JP2001244763A - 高周波用電力増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多層回路基板に内層化されたドレイン電流供
給回路の分布定数線路の特性インピーダンスが小さくな
り、最適な高調波制御ができず特性が劣化する。 【解決手段】 誘電体層Ｋ11〜Ｋ15を積層して成る誘電
体基板の表面に高周波トランジスタＱ11とバイアス供給
回路、ドレイン電流供給回路、入力整合回路および出力
整合回路を構成するための集中定数素子とを配置し、誘
電体層Ｋ11〜Ｋ15間にバイアス供給回路、入力整合回路
または出力整合回路の少なくとも一部を構成する第１の
線路導体とドレイン電流供給回路を構成する第２の線路
導体（Ｌ14）とこれらに対向する一対の第１および第２
の接地導体層とを配置するとともに、第２の線路導体と
第２の接地導体層との距離の少なくとも一方を第１の線
路導体と第１の接地導体層との距離よりも大きくしてあ
る高周波用電力増幅器である。第２の線路導体の特性イ
ンピーダンスを大きくして良好な高調波制御ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯電話を始めと
する移動体通信機器において、マイクロ波帯等の高周波
電力の増幅に使用される高周波用電力増幅器に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロ波帯等の高周波信号を使
用する通信機器等に用いられる高周波用電力増幅器とし
て、高調波制御回路を有した種々の電力増幅器が提案さ
れている。中でも、高効率動作をするために高調波制御
を行なうＦ級電力増幅器が注目されている。

【０００３】図３に、そのような高調波制御回路を有し
た代表的な高周波用Ｆ級電力増幅器の回路構成の例を回
路図で示す。

【０００４】図３においてＱ１は電力増幅を行なう高周
波トランジスタであり、Ｃ１・Ｃ３はそれぞれ他の回路
との直流成分を遮断するためのデカップリングコンデン
サである。Ｃ２・Ｌ１ならびにＣ５・Ｌ２は、それぞれ
高周波トランジスタＱ１の性能を引き出すために入出力
回路とのインピーダンス整合を最適なものとするための
入力整合回路ならびに出力整合回路を構成するコンデン
サおよび分布定数線路、例えばマイクロストリップ線路
である。Ｒ１は高周波用トランジスタＱ１のゲートにバ
イアス電圧を供給するためのバイアス回路を構成する抵
抗である。Ｌ４は高周波トランジスタＱ１のドレインお
よび出力のための直流電流を供給するドレイン電流供給
回路を構成する分布定数線路であり、通常は基本周波数
の４分の１波長の長さになるようにして高周波トランジ
スタＱ１のドレイン側から見てインピーダンスが無限大
に見えるようにするか、あるいは回路のインピーダンス
からみて無視できるほどの大きなインピーダンスとなる
長さに設定されている。また、この分布定数線路Ｌ４は
前記線路長より短くして、出力整合回路の一部のリアク
タンス成分として利用することも可能である。Ｃ４・Ｃ
５はそれぞれ交流的に接地されたようにするためのバイ
パスコンデンサである。

【０００５】そして分布定数線路Ｌ３およびコンデンサ
Ｃ４は、高調波制御回路としての２次高調波に対するト
ラップ回路Ｔを形成するものである。

【０００６】なお、１は入力端子、２は出力端子、３は
ゲートバイアス供給端子、４はドレイン電流供給端子で
ある。

【０００７】Ｆ級電力増幅器では電圧波形を矩形波・電
流波形を半波にして増幅することから、矩形波に不要な
基本周波数の偶数次の周波数成分を除去するため、上記
トラップ回路Ｔは、例えば基本波の２倍の周波数に対し
て直列共振点を持つように設定され、それにより２次高
調波に対してインピーダンスが０に見えて接地された状
態になることによって２次高調波を除去するための高調
波制御回路として機能するものとなる。

