JP2009105480A - Heat exhaustion circuit and high-output amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、WBG(Wide Band Gap)デバイス素子等を用いた高出力増幅器の排熱に関するものである。 The present invention relates to exhaust heat of a high-power amplifier using a WBG (Wide Band Gap) device element or the like.
低雑音増幅器、受信機、ビーコン送信器、高出力増幅器等のRF(Radio Frequency)コンポーネントでは、近年、小型化、軽量化、低価格化の要求が強まってきている。そのためRFコンポーネントには、アルミナセラミック基板より安価で加工性に優れ、しかも、MIC(Microwave Integrated Circuit)回路など種々の回路を一枚の基板上に形成する、一体形成可能な樹脂基板が用いられつつある。 In recent years, there has been an increasing demand for miniaturization, weight reduction, and cost reduction in RF (Radio Frequency) components such as low noise amplifiers, receivers, beacon transmitters, and high power amplifiers. For this reason, the RF component is cheaper and more workable than an alumina ceramic substrate, and an integrally formed resin substrate that forms various circuits such as a MIC (Microwave Integrated Circuit) circuit on a single substrate is being used. is there.
また、RFコンポーネントの一つである高出力増幅器において、従来は、数10W(ワット)クラスのデバイスが使用され、更に高出力を得るために最終段で電力増幅を行っていた。しかし近年、例えば衛星搭載用マイクロ波高出力増幅器には、数100WクラスのWBGデバイス等を有する高出力増幅器が用いられようとしている(例えば、特許文献1参照)。 Further, in a high-power amplifier which is one of RF components, conventionally, a device of several tens of watts (watt) class has been used, and power amplification has been performed at the final stage in order to obtain a higher output. However, in recent years, for example, a high-power amplifier having a WBG device of several hundred W class or the like is being used for a microwave high-power amplifier mounted on a satellite (see, for example, Patent Document 1).
一般に増幅器には、高出力増幅器の入力に規定電圧を供給するため、DC(Direct Current)カット用のチップキャパシタを実装する。従って、増幅器に数100Wクラスのデバイスを用いた場合、チップキャパシタに僅かな抵抗成分があると、発熱が生じ問題となる。例えば、損失0.1dB(デシベル)のチップキャパシタに100Wのマイクロ波が入力した場合、2.3Wの熱がチップキャパシタに発生する。 In general, an amplifier is mounted with a chip capacitor for DC (Direct Current) cut in order to supply a specified voltage to the input of the high-power amplifier. Therefore, when a device of several hundred W class is used for the amplifier, if a chip capacitor has a small resistance component, heat is generated and becomes a problem. For example, when a 100 W microwave is input to a chip capacitor having a loss of 0.1 dB (decibel), 2.3 W of heat is generated in the chip capacitor.
樹脂基板は、アルミナセラミック基板と比較して熱伝導率が1/35程度と小さい。従って、WBGデバイス等を有する高出力増幅器と樹脂基板を組み合わせて用いる場合、樹脂基板の熱伝導率では、チップキャパシタで発生した熱を排熱させることが困難となる。排熱が困難なため、チップキャパシタを固定する半田が発生した熱で柔らかくなったり、最悪の場合、半田が溶ける事態が生じる。これにより、高出力増幅器の信頼性が著しく低下してしまう、という問題が生じる。 The resin substrate has a thermal conductivity as small as about 1/35 compared to the alumina ceramic substrate. Therefore, when a high power amplifier having a WBG device or the like is used in combination with a resin substrate, it is difficult to exhaust heat generated by the chip capacitor with the thermal conductivity of the resin substrate. Since it is difficult to exhaust heat, the solder that fixes the chip capacitor becomes soft due to the generated heat, and in the worst case, the solder melts. This causes a problem that the reliability of the high-power amplifier is remarkably lowered.
本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、DCカット用などのチップキャパシタより発生した熱をRF電気特性に影響を与えることなく排熱することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to exhaust heat generated from a chip capacitor for DC cut or the like without affecting RF electrical characteristics.
