JP6482685B2 - 高周波増幅器及び増幅器モジュール - Google Patents
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Description
トランジスタの入出力端子に高調波整合回路が接続されているため、高効率な動作を実現することができる。
また、この発明は、上記の高周波増幅器を複数実装している増幅器モジュールを得ることを目的とする。
図1はこの発明の実施の形態1による高周波増幅器を示す構成図である。
図1では、2つのトランジスタが縦続に接続されている高周波増幅器の例を示しているが、3つ以上のトランジスタが縦続に接続されている高周波増幅器であってもよい。
図1において、トランジスタ1は信号を増幅する前段側のトランジスタである。
トランジスタ2はトランジスタ1により増幅された信号を増幅する後段側のトランジスタである。
この実施の形態1では、トランジスタ1,2がバイポーラトランジスタである例を説明する。図1では、トランジスタ1,2の入力端子がベース端子1a,2a、トランジスタ1,2の出力端子がコレクタ端子1b,2bであり、トランジスタ1,2のエミッタ端子1c,2cがグランドと接続されている例を示している。ただし、トランジスタ1,2の入力端子及び出力端子の接続形態はあくまで一例である。
この実施の形態1では、トランジスタ1,2がバイポーラトランジスタである例を説明するが、トランジスタ1,2がバイポーラトランジスタであるものに限るものではなく、例えば、電界効果トランジスタなどであってもよい。例えば、トランジスタ1,2が電界効果トランジスタであれば、トランジスタ1,2の入力端子がゲート端子、トランジスタ1,2の出力端子がドレイン端子、トランジスタ1,2のソース端子がグランドと接続される接続形態などが考えられる。
高調波供給回路3の回路構成として、例えば、トランジスタ1により増幅された信号に含まれている高調波の周波数で、トランジスタ1の出力インピーダンスと、トランジスタ2の入力インピーダンスとの整合を図る高調波整合回路などが考えられる。
基本波供給回路4の回路構成として、例えば、トランジスタ1により増幅された信号に含まれている基本波の周波数で、トランジスタ1の出力インピーダンスと、トランジスタ2の入力インピーダンスとの整合を図る基本波整合回路などが考えられる。
図1では、バイアス回路5が、トランジスタ2のベース端子2aと接続されている例を示しているが、トランジスタ1とトランジスタ2の間であれば、接続箇所はどこでもよく、例えば、トランジスタ1のコレクタ端子1bと接続されていてもよい。
トランジスタ1は、増幅対象の信号であるRF(radio frequency)信号が入力端子であるベース端子1aから入力されると、そのRF信号を増幅し、出力端子であるコレクタ端子1bから増幅後のRF信号を出力する。
基本波供給回路4は、トランジスタ1のコレクタ端子1bから増幅後のRF信号を受けると、そのRF信号に含まれている高調波の通過を阻止して、そのRF信号に含まれている基本波を後段側のトランジスタ2のベース端子2aに供給する。
F級増幅器や逆F級増幅器などの高効率増幅器では、増幅素子であるトランジスタの出力側に高調波の電力を反射させる反射回路を備えており、その反射回路が、トランジスタの非線形性に起因して生じる高調波の電力をトランジスタ側に反射させ、トランジスタが、RF信号を増幅する際、その高調波の電力を利用することで、高効率な動作を実現している。
高効率増幅器では、入力端子から電流がトランジスタに供給されている際に、そのトランジスタの出力端子に現れる電圧と、その電流との積である電力が最小になるときに、最も高効率な動作が実現される。即ち、その電流の波形と、その電圧の波形との重なりが最小になるときに、最も高効率な動作が実現される。
このとき、矩形波f(x)の基本波及び高調波の成分をフーリエ級数で展開すると、下記の式(1)のようになる。
式(1)において、xは基本波の位相である。
したがって、トランジスタ2が、入力端子であるベース端子2aから入力される基本波と比べて、振幅が3分の1である3倍波の高調波が入力されるときに、高効率な動作が実現される。
