(57)【要約】【課題】  増幅対象となる基本波信号を能動素子３により増幅する増幅器で、高効率化を実現する。【解決手段】  増幅対象となる基本波信号に対する奇数次の高調波信号を発生させる奇数次高調波信号発生回路Ａ１〜ＡＮと、奇数次高調波信号発生回路Ａ１〜ＡＮにより発生させられる奇数次の高調波信号を増幅対象となる基本波信号と合成して矩形波信号を生成する矩形波信号生成回路Ｂ１〜ＢＮ、１と、矩形波信号生成回路Ｂ１〜ＢＮ、１により生成される矩形波信号を増幅する能動素子３と、能動素子３の出力端から負荷側を見た場合における奇数次の高調波信号に対するインピーダンスの値を無限大とするとともに偶数次の高調波信号に対するインピーダンスの値をゼロとするインピーダンス調整回路４を備えた。【選択図】  図１
2005204208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅対象となる基本波信号を能動素子により増幅する増幅器において、
増幅対象となる基本波信号に対する奇数次の高調波信号を発生させる奇数次高調波信号発生回路と、
奇数次高調波信号発生回路により発生させられる奇数次の高調波信号を増幅対象となる基本波信号と合成して矩形波信号を生成する矩形波信号生成回路と、
矩形波信号生成回路により生成される矩形波信号を増幅する能動素子と、
能動素子の出力端から負荷側を見た場合における奇数次の高調波信号に対するインピーダンスの値を無限大とするとともに偶数次の高調波信号に対するインピーダンスの値をゼロとするインピーダンス調整回路と、
を備えたことを特徴とする増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、高周波信号を増幅する非線形な電力増幅器に関し、特に、高効率化を実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力増幅器の高効率化を行う場合には、非線形な増幅器では、例えば、Ｃ級増幅器や、Ｄ級、Ｅ級、Ｆ級、Ｓ級等のスイッチング増幅器などが使用されていた。
一例として、図３には、Ｃ級の電力増幅器の構成例を示してある。
本例の電力増幅器は、入力端及び逆バイアスであるゲート−ソース間電圧（−Ｖｇｓ）端が接続される入力整合回路１１と、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effective Transistor）などのトランジスタ（Transistor）から構成される能動素子１２と、出力端及びドレイン−ソース間電圧（Ｖｄｓ）端が接続される出力整合回路１３とが直列に接続されて構成されている。このように、Ｃ級増幅器では、入力側に逆バイアスを印加して、能動素子１２の動作点を非線形領域におくことで、高効率化を図っている。
【０００３】
なお、従来の電力増幅器では、高効率での動作を実現するために、増幅対象となる高周波信号及びその高調波信号に対するインピーダンスを考慮した整合回路を備えることが行われていた。また、電力増幅器では、例えば、能動素子である増幅素子の出力端で負荷側を見たときに、偶数次の高調波信号に対してはインピーダンスをゼロとするとともに、奇数次の高調波信号に対してはインピーダンスを無限大とすることにより、理想的には、素子のドレイン効率を１００％にすることができる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２９８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｃ級増幅器では、理論上の電力効率が１００％であるときには、能動素子１２の出力電流波形の流通角が０度（°）となるため、結果として、負荷に電力を供給することができないという欠点がある。
本発明は、このような従来の事情に鑑み為されたもので、例えば、高周波信号を増幅する非線形な電力増幅器などにおいて、高効率化を実現することができる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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る増幅器では、次のような構成により、増幅対象となる基本波信号を能動素子により増幅する。