本発明に係る排熱回路は、
両端を金属被覆した電極をもつ誘電体棒と、
スルーホールを含む金属の島状パターンと、
を備える排熱回路であり、
前記誘電体棒の一端は高出力増幅素子の出力信号をDCカットするキャパシタと電気的及び熱的に接続し、前記誘電体棒の他端は前記島状パターンと電気的及び熱的に接続し、
前記スルーホールは前記島状パターンとグランドとを電気的及び熱的に接続し、
前記誘電体棒を熱伝導する前記キャパシタの熱を前記グランドへ排熱するとともに、
前記島状パターンの容量成分と前記スルーホールのインダクタ成分とを並列共振させる
ことを特徴とする。
The exhaust heat circuit according to the present invention includes:
A dielectric rod with electrodes metallized on both ends;
Metal island pattern including through holes,
An exhaust heat circuit comprising:
One end of the dielectric rod is electrically and thermally connected to a capacitor for DC-cutting the output signal of the high-power amplifier, and the other end of the dielectric rod is electrically and thermally connected to the island pattern. ,
The through hole electrically and thermally connects the island pattern and the ground,
While discharging the heat of the capacitor that conducts heat through the dielectric rod to the ground,
The capacitive component of the island pattern and the inductor component of the through hole are caused to resonate in parallel.
本発明により、DCカット用チップキャパシタで発生した熱を誘電体棒およびスルーホールを介して排熱させることができるため、DCカット用チップキャパシタを固定する半田が柔らかくなったり溶けたりすることがなく、WBG素子等、高出力増幅器の信頼性を保つことが可能となる。また、スルーホールのインダクタ成分と金属島の容量成分とを並列共振させることにより、誘電体棒の容量成分を高出力増幅器のRF電気特性に影響を与えることなく、DCカット用チップキャパシタで発生した熱を排熱させることが可能となる。 According to the present invention, since the heat generated in the DC cut chip capacitor can be exhausted through the dielectric rod and the through hole, the solder for fixing the DC cut chip capacitor is not softened or melted. Thus, it is possible to maintain the reliability of the high output amplifier such as the WBG element. Also, by causing the inductor component of the through hole and the capacitance component of the metal island to resonate in parallel, the capacitance component of the dielectric rod is generated in the DC cut chip capacitor without affecting the RF electrical characteristics of the high power amplifier. It becomes possible to exhaust heat.
実施の形態1.
以下、図を用いてこの発明に係わる実施の形態1について説明する。図1は、実施の形態1によるマイクロ波集積回路の構成を示す図である。ここでマイクロ波集積回路は、樹脂基板11、ドレインDCカット用チップキャパシタ12、マイクロストリップ線路13、金属の島状パターンである金属島14、誘電体棒15、スルーホール16、半田17、GND(グランド)層18で構成される。
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a microwave integrated circuit according to the first embodiment. Here, the microwave integrated circuit includes a
なお樹脂基板11は、セラミック基板としてもよい。またドレインDCカット用チップキャパシタ12は、高出力増幅されたRF信号のDCカットを行うキャパシタであれば、チップに限定するものではない。
The
また図2は、図1のマイクロ波集積回路を含む高出力増幅器21の等価回路図を示す。ここで高出力増幅器21は、ドレインDCカット用チップキャパシタ12、WBG素子22、金属島の容量成分23、誘電体棒の容量成分24、スルーホールのインダクタ成分25、RF信号入力端子26、RF信号出力端子27、ゲートバイアス端子28、ドレインバイアス端子29、ゲートDCカット用チップキャパシタ30で構成される。
FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the high-
なお高出力増幅器21のうち、破線で示されている箇所は、図1で示すマイクロ波集積回路に相当する箇所を示す。またWBG素子22は、RF信号入力を高出力増幅する素子であればよく、WBG素子に限定するものではない。
In the high-
図1のマイクロ波集積回路は、マイクロストリップ線路13の近傍に、銅などの金属メッキを内壁に施し、GND層18と接続しているスルーホール16を設け、スルーホール16を含む金属島14とマイクロストリップ線路13の間を誘電体棒15で接続した構成となっている。
In the microwave integrated circuit of FIG. 1, a metal plating such as copper is applied to the inner wall in the vicinity of the
なお図1ではスルーホール16を2個設けているが、排熱効果をより向上させるために、スルーホールを3個以上設けてもよく、個数は2個に限定するものではない。また金属島14は、例えば基板側からCr/Au/Ni/Au(クロム/金/ニッケル/金)の順に蒸着させたものである。
Although two through
誘電体棒15には、窒化アルミニウムなど熱伝導性の良いものを使用する。窒化アルミニウムの熱伝導率は、200W/m・K以上達成可能であり、高い熱伝導率を示す。これにより、ドレインDCカット用チップキャパシタ12での発熱を、誘電体棒15を介して排熱させることが可能となる。
The
本実施の形態においては、誘電体棒15の長辺方向は数mm程度、短辺方向は1mm四方程度の面である。しかし誘電体棒のサイズはこれに限定するものではない。また誘電体棒15は、窒化アルミニウムを棒状に切り出し、両端に金属を蒸着させるよう誘電体棒15をマスキングした後、Ni(ニッケル)やSn(錫)などの金属でメタライズ加工を施し、両端を金属被覆し電極とする。これにより、誘電体棒15を半田づけで固定し易いようにする。
In the present embodiment, the long side direction of the
誘電体棒15の金属被覆した電極の一端はWBG素子22の出力信号をDCカットするドレインDCカット用チップキャパシタ12と電気的に接続するとともに、誘電体棒15の一端側はドレインDCカット用チップキャパシタ12と熱的に接続する。また誘電体棒15の金属被覆した電極の他端は金属島14と電気的に接続するとともに、誘電体棒15の他端側は金属島14と熱的に接続する。
One end of the metal-covered electrode of the
またスルーホール16の一端は金属島14と電気的、熱的に接続し、スルーホール16の他端はGND層18と電気的、熱的に接続する。これにより誘電体棒15を熱伝導するドレインDCカット用チップキャパシタ12の熱をグランドへ排熱する。
One end of the through
次に動作について図1と図2を用いて説明する。図2に示すように、RF信号は高出力増幅器21のRF信号入力端子26より入力し、WBG素子22にて電力増幅された後、RF信号出力端子27より出力される。WBG素子22の入力側にはゲートDCカット用チップキャパシタ30が、出力側にはドレインDCカット用チップキャパシタ12が実装される。
Next, the operation will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2, the RF signal is input from the RF
RF信号はWBG素子22にて電力増幅されるため、ドレインDCカット用チップキャパシタ12の抵抗成分にて発生する熱の方が、ゲートDCカット用チップキャパシタ30の抵抗成分にて発生する熱よりも大きい。そのため、ドレインDCカット用チップキャパシタ12の発熱を排熱する必要がある。しかし樹脂基板11の熱伝導率は小さいため、樹脂基板11よりの排熱は困難である。
Since the RF signal is amplified by the
そこで図1のように、ドレインDCカット用チップキャパシタ12より発生した熱を、マイクロストリップ線路13、誘電体棒15、金属島14を介して、スルーホール16よりグランドに排熱させる。ここでスルーホール16は、例えば図1に示すGND層18と接続することにより、グランドへ排熱させる。
Therefore, as shown in FIG. 1, the heat generated from the drain DC
なお排熱の際、誘電体棒15を用いることで、誘電体棒の容量成分24がWBG素子22のRF出力に対して、電気特性に影響を及ぼす可能性がある。つまり、誘電体棒の容量成分24が見えることにより、WBG素子22で増幅した電力の一部が誘電体棒15を介して散逸したり、WBG素子22が出力するRF信号の周波数特性を平坦とさせている場合、誘電体棒の容量成分24によりリップルが生じ、周波数特性に影響を及ぼしたりする可能性がある。
When the heat is exhausted, the
そこで図2に示すように、スルーホールのインダクタ成分25と金属島の容量成分23とを並列共振させることにより、誘電体棒の容量成分24が、WBG素子22のRF電気特性に影響を与えないようにする。
Therefore, as shown in FIG. 2, by causing the