したがって、トランジスタ1とトランジスタ2の段間に、高調波供給回路3が接続されていなければ、トランジスタ2を高効率で動作させることが困難であるが、この実施の形態1では、前段側のトランジスタ1により増幅されたRF信号に含まれている高調波をトランジスタ2のベース端子2aに供給する高調波供給回路3がトランジスタ1とトランジスタ2の段間に接続されているため、3倍波の高調波の振幅を、基本波の振幅の3分の1に近づけて、トランジスタ2の効率を高めることができる。
上記実施の形態1では、トランジスタ2のベース端子2aにバイアス電圧を印加するバイアス回路5が、トランジスタ2のベース端子2aと接続されているものを示したが、バイアス回路が基本波供給回路の内部に実装されているものであってもよい。
基本波供給回路10は高調波供給回路3と並列に接続されており、図1の基本波供給回路4と同様に、前段側のトランジスタ1により増幅されたRF信号に含まれている高調波の通過を阻止して、そのRF信号に含まれている基本波を後段側のトランジスタ2に供給する回路である。
基本波供給回路10は、図1の基本波供給回路4と異なり、内部にバイアス回路を実装している。
主線路11はトランジスタ1のコレクタ端子1bとトランジスタ2のベース端子2aとを繋いでいる線路である。
基本波整合回路12は例えば低域通過フィルタ、高域通過フィルタ又は帯域通過フィルタを含むフィルタ回路12a,12b、あるいは、それらのフィルタが組み合わされているフィルタ回路12a,12bから構成されており、トランジスタ1により増幅されたRF信号に含まれている基本波の周波数で、トランジスタ1の出力インピーダンスと、トランジスタ2の入力インピーダンスとの整合を図る回路である。
例えば、高調波の通過を阻止して、基本波の通過を許容する機能を有する基本波の波長の4分の1の長さを有する伝送線路、インピーダンス変換トランス、あるいは、インピーダンス変換バランなどから基本波整合回路12を構成することができる。
伝送線路13aは一端がフィルタ回路12aとフィルタ回路12bの接合点12cに接続され、トランジスタ1により増幅されたRF信号に含まれている基本波の波長の4分の1の長さを有する線路である。
DCカット回路13bは伝送線路13aの他端とグランド間に接続されて、直流成分を遮断する回路であり、例えば、コンデンサ、オープンスタブ、基本波の波長の4分の1より長い線路を有するショートスタブ、あるいは、インターデジタルキャパシタなどから構成される。
電源13cは伝送線路13aの他端とグランド間に接続されており、バイアス電圧を出力する。
基本波供給回路10以外は、上記実施の形態1と同様であるため、ここでは、基本波供給回路10について説明する。
基本波供給回路10の基本波整合回路12は、トランジスタ1により増幅されたRF信号に含まれている高調波の通過を阻止して、そのRF信号に含まれている基本波をトランジスタ2のベース端子2aに供給する回路である。
したがって、トランジスタ1のコレクタ端子1bから出力されたRF信号に含まれている高調波は、理想的には、基本波整合回路12を通過しないが、高調波の若干の電力が基本波整合回路12を通過する可能性がある。
このため、フィルタ回路12aとフィルタ回路12bの接合点12cに、偶数倍波の高調波についてのショート点が形成される。
したがって、トランジスタ1のコレクタ端子1bから出力されたRF信号に含まれている偶数倍波の高調波は、ショート点が形成されている接合点12cで反射されて、トランジスタ1のコレクタ端子1b側に戻るため、そのRF信号に含まれている偶数倍波の高調波がトランジスタ2のベース端子2aに供給されなくなる。
つまり、バイアス回路13は、偶数倍波の高調波の遮断機能を備えており、基本波整合回路12だけで基本波供給回路10を構成する場合よりも、偶数倍波の高調波の遮断性能を高めることができる。
この実施の形態2では、バイアス回路13が、偶数倍波の高調波の遮断機能を備えているものを示したが、例えば、オープンスタブを接合点12cに接続するなどによって、奇数倍波の高調波の遮断機能を備えるようにしてもよい。
上記実施の形態1,2では、高調波供給回路3が、トランジスタ1により増幅されたRF信号に含まれている高調波の周波数で、トランジスタ1の出力インピーダンスと、トランジスタ2の入力インピーダンスとの整合を図る高調波整合回路で構成されている例を示したが、その高調波整合回路と、高調波の位相を調整する位相調整器とから構成されているものであってもよい。
