JP2008244763A - マイクロ波増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のマイクロ波増幅器では半導体素子から発生する熱雑音レベルの種々の周波数成分の不要なマイクロ波を十分吸収させることができず、吸収されないマイクロ波が増幅器内で多重反射し、これによりマイクロ波増幅器が発振したり、不安定動作してしまう課題があった。
【解決手段】 第一の抵抗と先端短絡線路との直列回路と、この直列回路に並列に接続された第二の抵抗と先端開放線路との直列回路とからなる安定化回路を、半導体素子の入力端子、出力端子のうち少なくとも一方の端子に信号路に並列に設け、かつ、第一の抵抗と第二の抵抗、先端短絡線路の長さと先端短絡線路の長さとを等しく選び、かつ、先端短絡線路の特性インピーダンスと先端開放線路の特性インピーダンスとの積が第一の抵抗あるいは第二の抵抗の２乗になるようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、レーダ装置、通信装置等に使用されるマイクロ波増幅器に関するものである。

レーダ装置、通信装置にはアンテナで受信した微弱な信号を所望のレベルまで増幅するマイクロ波増幅器が使用される。このような増幅器にはHEMT、FET等の半導体素子が使用される。近年、マイクロ波増幅器として高性能化、高周波化の要求がますます強まっており、マイクロ波帯、ミリ波帯のような高周波でも十分利得が高い半導体素子が使用されるようになっている。通常、このような半導体素子は高性能になるほど、半導体素子自身が不安定となる周波数領域が広がる。

このため、マイクロ波増幅器を構成するには増幅器が発振、不安定動作するのを避けるため工夫が必要となる。安定化を図る一手段として、半導体素子から発生した熱雑音レベルの不要なマイクロ波を吸収して安定化を図る構成のマイクロ波増幅器が知られている。（例えば、特許文献１参照）。

特開2001-144560号公報

従来のマイクロ波増幅器は半導体素子の入力端子と信号源間に設けられた入力整合回路中に、抵抗と所望の周波数帯で1/2波長の先端開放スタブとの直列回路を信号路に対して並列に装荷したものである。
この先端開放スタブは所望の周波数に対して開放となるため、抵抗を含む直列回路のインピーダンスは無限大となる。これに対して1/2の周波数に対しては先端開放スタブのインピーダンスはほぼ零Ωとなるため、直列回路のインピーダンスは一端が高周波的に短絡された抵抗のみとなる。
即ち、この直列回路は所望の周波数の整数倍でインピーダンスは無限大、所望の1/2の周波数の奇数倍で抵抗のみとなる。

一般に半導体体素子にバイアス電圧を印加することにより、半導体素子からは低周波から高周波に至る熱雑音レベルの不要なマイクロ波が発生する。従来のマイクロ波増幅器では所望の1/2の周波数の奇数倍の周波数帯のマイクロ波は直列回路の抵抗で吸収させることができるが、低周波および所望の周波数帯の整数倍の周波数成分の不要なマイクロ波を吸収させることができない。
このため、抵抗で吸収されない周波数成分の不要なマイクロ波が増幅器内で多重反射を繰り返し、マイクロ波増幅器が発振したり、不安定動作してしまう問題があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、低周波から高周波に至る不要なマイクロ波を吸収し、安定なマイクロ波増幅器を得ることを目的とする。

この発明によるマイクロ波増幅器は、半導体素子と、上記半導体素子の入力端子あるいは出力端子のうち、少なくとも一方の端子に信号路に並列接続されるように設けられた、第一の抵抗および先端短絡線路から成る第一の直列回路と、上記直列回路に並列接続された第二の抵抗および先端開放線路から成る第二の直列回路とを備え、上記第一の抵抗と第二の抵抗の長さが等しく、上記先端短絡線路と先端開放線路の長さが等しく、かつ、上記先端短絡線路の特性インピーダンスと先端開放線路の特性インピーダンスとの積が、上記第一の抵抗あるいは第二の抵抗の２乗に等しい、ことを特徴とするものである。

