(57)【要約】      （修正有）【課題】基本波に対応したインピーダンスに影響を与えることなく、高調波に対応したインピーダンスのみを調整可能な電力増幅器を提供する。【解決手段】電力増幅器１００は、増幅素子１１０とインピーダンス変換器１２０を備える。インピーダンス変換器は、増幅素子の出力端子Ｔ２に接続される。また、インピーダンス変換器は、分布定数線路１２１と少なくとも１つのＬＣ並列回路１２２、１２３を含む。分布定数線路は、出力信号の基本波に対するインピーダンスの整合をとるために設けられる。ＬＣ並列回路は、コンデンサとインダクタとが並列に接続されることで構成され、分布定数線路に対して並列に接続される。ＬＣ並列回路は、出力信号の高調波に対するインピーダンスの整合をとるために設けられる。【選択図】図１
2019161597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子から入力される入力信号に基づいて、増幅された出力信号が出力端子側から出力されるように動作する増幅素子と、
前記増幅素子の前記出力端子に接続されるインピーダンス変換器と、
を備え、
前記インピーダンス変換器は、
前記出力信号の基本波に対するインピーダンスの整合をとるための分布定数線路と、
コンデンサとインダクタとが並列に接続されることで構成され、前記分布定数線路に対して並列に接続された、前記出力信号の高調波に対するインピーダンスの整合をとるための少なくとも１つのＬＣ並列回路と、
を含む、
電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電力増幅器の出力側のインピーダンスの整合をとるための技術が検討されている。このような技術では、電力増幅器からの出力信号の基本波と高調波との両方の観点でインピーダンスの整合をとることが求められる。たとえば、従来では、基本波については、コンデンサと分布定数線路とによりインピーダンスの整合をとる回路を電力増幅器の出力と負荷との間に設けることで対応し、高調波については、出力信号のもととなる電源と電力増幅器の出力との間に設けられたバイアス回路内に、任意の高調波に合わせて共振周波数を調整可能な共振回路を設けることで対応する、という回路構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１２７０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の回路構成では、高調波に対応したインピーダンスを調整するために共振回路の共振周波数を調整すると、その影響を受けて、通常は不変であることが望まれる基本波に対応したインピーダンスも同時に変化してしまう、という不都合な現象が発生することがある。
【０００５】
そこで、基本波に対応したインピーダンスに影響を与えることなく、高調波に対応したインピーダンスのみを調整可能な新規な回路構成が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態にかかる電力増幅器は、増幅素子と、インピーダンス変換器と、を備える。増幅素子は、入力端子から入力される入力信号に基づいて、増幅された出力信号が出力端子側から出力されるように動作する。インピーダンス変換器は、増幅素子の出力端子に接続される。また、インピーダンス変換器は、分布定数線路と、少なくとも１つのＬＣ並列回路と、を含む。分布定数線路は、出力信号の基本波に対するインピーダンスの整合をとるために設けられる。ＬＣ並列回路は、コンデンサとインダクタとが並列に接続されることで構成され、分布定数線路に対して並列に接続される。ＬＣ並列回路は、出力信号の高調波に対するインピーダンスの整合をとるために設けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施形態にかかる電力増幅器の概略構成を示した回路図である。
【図２】図２は、実施形態にかかる電力増幅器のＬＣ並列回路の通過特性を示したグラフである。
【図３】図３は、実施形態にかかる電力増幅器の効果を確認するために実施したシミュレーションで用いた電力増幅器の回路図である。
【図４】図４は、実施形態にかかる電力増幅器の効果を確認するために実施したシミュレーションの結果を示したスミスチャートである。
【図５】図５は、比較例にかかる電力増幅器の概略構成を示した回路図である。
【図６】図６は、比較例にかかる電力増幅器によって発生しうる不都合な現象を確認するために実施したシミュレーションで用いた電力増幅器の回路図である。
【図７】図７は、比較例にかかる電力増幅器によって発生しうる不都合な現象を確認するために実施したシミュレーションの結果を示したスミスチャートである。