【０００８】この結果、高周波トランジスタＱ１の出力
であるドレインでは２次高調波の成分が削減されてドレ
イン効率が改善されるようになる。

【０００９】図４（ａ）および（ｂ）は、図３に示した
Ｆ級電力増幅器を、その回路を構成する全ての回路素子
を誘電体基板の表面に配置した例を示す斜視図および断
面図である。図４において、図３の各回路素子に対応す
る部分には同じ符号を付してある。Ｋ31〜Ｋ35は誘電体
層であり、これらが積層されて誘電体基板を構成してい
る。Ｇ34は誘電体基板の裏面に配置された接地導体層で
ある。この例では、高周波トランジスタＱ１やバイアス
供給回路の抵抗Ｒ１・バイパスコンデンサＣ４およびＣ
５等の集中定数素子とともに、入力整合回路の分布定数
線路Ｌ１や出力整合回路の分布定数線路Ｌ２・トラップ
回路Ｔの分布定数線路Ｌ３・ドレイン電流供給回路の分
布定数線路Ｌ４等は、いずれもマイクロストリップ線路
として誘電体基板の表面に形成されて配置されている。

【００１０】従来は図４のように複数の誘電体層から成
るものの単板の基板として利用される誘電体基板の表面
に高周波用電力増幅器が構成されていたが、高周波用電
力増幅器の小型化が進むにつれて、表面には十分な面積
で配置できなくなった分布定数線路を誘電体層間に形成
して内層化するようになり、現在では一般的な高周波用
電力増幅器は図５のような構造となっている。

【００１１】図５（ａ）および（ｂ）は、図３に示した
Ｆ級電力増幅器を多層回路基板に配置して構成した例を
示す斜視図および断面図である。図５においても図３の
各回路素子に対応する部分には同じ符号を付してある。
Ｋ41〜Ｋ45は誘電体層であり、これらが積層されて誘電
体基板を構成している。Ｇ41〜Ｇ43は誘電体基板の内部
の所定の誘電体層間に配置された接地導体層、Ｇ44は誘
電体基板の裏面に配置された接地導体層である。

【００１２】図５に示すように、現在では一般的には高
周波トランジスタＱ１および入出力整合回路・バイアス
供給回路・ドレイン電流供給回路を構成するための集中
定数素子である抵抗Ｒ１・バイパスコンデンサＣ４およ
びＣ５等を誘電体基板の表面に配置し、前記各回路を構
成する分布定数線路のうち誘電体基板の表面に配置でき
ない線路は誘電体層間に配置されて内層化される。特
に、線路長の長いドレイン電流供給回路の分布定数線路
Ｌ４は占有する面積が大きく、小型化が図られた誘電体
基板の表面には配置することが困難なため、通常はスト
リップ線路とされて誘電体基板内に内層化される。ま
た、他の分布定数線路も少なくともその一部が内層化さ
れて、高周波用電力増幅器の小型化が図られる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の高
周波用電力増幅器について、図４に示した全ての回路素
子を誘電体基板の表面に配置した高周波用電力増幅器に
おいて、その出力整合回路の高周波トランジスタＱ１の
ドレイン端から出力側を見たときのインピーダンスのＳ
₁₁特性を図６のスミスチャート中に実線Ａ１で、また図
５に示したようにドレイン電流供給回路の分布定数線路
Ｌ４をストリップ線路として内層化した高周波用電力増
幅器において、その出力整合回路の高周波トランジスタ
Ｑ１ドレイン端から出力側を見たときのインピーダンス
のＳ₁₁特性を図６のスミスチャート中に点線Ａ３で示
す。

【００１４】これによれば、高調波のインピーダンスと
して例えば２倍波（２次高調波）のインピーダンスを見
た場合、それぞれの高周波用電力増幅器のＳ₁₁特性は、
図中にそれぞれ実線Ａ１上のａ１および点線Ａ３上のａ
３で示す位置となり、図５に示した高周波用電力増幅器
のＳ₁₁特性の方が反射係数が小さいことが分かる。これ
は、出力整合回路を構成する分布定数線路Ｌ４が内層化
されてストリップ線路構造となっており、その線路導体
の特性インピーダンスがその上下に位置する接地導体層
との関係で変化したために起こっていると考えられる。
例えば、誘電体基板を構成する誘電体層の誘電率が8.1
で、誘電体層１層当たりの厚みが200μｍ、分布定数線
路の線路導体の幅が300μｍ、厚みが20μｍであると
き、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスは約
42Ωであるのに対し、ストリップ線路の特性インピーダ
ンスは約25Ωと小さくなる。

