JPH05191176A - High frequency power amplifier - Google Patents

High frequency power amplifier

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JPH05191176A
JPH05191176A JP4025705A JP2570592A JPH05191176A JP H05191176 A JPH05191176 A JP H05191176A JP 4025705 A JP4025705 A JP 4025705A JP 2570592 A JP2570592 A JP 2570592A JP H05191176 A JPH05191176 A JP H05191176A
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fundamental wave
impedance
line
circuit
harmonic
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Masaya Kuwano
雅也 桑野
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IWATSUU SEIMITSU KK
Iwatsu Electric Co Ltd
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IWATSUU SEIMITSU KK
Iwatsu Electric Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To obtain a small sized and highly efficient high frequency power amplifier. CONSTITUTION:Loss due to a secondary higher harmonic can be eliminated by inserting a parallel resonance circuit 15 resonating with the secondary higher harmonic of a fundamental wave between the drain of a field effect transistor 101 and a fundamental wave matching circuit 134. Since the parallel resonance circuit 15 displays no loss for the fundamental wave and high impedance for the secondary higher harmonic, only the fundamental wave can be supplied to a load impedance 150 via the fundamental wave matching circuit 134. The parallel resonance circuit 15 can be comprised in extremely small shape, thereby, the small sized and highly efficient power amplifier can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は無線通信機の送信電力増
幅器に係わり、とくに小型で電力効率の高い高周波電力
増幅器に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a transmission power amplifier for a wireless communication device, and more particularly to a small-sized high frequency power amplifier with high power efficiency.

【0002】[0002]

【従来の技術】UHF帯移動無線機の送信機には大電力
の信号を出力するために、1W〜数W程度の高周波電力
増幅器が用いられる。一般に移動無線機は固定型の無線
機に比べ、小型で低消費電力にする必要がある。このた
め、無線機のDC電力の大部分を消費する電力増幅器に
は、DC−RF電力変換効率が高く小型であることが求
められる。
2. Description of the Related Art A high-frequency power amplifier of about 1 W to several W is used in a transmitter of a UHF band mobile radio to output a high power signal. In general, a mobile wireless device needs to be smaller and consume less power than a fixed wireless device. Therefore, the power amplifier that consumes most of the DC power of the wireless device is required to have a high DC-RF power conversion efficiency and a small size.

【0003】とくに、携帯用の無線電話機等において
は、無線機が小型であることと、電池の1回充電当たり
の通話時間の長さが製品の重要なセールス・ポイントで
あるために、電力増幅器の小型化と高変換効率化が計ら
れている。
Particularly, in a portable radio telephone or the like, a power amplifier is used because the radio is small and the length of a talk time per charge of a battery is an important selling point of the product. The miniaturization and high conversion efficiency have been attempted.

【0004】電力増幅器は、たとえば30dB程度の利
得を持つ増幅器モジュールの形で用いられており、モジ
ュールは2〜3段の増幅器列で構成されている。入力側
の前置増幅器は電力レベルの低い駆動段であるので、増
幅器モジュールとしての電力変換効率は終段の電力増幅
器の効率が決定的に支配している。
The power amplifier is used in the form of an amplifier module having a gain of, for example, about 30 dB, and the module is composed of an amplifier array of 2-3 stages. Since the preamplifier on the input side is a driving stage with a low power level, the efficiency of the power conversion as an amplifier module is dominated by the efficiency of the final stage power amplifier.

【0005】電力増幅器にはA級(理論効率50%)、
B級(理論効率78.5%)、C級等の動作モードがあ
ることはよく知られているが、この他にも理論効率が1
00%に近いD級、E級、F級などと呼ばれる高効率動
作モードの理論的研究がラーブ氏によって、つぎの文献
に紹介されている。
The power amplifier has class A (theoretical efficiency 50%),
It is well known that there are B-class (theoretical efficiency 78.5%), C-class, and other operating modes, but in addition to this, the theoretical efficiency is 1
A theoretical study of high-efficiency operation modes called D-class, E-class, F-class, etc., which are close to 00%, is introduced in the following document by Raab.

【0006】文献1. フレデリック H.ラーブ(Fre
derick H. Raab)“クラスE同調電力増幅器の理想化さ
れた動作”(Idealized Operation of the Class E Tu
nedPower Amplifier)IEEE Circuits Syst., vol. CAS
-24, No.12, 725〜735頁 1977年12月
Reference 1. Frederick H. Rabe (Fre
derick H. Raab) "Idealized Operation of the Class E Tu"
nedPower Amplifier) IEEE Circuits Syst., vol. CAS
-24, No.12, pp. 725-735 December 1977

【0007】文献2. フレデリック H.ラーブ“高
効率増幅回路のクラス分け” 日経エレクトロニクス
121〜146頁 1976年8月23日
Reference 2. Frederick H. Raab “Classification of high-efficiency amplifier circuits” Nikkei Electronics
121-146 August 23, 1976

【0008】高周波帯で高効率増幅を行うには高周波特
性の優れた能動素子が必要である。近年ガリウム砒素電
界効果トランジスタ(GaAs-FET)をはじめとする高速半
導体素子の出現と、高周波増幅器の高効率化への市場ニ
ーズとが相まって、高周波増幅器の実験的研究がなさ
れ、0.3〜2GHz帯においても70〜80%のドレ
イン効率が得られるようになった。
In order to perform high efficiency amplification in the high frequency band, active elements having excellent high frequency characteristics are required. In recent years, the advent of high-speed semiconductor devices such as gallium arsenide field effect transistors (GaAs-FETs) and the market needs for higher efficiency of high-frequency amplifiers have been combined with experimental research on high-frequency amplifiers. A drain efficiency of 70 to 80% can be obtained even in the band.

【0009】高周波増幅器の高変換効率動作の概念を図
6および図7を用いて説明する。図6は電力増幅器の基
本構成を示しており、入力端子121からの高周波信号
をソースSが接地された電界効果トランジスタ101で
のゲートGに印加し増幅された高周波信号はそのドレイ
ンDから得られて、基本波におけるインピーダンス整合
をとるための基本波整合回路134を介してアンテナで
ある負荷インピーダンス150へ高周波電力が供給され
る。ここでL6およびL7はインダクタンスであり、そ
れぞれ直流電源VGS,VDSをゲートGおよびドレインD
に供給している。ここでIDCはドレインDへの直流電
流、VD(t) は高周波ドレイン電圧、ID(t)はド
レインDへの高周波電流、IM(t) は基本波整合回路
134への高周波電流、IOUT(t) は負荷インピーダ
ンス150への高周波電流である。
The concept of high conversion efficiency operation of the high frequency amplifier will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. 6 shows the basic configuration of the power amplifier. The high frequency signal from the input terminal 121 is applied to the gate G of the field effect transistor 101 whose source S is grounded, and the amplified high frequency signal is obtained from its drain D. Then, high frequency power is supplied to the load impedance 150, which is an antenna, through the fundamental wave matching circuit 134 for impedance matching in the fundamental wave. Here, L6 and L7 are inductances, and the DC power supplies V GS and V DS are respectively connected to the gate G and the drain D.
Is being supplied to. Here, I DC is a direct current to the drain D, V D (t) is a high frequency drain voltage, I D (t) is a high frequency current to the drain D, and I M (t) is a high frequency current to the fundamental wave matching circuit 134. , I OUT (t) is the high frequency current to the load impedance 150.

