JP2006019789A

JP2006019789A - 高周波増幅器

Info

Publication number: JP2006019789A
Application number: JP2004192604A
Authority: JP
Inventors: Kiyotake Goto; 清毅後藤; Akira Inoue; 晃井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】除去できる差周波数の周波数範囲の広帯域化が可能で非線形性によって生じる歪による影響を効果的に避けることができ、小型でかつ生産性の高い高周波電力増幅器を提供する。
【解決手段】互いに周波数の異なる複数の搬送波を含む高周波信号を増幅する能動素子と、その能動素子の出力端子に接続された出力側整合回路とを含む高周波増幅器であって、出力側整合回路と接地導体の間に、内部インダクタンス成分を有する容量素子が接続されており、搬送波周波数における出力側整合回路のインピーダンスを搬送波周波数における容量素子のインピーダンスより低く、複数の搬送波の差周波数における出力側整合回路のインピーダンスを、差周波数における容量素子のインピーダンスより高くした。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、移動体通信、衛星通信用などのマイクロ波、ミリ波帯の通信機に用いられる高周波増幅器に関するものである。

移動体通信システムにおけるマイクロ波電力増幅器の能動素子（増幅素子）には、ＧａＡｓ電界効果トランジスタがよく用いられるが、このマイクロ波電力増幅器に多数のキャリア周波数を含むマイクロ波信号を入力した場合、マイクロ波電力増幅器の非線形性により、入力信号の周波数差に等しい周波数の２次歪み電力成分が現れることがある。
従って、マルチキャリア信号、あるいは近年のＣＤＭＡ方式等の変調波信号を用いるマイクロ波通信システムに用いる場合には、マルチキャリア間の差周波数を有する２次歪み電力成分に対する対策が必要になる。

この２次歪み電力成分による影響を抑えるために、キャリア間の差周波数に対して出力側負荷を短絡して歪特性を改善することが特許文献１〜５に開示されている。具体的には、電界効果トランジスタの出力側に、ストリツプライン若しくはボンディングワイヤと容量とからなるＬＣ共振回路を接続して、キャリア間の差周波数における出力側負荷の短絡を実現している（特許文献１〜５）。
特開２００２−１７１１３８号公報特開２００１−１１１３６４号公報特開平１１−１５０４３１号公報特開平１１−１３６０４５号公報特開平１０−２３３６３８号公報

しかしながら、従来の電界効果トランジスタの出力側にＬＣ共振回路を接続して、キャリア間の差周波数における出力側負荷の短絡する構成では、除去できる差周波数の周波数範囲の広帯域化に限界があるという問題があった。
また、ボンディングワイヤを用いた場合には、生産性が低いという問題があった。

そこで、本発明は、除去できる差周波数の周波数範囲の広帯域化が可能で非線形性によって生じる歪による影響を効果的に避けることができ、小型でかつ生産性の高い高周波電力増幅器を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る高周波増幅器は、互いに周波数の異なる複数の搬送波を含む高周波信号を増幅する能動素子と、その能動素子の出力端子に接続された出力側整合回路とを含む高周波増幅器であって、上記出力側整合回路と接地導体の間に、内部インダクタンス成分を有する容量素子が接続されており、上記搬送波周波数における上記出力側整合回路のインピーダンスは、上記搬送波周波数における容量素子のインピーダンスより低く、上記複数の搬送波の差周波数における上記出力側整合回路のインピーダンスは、上記差周波数における容量素子のインピーダンスより高いことを特徴とする。

以上のように構成された本発明に係る高周波増幅器は、上述のようにインピーダンス特性を有する内部インダクタンス成分を有する容量素子を用いているので、除去できる差周波数の周波数範囲の広帯域化が可能で増幅素子の非線形性によって生じる歪による影響を効果的に避けることができ、小型でかつ生産性の高い高周波電力増幅器を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態について説明する。
本発明に係る実施の形態の高周波増幅器は、例えば、衛生通信に用いられる高周波信号を増幅する電界効果トランジスタ（増幅素子）１を備えた高周波増幅器であって、電界効果トランジスタ１のゲート端子には入力側整合回路７が接続され、電界効果トランジスタ１のドレイン端子には出力側整合回路２が接続されていて、トランジスタ１のドレイン端子と出力側整合回路２の接続部分が容量素子４を介して接地されている。
尚、本実施の形態の高周波増幅器は、主として、複数の搬送波（マルチキャリア）を含む数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの周波数帯の高周波信号の電力増幅用に用いられ、増幅素子の非線形性により例えば、５０ＭＨｚ又はそれ以下の周波数の差周波数（異なる搬送波信号間の差）の不要信号が増幅素子から出力される可能性のあるものである。

