JP6585035B2 - 高効率を有するブロードバンド電力増幅器 - Google Patents

Description

本開示は概してブロードバンド増幅器に関し、より詳細には、高効率スイッチモードブロードバンド電力増幅器に関する。

従来の商用オフザシェルフ（ＣＯＴＳ：ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｏｆｆ−ｔｈｅ−ｓｈｅｌｆ）固体トランジスタ増幅器は、キロワット電力レベルまたはそれよりも高い電力レベルなどの、高電力レベルを扱うために、複数の低電力増幅器を組み合わせる。従来のＣＯＴＳ増幅器上で利用されている増幅器は進行波管増幅器（ＴＷＴＡ：ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅ ｔｕｂｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）である。しかし、ＴＷＴＡが示す電力付加効率（ＰＡＥ：ｐｏｗｅｒ ａｄｄｅｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は貧弱である。例えば、１キロワット（ｋＷ）の入力信号を受信する典型的なＣＯＴＳ増幅器は、５％〜２０％の範囲の低いＰＡＥを有する出力を生成する。低いＰＡＥは、ＡＢ級動作およびＢ級動作などの増幅器の動作モードにおける損失を生じさせる。したがって、増大したＰＡＥを有しながら高電力レベルを扱うＣＯＴＳブロードバンド増幅器を提供することが望まれている。

広帯域電力増幅器モジュールは、複数のスイッチモード増幅器と複数のインピーダンス増幅器モジュールとを含む。各スイッチモード増幅器は、入力信号を受信するための入力、およびＲＦ電力信号を出力するためのＲＦ出力を含む。スイッチモード増幅器は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成される少なくとも１つの半導体スイッチを含む。各インピーダンス増幅器モジュールは、個々のスイッチモード増幅器のＲＦ出力に電気接続される出力を含む。インピーダンス増幅器モジュールは、少なくとも１つのインピーダンス制御信号を各ＲＦ出力に注入するように構成される。

本開示の別の実施形態では、スイッチモード増幅器は、周波数を有する入力信号を受信するための入力を含む。スイッチモード増幅器はまた、ＲＦ電力信号を出力するためのＲＦ出力を含む。スイッチモード増幅器は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成される少なくとも１つの半導体スイッチをさらに含む。

本開示のさらに別の実施形態では、スイッチモード増幅器を駆動する共振周波数信号を出力するための結合共振器変圧器は、１次ユニットおよび２次ユニットを含む。１次ユニットは、電磁界を誘導する入力信号を受信するための１次巻線を含む。２次ユニットはエアギャップを介して１次ユニットから分離され、電磁界によって誘導される前置増幅信号を実現する環状２次巻線を含む。結合共振器変圧器は、２次巻線内に配設される先細状円錐巻線をさらに含む。先細状円錐巻線は、前置増幅信号に基づいて共振周波数出力信号を生成するための共振キャパシタに接続されるセンタタップ端子を含む。

さらに別の実施形態では、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成される半導体スイッチを含む広帯域電力増幅器モジュールの電力付加効率（ＰＡＥ）を増大させる方法は、ＧａＮ半導体スイッチへ入力電力信号を入力すること含む。本方法は、ＧａＮ半導体スイッチを介して入力電力信号を増幅して、少なくとも１つの高調波を含むＲＦ出力電力信号を生成することをさらに含む。本方法は、広帯域電力増幅器モジュールのＰＡＥが増大するように、少なくとも１つの高調波を相殺する少なくとも１つのインピーダンス制御信号をＲＦ出力電力信号に注入することをさらに含む。

少なくとも１つの実施形態に係る、広帯域電力増幅器モジュールを示すブロック図である。 少なくとも１つの実施形態に係る、スイッチモード増幅器および複数の結合共振器変圧器を含む搬送波増幅器モジュールの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、結合共振器変圧器に含まれる１次ユニットの等角図である。 本開示の一実施形態に係る、結合共振器変圧器に含まれる１次ユニットの等角図である。 本開示の一実施形態に係る、結合共振器変圧器に含まれる２次ユニットの等角図である。 本開示の一実施形態に係る、結合共振器変圧器に含まれる２次ユニットの等角図である。 本開示の一実施形態に係る、スイッチモード増幅器内に含まれるＧａＮ半導体スイッチの線形性静電容量を示す折れ線グラフである。 本開示の一実施形態に係る、スイッチモード増幅器および複数の結合共振器変圧器を含むインピーダンス増幅器モジュールの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、複数のスイッチモード増幅器と電気的に導通した結合器を含む広帯域電力増幅器のブロック図である。 本開示の一実施形態に係る、ラジアル導波路を有するラジアル共振プローブモジュールを含む結合器を示す図である。 本開示の一実施形態に係る、半導体スイッチを含む広帯域電力増幅器モジュールの電力付加効率（ＰＡＥ）を増大させる方法を示すフロー図である。

