(57)【要約】【課題】高周波電力増幅器に関し、速やかに高効率動作を開始し、また、広帯域信号にも速やかに効率を落すことなく対応にする。【解決手段】インダクタＬ１，Ｌ２とキャパシタＣ１，Ｃ２とから成る第１及び第２のタンク回路を、それぞれ、バランス型増幅器を構成する第１及び第２のトランジスタＺ１，Ｚ２に接続し、第１及び第２のトランジスタＺ１，Ｚ２のドレーン間に出力負荷抵抗Ｒ１を接続し、入力信号の極性を互いに反転した差動電圧信号を入力するバランス型増幅器に、両側のタンク回路に共通に、給電エネルギーを蓄積するインダクタＬ０を接続し、片側のタンク回路から非並衡にスイッチングトランジスタＺ０を導通して、インダクタＬ０に給電エネルギーを蓄え、スイッチングトランジスタＺ０をカットオフしたときに、該インダクタＬ０からバランス型増幅器給電が開始され、出力負荷抵抗Ｒ１から出力電力が立ち上がる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バランス型増幅器を構成する第１及び第２のトランジスタと、
前記第１及び第２のトランジスタの各負荷側に接続された、インダクタとキャパシタとから成る第１及び第２のタンク回路と、
前記第１及び第２のタンク回路に共通に、該第１及び第２のタンク回路と電源端子との間に接続されたインダクタと、
前記インダクタに前記電源端子からの電流を流し込み、かつ所定時間後に該電流を遮断する第３のトランジスタと、
を備えたことを特徴とする高周波電力増幅器。
【請求項２】
前記インダクタに接続された前記第１又は第２のタンク回路の何れか一方のタンク回路と接地電位との間に前記第３のトランジスタを接続したことを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項３】
バランス型増幅器を構成する第１及び第２のトランジスタを有し、該第１及び第２のトランジスタのゲートに、入力信号の極性を互いに反転した差動電圧信号が入力され、該第１及び第２のトランジスタのドレーン間に接続された出力負荷抵抗から信号が出力される高周波電力増幅器において、
前記第１及び第２のトランジスタのドレーンに、インダクタとキャパシタとから成る第１及び第２のタンク回路をそれぞれ接続し、
前記第１及び第２のタンク回路に共通に、給電エネルギーを蓄積するインダクタを、該第１及び第２のタンク回路と電源端子との間に接続し、
前記給電エネルギーを蓄積するインダクタに、前記電源端子からの電流を流し込み、かつ所定時間後に該電流を遮断する第３のトランジスタを、該インダクタと接地電池との間に接続した構成を有することを特徴とする高周波電力増幅器。
【請求項４】
前記給電エネルギーを蓄積するインダクタに接続された前記第１又は第２のタンク回路の何れか一方のタンク回路と接地電位との間に前記第３のトランジスタを接続したことを特徴とする請求項３に記載の高周波電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電力増幅器に関し、特に、消費電力が小さく、高い電源効率特性を有する広帯域のマイクロ波やミリ波等の送信電力の増幅に好適に利用される高周波電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を使う電力増幅器において、高い電源効率で動作させるためには、素子内部での損失を極力減らすことである。素子内部での損失を減らすためには、素子内部損失を為すところの出力端子における電流と電圧との積の時間積分が小さくなるように動作させる必要がある。
【０００３】
このためには増幅素子を飽和動作させる方法が有効であり、常に飽和動作する増幅素子から振幅被変調波を効率良く取り出す回路が既に幾つか開発され、広く知られている。その代表的な回路として、ＬＩＮＣ（Linear Amplification Using Nonlinear Components）増幅器、ドハティ（Ｄｏｈｅｒｔｙ）増幅器、及びエンベロープトラッキング（ＥＴ）増幅器やエンベロープエリミネイション・アンド・リストレーション（ＥＥＲ）増幅器がある。
【０００４】
