JPH04104506A

JPH04104506A - 高周波電力増幅装置

Info

Publication number: JPH04104506A
Application number: JP22169690A
Authority: JP
Inventors: Toru Maniwa; 透馬庭; Hisafumi Okubo; 大久保　尚史; Masahiko Asano; 浅野　賢彦; Shiyuuji Kobayakawa; 周磁小早川; Kazuhiko Kobayashi; 一彦小林
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-08-23
Filing date: 1990-08-23
Publication date: 1992-04-07

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】〔概　　要〕高周波電力増幅装置の高効率化、大電力化並びに回路の
小形化に関し、２つの増幅器の出力を合成する高周波電力増幅装置にお
いて、簡単な回路形式で２倍波と３倍波に対する負荷条
件を満たして基本波のみを小形な回路で高効率　大電力
状態で出力できるようにすることを目的とし、高周波入力信号を同相で２つＳこ分配する電力分配器と
、該電力分配器で分配された各出力信号を増幅し且つ高
調波を発生する第１及び第２の増幅器と、これら両増幅
器の出力信号を合成して基本波のみを出力する整合回路
と、を備え、該整合回路が、各増幅器に一端が接続され
共に該増幅器の内部抵抗と同じ特性インピーダンスを有
する第１及び第２の分布定数線路と、両分布定数線路間
に接続され再分布定数線路とは異なる特性インピーダン
スを有する第３の分布定数線路と、該第３の分布定数線
路の中央に接続された基本波出力回路とで構成され、該
第１の増幅器の出力信号を入力する該第１の分布定数線
路の端子の反射係数を３１１、該第２の増幅器の出力信
号を入力する該第２の分布定数線路の端子の反射係数を
３２２、両端子間の信号伝達における透過係数を３２１
及びＳ１２とすると、上記の全回路によるＳ１１＋ＳＬ
２＝３２２＋３２１の値が、基本波周波数「においてＯ
１２倍波周波数２ｒにおいて−１，３倍波周波数３ｆに
おいて１となる散乱特性を有するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は高周波電力増幅装置に関し、特にその高効率化
、大電力化並びに回路の小形化に関するものである。

近年移動体通信や衛星通信に用いられる高周波電力増幅
装置の高効率化が盛んに行われているが、この増幅装置
を搭載した装置自体がどんどん小形になって来ているた
め、高効率増幅装置にも簡単で小形な回路が要求されて
いる。

〔従来の技術〕

従来より、高周波電力増幅装置の高効率化を図るため、
装置内の増幅器から負荷側を見たインピーダンスが２倍
波（偶数次高調波）に対しては短絡、３倍波（奇数次高
調波）に対しては開放となるようにすると有効であるこ
とが知られている。

第１３図は、特開昭６２−１ｉｔ号公報（「マイクロ波
電力増幅器」）に示された従来の高周波電力増幅装置の
概略図であり、特に２倍波と３倍波を考慮した場合の例
である。

この従来例では、増幅器（ＦＥＴ）２０の入力側と出力
側にそれぞれマイクロストリップ線路２１．２２を設け
、マイクロストリップ線路２２の入力端部には増幅器２
０の出力端で２倍波を短絡状態にするための直列共振回
路２３が接続され、マイクロストリップ線路２２の中間
部には同じく増幅器２０の出力端で３倍波を開放状態（
マイクロストリップ線路２２の中間部で短絡状態）にす
るための直列共振回路２４がそれぞれ個別に設けられて
いる。従って、マイクロストリップ線路２１からは基本
波のみが出力されることとなる。

このような従来例の場合において、高調波に対する負荷
条件を満たしたまま大電力化するためには第１３図の回
路を並列に設ける必要があり、回路が大形になってしま
う。

そこで、特開昭６３４５３９０４号公報では、第１４図
に示すように、高周波入力信号を電力分配器１により２
つに分配し、この分配された各出力信号を増幅器２．３
でそれぞれ増幅する回路形式を採っており、更にこれら
の増幅器２，３から基本波ｒのみを取り出すバントパス
・フィルタ（「・ＢＰＦ）２５　２６と、増幅器２，３
からの２倍波２ｒを短絡させるために２つの２倍波バン
トパス・フィルタ（２ｆ−ＢＰＦ）２７ａ、２７ｂを含
み、これらバンドパス・フィルタ２７ａ、２７ｂの位相
を移相器（ＰＳ）２７ｃで逆相関係に調整するための２
倍波フィルタ２７と、増幅器２．３からの３倍波３ｆを
開放状態にさせるために２つの３倍波バンドパス・フィ
ルタ（３ｆ・ＢＰＦ）２８ａ、２８ｂを含み、これらバ
ントパス・フィルタ２８ａ、２８ｂの位相を移相器（Ｐ
Ｓ）２８Ｃで同相関係に調整するための３倍波フィルタ
２日とを設けている。そして、バンドパス・フィルタ２
５．２６の各基本波のみの出力は合成器２９で合成され
て出力される。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、増幅器を大電力化するためには増幅器として
通常、第１５図のようなＦＥＴパンケージが用いられ、
各ＦＥＴ３０ａ、３０ｂの入力側には入力整合回路３１
ａ、３１ｂかそれぞれ設けられると共に、出力側には共
通の出力整合回路３２が設けられている。

