JP2004080826A

JP2004080826A - マイクロ波増幅器

Info

Publication number: JP2004080826A
Application number: JP2003358982A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Uchida; 内田　浩光; Yasuyuki Ito; 伊藤　康之
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】ボンディングワイヤと長さ４分の１波長未満の容量性の結合線路からなる整合回路を用いることで、ＤＣ成分漏洩を防止する素子を別途接続する必要をなくし、小型で高利得な増幅器を得ることができるマイクロ波増幅器を得る。
【解決手段】この発明に係るマイクロ波増幅器は、動作周波数にて容量性となるスタブ（２４，２５）を含むバイアス供給回路、動作周波数にて長さ４分の１波長未満の結合線路及び２６伝送線路（２２）を有する整合回路と能動素子２０とをボンディングワイヤ２１で接続することにより、ＤＣ成分漏洩を防止する素子を別途接続する必要をなくし、小型で高利得な増幅器を得る。
【選択図】図４

Description

　この発明は、マイクロ波およびミリ波において、小型な特徴を有するマイクロ波増幅器に関するものである。

　マイクロ波増幅器の整合回路として、先端開放あるいは先端短絡のスタブが広く用いられてきた。図７は従来の２段増幅器のマイクロ波増幅器の構成図を示すものである（非特許文献１参照）。図７において、３３、３５は整合素子であるマイクロストリップ線路、３４、３６は先端開放スタブ、３７は動作周波数で長さ４分の１波長のマイクロストリップ線路、３８は動作周波数で長さ４分の１波長の先端開放スタブ、３９は抵抗とキャパシタンスからなる低周波発振抑圧用回路、４０、４１はバイアス印加用の端子、４３は能動素子、４４は動作周波数で長さ４分の１波長の結合線路で、直流成分の漏洩を防止するためのものである。

"W-band Monolithic Low Noise Amplifiers for Advanced Microwave Scanning Radiometer"（1995年 IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVE LETTERS）

　上述した構成を有するマイクロ波増幅器は、整合回路と能動素子を同一のプロセスで半導体基板上に形成するモノリシックマイクロ波集積回路を示すものであるが、マイクロ波、とりわけ周波数が高くなるミリ波帯においては、能動素子の特性のばらつきにより、所望の増幅器の特性が得られなくなる問題点があった。製造後のばらつきを調整する場合は、整合回路と能動素子を同一のプロセスで半導体基板上に形成するモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：Monolithic Microwave Integrated Circuit）よりも、整合回路と能動素子を異なる基板で構成するＨＭＩＣ（ＨＭＩＣ：Hybrid Microwave Integrated Circuit）の方が有利である。しかし、ＨＭＩＣの場合、整合回路と能動素子をボンディングワイヤで接続する必要が生じる。

　ボンディングワイヤを用いる場合、そのインダクタンス成分のために能動素子のインピーダンスはスミスチャート上のＧ＝１の定コンダクタンス円よりも外側の誘導性の領域に位置する。そのため、従来の増幅器のように先端開放スタブを用いて整合を取ると、能動素子とスタブ間に必要となる伝送線路が長くなり、整合回路が大型となる上に特性の狭帯域化を招いてしまう問題があった。さらに、従来の増幅器においては、直流成分漏洩を防止するためにＭＩＭ（Metal Insulator Metal）キャパシタや、動作周波数にて４分の１波長となる結合線路を接続する必要があり、回路の大型化、損失の増加を招いてしまう問題点があった。

　この発明は上記の問題を解決するためになされたもので、ボンディングワイヤと長さ４分の１波長未満の容量性の結合線路からなる整合回路を用いることで、ＤＣ成分漏洩を防止する素子を別途接続する必要をなくし、小型で高利得な増幅器を得ることができるマイクロ波増幅器を得ることを目的とする。