上述の各増幅器の回路構成の概要を図３に示す。同図の（ａ）はＬＩＮＣ増幅器、（ｂ）はドハティ（Ｄｏｈｅｒｔｙ）増幅器、（ｃ）はエンベロープトラッキング（ＥＴ）増幅器、エンベロープエリミネイション・アンド・リストレーション（ＥＥＲ）増幅器の構成の概要を示している。
【０００５】
ＬＩＮＣ増幅器は、２台の増幅器３−１，３−２を一定の且つ大きな振幅で駆動して飽和動作させ、該増幅信号を合成して出力電力を得るもので、各増幅器３−１，３−２の入力の位相を変化させることにより、合成後の出力信号の振幅を変化させるものである。
【０００６】
これを図３の（ａ）を参照して説明すると、入力信号Ａｉｎに対して、互いに直交しかつ定振幅となる定振幅波Ａ０／２ｓｉｎ（ωｔ＋（ａｔａｎ（Ａｉｎ）−π／４））及びＡ０／２ｓｉｎ（ωｔ−（ａｔａｎ（Ａｉｎ）−π／４））を生成し、該２つの定振幅波をそれぞれ別々に増幅器３−１及び３−２により飽和動作で増幅し、該増幅器３−１，３−２の出力信号を合成回路３−３で合成する。該合成により、入力信号Ａｉｎの増幅信号が出力される。ＬＩＮＣ増幅器については例えば下記の特許文献１等に記載されている。
【０００７】
ドハティ（Ｄｏｈｅｒｔｙ）増幅器は、図３（ｂ）に示すように、主増幅器３−４及び補助増幅器３−５よりなる二台の増幅器を設け、主増幅器３−４の入力信号よりλ／４遅れた信号を補助増幅器３−５に入力し、主増幅器３−４の出力信号をλ／４遅らせて補助増幅器３−５の出力信号と合成する。
【０００８】
通常、主増幅器３−４はＡ級又はＡＢ級増幅器、補助増幅器３−５はＢ級増幅器として動作させる。主増幅器３−４は、入力信号が小さい場合には、増幅動作を行って入力信号の増幅信号を出力する。一方、補助増幅器３−５は、入力信号が小さい場合には、入力信号の電力レベルが補助増幅器３−５をオンさせるには十分でないため、オフ状態即ち増幅動作を行わない。
【０００９】
一方、入力信号が大きい場合には、主増幅器３−４は飽和するが、補助増幅器３−５がオン状態となり、補助増幅器３−５の入力信号を増幅して増幅信号を出力する。そして、主増幅器３−４の出力電力と補助増幅器３−５の出力電力とを合成することで、より大きな飽和電力を有し、効率の高い増幅器が構成される。ドハティ（Ｄｏｈｅｒｔｙ）増幅器については、例えば下記の特許文献２等に記載されている。
【００１０】
エンベロープトラッキング（ＥＴ）増幅器は、図３の（ｃ）に示すように、入力信号Ａｉｎ  ｓｉｎ（ωｔ）に対して、そのエンベロープ信号Ｆ（｜Ａｉｎ｜）を生成し、該エンベロープ信号Ｆ（｜Ａｉｎ｜）を、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の給電回路３−７に入力し、給電回路３−７は、エンベロープ信号Ｆ（｜Ａｉｎ｜）のレベルに応じて、電力増幅器３−６の電源電圧を調整し、電力増幅器３−６を飽和動作させながら電力増幅器３−６を動作させることにより、電力増幅器３−６の電源効率を向上させたものである。エンベロープトラッキング（ＥＴ）増幅器については、例えば下記の特許文献３及び４等に記載されている。
図を示す。
【特許文献１】特開平０５−２１８７４６号公報
【特許文献２】特開２００６−０６０３０１号公報
【特許文献３】特開２００５−５１３９４３号公報
【特許文献４】特開昭６２−２７７８０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述の従来の増幅器は次のような問題点があった。ＬＩＮＣ増幅器は、２台の増幅器３−１，３−２の出力を効率良く合成するのが難しい。ドハティ（Ｄｏｈｅｒｔｙ）増幅器は、主増幅器３−４及び補助増幅器３−５のマッチング回路及び移相回路を総合した透過帯域が狭くなってしまう。エンベロープトラッキング（ＥＴ）増幅器、エンベロープエリミネイション・アンド・リストレーション（ＥＥＲ）増幅器は、増幅器３−６の電源電圧の調整を、入力信号の振幅の速い変化に対応させるのが難しい。
【００１２】
従来の高効率増幅器では、アナログ帰還ループや大きな平滑容量を必要とし、また、電源回路自体の省電力のために、増幅器への給電電圧を広帯域信号に追随させて高速に変動させるには限界があった。また、通常の電力増幅器は電源電圧を短時間に大きく変化させると効率が下がってしまう。
