(57)【要約】【課題】  この発明は、並列接続された複数の単位増幅器のうち、いくつかの単位増幅器に故障が発生した場合において、合成して出力する出力電力の低下を防ぐことができ、また装置の大型化を抑制することのできる高出力電力増幅器を得ることを目的とする。【解決手段】  分配回路３は入力端子１からの入力波を分配する。単位増幅器４は、電力増幅回路９と、その前後に設けたサーキュレータ１０及び１１、さらに故障検出回路１２、ドレイン電圧制御回路１３とを有する。一方の単位増幅器４において、故障検出回路１２が故障を検出すると、制御回路８は他方の単位増幅器４のドレイン電圧制御回路１３へドレイン電圧の変更を指令し、ドレイン電圧制御回路１３がドレイン電圧を変更することにより出力波の電力の低下を防ぐ。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力増幅回路、この電力増幅回路の入力側及び出力側に接続された第１及び第２のサーキュレータ、上記電力増幅回路の故障を検出する故障検出回路、上記電力増幅回路のドレイン電圧を制御するドレイン電圧制御回路を有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の単位増幅器と、入力端子からの入力波を分配し、上記Ｎ個の単位増幅器へ出力する分配回路と、上記Ｎ個の単位増幅器の出力波を合成する合成回路と、上記故障検出回路により故障が検出されたときに、その故障が検出された単位増幅器の電源をオフし、正常動作している他の単位増幅器の上記ドレイン電圧制御回路の全てまたは一部へ、ドレイン電圧を増加するよう指令する制御信号を生成する制御回路とを備えた高出力電力増幅器。
【請求項２】
上記故障検出回路は、上記第２のサーキュレータの出力端子に電力分配器を介して接続された電力検波器により電力をモニタして故障を検出することを特徴とする請求項１に記載の高出力電力増幅器。
【請求項３】
上記故障検出回路は、上記電力増幅回路のドレイン電流をモニタして故障を検出することを特徴とする請求項１に記載の高出力電力増幅器。
【請求項４】
上記電力増幅回路は、ドハティ型の増幅器であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高出力電力増幅器。
【請求項５】
上記単位増幅器は、第１のサーキュレータの入力側に位相可変回路を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高出力電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、通信装置やレーダ装置等に用いられる高出力電力増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力増幅器に用いる増幅素子にはその素子に応じて増幅能力の上限があるため、増幅素子の能力以上の電力増幅が必要な場合には、複数の単位増幅器を並列合成して高出力電力増幅器を構成することが行われている。例えば、特許文献１には、高出力電力増幅器を構成する個々の単位増幅器が部分的に故障する場合に備えて、起動状態の単位増幅器と停止状態の単位増幅器による冗長構成を採用し、起動状態にある単位増幅器に故障が生じた場合には停止状態にある単位増幅器を適宜起動する高出力電力増幅器が開示されている。また、特許文献２には、２つの単位増幅器により構成する高出力電力増幅器において、いずれの単位増幅器も正常である場合にはＡ級増幅動作をさせ、一方の単位増幅器が正常でなくなると、他方の単位増幅器をＡＢ級増幅動作に切り替える高出力電力増幅器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０６−２９６１１５号公報
【特許文献２】特開２００２−５０９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された従来の高出力電力増幅器の場合、動作状態にある単位増幅器に加えて停止状態にある単位増幅器が必要となり、より高い信頼性を確保するためには冗長数を増やすことになり装置の大型化を招くという問題点があった。逆に冗長数が決められるとそれ以上の故障数には対応できないという問題点もある。また、特許文献２に記載された従来の高出力電力増幅器においては、ゲート電圧を変化させて単位増幅器の動作級を変更することにより効率が良くなる反面、その出力電力は一意に増加することとなるため、単位増幅器の並列数が多くなると、合成して出力する出力電力を任意の故障数に対応して一定に保つことが設計上困難になるという問題点があった。
