JPH06152278A - 電力増幅装置 - Google Patents

電力増幅装置

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JPH06152278A
JPH06152278A JP4299672A JP29967292A JPH06152278A JP H06152278 A JPH06152278 A JP H06152278A JP 4299672 A JP4299672 A JP 4299672A JP 29967292 A JP29967292 A JP 29967292A JP H06152278 A JPH06152278 A JP H06152278A
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JP
Japan
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power
distributor
combiner
amplifiers
radial
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JP4299672A
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English (en)
Inventor
Keiji Kodama
圭司 児玉
Masatoshi Hamada
正稔 浜田
Makoto Ishii
真 石井
Masatoshi Hachiman
正敏 八幡
Naotaka Eguchi
直孝 江口
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Japan Broadcasting Corp
Original Assignee
Nippon Hoso Kyokai NHK
Japan Broadcasting Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 帯域および利得に影響を与えることなく高効
率な電力増幅装置を提供すること。 【構成】 各々、ラジアル導波管の高さを管内を伝搬す
るTEM波の波長に比べ充分小さくし、片面に複数のス
ロットを設けたスロットプレーナアンテナからなる電力
分配器および電力合成器を対向させ、該対向させた電力
分配器と電力合成器との間に複数の増幅器を挿入する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は例えばマイクロ波帯の信
号の電力増幅装置に係る。
【0002】
【発明の概要】この発明は、電力増幅装置に関するもの
で、スロットプレーナアンテナ(Slot Plana
r Antenna)を適用した電力分配・合成器を用
い、この電力分配・合成器間に増幅器を挿入することに
より、帯域および利得に影響を与えることなく例えばマ
イクロ波帯の信号の高効率な電力増幅装置が構築できる
ようにしたものである。
【0003】
【従来の技術】近年、電力増幅素子として固体化増幅素
子が普及しているが、増幅素子単体での出力電力が小さ
いため、固体化電力増幅装置では電力分配・合成器が必
要不可欠である。この電力分配・合成器としては、平面
回路上で構成される3dBカプラー型、ウィルキンソン
型、ラジアルライン型と、立体回路で構成される共振空
胴型と、さらにラジアル導波管によるラジアル型とがあ
る(例えば参考文献1、水野晴彦他「マイクロ波帯固体
電力増幅器(SSPA)の現状と将来」、(1990.
8),NHK技研R&D,pp36−44)。
【0004】今回、電力分配・合成器に応用するスロッ
トプレーナアンテナ(Slot Planar Ant
enna)は、高効率なアンテナとして古くから着目さ
れている(例えば参考文献2、F.J.GOEBELS
他「Arbitrary Polarization
from Annular Slot PlanarA
ntennas」,(1961.6),IRE,TRA
NSACTIONSON ANTENNAS AND
PROPAGATION,pp342−349)。
【0005】本発明の類似技術として、ラジアル型電力
分配器・合成器を用い、その円周方向に並列に電力増幅
器を実装した送信装置がある(例えば参考文献3、特公
平3−30505公報)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記各