【0010】図7(a)には図6のドレインDへの高周
波電流ID(t) の電流波形171が、図7(b)には
図6の高周波ドレイン電圧VD(t) の電圧波形172
が示されている。高周波電流ID(t) は、 ID(t)=ΣICk exp(jkωt)=I0+I1+I2+I3+I4+… (1) ここで、 I1 =Re{2IC1 exp(jωt)} I2 =Re{2IC2 exp(j2ωt)} I3 =Re{2IC3 exp(j3ωt)} I4 =Re{2IC4 exp(j4ωt)} … と表わすことができる。ここでΣはkを−∞から+∞ま
で変えて加算することを表わし、IC は実部および虚部
を含む複素電流を示し、Reはその実部を示している。
FIG. 7A shows a current waveform 171 of the high frequency current I D (t) to the drain D of FIG. 6, and FIG. 7B shows a voltage waveform of the high frequency drain voltage V D (t) of FIG. Waveform 172
It is shown. The high frequency current I D (t) is I D (t) = ΣI Ck exp (jkωt) = I 0 + I 1 + I 2 + I 3 + I 4 + ... (1) where I 1 = Re {2I C1 exp (jωt )} I 2 = Re {2I C2 exp (j2ωt)} I 3 = Re {2I C3 exp (j3ωt)} I 4 = Re {2I C4 exp (j4ωt)} ... Here, Σ represents that k is changed from −∞ to + ∞ and addition is performed, I C represents a complex current including a real part and an imaginary part, and Re represents the real part.

【0011】同様に高周波ドレイン電圧VD(t) は、 VD(t)=ΣVCk exp(jkωt)=V0+V1+V2+V3+V4+… (2) ここで、 V1=Re{2VC1 exp(jωt)} V2=Re{2VC2 exp(j2ωt)} V3=Re{2VC3 exp(j3ωt)} V4=Re{2VC4 exp(j4ωt)} … と表わすことができる。ここでΣはkを−∞から+∞ま
で変えて加算することを表わし、VC は実部および虚部
を含む複素電流を示し、Reはその実部を示している。
図6の点181から基本波整合回路134側をみたイン
ピーダンスをZM (ω)とし、ω=2πfとするなら
ば、式(1)および(2)の各電流IC および電圧VC
の間には、 VC1=−ZM (ω)IC1C2=−ZM (2ω)IC2C3=−ZM (3ω)IC3C4=−ZM (4ω)IC4 …… (3) の関係があるので、点181から右側を見た各調波に対
するインピーダンスZM (kω)により式(1)および
(2)の高周波電流ID(t)および高周波ドレイン電
圧VD(t)の波形が変化することがわかる。
Similarly, the high frequency drain voltage V D (t) is V D (t) = ΣV Ck exp (jkωt) = V 0 + V 1 + V 2 + V 3 + V 4 + ... (2) where V 1 = Re {2V C1 exp (jωt)} V 2 = Re {2V C2 exp (j2ωt)} V 3 = Re {2V C3 exp (j3ωt)} V 4 = Re {2V C4 exp (j4ωt)} ... . Here, Σ represents that k is changed from −∞ to + ∞ and addition is performed, V C represents a complex current including a real part and an imaginary part, and Re represents the real part.
If the impedance seen from the point 181 in FIG. 6 toward the fundamental wave matching circuit 134 side is Z M (ω) and ω = 2πf, then each current I C and voltage V C in equations (1) and (2)
Between, V C1 = -Z M (ω ) I C1 V C2 = -Z M (2ω) I C2 V C3 = -Z M (3ω) I C3 V C4 = -Z M (4ω) I C4 ... Since there is a relation of (3), the high frequency current I D (t) and the high frequency drain voltage V D of the formulas (1) and (2) are calculated by the impedance Z M (kω) for each harmonic seen from the point 181 to the right. It can be seen that the waveform of (t) changes.

【0012】電界効果トランジスタ101の電力損失P
F は、 PF =T-1∫ VD(t)ID(t)dt (4) ここで、T=2π/ω,ω=2πfであり、∫は0から
Tまでの期間積分することを表わしている。
Power loss P of field effect transistor 101
F is P F = T −1 ∫ V D (t) I D (t) dt (4) where T = 2π / ω, ω = 2πf, and ∫ is integrated from 0 to T Is represented.

【0013】基本波の周波数f0 における電界効果トラ
ンジスタ101のドレインDからの出力POUT(1)
は、 ω0 =2πf0 とすると、 POUT(1)=2Re{ZM (ω0 )}|IC12 (5) k次の高調波の周波数kf0 における電界効果トランジ
スタ101のドレインDからの出力電力POUT(k)
は、 OUT(k)=2Re{ZM (kω0 )}|ICk2 (6)
Output P OUT (1) from the drain D of the field effect transistor 101 at the frequency f 0 of the fundamental wave
Is When ω 0 = 2πf 0 , P OUT (1) = 2Re {Z M0 )} | I C1 | 2 (5) From the drain D of the field-effect transistor 101 at the frequency kf 0 of the kth harmonic. Output power P OUT (k)
Is P OUT (k) = 2Re {Z M (kω 0 )} | I Ck | 2 (6)

【0014】図6の回路の直流電源VDSから供給される
消費電力PDCDC=VDSDC=PF+ΣPOUT(k) (7) となる。ここでVDSは直流電源VDSの電圧であり、Σは
k=1から∞まで変えたときの合計を表わしている。電
界効果トランジスタ101のドレインDにおける基本波
の周波数f0 の出力電力を得るドレイン効率ηは、 η=POUT(1)/PDC (8) である。
The power consumption P DC P DC = V DS I DC = P F + ΣP OUT (k) (7) supplied from the DC power supply V DS of the circuit of FIG. Here, V DS is the voltage of the DC power supply V DS , and Σ represents the total when changing from k = 1 to ∞. The drain efficiency η for obtaining the output power at the frequency f 0 of the fundamental wave at the drain D of the field effect transistor 101 is η = P OUT (1) / P DC (8).

【0015】式(8)に示したドレイン効率ηを大きく
して高効率化を図るためには、消費電力PDCの減少と、
基本波の周波数f0の出力電力POUT(1)の増大が必要
となる。
In order to increase the drain efficiency η shown in the equation (8) to achieve high efficiency, the power consumption P DC is reduced and
It is necessary to increase the output power P OUT (1) at the fundamental wave frequency f 0 .

【0016】そこで消費電力PDCを減少せしめるため
に、式(7)の電界効果トランジスタ101の電力損失
F を減少することが必要であり、それには、式(4)
に示された電力損失PF の原因となる高周波ドレイン電
圧VD(t) とドレインDの高周波電流ID(t) の
積、すなわち、図7のID(t)とVD(t)が時間的に
重なっている部分(電流波形171aの立下り部分と電
圧波形172aの立上り部分、同じく172aの立下り
部分と171bの立上り部分、171bの立下り部分と
172bの立上り部分)を小さくするように図6の点1
81から右(負荷側)を見たインピーダンスを設定する
必要がある。図7においてID(t) を表わす電流波形
171a,171bと、VD(t) を表わす電圧波形1
72a,172bとの時間的な重なりが無くなれば、式
(4)の電力損失PF を除去することができる。また式
(7)の基本波(k=1)を除くk次の高調波の出力電
力POU T (k)(ただしkは2以上)を0にするため
に、式(6)のk次の高調波における抵抗分Re{ZM
(kω0 )} を0にするか、あるいはk次の高調波に
おける高周波電流である複素電流ICkを0にすればよ
い。
Therefore, in order to reduce the power consumption P DC , it is necessary to reduce the power loss P F of the field effect transistor 101 of the equation (7), which is represented by the equation (4).
The product of the high-frequency drain voltage V D (t) and the high-frequency current I D (t) of the drain D, which causes the power loss P F shown in Fig. 7, that is, I D (t) and V D (t) in Fig. 7. The time overlapping part (falling part of current waveform 171a and rising part of voltage waveform 172a, falling part of 172a and rising part of 171b, falling part of 171b and rising part of 172b) to be small. So point 1 in Figure 6
It is necessary to set the impedance as viewed from 81 to the right (load side). In FIG. 7, current waveforms 171a and 171b representing I D (t) and voltage waveform 1 representing V D (t).
If there is no temporal overlap with 72a and 172b, the power loss P F in equation (4) can be removed. In order to the fundamental wave (k = 1) of the k-th order harmonics except the output power P OU T (k) (where k is 2 or more) 0 of the formula (7), k of formula (6) Next Of the harmonic component of Re {Z M
(Kω 0 )} may be set to 0, or the complex current I Ck which is a high frequency current in the kth harmonic may be set to 0.

