JP5979559B2 - 高効率電力増幅器 - Google Patents

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Description

本発明は、電力増幅器に係り、特に、電力増幅器内での高調波の平均消費電力を抑制することで電力効率を高めた電力増幅器に係る。
電力増幅では、電力効率の向上が重要である。トランジスタを用いる電力増幅器で、所望の基本周波数を有する電力を増幅すると、トランジスタは非線形素子であるため、基本周波数を有する基本波成分の他に、基本周波数の整数倍の周波数を有する不要な高調波成分が生じる。この不要な高調波成分が電力増幅器内で消費されると、電力増幅器の付加電力効率が下がってしまう。
高調波成分を制御し、付加電力効率の低下を抑制する方法として、Ｆ級増幅および逆Ｆ級増幅を用いる方法が知られている。Ｆ級増幅および逆Ｆ級増幅では、時間領域において、トランジスタの出力側の電圧および電流が分離している。より具体的には、Ｆ級増幅では、電圧は矩形波であり、電流は正弦半波であり、電圧および電流が交互にゼロレベルになる。逆Ｆ級増幅では反対に、電流は矩形波であり、電圧は正弦半波であり、やはり電圧および電流が交互にゼロレベルになる。
図１Ａは、Ｆ級増幅器の、トランジスタに流れ込む電流と、トランジスタの出力端子に生じる電圧とにおける時間変化の一例を示すグラフ群である。ここで、トランジスタに流れ込む電流は、例えばドレーン電流であり、また、トランジスタの出力端子に生じる電圧は、例えばドレーンソース間電圧である。図１Ａのグラフ群は、トランジスタに流れ込む電流を示す第１のグラフ１Ａｉと、トランジスタの出力端子に生じる電圧を示す第２のグラフ１Ａｖとを含んでいる。図１Ａにおいて、横軸は基本周波数の周期を単位とした時間経過を示しており、縦軸は電流および電圧の振幅を示している。第１のグラフ１Ａｉに示す電流ｉｄ（ｔ）と、第２のグラフ１Ａｖに示す電圧ｖｄｓ（ｔ）とは、以下の式（１）によって表される。
Figure 0005979559
図１Ａの例に示したように、Ｆ級増幅器のトランジスタは、ドレーンソース間電圧が発生している時にはドレーン電流がゼロレベルとなり、反対にドレーン電流が発生している時にはドレーンソース間電圧がゼロレベルとなるように形成されている。したがって、Ｆ級増幅器のトランジスタの内部で消費される電力はゼロであり、同じく平均消費電力もゼロである。その結果、Ｆ級増幅器では、理論的には１００％の電力効率が得られることになる。この特徴については、逆Ｆ級増幅器も同様である。
上記に関連して、特許文献１（特許４３３５６３３号）には、Ｆ級増幅回路およびＦ級増幅器用付加回路に係る発明が開示されている。このＦ級増幅回路は、トランジスタと、このトランジスタの後段に接続された負荷回路とを具備している。負荷回路は、第１リアクタンス二端子回路と、第２リアクタンス二端子回路とを具備している。各々のインピーダンスは、必要に応じて、偶数次高調波において零点、ならびに奇数次高調波において極を有する。
また、特許文献２（特開２０１１−５５１５２号公報）には、増幅回路に係る発明が開示されている。この増幅回路は、トランジスタと、このトランジスタの後段に接続された高調波処理回路と、この高調波処理回路の後段に接続された共振回路部とを具備している。このトランジスタは、電流源と、ドレーンソース間容量と、ドレーンインダクタンスとを有する等価回路として表現可能である。この高調波処理回路は、各段が並列容量および直列インダクタを具備するｎ段の梯子型回路を有する。ここで、ｎは１以上の整数である。この共振回路部は、共振周波数が互いに異なる２ｎ＋１個の共振器を有する。これら２ｎ＋１個の共振器の共振周波数は、高調波処理回路の出力部を短絡した場合に、トランジスタのドレーン出力部および接地面の間に形成されるｎ＋１個の極およびｎ個の零点の周波数にそれぞれ一致する。これら２ｎ＋１個の共振器のうち、２ｎ個の共振器の共振周波数は、２次から２ｎ＋１次の高調波の周波数にそれぞれ一致している。
また、特許文献３（特開２０１１−６６８３９号公報）には、マイクロ波高調波処理回路に係る発明が開示されている。このマイクロ波高調波処理回路は、直列伝送線路と、この直列伝送線路の出力端子に１点で並列接続された複数の並列先端開放スタブとを有する。この直列伝送線路は、入力端子がトランジスタの出力端子に接続されていて、所定の電気長を有する。これら複数の並列先端開放スタブは、２次以上でｎ次までの高調波に対してそれぞれが所定の電気長を持つ。ここで、ｎは任意の整数であって、複数の並列先端開放スタブの総数はｎ−１個である。このマイクロ波高調波処理回路は、第１伝送線路層と、第２伝送線路層と、接地層と、ビアとを有する。この第１伝送線路層は、直列伝送線路とｎ−１個の並列先端開放スタブの内の２つの並列先端開放スタブが１つの接続点で接続されて構成されている。この第２伝送線路層は、これら２つの並列先端開放スタブを除くｎ−３個の並列先端開放スタブが１つの接続点で接続されて構成されている。この接地層は、第１伝送線路層と、第２伝送線路層との間に配置されている。このビアは、第１伝送線路層における接続点と、第２伝送線路層における接続点とを電気的に接続する。
