JPH06501828A - 特にマイクロ波信号増幅用の衛星搭載ｍｅｓｆｅｔ電力増幅器およびその電源ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 特にマイクロ波信号増幅用の衛星搭載ＭＥＳＦＥＴ電力増幅器およびその電源ユ ニット 本発明は、トランジスタ電力増幅器または５ＳＰＡ（固体電力増幅器）に関し、 特にＭＥ　Ｓ　Ｆ　ＥＴ（ＭＥｔｅｌ　−Ｓｅ＋ｗｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉ ｅｌｄ　−Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　；金属半導体電界効果トラン ジスタ）電力素子を使用した増幅器に関する。

この種の増幅器は、特にマイクロ波信号、例えば高電力通信信号を送信するよう に設計された進行波管（ＴＷＴ）を駆動する信号用の最終無線周波増幅段用の宇 宙用途に使用される。これらの増幅器は、特に高い固有の信頼性、小さい質量、 コンパクトな大きさおよび異なる用途に容量に適合し得るので、この分野に有益 である。ＭＥＳＦＥＴは１．５ＧＨｚ以上の周波数において信号を増幅するため に現実に広く使用される。

増幅器は、歪みを発生する増幅器の非線形性に対して増幅される信号がどの程度 敏感であるかに依存して、２つのモードの一方で動作する。

第１のモード、すなわち線形モードにおいては、多重搬送波信号のように特に非 線形性に敏感な信号を増幅するのに使用されなければならないが、増幅器の動作 点が調整され、増幅器は常にその定格電力出力以下で動作し、安全性の余裕があ り、入力から出力への歪みが非常に少ない。

また、第２のモードでは、単一の搬送波上のＱＰＳＫ（直角位相シフトキーイン グ）信号のように非線形性にあまり敏感でない信号を増幅するのに使用されるが 、上述した安全性の余裕がなくなり、増幅器の出力電力をかなり増大するが、ま た歪みも増大する。このモードは、「飽和」モードと呼ばれる。

いずれの場合も、増幅器の動作温度は可成りその特性に影響を与える。これは常 習的に遭遇する非常に広い範囲の温度変動を有する宇宙用途においては特に重大 である０例えば、衛星に搭載される増幅器の場合には、トランジスタの温度は典 型的には一１０°Ｃ〜＋４０°Ｃの間で変化し、たびたび比較的急激な加熱／冷 却サイクルが発生する。

温度の上昇は、ＭＥＳＦＥＴチャンネルにおける電子のドリフト移動性および最 大ドリフト速度を低減し、構成要素の相互コンダクタンスおよび最大チャンネル 電流を低減する。そして温度が上昇するに従って、増幅器の利得および出力電力 は低減する。一方、低い温度では、利得および出力電力の反対の影響によって増 幅器による過度の電力消費が生じる。

これらの温度の影響を補償する技術は既に提案されている。

更に詳しくは、第１の周知の技術では、電力増幅器の入力側のプリアンプ段で動 作させることによって、増幅器の利得は全体的に補償される。プリアンプ段は、 増幅器の他の回路の利得における変動に対して反対方向に温度の関数として利得 が変化する回路を有し、増幅器の全体の利得を補償する。可変利得回路は、増幅 器の出力電力を（例えばカプラーを介して）測定し、プリアンプ段の利得を調整 して、一定の出力レベル、従って増幅器システムの一定の全利得を維持する回路 によって制御される自動利得制御回路または温度に応答する構成要素によって制 御される可変利得増幅器または可変減衰器である。

しかしながら、実施した場合、この技術は線形動作の分野においては有効である が、入力電力に対する出力電力の不充分な依存性のために飽和においては有効で はない、増幅器が飽和すると、プリアンプ段の出力におけるレベルの変動に伴い 出力電力がほんの僅か変化する。

この種の方法は、飽和モードで動作する増幅器における温度の変動の影響を正確 に補償することはできない。

増幅器システムの全体の利得で動作する以外の他の周知の補償技術は、電流制御 回路を使用して温度が上昇するに従って各構成要素のドレイン電流を増大させる ことによって種々のＭＥＳＦＥＴで個別に作動させる技術である。この場合、利 得は（線形領域では）ドレイン電流に依存する構成要素の相互コンダクタンスに 比例するので、ドレイン電流における増大は利得の温度依存性の低減を補償する 。

この技術は理論において有効であるが、次に示すような種々の欠点を有している 。

すなわち、各構成要素に対して制御回路を備えることが必要である。これは増幅 器を更に？ｊ！雑にし、従って信頼性が低下し、重く、太き（なる、これらの全 ての特性は特に宇宙用として適用する場合に重要な要素である。

