JPS63272107A - 高周波電力増幅器 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は出力または電力効率を高くするに好適な高周波
型゛力増幅器に関する。

〔従来の技術〕

従来、高周波電力増幅器の電力効率を高くするためには
、上記高周波電力増幅器に使用されるトランジスタの入
力を過大に駆動して、上記トランジスタをスイッチング
動作させる方法が用いられてきた。この種の装置に関連
するものとして、例えばアイ・イー・イー・イー、ジャ
ーナル　オブソリツド　ステート　サーキット、ニス　
シー１０．３　（１９７５年）第１６８頁から第１７６
頁（ＩＥＥＥ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　５ｏｌｉｄ　
５ｔａｔｅ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ。

Ｖｏｌ、５Ｃ−１０，Ｎ（１３（Ｊｕｎｅ　１９７５）
　Ｐ　ｐ１６８−１７６等が挙げられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この種の装置においては、その出力同調回路は、上記ト
ランジスタに流れる高周波電流と上記トランジスタに印
加される高周波電圧とが相互に、いわゆる重なりを示さ
ないように同調されており、上記トランジスタの入力が
十分に大きく駆動されている限り、上記トランジスタに
よって消費される電力の損失は少ない。従ってその直流
変換効率（コレクタ効率あるいはドレイン効率）は高く
なる。しかし、上記トランジスタの入力を過大に駆動す
る必要があり、そのための入力電力も過大になっている
。従って上記入力電力を差引いた正味の効率、すなわち
電力付加効率は低くなってしまう場合があった。

一方、入力電力が小さくなった場合は、トランジスタに
流れる高周波電流は入力の信号波形に追従する波形を示
す。その場合、上記トランジスタの高周波電流波形と高
周波電圧波形は、いわゆる重なりを示すようになり、電
力の損失を生じて、電力効率を低下させてしまう。

°すなわち、従来の高効率電力増幅器においては、入力
が小さくなり、それに応じて出力も小さくなった場合に
、電力効率の低下が発生するという現象があった。この
現象は、送信電力の可変機構を有する無線電送系に使用
される高周波電力増幅器においては特に問題となる。す
なわち最も使用頻度の高い中位の出力レベルにおいて上
記電力増幅器の電力効率が低下する。このために中位の
出力レベルにおいて電力効率が高くなるように同調する
と、高い出力レベルにおいては入力が過大に至り、上記
のように電力増幅器の付加電力効率が低下してしまう。

さらに、従来の高周波電力増幅器は、同調された中心周
波数においては高い電力効率あるいは出力電力が得られ
るが増幅周波数帯の両端においては低下する現象がみら
れた。

このように従来の高周波電力増幅器では、その広い範囲
の出力レベルに渡って、電力効率を高める配慮がなされ
ておらず、特に出力可変の電力増幅系における電力効率
が低くなる問題があった。

更に、従来の高周波電力増幅器では、その広い周波数帯
に渡って電力効率あるいは出力を高める配慮がなされて
おらず、特に周波数可変の電力増幅系における電力効率
あるいは出力が低くなる問題があった。

本発明の第１の目的は、以上述べた高周波電力増幅器の
広い範囲の出力レベルに渡って、その電力効率を高める
手段を提供することである。更に、本発明の第２の目的
は、高周波電力増幅器の広い周波数範囲に渡って、その
電力効率あるいは出力を高める手段を提供することであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、入力あるいは出力同調回路に可変同調装置
を設け、これを電気的あるいは電気機械的機構により制
御することにより、出力電力の大きさ、あるいは増幅さ
れる信号周波数に応じて、電力効率あるいは出力、ある
いはその両方を、常に、可及的最大ならしめるように動
作する制御装置を設けることにより、達成される。

〔作用〕

第１図は本発明の概念図を示す。ここに１は増幅される
高周波信号の入力端子であり、２は出力端子、３は直流
電源端子である。１１は増幅素子であり、電界効果型Ｍ
ＯＳトランジスタを示したが、この限りではない。５は
可変同調出力回路、８は可変同調入力回路であり、それ
ぞれに内蔵された可変同調素子を、６の同調制御装置に
より、電気的あるいは電気機械的に制御する。９は出力
電力検出装置、１２は周波数検出装置、１０は電力効率
検出装置である。この電力効率検出装置１０は直流電力
供給装置４を通して直流電力を検出し、出力電力検出装
置９により出力電力を検出し、その結果により電力効率
を検出する。

