JPH0483408A - 高周波電力増幅装置 - 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】 〔概　　要〕 高効率化された高周波電力増幅装置に関し、高調波成分
の電力が増幅器の内部抵抗で消費されることなく高効率
化を図れる高周波電力増幅装置を実現することを目的と
し、 高周波入力信号を増幅する増幅器と、該増幅器の出力の
内、何れか１つの偶数又は奇数次高調波成分のみを分離
する高調波分離回路と、該高調波分離回路によって分離
された該偶数又は奇数次高調波成分を増幅・反射させ、
該偶数又は奇数次高調波成分に対応して該増幅器の内部
抵抗及びリアクタンス又は内部コンダクタンス及びサセ
プタンスを打ち消す反射波を発生する手段と、該高調波
分離回路の出力の内、基本波成分のみに対して整合を行
う基本波整合回路と、で構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、高周波電力増幅装置に関し、特に高効率化さ
れた高周波電力増幅装置に関する。

近年、移動体通信装置や通信衛呈等に搭載して運用する
ために、限られた電源容量の下で電力増幅装置を有効に
働かせ、最大限の高周波電力を供給させることが要求さ
れている。

このため、特に高効率化された高周波電力増幅装置が必
要になっている。

〔従来の技術〕

従来、高周波電力増幅装置の高効率化を図るために非線
形増幅させた場合、その出力側から負荷側を見たインピ
ーダンスが偶数次高調波に対しては短絡状態、奇数次高
調波に対しては開放状態となるような回路構成（Ｆ級増
幅器）にすると有効であることが一般的に知られている
。

第８図は、このような高効率化された高周波電力増幅装
置の従来例を示した図であり、１は高周波入力信号を増
幅するＦＥＴ（ｉｉ界効果トランジスタ）、１１はＦＥ
ＴＩで増幅された高周波信号のうち基本波（基本周波数
成分）に対して１／４波長の長さとなる伝送線路、１２
は伝送線路１１の出力のうちの基本波に共振するための
インダクタし及びコンデンサＣとから成る並列共振回路
、Ｒ４はＦＥＴＩの出力インピーダンスと整合する負荷
抵抗、をそれぞれ示す。

このような従来例の動作に於いては、高周波入力信号は
、ＦＥＴＩでＢ線動作によって非線形増幅されて基本波
と共に多数の高調波成分が発生し、結合コンデンサＣ３
及び伝送線路１１を通過後、並列共振回路１２に入力さ
れる。

この場合、ＦＥＴＩで増幅された高周波信号のうち基本
波成分は並列共振回路１２で共振させられるために並列
共振回路１２のインピーダンスは無限大となって並列共
振回路１２は切り離された形となり、この結果、基本波
は伝送線路１１及び並列共振回路１２の影響無く出力さ
れ、整合が取れた状態で負荷抵抗ＲＬにより消費される
ことになる。

一方、全ての高調波成分に対しては、並列共振回路１２
のインピーダンスは短絡状態となって反射が起こり、定
在波が発生する。

例えば偶数次高調波として第２高調波の場合には、伝送
線路１１上には、その入力端から出力端の方向に電圧が
最小−最大−最小となる定在波が発生し、この結果、イ
ンピーダンスはそれぞれ短絡−開放−短絡の状態となり
、入力端及び出力端が共に短絡された状態となる。

また奇数次高調波として第３高調波を例に挙げると、同
様にして電圧が最大−最小一最大一最小となる定在波が
発生し、この結果、インピーダンスがそれぞれ開放−短
絡一開放一短絡の状態となり、入力端は開放、出力端は
短絡された状態となる。

このことは、伝送線路１１によって増幅器１の出力端か
ら見た負荷が偶数次高調波に対しては短絡、奇数次高調
波に対しては開放となっていることをそれぞれ示してい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような従来の高効率化された高周波電力増幅装置で
は、増幅器の出力回路に基本波に対し１／４波長の長さ
となる伝送線路と基本波に共振するＬＣ並列共振回路と
を設け、増幅器の出力端において、強制的に偶数次高調
波に対しては短絡、奇数次高調波に対しては開放となる
ようにしている。

