(57)【要約】  トランジスタ（１）に、互いに特性インピーダンスが異なる複数の伝送線路（３ｂ，３ｃ）が接続されている。複数の伝送線路（３ｂ，３ｃ）にそれぞれ複数のオープンスタブ（４ａ，４ｂ）が接続されている。各オープンスタブ（４ａ，４ｂ）の長さは各伝送線路（３ｂ，３ｃ）の長さよりも短い。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタと、
前記トランジスタに接続され、互いに特性インピーダンスが異なる複数の伝送線路と、
前記複数の伝送線路にそれぞれ設けられた複数のオープンスタブとを備え、
各オープンスタブの長さは各伝送線路の長さよりも短いことを特徴とする電力増幅器。
【請求項２】
前記複数の伝送線路及び前記複数のオープンスタブの周囲に配置された無接地の導電性パターンを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
【請求項３】
前記複数のオープンスタブは、前記複数の伝送線路の中心線に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力増幅器。
【請求項４】
前記複数の伝送線路の少なくとも１つには、長さの異なる２つ以上のオープンスタブが設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電力増幅器。
【請求項５】
前記複数のオープンスタブは、先端が広がった又は分岐したオープンスタブを有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電力増幅器。
【請求項６】
前記オープンスタブと前記伝送線路を接続し、前記オープンスタブよりも細い配線を更に備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電力増幅器。
【請求項７】
前記オープンスタブの先端又は中間部分に接続された抵抗パターンを更に備えることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電力増幅器。
【請求項８】
前記導電性パターン同士の間に接続された抵抗パターンを更に備えることを特徴とする請求項２に記載の電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信又は衛星通信用などのマイクロ波帯又はミリ波帯、例えば数ＭＨｚから数１００ＧＨｚの通信機器に高周波電力増幅器が用いられる。図１３は、従来の電力増幅器におけるトランジスタの電力付加効率（ＰＡＥ）の変動量を示す図である。ここで、２倍波のインピーダンスをΓ＝０．８で固定し、高調波位相を０から３６０°まで変化させている。位相によって２０％近くＰＡＥが変化することが分かる。よって、電力増幅器の２倍波などの高調波インピーダンスを制御することは重要である。【０００３】
電力増幅器では、高調波を反射させる高調波回路を用いてトランジスタのＰＡＥを向上させる。高調波回路では、Ｆ級動作の場合には３倍波等の奇高調波をオープンのインピーダンスにする必要があり、逆Ｆ級動作の場合には２倍波以上の偶高調波をオープンのインピーダンスにする必要がある（例えば、特許文献１から３参照）。広帯域にＰＡＥを向上するためには、電力増幅器の使用周波数である基本波だけでなく、高調波のインピーダンスも広帯域に制御する必要がある。そのためにトラップ回路又は短絡回路を追加していた（例えば、特許文献４、５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本特開２０１２−２０５２４６号公報
【特許文献２】日本特開２００９−１５９５９１号公報
【特許文献３】日本特開２００１−５３５１０号公報
【特許文献４】日本特開２００７−３０６２９９号公報
【特許文献５】日本特開２０１１−０３５７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の電力増幅器では、高効率動作のために電力増幅器の高調波を制御する回路を出力整合回路に付加していた。しかし、動作帯域の広い電力増幅器の場合には、付加した回路エリアが大きくなるため、小型化の障害になっていた。また、高調波制御によく用いられるトラップ回路は短絡回路を小型に構成できるが、伝送損失が比較的大きいという問題があった。