JPH0748621B2 - 電力合成形電力増幅装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数の増幅器を用いて複数のチャネルを増幅
するう電力合成形電力増幅装置に関するものである。

「従来の技術〕 第１図は従来のこの種の電力合成形電力増幅装置の構成
図である。

Ｎ個の信号入力端子1_-i（ｉ＝１〜Ｎ）および2N個の信
号出力端子2_-i（ｉ＝１〜2N）を持つ第１の電力結合器
５の各信号出力端子に2N個の増幅器7_-i（ｉ＝１〜2N）
がそれぞれ接続され、その2N個の増幅器の出力側は、2N
個の信号入力端子3_-i（ｉ＝１〜2N）およびＮ個の信号
出力端子4_-i（ｉ＝１〜Ｎ）を持つ第２の電力結合器６
の各信号入力端子にそれぞれ接続される。

１つの信号入力端子1_-iに入力された信号は第１の電力
結合器により2N個の増幅器に等分配されてそれぞれ増幅
され、これら2N個の増幅器の出力は第２の電力結合器に
より合成されて１つの信号出力端子4_-iに出力される。
同様にして他の１つの信号入力端子に入力された信号は
2N個の増幅器で分配増幅され他の１つの信号出力端子に
出力される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上の説明は第１および第２の電力結合器の特性が理想
的であり、更に2N個の増幅器の特性が均一である場合に
ついて成立することであり、第１および第２の電力結合
器の特性が理想的でなく、2N個の増幅器の特性が不均一
である場合には１つの信号入力端子に入力された信号は
１つの信号出力端子に出力されると同時に他の信号出力
端子にも漏れ電力として不要波が出力される欠点を有し
ている。そのため、この他の信号出力端子への不要波漏
れ電力を極力少なくすることが重要な課題となる。

本発明は、完全には特性が均一ではない2N個の増幅器が
与えられた時、2N個の増幅器の配置により他の信号出力
端子への漏れ電力を少なくすることの可能な電力合成形
電力増幅装置を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、上述の目的は前記特許請求の範囲に記
載した手段により達成される。

第２図は本発明による電力合成形電力増幅装置の構成を
示す図である。

同図において、Ｍ＝Ｎ（＝2ⁿ）個の信号入力端子1
_-i（ｉ＝１〜Ｎ）および2N個の信号出力端子2_-i（ｉ＝
１〜2N）を持つ第１の電力結合器５の各信号出力端子2
_-i（ｉ＝１〜2N）にそれぞれ2N個の増幅器（7_-1〜
7_-2N）が接続され、その2N個の増幅器の出力側は、2N個
の信号入力端子3_-i（ｉ＝１〜2N）およびＮ個の信号出
力端子4_-i（ｉ＝１〜Ｎ）を持つ第２の電力結合器６の
各信号入力端子にそれぞれ接続される。

第１の電力結合器５は、（ｎ＋１）段電力結合器の2N個
の信号出力端子を信号出力端子2_-i（ｉ＝１〜2N）と
し、2N個の信号入力端子のうちＮ個の信号入力端子1_-i
（ｉ＝１〜Ｎ）に入力信号が供給され、そのＮ個の信号
入力端子に信号を入力した際に信号が通らないハイブリ
ッド結合器が除去された構成であり、その各１つの信号
入力端子に入力された信号を等分割して全て（2N個）の
信号出力端子に出力するものである。

第２の電力結合器６は、第１の電力結合器の2N個の信号
出力端子を信号入力端子3_-i（ｉ＝１〜2N）とし、Ｎ個
の信号出力端子4_-i（ｉ＝１〜Ｎ）としたものである。

