JPH03209905A - 増幅器とそれを用いた衛星通信用屋外装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は増幅器とそれを用いた衛星通信用屋外装置に関
するものである。

従来の技術 従来技術によるこの種の増幅器について第４図を用いて
説明する。第４図（ａ）はマイクロ波帯における一般的
な増幅器の構成を示している。すなわち増幅素子３ａと
入力端子１ａの間には入力整合回路２ａが設けられ、ま
た増幅素子３ａ七出力端子５ａの間には出力整合回路４
ａが設けられている。これら入力整合回路２ａや出力整
合回路４ａは誘電体基板上に形成されたマイクロストリ
ップ線路による伝送線路やこれに並列接続されたスタブ
等によって構成される。このように構成された入力整合
回路２ａの一例を同図（ｂ）に示す。本図の場合、特性
インピーダンスが５０Ωのマイクロストリップ線路８ａ
と並列に単一のスタブ９ａが接続されている。ただし、
スタブ９ａの長さＬｌは、増幅すべき信号周波数で４分
の１波長よりも短かく設定されており、容量性スタブで
あるとする。

またスタブ９ａが接続される位置は端子１０ａから図面
の左方向にＬ２だけ離れているとする。さらに端子７ａ
は５０Ω系の信号源に接続され、端子１０ａは、増幅素
子３ａの入力端子に接続されるものとする。このような
入力整合回路の端子１０ａから図面左方向をみたときの
インピーダンスをＺｓとすると、Ｚｓは同図（Ｃ）のＢ
点にくる。また同図（ｂ）のスタブ９ａとマイクロスト
リップ線路８ａの接続点から図面左方向く信号源側）を
みたときのインピーダンスは、同図（Ｃ）のＡ点にある
。ここで第４図（Ｃ）は５０Ωで正規化されたスミスチ
ャートを示している。つまり、この入力整合回路では、
５０Ωの信号源インピーダンスを、長さＬｌの容量性の
スタブ９ａによってスミスチャート上で０点からＡ点ま
で移動し、さらにマイクロストリップ線路８ａの長さＬ
２の部分てＡ点からＢ点にまで移動していることになる
。今、第４図（ａ）の構成の増幅器において、増幅素子
３ａの入力端子から入力整合回路２ａ側のインピーダン
スＺＳをみた場合、このＺ５（スミスチャート上でＢ点
）が、増幅素子３ａに固有の雑音に対する最適信号源イ
ンピーダンスであれば、増幅素子３ａが発生する雑音は
最小となる。またｚ５と増幅素子３ａの入力端子から図
面右方向をみたときのインピーダンスが複素共役の関係
にあれば反射による損失がなく電力整合がとれる。この
ような原理にもとづき、第４図（ｂ）のＬｌやＬ２を増
幅素子３ａの特性に対応させて設定することによって増
幅器は設計される。

一般に、複数の増幅素子を縦続接続して構成される多段
の増幅器は、第４図（ａ）に示す増幅器を単位増幅器と
して、これを複数段縦続接続して構成する。この場合、
初段の増幅器の雑音特性が増幅器全体の雑音特性に太き
（影響するため、初段の増幅器の入力整合回路は、ＺＳ
が増幅素子固有の雑音に対する最適信号源インピーダン
スとなるように定数設定されている。この場合、ＺＳは
周波数の関数であるため、増幅すべき信号の周波数にの
み着目して、入力整合回路のスタブの形状やマイクロス
トリップ線路の長さが決定されている。

