JP2013219484A - 高周波半導体増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】不要な発振を抑制し、安定動作が容易な高周波半導体増幅器を提供する。
【解決手段】高周波増幅器は、入力端子と、出力端子と、第１の半導体増幅素子と、第２の半導体増幅素子と、分岐回路と、合成回路と、を有する。分岐回路は、入力端子と第１の半導体素子との間に設けられた第１入力回路と、入力端子と第２の半導体素子との間に設けられた第２入力回路と、を有する。第１入力回路の電気長は第２入力回路の電気長よりも大きい。合成回路は、出力端子と第１の半導体素子との間に設けられた第２出力回路と、出力端子と第２の半導体素子との間に設けられた第２出力回路と、を有する。第２出力回路の電気長は第１出力回路の電気長よりも大きい。第１入力回路の電気長と第２入力回路の電気長との差は、第２出力回路の電気長と第１出力回路の電気長との差と同一である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、高周波半導体増幅器に関する。

移動無線基地局、衛星通信基地局、レーダー装置など用いる半導体増幅器に対して、高周波化および高出力化が要求される。

ＧａＮ ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）やＧａＡｓ ＦＥＴ（Field Effect Transistor)などを用いたマイクロ波半導体増幅器において、半導体増幅素子を並列に配置し入出力側に整合回路をそれぞれ設けると高出力化が容易となる。

半導体増幅器の出力を所望値以上とするために、多数の半導体増幅素子を並列接続すると、増幅素子が均等には動作せず反射が増加することがある。

また、利得を所望の範囲とするため半導体増幅器を多段接続する場合、反射が大きいと帯域内または帯域近傍で不要な発振が起こりやすくなり動作を不安定にすることがある。

特開２００２−３３５１３６号公報

不要な発振を抑制し、安定動作が容易な高周波半導体増幅器を提供する。

実施形態の高周波増幅器は、入力端子と、出力端子と、第１の半導体増幅素子と、第２の半導体増幅素子と、分岐回路と、合成回路と、を有する。前記分岐回路は、前記入力端子と前記第１の半導体素子との間に設けられた第１入力回路と、前記入力端子と前記第２の半導体素子との間に設けられた第２入力回路と、を有する。前記第１入力回路の電気長は前記第２入力回路の電気長よりも大きい。前記合成回路は、前記出力端子と前記第１の半導体素子との間に設けられた第２出力回路と、前記出力端子と前記第２の半導体素子との間に設けられた第２出力回路と、を有する。前記第２出力回路の電気長は前記第１出力回路の電気長よりも大きい。前記第１入力回路の電気長と前記第２入力回路の電気長との差は、前記第２出力回路の電気長と前記第１出力回路の電気長との差と同一である。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる高周波半導体増幅器の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。 第１の実施形態にかかる高周波半導体増幅器の作用を説明する模式図である。 電気長差に対する合成損失の依存性を表すグラフ図である。 図４（ａ）は比較例にかかる高周波半導体増幅器の模式平面図、図４（ｂ）は高周波半導体増幅器の作用を説明する模式図、である。 図５（ａ）は第２の実施形態にかかる高周波半導体増幅器の模式平面図、図５（ｂ）は高周波半導体増幅器の作用を説明する模式図、である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる高周波半導体増幅器の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
高周波半導体増幅器は、入力端子４０と、出力端子４２と、第１の半導体増幅素子１０と、第２の半導体増幅素子１２と、分岐回路２０と、合成回路３０と、を有している。第１の半導体増幅素子１０と、第２の半導体増幅素子１２と、は、高周波特性が揃ったものとすることが好ましい。たとえば、同一のウェーハから取りだしたチップとすることができる。

分岐回路２０は、入力端子４０と、第１の半導体素子１０、との間に設けられ、伝送線路を含む第１入力回路２２と、入力端子４０と第２の半導体素子１２との間に設けられ、伝送線路を含む第２入力回路２４と、を有する。また、第１入力回路２２を構成する伝送線路の電気長Ｌ２２は、第２入力回路２４を構成する伝送線路の電気長Ｌ２４よりも大きい。なお、電気長Ｌは、次式で表すことができる。

