JP2017005618A - 電力合成増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高増幅特性と高信頼性を有するとともに、最大出力電力を増加させることができる電力合成増幅装置を提供する。【解決手段】電力合成増幅装置４０は、分配器ＨＹＢ−Ｄと、Ｎ個（Ｎは、３以上の自然数）の電力増幅器Ａ１〜Ａ３と、合成器ＨＹＢ−Ｓと、電力増幅器Ａ１〜Ａ３と合成器ＨＹＢ−Ｓの接続状態を切り替えるための切替器スイッチＳＷＯ１〜ＳＷＯ３を有し、分配器ＨＹＢ−Ｄよって分配した入力電力を電力増幅器Ａ１〜Ａ３によって増幅してから合成器ＨＹＢ−Ｓによって合成することにより電力増幅を行う。電力合成増幅装置４０は、切替器スイッチＳＷＯ１〜ＳＷＯ３を切り替えることにより、すべてのＮ個の電力増幅器の出力が電力合成器で合成される全ルートモードと、Ｎ個の電力増幅器のうちのＭ個（Ｍは、Ｎよりも小さい２以上の自然数）の電力増幅器のみの出力が電力合成器で合成される高信頼性モードの２つのモードで動作が可能である。【選択図】図４

Description

本発明は、複数の増幅器の出力を合成する電力合成増幅装置に関し、特に、マイクロ波、準ミリ波等の信号の増幅に好適に使用される電力合成増幅装置に関する。

現在マイクロ波、準ミリ波回路の電力増幅器としては一般的にGaAs FETを用いたMMIC化電力増幅器が用いられている、例えばWINDS用WOTMシステムやWASシステム用電力増幅器ではGaAs FETを用いたMMIC 電力増幅器（Amplifier）を8個パラレルで合成して25Ｗ出力を得ているものが実用化されている。しかしながら使用目的によっては、より効率向上と出力電力の高出力化が要請される。更にその使用目的からMTBF (Mean Time Before Failure)のより長い、即ち信頼性のより高い電力増幅装置の設計とその実現が要求される。

電力増幅装置の信頼性を向上させる手法として、予備方式（冗長方式）が知られている。図１は、予備方式を採用した電力増幅装置１０を示す。図１の電力増幅装置１０では、並列に設置された２つの電力増幅器１，２の入力及び出力に切り替えスイッチＳＷ１，ＳＷ２を設けた構造を有する。常時は、電力増幅器１側を動作させておく。即ち、スイッチＳＷ１は、入力電力（ＲＦ（ＩＮ））を電力増幅器１に接続するように設定され、スイッチＳＷ２は、電力増幅器１の出力を出力回路（ＲＦ（ＯＵＴ））側に接続するように設定されている。そして、電力増幅器１に不具合が生じた場合には、スイッチＳＷ１は、ＲＦ（ＩＮ）を電力増幅器２に接続し、スイッチＳＷ２は、電力増幅器２の出力をＲＦ（ＯＵＴ）に導くように接続するよう切り替え動作する。このように、常時は一方のルート（電力増幅器１を通るルート）で電力増幅が行われ、電力増幅器１に不具合を生じると、他方のルート（電力増幅器２を通るルート）で電力増幅が行われる。これにより、故障に対する信頼性が向上する。ただし、更に電力増幅器２に不具合が生じた場合は既に電力増幅器１が不具合である為、システム全体が動作不可能に陥ってしまうことになる。

固体増幅素子としてGaAs FETを用いた電力増幅器の場合、１つの固体増幅器ではその出力電力が限られていることから、高出力を得る為に電力合成方式を採用することが一般的に行われている。図２は、電力合成方式を採用した電力合成増幅装置２０を示す。電力合成増幅装置２０では、並列に配置した２台の電力増幅器Ａ１，Ａ２の出力を合成することにより、電力出力は３ｄB増加する。さらに、電力増幅器Ａ１，Ａ２の出力と、電力増幅器Ａ３，Ａ４の出力を合成することで、出力を更に２倍にし、電力出力を６ｄB増加させることができる。例えば、個々の電力増幅器Ａ１〜Ａ４の出力が４Ｗであれば、電力合成増幅装置２０は、１６Ｗ出力の電力出力を得ることができる。しかし、いずれかの電力増幅器Ａ１〜Ａ４に不具合が発生し出力が無くなると、合成機能の不均衡を生じ、電力合成増幅装置２０の全体の合成出力に異常が生じ、正常な動作を行えなくなってしまう。