ここで、特に、本実施の形態の高周波増幅器は、図５に示す従来例の高周波増幅器におけるボンディングワイヤ６とキャパシタ１４からなるＬＣ共振回路に代えて、内部インダクタンス成分を有するチップコンデンサ４を用いて構成したことを特徴とし、そのチップコンデンサ４を介して、異なる複数の搬送波を含む高周波信号を増幅したときに生じる差周波数を有する不要信号を効果的に除去するようにしている。

すなわち、本実施の形態では、入力される所望の高周波信号の周波数帯域においては、出力側整合回路２のインピーダンスが、その内部インダクタンス成分とキャパシタンス成分により決まる容量素子のインピーダンスより低くなるようにし、搬送波の差周波数が含まれる周波数帯域においては出力側整合回路２のインピーダンスが容量素子のインピーダンスより高くなるようにしている。

以下、本実施の形態の高周波増幅器の構成について詳細に説明する。
本実施の形態において、電界効果トランジスタ１は、例えば、多フィンガー構成等により大きなゲート幅を有する高出力の高周波用電界効果トランジスタであり、例えば、図１Ａに示すように、複数のゲートボンディング端子と複数のドレインボンディング端子を有している。

実施の形態において、入力側整合回路７は、例えば、上面に入力用伝送線路を構成するための配線電極が形成された基板（入力整合回路用基板）からなっており、伝送線路のインピーダンスがトランジスタ１の入力インピーダンスに整合するように配線電極の幅及び長さは設定されている。そして、入力用伝送線路を構成するための配線電極の一端が複数のボンディングワイヤ６によってトランジスタ１の入力端子（ゲート端子）に接続され、他端は外部入力回路（図示せず）に接続される。尚、この入力整合回路用基板の裏面には接地導体が形成され、この接地導体はマザー基板（電界効果トランジスタ、入力側整合回路用基板及び出力側整合回路基板を実装するための基板）の接地導体に接続される。

また、出力側整合回路２は、例えば、上面に出力用伝送線路を構成するための配線電極３が形成された基板（出力整合回路用基板）からなっており、出力用伝送線路のインピーダンスがトランジスタ１の出力インピーダンスに整合するように配線電極３の幅及び長さが設定される。そして、出力用伝送線路を構成するための配線電極の一端が複数のボンディングワイヤ６によってトランジスタ１の出力端子（ドレイン端子）に接続され、他端は外部出力回路（図示せず）に接続される。尚、この出力整合回路用基板の裏面には接地導体が形成されて、その接地導体はマザー基板の接地導体に接続される。

本実施の形態では、出力用伝送線路を構成するための配線電極３のボンディングワイヤ６が接続された一端側に、チップコンデンサ４が接続されてそのチップコンデンサ４を介して高周波的に接地される。本実施の形態では、２つのチップコンデンサ４が配線電極３の両側に設けられており、チップコンデンサ４の一端がそれぞれ配線電極３に接続され、他端がそれぞれ接地用スルーホール基板５を介して接地されている。この接地用スルーホール基板５は、出力側整合回路２の両側に配置されており、接地用スルーホール基板５の上面にはチップコンデンサ４の他端が接続される電極が形成され、その電極は基板に形成された導電性スルーホールにより裏面の接地導体に接続されている。

本実施の形態において、チップコンデンサ４は、増幅される複数の搬送波間の差周波数に対して十分高い自己共振周波数と内部インダクタンスを有しており、その内部インダクタンスとその静電容量により構成される回路のインピーダンスが、搬送波間の差周波数において十分低くなり、かつ搬送波の周波数に帯域において十分高く（少なくとも出力側整合回路２のインピーダンスより高く）なるようなコンデンサが選択される。

このようにして、実施の形態の高周波増幅回路において、チップコンデンサ４は搬送波間の差周波数の信号に対しては実質的に短絡状態となり、搬送波周波数の信号に対しては実質的にオープン状態となるようにする。従って、実施の形態の高周波増幅回路において、トランジスタ１で増幅されて出力端子から出力された信号のうち、搬送波周波数の信号は出力側整合回路２を介して出力され、不要な搬送波間の差周波数の信号はチップコンデンサ４と接地用スルーホール基板とを介して接地される。

以上のように本実施の形態の高周波増幅回路は、複数の搬送波を含む高周波信号（マルチキャリア信号）の差周波数におけるトランジスタ１の出力端子から出力側整合回路側２をみたときの負荷を、短絡あるいは低インピーダンスとしているので、不要な搬送波間の差周波数の信号を効果的に除去することが可能になり、歪みの少ない良好な高周波増幅特性が得られる。

以上のように構成された実施の形態の高周波増幅器は、従来のようにＬＣの共振特性を利用して不要な搬送波間の差周波数の信号を除去するものではないので、比較的広帯域の差周波数の信号の除去が可能である。

また、本実施の形態の高周波増幅器では、図５に示した従来例のように出力側整合回路とコンデンサ間を接続する多数のワイヤボンディングをする工程が不要であり、製造時における生産性を高くできる。