Ｌ＝３６０°×Ｍ／λeff

但し Ｍ：伝送線路の長さ
λeff：所定の周波数での伝送線路内波長

出力端子４２と第１の半導体素子１０との間に設けられ、伝送線路を含む第２出力回路３２と、出力端子４２と第２の半導体素子１２との間に設けられ、伝送線路を含む第２出力回路３４と、を有する。第２出力回路３４の伝送線路の電気長Ｌ３４は第１出力回路３２の伝送線路の電気長Ｌ３２よりも大きい。

第１入力回路２２の電気長Ｌ２２と第２入力回路２４の電気長Ｌ２４との差φ１は、第２出力回路３４の電気長Ｌ３４と第１出力回路３２の電気長Ｌ３２との差φ２と同一とする。

なお、本明細書において、「φ１とφ２とが同一」とは、電気長の差φ１は、電気長の差φ２の９０％以上、１１０％以下の範囲にあることを意味する。すなわち、電気長の差φ１を９０°とする場合、電気長の差φ２が８１度以上、９９度以下の範囲であれば、同一の電気長であるものとする。

高周波半導体増幅器のパッケージは、金属ベース板４４と、金属ベース板４４の上に設けられた絶縁材４６と、絶縁材４６の上にそれぞれ設けられた入力端子４０および出力端子４２と、を有する。金属ベース板４４を、たとえば、銅、銅合金などからなるものすると、放熱性を高めることができる。

半導体増幅素子１０、１２が、たとえば、ＧａＮ ＨＥＭＴの場合、パッケージの金属ベース板４４の上にメッキ層などを介して、接着することができる。分岐回路２０は、アルミナなどの誘電体材を含む回路基板からなり、入力端子４０と、半導体増幅素子１０、１２との間に設けられる。入力端子４０と、分岐回路２０の一方の端部と、はボンディングワイヤ５０などで接続される。また、分岐回路２０の他方の端部と、半導体増幅素子１０、１２の入力電極（たとえば、ゲート電極）と、は、ボンディングワイヤ５１、５２で接続される。

合成回路３０は、誘電体材を含む回路基板からなり、出力端子４２と、半導体増幅素子１０、１２との間に設けられる。半導体増幅素子１０、１２の出力電極（たとえば、ドレイン電極）と、合成回路２０の一方の端部と、は、ボンディングワイヤ５３、５４で接続される。また、合成回路２０の他方の端部と、出力端子４２と、は、ボンディングワイヤ５５などで接続される。高周波数の場合、インピーダンス変換において、ボンディングワイヤの誘導性リアクタンス分を考慮することが必要である。

半導体増幅素子１０、１２のソース電極と、金属ベース板４４とは、直接、または回路基板に設けられた導電部（図示せず）を介して、金属ベース板４４と接続される。ソース電極は、接地電極であるので、接地までの距離が短いことが好ましい。

なお、図１に表す第１の実施形態では、直流バイアスは、入力端子４０および出力端子４２を介して外部から供給される。または、パッケージに設けられた貫通端子（図示せず）を介して供給することもできる。

第１の実施形態では、小さい電気長Ｌ２４の第２入力回路２４は、サスペンデッド線路を用いて実現する。このため、図１（ｂ）に表すように、第２入力回路２４を構成する回路基板の下側に空隙４４ａを設け、実効誘電率を低減する。このようにすれば、伝送線路内波長λeffを長くし、電気長Ｌ２４を短縮することができる。同様に、小さい電気長Ｌ３２の第１出力回路３２は、サスペンデッド線路を用いて実現する。このため、第１出力回路３２を構成する回路基板の下側に空隙４４ａを設け、実効誘電率を低減する。