ドレイン電流／温度曲線の勾配が一定でな（、周波数で変化する。従って、この 技術は周波数の変動の影響を更に補償するものがない場合には広帯域増幅器に通 用することはできない。

最も高い温度では、大きく増大したドレイン電流によって過度のチャンネル温度 が発生し、ＭＥＳＦＥＴの信顧性を低減する。

最後に、上述した場合におけるように、この技術はトランジスタの動作が本質的 に線形である場合にのみ適用可能である。

これらの従来技術の各々においては、増幅器の利得は線形領域においてのみ補償 されることが明らかである。出力電力変動は飽和領域においては補償されない。

バイポーラトランジスタと異なって、飽和が近づくにつれてゲートコンタクトに よる制御が段々有効でなくなるためにゲートのバイアスで動作することによって 素子が飽和した場合にはＭＥＳＦＥＴの動作点を制御することはできない。飽和 した構成要素のバイアスで動作させる試みは過度のゲート電流のために構成要素 を損傷する危険がある。

本発明の目的は、これらの欠点を除去することであり、このためにＭＥＳＦＥＴ 増幅器における温度の影響を補償し、線形領域のみならず特に飽和領域において このような温度の影響を完全に補償する新規な技術を提案することにある。

本発明による補償技術の有効性は飽和の度合に比例し、それは信頼性に対して非 常に限られた影響のみを有し、電源ユニットの効率をほとんど劣化させないこと がわかるであろう。

本発明による補償技術は可変利得回路を使用した既存の補償技術と完全に両立し 得るものであることがわかるであろう。同時に発生する二重補償の可能性は同じ 増幅器が線形領域と飽和領域の両方で動作しなければならない用途において特に 有益であり、例えば一方の動作モードから他方の動作モードへの切り替えは遠隔 的に指令される。宇宙用途では、ある送信器は長距離または短距離送信が必要で あるかどうかによって非常に異なる出力電力で動作できなければならない。

本発明では、少なくとも１つのＭＥＳＦＥＴ電力回路と、 前記少なくとも１つの電力回路が動作するのに必要な電圧を前記少な（とも１つ の電力回路に供給するようになっていて、直流ドレイン電圧を有する電源ユニッ トと、 をそれぞれ具備する、マイクロ波信号を増幅するのに適する衛星搭載用の電力増 幅器において、前記電源ユニットは、 前記少な（とも１つの電力回路の前記ＭＥＳＦＥＴの近くに設けられ、これらの 温度を検知する温度検知構成要素と、 前記温度検知構成要素によって分配されるパラメータに連動して、温度が変動す るのと同じ方向に前記直流ドレイン電圧を変化させ、前記少なくとも１つの電力 回路の利得および出力電力の温度依存と反対方向の変動を前記直流ドレイン電圧 の操作によって補償する手段と、 をそれぞれ有する。

好ましくは、温度検知構成要素は温度にほぼ比例した電流を供給する電流発生器 であり、直流ドレイン電圧を変える手段は電流発生器によって出力される電流の 関数として電圧を変更するようになっている抵抗ユニットを有する定電圧発生器 を有している。

また、本発明は、少な（とも１つのＭＥＳＦＥＴ電力回路および上述した電源ユ ニットを有する電力増幅器を具備している。

添付図面を参照して本発明の一実施例についての詳細な説明を行う。

図１は本発明の補償技術が適用されたＭＥＳＦＥＴ電力増幅器の種々の構成段を 示す図である。

図２は線形動作および飽和動作を説明するための種々の入力電力レベルに対する ＭＥＳＦＥＴのドレインにおける電圧変動を示している。

図３および図４はそれぞれ単一ランプおよび二重ランプ温度補償回路を示す図で ある。

図５は図３または図４のような補償回路を有する図１のような増幅器用の電源ユ ニットの構成図である。

図６および図７は３つの異なる温度に対して入力電力の関数としての増幅器の出 力電力を従来の増幅器および本発明によって補償された増幅器に対してそれぞれ 示すグラフである。

図８および図９は入力電力の関数として増幅器によって消費される電力に対する 図６および図７に対応する図である。

図１は増幅器を構成する種々の回路を示す図である。

この増幅器は、電力段２を駆動するプリアンプ段１を有する。プリアンプ段１は 増幅すべき無線周波信号を受信する２つの連続した増幅回路３．４および２つの 連続した可変減衰回路５．６を有する。第１の可変減衰器５は線形動作における 増幅器の利得の変動を補償するために使用され、上述した従来技術を使用してい る。第２の可変減衰器６は増幅器の利得および一定入力電力に対する出力電力レ ベルを設定する。