高調波供給回路20は高調波整合回路21と位相調整器22から構成されている。
高調波整合回路21は例えば高域通過フィルタなどから構成され、トランジスタ1により増幅されたRF信号に含まれている高調波の周波数で、トランジスタ1の出力インピーダンスと、トランジスタ2の入力インピーダンスとの整合を図る回路である。
位相調整器22は高調波整合回路21を通過した高調波の位相を調整する回路である。
上記実施の形態1,2では、電流波形又は電圧波形を矩形波f(x)に近づけて、トランジスタ2の動作効率を高めるために、RF信号に含まれている高調波をトランジスタ2のベース端子2aに供給する高調波供給回路3をトランジスタ1とトランジスタ2の段間に接続している。
しかし、トランジスタ2のベース端子2aに供給する高調波と基本波の位相差と、トランジスタ2の動作効率との間には一定の関係があるため、高調波の位相を調整すれば、さらに、トランジスタ2の動作効率を高めることができることがある。
図5において、横軸に示している∠Γs(2f0)は、RF信号に含まれている2倍波の高調波と基本波との位相差を示し、縦軸に示しているΔPAEはトランジスタ2の動作効率を示している。
位相差とトランジスタ2の動作効率との関係は、前段側のトランジスタ1のサイズや、RF信号の周波数などによって変化するが、図5の例では、位相差が約215[deg]のとき、トランジスタ2の動作効率が最高になっている。以下、トランジスタ2の動作効率が最高になるときの位相差を∠Γs,maxで表すものとする。
一般的に、高周波増幅器による増幅対象の信号であるRF信号に含まれている2倍波の高調波と基本波との位相差∠Γsは、設計段階で既知である。
このため、高調波整合回路21により調整された高調波の位相と、基本波との位相差∠Γs,modが、トランジスタ2の動作効率が最高になる位相差∠Γs,maxと一致するように、高調波整合回路21の位相調整量ΔMが事前に設定される。
ΔM=|∠Γs,mod−∠Γs| (2)
これにより、位相調整器22が事前に設定されている位相調整量ΔMだけ、高調波整合回路21を通過した高調波の位相をプラス方向又はマイナス方向に調整することで、位相差∠Γs,modが、トランジスタ2の動作効率が最高になる位相差∠Γs,maxと一致するようになる。
上記実施の形態3では、高周波増幅器が、高調波整合回路21と位相調整器22から構成されている高調波供給回路20を実装しているものを示したが、高調波供給回路20が、さらに、高調波の振幅を減衰させる高調波減衰器を備えるようにしてもよい。
高調波供給回路30は高調波整合回路21、位相調整器22及び高調波減衰器31から構成されている。
高調波減衰器31は位相調整器22により位相が調整された高調波の振幅を減衰させる回路である。
式(1)から明らかなように、5倍波以上の高調波を無視すると、トランジスタ2のベース端子2aに供給する3倍波の高調波の振幅が、基本波の振幅の3分の1であるときにトランジスタ2の動作効率が最も高くなり、3倍波の高調波の振幅が、基本波の振幅の3分の1よりも大きくなると、トランジスタ2の動作効率が低下する。
しかし、前段側のトランジスタ1のサイズが大きくて、トランジスタ1から出力されるRF信号の電力が大きい場合や、そのRF信号の周波数が低い場合などでは、トランジスタ1から出力されるRF信号に含まれている高調波の振幅が大きくなり、その結果、トランジスタ2のベース端子2aに供給される3倍波の高調波の振幅が、基本波の振幅の3分の1よりも大きくなることがある。
なお、高調波供給回路30が、高調波整合回路21を備えることで、トランジスタ2のベース端子2aにおいて、3倍波の高調波の振幅がどのぐらいの大きさになるかは、設計段階で既知である。このため、この実施の形態4では、3倍波の高調波の振幅が、基本波の振幅の3分の1と一致するような減衰量が高調波減衰器31に事前に設定されているものとする。
また、位相調整器22が高調波供給回路30に実装されておらず、高調波整合回路21の入力側又は出力側に高調波減衰器31が接続されているものであってもよい。
上記実施の形態1〜4では、後段側のトランジスタ2の高効率動作を実現することができる高周波増幅器を示したが、上記実施の形態1〜4のうち、いずれかの実施の形態の高周波増幅器を複数実装している増幅器モジュール、即ち、いずれかの実施の形態の高周波増幅器を複数直列に接続している信号線路や、いずれかの実施の形態の高周波増幅器が挿入されている信号線路を複数備えている増幅器モジュールを得るようにしてもよい。