次に、図１を参照すると、本開示の一実施形態に係る広帯域電力増幅器モジュール１００が示されている。広帯域電力増幅器モジュール１００は、１つ以上の信号搬送波を提供しながら、増大したＰＡＥを提供する能力を有する。少なくとも１つの実施形態では、広帯域電力増幅器モジュール１００は、５つの複数の信号搬送波を提供しながら、約５００メガヘルツ（ＭＨｚ）〜約２ギガヘルツ（ＧＨｚ）の範囲の周波数にわたってＰＡＥを増大させ得る。

広帯域電力増幅器モジュール１００は、例えば、ブロードバンドオクターブ帯域幅増幅器として構成されてもよい。より具体的には、広帯域電力増幅器モジュール１００は、以下のものに限定されるわけではないが、センチメートル波（ＳＨＦ）、極超短波（ＵＨＦ）、Ｌ帯およびＳ帯を含む種々の周波数帯域において動作してもよい。ＳＨＦ帯は約３ＧＨｚ（約３，０００ＭＨｚ）〜約３０ＧＨｚの範囲の周波数（ＲＦ）を含む。ＵＨＦ帯は約３００ＭＨｚ〜約３ＧＨｚの範囲の電磁波の無線周波数を含む。Ｌ帯は、約４０ＧＨｚ〜約６０ＧＨｚ（ＮＡＴＯ規格）、約１ＧＨｚ〜約２ＧＨｚ（ＩＥＥＥ規格）、約１５６５ｎｍ〜約１６２５ｎｍ（光学規格）、および約３．５マイクロメートル（赤外線天文学規格）の範囲の電磁スペクトルの４つの異なる帯域を含む。標準的なＳ帯は電磁スペクトルのマイクロ波帯を指してもよく、２ＧＨｚ〜４ＧＨｚの範囲に及ぶ周波数を有する電波を含む。１０ｃｍレーダ短帯は約１．５５ＧＨｚ〜約５．２ＧＨｚの範囲に及んでもよい。

図１をさらに参照すると、広帯域電力増幅器モジュール１００は、搬送波増幅器モジュール１０２、およびインピーダンス増幅器モジュール１０４を含む。搬送波増幅器モジュール１０２は、基本周波数（ｆ_０）を有する入力電力信号（Ｐ_ＩＮ＿１）を受信するための入力、およびＲＦ電力信号（ＲＦ_ＯＵＴ）を負荷１０６へ出力するためのＲＦ出力を有する。Ｐ_ＩＮの周波数は約５００ＭＨｚ〜約２ＧＨｚの範囲に及んでもよい。少なくとも１つの実施形態では、搬送波増幅器モジュール１０２はＦ級モード増幅器である。Ｆ級増幅器は出力において複数の高調波（２ｆ_０、３ｆ_０、５ｆ_０など）を生成するが、これは、例えば５００ＭＨｚ以上の高周波において増幅器のＰＡＥを低下させる。しかし、本開示の少なくとも１つの実施形態は、ＰＡＥが増大されるように搬送波増幅器モジュール１０２の高調波を制御する特徴を含む。より具体的には、搬送波増幅器モジュール１０２は、個々の高調波信号（２ｆ_０、３ｆ_０、５ｆ_０など）を受信するための１つ以上の高調波入力（例えば、２ｆ_０＿ＩＮ、３ｆ_０＿ＩＮ、５ｆ_０＿ＩＮ）を含む。高調波信号は高調波発生器１０８によって提供されてもよい。

インピーダンス増幅器モジュール１０４はＦ級反転増幅器を含んでもよい。インピーダンス増幅器モジュール１０４は、基本周波数（ｆ_０）を有する入力電力信号（Ｐ_ＩＮ＿２）を受信するための入力を有する。Ｐ_ＩＮ＿２の基本周波数はＰ_ＩＮ＿１の基本周波数に一致してもよい。インピーダンス増幅器モジュール１０４の出力は搬送波増幅器モジュール１０２の出力に結合される。インピーダンス増幅器モジュール１０４は、少なくとも１つのインピーダンス制御信号を１つ以上のスイッチモード増幅器の出力（ＲＦ_ＯＵＴ）に注入するように構成される。インピーダンス制御信号は、搬送波増幅器モジュール１０２の高調波周波数に対して反転した周波数を有する信号である。搬送波増幅器モジュール１０２と同様に、インピーダンス増幅器モジュール１０４は、個々の高調波信号（２ｆ_０、３ｆ_０、５ｆ_０、など）を受信するための１つ以上の高調波入力（例えば、２ｆ_{０＿ＩＮ’}、３ｆ_{０＿ＩＮ’}、５ｆ_{０＿ＩＮ’}）を含んでもよい。高調波信号は、上述されたように、高調波発生器１０８によって提供されてもよい。