特許４３３５６３３号 特開２０１１−５５１５２号公報 特開２０１１−６６８３９号公報
Ｐ． Ｃｏｌａｎｔｏｎｉｏ， Ｆ．Ｇｉａｎｎｉ， Ｒ． Ｇｉｏｆｒｅ， Ｅ． Ｌｉｍｉｔｉ， Ａ． Ｓｅｒｉｎｏ， Ｍ． Ｐｅｒｏｎｉ， Ｐ． Ｒｏｍａｎｉｎｉ， ａｎｄ Ｃ． Ｐｒｏｉｅｔｔｉ， "Ａ Ｃ−ｂａｎｄ ｈｉｇｈ０ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ−ｔｕｎｅｄ ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｎ ＧａＮ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍｉｃｒｏｗ． Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ．， ｖｏｌ． ５４， ｎｏ．６ ｐｐ． ２７１３−２７２２． Ｊｕｎｅ ２００６ Ｙ． Ｈａｏ， Ｌ． Ｙａｎｇ， Ｘ． Ｍａ， Ｊ． Ｍａ， Ｍ． Ｃａｏ， Ｃ． Ｐａｎ， Ｃ． Ｗａｎｇ， ａｎｄ Ｊ． Ｚｈａｎｇ， "Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｇａｔｅ−Ｒｅｃｅｓｓｅｄ ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ ＭＯＳ−ＨＥＭＴ Ｗｉｔｈ ７３％ Ｐｏｗｅｒ−Ａｄｄｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ"， ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ３２， ｎｏ． ５， ｐｐ． ６２６−６２８． Ｍａｙ ２０１１ Ｒ． Ｎｅｇｒａ， ａｎｄ Ｗ． Ｂａｃｈｔｏｌｄ， "ＢｉＣＭＯＳ ＭＭＩＣ ｃｌａｓｓ−Ｅ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ５ ｔｏ ６ＧＨｚ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ"， ｉｎ Ｐｒｏｃ． ３５ｔｈ Ｅｕｒ． Ｍｉｃｒｏｗ． Ｃｏｎｆ．， Ｐａｒｉｓ， Ｆｒａｎｃｅ， Ｏｃｔ． ２００５， ｐｐ． ４４５−４４８． Ｙ． Ｔｓｕｙａｍａ， Ｋ． Ｙａｍａｎａｋａ， Ｋ． Ｎａｍｕｒａ， Ｓ． Ｃｈａｋｉ， ａｎｄ Ｎ． Ｓｈｉｎｏｈａｒａ， "Ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ−ｍａｔｃｈｅｄ ＧａＮ ＨＥＭＴ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｙ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ＳＰＳ"， ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔ． Ｍｉｃｒｏｗ． Ｗｏｒｋｓ． Ｄｉｇ．， Ｋｙｏｔｏ， Ｊａｐａｎ， Ｍａｙ ２０１１， ｐｐ．４１−４４． Ｋ． Ｋｕｒｏｄａ， Ｒ． Ｉｓｈｉｋａｗａ， Ｋ． Ｈｏｎｊｏ， "Ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ａ Ｃ−ｂａｎｄ ＧａＮ ＨＥＭＴ ｃｌａｓｓ−Ｆ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍｉｃｒｏｗ． Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ．， ｖｏｌ． ５８， ｎｏ． １１ ｐｐ．２７４１−２７５０， Ｎｏｖ． ２０１０．
このように、Ｆ級増幅器および逆Ｆ級増幅器は、きわめて優れた電力効率を実現するものである。しかし、実際には、電流および電圧を完全に分離するためには、高調波成分として大きな振幅が必要となり、すなわち、高周波性能のより高いトランジスタが必要となる。また、Ｆ級増幅器および逆Ｆ級増幅器は、回路損失の影響を受けやすいので、特にマイクロ波帯域では理想状態の実現が比較的困難となる場合がある。
本発明の目的は、マイクロ波帯域を含む高周波帯域においても比較的実現しやすい高効率電力増幅器を提供することである。
以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明による高効率電力増幅器は、トランジスタ（１０）と、出力電力処理回路部（３０）とを具備する。ここで、トランジスタ（１０）は、電流および電圧に基本角周波数成分を有する入力電力を増幅して出力電力を出力する。出力電力処理回路部（３０）は、トランジスタ（１０）の後段に接続されている。出力電力処理回路部（１０）は、出力整合回路部（３２）と、出力高調波処理回路部（３１）とを具備する。ここで、出力整合回路部（３２）は、出力電力の基本角周波数成分におけるインピーダンス整合を行う。出力高調波処理回路部（３１）は、出力電力のうち、基本角周波数の整数倍である複数の高調波角周波数をそれぞれ有する複数の高調波成分を無効電力化するように形成されている。出力高調波処理回路部（３１）は、複数の高調波成分のうち少なくとも１つにおいて、無効電力化を、出力電力における電流および電圧の位相を直交させることで実現するように形成されている。
