JP2004007703A - 非対称、電圧最適化、広帯域共通ゲート双方向ｍｍｉｃ増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】反対方向に伝搬する送信信号及び受信信号双方を増幅する送受信機モジュール用双方向増幅器を提供する。
【解決手段】増幅器（１０）は、共通伝送線路（２０）に沿って電気的に結合される第１及び第２の共通ゲートＦＥＴ（２２、２４）を含む。送信信号入力ポート（１２）と第１ＦＥＴ（２２）との間で、第１可変整合ネットワーク（２８）が伝送線路（２０）に電気的に結合され、受信信号入力ポート（１４）と第２ＦＥＴ（２４）との間で、第２可変整合ネットワーク（３０）が伝送線路（２０）に電気的に結合される。第１及び第２ＦＥＴ間において、段間可変整合ネットワーク（３２）が伝送線路に電気的に結合される。ＤＣ電圧レギュレータ（３４）が、整合ネットワーク（２８、３０、３２）及びＦＥＴにＤＣバイアス信号を供給し、送信信号及び受信信号に対し、異なる信号増幅特性及び異なるインピーダンス整合特性を与える。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に言えば、双方向増幅器に関し、更に特定すれば、トランシーバ（送受信機）用の非対称、電圧最適化、広帯域共通ゲート（ゲート接地）双方向増幅器であって、低雑音増幅および高電力増幅双方に対して最適化した増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
衛星を用いたレーダ・システムのような、宇宙航行機を用いたサーベイランス（監視）および通信システムは、一般に、フェーズド・アンテナ・アレイを用いているが、当業者には公知のＧＭＴＩ、ＡＭＴＩおよびＳＡＲのような種々の通信プロトコルをサポート（に対応する）ために必要な高い空間分解能を得るためには、１００平方メートル以上の大きなアパーチャ（開口）が必要となる。この大きな宇宙用フェーズド・アレイに対応する現行の技術および設計手法は、総じて非現実的であり、費用もかかる。例えば、１辺の寸法が１０メートルの正方形アパーチャを有し、Ｘ−バンド（６〜１２ＧＨｚ）で動作するフェーズド・アンテナ・アレイは、隣接する放射エレメント（素子）間の相互結合を考慮して、３００、０００個までの回路エレメントを含むことができる。典型的な宇宙航行機の割当てである、２０ｋＷの電力および１０，０００ポンドのペイロードでは、各回路エレメントのＤＣ電力消費を５０〜１００ｍＷ未満に抑え、重量を１０〜２０グラム未満にしなければならない。したがって、部品レベルでは、電力および重量に対する要件は厳しい。
【０００３】
この種の用途に向けたフェーズド・アンテナ・アレイの各チャネルは、トランシーバ（送受信）モジュールを採用し、システムが受信する信号およびシステムが送信する信号の双方を異なる周波数帯域で処理している。各送受信モジュールは、概略的に、２系統の別個の信号増幅経路を有し、１系統は送信信号用の高電力増幅器（ＨＰＡ：ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を含み、もう１系統は受信信号用の低雑音増幅器（ＬＮＡ：ｌｏｗ　ｎｏｉｓｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を含む。通例では、ＬＮＡの利得はＨＰＡよりも高い。何故なら、受信信号の強度は、非常に低く、ノイズフロア（ｎｏｉｓｅ　ｆｌｏｏｒ）に近いからである。一般に、各チャネルにおける増幅経路に対応するには、４つの別個のモノリシック・ミリメートル集積チップ（ＭＭＩＣ：ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｈｉｐ）が必要となり、ＬＮＡに１つ、ＨＰＡに１つ、そして送信信号および受信信号間で信号経路を切り替えるためのルーティング・スイッチに２つ必要となる。ルーティング・スイッチは、低周波の用途ではリレーでもよく、高周波の用途では、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：ｈｉｇｈ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｏｂｉｌｉｔｙ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）またはヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ：ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体スイッチでもよい。