第２図では第１の電力結合器の（ｎ＋１）段目のＮ個の
ハイブリッド結合器（8_-1〜8_-N）と、第２の電力結合器
の１段目のＮ個のハイブリッド結合器（9_-1〜9_-N）を第
1,第２の電力結合器からそれぞれ取り出して示してあ
る。第1,第２の電力結合器は理想的であるとし、2N個の
増幅器の利得、通過位相に不均一性があるとすると、１
つの信号入力端子1_-iに入力された信号は、第１の電力
結合器により2N個の増幅器に等分配され、それぞれ増幅
され、これら2N個の増幅器の出力は第２の電力結合器に
より合成されて１つの信号出力端子4_-jに出力される。2
N個の増幅器の特性が不均一であるため、他の（Ｎ−
１）個の信号出力端子4_-K（ｋ＝１〜N,k≠ｊ）に漏れ電
力として出力され、第２の電力結合器の１段目のＮ個の
ハイブリッド結合器（9_-1〜9_-N）に接続するＮ個の終端
器（11_-1〜11_-N）に漏れ電力として吸収される。

本発明は、Ｎ個の終端器に吸収される漏れ電力が多くな
るように2N個の増幅器を配列することで、他の（Ｎ−
１）個の信号出力端子4_-K（ｋ＝１〜N,k≠ｊ）に漏れる
電力を少なくするものである。

第２図に示すように、第１の電力結合器の（ｎ＋１）段
目のＮ個のハイブリッド結合器（8_-1〜8_-N）と、第２の
電力結合器の１段目のＮ個のハイブリッド結合器（9_-1
〜9_-N）および2N個の増幅器（7_-1〜7_-2N）により、２個
の増幅器と２個のハイブリッド結合器および終端器とで
２合成のバランス形増幅器を構成する部分をＮ組含んで
いる。

このバランス形増幅器への入力信号が２個の増幅器で増
幅され、出力側の終端器に漏れて吸収される電力は、バ
ランス形増幅器を構成する２個の増幅器の特性のバラツ
キだけで決定される。

2N個の増幅器の中から特性のバラツキの度合K_ijが大き
い２個の増幅器から順にＮ組の対〔P_2i-1，P_2i〕（ｉ＝
１〜Ｎ）を作り、これらＮ組の２個の増幅器を第１の電
力結合器の（ｎ＋１）段目のＮ個のハイブリッド結合器
（8_-1〜8_-N）の任意の１個の２出力端子に接続すること
でＮ個の出力側の終端器（11_-1〜11_-N）に吸収される漏
れ電力の和を大きくすることができる。

従って、上記のように電力合成形電力増幅装置を構成す
ることにより、他の信号出力端子への漏れ電力を少なく
することができる。

第２図の構成図において、第１の電力結合器の信号入力
端子1_-i（ｉ＝１〜Ｎ）のうちＭ（Ｍ≦Ｎ）個の信号入
力端子に入力信号が供給され、理想的な場合にそのＭ個
の信号入力端子に信号を入力した際に第２の電力結合器
の信号出力端子4_-i（ｉ＝１〜Ｎ）のＭ個の信号出力端
子に出力されるべき信号が通らないハイブリット結合器
がk₁個存在するとき、そのk₂（０≦k₂≦k₁）個のハイブ
リッド結合器を除去しても、第１の電力結合器の（ｎ＋
１）段目のＮ個のハイブリッド結合器（8_-1〜8_-N）と、
第２の電力結合器の１段目のＮ個のハイブリッド結合器
（9_-1〜9_-N）および2N個の増幅器（7_-1〜7_-2N）によ
り、Ｎ組の２個の増幅器と２個のハイブリッド結合器、
および終端器とで２合成のバランス形増幅器を構成する
部分を含むので、上記のようにバランス形増幅器を構成
する部分を構成することで、他の信号出力端子への漏れ
電力を少なくすることができる。

また、第２図の構成図において、第１の電力結合器の信
号入力端子数がＮより大であるか、第２の電力結合器の
信号入力端子数がＮより大である場合であっても、第１
の電力結合器の信号入力端子のうち入力信号が供給され
る信号入力端子がＭ（Ｍ≦Ｎ）個である場合には、その
Ｍ個の信号入力端子に信号を入力した際に第２の電力結
合器の信号出力端子4_-iのＭ個の信号出力端子に出力さ
れるべき信号が通らないハイブリッド結合器が存在し、
それらのハイブリット結合器によって終端器に漏れてい
た電力が合成されるだけで、第２の電力結合器の信号が
出力するＭ個の信号出力端子には終端器に漏れていた電
力の合成電力が現われないので、前記のように構成する
ことで、他の信号出力端子への漏れ電力を少なくするこ
とができる。

