(57)【要約】【課題】負荷が変動しても高効率に駆動可能な信号増幅装置を供給する。【解決手段】信号増幅装置１の出力制御部１０は、デルタシグマ変調方式によりパルス信号Ｓ１，Ｓ２を出力する。出力されたパルス信号Ｓ１，Ｓ２は、増幅器５１，５２で増幅され、合成部６１で合成される。合成された出力信号Ｓｏｕｔは、負荷８１に対して出力される。出力制御部１０の検出部２３は、負荷８１からの反射電力を検出する。出力制御部１０の信号処理部２１は、検出部２３の検出結果に基づいてパルス信号Ｓ１，Ｓ２の位相差及びパルス信号Ｓ１，Ｓ２のパルス幅比を調整する。【選択図】図１
2016092498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デルタシグマ変調方式により第１のパルス信号と第２のパルス信号とを生成し、前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号とを出力する出力制御部と、
前記出力制御部から出力された前記第１のパルス信号を増幅する第１の増幅器と、
前記出力制御部から出力された前記第２のパルス信号を増幅する第２の増幅器と、
前記第１の増幅器から出力された信号と前記第２の増幅器から出力された信号とを合成して、負荷に対して出力信号を出力する合成部とを備え、
前記出力制御部は、
前記出力信号の出力電力及び前記負荷からの反射電力のうち少なくとも一方を検出する電力検出部と、
前記電力検出部の検出結果に基づいて前記出力制御部から出力される前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号との位相差及び前記第１のパルス信号のパルス幅と前記第２のパルス信号のパルス幅との比を調整する調整部とを有する、信号増幅装置。
【請求項２】
前記出力制御部は、
前記第１の増幅器と前記第２の増幅器との少なくとも一方における消費電流を検出するアンプ電流検出部をさらに有し、
前記調整部は、前記調整を、前記アンプ電流検出部の検出結果に基づいて行う、請求項１に記載の信号増幅装置。
【請求項３】
前記第１の増幅器は、スイッチングアンプであり、
前記第２の増幅器は、スイッチングアンプである、請求項１又は２に記載の信号増幅装置。
【請求項４】
前記デルタシグマ変調方式は、バンドパスデルタシグマ変調方式又はローパスデルタシグマ変調方式である、請求項１から３のいずれか１項に記載の信号増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、信号増幅装置に関し、特に、無線および有線で利用される周波数帯の出力信号を、変動する負荷に対して出力する信号増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々の機器に対してマイクロ波やその周辺の周波数帯の出力信号を供給する信号増幅装置が用いられている。このような信号増幅装置を高効率で動作させるために使われる技術として、高効率動作が可能な非線形増幅器（例えば、スイッチングアンプなど）を用いて、信号を線形に増幅させるＬＩＮＣ（Ｌｉｎｅａｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）方式が知られている。
【０００３】
ＬＩＮＣ方式は、アウトフェージング方式やＣｈｉｒｅｉｘ方式の同義語として多くの文献において紹介されている。下記非特許文献１には、アウトフェージング技術として、ＬＩＮＣ方式について紹介されている。ここでは、数式を用い、基本的な動作が述べられている。また、課題も述べられており、ＧＨｚ帯域というようなマイクロ波帯域を超える装置への応用には、２つの増幅器の合成方法に関して、理想的なＬＩＮＣ方式の動作を実現するためには工夫が必要であることが述べられている。ＬＩＮＣ方式の基本的な動作原理として、２つの増幅器の出力信号の同期および振幅、位相条件の動的な最適化は重要な要素であるが、従来の技術では、波長の短いマイクロ波周波数での実現は困難である。
【０００４】
しかしながら、ＬＩＮＣ方式は、将来の高出力増幅器の高効率化技術として、多くの研究者がその実用に向けて研究を進めている。例えば、下記非特許文献２には、信号周波数がＨＦ帯域である場合において、高効率方式としてのＬＩＮＣ方式の有効性が示されている。
