(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性領域に設定された動作点で増幅を行う増幅手段と、
前記増幅の対象となるべき基本波と、前記基本波の周波数領域における３倍波とを波高率が最大となる位相差で合成することにより瞬時値が前記増幅手段の定格内にある合成波を生成し、前記増幅の対象とする合成手段と
を備えたことを特徴とする電力増幅装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力増幅装置において、
前記基本波を飽和領域で増幅することにより前記３倍波を生成する高調波生成手段を備えた
ことを特徴とする電力増幅装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電力増幅装置において、
前記合成手段は、
前記基本波の波長λに対して長さがそれぞれ（１／８）λ、（３／８）λであり、かつ並列に接続された２つの線路を介して前記増幅手段に前記合成波を引き渡す
ことを特徴とする電力増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力増幅装置の高出力、高効率電力増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタを高効率動作させるために流通角を狭くする方法がある。しかしながら、狭流通角動作ではトランジスタの耐圧とドライバ増幅器の消費電力が問題となる。これらについて詳しく説明する。
【０００３】
図５はトランジスタの流通角φに対する電力付加効率特性である（非特許文献１参照）。ここで流通角とは図６に示すように、ドレイン電流が流通している角度（区間）をｄｅｇ（度）で表現した値であり、Ａ級動作時は３６０ｄｅｇ、Ｂ級動作時は１８０ｄｅｇ、そしてＣ級動作時は１８０ｄｅｇ未満である。また、電力付加効率とはトランジスタの入力電力を考慮した効率であり、ドレイン効率に比べてより現実的な電力増幅装置全体の効率の指標となる。図５から読み取れるように、トランジスタのＡ級動作時の利得ＧＡが高ければ、流通角を狭くすることにより電力付加効率は向上する。
【０００４】
図６はトランジスタ動作時の電流および電圧波形である。また、図７はトランジスタの端子名、端子に流れる電流および端子間に発生する電位差の定義である。図６に示すように、狭流通角を得るためには入力信号の平均値がトランジスタのしきい値電圧Ｖｔｈよりも低くなるように、深いゲートバイアスを与える必要がある。また、狭流通角動作ではトランジスタの利得が減少するため、所望の出力電力を得るために、より高い入力電力を与える必要がある。
【０００５】
しかしながら、高い入力電力によりトランジスタのゲート−ドレイン間に高い電位差が発生する。その結果、出力電力はトランジスタのゲート−ドレイン間耐圧により制限される。また、高い入力電力を得るためには、高出力ドライバ増幅器が必要となり、電力増幅装置全体の効率は低下する。
【０００６】
この課題を解決するため、特許文献１では、トランジスタの入力信号を整流し、入力信号の下限値をクリップすることにより耐圧による制限を緩和している。
【非特許文献１】高山洋一郎， “マイクロ波トランジスタ”， 電子情報通信学会，  ｐｐ．１９３−１９７，  Ｄｅｃ．１９９８
【特許文献１】特開２００６−２４５９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、整流によりひずみが発生したり、周波数特性が劣化するといった問題がある。また、整流による方法では依然として高出力ドライバ増幅器を必要とし、電力増幅装置全体の効率低下を回避できない。
【０００８】
本発明はトランジスタのゲート−ドレイン間耐圧による出力電力の制限を緩和し、高出力電力を得ることを目的とする。また、トランジスタに高い入力電力を与えるためのドライバ増幅器による電力消費を低減し、電力増幅装置全体の効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の電力増幅装置では、増幅手段は、不活性領域に設定された動作点で増幅を行う。合成手段は、前記増幅の対象となるべき基本波と、前記基本波の周波数領域における３倍波とを波高率が最大となる位相差で合成することにより瞬時値が前記増幅手段の定格内にある合成波を生成し、前記増幅の対象とする。
【００１０】
請求項２に記載の電力増幅装置では、請求項１に記載の電力増幅装置において、高調波生成手段は、前記基本波を飽和領域で増幅することにより前記３倍波を生成する。
【００１１】