【０００４】
大量生産の環境においては、フェーズド・アレイの部品数が多いと、製造プロセスの複雑化を招き、大抵の場合、望ましくないモジュール再加工を伴う。更に、ＲＦ経路における信号ルーティング・スイッチが損失を誘発し、システムの出力電力および雑音指数を悪化させ、その性能に影響を及ぼす。例えば、ＬＮＡの前にルーティング・スイッチがあると、雑音が増大し、システムが雑音上の受信信号を検出するのを妨げる場合もある。この種のスイッチ損失は、約１ないし１．５ｄＢと考えられる。
【０００５】
特に宇宙航行機を基盤とする用途では、送受信モジュール内の部品数を極力抑えることが望ましい。この目標を達成するために、当技術分野では、これまで送受信モジュールの各チャネル内に双方向増幅器を用いていた。双方向増幅器は、反対方向に伝搬する送信信号および受信信号双方を増幅する。この用途において双方向増幅器が用いられるので、受信信号をＬＮＡに経路設定し送信信号をＨＰＡに経路設定するために通常必要とされるルーティング・スイッチを不要とすることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
１９９８年１０月１３日Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ　ｅｔ　ａｌ．に発行された米国特許第５，８２１，８１３号は、この目的のための双方向増幅器を開示している。’８１３の双方向増幅器は、電界効果トランジスタを用い、増幅器の各ポートの共通端子、およびトランジスタのゲートと共通ゲート・モードで接続されている。トランジスタのソース端子およびドレイン端子は、インピーダンス整合素子を介して、対応する各ポートに接続されている。しかしながら、’８１３の双方向増幅器は、送信信号および受信信号に同じレベルの信号利得を与える。したがって、この双方向増幅器は、送信信号および受信信号に対して別々に最適化されず、したがって最良の性能をもたらすものではない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の教示によれば、反対方向に伝搬する送信信号および受信信号双方を増幅するために、送受信モジュールにおける使用に特に適用可能な、双方向増幅器を開示する。この増幅器は、共通伝送線路に沿って電気的に結合されている第１および第２の共通ゲート（ゲート接地）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含む。送信信号入力ポートと第１ＦＥＴとの間で、第１可変整合（マッチング）ネットワークが伝送線路に電気的に結合されており、更に受信信号入力ポートと第２ＦＥＴとの間で、第２可変整合ネットワークが伝送線路に電気的に結合されている。第１および第２ＦＥＴ間において、段間可変整合ネットワークが伝送線路に電気的に結合されている。ＤＣ電圧レギュレータが、整合ネットワークおよびＦＥＴにＤＣバイアス信号を供給し、送信信号および受信信号に異なる信号増幅特性および異なるインピーダンス整合特性を与えることができるようにしている。
【０００８】
本発明のその他の目的、利点および特徴は、添付図面に関連付けた以下の説明および特許請求の範囲から明白となろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に関する以下の論述は、双方向増幅器を対象とするが、これはその性質上単なる一例に過ぎず、本発明あるいはその用途または使用を限定することは全く意図していない。例えば、本発明の双方向増幅器の送受信（トランシーバ）モジュールにおける使用について説明する。しかしながら、当業者には認められようが、本発明の双方向増幅器は、互いに反対方向に伝搬する信号を増幅するための別の回路およびシステムにも適用可能である。
【００１０】
図１は、送受信モジュールにおける使用に適用する場合の、本発明の一実施形態による双方向増幅器１０の概略ブロック図である。以下に説明する増幅器１０においては、種々の部品は全てパターン化され、共通のＭＭＩＣ上に規定されている。送受信モジュールは、レーダの用途に用いられる衛星上にあるフェーズド・アレイ・アンテナの各チャネルに用いることができる。双方向増幅器１０は、当該増幅器１０の一端にある入力ポート１２に印加される送信信号、および増幅器１０の対向端にある入力ポート１４に印加される受信信号に適した増幅および信号利得を与える。当業者であれば認められようが、ポート１２は、適当な外部ディジタル処理回路（図示せず）に電気的に結合されている。増幅器１０の動作モードは、ＤＣバイアス電圧の変化によって制御されるので、ＤＣ阻止（ブロッキング）コンデンサ１６を実装し、入力ポート１２に接続されている外部回路を分離する。出力ポート１４に隣接してＤＣ阻止コンデンサ１８を実装するのも同じ理由からである。
