(57)【要約】  【課題】  負荷整合状態で効率が低下することなく、アンテナが破壊または欠損した場合の負荷変動時に過電流による破壊を防止できる電力増幅器モジュールを提供する。  【解決手段】  帰還電力を調整するインピーダンス変換回路１５と、インピーダンス変換回路からの電力をその移相を逆相にする移相器１６とから成る帰還回路の入力端子を、終段増幅器１３からの出力信号の通過位相が９０度〜２７０度となるように、負荷整合回路１４の内部ノードまたは出力側の外部ノードに接続して、出力電力の一部を入力整合回路１２の内部ノードまたは前段増幅器１１の入力端子に負帰還する。これにより、負荷不整合時に帰還回路の入力インピーダンスと負荷インピーダンスとの差が小さくなり、帰還電力を増やしてアンテナ８への出力電力を抑制することができる。【選択図】  図１
2005328194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタを増幅用素子として構成された高周波信号の電力増幅器が直列に多段接続された主電力増幅回路と、
前記主電力増幅回路の終段増幅器の入力インピーダンスとのインピーダンス整合を行う入力整合回路と、
前記終段増幅器からの出力信号を受けて負荷とのインピーダンス整合を行う負荷整合回路と、
前記主電力増幅回路の前段増幅器の入力端子または前記入力整合回路の内部ノードと、前記負荷整合回路の内部ノードまたは出力側の外部ノードとの間で、前記終段増幅器からの出力信号の通過位相が９０度から２７０度の範囲となる位置に設けられ、電力増幅器モジュールの出力側から入力側へと帰還される電力の調整を行うインピーダンス変換回路と、
前記出力側の電力を、位相を逆相にして前記入力側に負帰還する移相器とを備えた電力増幅器モジュール。
【請求項２】
前記電力増幅器モジュールはさらに、負帰還される電力を増幅する帰還増幅器を備えた請求項１記載の電力増幅器モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線装置に用いられる電力増幅器モジュールに係わり、特に電力増幅器モジュールの破壊防止技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、無線装置には、情報を重畳した搬送波を空間に放射するために、信号を十分な大きさまで増幅する電力増幅器モジュールと、放射するためのアンテナとを備えている。
【０００３】
このアンテナは、効率よく送受信が行えるよう、送受信使用周波数帯域で整合がなされている。そして、この整合がなされている状態では、電力増幅器モジュールの出力信号は全て放射され反射波は発生しないが、アンテナがなんらかの原因により、破壊もしくは欠損した場合、負荷変動が生じることで電力増幅器モジュールとアンテナは不整合な状態となり、電力増幅器モジュールの出力端子からアンテナへの入力信号の一部が反射波となり逆に電力増幅器モジュールの出力端子に入力される。
【０００４】
この結果、アンテナ端より反射してきた電力が重畳され、この電力の一部が電力増幅器モジュールで熱となって消費される。そのため、異常な温度上昇による熱暴走の結果、電力増幅器モジュールにて過電流が発生し、最悪の場合には破壊に至る。
【０００５】
また、電力増幅器モジュールの利得、出力電力、消費電流は電力増幅器モジュールの負荷状態で決定されるが、アンテナの整合状態が変動した場合、電力増幅器モジュールの負荷状態も変動し、取りうる整合状態によっては過電流が発生し、同様に最悪の場合には破壊に至る。
【０００６】
これらより、電力増幅器モジュールの破壊を防止するためには、出力電力を常に監視することで電力増幅器モジュールの異常な電流上昇を検知し、それに応じて電源電圧を制御することで破壊を防止することが有効な手段となっていた。
【０００７】
このため、従来技術では、反射波が電力増幅器に入力されないようにアイソレータが設けられていたが、アイソレータは高価であることと、その他の受動部品と比べ形状が大きいために、小型化を阻害し、通過損失による効率の低下をもたらすなどの問題があった。これらの問題を解決するために、電力増幅器モジュールの内部回路にて、出力整合回路に結合器等を形成し、出力電力を常に監視し破壊に至るような過電流状態となる場合に結合器に接続された制御回路により電源電圧の抑制を行うことで、破壊を防止する手法などが行われてきた。
【０００８】
また、結合器を用いた破壊防止回路が設けられた電力増幅器モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。以下、かかる従来の電力増幅器モジュールについて、図６を参照して説明する。図６は、従来の電力増幅器モジュールの構成を示す回路ブロック図である。