【０００５】
下記特許文献１には、複数台の非線形増幅器を用いてＬＩＮＣ方式を実現することによって、より広い増幅器出力レベル範囲において、高効率条件を引き出すことが可能であることが述べられている。
【０００６】
下記特許文献２には、複数台の非線形増幅器を用いて線形増幅を行うＬＩＮＣ方式の線形増幅器において、複数台の非線形増幅器の間に振幅差または位相差がある場合において、所望の値に近い値を出力するように適切に補正を行うことが開示されている。
【０００７】
一方で、アナログ無線信号を、１０本を超える多数の信号線で表現する従来のＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｎａｌｏｇ  Ｃｏｎｖｅｒｔｔｉｏｎ）方式ではなく、１本の信号線でかつ、「１」及び「０」といったパルス信号で表現する技術開発も近年盛んに研究がなされている。このような状況の中で、デルタシグマ変調方式（バンドパスデルタシグマ変調方式など）が、比較的高い信号周波数に対しても適用可能であるため、注目されている。
【０００８】
下記非特許文献３には、バンドパスデルタシグマ変調方式を用いて、無線通信に適用可能な水準までノイズレベルを低減した成果が記載されている。
【０００９】
このようなアナログ無線信号をパルス信号で表現する技術の実用化により、増幅器の高効率化やアナログ回路のデジタル化など、多くの技術革新が期待されている。例えば、増幅器の高効率化を図る場合、振幅変調方式であることは大きな妨げとなる。しかしながら、このような技術によれば、振幅変調を振幅が一定であるパルスを用いたパルス幅変調に変換できるため、より理想的に、振幅器を高効率化できる。また、アナログ回路をデジタル化することができれば、従来では困難であった種々の調整（振幅や位相の微調整、マルチ信号間の同期、及び信号周波数や変調方式の変更など）を幅広く行うことができるようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第８４５１０５３号明細書
【特許文献２】特開２００４−２６０７０７号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｓｔｅｖｅ  Ｃ．Ｃｒｉｐｐｓ，「ＲＦ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ  ｆｏｒ  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ」，Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ａｒｅｔｃｈ  Ｈｏｕｓｅ，２００６
【非特許文献２】Ｐｈｉｌｉｐ  Ａ．Ｇｏｄｏｙ，「Ｏｕｔｐｈａｓｉｎｇ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  Ｗｉｔｈ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ｖｏｌ．５７  Ｎｏ．１２，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ２００９
【非特許文献３】Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｒａｌｐｆ，「Ｃｌａｓｓ−Ｓ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  Ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｐｈｏｎｅ  Ｂａｓｅｓｔａｔｉｏｎｓ」，Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｉｒｅｌａｎｄ  Ｍａｙｎｏｏｔｈ，Ｊｕｌｙ  ２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、一般的に、信号増幅装置においては、信号増幅装置からの出力信号の供給先となる負荷の大きさが変わると、信号増幅装置の効率が低下するという問題がある。
【００１３】