しかしながら、このような出力整合回路３２の外部に２
倍波、３倍波に対する回路を設けてもこれらの高調波に
対する負荷条件を満たせない場合があり、そのような場
合には第１４図に示すような高周波電力増幅装置が便利
であるが、回路にフィルタや移相器を含んでいるため回
路の小形化が困難であった。

従って、本発明は、２つの増幅器の出力を合成する高周
波電力増幅装置において、簡単な回路形式で２倍波と３
倍波に対する負荷条件を満たして基本波のみを小形な回
路で高効率・大電力状態で出力できるようにすることを
目的とする。

〔課題を解決するための手段と作用〕

第１図は本発明に係る高周波電力増幅装置の原理的な構
成図である。

図中、■は高周波入力信号を２分配する電力分配器で、
入力信号を同相で第１及び第２の増幅器２．３に出力す
る。第１及び第２の増幅器２．３は入力電力が大きい場
合には奇数次と偶数次の高調波を発生する。

そして、第１及び第２の増幅器２，３の各出力は整合回
路４の入力端子５，６にそれぞれ接続されており、最終
的に電力は整合回路４の出力端子１５から出力される。

ここで、整合回路４の端子５．６．１５をそれぞれ３端
子対回路の端子１，２．３とすると、これらの端子１，
２．３に入出力する波をそれぞれａｌ、ａ２．ａ３．ｂ
ｌ、ｂ２．ｂ３とすると次の式のようになる・・・・　（Ｆｌ）尚、式（Ｆｌ）の右辺第１項の行列［３）は散乱行列と
して知られているものであり、この式では、例えば、端
子１では入力ａ１に対して反射係数Ｓ１１で端子１から
出力ｂ１が反射され、端子２への入力ａ２に対して透過
係数３１２で端子１から出力ｂ１が透過されることを意
味している。

また、第１及び第２の増幅器２．３の出力の振幅が等し
いものとし、また位相も電力分配器１で同相に分配され
るのでａｌ＝ａ２＝ａと置き、方、端子３からの入力は
ないのでａ３＝０とすると弐（Ｆｌ）は、となる。従って、Ｓ１１＋Ｓ１２．Ｓ２２＋Ｓ２１の値
が基本波に対して０．２倍波に対して−１，３倍波に対
して１となるように整合回路４を構成すると、一つの増
幅器からみた負荷条件が基本波に対して整合、２倍波に
対して短絡、３倍波に対して開放となって高効率化が実
現されることになる。

本発明では、この整合回路４を第１図に示すように各増
幅器２．３に一端が接続され共に該増幅器２３の内部抵
抗と同じ特性インピーダンスを有する第１及び第２の分
布定数線路マ、８と、両分布定数線路７，８間二こ接続
され両分布定数線路７．８とは異なる特性インピーダン
スを有する第３の分布定数線路９と、該第３の分布定数
線路９の中央に接続された基本波出力回路１０とで構成
し、該第１の増幅器２の出力信号を入力する該第１の分
布定数線路７の端子５の反射係数をＳｉｔ、該第２の増
幅器３の出力信号を入力する該第２の分布定数線路８の
端子６の反射係数を５２２、両端子５．６間の信号伝達
における透過係数を８２１及び５１２とすると、上記の
全回路によるＳ１１＋ＳＬ２＝３２２＋３２１の値が、
基本波周波数ｆにおいて０．２倍波周波数２ｆにおいて
−１，３倍波周波数３ｆにおいて１となる散乱特性を有
するように構成したものである。

以下、この整合回路４の構成原理について説明する。

まず、第１図のように分布定数線路７．８．９と基本波
出力回路１０とを接続した場合の等価回路を第２図に示
す。但し、分布定数線路７．８は増幅器２．３の内部抵
抗と等しい特性インピーダンスＲ１を有し、その電気長
は共にθＦとする。