同調制御装置６は、装置１０により検出された電力効率
と、装置９により検出された出力電力と、更に必要に応
じて、装置１２により検出された周波数とを基に、可変
同調出力回路５あるいは可変同調入力回路８、あるいは
その両方を制御する。

制御の方法は、償に電力効率あるいは出力電力。

あるいはその両方が、可能な限り大きく、可及的最大と
なるように、いわゆるフィードバック制御、あるいはフ
ィードフォワード制御を行う。ここに、フィードフォワ
ード制御とは、出力電力や周波数の変化に対する制御の
方向と程度が既知の場合に使用される方法であり、同調
制御装置６を簡略化するものである。

〔実施例〕

第２図（ａ）は、本発明の第１の実施例である。

ここに、１は入力端子、２は出力端子であり、出力ある
いは入力電力レベルが同１岡制御装置６に入力される。

６は出力あるいは入力電力レベルを検出し、その結果に
より可変同調出力回路５の可変同調素子５０１を制御す
る。ここに、上記制御信号は必らずしも、入力端子ある
いは出力端子から検出される必要はなく、あらかじめ定
められた、あるいは外部の回路によってすでに検出され
ている信号を使用することもできる。

第２図（ｃ）は、本実施例による作用を示す。

ここに、曲線Ａは、入出力電力レベルが小なる時に、ａ
点において、電力効率が最大となるように同調された場
合である。同様に、曲線ＢおよびＣは、それぞれ入出力
の電圧レベルが中あるいは大なる時に、それぞれｂ点お
よびＣ点において、電力効率が最大となるように同調さ
れた場合を示す。

従来のように、同調が固定されている場合には、曲線Ａ
ｔ、Ｂ１あるいはＣ１等のうち特定の一つの曲線しか選
択できず、従って曲線Ａｘの場合は高出力レベルにおい
て、また曲線Ｃ１の場合は低出力レベルにおいて、それ
ぞれ電力効率が低下した。しかし本発明によれば、可変
同調素子５０１を制御することができるので、必要な出
力電力レベルにおいて、常に電力効率が大きくなるよう
に制御することにより、８１点、ｂ１点あるいは０１点
等、電力効率が最大となる点を結ぶ、破線で示す曲線Ｄ
１を実現することができる。すなわち、可変同調出力回
路５の可変同調素子５０１は入出力電力レベルが大なる
時は１例えば曲線Ｃ１が得られるように制御され、入出
力電力レベルが小なる時は１例えば曲線Ａ１が得られる
ように制御される。

また、第２図（ｂ）は、本発明の第２の実施例である。

ここに、１は入力端子であり、入力周波数が同調制御装
置７に入力される。同調制御装置７は入力周波数を検出
し、その結果に従って、入力あるいは出力、あるいは入
力および出力同調回路の可変同調素子８０１あるいは５
０１、あるいはその両方を制御する。ここに、制御信号
は、入力周波数に対応してあらかじめ定められた制御信
号でもよく、この場合は制御端子７０１を使用する。

第２図（ｄ）は、本実施例による作用を示す。

ここに１曲線Ａ２は、第１の周波数において、８２点に
おいて出力が最大となるように同調された場合である。

同様に、曲線Ｂ２およびＣ２はそれぞれ、第２および第
３の周波数において、それぞれｂ２点およびＣ２点にお
いて、出力が最大となるように同調された場合を示す。

従来のように、同調が固定されている場合は、曲線Ａｘ
、ＢｔあるいはＣ１等のうち特定の一つの曲線しか選択
できず、同調された中心周波数以外では出力が低下した
。しかし、本発明においては、曲線Ａ２゜Ｂ２．あるい
は０２等の特定の一つに固定されず、常に増幅される周
波数において、出力が最大となるように、同調回路５あ
るいは８の可変同調素子５０１あるいは８０１が制御さ
れるので、８２点。

ｂ２点および０２点等を結ぶ破線で示す曲線Ｄ２を実現
することができる。以上、出力が最大となるように制御
した場合を示したが、これを電力効率が最大となるよう
に制御する場合もある。