広帯域電力増幅器モジュール１００は、移相器モジュール１１０および位相検出器１１２をさらに含んでもよい。移相器モジュール１１０は、インピーダンス増幅器モジュール１０４によって生成された出力信号の位相および振幅のうちの少なくとも１つを調整することによって、広帯域電力増幅器モジュール１００のインピーダンスを制御してもよい。

位相検出器１１２は、ＲＦ_ＯＵＴに接続される入力を含む。位相検出器１１２は、ＲＦ電力のＲＦ位相を示す位相信号（θ_ＯＵＴ）を生成する。従って、移相器モジュール１１０はθ_ＯＵＴに基づいてＲＦ電力の位相を判定し、１つ以上の反転注入制御信号（θ_ＣＮＴＬ）を生成する。反転注入信号（θ_ＣＮＴＬ）は、ＲＦ電力信号のＲＦ位相に対して１８０度となる位相を有し、搬送波増幅器モジュール１０２によって生成される高調波のうちの１つ以上を相殺するように構成される。例えば、反転注入信号は、インピーダンス増幅器モジュール１０４によってＲＦ_ＯＵＴに注入される。高調波発生器１０８が同様に、移相器モジュール１１０から反転注入信号（θ_ＣＮＴＬ）を受信してもよい。従って、高調波発生器１０８は反転第２高調波注入信号を生成してもよく、例えば、反転第２高調波注入信号は、２ｆ_０＿ＩＮを介して搬送波増幅器モジュール１０２に注入され、それにより、ＲＦ出力において実現される第２高調波（２ｆ_０）を除去する。ＲＦ_ＯＵＴから１つ以上の高調波を除去することによって、広帯域電力増幅器モジュール１００のＰＡＥは増大され得る。以上において、移相器モジュール１１０は、位相検出器１１２によって提供されるθ_ＯＵＴに基づいて、ＲＦ_ＯＵＴにおいて存在する１つ以上の位相を判定するように説明されているが、位相検出器１１２は省かれてもよく、移相器モジュール１１０は、入力位相電圧に応答して調節される可変移相器として構成されてもよいことを理解されたい。

次に、図２を参照すると、少なくとも１つの実施形態に係る搬送波増幅器モジュール２００の概略図が示されている。搬送波増幅器モジュール２００は、スイッチモード増幅器２０２および少なくとも１つの結合共振器変圧器２０４を含んでもよい。単一のスイッチモード増幅器２０２が示されているが、個々のＲＦ電力出力（例えば、Ｐ_{ＯＵＴ＿１}、Ｐ_{ＯＵＴ＿２}、Ｐ_{ＯＵＴ＿３}など）を生成するために、複数のスイッチモード増幅器２０２が搬送波増幅器モジュール２００に含まれてもよい。ＲＦ電力出力の各々は、以下においてより詳細に説明されるように、増大した結合ＲＦ電力出力を生成するために結合されてもよい。さらに、少なくとも１つの共振器変圧器２０４は、図２にさらに示されるように、複数の共振器変圧器２０４を含んでもよい。各共振器変圧器２０４は、個々の高調波信号、すなわち、２ｆ_０、３ｆ_０、５ｆ_０などを受信するように構成される。上述されたように、高調波信号は高調波発生器によって提供されてもよい。

スイッチモード増幅器２０２は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）半導体スイッチ２０６から形成されてもよい。半導体スイッチ２０６は、ドレイン端子、ゲート端子、およびソース端子を含む。ドレイン端子は、入力信号を受信するように構成される。入力信号は、ＡＣドレイン電圧を提供する交流（ＡＣ）信号、またはＤＣドレイン電圧（Ｖｄｃ）を提供する直流（ＤＣ）信号であってもよい。ゲート端子は、スイッチ信号を受信するように構成される。スイッチ信号は、低電圧信号、例えば、約５ボルト（Ｖ）〜約１０Ｖの範囲の電圧を有する信号であってもよい。信号は、別個の低電圧増幅器またはマイクロコントローラから提供されてもよい。ソース端子は、ＲＦ電力を出力するように構成される。ＲＦ電力は、例えば、約５０ワット（Ｗ）〜約５００Ｗの範囲に及んでもよい。その結果、ゲート端子にスイッチ信号を印加したことに応答して、ソース電圧、すなわち、ＲＦ電圧がソース端子において実現される。

