(57)【要約】【課題】  プシュプル電力増幅器において、単位増幅素子に第２高調波を注入し、プシュプル電力増幅器の電力変換効率を向上させ、歪みを低減する。【解決手段】  入力段の平衡／不平衡変換回路と、出力段の平衡／不平衡変換回路と、２つの単位増幅素子とを備え、前記２つの単位増幅素子が、それぞれ前記入力段の平衡／不平衡変換回路と前記出力段の平衡／不平衡変換回路とを接続して構成されるプシュプル電力増幅器において、前記入力段の平衡／不平衡変換回路は、基本波信号と独立に第２高調波を、前記２つの単位増幅素子に同相で印加可能なように構成されており、前記２つの単位増幅素子にそれぞれ印加された前記第２高調波は、前記出力段の平衡／不平衡変換回路に伝達されており、前記出力段の平衡／不平衡変換回路の出力側には、伝達された前記第２高調波の少なくとも一部を反射しうる機能回路が接続されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力段の平衡／不平衡変換回路と、
出力段の平衡／不平衡変換回路と、
２つの単位増幅素子とを備え、
前記２つの単位増幅素子が、それぞれ前記入力段の平衡／不平衡変換回路と前記出力段の平衡／不平衡変換回路とを接続して構成されるプシュプル電力増幅器において、
前記入力段の平衡／不平衡変換回路は、基本波信号と独立に第２高調波を、前記２つの単位増幅素子に同相で印加可能なように構成されており、
前記２つの単位増幅素子にそれぞれ印加された前記第２高調波は、前記出力段の平衡／不平衡変換回路に伝達されており、
前記出力段の平衡／不平衡変換回路の出力側には、伝達された前記第２高調波の少なくとも一部を反射しうる機能回路が接続されていることを特徴とするプシュプル電力増幅器。
【請求項２】
請求項１記載のプシュプル電力増幅器において、
前記出力段の平衡／不平衡変換回路の出力側と、前記入力段の平衡／不平衡変換回路の入力側とは、前記第２高調波を伝達するための伝達回路が構成されており、
前記伝達回路は、前記機能回路と、さらに、前記第２高調波の振幅を調整する減衰器と、前記第２高調波の位相を調整する位相器とを含んで構成されており、
前記機能回路は、前記第２高調波の一部を反射するとともに、残りの第２高調波を通過させる機能を有することを特徴とするプシュプル電力増幅器。
【請求項３】
請求項１記載のプシュプル電力増幅器において、
前記機能回路は、前記第２高調波の一部を反射するとともに、残りの第２高調波を通過および増幅させる機能を有することを特徴とするプシュプル電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プシュプル電力増幅器に係り、特に歪みを低減させて電力変換効率を向上させうるプシュプル電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、無線通信装置において、送信用電力増幅器は最も電力を消費するので、電力増幅器の電力変換効率を向上させ、電力の消費量を抑えるとともに、通信品質を保つために歪みの低減も要求されている。
【０００３】
この要求に応えるために、特開２００５−３１８３７３号公報では、基本波信号と共に第２高調波を注入する電力増幅器が提案されている。図１４に代表的な構成を示す。図１４において、入力信号は、分配器１４１で２分配され、一方の信号が高調波発生器１４２に入力され、第２高調波を発生させる。この高調波発生器で発生した第２高調波は可変位相器１４３と可変減衰器１４４により、それぞれ位相と振幅を調整され、合成器１４５に入力される。
【０００４】
一方、分配器１４１から分配された他方の信号は直接合成器１４５に入力され、第２高調波と合成され、その合成出力が増幅器１４６に入力される。特開２００５−３１８３７３号公報では、この第２高調波注入の注入する位相と振幅とを最適に調整することにより、増幅器１４６より発生する歪みを低減させるとともに、増幅器の出力段に第２高調波に対してはほぼ短絡になる終端回路を接続することにより、高出力電力まで良好な歪み補償効果を得られるという特徴を有している。