【００１５】図５に示した高周波用電力増幅器において
は、ドレイン電流供給回路の分布定数線路が内層化され
るとともに、他の回路を構成する分布定数線路の一部も
内層化され、その他の分布定数線路は誘電体基板の表面
に配置されているため、所望の高調波の制御を行なう際
には、これらの分布定数線路について図６中の実線Ａ１
と点線Ａ３とのインピーダンスが重なる範囲で高調波の
インピーダンスを制御するのであれば問題ないが、例え
ば高調波のインピーダンスを図６のａ３とａ１のように
異なる範囲で制御した場合には、そのインピーダンスの
違いに応じて高調波の制御が異なるものとなり、高周波
用電力増幅器の特性から、特に歪み特性に劣化が見られ
ることとなるという問題点があった。この歪み特性の劣
化は、電圧増幅の矩形波に不要な基本周波数の偶数次の
高調波の周波数成分が、その高調波に対する反射係数が
小さいことにより多く含まれることが原因である。

【００１６】このように、分布定数線路の形態の相違に
基づく特性インピーダンスの違いにより歪み特性等の特
性に劣化が見られることが、ドレイン電流供給回路を始
めとする比較的大面積の分布定数線路を内層化して高周
波用電力増幅器の小型化を図る際に生じる大きな問題点
であった。

【００１７】本発明は上記事情に鑑みて案出されたもの
であり、ドレイン電流供給回路を始めとする分布定数線
路を内層化して多層回路基板で構成された高周波用電力
増幅器において、単板の基板を用いた高周波用電力増幅
器と同等の高調波制御を行なうことができる、良好の増
幅特性を有する高周波用電力増幅器を提供することを目
的とするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の高周波用電力増
幅器は、複数の誘電体層を積層して成る誘電体基板に、
高周波トランジスタ、バイアス供給回路、ドレイン電流
供給回路、入力整合回路および出力整合回路を配置して
成る高周波用電力増幅器であって、前記誘電体基板の表
面に前記高周波トランジスタと前記各回路を構成するた
めの集中定数素子とを配置し、前記誘電体層間に前記バ
イアス供給回路、前記入力整合回路または前記出力整合
回路の少なくとも一部を構成する第１の線路導体と前記
ドレイン電流供給回路を構成する第２の線路導体と前記
第１および第２の線路導体にそれぞれ上下から前記誘電
体層を介して対向する一対の第１および第２の接地導体
層とを配置するとともに、前記第２の線路導体と前記第
２の接地導体層との距離の少なくとも一方を前記第１の
線路導体と前記第１の接地導体層との距離よりも大きく
してあることを特徴とするものである。

【００１９】本発明の高周波用電力増幅器によれば、そ
の線路導体の上下に位置する接地導体層との関係で特性
インピーダンスが変化する内層化された分布定数線路の
うち、最も出力整合回路のＳ₁₁特性に影響を及ぼすドレ
イン電流供給回路を構成する分布定数線路について、そ
の分布定数線路である第２の線路導体とこれを上下から
誘電体層を介して挟む第２の接地導体層との距離の少な
くとも一方を、他の回路を構成する分布定数線路のうち
内層化されたものの第１の線路導体とこれを上下から誘
電体層を介して挟む第１の接地導体層との距離よりも大
きくしたことにより、ドレイン電流供給回路を構成する
内層化された分布定数線路の特性インピーダンスを、誘
電体基板の表面に形成されるマイクロストリップ線路の
それに近づけることができるため、多層回路基板を用い
た高周波用電力増幅器においても最適な高調波制御が可
能となり、高周波用電力増幅器の小型化も同時に達成で
きるものである。

【００２０】なお、本発明の高周波用電力増幅器におけ
る構成は、前述のＦ級電力増幅器のみならず他の高周波
電力増幅器にも適用できるものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の高周波用電力増幅
器を添付図面に基づき説明する。