本発明による高効率電力増幅器では、トランジスタの後段に、出力電力の高調波成分を無効電力化する出力電力処理回路部を設けている。この出力電力処理回路部は、高調波成分の少なくとも一部を、その電流および電圧の位相を直交させることで無効電力化する。これにより、マイクロ波帯域を含む高周波帯域においても比較的容易に高効率の電力増幅器を実現することが出来る。
図１Ａは、Ｆ級増幅器の、トランジスタに流れ込む電流と、トランジスタの出力端子に生じる電圧とにおける時間変化の一例を示すグラフ群である。 図１Ｂは、高調波毎に位相が直交するときの、トランジスタに流れ込む電流と、トランジスタの出力端子に生じる電圧とにおける時間変化の一例を示すグラフ群である。 図２は、本発明の実施形態による高効率電力増幅器の基本的な構成を示す回路図である。 図３は、本発明の実施形態による高効率電力増幅器の構成の実装例を示す回路図である。 図４Ａは、本発明の実施形態による入力電力処理回路部の平面図である。 図４Ｂは、本発明の実施形態による出力電力処理回路部の平面図である。 図５は、本発明の実施形態による高効率電力増幅器の特性を測定して得られた結果を示すスミスチャートである。 図６は、本発明の実施形態による高効率電力増幅器の、５．７Ｇｈｚ帯における電力効率を測定した結果を示すグラフ群である。
添付図面を参照して、本発明による高効率電力増幅器を実施するための形態を以下に説明する。
（実施形態）
トランジスタ内の消費電力を抑制する手法として、Ｆ級増幅器や逆Ｆ級増幅器のように、トランジスタに流れ込む電流と、トランジスタの出力端子に生じる電圧とを時間領域で分離してトランジスタによる消費電力を零化する手法のほかに、高調波の電流および電圧の位相を直交させて無効電力化する手法が考えられる。本発明による高効率電力増幅器では、高調波の電流および電圧の位相を直交させる手法を、Ｆ級増幅器や逆Ｆ級増幅器の手法に併せて利用することで、もしくは単独で利用することで、トランジスタ内の高調波消費電力の抑制を行う。
図１Ｂは、高調波毎に位相が直交するときの、トランジスタに流れ込む電流と、トランジスタの出力端子に生じる電圧とにおける時間変化の一例を示すグラフ群である。図１Ｂのグラフ群は、トランジスタに流れ込む電流を示す第１のグラフ１Ｂｉと、トランジスタの出力端子に生じる電圧を示す第２のグラフ１Ｂｖとを含んでいる。図１Ｂにおいて、横軸は基本周波数の周期を単位とした時間経過を示しており、縦軸は電流および電圧の振幅を示している。第１のグラフ１Ｂｉに示す電流ｉｄ（ｔ）と、第２のグラフ１Ｂｖに示す電圧ｖｄｓ（ｔ）とは、以下の式（２）によって表される。
Figure 0005979559
 なお、上記式（２）は、より現実的な以下の式（３）において、位相差「Φ」がゼロである場合を表している。
Figure 0005979559
図１Ｂの例に示したように、電流にも、電圧にも、ゼロレベルを保つ期間は特に無い。しかし、電流および電圧を積算したトランジスタ内消費電力の時間積分はゼロになり、すなわち理論的には１００％の電力効率を有する電力増幅器が得られる。ただし、本発明の高効率電力増幅器では、所望の基本波以外の高調波のそれぞれにおいて、電流および電圧の位相差が、理想的な値である±９０°から多少ずれていても、後述するように、ドレーン効率が実測で９０％を超える極めて高い電力効率が得られた。
図２は、本発明の実施形態による高効率電力増幅器の基本的な構成を概念的に示す回路図である。図２に示された高効率電力増幅器の構成要素について説明する。図２に示された高効率電力増幅器は、トランジスタ１０と、電源回路部２０と、出力電力処理回路部３０と、入力部５０と、出力部６０とを具備している。
電源回路部２０は、電源２１と、インピーダンス回路部２２とを具備している。トランジスタ１０は、ドレーン１１と、ゲート１２と、ソース１３とを具備している。出力電力処理回路部３０は、出力高調波処理回路部３１と、出力整合回路部３２とを具備している。
なお、図２の例では、トランジスタ１０としてＧａＮ（窒化ガリウム）ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高電子移動度トランジスタ）を用いているが、本発明はこの例に限定されない。例えば、トランジスタ１０として、バイポーラトランジスタや、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：金属酸化膜半導体）ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）などを用いても良い。ただし、その場合は必要に応じて周囲の回路を適宜に変更するものとする。