【図８】図８は、実施形態の変形例にかかるインピーダンス変換器を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。以下に記載する実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、あくまで一例であって、以下の記載内容に限られるものではない。
【０００９】
図１は、実施形態にかかる電力増幅器１００の概略構成を示した回路図である。この電力増幅器１００は、たとえば放送用送信システムに用いられるが、電力増幅器１００の用途は、放送用送信システムに制限されるものではない。
【００１０】
図１に示されるように、実施形態にかかる電力増幅器１００は、増幅素子１１０と、インピーダンス変換器（整合回路）１２０と、バイアス回路１３０と、カップリングコンデンサ１４０と、を有している。
【００１１】
増幅素子１１０は、入力端子Ｔ１から入力される入力信号に基づいて、増幅された出力信号が出力端子Ｔ２側から出力されるように動作する回路構成である。たとえば、増幅素子１１０は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）として構成されている。増幅素子１１０のゲートは、入力信号が入力される入力端子Ｔ１に接続されている。また、増幅素子１１０のソースは、接地されており、増幅素子１１０のドレインは、出力端子Ｔ２を介して、インピーダンス変換器１２０およびバイアス回路１３０に接続されている。
【００１２】
インピーダンス変換器１２０は、増幅素子１１０側から出力される出力信号のインピーダンスの整合をとるための回路構成である。インピーダンス変換器１２０は、分布定数線路１２１と、当該分布定数線路１２１に対して並列に接続されたＬＣ並列回路１２２および１２３と、を有している。
【００１３】
分布定数線路１２１は、たとえば、出力信号の基本波の１／４波長（位相では９０°）に対応した長さを有したマイクロストリップ線路として構成される。分布定数線路１２１は、出力信号の基本波に対するインピーダンスの整合をとるために設けられる。
【００１４】
一方、ＬＣ並列回路１２２および１２３は、それぞれ、コンデンサ１２２ａおよび１２３ａとインダクタ１２２ｂおよび１２３ｂが並列に接続された共振回路として構成される。ＬＣ並列回路１２２および１２３は、出力信号の高調波（たとえば２倍波）に対するインピーダンスの整合をとるために設けられる。
【００１５】
すなわち、実施形態において、ＬＣ並列回路１２２および１２３は、以下に説明するような通過特性を有するように設計されている。
【００１６】
図２は、実施形態にかかる電力増幅器１００のＬＣ並列回路１２２および１２３の通過特性を示したグラフである。図２のグラフにおいて、縦軸は、ＬＣ並列回路１２２および１２３を信号が通過する際に発生する損失に関するパラメータ（ＳパラメータのＳ２１）に対応し、横軸は、周波数に対応する。また、図２のグラフの横軸において、ｆ１は、基本波の周波数に対応し、ｆ２は、２倍波の周波数に対応する。
【００１７】
図２に示されるように、実施形態にかかる電力増幅器１００のＬＣ並列回路１２２および１２３は、ｆ１の周波数の信号が極めて通過しにくく、ｆ２の周波数の信号はｆ１の周波数の信号に比べて通過しやすい、という通過特性を有するように設計されている（線２０１参照）。したがって、図２に示されるような通過特性を有するＬＣ並列回路１２２および１２３は、出力信号の２倍波に対するインピーダンスの整合をとるのに適していると言える。
【００１８】
図１に戻り、バイアス回路１３０は、電源端子Ｔ３から供給される電力に基づいて増幅素子１１０のドレインにバイアス電圧を供給する、いわゆるドレインバイアス回路である。バイアス回路１３０は、増幅素子１１０のドレイン（出力端子Ｔ２）と電源端子Ｔ３との間を接続するように設けられたインダクタ１３１と、当該インダクタ１３１の電源端子Ｔ３側を接地可能なコンデンサ１３２と、を有している。
【００１９】
カップリングコンデンサ１４０は、インピーダンス変換器１２０を経由して出力される出力信号の直流成分をカットする回路素子である。出力信号は、カップリングコンデンサ１４０により直流成分がカットされた後、外部出力端子Ｔ４を介して後段の機器に出力される。たとえば、電力増幅器１００が放送用送信システムに用いられる場合、外部出力端子Ｔ４から出力される出力信号は、当該外部出力端子Ｔ４に接続されたフィルタ（不図示）などを経由して、末端のアンテナ（不図示）から送信される。なお、外部出力端子Ｔ４には、負荷としての抵抗１５０が接続されている。