半導体スイッチ２０６のＰＡＥは、ドレイン電圧とソース電圧との差に基づいて判定されてもよい。従来の増幅器は、約５００ＭＨｚ〜約２ＧＨｚの範囲の周波数などの高周波において低いＰＡＥを呈する。例えば、ドレイン端子において１００Ｖを入力する半導体スイッチ２０６を含む従来の増幅器は、ソース電圧において１０Ｖを出力するのみとなる場合がある。換言すれば、従来の増幅器は１０％のＰＡＥしか提供しない。

本開示の少なくとも１つの実施形態では、半導体スイッチ２０６は、約４０Ｖを超えるドレイン電圧に応答して非線形静電容量を予想外にも呈する、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。しかし、非線形静電容量は、ドレイン端子において実現されるドレイン効率を増大させる。すなわち、以下においてより詳細に説明されるように、ドレイン端子におけるドレイン電圧とソース端子におけるＲＦ電圧との電圧差が低減される。

各結合共振器変圧器２０４は、１次ユニット２０８、およびエアギャップを介して１次ユニット２０８から分離される２次ユニット２１０を含む。１次ユニット２０８は、第１の端子（Ｓ１）と第２の端子（Ｓ２）との間に延びる１次巻線２１２を含む。１次巻線２１２は、電磁界を生成するための１次電圧を誘導する入力信号を受信するように構成される。１次巻線２１２は、図３Ａ〜図３Ｂに示されているように、積層環状巻線３００として形成されてもよい。積層環状巻線３００は、第１の１次環状体３０２および第２の１次環状体３０４を含む。第１および第２の１次環状体３０２、３０４は、渦巻き形に同心状に延びて複数のコイルを形成する巻線を含む。各コイルは幅（ｗ）を有し、間隔距離（単数または複数）だけ互いから分離される。第１および第２の１次環状体３０２、３０４は互いに対して垂直に積層される。１つ以上の導電性ビア３０６が第１および第２の１次環状体３０２、３０４を互いに直列に接続する。第１および第２の１次巻線３０２、３０４の縦断面はｒ−ｚ平面内にあり、単位ベクトル（ｕ^_θ）は方位角方向に延びる。空洞が、垂直に、すなわちＺ軸に沿って、第１および第２の巻線３０２、３０４を貫通して延びる。

図２を再び参照すると、２次ユニット２１０は、第１の端子（Ｐ１）と第２の端子（Ｐ２）との間に延びる２次巻線２１４を含む。２次巻線２１４は、１次巻線２１２によって生成される電磁界を実現するように構成される。すなわち、２次ユニット２１０において前置増幅信号が生成され得るように、電磁界はエアギャップを横切って２次巻線２１４へ伝達される。２次ユニット２１０は、共振周波数出力信号を生成する共振キャパシタ（Ｃ_Ｒ）に接続するためのセンタタップ端子（Ｃｔ）をさらに含む。例えば、２次巻線２１４およびＣ_Ｒは、第２高調波（２ｆ_０）、第３高調波（３ｆ_０）、第５高調波（５ｆ_０）などを出力するように調節されてもよい。

１次巻線２１２と同様に、２次巻線２１４は、図４Ａ〜図４Ｂに示されるように、積層環状巻線４００として形成されてもよい。より具体的には、２次巻線４００は、第１の２次環状体４０２および第２の２次環状体４０４を含む。第１および第２の２次環状体４０２、４０４は互いに対して垂直に積層される。１つ以上の導電性ビア４０６が第１および第２の２次環状体４０２、４０４を互いに直列に接続する。

少なくとも１つの実施形態では、２次ユニット２１０は、図４Ａ〜図４Ｂにさらに示されるように、第１および第２の２次環状体４０２、４０４の中心を貫通して延びる空洞内に配設される先細状円錐巻線４０８を含む。先細状円錐巻線４０８は、前置増幅信号に基づいて共振周波数出力信号を生成するための共振キャパシタ（ＣＲ）に接続されるセンタタップ端子（ＣＴ）を含む。共振周波数出力信号は、疑似伝送線路を形成することなく生成される。疑似伝送線路が形成されないため、先細状円錐巻線４０８は、５００ＭＨｚ〜３ＧＨｚの範囲の極超短波を有する共振周波数出力信号を出力し得る。先細状円錐巻線４０８の巻線間静電容量は、巻線をＺ方向、すなわち垂直方向に順に交代させて最小化されてもよい。例えば、この先細状円錐巻線４０８を垂直に伸張させることによって、先細状円錐巻線４０８を特定の１次誘導リアクタンスに調節してもよく、平面円形状渦巻き形多層Ｚレベルを２次側として用いてもよい。したがって、結合共振器変圧器の共振は、先細状円錐巻線４０８上のＺ層巻線を拡げることによって調節されてもよい。