第３図は、本発明の第３の実施例である。６は制御装置
であり、出力電力検出装置６０１を通して出力電力を検
出し、これを直流信号に変換し、更に直流増幅装置６０
４によって適当な制御信号に変換して、制御電圧印加装
置６０３を通して、バラクタ・ダイオード５０２の逆印
加電圧を制御する。バラクタ・ダイオード５０２は、本
発明における可変同調素子の一例であり、圧電素子等。

電気機械的に動作するものを使用することができる。キ
ャパシタ５０３は直流を遮断し高周波信号を通すバイパ
ス・キャパシタとして、あるいはバラクタ・ダイオード
５０２のキャパシタンスの過不足を調整するようにも使
用される。

本実施例において、バラクタ・ダイオード５０２に印加
される制御電圧は、ダイオードが導通しないように印加
される。従って直流電源端子３．直流電圧印加装置４お
よびストリップ線路５０４を通して印加される電圧より
、制御電圧印加装置６０３を通して印加される制御電圧
は小さいことが必要である。制御電圧が直流電源電圧に
極めて近い時は、バラクタ・ダイオード５０２は高周波
電力の整流作用を行い、キャパシタ５０３に貯えられた
整流電圧によって自己バイアスが印加されるので、これ
を制御電圧として使用することもできる。もし、上記整
流作用が高周波増幅において、特性上何らかの否定的効
果をもたらす場合、あるいは本発明における同調の制御
上好ましくない効果をもたらす場合は、制御電圧は更に
小さくし、場合によっては負電圧とすることもできる。

なお本実施例におけるバラクタ・ダイオード５０２の極
性を逆にした実施例がある。この場合は、上記直流電源
電圧より制御電圧が高い必要があり、更に上記高周波信
号の整流作用が好ましくない場合は、制御電圧は更に高
くする必要がある。

本実施例によれば、出力電力検出を行い、これを最適な
制御信号として増幅する制御装置を設けており、本発明
の第１の目的を十分に実現することができる。

第４図は、本発明の第４の実施例を示す。本実施例にお
いては、第３の実施例におけるバラクタ・ダイオード５
０２とキャパシタ５０３の接続の順序を交換したもので
ある。本実施例における制御電圧は、正の値に設定する
ことができる。また本実施例におけるバラクタ・ダイオ
ード５０２の極性を逆にしたもう一つの実施例があり、
この場合の制御電圧は、負の値に設定することができる
。

以上筒３および第４の実施例の何れを選択するかは、本
発明が応用される高周波増幅装置の直流電源電圧に依存
して決定されるが、適当な直流電源電圧がない場合は、
新たな直流電源電圧を電源端子６０２に印加する。

第５図は、本発明の第５の実施例を示す。本実施例は第
３の実施例における制御装置６をなくし、その代わりに
バラクタ・ダイオード５０２による高周波電圧の整流作
用を使用したものである。すなわち、出力電力が大なる
時は高周波電圧の振幅も大きくなるので、整流作用によ
って得られる自己バイアス電圧は大きくなり、また出方
電力が小なる時は上記自己バイアス電圧は小さくなる。

本実施例におけるバラクタ・ダイオードのキャパシタン
スは出力電力の大あるいは小に応じて、それぞれ小ある
いは大に制御すればよいことが経験的にわかっており、
これを制御電圧に換算するとそれぞれ大あるいは小に制
御する必要がある。

従って、上記整流作用による自己バイアス電圧を制御電
圧として使用することができる。

制御電圧印加装置６０３としては、高周波的にも直流的
にも高抵抗の必要があり、高周波用のチップ抵抗等が使
用される。電源端子６０２には、上記整流作用による自
己バイアスの不足分を補う必要がある場合に、上記バラ
クタ・ダイオードが導通しないように電圧が印加される
。バラクタ・ダイオードのキャパシタンス特性が適当な
ものを使用する場合は、電源端子２は接地して使用する
こともできる。

また本実施例におけるバラクタ・ダイオードの極性を逆
にした、もう一つの実施例があり、この場合も同様の作
用を行う。

本実施例は、制御装置が簡略化されたため、その制御特
性は必らずしも十分ではないが、制御が比較的容易であ
る等の利点がある。

第６図は、本発明の第６の実施例を示す。本実施例にお
いては、第５の実施例におけるバラクタ・ダイオード５
０２とキャパシタ５０３の接続の順序を交換したもので
あり、その作用および効果は第５の実施例と同様である
。