また、分布定数線路９は別の特性インピーダンスＲ１と
電気長２θアとを有するものとし、その中央接続点１６
に接続された負荷も含めた基本波出力回路１０の等価回
路を分布定数線路９の特性インピーダンスで規格化した
アドミタンスＧ＋ｊＢで考える。尚、Ｎは高調波の次数
である。

この等価回路では、Ｔ（伝達散乱）行列を用いると第２
図に示すように表すことが出来るが、この場合の１行列
について第３図を用いて簡単に説明する。

即ち、第３図（Ａ）に示すように成る４端子回路の入力
をａｌ、ａ２．出力をｂｌ、ｂ２とする七、これらの入
出力関係は同図（Ｂ）に示すように、Ｓ行列と１行列の
双方を用いて表すことができ、更にこれらの関係から同
図（Ｃ）及び（Ｄ）の関係が得られる。

従って、これらのＳ行列と下行列との関係を用いると、
第２図の１行列からＳ行列に変換することにより、上記
の式（Ｆ２）中の反射係数Ｓ１１及び透過係数３１２が
得られ、結局、５１１４Ｓ１２　（＝３２２＋３２１）
の値が第４図（Ａ）に示す式（Ｆ３）として求められる
。

この式（Ｆ３）において、高調波に関しては基本波出力
回路１０で電力を消費させないため、Ｇ＋ｊＢ＝Ｏで切
り離した形にするので、この場合には第２図の等価回路
の１行列は第５図に示すように簡略化することができ、
この場合の式（Ｆ２）中の３１１＋３１２　（＝３２２
＋Ｓ２１）の値は第４図（Ｂ）の式（Ｆ４）に示す値と
なる。

そして、分布定数線路７，８の特性インピーダンスＲ１
は予め増幅器２，３の内部抵抗と決まっているので、残
りの電気長θ、並びに分布定数線路９の特性インピーダ
ンスＲ７と電気長θＴは、上記の式（Ｆ４）が、Ｎ＝２
　（２倍波）のときｌでＮ＝３　（３倍波）のときｌと
なる値に選ばれる。

このようにして分布定数線路７．８．９の特性インピー
ダンスと電気長が決まると、今度は、基本波については
、式（Ｆ３）において上記の値ＲＦ　＋　　ＲＴ　＋　
　θ２．θ、を代入すると共にＮ＝１として式（Ｆ３）
による３１１＋ＳＬ２　（＝３２２＋３２１）＝０とお
くと、基本波出力回路１０のアドミタンスＧ＋ｊＢのコ
ンダクタンスＧとサセプタンスＢを求めることができる
。

従って、基本波出力回路１０を第６図に原理的に示すよ
うに、二本の直列接続された分布定数線路１１．１３と
、これらの分布定数線路の接続点において分布定数線路
９と並列接続されて３倍波に共振する共振回路１２と、
分布定数線路１３と出力端子１５との接続点において分
布定数線路９と並列接続されて２倍波に共振する共振回
路１４とで構成し、これらの分布定数線路１１．１３の
特性インピーダンスＲ，，Ｒ，は上記に求めたＧとＢか
ら求められる。

そして、分布定数線路１１．１３の電気長θ。

θ、は、分布定数線路９との接続点１６から見た基本波
出力回路１０の高調波（２倍波、３倍波）に対する負荷
条件が開放（インピーダンスが無限大）となる位置（電
気長）であり、この位置において共振回路１２．１４が
分布定数線路９に並列接続されることとなる。

このようにして、基本波については、増幅器２（増幅器
３）から整合回路４に入力した波は整合回路４の端子５
（端子６）からの反射波と、増幅器３（増幅器２）から
端子６（端子５）に入力し端子５（端子６）に出力する
透過波によって打ち消されると整合状態になり端子１５
に最大電力が出力される。

そして、２倍波と３倍波に関してはそれぞれ、反射波と
透過波が合成され整合回路４への入力と逆相になると短
絡、同相になると開放状態となり、端子１５には出力さ
れないこととなり、高効率の大電力増幅を行うことがで
きる。

〔実　施　例］第７図は、第１図に示した本発明に係る高周波電力増幅
装宜の一実施例を示したもので、入力高周波信号は電力
分配器Ｉで同相で二分され増幅器２．３に入力される。

増幅器２の出力は特性インピーダンスＲＦが増幅器の内
部抵抗の値に等しく、基本波における電気長が１５°の
分布定数線路７に接続されている。分布定数線路７の他
端は特性インピーダンスが分布定数線路７の２．２７倍
で基本波における電気長が２　Ｘ　３７．９°の分布定
数線路９に接続されている。