　この発明に係るマイクロ波増幅器は、動作周波数にて容量性となるスタブを含むバイアス供給回路、動作周波数にて長さ４分の１波長未満の結合線路及び伝送線路を有する整合回路と能動素子とをボンディングワイヤで接続したものである。

　この発明に係るマイクロ波増幅器は、ＤＣ成分漏洩を防止する素子を別途接続する必要をなくし、小型で高利得な増幅器を得るという利点がある。

　実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１であるマイクロ波増幅器の整合回路部を示す構成図である。図１において、１は増幅器の整合回路を含む基板、２は整合回路内の伝送線路、３は本来は伝送線路２に接続されて整合素子として機能するスタブ、４は伝送線路２とスタブ３を接続するために設けられた複数のボンディングワイヤ（あるいはエアブリッジ）である。

　上記構成においては、整合回路のインピーダンスを、ボンディングワイヤ４（あるいはエアブリッジ）を切断することで調整することができ、増幅器の特性を所望のものとすることができる。
　したがって、増幅器内の能動素子がその製造プロセスにおいて特性のばらつきを生じた場合においても、整合素子と他の回路素子との間をボンディングワイヤ（あるいはエアブリッジ）で数点接続し、その接続を切断することで、整合回路のインピーダンスを調整することができるために、所望の増幅器の特性を得ることができる。

　実施の形態２．
　図２はこの発明の実施の形態２であるマイクロ波増幅器の整合回路部を示す構成図である。
　図２において、５は整合回路中の伝送線路、６は整合素子であるスタブ、７はスイッチとして機能する能動素子、８はそのスイッチ素子へのバイアス印加用端子、９は直流成分阻止用のコンデンサ、１０は増幅機能を有する能動素子である。

　上記構成においては、整合用のスタブ６は、能動素子でなるスイッチ７のバイアス条件を変化させることでそのインピーダンスを調整することができ、スタブのインピーダンスを制御することができる。
　したがって、スイッチ７のバイアス条件を変化させることで整合用スタブのインピーダンスを変化させ、増幅器の特性を制御することが可能となり、能動素子１０の特性のばらつきを整合回路で吸収することができる。さらに、上記のバイアス条件を変化させることで整合回路のインピーダンスを広範に変化させることが可能となるため、増幅器を異なる複数の周波数帯域で動作させることも可能となる。

　実施の形態３．
　図３はこの発明の実施の形態３であるマイクロ波増幅器の能動素子を搭載した基板と整合回路を搭載した基板の接続構成を示すものである。
　図３において、１２、１３は整合回路を搭載した整合回路基板、１４はこれら整合回路基板１２と１３間に設けられた能動素子を搭載した能動素子基板、１５は整合回路基板１２と１３間の距離を調整するためのスペーサとしてはたらく金属片、１６、１７は能動素子と整合回路基板を接続するためのボンディングワイヤである。

　上記構成において、金属片１５は、能動素子に隣接して配置され、整合回路の間の距離を一定に保つスペーサとして機能する。
　したがって、金属片１５を整合回路基板１２と１３の間の距離を一定に保つスペーサとして用いることで、ボンディングワイヤ１６，１７の長さのばらつきを抑えることができる。ボンディングワイヤ１６，１７はマイクロ波帯においてはインダクタンスとして働きその長さによって整合状態が変化するため、長さのばらつきを抑えることで所望の増幅器の特性を得ることが可能となる。

　実施の形態４．
　図４はこの発明の実施の形態４であるマイクロ波増幅器の整合回路と能動素子との接続構成を示すものである。
　図４において、２０は能動素子、２１はボンディングワイヤ、２２はマイクロストリップ線路、２４は増幅器の動作周波数で４分の１波長以上の長さを有するマイクロストリップ線路、２５は動作周波数で長さ４分の１波長となる先端開放スタブ、２６は動作周波数にて長さ４分の１波長未満の結合線路、２７は抵抗とキャパシタンスからなる低周波発振抑圧用の回路で、２８はバイアス印加用の端子である。