【００１３】
本発明は、アナログ帰還ループや大きな平滑容量を設けることなく、速やかに高効率動作を開始し、また、広帯域信号にも速やかに効率を落すことなく対応することができる高周波電力増幅器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】
本発明の高周波電力増幅器は、バランス型増幅器を構成する第１及び第２のトランジスタと、前記第１及び第２のトランジスタの各負荷側に接続された、インダクタとキャパシタとから成る第１及び第２のタンク回路と、前記第１及び第２のタンク回路に共通に、該第１及び第２のタンク回路と電源端子との間に接続されたインダクタと、前記インダクタに前記電源端子からの電流を流し込み、かつ所定時間後に該電流を遮断する第３のトランジスタと、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
より具体的に構成を特定すると、バランス型増幅器を構成する第１及び第２のトランジスタを有し、該第１及び第２のトランジスタのゲートに、入力信号の極性を互いに反転した差動電圧信号が入力され、該第１及び第２のトランジスタのドレーン間に接続された出力負荷抵抗から信号が出力される高周波電力増幅器において、前記第１及び第２のトランジスタのドレーンに、インダクタとキャパシタとから成る第１及び第２のタンク回路をそれぞれ接続し、前記第１及び第２のタンク回路に共通に、給電エネルギーを蓄積するインダクタを、該第１及び第２のタンク回路と電源端子との間に接続し、前記給電エネルギーを蓄積するインダクタに、前記電源端子からの電流を流し込み、かつ所定時間後に該電流を遮断する第３のトランジスタを、該インダクタと接地電池との間に接続した構成を有することを特徴とする。
【００１６】
また、前記インダクタに接続された前記第１又は第２のタンク回路の何れか一方のタンク回路と接地電位との間に前記第３のトランジスタを接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、インダクタＬ０に給電エネルギーを蓄積し、該インダクタＬ０によってバランス型増幅器に給電することにより、該インダクタＬ０から給電電流の増大とともにバランス型増幅器に起動が掛かり、速やかに高効率動作を開始させることができ、消費電力が小さく、高い電源効率特性を持たせることができる。また、バランス型増幅器に接続したタンク回路に非並衡の状態でエネルギーを蓄積して、バランス型増幅器をスタートアップさせることにより、広帯域信号にも速やかに効率を落すことなく対応することができる。
【００１８】
また、移動無線通信システムの移動機に用いる場合には、必要な無線周波数（ＲＦ）送信を、小型軽量な電池を使用して長時間出力することができ、固定局又は基地局に用いる場合には、消費電力と発熱量を減少させることができ、また、本発明ではアナログ帰還ループや大きな平滑容量を設ける必要がないことから、装置の小型化、高信頼化、長寿命化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明による高周波増幅回路の構成を示す。本発明による高周波増幅回路は、インダクタＬ１とキャパシタＣ１とから成る第１のタンク回路、及びインダクタＬ２とキャパシタＣ２とから成る第２のタンク回路を、それぞれ、バランス型増幅器を構成する第１のトランジスタＺ１及び第２のトランジスタＺ２のドレーンに接続し、該第１のトランジスタＺ１及び第２のトランジスタＺ２のドレーン間にアンテナ等の出力負荷抵抗Ｒ１を接続し、第１のトランジスタＺ１及び第２のトランジスタＺ２のゲートに、入力信号の極性を互いに反転した差動電圧信号を入力する回路構成に対して、両側のタンク回路に共通に、給電エネルギーを蓄積するインダクタＬ０を接続し、片側のみのタンク回路から非並衡にスイッチングトランジスタＺ０を導通して、該インダクタＬ０に給電エネルギーを蓄え、スイッチングトランジスタＺ０をカットオフしたときに、該インダクタＬ０から第１及び第２のトランジスタＺ１，Ｚ２に給電が開始され、該トランジスタＺ１，Ｚ２から成るバランス型増幅器から出力負荷抵抗Ｒ１への出力電力が立ち上がるようにしたものである。
