(57)【要約】【課題】小型化及び低価格化を実現するとともに、電力効率が良好な高周波電力増幅器を提供する。【解決手段】入力された所定の周波数を有する基本波を飽和動作して増幅する第１増幅器２３と、第１増幅器２３により増幅された信号を分配する分配器２４と、基本波の周波数において分配器２４の出力を整合する基本波出力整合回路２５と、基本波出力整合回路２５から出力された基本波を遅延する遅延線路と、２次高調波の周波数において分配器２４の出力を整合する２次高調波出力整合回路２７と、２次高調波出力整合回路２７から出力された２次高調波の位相及び振幅を調整する調整器と、遅延線路から出力された基本波と調整器から出力された２次高調波とを合成する合成器と、合成器により合成された信号を増幅する第２増幅器とを備えることを特徴とする高周波電力増幅器１００。【選択図】図２
2013070278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された所定の周波数を有する基本波を飽和動作して増幅する第１増幅器と、
前記第１増幅器により増幅された信号を分配する分配器と、
前記基本波の周波数において前記分配器の出力を整合する基本波出力整合回路と、
前記基本波出力整合回路から出力された基本波を遅延する遅延線路と、
２次高調波の周波数において前記分配器の出力を整合する２次高調波出力整合回路と、
前記２次高調波出力整合回路から出力された前記２次高調波の位相及び振幅を調整する調整器と、
前記遅延線路から出力された基本波と前記調整器から出力された２次高調波とを合成する合成器と、
前記合成器により合成された信号を増幅する第２増幅器と
を備えることを特徴とする高周波電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高周波信号を増幅する高周波電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高周波電力増幅器は、例えば、高調波発生器で発生させた２次高調波の位相及び振幅の調整を行い、増幅器の入力信号に合成する。
【０００３】
関連のある技術として、以下の文献が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９４４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の高周波電力増幅器は入力信号に２次高調波を注入することにより電力損失を抑えることができるものの、高調波発生器が必要となるため、高周波電力増幅器の容積が大きく高価であった。
【０００６】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、小型化及び低価格化を実現するとともに、電力効率が良好な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】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明の高周波電力増幅器は、入力された所定の周波数を有する基本波を飽和動作して増幅する第１増幅器と、前記第１増幅器により増幅された信号を分配する分配器と、前記基本波の周波数において前記分配器の出力を整合する基本波出力整合回路と、前記基本波出力整合回路から出力された基本波を遅延する遅延線路と、２次高調波の周波数において前記分配器の出力を整合する２次高調波出力整合回路と、前記２次高調波出力整合回路から出力された前記２次高調波の位相及び振幅を調整する調整器と、前記遅延線路から出力された基本波と前記調整器から出力された２次高調波とを合成する合成器と、前記合成器により合成された信号を増幅する第２増幅器とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
小型化及び低価格化を実現するとともに、電力効率が良好な高周波電力増幅器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係る高周波電力増幅器の構成ブロック図である。
【図２】本実施の形態に係る高周波電力増幅器で用いる分配増幅器の構成ブロック図である。
【図３】本実施の形態に係る高周波電力増幅器で用いる合成増幅器の構成ブロック図である。
