JPH0537257A

JPH0537257A - 電力増幅器

Info

Publication number: JPH0537257A
Application number: JP3172805A
Authority: JP
Inventors: Koji Okazaki; 浩司岡崎; Koji Horikawa; 浩二堀川; Masayoshi Tanaka; 將義田中
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 1993-02-12
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: JP3136526B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的はバースト状の信号に対して特
別の付加装置を必要とせずに、小型・軽量で消費電力が
小さく、しかも安価なマイクロ波送信装置用電力増幅器
を提供することである。【構成】本発明はＦＥＴのゲート端バイアス回路の出
力端の電圧が抵抗を通して供給され、入力信号電力のレ
ベルに応じて変化するＦＥＴのゲート端の直流インピー
ダンスの変化に応じて、無信号時にはゲート端のバイア
ス回路の出力電圧がＦＥＴのピンチ・オフ近傍となり、
信号入力時には出力電圧が前記ＦＥＴの（１／４）×
（ピンチ・オフ）から（３／４）×（ピンチ・オフ）と
なるようにゲート端バイアス回路に含まれる抵抗の値を
設定する出力電圧可変手段を含むゲート端バイアス回路
を有し構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電力増幅器に係り、特
に、時分割多元接続方式の送信装置用マイクロ波電力増
幅器に関する。

【０００２】

【従来の技術】時分割多元接続方式では、一般に、ある
割り振られた時間のみに信号をバースト的に送出する。
その信号の送出時間が繰り返し周期（フレーム周期）内
に占める割合は数分の１から数千分の１と非常に小さ
い。マイクロ波を用いるこのような通信システムの送信
電力増幅器として、進行波管増幅器（ＴＷＴＡ: Travel
ing Wave Tube Amplifier ）と固体電力増幅器が使用さ
れている。固体電力増幅器は性能劣化や寿命要因を持た
ず、１０Ｖ以下の電圧で動作することから、保守が簡単
で、電源が小型・軽量になり、増幅器としても小型に構
成できる可能性を持つ。また、図５は一般的なマイクロ
波電力増幅用高出力ＦＥＴの特性を示す。同図は一般的
なマイクロ波電力増幅用高出力ＦＥＴの信号入力に対す
る信号出力特性及び、消費電力特性を表す。同図中、ａ
はＡ級動作時の出力、ｂはＢ級動作時の出力、ｃはＡ級
動作時の消費電力、ｄはＢ級動作時の消費電力を示す。
一方のゲート・バイアス電圧をＦＥＴがＡ級動作をする
よう選んだ場合の特性と、他方はゲート・バイアス電圧
をＦＥＴがピンチ・オフとなるよう選んだすなわちＢ級
動作の場合の特性を示すものである。Ａ級動作の場合の
消費電力ｃは信号入力にかかわらずほぼ一定であり、信
号入力がない場合でも多くの電流を消費する。Ｂ級動作
の場合の消費電力ｄは信号入力にほぼ比例し、入力がな
い場合には０となるが、出力および利得はＡ級動作の場
合に比して低下する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】進行波管増幅器は、高
出力、高効率が期待できるが、形状が大きく、また高電
圧を使用するため電源が複雑となること、加えてＴＷＴ
の寿命劣化の問題がある。一方、固体電力増幅器は通信
に使用される周波数たとえば１４ＧＨｚあるいは３０Ｇ
Ｈｚにおいては固体電力増幅素子は出力が比較的小さ
く、効率も低い。固体電力増幅器において高い出力を得
るには多数の固定増幅素子の出力を合成する必要があ
り、このために効率はさらに低下するとともに、発熱量
も多く、熱対策を含めて寸法・重量も大幅に増加すると
いう問題がある。また、マイクロ波領域ではまだＢ級動
作に欠かせない高調波制御技術が確立しておらず、マイ
クロ波領域において、現在存在する固体増幅素子でのＢ
級動作では出力と利得がＡ，ＡＢ級に対して劣る。この
ため、現在使用されている固体電力増幅器の動作はＡ
級、またはＡ級とＢ級の中間にあるＡＢ級であり、たと
え信号を送出しないときでも電力増幅器が動作状態にあ
り、電力を消費する。