このような弊害を防ぐために、従来、信号増幅器の出力段にアイソレータやサーキュレータなどの高周波部品を追加する対策が行われている。このような対策により、供給先の負荷変動に対して、効率の低下などの増幅器の動作への影響が軽減される。しかしながら、比較的大きな負荷変動があったときには、供給した電力の多くが負荷から反射してしまい、信号増幅器から負荷への供給効率が低下するという問題がある。すなわち、大きな負荷変動があると、負荷に必要な電力が供給されることなく、出力された電力がアイソレータやサーキュレータなどの終端器で熱として消費されてしまう。
【００１４】
例えば、信号増幅装置が、マイクロ波手術装置においてプローブに出力信号を供給する医療用増幅器として用いられる場合を想定する。この場合、プローブから生体組織にマイクロ波が照射されて生体組織の変性や凝固が進むと、プローブのインピーダンスが変化する。すなわち、信号増幅装置の負荷が変化する。そうすると、出力信号のエネルギーが効率良く負荷に供給されなくなる。この場合、信号増幅装置の出力を増大させて負荷に必要な電力を供給しようとすると、信号増幅装置における消費電力が大きくなり、信号増幅装置の発熱が大きくなる。
【００１５】
この発明はそのような問題点を解決するためになされたものであり、負荷が変動しても高効率に駆動可能な信号増幅装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、信号増幅装置は、デルタシグマ変調方式により第１のパルス信号と第２のパルス信号とを生成し、第１のパルス信号と第２のパルス信号とを出力する出力制御部と、出力制御部から出力された第１のパルス信号を増幅する第１の増幅器と、出力制御部から出力された第２のパルス信号を増幅する第２の増幅器と、第１の増幅器から出力された信号と第２の増幅器から出力された信号とを合成して、負荷に対して出力信号を出力する合成部とを備え、出力制御部は、出力信号の出力電力及び負荷からの反射電力のうち少なくとも一方を検出する電力検出部と、電力検出部の検出結果に基づいて出力制御部から出力される第１のパルス信号と第２のパルス信号との位相差及び第１のパルス信号のパルス幅と第２のパルス信号のパルス幅との比を調整する調整部とを有する。
【００１７】
好ましくは、出力制御部は、第１の増幅器と第２の増幅器との少なくとも一方における消費電流を検出するアンプ電流検出部をさらに有し、調整部は、調整を、アンプ電流検出部の検出結果に基づいて行う。
【００１８】
好ましくは、第１の増幅器は、スイッチングアンプであり、第２の増幅器は、スイッチングアンプである。
【００１９】
好ましくは、デルタシグマ変調方式は、バンドパスデルタシグマ変調方式又はローパスデルタシグマ変調方式である。
【発明の効果】
【００２０】
これらの発明に従うと、出力信号の出力電力及び負荷からの反射電力のうち少なくとも一方に基づいて第１のパルス信号と第２のパルス信号との位相差及びパルス幅比が調整される。したがって、負荷が変動しても高効率に駆動可能な信号増幅装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態の１つにおける信号増幅装置の概略構成を示す図である。
【図２】パルス信号と出力信号との関係を示す図である。
【図３】信号増幅装置の回路構成をモデル化して示す図である。
【図４】負荷の変動とそれに応じた制御について説明するグラフである。
【図５】負荷の変動とそれに応じた制御について説明するグラフである。
【図６】出力制御部における動作を説明するフローチャートである。
【図７】本実施の形態の一変型例に係る信号増幅装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態の１つにおける信号増幅装置について説明する。
【００２３】
信号増幅装置は、負荷（アンテナやプローブ等）に対して出力信号を出力する。信号増幅装置は、負荷のインピーダンスが変化したとき、それに整合するように、自動的に出力信号を調整する。
【００２４】
［実施の形態］
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態の１つにおける信号増幅装置の概略構成を示す図である。
【００２６】