【００１１】
双方向増幅器１０は、伝送線路２０に結合され、受信信号および送信信号を増幅する、第１電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２２および第２ＦＥＴ２４を含む。一実施形態では、伝送線路２０は、ここに記載する種々のＲＦおよびＤＣバイアス信号に適した幅を有するように基板上にパターン化されたマイクロストリップである。ＦＥＴ２２、２４は、共通ゲート（ゲート接地）ＦＥＴであり、ゲート端子はＲＦ接地に結合されている。別の実施形態では、ＦＥＴ２２、２４は、ＨＥＭＴのような別の適した増幅素子（デバイス）とすることもできる。２つの増幅段を用いて、増幅器１０に所望の雑音指数および利得を与える。これは、当業者であれば理解できるであろう。
【００１２】
以下で更に詳しく説明するが、ＦＥＴ２２、２４の増幅特性を送信モードおよび受信モード間で変化させる際、送信モードおよび受信モードに異なるドレイン／ソースＤＣバイアス（Ｖ_ＤＳ）を供給する。増幅器１０が送信モードにあり、送信信号を増幅しているとき、ＦＥＴ２２は高利得段として作用し、送信信号の増幅の殆どを行い、一方ＦＥＴ２４は電力段として作用し、要求される高電力送信信号をもたらす。増幅器１０が、受信モードにあり、受信信号を増幅している間、ＦＥＴ２４は低雑音段として作用し、その後にＦＥＴ２２が位置して、利得段として作用する。ＤＣ電圧レギュレータ３４が、送信モードおよび受信モードに対して、ＦＥＴ２２および２４に異なるＶ_ＤＳバイアス信号を選択的に供給する。
【００１３】
ＦＥＴ２２のソース端子またはドレイン端子の一方が、可変外部整合（マッチング）ネットワーク２８を介して入力ポート１２に結合され、ＦＥＴ２４のソース端子またはドレイン端子の一方が、可変外部整合ネットワーク３０を介して入力ポート１４に電気的に結合されている。ＦＥＴ２２のソース端子またはドレイン端子の他方が可変外部整合ネットワーク３２を介して、ＦＥＴ２４のソース端子またはドレイン端子の他方に接続されている。以下で更に詳しく説明するが、電圧レギュレータ３４は、整合ネットワーク２８、３０、３２に選択的に異なるＤＣバイアス電圧を供給し、送信モードおよび受信モード双方に対する所望のインピーダンス整合のためにこれらを最適化することができる。
【００１４】
送信モードでは、可変整合ネットワーク２８は、５０オームのような、入力ポート１２に結合されている送信回路のインピーダンスを、ＦＥＴ２２のソース端子における入力の低いインピーダンスに整合させる。可変整合ネットワーク３２は、ＦＥＴ２２のドレイン端子における出力の高インピーダンスを、ＦＥＴ２４のソース端子の入力における低インピーダンスに整合させる。可変整合ネットワーク３０は、ＦＥＴ２４のドレイン端子における出力の高インピーダンスを、ポート１４に結合されている送信回路のインピーダンスに整合させる。
【００１５】
受信モードでは、可変整合ネットワーク３０は、５０オームのような、入力ポート１４に結合されている受信回路のインピーダンスを、ＦＥＴ２４のソース端子における入力の低いインピーダンスに整合させる。可変整合ネットワーク３２は、ＦＥＴ２４のドレイン端子における入力の低いインピーダンスを、ＦＥＴ２２のソース端子における入力の低いインピーダンスに整合させる。可変整合ネットワーク２８は、ＦＥＴ２２のドレイン端子における出力の高インピーダンスを、ポート１２に結合されている受信回路のインピーダンスに整合させる。
【００１６】
一実施形態では、電圧レギュレータ３４は、増幅器１０が送信モードにあるとき、ＦＥＴ２２、２４および整合ネットワーク２８、３０、３２に１組のＤＣバイアス信号を供給する。ＦＥＴ２２、２４および整合ネットワーク２８、３０、３２へのＤＣバイアス信号の極性およびレベルは、増幅器１０が受信モードにあるときには、反転され変更される。バイアス信号電圧の極性およびレベルの相違により、増幅器１０を非対称性とする。バイアス信号の極性反転によって、ＦＥＴ２２、２４のソース端子およびドレイン端子を送信モードおよび受信モードに交替、即ち切り替えて、増幅の方向を変化させる。電圧レギュレータ３４は、ここに記載する目的に適した設計の電圧レギュレータであればいずれでも可能である。この実施形態では、電圧レギュレータ３４は、トランジスタ−トランジスタ論理（ＴＴＬ）制御信号を、要求ＤＣバイアス信号に変換する。即ち、高ＴＴＬ信号に対して、電圧レギュレータ３４は高レベルの正ＤＣバイアス電圧を供給して送信モードとし、低ＴＴＬ信号に対して、電圧レギュレータ３４は低レベルの負ＤＣバイアスを供給して受信モードとする。