【特許文献１】特開２００５−３１８３７３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、図１５に示す従来のプシュプル増幅器に対して、図１４に示した特開２００５−３１８３７３号公報では、合成器１４５からプシュプル増幅器へ第２高調波を注入するに際して、第２高調波が平衡／不平衡変換回路にて全反射されて、単位増幅素子１３，１４に注入されない問題がある。
【０００６】
また、この問題を解決するために、図１５の平衡／不平衡変換回路１５１と単位増幅素子１３および１４の間に、基本波信号と第２高調波を合成する合成回路を備えようとした場合には、合成回路が２つ必要となるため、回路が大型化する問題がある。さらに、出力側の第２高調波を反射する場合、単位増幅素子のそれぞれに対して別個に反射回路が必要となるため、回路がさらに大型化する問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、プシュプル電力増幅器において、第２高調波を単位増幅素子に注入できないという問題を克服し、第２高調波を注入することによって、プシュプル電力増幅器の電力変換効率を向上させるとともに、歪みを低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、
入力段の平衡／不平衡変換回路と、
出力段の平衡／不平衡変換回路と、
２つの単位増幅素子とを備え、
前記２つの単位増幅素子が、それぞれ前記入力段の平衡／不平衡変換回路と前記出力段の平衡／不平衡変換回路とを接続して構成されるプシュプル電力増幅器において、
前記入力段の平衡／不平衡変換回路は、基本波信号と独立に第２高調波を、前記２つの単位増幅素子に同相で印加可能なように構成されており、
前記２つの単位増幅素子にそれぞれ印加された前記第２高調波は、前記出力段の平衡／不平衡変換回路に伝達されており、
前記出力段の平衡／不平衡変換回路の出力側には、伝達された前記第２高調波の少なくとも一部を反射しうる機能回路が接続されていることを特徴とするプシュプル電力増幅器である。
この明細書において、「平衡／不平衡変換回路」とは、「balance to unbalance transformer」が意味する技術内容を示す表記として用いている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によるプシュプル電力増幅器は、第２高調波を単位増幅素子に注入できるようにすることによって、プシュプル電力増幅器の電力変換効率を向上させるとともに、歪みを低減できる。
【００１０】
本発明によるプシュプル電力増幅器は、出力段の平衡／不平衡変換回路において、プシュプル電力増幅器を構成する２つの単位増幅素子から出力されるそれぞれの信号を合成するとともに、当該変換回路の出力側に、第２高調波を整合させるために、第２高調波の少なくとも一部を反射しうる機能回路が接続されて構成されている。
【００１１】
本発明によるプシュプル電力増幅器は、このような構成を備えることにより、２つの単位増幅素子における第２高調波の出力インピーダンスを、基本波信号の出力インピーダンスに影響を与えることなく、調整可能としている。この結果、本発明のプシュプル電力増幅器は、その出力インピーダンスの最適化を実現できる。
【００１２】
また、本発明によるプシュプル電力増幅器は、以上のような構成により、基本波信号の入力経路とは別に、第２高調波を入力する経路を有することになるので、第２高調波が全反射されることなく、２つの単位増幅素子に同相で印加することが可能になる。
【００１３】
また、本発明によるプシュプル電力増幅器は、入力段および出力段の平衡／不平衡変換回路を備え、基本波信号と第２高調波を合成しているので、別途、基本波信号と第２高調波を合成する回路を必要としない。
【００１４】
さらに、基本波の整合に影響を与えることなく、第２高調波の少なくとも一部を反射しうる機能回路を１つ備えるだけで、出力段において必要な量の第２高調波を反射させることができる。その結果、プシュプル電力増幅器において、従来の技術に見られるような大型の合成回路を必要とせず、第２高調波を注入することができる。
【００１５】
さらに、本発明によるプシュプル電力増幅器において、入力段および出力段の平衡／不平衡変換回路における、第２高調波端子をそれぞれ接続する伝達回路が構成される形態では、第２高調波の発生器を用いなくても、第２高調波を２つの単位増幅素子に注入することができる。
【００１６】
