JPS6158304A - バイポーラトランジスタ無線周波数電力増幅器の作動方法および増幅器 - 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】 本発明はバイポーラトランジスタ無線周波数（以下ＲＦ
という）電力増幅器の作動方法およびこの方法の実施に
直接使用するバイポーラトランジスタＲＦ電力増幅器に
関するものである。

ＲＦ電力増幅器の直線性は、ＳＳＢスピーチまたは成る
形式のデータのような一定でない包路線信号を増幅する
時に非常に重要である。信号包路線および位相のひずみ
は隣接チャネル内に相互変調積を発生する結果となり、
この相互変調積は普通の手段では濾波することができな
い。熱放散の限られた状態ではバイポーラトランジスタ
を所謂ＡＢ級モードで使用するのが普通で、この場合に
は、小さな信号は全体が増幅され、一方大きな信号は、
能動素子がＲＦの一部に対してだけ導電性となるＢ級に
次第に移行し、波形は出力マツチング回路網のリンギン
グ効果によって完成される。

普通のＲＦ電力増幅器には、重要であると認識されてい
る２つの主なひずみの形がある。これ等のひずみの形は
（１）振幅伝送特性の非直線性と（２）以後ＡＭ−ＰＭ
変換（直線性かまたは非直線性）と称する振幅変ｍ（Δ
Ｍ）から位相変調（ＰＭ）への変換である。ＳＳＢスピ
ーチや成るタイプのデータ変調のような振幅が一定でな
い波形の場合には、前記のひずみは何れも、所望の信号
の直ぐそばにありしたがって濾波することができない相
互変調積を生じる。このような相互変調積は伝送を隣接
チャネルに広げる原因になる。したがって、先ず第一に
相互変調積を発生させないことによってこの問題を除去
することが望ましい。

本発明は主として狭帯域で動作するＲＦ電力増幅器に関
するものである。狭帯域と云うのは、偶数次の相互変調
積が高調波に略々近い周波数を有し、両者を濾波によっ
て処理できることを意味する。けれども、信号の帯域に
隣接して生じる奇数次の相互変調積は残される。

本発明はフィードバックを振幅と位相ひずみを同時に制
御するのに用いるようにしたバイポーラトランジスタＲ
Ｆ電力増幅器を供するものである。

本発明によりなされるＲＦ電力増幅器の動作は次のよう
な認識に基づいたものである、即ち、バイポーラトラン
ジスタでは、若し入力駆動レベルの減少につれてコレク
タ供給電圧もまた全くおなじ様に減少すれば、振幅伝送
特性およびＡＭ−ＰＭ変換の非直線性に起因するひずみ
が著しく減少する。

フィードバック信号は包絡線または位相差より取出すこ
とができる。ＲＦ電力増幅器に加えられる電力出力制御
信号を得るために包路線フィードバックを用いることは
米国特許第３９００８２３号明細書に開示されている。

この明細書の第５欄の２０行から２４行には、振幅検出
された入力と減衰された出力信号との差を電力制御手段
として用い、ＲＦ電力増幅器の出力振幅を該出力振幅が
入力ＲＦ倍信号振幅に正比例するよ゛うに変えることが
述べられている。けれどもこの章には補正方法の的確な
性質について詳細に説明されていない。更に前記の明細
書には振幅および移相ひずみを同時に制御することにつ
いては全く触れられていない。

英国特許第１００５０７３号明細書には逓倍器の直線性
を制御するために振幅検出器を用いることが開示されて
いる。この振幅検出器は逓倍器の入力信号およびそれよ
りの出力信号を検出し、その差はすべて逓倍器の入力と
結合された振幅変調器に加えられる。この英国特許明細
書は本発明の解決する問題とは別の問題の解決を求めて
いるものである。

所望ならば、フィードバック係数を増幅器入力における
反射係数の変化に応じて調整してもよい。

添付図面の第６図と第７図において、はっきりと際豆っ
だ入力反射係数の最大値とこれに対応した非常に急激な
１８０°位相変化を見れば、これをフィードバック係数
を調整するための特別な制御信号として用いることがで
きる。包絡線または位相フィードバックと組合せたこの
ようなフィードバック係数の調整は、バイポーラトラン
ジスタのコレクタ電圧を、熟成分およびその他のドリフ
トに抗し、全電力範囲に亘って能率およびインピーダン
ス整合の不変性を改良するだけでなく任意の所定時点の
信号レベルの振幅および位相直線性を同時に最大にする
最適の電圧状態に維持することを可能にする。

