JP7294569B2 - 高周波増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、高周波信号を増幅する高周波増幅器に関するものである。

従来から、無線通信、レーダー等の用途においてマイクロ波などの高周波を増幅する高周波増幅器が用いられている。このような高周波増幅器としては、電力損失を抑えるために高効率な動作を可能にしたＦ級もしくは逆Ｆ級などの増幅器が知られている。例えば、下記特許文献１に記載の増幅器は、増幅対象となる基本波信号に対する奇数次の高調波信号を発生させる奇数次高調波信号発生回路と、奇数次の高調波信号を基本波信号と合成する矩形波信号生成回路とを備えている。また、下記特許文献２に記載の増幅器は、第１のトランジスタにより増幅されたＲＦ信号に含まれる高調波を第２のトランジスタに供給する高調波供給回路と、ＲＦ信号に含まれる基本波を第２のトランジスタに供給する基本波供給回路とを備える。

特開２００５－２０４２０８号公報 国際公開２０１７－１２２２７１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の構成においては、高調波信号を発生させる信号源が必要とされているため、消費電力が増加する。また、上述した特許文献２に記載の構成においては、トランジスタの出力側の寄生成分により真性トランジスタ端面までに高調波の減衰が生じ、真性トランジスタ端面における高調波のインピーダンスを真の最適なインピーダンスに設定できず、受動素子による整合だけでは増幅器全体の電力効率を十分に改善することはできない。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電力効率を十分に向上させることが可能な高周波増幅器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一側面に係る高周波増幅器は、入力端子と、出力端子と、入力端子に提供された入力高周波信号を増幅するトランジスタと、トランジスタと出力端子との間で互いに直列に接続された、入力高周波信号の基本波についての整合回路、基本波に対する高調波についての反射回路、及び、出力端子に現れる高調波を抽出する抽出回路と、抽出回路により抽出された高調波の位相および強度を調整する処理回路と、処理回路により処理された高調波を反射回路により反射された高調波と合波してトランジスタに与える合波回路と、を備える。

本発明によれば、電力効率を十分に向上させることができる。

実施形態に係る高周波増幅器１の概略構成を示すブロック図である。 図１の高周波増幅器１の構成を示す回路図である。 従来の増幅器と高周波増幅器１の入力電力に対する出力電力及び電力付加効率（ＰＡＥ）を比較したものである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
［高周波増幅器の構成］

図１は、一実施形態に係る高周波増幅器１の構成を示すブロック図である。高周波増幅器１は、無線通信、レーダー等の用途に用いられ、高周波信号を増幅する。図１に示すように、高周波増幅器１は、入力端子Ｐ_ＩＮ、出力端子Ｐ_ＯＵＴ、入力整合回路３、トランジスタ５、高調波反射回路７、基本波整合回路９、高調波抽出回路１３、移相器１５、増幅器１７、及び合波回路１９を含む。入力端子Ｐ_ＩＮは、高周波信号源２１から特性インピーダンスＺ_０を有する伝送線２３を介して高周波信号（ＲＦ信号）受ける。一方、出力端子Ｐ_ＯＵＴは、特性インピーダンスＺ_０を有する負荷２５に接続される。高調波反射回路７、基本波整合回路９、及び高調波抽出回路１３は、入力端子Ｐ_ＩＮと出力端子Ｐ_ＯＵＴとの間で互いに直列に接続されている。

入力整合回路３は、トランジスタ５の入力インピーダンスを伝送線２３の特性インピーダンスに整合する。具体的には、トランジスタ５の制御端子（ゲート端子）からトランジスタ５を見込んだインピーダンスを、入力整合回路３の伝送線２３に接続される端子から当該トランジスタを見込んだ時に、伝送線２３の特性インピーダンスに一致するように整合させる。

トランジスタ５は、ＲＦ信号を増幅する、例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）である。以下の説明では、トランジスタをＦＥＴとして説明するが、バイポーラトランジスタであっても同様の説明が当てはまる。トランジスタ５の入力であるゲートは、伝送線２３及び入力整合回路３を介してＲＦ信号が入力される。トランジスタ５のソースは接地され、またそのドレインは、高調波反射回路７および基本波整合回路９を介して出力端子Ｐ_ＯＵＴに接続されている。