図３（Ａ）は、予備方式（５０％予備方式）と電力合成方式を併用した電力合成増幅装置３０を示す。電力合成増幅装置３０は、並列配置された３台の電力増幅器Ａ１〜Ａ３と、分配回路ＨＹＢ−Ｄと、合成回路ＨＹＢ−Ｓを有する。電力増幅器Ａ１〜Ａ３の入力及び出力は、スイッチＳＷＩ１〜ＳＷＩ３及びスイッチＳＷＯ１〜ＳＷＯ３を介して分配回路ＨＹＢ−Ｄ及び合成回路ＨＹＢ−Ｓに接続される。スイッチＳＷＩ１〜ＳＷＩ３、ＳＷＯ１〜ＳＷＯ３は、すべて、サーキュレータ型スイッチで構成される。なお、個別のスイッチＳＷＩ１〜ＳＷＩ３、ＳＷＯ１〜ＳＷＯ３を区別する必要がない場合には、単に「スイッチＳＷ」と簡略表記する場合がある。

電力合成増幅装置３０では、スイッチＳＷの切り換えにより、３台の電力増幅器Ａ１〜Ａ３のうちの任意の２台を分配回路ＨＹＢ−Ｄ及び合成回路ＨＹＢ−Ｓと接続状態にすることができる。これにより、通常時（例えば、すべての電力増幅器Ａ１〜Ａ３が正常である場合）は、特定の２台の電力増幅器（例えば、電力増幅器Ａ１，Ａ３）を用いて電力増幅を行い、そのいずれか（例えば、電力増幅器Ａ１）が故障した場合は、予備系統の１台（例えば、電力増幅器Ａ２）を稼働させるようにスイッチＳＷを切り換える。このように２台の電力増幅器の合成出力が常に出力されるため、出力電力は、３ｄB増加する。また、いずれか１台の電力増幅器が故障した場合でも出力低下を生じず動作を継続することが可能であり、信頼性が向上する。

図３（Ｂ）は、他の態様の電力合成増幅装置３１を示す。電力合成増幅装置３１では、２台の電力合成増幅装置３０の出力を合成することで、出力電力を更に３ｄB増加させることができる。図３（Ｂ）では、スイッチＳＷＩ１〜ＳＷＩ３、ＳＷＯ１〜ＳＷＯ３は「ＳＷ」と簡略表示されている。３台以上の電力合成増幅装置３０の出力を合成することにより、更なる出力増を得ることも可能である。

しかし、電力合成増幅装置３０では、３台の電力増幅器Ａ１〜Ａ３のうちの１台は常に不使用である。同様に、電力合成増幅装置３１では、６台の電力増幅器Ａ１〜Ａ６のうちの２台は常に不使用である。よって、すべての電力増幅器を動作させる場合と比較して、不使用となる台数分だけ最大出力電力は小さくなる。

特開２０１１−２３４０３６号公報

本発明は、電力合成増幅装置３０，３１と同様の高増幅特性と高信頼性を有することに加えて、最大出力電力を電力合成増幅装置３０，３１よりも増加させることができる電力合成増幅装置を提供することを目的とする。

本発明、上記目的を達成したものであり、
分配器と、
Ｎ個（Ｎは、３以上の自然数）の電力増幅器と、
合成器と、
前記Ｎ個の電力増幅器と前記合成器の接続状態を切り替える切替器を有し、
前記分配器によって分配した入力電力を前記Ｎ個の電力増幅器によって増幅してから前記合成器によって合成することにより電力増幅を行う電力合成増幅装置であって、
前記切替器を切り替えることにより、
すべての前記Ｎ個の電力増幅器の出力が前記電力合成器で合成される全ルートモードと、
前記Ｎ個の電力増幅器のうちのＭ個（Ｍは、Ｎよりも小さい２以上の自然数）の電力増幅器のみの出力が前記電力合成器で合成される高信頼性モード
の２つのモードで動作が可能である、電力合成増幅装置である。

本発明の電力合成増幅装置では、Ｎ個の電力増幅器の一部（Ｍ個の電力増幅器）の出力が電力合成器で合成される高信頼性モードでの動作が可能であるため、電力合成増幅装置３０，３１と同様の高増幅特性と高信頼性を達成できる。加えて、すべて（Ｎ個）の電力増幅器の出力が電力合成器で合成される全ルートモードでの動作が可能であるため、最大出力電力を増加させることができる。