この方式では理論上は１００％まで高効率化が達成出来
るが、実際には、増幅器には内部抵抗が存在するため、
高調波成分に関して増幅器の出力回路に設けた外部の回
路の負荷を短絡や開放状態にしても増幅器の内部で高調
波成分の電力が消費されてしまうため高効率化を妨げる
という問題点があった。

従って、本発明では高調波成分の電力が増幅器の内部抵
抗で消費されることなく高効率化を図れる高周波電力増
幅装置を実現することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明に係る高周波電力増
幅装置では、第１図に原理的に示すように、高周波入力
信号を増幅する増幅器１と、該増幅器１の出力の内、何
れか１つの偶数次高調波成分のみを分離する高調波分離
回路２と、該高調波分離回路２によって分離された該偶
数次高調波成分を増幅・反射させ、該偶数次高調波成分
に対応して該増幅器１の内部抵抗及びリアクタンスを打
ち消す反射波を発生する手段３と、該高調波分離回路２
の出力の内、基本波成分のみに対して整合を行う基本波
整合回路４と、を設けるようにしている。

また、第２図に原理的に示すように、高周波入力信号を
増幅する増幅器１と、該増幅器１の出力の内、何れか１
つの奇数次高調波成分のみを分離する高調波分離回路５
と、該高調波分離回路５によって分離された該奇数次高
調波成分を増幅・反射させ、該奇数次高調波成分に対応
して該増幅器１の内部コンダクタンス及びサセプタンス
を打ち消す反射波を発生する手段６と、該高調波分離回
路５の出力の内、基本波成分のみに対して整合を行う基
本波整合回路４と、を設けるようにしている。

更に、第１図に原理的に示す高周波電力増幅装置におい
て、該高調波分離回路２と該基本波整合回路４との間に
、第２図に原理的に示す高周波電力増幅装置の高調波分
離回路５を挿入し、該高調波分離回路５に該反射波発生
手段６を接続したことをも特徴としている。

〔作　　　用〕

本発明では高周波電力増幅装置の高効率化を図るに当た
って、増幅器の内部抵抗（または内部コンダクタンス）
を打ち消すことが出来るような手段を増幅器の出力側に
予め接続するようにすれば、高調波成分の電力が増幅器
の内部抵抗（または内部コンダクタンス）に消費されず
に済むことに着眼した。

以下、この着眼点に鑑みて採られた第１図及び第２図の
本発明の基本原理及び作用についてそれぞれ偶数次高調
波と奇数次高調波の場合に分けて説明する。

゛　ｉ′の　人（第１図、第３図） 第３図は、偶数次高調波の場合における増幅器の内部抵
抗を打ち消す基本的な作用原理について説明した図であ
り、ＩＡは等価電圧源Ｖと内部抵抗Ｒ０及び内部リアク
タンスＸ００内部インピーダンスから成る増幅器、７は
増幅器ＩＡの出力側に直列に接続され、抵抗分Ｒ及びリ
アクタンス分Ｘとから成る等価整合回路をそれぞれ示し
ている。

この場合、−船釣な整合であれば、最大電力の理により
Ｒ＝Ｒ，、Ｘ−−Ｘ＠とするが、本発明では整合回路７
の抵抗分Ｒ及びリアクタンス分Ｘは増幅器ＩＡの内部抵
抗Ｒ０及び内部リアクタンスＸ０とそれぞれＲ＝−Ｒ，
、χ＝−Ｘ０の関係を有するようにし、内部抵抗と整合
回路７の抵抗分の和が０となって高調波成分の電力を消
費する要素を除去しようとするものである。

このことは、従来例に於ける偶数次高調波を短絡した場
合に相当し、偶数次高調波成分について高効率化が図れ
ることになる。

また、整合回路７の抵抗分Ｒが増幅器ＩＡの内部抵抗Ｒ
０にマイナスを付した数で表せるということは、整合回
路７は増幅器ＩＡの抵抗分に対して負性抵抗成分を持つ
ことを意味している。