　次に動作について図５のスミスチャート及び図６に示す結合線路の等価回路図を参照して説明する。
　マイクロ波より周波数の高いミリ波帯のＨＭＩＣ増幅器においては、ボンディングワイヤを含む能動デバイスのインピーダンスはそのインダクタンス成分のために、同図の点ＡのようにＧ＝１の円の外側の誘導性の領域に位置する。その場合、整合回路基板内のマイクロストリップ線路２２により点Ｂへ動き、容量性スタブとして機能するマイクロストリップ線路２４，先端開放スタブ２５からなる回路により点Ｃへ動く。

　さらに、長さが４分の１波長未満の結合線路２６は、図６に示すように、直列のキャパシタンス３０と伝送線路３１からなる等価回路で表現できることを考えると、図４中の結合線路２６により、図５に示す点Ｃは、点Ｄ、点Ｄ’を通りスミスチャートの中心へ動くため、整合を取ることができる。

　したがって、図５の破線で示す従来の技術である伝送線路と先端開放スタブを用いた整合に比べてスミスチャート上を動く軌跡が短くなるため、回路の小型化が可能となる上に、周波数に対する感受性が低くなるため広帯域な特性を得ることができる。さらに、結合線路２６は、整合素子として機能するだけでなく、ＤＣ成分の漏洩を防止する機能を併せ持つため、従来の技術のように長さ４分の１波長の結合線路やＭＩＭキャパシタを別途接続する必要がなくなり、小型、高利得な増幅器が実現できる。なお以上の説明は能動素子の入力側について行ったが、出力側に関しても全く同様である。

　動作周波数にて容量性となるスタブを含むバイアス供給回路と、動作周波数において長さ４分の１波長未満の結合線路により整合回路を構成し、またその整合回路と能動素子をボンディングワイヤで接続する構造を用いることで、小型、広帯域、高利得な増幅器を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係るマイクロ波増幅器の整合回路部を示す構成図である。この発明の実施の形態２に係るマイクロ波増幅器の整合回路部を示す構成図である。この発明の実施の形態３であるマイクロ波増幅器の能動素子を搭載した基板と整合回路を搭載した基板の接続構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態４であるマイクロ波増幅器の整合回路と能動素子との接続構成を示す回路図である。この発明の実施の形態４の動作を説明するためのスミスチャートである。この発明の実施の形態４の動作を説明するための容量性結合線路の等価回路図である。従来のマイクロ波増幅器の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

　１　整合回路を含む基板、２　整合回路内の伝送線路、３　整合用スタブ、４　ボンディングワイヤ（あるいはエアブリッジ）、５　整合回路内の伝送線路、６　整合用スタブ、７　スイッチとして機能する能動素子、８　スイッチのバイアス印加用端子、９　直流成分阻止用のコンデンサ、１０　増幅機能を有する能動素子、１２，１３　整合回路基板、１４　能動素子基板、１５　金属片、１６、１７　ボンディングワイヤ、２０　能動素子、２１　ボンディングワイヤ、２２　マイクロストリップ線路、２４　長さ４分の１波長以上のマイクロストリップ線路、２５　長さ４分の１波長の先端開放スタブ、２６　長さ４分の１波長未満の結合線路、２７　低周波発振抑圧用の回路、２８　バイアス印加用端子、３０　キャパシタンス、３１　伝送線路、３３、３５　マイクロストリップ線路、３４，３６　先端開放スタブ、３７　長さ４分の１波長のマイクロストリップ線路、３８　長さ４分の１波長の先端開放スタブ、３９　低周波発振抑圧用の回路、４０、４１　バイアス印加用端子、４３　能動素子、４４　長さ４分の１波長の結合線路。

Claims

　動作周波数にて容量性となるスタブを含むバイアス供給回路、動作周波数にて長さ４分の１波長未満の結合線路及び伝送線路を有する整合回路と能動素子とをボンディングワイヤで接続したマイクロ波増幅器。