本発明では、前記Ｎ個の電力増幅器のいずれかに不具合が発生した場合に、前記全ルートモードから前記高信頼性モードに移行することが好ましい。

本発明では、
前記合成器は、Ｎ個の入力端を有し、
前記高信頼性モードでは、Ｎ個の前記電力増幅器から選択されるＭ個の前記電力増幅器の出力が前記合成器によって合成され、
前記Ｍ個の前記電力増幅器の選択の仕方に拘わらず、当該選択されたＭ個の前記電力増幅器の出力が、常に、既定のＭ個の前記入力端に出力されることが好ましい。

本発明では、前記合成器が、位相調整器を有することが一つの方法である。

従来技術に係る予備方式を採用した電力増幅装置１０を示す説明図。 従来技術に係る電力合成方式を採用した電力合成増幅装置２０を示す説明図。 従来技術に係る予備方式及び電力合成方式を採用した電力合成増幅装置３０，３１を示す説明図。 本発明の１実施形態に係る電力合成増幅装置４０を示す説明図。 電力合成増幅装置４０における出力側スイッチの好ましい態様を示す説明図。 本発明の他の実施形態に係る電力合成増幅装置４１を示す説明図。 電力合成増幅装置４１の回路構成を示す説明図。 本発明の更に他の実施形態に係る電力合成増幅装置４２の回路構成を示す説明図。

図４は、本発明の１実施形態に係る電力合成増幅装置４０を示す。

電力合成増幅装置４０は、入力Ｉｎｐｕｔに接続された分配回路ＨＹＢ−Ｄと、出力Ｏｕｔｐｕｔに接続された合成回路ＨＹＢ−Ｓと、分配回路ＨＹＢ−Ｄと合成回路ＨＹＢ−Ｓの間に並列に配置された３台の電力増幅器Ａ１〜Ａ３を有する。電力増幅器Ａ１〜Ａ３は、好ましくは、ＧａＡｓＦＥＴを用いた半導体増幅器である。電力増幅器Ａ１〜Ａ３は、単一又は複数のＧａＡｓＦＥＴで構成され得る。電力合成増幅装置４０は、好ましくは、ＭＭＩＣ電力増幅器である。

分配回路ＨＹＢ−Ｄは、３つの出力端ＰＯ１〜ＰＯ３を有する。合成回路ＨＹＢ−Ｓは、３つの入力端ＰＩ１〜ＰＩ３を有する。電力増幅器Ａ１〜Ａ３の入力側は、分配回路ＨＹＢ−Ｄの出力端ＰＯ１〜ＰＯ３に図示のように接続される。電力増幅器Ａ１〜Ａ３の出力側は、出力側スイッチＳＷＯ１〜ＳＷＯ３を介して、合成回路ＨＹＢ−Ｓの入力端ＰＩ１〜ＰＩ３に図示のように接続される。

電力合成増幅装置４０は、全ルートモードと高信頼性モードの２種類のモードで動作が可能である

全ルートモードでは、すべての電力増幅器Ａ１〜Ａ３を動作させ、すべての電力増幅器Ａ１〜Ａ３の出力を合成するモードである。

全ルートモードでは、電力増幅器Ａ１の出力は、スイッチＳＷＯ１を介して入力端ＰＩ１から合成回路ＨＹＢ−Ｓに入力され、電力増幅器Ａ２の出力は、スイッチＳＷＯ２を介して入力端ＰＩ２から合成回路ＨＹＢ−Ｓに入力され、電力増幅器Ａ３の出力は、スイッチＳＷＯ３を介して入力端ＰＩ３から合成回路ＨＹＢ−Ｓに入力される。

全ルートモードでは、電力増幅器の台数が図３（Ａ）の電力合成増幅装置３０と同じ（３台）であるにも拘わらず、電力合成増幅装置３０の１．５倍の最大出力電力を得ることができる。その結果、実用時回線設計係数であるＥＩＲＰは約２ｄB増大させることが出来る計算となる。その分、回線設計マージンを増加させて、より高い回線品質で運用出来る利点を提供することができる。