また、複数個並列に配置された半導体素子と、上記半導体素子の入力端子に同相、同振幅で信号を分配するための電力分配回路と、上記半導体素子の出力端子に現れる信号を同相、同振幅で合成するための電力合成回路と、上記半導体素子の入力端子あるいは出力端子のうち、少なくとも一方の端子に、信号路に並列接続されるようにそれぞれ設けられた第一の抵抗および先端短絡線路から成る直列回路と、上記第一の抵抗にそれぞれ並列接続された第三の抵抗と、上記第三の抵抗のうち隣接する第三の抵抗間を接続する接続線路とを備え、
上記第一の抵抗と第三の抵抗の長さが等しく、上記接続線路の長さが先端短絡線路の長さの2倍であり、かつ、上記先端短絡線路の特性インピーダンスと接続線路の特性インピーダンスとの積が、上記第一の抵抗あるいは第三の抵抗の２乗に等しいものであっても良い。

また、複数個並列に配置された半導体素子と、上記半導体素子の入力端子に同振幅、１８０度の位相差で信号を分配するための電力分配回路と、上記半導体素子の出力端子に現れる信号を同振幅、１８０度の位相差で合成するための電力合成回路と、上記半導体素子の入力端子あるいは出力端子のうち、少なくとも一方の端子に、信号路に並列接続されるようにそれぞれ設けられた第二の抵抗および先端開放線路から成る直列回路と、上記第二の抵抗にそれぞれ並列接続された第四の抵抗と、上記第四の抵抗のうち隣接する第四の抵抗間を接続する接続線路とを備え、
上記第二の抵抗と第四の抵抗とが等しく、上記接続線路の長さが先端開放線路の長さの2倍であり、かつ、上記先端開放線路の特性インピーダンスと接続線路の特性インピーダンスとの積が、上記第二の抵抗あるいは第四の抵抗の2乗に等しいものであっても良い。

この発明によれば、低周波から高周波に至る不要なマイクロ波を吸収し、安定に動作するマイクロ波増幅器を得ることができる。

実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。 図１は実施の形態１によるマイクロ波増幅器の構成を示す図である。

図において、このマイクロ波増幅器は、半導体素子であるＦET（電界効果トランジスタ）１と、入力側が入力端子４に接続された入力整合回路２と、出力側が出力端子５に接続された出力整合回路３と、安定化回路１０とを備えて構成される。

安定化回路10は、第一の抵抗６と先端短絡線路7とから成る（第１の）直列回路と、この直列回路に並列接続された第二の抵抗8と先端開放線路9とから成る（第２の）直列回路とを備え、FET１の入力端子に接続され、信号路に対して並列に装荷されている。

ここで第一の抵抗６、第二の抵抗８はそれぞれR1、R2に選ばれている。また、先端短絡線路７の特性インピーダンス、線路長はそれぞれZ1、L1に、さらに先端開放線路９の特性インピーダンス、線路長はそれぞれZ2、L2に選ばれている。

なお、FET１に所望のバイアス電圧を印加するためのバイアス回路が必要となるが、ここでは省略している。

また、入力整合回路２は安定化回路１０を含むFET1の入力インピーダンスと入力端子４に接続される信号源のインピーダンスとを、出力整合回路３はFET１の出力インピーダンスと出力端子５に接続される負荷インピーダンスとを整合させるために設けられている。

ここで、第一の抵抗６と第二の抵抗８とを、また、先端短絡線路７と先端開放線路９の線路長をそれぞれ等しく選び、かつ、先端短絡線路７と先端開放線路９の特性インピーダンスとの積を第一の抵抗６あるいは第二の抵抗８の2乗に等しく、即ちR1＝R2＝R、L1＝L2、Z1*Z2＝R2に選ぶことにより、安定化回路10は等価的に抵抗Rとして表すことができる。
なお、先端短絡線路７の線路長L1および先端開放線路９の線路長L2はL1＝L2であれば自由に選ぶことができ、また、先端短絡線路７の特性インピーダンスと先端開放線路９の特性インピーダンスとが等しいか、異なる場合であっても良い。

