(57)【要約】【課題】並列運転する電力増幅器で電力増幅させた分配信号を、方向性結合器で合成する従来の構成では、広帯域な特性を得られない。また、λ／４ ３ｄＢカプラを分配器とした構成の電力分配合成システムでは分配偏差が大きい。【解決手段】入力端子１に入力されたＶＨＦ帯又はＵＨＦ帯の高周波信号は、電力ｎ分配回路２により同相でｎ分配されて、ｎ個の分配信号３１〜３ｎとされた後、位相調整回路４１〜４ｎでそれぞれ位相調整される。位相調整回路４１〜４ｎは適当な線路又は適当なリアクタンス素子で位相調整を行う構成である。位相調整された分配信号は、電力増幅器５１〜５ｎでそれぞれ電力増幅された後、ｍ個の１／４波長の長さの伝送線路を用いたλ／４ ３ｄＢ方向性結合器６１〜６ｍによるｎ個の入力ポートを持つ電力合成器により電力合成される。これにより、広帯域な周波数で電力合成を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の電力をｎ分配（ｎは２以上の自然数）する電力ｎ分配手段と、
前記電力ｎ分配手段で分配されて取り出されたｎ個の分配信号に対して、別々に位相調整を行うｎ個の位相調整手段と、
前記ｎ個の位相調整手段でそれぞれ位相調整された前記ｎ個の分配信号に対して、別々に電力増幅を行うｎ個の電力増幅器と、
前記ｎ個の電力増幅器からそれぞれ取り出されたｎ個の電力増幅後の分配信号を電力合成して電力合成信号を出力する電力合成手段と
を有することを特徴とする電力分配合成システム。
【請求項２】
前記入力信号はＶＨＦ帯又はＵＨＦ帯の高周波信号であり、
前記位相調整手段は、位相調整用線路又はリアクタンス素子からなる位相シフタであり、前記位相調整用線路の線路長又は前記位相シフタの前記リアクタンス素子の値が、前記ｎ個の分配信号のレベル偏差が所定のレベル範囲内にあり、かつ、前記ｎ個の分配信号の位相差が前記入力信号の全周波数帯域で±１０°以内となる値に設定されていることを特徴とする請求項１記載の電力分配合成システム。
【請求項３】
前記電力ｎ分配手段は、ウィルキンソン型電力ｎ分配回路であり、前記電力合成手段は、カプラ型合成器からなることを特徴とする請求項１記載の電力分配合成システム。
【請求項４】
前記カプラ型合成器は、方向性結合器を多段縦続接続した構成であることを特徴とする請求項３記載の電力分配合成システム。
【請求項５】
前記位相シフタは、入力端子と出力端子との間に直列接続された第１及び第２のキャパシタと、前記第１及び第２のキャパシタの接続点と所定電位との間に接続されたインダクタとよりなる等価回路で表される構成であることを特徴とする請求項２記載の電力分配合成システム。
【請求項６】
前記位相シフタは、所定の長さの第１及び第２のストリップ線路がその長手方向同士が近接離間配置されると共に、該第１及び第２のストリップ線路の各一端が信号線で接続された構成であることを特徴とする請求項５記載の電力分配合成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力分配合成システムに係り、特にＶＨＦ帯やＵＨＦ帯で用いるテレビジョン受像機やＦＭ送信機等の高周波電力部を並列動作させるために使用する電力分配合成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、方向性結合器を多段に縦続接続した電力分配器と電力合成器を使用した電力分配合成システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１記載の電力分配合成システムでは、単体結合度の異なる複数の方向性結合器をそれぞれ電力分配器として縦続接続して電力を逐次分配し、その分配電力を単位電力増幅器で増幅して出力し、また上記の複数の方向性結合器をそれぞれ電力合成器として縦続接続することにより、上記の単位電力増幅の出力を逐次合成する構成である。
【０００３】