金属島の容量成分23をC、スルーホールのインダクタ成分25をLとすると、金属島の容量成分23とスルーホールのインダクタ成分25とにおけるアドミタンスを0(つまりインピーダンスを無限大)とする共振周波数fは、以下のようになる。
When the metal
RF信号に対する共振周波数を上記のように設定することで、金属島の容量成分23とスルーホールのインダクタ成分25におけるインピーダンスを無限大とすることができるため、電気的にはオープン(開放)とみなすことができる。よって、誘電体棒の容量成分24を見えなくすることができ、WGB素子22のRF出力の電気特性に対して、誘電体棒の容量成分24が影響を与えることはない。
By setting the resonance frequency for the RF signal as described above, the impedance in the
なお金属島の容量成分23を決める要素としては、金属島14の寸法がある。またスルーホールのインダクタ成分25を決める要素としては、スルーホール16の位置、個数、穴径、基板厚(スルーホールの深さ)がある。これらの要素をパラメータとして、金属島の容量成分23とスルーホールのインダクタ成分25を決定する。
An element that determines the
またドレインDCカット用チップキャパシタ12より発生した熱を排熱させる誘電体棒15と金属島14とスルーホール16を用いた排熱回路は、図2に示したように1つと限定する必要はなく、2つ以上の排熱回路を用いてより排熱効果を上げてもよい。
Further, it is not necessary to limit the exhaust heat circuit using the
これにより、ドレインDCカット用チップキャパシタ12で発生した熱を、誘電体棒15およびスルーホール16を介して排熱させることができるため、ドレインDCカット用チップキャパシタ12を固定する半田17が柔らかくなったり溶けたりすることがなく、高出力増幅器21の信頼性を保つことが可能となる。
As a result, the heat generated in the drain DC cut
また、スルーホールのインダクタ成分25と金属島の容量成分23とを並列共振させることにより、誘電体棒の容量成分24を高出力増幅器21のRF電気特性に影響を与えることなく、ドレインDCカット用チップキャパシタ12で発生した熱を排熱させることが可能となる。
Further, by causing the
実施の形態2.
以下、図を用いてこの発明に係わる実施の形態2について説明する。図3は、実施の形態2によるマイクロ波集積回路の構成を示す図である。31は金属島14とGND層18を接続するように、樹脂基板11の側面を金属被覆する金属部材であり、例えば金リボンや金銀クラッドリボンを用いて樹脂基板11の側面を被覆する。それ以外は図1と同様の構成である。
Embodiment 2. FIG.
The second embodiment according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a microwave integrated circuit according to the second embodiment.
図3のマイクロ波集積回路は、マイクロストリップ線路13の近傍に金属部材31でGND層18と接続している金属島14を設け、金属島14とマイクロストリップ線路13間を誘電体棒15で接続した構成となっている。
In the microwave integrated circuit of FIG. 3, a
誘電体棒15を搭載する樹脂基板11の側面に金属部材31を被覆してGND層18と金属島14を接続する。つまり金属部材31の一端は金属島14と電気的、熱的に接続し、金属部材31の他端は前記グランドと電気的、熱的に接続する。
A
そしてドレインDCカット用チップキャパシタ12より発生した熱を、マイクロストリップ線路13、誘電体棒15、金属島14、金属部材31を介してグランドに排熱させる。
Then, the heat generated from the drain DC cut
実施の形態1では、金属島の容量成分23とスルーホールのインダクタ成分25を並列共振させて、WGB素子22のRF出力の電気特性に対して、誘電体棒の容量成分24が影響を与えないようにしていた。実施の形態2においては、スルーホールのインダクタ成分の代わりに、金リボンや金銀クラッドリボンの金属部材31のインダクタ成分を用いて並列共振させることで、WGB素子22のRF出力の電気特性に対して、誘電体棒の容量成分24が影響を与えないようにすることができる。
In the first embodiment, the
なお金属部材31のインダクタ成分を決める要素としては、例えば金リボンや金銀クラッドリボンの長さや幅がある。これらの要素をパラメータとして、金属部材31のインダクタ成分を決定する。
Note that factors that determine the inductor component of the
これにより、実施の形態1と比較して、金属島14がGND層18と接続する面積が大きくなり、排熱効果をより高めることができる。
Thereby, compared with Embodiment 1, the area which the
11.樹脂基板
12.ドレインDCカット用チップキャパシタ
13.マイクロストリップ線路
14.金属島
15.誘電体棒
16.スルーホール
17.半田
18.GND層
21.高出力増幅器
22.WBG素子
23.金属島の容量成分
24.誘電体棒の容量成分
25.スルーホールのインダクタ成分
26.RF信号入力端子、
27.RF信号出力端子、
28.ゲートバイアス端子、
29.ドレインバイアス端子
30.ゲートDCカット用チップキャパシタ
31.金属部材
11.