【００２０】
ここで、実施形態にかかる電力増幅器１００は、上記のような回路構成に基づき、基本波に対応したインピーダンスに影響を与えることなく、高調波に対応したインピーダンスのみを調整することができる、という効果を奏する。以下、この効果を確認するために実施したシミュレーション（解析）について説明する。
【００２１】
図３は、実施形態にかかる電力増幅器１００の効果を確認するために実施したシミュレーションで用いた電力増幅器３００の回路図である。図３では、図１に示される増幅素子１１０に対応した回路構成（ＦＥＴなどの増幅素子）の図示が省略されているが、図３に示される電力増幅器３００は、図１に示される電力増幅器１００と等価に構成されている。図３に示される出力端子Ｔ３２は、図１に示される出力端子Ｔ２に対応し、図示が省略された増幅素子のドレインに接続される。
【００２２】
すなわち、図３に示される電力増幅器３００は、図１に示される電力増幅器１００と同様に、分布定数線路３２１と２つのＬＣ並列回路３２２および３２３とを有したインピーダンス変換器（整合回路）３２０と、電源端子Ｔ３３と出力端子Ｔ３２との間に設けられるバイアス回路３３０と、インピーダンス変換器３２０と外部出力端子Ｔ３４との間に設けられるカップリングコンデンサ３４０と、を有している。なお、図３に示される回路構成において、外部出力端子Ｔ３４に負荷としての抵抗３５０が接続されている点も、図１に示される回路構成と同様である。
【００２３】
また、図３に示されるＬＣ並列回路３２２は、図１に示されるＬＣ並列回路１２２と同様に、コンデンサ３２２ａとインダクタ３２２ｂとの組み合わせによって構成され、図３に示されるＬＣ並列回路３２３は、図１に示されるＬＣ並列回路１２３と同様に、コンデンサ３２３ａとインダクタ３２３ｂとの組み合わせによって構成されている。また、図３に示されるバイアス回路３３０は、図１に示されるバイアス回路１３０と同様に、インダクタ３３１とコンデンサ３３２との組み合わせによって構成されている。
【００２４】
ここで、図３に示される分布定数線路３２１は、図１に示される分布定数線路１２１と異なり、ＬＣ並列回路３２２が並列に接続される分布定数線路３２１ａと、ＬＣ並列回路３２３が並列に接続される分布定数線路３２１ｂと、の２つに分けられている。しかしながら、この差異は、シミュレーションの簡単化のためにつけられた差異に過ぎず、図３に示されるインピーダンス変換器３２０は、全体として、図１に示されるインピーダンス変換器１２０と等価である。
【００２５】
本願発明者は、図３に示される回路構成をシミュレートし、分布定数線路３２１に対するＬＣ並列回路３２２および３２３の接続位置（つまり分布定数線路３２１ａおよび３２１ｂの長さ）を様々に変更した状況を解析することで、基本波および高調波（たとえば２倍波）のそれぞれに対応したインピーダンス（出力端子Ｔ３２から見たインピーダンス）の特性に関して、次のような結果を得た。
【００２６】
図４は、実施形態にかかる電力増幅器１００の効果を確認するために実施したシミュレーションの結果を示したスミスチャートである。図４に示されるスミスチャートにおいて、点４０１は、基本波に対応したインピーダンスに対応し、線４０２は、２倍波に対応したインピーダンスの変化の軌跡に対応する。
【００２７】
図４に示されるように、本願発明者が実施したシミュレーションでは、図３に示される回路構成において分布定数線路３２１に対するＬＣ並列回路３２２および３２３の接続位置を様々に変更した場合、基本波に対応したインピーダンスは変化せず、２倍波に対応したインピーダンスのみが変化する、という結果が得られた。したがって、図３に示される回路構成と等価な実施形態にかかる電力増幅器１００（図１参照）において、基本波に対応したインピーダンスに影響を与えることなく、２倍波（高調波）に対応したインピーダンスのみを調整することができる、という効果が得られることが確認された。
【００２８】
＜比較例＞
ここで、実施形態と対比される比較例について説明する。この比較例は、以下に説明するように、高調波に対応したインピーダンスを調整すると、その影響を受けて、基本波に対応したインピーダンスも同時に変化してしまう、という不都合な現象が発生する例である。
【００２９】
図５は、比較例にかかる電力増幅器５００の概略構成を示した回路図である。図５に示されるように、比較例にかかる電力増幅器５００は、増幅素子５１０と、インピーダンス変換器（整合回路）５２０と、バイアス回路５３０と、カップリングコンデンサ５４０と、を有している。
【００３０】