従って、第３図に示すこのような偶数次高調波成分に対
応して増幅器ＩＡの内部抵抗を打ち消す基本原理に基づ
き、その実現手段としての原理構成図を示した第１図に
おいては、先ず、増幅器１で増幅された高周波信号出力
のうち、何れか１つの偶数次高調波成分とそれ以外の高
調波成分及び基本波成分とが高調波分離回路２によって
それぞれ分離される。

次に、分離された何れか１つの偶数次高調波成分は、反
射波発注手段３によって増幅・反射されてから高調波分
離回路２を経由した後、再び増幅器１の出力側に戻され
る。

この際、反射波発生手段３は、増幅器１の出力側から負
荷側を見て結果的に、何れか１つの偶数次高調波成分に
対応して増幅器１の内部抵抗及びリアクタンスを打ち消
す負性特性（Ｒ＝−Ｒ。

Ｘ＝−Ｘ、）の反射波を発生していることになる。

一方、分離された成分のうち基本波成分については、基
本波整合回路４によって通常の整合（基本波に於ける内
部インピーダンスをＲ’＋ｊＸ’とするとＲ’　＝Ｒ０
，χ’　＝−Ｘ、）が行われる。

゛　醤、°の６人（第２図、第４図） 第４図は、奇数次高調波の場合に於ける増幅器の内部コ
ンダクタンスを打ち消す基本的な作用原理について説明
した図であり、ＩＢは等価を流源■と内部コンダクタン
スＧ、及び内部サセプタンスＢ０の内部アドミタンスか
ら成る増幅器、８は増幅器ＩＢの出力側に並列に接続さ
れ、コンダクタンスＧ及びサセプタンスＢとから成る等
価整合回路をそれぞれ示しているに の場合、整合回路８のコンダクタンスＣ及びサセプタン
スＢが増幅器ＩＢの内部コンダクタンスＧ０及びサセプ
タンスＢ、とそれぞれ負性特性の関係、即ち、Ｇ＝−Ｇ
、、Ｂ＝Ｂ、ならば内部コンダクタンスと整合回路８の
コンダクタンス分の和がＯ１即ち抵抗骨が無限大（開放
）となって高調波成分の電力を消費する要素は無くなっ
てしまう。このことは、従来例に於ける奇数次高調波短
絡の場合に相当し、奇数次高調波成分について高効率化
が図れることになる。

また、整合回路８のコンダクタンスＧが増幅器ＩＢの内
部コンダクタンスＧ０にマイナスを付した数で表せると
いうことは、整合回路８は増幅器ＩＢのコンダクタンス
に対して負性抵抗成分を持つことを意味している。

従って、第４図に示すこのような奇数次高調波成分に対
応して増幅器ＩＢの内部コンダクタンスを打ち消す基本
原理に基づき、その実現手段としての原理構成図を示し
た第２図においては、第１図に示される偶数次高調波成
分の場合に対して偶数を奇数、高調波分離回路２を高調
波分離回路５、反射波発生手段３を反射波発生手段６に
それぞれ置き換えた構成となっている。

この際、反射波発生手段６は、増幅器１の出力側から負
荷側を見て結果的に、何れか１つの奇数次高調波成分に
対応して増幅器ｌの内部コンダクタンス及びサセプタン
スを打ち消す負性特性（Ｇ＝−Ｇ、、Ｂ＝−Ｂ、）の反
射波を発生していることになる。

また、本発明においては、第１図に原理的に示す偶数次
高調波成分について高効率化が図れる高周波電力増幅装
置に、第２図に原理的に示す奇数次高調波成分について
同様に高効率化が図れる高周波電力増幅装置の高調波分
離回路５と反射波発生手段６との組合せを含ませること
により、何れか１つの偶数次高調波成分と共に何れか１
つの奇数次高調波成分に対しても同時に高効率化が図れ
ることが可能となる。

このようにして、増幅器の内部抵抗（または内部コンダ
クタンス）を打ち消すことが出来るような負性特性を持
った手段を増幅器の出力側に接続することにより、高調
波成分の電力が増幅器の内部抵抗（または内部コンダク
タンス）に消費されずに済み、その結果、増幅器の高効
率化が図れることになる。