Claims (5)
- 信号を増幅する前段側のトランジスタと、
前記前段側のトランジスタと縦続に接続されており、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている高調波を利用して、前記増幅後の信号を増幅する後段側のトランジスタと、
前記前段側のトランジスタと前記後段側のトランジスタとの段間に接続されており、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている基本波の通過を阻止して、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている高調波を前記後段側のトランジスタに供給する高調波供給回路と、
前記高調波供給回路と並列に接続されており、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている高調波の通過を阻止して、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている基本波を前記後段側のトランジスタに供給する基本波供給回路と
を備えた高周波増幅器。 - 前記基本波供給回路は、
前記前段側のトランジスタと前記後段側のトランジスタとを繋ぐ主線路に挿入され、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている基本波の周波数で、前記前段側のトランジスタの出力インピーダンスと、前記後段側のトランジスタの入力インピーダンスとの整合を図る基本波整合回路と、
前記主線路とシャントに接続され、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている高調波についてのショート点を前記主線路に形成するバイアス回路とを備えていることを特徴とする請求項1記載の高周波増幅器。 - 前記高調波供給回路は、
前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている高調波の周波数で、前記前段側のトランジスタの出力インピーダンスと、前記後段側のトランジスタの入力インピーダンスとの整合を図る高調波整合回路と、
前記高調波の位相を調整する位相調整器とを備えていることを特徴とする請求項1記載の高周波増幅器。 - 前記高調波供給回路は、
前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている高調波の周波数で、前記前段側のトランジスタの出力インピーダンスと、前記後段側のトランジスタの入力インピーダンスとの整合を図る高調波整合回路と、
前記高調波の振幅を減衰させる高調波減衰器とを備えていることを特徴とする請求項1記載の高周波増幅器。 - 信号を増幅する高周波増幅器を複数備えており、
前記高周波増幅器は、
信号を増幅する前段側のトランジスタと、
前記前段側のトランジスタと縦続に接続されており、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている高調波を利用して、前記増幅後の信号を増幅する後段側のトランジスタと、
前記前段側のトランジスタと前記後段側のトランジスタとの段間に接続されており、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている基本波の通過を阻止して、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている高調波を前記後段側のトランジスタに供給する高調波供給回路と、
前記高調波供給回路と並列に接続されており、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている高調波の通過を阻止して、前記前段側のトランジスタによる増幅後の信号に含まれている基本波を前記後段側のトランジスタに供給する基本波供給回路とを備えていることを特徴とする増幅器モジュール。
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