【００２２】図１は、図３に示した一般的な高周波用電
力増幅器と同等の回路構成による、本発明の高周波用電
力増幅器の実施の形態の一例について概略構成を示すも
のであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は要部分解斜視図、
（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

【００２３】図１において、Ｑ11は電力増幅を行なう高
周波トランジスタであり、例えば数百ＭＨｚから数ＧＨ
ｚといった分布定数線路が適用できる周波数範囲におい
て用いられるものである。Ｃ11・Ｃ13はそれぞれ他の回
路との直流成分を遮断するためのデカップリングコンデ
ンサである。Ｃ12・Ｌ11はそれぞれ高周波トランジスタ
Ｑ11の性能を引き出すために入出力回路とのインピーダ
ンス整合をとるための入力整合回路を構成するコンデン
サおよび分布定数線路である。Ｃ15・Ｌ12は所望の出力
特性、例えば歪み特性・出力電力・消費電流等を単独で
あるいは同時に満足するような整合をとるための出力整
合回路を構成するコンデンサおよび分布定数線路であ
る。これら入力整合回路は高周波トランジスタＱ11の制
御電極（ゲート）に、出力整合回路は高周波トランジス
タの出力電極（ドレイン）にそれぞれ接続されている。
Ｒ11は高周波用トランジスタＱ11のゲート電極にバイア
ス電圧を供給するためのバイアス回路を構成する抵抗で
ある。Ｌ14は高周波トランジスタＱ11のドレインおよび
出力のための電流を供給するドレイン電流供給回路を構
成する分布定数線路である。Ｃ14・Ｃ15はそれぞれ交流
的に接地されたようにするためのバイパスコンデンサで
ある。

【００２４】そして分布定数線路Ｌ13およびコンデンサ
Ｃ14は、図３に示した高調波制御回路としての２次高調
波に対するトラップ回路Ｔを形成するものである。

【００２５】また、11は入力端子、12は出力端子、13は
ゲートバイアス供給端子、14はドレイン電流供給端子で
ある。

【００２６】この例においては、誘電体基板は誘電体層
Ｋ11〜Ｋ15を積層して成る5層構造としており、Ｇ11〜
Ｇ13は誘電体基板の内部の所定の誘電体層間に配置され
た接地導体層、Ｇ14は誘電体基板の裏面に配置された接
地導体層である。この誘電体基板内部の所定の誘電体層
間には、入力整合回路を構成する分布定数線路Ｌ11およ
び出力整合回路を構成する分布定数線路Ｌ12の少なくと
も一部としての第１の線路導体（この例では図示せず）
と、ドレイン電流供給回路を構成する分布定数線路Ｌ14
としての第２の線路導体とが配置されている。また、第
１の線路導体には上下から例えば誘電体層Ｋ13およびＫ
14を介して一対の第１の接地導体層Ｇ12およびＧ13が対
向しており、第２の線路導体には上下から誘電体層Ｋ12
・Ｋ13およびＫ14・Ｋ15を介して一対の第２の接地導体
層Ｇ11およびＧ14が対向している。

【００２７】このように、ドレイン電流供給回路を構成
する分布定数線路Ｌ14は、通常４分の１波長もしくはそ
れに準ずる長さを持っているため高周波用電力増幅器の
小型化を図るために誘電体基板内部に内層化され、これ
とともに他の回路、すなわち入力整合回路、出力整合回
路またはバイアス供給回路を構成する分布定数線路の一
部についても内層化される。このとき、本発明の高周波
用電力増幅器においては、図１（ｃ）に示すように、第
１の線路導体に対向する第１の接地導体層としての接地
導体層Ｇ12およびＧ13のうち分布定数線路Ｌ14の第２の
線路導体と対向する部分に導体層の非形成部を設け、接
地導体層Ｇ11およびＧ14をこの第２の線路導体に対向す
る第２の接地導体層とすることにより、第２の線路導体
と第２の接地導体層との距離を第１の線路導体と第１の
接地導体層との距離よりも大きくしてある。この例で
は、接地導体層Ｇ12とＧ11および接地導体層Ｇ13とＧ14
をそれぞれ所定間隔で配設されたビア導体等の貫通導体
Ｖで電気的に接続することにより、第１および第２の接
地導体層の接地電位の安定化を図るとともに、第２の線
路導体を断面形状が矩形状の接地導体層で取り囲むよう
にして第２の線路導体と第２の接地導体層との間の誘電
体層厚みを大きくしている。