【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は広帯域かつ小型な整合回路を有する高効率動作可能な電力増幅器を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電力増幅器は、トランジスタと、前記トランジスタに接続され、互いに特性インピーダンスが異なる複数の伝送線路と、前記複数の伝送線路にそれぞれ設けられた複数のオープンスタブとを備え、各オープンスタブの長さは各伝送線路の長さよりも短いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、複数の伝送線路にそれぞれオープンスタブを設けることで、電力増幅器の高調波のインピーダンスをオープンに集めることができる。これにより、広帯域で高効率動作が可能である。また、オープンスタブを設けるだけであり、トラップ回路又は短絡回路等を設ける必要がない。この結果、広帯域かつ小型な整合回路を有する高効率動作可能な電力増幅器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す図である。
【図２】比較例に係る電力増幅器を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る電力増幅器の２倍波のインピーダンス変成の例を示す図である。
【図４】比較例に係る電力増幅器の２倍波のインピーダンス変成の例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る電力増幅器を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る電力増幅器の変形例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る電力増幅器を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る電力増幅器を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る電力増幅器の出力整合回路のインピーダンスの変成結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係る電力増幅器を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態６に係る電力増幅器を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態７に係る電力増幅器を示す図である。
【図１３】従来の電力増幅器におけるトランジスタの電力付加効率（ＰＡＥ）の変動量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態に係る電力増幅器について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器を示す図である。入力端子ＩＮとトランジスタ１のゲートとの間に、互いに特性インピーダンスが異なる伝送線路２ａ，２ｂが直列に接続されている。トランジスタ１のドレインと出力端子ＯＵＴとの間に、互いに特性インピーダンスが異なる伝送線路３ａ，３ｂ，３ｃが直列に接続されている。伝送線路３ａ，３ｂ，３ｃによって、トランジスタ１が高効率動作するように電力増幅器の基本波のインピーダンスを整合する。
【００１２】
伝送線路３ｂ，３ｃにそれぞれオープンスタブ４ａ，４ｂが接続されている。オープンスタブ４ａの長さＬａは２倍波の低域側の波長λ２ｆＬから２倍波の中心周波数λ２ｆＣまでの波長の１／４、即ちλ２ｆＬ／４〜λ２ｆＣ／４である。オープンスタブ４ｂの長さＬｂは２倍波の高域側の波長λ２ｆＨから２倍波の中心周波数λ２ｆＣまでの波長の１／４、即ちλ２ｆＨ／４〜λ２ｆＣ／４である。各オープンスタブ４ａ，４ｂの長さは２倍波の波長の１／４となるため、基本波が伝播する各伝送線路３ａ，３ｂ，３ｃの長さよりも短い。
【００１３】
逆Ｆ級動作の場合、電力増幅器を高効率で動作させるためには、電力増幅器の２倍波以上の偶高調波をオープンのインピーダンスに整合する必要がある。ここでは、電力増幅器の２倍波をオープンのインピーダンスに整合する例を挙げ、本実施の形態の作用を比較例と比較して説明する。
【００１４】
図２は、比較例に係る電力増幅器を示す図である。比較例ではオープンスタブ４ａ，４ｂを設けない。図３は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器の２倍波のインピーダンス変成の例を示す図である。図４は、比較例に係る電力増幅器の２倍波のインピーダンス変成の例を示す図である。ｆＬは基本波の低域側周波数、ｆＣは基本波の中心周波数、ｆＨは基本波の高域側周波数、２ｆＬは２倍波の低域側周波数、２ｆＣは２倍波の中心周波数、２ｆＨは２倍波の高域側周波数を示す。