高調波反射回路７、基本波整合回路９は、それぞれ伝送線路で構成され、特有のインピーダンスと特有の長さを有する。高調波反射回路７は、トランジスタ５の出力に含まれる基本波成分を透過し、一方、高調波成分をトランジスタ５に向けて反射する。基本波整合回路９は、トランジスタ５のドレイン端面から出力端子Ｐ_ＯＵＴ側を見込んだインピーダンスを、トランジスタ５の出力電力や電力付加効率などの設計パラメータを最適化する最適負荷インピーダンスに整合する。

入力端子Ｐ_ＩＮから入力されるＲＦ信号は基本波の他に高調波成分を含んでいることが一般的である。また、トランジスタ５の入出力特性は非線形であり、歪を全く含まない（高調波成分を全く含まない）ＲＦ信号を入力した場合であっても、その増幅信号には有意な高調波成分が現れる。高調波反射回路７は、この高調波成分をトランジスタ５に向けて反射し、基本波を専ら通過させる。基本波整合回路９は、通過した基本波について最適負荷インピーダンスに整合する。

高調波抽出回路１３は、基本波整合回路９を透過して出力端子Ｐ_ＯＵＴに現れる高調波成分を抽出する。高調波反射回路７はトランジスタ５の出力に現れる高調波成分の大部分を反射するが、透過量をゼロとすることは原理的に不可能である。また、基本波整合回路９も専ら基本波を通過し、基本波以外の高調波成分を反射、もしくは吸収するが、基本波整合回路９の出力において高調波成分をゼロとすることは不可能である。出力端子Ｐ_ＯＵＴには僅かではあるが有意な大きさの高調波成分が現れる。高調波抽出回路１３は、この出力端子Ｐ_ＯＵＴに現れた高調波成分を抽出し、移相器（処理回路）１５によりその位相を回転することにより調整し、増幅器（処理回路）１７はその強度を増幅または減衰することにより調整する。そして、この様にして処理された高周波成分は、高調波についての合波回路１９を介して、高調波反射回路７によって反射された高調波と合波されてトランジスタ５のドレインに与えられる。

上述したように、トランジスタ５の出力信号中には必ず高調波成分が含まれる。高調波成分が出力伝送線路等の外部回路を介して負荷２５に与えられると、トランジスタ５のドレイン抵抗や外部回路において余分な電力が消費されることになる。従って、トランジスタ５についてドレイン出力から負荷２５を見込んだ時に、高調波についての反射強度が大きく設定されるほうが好ましい。外部回路に高調波成分が出力されていないことと等価になる。また、高調波を反射させることで、トランジスタ５のドレイン端面で波形成形することで電力損失を抑制することができる。

しかしながら、従来の基本波整合回路のみの出力整合回路では、高調波成分についての反射強度を十分高めることができなかった。基本波について最適な整合を行った場合、必ずしも高調波成分についての最適な反射条件を与えることにはならなかった。また、高調波反射回路と基本波整合回路を直列に接続する構成の場合、高調波反射回路によって基本波についての整合条件が最適な値からシフトしてしまうこともあった。高調波反射回路と基本波整合回路の一方が他方についての最適条件を阻害する要素となる場合があった。

さらに、一般にトランジスタ５は素子部分（半導体素子に含まれる部分）と当該素子部分を外部に引出し外部回路と接続する部分（ボンディングワイヤ、ボンディングパッド、リード端子等）で構成される。素子部分について、基本波、高調波いずれについてもその整合条件、反射条件が満足された場合であっても、ボンディングワイヤ、ボンディングパッド、リード端子等を含む実際のデバイスとして回路を構成した場合には、整合条件、反射条件について満足な組合せを得ることが困難であった。