分布定数線路９の他端は分布定数線路７と同じパラメー
タを有する分布定数線路８に接続されており、分布定数
線路８の他端は増幅器３の出力に接続されている。分布
定数線路９の中央には基本波出力回路１０が接続されて
いる。

この接続点１６から基本波出力回路１０を見込むインピ
ーダンスを無限大（アドミタンスＧ十ｊＢ＝０）とする
と、増幅器２．３に接続されている整合回路４おける上
記の各内部抵抗及び電気長を弐（Ｆ４）に代入したとき
、その値は２倍波で１．３倍波で１となる。

第８図は、本発明の他の実施例を示しており、この実施
例では、分布定数線路７．８は特性インピーダンスが増
幅器２，３の内部抵抗の値に等しく、基本波における電
気長が２２．５°であり、分布定数線路９は特性インピ
ーダンスが分布定数線路７，８の２．３３倍で基本波に
おける電気長が２Ｘ　３３．４　’である。

この実施例でも、分布定数線路９の中間接続点から基本
波出力回路１０を見込むインピーダンスを無限大とする
と、増幅器２．３に接続されている整合回路４は式（Ｆ
４）を適用できその値は２倍波で−１，３倍波で１とな
る。

第９図には、第１図に示した基本波出力回路１０の一実
施例が示されており、接続点１６から特性インピーダン
スＲ４で基本波における電気長θ３が３０＠　（これは
３倍波共振回路１２が３倍波で短絡状態となるときに対
応する電気長で一定値となる）の分布定数線路１１が接
続されている。この分布定数線路１１の他端からは、特
性・インピダンスＲ３で基本波にお゛ける電気長がθ５
の分布定数線路１３が接続され、その他端は出力端子１
５になっている。

また、分布定数線路１１と１３の接続点には３倍波にお
ける共振回路１２が負荷と並列に接続されており、この
共振回路１２はキャパシタとインダクタによる直列共振
器で構成されている。

分布定数線路１３と１５との間には２倍波における共振
回路１４が負荷と並列に接続されており、この共振回路
１４もキャパシタとインダクタによる直列共振器で構成
されている。

そして、接続点１６からみたインピーダンスが２倍波で
開放となるようにθ、が決定される。この場合のθ、は
２倍波で接続点１６が開放状態となるような電気長であ
るが、３倍波共振回路１２の２倍波における特性にも依
存する電気長となる。

また、Ｒ，、Ｒ１は基本波において式（Ｆ３）の値がＯ
になるインピーダンス（アドミタンスＧ＋ｊＢ）から決
定される。

第１０図は、基本波出力回路１０の他の実施例か示され
ており、この実施例では、共振回路１２が３倍波におい
て１／４波長の先端開放スタブで構成されており、共振
回路１４が２倍波において１／４波長の先端開放スタブ
で構成されている点が第９図の実施例と異なっている。

第１１図は、基本波出力回路１０の更に別の実施例を示
しており、この実施例では、共振回路１２．１４がそれ
ぞれ薄膜キャパシタ１２１．１４１と細いマイクロスト
リンプ線路１２２．１４２の直列共振器で構成されてい
る点が第９図及び第１０図の実施例と異なっている。

第１２図は、本発明に係る高周波電力増幅装置をパッケ
ージＦＥＴに応用した例を示しており、この場合には、
第８図の例と第１１図の例を組み合わせたもので、入力
信号は電力分配器１で分配されて入力整合回路３１ａ、
３１ｂを経由した後、ＦＥＴ２．３でそれぞれ増幅され
る。

ＦＥＴ２，３の出力信号は分布定数線路７及び８に送ら
れ、更に分布定数線路９の中央部から基本波出力回路１
０に送られ、３倍波は共振回路１２で短絡され、２倍波
は共振回路１４で短絡される結果、分布定数線路１１及
び１３を経由して出力端子１５からは基本波のみが出力
されることとなる。

この場合、分布定数線路１３の長さは基本波の波長の１
／４程度かそれ以下になるため増幅装置全体の大きさは
最大でも基本波の波長の１／２平方以内におさめること
が可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、増幅器を２個並
列動作させて大電力増幅させる高周波電力増幅装置にお
いて、各増幅器の出力に分布定数線路を接続し、これら
の分布定数線路間を更に別の分布定数線路で接続してそ
の中央に基本波出力回路を接続してその接続点から見た
負荷条件が２倍波及び３倍波に対して開放となり、基本
波に対しては両増幅器から最大電力を出力するように構
成したので、各増幅器の出力側で２倍波は短絡、３倍波
は開放となって高効率化を達成することができる。