以上のようにして構成された増幅器を用いた衛星通信用
屋外ユニットの構成を第５図に示す。この屋外ユニット
は、パラボラアンテナの焦点部に設置され、衛星から到
来する電波をパラボラアンテナで受信した後に周波数変
換を行って、復調器を有する屋内装置に信号を伝送する
と同時に、屋内装置内にある変調器から伝送されてくる
信号を周波数変換し、さらに所定の電力にまで増幅して
、パラボラアンテナを介して衛星に向けて電波を送信す
る機能を有するものである。第５図において、ＩＡは送
信ＩＦ信号入力端子、２Ａは送信ＩＦ信号増幅器、３Ａ
は送信側周波数変換器、４Ａは送信側局部発振器、５Ａ
は電力増幅器、６Ａは送信側導波管フィルタ、７Ａは交
差偏波分波器、８Ａは交差偏波分波器７Ａの送信ポート
、９Ａは交差偏波分波器８Ａの受信ポート、ＩＯＡは交
差偏波分波器８Ａの共通ポートに接続されたフィードホ
ーン、１１Ａは受信側導波管フィルタ、１２Ａは低雑音
増幅器、１３Ａは受信側周波数変換器、１４Ａは受信側
局部発振器、１５Ａは受信ＩＦ増幅器、１６Ａは受信Ｉ
Ｆ信号出力端子、１７Ａは基準信号入力端子である。こ
のような構成の衛星通信用屋外装置において、屋内装置
で変調された送信ＩＦ倍信号、送信ＩＦ信号入力端子Ｉ
Ａに入力され、周波数変換、増幅されてフィードホーン
ＩＯＡから出力される。一方、パラボラアンテナで受信
した信号は、フィードホーンＩＯＡを経由し、交差偏波
分波器７Ａで送信信号と分波され、受信側導波管フィル
タＩＩＡを通過して増幅。

周波数変換されて、受信ＩＦ信号出力端子１６Ａより屋
内装置に出力される。ここで第４図の構成の増幅器は、
低雑音増幅器１２Ａの初段に用いられている。

発明が解決しようきする課題 上記構成の衛星通信用屋外装置の交差偏波分波器７Ａの
送信ポート８Ａと受信ポート９Ａの間のアイソレーショ
ン特性は完全なものではないために、送信信号の一部が
受信系に漏洩する。この漏洩した送信信号の電力は、低
雑音増幅器１２Ａの内部で使用している増幅素子にとっ
ては過大な電力レベルであり、これがストレートに増幅
素子に注入されると増幅素子の利得や雑音性能が劣化す
ることになる。特に衛星通信の場合、受信信号レベルは
極めて低いレベルであり、雑音性能の劣化が発生すると
通信不能という最悪の状態に陥いる。このような送信信
号の漏洩による悪影響を避けるために、受信側導波管フ
ィルタＩＩＡが設けてあり、これによって、漏洩した送
信信号の除去を行っている。ところが、導波管フィルタ
ＩＩＡは機構部品で構成されているため、形状が大きく
、衛星通信用屋外装置の小型・軽量化を実現する上で最
大のネックになっていた。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するための本発明の手段は、入力端子と
、この入力端子に接続された入力整合回路と、この入力
整合回路に接続された増幅素子と、この増幅素子に接続
された出力整合回路と、この出力整合回路に接続された
出力端子とを備え、前記入力整合回路はマイクロストリ
ップ線路よりなる伝送線路と、この伝送線路に対して並
列接続されたマイクロストリップパターンよりなる複数
のスタブとにより形成し、これら複数のスタブのうち少
なくともひとつは不要信号周波数で約４分の１波長の長
さをもつ容量性のスタブとし、増幅すべき信号周波数帯
域に対しては、前記入力整合回路は雑音整合回路を形成
し、かつ不要信号周波数に対しては、前記入力整合回路
はこれを減衰させるフィルタを形成した増幅器を構成し
、衛星通信用屋外装置においてこの増幅器を初段に用い
て構成した低雑音増幅器の入力端子を交差偏波分波器の
受信ポートに接続するとともに、この低雑音増幅器の出
力端子を受信側周波数変換器の入力端子に接続するとい
うものである。