請求項３に記載の電力増幅装置では、請求項１または請求項２に記載の電力増幅装置において、前記合成手段は、前記基本波の波長λに対して長さがそれぞれ（１／８）λ、（３／８）λであり、かつ並列に接続された２つの線路を介して前記増幅手段に前記合成波を引き渡す。
【発明の効果】
【００１５】
以上述べたように、狭流通角動作であってもトランジスタに高入力電力を与える必要がなくなるため、トランジスタのゲート−ドレイン間耐圧による出力電力の制限は緩和され、高出力動作が可能となる。また、ドライバ電力増幅器は高い電力を出力する必要がなくなるため、消費電力は低減し、電力増幅装置全体の効率は向上する。
【実施例】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態を図面に従って説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は本発明による電力増幅装置の（第１の実施形態）の概略図である。本発明による電力増幅装置１００は増幅手段４００に与える信号に基本波に対して同相の３倍波を重畳し、入力信号の波高率（最大値／実効値）を高め、増幅手段４００の入力電力を高めることなく狭流通角動作を実現する。
【００１８】
３倍波重畳手段２００は基本波を入力し、基本波および３倍波を出力する。
【００１９】
（第２の実施形態）
（第２の実施形態）は３倍波重畳手段としてトランジスタ増幅器を用いる。トランジスタ増幅器であれば、入力信号を増幅手段４００の所望の電力に増幅するとともに、３倍波を重畳することができ、経済的である。
【００２０】
（第３の実施形態）
（第３の実施形態）は３倍波重畳手段として図２に示すようなアンチパラレルダイオード回路を用いる。アンチパラレルダイオード回路はダイオードの電圧−電流特性の非線形性を利用して３倍波を重畳する。ダイオードの順方向降下電圧をＶＦとすると、アンチパラレルダイオード回路の出力信号の電圧は±ＶＦに制限される。
【００２１】
以下、３倍波重畳手段はトランジスタ増幅器と仮定する。３倍波重畳手段２００に基本波入力を与え、飽和動作させると、出力信号に基本波に対して逆相の３倍波が重畳する。時間軸での出力波形は矩形に近づき、波高率は減少する。３倍波重畳手段２００の出力信号を矩形波と仮定すると、図１０および式（１）で表すことができる。
【数１】
0005060389.tif 000002
【数２】
0005060389.tif 000003
【００２２】
３倍波重畳手段２００から出力された基本波および３倍波は３倍波調整手段３００に入力される。
【００２３】
（第４の実施形態）
（第４の実施形態）は３倍波調整手段として、図３に示すような基本波に対して１／８波長の線路３０５と３／８波長の線路３０６から構成されるマイクロストリップ線路による回路を用いる。図３に記載している線路の特性インピーダンス値は入出力インピーダンスを５０Ωに整合したときの一例である。
【００２４】
図８は図３の構成による３倍波調整手段の周波数特性実測値である。横軸を基本波周波数で正規化している。この３倍波調整手段は３倍波の周波数で通過位相が−１８０度であり、３倍波反転回路として動作する。
【００２５】
３倍波重畳手段からの信号を図３の構成による３倍波調整手段を通すと、３倍波は反転し、基本波に対して同相の３倍波が重畳された信号を得ることができる。式１において、ｃｏｓ（３ｘ）の項の符号が反転することとなる。
【００２６】
図９は９倍波までの矩形波を図３の３倍波調整回路（実測）に入力したときの出力波形図である。３倍波の位相を反転し、波高率の高い信号に調整可能なことがわかる。たとえば、流通角１１０度の尖頭波形は基本波のみのときに対し、３ｄＢ低い電力で実現可能である。
（第５の実施形態）
（第５の実施形態）は３倍波調整手段として図４に示す回路を用いる。この構成によっても基本波の位相に対して３倍波の位相を反転することが可能である。
【００２７】
以下に、本願の出願当初の明細書に記載された「特許請求の範囲」の記載を一括して転記する。なお、本願の出願当初の「請求項１」、「請求項２」、「請求項３」については、補正後の最新の「特許請求の範囲」に記載された各請求項との峻別のため、それぞれ「当初請求項１」、「当初請求項２」、「当初請求項３」と表記する。
〔当初請求項１〕
高出力であり、かつ、高効率であることが求められる電力増幅装置において、
３倍波重畳手段、３倍波調整手段および増幅手段を備え、
３倍波重畳手段は基本波を入力し、基本波および基本波の周波数を３倍した３倍波を出力
し、
３倍波調整手段は３倍波重畳手段から出力された基本波および３倍波を入力し、
波高率が最大となるように基本波あるいは３倍波もしくはその両方の位相を調整し、
増幅手段は３倍波調整手段から出力された基本波および３倍波を入力し、