またフィルタや移相器を用いないため装置構成が簡単で
小形化でき、更に装置をすべて分布定数線路の一種であ
るマイクロストリンプ線路を用いて構成すれば増幅器全
体をＭＭｒＣ化することも可能とり、−層小形な増幅器
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る高周波電力増幅器の原理構成ブ
ロック図、第２図は、本発明における整合回路の等価回路とそのＴ
（伝達散乱）行列を示した図、第３図は、Ｓ（散乱）行
列とＴ行列との変換を説明するための図、第４図は、Ｓ行列におケルＳ　１１＋３１２　（Ｓ２２
＋３２１）の値を求める式を示した図、第５図は、第２
図の等価回路を高調波の場合について考えたときの等価
回路とそのＴ行列を示した図、第６図は、本発明で用いる基本波山ツノ回路を原理的に
示したブロック図、第７図及び第８図は、それぞれ第１図の原理図に数値を
適用した実施例を示す図、第９図乃至第１１図は、それぞれ第６図に示した基本波
出力回路の実施例を示した図、第１２図は、本発明をＦ
ＥＴパッケージに組み込んだときの実施例を示した図、第１３図乃至第１５図は、それぞれ従来例を示した図、
である。図中、１：電力分配器、２：第１の増幅器、３：第２の増幅器、４：整合回路、５．６：第１、第２の増幅器からの入力端子、７：第１
の分布定数線路、８：第２の分布定数線路、９：第３の分布定数線路、０：基本波出力回路、ｌ：第４の分布定数線路、２：３倍波共振回路、３：第５の分布定数線路、４：２倍波共振回路、５：出力端子６：分布定数線路９と基本波出力回路との接読点。図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。理人

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高周波入力信号を同相で２つに分配する電力分配
器（１）と、該電力分配器（１）で分配された各出力信
号を増幅し且つ高調波を発生する第１及び第２の増幅器
（２）（３）と、これら両増幅器（２）（３）の出力信
号を合成して基本波のみを出力する整合回路（４）と、
を備え、該整合回路（４）が、各増幅器（２）（３）に
一端が接続され共に該増幅器（２）（３）の内部抵抗と
同じ特性インピーダンスを有する第１及び第２の分布定
数線路（７）（８）と、両分布定数線路（７）（８）間
に接続され両分布定数線路（７）（８）とは異なる特性
インピーダンスを有する第３の分布定数線路（９）と、
該第３の分布定数線路（９）の中央に接続された基本波
出力回路（１０）とで構成され、該第１の増幅器（２）
の出力信号を入力する該第１の分布定数線路（７）の端
子（５）の反射係数をＳ１１、該第２の増幅器（３）の
出力信号を入力する該第２の分布定数線路（８）の端子
（６）の反射係数をＳ２２、両端子（５）（６）間の信
号伝達における透過係数をＳ２１及びＳ１２とすると、
上記の全回路によるＳ１１＋Ｓ１２＝Ｓ２２＋Ｓ２１の
値が、基本波周波数ｆにおいて０、２倍波周波数２ｆに
おいて−１、３倍波周波数３ｆにおいて１となる散乱特
性を有することを特徴とした高周波電力増幅装置。
（２）該基本波出力回路（１０）が、該散乱特性を与え
る全回路に基づいてＳ１１＋Ｓ１２＝Ｓ２２＋Ｓ２１の
値が基本周波数ｆにおいて０となるインピーダンスを有
していることを特徴とした請求項１に記載の高周波電力
増幅装置。
（３）該基本波出力回路（１０）が、該第３の分布定数
線路（９）との接続点から基本波において所定電気長と
特性インピーダンスの第４の分布定数線路（１１）と、
該第４の分布定数線路（１０）の出力端子に並列接続さ
れ３倍波に対して接地状態となるように共振する共振回
路（１２）と、該第４の分布定数線路（１１）に接続さ
れた特性インピーダンスの異なる第５の分布定数線路（
１３）と、該第５の分布定数線路（１３）の出力端子に
並列接続され２倍波に対して接地状態となるように共振
する別の共振回路（１４）とで構成され、該第４及び第
５の分布定数線路（１１）（１３）が、全回路によるＳ
１１＋Ｓ１２＝Ｓ２２＋Ｓ２１の値を０にする特性イン
ピーダンスを有し３倍波及び２倍波について該第３の分
布定数線路（９）との接続点から基本波出力回路（１０
）を見込む負荷条件が開放となる電気長を有するように
可変選択されることを特徴とした特許請求の範囲第１項
記載の高周波電力増幅装置。