作用 本発明の構成による課題解決の作用は次のとうりである
。すなわち、マイクロストリップ線路による伝送線路と
並列に単一の容量性のスタブを接続した場合、その容量
性スタブの長さが４分の１波長に相当する周波数におい
て、伝送線路を伝搬する信号は大きく減衰する。したが
って、増幅器に入力される不要信号周波数において、４
分の１波長の長さを有するスタブを伝送線路と並列接続
しておくことによってこの不要信号を阻止することが可
能となる。この場合、この単一の容量性スタブだけでは
、増幅すべき信号周波数帯域において増幅素子の雑音に
対する最適信号源インピーダンスを形成することは困難
である。これは、単一の容量性スタブを設けることによ
って得られる増幅すべき信号周波数帯域における信号源
インピーダンスが、増幅素子の雑音に対する最適信号源
インピーダンスと等しくなる可能性が極めて低いからで
ある。したがって、上記の不要信号を阻止するための容
量性スタブと同時に増幅素子の雑音に対する最適信号源
インピーダンスを与えるスタブとを備えた入力整合回路
であるならば、増幅素子は、その雑音性能を最大限に発
揮するとともに、不要信号が入力されることによる利得
や雑音性能の劣化が発生しなくなる。ただし、伝送線路
とこれに並列接続された複数のスタブよりなる入力整合
回路全体の回路特性として、上記の不要信号の阻止を雑
音に対する最適信号源インピーダンスが実現されなけれ
ばならないために、厳密には、個々の増幅素子の増幅す
べき信号周波数帯域における雑音特性と不要信号帯域に
おけるインピーダンス特性に応じて、マイクロストリッ
プ線路の長さや並列スタブの長さを最適化する必要があ
る。特許請求の範囲第１項記載の「不要信号周波数の約
４分の１波長の長さ」としているのはこの理由によるも
のである。

次に、衛星通信用屋外装置について説明する。

従来の衛星通信用屋外装置では交差偏波分波器の送信ボ
ートと受信ポートとの間のアイソレーション特性が完全
なものでないために、送信信号が受信系に漏洩するため
、これを阻止する目的で交差偏波分波器の受信ポートと
低雑音増幅器との間に導波管フィルタが設けられている
ことは既に説明した。これに対し、本発明では、不要信
号を阻止する構成の増幅器を低雑音増幅器の初段に用い
ているため、この増幅器を設計する段階で不要信号周波
数が送信信号周波数に等しいものとして入力整合回路を
設計しておけば、導波管フィルタを除去しても、送信信
号が阻止されるために、低雑音増幅器の特性劣化は発生
しないことになる。このようにして、衛星通信用屋外装
置の小型、軽量化に対し最大のネックであった導波管フ
ィルタを除去することが可能となる。

実施例 本発明による実施例について図面を参照しながら説明す
る。第１図（ａ）は、本発明による増幅器の入力整合回
路の基本的なマイクロストリップパターンの一例を示し
、同図（ｂ）は、その伝送特性の計算値を示している。

同図（ａ）において、１は入力端子、２は特性インピー
ダンス５０Ωのマイクロストリップ線路、３は長さＬｌ
の先端開放スタブ、４は長さＬ２の先端開放スタブ、５
は出力端子である。この入力整合回路は、厚さが０．６
ｍｍのテフロン基板上で、厚み１８μｍの銅はくをフォ
トエツチングして形成されている。また、このテフロン
基板の裏面は全面接地パターンとなっている。同図（ａ
）において、ＬｌとＬ２は、１４ＧＨｚにおいて４分の
１波長以下に設定してあり、ＬＩ＝２．４２ｍｍ。

Ｌ２＝２．４２ｍｍである。また、スタブ３とスタブ４
の間を接続しているマイクロストリップ線路２の長さＬ
３は２．５ｍｍにしである。このように構成された入力
整合回路の入力端子１と出力端子５との間の伝送特性は
、同図（ｂ）に示すように、１２ＧＨｚ帯においては減
衰量は非常に少ない。また１４Ｇ七以上では６ｄＢ以上
減衰していることが判る。

ただしこの伝送特性は信号源及び負荷ともに５０Ωとし
て計算したものである。したがって、この入力整合回路
を５０Ωと異なる入力インピーダンスをもつ増幅素子の
入力端子に接続しただけでは、第１図（ｂ）の伝送特性
は得られない。しかし、マイクロストリップ線路と並列
に２つのスタブを並列接続することによって、１２ＧＨ
ｚ帯における減衰を非常に少なくすると同時に、１２Ｇ
Ｈｚ帯と１４ＧＨ７帯の減衰度の差を６ｄＢ以上にする
ことが実現可能ということがわかる。