変形例．
以上の実施の形態の高周波増幅器では、チップコンデンサ４を用いて差周波数信号を接地するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、内部インダクタンス成分を有する容量素子であって、搬送波周波数における容量素子のインピーダンスを出力側整合回路のインピーダンスより高くでき、搬送波間の差周波数における容量素子のインピーダンスを出力側整合回路のインピーダンスより高くできるように選択できればよい。

また、本実施の形態では、接地用スルーホール基板５を用いてチップコンデンサ４の他端を接地するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、例えば、直方体の金属からなる接地用導電性ブロック９を用いて接地してもよい。

また、本発明では、図２Ａ及び図２Ｂの高周波増幅回路においてさらに、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、チップコンデンサ４の一端を、配線金属３の上に設けられた接続用導電性ブロック９（例えば、直方体の金属からなる）を介して接続するようにしてもよい。
すなわち、図３Ａ及び図３Ｂに示す変形例では、接地用導電性ブロック９および接続用導電性ブロック１０を用いて金属配線３にチップコンデンサ４が接触しないように浮かして立体的に配線している。このようにして、チップコンデンサ４と配線金属３との間に電磁界的な結合が生じないように間隔をあけることにより、チップコンデンサ４を配線金属３の上方に重ねて立体的に配置することが可能になり、回路の面積を小さくできる。

以上の実施の形態及び変形例では、配線電極３の電界効果トランジスタ１に接続される部分の近傍にチップコンデンサ４を接続するようにしたが、本発明はこれに限られるものではない。

また、実施の形態の高周波増幅器では、出力整合回路用基板と接地用スルーホール基板５とを別体で構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、１つの基板１３上に、配線導体３と接地電極１２とを形成してその配線導体３とその接地電極１２間にチップコンデンサ４を接続するようにしてもよく、こうすると小型化が図れかつ組み立て工数を削減できる。
尚、図４Ａ及び図４Ｂに示す例では、接続用導電体ブロック１０と接地用導体ブロック９とを介して、配線導体３及び接地電極とチップコンデンサ４を接続するようにしたが、本発明では配線導体３及び接地導体にチップコンデンサ４の各端子を直接接続するようにしてもよい。

本発明に係る実施の形態の高周波増幅器の平面図である。実施の形態の高周波増幅器の回路構成を示すブロック図である。本発明に係る実施の形態２の高周波増幅器の平面図である。図２ＡのＡ−Ａ’線についての断面図である。本発明に係る一変形例の高周波増幅器の平面図である。図３ＡのＢ−Ｂ’線についての断面図である。本発明に係る他の変形例の高周波増幅器の平面図である。図４ＡのＣ−Ｃ’線についての断面図である。従来例の高周波増幅器の平面図である。

符号の説明

１電界効果トランジスタ、２出力側整合回路、３配線電極、４チップコンデンサ、５接地用スルーホール基板、６ボンディングワイヤ、７入力側整合回路、９接地用導電性ブロック、１０接続用導電性ブロック。

Claims

互いに周波数の異なる複数の搬送波を含む高周波信号を増幅する能動素子と、その能動素子の出力端子に接続された出力側整合回路とを含む高周波増幅器であって、
上記出力側整合回路と接地導体の間に、内部インダクタンス成分を有する容量素子が接続されており、
上記搬送波周波数における上記出力側整合回路のインピーダンスは、上記搬送波周波数における容量素子のインピーダンスより低く、
上記複数の搬送波の差周波数における上記出力側整合回路のインピーダンスは、上記差周波数における容量素子のインピーダンスより高いことを特徴とする高周波増幅器。
上記差周波数は、５０ＭＨｚ以下である請求項１に記載の高周波増幅器。
上記出力側整合回路が、上面に配線電極が形成された基板により構成された請求項１又は２に記載の高周波増幅器。
上記基板の両側に、上面に上記容量素子が接続される電極が形成され、その電極が導電性スルーホールを介して裏面の接地導体に接続されてなる接地用スルーホール基板を備え、上記容量素子が上記配線電極と上記接地用スルーホール基板上面の電極間に接続されている請求項３記載の高周波増幅器。
上記基板の両側にそれぞれ、接地導体に接続された接地用金属ブロックが設けられており、その接地用金属ブロックと上記配線電極の間にそれぞれ上記容量素子が接続された請求項３記載の高周波増幅器。
上記配線導体の上に、接続用金属ブロックが設けられており、その接続用金属ブロックと上記接地用金属ブロックの間に上記容量素子が設けられた請求項４又は５記載の高周波増幅器。
上記容量素子は、上記配線電極における伝送方向の中央部に接続されている請求項３〜６のうちのいずれか１つに記載の高周波増幅器。
上記基板の上面において、上記配線電極の両側に、該配線電極とは電気的に分離されかつ上記接地導体に接続された接地電極が形成されており、上記配線電極と接地電極の間にそれぞれ上記容量素子が設けられた請求項３記載の高周波増幅器。