【０００４】図６はバースト的に送出される信号と従来
技術による固体電力増幅器の動作状態を示す。同図は前
記バースト的に送出される信号（１）と、Ａ級動作での
固体電力増幅器の動作状態（２）を示す。前述したよう
に信号送出時間のフレーム周期に占める割合は非常に小
さく、消費される電力の大部分は、送信信号として放出
されないまま熱に変換される。このため、発熱量が多く
放熱のための設備や大電力対策のために、電力装置が大
型・重量化し、高価になる欠点を持っている。この欠点
を補うため、電力増幅器と、例えば電源制御装置等の何
らかの付加装置を併設することで、信号を送出しないと
きには電力増幅器を非動作状態とするような送信装置が
ある。しかし、既存の通信システムにおいて前述のよう
な送信装置を用いて大容量の情報を含む信号を高速かつ
損なうことなく伝達するためには、送信装置以外にも、
例えば時分割多重化装置にはＦＥＴをオン・オフさせる
増幅器制御用信号を発生させる装置等の付加装置が必要
となるという、新たな欠点が生じる。本発明は上記の点
に鑑みなされたもので、上記に示したバースト状の信号
に対して特別の付加装置を必要とせず、小型・軽量で消
費電力が小さく、しかも安価なマイクロ波送信装置用電
力増幅器を実現することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理構成
図を示す。増幅素子として電界効果トランジスタ（ＦＥ
Ｔ）を含むマイクロ波回路と、ＦＥＴのゲート端子及び
ドレイン端子のそれぞれに電力を供給するバイアス回路
を有し、入力信号がゲート端子に入力され、ドレイン端
子から出力信号が取り出される電力増幅器において、Ｆ
ＥＴのゲート端バイアス回路の出力端の電圧がゲート端
バイアス回路に含まれる抵抗を通して供給され、入力信
号電力のレベルに応じて変化するＦＥＴのゲート端の直
流インピーダンスの変化に応じて、無信号時にはゲート
端のバイアス回路の出力電圧が前記ＦＥＴのピンチ・オ
フ近傍となり、信号入力時には出力電圧がＦＥＴの（１
／４）×（ピンチ・オフ）から（３／４）×（ピンチ・
オフ）の範囲となるように抵抗の値を設定する出力電圧
可変手段を含むゲート端バイアス回路を有する。

【０００６】

【作用】本発明は増幅素子としてＦＥＴを使用するマイ
クロ波電力増幅器において、電力増幅器のゲート端バイ
アス回路に、無信号入力時には電力を消費しないよう出
力電圧をＦＥＴのピンチ・オフ近傍と信号入力時には所
望の増幅特性が得られるＦＥＴの（１／４）×（ピンチ
・オフ）から（３／４）×（ピンチ・オフ）となるよう
な出力電圧可変機能を持たせることで、電力増幅器以外
に増幅器制御信号発生させる等の特別の付加回路を用い
ずに消費電力を抑え、また、消費電力を抑えることで増
幅器の特性を損なわないことの両者を同時に実現する。

【０００７】

【実施例】電力増幅器のゲート・バイアス回路に出力電
圧可変機能を持たせる本発明の一実施例として、ゲート
・バイアス回路に特定の高抵抗値を有する抵抗器を設け
る場合について、以下、図面に基づいて詳細に述べる。
図１には、本発明の作動原理の説明のためのＦＥＴを用
いた増幅器のゲート・バイアス回路の模式図を示す。図
１に示す構成はＦＥＴ１、ゲート・バイアス用定電圧電
源２、抵抗器３及び、ドレイン・バイアス用定電圧電源
４である。この抵抗器３の抵抗値を以下に述べる設計法
に従って得られた値Ｒとすれば、後述するように信号入
力がないときにはＦＥＴ１がピンチ・オフとなりドレイ
ン電流Ｉｄがほぼ０となり消費電力が０で、信号入力が
存在するときにのみ動作する増幅器となる。以下、本発
明の原理及び、この抵抗値Ｒの設計法について述べる。