本実施形態では、出力端子Ｐ_ＯＵＴに現れる高調波成分を、増幅または減衰してトランジスタ５のドレイン出力に与えることで、トランジスタ５について高調波反射強度を増大させ、出力端子Ｐ_ＯＵＴに現れる基本波成分を増大させる構成を提供する。

図２を参照して、高周波増幅器１の具体的な回路構成について説明する。

図２に示すように、高周波増幅器１は、トランジスタ５と出力端子Ｐ_ＯＵＴとの間を接続し、伝送線路２１ａ～２１ｄ、及びインダクタとキャパシタの並列回路で示されている平面導波路３１を含む主伝送線路と、主伝送線路のノードＣ_２からトランジスタ１７ａを介して主伝送線路のノードＣ_４に戻る副伝送線路とで構成される。

高調波反射回路７は、基本波整合回路９と合波回路１９との間の主伝送線路のノードＣ_１に接続され、長さがλ／８に相当する伝送線路７ａを含む。ここでλは基本波の波長であり、λ／８は２倍波についての１／４の長さを有する伝送線路である。伝送線路７ａの一端は解放（オープン）されているので、主伝送線路上のノードＣ_１は２倍波成分に対してはショートとみなすことができ、主伝送線路を伝搬する２倍波についての反射回路を構成する。

高調波抽出回路１３は、基本波についてλ／４の長さを有する二つの伝送線路１３ａ，１３ｂを含む。伝送線路１３ｂの一端は解放されており、伝送線路１３ｂの他端は伝送線路１３ａの一端に接続され、伝送線路１３ａの他端は主伝送線路上のノードＣ２を介して出力端子Ｐ_ＯＵＴに接続されている。その結果、副伝送線路上の二つの伝送線路１３ａ，１３ｂの間のノードＣ_３は基本波についてショートと見做すことができる。一方、ノードＣ_３は２倍波についてはオープンとなる。そして、伝送線路１３ａも基本波についてλ／４の長さを有するので、伝送線路１３ａの他端に接続された主伝送線路上のノードＣ_２は、基本波および２倍波について、ともにオープンとなる。

伝送線路１３ａ及び二つの伝送線路２１ｃ，２１ｄは、基本波整合回路９を構成する。特に、２倍波についての反射回路を構成する伝送線路７ａが主伝送線路上に挿入されているので、その下流側に当該伝送線路７ａにより乱された主伝送線路の特性インピーダンスを、基本波について整合する必要がある。伝送線路１３ａ，１３ｂがともに２倍波の半波長の長さを有するので、基本波整合回路９を構成する伝送線路１３ａ，２１ｃ，２１ｄは２倍波に対しては影響を与えない。その結果、伝送線路７ａで反射せず漏洩した２倍波は、その一部がノードＣ_２から副伝送線路に流れ込む。

ノードＣ_３を経て副伝送線路に流れ込んだ２倍波は、伝送線路１５ａ，１７ｂを介してトランジスタ１７ａに至り、トランジスタ１７ａで増幅あるいは減衰された後、伝送線路１７ｃ，１５ｂを介して合波回路１９に至る。トランジスタ１７ａはトランジスタ５と同一種類および同一サイズのトランジスタである。伝送線路１５ａ、１５ｂは副伝送線路に流れ込んだ２倍波の位相を変える移相器１５を構成する。また、伝送線路１５ａの一端は抵抗、インダクタ、キャパシタで構成されるフィルタ回路２９に接続されている。このフィルタ回路２９は、副伝送線路に流れ込んだ基本波成分がトランジスタ１７ａに影響を与えないようにその成分を除去するために、高調波抽出回路１３とトランジスタ１７ａとの間に挿入される。基本波と２倍波のそれぞれの成分の大きさは、一般に前者が圧倒的に大きい。基本波整合回路９を構成する伝送線路２１ｃ，２１ｄ，１３ａによって基本波が副伝送線路に流れ込むことを抑制しているが、フィルタ回路２９により、副伝送線路に流れ込んだ基本波成分がトランジスタ１７ａに至ることを防止している。このため、このフィルタ回路２９は周波数遮断特性の優れたフィルタ構成とすることが望ましい。伝送線路１７ｃの他端は、移相器１５を構成する伝送線路１５ｂの一端に接続される。

