(57)【要約】【課題】バイアス電圧を一定としたままで、非線形増幅器としての機能と線形増幅器としての機能とを切り替えることができるようにする。【解決手段】入力端子１からの入力信号Ａは、合成器７を介して入力側整合回路２に供給され、そこでゼロまたは正の一定のバイアス電圧Ｖｇｓが印加され、バイポーラトランジスタ，ＦＥＴなどの能動素子３に供給されて増幅される。これにより、能動素子３はＢ級もしくはＡＢ級増幅器として動作する。能動素子３を線形増幅器として機能させる場合には、入力信号Ａをそのまま合成器７を通過させるようにして、能動素子３の出力がその入力にほぼ比例するようにし、能動素子３を非線形増幅器として機能させる場合には、高調波発生回路６で入力信号Ａの奇数次高調波成分を発生させ、これを合成器７で入力信号Ａと合成して矩形波信号Ｂを形成し、この矩形波信号Ｂを能動素子３に供給するようにする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の奇数次高調波成分を発生するとともに、該奇数次高調波成分の出力をオン，オフする高調波発生回路と、
該高調波発生回路から出力される該奇数次高調波成分を該入力信号に合成して矩形波信号を出力し、該高調波発生回路が該奇数次高調波成分を出力しないときには、該入力信号をそのまま出力する合成器と、
該合成器の出力信号を増幅する能動素子と
を備え、該能動素子を選択的に線形増幅器と非線形増幅器とで動作させることを可能に構成したことを特徴とする電力増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の電力増幅器において、
前記高調波発生回路は、
前記入力信号が供給されて、供給された前記入力信号の奇数倍の周波数を生成する周波数コンバータと、該周波数コンバータの出力信号を減衰する減衰器とからなり、前記入力信号の前記奇数次高調波成分を生成する高調波生成
手段と、
オン，オフ動作するスイッチと
を備え、該高調波生成手段で生成された前記奇数次高調波成分を、該スイッチを介して、前記合成器に供給することを特徴とする電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信などに用いられる電力増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は電力増幅器の一従来例を示すブロック図であって、１は入力端子、２は入力側整合回路、３はバイポーラトランジスタやＦＥＴ（電解効果トランジスタ）などの能動素子、４は出力側整合回路、５は出力端子である。
【０００３】
同図において、増幅器の雑音指数を最小にするために入力側と能動素子３との間の整合条件を設定する入力側整合回路２と、信号を増幅する能動素子３と、増幅器の利得を最大にするために能動素子と出力側との整合条件を設定する出力側整合回路４とから構成されている。入力端子１から入力された信号は、入力側整合回路２を介して能動素子３に供給され、そこで増幅された後、出力側整合回路４を介し、出力端子５から出力される。
【０００４】
ここで、入力側整合回路２では、能動素子３を所定の状態で動作させるために、入力信号にその動作に適したバイアス電圧が加算され、このバイアス電圧で能動素子３が動作するようにする。
【０００５】
ところで、ＵＨＦ，ＶＨＦ帯などで通信を行なう無線通信システムに用いられる電力増幅器としては、例えば、特開平９ー３２１５５０号公報や特許第２９５６９８８号公報などに記載のように、スイッチング動作と等価的な非線形の動作をなし、電力変換効率が高いＣ級増幅器が用いられる。即ち、かかるＣ級増幅動作をなす能動素子、例えば、バイポーラトランジスタでは、信号が入力されたときには、エミッタ−コレクタ間が飽和状態となって最大電流が流れるが、これら間の電圧がゼロとなり、また、信号が入力されないときには、エミッタ−コレクタ間がオフ状態となって電流が流れず、これら間に電圧がかかる。このようにして、理想的には、エミッタ−コレクタ間では、電流が流れる期間と電圧が印加される期間とが異なり、ここで消費される電力はゼロとなる。また、流れる電流は最大であるので、負荷側に対しては、大きな電力が供給されることになる。
【０００６】
このように、Ｃ級増幅器は、非線形な領域を利用しているため、出力信号に波形の歪みが生ずるが、他のＡ級，Ｂ級，さらには、これらの中間のバイアス電圧が用いられるＡＢ級の増幅器に比べ、大きな電力変換効率が得られて負荷側に大電力を送ることができる。
【０００７】
このような図５に示す構成のＣ級電力増幅器では、入力側整合回路２において、能動素子３の動作領域に対して負となるバイアス電圧（−Ｖｇｓ）が入力信号に付加される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の従来の電力増幅器では、動作点を非線形領域に置くことにより（即ち、Ｃ級増幅器とすることにより）、高効率化を図っていた。しかしながら、かかる従来の電力増幅器では、波形の大きな歪みは避けられないものであって、このような大きな波形の歪みの発生を避けながら、なおかつ電力変換効率を高めることができるようにした電力増幅器が望まれている。
【０００９】