上述された種々の実施形態によれば、ＧａＮから形成された半導体スイッチ２０６のドレイン端子に、高周波（例えば、１ＧＨｚ）を有する結合共振器変圧器の出力が印加されると、少なくとも１つの新たな予想外の結果が実現される。図５を参照すると、ＧａＮ半導体スイッチ２０６のゲート端子およびドレイン端子上の適切なＤＣバイアス点を選ぶことによって生じる非線形静電容量特性に入力信号が従う場合の、結合共振器変圧器から生成される入力信号に応答したＧａＮ半導体スイッチ２０６の線形性静電容量を折れ線グラフが示している。さらに、Ｃｄｓを指数関数的に最大化するためにゲート電圧を同時に印加しながら、Ｃｄｓを指数関数的に減少させるためにドレイン電圧を印加することに応答した、ＧａＮ半導体スイッチ２０６の静電容量対電圧（ＣＶ）測定値が示されている。このバイアス条件が、非線形最大可変静電容量（nonlinear capacitance swing）を活用する動作点を提供する。

最大可変静電容量は、基本周波数および高調波のＲＦ注入信号から、振幅および位相に関して調節されてもよい。ＧａＮ素子のドレイン端子電圧を推奨ドレイン電圧よりも高いレベルで動作させると、ＧａＮ半導体スイッチ２０６は、非線形静電容量を予想外にも呈する。より具体的には、ＧａＮ半導体スイッチ２０６のドレイン−ソース接続（Ｖｄｓ）を横断するＲＦ ＡＣ負荷線は、ほぼＶｄｓ降伏電圧まで推奨Ｖｄｓ動作電圧のほぼ１．２倍スイングする。その間、ゲートバイアスは、Ｃｄｓを最大化するように同時に設定されてもよい。従来の方法は、推奨ドレイン電圧を中心とし、２８Ｖ ＧａＮ ＦＥＴについてのＶｄｓのほぼ０．５倍からほぼ１．５倍までＶｄｓ（ドレイン−ソース間電圧）をスイングさせるＡＣ負荷線スイングを用いる。さらに、従来の方法はまた、最大化された非線形最大可変静電容量は、２８ボルトＧａＮ ＦＥＴがほぼ２２Ｖの動作電圧を中心とするときに得られるとも説明している。従来の方法と異なり、本発明の教示の少なくとも１つの実施形態は、非線形最大可変静電容量を最大化するためにほぼ５０ボルトの動作が中心となる４０ボルトＧａＮ ＦＥＴの推奨動作Ｖｄｓを上回るような、最大可変静電容量を指数関数的に変化させ、かつ最大化することが予想外にも認められる非線形静電容量領域を提供する。その結果、本開示の少なくとも１つの実施形態は、例えば、約５００ＭＨｚ〜約３ＧＨｚの範囲の高入力周波数にわたって、増大したＰＡＥを有するスイッチモード増幅器２０２を提供する。

次に、図６を参照すると、例示的実施形態に係るインピーダンス増幅器モジュール６００が示されている。インピーダンス増幅器モジュール６００は、以上において詳述された搬送波増幅器モジュール２００と同様に構築されてもよい。ただし、インピーダンス増幅器モジュール６００は、ＲＦ_ＩＮＶにおける位相をインピーダンス増幅器モジュール６００の入力信号、すなわち入力電力信号、に対して１８０度だけ反転させる反転ユニット６０２をさらに含む。搬送波モジュール２００およびインピーダンス増幅器モジュール６００の両方に同じ電力信号が入力される場合には、ＲＦ_ＩＮＶは搬送波増幅器モジュール２００のＲＦ_ＯＵＴに接続されてもよく、インピーダンス増幅器モジュール６００は、搬送波増幅器モジュール２００の出力、例えば、出力電力信号（Ｐ_ＯＵＴ）、に対して１８０度だけ反転した反転位相をＲＦ_ＯＵＴに効果的に注入する。反転ユニット６０２は、反転注入信号（ＲＦ_ＩＮＶ）を生成する１次巻線を有する変圧器として形成されてもよい。