図２に示した高効率電力増幅器の構成要素の接続関係について説明する。入力部５０は、トランジスタ１０のゲート１２に接続されている。電源２１における一方の端部は、接地されている。電源２１における他方の端部は、インピーダンス回路部２２における一方の端部に接続されている。インピーダンス回路部２２における他方の端部は、トランジスタ１０のドレーン１１と、出力高調波処理回路部３１の入力部とに共通接続されている。トランジスタ１０のソース１３は、接地されている。出力高調波処理回路部３１の出力部は、出力整合回路部３２の入力部に接続されている。出力整合回路部３２の出力部は、出力部６０に接続されている。なお、図２では、出力整合回路部３２は接地されているが、接地されていなくても良い。また、出力部６０は、図２に示したように、外部の負荷４０に接続されていても良い。
図２に示した高効率電力増幅器の動作について説明する。トランジスタ１０は、ゲート１２から、基本角周波数ω０を有する入力電力を入力する。トランジスタ１０は、電源回路部２０から電力を供給されつつ、入力電力を増幅し、増幅された出力電力をドレーン１１から出力する。ここで、図２でドレーン１１を流れる電流２ｉは、出力電力の電流ｉｄ（ｔ）を示し、同じく図２でドレーン１１およびソース１３の間の電圧２ｖは、出力電力の電圧ｖｄｓ（ｔ）を示している。
このとき、トランジスタ１０から出力される出力電力には、基本角周波数ω０を有する基本波成分のみならず、基本角周波数ω０の整数倍の角周波数を有する高調波成分もが含まれているのが一般的である。これらの高調波成分が増幅器内で消費されてしまうと、増幅器の効率が低下してしまう。
そこで、本実施形態による出力高調波処理回路部３１は、トランジスタ１０の後段に接続されて、出力電力の高調波成分の大部分を無効電力化する。図２に示した例では、出力高調波処理回路部３１は、第１〜第３の高調波処理回路部を含んでいる。ここで、第１の高調波処理回路部は、出力電力のうち、基本角周波数ω０の２倍の角周波数２ω０を有する２次高調波成分を無効電力化する。同様に、第２の高調波処理回路部は、出力電力のうち、基本角周波数ω０の３倍の角周波数３ω０を有する３次高調波成分を無効電力化する。さらに、第３の高調波処理回路部は、出力電力のうち、基本角周波数ω０の４倍の角周波数４ω０を有する４次高調波成分を無効電力化する。なお、無効電力化された高調波成分は、高効率電力増幅器の内部で消費される訳ではなく、最終的には基本波成分として出力されるので、無効電力化は電力増幅の効率向上に寄与することになる。
なお、これらの高調波処理回路部が、どの高調波成分を無効電力化するかは、自由に選択可能であって、上記に説明で用いた例は本発明を限定しない。高調波ごとの振幅は、トランジスタ１０の特性に大きく依存するので、当然ながら、無効電力化する対象として振幅の大きい高調波を優先的に選ぶことが望ましい。あえて極端な例を挙げれば、偶数次高調波成分ばかりを無効電力化しても構わない。
従来技術では、これらの高調波成分の消費電力を抑制するにあたって、高調波ごとに、電圧および電流が交互にゼロレベルとなるように調整する、Ｆ級増幅器や逆Ｆ級増幅器の手法が用いられている。本発明は、この手法を否定するものでは決してないが、高調波成分の抑制をさらに推し進めるために、高調波ごとに、電圧および電流の位相が直交するように調整する無効電力化の手法を、高調波の一部または全てに導入する。すなわち、制御対象として選んだ高調波のうち、その一部については電圧および電流の位相を直交させることで無効電力化し、残りについてはＦ級増幅器や逆Ｆ級増幅器の手法を用いてトランジスタ内での消費電力を零化する。例えば、４次以降の高調波成分については電圧および電流の位相を直交させることで無効電力化し、２次および３次の高調波成分についてはＦ級増幅器や逆Ｆ級増幅器の手法を用いてトランジスタ内での消費電力を零化する。あるいは、奇数次（偶数次）の高調波成分については電圧および電流の位相を直交させることで無効電力化し、偶数次（奇数次）の高調波成分についてはＦ級増幅器や逆Ｆ級増幅器の手法を用いてトランジスタ内での消費電力を零化する。もしくは、制御対象として選んだ高調波の全てを、電圧および電流の位相を直交させることで無効電力化しても良い。
高調波成分の消費電力の抑制に２種類の手法を混在させることで、出力高調波処理回路部３１または出力電力処理回路部３０の設計にさらなる自由度をもたらす効果も得られる。特に、Ｆ級増幅または逆Ｆ級増幅の消費電力零化にマイクロストリップ線路を用いる場合は、複数の先端開放型スタブを同一の接続点に集める必要が生じる場合があり、それらの配置には幾何学的な困難が発生し得る。ここで、先端開放型スタブを接続するべき位置は、所望の基本波成分の電気長に換算して、トランジスタ１０の出力部（図３の場合はドレーン１１）から４分の１波長の距離にある。この距離は、厳密には、トランジスタ１０の寄生容量を考慮して、４分の１波長より多少短い。しかし、電流および電圧の位相を直交するためにマイクロストリップ線路を用いる場合は、複数の先端開放型スタブを、主線路部３４の任意の位置にそれぞれ配置した複数の接続点に分散することが可能であり、それらの配置に幾何学的な困難が発生しにくい。