すなわち、奇数次高調波信号発生回路が増幅対象となる基本波信号に対する奇数次の高調波信号を発生させ、矩形波信号生成回路が奇数次高調波信号発生回路により発生させられる奇数次の高調波信号を増幅対象となる基本波信号と合成して矩形波信号を生成し、能動素子が矩形波信号生成回路により生成される矩形波信号を増幅する。また、インピーダンス調整回路が、能動素子の出力端から負荷側を見た場合における奇数次の高調波信号に対するインピーダンスの値を無限大とするとともに偶数次の高調波信号に対するインピーダンスの値をゼロとする。
従って、例えば、Ｃ級増幅器と比べて、理論上の電力効率が１００％であるときにおいても、負荷に最大電力を供給することが可能であり、これにより、例えば、高周波信号を増幅する非線形な電力増幅器などにおいて、高効率化を実現することができる。
【０００７】
ここで、基本波信号としては、種々な信号が用いられてもよい。
また、基本波信号の周波数としては、種々な周波数が用いられてもよく、例えば、高周波数が用いられる。
また、矩形波信号の波形としては、種々な矩形が用いられてもよい。
また、能動素子としては、種々なものが用いられてもよく、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのトランジスタ（Transistor）から成る増幅素子が用いられる。一例として、電力増幅器が用いられる。また、一例として、高周波用の非線形なものが用いられる。
また、奇数次高調波信号発生回路により発生させる奇数次の高調波信号としては、例えば、３次、５次、７次、・・・の高調波信号があり、例えば、Ｎを１以上の整数として、３次から上限値である｛（２Ｎ＋１）｝次までの高調波信号が用いられてもよい。
また、矩形波信号生成回路は、例えば、奇数次高調波信号発生回路により発生させられる奇数次の高調波信号の振幅と位相の一方又は両方を制御する奇数次高調波信号制御回路と、奇数次高調波信号制御回路により制御された奇数次の高調波信号と増幅対象となる基本波信号とを合成する合成回路を用いて構成される。
また、インピーダンス調整回路としては、種々な回路が用いられてもよい。
また、本発明は、例えば、無線或いは有線の送信用の増幅器として構成される。なお、種々な通信システムや通信装置に適用されてもよい。
また、本発明は、例えば、Ｂ級動作のためのバイアス制御が為されて構成される。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明に係る増幅器によると、増幅対象となる基本波信号に対する奇数次の高調波信号を発生させ、当該奇数次の高調波信号を増幅対象となる基本波信号と合成して矩形波信号を生成し、当該矩形波信号を能動素子により増幅し、当該能動素子の出力端から負荷側を見た場合における奇数次の高調波信号に対するインピーダンスの値を無限大とするとともに偶数次の高調波信号に対するインピーダンスの値をゼロとするようにしたため、例えば、高周波信号を増幅する非線形な電力増幅器などにおいて、高効率化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係る一実施例を図面を参照して説明する。
図１（Ａ）には、本発明の一実施例に係る電力増幅器の構成例を示してある。本例の電力増幅器は、高周波の送信波信号を増幅する送信用の増幅器であり、非線形な増幅器である。また、本例の電力増幅器は、例えばＣ級動作とは違い、バイアスの印加をＢ級で行う。
同図（Ａ）に示されるように、本例の電力増幅器は、入力端（Ｉｎｐｕｔ）と、合成器１と、入力側の整合回路（入力整合回路）２と、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのトランジスタから構成される能動素子３と、λ／４長線路４と、同調回路５と、出力端（Ｏｕｔｐｕｔ）を直列に接続して構成されている。また、入力整合回路２にはＢ級のプラス（＋）バイアスであるゲート−ソース間電圧（＋Ｖｇｓ）が印加されており、λ／４長線路にはドレイン−ソース間電圧（Ｖｄｓ）が印加されている。
また、本例の電力増幅器は、１又は複数であるＮ個の高調波発生器Ａ１〜ＡＮと、Ｎ個の制御器Ｂ１〜ＢＮを備えている。各高調波発生器Ａ１〜ＡＮは各制御器Ｂ１〜ＢＮを介して合成器１と接続されている。
【００１０】
本例の電力増幅器により行われる動作の一例を示す。
例えば、高い周波数ｆを有する増幅対象となる信号（基本波信号）が入力端に入力されて合成器１に入力される。
各高調波発生器Ａｉ（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）は、それぞれ、周波数（２ｉ＋１）ｆを有する信号を発生させて各制御器Ｂ１〜ＢＮへ出力する。ここで、各高調波発生器Ａ１〜ＡＮから出力される信号は、基本波信号から見て、奇数次（つまり、（２ｉ＋１）次）の高調波信号に相当する。