電力段２は通常のものであり、２つの装置８および９を並列に同時に駆動する回 路（ドライバ）７を有する。装ｚ８．９は電力ＭＥ　Ｓ　Ｆ　ＥＴを有する。こ れらの２つの装置の出力信号はそれからオプションとして適当なフィルタ／検出 器回路１ｏを介して無線周波出力に供給される。

図２は図１の増幅器、特に電力段トランジスタのＭＥＳＦＥＴのドレイン電圧に おける変動を示している。

瞬時ドレイン電圧■４は、供給ゲート信号が変化するに従って直流ドレイン電圧 Ｖａａを中心に変化する。

線形動作においては、すなわち増幅器に供給される入力電力レベルが低い場合に は、出力電圧変動は信号の波形に影響を与えない。この信号の波形は構成要素の 利得にのみ依存している。正弦波入力信号は非常に小さな歪みを有する正弦波出 力信号を発生する。この状況において、ドレイン電圧■４の変動に比例する温度 の関数としての出力電力の低減は上述した従来技術を使用したプリアンプ段１の 利得を操作することによって２つの装置の入力に同時に供給される電力を増大す ることによって補償することができる。

一方、ＭＥＳＦＥＴの入力レベルが飽和レベルまで増大した場合には、ドレイン 電圧■４は負の半サイクルにおいて構成要素の飽和電圧Ｖ　ｓａｔでクリップさ れ、正の半サイクルでは電圧２Ｖａａ　Ｖ−ｔによってクリップされる。従って 、出力信号１２は非常に歪むことになる。飽和動作では、出力電力は構成要素の 入力レベルの変動にわずかに依存しているのみである。その結果、上述した補償 技術は効力がないかまたはほとんど効き目がない。

この制限を軽くするために、本発明は温度が上昇した場合およびその逆の場合、 Ｖ４ｄを増大することによって直流ドレイン電圧Ｖ。を温度変動に連動するよう にしている。これにより、ＭＥＳＦＥＴの相互コンダクタンスはほぼ一定になり 、相関的効果がシステムの出力レベルおよび全体の利得に得られる。

本発明によるこの補償技術の効果は飽和度に比例していることに注意されたい、 すなわち、出力電圧波形１２が矩形波に更に近づ（につれて効果は増大する。

それから、ドレイン電圧における小さな変動によって出力電圧に非常に大きな変 動が発生する。

直流ドレイン電圧Ｖ４ｄは、増幅器の電源ユニットに温度検知回路、例えば所定 の勾配のランプ機能を使用した温度の関数としてドレイン電圧を制御する基準電 圧（設定点値）を可変する回路を導入することによって本質的に変えられる。

この新しい補償技術はプリアンプ段の利得で動作し、線形動作において有効な補 傷を行うことができる従来の補償技術とともに使用されることに注意されたい。

図３および図４は温度検知回路の２つの例、すなわち単一ランプ回路（図３）お よび二重ランプ回路（図４）を示している。

これらの回路の各々は、ドレイン電圧Ｖａａを設定する回路が（この回路につい ては図５を参照して説明する）連動する基準電圧Ｖ□、を供給する。この電圧■ １゜、は温度によって調整される。

図３に示す単一ランプ回路１３は温度検知部品１４を有し、この温度検知部品１ ４は本実施例では１°口あたり約１μＡずつ変化する電流を発生する電流発生集 積回路（例えば、アナ占グデバイスのＡＤ５９０Ｊ）である。この温度検知部品 は出力段の２つの並列素子のトランジスタケースにできる限り近づけて設けられ る０例えば、これらのトランジスタのすぐ近くの増幅器のシャーシに固定される 。更に、回路は電圧源■。

に接続された抵抗１６によってバイアスされるツェナーダイオード１５の形の電 圧発生器を有している。２つの直列接続された可変抵抗１７．１８は電流発生器 および電圧発生器のそれぞれの作用を結合し、温度依存基１！電圧■、、１を発 生する。この基準電圧の勾配および絶対値は抵抗１７および１８を調整すること によって変えることができる。バイアス電圧Ｖ４（が１２Ｖの場合、この種の回 路は、駆動回路７および２つの並列素子８．９に供給される直流電圧Ｖ４４が連 動する基準電圧■、、、ｆを発生する。この電圧は例えば８．８■（４０°Ｃに おいて）および７．８Ｖ（−１０°Ｃにおいて）の制限内で変化する。これらの 値は周囲温度における約８ｖの公称電圧を表している。