また、位相調整手段と電力合成手段とを含む高周波電力増幅器も従来知られている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２には、電力合成手段における第１及び第２の信号の電力の合成時の不平衡電力を検出し、その検出結果に基づいて第２の信号の位相ずれ方向を検出し、その位相ずれ方向に応じて第２の信号を位相調整手段により調整することにより、所望の位相差に調整する構成の高周波電力増幅器が開示されている。
【０００４】
また、従来、地上マイクロ波通信、移動体通信、衛星通信等の通信装置に用いられる電力合成形高効率増幅器も知られている（例えば、特許文献３参照）。この特許文献３には、第１の分岐線路に接続されたキャリア電力増幅用トランジスタと、第２の分岐線路に接続されたピーク電力増幅用トランジスタの各出力電力を合成する電力合成形高効率増幅器において、キャリア電力増幅用トランジスタの入力側に第１の１／４波長線路と第１の入力整合回路を直列接続し、キャリア増幅用トランジスタの出力側に第１の出力整合回路を接続し、ピーク電力増幅用トランジスタの入力側に第２の入力整合回路を接続し、ピーク電力増幅用トランジスタの出力側に第２の１／４波長線路と第２の出力整合回路を直列接続した構成が開示されている。これにより、低出力時にピーク電力増幅用トランジスタの経路の遮断を比較的よく実現して、高出力、高効率、高利得な特性を実現しようとするものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２６７８６２号公報
【特許文献２】特開平８−０８４０３１号公報
【特許文献３】特開２００５−１３００１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかるに、特許文献１記載の従来の電力分配合成システムでは、方向性結合器を多段に縦続接続した電力分配器・電力合成器を使用したシステムであるが、中心周波数から離れた帯域では、分配合成回路の位相ずれが生じるため広帯域での電力合成はできない。すなわち、ウィルキンソン型分配器等で同相分配した信号を、並列運転する電力増幅器で電力増幅させた信号を、方向性結合器で構成される合成器で合成させるためにある周波数の線路長で９０°の位相差を設けたとしても、広帯域な特性を得られないという問題点がある。
【０００７】
この問題点について図６と共に説明する。図６は同相分配した信号を６６６ＭＨｚの周波数で電気長９０°の線路１５を設けたときの分配合成の等価回路で、入力端子１１の入力高周波信号を電力２分配回路１２にて同相で２分配した信号１３、１４のうち、信号１３は電力増幅器１６に供給し、信号１４は位相調整用線路１５を介して電力増幅器１７に供給する。電力増幅器１６、１７でそれぞれ電力増幅された２信号は、λ／４ ３ｄＢカプラ１８で合成された後出力端子１９へ出力される。
【０００８】
この従来の電力分配合成システムのシミュレーション結果を図７にI、図８にIVで示す。図７の位相特性においてIで示すように、図６の従来の電力分配合成システムでは、ＵＨＦ帯域（４７０ＭＨｚ〜８６２ＭＨｚ）の端（４７０ＭＨｚや８６２ＭＨｚの近辺）では±２６°の位相ずれを生じ、このときの分配合成の総合損失は図８にIVで示すように約０.２５ｄＢと大きくなる。
【０００９】
また、特許文献２記載の高周波電力増幅器は、電力合成するために分配信号の位相調整を行っているが、単一周波数の狭帯域にて位相調整を行っているため、ＶＨＦ帯やＵＨＦ帯で用いるテレビジョン受像機やＦＭ送信機等の高周波電力部を並列動作させるために使用することはできない。
【００１０】
更に、特許文献３記載の電力合成形高効率増幅器はインピーダンスマッチングのためにλ／４線路とマッチング回路をトランジスタ入力側、出力側に配置している構成であり、位相調整のためには線路とリアクタンス素子は設けられていない。これにより、λ／４ ３ｄＢカプラ（方向性結合器）を分配器とした場合の分配偏差が大きくなるという問題点がある。