電力分配・合成器においては、電力分配・合成器の効率
と帯域の両立性に問題があり、様々な工夫がなされてい
るが、例えば参考文献1および参考文献3によると各々
以下の欠点がある。
【0007】・3dBカプラー型 多合成時に比較的大型となったり、合成効率が低下す
る。すなわち、帯域は広いが効率を上げる工夫が必要で
ある。平面回路による3dBカプラーは、基板の損失に
より合成数が増すほど合成効率が悪化する。このため、
例えば参考文献1によれば、電力合成器に導波管型3d
Bカプラーを用いて、4段構成で挿入損失0.5dB
(合成効率89%)を実現しているが、導波管型のため
回路が大型でありかつ高価となる。
【0008】・ウィルキンソン型 多合成する場合には、マイクロ波ではこれを平面上に作
ることが困難である。
【0009】・ラジアルライン型 合成効率は使用基板の損失に依存する。
【0010】・共振空胴型 一般に帯域幅が狭い。入力端子間アイソレーションをと
るための工夫が必要である。すなわち、効率は良いが帯
域を広げる工夫が必要である。例えば参考文献6(水野
晴彦他「BS地球局用150W級高出力FET増幅
器」,1986,テレビジョン学会技報,RE86−3
4)によれば、8電力合成器で挿入損失0.3dB(合
成効率93%)、挿入損失0.5dB以下の比帯域約3
%(14GHz帯)である。
【0011】・ラジアル型 メンテナンススペースが装置の360°全周方向に必要
である。スペースの縮小化を図るためには機械的駆動部
分が必要となり、装置が複雑となる。
【0012】なお、電力増幅素子として固体化増幅素子
を用いる場合、増幅素子単体での出力が小さいために利
得を上げるには増幅素子数を増す必要がある。しかし従
来技術では増幅素子数を増す際に回路規模が大きくな
り、使用基板の損失増加または回路損失の増加により効
率は利得の増加と相反していた。
【0013】本発明の目的は以上のような問題を解消し
た電力増幅装置を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は各々、ラジアル導波管の高さを管内を伝搬する
TEM波の波長に比べ充分小さくし、片面に複数のスロ
ットを設けたスロットプレーナアンテナからなる電力分
配器および電力合成器を対向させ、該対向させた電力分
配器と電力合成器との間に複数の増幅器を挿入したこと
を特徴とする。
【0015】
【作用】本発明によれば、各電力増幅器への信号の分配
および合成を高効率で行える。また、電力分配・合成器
の直径を大きくし、増幅器数を増やすだけで利得の増加
ができ、この時合成効率が低下する問題はない。さらに
また、帯域幅は電力分配器の入力および電力合成器の出
力のリターンロスにより決定されるが、本発明で適用す
るスロットプレーナアンテナの原理では、12GHz帯
でのリターンロス−12dB以下の比帯域が6.7%以
上であることが確認されている(例えば参考文献4、中
野久松他「高効率超低姿勢ヘリカルアレーアンテナ」、
(1989)、電子情報通信学会秋季全国大会誌,B−
29)。さらにまた、本発明によれば、電力分配・合成
器となるスロットプレーナアンテナの開口面間に増幅器
を実装するため、メンテナンススペースを特に考慮する
必要はない。さらにまた本発明による電力分配器または
電力合成器および増幅器と空中線とを一体化させること
で、従来の電力増幅装置とアンテナ間の給電線が不要と
なり、給電線損失が非常に小さい、小型・高効率な高周
波送信装置が実現できる。さらにアンテナの可逆の原理
により、同一の構造で増幅器の向きを送信装置と逆にす
るだけで受信装置となる。また、増幅器にサーキュレー
タを挿入すれば送受共用の高周波送受信装置が実現でき
る。
【0016】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して説明
する。本発明による電力分配器および合成器の一実施例
を示す図1を参照すると、電力分配器は、同軸線路1
と、ラジアル導波管2と、ラジアル導波管2上に設けた
スロット3とから構成される。同軸線路1から供給され
た高周波信号は、ラジアル導波管2内を半径方向に伝搬
し、各スロット3から分配されて取り出される。
【0017】電力合成器は、円形導波管4と、ラジアル
導波管5と、ラジアル導波管5上に設けたスロット6と
から構成される。各スロット6から入ってくる高周波信
号は、ラジアル導波管5内を半径方向に伝搬し、円形導