特に、2N個の増幅器の電圧増幅度のバラツキだけが問題
になる場合には、電圧増幅度の大きさの順に2N個の増幅
器に番号を1,2,……,2Nと付すと、Ｎ組の対は１番と2N
番の増幅器を〔P₁，P₂〕、２番と2N−１番の増幅器を
〔P₃，P₄〕、以下順次２個の増幅器を〔P₅，P₆〕，…
…，〔P_2N-1，P_2N〕とすればよい。

また、2N個の増幅器の通過位相のバラツキだけが問題に
なる場合には、通過位相の大きさの順に2N個の増幅器に
番号を1,2,……,2Nと付すと、Ｎ組の対は１番と2N番の
増幅器を〔P₁，P₂〕、２番と2N−１番の増幅器を〔P₃，
P₄〕、以下順次２個の増幅器を〔P₅，P₆〕，……，〔P
_2N-1，P_2N〕とすればよい。

具体例として、第３図に示す増幅器数2N＝４、信号が供
給される信号入力端子数Ｍ＝２とした場合の構成図につ
いて詳しく説明する。ここでは第１および第２の電力結
合器を90°ハイブリッド結合器により構成した例であ
る。

第４図に示す90°ハイブリッド結合器において信号入力
端子1₁，1₂に加えられる入力信号電圧をp₁，p₂とし、信
号出力端子2₁，2₂に出力される出力信号電圧をq₁，q₂と
すると、これらは（１）の関係式で示される。

（１）式より第３図の第１の電力結合器の２個の信号入
力端子1_-1，1_-2に加えられる信号電圧をp₁，p₂とし、４
個の信号出力端子2_-1〜2_-4に出力される信号電圧をq₁〜
q₄とすると（２）式の関係式が成り立つ。

増幅器7_-i（ｉ＝１〜４）の電圧増幅度をa_i（ｉ＝１〜
４）、通過位相をT_i（ｉ＝１〜４）とし、複素振幅利得
を_ｉ（ｉ＝１〜４）とすると、_ｉは（３）式で表わ
せる。_ｉ ＝a_i・exp（ｊ・T_i） ……（３） 各増幅器の入力信号電圧q₁〜q₄は_1q1〜_4q4に増幅さ
れ第２の電力結合器の信号入力端子3_-1〜3_-4に入力さ
れ、信号出力端子4_-1，4_-2に出力される信号電圧をr₁，
r₂とすると、（４）式の関係式が成り立つ。

終端器11_-1，11_-2に漏れる信号電圧をd₁，d₂とすると、
（５）式の関係式が成り立つ。

p₂＝０としたときの、信号入力端子1_-1の入力電力をP₁
＝Ｋ・|p_１｜^２とし、信号出力端子4_-1，4_-2に出力され
る出力電力、終端器11_-1，11_-2に漏れて吸収される電力
をそれぞれR₁₁＝Ｋ・|r_１｜^２，R₂₁＝Ｋ・|r_２｜^２，D
₁₁＝Ｋ・|d_１｜^２，D₂₁＝Ｋ・|d_２｜^２（Ｋは比例定
数）とすると、信号出力端子4_-1〜4_-2に出力される出力
電力および終端器11_-1，11_-2に漏れて吸収される電力の
和は（６）式で表わされる。

R₁₁＋R₁₂＋D₁₁＋D₂₁ ＝（｜_１｜^２＋｜_２｜^２ ＋｜_３｜^２＋｜_４｜^２） P₁/4 ……（６） （６）式の値は増幅器の配置に関係なく増幅器の特性と
入力で決定される。

また、このとき信号出力端子4_-2に出力される出力電力R
₂₁は次式で表わされる。

Ｒ₂₁＝｜_１＋_２＋_３＋_４｜^２Ｐ_１/16 ……
（７） （７）式の値も（６）式と同様に増幅器の配置に関係な
く、増幅器の特性と入力で決定される。

一方、終端器の11_-1，11_-2に漏れて吸収される電力の和
D₁₁＋D₂₁は（８）式で与えられる。

D₁₁+D₂₁＝（｜_１−_２｜^２＋｜_３−_４｜^２） P₁/8 ……（８） （８）式の値は増幅器の特性の差の２乗和で表わされる
ため、増幅器の配置によって変化する。ここで、（６）
式の値をC₁，（７）式の値をC₂とすると、 R₁₁＝C₁−C₂ −（D₁₁＋D₂₁） ……（９） と表わせる。