第７図は、本発明の第７の実施例であり、本発明の第２
の目的を達成するものである。ここに。

７は制御装置であり、７０１は制御端子である。

制御端子７０１には、入力端子１０１がら入力されて増
幅される高周波信号の周波数を示す制御信号が入力され
る。上記制御信号は、直流増幅装置７０４により、更に
適当な制御信号として増幅あるいは変換されて、制御電
圧印加装置６０３、あるいは７０３を通して、バラクタ
・ダイオード５０２および８０２の逆開加電圧を制御す
る。バラクタ・ダイオード５０２および８０２は、本発
明における可変同調素子の一例であり、この限りでない
。制御の方法は、常に、出方あるいは電力効率、あるい
はその両方が最大となるように行ゎれる。

本実施例は、増幅される周波数に対応する制御信号があ
らかじめ存在する高周波増幅装置に応用され、その周波
数帯域を著しく拡大することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、常に電力効率あるいは
出力電力、あるいはその両方が高くなるように入出力同
調回路を制御することができるので、高周波電力増幅器
の出力電力あるいは周波数の広い範囲に渡って、その電
力効率あるいは出力電力を高いレベルに維持することが
できる。

第８図（ａ）は、本発明の提供する技術手段による効果
を示すものである。同図によると、従来の技術による付
加電力効率は、出力電力が犬なる時に高くなるように同
調されており、出力電力が中乃至小なる時における低下
が著しく、１０％以上低下する。一方、本発明によれば
、上記付加電力効率の低下が、中乃至小なる出力電力時
においても極めて小さくなっている。すなわち、最も使
用頻度の高い、中なる出力電力時における付加電力効率
を低下させることなく、大なる出力電力時においても、
高い付加電力効率を得ることができる。これにより、可
変出力高周波電力増幅装置の総合電力効率を高くするこ
とができ、特に乾燥電池等その電力が有限な電源を使用
する場合に、その消＊電力を著しく少なくすることがで
きる。

更に１本発明の提供する技術手段によれば、増幅される
信号周波数に応じて、常に出力電力あるいは電力効率が
最大となるように、入力あるいは出力、あるいは入力お
よび出力同調回路を制御することができるので、高周波
電力増幅器の広い周波数帯に渡って、その出力電力ある
いは電力効率を高いレベルに維持することができる。

第８図（ａ）は、本発明の提供する技術手段による効果
を示すものである。同図によると、従来の技術による増
幅周波数帯は、３０ないし５０Ｍ　Ｈｚであるが１本発
明によると１００　Ｍ　Ｈｚを越えることがわかる。こ
れにより、可変周波数電力増幅装置の増幅周波数帯を著
しく拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概念を示すブロック図、第２ぞれ従来
例および本発明の実施例における電力効率あるいは出力
電圧の特性図、第８図ａ、ｂは本発明の効果を示す特性
図である。 １．１０１・・・入力端子、２・・・出力端子、３・・
・直流電源端子、４・・・出力電力印加装置、５・・・
出力同調回路、６・・・同調制御装置、７・・・同調制
御装置、８・・・入力同調回路、９・・・出力電力検出
装置、１０・・・電力効率検出装置、１１・・・増幅素
子、１２・・・周波数検出装置、５０１・・・可変同調
素子、５０２・・・バラクタ・ダイオード、５０３・・
・キャパシタ、５０４・・・ストリップ線路、６０１・
・・出力電力検出装置、６０２・・・電源端子、６０３
・・・制御電圧印加装置、６０４・・・直流増幅装置、
７０１・・・制御端子、７０３・・・制御電圧印加装置
、７０４・・・直流増幅装置、８０１・・・可変同調素
子、８０２・・バラクタ・ダイオード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、出力電力検出装置と電力効率検出装置と可変同調装
   置の全て、または一部を含み、電力効率あるいは出力電
   力、あるいはその両方が高くなるように上記可変同調装
   置を制御する制御装置を設けたことを特徴とする高周波
   電力増幅器。 ２、周波数検出装置を設け、これにより動作周波数を検
   出して、周波数の変化に追従して出力電力あるいは電力
   効率、あるいはその両方を制御する機構を設けたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高周波電力増幅
   器。