【０００９】
図６において、従来の電力増幅器モジュール１００は、初段増幅器（ＡＭＰ＿Ａ）１０２ａと次段増幅器（ＡＭＰ＿Ｂ）１０２ｂの２段構成をとる電力増幅器１０２と、方向性結合器（ＣＯＵＰ）１０３と、倍電圧検波回路（ＤＥＴ）１０４と、比較器（ＣＯＭＰ）１０５、スイッチ１０６と、終端抵抗１０７とから構成されている。また、電力増幅器モジュール１００の出力端子には、送受信を切り替えるスイッチ（ＳＷ）７を介して、アンテナ８、受信回路１０が接続され、また、比較器１０５を制御するマイクロコンピュータ（μＣＯＭ）９が設けられている。
【００１０】
この構成において、アンテナ８に破壊もしくは欠損が生じ電力が反射された場合、反射波の一部が方向性結合器１０３により検出され、倍電圧検波回路１０４により検波された電圧が、比較器１０５において、マイクロコンピュータ９により設定される基準値Ｖｒｅｆと比較され、マイクロコンピュータ９は、比較結果を受けて反射波のレベルが基準値以上であると判定した場合、電源Ｂと電力増幅器１０２を接続するスイッチ１０６を開放することで、過電流が抑制され破壊が未然に防止される。
【特許文献１】特開２０００−３４１１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記従来例は、電力増幅器モジュールの破壊を未然に防止する手法として、結合器により反射波を検出し電源電圧の制御を行っている。このような手法をとる場合、アンテナが破壊もしくは欠損しておらず整合がとられた状態においても、結合器は出力電力を消費するため出力電力の損失となり、効率の低下を招いてしまう。
【００１２】
また、電源電圧の制御を行うために、電源電圧と電力増幅器との間にスイッチ等の制御素子を直列に挿入する必要がある。このような、スイッチ等の電源電圧を制御する素子には寄生抵抗が存在する。これにより、高出力が必要とされる無線環境において、電力増幅器モジュールの出力電力が増大し供給される電流が大きくなった場合、スイッチ等で消費される電力が大きくなるため、信号増幅に寄与しない電力が増大し、電力増幅器モジュールの効率が低下することとなる。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷整合状態で効率が低下することなく、アンテナが破壊もしくは欠損した場合の負荷変動時（不整合状態時）に過電流による破壊を防止することができる電力増幅器モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するため、本発明に係る電力増幅器モジュールは、帰還回路を使用することで過電流による破壊を防止する。また、通常では、帰還回路の接続位置は終段増幅器の出力端子であるが、本発明に係る電力増幅器モジュールでは、帰還回路は、終段増幅器の出力端子からの出力信号の通過位相が９０度〜２７０度となるように、負荷整合回路の内部ノードもしくは負荷整合回路の出力端子より外部のノードに接続される。
【００１５】
この構成により、過電流となる条件においてのみ帰還回路による帰還量が増大し、出力電力は低減され、過電流を抑制でき破壊を防止することができる。また、スイッチ等の電源制御素子や結合器等を使用することなく過電流を抑制できるため、電力増幅器モジュールの電力損失を低減することが可能である。
【００１６】
帰還回路を挿入した電力増幅器モジュールの場合、終段増幅器から出力された電力は、帰還回路を介して信号増幅器回路の入力側に帰還される電力とアンテナから出力される電力とに分配される。この分配される電力は、帰還回路とアンテナ側の入力インピーダンスの比により決定される。また、アンテナが破壊もしくは欠損し電力増幅器モジュールに負荷変動が生じ過電流となる条件は、電力増幅モジュールの終段増幅器の負荷インピーダンスが、整合がなされた状態よりも低くなった場合であり、すなわち帰還回路の入力インピーダンスと負荷回路側のインピーダンスとの比が大きくなる場合である。このことから、通常のような帰還回路を終段増幅器の出力端子に接続する方法では、過電流となる負荷条件において、帰還回路に入力される電力が低下するために破壊を防止することは出来ない。
【００１７】