【００１１】
この問題点について図９と共に説明する。図９は並列運転する電力増幅器の電力をλ／４ ３ｄＢ方向性結合器２１、２２で示すように２個使用して分配後に合成する等価回路を示す。そのシミュレーション結果は図７にIIで、図８にVで示すが、ＵＨＦ広帯域に亘り位相差特性、総合損失特性はそれぞれ良好である。
【００１２】
しかし、λ／４の３ｄＢカプラ（方向性結合器）を分配器として広帯域で使用できるようにクロスカップリング（オーバーカップル）した場合でも、分配信号１３、１４の偏差は、図１０に示すようにＵＨＦ帯域（４７０ＭＨｚ〜８６２ＭＨｚ）で最大０.５ｄＢの分配偏差を生じる。なお、図１０において、λ／４の３ｄＢカプラの入力ポートを１、出力ポートを２と３と定義したとき、１から２を見たときの分配比Ｓ２１は点線で示され、１から３を見たときの分配比Ｓ３１は実線で示される。このλ／４の３ｄＢカプラを電力分配器として電力増幅器を並列運転させた場合、各電力増幅器への入力電力に最大０．５ｄＢのバラつきが生じるため、電力増幅器の出力パワーにもバラつきが生じてしまう問題がある。
【００１３】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、電力増幅器の並列運転を行うと共に、電力分配器と電力合成器を組み合わせて、広帯域な電力分配合成特性を得ると共に分配偏差の小さな電力分配合成システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するため、本発明の電力分配合成システムは、入力信号の電力をｎ分配（ｎは２以上の自然数）する電力ｎ分配手段と、電力ｎ分配手段で分配されて取り出されたｎ個の分配信号に対して、別々に位相調整を行うｎ個の位相調整手段と、ｎ個の位相調整手段でそれぞれ位相調整されたｎ個の分配信号に対して、別々に電力増幅を行うｎ個の電力増幅器と、ｎ個の電力増幅器からそれぞれ取り出されたｎ個の電力増幅後の分配信号を電力合成して電力合成信号を出力する電力合成手段とを有することを特徴とする。
【００１５】
この発明では、ｎ個の電力増幅器を並列運転させる際に、ｎ分配された分配信号のそれぞれに対して互いの位相差を調整する位相調整を行った後、位相調整後のｎ個の分配信号に対してそれぞれ電力増幅をしてから電力合成することで、所望の分配合成特性を得ることができる。
【００１６】
また、上記の目的を達成するため、本発明の電力分配合成システムは、上記の入力信号はＶＨＦ帯又はＵＨＦ帯の高周波信号であり、上記の位相調整手段は、位相調整用線路又はリアクタンス素子からなる位相シフタであり、位相調整用線路の線路長又は位相シフタのリアクタンス素子の値が、ｎ個の分配信号のレベル偏差が所定のレベル範囲内にあり、かつ、ｎ個の分配信号の位相差が入力信号の全周波数帯域で±１０°以内となる値に設定されていることを特徴とする。
【００１７】
また、上記の目的を達成するため、本発明の電力分配合成システムは、上記の電力ｎ分配手段は、ウィルキンソン型電力ｎ分配回路であり、電力合成手段は、カプラ型合成器からなることを特徴とする。この発明では、ＶＨＦ帯又はＵＨＦ帯の高周波信号の電力をｎ等分した同相のｎ個の分配信号を得ることができる。
【００１８】
また、ここで、上記のカプラ型合成器は、方向性結合器を多段縦続接続した構成であってもよく、また、上記の位相シフタは、入力端子と出力端子との間に直列接続された第１及び第２のキャパシタと、第１及び第２のキャパシタの接続点と所定電位との間に接続されたインダクタとよりなる等価回路で表される構成であってもよい。
【００１９】
また、本発明の電力分配合成システムにおける上記の位相シフタは、所定の長さの第１及び第２のストリップ線路がその長手方向同士が近接離間配置されると共に、第１及び第２のストリップ線路の各一端が信号線で接続された構成であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ｎ分配された分配信号のそれぞれに対して互いの位相差を調整する位相調整を行った後、位相調整後のｎ個の分配信号に対してそれぞれ電力増幅をしてから電力合成することで、所望の分配合成特性を得るようにしたため、従来に比べて広帯域な電力分配合成特性を得ることができる。