更に正確な温度ＩＩＩｍが必要な場合には、図４の回路１９のような二重ランプ 回路が使用される。

回路１９は図３の回路の発生器１４と同じ電流発生器２０およびツェナーダイオ ード２１およびバイアス抵抗２２からなる電圧発生器を有する。ツェナーダイオ ード２１およびバイアス抵抗２２は図３の回路の対応する構成要素１５および１ ６に同じである。スイッチングモードで動作する二重トランジスタ２４（例えば 、２Ｎ２９２０）は基準電圧Ｖ　ｒａｆを変化させる２つのランプの間でスイッ チする。温度が所与のしきい値以下である場合には、基準電圧のスロープは並列 の抵抗２５および２６を有する回路によって決定されるが、高い温度の場合には 、二重トランジスタ２４の右側のトランジスタがオフになって、その後ランプの 勾配は抵抗２６によってのみ決定される０回路の他の構成要素２３および２７な いし３０は内部基準電圧の発生、一方のランプから他方へスイッチングする温度 の調整および基準電圧■１．．の絶対値の調整のような機能を有している。

図５は、増幅器の電力段の電源ユニットのブロック図である。電源ユニットは構 成要素３２ないし４３を有し、これらは基本的には周知であるので、過負荷保護 、フィルタリング、ユニット動作の遠隔監視、シーケンス起動などを行う種々の 補助回路（図示せず）と−緒の場合についてのみ概略的に説明する。

直流ドレイン電圧（ｖｉａ）は適当な電力レベルを供給する主変圧器３４を介し てプッシュプル発振回路４３の出力電圧を供給される整流器およびフィルタ回路 ３２によって供給される。プッシュプル発振器３３はドライバ回路３６を介して 回路３５によって制御される。制御回路３５は発振器３７から出力される交流信 号をプッシュプル発振器３３に供給し、制御回路３８を使用して直流ドレイン電 圧ｖｉａを（所与の温度において）一定に維持するようにプッシュプル発振器３ ３を制御する。制御回路３８は電圧Ｖ４４を設定点電圧Ｖ　ｒａｆと比較し、ド レイン電圧がこの後者の電圧に連動するようにする。

本発明によれば、設定点電圧Ｖ　ｒｅｆは図３または図４に示すような回路１３ または１９によって供給され、設定点電圧はセンサ１４．２０によって検出され る温度に従って変更される。

電源ユニシトの他の回路は回路４０を介して同じ発振器３７によって制御される 別のコンバータ３９から発生する補助電圧を出力する。コンバータは種々の補助 電圧を回路４１を介して出力するとともに、バイアス電圧Ｖ、を電圧変換回路４ ２およびフィルタ４３を介して出力する。これらの後者の回路は本発明に関連し ないので詳細には説明しない。

図６．７．８および９は本発明を使用して達成される性能を示している。これら の全ての図において、動作周波数は２．２５ＧＨｚである。図６および図８にお いて、直流ドレイン電圧Ｖ４４は固定であって、８．５■に等しいのに対して、 図７および図９においては、この電圧は可変であり、−１０℃において７．８■ 、１５°Ｃにおいて８．２■、および４０℃において８．８ｖである。

図６および図７は本発明の補償技術がある場合およびない場合についての電力増 幅器の出力電力の変動をその入力に供給される電力の関数としてそれぞれ示して いる。３つの曲線Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ４０°Ｃ１１５°Ｃおよび一１０° Ｃのシャーシ温度にそれぞれ関連している０図６においては、従来技術を使用し たプリアンプの利得を変えることによって線形領域において温度効果を補償して いるが、更に飽和に近くになった場合にはこの補償は段々効果がなくなり、ピー クの変動は１ｄＢを超えている。一方、本発明の技術を適用した場合には、ピー クの変動は０．１　ｄ　Ｂ以下である。

図８および図９は増幅器によって消費される電力の変動を入力に供給される電力 の関数として図６および図８と同じ条件の場合について示している。補償がない 場合において（図８）、最も低い温度（−１０’Ｃ１曲線Ｃ）では、最大消費電 力は飽和状態において８２Ｗを超えているのに対して、本発明の補償技術が適用 された場合には（図９）、この電力消費は７９Ｗを超えていない。