図１に示されるように、信号増幅装置１は、出力制御部１０と、第１のスイッチングアンプ（第１の増幅器の一例）５１と、第２のスイッチングアンプ（第２の増幅器の一例）５２と、合成部６１とを有する。信号増幅装置１は、合成部６１から負荷８１に対して、出力信号Ｓｏｕｔ（ｔ）を出力する。なお、以下において、符号や記号の添え字は、符号や記号に続けて通常の大きさの文字で表記する。例えば、添え字ｏｕｔを持つＳは、Ｓｏｕｔと表記し、添え字Ｌを持つＹは、ＹＬと表記し、添え字１を持つＳは、Ｓ１と表記する。これらの正しい表記は、図面や数式中にある。
【００２７】
なお、図１においては、信号増幅装置１に含まれる主要な構成要素のみが示されている。これらの構成要素のほか、後述のような信号増幅装置１の動作が行われる範囲内で、フィルタや他の回路素子等が含まれていてもよい。
【００２８】
出力制御部１０は、２つの出力ポート１１，１２を有している。出力制御部１０は、出力ポート１１から、第１のパルス信号Ｓ１（ｔ）を出力する。また、出力制御部１０は、出力ポート１２から、第２のパルス信号Ｓ２（ｔ）を出力する。各パルス信号Ｓ１，Ｓ２は、例えば、８Ｇｂｐｓ程度のビットレートを有するデジタル信号である。
【００２９】
第１のスイッチングアンプ５１には、出力制御部１０から出力された第１のパルス信号Ｓ１が入力される。第１のスイッチングアンプ５１は、第１のパルス信号Ｓ１を増幅して出力する。
【００３０】
第２のスイッチングアンプ５２には、出力制御部１０から出力された第２のパルス信号Ｓ２が入力される。第２のスイッチングアンプ５２は、第２のパルス信号Ｓ２を増幅して出力する。
【００３１】
このように、第１のスイッチングアンプ５１や第２のスイッチングアンプ５２に「１」「０」のパルス信号を増幅させることにより、通常のアナログ正弦波を増幅させる場合と比較して効果的にスイッチング動作を促すことができる。したがって、第１のスイッチングアンプ５１や第２のスイッチングアンプ５２に理想的な高効率動作を実行させることができる。
【００３２】
合成部６１は、例えば合成器である。合成部６１には、第１のスイッチングアンプ５１と第２のスイッチングアンプ５２とのそれぞれから、増幅後の信号が入力される。合成部６１は、入力された２つの信号を合成して、出力信号Ｓｏｕｔを生成する。合成部６１は、出力信号Ｓｏｕｔを出力する。出力された出力信号Ｓｏｕｔは、負荷８１に入力される。なお、合成部６１は、バラン等であってもよい。出力信号Ｓｏｕｔは、例えば、２ＧＨｚ程度のマイクロ波の周波数帯の信号である。
【００３３】
出力制御部１０は、例えば、高速で動作可能なトランシーバポートを持つＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）である。出力制御部１０は、予め設定されたプログラムに基づいて、種々の動作を行う。すなわち、出力制御部１０は、信号処理部（調整部の一例）２１と、検出部（電力検出部の一例、アンプ電流検出部の一例）２３とを含んでいる。信号処理部２１及び検出部２３等、出力制御部１０の各部は、出力制御部１０がプログラムを実行することにより動作を行う。
【００３４】
信号処理部２１には、図視しないベースバンド部により生成された信号に基づいて生成されたデジタル信号が入力される。信号処理部２１は、入力されたデジタル信号を、例えば、公知の方式であるバンドパスデルタシグマ変調（ＢＰＤＳＭ）方式により変調し、第１のパルス信号Ｓ１と第２のパルス信号Ｓ２とを生成する。信号処理部２１により生成された第１のパルス信号Ｓ１と第２のパルス信号Ｓ２とが、出力ポート１１，１２から出力される。なお、信号処理部２１は、ローパスデルタシグマ変調方式などの他のデルタシグマ変調方式によりパルス信号Ｓ１，Ｓ２を生成してもよい。
【００３５】
本実施の形態において、検出部２３には、負荷８１からの反射電力に関する第１の検出信号Ｓｆが入力される。第１の検出信号Ｓｆは、出力信号Ｓｏｕｔを出力した結果、負荷８１とのインピーダンス不整合により負荷８１から反射された反射電力の大きさに対応する信号である。検出部２３は、第１の検出信号Ｓｆに基づいて、負荷８１からの反射電力を検出する。なお、検出部２３は、負荷８１からの反射電力と共に、又は反射電力に代えて、出力信号Ｓｏｕｔの大きさを検出するようにしてもよい。
【００３６】