このような条件のもとでは図１のマイクロ波増幅器は図２のような簡易化した構成として表すことができる。即ち、FET１の入力端子に信号路に対して並列に抵抗Rが装荷されたものとして表すことができ、FET１の入力端子は常に抵抗Rで終端される。
この抵抗Rは周波数に依存することなく、FET1で発生した低周波から高周波に至る不要なマイクロ波を吸収させることができる。抵抗Rで吸収されるマイクロ波の量は抵抗値に依存するが、所望の帯域での利得低下を極力抑え、広帯域にわたって安定化動作するような値に選ばれる。

図３はこの発明のマイクロ波増幅器の安定係数の特性例である。図中、実線はこの発明のマイクロ波増幅器の安定係数、破線は、比較例として示す従来のマイクロ波増幅器の安定係数である。この安定係数はマイクロ波増幅器が不安定動作するかを示す重要なファクタであり、1以上であれば安定動作、１以下であれば不安定動作する可能性があることを意味する。
このように、従来のマイクロ波増幅器は不安定動作する周波数が存在するのに対して、この発明のマイクロ波増幅器は安定係数が周波数に依存することなく、常に１以上であり不安定動作する周波数が存在しない。

以上のように、この発明のマイクロ波増幅器では第一の抵抗６と先端短絡線路７との直列回路と、第二の抵抗８と先端開放線路９との直列回路とを並列接続して構成した安定化回路１０を用いることにより、半導体素子で発生した低周波〜高周波に至る種々の周波数成分の熱雑音レベルの不要なマイクロ波を安定化回路１０で吸収させることができる。これにより、マイクロ波増幅器の動作の安定化を図ることができる。
このため、マイクロ波増幅器の入力端子４から入力されたマイクロ波信号をFET１で忠実に増幅し、増幅されたマイクロ波信号を出力端子５から出力させることができる。

実施の形態２．
図４は実施の形態2によるマイクロ波増幅器の構成を示す図である。
図において、マイクロ波増幅器は、入力側が入力端子１２に接続された電力分配回路11と、入力整合回路２と、安定化回路１０と、２つのＦＥＴ１と、出力整合回路３と、出力端子31に接続された電力合成回路30を備えて構成される。

このマイクロ波増幅器は、図１に示すような2個のシングルエンド型のマイクロ波増幅器を並列に配置し、各増幅器の入力端子４側には電力分配回路１１を配置した電力合成型のマイクロ波増幅器である。この形式のマイクロ波増幅器では、各シングルエンド型のマイクロ波増幅器の出力電力を合成するための電力合成回路30が出力端子５側に配置される。電力合成回路３０では、ＦＥＴ１の出力端子５に現れる信号を、同相、同振幅で電力合成できるものが使用されているが、ここでは電力合成回路30の詳細構成を略す。

電力分配回路１１は例えばウイルキンソン形カップラ等 の同相、同振幅で電力分配できるものが使用されている。各FET１の入力端子４側に設けられた安定化回路１０は、第一の抵抗６と先端短絡線路７から成る直列回路と、それぞれの第一の抵抗６に並列接続された第三の抵抗13と、この第三の抵抗１３間を接続する接続線路１４とを備えて構成される。
このマイクロ波増幅器では、安定化回路１０を構成する先端開放線路９の代わりに、それぞれの第三の抵抗６間を接続する接続線路１４を備えて構成したものである。このように構成することにより、入力端子１２から入力されたマイクロ波信号は、電力分配回路１１で同相、同振幅で分配されるため、接続線路１４の中央部で等価的に開放状態が実現できる。