加えて、当該伝達回路に減衰器と位相器とを含む構成のプシュプル電力増幅器では、注入される第２高調波の振幅と位相とを最適にすることが可能となる。
【００１７】
またさらに、第２高調波の一部を反射するとともに、残りの第２高調波を通過および増幅させる機能回路を有する構成のプシュプル電力増幅器では、第２高調波を増幅させるので、第２高調波の注入電力量を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るプシュプル電力増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態のプシュプル電力増幅器に適用可能な第２高調波回路の一例に示す図である。
【図３】第１実施形態のプシュプル電力増幅器に適用可能な第２高調波回路の一例に示す図である。
【図４】第１実施形態のプシュプル電力増幅器に適用可能な第２高調波回路の一例に示す図である。
【図５】第１実施形態のプシュプル電力増幅器に適用可能な第２高調波回路の一例に示す図である。
【図６】第１実施形態のプシュプル電力増幅器に適用可能な第２高調波回路の一例に示す図である。
【図７】第１実施形態のプシュプル電力増幅器に適用可能な第２高調波回路の一例に示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るプシュプル電力増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【図９】第２実施形態のプシュプル電力増幅器に適用可能な第２高調波回路の一例に示す図である。
【図１０】第２実施形態のプシュプル電力増幅器に適用可能な第２高調波回路の一例に示す図である。
【図１１】第２実施形態のプシュプル電力増幅器に適用可能な第２高調波回路の一例に示す図である。
【図１２】第２実施形態のプシュプル電力増幅器に適用可能な第２高調波回路の一例に示す図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係るプシュプル電力増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【図１４】従来の高調波注入電力増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【図１５】従来のプシュプル増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。
はじめに、プシュプル電力増幅器の歪みを低減できる原理を説明する。ここでは、最適な振幅及び位相の第２高調波を基本波信号とともに入力することにより、プシュプル電力増幅器の歪みを低減できることを説明する。
【００２０】
このためまず、増幅素子の非線形性により３次相互変調歪が発生する原理を説明する。増幅素子の非線形性より、増幅素子の入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoutは、以下の（１）式のように表せる。
（数１）
Ｖout＝ｇ1Ｖin＋ｇ2Ｖin2＋ｇ3Ｖin3＋・・・      （１）
ここで、ｇ1は基本波信号に対する増幅率を表し、ｇi(ｉ＝２，３，・・・)は非線形成分を表す。
【００２１】
次の（２）式で示される角周波数ω1とω2の同相・同振幅信号を増幅素子に入力する場合を考える。
（数２）
Ｖin＝Ａｃｏｓ(ω1ｔ)＋Ａｃｏｓ(ω2ｔ)      （２）
【００２２】
（２）式を（１）式に代入すると、３次相互変調歪の低周波側が、次の（３）式のように得られる。
（数３）
ＩＭ３LOWER＝３／４・ｇ3Ａ3ｃｏｓ(２ω1ｔ−ω2ｔ)      （３）
【００２３】
一方、（２）式の第２高調波をともに増幅素子に入力する場合を考えると、その入力信号は、次の（４）式で表される。
（数４）
Ｖin＝Ａｃｏｓ(ω1ｔ)＋Ａｃｏｓ(ω2ｔ)
＋Ｂｃｏｓ(２ω1t＋φ)＋Ｂｃｏｓ(２ω2ｔ＋φ)      （４）
【００２４】
（４）式を（１）式に代入すると、３次相互変調歪の低周波側が、次の（５）式のように得られる。
（数５）
ＩＭ３LOWER＝３／４・ｇ3Ａ(Ａ2＋２Ｂ2)ｃｏｓ(２ω1ｔ−ω2ｔ)
＋ｇ2ＡＢｃｏｓ(２ω1ｔ−ω2ｔ＋φ)            （５）