【００１５】
まず、伝送線路３ｃで電力増幅器の基本波のλ／４変成を行う。この際に、本実施の形態ではオープンスタブ４ｂにより位相を回して電力増幅器の２倍波のインピーダンスも動かしておく。次に、伝送線路３ｂにおいても電力増幅器の基本波のλ／４変成を行う。この際に、オープンスタブ４ａにより電力増幅器の２倍波のインピーダンスを動かしておく。このため、図３に示すように、本実施の形態では電力増幅器の２倍波のインピーダンスで共振が生じている。一方、オープンスタブ４ａ，４ｂを用いない比較例では、図４に示すように、共振が生じていないことが分かる。
【００１６】
この２倍波の帯域はオープンスタブ４ａ，４ｂの長さによって調整可能である。また、特性インピーダンスが異なる伝送線路３ｂ，３ｃを用いることで、電力増幅器の高域側の２倍波のオープンスタブを特性インピーダンスの高い伝送線路上に設け、低域側の２倍波のオープンスタブを特性インピーダンスの低い伝送線路上に設けることで、オープンスタブを大きくせずに、前記の共振を作りやすくなる。
【００１７】
最後に、伝送線路３ａで位相を回し、電力増幅器の基本波を所望のインピーダンスに整合させる。この際に、図４に示すように、比較例では電力増幅器の２倍波のインピーダンスがオープンに集まっていない。一方、図３に示すように、本実施の形態では電力増幅器の２倍波のインピーダンスを広帯域にオープンに集められていることが分かる。
【００１８】
以上、説明したように、本実施の形態では、伝送線路３ｂ，３ｃにオープンスタブ４ａ，４ｂを設けることで、電力増幅器の２倍波のインピーダンスをオープンに集めることができる。これにより、トランジスタ１を広帯域で逆Ｆ級動作させることができ、広帯域で高効率動作が可能である。また、オープンスタブ４ａ，４ｂを設けるだけであり、トラップ回路又は短絡回路等を設ける必要がなく、製造方法も容易になる。この結果、広帯域かつ小型な整合回路を有する高効率動作可能な電力増幅器を実現できる。
【００１９】
なお、本実施の形態では、出力整合回路である伝送線路３ｂ，３ｃにオープンスタブ４ａ，４ｂを設けたが、入力整合回路である伝送線路２ａ，２ｂにオープンスタブを設けてもよい。
【００２０】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る電力増幅器を示す図である。伝送線路３ｂ，３ｃ及びオープンスタブ４ａ，４ｂの周囲に無接地の導電性パターン５が配置されている。伝送線路３ｂ，３ｃ及びオープンスタブ４ａ，４ｂに対して導電性パターン５を近づけ多く配置することで容量成分を多く見せることができる。一方、導電性パターン５を遠ざけ少なく配置することで僅かな容量成分を見せることができる。これにより、電力増幅器の２倍波のインピーダンスの調整の自由度を高めることができる。この作用は、特に高い周波数で有効である。なお、無接地の導電性パターン５は四角形であるが、他の形でもよい。
【００２１】
図６は、本発明の実施の形態２に係る電力増幅器の変形例を示す図である。無接地の導電性パターン５と伝送線路３ｂがワイヤ６により接続されている。無接地の導電性パターン５とオープンスタブ４ｂがワイヤ７により接続されている。この場合でも上記の効果を得ることができる。また、本実施の形態でも、実施の形態１と同様に広帯域かつ小型な整合回路を有する高効率動作可能な電力増幅器を実現できる。
【００２２】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る電力増幅器を示す図である。オープンスタブ４ａが伝送線路３ｂの中心線に対して対称に配置されている。オープンスタブ４ｂが伝送線路３ｃの中心線に対して対称に配置されている。これにより、伝送線路３ａ，３ｂ，３ｃ内のインピーダンスをより均一にすることができる。
【００２３】
特に、トランジスタを並列接続するような電力増幅器では伝送線路が太く、また、複数に分岐されることが多い。その状態で伝送線路のインピーダンスが不均一になると、並列接続されたトランジスタが不均一動作を起こしやすくなり、電力増幅器の性能が劣化したり、異常動作を起こしたりする。これに対して、オープンスタブを伝送線路の中心線に対して対称に配置することでインピーダンスの均一性が上がるので、上記の問題が発生し難くなる。また、本実施の形態でも、実施の形態１と同様に広帯域かつ小型な整合回路を有する高効率動作可能な電力増幅器を実現できる。
【００２４】