上述されたように、広帯域電力増幅器モジュール１００は複数のスイッチモード増幅器２０２を含んでもよい。各スイッチモード増幅器２０２は、上述されたように、個々のＲＦ電力を生成してもよい。その結果、図７に示される本開示の少なくとも１つの実施形態は、複数のスイッチモード増幅器２０２と電気的に導通した結合器７００を含む広帯域電力増幅器モジュール１００を提供する。結合器７００は、個々のスイッチモード増幅器２０２からのＲＦ電力を受信するための各スイッチモード増幅器２０２のソース端子と電気的に導通した入力を有する。結合器７００は、各ＲＦ電力（Ｐ_{ＯＵＴ＿１}、Ｐ_{ＯＵＴ＿２}、Ｐ_{ＯＵＴ＿３}など）を合計し、結合ＲＦ電力（Ｐ_{ＯＵＴ＿ＴＯＴＡＬ}）を生成するように構成される。例えば、一実施形態に係る広帯域電力増幅器モジュール１００は、例えば、１００ＷのＲＦ電力を各々出力する１０個の（１０）スイッチモード増幅器２０２を含んでもよい。結合器は個々のスイッチモード増幅器２０２から出力された各１００Ｗを受信し、ＲＦ電力を結合して、１０００Ｗの電力レベルを有する結合ＲＦ電力を生成する。

少なくとも１つの実施形態では、結合器７００は、少なくとも１つのキャパシタに電気接続される少なくとも１つのインダクタを有するＬＣ回路網を含む。別の実施形態では、結合器は、複数のＲＦ入力およびＲＦ出力を有する導波路７００を含み、複数のＲＦ入力のうちの各ＲＦ入力は、個々のスイッチモード増幅器２０２から出力されたＲＦ電力を受信し、ＲＦ出力において結合ＲＦ電力を出力するように構成される。

さらに別の実施形態では、図８に示されているように、結合器７００は、ラジアル導波路８０２を含むラジアル共振プローブモジュール８００を含む。ラジアル導波路８０２内には複数の送信器ブロードバンドプローブ８０４が配設され、複数の送信器プローブには受信器ブロードバンドプローブ８０６が磁気結合される。受信器ブロードバンドプローブ８０６は、例えば、ラジアル導波路８０２の中心に配設されてもよく、複数の送信器ブロードバンドプローブ８０４は、受信器ブロードバンドプローブ８０６を包囲するようにラジアル導波路８０２の周辺のまわりに配列されてもよい。各送信器ブロードバンドプローブ８０４は、個々の半導体スイッチ２０６のソース端子（すなわち、ＲＦ_ＯＵＴ）に電気接続される第１のポートを有し、個々のソース端子ＲＦ_ＯＵＴから出力されるＲＦ電力と等しい電圧を有する電磁界を生成するように構成される。ラジアル導波路８０２は、結合ＲＦ電力（すなわち、Ｐ_{ＯＵＴ＿ＴＯＴＡＬ}）がラジアル共振プローブモジュール８００の出力ポートから出力されるように、各送信器ブロードバンドプローブ８０４から生成された電磁界を受信器ブロードバンドプローブ８０６へ導く。

次に、図９を参照すると、フロー図が、本開示の一実施形態に係る、半導体スイッチを含む広帯域電力増幅器モジュールの電力付加効率（ＰＡＥ）を増大させる方法を示す。動作９００において、半導体スイッチに入力電力信号を入力する。以上において詳述された少なくとも１つの実施形態によれば、半導体スイッチはＧａＮ ＦＥＴである。動作９０２において、半導体スイッチを介して入力電力信号を増幅し、ＲＦ電力出力信号を生成する。動作９０４において、少なくとも１つのインピーダンス制御信号を生成する。インピーダンス制御信号は、入力電力信号の基本周波数とほぼ等しい周波数、またはＲＦ電力出力信号において存在する高調波とほぼ等しい周波数を有する。少なくとも一つの実施形態では、複数のインピーダンス制御信号が生成される。複数のインピーダンス制御信号は、第１、第２、第３および第４のインピーダンス制御信号を含んでもよい。第１のインピーダンス制御信号は基本周波数（ｆ_０）の周波数を有し、第２のインピーダンス制御信号は第２高調波周波数（２ｆ_０）の周波数を有し、第３のインピーダンス制御信号は第３高調波周波数（３ｆ_０）の周波数を有し、第４のインピーダンス制御信号は第５高調波周波数（５ｆ_０）の周波数を有する。

動作９０６において、少なくとも１つのインピーダンス制御信号の位相を１８０度反転させる。例えば、第１のインピーダンス制御信号の位相は基本周波数（ｆ_０）の周波数に対して１８０°反転され、第２のインピーダンス制御信号の位相は基本周波数（２ｆ_０）の周波数に対して１８０°反転される、などの反転がなされる。動作９０８において、少なくとも１つの反転したインピーダンス制御信号をＲＦ出力電力信号に注入し、それにより、ＲＦ出力電力信号の１つ以上の高調波を相殺し、方法は終了する。例えば、反転した第２のインピーダンス制御信号は、ＲＦ出力電力信号において存在する第２高調波周波数（２ｆ_０）を相殺し、反転した第３のインピーダンス制御信号は第３高調波周波数（３ｆ_０）を相殺し、反転した第４のインピーダンス制御信号は第５高調波周波数（５ｆ_０）を相殺する。その結果、広帯域電力増幅器の電力付加効率（ＰＡＥ）が増大される。