【0017】このような条件を実現する方法として、ド
レインDの高周波電流ID(t) を流通角180°の半
波整流波形とし、偶数次のインピーダンスを0とするた
めの、たとえばB級増幅器が使用されている。半波整流
時のドレインDの高周波電流ID(t) は、 ID(t)=1/π +(1/2) cos ω0 t +(2/3π) cos(2ω0 t) −(2/7π) cos(4ω0 t) +(2/35π) cos(6ω0 t) −… (9) となる。式(9)を見ると、この高周波電流ID(t)
はω0 で示される基本波と、たとえば2ω0 ,4ω0
…などで示される偶数次の高調波成分を含むから、偶数
次高調波に対するインピーダンスを0にすれば偶数次高
調波における電圧は0になるから高周波ドレイン電圧V
D(t) は基本波成分のみになり、式(8)に示すドレ
イン効率ηは高くなることが知られている。
As a method for realizing such a condition, a high-frequency current I D (t) of the drain D is set to a half-wave rectified waveform with a flow angle of 180 ° and an even-order impedance is set to 0, for example, a class B amplifier. Is used. The high frequency current I D (t) of the drain D at the time of half-wave rectification is I D (t) = 1 / π + (1/2) cos ω 0 t + (2 / 3π) cos (2ω 0 t) − ( 2 / 7π) cos (4ω 0 t) + (2 / 35π) cos (6ω 0 t) −... (9). Looking at equation (9), this high frequency current I D (t)
Is the fundamental wave indicated by ω 0 and, for example, 2ω 0 , 4ω 0 ,
Since even-order harmonic components represented by ... are included, if the impedance for even-order harmonics is set to 0, the voltage at even-order harmonics becomes 0, so the high-frequency drain voltage V
It is known that D (t) becomes only the fundamental wave component, and the drain efficiency η shown in Expression (8) becomes high.

【0018】実際には、k=3以上の高次の高調波にお
ける高調波電力はk=2の場合に比べて比較的小さいの
で、2次高調波(k=2)に対して、式(6)のインピ
ーダンス Re{ZM(2ω0 )} を0にして高いドレイン効率ηを得ようとしている。現
実には、図6の点181から右を見た基本波の2倍の周
波数2f0 (2次高調波)に対するインピーダンスを0
に近づけることで実現しようとしている。
In practice, since the harmonic power in higher harmonics of k = 3 or more is relatively smaller than that in the case of k = 2, for the second harmonic (k = 2), the expression ( The impedance Re {Z M (2ω 0 )} of 6) is set to 0 to obtain a high drain efficiency η. In reality, the impedance for a frequency 2f 0 (second harmonic) that is twice the fundamental wave as seen from the point 181 in FIG.
I am trying to realize it by bringing it closer to.

【0019】前述のように能動素子である電界効果トラ
ンジスタ101の動作には基本周波数だけでなく、その
高調波成分が関与している。現実の増幅器では、不要輻
射の観点から、このような高調波成分の出力は低減しな
ければならないし、またDC電力がこのような不要波電
力に変換されるのを防ぐことが高効率化にもつながって
いる。このために基本波整合回路134は高調波に対す
る阻止機能を持たなければならない。
As described above, the operation of the field effect transistor 101 which is an active element involves not only the fundamental frequency but also its harmonic components. In an actual amplifier, the output of such a harmonic component must be reduced from the viewpoint of unnecessary radiation, and preventing conversion of DC power into such unnecessary wave power improves efficiency. Are also connected. For this reason, the fundamental wave matching circuit 134 must have a function of blocking harmonics.

【0020】このことは能動素子である電界効果トラン
ジスタ101からみた高調波に対するインピーダンスZ
(ω)(ω=2ω0 ,3ω0 ,…,ここでω0 は基本波
の角周波数である。)は殆どリアクタンス成分でなけれ
ばならないことを意味する。すなわち、電圧反射係数 Γ=(Z(ω0 )−Z0 )/(Z(ω)+Z0 ) で表わせば、その絶対値|Γ|は殆ど1であることを要
する。ここでZ0 =50Ωである。
This means that the impedance Z with respect to the harmonic seen from the field effect transistor 101 which is an active element.
(Ω) (ω = 2ω 0 , 3ω 0 , ..., Here, ω 0 is the angular frequency of the fundamental wave) means that it must be almost a reactance component. That is, when expressed by the voltage reflection coefficient Γ = (Z (ω 0 ) −Z 0 ) / (Z (ω) + Z 0 ), its absolute value | Γ | needs to be almost 1. Here, Z 0 = 50Ω.

【0021】一方、基本波に関するインピーダンスZ
(ω)は所要の電力を出力すべく適切な値に設定される
必要がある。たとえば、電源電圧6V、出力電力2W程
度の場合にはZ(ω)≒10Ωである。このために基本
波整合回路134は基本波に対して負荷インピーダンス
150(インピーダンスZ0 は通常50Ω)を所定のイ
ンピーダンスに変換する低損失なインピーダンスとして
動作することが求められるとともに、2次高調波に関し
ても|Γ|=1の条件を満たすことが必要である。
On the other hand, impedance Z related to the fundamental wave
(Ω) needs to be set to an appropriate value to output the required power. For example, when the power supply voltage is 6 V and the output power is about 2 W, Z (ω) ≈10Ω. Therefore, the fundamental wave matching circuit 134 is required to operate as a low-loss impedance that converts the load impedance 150 (impedance Z 0 is usually 50Ω) into a predetermined impedance with respect to the fundamental wave, and also regarding the second harmonic. Also needs to satisfy the condition of | Γ | = 1.

【0022】高効率動作を実現するためのインピーダン
ス条件として、いわゆるF級動作が知られている。これ
は電流を半波整流波、電圧を矩形波状にしようとするも
ので、偶数次高調波に対してはショート(Γ=1 exp
(j180°))、奇数次高調波に対してはオープン
(Γ=1 exp(j0°))となるようにインピーダンス
Z(ω)を設定するものである。
A so-called class F operation is known as an impedance condition for realizing a highly efficient operation. This tries to make the current a half-wave rectified wave and the voltage a rectangular wave, and for even harmonics, it is short-circuited (Γ = 1 exp
(J180 °)), and the impedance Z (ω) is set so as to be open (Γ = 1 exp (j0 °)) for odd harmonics.

【0023】このような高調波に対してのインピーダン
ス条件を実現するための方法としては、たとえば図8の
従来回路がある(特開昭62−111)。
As a method for realizing the impedance condition for such harmonics, there is, for example, the conventional circuit shown in FIG. 8 (Japanese Patent Laid-Open No. 62-111).

【0024】図8において、C21,L21〜C23,
L23は偶数次高調波に対して共振する直列共振器C3
1,L31〜C33,L33は)、奇数次高調波に対し
て共振する直列共振器であって、各直列共振器は能動素
子である電界効果トランジスタ101の出力端子である
点181と負荷インピーダンス150との間を接続する
主伝送路110にシャント接続されている。
In FIG. 8, C21, L21 to C23,
L23 is a series resonator C3 that resonates for even harmonics.
1, L31 to C33, L33) are series resonators that resonate with respect to odd harmonics, and each series resonator is a point 181 that is an output terminal of the field effect transistor 101 that is an active element and a load impedance 150. It is shunt-connected to the main transmission line 110 that connects between and.