高信頼性モードは、図３（Ａ）の電力合成増幅装置３０と同様の態様で動作するモードである。すなわち、通常時（例えば、すべての電力増幅器Ａ１〜Ａ３が正常である場合）は、特定の２台の電力増幅器（例えば、電力増幅器Ａ１，Ａ３）を用いて電力増幅を行う。そして、いずれかの電力増幅器（例えば、電力増幅器Ａ１）が故障した場合は、予備系統の１台（例えば、電力増幅器Ａ２）を稼働させるようにスイッチＳＷを切り換えることができる。このように２台の電力増幅器の出力が常に合成出力されることで、出力電力を３ｄB増加させることができる。また、いずれか１台の電力増幅器が故障した場合でも出力低下を生じず継続動作が可能であり、高信頼性が達成される。

電力合成増幅装置４０を高信頼性モードで動作させる場合、電力合成の効率を向上させるために、出力側スイッチＳＷＯ１〜ＳＷＯ３を工夫すること、及び／又は、合成回路ＨＹＢ−Ｓに位相調整機能を持たせることが一つの方法である。以下、これらの点について詳述する。

出力側スイッチＳＷＯ１〜ＳＷＯ３の好ましい実施形態を図５に示す。図５のスイッチＳＷＯ１及びＳＷＯ３は、図４のスイッチＳＷＯ１及びＳＷＯ３に対応する。図５の破線の四角で囲われた部分（スイッチＳＷＯ２−１及びＳＷＯ２−２）は、図４のスイッチＳＷＯ２に対応する。

図５は、すべての出力側スイッチＳＷＯ１〜ＳＷＯ３が、それぞれ、サーキュレータ型スイッチである場合を示す。各スイッチＳＷＯ１〜ＳＷＯ３のサーキュレータ型スイッチ記号は、ＳＷ記号の左側に矢印がある場合、ある接点から左回りに次の接点に接続していることを意味する。また、ＳＷ記号の右側に矢印がある場合は、ある接点から右回りに次の接点に接続していることを意味する。

図５の実施形態の動作を説明する。

＜全ルートモード＞
全ルートモードでは、図５（Ａ）に示すように、電力増幅器Ａ１の出力は、スイッチＳＷＯ１を経由して、合成回路ＨＹＢ−Ｓの入力端ＰＩ１に出力される。電力増幅器Ａ２の出力は、スイッチＳＷＯ２−１及びスイッチＳＷＯ２−２を経由して、合成回路ＨＹＢ−Ｓの入力端ＰＩ２に出力される。電力増幅器Ａ３の出力は、スイッチＳＷＯ３を経由して、合成回路ＨＹＢ−Ｓの入力端ＰＩ３に出力される。

＜高信頼性モード＞
全ルートモードの動作中に、いずれか一つの電力増幅器に不具合が生じた場合、残りの２台を用いて電力増幅を行う高信頼性モードに移行することができる。高信頼性モードでは、どの電力増幅器Ａ１〜Ａ３が不具合となった場合でも、残りの２台からの出力は、常に、３つの入力端ＰＩ１〜ＰＩ３のうちの特定の２つ（ＰＩ１とＰＩ２）に出力されるよう構成することが好ましい。

例えば、電力増幅器Ａ３に不具合が生じた場合（不図示）には、電力増幅器Ａ１の出力は、スイッチＳＷＯ１を介して入力端ＰＩ１に導かれ、電力増幅器Ａ２の出力は、ＳＷＯ２−１，ＳＷＯ２−２，を介して入力端ＰＩ２に導かれる。

また、電力増幅器Ａ２に不具合が生じた場合（不図示）には、電力増幅器Ａ１の出力は、スイッチＳＷＯ１を介して入力端ＰＩ１に導かれ、電力増幅器Ａ３の出力は、ＳＷＯ３及びＳＷ０２−２を介して入力端ＰＩ２に導かれる。（図５（Ａ）の状態から、ＳＷＯ３及びＳＷ０２−２が切り替わる。）

また、電力増幅器Ａ１に不具合が生じた場合には、図5（B）に示すように、電力増幅器Ａ２の出力は、ＳＷＯ２−１，ＳＷＯ１を介して入力端ＰＩ１に導かれ、電力増幅器Ａ３の出力は、ＳＷＯ３、SW02-2を介して入力端ＰＩ２に導かれる。（図５（Ａ）の状態から、ＳＷＯ１及びＳＷＯ２−１、ＳＷ０２−２、ＳＷ０３が切り替わる。）