【図４】本実施の形態に係る高周波電力増幅器における基本波及び２倍波の入力−出力特性を示す模式説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本実施の形態に係る高周波電力増幅器１００について図を用いて説明する。なお、以下の説明で用いる図は、説明で用いるために必要な図のみ記載しており、これらに限定されるものではない。
【００１１】
図１は、本実施の形態に係る高周波電力増幅器１００の構成ブロック図である。図２は、本実施の形態に係る高周波電力増幅器１００で用いる分配増幅器２０の構成ブロック図である。図３は、本実施の形態に係る高周波電力増幅器１００で用いる合成増幅器６０の構成ブロック図である。高周波電力増幅器１００は、図１に示すように、入力端子１０と、分配増幅器２０と、遅延線路３０と、可変位相器４０（調整器）と、可変減衰器５０（調整器）と、合成増幅器６０と、出力端子７０とを有する。
【００１２】
分配増幅器２０は、図２に示すように、入力端子２１と、基本波入力整合回路２２と、第１増幅器２３と、分配器２４と、基本波出力整合回路２５と、基本波出力端子２６と、２次高調波出力整合回路２７と、２次高調波出力端子２８とを有する。
【００１３】
基本波入力整合回路２２は、入力端子２１に入力された基本波の周波数ｆ０において、入力インピーダンスを入力端子２１に接続された回路の出力インピーダンスに整合させたインピーダンス変換回路である。基本波入力整合回路２２は、マイクロストリップライン等の伝送線路、コンデンサやコイルといった回路素子、またはこれらを組み合わせた回路によって構成される。
【００１４】
第１増幅器２３は、基本波入力整合回路２２から出力された基本波を増幅する。第１増幅器２３としては例えばＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ダイオード、バイポーラトランジスタ、電子管等が挙げられる。第１増幅器２３としてＦＥＴを用いる場合、ＦＥＴのゲート端子には入力信号が印加され、また、ソース端子は接地されている。分配器２４は第１増幅器２３から出力された信号を分配する。また、第１増幅器２３は飽和動作することにより２次高調波を発生させることになる。
【００１５】
基本波出力整合回路２５は、基本波の周波数ｆ０において入力インピーダンスを分配器２４の出力インピーダンスに整合させたインピーダンス変換回路である。２次高調波出力整合回路２７は、２次高調波の周波数２ｆ０において入力インピーダンスを分配器２４の出力インピーダンスに整合させたインピーダンス変換回路である。
【００１６】
遅延線路３０は、２次高調波出力整合回路２７、可変位相器４０、可変減衰器５０における処理時間分、基本波出力端子２６から出力された基本波を遅延させる。可変位相器４０は２次高調波出力端子２８から出力された２次高調波の位相を調整する。可変減衰器５０は可変位相器４０から出力された２次高調波の振幅を調整する。なお、可変位相器４０及び可変減衰器５０は２次高調波のベクトル調整を行うベクトル調整器に相当し、可変位相器４０と可変減衰器５０の順序が逆であっても構わない。可変位相器４０及び可変減衰器５０では、２次高調波の位相及び振幅を合成増幅器６０で発生する２次高調波の位相及び振幅の関係が最適となるよう調整するとともに、基本波と２次高調波との位相のずれ及び振幅レベルの比が後述する合成器６５に入力される際に最適となるよう調整するものである。
【００１７】
合成増幅器６０は、図３に示すように、基本波入力端子６１と、基本波入力整合回路６２と、２次高調波入力端子６３と、２次高調波入力整合回路６４と、合成器６５と、第２増幅器６６と、基本波・２次高調波出力整合回路６７と、出力端子６８とを有する。
【００１８】
基本波入力整合回路６２は、基本波の周波数ｆ０において入力インピーダンスを基本波入力端子６１に接続された回路の出力インピーダンスに整合させたインピーダンス変換回路である。２次高調波入力整合回路６４は、２次高調波の周波数２ｆ０において入力インピーダンスを２次高調波入力端子６３に接続された回路の出力インピーダンスに整合させるためのインピーダンス変換回路である。
【００１９】
合成器６５は、遅延線路３０で遅延され基本波入力整合回路６２により整合された基本波と、可変位相器４０で位相が調整され可変減衰器５０で振幅が調整され２次高調波入力整合回路６４で整合された２次高調波とを合成して、第２増幅器６６に出力する。第２増幅器６６は第１増幅器２３と同様の構成を有する。基本波・２次高調波出力整合回路６７は、基本波の周波数ｆ０と２次高調波の周波数２ｆ０の周波数の両方において、第２増幅器６６の出力インピーダンスと共役整合したインピーダンス変換回路である。