即ち、1個の接続線路１４で2個の先端開放線路９が実現できる。ここで接続線路１４の特性インピーダンスをZ３、長さをL３とし、R1＝R３＝R、L３＝２*L１、Z１*Z３＝R2に選ぶことにより、図４のマイクロ波増幅器は図５のような簡易的な構成として表すことができる。即ち、各FET１の入力端子に抵抗Rが装荷されたことになる。
このように各FET1の入力端子４側が周波数に関係なく、常に抵抗Rでそれぞれ終端されるため、各FET1で発生した不要なマイクロ波を吸収させることができ、このような電力合成型のマイクロ波増幅器でも動作の安定化を図ることができる。

実施の形態３．
図６は実施の形態3によるマイクロ波増幅器の構成を示す図である。
実施の形態１および実施の形態２では、安定化回路１０を構成する先端短絡線路７の先端を直接接地した場合について述べた。しかし、図６は先端短絡線路７の先端部を、キャパシタ１５を介してRF（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）的に（高周波的に）短絡し、先端短絡線路７とキャパシタ１５間にバイアス端子１６を設けた構成のものである。キャパシタ１５は低周波においても十分インピーダンスが低くなるような値に選ばれており、この場合であってもFET１で発生した不要なマイクロ波を吸収させることができ、マイクロ波増幅器の安定化を図ることができる。

特に、この構成のマイクロ波増幅器では、先端短絡線路７とキャパシタ１５間に設けたバイアス端子１６からFET１に所望のバイアス電圧を供給することができ、特段、バイアス回路を設ける必要がないため、マイクロ波増幅器の小形化が図れる利点もある。

実施の形態４．
図７は実施の形態４によるマイクロ波増幅器の構成を示す図である。
図において、このマイクロ波増幅器は、図５と同様に電力合成型のマイクロ波増幅器であり、入力側が入力端子１２に接続された電力分配回路11と、入力整合回路２と、安定化回路１０と、ＦＥＴ１と、出力整合回路３とを備えて構成される。なお、この形式のマイクロ波増幅器でも、実施の形態２と同様に、各シングルエンド型のマイクロ波増幅器の出力電力を合成するための電力合成回路が出力端子５側に配置される。電力合成回路としては、ＦＥＴ１の出力端子５に現れる信号を、同振幅、１８０度の位相差で電力合成できるものが使用されるが、ここでは図示を省略して示してある。

電力分配回路１１は、例えばラットレース形ハイブリッド等 の同振幅、１８０度の位相差で電力分配できるものが使用されている。各FET１の入力端子４側に設けられた安定化回路１０は、第二の抵抗８と先端開放線路９から成る直列回路と、それぞれの第二の抵抗８に並列接続された第四の抵抗１７と、この第四の抵抗１７間を接続する接続線路１８とを備えて構成される。
このマイクロ波増幅器では安定化回路１０を構成する先端短絡線路７の代わりに、それぞれの第四の抵抗１７間を接続する接続線路１８を備えて構成したものである。このように構成することにより、入力端子１２から入力されたマイクロ波信号は、電力分配回路１１で同振幅、１８０度の位相差で分配されるため、接続線路１８の中央部で等価的に短絡状態が実現できる。

即ち、1個の接続線路１８で2個の先端短絡線路７が実現できる。ここで接続線路１８の特性インピーダンスをZ４、長さをL４とし、R２＝R４＝R、L４＝２*L2、Z２*Z４＝R2に選ぶことにより、図７のマイクロ波増幅器は図４と同様に図５のような簡易的な構成として表すことができる。即ち、各FET１の入力端子に抵抗Rが装荷されたことになる。
このように各FET1の入力端子４側が周波数に関係なく、常に抵抗Rでそれぞれ終端されるため、各FET1で発生した不要なマイクロ波を吸収させることができ、このような電力合成型のマイクロ波増幅器でも動作の安定化を図ることができる。

以上、実施の形態１乃至４で述べたマイクロ波増幅器では、安定化回路１０をFET１の入力端子側に設けた場合について示したが、FET１の出力端子側あるいは入力端子および出力端子の両側に設けた場合であっても良い。また、マイクロ波帯のみならず、ミリ波帯のような高周波で用いても良いことは言うまでもない。