【００２８】これにより、バイアス供給回路・入力整合
回路または出力整合回路の少なくともいずれかの分布定
数線路の少なくとも一部を構成する内層化された第１の
線路導体に比べて、ドレイン電流供給回路の分布定数線
路Ｌ14を構成する内層化された第２の線路導体の特性イ
ンピーダンスを大きくすることができ、その結果、図６
中に一点鎖線Ａ２で示すように高調波のインピーダンス
例えば２倍波のインピーダンスをａ３からａ２へ変化さ
せることができ、反射係数を大きくできるため、高周波
用電力増幅器の歪み特性を改善することができる。

【００２９】この例では、例えば誘電体層Ｋ11〜Ｋ15の
誘電率が8.1、誘電体層１層当たりの厚みが200μｍ、第
２の線路導体の幅が300μｍ、厚みが20μｍであると
き、特性インピーダンスは先ほど示した約25Ωから約38
Ωへと変化し、マイクロストリップ線路の特性インピー
ダンスに近い値を示していることが分かる。

【００３０】また、多層回路基板を用いて線路導体と接
地導体層との間の誘電体層の層数を変えることにより、
第１の線路導体と第１の接地導体層との距離よりも第２
の線路導体と第２の接地導体層との距離を大きくしてい
るため、誘電体基板全体の厚みを増加させる必要はな
く、高周波用電力増幅器の小型化も可能である。

【００３１】なお、第２の線路導体と第２の接地導体層
との距離はその少なくとも一方が第１の線路導体と第１
の接地導体層との距離よりも大きければよく、第２の線
路導体の上下ともに第２の接地導体層との距離を同じよ
うに大きくする必要はない。例えば、図２（ａ）〜
（ｅ）にそれぞれ図１（ｃ）と同様の断面図で示すよう
に、（ａ）または（ｂ）のように第２の線路導体に対向
する第１の接地導体層Ｇ12・Ｇ13のどちらか一方に導体
層の非形成部を設けてＧ11とＧ13またはＧ12とＧ14を第
２の接地導体層として、非形成部を設けた側の第２の線
路導体と第２の接地導体層との距離を第１の線路導体と
第１の接地導体層の距離よりも大きくしても同様の効果
が得られる。

【００３２】また、バイアス電流供給回路の分布定数線
路Ｌ14の第２の線路導体の他に例えばトラップ回路Ｔの
分布定数線路Ｌ13が第２の線路導体と同様に内層化され
ている場合に関しても、図２（ｃ）に示すようにＬ13の
線路導体に対しても図１（ｃ）と同様の処理を行なえば
同様の効果が得られる。さらに、これら分布定数線路Ｌ
14とＬ13の線路導体に対して、図２（ｄ）に示すように
それぞれ個別に上下の接地導体層Ｇ12およびＧ13に非形
成部を設けて第２の接地導体層との距離を大きくしても
よい。なお、この場合も図２（ａ）または（ｂ）に示す
ように接地導体層Ｇ12またはＧ13の一方のみに非形成部
を設けて第２の接地導体層との距離を大きくしても同様
の効果が得られる。

【００３３】さらにまた、図２（ｅ）に示すように、第
２の線路導体としての分布定数線路Ｌ14と分布定数線路
Ｌ13とを別々の誘電体層間に配置してもよい。この場合
も、図２（ａ）または（ｂ）に示すように接地導体層Ｇ
12またはＧ13の一方のみに非形成部を設けて第２の接地
導体層との距離を大きくしても同様の効果が得られる。