そこで、次に増幅素子の雑音特性とインピーダンス特性
を考慮して設計した一段増幅器の入力整合回路と出力整
合回路のマイクロストリップパターンを第２図に示す。

同図において、６は入力端子、７は入力整合回路、８は
ガリウムヒ素電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、９は出
力整合回路、１０は出力端子である。入力整合回路７は
、ＦＥＴ８のゲート電極に、出力整合回路９はＦＥＴ８
のドレイン電極に接続されている。入力整合回路７は、
特性インピーダンス５０Ωのマイクロストリップ線路１
１とこれに並列接続された先端開放スタブ１２と先端開
放スタブ１３と先端開放スタブ１４と先端開放スタブ１
５から構成されている。この入力整合回路７は、第１図
（ａ）に示す基本パターンに比べて、スタブの数や形も
異なった複雑なものになっている。これは、ＦＥＴ８の
ゲート電極から入力端子側をみたときの信号源インピー
ダンスＺｓをＦＥＴ８の１２ＧＨｚ帯における雑音に対
する最適信号源インピーダンスと等しくし、かつＦＥＴ
８を負荷としたときの入力整合回路７の伝送特性におい
て、１４ＧＨ７帯が６ｄＢ以上減衰する様にコンピュー
タシミュレーションによって得られた結果である。この
入力整合回路７の全体によって上記の特性を実現してい
る訳であるが、複数のスタブのうち、スタブ１２は１４
ＧＨ７帯において約４分の１波長に設定されており、１
４ＧＨ７帯の信号を阻止するフィルタの主たる構成要素
であり、スタブ１４が雑音整合回路の主たる構成要素で
ある。また、スタブ１３とスタブ１５は、これら主たる
構成要素をマイクロストリップ線路１１に並列接続した
ときに発生する相互干渉を補正し、入力整合回路全体と
して、上述のフィルタ効果と雑音整合の効果を実現する
ために設けである。また、この補正と同等な機能を得る
ために、マイクロストリップ線路１１のうち、スタブ１
２とスタブ１３が並列接続されている部分は、線路幅を
広くすることによって、その特性インピーダンスを５０
Ωよりも低くしである。

以上のようにして構成された増幅器を初段に用いて構成
した低雑音増幅器を採用した衛星通信用屋外装置の構成
ブロック図を第３図に示す。本図において、１６は送信
ＩＦ信号入力端子、１７は送信ＩＦ増幅器、１８は送信
側周波数変換器、１９は送信側局部発振器、２０は電力
増幅器、２１は送信側導波管フィルタ、２２は交差偏波
分波器、２３は交差偏波分波器２２の送信ポート、２４
は交差偏波分波器２２の受信ポート、２５は交差偏波分
波器２２の共通ポートに接続されたフィードホーン、２
６は低雑音増幅器、２７は受信側周波数変換器、２８は
受信側局部発振器、２９は受信ＩＦ増幅器、３０は受信
ＩＦ信号増幅器、３１は基準信号入力端子である。ここ
で、本発明による増幅器は、低雑音増幅器２６の初段に
用いられている。この衛星通信用屋外装置のフィードホ
ーン２５から送信される伝信信号の周波数は１４．０〜
１４．５ＧＨ７であり、フィードホーン２５で受信する
受信信号の周波数は１１．７〜１２．２ＧＨｚである。

また、フィードホーン２５から送信される送信出力パワ
ーは３Ｗ　（３４，８ｄ　Ｂｍ）であり、交差偏波分波
器２２の送信ポート２３と受信ポート２４との間アイソ
レーションは３０ｄＢであるために約５ｄＢｍの送信信
号が、交差偏波分波器より漏洩して低雑音増幅器２６へ
注入されることになる。しかし、この低雑音増幅器２６
には、１４ＧＨｚ帯の送信信号を約６ｄＢ減衰させるフ
ィルタを備えた増幅器をその初段に用いているために、
初段の増幅素子（ＦＥＴ）に注入される送信信号のレベ
ルは一１ｄＢｍとなる。そこで、この−１ｄＢｍの送信
信号が受信信号と同時に、初段の増幅素子であるＦＥＴ
に入力されたとき、受信信号帯域における利得や雑音特
性の劣化が生じるかどうかが問題となる。実際に一１ｄ
Ｂｍの送信信号を注入しながら、低雑音増幅器２６の利
得と雑音指数を測定した結果、利得については、送信信
号を注入しないときに比べて０．５ｄＢ以下の劣化、雑
音指数については、同じく送信信号を注入しないときに
比べて０．２ｄＢ以下の劣化となった。この程度の劣化
量は、実際の運用時において全く問題とならないレベル
である。