【0025】直列共振器は共振周波数においてはインピ
ーダンスが0となり、共振周波数より遠く離れた周波数
では比較的高いインピーダンスを持つ。したがって主伝
送路110にシャント接続された直列共振器は、その接
続点において周波数選択的に主伝送路110を接地する
ことになり、点181からみた反射係数Γは各高調波周
波数に対して|Γ|=1の条件が実現される。
The series resonator has an impedance of 0 at the resonance frequency and has a relatively high impedance at frequencies far from the resonance frequency. Therefore, the series resonator shunt-connected to the main transmission line 110 grounds the main transmission line 110 in a frequency selective manner at the connection point, and the reflection coefficient Γ seen from the point 181 is | The condition of Γ | = 1 is realized.

【0026】能動素子である電界効果トランジスタ10
1からみたインピーダンスZ(ω)をショート(Γ=1
exp(j180°)またはオープン(Γ=1 exp(j0
°)にするには、各直列共振器を接続する主伝送路11
0上の位置を適当に選べばよい。
Field effect transistor 10 which is an active element
The impedance Z (ω) seen from 1 is shorted (Γ = 1
exp (j180 °) or open (Γ = 1 exp (j0
°), the main transmission line 11 connecting each series resonator
The position on 0 should be selected appropriately.

【0027】すなわち、能動素子である電界効果トラン
ジスタ101の出力端子である点181から右側をみた
電圧反射係数Γ(=|Γ| exp(jθ))は出力端子で
ある点181から各共振器接続点までの伝送線路長によ
ってその位相角θが変わるので、共振器の接続位置を適
当に選んで偶数次高調波に対してはθ=180°、奇数
次高調波に対してはθ=0°の条件を実現できる。
That is, the voltage reflection coefficient Γ (= │Γ│ exp (jθ)) seen from the point 181 which is the output terminal of the field effect transistor 101 which is an active element to the right side is the resonator connection from the point 181 which is the output terminal. Since the phase angle θ changes depending on the length of the transmission line up to the point, by properly selecting the connecting position of the resonator, θ = 180 ° for even harmonics and θ = 0 ° for odd harmonics. The condition of can be realized.

【0028】なお、基本波に対するインピーダンス整合
の機能を果たす主要な基本波整合回路134は直列共振
器群の後方に構成されている。したがって、高調波に対
するインピーダンス条件を実現した上で、所定の基本波
インピーダンスZ(ω)を持つように基本波整合回路1
34を決定すれば、高調波と基本波のインピーダンス条
件をほぼ独立に設定できる。
The main fundamental wave matching circuit 134, which performs the function of impedance matching with respect to the fundamental wave, is arranged behind the series resonator group. Therefore, the fundamental wave matching circuit 1 is provided so as to have a predetermined fundamental wave impedance Z (ω) after realizing the impedance condition for harmonics.
By determining 34, the impedance conditions of the harmonic wave and the fundamental wave can be set almost independently.

【0029】現実の高周波半導体の動作は複雑で、素子
の内部やパッケージ等にもインダクタンスや容量などの
浮遊回路素子を持つ。このため前記のF級動作は観念的
な概念であって、効率の高い最適なインピーダンス条件
はいわゆるF級の条件とは異なる。また高調波に対して
もあまり高次の成分の効果を考慮することは現実的では
ない。半波整流波の主要な周波数成分は基本波と偶数次
高調波であって、その偶数次高調波も高次の成分ほど強
度は小さくなる。このため高効率化に対して支配的なの
は2次高調波に対するインピーダンスであって、これを
最適に選ぶことが重要である。この観点から実施されて
いる、他の従来回路例(特開昭60−5615)を図9
に示す。
The operation of an actual high frequency semiconductor is complicated, and a floating circuit element such as an inductance or a capacitance is provided inside the element or in a package or the like. Therefore, the class F operation is an ideological concept, and the optimum impedance condition with high efficiency is different from the so-called class F condition. Also, it is not realistic to consider the effect of higher-order components on higher harmonics. The main frequency components of the half-wave rectified wave are the fundamental wave and the even-order harmonics, and the intensity of the even-order harmonics also decreases as the higher-order component. For this reason, the impedance for the second harmonic is dominant in improving efficiency, and it is important to select the impedance optimally. Another conventional circuit example (Japanese Patent Laid-Open No. 60-5615) implemented from this viewpoint is shown in FIG.
Shown in.

【0030】図9において、212は主伝送路211に
結合するように微少な線路間隔sを隔てて並行に設けら
れた副線路で、2次高調波の波長のほぼ1/4の長さを
持ち、副線路212の中央部が接地されている。副線路
212の両端には終端用のキャパシタンスC11および
C12が接続されており、2次高調波に対して共振する
共振回路を構成している。主伝送路211とは電磁気的
に結合しているので、能動素子である電界効果トランジ
スタ101の出力端子である点181から右側を見れば
2次高調波に対して共振する特性が得られる。キャパシ
タC11およびC12の値を適当に選ぶことによって、
2次高調波に対する電圧反射係数Γ(2ω0 )の位相角
は広範に変化させることができる。したがって終端用の
キャパシタンスC11,C12の値を適当に選べば効率
が最大となるように、2次高調波に対するインピーダン
ス条件を設定することができる。
In FIG. 9, reference numeral 212 is a sub line provided in parallel so as to be coupled to the main transmission line 211 with a minute line spacing s, and has a length of about ¼ of the wavelength of the second harmonic. The sub line 212 has a central portion grounded. Capacitors C11 and C12 for termination are connected to both ends of the sub line 212 to form a resonance circuit that resonates with the second harmonic. Since it is electromagnetically coupled to the main transmission line 211, a characteristic of resonating with the second harmonic can be obtained from the right side of the point 181 which is the output terminal of the field effect transistor 101 which is an active element. By choosing the values of capacitors C11 and C12 appropriately,
The phase angle of the voltage reflection coefficient Γ (2ω 0 ) with respect to the second harmonic can be widely changed. Therefore, the impedance condition for the second harmonic can be set so that the efficiency is maximized by appropriately selecting the values of the termination capacitors C11 and C12.

【0031】図10には増幅器の反射係数平面を表わす
スミス・チャートが示されている。ここで点300はオ
ープンを、点301はショートを表わしている。
A Smith chart representing the reflection coefficient plane of the amplifier is shown in FIG. Here, the point 300 represents open and the point 301 represents short.

【0032】移動対通信で用いられる、UHF〜数ギガ
ヘルツ帯で出力1W〜数W程度の増幅器について、高効
率動作に必要な2次高調波に関する出力反射係数Γ(2
ω0 )の位相角を調べてみると、図10の反射係数平面
に太線で示すような領域の中にある。これは本願発明者
による実験および数値シミュレーションにより解析され
た結果で、点305で示す反射係数は、実際の能動素子
の出力端子に対して出力回路が示す反射係数である。
An output reflection coefficient Γ (2) related to the second harmonic required for high efficiency operation of an amplifier used in mobile pair communication and having an output of about 1 W to several W in the UHF band to several gigahertz band.
When the phase angle of ω 0 ) is examined, it is in the region shown by the bold line in the reflection coefficient plane of FIG. This is a result analyzed by experiments and numerical simulation by the inventor of the present application, and the reflection coefficient indicated by the point 305 is the reflection coefficient indicated by the output circuit with respect to the actual output terminal of the active element.

【0033】適正な反射係数Γの位相角θは、およそ−
120°<θ<0°の間(図中の太線)にある。この範
囲内にあれば増幅器の効率はその最高値(ドレイン効率
約80%)からそれほど低下しないが、この範囲を外れ
るほど効率が急激に低下し、たとえば、θ=150°付
近では効率は約40%程度にまで下がる。
The phase angle θ of the proper reflection coefficient Γ is approximately −
It lies between 120 ° <θ <0 ° (thick line in the figure). If it is within this range, the efficiency of the amplifier does not decrease so much from its maximum value (drain efficiency of about 80%), but as it goes out of this range, the efficiency drops sharply. It goes down to about%.