【００３４】なお、本発明は以上の実施の形態の例に限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
であれば種々の変更が可能である。例えば、Ｆ級電力増
幅器は高周波トランジスタとしてのＦＥＴが２段の回路
構成でもよい。また、Ｆ級電力増幅器以外の他の高周波
電力増幅器にも適用することができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の高周波用電力増幅器によれば、
複数の誘電体層を積層して成る誘電体基板の表面に高周
波トランジスタとバイアス供給回路・入力整合回路・ド
レイン電流供給回路および出力整合回路を構成するため
の集中定数素子とを配置し、誘電体層間にバイアス供給
回路、入力整合回路または出力整合回路の少なくとも一
部を構成する第１の線路導体とドレイン電流供給回路を
構成する第２の線路導体と第１および第２の線路導体に
それぞれ上下から誘電体層を介して対向する一対の第１
および第２の接地導体層とを配置するとともに、第２の
線路導体と第２の接地導体層との距離の少なくとも一方
を第１の線路導体と第１の接地導体層との距離よりも大
きくしてあることから、ドレイン電流供給回路を構成す
る内層化された分布定数線路の特性インピーダンスを誘
電体基板の表面に形成されるマイクロストリップ線路の
それに近づけることができるため、多層回路基板を用い
た高周波用電力増幅器においても最適な高調波制御が可
能となり、高周波用電力増幅器の小型化も同時に達成で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図３に示した一般的な高周波用電力増幅器と同
等の回路構成による、本発明の高周波用電力増幅器の実
施の形態の一例について概略構成を示すものであり、
（ａ）は斜視図、（ｂ）は要部分解斜視図、（ｃ）は
（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明の高周波用
電力増幅器の実施の形態の他の例を示す断面図である。

【図３】一般的な高周波用Ｆ級電力増幅器の回路構成の
例を示す回路図である。

【図４】（ａ）および（ｂ）は、図３に示したＦ級電力
増幅器を、その回路を構成する全ての回路素子を誘電体
基板の表面に配置した例を示す斜視図および断面図であ
る。

【図５】（ａ）および（ｂ）は、図３に示したＦ級電力
増幅器を多層回路基板に配置して構成した例を示す斜視
図および断面図である。

【図６】出力整合回路の高周波トランジスタＱ１のドレ
イン端から出力側を見たときのインピーダンスのＳ₁₁特
性を示すスミスチャートである。

【符号の説明】

Ｑ11・・・・・・高周波トランジスタ Ｌ14・・・・・・ドレイン電流供給回路を構成する分布
定数線路（第２の線路導体） Ｋ11〜Ｋ15・・・誘電体層 Ｇ11〜Ｇ14・・・接地導体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J067 AA01 AA04 AA41 AA67 CA27 CA92 FA16 HA09 HA25 HA29 KA12 KA13 KA29 KA66 KA68 KS11 LS12 MA21 QA04 QS05 SA13 TA05 5J091 AA01 AA04 AA41 AA67 CA27 CA92 FA16 HA09 HA25 HA29 KA12 KA13 KA29 KA66 KA68 MA21 QA04 SA13 TA05 UW08 5J092 AA01 AA04 AA41 AA67 CA27 CA92 FA16 HA09 HA25 HA29 KA12 KA13 KA29 KA66 KA68 MA21 QA04 SA13 TA05 VL08

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の誘電体層を積層して成る誘電体基
   板に、高周波トランジスタ、バイアス供給回路、ドレイ
   ン電流供給回路、入力整合回路および出力整合回路を配
   置して成る高周波用電力増幅器であって、前記誘電体基
   板の表面に前記高周波トランジスタと前記各回路を構成
   するための集中定数素子とを配置し、前記誘電体層間に
   前記バイアス供給回路、前記入力整合回路または前記出
   力整合回路の少なくとも一部を構成する第１の線路導体
   と前記ドレイン電流供給回路を構成する第２の線路導体
   と前記第１および第２の線路導体にそれぞれ上下から前
   記誘電体層を介して対向する一対の第１および第２の接
   地導体層とを配置するとともに、前記第２の線路導体と
   前記第２の接地導体層との距離の少なくとも一方を前記
   第１の線路導体と前記第１の接地導体層との距離よりも
   大きくしてあることを特徴とする高周波用電力増幅器。