フィードバック係数を調整するようにした本発明の一実
施例では、増幅器入力反射の大きさと符号を検知する装
置が設けられ、更に、検知された反射に応じて制御信号
を取出す装置が設けられ、この制御信号は増幅器のフィ
ードバック状態を適合させるために用いられる。

包路線フィードバックを用いるようにした本発明のＲＦ
電力増幅器の一実施例では、ダイオード検出器がバイポ
ーラトランジスタの入力と減衰された出力回路とに接続
され、前記のダイオード検出器の出力は、その出力が前
記の検出器に加えられた信号の差を有する増幅器に接続
される。コレクク電圧電源ユニットは、検出された電圧
の差に応じてコレクタ電圧を制御するように増幅器の出
力に接続される。増幅器の能率は、切換えモード電源の
ような高能率電源を用いると著しく改良される。

以下本発明を図面の簡単な説明する。

図面第１図と第３図は包絡線のフィードバックををしな
いＲＦバイポーラトランジスタ電力増幅器の増幅器利得
Ｇと位相変化φを夫々示したもので、ｖｃはコレクタ電
圧、ＶｒｆはＲＦ駆動電圧で、バイアスは一定である。

これ等の曲線を調べると、コレクタ電圧の減少に伴って
飽和利得点（第１図）および位相曲線の転換点（第３図
）が両方共駆動電圧に関して減少することがわかる。更
に第１図と第３図およびそれ等の等高線図第２図と第４
図を調べると、所定の駆動振幅に対して正しく選ばれる
と位相直線性、利得直線性および増幅器効率を同時に最
適にする１組のコレクタ電圧を取出すことが可能である
ことがわかる。この取出された１組の電圧は利１等飽和
の始まり（ｏｎｓｅｔ）にあり、増幅器の級の維持の形
と見做してよい。利得と位相の改良が一致するので、本
発明のバイポーラトランジスタＲＦ増幅器は位相誤差ま
たは振幅誤差をコレクタ電圧の調整手段として用いるこ
とができる。

第５ａ図は、包絡線フィードバックを、バイポーラトラ
ンジスタＲＦ増幅器２４のコレクタ電圧を調整する信号
を与えるのに用いるようにした本発明の一実施例のブロ
ック回路図を示す。信号入力端子２２は増幅器２４の入
力に接続される。包路線フィードバック信号は増幅器２
４の入力と出力から取出される。この実施例では、反対
極性のダイオード検出器３６．４０が用いられ、これ等
の検出器３６．４０の出力は増幅器４４の入力で代数的
に加算される。

増幅器２４の出力は、検出器４０に加えられる前に減衰
器３８によって減衰される。増幅器４４の出力は、切換
モード電源のような被変調電源４６の制御信号として働
く。この電Ｒ４６の出力は、能率を全電力範囲に亘って
改良するほかに任意の時点の信号電力レベルにおける振
幅と位相直線性を同時に最大にする最適な電圧を選ぶた
めに、増幅器２４のバイポーラトランジスタ回路のコレ
クタ電圧を調整するのに用いられる。

次に第５ｂ図において先ず破線の囲い２５内の素子が無
いものとすると、この回路と前記の第５ａ図の回路との
相違は、増幅器４４がこの場合差動増幅器であり、した
がってダイオード検出器３６．４０は同極性であるとい
うことである。

第６図と第７図を参照すると、充分にはっきりした入力
反射係数の最大値と極めて急な１８０°位相変化が見ら
れ、これ等を、増幅器システムのフィードバック係数を
調整するための付加制御信号として与えるのに用いるこ
とができる。このことに留意すると、破線の囲い２５内
に示された素子に増幅器入力反射係数の大きさと符号を
検知させ、付加制御信号を、検知した入力反射より取出
させることができ、この信号は、増幅器システムのフィ
ードバック状態を適合させるのに用いられる。

したがって、破線の囲い２５内の付加素子は全電力範囲
に亘り入力インピーダンス整合に不変性を与える。破線
の囲い２５内のこれ等の素子は、所望ならば第５Ａ図の
回路に用いることもできる。