出力整合回路部３２は、出力電力の基本波成分について、後段とのインピーダンス整合を行う。インピーダンス整合は、従来技術と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。ただし、出力整合回路部３２は、必要に応じて出力高調波処理回路部３１と一体化して出力電力処理回路部３０を構成しても構わない。
位相が直交するような調整によって、全ての高調波において電流および電圧の位相差が±９０度に保たれることが理想的である。この場合、理論的な効率は１００％となる。ただし、実際には、効率をいくらか犠牲にすることで、位相差に多少の誤差を許容するものとする。その許容範囲は、基本波の振幅と、各次高調波の振幅との比率などに依存する。
基本波成分の位相差がゼロである場合には、直流投入電力を増やせば良い。一方、直流投入電力が与条件である場合には、基本波成分の位相差を調整すれば良い。
トランジスタ１０を、出力等価電流源を含む等価回路として考える場合、出力電力の基本波成分についてインピーダンス整合を行うことで、この出力等価電流源から負荷４０側を見たインピーダンスは、基本波においては共役整合となる。また、出力電力の高調波成分について無効電力化を行うことで、この出力等価電流源から負荷４０側を見たインピーダンスは、この高調波成分において純リアクタンスとなる。
トランジスタ１０の出力等価電流源から、出力電力処理回路部３０の後段側を見たインピーダンスが、無効電力化を施された高調波成分については純リアクタンスとなり、かつ、基本波成分については直流投入電力に等しい有効電力成分に相当する力率に設定されているようにしても良い。
図３は、本発明の実施形態による高効率電力増幅器の実装例を示す回路図である。図３の高効率電力増幅器は、図２に示した本発明の実施形態による高効率電力増幅器に、２つの変更を加えたものに等しい。第１の変更点は、本発明の実施形態による出力電力処理回路部３０を具体化し、マイクロストリップ線路などの分布定数回路で形成した出力電力処理回路部３３としたことである。第２の変更点は、トランジスタ１０のゲート１２と、入力部５０との間に、マイクロストリップ線路などの分布定数回路で形成した入力電力処理回路部７０を追加したことである。
なお、図３では、簡単のために、電源２１と、外部の負荷４０とを省略している。本実施形態による高効率電力増幅器におけるその他の構成については、図２に示した本発明の実施形態の場合と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。
図４Ａは、本発明の実施形態の実装例による入力電力処理回路部７０の平面図である。図４Ａに示した入力電力処理回路部７０は、主線路部７１と、入力基本波整合回路部７２と、入力高調波処理回路部７３とを具備している。ここで、入力基本波整合回路部７２と、入力高調波処理回路部７３とは、先端開放スタブである。
主線路部７１は、一方の端部が入力部５０に接続されており、他方の端部がトランジスタ１０のゲート１２に接続されている。入力基本波整合回路部７２は、一方の端部が主線路部７１に接続されている。入力高調波処理回路部７３は、一方の端部が主線路部７１に接続されている。ここで、主線路部７１において、入力部５０との接続部と、入力基本波整合回路部７２との接続部と、入力高調波処理回路部７３との接続部と、トランジスタ１０のゲート１２との接続部とは、この順番に配置されている。
入力基本波整合回路部７２は、入力部５０から供給される入力電力のうち、所望の基本角周波数ω０を有する基本波成分について、インピーダンス整合を行う。
入力高調波処理回路部７３は、トランジスタ１０の出力側に生じた電圧の２次の高調波成分のうち、トランジスタ１０内にある帰還容量を介したトランジスタ１０の入力側への帰還成分に対して位相調整を行う。ここで、対象を２次高調波成分に絞っているのは、基本波成分を除いた高調波成分のうち、振幅が大きいため、効果が一番大きいことが一般的に期待されるからである。したがって、２次高調波成分よりも大きい振幅を有する高次高調波が存在するなら、２次高調波成分の代わりにこの高次高調波成分を位相調整の対象とすることが好ましい。このように、入力高調波処理回路部７３は、２よりも高次の高調波を取り扱っても構わないし、また、複数の高次高調波成分を位相調整するために複数の入力高調波処理回路部７３を設けても構わない。なお、図４Ａの例では、入力高調波処理回路部７３の形状は扇型であるが、これはあくまでも一例であって本発明を限定しない。
図４Ｂは、本発明の実施形態の実装例による出力電力処理回路部３３の平面図である。図４Ｂに示した出力電力処理回路部３３は、主線路部３４と、第１の出力高調波処理回路部３５と、第２の出力高調波処理回路部３６と、第３の出力高調波処理回路部３７と、出力基本波整合回路部３８とを具備している。ここで、第１の出力高調波処理回路部３５と、第２の出力高調波処理回路部３６と、第３の出力高調波処理回路部３７と、出力基本波整合回路部３８とは、それぞれ先端開放スタブである。