【００２１】
また、本発明によれば、位相調整手段とカプラ合成器とを組み合わせることで、λ／４方向性結合器による分配器に比べ、分配器の分配偏差を広帯域で小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１は本発明になる電力分配合成システムの一実施の形態の構成図を示す。同図において、入力端子１はｎ個（ｎは２以上の自然数）の出力ポートを持ち同相で等分配するウィルキンソン型電力ｎ分配回路２と、ｎ分配された分配信号３１〜３ｎに対して各々位相調整を行う位相調整回路４１〜４ｎと、電力増幅器５１〜５ｎと、ｍ個（ｍはｎ／２を満足する自然数）のλ／４ ３ｄＢ方向性結合器６１〜６ｍとから構成されており、ｎ台の電力増幅器５１〜５ｎを並列運転させる構成である。
【００２３】
この実施の形態では、入力端子１に入力されたＶＨＦ帯又はＵＨＦ帯の高周波信号は、電力ｎ分配回路２により同相でｎ分配されて、ｎ個の分配信号３１〜３ｎとされた後、位相調整回路４１〜４ｎでそれぞれ位相調整される。この位相調整回路４１〜４ｎは適当な線路又は適当なリアクタンス素子（インダクタ、キャパシタ等）で位相調整を行う構成とされている。位相調整された分配信号は、並列運転している電力増幅器５１〜５ｎでそれぞれ電力増幅された後、ｍ個の１／４波長の長さの伝送線路を用いたλ／４ ３ｄＢ方向性結合器６１〜６ｍが縦続接続された構成のｎ個の入力ポートを持つ電力合成器により電力合成され、出力端子７へ出力される。これにより、広帯域な周波数で電力合成を行うことができる。このことについて、以下、実施例と共に具体的に説明する。
【実施例１】
【００２４】
図２は本発明になる電力分配合成システムの実施例１の等価回路図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。図２に示す実施例１は２台の電力増幅器５１及び５２を並列運転させ電力を２合成する例であり、同相で２分配するウィルキンソン型電力２分配回路２ａを有し、２分配された信号３１、３２の各ルートに位相調整のための位相シフタ８及び位相調整のための線路９を有し、λ／４ ３ｄＢ方向性結合器６１にて電力合成する電力増幅システムである。上記の位相シフタ８及び位相調整のための線路９は、図１の位相調整回路４１、４２に相当する。λ／４ ３ｄＢ方向性結合器６１は抵抗Ｒ２により終端されている。
【００２５】
図２において、入力端子１より入力されたＶＨＦ帯又はＵＨＦ帯の高周波信号は、ウィルキンソン型電力２分配回路２ａで２分配されて分配信号３１及び３２とされる。片方の分配信号３１は位相調整のための位相シフタ８で位相シフトされ、もう一方の分配信号３２は位相調整のための線路９で位相調整され、それぞれ電力増幅器５１、５２へ入力される。
【００２６】
ここで、位相シフタ８は図２に示すように各々容量値１２ｐＦの２個のキャパシタと、インダクタンス値１８ｎＨの１個のインダクタからなる３端子回路網で構成されている。また、位相調整用の線路９はＵＨＦ帯域（４７０ＭＨｚ〜８６２ＭＨｚ）の中心周波数である６６６ＭＨｚの電気長４５°の長さに選定されている。これにより、ＵＨＦ帯域においてλ／４ ３ｄＢ方向性結合器６１の電力合成点での２ルートの位相差は±５°以内とすることができ、ほぼ損失無く電力合成を行うことができる。上記の位相シフタ８のキャパシタ及びインダクタの各値を決めた場合に、位相調整用の線路９の電気長は、回路シミュレーション及び実験評価により妥当な値が選ばれる。
【００２７】