以上において詳述された少なくとも１つの実施形態では、ブロードバンド電力増幅器は、約２５％〜約８０％の範囲の増大したＰＡＥを有しながら、約１ＧＨｚ以上などの高周波において動作する能力を有する。それゆえ、理解されるように、上述の実施形態の技術的利点のうちには、高電力出力、例えば１００ワット、において非線形静電容量を達成する特徴がある。したがって、高電力レベルを扱う能力を有し、増大したＰＡＥを有するブロードバンド電力増幅器を提供することができる。

本開示は好ましい実施形態または実施形態群を参照して説明されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の変更がなされてもよく、均等物がそれらの要素と置き換えられてもよいことが当業者によって理解されるであろう。加えて、特定の状況または材料を本開示の教示に適合させるために、その本質的範囲から逸脱することなく多くの変形がなされてもよい。したがって、本開示は、本開示を実施するために想到される最良の形態として開示されている特定の実施形態に限定されず、本開示は、添付の請求項の範囲に入る全ての実施形態を含むことになることが意図されている。

Claims (23)

1. 広帯域電力増幅器モジュールであって、
   複数のスイッチモード増幅器であって、各スイッチモード増幅器は、入力信号を受信するための入力、およびＲＦ電力信号を出力するためのＲＦ出力を含むとともに、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成される少なくとも１つの半導体スイッチを含む、前記複数のスイッチモード増幅器と、
   複数のインピーダンス増幅器モジュールであって、各インピーダンス増幅器モジュールは、個々のスイッチモード増幅器の前記ＲＦ出力に電気接続される出力を有し、前記インピーダンス増幅器モジュールは、少なくとも１つのインピーダンス制御信号を各ＲＦ出力に注入して、前記ＲＦ電力信号に含まれる少なくとも１つの高調波を相殺するように構成される、前記複数のインピーダンス増幅器モジュールとを備え、
   各スイッチモード増幅器が、１次巻線と２次巻線とを有するとともに、前記２次巻線内に配設される先細状円錐巻線を含む結合共振器変圧器を含み、前記先細状円錐巻線は、５００ＭＨｚ〜６ＧＨｚの範囲の周波数を有する共振周波数出力信号を生成する共振キャパシタに接続されるセンタタップ端子を有する、広帯域電力増幅器モジュール。
2. 各スイッチモード増幅器がＦ級モード増幅器である、請求項１に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
3. 前記少なくとも１つの半導体スイッチが、ドレイン電圧を有する前記入力信号を受信するように構成されるドレイン端子、スイッチ信号を受信するように構成されるゲート端子、および前記ゲート端子に前記スイッチ信号を印加したことに応答してＲＦ電圧を有するＲＦ電力を出力するように構成されるソース端子を有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含み、前記少なくとも１つの半導体スイッチは、前記ドレイン端子において実現されるドレイン効率が増大するように、４０Ｖを超える前記ドレイン電圧に応答した非線形静電容量を有する、請求項１に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
4. 前記結合共振器変圧器が、１次ユニット、およびエアギャップを介して前記１次ユニットから分離される２次ユニットを含み、前記２次ユニットは、前記先細状円錐巻線を形成するために２次巻線と並列に電気接続される複数のキャパシタを含む、請求項３に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
5. 前記先細状円錐巻線が、共振周波数出力信号を出力するための疑似伝送線路を形成することなく共振周波数出力信号を出力する、請求項４に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
6. 前記少なくとも１つのインピーダンス制御信号が、前記少なくとも１つの半導体スイッチによって実現されるインピーダンスレベルを制御するために、前記ＲＦ電力信号の少なくとも１つの高調波に基づくものである、請求項５に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
7. インピーダンス制御モジュールが、前記少なくとも１つのインピーダンス制御信号を生成する共振器ＬＣ回路網を形成するための共振器キャパシタと並列に接続される共振器インダクタをさらに含む、請求項６に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
8. 前記少なくとも１つのインピーダンス制御信号の位相および振幅のうちの少なくとも１つを調整するための前記インピーダンス制御モジュールを制御する移相器モジュールをさらに備える、請求項７に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
9. 前記移相器モジュールが、入力位相電圧に応答して調節される可変移相器を含む、請求項８に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
10. 前記スイッチモード増幅器の前記出力に接続され、前記ＲＦ電力のＲＦ位相を示す位相信号を前記移相器モジュールに出力するための入力を有する位相検出器をさらに備え、前記移相器モジュールは、前記ＲＦ電力信号の前記ＲＦ位相に対して１８０度となる位相を有する前記少なくとも１つの注入信号を出力する、請求項９に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