この対策として、帰還回路の入力端子を、終段増幅器からの出力信号の通過位相が９０度〜２７０度となるように、負荷整合回路の内部ノードまたは出力側の外部ノードに接続することで、破壊を防止することができる。これは、過電流が流れる負荷インピーダンスが低くなる条件において、上記の通過位相を有する位置に帰還回路を接続することで、インピーダンス変換が行われ、整合がなされた状態よりも負荷整合回路の出力端子は高いインピーダンスとなる。このことから、帰還回路との入力インピーダンスの差は小さくなり、帰還される電力は増大し、出力電力が抑制され、過電流による破壊を防止することが可能となる。
【００１８】
従って、本発明に係る電力増幅器モジュールは、破壊防止策として帰還回路を有し、帰還回路の入力端子を、通常の終段増幅器の出力端子ではなく、終段増幅器からの出力信号の通過位相が９０度〜２７０度となる位置に接続したことをもっとも主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、負荷整合状態で効率が低下することなく、アンテナが破壊もしくは欠損した場合の負荷変動時（不整合状態時）に帰還電力を増大させることで、過電流による破壊を防止することが可能になる、という格別な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力増幅器モジュールの一構成例を示す回路ブロック図である。
【００２２】
図１において、電力増幅器モジュール１は、多段の電力増幅用素子を有する前段増幅器（ＡＭＰ＿Ｐ）１１と、終段増幅器（終段トランジスタ）１３の入力インピーダンスとのインピーダンス整合を行う入力整合回路１２と、終段増幅器１３と、終段増幅器１３からの出力信号を受けて負荷とのインピーダンス整合を行う負荷整合回路１４と、終段増幅器１３からの出力信号の通過位相が９０度から２７０度の範囲となる位置に設けられ、帰還される電力の調整を行うインピーダンス変換回路１５と、インピーダンス変換回路１５からの電力を、その位相を逆相にして入力側に負帰還する移相器１６とで構成される。ここで、前段増幅器１１と終段増幅器１３とで主電力増幅回路が構成される。また、インピーダンス変換回路１５と移相器１６とで帰還回路が構成される。
【００２３】
なお、本実施形態では、電力増幅用素子としてバイポーラトランジスタを用いているが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ等を用いても良い。
【００２４】
また、電力増幅器モジュール１Ａを駆動するための電圧を供給するコレクタ側の電源端子１ｃとベース側の電源端子１ｄ、電力増幅器モジュール１Ａへの信号の入力端子１ａと信号の出力端子１ｂが設けられている。増幅された信号を出力する出力端子１ｂは、送信回路からの信号と受信回路（不図示）への信号を切り替えるスイッチ（ＳＷ）７を介してアンテナ８に接続される。
【００２５】
また、インピーダンス変換回路１５は、前段増幅器１１の入力端子または入力整合回路１２の内部ノードと、負荷整合回路１４の内部ノードまたは出力側の外部ノードとの間で、終段増幅器１３からの出力信号の通過位相が９０度から２７０度の範囲となる位置に設けられる（図中、前段増幅器１１の入力端子への接続ラインおよび負荷整合回路１４の出力側の外部ノードへの接続ラインを破線で示し、入力整合回路１２の内部ノードへの接続ラインおよび負荷整合回路１４の内部ノードへの接続ラインを実線で示す）。
【００２６】
移相器１６は、インピーダンス変換回路１５からの出力電力を、その位相を逆相にして、入力整合回路１２の内部ノードまたは前段増幅器１１の入力端子に供給する。
【００２７】
以上の構成により、アンテナ８に破壊もしくは欠損が生じ、過電流となる負荷インピーダンスの条件となった場合、移相器１６に入力される電力が増大し、入力整合回路１２へ負帰還がかけられることで、入力電力を抑制し、出力電力を抑えることで、過電流による破壊を防止することが出来る。
【００２８】
以下、図１に示すインピーダンス変換回路１５について、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃおよび図２Ｄを参照しながら説明を行う。
【００２９】
インピーダンス変換回路１５は、抵抗または複数の素子によって構成され、帰還に必要となる電力の調整を行う。インピーダンス変換回路１５は、図２Ａに示す単一の抵抗、図２Ｂに示す単一のインダクタ、図２Ｃに示す単一のコンデンサ、および図２Ｄに示す抵抗のπ型回路として構成され、帰還に必要となる電力の調整を行う。
【００３０】
以下、図１に示す移相器１６について、図３Ａおよび図３Ｂを参照しながら説明を行う。
【００３１】
移相器１６は、出力電力の位相と入力電力の位相を逆相にする回路構成をとる。すなわち、移相器１６は、図３Ａに示す伝送線路（ＴＬ）、図３Ｂに示すインダクタで構成され、負帰還となるように位相の調整を行う。