ここで、R₁₁は信号出力端子4_-1に出力される不要波漏れ
電力である。

（９）式よりD₁₁＋D₂₁を大きな値にすることにより、
（６）式と（７）式に影響を与えることなく（９）式の
値を小さくすることが可能となる。

同様にして、P₁＝０としたときの、信号入力端子1_-2の
入力電力をP₂＝Ｋ・|p_２｜^２とし、信号出力端子4_-1，4
_-2に出力される出力電力、終端器11_-1，11_-2に漏れて吸
収される電力をそれぞれR₁₂＝Ｋ・|r_１｜^２，R₂₂＝Ｋ・
|r_２｜^２，D₁₂＝Ｋ・|d_１｜^２，D₂₂＝Ｋ・|d_２｜^２とす
ると、D₁₁＋D₂₁を多くすることで、出力電力を減少させ
ずに不要の漏れ電力R₂₂を少なくすることができ、D₁₂＋
D₂₂は（10）式のようになる。

D₁₂＋D₂₂＝（｜_１−_２｜^２＋｜_３−_４｜^２）P₂
/8 ……（10） 従って、（８），（10）式から｜_１−_２｜^２＋｜
_３−_４｜^２を最大にする４個の増幅器の組み合わせに
より、信号出力端子4_-1〜4_-2に漏れる不要の電力R₁₁ま
たはR₂₂を最小にすることができる。｜_１−_２｜^２.
|_３−_４｜^２は、各々２個の増幅器の特性のバラツ
キの度合であり、４個の増幅器のうち特性のバラツキの
度合が最大である２個の増幅器を7_-1，7_-2（7_-3，7_-4）
とすると、その２個の増幅器で構成される２合成のバラ
ンス形増幅器の出力側終端器11_-1（11_-2）に吸収される
電力が最大になり、出力側終端器11_-1，11_-2に吸収され
る電力の和が最大になる。

このように、増幅器の特性にバラツキが存在すると、本
来出力されるべき端子以外の信号出力端子に不要波とし
て出力され、また、終端器すると、本来出力されるべき
端子以外の信号出力端子に不要波として出力され、ま
た、終端器に電力が吸収される。

本発明は、増幅器の組み合わせを特定の関係にすること
により、終端器に吸収される電力を増加させて他の出力
端子に漏れる電力を小さくして、不要波の低減を図るも
のである。

〔実施例〕

増幅器が４個から構成される場合の実施例を示す。４個
の増幅器の特性の一例が表１に示す通りであるとする。
ただし、表１の電圧増幅度ａは増幅器の電力利得のデシ
ベル表示Ｇから（11）式を用いて導出したものである。

ａ＝10^G/20 ……（11） 表１の４個の増幅器の特性のバラツキ度合K_ijを計算し
た結果が表２であり、特性のバラツキの度合の最大値を
与える増幅器の対は表１の番号でNo.1とNo.3であるの
で、例えば、No.1の増幅器を7_-1とし、No.3の増幅器を7
_-2とし、残りの２個の増幅器No.2とNo.4のうちNo.2の増
幅器を7_-3とし、No.4の増幅器を7_-4とした場合の電力合
成形電力増幅装置の特性は表３のようになる。

一方、従来のこの種の電力合成形電力増幅装置では４個
の増幅器を無作為に電力結合器に接続していたので、他
の信号出力端子への漏れ電力を少なくするように調整す
ることができなかった。