比較例にかかる増幅素子５１０は、実施形態にかかる増幅素子１１０（図１参照）と同様の回路構成である。つまり、増幅素子５１０は、入力端子Ｔ５１から入力される入力信号に基づいて、増幅された出力信号が出力端子Ｔ５２側から出力されるように動作する回路構成である。
【００３１】
また、比較例にかかるインピーダンス変換器５２０は、分布定数線路５２１と、コンデンサ５２２と、によって構成されている。このインピーダンス変換器５２０は、増幅素子１１０側から出力される出力信号の基本波に対応したインピーダンスの整合をとるために設けられる。
【００３２】
ここで、比較例にかかるバイアス回路５３０は、実施形態にかかるバイアス回路１３０（図１参照）と同様のいわゆるドレインバイアス回路である。したがって、バイアス回路５３０は、基本的には、電源端子Ｔ５３から供給される電力に基づいて増幅素子５１０のドレインにバイアス電圧を供給する。
【００３３】
ただし、比較例にかかるバイアス回路５３０は、実施形態にかかるバイアス回路１３０（図１参照）と異なり、出力信号の高調波に対応したインピーダンスの整合をとるための回路構成も有している。
【００３４】
すなわち、比較例にかかるバイアス回路５３０は、インピーダンス変換器として機能する共振回路５３１と、当該共振回路５３１の電源端子Ｔ５３側を接地可能なコンデンサ５３２と、によって構成されている。共振回路５３１は、分布定数線路５３１ａと、当該分布定数線路５３１ａの途中の点Ｐ５０を接地可能なコンデンサ５３１ｂと、によって構成されている。
【００３５】
なお、比較例にかかるカップリングコンデンサ５４０および抵抗５５０は、それぞれ、実施形態にかかるカップリングコンデンサ１４０および抵抗１５０と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００３６】
ここで、比較例にかかる電力増幅器５００は、共振回路５３１における分布定数線路５３１ａとコンデンサ５３１ｂとの接続位置（点Ｐ５０）を様々に調整することで、共振周波数を調整し、所望の高調波に対応したインピーダンスの整合をとることが可能である。
【００３７】
しかしながら、比較例にかかる電力増幅器５００では、以下に説明するように、高調波に対応したインピーダンスを調整すると、その影響を受けて、基本波に対応したインピーダンスも同時に変化してしまう、という不都合な現象が発生する。
【００３８】
図６は、比較例にかかる電力増幅器によって発生し得る不都合な現象を確認するために実施したシミュレーションで用いた電力増幅器６００の回路図である。図６では、図５に示される増幅素子５１０に対応した回路構成（ＦＥＴなどの増幅素子）の図示が省略されているが、図６に示される電力増幅器６００は、図５に示される電力増幅器５００と等価に構成されている。図６に示される出力端子Ｔ６２は、図５に示された出力端子Ｔ５２に対応し、図示が省略された増幅素子のドレインに接続される。
【００３９】
すなわち、図６に示される電力増幅器６００は、図５に示される電力増幅器５００と同様に、分布定数線路６２１とコンデンサ６２２とにより構成されるインピーダンス変換器（整合回路）６２０と、電源端子Ｔ６３と出力端子Ｔ６２との間に設けられるバイアス回路６３０と、インピーダンス変換器６２０と外部出力端子Ｔ６４との間に設けられるカップリングコンデンサ５４０と、を有している。なお、図６に示される回路構成において、外部出力端子Ｔ５４に負荷としての抵抗６５０が接続されている点も、図５に示された回路構成と同様である。
【００４０】
また、図６に示されるバイアス回路６３０は、図５に示されるバイアス回路５３０と同様に、共振回路６３１と、コンデンサ６３２と、によって構成されている。共振回路６３１は、分布定数線路６３１ａと、当該分布定数線路６３１ａの中間位置（点Ｐ６０参照）に接続されたコンデンサ６３１ｂによって構成されている。なお、図６に示される点Ｐ６０は、図５に示される点Ｐ５０に対応する。
【００４１】
ここで、図６に示される分布定数線路６３１ａは、図５に示される分布定数線路５３１ａと異なり、コンデンサ６３１ｂよりも前段に設けられる分布定数線路６３１ａ１と、コンデンサ６３１ｂよりも後段に設けられる分布定数線路６３１ａ２と、の２つに分けられている。しかしながら、この差異は、シミュレーションの簡単化のためにつけられた差異に過ぎず、図６に示される共振回路６３１は、全体として、図５に示される共振回路５３１と等価である。
【００４２】
本願発明者は、図６に示される回路構成をシミュレートし、分布定数線路６３１ａに対するコンデンサ６３１ｂの接続位置（つまり分布定数線路６３１ａ１および６３１ａ２の長さ）および当該コンデンサ６３１ｂの容量を様々に変更した状況を解析することで、基本波および高調波（たとえば２倍波）のそれぞれに対応したインピーダンス（出力端子Ｔ６２から見たインピーダンス）の特性に関して、次のような結果を得た。