【００３２】
また、インピーダンス変換回路１５の接続位置は、終段増幅器１３からの出力信号の通過位相が９０度から２７０度の範囲であれば出力電力を抑制できるため、図１中に破線で示すように、負荷整合回路１４の出力側の外部ノードであっても上記通過位相の範囲であれば、電力増幅器モジュールの破壊を防止することができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る電力増幅器モジュールの一構成例を示す回路ブロック図である。なお、図４において、第１の実施形態の説明で参照した図１と同じ構成および機能を有する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３４】
本実施形態の電力増幅器モジュール１Ｂが、第１の実施形態の電力増幅器モジュール１Ａと異なるのは、移相器１６からの出力信号を増幅して入力整合回路１２の内部ノードまたは前段増幅器１１の入力端子に供給する帰還増幅器１９を設けた点にある。以下では主に、この相違点について説明する。
【００３５】
帰還増幅器１９を設けることで、帰還回路に入力される電力を低減することができ、出力電力の損失を低減し、効率の低下を防止することができる。
【００３６】
図５は、図４に示す帰還増幅器１９の内部構成を示す回路図である。図５において、帰還増幅器１９は、電力増幅用素子１９ｅと、ベース側結合コンデンサ１９ａと、コレクタ側結合コンデンサ１９ｂと、ベース側バイアス回路（ＢＩＡＳ＿Ｂ）１９ｃと、コレクタ側バイアス回路（ＢＩＡＳ＿Ｃ）１９ｄとで構成される。
【００３７】
なお、本実施形態では、電力増幅用素子としてバイポーラトランジスタを用いているが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ等を用いても良い。また、ベース側バイアス回路１９ｃのバイアス調整により電力増幅用素子をＣ級動作とすることで、負荷変動時以外での電力消費をなくし、効率の低下を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る電力増幅器モジュールは、負荷整合状態で効率が低下することなく、アンテナが破壊もしくは欠損した場合の負荷変動時（不整合状態時）に過電流による破壊を防止することができるという利点を有し、小型で信頼性の高い携帯機器等の用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力増幅器モジュールの一構成例を示す回路ブロック図
【図２Ａ】図１のインピーダンス変換回路１５の構成要素として抵抗を示す回路図
【図２Ｂ】図１のインピーダンス変換回路１５の構成要素としてインダクタを示す回路図
【図２Ｃ】図１のインピーダンス変換回路１５の構成要素としてコンデンサを示す回路図
【図２Ｄ】図１のインピーダンス変換回路１５の構成要素として抵抗のπ型回路を示す回路図
【図３Ａ】図１の移相器１６の構成要素として伝送線路を示す回路図
【図３Ｂ】図１の移相器１６の構成要素としてインダクタを示す回路図
【図４】本発明の第２の実施形態に係る電力増幅器モジュールの一構成例を示す回路ブロック図
【図５】図４の帰還増幅器１９の内部構成を示す回路図
【図６】従来の電力増幅器モジュールの構成例を示す回路ブロック図
【符号の説明】
【００４０】
１Ａ、１Ｂ  電力増幅器モジュール
１ａ  電力増幅器モジュール１Ａ、１Ｂの信号の入力端子
１ｂ  電力増幅器モジュール１Ａ、１Ｂの信号の出力端子
１ｃ  電力増幅器モジュール１Ａ、１Ｂのコレクタ側の電源端子
１ｄ  電力増幅器モジュール１Ａ、１Ｂのベース側の電源端子
１２  入力整合回路
１３  終段増幅器
１４  負荷整合回路
１５  インピーダンス変換回路
１６  移相器
７  送受信切り替え用のスイッチ
８  アンテナ
１９  帰還増幅器
１９ａ  ベース側結合コンデンサ
１９ｂ  コレクタ側結合コンデンサ
１９ｃ  ベース側バイアス回路
１９ｄ  コレクタ側バイアス回路
１９ｅ  電力増幅用素子
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
2005328194.tif 000008
【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
2005328194.tif 000011
【図６】
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