図２は、第１の実施形態にかかる高周波半導体増幅器の作用を説明する模式図である。
入力端子４０に入射した入射波Ｗ１は、２つに分岐される。そのうちの一方は、第１入力回路２２を経由して、第１の半導体増幅素子１０へ入射する。入射波のうちの一部は、第１の半導体増幅素子１０により増幅されたのち出力され、残余の一部は、反射され反射波Ｗ１ａとなる。２つに分岐された入射波の他方は、第２入力回路２２へ入射し第２の半導体増幅素子１２へ入射する。他方の入射波のうちの一部は、第２の半導体増幅素子１２により増幅されたのち出力され、残余の一部は反射され反射波Ｗ１ｂとなる。

第２入力回路２４の電気長Ｌ２４は、第１入力回路２２の電気長Ｌ２２よりもφ１短いので、反射波Ｗ１ｂと反射波Ｗ１ａとは位相が２φ１ずれ、入力点４０ａにおいて、互いに弱め合う。このため、電源ＺＧへ向かう反射が低減される。もし、電気長の差φ１を略９０度とすると２つの反射波Ｗ１ａ、Ｗ１ｂの位相が約１８０度ずれるので合成された反射波の振幅はより小さくできる。

この場合、略９０度とは、８１度以上９９度以下を意味するものとする。また、基準面Ｐ１と半導体増幅素子１０、１２の間において、第１入力回路２２の振幅特性と、第２入力回路２４の振幅特性と、を揃えると、反射波を殆どゼロまで近づけることができる。すなわち、電源ＺＧへ向かう反射波を抑制し、電圧定在波比を１に近づけることができる。

この場合、第１入力回路２２を構成する伝送線路の特性インピーダンスをＺＣ１とし、第２入力回路２４を構成する伝送線路の特性インピーダンスをＺＣ２とする。たとえば、特性インピーダンスＺＣ１と、特性インピーダンスＺＣ２と、を略同一とすると、振幅特性を揃えることが容易となる。

図１において、第１入力回路２２は、半導体増幅素子１０の横方向広がり幅に対応した広い線路幅を有する第１の線路２２ａと、狭い線路幅を有する第２の線路２２ｂ、とを含む。また、第２入力回路２４は、半導体増幅素子１２の横方向広がり幅に対応した広い線路幅を有する第１の線路２４ａと、狭い線路幅を有する第２の線路２４ｂ、とを含む。このように、途中で線路幅が変化しても、伝送線路の等価回路を略同等にすることにより、それぞれの振幅特性を揃えることができる。

他方、もし、出力端子４２に入射波Ｗ２が入射すると、２つに分岐されたうちの一方は、第１出力回路３２を経由して、第１の半導体増幅素子１０へ入射する。この入射波のうちの一部は、反射され反射波Ｗ２ａとなる。他方、２つに分岐されたうちの他方は、第２出力回路３４へ入射し、第２の半導体増幅素子１２へ入射する。この入射波のうちの一部は、反射され反射波Ｗ２ｂとなる。

第２出力回路３４の電気長Ｌ３４は、第１出力回路３２の電気長Ｌ３２よりもφ２短いので、反射波Ｗ２ｂと反射波Ｗ２ａとは位相が２φ２ずれ、出力点４２ａにおいて互いに弱め合う。このため、負荷ＺＬへ向かう反射が低減される。もし、φ２を略９０度とすると２つの反射波Ｗ２ａ、Ｗ２ｂの位相が約１８０度ずれるので合成された反射波の振幅はより小さくできる。この場合、略９０度とは、８１度以上９９度以下を意味するものとする。

また、基準面Ｐ２と半導体増幅素子１０、１２の間において、第１出力回路２２の振幅特性と、第２出力回路３４の振幅特性と、を揃えると、反射波を殆どゼロまで近づけることができる。すなわち、負荷ＺＬへ向かう反射波を抑制でき、電圧定在波比を１に近づけることができる。

この場合、第１出力回路３２を構成する伝送線路の特性インピーダンスをＺＣ３とし、第２出力回路３４を構成する伝送線路の特性インピーダンスをＺＣ４としする。たとえば、特性インピーダンスＺＣ３と、特性インピーダンスＺＣ４と、を略同一とすると、振幅特性を揃えることが容易となる。第１出力回路３２、第２出力回路３４、においても、線路幅が途中で変化しても振幅特性を揃えることができる。