【０００５】
この発明は、並列接続された複数の単位増幅器のうち、いくつかの単位増幅器に故障が発生した場合において、合成して出力する出力電力の低下を防ぐことができ、また装置の大型化を抑制することのできる高出力電力増幅器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る高出力電力増幅器は、電力増幅回路、この電力増幅回路の入力側及び出力側に接続された第１及び第２のサーキュレータ、上記電力増幅回路の故障を検出する故障検出回路、上記電力増幅回路のドレイン電圧を制御するドレイン電圧制御回路を有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の単位増幅器と、入力端子からの入力波を分配し、上記Ｎ個の単位増幅器へ出力する分配回路と、上記Ｎ個の単位増幅器の出力波を合成する合成回路と、上記故障検出回路により故障が検出されたときに、その故障が検出された単位増幅器の電源を停止し、正常動作している他の単位増幅器の上記ドレイン電圧制御回路の全てまたは一部へ、ドレイン電圧を増加するよう指令する制御信号を生成する制御回路とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、故障が生じた単位増幅器の電源を停止し、正常動作している他の単位増幅器の全てまたは一部において、ドレイン電圧を増加するように制御するので、電力低下を防ぐことができ、装置の大型化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る高出力電力増幅器の構成図である。
【図２】ドレイン電圧と出力電力の関係を表す模式図である。
【図３】故障検出回路の構成の一例を表す構成図である。
【図４】故障検出回路の構成の別の一例を表す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る高出力電力増幅器の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係る高出力電力増幅器を構成する単位増幅器の構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る高出力電力増幅器を構成する単位増幅器の別の例を表す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１
【００１０】
この発明の実施の形態１に係る高出力電力増幅器について図１乃至図４を用いて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係る高出力電力増幅器の構成図である。図１において、１は入力端子、２は出力端子、３は入力端子１からの入力波を分配する分配回路、４は単位増幅器、５は単位増幅器４への入力端子、６は単位増幅器の出力端子、７は単位増幅器４からの出力波を合成する合成回路、８は単位増幅器４を制御する制御回路である。単位増幅器４において、９は電力増幅回路であり、１０は電力増幅回路９の入力側に設けたサーキュレータ、１１は電力増幅回路９の出力側に設けたサーキュレータ、１２は電力増幅回路９の故障を検出する故障検出回路、１３は電力増幅回路９のドレイン電圧を制御するドレイン電圧制御回路である。なお、図１においては、単位増幅器４等の符号にハイフンに継続して符号１及び２を付すことにより、それぞれの部品又は回路が回路系１及び回路系２に含まれることを表した（以降の図面も同様である。）。
【００１１】
次に正常時の動作について説明する。分配回路３は入力端子１から入力した高周波を２分配する。単位増幅器４は分配回路３により分配された入力波をサーキュレータ１０を介して電力増幅回路９に入力し、増幅した後、サーキュレータ１１を介して出力する。各単位増幅器９で増幅された出力波は合成回路７により合成されて出力端子２から出力される。ここで、電力増幅回路９のドレイン電圧は、所望の出力波電力が得られるよう、ドレイン電圧制御回路１３によって所定の電圧に設定されている。図２はドレイン電圧制御回路１３によって設定するドレイン電圧Ｖｄと出力電力Ｐｏｕｔ（単位増幅器４の１個分）の関係を表す模式図であり、後述のように故障時にドレイン電圧を高められるように、正常動作時の動作点Ａを設定している。