また、検出部２３には、第１のスイッチングアンプ５１の消費電力及び第２のスイッチングアンプ５２の消費電力を示す第２の検出信号Ｓｇが入力される。検出部２３は、第２の検出信号Ｓｇに基づいて、第１のスイッチングアンプ５１の消費電力と第２のスイッチングアンプ５２の消費電力とを検出する。なお、検出部２３は、第１のスイッチングアンプ５１の消費電力と第２のスイッチングアンプ５２の消費電力とのうちいずれか一方を検出するようにしてもよい。
【００３７】
［出力制御部１０の動作の説明］
【００３８】
出力制御部１０において、信号処理部２１は、検出部２３の検出結果に基づいて、生成するパルス信号Ｓ１，Ｓ２を制御する。
【００３９】
図１に示されるように、パルス信号Ｓ１，Ｓ２は、振幅が一定で、パルス幅（オン期間の長さ）が互いに異なるデジタル信号である。パルス信号Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ、次式のように、時間ｔの関数として表される。次式において、添え字ｉｎを持つｖを「ｖｉｎ」と示している。
【００４０】
Ｓ１（ｔ）＝ｖｉｎ・ｃｏｓ（ωｔ＋θ１）
【００４１】
Ｓ２（ｔ）＝（１／ｎ）・ｖｉｎ・ｃｏｓ（ωｔ＋θ２）
【００４２】
本実施の形態において、出力信号Ｓｏｕｔは、ＬＩＮＣ（Ｌｉｎｅａｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）方式で増幅された信号であるといえる。出力信号Ｓｏｕｔを得るためのパルス信号Ｓ１，Ｓ２は、ＦＰＧＡである出力制御部１０の２つの出力ポート１１，１２から同期された状態で出力される。したがって、パルス信号Ｓ１，Ｓ２は、合成部６１において高精度で合成され、出力制御部１０による制御が確実に反映された出力信号Ｓｏｕｔが出力される。
【００４３】
図２は、パルス信号Ｓ１，Ｓ２と出力信号Ｓｏｕｔとの関係を示す図である。
【００４４】
図２においては、ある時間における第１のパルス信号Ｓ１と、第２のパルス信号Ｓ２とが、ベクトルとして示されている。パルス信号Ｓ２において、θ２はマイナスの値である。出力信号Ｓｏｕｔは、第１のパルス信号Ｓ１のベクトルと第２のパルス信号Ｓ２のベクトルとを合成したベクトルに対応する。
【００４５】
第２のパルス信号Ｓ２のパルス幅ｗ２は、第１のパルス信号Ｓ１のパルス幅ｗ１のｎ倍として表される。これらのパルス幅ｗ１，ｗ２は、図２において、各パルス信号Ｓ１，Ｓ２のベクトルの大きさに対応する。
【００４６】
また、第１のパルス信号Ｓ１と第２のパルス信号Ｓ２との位相差（θ１（ｔ）−θ２（ｔ））は、φ（ｔ）として表される。位相差φ（ｔ）は、図２において、各パルス信号Ｓ１，Ｓ２のベクトルのなす角に対応する。
【００４７】
信号処理部２１は、検出部２３の検出結果に基づいて、第１のパルス信号Ｓ１と第２のパルス信号Ｓ２との位相差φ（ｔ）と、第１のパルス信号Ｓ１のパルス幅ｗ１と、第２のパルス信号Ｓ２のパルス幅ｗ２との比（すなわち、上述の式におけるｎの値）とを変化させる。これにより、出力制御部１０は、２つのスイッチングアンプ５１，５２での効率が良くなり、かつ、必要な大きさの出力信号Ｓｏｕｔが得られるように、パルス信号Ｓ１，Ｓ２を出力する。
【００４８】
本実施の形態において、第１のスイッチングアンプ５１と、第２のスイッチングアンプ５２とは、共に略同一のゲインＧを有している。パルス信号Ｓ１，Ｓ２の振幅は、２つのスイッチングアンプ５１，５２において高い効率で増幅できるような大きさに保たれる。なお、２つのスイッチングアンプ５１，５２のゲインＧは、必ずしも厳密に一致している必要はない。スイッチングアンプ５１，５２のゲインＧに差があっても、パルス信号Ｓ１，Ｓ２のパルス幅比ｎの値で調整が可能である。
【００４９】
図３は、信号増幅装置１の回路構成をモデル化して示す図である。
【００５０】
信号増幅装置１の２つのスイッチングアンプ５１，５２及び合成部６１と、負荷８１とで構成される回路は、図３（ａ）のようにモデル化できる。ここで、スイッチングアンプ５１，５２はアンプ１５１，１５２に対応する。また、合成部６１と負荷８１とは、負荷１８１として表される。Ｖ１はアンプ１５１の出力電圧、Ｖ２はアンプ１５２の出力電圧、Ｚ１，Ｚ２はアンプ１５１，１５２のそれぞれの側のインピーダンスを示す。ＹＬは、負荷１８１のアドミッタンスを示す。
【００５１】
出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、次の式Ａ、式Ｂのように表される。
【００５２】