〔実　施　例〕

】」（ど１１舛 第５ｒｇＪは第１図に示した本発明による偶数次高調波
成分、特に第２高調波成分について通用される高周波電
力増幅装置の一実施例を示した図であり、１は内部抵抗
Ｒ０及び内部リアクタンスχ０なる内部インピーダンス
を有し高周波入力信号を増幅するＦＥＴ、２はＦＥＴＩ
で増幅された高周波信号のうち第２高調波成分のみを分
離する高調被分離回路としての方向性結合器、３ａは分
離された第２高調波成分を増幅して再び入力側に反射し
て送り返す反射型増幅器、３ｂは反射型増幅器３ａの反
射出力の振幅の大きさを調整する減衰器、３ｃは減衰器
３ｂの出力の位相を調整する位相調整回路、４は方向性
結合器２の出力のうち基本波成分に対してＦＥＴＩの内
部（出力）インピーダンスと整合する基本波整合回路、
Ｒ４は無反射終端器をそれぞれ示す。

尚、この実施例では、第１図に示す反射波発生手段３は
反射型増幅器３ａ、減衰器３ｂ及び位相調整回路３ｃで
構成されている。

このような実施例の動作に於いては、先ず、ＦＥＴＩで
増幅された高周波信号出力は方向性結合器２の端子ａに
入力されるが、方向性結合器２は第２高調波に対して１
／４波長（基本波ならば１／８波長）となる長さに対応
している為に、方向性結合器２によって第２高調波成分
がそれ以外の高調波成分及び基本波成分から分離されて
それぞれ端子Ｃ及び端子すより出力される。この際、第
２高調波成分は若干、減衰されて出力されることになる
。

次に、端子Ｃに出力された第２高調波成分は、位相調整
回路３Ｃ及び減衰器３ｂを道通して反射型増幅器３ａに
入力されて増幅された後、再びその入力側に反射されて
送り返される。

更に、反射型増幅器３ａの反射出力は再び減衰器３ｂに
入力されて反射出力の振幅の大きさが調整されてから位
相調整回路３Ｃにより減衰器３ｂの出力の位相が調整さ
れた後、方向性結合器２の端子Ｃに送られて端子ｄ及び
端子ａにそれぞれ出力される。

端子ｄに出力された信号は無反射終端器Ｒ４によってそ
のまま終端されるが、端子ａに出力した信号はＦＥＴＩ
の出力側に戻されるために、ここから負荷側全体（破線
で示す）をみると結果的に、第２高調波成分に対応して
ＦＥＴＩの内部抵抗Ｒ０及び内部リアクタンスｘ０を打
ち消す負性抵抗特性となることが分かる。

一方、方向性結合器２の端子すより出力された成分のう
ち基本波成分については、ＦＥＴＩの内部（出力）イン
ピーダンスと共役関係にある基本波整合回路４によって
通常の整合が行われる。

尚、減衰器３ｂ、位相調整回路３ｃ及び反射型増幅器３
ａの反射波の振幅及び位相の調整については、ＦＥＴＩ
と反射型増幅器３ａを組み合わせた効率が最も高くなる
ように調整されるが、実際には以下に例示する２通りの
方法により実施することが出来る。

■先ず、ＦＥＴＩを単独で動作させ、その出力側にネッ
トワークアナライザ等を接続して第２高調波に対応した
内部抵抗Ｒ０及び内部リアクタンスＸ０を予め測定する
。

次に、ＦＥＴＩの出力側から負荷側を見込むインピーダ
ンスを負性特性が得られるように第３図で説明した如＜
−Ｒ，（−Ｒ）及び−Ｘ、（＝Ｘ）とすれば、増幅器１
に最適な反射係数Ｓは、増幅器ｌの実数部Ｒ０のみを考
慮すればよいので、Ｓ＝　（Ｒ＋　Ｊ　Ｘ　　Ｒｅ　）
／　（Ｒ＋　ｊＸ＋Ｒ６）＝　（Ｒｅ　　ｊＸｏ　　Ｒ
ｏ　）／　（Ｒｏ　−ＪＸｏ　＋Ｒａ　） ＝１−　　（ｊ　２Ｒ，／Ｘ、） で表される。