主線路部３４は、一方の端部がトランジスタ１０のドレーン１１に接続されており、他方の端部が出力部６０に接続されている。第１の出力高調波処理回路部３５と、第２の出力高調波処理回路部３６と、第３の出力高調波処理回路部３７とは、それぞれにおける一方の端部が、主線路部３４における共通接続部に共通接続されている。出力基本波整合回路部３８は、一方の端部が主線路部３４に接続されている。ここで、主線路部３４において、トランジスタ１０のドレーン１１との接続部と、第１〜第３の出力高調波処理回路部３５〜３７との共通接続部と、出力基本波整合回路部３８との接続部と、出力部６０との接続部とは、この順番に配置されている。
なお、共通接続部に共通接続された複数の出力高調波処理回路部３５〜３７と、この共通接続部の両側に伸びる主線路部３４の両部分は、相互の影響を抑えるために、なるべく等角度で接続されていることが望ましい。
図４Ａに示した入力電力処理回路部７０と、図４Ｂに示した出力電力処理回路部３３とを製作し、その特性を測定した結果について説明する。
図５は、本発明の実施形態の実装例による高効率電力増幅器の特性を測定して得られた結果を示すスミスチャートである。図５のスミスチャートには、理論値を表す合計４個の点５１ａ、５２ａ、５３ａおよび５４ａと、実測地を表す合計４個の点５１ｂ、５２ｂ、５３ｂおよび５４ｂとが示されている。点５１ａは、基本波成分の理論値を表す。点５２ａは、２次高調波成分の理論値を表す。点５３ａは、３次高調波成分の理論値を表す。点５４ａは、４次高調波成分の理論値を表す。点５１ｂは、基本波成分の実測値を表す。点５２ｂは、２次高調波成分の実測値を表す。点５３ｂは、３次高調波成分の実測値を表す。点５４ｂは、４次高調波成分の実測値を表す。
これらの点５１ｂ、５２ｂ、５３ｂおよび５４ｂからは、電圧Ｖｎと、電流Ｉｎと、電圧Ｖｎおよび電流Ｉｎの位相差θｎとが読み取れる。ここで、ｎは１〜４の整数を表し、１は基本波成分を示し、２〜４は２次〜４次高調波成分を示す。基本波成分および２次〜４次高調波成分のそれぞれにおける電圧Ｖｎと、電流Ｉｎと、位相差θｎとの実測値を、下記の「表１」に示す。なお、下記の「表１」には、図５のスミスチャートに示されない５次高調波成分も示されている。
Figure 0005979559
「表１」から読み取れるように、出力電力の無効電力化が施されている２次〜４次高調波成分については、電圧および電流の位相差の絶対値が８６．７°〜９９°の範囲に収まっており、すなわちほぼ直交していることが確認される。言い換えれば、電圧および電流の位相差の絶対値が９０°であれば、力率がゼロになり完全に無効電力化されるが、２次〜４次高調波成分はこの状態に近い。しかし、無効電力化の対象外である５次高調波成分についてはこの限りではない。すなわち、電圧および電流の位相差の絶対値がゼロまたは１８０°であれば、力率が１００％になり完全に有効電力化されるが、５次高調波成分はこの状態に近い。また、所望の基本波成分については、電圧および電流の位相差の絶対値が１２０．４°であり、無効電力化されていないことが確認される。この位相差は、有効電力と無効電力の入り混じった状態を表し、現実的には十分に効果があると言える。
図６は、本発明の実施形態の実装例による高効率電力増幅器の、５．７Ｇｈｚ帯における電力効率を測定した結果を示すグラフ群である。図６のグラフ群は、第１〜第３のグラフ６ａ〜６ｃを含んでいる。第１のグラフ６ａは、入力電力Ｐｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔをデシベル（ｄＢｍ）で表している。第２のグラフ６ｂは、入力電力Ｐｉｎに対する付加電力効率ＰＡＥをパーセント（％）で表している。第３のグラフ６ｃは、入力電力Ｐｉｎに対するドレーン効率ηＤをパーセント（％）で表している。
図６の測定では、９０．７％のドレーン効率と、７９．５％の付加電力効率とが、５．７ＧＨｚ帯で得られた。この結果を、従来技術による電力増幅器の場合と比較する。下記の「表２」は、本発明の実施形態の実装例による高効率電力増幅器の測定結果と、第１〜第５の従来技術による電力増幅器の測定結果とを示している。
Figure 0005979559
上記の「表２」において、第１の従来技術は、「Ｐ． Ｃｏｌａｎｔｏｎｉｏ， Ｆ．Ｇｉａｎｎｉ， Ｒ． Ｇｉｏｆｒｅ， Ｅ． Ｌｉｍｉｔｉ， Ａ． Ｓｅｒｉｎｏ， Ｍ． Ｐｅｒｏｎｉ， Ｐ． Ｒｏｍａｎｉｎｉ， ａｎｄ Ｃ． Ｐｒｏｉｅｔｔｉ， “Ａ Ｃ−ｂａｎｄ ｈｉｇｈ０ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ−ｔｕｎｅｄ ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｎ ＧａＮ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍｉｃｒｏｗ． Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ．， ｖｏｌ． ５４， ｎｏ．６ ｐｐ． ２７１３−２７２２． Ｊｕｎｅ ２００６」に記載されている。