この結果、所望の利得を得るため図１に表す増幅器を多段接続しても、不要な発振を抑制できて、安定動作とすることができる。

一般に、並列接続する半導体増幅素子の数を増やすと、出力を増やすことができる。他方、半導体増幅素子の入出力インピーダンスがそれぞれ低下する。このため、広い帯域で、整合を取ることが困難となる。第１の実施形態では、２つの半導体増幅素子の間で、反射波を弱め合うので半導体増幅素子の数が増えても、電源ＺＧおよび負荷ＺＬの向かう反射波を低減をすることが容易となる。

図３は、電気長差に対する合成損失の依存性を表すグラフ図である。
図２において、分岐回路２０の電気長差をφ１と、合成回路３０の電気長差φ２と、を同一とする。また、電気長差φ１、φ２は、反射波を弱め合う効果が最も大きい電気長差である９０度からのずれθ（度）を用いて、次式でそれぞれ表すものとする。

φ１＝９０°±θ

φ２＝９０°±θ

図３において、第１の増幅ユニットは半導体増幅素子１０を有し、基準面Ｐ１と基準面Ｐ２との間とする。また、第２の増幅ユニットは半導体増幅素子１２を有し、基準面Ｐ１と基準面Ｐ２との間とする。

ずれ電気長θを０〜１８０度まで変化させると、合成損失（ｄＢ）は、０ｄＢから約１０ｄＢまで増大する。電気長差φ（φ１＝φ２）を７０度以下とすると、合成損失を１ｄＢ以下とできるので好ましい。すなわち、電気長差は、２０度以上、１６０度以下、とすることが好ましい。また、電気長差は、４５度以上１３５度以下、とすると、合成損失を０．３ｄＢ以下とすることができるので、より好ましい。

図４（ａ）は比較例にかかる高周波半導体増幅器の模式平面図、図４（ｂ）はその作用を説明する模式図、である。
図４（ａ）に表すように、分岐回路１２０、および合成回路１３０は、Ｂ−Ｂ線に関して略対称である。このため、図４（ｂ）に表すように、入力端子１４０において、第１の半導体増幅素子１１０による反射波Ｗ１１ａと、第２の半導体増幅素子１１２による反射波Ｗ１１ｂと、は、略同一の位相となる。このため、入力点１４０ａにおいて、反射波Ｗ１１ａ、Ｗ１１ｂが強め合い、電源ＺＧに向かって伝搬する。

また、出力端子１４２において、第１の半導体増幅素子１１０による反射波Ｗ２２ａと、第２の半導体増幅素子１１２による反射波Ｗ２２ｂと、は、略同一の位相となる。このため、出力点１４２ａにおいて、反射波Ｗ２２ａ、Ｗ２２ｂが強め合い、負荷ＺＬに向かって伝搬する。この結果、図４に表す半導体増幅器を多段接続すると、発振を生じ、動作不安定となることがある。

図５（ａ）は第２の実施形態にかかる高周波半導体増幅器の模式平面図、図５（ｂ）はその作用を説明する模式図、である。
第２の実施形態では、第１入力回路２２の電気長Ｌ２２は、第２入力回路３２の電気長Ｌ３２よりも電気長差φ１だけ長い。また、第２出力回路３４の電気長Ｌ３４は、第１出力回路３２の電気長Ｌ３２よりも電気長差φ２だけ長い。すなわち、第２入力回路２４は、第１マイクロストリップ線路を含み、第１入力回路２２は、第１マイクロストリップ線路を構成する誘電率よりも高い誘電率を有する第２マイクロストリップ線路を含む。

また、第１出力回路３２は、第１マイクロストリップ線路を含み、第２出力回路３４は、第１マイクロストリップ線路を構成する誘電率よりも高い誘電率を有する第２マイクロストリップ回路を含む。なお、第１入力回路２２の電気長Ｌ２２と第２入力回路２４の電気長Ｌ２４との差φ１は、第２出力回路３４の電気長Ｌ３４と第１出力回路３２の電気長Ｌ３２との差φ２と同一とする。