11. 前記複数のスイッチモード増幅器と電気的に導通した結合器であって、前記結合器は、結合ＲＦ電力を生成するために各ＲＦ電力を合計するように構成される、前記結合器をさらに備える、請求項１０に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
12. 結合器が、複数のＲＦ入力およびＲＦ出力を有する導波路を含み、前記複数のＲＦ入力のうちの各ＲＦ入力は、個々のスイッチモード増幅器から出力されたＲＦ電力を受信し、前記ＲＦ出力において結合ＲＦ電力を出力するように構成される、請求項１０に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
13. 結合器が、ラジアル導波路を含むラジアル共振プローブモジュール、前記ラジアル導波路内に配設される複数の送信器ブロードバンドプローブ、および複数の送信器プローブに磁気結合される受信器ブロードバンドプローブを含む、請求項１０に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
14. 前記送信器ブロードバンドプローブが、個々の半導体スイッチのソース端子に電気接続される第１のポートを含むとともに、前記個々のソース端子から出力される前記ＲＦ電力と等しい電圧を有する電磁界を生成するように構成され、前記ラジアル導波路が、第２のポートを介して結合ＲＦ電力を出力するために、各ブロードバンドプローブから生成された前記電磁界を前記受信器ブロードバンドプローブへ導く、請求項１３に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
15. 前記受信器ブロードバンドプローブが前記ラジアル導波路の中心に配設され、前記複数の送信器ブロードバンドプローブが、前記受信器ブロードバンドプローブを包囲するように前記ラジアル導波路の周辺に配列される、請求項１４に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
16. 前記少なくとも１つの半導体スイッチが高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含み、前記高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、
    ドレイン電圧を有する前記入力信号を受信するように構成されるドレイン端子と、
    スイッチ信号を受信するように構成されるゲート端子と、
    前記ゲート端子に前記スイッチ信号を印加したことに応答してＲＦ電圧を有するＲＦ電力を出力するように構成されるソース端子とを含み、前記少なくとも１つの半導体スイッチは、少なくとも２５％の電力付加効率（ＰＡＥ）を生じさせるために前記ドレイン電圧と前記ＲＦ電圧との間の差が低減されるように、４０Ｖを超える前記ドレイン電圧に応答した非線形静電容量を有する、請求項１に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
17. 前記結合共振器変圧器は、
    電磁界を誘導する入力信号を受信するための前記１次巻線を含む１次ユニットと、
    エアギャップを介して前記１次ユニットから分離される２次ユニットであって、前記２次ユニットは、前記電磁界によって誘導される前置増幅信号を実現する環状の前記２次巻線を含む、前記２次ユニットとを含み、
    前記２次巻線内に配設される前記先細状円錐巻線の前記センタタップ端子は、前記前置増幅信号に基づいて共振周波数出力信号を生成するための前記共振キャパシタに接続される、請求項１に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
18. 前記先細状円錐巻線が、共振周波数出力信号を出力するための疑似伝送線路を形成することなく共振周波数信号を出力するように構成され、前記共振周波数出力信号は５００ＭＨｚ〜６ＧＨｚの範囲の周波数を有する、請求項１７に記載の広帯域電力増幅器モジュール。
19. 請求項１に記載の広帯域電力増幅器モジュールの電力付加効率（ＰＡＥ）を増大させる方法であって、
    前記半導体スイッチへ入力電力信号を入力すること、
    前記半導体スイッチを介して前記入力電力信号を増幅して、少なくとも１つの高調波を含むＲＦ出力電力信号を生成すること、
    前記広帯域電力増幅器モジュールのＰＡＥが増大するように、前記少なくとも１つの高調波を相殺する少なくとも１つのインピーダンス制御信号をＲＦ出力電力信号に注入することを含む、方法。
20. 前記インピーダンス制御信号が、５００ＭＨｚ〜６ＧＨｚの範囲の周波数を有する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記少なくとも１つのインピーダンス制御信号が、前記ＲＦ出力電力信号の第２高調波の周波数を有する第１のインピーダンス制御信号、前記ＲＦ出力電力信号の第３高調波の周波数を有する第２のインピーダンス制御信号、および前記ＲＦ出力電力信号の第５高調波の周波数を有する第３のインピーダンス制御信号を含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記第１、第２および第３のインピーダンス制御信号の位相をそれぞれ前記第２、第３、および第５高調波に対して１８０度反転させ、反転した第１、第２および第３のインピーダンス制御信号を前記ＲＦ出力電力信号に注入することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
23. 窒化ガリウム（ＧａＮ）から前記半導体スイッチを形成することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。