【００２５】
（５）式より、最適な振幅及び位相の第２高調波を、基本波信号とともに入力することにより、プシュプル電力増幅器の歪みを低減できることが分かる。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、本発明による第１実施形態に係るプシュプル電力増幅器の概略構成を示すブロック図である。
【００２７】
図１に示したプシュプル電力増幅器は、互いに逆相動作をする２つの単位増幅素子１３，１４を備えるプシュプル電力増幅器である。プシュプル電力増幅器は、この２つの単位増幅素子のそれぞれに平衡信号を入力して不平衡信号を取り出すために、入力段の平衡／不平衡変換回路１２と、出力段の平衡／不平衡変換回路１５を備えている。さらに、入力段の平衡／不平衡変換回路１２は、基本波信号を入力する不平衡入力端子１０と、不平衡第２高調波端子１１とを備えており、基本波信号と第２高調波とを、それぞれ独立に入力することを可能としている。
【００２８】
また、出力段の平衡／不平衡変換回路１５は、基本波信号を出力する不平衡出力端子１６と、不平衡第２高調波端子１７とを備えており、端子１６および１７に、基本波および第２高調波に対してそれぞれ最適のインピーダンスを有するインピーダンス回路を取り付けることにより、基本波と第２高調波とをそれぞれ独立に、最適なインピーダンスに終端することができる。最も簡単な構成としては、第２高調波端子１７に、第２高調波の少なくとも一部を反射しうる機能回路１８を接続すればよい。
【００２９】
なお、平衡／不平衡変換回路１２および１５は、マーチャントバランであってよい。また、本出願人が先に提案し公開された特開２０１３−０９０１６６号公報によるバランは、この第１実施形態における平衡／不平衡変換回路１２および１５を、バランで構成した例である。
【００３０】
本発明のプシュプル電力増幅器における、平衡／不平衡変換回路１２および１５は、それぞれ不平衡第２高調波端子を備えるとともに、分波機能を有しているとよい。
例えば、従来のマーチャントバランでは、２組の結合線路とグランドへの短絡点とから構成されている。一方、上述した特開２０１３−０９０１６６号公報によるバランは、グランドへの短絡点を、基本波に対しては短絡点となり、第２高調波に対しては開放となる機能を有する機能回路とし、その機能回路と並列に第２高調波端子を設けることで、分波機能を実現することができる。
【００３１】
図１に示したプシュプル電力増幅器の動作を説明する。図１において、基本波信号は基本波の入力端子１０に入力し、入力段の平衡／不平衡変換回路１２を介して平衡信号へと変換されて、２つの単位増幅素子１３および１４に入力される。この２つの単位増幅素子１３および１４は、それぞれ逆相動作をするプシュプル電力増幅器として機能し、出力される平衡信号を、出力段の平衡／不平衡変換回路１５を介して不平衡信号と合成され、基本波の出力端子１６に出力される。
【００３２】
一方、第２高調波信号は、入力段の平衡／不平衡変換回路１２における不平衡第２高調波端子１１に入力され、入力段の平衡／不平衡変換回路１２を介して、同相の第２高調波信号が、２つの単位増幅素子１３および１４にそれぞれ入力されることによって、２つの単位増幅素子１３および１４における歪みを、前述した（５）式の原理で低減することが可能となる。
【００３３】
２つの単位増幅素子１３および１４に入力された基本波および第２高調波から、増幅素子の非線形性により新たな第２高調波が発生し、出力段の平衡／不平衡変換回路１５に同相で入力され、不平衡第２高調波端子に出力される。このとき増幅された基本波は、出力段の平衡／不平衡変換回路１５で逆相合成されて、不平衡基本波の出力端子１６より出力される。
【００３４】
一方、第２高調波は、出力段の平衡／不平衡変換回路１５で同相合成され、不平衡第２高調波端子１７より出力されるので、基本波と第２高調波とは干渉しない。
このプシュプル電力増幅器において、出力段の平衡／不平衡変換回路１５に接続された機能回路１８により反射された第２高調波が、２つの単位増幅素子１３，１４にそれぞれ入力されることによって、前述した（５）式の原理で歪みを低減することを可能にしている。このとき、反射された第２高調波は、最適な振幅・位相特性を有していることが好ましい。そして機能回路１８は、基本波に影響を与えることなく、第２高調波を反射する機能を最適化することが可能である。