このときの位相特性を図７にIIIで示し、また分配合成回路の総合損失特性を図８にVIで示す。本実施例の位相特性IIIは、ＵＨＦ帯域（４７０ＭＨｚ〜８６２ＭＨｚ）の端では殆ど位相ずれを生じることはないことを示しており、また、本実施例の分配合成の総合損失は図８にVIで示すように殆ど無いことが分かる。ただし、説明を簡単にするため電力増幅器５１、５２間の位相差は無いものとしている。これにより、本実施例では従来に比べて広帯域な周波数で電力合成が可能となることが分かる。
【００２８】
また、図３は図２の実施例における分配信号３１、３２の分配偏差を示しており、本実施例では電力分配偏差が０.０２ｄＢ以下と殆ど無いことが示されている。なお、図３において、λ／４の３ｄＢ方向性結合器６１の入力ポートを１、出力ポートを２と３と定義したとき、１から２を見たときの分配比Ｓ２１は点線で示され、１から３を見たときの分配比Ｓ３１は実線で示される。このように、方向性結合器６１を使用することにより位相特性を変化させることができる。
【００２９】
なお、図２に示した位相シフタ８は図４に示すように、入力端子１０１と出力端子１０３との間に直列に接続されたキャパシタＣ１及びＣ２と、キャパシタＣ１及びＣ２の接続点と接地間に接続されたインダクタＬ１とからなる構成であり、また図２に示した線路９は図４に示すように、入力端子１０２と出力端子１０３に接続された構成であるが、これらは実際の回路では図５に示すようにして構成できる。
【００３０】
図５において、位相シフタ８は、入力端子１０１と１０２との間は、所定長の２つのストリップ線路１１０と１１１とが、その長手方向同士が線路間の結合のために近接離間配置され、かつ、各一端が信号線で接続された構成により実現される。また、線路９は図５に示すようにストリップ線路（又は同軸線路）１１２で構成することができる。
【００３１】
なお、本発明は以上の実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、例えば、位相調整回路４１〜４ｎは合成器側での合成のための位相が合っており、電力増幅器への分配信号レベルの偏差が大きくばらつかなければ（偏差のばらつきは実用的には±０.２ｄＢ以内）、すべて線路でもよいし、すべて位相シフタであってもよい。また、位相調整回路４１〜４ｎは、合成器側がカプラの場合は分配信号の位相差が入力信号周波数の全周波数帯域で９０°（±１０°以内）の条件を満たすように素子の値が選定される。また、このとき分配信号のレベル偏差にばらつきが出ないようにする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の電力分配合成システムの一実施の形態の構成図である。
【図２】本発明の実施例１を示す等価回路図である。
【図３】本発明による分配信号の分配偏差を示すシミュレーション結果である。
【図４】本発明の要部の位相シフタと線路を示す等価回路図である。
【図５】本発明の要部の位相シフタと線路を実際に実現する構成図である。
【図６】従来の一問題点を説明するための等価回路図である。
【図７】従来の技術と本発明を比較する位相特性のシミュレーション結果である。
【図８】従来の技術と本発明を比較する総合損失特性のシミュレーション結果である。
【図９】従来の他の問題点を説明するための等価回路図である。
【図１０】従来の技術の分配信号の分配偏差を示すシミュレーション結果である。
【符号の説明】
【００３３】
１  入力端子
２  電力ｎ分配回路
２ａ  ウィルキンソン型電力２分配回路
３１〜３ｎ  分配信号
４１〜４ｎ  位相調整回路
５１〜５ｎ  電力増幅器
６１〜６ｍ  λ／４ ３ｄＢ方向性結合器
７  出力端子
１１０、１１１  ストリップ線路
１１２  ストリップ線路又は同軸線路
Ｒ１〜Ｒｎ  終端抵抗
Ｃ１、Ｃ２  キャパシタ
Ｌ１  インダクタ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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