したがって、従来の構成では必要であった交差偏波分波
器２２の受信ポート２４と低雑音増幅器２６との間の受
信側導波管フィルタは、送信出力が３Ｗ以下であれば除
去することが実現可能となった。

なお、本実施例では、衛星通信用屋外装置に本発明の増
幅器を適用したが、これ以外にも、双方向の無線通信装
置のフロントエンド部に応用することが可能である。

発明の効果 本発明による増幅器では、マイクロストリップパターン
というきわめて簡単な構成によって、不要信号を阻止す
ると同時に、低雑音な増幅器を実現できるという効果が
ある。また、この増幅器を用いた衛星通信用屋外装置で
は、受信側の導波管フィルタを除去することができ、装
置の小型、軽量化に効果が発揮される。さらに、この導
波管　ｑ フィルタは、周波数特性を調整するための調整ネジが設
けられており、実際にこれを用いる場合には、調整ネジ
を調整するということが必要であったが、導波管フィル
タ自身が除去されるために、この調整も不要という製造
工程上の効果も発揮されることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明による増幅器の入力整合回路の基
本的マイクロストリップパターンを示す平面図、同図（
ｂ）はその伝送特性の計算値を示す特性図、第２図は本
発明による増幅器の一例を示す平面図、第３図は本発明
による増幅器を用いた衛星通信用屋外装置のブロック図
を示している。第４図（ａ）は従来の増幅器のブロック
図を示し、同図（ｂ）は、入力整合回路のマイクロスト
リップパターン■・・・・・・入力端子、２・・・・・
・マイクロストリップ線路、３・・・・・・先端開放ス
タブ、４・・・・・・先端開放スタブ、５・・・・・・
出力端子、６・・・・・・入力端子、７・・・・・・入
力整合回路、８・・・・・・ガリウムヒ素電界効果トラ
ンジスタ、９・・・・・・出力整合回路、１０・・・・
・・出力端子、１１・・・・・・マイクロストリップ線
路、１２・・・・・・先端開放スタブ、１３・・・・・
・先端開放スタブ、１４・・・・・・先端開放スタブ、
１５・・・・・・先端開放スタブ、１６・・・・・・送
信ＩＦ信号入力端子、１７・・・・・・送信ＩＦ増幅器
、１８・・・・・・送信側周波数変換器、１９・・・・
・・送信側局部発振器、２０・・・・・・電力増幅器、
２１・・・・・・送信側導波管フィルタ、２２・・・・
・・交差偏波分波器、２３・・・・・・送信ボート、２
４・・・・・・受信ボート、２５・・・・・・フィード
ホーン、２６・・・・・・低雑音増幅器、２７・・・・
・・受信側周波数変換器、２８・・・・・・受信側局部
発振器、２９・・・・・・受信ＩＦ増幅器、３０・・・
・・・受信ＩＦ信号出力端子、３１・・・・・・基準信
号入力端子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力端子と、この入力端子に接続された入力整合
   回路と、この入力整合回路に接続された増幅素子と、こ
   の増幅素子に接続された出力整合回路と、この出力整合
   回路に接続された出力端子とを備え、前記入力整合回路
   はマイクロストリップ線路よりなる伝送線路と、この伝
   送線路に対して並列接続されたマイクロストリップパタ
   ーンよりなる複数のスタブとにより形成し、これら複数
   のスタブのうち少なくともひとつは不要信号周波数で約
   ４分の１波長の長さをもつ容量性のスタブとし、増幅す
   べき信号周波数帯域に対しては、前記入力整合回路は雑
   音整合回路を形成し、かつ不要信号周波数に対しては、
   前記入力整合回路はこれを減衰させるフィルタを形成し
   たことを特徴とする増幅器。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の増幅器を初段に用い
   て構成した低雑音増幅器の入力端子を交差偏分波器の受
   信ポートに接続するとともに、この低雑音増幅器の出力
   端子を受信側周波数変換器の入力端子に接続したことを
   特徴とする衛星通信用屋外装置。