また、電力増幅器の使用場所によっては、そのとき取り扱う入力信号に応じて、電力増幅器を非線形領域で動作させたい場合もあるし、線形領域で動作させたい場合もあるが、このような要望を満足させるような出力可変型の電力増幅器は望めるような状況にはない。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであって、その目的は、波形歪みの低減と電力変換効率とをともに達成することができるようにした出力可変型の電力増幅器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、入力信号の奇数次高調波成分を発生するとともにその出力をオン，オフする高調波発生回路と、高調波発生回路から出力される奇数次高調波成分を入力信号に合成して矩形波信号を出力し、高調波発生回路が奇数次高調波成分を出力しないときには、入力信号をそのまま出力する合成器と、この合成器の出力信号を増幅する能動素子とを備え、能動素子を選択的に線形増幅器と非線形増幅器とで動作させることを可能と下ものである。
【００１２】
また、高調波発生回路は、入力信号の奇数倍の周波数を生成する周波数コンバータと、周波数コンバータの出力信号を減衰する減衰器とからなり、入力信号の奇数次高調波成分を生成する高調波生成手段と、オン，オフ動作するスイッチとを備え、高調波生成手段で生成された奇数次高調波成分を、スイッチを介して、合成器に供給するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
図１は本発明による電力増幅器の一実施形態を示すブロック図であって、６は高調波発生回路、７は合成器であり、図５に対応する部分には同一符号を付けて重複する説明を省略する。
【００１４】
同図において、入力端子１から入力された信号Ａは合成器７に供給され、高調波発生回路６から供給される高調波成分と合成されて入力側整合回路２に供給される。この高調波発生回路６はこの入力信号Ａの奇数次の高調波成分を発生するものであって、入力信号Ａにかかる高調波成分が合成されることにより、合成器７からは入力信号Ａが矩形波信号Ｂに変換されて出力される。
【００１５】
この矩形波信号Ｂは入力側整合回路２を介して能動素子３に供給され、そこで増幅されて出力側整合回路４に出力されるが、この場合、入力側整合回路２において、その入力信号Ｂにゼロまたは正のバイアス電圧（＋Ｖｇｓ）が加えられることにより、能動素子３がＢ級もしくはＡＢ級増幅器として動作させようにしている。
【００１６】
また、高調波発生回路６から合成器７に高調波成分が供給されないときには、入力端子１からの入力信号Ａがそのまま合成器７を通り、入力側整合回路２で上記の同じバイアス電圧（＋Ｖｇｓ）が加えられて能動素子３に供給される。即ち、このバイアス電圧（＋Ｖｇｓ）は、ゼロまたは正の一定の電圧値に固定されている。
【００１７】
そこで、高調波発生回路６から合成器７に高調波成分が供給されないときには、入力端子１からの入力信号ＡがそのままＢ級もしくはＡＢ級増幅動作をする能動素子３で増幅されることになり、この場合には、能動素子３は入力信号Ａに波形がほぼ比例した信号を出力し、線形領域で動作する線形増幅器として機能する。このとき、能動素子３はＢ級もしくはＡＢ級増幅器として動作しているので、電力変換効率も比較的高いものとなっている。
【００１８】
これに対し、高調波発生回路６から合成器７に入力信号Ａの高調波成分が供給されるときには、この高調波成分が入力信号Ａに合成されたことにより、この入力信号Ａよりも振幅が大きい矩形波信号ＢがＢ級もしくはＡＢ級増幅器としての能動素子３に供給されることになる。このため、この矩形波信号Ｂのほぼ半周期の信号期間に能動素子３は飽和し、Ｃ級増幅器と同様なスイッチング動作を行なって立上り，立下りが急峻な矩形波信号を出力する。即ち、能動素子３は、その出力信号が入力信号Ａに比例しない非線形領域で動作する非線形増幅器として機能する。
【００１９】
能動素子３がこのように非線形増幅器として機能するときには、上記従来のＣ級増幅器と同様、図２に示すように動作する。即ち、Ｂ級もしくはＡＢ級増幅器としての能動素子３は矩形波信号Ｂのほぼ半周期毎に動作するものであるが、この能動素子３がバイポーラトランジスタであることを例にすると、矩形波信号Ｂの半周期の信号期間では、理想的には、コレクタ−エミッタ間が飽和（オン）してコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥがゼロとなり、コレクタ電流ＩＣが流れる。矩形波信号Ｂの他のほぼ半周期の期間では、コレクタ−エミッタ間がオフしてコレクタ電流ＩＣはゼロとなり、コレクタ−エミッタ間にゼロでない電圧ＶＣＥが生ずることになる。そして、このようにコレクタ電流ＩＣとコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥが時間的に重なり合わないときには、このパイポーラトランジスタ３での消費電力はゼロとなり、電圧変換効率は１００％となる。このことは、能動素子３がＦＥＴの場合も、同様である。
【００２０】
しかしながら、実際には、能動素子３には、ＯＮ抵抗（例えば、ＦＥＴの場合、それがＯＮしたときのドレイン−ソース間のゼロでない抵抗やバイポーラトランジスタの場合、それがＯＮしたときのコレクタ−エミッタ間にゼロでない抵抗）が存在するし、また、合成器７で得られる矩形波信号Ｂも、完全な矩形波とはならないため、例えば、バイポーラトランジスタの場合、コレクタ電流ＩＣが流れる矩形波信号Ｂのほぼ半周期の期間でも、その一部の期間でコレクタ−エミッタ間にゼロでない電圧ＶＣＥが生ずることになる。図２で言えば、電圧ＶＣＥの期間と電流ＩＣとの期間とが一部重なり合うことになり、この重なり期間で電力の消費が生ずることになる。