破線の囲い２５では、方向性結合器２０が入力端子２２
とＲＦ電力増幅器２４の入力との間に接続されている。

この方向性結合器は順方向孔２６と反射孔２８を有する
。これ等の孔２６．２８の出力は同期検波器３０に接続
され、この検波器の出力は低域濾波器３２に加えられ、
この濾波器よりの出力は、例えばＦＢＴより成る電気的
に制御可能な抵抗３４の抵抗値を変えてこれによってフ
ィードバック係数を変えるのに用いられる付加的な制御
信号を有する。前記の電気的に制御可能な抵抗３４とも
う１つの抵抗４２は、ダイオード検出器３６．４０と増
幅器４４への夫々の入力との間に接続されている。

動作時、孔２６の順方向結合電力は同期検波器３０内で
基準信号として用いられ、孔２８の反射信号がこれと比
較される。検波器３０は同期的なので、付加制御信号は
増幅器２４よりの反射波形の大きさと符号に比例する。

この応用では方向性結合器２０はインピーダンス検知電
力結合器として働き、ラインの電圧と電源をサンプリン
グし、ラインの特性インピーダンスと同じ比にこれ等の
サンプルを組合せ、順方向孔はこれ等のサンプルの和で
、反射孔はその差である。したがって、この結合器は動
作時順方向電力と反射電力の大きさを検知するが、シス
テムの特性インピーダンスが決められた後にだけである
。

第８図は第５Ａ図の増幅器回路の詳細を示す。便宜上主
回路部分を破線で取囲み、各部分の符号は第５Ａ図と同
じである。ＲＦ電力増幅器２４は意図する動作周波数に
適したタイプのバイポーラトランジスタ５０を有するも
ので、高周波数の動作に対してはＢＬＷ６０をまた超高
周波での使用に対してはＢｌ、ｌ’ｉ３１でよい。トラ
ンジスタ５０のコレクタ電圧は、夫々タイプＢＦＸ８５
とＰＮＰ３０５５のカスケード接続相補形トランジスタ
５２．５４によって形成された電源回路４６に接続され
る。この電源回路４６は、増幅器４４よりの適当な出力
に応じてトランジスタ５０のコレクタ電圧を制御する。

タイプフル１演算増幅器５６に基づく増幅器４４は、高
利得反転増幅器として働く。

増幅器５６の非反転入力はアースに接続され、一方反転
入力は、抵抗５ｇ（３に９）　、６０（１００にΩ）、
プリセット可能な抵抗６４（１０にΩ）および抵抗６６
　（１００にΩ）より成る加算回路に接続される。反対
極性のダイオード検出器３６．４０の出力は夫々抵抗５
８．６４に接続される。トランジスタ５０の休止（ｑｕ
ｉｅｓｃｅｎｔ）　　コレクタ電圧はアースと−ＶＣＣ
間に接続されたポテンシオメータ６２のタッピングによ
ってセットされる。

電源４６で決められたコレクタ電圧は抵抗６６にフィー
ドバックされる。休止（無信号）状態下では、抵抗６０
と６６の電圧が関係するが非休止状態の下では検出器よ
りの信゛号出力が休止電圧を越え、それに応じてコレク
タ電圧を調整する。

ダイオード検出器３６．４０は同じで、ＲＦ電力増幅器
２４の入力と減衰器７６を経てＲＦ電力増幅器２４の出
力とに夫々接続されている。各ダイオード検出器はプリ
セット可能な抵抗７２．７２’を有し、ダイオード７４
．７４　’は夫々抵抗７２．７２　’のタップに接続さ
ている。ダイオード７４．７４’は低いオンセット（ｏ
ｎｓｅｔ）電圧をもつように選ばれ、ホットキャリヤタ
イプまたは０Ａ４７のようなゲルマニ、ウム点接触タイ
プのものでもよい。減衰器３８は、増幅器出力の両端に
抵抗７２′と直列に接続された３に３の値の固定値抵抗
７６を有する。