【００２０】
上記の本発明による高周波増幅回路の回路動作を、図２を参照して説明する。図２の（ａ）は、スイッチングトランジスタＺ０のゲートに印加され、スイッチングトランジスタＺ０を導通させるゲート電圧であり、同図の（ｂ）は、該スイッチングトランジスタＺ０の導通によって給電エネルギーを蓄積するインダクタＬ０の附勢電流を示し、同図の（ｃ）は、該インダクタＬ０によって供給されるバランス型増幅器の給電電圧を示し、同図の（ｄ）は、バランス型増幅器の出力負荷抵抗Ｒ１から送出される出力信号を示している。
【００２１】
第１のトランジスタＺ１及び第２のトランジスタＺ２により構成されるバランス型増幅器を駆動する直前に、同図（ａ）に示すように、スイッチングトランジスタＺ０を導通させ、スイッチングトランジスタＺ０の導通により、同図（ｂ）に示すように、給電用のインダクタＬ０に電流が流れ始め、スイッチングトランジスタＺ０の導通を遮断したときに、インダクタＬ０に流れていた電流がバランス型増幅器に流れ込み、同図（ｃ）に示すように、バランス型増幅器の給電電圧が印加される。これによって、バランス型増幅器が増幅動作を開始し、同図（ｄ）に示すように、出力負荷抵抗Ｒ１から出力信号を送出する。
【００２２】
このように、タンク回路を含むバランス型増幅器の両側のタンク回路に共通に、エネルギーを蓄積するインダクタＬ０を接続し、片側のタンク回路を通して非並衡にスイッチングトランジスタＺｏを導通し、インダクタＬ０にエネルギーを蓄え、インダクタＬ０にエネルギーが十分蓄えられたときに、スイッチングトランジスタＺ０をカットオフし、該インダクタＬ０に蓄えたエネルギーで、バランス型増幅器を動作させる。
【００２３】
なお、インダクタＬ０にエネルギーを蓄積する際に、片側のタンク回路のみを通してスイッチングトランジスタＺｏを導通するのは、タンク回路にもエネルギーが蓄積されるため、該タンク回路に蓄積されるエネルギーが非並衡となるよう、片側のタンク回路のみを通してインダクタＬ０にエネルギーを蓄積するためである。
【００２４】
タンク回路の蓄積エネルギーが非並衡の状態でバランス型増幅器をスタートアップさせることにより、バランス型増幅器はスタートアップ直後からトランジスタＺｌ，Ｚ２が速やかに飽和動作に入り、従って広帯域信号を扱いながら、高い効率で動作する。
【００２５】
従来のエンベロープトラッキング（ＥＴ）増幅器では、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の回路においてアナログ帰還ループや大きな平滑容量を必要とし、また、電源回路自体の省電力のために、増幅器への給電電圧を広帯域信号に追随させて高速に変動させるには限界があった。また、通常の電力増幅器は電源電圧を短時間に大きく変化させると効率が下がってしまう。
【００２６】
本発明では、アナログ帰還ループや大きな平滑容量を設けることなく、インダクタＬ０によって給電することにより、給電電流の増大とともにバランス型増幅器に起動が掛かり、速やかに高効率動作を開始し、また、タンク回路の蓄積エネルギーを非並衡の状態にしてバランス型増幅器をスタートアップさせることにより、広帯域信号にも速やかに効率を落すことなく対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による高周波増幅回路の構成を示す図である。
【図２】本発明による高周波増幅回路の回路動作を示す図である。
【図３】従来の高効率増幅器の回路構成の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２  インダクタ
Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２  キャパシタ
Ｒ１  抵抗
Ｚ０，Ｚ１，Ｚ２  トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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