【００３５】
図１に示したプシュプル電力増幅器における機能回路１８の一例を、図２に示す。
図２に示した機能回路は、片側の端面を開放端とした位相器２１と端子２０により構成されており、第２高調波を反射する機能回路とすることができる。位相器２１の具体的な構成としては、例えば、伝送線路や、図３および図４に示すローパスフィルタ、図５および図６に示すハイパスフィルタや、これらの組合せを示すことができる。
【００３６】
次に、図７に示す機能回路の一例は、伝送線路３１，３２と、第２高調波に対して短絡となるキャパシタ３３とから構成されており、第２高調波を反射する機能回路とすることができる。この場合、キャパシタ３３の伝送線路３１，３２への実装位置を調整するだけで、第２高調波の反射位相を自由に調整することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
本発明による第２実施形態のプシュプル電力増幅器のブロック図を図８に示す。前述した第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付している。図１に示した第１実施形態では、不平衡第２高調波端子１７に機能回路１８を接続している。これに対して、この第２実施形態では、入力段の平衡／不平衡変換回路１２と、出力段の平衡／不平衡変換回路１５における、不平衡第２高調波端子１１および１７とを互いに接続する伝達回路８３を構成し、この伝達回路は、少なくとも第２高調波の一部を反射させる機能回路８２に加えて、減衰器８０と位相器８１とを含んで構成されたものである。このときの機能回路１８は、第２高調波の一部を反射し、残りを通過させる機能を備えている。このような伝達回路８３は、第２高調波の帰還回路として機能する。
【００３８】
なお、電力増幅器におけるこのような帰還回路は、本出願人は先に特開２０１２−２２２３９４号公報にて提案しており、本発明における伝達回路は、この提案された帰還回路に、第２高調波の一部を反射し残りを通過させる機能を備えた機能回路を追加した構成となっている。
【００３９】
図８に示したプシュプル電力増幅器の動作を説明する。出力段の平衡／不平衡変換回路１５の不平衡第２高調波端子１７より出力された第２高調波は、機能回路８２において、その一部が反射され残りが通過されている。通過した第２高調波は、減衰器８０と位相器８１により、振幅および位相を最適に調整された後、入力段の平衡／不平衡変換回路１２の不平衡第２高調波の入力端子１１を介して、２つの単位増幅素子にそれぞれ同相で注入され、前述した（５）式の原理により、歪みが低減される。
【００４０】
一方、機能回路８２により、反射された第２高調波は最適な振幅位相特性を有して反射され、出力側の平衡／不平衡変換回路１５の不平衡第２高調波端子１７を介して増幅素子の出力側から同相で注入され、前述した（５）式の原理で歪みが低減される。
【００４１】
図８に示したプシュプル電力増幅器における機能回路８２の一例を、図９に示す。
図９に示した機能回路の一例は、伝送線路３１，３２と、キャパシタ９０とから構成され、端子２０と端子４３との間のインピーダンス変換により、端子２０から入射する第２高調波の一部を反射するとともに、残りを通過させて端子４３から出力することができる。
【００４２】
図１０に示した機能回路の一例は、伝送線路３１と、キャパシタ１００と、伝送線路３２とから構成され、端子４０と端子４３との間のインピーダンス変換により、端子４０から入射する第２高調波の一部を反射するとともに、残りを通過させて端子４３から出力することができる。
【００４３】
図１１に示す機能回路の一例は、伝送線路３１，３２と、インダクタ１１０とから構成され、端子４０と端子４３との間のインピーダンス変換により、端子４０から入射する第２高調波の一部を反射するとともに、残りを通過させて端子４３から出力することができる。
【００４４】
図１２に示した機能回路の一例は、伝送線路３１と、インダクタ１２０と、伝送線路３２とから構成され、端子４０と端子４３との間のインピーダンス変換により、端子４０から入射する第２高調波の一部を反射するとともに、残りを通過させて端子４３から出力することができる。
【００４５】
