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HEX calc pro 1.00

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    詳しい説明はここ
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2011年7月29日 (金)

高周波電力増幅器のはなし

高周波電力増幅器とは
 [RF Power Amprefier]で高周波・電波の電力を増幅するものです。電力増幅器というカテゴリでは出力は数Wから数十kW程度のある程度大きい出力を出すものを指します。用途としてはラジオ(MF)・テレビ(UHF)・携帯電話などの電波をアンテナへ出力・中継するアンプや工業用に高周波溶接や高周波溶解炉に使う13.6MHz,27MHz帯などの「高周波電源」、航空機のレーダーや気象レーダーなどに用いる高出力パルスを増幅するものなど様々なタイプがあります。最近では車への電磁波妨害への試験(EMC)に用いるための高出力・広帯域のアンプの需要も広がっています。
周波数的には
LF(〜300KHz) .............. 超音波素子駆動アンプ、電波時計放送
MF(300KHz〜3MHz)...... AMラジオ放送、船舶通信
HF(3〜30MHz)............... 高周波ウェルダ−、短波放送、アマチュア無線
VHF(30〜300MHz)........ FM放送、アナログTV放送、航空無線
SHF(300MHz〜3GHz).... テレビ放送、携帯電話、GPS、各種レーダー
EHF(3GHz〜30GHz) ...... 衛星通信、無線LAN、電波天文、レーダー20110729_82532_2
 今日アメリカの航空管制レーダーに近い空港の道路で車が突如エンストするといった事故や、違法CBトランシバーの電波でエンジンが誤動作するなど、車の電子化に伴い電波への耐性が重要視されてきました。現在EMCの規格では上記の周波数で運用されるさまざまな電波によって誤動作が起きないよう試験が義務づけられています。放射EMSといわれる電波を車に照射させて試験するISO11452-2の試験では、200-4200MHzで200V/m (電界強度の単位)、TEMセル(ISO11452-3)の試験では10KHz-400MHzで200V/mという高い電界を得るため、数十kWのアンプが必要とされています。
高帯域高出力の電力増幅器を作るには20110729_82445_2
 出来るだけパワーの大きな素子を使えば構成が簡単で、現在1個で 1kWも出せるデバイスもありますが、パワーのあるデバイスは帯域が狭くなってしまうのが難点です。右上は CREE の 25W GaN-HEMTの増幅度の周波数特性ですが、右中央の 6Wのものに比べて、狭い範囲しかゲインがフラットに取れていません。 広帯域を小さな出力デバイスで実現できても、高出力を得るには多くのデバイスを合成しなければなりませんが、合成するための90度ハイブリッドやウィルキンソン合成器などには、ある程度の周波数帯域の制限があります。ARMilmegaなどパワーアンプメーカーはそれぞれ工夫して広帯域化した電力増幅器を開発していますが、高帯域なアンプは内部で周波数バンドを分割して使用するバンド毎にアンプを切り替えて使うようにして実現しています。現実的には IPP などのメーカーの生産する合成器の周波数帯域によって制限されてしまうので、メーカーの広帯域アンプではバンドがどの周波数で切り替わっているか、自分の使用する周波数帯域とよく調査する必要があります。
ソフト的には
20110729_81904 右図は CREE の25W GaN-MMICの特性です。20MHzから 6GHzまで1本でしかも 50Ωマッチングで作られていますので、出力が25Wで十分ならばシンプルな増幅器が出来ます。実現には広帯域の電源供給のバイアスTが必要ですが、8GHz,11GHzまでの製品も出てきましたので、将来の広帯域アンプ実現が楽しみになりますね。
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