【0034】2次高調波の最適インピーダンス条件に関
しては、他の研究者らによるつぎの文献においても類似
の結果が報告されている。
Regarding the optimum impedance condition of the second harmonic, similar results have been reported in the following documents by other researchers.

【0035】文献3. 池田 他、“2倍波注入法によ
るFETの高効率動作特性” 信学会 春季全国大会
C−64 1990年
Reference 3. Ikeda et al., “High-efficiency operating characteristics of FETs by the double-wave injection method” Spring Conference of IEICE
C-64 1990

【0036】文献4. ハル(L. C. Hall)他、“マイ
クロ波増幅器の最大効率同調”(Maximum Efficiency T
uning of Microwave Amplifiers )IEEE MIT-S Inter.
Symp. Digest 123〜126頁 1991年
Reference 4. LC Hall et al., “Maximum Efficiency T Tuning of Microwave Amplifiers”
uning of Microwave Amplifiers) IEEE MIT-S Inter.
Symp. Digest 123-126 pages 1991

【0037】図8で説明した従来の回路構成によって、
2次高調波の反射係数位相角を適正な領域内に設定する
場合を図11に説明する。図11(a)でキャパシタン
スC19,インダクタンスL19は主伝送路110にシ
ャントに接続された2次高調波に共振する直列共振器で
ある。直列共振器の接続点から負荷インピーダンス15
0側を見た2次高調波に対するインピーダンスは、ほぼ
ショートであるから、その反射係数Γa は絶対値が1で
位相角は180°の点にある。このため能動素子である
電界効果トランジスタ101の出力端子である点181
から見て変換効率を最大とする最適な反射係数Γ(たと
えば、Γ=1 exp (−j30°)とする)を得るには
能動素子である電界効果トランジスタ101の出力端子
である点181と直列共振器との間の線路長をl=0.
3125λ(λは2次高調波の波長)として反射係数の
位相角を回転させる必要がある。いま、たとえば基本波
周波数800MHzの増幅器を例にとり、比誘電率εr
=10の誘電体基板上に構成されたマイクロ・ストリッ
プ線路(波長短縮率は約1/2.5)を想定すれば、2
次高調波(1.6GHz)の波長はλ=75mmであ
る。故に能動素子である電界効果トランジスタ101と
直列共振器との間の線路長として約23mmの長さが必
要である。
With the conventional circuit configuration described with reference to FIG.
A case where the reflection coefficient phase angle of the second harmonic is set within an appropriate area will be described with reference to FIG. In FIG. 11A, the capacitance C19 and the inductance L19 are series resonators that are connected to the main transmission line 110 in a shunt and resonate with the second harmonic. Load impedance 15 from the connection point of the series resonator
Since the impedance for the second harmonic viewed from the 0 side is almost short-circuit, its reflection coefficient Γ a has an absolute value of 1 and a phase angle of 180 °. Therefore, the point 181 which is the output terminal of the field effect transistor 101 which is an active element.
Therefore, in order to obtain the optimum reflection coefficient Γ (for example, Γ = 1 exp (−j30 °)) that maximizes the conversion efficiency, the point 181 that is the output terminal of the field effect transistor 101 that is an active element is connected in series. The line length between the resonator and the resonator is l = 0.
It is necessary to rotate the phase angle of the reflection coefficient as 3125λ (where λ is the wavelength of the second harmonic). Now, taking an amplifier with a fundamental frequency of 800 MHz as an example, the relative permittivity ε r
= 10, assuming a microstrip line (wavelength shortening rate of about 1 / 2.5) configured on a dielectric substrate of 2
The wavelength of the second harmonic (1.6 GHz) is λ = 75 mm. Therefore, a line length of about 23 mm is required between the field effect transistor 101 which is an active element and the series resonator.

【0038】図9の従来回路によって適正な2次高調波
インピーダンスを実現する場合を説明する。図9の主伝
送路211に結合する副線路212の終端用のキャパシ
タンスC11およびC12を適当に定めることによっ
て、2次高調波の位相角は最適な角度に設定できるの
で、図8の従来例のような位相回転のための余分な線路
長(主伝送路110の長さ)は必要でない。しかし、2
次高調波インピーダンスの処理のために結合線路である
副線路212の長さとして、ほぼλ/4長を必要とする
ので、800MHz増幅器の場合には約19mmの線路
長を必要とする。また、結合線路である副線路212
は、単独の伝送線路ではないので、自在に屈曲して面積
効率の良いパターン・レイアウトができない。
A case where an appropriate second harmonic impedance is realized by the conventional circuit of FIG. 9 will be described. The phase angle of the second harmonic can be set to an optimum angle by appropriately setting the capacitances C11 and C12 for terminating the sub line 212 coupled to the main transmission line 211 of FIG. The extra line length (length of the main transmission line 110) for such phase rotation is not necessary. But 2
Since the sub-line 212, which is a coupling line, needs to have a length of approximately λ / 4 for processing the second harmonic impedance, a line length of about 19 mm is required in the case of an 800 MHz amplifier. In addition, the sub line 212 which is a coupling line
Since it is not a single transmission line, it cannot be flexibly bent to form an area-efficient pattern layout.

【0039】また、本回路が周波数帯域や2次高調波の
阻止等の増幅回路としての機能を発揮するためには、2
本の結合線路間には十分大きな結合が必要である。たと
えば特性インピーダンス50Ωの結合線路系((ZOO
0e1/2=50Ω、ただしZOOは奇モード・インピー
ダンス、Z0eは偶モード・インピーダンス)について試
算すれば、主伝送路110と副線路212の線路間結合
度としては少なくとも−4dB以上は必要である。とこ
ろが、マイクロ・ストリップ線路では2本の結合線路間
の距離sを限界にまで狭めても得られる結合度は、たか
だか−8dB程度である。
In order for this circuit to function as an amplifier circuit for blocking the frequency band and second harmonics, it is necessary to set 2
A sufficiently large coupling is required between the coupled lines of the book. For example, a coupled line system ((Z OO
Z 0e ) 1/2 = 50Ω, where Z OO is an odd mode impedance and Z 0e is an even mode impedance), the line coupling degree between the main transmission line 110 and the sub line 212 is at least −4 dB or more. Is necessary. However, in the microstrip line, the degree of coupling obtained even if the distance s between the two coupling lines is narrowed to the limit is about -8 dB.

【0040】[0040]

【発明が解決しようとする課題】図8に示した従来例で
は、2次高調波の発生を抑制するための長い主伝送路1
10を必要とする。この主伝送路110は基本波インピ
ーダンス整合に寄与しないから、増幅器の小型化に対す
る障害となり解決されるべき課題であった。
In the conventional example shown in FIG. 8, a long main transmission line 1 for suppressing the generation of second harmonics.
You need 10. Since the main transmission line 110 does not contribute to the impedance matching of the fundamental wave, it is an obstacle to the miniaturization of the amplifier, which is a problem to be solved.

【0041】図9に示した従来例では、2次高調波の発
生を抑制する適正な2次高調波インピーダンスを実現す
るためにλ/4程度の結合線路を必要とし、またその結
合度を十分に大きくすることができないために、抑制効
果が小さく十分な変換効果を得ることができないという
未解決の課題があった。
In the conventional example shown in FIG. 9, a coupling line of about λ / 4 is required to realize an appropriate second harmonic impedance that suppresses the generation of the second harmonic, and the degree of coupling is sufficient. There is an unsolved problem that the suppression effect is small and a sufficient conversion effect cannot be obtained because it cannot be increased.

【0042】移動通信用のコンポーネントは小型化,軽
量化,高効率化が望まれ、高調波電力増幅器も、たとえ
ば10×10mm程度の面積に集積する必要がある。し
たがって、図8および図9に示した従来例ではこのよう
な要望をすべて満足することができるものは得られてい
ない。これが本願発明の解決すべき課題である。
The components for mobile communication are desired to be small, lightweight and highly efficient, and the harmonic power amplifier also needs to be integrated in an area of, for example, 10 × 10 mm. Therefore, none of the conventional examples shown in FIGS. 8 and 9 can satisfy all such demands. This is the problem to be solved by the present invention.