第８図はまたトランジスタ５０のベース回路に接続され
た熱追従（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ　ｔｒａｃｋｉｎｇ）バ
イアス電＃７８も示す。この回路は、タイプ４７１演算
増幅器を基とする高利（辱反転増幅器８０と、コレクタ
電圧がこの増幅器８０の非反転入力にフィードバックさ
れるタイプ００１３２のバイポーラトランジスタ８２と
を有する。反転入力は直列接続された２つのダイオード
８４．８６とこれと並列なプリセット可能な抵抗８８に
接続される。コレクタ供給電圧Ｖ。０は前記のダイオー
ドを経てトランジスタ５０のエミッタバイアスレールに
通る。ダイオード８４．８６はトランジスタ５０と熱的
に結合されているので、これ等のダイオードは略々同じ
温度にある。

第９図は、高周波および超高周波で動作する実験的な増
幅器を適当なバイポーラトランジスタ５０を用いてつく
り、この実験的な増幅器のフィードバックを使用するこ
とによる位相φ直線性の改良（実線）をフィードバック
を使用しない場合（鎖線）と比較して示したものである
。

第１０図の実線はフィードバックを有するＲＦ電力増幅
器についての２つのトーンテストの代表的な相互変調積
の状態を示し、破線はフィードバックなしの状態を示す
。フィードバックを有する状態では、すべての相互変調
積はテストに使用した２つのトーンの何れか一方より一
４０ｄＢ以上である。

２つの特性テストを比較すると、最も大きな改良は、フ
ィードバックなしの増幅器ではそれ程急激に下がらない
中間の積においてはっきりとわかる。

第１１図は２つの特徴即ち能率ＥとＲＦ駆動電圧（Ｖ−
ｒ）　による増幅器入力５ＩＩＩＲを示す。先ず能率に
ついては、フィードバックを有する能率は点線９０で示
してあり、フィードバックなしの能率は破線９２で示し
である。能率の改良は、切換えモード電源のような高能
率電源を用いればより顕著である。入力波形の形も改良
に寄与することができ、最も大きなピーク対平均値比を
有する信号が最も目ざましい改良を生じる。

次にＲＦ駆動電圧による入力５ＩＩＩＲの変化をみると
、鎖線９４はフィードバックなしの状態を示し、実線９
６はフィードバックを有する状態を示す。両回線とも高
い電力状態の下で最適にされている。

以上本発明を振幅および位相ひずみの制御のために包路
線フィードバックを用いる実施例について説明したが、
位相フィードバックを用いることも可能である。その場
合には、ダイオード検出器の代わりに、ＲＦ増幅器の入
力と出力の間の位相差を検出する位相検出器が用いられ
る。破線の囲み２５（第５図）内の素子によって行われ
るように増幅器入力反阿の大きさと符号とを検知するこ
とによって、増幅器システムのフィードバック状態に適
合させるのに使用される付加制御信号を取出すことも可
能である。　　。