上記のように、電力増幅器Ａ１〜Ａ３のどれに不具合が生じた場合であっても、特定の２つの入力端（上記の例では、入力端ＰＩ１及びＰＩ２）に出力電力が伝送されるように操作することが可能である。これにより、電力合成の効率向上を図ることができる。

上記では、３個の電力増幅器のうちの２個の電力増幅器を常に動作させる場合で説明したが、Ｎ個の電力増幅器のうちのＭ個を常に動作させる構成も考えられる。（ただし、Ｎは、４以上の自然数であり、Ｍは、Ｎよりも小さい２以上の自然数である。入力端の個数はＮ個である。）この場合、稼働状態にあるＭ個の電力増幅器の出力は、常に、既定のＭ個の入力端に導かれるように構成することが好ましい。

図６は、他の形態の電力合成増幅装置４１を示す。電力合成増幅装置４１では、２台の電力合成増幅装置４０の出力を合成することで、電力合成増幅装置４０の２倍の出力電力を得ることができる。図６では、スイッチＳＷＩ１〜ＳＷＩ３、ＳＷＯ１〜ＳＷＯ３は「ＳＷ」と簡略表示されている。３台以上の電力合成増幅装置４０の出力を合成することにより、更なる出力増を得ることも可能である。

図７は、電力合成増幅装置４１のより具体的な回路構成の詳細を示す。

図８は、他の実施形態に係る電力合成増幅装置４２の回路構成を示す。図示のように、電力合成増幅装置４２は、合成回路に位相シフタＰＳが導入されている点で、電力合成増幅装置４１と相違する。図示の例では、位相シフタＰＳは、合成回路ＨＹＢ−Ｓ３の入力端のルート上に配置されている。位相シフタＰＳを有することにより、ＨＹＢ−Ｓ１，Ｓ２から出力される電力量のレベルが異なる場合であっても、電力量合成のための位相調整を行うことで、電力合成の効率向上を図ることが可能となる。

以上、好ましい実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は、特許請求の範囲の規定内で任意に変更することが可能である。例えば、電力合成増幅装置に使用される電力増幅器は、GaAs FETやGaN FET等の半導体増幅器に限らず、電力増幅機能を有する任意の増幅器を使用できる。本発明の電力合成増幅装置は、マイクロ波や準ミリ波の増幅に好ましく適用されるが、これ以外の波長帯の信号増幅にも適用は可能である。

４０〜４２・・・電力合成増幅装置
Ａ１〜Ａ６・・・電力増幅器
ＨＹＢ−Ｓ・・・合成回路
ＨＹＢ−Ｄ・・・分配回路
ＰＩ１〜ＰＩ３・・・入力端
ＰＯ１〜ＰＯ３・・・出力端
ＰＳ・・・位相シフタ
ＳＷＯ１〜ＳＷＯ３・・・スイッチ

Claims (4)

1. 分配器と、
   Ｎ個（Ｎは、３以上の自然数）の電力増幅器と、
   合成器と、
   前記Ｎ個の電力増幅器と前記合成器の接続状態を切り替える切替器を有し、
   前記分配器によって分配した入力電力を前記Ｎ個の電力増幅器によって増幅してから前記合成器によって合成することにより電力増幅を行う電力合成増幅装置であって、
   前記切替器を切り替えることにより、
   すべての前記Ｎ個の電力増幅器の出力が前記電力合成器で合成される全ルートモードと、
   前記Ｎ個の電力増幅器のうちのＭ個（Ｍは、Ｎよりも小さい２以上の自然数）の電力増幅器のみの出力が前記電力合成器で合成される高信頼性モード
   の２つのモードで動作が可能である、電力合成増幅装置。
2. 前記Ｎ個の電力増幅器のいずれかに不具合が発生した場合に、前記全ルートモードから前記高信頼性モードに移行する、請求項１に記載の電力合成増幅装置。
3. 前記合成器は、Ｎ個の入力端を有し、
   前記高信頼性モードでは、Ｎ個の前記電力増幅器から選択されるＭ個の前記電力増幅器の出力が前記合成器によって合成され、
   前記Ｍ個の前記電力増幅器の選択の仕方に拘わらず、当該選択されたＭ個の前記電力増幅器の出力が、常に、既定のＭ個の前記入力端に出力される、請求項１又は２に記載の電力合成増幅装置。
4. 前記合成器が、位相調整器を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力合成増幅装置。

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