成され、
前記第１伝送線路は、第１端子および第２端子を有し、前記第２伝送線路は、前記第１端子に対応する第４端子および前記第２端子に対応する第３端子を有し、
前記第２結合伝送線路は、互いに対向し近接して並行に配置された、第３伝送線路および第４伝送線路で構成され、
前記第３伝送線路は、第５端子および第６端子を有し、前記第４伝送線路は、前記第５端子に対応する第８端子および前記第６端子に対応する第７端子を有しており、
前記第１端子は第１負荷に接続され、前記第３端子は第２負荷に接続され、前記第８端子は第２負荷とそのインピーダンスの等しい第３負荷に接続されており、
前記第２端子および前記第５端子は互いに接続されてグランドに短絡され、
前記第４端子および前記第７端子は互いに接続され、
前記第６端子はグランドに短絡されており、
前記第４端子および前記第７端子の接続部分に、基本波ｆ ₀ ，直流および２次高調波につきグランドに対して開放となる周波数選択性インピーダンス回路が接続されているとともに、直流バイアスを印加し、または、２次高調波を注入もしくは抽出する注入抽出用端子が設けられているバラン。
請求項６に記載のバランにおいて、
前記第１結合伝送線路および前記第２結合伝送線路における、偶モード特性インピーダンスＺ_oeおよび奇モード特性インピーダンスＺ_ooは、前記第１負荷のインピーダンスＺ_S、ならびに、前記第２負荷および前記第３負荷のインピーダンスＺ_Lに対して、
（数４）
１／２（１／Ｚ_oo−１／Ｚ_oe）＝√(２／(Ｚ_S・Ｚ_L)) 式（４）
の関係式を満足するように設定されているバラン。
請求項６または７に記載のバランにおいて、
前記周波数選択性インピーダンス回路は、基本波ｆ₀に対して１／２波長の長さを有する先端開放伝送線路であり、
前記注入抽出用端子が、前記先端開放伝送線路の長さ方向の中央部に設けられているバラン。
請求項６または７に記載のバランにおいて、
前記周波数選択性インピーダンス回路は、インダクタＬ₃およびキャパシタＣ₃とで構成される並列共振回路、ならびに、該並列共振回路に直列に接続されたインダクタＬ₄で構成される第２集中定数回路であり、
前記Ｌ₃，前記Ｌ₄および前記Ｃ₃の各値が、
（数５）
ｆ₀＝１／(２π√(Ｌ₃Ｃ₃)) 式（５）
（数６）
Ｌ₃＝Ｌ₄ 式（６）
の関係式を満足するように設定されており、
前記第２集中定数回路における、前記第４端子および前記第７端子の接続部分の反対側に、前記注入抽出用端子が接続されているバラン。
請求項１から９のいずれか１項に記載されたバランを、プッシュプル電力増幅器の入力側および出力側の少なくとも一方に組み合わせたことを特徴とするプッシュプル電力増幅装置。
請求項１０に記載されたプッシュプル電力増幅装置において、
前記プッシュプル電力増幅装置は、さらに前記注入抽出用端子に、高調波の位相および振幅を調整する、位相および振幅調整回路が接続されているプッシュプル電力増幅装置。