合波回路１９は、いずれもその基本波についてλ／４の長さを有する二つの伝送線路１９ａ，１９ｂを含む。すなわち、２倍波については半波長の長さを有する。伝送線路１９ｂの一端は解放され、伝送線路１９ｂの他端が伝送線路１９ａの一端に接続されている。また、伝送線路１９ａの他端は、主伝送線路上のトランジスタ５と伝送線路７ａとの間のノードＣ_４に接続されている。伝送線路１９ｂの一端が解放されているので、二つの伝送線路１９ａ，１９ｂの間のノードＣ_５は基本波についてショート、２倍波についてオープンとみなすことができる。その結果、主伝送線路上のノードＣ_４について基本波、２倍波ともにオープンとみなすことができる。すなわち、合波回路１９は、高調波抽出回路１３に含まれる二つの伝送線路１３ａ，１３ｂと同様の作用を呈する。すなわち、主伝送線路上の伝送線路２１ａ，２１ｂと伝送線路１９ａとは、基本波について整合回路として作用し、２倍波については何らの効果も与えない。

上述した高周波増幅器１においては、トランジスタ５の出力から２倍波を抽出して、その２倍波を振幅及び位相を調整した後にトランジスタ５のドレインにフィードバックできる。これにより、トランジスタ５のドレインにおいて２倍波の強度を大きくすることができ、相対的に、出力端子Ｐ_ＯＵＴに現れる基本波を大きくすることができ、高周波増幅器１の全体としての電力効率を向上させることができる。より具体的には、２倍波の反射強度を大きくすることができ、受動回路のみで高調波処理回路を構成した場合に比べて、波形成形により熱損失を軽減することができ、高周波増幅器１としての電力効率を向上させることができる。

図３は、高周波増幅器１における入力電力に対する出力電力及びＰＡＥ（電力付加効率）について、本実施形態において２倍波の合成を行わない場合（図３（ａ））と本実施形態において２倍波の合成を行った場合（図３（ｂ））を比較したものである。それぞれのグラフにおいてグラフＧ１が入力電力に対する出力電力の変化を示し、グラフＧ２が入力電力に対するＰＡＥを示す。このように、入力電力が２０ｄＢｍの時の出力電力がともに約３１ｄＢｍと同等であるにも係らず、２倍波についての合成回路を備えた本実施形態では最大電力付加効率が従来値の６２％から約７３％程度まで向上した。

本実施形態では、トランジスタ５のドレインに２倍波を帰還することにより、高調波反射回路７で反射されてトランジスタ５に戻る２倍波を等価的に大きくし、その結果、基本波についての高効率化を図ることができる。すなわち、高周波増幅器１においては、トランジスタ５のドレインにおいて伝送線路７ａによって高調波を反射させ、高調波抽出回路１３、移相器１５、増幅器１７、及び合波回路１９を経由して、高調波を抽出した後にその高調波の振幅及び位相を調整してから出力に合波することができる。これにより、トランジスタ５の真性部の端面における高調波の電圧反射係数Γを十分に向上させることができる。

また、高周波増幅器１においては、高調波抽出回路１３が伝送線路１３ａ，１３ｂを含み、合波回路１９が伝送線路１９ａ，１９ｂを含んでいる。このような構成によれば、高調波抽出回路１３及び合波回路１９によってトランジスタ５の出力の基本波の伝搬特性に影響を与えることなく高調波を抽出した後に出力に合波することができる。

さらに、高周波増幅器１にはフィルタ回路２９が設けられている。これにより、トランジスタ５の出力から高調波を効率的に抽出してその出力にフィードバックすることができる。

また、本実施形態では、トランジスタ５のドレインから基本波の周波数の２倍の周波数成分である２倍波を抽出してフィードバックしている。このような構成によって、トランジスタ５のドレインにおいて擬似的な矩形波に変換された電圧信号を効率的に発生させることができる。