【００４３】
図７は、比較例にかかる電力増幅器６００によって発生し得る不都合な現象を確認するために実施したシミュレーションの結果を示したスミスチャートである。図７に示されるスミスチャートにおいて、線７０１は、基本波に対応したインピーダンスの変化の軌跡に対応し、線７０２は、２倍波に対応したインピーダンスの変化の軌跡に対応する。
【００４４】
図７に示されるように、本願発明者が実施したシミュレーションでは、図６に示される回路構成において分布定数線路６３１ａに対するコンデンサ６３１ｂの接続位置および当該コンデンサ６３１ｂの容量を様々に変更した場合、基本波に対応したインピーダンスと、２倍波に対応したインピーダンスと、の両方が同時に変化する、という結果が得られた。したがって、図６に示される回路構成と等価な比較例にかかる電力増幅器５００（図５参照）において、高調波に対応したインピーダンスを調整すると、その影響を受けて、基本波に対応したインピーダンスも同時に変化してしまう、という不都合な現象が発生することが確認された。
【００４５】
以上説明したように、実施形態にかかる電力増幅器１００（図１参照）において、インピーダンス変換器１２０は、増幅素子１１０側からの出力信号の基本波に対するインピーダンスの整合をとるための分布定数線路１２１と、当該分布定数線路１２１に並列に接続された、増幅素子１１０側からの出力信号の高調波に対するインピーダンスの整合をとるためのＬＣ並列回路１２２および１２３と、を有している。これにより、分布定数線路１２１に対するＬＣ並列回路１２２および１２３の接続位置を適宜調整することで、基本波に対応したインピーダンスに影響を与えることなく、高調波に対応したインピーダンスのみを調整可能な新規な回路構成を得ることができる。
【００４６】
＜変形例＞
上述した実施形態では、インピーダンス変換器１２０（図１参照）は、１つの分布定数線路１２１に対して２つのＬＣ並列回路１２２および１２３が並列に接続された構成が例示されている。しかしながら、実施形態と同等の効果を得るためには、分布定数線路１２１に必ずしも２つのＬＣ並列回路１２２および１２３が接続されていなくてもよい。たとえば、次の図８に示されるような変形例によっても、実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００４７】
図８は、実施形態の変形例にかかるインピーダンス変換器８００を示した回路図である。この図８に示されるインピーダンス変換器（整合回路）８００は、分布定数線路８１０と、当該分布定数線路８１０に対して並列に接続された１つのＬＣ並列回路８２０と、を有している。ＬＣ並列回路８２０は、コンデンサ８２１とインダクタ８２２とが並列に接続されることで構成されている。
【００４８】
図８に示されるインピーダンス変換器８００によっても、図１に示されるインピーダンス変換器１２０と同等の効果を得ることができる。つまり、図８に示される変形例においても、分布定数線路８１０に対するＬＣ並列回路８２０の接続位置を調整することで、基本波に対応したインピーダンスに影響を与えることなく、高調波に対応したインピーダンスを調整することができる、という効果を得ることができる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態および変形例について説明したが、上述した実施形態および変形例はあくまで一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上述した実施形態および変形例は、様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述した実施形態および変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１００  電力増幅器
１１０  増幅素子
１２０、８００  インピーダンス変換器
１２１、８１０  分布定数線路
１２２、１２３、８２０  ＬＣ並列回路
１２２ａ、１２３ａ、８２１  コンデンサ
１２２ｂ、１２３ｂ、８２２  インダクタ
【図１】
2019161597.tif 000003
【図２】
2019161597.tif 000004
【図３】
2019161597.tif 000005
【図４】
2019161597.tif 000006
【図５】
2019161597.tif 000007
【図６】
2019161597.tif 000008
【図７】
2019161597.tif 000009
【図８】
2019161597.tif 000010