【００１７】
一実施形態では、増幅器１０は、約４ｍｍ^２の単一ＭＭＩＣ上にパターン化される。伝送線路２０は、ＲＦ信号に適した幅および厚さを有するマイクロストリップ伝送線路である。ＤＣバイアス線も、ＤＣ信号に適した厚さおよび幅を有するマイクロストリップである。フェーズド・アレイ・アンテナにおける特定的な送受信モジュールの用途では、増幅器を各チャネルの移相器の後に配置し、送信電力出力および受信雑音指数を低下させる虞れがある過剰損失を最小に抑える。増幅器１０は、非対称的な整合を行い、送信方向では最大電力出力を確保しつつ、受信方向では低雑音性能を高める。ＤＣバイアス信号を変化させて、増幅器の性能を高める、即ち、送信モードでは高電圧に変化させて電力を得て、受信モードでは低電圧に変化させて低雑音動作とする。
【００１８】
可変整合ネットワーク２８、３０、３２は、ここに記載する目的に適しており、可変であり送信モードおよび受信モード間で切り替えられるの整合ネットワークであれば、いずれでも可能である。図２は、整合ネットワーク２８、３０、３２のいずれにも、または全てに使用可能な整合ネットワーク４０の概略図である。整合ネットワーク４０は、可調整コンデンサ４４および可調整インダクタ４６が図示のように互いに結合されているＬＣ回路４２を含む。ＲＦ送信信号またはＲＦ受信信号は、増幅器１０におけるその方位に応じて、整合ネットワーク４０におけるネットワーク・パッド４８または５０の一方に印加される。電圧レギュレータ３４からのＤＣバイアス信号は、コンデンサ４４の容量およびインダクタ４６のインダクタンスを制御することによって、先に説明したように、これらを送信モードおよび受信モード毎に変化させることができる。
【００１９】
可変コンデンサ４４および可変インダクタ４６は、ここに記載する目的に適した素子であればいずれでも可能である。一実施形態では、コンデンサ４４は、コンデンサ・プレート間に配置された圧電基板を含み、異なる電圧電位がこれに印加されると、その厚さが変化し、コンデンサ４４の容量を変化させる。同様に、インダクタ４６は、圧電材料によって巻かれたエレメントとすることができ、電圧電位を圧電材料に印加すると、これが延長（伸長）または収縮し、インダクタ４６の相互インダクタンスを変化させる。
【００２０】
図３は、同様に、前述の整合ネットワーク２８、３０、３２に適用される整合ネットワーク５４の概略図である。整合ネットワーク５４は、１／４波変換（変成）整合ネットワークであり、抵抗５８を介して接地（グラウンド）に結合されたダイオード５６を含む。抵抗５８は、ダイオード５６を通過する電流を制限する、電流制限抵抗である。また、ダイオード５６は、整合部６２と１／４波長整合部６４との間で、ＤＣバイアス・ポート６０に結合されている。ＤＣバイアス信号がポート６０に印加されると、ダイオード５６が導通し、ＲＦに対して開放（オープン）回路を形成する。したがって、入力ポート６６に印加されるＲＦ信号は、開放回路に接し、整合部６２、６４を介して出力ポート６８に伝搬するのを妨げられる。ＤＣバイアス信号がポート６０に印加されないときは、整合部６２および６４の幅および長さによって、ネットワーク５４のインピーダンスが決定され、ポート６６、６８間のインピーダンスが設定される。このように、整合部６２、６４のＲＦ信号伝搬特性を設定することによって、整合ネットワーク５４のインピーダンスを与えることができる。一実施形態では、整合部６２、６４は、段階的（ステップ状）整合部であり、１段ずつ整合部のインピーダンスを増減し、インピーダンス整合を行う。
【００２１】
ネットワーク５４は、整合ネットワーク２８、３０、３２の各々において別の同一のネットワーク５４と組み合わせて用いられる。ネットワーク５４の一方のポート６０にＤＣバイアス信号を印加すると、ネットワーク５４はＲＦ信号がこれを伝搬するのを防止する。ＲＦ信号は、他方のネットワーク５４を伝搬することになる。したがって、整合部６２、６４のインピーダンス整合特性を選択的に与えることによって、ＲＦ信号が伝搬するネットワーク５４を選択し、所望のインピーダンス整合を得ることができる。このように、増幅器１０が送信モードにあるときには、ＤＣバイアス信号を一方のバイパス・ポート６０に印加し、増幅器１０が受信モードにあるときには、他方のバイアス・ポート６０に印加し、個々のモードに対して所望のインピーダンスを与える整合ネットワーク５４をＲＦ信号が伝搬するようにする。
【００２２】