【数１】
2016092498.tif 000003
【００５３】
なお、通常のＬＩＮＣ方式では、式Ｂにおいて、ｎ＝１であって、θ２の絶対値がθ１のそれと同一で、θ２の符号がθ１の逆とされる。
【００５４】
図３（ｂ）に示されるように、片側のアンプ１５１の出力について考えると、インピーダンスＺ１に代えて、アドミッタンスＹ１について検討できる。そうすると、図３（ｃ）に示されるような回路を想定することができる。図３（ｃ）に示される回路は、アンプ１５１の出力に、並列に、コンデンサ（サセプタンスＢ１）と、抵抗（コンダクタンスＧ１）とを接続したものである。
【００５５】
ここで、図３（ａ）の回路に流れる電流Ｉ０から、インピーダンスＺ１、アドミッタンスＹ１が、次の式Ｃのように表される。ここで、ＲＬは負荷１８１のインダクタンスを示す。
【００５６】
【数２】
2016092498.tif 000004
【００５７】
そうすると、アドミッタンスＹ１は、次の式Ｄのように表される。式Ｄを式Ｅ〜Ｉのように変形すると、最終的に、アドミッタンスＹ１は、式Ｊのように表される。
【００５８】
【数３】
2016092498.tif 000005
【００５９】
式Ｊから、コンダクタンスＧ１は、次の式Ｋのように表される。また、式Ｊから、サセプタンスＢ１は、次の式Ｌのように表される。
【００６０】
【数４】
2016092498.tif 000006
【００６１】
このように、コンダクタンスＧ１と、サセプタンスＢ１とは、それぞれ、第１のパルス信号Ｓ１のパルス幅ｗ１と第２のパルス信号Ｓ２のパルス幅ｗ２との比ｎと、両パルス信号Ｓ１，Ｓ２の位相差φとを変数として表される。すなわち、信号処理部２１が、パルス幅比ｎ及び位相差φを変更する処理を行うことで、負荷８１のインピーダンスが変動してスイッチングアンプ５１，５２の負荷条件が変動したとき（コンダクタンスＧ１とサセプタンスＢ１とが元の）でも、それを一定に維持することができる。そのため、常に、スイッチングアンプ５１，５２を高効率で動作させることができる。
【００６２】
なお、サセプタンスＢ１成分は、出力信号を下げたときに増幅器の効率低減の要因となる。そのため、実際には、図３（ａ）は、サセプタンスＢ１成分を相殺する成分として−Ｂ１を挿入し、図３（ｄ）のように表現する。一方で、−Ｂ１は、増幅器最大出力時においては効率の低下要因になる。そのため、−Ｂ１の最適化は、信号増幅装置１の高効率化を図る上で重要な要素となる。
【００６３】
図４は、負荷の変動とそれに応じた制御について説明するグラフである。図５は、負荷の変動とそれに応じた制御について説明するグラフである。
【００６４】
図４において、横軸は出力信号Ｓｏｕｔの大きさＰｏｕｔを示し、縦軸は効率ηを示す。図４において、実線が初期状態の特性である。図４における実線の極大部について、コンダクタンスＧ１とサセプタンスＢ１とは、図に示される式で表せる。すなわち、このとき、サセプタンスＢ１は、補償分が減じられることにより、ゼロとなる。なお、最大出力部分において、コンダクタンスＧ１とサセプタンスＢ１とは、図に示される式で表せる。すなわち、このとき位相差φ＝πとなり、サセプタンスＢ１は、−Ｂ１（φ）となる。これは、一般的なＬＩＮＣ方式の動作原理と同様である。
【００６５】
図５に示されるように、初期状態においては、アドミッタンスＹＬは、インピーダンス（レジスタンス）ＲＬ，位相差φ、パルス幅比ｎを用いた、Ｇ１とＢ１とで表せる。このとき、負荷条件に対して効率が最も良くなる（図４における実線の極大部）。
【００６６】
ここで、負荷８１が変動すると、インピーダンスＲＬが変動し、インピーダンスＲＬ’となる。そうすると、アドミッタンスＹＬについて、コンダクタンスがＧ１’となり、サセプタンスがＢ１’となり、効率が変化する。このとき、図４に太い方の破線で示されるように、効率の特性が変化する。そうすると、それまでのピーク時と同じ出力パワーを得ようとすると、バックオフ効率が大きくなり、信号増幅装置１の効率が低下する。
【００６７】
これに対して、位相差φをφ’に変化させる制御が行われ、コンダクタンスがＧ１’から元のＧ１に戻されると、サセプタンスがＢ１”に変化する。
【００６８】