【０００８】ＦＥＴ１の入力インピーダンスは、ゲート
・バイアス電圧および入力信号レベルによって変化す
る。ゲート・バイアス電源２に定電圧電源を用いた場
合、その変化はゲート電流の変化として現われる。一般
にＡ級及びＡＢ級動作の場合のＦＥＴのゲート電流は、
例として出力１ＷクラスのＦＥＴ１では、信号入力がな
いときにはほとんど流れないか、流れても数マイクロア
ンペア程度だが、出力が飽和する程度まで信号入力を上
げた場合には数ミリアンペア程度流れる。一方、ゲート
・バイアス電圧をＦＥＴのピンチ・オフ電圧に近い値に
選べば、信号入力がないときにも数十マイクロアンペア
から１ミリアンペア程度のゲート電流が流れ、信号入力
を上げていけばさらに大きなゲート電流が流れる。図１
の回路において定電圧電源２の出力電圧をＶ、抵抗器３
の抵抗値をＲ、ＦＥＴ１のゲート・バイアス電圧をＶ
ｇ、流れる電流をＩｇとする。まずＦＥＴ１の飽和出力
が得られる動作時のゲート直流入力インピーダンスＺｒ
を求める。このＺｒの値は、例えば、実際の動作時のゲ
ート・ソース間の電圧Ｖｇとゲート電流Ｉｇを測定する
ことにより簡単に求めることができる。

【０００９】ここで、ゲートバイアス用定電圧電源２の
出力電圧ＶをＦＥＴ１がピンチ・オフとなるような電圧
Ｖｐに設定すれば、ＦＥＴ１は非動作となり信号入力が
なければドレイン電流がほとんど流れないため、電力を
消費しない。このときゲート電流Ｉｇは数十マイクロア
ンペアから１ミリアンペア程度流れている。入力信号を
０から徐々に上げていくと次第にＦＥＴ１の入力インピ
ーダンスが低下し、ゲート電流Ｉｇはそれに伴って増大
する。このため、抵抗器３に生じる電圧降下は次第に大
きくなり、ＦＥＴ１にかかる実際のゲート・バイアス電
圧Ｖｇは次第に浅くなる。増幅器が飽和出力を得られる
ような信号入力時において、この抵抗器３に生じる電圧
降下を利用して、ＦＥＴ１のゲート・バイアス電圧Ｖｇ
を電力増幅器に適する電圧、すなわちＦＥＴ１がＡ級ま
たはＡＢ級動作となる電圧Ｖａとならしめる抵抗器３の
抵抗値Ｒが存在し、その抵抗値は以下のようにして一意
的に決定できる。Ｖ＝Ｖｐ＝Ｒ・Ｉｇ＋Ｖａ＝Ｒ・Ｉｇ＋Ｚｒ・Ｉｇ＝（Ｒ＋Ｚｒ）Ｉｇ ∴ Ｒ＝（Ｖｐ／Ｖａ−１）Ｚｒここで、電圧Ｖａは一般的にＶｐ／２程度の値となる。
実験的に抵抗値Ｒを求めるには抵抗器３を可変抵抗器と
し、実際に動作させながら信号入力の無いときにはＶｇ
〜Ｖｐ、有るときにはＶｇ＝Ｖａとなるように可変抵抗
器を調整し、そのＲの値を測定すればよい。この時、ゲ
ート・バイアス回路で消費される電力ＰｇはＰｇ＝Ｖ・Ｉｇ＝Ｖｐ×（〜数十ｍＡ）＝（〜数十ｍＷ）であり、ドレイン回路で消費される電力Ｐｄ＝Ｖｄ・Ｉｄ＝（１０Ｖ程度）×（数Ａ）＝（数十Ｗ）に比べて非常に小さく無視できる値である。抵抗器３の
抵抗値をこのようにして得られたある値Ｒとすることに
より、信号入力がないときにはＦＥＴ１はピンチ・オフ
すなわち非動作状態にあり、消費電力は抑圧されて理想
的には０となる。一方、信号入力が存在するときには、
Ａ級またはＡＢ級動作する。

【００１０】図２は本発明の一実施例の構成を示す。同
図に示す構成はＦＥＴ１１，入力信号端子１２、出力信
号端子１３、コンデンサ１４〜１６、マイクロストリッ
プ線路１８〜２３、チョークコイル２５、２６、貫通コ
ンデンサ２７、２８、定電圧電源２９、３０、マッチン
グネットワーク３１、３２、抵抗器３３より構成され
る。ここで、抵抗器３３は本発明により、定められたあ
る特定の値を持つ。マイクロストリップ線路２０〜２３
は使用高周波信号の波長の１／４ないし、その奇数倍の
電気長を持つ。