【0043】[0043]

【課題を解決するための手段】能動素子の出力端子の直
後に2次高調波に共振する並列共振回路を直列に接続す
ることにより、2次高調波に対する適正なインピーダン
ス条件を満たす小型の回路を実現するように構成した。
[MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS] By connecting a parallel resonant circuit that resonates with a second harmonic in series immediately after an output terminal of an active element, a small circuit satisfying an appropriate impedance condition for the second harmonic can be obtained. Configured to achieve.

【0044】[0044]

【作用】並列共振回路は2次高調波に対して極めて大き
なインピーダンスを示すから、2次高調波の抑制に大き
な効果を有する。この並列共振回路は小型化が容易であ
るために、小型,軽量で高い変換効率を得ることが可能
となった。
Since the parallel resonant circuit exhibits an extremely large impedance with respect to the second harmonic, it has a great effect in suppressing the second harmonic. Since this parallel resonant circuit is easy to miniaturize, it has become possible to obtain high conversion efficiency while being compact and lightweight.

【0045】[0045]

【実施例】(実施例1)図1には実施例1が示されてい
る。図1(a)においてキャパシタンスC15および
インダクタンスL15は2次高調波に共振するように作
られた並列共振回路15であって、能動素子である電界
効果トランジスタ101の出力端子である点181と、
基本波整合回路134との間に直列に接続されている。
EXAMPLE 1 Example 1 is shown in FIG. In FIG. 1A, the capacitance C15 and
The inductance L15 is a parallel resonance circuit 15 made to resonate with the second harmonic, and is a point 181 which is an output terminal of the field effect transistor 101 which is an active element.
It is connected in series with the fundamental wave matching circuit 134.

【0046】キャパシタンスC15およびインダクタン
スL15からなる並列共振回路15は2次高調波に対し
て共振するので、能動素子である電界効果トランジスタ
101の出力端子である点181から負荷側を見た2次
高調波に対するインピーダンスZ(2ω0 )は、点19
1から右を見たインピーダンスの値の如何にかかわらず
高いインピーダンスを持つことになる。すなわち、反射
係数で表わせば図1(b)の反射係数平面を表わすスミ
ス・チャートの点311に示すように、2次高調波に対
しては|Γ|=1なる高調波の阻止条件を満たし、しか
も位相角0°付近にあるから太線で示した2次高調波に
対する適正な反射係数の領域内にある。
Since the parallel resonant circuit 15 including the capacitance C15 and the inductance L15 resonates with the second harmonic, the second harmonic viewed from the point 181 which is the output terminal of the field effect transistor 101 which is an active element, to the load side. The impedance Z (2ω 0 ) for the wave is the point 19
It will have a high impedance regardless of the impedance value viewed from 1 to the right. That is, as represented by a reflection coefficient, as shown by a point 311 on the Smith chart showing the reflection coefficient plane of FIG. 1B, the second harmonic wave satisfies the harmonic blocking condition of | Γ | = 1. Moreover, since the phase angle is near 0 °, it is within the region of the proper reflection coefficient for the second harmonic, which is indicated by the bold line.

【0047】なお、基本波のインピーダンスZ(ω0
は主として基本波整合回路134で設定できるのは従来
の回路と同様である。基本波に対しては並列共振回路1
5は若干の誘導性リアクタンスXを持つので、この直列
に挿入されるリアクタンスの寄与分を差し引いた基本波
のインピーダンス Z′(ω0 )=Z(ω0 )−jX を基本波整合回路134によって実現すればよい。
The impedance Z (ω 0 ) of the fundamental wave
Is basically the same as the conventional circuit that can be set by the fundamental wave matching circuit 134. Parallel resonance circuit 1 for the fundamental wave
Since 5 has a slight inductive reactance X, the impedance Z ′ (ω 0 ) = Z (ω 0 ) −jX of the fundamental wave after subtracting the contribution of the reactance inserted in series is set by the fundamental wave matching circuit 134. It should be realized.

【0048】本発明の回路を、たとえば図8に示した従
来例と比較すると、2次高調波の反射係数の位相角を適
正な範囲内に設定するために必要とした、およそ20m
mもの主伝送路110が不要となるので、小型化が可能
である。また、図9に示した従来例と比べても回路寸法
が小さくなることは勿論、2次高調波の共振回路である
副線路212が主伝送路211に密結合せずに起こす変
換効率の低下や高調波漏洩等の問題を解決することがで
きる。
Comparing the circuit of the present invention with the conventional example shown in FIG. 8, for example, about 20 m required to set the phase angle of the reflection coefficient of the second harmonic within an appropriate range.
Since m main transmission lines 110 are unnecessary, the size can be reduced. Further, the circuit size is smaller than that of the conventional example shown in FIG. 9 and, of course, the conversion efficiency is lowered without causing the secondary line 212, which is a resonant circuit of the second harmonic, to be tightly coupled to the main transmission line 211. And problems such as harmonic leakage can be solved.

【0049】(実施例2)図2は本発明の他の実施例で
あって、図1(a)で示した実施例1において、並列共
振回路15と能動素子である電界効果トランジスタ10
1の出力端子である点181との間に2次高調波の波長
λの1/4よりも短い伝送線路215(線路長l)が接
続されている。この回路構成の場合は、図2(a)に示
すように、能動素子である電界効果トランジスタ101
から見た図2(b)の反射係数平面を表わすスミス・チ
ャートの点313の2次高調波の反射係数Γ(2ω0
は並列共振回路15の直前の点192から見た図2
(b)の点312の反射係数Γa (2ω0 )に対して時
計方向に位相角φ(=βl)ずれることになる。しか
し、反射係数Γa 自体を表わす点312が図2(b)の
太線で示した2次高調波に対する反射係数の適正領域の
一端にあるので、位相角が若干回転しても反射係数Γは
最適領域内にあり、多少の線路長を付加しても動作上の
問題はないことがわかる。たとえば最適位相角の範囲を
ほぼ、−120°<θ<0°とすれば、伝送線路215
の線路長が、0<l<0.2λの範囲内であれば、反射
係数Γは適正な範囲内に留まる。
(Embodiment 2) FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. In Embodiment 1 shown in FIG. 1A, the parallel resonant circuit 15 and the field effect transistor 10 as an active element are used.
A transmission line 215 (line length 1) shorter than ¼ of the wavelength λ of the second harmonic is connected between the output terminal 1 and the point 181. In the case of this circuit configuration, as shown in FIG. 2A, the field effect transistor 101 which is an active element is used.
2B as seen from FIG. 2B, the reflection coefficient Γ (2ω 0 ) of the second harmonic of the point 313 on the Smith chart representing the reflection coefficient plane.
2 is a view seen from a point 192 immediately before the parallel resonance circuit 15.
The phase angle φ (= βl) is shifted clockwise with respect to the reflection coefficient Γ a (2ω 0 ) of the point 312 in (b). However, since the point 312 representing the reflection coefficient Γ a itself is at one end of the appropriate range of the reflection coefficient for the second harmonic shown by the thick line in FIG. 2B, the reflection coefficient Γ is It is in the optimum region, and it can be seen that there is no problem in operation even if some line length is added. For example, assuming that the range of the optimum phase angle is approximately −120 ° <θ <0 °, the transmission line 215
If the line length is within the range of 0 <l <0.2λ, the reflection coefficient Γ stays within the proper range.