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４に係る電力増幅器を示す図である。伝送線路３ｃには、長さの異なる２つのオープンスタブ４ｂ，４ｃが接続されている。なお、各伝送線路に長さの異なる２つのオープンスタブを接続してもよい。
【００２５】
図９は、本発明の実施の形態４に係る電力増幅器の出力整合回路のインピーダンスの変成結果を示す図である。電力増幅器の２倍波の高域側にも共振している帯域が発生していることが分かる。共振が２つになることで高周波の帯域が広がる。
【００２６】
オープンスタブの長さλ２ｆ／４に応じて共振する周波数は変化するため、オープンスタブの本数を増やすことで、共振する電力増幅器の２倍波の周波数帯域を増やすことができる。従って、実施の形態１よりも広帯域に電力増幅器の２倍波のインピーダンスをオープンに集めることができる。このため、トランジスタを広帯域で逆Ｆ級動作させることができ、より広帯域で高効率動作が可能である。また、本実施の形態でも、実施の形態１と同様に整合回路を小型化できる。
【００２７】
実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５に係る電力増幅器を示す図である。オープンスタブ４ａは扇形のように先端が広がっている。オープンスタブの先端を広げることができれば、テーパ型、鉤型、Ｌ型などにしてもよい。オープンスタブ４ｂは先端が分岐している。このようにオープンスタブを広げたり、分岐させたりすることで、共振する電力増幅器の２倍波の周波数帯域を調整することができる。従って、実施の形態４と同様に、実施の形態１よりも広帯域に電力増幅器の２倍波のインピーダンスをオープンに集めることができる。このため、トランジスタを広帯域で逆Ｆ級動作させることができ、より広帯域で高効率な電力増幅器を得ることができる。なお、本実施の形態の構成は一部のオープンスタブだけに実施してもよいし、全てのオープンスタブに実施してもよい。また、本実施の形態でも、実施の形態１と同様に整合回路を小型化できる。
【００２８】
実施の形態６．
図１１は、本発明の実施の形態６に係る電力増幅器を示す図である。オープンスタブ４ａと伝送線路３ｂは、オープンスタブ４ａよりも細いワイヤ８で接続されている。オープンスタブ４ｂと伝送線路３ｃは、オープンスタブ４ｂよりも細い配線パターン９で接続されている。
【００２９】
逆Ｆ級動作させる場合、電力増幅器の２倍波又は偶高調波をオープンのインピーダンスに整合させる必要がある。しかし、実施の形態１〜５では電力増幅器の２倍波を広帯域にとることができたが、電力増幅器の２倍波の位相までは十分に制御しきれない。
【００３０】
これに対して、本実施の形態では、ワイヤ８と配線パターン９のインダクタ成分によって電力増幅器の２倍波の位相を制御しやすくなるため、電力増幅器の２倍波をオープン等の所望のインピーダンスに容易に整合させることができる。従って、理想的に逆Ｆ級動作させることができ、高効率な電力増幅器を得ることができる。なお、本実施の形態の構成は一部のオープンスタブだけに実施してもよいし、全てのオープンスタブに実施してもよい。また、ワイヤ８の代わりにリボンを用いてもよい。また、本実施の形態の構成を実施の形態１〜５と組み合わせることで、広帯域で逆Ｆ級動作させることができ、広帯域で高効率な電力増幅器を得ることができる。また、本実施の形態でも、実施の形態１と同様に整合回路を小型化できる。
【００３１】
実施の形態７．
図１２は、本発明の実施の形態７に係る電力増幅器を示す図である。オープンスタブ４ａの先端に抵抗パターン１０ａが接続されている。オープンスタブ４ｂの中間部分に抵抗パターン１０ｂが接続されている。無接地の導電性パターン５同士の間に抵抗パターン１０ｃが接続されている。このように積極的に抵抗パターンを挿入することで、電力増幅器の２倍波のΓが１より小さくなるため、電力増幅器のＰＡＥ向上は小さくなる。しかし、２倍波の位相の変動を小さくすることができるため、広帯域な電力増幅器を得ることができる。また、本実施の形態でも、実施の形態１と同様に整合回路を小型化できる。
【符号の説明】
【００３２】
1  トランジスタ、３ａ，３ｂ，３ｃ  伝送線路、４ａ，４ｂ，４ｃ  オープンスタブ、５  無接地の導電性パターン、８  ワイヤ（配線）、９  配線パターン（配線）、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  抵抗パターン
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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