【００１１】図３は図２の実施例により得られた特性を
示す。同図は従来の電力増幅器の入出力特性と消費電
力、および本発明を実施した場合、すなわち図２の実施
例の電力増幅器で得られた入出力特性と消費電力を示し
ており、ａは従来のＡ級動作時の出力、ｂは従来のＢ級
動作時の出力、ｃは従来のＡ級動作時の消費電力、ｄは
従来のＢ級動作時の消費電力、ｅは本発明の実施例の出
力、ｆは本発明の実施例の消費電力を示す。これから分
かるように、正規のＲＦ信号入力時にはＡ級動作時と同
じ出力、利得が得られ、ＲＦ信号入力がないときにはＦ
ＥＴが自動的にピンチ・オフするか、あるいはピンチ・
オフに近い状態となって、消費電力は従来増幅器の数分
の１からほぼ０となる。また上記２つ状態の間では、入
出力特性は線形性が劣化しているが、一定振幅の信号を
出力する場合には、この線形性の影響は問題とならな
い。

【００１２】図４には図２の実施例における電力増幅器
の動作を示す。同図中、（ａ），（ｂ）はそれぞれ電力
増幅器の入力信号および出力信号、（ｃ）は電力増幅器
のドレイン電流であり、消費電力はほぼドレイン電流に
比例する。時分割多重信号は同期バーストとデータバー
ストで構成される。同期バーストがフレーム間隔の約１
０００分の１、データバーストが送信信号に応じてフレ
ーム間隔の約２００分の１から約４分の１期間だけ送出
されるような時分割多元接続方式の通信システムにおい
て、本発明による電力増幅器を適用すれば、上記の原理
により各バーストに応じて電力増幅器の動作が制御され
て、動作状態（ｃ）に示すように動作・非動作が切換わ
り、電力増幅器は時分多重信号を損なうことなく増幅す
ることができる。この際、電力増幅素子であるＦＥＴは
約１０００分の１から約４分の１の期間だけオンであ
り、その他の期間はオフである。従って、図６と比較す
ると明らかなように電力増幅器の消費電力は大幅に低減
される。

【００１３】

【発明の効果】上記のように本発明によれば、一定振幅
でかつバースト状の信号を増幅する場合に本発明による
電力増幅器を用いれば、以下のような効果を奏する。（１）電力増幅器の消費電力を大幅に削減でき、この
結果、電力増幅器の小型化・軽量化が達成される。（２）電力増幅器の発熱が２分の１以下になるため冷
却設備を簡単にでき、電力増幅器の小型化・経済化が可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】本発明の一実施例の構成図である。

【図３】図２の実施例により得られた特性を示す図であ
る。

【図４】図２の実施例における電力増幅器の動作を示す
図である。

【図５】一般的なマイクロ波電力増幅用高出力ＦＥＴの
特性を示す図である。

【図６】バースト的に送出される信号と従来技術による
固体電力増幅器の動作状態を示す図である。

【符号の説明】

１，１１ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）２ゲートバイアス用定電圧電源３抵抗器４ドレインバイアス用定電圧電源１２入力信号端子１３出力信号端子１４〜１６コンデンサ１８〜２３マイクロストリップ線路２５，２６チョーク・コイル２７，２８貫通コンデンサ２９，３０定電圧電源３１，３２マッチングネットワーク３３抵抗器

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】増幅素子として電界効果トランジスタ
（ＦＥＴ）を含むマイクロ波回路と、該ＦＥＴのゲート
端子及びドレイン端子のそれぞれに電力を供給するバイ
アス回路を有し、入力信号が該ゲート端子に入力され、
該ドレイン端子から出力信号が取り出される電力増幅器
において、前記ＦＥＴのゲート端バイアス回路の出力端の電圧が該
ゲート端バイアス回路に含まれる抵抗を通して供給さ
れ、入力信号電力のレベルに応じて変化する前記ＦＥＴ
のゲート端の直流インピーダンスの変化に応じて、無信
号時にはゲート端のバイアス回路の出力電圧が前記ＦＥ
Ｔのピンチ・オフ近傍となり、信号入力時には前記出力
電圧が前記ＦＥＴの（１／４）×（ピンチ・オフ）から
（３／４）×（ピンチ・オフ）の範囲となるように該抵
抗の値を設定する出力電圧可変手段を含むゲート端バイ
アス回路を有することを特徴とする電力増幅器。