【００１２】
次に単位増幅器４の一方に故障が生じたときの動作について説明する。一方の回路系の単位増幅器４内において、故障検出回路４は、電力増幅回路９の故障を検出すると故障検出信号を制御回路８へ出力する。制御回路８は、故障検出信号を受けて、故障している単位増幅器４の電力増幅回路９の電源をオフし、正常動作している単位増幅器４の電力増幅回路９のドレイン電圧を増加するよう指令する制御信号を生成し、正常動作している単位増幅器４内のドレイン電圧制御回路１３へ出力する。ドレイン電圧制御回路１３は、この制御信号を受けて、単位増幅器４の電力増幅回路９のドレイン電圧を増加させる。具体的には、図２に示すようにドレイン電圧を増加させて点Ａから点Ｂに設定変更する。この設定変更によって、正常動作している単位増幅器４の電力増幅回路９の出力電力が３ｄＢ上昇し、出力端子２からの出力波の電力は故障前の値を保つことができる。点Ｂは出力電力が飽和せず、歪みの小さい領域で予め設定できることが好ましく、この点Ｂに対して出力電力が３ｄＢ低い点Ａを正常動作時の設定とすればよい。実際には、出力電力要求値の大小および使用する電力増幅回路９のドレイン電圧ｖｓ出力電力特性に基づいて、点Ｂの設定と点Ａの設定ができるように回路系の数は２以上の整数に決めればよい。
【００１３】
一方、故障した単位増幅器４について見ると、サーキュレータ１０及び１１がない場合には、一般に電力増幅回路９の入出力のインピーダンスが開放又は短絡状態となり、分配回路３側及び合成回路７側からみて、全反射状態になって正常動作している単位増幅器４へ影響が及ぶことになる。図１に示すように、電力増幅回路９の入力側及び出力側にそれぞれサーキュレータ１０及び１１を設けることによって、故障した電力増幅回路９での全反射を防ぎ、入出力インピーダンスを一定に保つことができる。
【００１４】
次に故障検出回路１２の構成及び動作について図３及び図４を用いて説明する。図３において、故障検出回路１２は、電力分配器１４とＲＦ電力検波器１５により構成される。単位増幅器４内の電力増幅回路９で増幅した高周波は、サーキュレータ１１を介して出力端子６から出力されるが、その電力の一部を電力分配器１４で分配し、ＲＦ電力検波器へ入力する。電力検波器１４により電力モニターし、規定の電力範囲外であれば異常であると判定し、制御回路８へ通知する。尚、前記サーキュレータはアイソレータでもよい。
【００１５】
図４は故障検出回路１２の別の一例を示すものであり、故障検出回路１２は電流値検出回路１６により構成する。電力増幅回路９のドレイン電圧印加状態をいわゆる電流計である電流値検出回路１６によりモニタし、電流値が規定範囲外であれば異常であると判定し、制御回路９へ通知する。
【００１６】
一方の回路系に故障が発生し、上述のように正常動作している電力増幅回路９のドレイン電圧を設定変更した後は、その正常動作中の単位増幅器４の故障検出回路１２における動作異常の判定に用いる電力値や電流値の規定範囲も設定変更するようにすればよい。
【００１７】
以上のように、２系統の単位増幅器４のうちの一方が故障した場合において、故障していない側の電力増幅回路９のドレイン電圧を増加させて出力電力を増加させるので、出力端子２における出力電力の低下を防ぐことができ、故障部品の交換・修理までの運用を継続することができる。また、従来の冗長系による高出力電力増幅器の構成に比較して、予備系が不要であり、小型化が可能となる。
【００１８】
実施の形態２
【００１９】
この発明の実施の形態２に係る高出力電力増幅器について図５を用いて説明する。図５に示すように、実施の形態２に係る高出力電力増幅器はＮ個（Ｎは２以上の整数）の単位増幅器を並列接続しているものである。但し、Ｎ＝２の場合は実施の形態１において説明済みであるので、実施の形態２ではとくにＮが３以上の場合が対象となる。なお、図２においては、単位増幅器４等の符号にハイフンに継続して符号１乃至Ｎを付すことにより、それぞれの部品又は回路が回路系１乃至回路系Ｎに含まれることを表わす。以下に実施の形態２としてとくに説明するものを除き、図５において図１と同一の符号を付した部品及び回路は、図１のそれらの部品及び回路と同一又は相当する部品及び回路を表す。また、この実施の形態２における故障検出回路１２は、実施の形態１において図３及び図４を用いて例示した回路構成と同等であるので簡潔のため説明を省略する。