なお、第１の実施形態における第１入力回路２２と第２出力回路３４とを構成する回路基板と、第２の実施形態における第２入力回路２４と第１出力回路３２とを構成する回路基板と、は、同一構造および同一伝送特性を有するものとする。また、第２の実施形態では、高誘電率を有するマイクロストリップ線路を用いるので、伝送線路内波長が短縮され、分岐回路２０および合成回路３０を小型化することが容易となる。

また、一般に、高出力半導体増幅素子のインピーダンスは電源インピーダンスＺＧおよび負荷インピーダンスＺＬと比較して低く、５Ω以下となることが多い。このため、入力回路や出力回路を構成する伝送線路の特性インピーダンスは低くなり、線路幅が広くなる。第２の実施形態では高誘電率基板を用いることのより、特性インピーダンスを低下することが容易となる。

第１および第２の実施形態により、不要な発振を抑制し、安定動作が容易な高周波半導体増幅器が提供される。また、第１および第２の実施形態の高周波半導体増幅器を多段接続することにより所望の利得とすることができる。このような高周波半導体増幅器は、１ＧＨｚ以上の周波数において、移動通信基地局、衛星通信基地局、レーダー装置などに広く用いることができる。

なお、半導体増幅素子としてＧａＮ ＨＥＭＴを用いると、破壊電圧が高くでき、ワイドバンドギャップのため高温動作が容易となる。このため、たとえば、Ｘ帯（８〜１２ＧＨｚ）において５０Ｗ出力、Ｃ帯において１５０Ｗ、などを得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 第１の半導体増幅素子、１２ 第２の半導体増幅素子、２０ 分岐回路、２２ 第１入力回路、２４ 第２入力回路、３０ 合成回路、３２ 第１出力回路、３４ 第２出力回路、４０ 入力端子、４２ 出力端子、φ１ （入力側）の電気長差、φ２ （出力側の）電気長差

Claims (5)

1. 入力端子と、
   出力端子と、
   第１の半導体増幅素子と、
   第２の半導体増幅素子と、
   前記入力端子と前記第１の半導体素子との間に設けられた第１入力回路と、前記入力端子と前記第２の半導体素子との間に設けられた第２入力回路と、を有する分岐回路であって、前記第１入力回路の電気長は前記第２入力回路の電気長よりも大きい分岐回路と、
   前記出力端子と前記第１の半導体素子との間に設けられた第２出力回路と、前記出力端子と前記第２の半導体素子との間に設けられた第２出力回路と、を有する合成回路であって、前記第２出力回路の電気長は前記第１出力回路の電気長よりも大きい合成回路と、
   を備え、
   前記第１入力回路の電気長と前記第２入力回路の電気長との差は、前記第２出力回路の電気長と前記第１出力回路の電気長との差と同一である高周波半導体増幅器。
2. 前記第１入力回路は、マイクロストリップ線路を含み、
   前記第２入力回路は、サスペンデッド線路を含み、
   前記第１出力回路は、サスペンデッド線路を含み、
   前記第２出力回路は、マイクロストリップ回路を含む請求項１記載の高周波半導体増幅器。
3. 前記第２入力回路は、第１マイクロストリップ線路を含み、
   前記第１入力回路は、前記第１マイクロストリップ線路を構成する誘電率よりも高い誘電率を有する第２マイクロストリップ線路を含み、
   前記第１出力回路は、前記第１マイクロストリップ線路を含み、
   前記第２出力回路は、前記第２マイクロストリップ回路を含む請求項１記載の高周波半導体増幅器。
4. 前記第１入力回路の電気長と前記第２入力回路の電気長との差は、２０度以上、１６０度以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の高周波半導体増幅器。
5. 前記第１入力回路の電気長と前記第２入力回路の電気長との差は、８１度以上、９９度以下であり、
   前記第２出力回路の電気長と前記第１出力回路の電気長との差は、８１度以上、９９度以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の高周波半導体増幅器。

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