なお、図１（Ｂ）には、周波数ｆを有する基本波信号と、周波数３ｆを有する３次の高調波信号と、周波数５ｆを有する５次の高調波信号の一例を示してある。
各制御器Ｂ１〜ＢＮは、各高調波発生器Ａ１〜ＡＮから入力される信号の振幅Ａと位相φとの一方又は両方を変化させる機能を有しており、当該変化後の信号を合成器１へ出力する、或いは、当該変化が不要である場合には、各高調波発生器Ａ１〜ＡＮから入力される信号をそのまま合成器１へ出力する。ここで、各制御器Ｂ１〜ＢＮは、例えば、信号の振幅Ａを変化させる固定減衰器又は可変減衰器等を用いて構成され、或いは、信号の位相φを変化させる固定移相器又は可変移相器等を用いて構成され、或いは、当該減衰器等と当該移相器等の両方を用いて構成される。
【００１１】
合成器１は、入力端から入力される基本波信号と、各制御器Ｂ１〜ＢＮから入力される奇数次の高調波信号を合成し、当該合成結果の信号を入力整合回路２へ出力する。ここで、本例では、合成器１から出力される合成結果の信号が矩形波信号となるように、各高調波発生器Ａ１〜ＡＮによる信号発生状態や、各制御器Ｂ１〜ＢＮによる信号制御状態が設定や調整されている。なお、矩形波をフーリエ級数展開すると、基本波信号と当該基本波信号に対して３次、５次等の奇数次の高調波成分の信号とを合成することで、入力を理想的な矩形波とすることができることがわかる。
入力整合回路２は、整合を取る機能を有しており、合成器１から入力される矩形波信号を能動素子３へ出力する。
能動素子３は、本例では増幅素子であり、入力整合回路２から入力される矩形波信号を増幅してλ／４長線路４へ出力する。ここで、本例では、能動素子３への入力電圧波形が矩形波となることから、当該能動素子３はスイッチング動作を行う。
【００１２】
λ／４長線路４は、基本波信号の波長λに対して長さが１／４となる（つまり、実際の長さがλ／４となる）５０オーム（Ω）系の伝送線路であり、能動素子３から入力される信号を同調回路５へ出力する。ここで、このようなλ／４長線路４を能動素子３の出力端に接続することにより、当該能動素子３の出力端（例えば、能動素子３がＦＥＴである場合には、ドレイン−ソース間）から負荷側を見たときに、奇数次の高調波成分の信号に対してはインピーダンスが無限大（∞）オーム（Ω）となり、偶数次の高調波成分の信号に対してはインピーダンスがゼロ（０）オーム（Ω）となることを実現することができる。これにより、奇数次の高調波成分の信号は能動素子３の出力側に全反射することとなり、偶数次の高調波成分の信号は減衰することとなり、能動素子３の出力で理想的なスイッチング動作を行うことができる。
同調回路５は、例えばコイルやコンデンサから構成されており、所定の周波数成分の信号を選択的に抽出する機能を有しており、λ／４長線路４から入力される信号に含まれる所定の周波数成分の信号を抽出して出力端へ出力する。
【００１３】
図２には、本例における理想的な能動素子３の出力電圧の波形の一例及び出力電流の波形の一例を示してある。
同図に示されるように、本例の能動素子３からの出力では、電圧が印加されているときには電流がゼロとなり、電流が能動素子３を流れるときには電圧がゼロとなり、つまり、非ゼロな電圧波形と非ゼロな電流波形とは時間的に重なり合わない。このように、電圧は奇数次の高調波成分から成る矩形波となり、電流は基本波信号と偶数次の高調波成分から成る半波整流波形信号となり、電圧と電流とが同時に存在することが無いため、能動素子３内での消費電力が無くなり、効率が１００％となる。
このように、本例の電力増幅器では、能動素子３における消費電力が０Ｗとなり、理論上の電力効率が１００％となる。ここで、本例の電力増幅器では、例えばＣ級増幅器とは異なり、理論上の電力効率が１００％であるときにおいても、負荷に電力を供給することができる。
なお、実際の回路では、能動素子３の出力端（例えば、能動素子３がＦＥＴである場合には、ドレイン−ソース間）にはオン抵抗（ＯＮ抵抗）が存在するため、上記のように効率が１００％となることはなく、また、出力の電圧波形は完全な矩形波とはならないため、この点で電圧波形と電流波形とが時間的に重なり合う部分が生じて、この部分で電力を消費して効率劣化の原因となり得る。このようなことはあるが、本例の電力増幅器では、実用上で十分な性能を得ることが可能であり、例えばＣ級増幅器と比べて電力効率を向上させることが可能である。
【００１４】