27. RF signal output terminal,
28. Gate bias terminal,
29.
Claims (7)
スルーホールを含む金属の島状パターンと、
を備える排熱回路であり、
前記誘電体棒の一端は高出力増幅素子の出力信号をDCカットするキャパシタと電気的及び熱的に接続し、前記誘電体棒の他端は前記島状パターンと電気的及び熱的に接続し、
前記スルーホールは前記島状パターンとグランドとを電気的及び熱的に接続し、
前記誘電体棒を熱伝導する前記キャパシタの熱を前記グランドへ排熱するとともに、
前記島状パターンの容量成分と前記スルーホールのインダクタ成分とを並列共振させることを特徴とする排熱回路。 A dielectric rod with electrodes metallized on both ends;
Metal island pattern including through holes,
An exhaust heat circuit comprising:
One end of the dielectric rod is electrically and thermally connected to a capacitor for DC-cutting the output signal of the high-power amplifier, and the other end of the dielectric rod is electrically and thermally connected to the island pattern. ,
The through hole electrically and thermally connects the island pattern and the ground,
While discharging the heat of the capacitor that conducts heat through the dielectric rod to the ground,
A waste heat circuit, wherein a capacitive component of the island pattern and an inductor component of the through hole are caused to resonate in parallel.
前記誘電体棒を搭載する基板の側面に金属部材を被覆してグランドと接続する金属の島状パターンと、
を備える排熱回路であり、
前記誘電体棒の一端は高出力増幅素子の出力信号をDCカットするキャパシタと電気的及び熱的に接続し、前記誘電体棒の他端は前記島状パターンと電気的及び熱的に接続し、
前記金属部材は前記島状パターンと前記グランドとを電気的及び熱的に接続し、
前記誘電体棒を熱伝導する前記キャパシタの熱を前記グランドへ排熱するとともに、
前記島状パターンの容量成分と前記金属部材のインダクタ成分とを並列共振させることを特徴とする排熱回路。 A dielectric rod with electrodes metallized on both ends;
A metal island pattern that covers the side surface of the substrate on which the dielectric rod is mounted and that is connected to the ground by covering a metal member;
An exhaust heat circuit comprising:
One end of the dielectric rod is electrically and thermally connected to a capacitor for DC-cutting the output signal of the high-power amplifier, and the other end of the dielectric rod is electrically and thermally connected to the island pattern. ,
The metal member electrically and thermally connects the island pattern and the ground,
While discharging the heat of the capacitor that conducts heat through the dielectric rod to the ground,
A waste heat circuit, wherein a capacity component of the island pattern and an inductor component of the metal member are resonated in parallel.
前記高出力増幅素子の出力信号をDCカットするキャパシタと、
前記キャパシタの発熱を排熱する排熱回路と、
を備える高出力増幅器であって、
前記排熱回路は、請求項1から6のうちいずれか1項記載の排熱回路であることを特徴とする高出力増幅器。 A high-power amplifying element for high-power amplification of the RF signal;
A capacitor for DC-cutting the output signal of the high-power amplification element;
An exhaust heat circuit for exhausting heat from the capacitor;
A high power amplifier comprising:
The high-output amplifier according to claim 1, wherein the exhaust heat circuit is the exhaust heat circuit according to claim 1.
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JPWO2022091192A1 (en) * | 2020-10-27 | 2022-05-05 |
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