【００２１】
このため、能動素子３を非線形増幅器として動作させる場合においても、そこでの電力の消費があるが、その消費電力はわずかなものであり、このため、線形増幅器として動作させる場合に比べ、電圧変換効率は大きいものとなる。
【００２２】
以上のように、この実施形態では、高調波発生回路６での高調波成分の出力制御を行なうことにより、バイアス電圧を変化させることなく、能動素子３を線形増幅器としても、また、非線形増幅器としても機能させることができ、出力可変型の電力増幅器とすることができる。
【００２３】
図３は図１における高調波発生回路６の一具体例を示すブロック図であって、８，９は周波数コンバータ、１０，１１は減衰器、１２は合成器、１３はスイッチ、１４は遅延回路であり、図１に対応する部分には同一符号を付けて重複する説明を省略する。
【００２４】
また、図４は図３の各部の信号を示す波形図であって、図３に対応する信号には同一符号を付けている。
【００２５】
図３及び図４において、入力端子１から入力された周波数ｆＣ　の入力信号Ａは、遅延回路１４で遅延されて合成器７に供給されるとともに、高調波発生回路６にも供給される。
【００２６】
高調波発生回路６では、入力信号Ａが周波数コンバータ８に供給されて周波数が３逓倍され、さらに、減衰器１０に供給されて振幅が１／３倍に減衰される。これにより、この減衰器１０からは、入力信号Ａの周波数の３倍の周波数３ｆＣで振幅がその１／３倍の信号Ｃが入力信号Ａの３次高調波成分として得られる。また、入力信号Ａは周波数コンバータ９にも供給されて周波数が５逓倍され、さらに、減衰器１１に供給されて振幅が１／５倍に減衰される。これにより、この減衰器１１からは、入力信号Ａの周波数の５倍の周波数５ｆＣで振幅がその１／５倍の信号Ｄが入力信号Ａの５次高調波成分として得られる。これら３次高調波成分Ｃと５次高調波成分Ｄとが合成器１２で合成される。
【００２７】
スイッチ１３は、能動素子３（図１）を非線形増幅器として動作させるとき、閉じて（オンして）おり、線形増幅器として動作させるときには、開いて（オフして）いる。このスイッチ１３がオンしているときには、合成器１２からの高調波成分Ｃ，Ｄの合成信号がスイッチ１３を介して合成器７に供給される。一方、入力信号Ａは、遅延回路１４により、高調波発生回路６での処理時間に等しい時間遅延されて合成器７に供給され、合成器１２からの合成信号と合成される。これにより、合成器７からは矩形波信号Ｂが得られる。
【００２８】
このようにして、この具体例では、入力信号Ａを矩形波信号に変換して入力側整合回路２に供給することができる。能動素子３（図１）を線形増幅器として動作させる場合には、スイッチ１３はオフ状態に設定される。これにより、入力端子１からの入力信号Ａは、遅延回路１４と合成器７とを介し、そのまま入力側整合回路２に供給される。従って、このスイッチ１３は、入力信号Ａとこれを変換した矩形波信号とのいずれかを選択して能動素子３に供給する機能を備えている。
【００２９】
ここで、この具体例では、入力映像信号Ａの高調波成分として、３次高調波成分Ｃと５次高調波成分Ｄとの２種類の高調波成分を用いたが、１つの奇数次高調波成分、例えば、３次高調波成分のみを用いるようにしてもよい。しかし、使用する奇数次高調波成分の種類が少ないときには、そのときの合成器７の出力信号Ｂは、矩形波形状をなすものの、ある程度振幅が変動する波形の矩形波信号となっており、これが、わずかではあるが、非線形増幅器として動作させる能動素子３（図１）での電圧変換効率を低下させる原因となる場合がある。これを防止するためには、さらに高次の奇数次高調波成分を生成して入力信号Ａに合成するようにすればよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バイアス電圧を一定に保ちながら、線形増幅機能と非線形増幅機能との切り替えを可能とした出力可変型の電力増幅器を提供することができ、必要に応じて、これらいずれか一方の増幅機能で使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電力増幅器の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示す実施形態の非線形増幅動作時での能動素子におけるコレクタ−エミッタ間の電圧とコレクタ電流との理想的なタイミング関係を示す図である。
【図３】図１における高調波発生回路の一具体例を示すブロック図である。
【図４】図４の各部の信号を示す波形図である。
【図５】Ｃ級電力増幅器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１　入力端子
２　入力側整合回路
３　能動素子
４　出力側整合回路
５　出力端子
６　高調波発生回路
７　合成器
８，９　周波数コンバータ
１０，１１　減衰器
１２　合成器
１３　スイッチ
１４　遅延回路
【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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