この発明の実施の形態１によるマイクロ波増幅器の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１によるマイクロ波装置の簡易化した構成を示す図である。 この発明の実施の形態１によるマイクロ波装置の安定係数の特性例を示す図である。 この発明の実施の形態２によるマイクロ波増幅器の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２によるマイクロ波装置の簡易化した構成を示す図である。 この発明による実施の形態３のマイクロ波装置の構成を示す図である。 この発明による実施の形態４のマイクロ波装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ FET、2 入力整合回路、3 出力整合回路、4 入力端子、5 出力端子、6 第一の抵抗、 7 先端短絡線路、8 第二の抵抗、9 先端開放線路、10 安定化回路、11 電力分配回路、 12 入力端子、13 第三の抵抗、14 接続線路、15 キャパシタ、16 バイアス端、17 第四の抵抗、18 接続線路。

Claims (4)

1. 半導体素子と、
   上記半導体素子の入力端子あるいは出力端子のうち、少なくとも一方の端子に信号路に並列接続されるように設けられた、第一の抵抗および先端短絡線路から成る第一の直列回路と、
   上記直列回路に並列接続された第二の抵抗および先端開放線路から成る第二の直列回路とを備え、
   上記第一の抵抗と第二の抵抗の長さが等しく、上記先端短絡線路と先端開放線路の長さが等しく、
   かつ、上記先端短絡線路の特性インピーダンスと先端開放線路の特性インピーダンスとの積が、上記第一の抵抗あるいは第二の抵抗の２乗に等しい、
   ことを特徴とするマイクロ波増幅器。
2. 複数個並列に配置された半導体素子と、
   上記半導体素子の入力端子に同相、同振幅で信号を分配するための電力分配回路と、
   上記半導体素子の出力端子に現れる信号を同相、同振幅で合成するための電力合成回路と、
   上記半導体素子の入力端子あるいは出力端子のうち、少なくとも一方の端子に、信号路に並列接続されるようにそれぞれ設けられた第一の抵抗および先端短絡線路から成る直列回路と、
   上記第一の抵抗にそれぞれ並列接続された第三の抵抗と、
   上記第三の抵抗のうち隣接する第三の抵抗間を接続する接続線路とを備え、
   上記第一の抵抗と第三の抵抗の長さが等しく、上記接続線路の長さが先端短絡線路の長さの2倍であり、
   かつ、上記先端短絡線路の特性インピーダンスと接続線路の特性インピーダンスとの積が、上記第一の抵抗あるいは第三の抵抗の２乗に等しい、
   ことを特徴とするマイクロ波増幅器。
3. 上記先端短絡線路の先端を、キャパシタを介して高周波的に接地するとともに、上記先端短絡線路とキャパシタ間にバイアス端子を設けたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載のマイクロ波増幅器。
4. 複数個並列に配置された半導体素子と、
   上記半導体素子の入力端子に同振幅、１８０度の位相差で信号を分配するための電力分配回路と、
   上記半導体素子の出力端子に現れる信号を同振幅、１８０度の位相差で合成するための電力合成回路と、
   上記半導体素子の入力端子あるいは出力端子のうち、少なくとも一方の端子に、信号路に並列接続されるようにそれぞれ設けられた第二の抵抗および先端開放線路から成る直列回路と、
   上記第二の抵抗にそれぞれ並列接続された第四の抵抗と、
   上記第四の抵抗のうち隣接する第四の抵抗間を接続する接続線路とを備え、
   上記第二の抵抗と第四の抵抗とが等しく、上記接続線路の長さが先端開放線路の長さの2倍であり、
   かつ、上記先端開放線路の特性インピーダンスと接続線路の特性インピーダンスとの積が、上記第二の抵抗あるいは第四の抵抗の2乗に等しい、
   ことを特徴とするマイクロ波増幅器

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