例えば、表１の４個の増幅器を表の番号順に7_-1，7_-2，
7_-3，7_-4として電力合成形電力増幅装置を構成すると、
その特性は表４のようになる。

表２と表３を比較すると、本発明による電力合成形電力
増幅装置は、出力電力が同一のまま漏れ電力を8.5dB少
なくすることができる。

第５図は増幅器数2N＝8,信号入力端子数Ｍ＝４とした場
合の実施例である。

８個の増幅器の特性の一例が表５に示す通りであると
き、増幅器の特性のバラツキの度合K_ijを計算した結果
は表６のようになる。

これより、特性のバラツキの度合の最大値はK₂₃である
ので、表５の番号でNo.2,No.3の増幅器を対にする。2,3
に関係した部分を除いた増幅器の特性のバラツキの度合
K_ijの中での最大値はK₁₈であるので、No.1、No.8の増幅
器を対にする。2,3,1,8に関係する部分を除いた増幅器
の特性のバラツキの度合K_ijの中での最大値はK₆₇である
ので、No.6,No.7の増幅器を対にし、残りのNo.4,No.5の
増幅器を対にする。

このようにして、表５の番号で〔2,3〕，〔1,8〕，〔6,
7〕，〔4,5〕のように４組の対にすることができ、これ
を例えば（7_-1，7_-2），（7_-3，7_-4），（7_-5，7_-6），
（7_-7，7_-8）として電力合成形電力増幅装置を構成する
とその特性は表７のようになる。

従来のこの種の電力合成形電力増幅装置のように８個の
増幅器を無作為に電力結合器に接続した場合、例えば表
５の８個の増幅器を表の番号順に7_-1〜7_-8として電力合
成形電力増幅装置を構成すると、その特性は表８のよう
になる。表７と表８を比較すると、本発明による電力合
成形電力増幅装置は、出力電力が同一のまま最悪の不要
漏れ電力について7.3dBの改善効果を得ることができ
る。

なお、実施例では、2N＝4,8の場合について述べたが、
一般に増幅器数2N（＝2ⁿ⁺¹），信号が供給される信号入
力端子数Ｍ＝（≦2ⁿ＝Ｎ）の場合についても、同様に本
発明の動作原理を適用でき、不要波漏れ電力を少なくす
る効果が得られる。