入力値に対してしきい値Ａを設定し、入力信号の電圧をＡに制限し、
流通角１８０度以下で増幅動作することを特徴とする電力増幅装置。
〔当初請求項２〕
前記３倍波重畳手段は利得の飽和により３倍波を発生する増幅器であることを特徴とする前記当初請求項１に記載の電力増幅装置。
〔当初請求項３〕
前記３倍波調整手段は基本波に対して１／８波長の線路と３／８波長の線路を備え、
３倍波調整手段に入力された信号は１／８波長の線路および３／８波長の線路に分岐し、おのおのの線路を通過した後に合成して出力されることを特徴とする
前記当初請求項１に記載の電力増幅装置。
以下に、本願の出願当初の明細書に記載された段落０００９〜００１４の記載を一括して転記する。なお、これらの段落の内、段落０００９の冒頭の記載「上記の目的」については、先行する段落０００８の記載との対応関係の維持のため、以下の通りに、「段落０００８に記載された目的」と表記する。
「段落０００８に記載された目的」を達成するため、増幅手段の入力信号に基本波に対して同相の３倍波を重畳し、入力信号の波高率（最大値／実効値）を高め、入力電力を高めることなく狭流通角動作を実現する。
本発明による電力増幅装置は、
３倍波重畳手段、３倍波調整手段および増幅手段を備え、
３倍波重畳手段は基本波を入力し、基本波および基本波の周波数を３倍した３倍波を出力し、
３倍波調整手段は３倍波重畳手段から出力された基本波および３倍波を入力し、
波高率が最大となるように基本波あるいは３倍波もしくはその両方の位相を調整し、
増幅手段は３倍波調整手段から出力された基本波および３倍波を入力し、
入力値に対してしきい値Ａを設定し、入力信号の電圧をＡに制限し、
流通角１８０度以下で増幅動作することを要旨とする。
本発明の一様態では、
増幅手段はバイアス調整によりしきい値の設定が可能なトランジスタ増幅器であることが好適である。
本発明の一様態では、
３倍波重畳手段は利得の飽和により３倍波を発生する増幅器であることが好適である。
増幅器であれば、信号を所望の電力に増幅するとともに、３倍波を重畳することができ、経済的である。
本発明の一様態では、
３倍波重畳手段はダイオードであることが好適である。
所望の出力電力を得るために、３倍波発生手段と増幅手段の間にドライバ増幅器を用いても良い。
本発明の一様態では、
３倍波調整手段は基本波に対して１／８波長の線路と３／８波長の線路を備え、
３倍波調整手段に入力された信号は１／８波長の線路および３／８波長の線路に分岐し、おのおのの線路を通過した後に合成して出力されることが好適である。基本波に対して逆相の３倍波重畳手段を利用したばあい、本３倍波調整手段は３倍波を反転させるため、基本波に対して同相の３倍波を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の電力増幅装置の（第１の実施形態）の構成図
【図２】本発明の３倍波重畳手段の（第３の実施形態）の構成図
【図３】本発明の３倍波調整手段の（第４の実施形態）の構成図
【図４】本発明の３倍波調整手段の（第５の実施形態）の構成図
【図５】トランジスタ電力増幅器の流通角対電力付加効率特性図
【図６】トランジスタ電力増幅器の電圧−電流波形図
【図７】トランジスタの端子名、電流および端子間電位差の定義図
【図８】本発明の３倍波調整手段の特性図
【図９】本発明の３倍波反転波形図
【図１０】３倍波重畳手段の出力波形図
【符号の説明】
【００２９】
１００    電力増幅装置
１０１    入力端子
１０２    出力端子
２００    ３倍波重畳手段
３００    ３倍波調整手段
４００    増幅手段
２０１    ３倍波重畳手段
２０２    入力端子
２０３    出力端子
２０４    ダイオード
２０５    ダイオード
３０１    ３倍波調整手段
３０２    入力端子
３０３    出力端子
３０４    マイクロストリップ線路
３０５    マイクロストリップ線路
３０６    マイクロストリップ線路
３０７    マイクロストリップ線路
３０８    ３倍波調整手段
【図１】
0005060389.tif 000004
【図２】
0005060389.tif 000005
【図３】
0005060389.tif 000006
【図４】
0005060389.tif 000007
【図５】
0005060389.tif 000008
【図６】
0005060389.tif 000009
【図７】
0005060389.tif 000010
【図８】
0005060389.tif 000011
【図９】
0005060389.tif 000012
【図１０】
0005060389.tif 000013