以上の論述は、本発明の実施形態の一例について開示し、説明したに過ぎない。当業者であれば、このような説明ならびに添付図面および特許請求の範囲から、当該特許請求の範囲に規定されている本発明の精神およびその範囲から逸脱することなく、修正や変更が可能であることを容易に理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による、送受信機用双方向増幅器の概略ブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による、図１に示した双方向増幅器の可調整コンデンサおよびインダクタ・ネットワークを含む、可変整合ネットワークの概略図である。
【図３】図３は、本発明の別の実施形態による、図１に示した双方向増幅器のための、１／４波長変換部および接地に結合されたダイオードを含む、可変整合ネットワークの概略図である。
【符号の説明】
１０　　双方向増幅器
１２、１４　　入力ポート
１６　　ＤＣ阻止コンデンサ
２０　　伝送線路
２２　　第１電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
２４　　第２ＦＥＴ
２８、３０、３２　　可変外部整合ネットワーク
３４　　ＤＣ電圧レギュレータ

Claims (10)

1. ＲＦ信号を増幅する双方向増幅器であって、
   ＲＦ伝送線路の一端に電気的に結合される第１入力ポートと、
   前記ＲＦ伝送線路の対向端に電気的に結合される第２入力ポートと、
   前記第１入力ポートと前記第２入力ポートとの間で、前記伝送線路に電気的に結合される少なくとも１つの可変整合ネットワークと、
   前記第１入力ポートと前記第２入力ポートとの間で、前記ＲＦ伝送線路に電気的に結合される少なくとも１つの増幅デバイスと、
   を備え、前記少なくとも１つの増幅デバイスが前記第１入力ポートまたは前記第２入力ポートのいずれかに印加されるＲＦ信号を増幅し、前記可変整合ネットワークが、前記第１ポートに印加されるＲＦ信号および前記第２ポートに印加されるＲＦ信号に対して、異なるインピーダンス整合を行う、
   双方向増幅器。
2. 請求項１記載の双方向増幅器において、前記少なくとも１つの増幅デバイスが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である双方向増幅器。
3. 請求項２記載の双方向増幅器において、前記ＦＥＴのソース端子およびドレイン端子が、前記伝送線路に電気的に結合され、前記ＦＥＴのゲート端子がグラウンドに電気的に結合されている双方向増幅器。
4. 請求項１記載の双方向増幅器において、前記少なくとも１つの増幅デバイスが、第１増幅デバイスおよび第２増幅デバイスである双方向増幅器。
5. 請求項４記載の双方向増幅器において、前記少なくとも１つの可変整合ネットワークが、前記第１入力ポートと前記第１増幅デバイスとの間で前記伝送線路に電気的に結合されている第１可変整合ネットワークと、前記第１増幅デバイスと前記第２増幅デバイスとの間で前記伝送線路に電気的に結合されている第２可変整合ネットワークと、前記第２増幅デバイスと前記第２入力ポートとの間で前記伝送線路に電気的に結合されている第３可変整合ネットワークである双方向増幅器。
6. 請求項１記載の双方向増幅器において、前記少なくとも１つの整合ネットワークが、可調整コンデンサと可調整インダクタとを含む双方向増幅器。
7. 請求項６記載の双方向増幅器において、前記可調整コンデンサおよび前記可調整インダクタの両方が圧電材料を含み、バイアス電圧に応答して延長および収縮し、当該コンデンサの容量および当該インダクタのインダクタンスを変化させる双方向増幅器。
8. 請求項１記載の双方向増幅器において、前記少なくとも１つの可変整合ネットワークが、少なくとも１つのインピーダンス整合部と、グラウンドに結合されているダイオードとを含み、前記ダイオードにバイアス電圧を印加して、前記ＲＦ信号が前記インピーダンス整合部を伝搬するのを防止する双方向増幅器。
9. 請求項１記載の双方向増幅器であって、更に、ＤＣ電圧レギュレータを備えており、該ＤＣ電圧レギュレータが前記少なくとも１つの増幅デバイスおよび前記少なくとも１つの可変整合ネットワークにバイアス電圧を供給する双方向増幅器。
10. 請求項９記載の双方向増幅器において、前記ＤＣ電圧レギュレータが、前記第１入力ポートに印加されるＲＦ信号および前記第２入力ポートに印加されるＲＦ信号に対して、異なるＤＣバイアス電圧を前記少なくとも１つの増幅デバイスに供給する双方向増幅器。

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