【００２０】
すべての単位増幅器４が正常に動作している状態では、分配回路３によりＮ分配された入力波が各単位増幅器４内のサーキュレータ１０を介して電力増幅回路９に入力され、電力増幅回路９が入力波を増幅し、サーキュレータ１１を介して合成回路７へ出力する。合成回路７はＮ系統の単位増幅器４からの出力波を合成し、合成後の出力波は出力端子２から出力される。また、電力増幅回路９のドレイン電圧はドレイン電圧制御回路１３により図２に示す動作点Ａに設定されているものとする。
【００２１】
次に故障時の動作について説明する。Ｎ個の単位増幅器４のうち１つの単位増幅器４が故障した場合、故障した単位増幅器４内の故障検出回路１２は、故障検出し制御回路８へ故障検出信号を出力する。制御回路８は、故障検出信号を受けて、故障している単位増幅器４の電力増幅回路９の電源をオフし、正常動作している単位増幅器４の電力増幅回路９のドレイン電圧を増加するよう指令する制御信号を生成し、正常動作している単位増幅器４内のドレイン電圧制御回路１３へ出力する。ドレイン電圧制御回路１３は、この制御信号を受けて、単位増幅器４の電力増幅回路９のドレイン電圧を増加させる。
【００２２】
また、Ｎ個の単位増幅器４のうちｍ個（ｍはＮより小さい整数）の単位増幅器４が故障した場合にも、各故障した単位増幅器４内の故障検出回路１２で故障が検出され、制御回路８は、故障状態の単位増幅器４の電力増幅回路９の電源をオフし、正常動作している単位増幅器４内の電力増幅回路９のドレイン電圧を増加させる。
【００２３】
ここで、正常動作している単位増幅器４の電力増幅回路９のドレイン電圧の増加方法について、制御回路８は、分配回路３及び合成回路７の構成に依存してより効率的な方法をとることになる。まず、分配回路３及び合成回路７が、２分配器を直並列に接続してトーナメント形式の回路構成を有している場合について考える。この場合、故障したｋ番目の単位増幅器４と対になるｋ−１番目又はｋ＋１番目の単位増幅器４（故障した単位増幅器４が接続された２分配・合成器の他方の単位増幅器４）の出力波の電力が２倍となるように、当該ｋ−１番目又はｋ＋１番目の単位増幅器４のドレイン電圧を増加する設定変更（図２において動作点Ｂへの設定変更）することにより、合成損失を最小化することができる。
【００２４】
一方、分配回路３及び合成回路７が、一括多分岐方式により構成されている場合には、正常動作している単位増幅器４のすべての出力電力が一様に増加するようドレイン電圧を設定変更すればよい。このときの各単位増幅器４の出力電力は、正常状態の出力電力に対してＮ／（Ｎ−ｍ）倍に設定することになる。
【００２５】
以上のように、この発明の実施の形態２に係る高出力電力増幅器によれば、複数の単位増幅器４が故障するモードにおいても、高出力電力増幅器の出力電力の低下を抑制することができるものである。また、実施の形態１と同様に、各単位増幅器４は、電力増幅回路９の前後にサーキュレータ１０及び１１を有して、電力増幅回路９の正常／故障状態に関わらず単位増幅器４の入出力インピーダンスがサーキュレータ１０及び１１の特性によって固定することができる。また、単位増幅器４の入出力インピーダンスが固定とできることにより、予め、故障する単位増幅器４の番号と、その故障時にドレイン電圧を増加させる単位増幅器４の番号及びドレイン電圧設定変更値を定めておきテーブル化して制御回路８に格納しておけば、正常動作している単位増幅器４のドレイン電圧の設定変更に伴う出力電力増加を最小としつつ、効率的な運用継続が可能となる。
【００２６】
実施の形態３
【００２７】