従って、負荷側部分の反射係数の値がこの反射係数Ｓで
算出される（Ｉ　（大きさと位相）に一致するように、
負荷側の端子ａにネットワークアナライザを接続して負
荷側部分を単独で動作させて第２高調波に対応した反射
係数を直接測定しながら、反射型増幅器３ａ、減衰器３
ｂ及び位相調整回路３ｃをそれぞれ調整する。尚、反射
型増幅器３ａのゲインを予め大きくとっておけば、減衰
器３ｂと位相調整回路３ｃのみの調整で済む。

このようにして調整された負荷側の部分をＦＥＴ１の出
力側に接続する。

■また、第５図に示す回路状態で反射波の調整を行うに
は、高周波電力増幅装置を動作させた状態で、ＦＥＴＩ
の消費電流から消費電力を求め、高周波電力増幅装置の
最終的な出力電力との比、即ち（出力電力）／（消費電
力）で定義される効率が最大になるように、反射型増幅
器３ａ、減衰器３ｂ及び位相調整回路３ｃをそれぞれ調
整する。

上述した実施例は偶数次高調波成分中の第２高調波成分
について述べたが、その他の偶数次高調波成分について
は方向性結合器２の長さと、反射型増幅器３ａ、減衰器
３ｂ及び位相調整回路３ｃの調整値を変更すれば良い。

また、奇数次高調波の各々についても同様であり、例え
ば第３高調波の場合には、方向性結合器２の長さを第３
高調波に対して１／４波長（基本波ならば１／１２波長
）とし、反射型増幅器３ａ、減衰器３ｂ及び位相調整回
路３Ｃの調整（反射係数又は電力効率）を新たに変えれ
ば良い。

但し、実際に反射係数を用いて調整する場合は以下に示
す方法により実施される。

先ず、ＦＥＴＩを単独で動作させ、その出力側にネット
ワークアナライザ等を接続して第３高調波に対応した内
部コンダクタンスＧ０及び内部サセプタンスを予め測定
する。

次に、ＦＥＴＩの出力側から負荷側を見込むアドミタン
スを負性特性が得られるように第４図で示した如＜−Ｇ
、（−Ｇ）及び−Ｂ、（＝Ｂ）とすれば、増幅器１に最
適な反射係数Ｓは、増幅器１の実数部のみを考慮して、 ５＝（（１／（Ｇ＋ｊＢ））−（１／Ｇ、Ｎ／（（１／
　（Ｇ　＋　ｊ　Ｂ）　）　＋　（１／Ｇｏ　）　１＝
　（Ｇｏ　　Ｇ　　Ｊ　Ｂ）　／　（Ｇｏ　＋　Ｇ十ｊ
　Ｂ’）＝　（Ｇ６　＋Ｇｏ　＋　ｊ　Ｂｅ　）　／　
（ＧＯＧＯｊＢｏ） ＝−１＋　（ｊ２Ｃ；ｏ　／Ｂｅ　） で表される。

従って、負荷側部分の反射係数の値がこの反射係数Ｓで
算出される値（大きさと位相）に一致するように、負荷
側部分を同様に単独で動作させてネットワークアナライ
ザにより第３高調波に対応した反射係数を直接測定しな
がら、反射型増幅器３ａ、Ｎ衰器３ｂ及び位相調整回路
３Ｃをそれぞれ調整する。

策Ｉ■裏旌拠 第６図は第１図及び第２図に示した本発明による高周波
電力増幅装置の別の実施例を示した図であり、第１図及
び第２図に示す高調波分離回路２５として方向性結合器
の代わりに基本波のみを通過させるバンドパスフィルタ
２ａと第２又は第３高調波のみを通過させるバンドパス
フィルタ２ｂとで構成し、無反射終端器Ｒ４を除いたも
のであり、基本的な構成及び動作並びに反射係数又は電
力効率の調整方法については第５図の実施例と同様であ
るためその説明は省略する。