電力消費（上述したように温度が下がるに従って増大する）を更に低減すること が必要である場合には、効率を低減する価格において更に消費を低減するように 補償パラメータで動作させることができる。今示した例では、０．５　ｄ　Ｂの ピークの出力電力変動を受け入れることができる場合には、補償されない増幅器 に比較して１０Ｗ以上消費を減らすことができる。

更に、一般的に説明すると、本発明による温度補償は直流ドレイン電圧における 比較的小さな変動のみ（典型的には一１０°Ｃ〜＋４０°Ｃの間テ＋　０．５　 Ｖ程度）を必要とし、従って電源ユニットの全体の効率は事実上一定であり、追 加の補償によって影響されない。

制御回路１３または１９は非常に簡単な設計であり、事実上それ自身で電力を消 費しないので、電源ユニットの信頼性または効率を劣化させることはない。

増幅器の信頼性に対する補償の効果については、第１の結果では、最も高い温度 におけるドレイン電圧の増大によてＭＥＳＦＥＴの信頼性を低減する危険を有し ている。実際には、これらの高い温度において、ドレイン電圧は増大するが、ド レイン電流は部品の相互コンダクタンスの低下によって低減する。従って、ドレ イン電圧における増大（いずれの場合にも非常に小さく、０．５Ｖ程度である） は接合温度をあまり変更せず、部品の信頼性に事実上影響を与えない。

十Ｎ　− ＦＩＧ−６ ＰｉｎｆｄＢｍｌ フロントページの続き （７２）発明者　デンティ、フェルッチョイタリア国、２０１５６　ミラノ、ヴ イア・リッツアルディ　５１／１０ （７２）発明者　バッチイスティ、アルベルトイタリア国、２０１５６　ミラノ 、アルザイア・ナヴイリオ・グランデ　１５６

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも１つのＭＥＳＦＥＴ電力回路と、前記少なくとも１つの電力回路 が動作するのに必要な電圧を前記少なくとも１つの電力回路に供給するようにな っていて、直流ドレイン電圧を有する電源ユニツトと、 をそれぞれ具備する、マイクロ波信号を増幅するのに適する衛星搭載用の電力増 幅器において、前記電源ユニットは、 前記少なくとも１つの電力回路の前記ＭＥＳＦＥＴの近くに設けられ、これらの 温度を検知する温度検知構成要素と、 前記温度検知構成要素によって分記されるパラメータに連動して、温度が変動す るると同じ方向に前記直流ドレイン電圧を変化させ、前記少なくとも１つの電力 回路の利得および出力電力の温度依存と反対方向る変動を前記直流ドレイン電圧 の操作によって補償する手段と、 をそれぞれ有することを特徴とする電力増幅器。
2. ２．前記温度検知構成要素は温度にほぼ比例した電流を供給する電流発生器であ り、前記直流ドレイン電圧を変える前記手段は前記電流発生器によって出力され る電流の関数として前記電圧を変えるようになっている抵抗ネットワークを有す る定電圧発生器を有していることを特徴とする請求の範囲１に記載の電力増幅器 。
3. ３．温度の関数として選択的にスイッチされるようになっている複数の抵抗ネッ トワークを有することを特徴とする請求の範囲２に記載の電力増幅器。
4. ４．ＭＥＳＦＥＴ電力増幅器が動作するのに必要な電圧を前記電力増幅器に供給 されているようになっていて、ＭＥＳＦＥＴ直流ドレイン電圧を有するＭＥＳＦ ＥＴ電力増幅器用の電源ユニットにおいて、前記少なくとも１つの電力回路のＭ ＥＳＦＥＴの近くに設けられ、該ＭＥＳＦＥＴの温度を検知する温度検知構成要 素と、 前記温度検知構成要素によって分配されるパラメータに運動し、温度が変化する のと同じ方向に前記直流ドレイン電圧を変えて、前記少なくとも１つの電力回路 の利得および出力電力の温度依存と反対方向る変化を前記直流ドレイン電圧の操 作によって補償する手段と、 をそれぞれ有することを特徴とする電源ユニット。
5. ５．前記温度検知構成要素は温度にほぼ比例する電流を供給する電流発生器であ り、前記直流ドレイン電圧を変える前記手段は前記電流発生器から出力される電 流の関数として前記電圧を変更するようになっている抵抗ネットワークを有する 定電圧発生器を有していることを特徴とする請求る範囲４に記載の電源ユニット 。
6. ６．温度の関数として選択的にスイッチされるようになっている複数の抵抗ネッ トワークを有することを特徴とする請求の範囲５に記載の電源ユニット。