この発明の実施の形態３に係る高出力電力増幅器について図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７は、それぞれ高出力電力増幅器を構成する単位増幅器の別の実施形態を表す構成図である。実施の形態３に係る高出力電力増幅器の全体は、実施の形態１又は実施の形態２において説明した図１又は図２示す構成において、単位増幅器４部分を図６又は図７に示す単位増幅器４により代替した構成となる。したがって、この実施の形態３において単位増幅器４等についてとくに説明するもの以外は、実施の形態１と実施の形態２において図１乃至図５を用いて説明したものと同等に構成され動作するので、簡潔のため説明を省略する。
【００２８】
図６に示す単位増幅器４の構成例において、１７は主増幅器、１８は副増幅器であり、これらを並列に接続して電力増幅回路９としたのものである。この電力増幅回路９の動作について説明する。主増幅器１７及び副増幅器１８はそれぞれ動作点が異なるものとしており、このような並列接続の増幅回路構成は一般にドハティ構成と呼ばれている。具体的には、主増幅器１７をＣ級動作させるピーク増幅器とし、副増幅器１８をＡ級、ＡＢ級又はＢ級動作させるキャリア増幅器とする。なお、ドハティ構成とするためには、キャリア増幅器の出力側に４分の１波長線路を、ピーク増幅器の入力側に９０度位相器を入れるなどするが、図示を省略している。
【００２９】
単位増幅器４の電力増幅回路９を図６に示すようなドハティ構成とすることによって、高出力でかつ飽和電力からのバックオフが必要な装置において効率を高めることができるので、本発明のように故障時に正常動作している単位増幅器のドレイン電圧を増加して出力電力を高め、全体の出力波電力の低下を防止する高出力電力増幅器に好適である。
【００３０】
なお、このようなドハティ型の増幅回路の故障を検出する故障検出回路１２について説明しておく。図３に示す故障検出回路１２の場合には、サーキュレータ１１の後段において同様に構成し得る。図４に示す故障検出回路１２の場合には、主増幅器１７及び副増幅器１８ごとにドレイン電圧印加状態をいわゆる電流計である電流値検出回路１６によりモニタし、電流値が規定範囲外であれば異常であると判定し、制御回路９へ通知するようにすればよい。
【００３１】
次に、図７に示す単位増幅器４の構成例において、１９は位相可変回路であり、この位相可変回路１９は電力増幅回路９の前段であって、サーキュレータ１０の入力端子５側に設けたものである。この単位増幅器４の動作について説明する。実施の形態２で説明したように、Ｎ個の単位増幅器４のうちのいずれかに故障が発生した場合、正常動作している他の単位増幅器４のドレイン電圧をドレイン電圧制御回路１３によって任意に増加させることにより、高出力電力増幅器の出力端子２における電力の低下を防ぐことができる。これは出力波の振幅を制御するものであるが、図７に示す単位増幅器４の構成によれば、さらに位相可変回路１９を電力増幅回路９の前段に装荷することによって位相の制御も行うものである。
【００３２】
ｍ個の単位増幅器４に故障が生じた場合、正常動作している他のＮ−ｍ個の単位増幅器４のドレイン電圧の増加量及び出力位相は、分配回路３及び合成回路７の構成に依存する。したがって、実施の形態２と同様に複数の故障モードに対応して振幅だけでなく位相も制御することができ、最適な運用が可能となる。また、故障した単位増幅器４の入出力インピーダンスがサーキュレータ１０及び１１により固定されるため、予め、故障する単位増幅器４の番号と、その故障時にドレイン電圧を増加させる単位増幅器４の番号とそのドレイン電圧設定変更値、及び位相可変回路１９の位相設定変更値を定めておきテーブル化して制御回路８に格納しておけば、正常動作している単位増幅器４のドレイン電圧の設定変更に伴う出力電力増加を最小としつつ、効率的な運用継続が可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１  入力端子
２  出力端子
３  分配回路
４  単位増幅器
７  合成回路
８  制御回路
９  電力増幅回路
１０、１１  サーキュレータ
１２  故障検出回路
１３  ドレイン電圧制御回路
１４  電力分配器
１５  ＲＦ電力検波器
１６  電流値検出回路
１７  主増幅器
１８  副増幅器
１９  位相可変回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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