第２の従来技術は、「Ｙ． Ｈａｏ， Ｌ． Ｙａｎｇ， Ｘ． Ｍａ， Ｊ． Ｍａ， Ｍ． Ｃａｏ， Ｃ． Ｐａｎ， Ｃ． Ｗａｎｇ， ａｎｄ Ｊ． Ｚｈａｎｇ， “Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｇａｔｅ−Ｒｅｃｅｓｓｅｄ ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ ＭＯＳ−ＨＥＭＴ Ｗｉｔｈ ７３％ Ｐｏｗｅｒ−Ａｄｄｅｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ”， ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ３２， ｎｏ． ５， ｐｐ． ６２６−６２８． Ｍａｙ ２０１１」に記載されている。第３の従来技術は、「Ｒ． Ｎｅｇｒａ， ａｎｄ Ｗ． Ｂａｃｈｔｏｌｄ， “ＢｉＣＭＯＳ ＭＭＩＣ ｃｌａｓｓ−Ｅ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ５ ｔｏ ６ＧＨｚ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ”， ｉｎ Ｐｒｏｃ． ３５ｔｈ Ｅｕｒ． Ｍｉｃｒｏｗ． Ｃｏｎｆ．， Ｐａｒｉｓ， Ｆｒａｎｃｅ， Ｏｃｔ． ２００５， ｐｐ． ４４５−４４８．」に記載されている。第４の従来技術は、「Ｙ． Ｔｓｕｙａｍａ， Ｋ． Ｙａｍａｎａｋａ， Ｋ． Ｎａｍｕｒａ， Ｓ． Ｃｈａｋｉ， ａｎｄ Ｎ． Ｓｈｉｎｏｈａｒａ， “Ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ−ｍａｔｃｈｅｄ ＧａＮ ＨＥＭＴ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｙ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ＳＰＳ”， ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔ． Ｍｉｃｒｏｗ． Ｗｏｒｋｓ． Ｄｉｇ．， Ｋｙｏｔｏ， Ｊａｐａｎ， Ｍａｙ ２０１１， ｐｐ．４１−４４．」に記載されている。第５の従来技術は、「Ｋ． Ｋｕｒｏｄａ， Ｒ． Ｉｓｈｉｋａｗａ， Ｋ． Ｈｏｎｊｏ， “Ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ａ Ｃ−ｂａｎｄ ＧａＮ ＨＥＭＴ ｃｌａｓｓ−Ｆ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍｉｃｒｏｗ． Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ．， ｖｏｌ． ５８， ｎｏ． １１ ｐｐ．２７４１−２７５０， Ｎｏｖ． ２０１０．」に記載されている。
上記の「表２」から読み取れるように、ドレーン効率で比較すると、従来技術の中で最高値だった７９．９％（第５の従来技術）を、本発明の実施形態の実装例による高効率電力増幅器では、実に１０％以上もの大幅な改善が実現されている。
本発明の実施形態による高効率電力増幅器の他の実装例としては、図２に示した本発明の実施形態による高効率電力増幅器に、次の変更を加えたバリエーションもある。すなわち、出力電力処理回路部を、キャパシタやインダクタンスなどの集中定数回路を用いて形成する。本実施形態による高効率電力増幅器のその他の構成および動作は、図２に示した本発明の実施形態の場合と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。
上記のような変更を加えることで、本実施形態による高効率電力増幅器は、メガヘルツ帯域を用いる電気自動車の非接触型充電システムにおける電力送信装置などでも利用し易くなる。
以上に説明した本発明の各実施形態は、技術的に矛盾しない範囲において、自由に組み合わせることが可能である。例えば、図３に示した実施形態の実装例による高効率電力増幅器において、入力電力処理回路部と、出力電力処理回路部とを、実施形態の他の実装例で説明した集中定数回路を用いて形成しても構わない。

Claims (14)

  1. 電流および電圧に基本角周波数を有する基本波成分を含む入力電力を増幅して出力電力を出力するトランジスタと、
    前記トランジスタの後段に接続された出力電力処理回路部と
    を具備し、
    前記出力電力処理回路部は、
    前記出力電力の基本波成分におけるインピーダンス整合を行う出力整合回路部と、
    前記出力電力のうち、前記基本角周波数の整数倍である複数の高調波角周波数をそれぞれ有する複数の高調波成分を無効電力化するように形成された出力高調波処理回路部と
    を具備し、
    前記出力高調波処理回路部は、前記複数の高調波成分のうち少なくとも１つにおいて、前記無効電力化を、前記出力電力における電流および電圧の位相を直交させることで実現するように形成されている
    高効率電力増幅器。
  2. 請求項１に記載の高効率電力増幅器において、
    前記出力高調波処理回路部は、