【図面の簡単な説明】

第１図はバイアス状態を一定にしてコレクタ供給電圧（
Ｖｃ　）　　とＩＩＩＩ’駆動電圧（Ｖ、、）に対する
増幅器利ｆｉ（Ｇ）の変化を示すコンビューク自動テス
トにより作製した見取図、 第２図は第１図の等高線図、 第３１ｖＩｊ：・イイアス状態一定でコレクク供給電圧
（ＶＣ）　とＲＦ駆動電圧（Ｖｒｒ）に対する位相（φ
）の変化を示す見取図、 第４図は第３図の等高線図、 第５ａ図は本発明のＲＦ電力増幅器の一実施例のブロッ
ク回路図、 第５ｂ図は別の実施例のブロック回路図、第６図はバイ
アス状態一定でコレクタ供給電圧（Ｖｃ）　　とＲＦ駆
動電圧（ｖｒｆ）に対する増幅器の入力の反射減衰量（
ＲＬ）の変化を示す見取図、第７図はバイアス状態一定
でコレクタ供給電圧（ＶＣ）　　とＲＦ駆動電圧（Ｖ、
ｒ）に対する相対反射位相（ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｒｅｔ
ｕｒｎ　ｐｈａｓｅ）　（Ｒφ）の変化を示す見取図、 第８図は第５Ａ図の回路の詳細図、 第９図は第６図のＲＦ増幅器の包路線フィードバックを
有する場合と有しない場合の位相の状態を示すグラフ、 第１０図は２９ＭＨｚ増輻器の増幅器フィードバックを
有する場合と有しない場合の相互変調積を示すグラフ、 第１１図は包路線フィードバックによる増幅器入力ＳＷ
Ｒ（定在波比）と能率の改良を示すグラフである。 ２０・・・方向性結合器　　　２２・・・信号入力端子
２４、４４・・・増幅器　　　　２６・・・順方向孔２
８・・・反射孔　　　　　　３０・・・同期検波器３２
・・・低域濾波器 ３４・・・電気的に制御可能な抵抗 ３６、４０・・・ダイオード検出器 ３８・・・減衰器　　　　　　４６・・・被変調電源５
０、８２・・・バイポーラトランジスタ５２、５４・・
・相補形トランジスタ キー一 ９　　　　　　　　　　　　　　　　Φ号 句 Ｃ【 υワ 大−−シ １−Ｎ−、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、バイポーラトランジスタの利得飽和の始まりに位置
   する１組のコレクタ供給電圧を決定し、このコレクタ供
   給電圧を入力駆動レベルの変化に応じて調整するために
   フィードバックを用い、利得飽和の始まりにおいて利得
   、移相および入力インピーダンスが同時に直線性にされ
   るモードでバイポーラトランジスタを作動することを特
   徴とするバイポーラトランジスタ無線周波数電力増幅器
   の作動方法。 ２、フィードバック信号を増幅器の入力および出力の包
   絡線差より取出す特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、フィードバック信号を増幅器の入力と出力の間の移
   相差より取出す特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４、フィードバック信号を、増幅器の全電力範囲に亘っ
   て略々一定の入力インピーダンス整合を維持するために
   、増幅器入力における反射係数の変化に応じて調整する
   特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の作動
   方法。 ５、増幅器入力において反射係数を監視し、監視された
   反射係数に応じて増幅器の全電力範囲に亘って略々一定
   の入力インピーダンス整合を維持する特許請求の範囲第
   ４項記載の方法。 ６、調整可能なコレクタ電圧電源と、入力信号の特性を
   取出す手段と、同じタイプの出力信号を取出す手段と、
   入力信号と出力信号の対応する特性を比較して前記のコ
   レクタ電圧電源にフィードバック制御信号を与える比較
   手段とを有し、バイポーラトランジスタが利得飽和の始
   まりにおいて、入力駆動レベルの変化に応じて利得、移
   相およびインピーダンスが同時に直線化されるモードで
   動作するようにコレクタ電圧電源が前記のコレクタ供給
   電圧を調整するように適合されることを特徴とするバイ
   ポーラトランジスタ無線周波数電力増幅器。 ７、入力信号および出力信号の特性を取出す手段は振幅
   検出器を有する特許請求の範囲第６項記載の増幅器。 ８、入力信号および出力信号の特性を取出す手段は移相
   検出器を有する特許請求の範囲第６項記載の増幅器。 ９、増幅器入力反射の大きさと符号を検知する手段と、
   検知された反射に応じて別の制御信号を取出す手段とを
   有し、この別の制御信号は、増幅器のフィードバック状
   態を適合させるのに用いられる特許請求の範囲第６項、
   第７項または第８項記載の増幅器。 １０、検知手段はバイポーラトランジスタの入力回路内
   に接続された方向性結合器を有し、この方向性結合器は
   、同期検波器の夫々の入力に接続された順方向および反
   射孔を有し、この同期検波器よりの出力信号は別の信号
   を与えるのに用いられる特許請求の範囲第９項記載の増
   幅器。 １１、ダイオード検出器がバイポーラトランジスタの入
   力と減衰された出力とに接続され、これ等のダイオード
   検出器の出力は、その出力が前記検出器に加えられた信
   号の差を有する増幅器に接続され、コレクタ電圧電源ユ
   ニットは、検出された電圧の差に応じてコレクタ電圧を
   制御するために増幅器に接続された特許請求の範囲第７
   項、第９項または第１０項記載の増幅器。 １２、電源ユニットは切換モード電源である特許請求の
   範囲第１１項記載の増幅器。 １３、調整可能なコレクタ電圧電源と、増幅器入力反射
   の大きさと符号を検知する手段と、検知された増幅器入
   力反射に応じて制御信号を取出す手段とを有し、この制
   御信号はコレクタ電圧電源に加えられ、この電源がそれ
   に応じて増幅器の全電力範囲に亘り略々一定の入力イン
   ピーダンスを維持するようにコレクタ電圧を調整する特
   許請求の範囲第６項記載の増幅器。