以上のように、本例の電力増幅器では、入力段において基本波信号に対して３次、５次等の奇数次の高調波成分の信号を発生させる高調波発生器Ａ１〜ＡＮと、当該高調波成分の信号を制御する制御器Ｂ１〜ＢＮと、当該制御後の高調波成分の信号と基本波信号とを合成する合成器１と、ＦＥＴ等のトランジスタなどの能動素子３と、能動素子３を高効率で動作させるためのインピーダンス変換回路（本例では、入力整合回路２や、λ／４長線路４）と、必要な信号成分のみを取り出すためのフィルタ回路（本例では、同調回路５）を備えた回路構成を有し、基本波信号及び奇数次の高調波成分の信号のみを能動素子３に入力して、当該能動素子３に入力する電圧波形を矩形波にすることにより、高周波の非線形電力増幅器の高効率化を図っている。
つまり、本例の電力増幅器では、入力側に矩形波を発生させるための回路を設けることにより、能動素子３をスイッチング動作させるとともに、能動素子３の電源電圧を制御することにより、当該能動素子３の出力における電圧波形と電流波形とが時間的に重なり合う面積を低減して、高効率化を実現している。これにより、例えば、理論上の電力効率が１００％であるときにおいても、負荷に最大の高周波電力を供給することができ、高周波の非線形電力増幅器の高効率化を実現することができる。
【００１５】
従って、本例の電力増幅器では、奇数次の高調波信号を発生させる回路により、例えば、Ｆ級増幅器よりも理想的な矩形波を実現することができ、これにより、理想的なスイッチング動作を実現することができる。また、本例の電力増幅器では、例えば、Ｃ級増幅器と比べて、理論上の電力効率が１００％であるときにおいても、負荷に最大電力を供給することが可能であり、大幅な電力効率の向上を実現することが可能である。なお、本例の電力増幅器では、例えば、電力効率を決定するパラメータの大半が能動素子３のオン抵抗のみによって決まり、他のパラメータによる電力効率の低下が少ない。
なお、本例の電力増幅器では、高調波発生器Ａ１〜ＡＮの回路により奇数次高調波信号発生回路が構成されており、奇数次高調波信号制御回路を構成する制御器Ｂ１〜ＢＮの回路や合成回路を構成する合成器１の回路により矩形波信号生成回路が構成されており、λ／４長線路４の回路によりインピーダンス調整回路が構成されている。また、本例の電力増幅器では、入力整合回路２や、同調回路５を備えている。
【００１６】
ここで、本発明に係る増幅器などの構成としては、必ずしも以上に示したものに限られず、種々な構成が用いられてもよい。また、本発明は、例えば、本発明に係る処理を実行する方法或いは方式や、このような方法や方式を実現するためのプログラムや当該プログラムを記録する記録媒体などとして提供することも可能であり、また、種々な装置やシステムとして提供することも可能である。
また、本発明の適用分野としては、必ずしも以上に示したものに限られず、本発明は、種々な分野に適用することが可能なものである。
また、本発明に係る増幅器などにおいて行われる各種の処理としては、例えばプロセッサやメモリ等を備えたハードウエア資源においてプロセッサがＲＯＭ（Read Only Memory）に格納された制御プログラムを実行することにより制御される構成が用いられてもよく、また、例えば当該処理を実行するための各機能手段が独立したハードウエア回路として構成されてもよい。
また、本発明は上記の制御プログラムを格納したフロッピー（登録商標）ディスクやＣＤ（Compact Disc）−ＲＯＭ等のコンピュータにより読み取り可能な記録媒体や当該プログラム（自体）として把握することもでき、当該制御プログラムを当該記録媒体からコンピュータに入力してプロセッサに実行させることにより、本発明に係る処理を遂行させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（Ａ）は本発明の一実施例に係る電力増幅器の構成例を示す図であり、（Ｂ）は基本波信号及び奇数次の高調波信号の一例を示す図である。
【図２】理想的な能動素子の出力電圧及び出力電流の波形の一例を示す図である。
【図３】Ｃ級の電力増幅器の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１・・合成器、  ２、１１・・入力整合回路、  ３、１２・・能動素子、  ４・・λ／４長線路、  ５・・同調回路、  １３・・出力整合回路、  Ａ１〜ＡＮ・・高調波発生器、  Ｂ１〜ＢＮ・・制御器、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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