    所定の次数の高調波で短絡することで前記所定の次数の高調波成分における前記無効電力化を実現する位相調整回路部
    を具備する
    高効率電力増幅器。
  3. 請求項２に記載の高効率電力増幅器において、
    前記出力高調波処理回路部は、
    他の次数の高調波で短絡することで前記他の次数の高調波成分における前記無効電力化を実現する他の位相調整回路部
    をさらに具備し、
    前記出力電力処理回路部は、
    前記トランジスタの出力部と、後段の負荷との間に接続された主線路部
    をさらに具備し、
    前記位相調整回路部と、前記他の位相調整回路とは、前記主線路部における複数の接続点にそれぞれ接続されている
    高効率電力増幅器。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の高効率電力増幅器において、
    前記トランジスタの出力等価電流源から、前記出力電力処理回路部の後段側を見たインピーダンスが、前記基本波成分については共役整合されていて、かつ、前記無効電力化を施された前記高調波成分については純リアクタンスとなる
    高効率電力増幅器。
  5. 請求項１〜３のいずれかに記載の高効率電力増幅器において、
    前記トランジスタの出力等価電流源から、前記出力電力処理回路部の後段側を見たインピーダンスが、前記無効電力化を施された前記高調波成分については純リアクタンスとなり、かつ、前記基本波成分については直流投入電力に等しい有効電力成分に相当する力率に設定されている
    高効率電力増幅器。
  6. 請求項１〜３のいずれかに記載の高効率電力増幅器において、
    前記無効電力化される前記複数の高調波成分は、
    前記基本角周波数の２倍の角周波数を有する２次高調波成分と、
    前記基本角周波数の３倍の角周波数を有する３次高調波成分と、
    前記基本角周波数の４倍の角周波数を有する４次高調波成分と
    を含む
    高効率電力増幅器。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の高効率電力増幅器において、
    前記出力高調波処理回路部は、
    前記基本波成分の実質的な電気長に換算して前記トランジスタの出力部から４分の１波長離れた位置に接続されて、前記複数の高調波成分のうちの少なくとも１つについて、前記少なくとも１つの高調波成分における電圧または電流の一方の振幅をゼロレベルにするように形成された先端開放型スタブ
    を具備する
    高効率電力増幅器。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の高効率電力増幅器において、
    前記出力高調波処理回路部は、
    前記複数の高調波の少なくとも１つを無効電力化する分布定数回路部
    を具備する
    高効率電力増幅器。
  9. 請求項８に記載の高効率電力増幅器において、
    前記分布定数回路部は、
    無効電力化される高調波の１／４波長の電気長を有する先端開放スタブ
    を具備する
    高効率電力増幅器。
  10. 請求項８に記載の高効率電力増幅器において、
    前記分布定数回路部は、
    無効電力化される複数の高調波のそれぞれにおける１／４波長の電気長を有する複数の先端開放スタブを具備し、
    前記複数の先端開放スタブのそれぞれにおける一方の端部は、前記出力高調波処理回路部における一点に共通接続されている
    高効率電力増幅器。
  11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の高効率電力増幅器において、
    前記トランジスタの前段に接続された入力電力処理回路部
    をさらに具備し、
    前記入力電力処理回路部は、
    前記基本波電力のインピーダンス整合を行う入力整合回路部と、
    前記複数の高調波電力のうち少なくとも１つにおいて、無効電力化を行う入力高調波処理回路部と
    を具備する
    高効率電力増幅器。
  12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の高効率電力増幅器において、
    前記トランジスタは、
    ＧａＮ（窒化ガリウム）ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）
    を具備する
    高効率電力増幅器。
  13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の高効率電力増幅器において、
    前記出力高調波処理回路部は、
    前記複数の高調波電力の少なくとも１つを無効電力化する集中定数回路部
    を具備する
    高効率電力増幅器。
  14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の
    出力高調波処理回路部。
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