（第３実施形態）
本発明による第３実施形態のプシュプル電力増幅器のブロック図を図１３に示す。前述した第２実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付している。図８のプシュプル電力増幅器と異なる点は、機能回路に第２高調波の増幅機能を付加したことである。
【００４６】
図１３に示したプシュプル電力増幅器における機能回路１３０は、第２高調波を増幅する機能を有するとともに、出力段の平衡／不平衡変換回路１５の不平衡第２高調波端子１７におけるインピーダンスと不整合となるような入力インピーダンスを有し、第２高調波を反射するように構成されている。
【００４７】
図１３に示したプシュプル電力増幅器の動作を説明する。出力段の平衡／不平衡変換回路１５の不平衡第２高調波端子１７より出力された第２高調波は、不平衡第２高調波端子１７のインピーダンスと、機能回路１３０の入力インピーダンスとの不整合により、その一部が反射され、残りが増幅されて通過させる。反射される第２高調波の振幅および位相は、第２高調波増幅器の入力整合回路により調整され、最適化されるとよい。
【００４８】
第２高調波増幅器１３０により増幅された第２高調波は、減衰器８０と位相器８１により振幅および位相が最適に調整された後、入力段の平衡／不平衡変換回路１２の不平衡第２高調波端子１１から、２つの単位増幅素子にそれぞれ同相で注入され、前述した（５）式の原理により歪みが低減される。
【００４９】
一方、機能回路１３０により反射された第２高調波は、最適な振幅および位相特性となるように反射され、出力段の平衡／不平衡変換回路１５の不平衡第２高調波端子１７を介して、２つの単位増幅素子の出力側からそれぞれ同相で注入され、前述した（５）式の原理で歪みが低減される。
【００５０】
第３実施形態における第２実施形態との違いは、機能回路１３０を通過する第２高調波を、反射する第２高調波の振幅を考慮して、増幅させることが可能となるので、より最適な条件で第２高調波を反射させつつ帰還できることである。
【００５１】
なお，以上の第１実施形態〜第３実施形態において、機能回路により反射される第２高調波の振幅および位相特性を、２つの単位増幅素子１３，１４の効率に関して改善するように調整し，プシュプル電力増幅器として低歪みで、高効率特性を同時に実現するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によるプシュプル電力増幅器は、電力変換効率を向上させるとともに、歪みを低減できるので、特に無線通信装置における送信用の電力増幅器に有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１０：不平衡基本波信号入力端子、
１１，１７：不平衡第２高調波端子、
１２，１５：平衡／不平衡変換回路、
１３，１４：単位増幅素子、
１６：不平衡基本波信号出力端子、
１８：（第２高調波の少なくとも一部を反射する）機能回路、
２０，１４０：入力端子、
２１，３０，３２，８１：位相器、
３１，４０，４２，５１，６１，７０，７２，９０，１００：キャパシタ、
４１，５０，５２，６０，６２，７１，１１０，１２０：インダクタ、
４３，１４７：出力端子、
８０：減衰器、
８２：（第２高調波を反射および通過させる）機能回路、
８３：第２高調波伝達回路、
１３０：（第２高調波の一部を反射し、残りを通過および増幅させる）機能回路、
１４１：分配器、
１４２：高調波発生器、
１４３：可変位相器、
１４４：可変減衰器、
１４５：合成器、
１４６：増幅器、
１４８：高周波発生回路、
１５１、１５２：平衡／不平衡変換回路
【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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【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】
2016076752.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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