【００２０】
また、基本波・２次高調波出力整合回路６７は反射回路を有し、第２増幅器６６のドレイン端子に接続され、基本波の周波数及び奇数次高調波周波数に対して開放し、且つ偶数次高調波周波数に対して短絡となるインピーダンス特性を備えている。したがって、第２増幅器６６の出力端子（ドレイン端子）における負荷のインピーダンス周波数特性は、基本波の周波数で整合、偶数次高調波周波数で短絡、奇数次高調波周波数で開放となる。
【００２１】
このように、合成増幅器６０は第２増幅器６６をＢ級バイアス条件で動作させて基本波の周波数の正弦波を入力すれば、理論上、ドレイン端子とソース端子との間の電圧の時間波形は、基本波と奇数次高調波成分のみを有する矩形波となる。また、ドレイン端子とソース端子との間の電流の時間波形は、基本波と偶数次高調波成分のみを有する半波形となる。
【００２２】
このときの第２増幅器６６の動作としては、ドレイン電流が流れているときにドレイン電圧がゼロとなり、逆にドレイン電圧が印加されているときにドレイン電流がゼロとなるので、ドレイン端子とソース端子間の消費電力を常にゼロの状態にすることができる。すなわち、電圧及び電流の時間波形が重なっていない状態では、第２増幅器６６で消費する電力をゼロにすることができ、内部損失を抑えることができる。
【００２３】
更に、上述した第２増幅器６６の代わりに、基本波の周波数で整合、偶数次高調波周波数で開放、奇数次高調波周波数で短絡となり、前述の波形とは逆の波形が得られる増幅器を用いることもできる。このような増幅器では、高調波反射回路は偶数次の高調波を反射する。この場合にも、ドレイン電流が流れているときにドレイン電圧がゼロとなり、逆にドレイン電圧が印加されているときにドレイン電流がゼロとなるので、同様にドレイン端子とソース端子間の消費電力を常にゼロの状態にすることができる。
【００２４】
高周波電力増幅器１００の動作について図１〜図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係る高周波電力増幅器１００における基本波及び２次高調波の入力−出力特性を示す模式説明図である。入力端子１０から入力された基本波は、基本波入力整合回路２２でインピーダンス変換された後、第１増幅器２３で増幅され、分配器２４に出力される。
【００２５】
第１増幅器２３に入力された基本波は図４に示す非線形領域の動作点が示す基本波出力に増幅される。ここで、非線形領域の動作点は第１増幅器２３が飽和動作する領域の動作点である。非線形領域の動作点の出力は線形領域の動作点の出力より大きい。すなわち、第１増幅器２３は入力と出力との関係が非線形の領域で動作することにより基本波を増幅する。このため、図４に示すように、点線で示す２次高調波出力も増幅する。
【００２６】
第１増幅器２３により増幅され２次高調波が発生された信号は分配器２４により分配される。分配器２４で分配された一方の信号は基本波出力整合回路２５により基本波の周波数ｆ０においてインピーダンス変換され、遅延線路３０で遅延されて位相が遅らされ、合成増幅器６０の基本波入力端子６１に入力される。また、分配器２４で分配された他方の信号は、２次高調波出力整合回路２７により２次高調波の周波数２ｆ０においてインピーダンス変換され、可変位相器４０で位相調整され、可変減衰器５０で振幅調整され、合成増幅器６０の２次高調波入力端子６３に入力される。
【００２７】
基本波入力端子６１に入力された基本波は基本波入力整合回路６２でインピーダンス変換され合成器６５に入力される。同様に、２次高調波入力端子６３に入力された２次高調波は２次高調波入力整合回路６４でインピーダンス変換され合成器６５に入力される。
【００２８】
合成器６５に入力された各波は合成された後に第２増幅器６６で増幅され、基本波・２次高調波出力整合回路６７を介して出力端子６８に出力される。また、第２増幅器６６で発生した奇数次高調波は、基本波・２次高調波出力整合回路６７で反射されて第２増幅器６６に入力され、更に増幅される。
【００２９】
以上のように、本実施の形態に係る高周波電力増幅器１００によれば、特に電源回路等の歪や高調波を抑制する必要がない場合には、図４に示すように、第１増幅器２３の動作を非線形の領域で飽和動作させることにより、２次高調波を発生させる。このため、高周波電力増幅器１００は２次高調波発生装置を別途設ける必要がなく、小型化及び低価格化を実現するとともに、良好な電力効率を有することが可能となる。