【0050】実際の回路実装では、実施例1(図1)の
ように、並列共振回路15と能動素子である電界効果ト
ランジスタ101の出力端子である点181とを直接接
続しようとする場合でも、半田付け等の接続用に1〜2
mm程度の回路パターンを要するから、実際には実施例
2(図2)のように短い伝送線路215が接続されるこ
とになる。高周波回路では、このような接続用の線路で
も反射係数の位相回転を伴い、動作上の問題となること
があるが、本発明では実装等に伴い必然的に生じる浮遊
の線路長が存在しても適正な動作条件から外れないとい
う利点もある。
In actual circuit mounting, even when the parallel resonant circuit 15 and the point 181 which is the output terminal of the field effect transistor 101 which is an active element are directly connected as in the first embodiment (FIG. 1), 1-2 for connection such as soldering
Since a circuit pattern of about mm is required, the short transmission line 215 is actually connected as in the second embodiment (FIG. 2). In a high-frequency circuit, even such a connecting line may cause operational problems due to phase rotation of the reflection coefficient, but in the present invention, there is a floating line length that is inevitably generated due to mounting or the like. Also has the advantage that it does not deviate from the proper operating conditions.

【0051】一方、回路設計上の積極的な理由から2次
高調波に対する反射係数Γ(2ω0 )を適正な位相角範
囲内の中でより最適に設定する場合も有り得る。この場
合には図2の実施例2の方法によって伝送線路長lを適
切に選べばよい。この場合でも伝送線路215の長さは
2次高調波の波長λの1/4よりも長くなることはない
から、従来の回路より小型になる。
On the other hand, there may be a case where the reflection coefficient Γ (2ω 0 ) for the second harmonic is more optimally set within the proper phase angle range for the active reason of circuit design. In this case, the transmission line length 1 may be properly selected by the method of the second embodiment shown in FIG. Even in this case, the length of the transmission line 215 is not longer than ¼ of the wavelength λ of the second harmonic, so that it is smaller than the conventional circuit.

【0052】(実施例3)図3には本発明のさらに他の
実施例が示されている。高周波回路ではインダクタンス
を等価的に実現する方法として比較的特性インピーダン
スの高い伝送線路を用いるのが一般的である。図3の実
施例3は、実施例1(図1)における並列共振回路15
を構成するインダクタンスL15を伝送線路216によ
り置き換えたものであり、基本的な動作に変わりはな
い。
(Embodiment 3) FIG. 3 shows still another embodiment of the present invention. In a high frequency circuit, a transmission line having a relatively high characteristic impedance is generally used as a method of equivalently realizing an inductance. The third embodiment of FIG. 3 is the parallel resonant circuit 15 of the first embodiment (FIG. 1).
The inductance L15 configuring the above is replaced by the transmission line 216, and the basic operation is the same.

【0053】(実施例4)すでに説明したように、能動
素子である電界効果トランジスタ101から見た基本波
インピーダンスは、たとえば10Ω程度の比較的低いイ
ンピーダンスである。このため基本波整合回路134
は、広帯域性および低回路損等の観点から、たとえば2
5Ω程度の低い特性インピーダンスの伝送線路が適して
いる。
(Embodiment 4) As described above, the fundamental impedance seen from the field effect transistor 101 which is an active element is a relatively low impedance of, for example, about 10Ω. Therefore, the fundamental wave matching circuit 134
Is, for example, 2 from the viewpoint of wide band property and low circuit loss.
A transmission line having a low characteristic impedance of about 5Ω is suitable.

【0054】このような特性インピーダンスの伝送線路
は線路幅が広いので(たとえば誘電体基板厚0.8m
m、比誘電率10の場合、マイクロ・ストリップ線路の
線路幅は約2.3mm)、この伝送線路上に並列共振回
路15を構成すれば、さらに出力回路の面積を縮小して
小型化が可能となる。
Since the transmission line having such a characteristic impedance has a wide line width (for example, the dielectric substrate thickness is 0.8 m).
m, and the relative permittivity is 10, the line width of the microstrip line is about 2.3 mm. If the parallel resonance circuit 15 is configured on this transmission line, the area of the output circuit can be further reduced and downsized. Becomes

【0055】図4および図5にはその構成および動作原
理が示されている。図4は等価回路であり、図5は部分
構造図である。
4 and 5 show the structure and the operating principle. FIG. 4 is an equivalent circuit, and FIG. 5 is a partial structural diagram.

【0056】図4および図5において、231は誘電体
の基板220の表面に形成された基本波整合回路134
の左方につながるマイクロ・ストリップ線路の導体薄膜
の線路である。導体膜の線路231上には、表面に導体
薄膜の線路片221a,222aが形成された他の誘電
体基板片230が密着して配置されており、誘電体基板
片230の裏面の伝送線路の導体薄膜の線路231を地
導体とするマイクロ・ストリップ平面回路が構成されて
いる。
4 and 5, reference numeral 231 is a fundamental wave matching circuit 134 formed on the surface of the dielectric substrate 220.
Is a conductor thin film line of a micro strip line connected to the left side of. On the conductor film line 231, another dielectric substrate piece 230 having conductor thin film line pieces 221a and 222a formed on the surface thereof is arranged in close contact with the conductor film line 231. A microstrip plane circuit is formed using the conductor thin film line 231 as a ground conductor.

【0057】このマイクロ・ストリップ平面回路には、
能動素子である電界効果トランジスタ101の出力端子
である点181と接続線228によって結線され、その
接続点において分岐する2本の線路片221a,222
aが配設されており、線路片221aの一端は地導体で
ある線路231に接続線229によって接地されてショ
ート・スタブを構成し、線路片222aの一端は開放さ
れてオープン・スタブを構成している。
In this microstrip planar circuit,
Two line pieces 221a and 222 connected to a point 181 which is an output terminal of the field effect transistor 101 which is an active element and a connection line 228 and branched at the connection point.
a is arranged, one end of the line piece 221a is grounded to the line 231 which is a ground conductor by a connection line 229 to form a short stub, and one end of the line piece 222a is opened to form an open stub. ing.

【0058】誘電体基板片230上のマイクロ・ストリ
ップ回路は、能動素子である電界効果トランジスタ10
1の出力端子である点181と基本波整合回路134と
の間に直列に接続された、2次高調波に共振する並列共
振回路15として作用する。図4における接続点24
0,241は、図5の接続点240,241に対応して
おり、図5における接続点241は、接続点240の直
下の線路231の導体薄膜の部分にある。
The microstrip circuit on the dielectric substrate piece 230 has the field effect transistor 10 which is an active element.
It functions as a parallel resonance circuit 15 that is connected in series between the point 181 that is the output terminal of 1 and the fundamental wave matching circuit 134 and that resonates with the second harmonic. Connection point 24 in FIG.
0 and 241 correspond to the connection points 240 and 241 in FIG. 5, and the connection point 241 in FIG. 5 is in the conductor thin film portion of the line 231 immediately below the connection point 240.

【0059】誘電体基板片230上の線路片221a,
222aは等価回路的には誘電体の基板220上の基本
波整合回路134の地導体からは電気的に浮いた線路片
221b,222bを線路231の導体薄膜の部分に形
成することになる。線路片221b,222bはショー
ト・スタブおよびオープン・スタブであるから前者はイ
ンダクタンス性として、後者は容量性として作用する並
列共振回路15を構成するので、線路の特性インピーダ
ンスと長さを適当に選べば、2次高調波に共振させるこ
とができる。したがって、誘電体の基板220上の回路
は能動素子である電界効果トランジスタ101の出力端
子である点181と基本波整合回路134を直列に接続
する2次高調波の並列共振回路15として機能すること
がわかる。
The line piece 221a on the dielectric substrate piece 230,
222a is equivalent to forming line pieces 221b and 222b electrically floating from the ground conductor of the fundamental wave matching circuit 134 on the dielectric substrate 220 in the conductor thin film portion of the line 231. Since the line pieces 221b and 222b are short stubs and open stubs, the former constitutes the parallel resonance circuit 15 which acts as an inductance and the latter acts as a capacitance. Therefore, if the characteristic impedance and the length of the line are appropriately selected. It is possible to resonate with the second harmonic. Therefore, the circuit on the dielectric substrate 220 should function as the second harmonic parallel resonant circuit 15 that connects the point 181 that is the output terminal of the field effect transistor 101 that is an active element and the fundamental wave matching circuit 134 in series. I understand.