次に、パルス幅比がｎからｎ’に変更されると、コンダクタンスはＧ１のまま、サセプタンスがＢ１”から元のＢ１に戻る。これにより、図４に細い方の破線で示されるように、効率の特性が元に戻る。したがって、出力パワーに対する効率を高くすることができ、信号増幅装置１の効率を高くすることができる。
【００６９】
図６は、出力制御部１０における動作を説明するフローチャートである。
【００７０】
出力制御部１０は、パルス信号Ｓ１，Ｓ２を出力するとき、以下の処理を繰り返して行う。
【００７１】
図６に示されるように、ステップＳ１０１において、検出部２３において、反射電力が検出される。このとき、検出部２３は、スイッチングアンプ５１，５２の消費電力も合わせて検出する。
【００７２】
ステップＳ１０２において、検出部２３は、反射電力が所定値以上であるか否かを判断する。検出部２３により所定値以上であると判断されたとき（整合条件が合っていないとき）、ステップＳ１０４の処理に進む。
【００７３】
ステップＳ１０３において、信号処理部２１は、出力信号Ｓｏｕｔの出力レベルを変更したか否かを判断する。変更したときには、ステップＳ１０４の処理に進む。変更していなければ、一連の処理を終了し、そのままパルス信号Ｓ１，Ｓ２の出力を継続する。
【００７４】
ステップＳ１０４において、信号処理部２１は、パルス信号Ｓ１，Ｓ２のパルス幅比ｎや位相差φを調整する。これにより、負荷条件が変わったり出力レベルが変更されたりしたことに伴う変化に合わせて、整合条件を最適化させる。
【００７５】
以上説明したように、本実施の形態においては、負荷条件が変化したとき（ＲＬ→ＲＬ’）、パルス信号Ｓ１，Ｓ２の位相差φとパルス幅比ｎとが調整されるので、コンダクタンスＧ１とサセプタンスＢ１とを、元の効率が良いときの値に維持することができる。また、出力信号Ｓｏｕｔの振幅が変化するときでも、スイッチングアンプ５１，５２に対して入力されるパルス信号Ｓ１，Ｓ２の振幅は一定に保たれる。したがって、スイッチングアンプ５１，５２を常に高い効率で駆動させることができる。したがって、負荷８１が変動しても、信号増幅装置１の効率を高く維持することができる。
【００７６】
パルス信号Ｓ１，Ｓ２は、デルタシグマ変調により生成され、共に同一のＦＰＧＡである出力制御部１０から出力される。したがって、整合条件の調整制御を高い精度で確実に行うことができる。このようにデルタシグマ変調方式を利用することによって、一般的なパルス幅変調であるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いる場合よりも、一般的なデジタルＬＳＩであるＦＰＧＡを使って、２つの信号を同時に、精度良く確実に制御できるという効果を得られる。
【００７７】
このような効果は、増幅信号がＧＨｚ帯域の周波数であったりマイクロ波帯の周波数であったりする場合においても、確実に得ることができる。ＧＨｚ帯域では困難とされてきた振幅や位相といった補正を、デジタル変調方式であるデルタシグマ変調方式で変調されたパルス信号を用いることにより、精度良く行うことできる。すなわち、出力信号Ｓｏｕｔの出力電力及び負荷８１からの反射電力のうち少なくとも一方に基づいてパルス信号Ｓ１，Ｓ２の位相差及びパルス幅比が、精度良く調整される。したがって、負荷８１が変動しても、信号増幅装置１を高効率に駆動させることができる。
【００７８】
［信号増幅装置１の用途の説明］
【００７９】
信号増幅装置１は、例えば、医療用増幅器として用いられる。具体的には、マイクロ波手術装置などに用いることができる。すなわち、マイクロ波手術装置は、プローブ（負荷８１の一例）から生体組織にマイクロ波を照射する。これにより、マイクロ波手術装置は、生体組織を誘導加熱する。信号増幅装置１は、マイクロ波手術装置において、プローブに出力信号Ｓｏｕｔを供給する。
【００８０】
一般に、マイクロ波手術装置では、生体組織の変性や凝固が進むにつれ、プローブのインピーダンスが変化する。信号増幅装置１は、上述のように、負荷の変化に応じてパルス信号Ｓ１，Ｓ２を変化させる。これにより、スイッチングアンプ５１，５２を高効率で駆動させた状態を維持することができる。したがって、マイクロ波手術装置の効率を向上させることができ、マイクロ波手術装置を用いた処置を効率良く行うことができる。効率良くマイクロ波手術装置を駆動できるので、マイクロ波手術装置にかかる負荷を小さくし、発熱等を抑えることができる。
【００８１】