〔発明の効果〕 以上説明したように、従来のこの種の電力合成形電力増
幅装置では増幅器の特性のバラツキにより発生する不要
波漏れ電力を制御できなかったが、本発明においては不
要波漏れ電力を極力少なくする効果を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電力合成形電力増幅装置の構成図、第２
図はＭ＝Ｎとした場合の本発明の装置の構成図、第３図
は本発明の実施例を示す装置（2N＝４）の構成図、第４
図は90°ハイブリッドの特性を説明する図、第５図は本
発明の実施例を示す装置（2N＝８）の構成図である。 1_-1〜1_-N，1₁，1₂……信号入力端子、2_-1〜2_-2N，2₁，2
₂……信号出力端子、3_-1〜3_-2N……信号入力端子、4_-1
〜4_-N……信号出力端子、5,6……電力結合器、7_-1〜7
_-2N……増幅器、8_-1〜8_-N、9_-1〜9_-N,12……90°ハイブ
リッド結合器、10_-1〜10_-N，11_-1〜11_-N……終端器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｍ（≦2ⁿ＝Ｎ）個の信号が供給される信号
   入力端子1_-1（ｉ＝１〜Ｍ）と2N（＝2ⁿ⁺¹）個の信号出
   力端子2_-i（ｉ＝１〜2N）を有する第１の電力結合器
   と、この第１の電力結合器の2N個の信号出力端子2_-iに
   それぞれ接続される2N個の増幅器とこれら2N個の増幅器
   にそれぞれ接続される2N個の信号入力端子3_-i（ｉ＝１
   〜2N）および信号が出力されるＭ個の信号出力端子4_-i
   （ｉ＝１〜Ｍ）を有する第２の電力結合器とを備え、上
   記第１および第２の電力結合器は、複数のハイブリッド
   結合器により構成される（ｎ＋１）段電力結合器の一部
   のハイブリッド結合器を除去したものにより構成され、
   （ｎ＋１）段電力結合器をそれぞれＮ個の２入力端子お
   よび２出力端子を有するハイブリッド結合器を並列に配
   列したものが（ｎ＋１）段縦続的に配され、その１段目
   のハイブリッド結合器の入力端子に対しては〔2k＋1,2k
   ＋２〕（ｋ＝0,1,…………，2ⁿ−１）の番号を付し、２
   段目のハイブリッド結合器の入出力端子に対しては〔4k
   ₁＋k₂＋1,4k₁＋k₂＋３〕（k₁＝0,1,…………，2^n-1−1,
   k₂＝0,1）の番号を付し、ｉ段目のハイブリッド結合器
   の入出力端子に対しては〔2ⁱk₁＋k₂＋1,2ⁱk₁＋k₂＋2^i-1
   ＋１〕（k₁＝0,1,…………，2^n-i+1−1,k₂＝0,1,………
   …，2^i-1−１）の入出力端子番号を付し、同様に順次
   （ｎ＋１）段目のハイブリッド結合器まで入出力端子に
   番号を付したとき、任意の順序で段間のそれぞれ対応す
   る番号の後段入力端子および前段出力端子が接続され、
   １段目のハイブリッド結合器の入力端子が（ｎ＋１）段
   電力結合器の信号入力端子とされ、（ｎ＋１）段目のハ
   イブリッド結合器の出力端子が（ｎ＋１）段電力結合器
   の信号出力端子とされる電力結合器と標記すると、 第１の電力結合器は、（ｎ＋１）段電力結合器の2N個の
   信号出力端子を信号出力端子2_-i（ｉ＝１〜2N）とし、
   （ｎ＋１）段電力結合器の2N個の信号入力端子の内M
   ₁（Ｍ≦M₁≦2N）個を第１の電力結合器の信号入力端子
   として持ち、該M₁個の信号入力端子の内Ｍ個の信号入力
   端子1_-i（ｉ＝１〜Ｍ）に入力信号が供給され、前記M₁
   個の信号入力端子に信号を入力した際に信号が通らない
   ハイブリッド結合器がL₁個存在するとき、その内のL
   ₂（０≦L₂≦L₁）個のハイブリッド結合器が除去された
   構成であり、 第２の電力結合器は、（ｎ＋１）段電力結合器の2N個の
   信号入力端子を第２の電力結合器の信号入力端子3
   _-i（ｉ＝１〜2N）とし、第１の電力結合器の（ｎ＋１）
   段電力結合器の2N個の信号入力端子の内入力信号が供給
   されるＭ個の信号入力端子に付した番号と対応する第２
   の電力結合器のＭ個の信号出力端子を全て含むM₂（Ｍ≦
   M₂≦2N）個の（ｎ＋１）段電力結合器の信号出力端子を
   第２の電力結合器の信号出力端子とし、前記M₂個の（ｎ
   ＋１）段電力結合器の信号出力端子に信号を出力する際
   に信号が通らないハイブリッド結合器がL₃個存在すると
   き、その内のL₄（０≦L₄≦L₃）個のハイブリッド結合器
   が除去された構成であり、2N個の増幅器ｋ（ｋ＝１〜2
   N）の電圧増幅度をa_K、通過位相をT_Kとし、_Ｋ＝a_K・e
   xp（ｊ・T_K）で複素振幅利得を定義し、前記2N個の増幅
   器の中の２個の増幅器i,j（i,j＝１〜2N,i≠ｊ）の特性
   のバラツキの度合をK_ij＝｜_ｉ−_ｊ｜^２，（ｉ＝１
   〜2N−1,j＝ｉ＋１〜2N）で定義し、Ｎ（2N−１）個のK
   _ijの中からK_ijの最大値の与える２個の増幅器i₁，j₁を
   〔P₁，P₂〕とし、P₁，P₂を除いて次に大きいK_ijを与え
   る２個の増幅器i₂，j₂（i₂≠i₁，j₁，j₂≠i₁，j₁）を
   〔P₃，P₄〕とし、以下同様に順次２個の増幅器を〔P₅，
   P₆〕，……，〔P_2i-1，P_2i〕，……，〔P_2N-1，P_2N〕と
   すると、これらのＮ組の２個の増幅器の対が任意の順序
   で第１の電力結合器の最終段（（ｎ＋１）段）のＮ個の
   ハイブリッド結合器の２つの出力端子にそれぞれ接続さ
   れている電力合成形電力増幅装置。