【0060】具体的な寸法をあげれば、厚さ0.8m
m、比誘電率10の誘電体の基板220上に1.6GH
z(800MHzの2次高調波)に共振する並列共振回
路15を構成する場合、誘電体の基板220の寸法は2
mm×7mm程度になる。この寸法の誘電体の基板22
0は基本波整合回路134の線路上に十分収納できる大
きさである。
To give concrete dimensions, the thickness is 0.8 m.
1.6 GH on a dielectric substrate 220 having a dielectric constant of 10 m
When the parallel resonant circuit 15 that resonates at z (second harmonic of 800 MHz) is configured, the size of the dielectric substrate 220 is 2
mm × 7 mm. Dielectric substrate 22 of this size
0 is a size that can be sufficiently accommodated on the line of the fundamental wave matching circuit 134.

【0061】本発明によれば、2次高調波共振回路その
ものが占有する面積を小さくするだけでなく、本来なら
2次高調波共振回路が他の回路部分と干渉しないように
分離するための余白のスペースまでも不要となり、出力
回路をさらに小型にできる。
According to the present invention, not only the area occupied by the second harmonic resonance circuit itself is reduced, but also a margin for separating the second harmonic resonance circuit from the other circuit portions so as not to interfere with other circuit parts. The space for is also unnecessary, and the output circuit can be made even smaller.

【0062】(実施例4の変形例)図4および図5に示
した実施例4において、基本波整合回路134の線路2
31上に構成するマイクロ・ストリップの並列共振回路
15ではショート・スタブ221a,221bとオープ
ン・スタブ222a,222bを用いて説明した。しか
し、オープン・スタブは容量性素子であるから、オープ
ン・スタブをチップ・キャバシタ等の集中定数容量素子
で置き換えても同様な効果が得られるのは当然である。
(Modification of Fourth Embodiment) In the fourth embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the line 2 of the fundamental wave matching circuit 134 is used.
In the parallel resonance circuit 15 of the microstrip formed on 31, the short stubs 221a and 221b and the open stubs 222a and 222b are used for the description. However, since the open stub is a capacitive element, it is natural that the same effect can be obtained even if the open stub is replaced with a lumped constant capacitance element such as a chip capacitor.

【0063】[0063]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、2次
高調波に対して並列共振する回路を能動素子と基本波整
合回路との間に直列に接続する回路構成によって、高効
率で小型の電力増幅器を実現することができる。したが
って本発明の効果は極めて大きい。
As described above, according to the present invention, the circuit configuration in which the circuit that resonates in parallel with the second harmonic is connected in series between the active element and the fundamental wave matching circuit provides high efficiency. A small power amplifier can be realized. Therefore, the effect of the present invention is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例を示す回路図と反射係数平面
を表わすスミス・チャート(b)である。
FIG. 1 is a Smith chart (b) showing a reflection coefficient plane and a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の他の実施例を示す回路図と反射係数平
面を表わすスミス・チャート(b)である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention and a Smith chart (b) showing a reflection coefficient plane.

【図3】本発明のさらに他の実施例を示す回路図であ
る。
FIG. 3 is a circuit diagram showing still another embodiment of the present invention.

【図4】本発明のさらに他の実施例を示す回路図であ
る。
FIG. 4 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.

【図5】図4に示す回路の要部の構造を示す構造図であ
る。
5 is a structural diagram showing a structure of a main part of the circuit shown in FIG.

【図6】従来例の動作原理を説明するための回路図であ
る。
FIG. 6 is a circuit diagram for explaining the operation principle of a conventional example.

【図7】図6のドレイン電流および電圧波形を示す波形
図である。
FIG. 7 is a waveform diagram showing the drain current and voltage waveforms of FIG.

【図8】従来例を示す回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram showing a conventional example.

【図9】他の従来例を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram showing another conventional example.

【図10】従来例の動作を示す反射係数平面を表わすス
ミス・チャートである。
FIG. 10 is a Smith chart showing a reflection coefficient plane showing the operation of the conventional example.

【図11】従来例における2次高調波に対する反射係数
の適正化をする場合の回路図(a)と反射係数平面を表
わすスミス・チャート(b)である。
FIG. 11 is a circuit diagram (a) and a Smith chart (b) showing a reflection coefficient plane in the case of optimizing the reflection coefficient for the second harmonic in the conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

15 並列共振回路 101 電界効果トランジスタ 110 主伝送路 121 入力端子 134 基本波整合回路 150 負荷インピーダンス 171 電流波形 172 電圧波形 181,191,192 点 C11,C12,C16,C19, C21〜C23,C31〜C33 キャパシタンス IDC 直流電流 ID (t),IM (t),IOUT (t) 高周波電流 L6,L7,L15,L19, L21〜L23,L31〜L33 インダクタンス 211 主伝送路 212 副線路 215,216 伝送線路 220 基板 221a,b,222a,b 線路片 228,229 接続線 230 誘電体基板片 231 線路 240,241 接続点 300,301,305 点 s 線路間隔 VDS ,VGS 直流電源 VD (t) 高周波ドレイン電圧15 parallel resonance circuit 101 field effect transistor 110 main transmission line 121 input terminal 134 fundamental wave matching circuit 150 load impedance 171 current waveform 172 voltage waveform 181, 191, 192 points C11, C12, C16, C19, C21 to C23, C31 to C33 Capacitance I DC DC current I D (t), I M (t), I OUT (t) High frequency current L6, L7, L15, L19, L21 to L23, L31 to L33 Inductance 211 Main transmission line 212 Sub line 215, 216 Transmission line 220 Substrate 221a, b, 222a, b Line piece 228,229 Connection line 230 Dielectric substrate piece 231 Line 240,241 Connection point 300,301,305 points s Line spacing V DS , V GS DC power supply V D (t ) High frequency drain voltage

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高周波信号を電力増幅して高周波電力を
出力端子に得るための電力増幅手段(101)と、 前記電力増幅手段の出力インピーダンスを負荷インピー
ダンス(150)に基本波周波数においてインピーダン
ス変換するための基本波整合手段(134)と、 前記電力増幅手段の出力端子と前記基本波整合手段との
間に直列接続された前記基本波周波数の2倍の周波数に
対して並列共振する並列共振手段(15)とを含む高周
波電力増幅器。
1. A power amplifying means (101) for power-amplifying a high-frequency signal to obtain high-frequency power at an output terminal, and an output impedance of the power amplifying means is converted into a load impedance (150) at a fundamental frequency. And a parallel resonance means that is connected in series between the output terminal of the power amplification means and the fundamental wave matching means and that resonates in parallel with a frequency twice the fundamental wave frequency. A high frequency power amplifier including (15).
【請求項2】 前記並列共振手段が、 伝送線路(216,221a,221b,229)と、 前記伝送線路に並列に接続されたキャパシタンスとを含
む請求項1の高周波電力増幅器。
2. The high frequency power amplifier according to claim 1, wherein the parallel resonance means includes a transmission line (216, 221a, 221b, 229) and a capacitance connected in parallel to the transmission line.
【請求項3】 前記基本波整合手段が、 マイクロ・ストリップ構造を有する前記基本波を伝送す
るための線路(231)と前記インピーダンス変換する
ための変換部とを含み、 前記並列共振手段が、 前記マイクロ・ストリップ構造の前記線路を地導体とし
てマイクロ・ストリップ構造により形成された請求項1
の高周波電力増幅器。
3. The fundamental wave matching means includes a line (231) having a microstrip structure for transmitting the fundamental wave and a conversion unit for impedance conversion, and the parallel resonance means includes: The microstrip structure is formed by using the line of the microstrip structure as a ground conductor.
High frequency power amplifier.
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