集主■裏皇班 第７図は第１図に示した本発明による偶数次高調波成分
について適用される高周波電力増幅装置と第２図に示し
た本発明による奇数次高調波成分について適用される高
周波電力増幅装置を組み合わせた場合の一実施例を示し
た図であり、方向性結合器２の出力側に第３高調波を分
離する方向性結合器５を接続すると共に方向性結合器５
に第３高調波に対応した反射波発生手段６として反射型
増幅器６ａ、減衰器６ｂ及び位相調整回路６ｃから成る
組合せを接続じており、これら以外の基本的な構成及び
動作並びに反射係数又は電力効率の調整方法については
偶数次高調波及び奇数次高調波に適用される第１の実施
例と同様であるためその説明は省略する。

尚、この実施例では、第２高調波に対応した方向性結合
器２の出力側に第３高調波に対応した方向性結合器５を
設けるようにしており、第２高調波成分と共に第３高調
波成分に対しても同時に負性特性が得られて、高効率化
が図れることが可能となる。

この場合、それぞれの方向性結合器が各に１つの高調波
に対応して独立した回路構成となっているため、反射係
数等の調整方法についても個々に順次行う必要がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る高周波電力増幅装置
によれば、増幅器の内部抵抗（または内部コンダクタン
ス）を打ち消すことが出来るような反射波を発生出来る
手段を増幅器の出力側に接続するように構成したので、
高調波成分の電力が増幅器の内部抵抗（または内部コン
ダクタンス）に消費されず増幅器の高調波に対する負荷
条件（偶数次高調波で短絡、奇数次高調波で開放）が最
適となり、その結果、高効率化された高周波電力増幅装
置を実現することが出来る。

【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装置の偶数次高
調波に対応した原理構成ブロック図、第２図は、本発明
に係る高周波電力増幅装置の奇数次高調波に対応した原
理構成ブロフク図、第３図は、本発明に係る高周波電力
増幅装置の偶数次高調波に対応した原理作用を説明する
為の等価回路図、 第４図は、本発明に係る高周波電力増幅装置の奇数次高
調波に対応した原理作用を説明する為の等価回路図、 第５図は、本発明に係る高周波電力増幅装置の第１の実
施例を示す図、 第６圀は、本発明に係る高周波電力増幅装置の第２の実
施例を示す図、 第７図は、本発明に係る高周波電力増幅装置の第３の実
施例を示す図、 第８図は、従来例を示す図、である。 第１図及び第２図において １・・・増幅器、 ２．５・・・高調波分離回路、 ３．６・・・反射波発生手段、 ４・・・基本波整合回路。 図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波入力信号を増幅する増幅器（１）と、該増
   幅器（１）の出力の内、何れか１つの偶数次高調波成分
   のみを分離する高調波分離回路（２）と、該高調波分離
   回路（２）によって分離された該偶数次高調波成分を増
   幅・反射させ、該偶数次高調波成分に対応して該増幅器
   （１）の内部抵抗及びリアクタンスを打ち消す反射波を
   発生する手段（３）と、該高調波分離回路（２）の出力
   の内、基本波成分のみに対して整合を行う基本波整合回
   路（４）と、を備えたことを特徴とする高周波電力増幅
   装置。
2. （２）高周波入力信号を増幅する増幅器（１）と、該増
   幅器（１）の出力の内、何れか１つの奇数次高調波成分
   のみを分離する高調波分離回路（５）と、該高調波分離
   回路（５）によって分離された該奇数次高調波成分を増
   幅・反射させ、該奇数次高調波成分に対応して該増幅器
   （１）の内部コンダクタンス及びサセプタンスを打ち消
   す反射波を発生する手段（６）と、 該高調波分離回路（５）の出力の内、基本波成分のみに
   対して整合を行う基本波整合回路（４）と、を備えたこ
   とを特徴とする高周波電力増幅装置。
3. （３）請求項１に記載の高周波電力増幅装置において、
   該高調波分離回路（２）と該基本波整合回路（４）との
   間に請求項２に記載の高調波分離回路（５）を挿入し、
   該高調波分離回路（５）に該反射波発生手段（６）を接
   続したことを特徴とする高周波電力増幅装置。