波管4から合成されて取り出される。
【0018】なお図1(イ),(ロ),(ハ)において
半径方向座標をr、円周方向座標をφ、高さ方向座標を
zとし、ラジアル導波管の高さをbとする。
【0019】図2は電力増幅装置の一実施例である。図
1で示した電力分配器と電力合成器を正対させ、その間
に複数の増幅器7を挿入した構成である。高周波信号
は、電力分配器を構成するラジアル導波管2上の各スロ
ット3から増幅器7に入り、所望のレベルまで増幅され
たあと、電力合成器を構成するラジアル導波管5上のス
ロット6からラジアル導波管5に入り、合成されて円形
導波管4に出力される。
【0020】次に、電力分配器および電力合成器におい
て位相差の補償を行う原理を、参考文献5(N.MAR
CUVITZ,「Waveguide Handboo
k」,(1951),McGraw−Hill Boo
k Company Imc、,pp28−47)を参
照し、以下に説明する。
【0021】電力分配器は、ラジアル導波管2上にスロ
ット3を配置した構造である。ここでラジアル導波管の
高さbをラジアル導波管を伝搬するTEM波(進行方向
の電磁界成分のない電磁波)の波長λg より十分小さく
すれば、ラジアル導波管内を伝搬可能な電磁波のモード
は半径方向rに対してのTEM波だけとなる。この時、
ラジアル導波管上の電流成分は半径方向rの成分だけ
で、電流分布は第2種ハンケル関数で変化する。よって
図1の(ハ)に示した電力分配器の上面図において、ス
ロット3を同心円上に配置し、この同心円の間隔lを第
2種ハンケル関数の振動周期と同じにすれば同相の高周
波信号が取り出され、各増幅器7へ分配できる。このた
め増幅器7では位相差の補償回路が原理的に不要とな
る。この原理は電力合成器においても同様である。
【0022】なお、電力分配器および合成器のTEM波
の電磁界分布は、参考文献5により、
【0023】
【数1】
【0024】と表わされる。
【0025】図3は、電力分配器のラジアル導波管2
(および合成器のラジアル導波管5)と増幅器7との接
続を示した一例であり、図2で示した接続部の一部を拡
大したものである。伝送路としてマイクロストリップラ
インを用いた増幅器7の導体10に接続したモノポール
9を、電力分配器のラジアル導波管2のスロット3に挿
入した支持用誘電体12を介して電力分配器内に通す。
ここで増幅器7の接地導体11は電力分配器のラジアル
導波管2を構成する導体板に接続されている。以上は電
力合成器のラジアル導波管5においても同様である。
【0026】次に、図4は電力分配器および電力合成器
においてではなく、増幅器7において位相差の補償を行
うための回路の一実施例である。
【0027】電力分配器から供給された高周波信号は入
力端子13から移相回路14へ入る。移相回路14で
は、分配、増幅、合成する際の位相差の補償を行う。補
償後、インピーダンス変成回路15にて増幅回路16の
入力インピーダンスと整合をとり、増幅回路16で所望
の電力まで増幅する。ここで増幅回路16の増幅素子へ
の駆動電源は電源回路18から供給される。増幅された
高周波信号は、電力合成器の入力インピーダンスと整合
をとるインピーダンス変成器17を通り電力合成器へ入
る構造となっている。
【0028】次に、図5は電力分配器および各増幅器7
と各空中線とが一体化された送信装置の一実施例であ
る。
【0029】電力分配器で分配された高周波信号は、各
増幅器7で所望のレベルまで増幅されたあと各超小型ヘ
リカルアレー素子20により円偏波にて放射される。各
増幅器7と各超小型ヘリカルアレー素子20間の高周波
信号は比較的低電力のため、各増幅器7と各超小型ヘリ
カルアレー素子20間は同軸ケーブル等で接続できる。
さらに、各超小型ヘリカルアレー素子20からの放射波
は、位相が同相であれば合成されるため、全体として大
電力の放射波を得ることができる。
【0030】このとき、各超小型ヘリカルアレー素子2
0へ入力される高周波信号の位相または超小型ヘリカル
アレー素子20の配置位置を変えることで、ビームのチ
ルトを変化させることができる。
【0031】さらに、アンテナの可逆の原理により、図
5と同一の構造で、増幅器の向きを逆にするだけで受信
装置が得られる。
【0032】以上のように、電力増幅装置の効率は、電
力分配・合成器の効率と増幅素子の付加電力効率により
決定されるが、本発明による電力増幅装置は、スロット
プレーナアンテナを適用した電力分配・合成器を用いて