また、信号増幅装置１は、例えば、受信装置に対して電力を電波として送信する送信装置において、電力伝送用増幅器として用いることができる。
【００８２】
この場合、気象状況の変化などにより送信装置と受信装置との間の空間のインピーダンス（負荷の一例）が変化する。負荷が変化したとき、信号増幅装置１は、上述のようにそれに応じてパルス信号Ｓ１，Ｓ２を変化させる。これにより、スイッチングアンプ５１，５２を高効率で駆動させた状態を維持することができる。したがって、送信装置の効率を向上させることができる。
【００８３】
なお、信号増幅装置１の用途はこれに限られず、負荷８１に対して出力信号Ｓｏｕｔを出力する装置として広く用いることができる。
【００８４】
［変型例の説明］
【００８５】
図７は、本実施の形態の一変型例に係る信号増幅装置の概略構成を示す図である。
【００８６】
図７に示されるように、本変型例の信号増幅装置４０１において、第１のスイッチングアンプ４５１と第２のスイッチングアンプ４５２とが非対称に設けられている点が、上述の信号増幅装置１とは相違する。すなわち、第１のスイッチングアンプ４５１のゲインＧ１と第２のスイッチングアンプ４５２のゲインＧ２とは異なっており、ゲインＧ１の方が大きくなっている（第１のスイッチングアンプ４５１の方が第２のスイッチングアンプ４５２よりも大きくなっている。）。
【００８７】
このような構成である場合も、基本的には、上述の実施の形態と同様にパルス信号Ｓ１，Ｓ２の制御が行われることで、上述と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
ここで、出力制御部１０は、パルス信号Ｓ１，Ｓ２のうち一方の出力を固定して、他方の位相やパルス幅を変更することで、整合条件の調整を行うようにしてもよい。特に、図７に示されるように２つのスイッチングアンプ４５１，４５２の大きさが異なる場合、大きい方の第１のスイッチングアンプ４５１の方が、負荷８１の変動に応じて特性が大きく変化し、信号増幅装置４０１の効率に与える影響が大きい。したがって、例えば負荷８１の変動幅が小さいようなときには、第１のパルス信号Ｓ１は変化させず、第２のパルス信号Ｓ２を変化させることで、整合条件を行うようにしてもよい。この場合、第１のスイッチングアンプ４５１についての効率は変化しないので、信号増幅装置４０１全体としての動作を比較的安定させたまま、整合条件の調整を行うことができる。
【００８９】
［その他］
【００９０】
信号増幅装置のハードウェア構成は上述に限られるものではない。
【００９１】
ポート数に余裕があれば、出力制御部の３より多くの出力ポートのそれぞれからパルス信号を出力可能にし、パルス信号を合成できるようにしたり、利用するパルス信号を適宜切り替えることができるようにしたりしてもよい。
【００９２】
上述の実施の形態における処理は、ソフトウェアによって行っても、ハードウェア回路を用いて行ってもよい。
【００９３】
上述の実施の形態における処理を実行するプログラムを提供することもできるし、そのプログラムをＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録してユーザに提供することにしてもよい。プログラムはインターネットなどの通信回線を介して、装置にダウンロードするようにしてもよい。上記のフローチャートで、文章で説明された処理は、そのプログラムに従ってＣＰＵなどにより実行される。
【００９４】
上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９５】
１  信号増幅装置
１０  出力制御部
１１，１２  出力ポート
２１  信号処理部（調整部の一例）
２３  検出部（電力検出部の一例、アンプ電流検出部の一例）
５１  第１のスイッチングアンプ（第１の増幅器の一例）
５２  第２のスイッチングアンプ（第２の増幅器の一例）
６１  合成部
８１  負荷
Ｓ１  第１のパルス信号
Ｓ２  第２のパルス信号
Ｓｏｕｔ  出力信号
ｎ  パルス幅比
φ  位相差
【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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