また、本実施形態では、増幅器１７がトランジスタ５と同一のサイズのトランジスタ１７ａを含んで構成されている。このような構成により、二つのトランジスタについての設計パラメータを共通化することができる。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

上記実施形態では、高調波抽出回路１３によってトランジスタ５の出力から２倍波を抽出して、抽出した２倍波をトランジスタの出力に合波しているが、この２倍波は、３倍波、４倍波等の任意の高調波とされてもよい。また、上記実施形態における副伝送線路の様な高調波処理回路を複数設けそれぞれ別個の高調波について処理する構成としてもよい。このような場合にも、トランジスタ５の真性部の端面における高調波の電圧反射係数Γを十分に向上させ電力効率を向上させることができる。

１…高周波増幅器、５…トランジスタ、７…高調波反射回路、９…基本波整合回路、１３…高調波抽出回路、７ａ，１３ａ，１３ｂ…伝送線路、１５…移相器、１５ａ，１５ｂ…伝送線路、１７…増幅器、１７ａ…トランジスタ、１９…合波回路、１９ａ，１９ｂ，２１ａ～２１ｄ…伝送線路、２９…フィルタ回路。

Claims (7)

1. 入力端子と、
   出力端子と、
   前記入力端子に提供された入力高周波信号を増幅するトランジスタと、
   前記トランジスタと前記出力端子との間で互いに直列に接続された、前記入力高周波信号の基本波についての整合回路、前記基本波に対する高調波についての反射回路、及び、前記出力端子に現れる高調波を抽出する抽出回路と、
   前記抽出回路により抽出された前記高調波の位相および強度を調整する処理回路と、
   前記処理回路により処理された高調波を前記反射回路により反射された高調波と合波して前記トランジスタに与える合波回路と、
   を備え、
   前記抽出回路は、一端が解放され前記基本波について１／４波長の長さを有する伝送線と、前記基本波について１／４波長の長さを有し、一端が当該伝送線の他端に接続され、他端が前記出力端子に接続された他の伝送線と、を含む、
   高周波増幅器。
2. 前記高調波は前記基本波の２倍波である、
   請求項１に記載の高周波増幅器。
3. 前記反射回路は前記合波回路と前記整合回路との間に設けられた前記高調波についての１／４波長の長さを有する伝送線路である、
   請求項１又は２に記載の高周波増幅器。
4. 前記合波回路は、一端が解放され前記基本波について１／４波長の長さを有する伝送線と、前記基本波について１／４波長の長さを有し、一端が前記伝送線の他端に接続され、他端が前記反射回路に接続された他の伝送線と、を含む、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の高周波増幅器。
5. 前記処理回路は、前記抽出された高調波を増幅もしくは減衰する他のトランジスタと、前記抽出された高調波の位相を変える伝送線と、を含み、
   前記他のトランジスタと前記トランジスタは同じ大きさのトランジスタである、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の高周波増幅器。
6. 前記処理回路は、前記抽出回路と前記他のトランジスタとの間に、前記基本波を除去するフィルタをさらに備える、
   請求項５に記載の高周波増幅器。
7. 入力端子と、
   出力端子と、
   前記入力端子に提供された入力高周波信号を増幅するトランジスタと、
   前記トランジスタと前記出力端子との間で互いに直列に接続された、前記入力高周波信号の基本波についての整合回路、前記基本波に対する高調波についての反射回路、及び、前記出力端子に現れる高調波を抽出する抽出回路と、
   前記抽出回路により抽出された前記高調波の位相および強度を調整する処理回路と、
   前記処理回路により処理された高調波を前記反射回路により反射された高調波と合波して前記トランジスタに与える合波回路と、
   を備え、
   前記合波回路は、一端が解放され前記基本波について１／４波長の長さを有する伝送線と、前記基本波について１／４波長の長さを有し、一端が前記伝送線の他端に接続され、他端が前記反射回路に接続された他の伝送線と、を含む、
   高周波増幅器。

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