【００３０】
また、高周波電力増幅器１００では、注入する高調波をレベルの高い２次高調波としているので、効率向上の効果が一層大きくなる。
【００３１】
また、本実施の形態に係る高周波電力増幅器１００では、可変位相器４０と可変減衰器５０とを調整することにより、２次高調波の位相及び振幅を、合成増幅器６０の第２増幅器６６で発生する２次高調波の位相及び振幅と最適な関係となるよう調整することができる。このため、簡易な構成で、一層効率を向上させることができる効果がある。
【００３２】
また、本実施の形態に係る高周波電力増幅器１００は、構成の簡単なアナログ回路から成り、基本波と２次高調波との位相のずれ及び必要な振幅レベルの比を調整するので、合成増幅器６０に必要な高調波の出力レベル及び位相を正確に調整でき、合成増幅器６０における増幅動作を高効率で行うことができるものである。
【００３３】
また、高周波電力増幅器１００において、合成器６５で合成された合成波には２次高調波が含まれるため、第２増幅器６６で発生する２次高調波は高レベルとなり、第２増幅器６６が高調波に対する利得が少なく、また、高調波が少ない低出力時であっても効率よく動作することができる。
【００３４】
更に、基本波・２次高調波出力整合回路６７は反射回路を有するため、基本波の周波数に対しては作用せずに２次高調波の周波数に対しては反射するので、出力の２次高調波反射レベルを一層大きくして電圧電流波形の重なりを減らすことができ、効率を向上させることが可能となる。
【００３５】
本実施の形態に係る高周波電力増幅器１００は、位相を調整する可変位相器４０と振幅を調整する可変減衰器５０とを用いた構成としているが、第１増幅器２３で発生した高調波の位相及び振幅を調整する調整器として位相と振幅が調整できればよく、同等の機能があればどのような方法を用いてもよい。
【００３６】
また、本実施の形態における高周波電力増幅器１００では、基本波・２次高調波出力整合回路６７が反射回路を有する構成としたが、高周波電力増幅器１００の外（出力端子７０より後段）に反射回路を挿入した増幅器を構成してもよい。この場合、基本波の周波数だけでなく、２次高調波の周波数においても、第２増幅器６６、ワイヤボンディングその他の影響によるリアクタンスや、第２増幅器６６自身のインピーダンスの存在を考慮した回路構成が必要になる。
【００３７】
２次高調波の周波数２ｆ０を利用して、第２増幅器６６の存在に起因する各種の浮遊リアクタンスの影響を回避し、効率の向上を図る増幅器を用いてもよい。この増幅器を用いると、電圧波形を矩形波に近づけ、高効率動作に必要なスイッチング動作を容易に実現できる。
【００３８】
また、本実施の形態では、２次高調波を基本波に合成するための構成について説明したが、更に４次以上の偶数次高調波を注入することで、電流と電圧の波形の重なりを一層小さくすることができるものである。この場合、４次以上の高調波を発生する高調波発生回路を、図２に示す第１増幅器２３から図３に示す合成器６５までの回路に並列に設ければよい。この構成は２次高調波の場合と同様であり、発生する高調波の周波数を変えればよい。
【００３９】
また、入力端子１０に入力される基本波は、入力端子１０に入力される前に、外部の装置によりインピーダンス変換されていてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１０及び２１  入力端子、２０  分配増幅器、２２  基本波入力整合回路、２３  第１増幅器、２４  分配器、２５  基本波出力整合回路、２６  基本波出力端子、２７  ２次高調波出力整合回路、２８  ２次高調波出力端子、３０  遅延線路、４０  可変位相器、５０  可変減衰器、６０  合成増幅器、６１  基本波入力端子、６２  基本波入力整合回路、６３  ２次高調波入力端子、６４  ２次高調波入力整合回路、６５  合成器、６６  第２増幅器、６７  基本波・２次高調波出力整合回路、６８及び７０  出力端子、１００  高周波電力増幅器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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