いるため帯域および利得に影響を与えることなく高効率
な電力増幅装置が実現でき、さらに増幅器を対向させた
電力分配・合成器間に実装するため、メンテナンス用の
スペースが不要である。
【0033】なお、本発明による電力分配・合成器は、
スロットプレーナアンテナを適用しているので、参考文
献4によれば12GHz帯でリターンロス−12dB以
下の比帯域6.7%以上であるから、効率および帯域は
以下の値が原理的に可能である。
【0034】
【数2】
【0035】次に効率と利得については、増幅素子数を
増す際に電力分配・合成器の直径を大きくするだけで対
応でき、損失の増加はなく効率が低下することはない。
従って、本発明は近年の固体化増幅素子を用いた多分配
・多合成電力増幅装置として優れた特徴を有している。
さらに、本発明による電力増幅装置は、アンテナの可逆
の原理により、増幅器にサーキュレーターを設けること
によって送受共用の電力増幅装置・低雑音増幅装置とな
る。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、帯
域および利得に影響を与えることなく高効率な電力増幅
装置を提供することができる。さらにまた、本発明によ
る電力分配器または電力合成器および増幅器と空中線と
を一体化させることで、小型・高効率な高周波送信また
は受信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(イ)は電力分配器の側面図、(ロ)は電力合
成器の側面図、(ハ)は電力分配器または電力合成器に
おいて位相差の補償を行う場合の電力分配器または電力
合成器の上面図である。
【図2】本発明の電力増幅装置の一実施例を示す図であ
る。
【図3】本発明の電力増幅装置において電力分配・合成
器と増幅器との接続の一例を示す図である。
【図4】本発明の電力増幅装置において位相差の補償を
増幅器で行うための回路の一例を示す図である。
【図5】本発明の電力増幅装置における電力分配器およ
び増幅器と空中線とを一体化させた送信装置の一例を示
す図である。
【符号の説明】
1 同軸線路 2,5 ラジアル導波管 3,6 スロット 7 増幅器 20 超小型ヘリカルアレー素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八幡 正敏 東京都渋谷区神南二丁目2番1号 日本放 送協会 放送センター内 (72)発明者 江口 直孝 東京都渋谷区神南二丁目2番1号 日本放 送協会 放送センター内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 各々、ラジアル導波管の高さを管内を伝
    搬するTEM波の波長に比べ充分小さくし、片面に複数
    のスロットを設けたスロットプレーナアンテナからなる
    電力分配器および電力合成器を対向させ、該対向させた
    電力分配器と電力合成器との間に複数の増幅器を挿入し
    たことを特徴とする電力増幅装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の電力増幅装置におい
    て、増幅すべき信号を分配・増幅・合成する際の位相差
    を前記電力分配器および前記電力合成器上で補償するよ
    うに、前記電力分配器および前記電力合成器への前記複
    数の増幅器の挿入箇所を、一定の間隔を持ついくつかの
    同心円上としたことを特徴とする電力増幅装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の電力増幅装置におい
    て、前記増幅器は、増幅すべき信号の位相差補償手段を
    有することを特徴とする電力増幅装置。
  4. 【請求項4】 請求項1,2および3のいずれかに記載
    の電力分配器および電力合成器のいずれかを有すること
    を特徴とする電力増幅装置。
  5. 【請求項5】 請求項1,2および3のいずれかに記載
    の電力分配器または電力合成器と複数の増幅器とを有
    し、当該複数の増幅器に複数の空中線を各々接続したこ
    とを特徴とする送信または受信装置。
JP4299672A 1992-11-10 1992-11-10 電力増幅装置 Pending JPH06152278A (ja)

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