JP2015103957A - インピーダンス整合回路及び高周波増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模の大型化を招くことなく、不要な高調波の通過を阻止することができるようにする。【解決手段】一端がグランドと接続されているインダクタ１と、コンデンサ３とインダクタ２が直列に接続されている回路であって、一端がインダクタ１の他端と接続され、他端が外部接続端子７と接続されている直列回路９と、コンデンサ５とインダクタ４が直列に接続されている回路であって、一端がインダクタ１の他端と接続され、他端が外部接続端子８と接続されている直列回路１０と、一端が外部接続端子７と接続され、他端が外部接続端子８と接続されているインダクタ６とを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、基本周波数に対してインピーダンス変成機能を有し、高調波周波数に対して反射機能を有するインピーダンス整合回路と、そのインピーダンス整合回路が搭載される高周波増幅器とに関するものである。

図１９は以下の非特許文献１に開示されているインピーダンス整合回路を示す構成図である。
このインピーダンス整合回路では、外部接続端子１０１と外部接続端子１０２の間に、３つのインダクタ１０３〜１０５が直列に接続されている。
また、２つのコンデンサ１０６，１０７がシャントに接続されている。
したがって、このインピーダンス整合回路は、低域通過型フィルタを構成しており、所定の周波数帯域内の周波数についてはインピーダンス変成を実現することができる。

小西 良弘，本城 和彦, "マイクロ波半導体回路 基礎と展開，" 日刊工業新聞社， １９９３．

高周波増幅器ではトランジスタの非線形性により高調波が発生するが、他の周波数帯に対する影響を抑えるため、実運用上でも、電波法上でも高調波を抑圧することが求められる。
従来のインピーダンス整合回路は以上のように構成されているので、所定の周波数帯域内の周波数についてはインピーダンス変成を実現することができるが、所定の周波数帯域外の周波数についてはインピーダンス変成を実現することができず、高調波に対してインピーダンスを制御することができなかった。したがって、高調波に対して、インピーダンスによっては不要な高調波の通過を阻止することができず、別途、高調波抑圧用の回路を装荷しなければならないため、回路が大型化する課題があった。また、従来回路では、周波数が高くなると、インダクタやキャパシタの寄生成分の影響により、高調波の通過が増えてしまう課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、回路規模の大型化を招くことなく、不要な高調波の通過を阻止することができるインピーダンス整合回路及び高周波増幅器を得ることを目的とする。

この発明に係るインピーダンス整合回路は、一端がグランドと接続されている第１のインダクタと、第１のコンデンサと第２のインダクタが直列に接続されている回路であって、一端が第１のインダクタの他端と接続され、他端が第１の外部接続端子と接続されている第１の直列回路と、第２のコンデンサと第３のインダクタが直列に接続されている回路であって、一端が第１のインダクタの他端と接続され、他端が第２の外部接続端子と接続されている第２の直列回路と、一端が第１の外部接続端子と接続され、他端が第２の外部接続端子と接続されている第４のインダクタとを備えるようにしたものである。

この発明によれば、一端がグランドと接続されている第１のインダクタと、第１のコンデンサと第２のインダクタが直列に接続されている回路であって、一端が第１のインダクタの他端と接続され、他端が第１の外部接続端子と接続されている第１の直列回路と、第２のコンデンサと第３のインダクタが直列に接続されている回路であって、一端が第１のインダクタの他端と接続され、他端が第２の外部接続端子と接続されている第２の直列回路と、一端が第１の外部接続端子と接続され、他端が第２の外部接続端子と接続されている第４のインダクタとを備えるように構成したので、回路規模の大型化を招くことなく、不要な高調波の通過を阻止することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるインピーダンス整合回路を示す構成図である。 図１のインピーダンス整合回路における基本周波数での等価回路である。 図１のインピーダンス整合回路における高調波周波数での等価回路である。 ｎΩでの基本波の反射特性を示す説明図である。 ２倍波の反射特性を示す説明図である。 Ｚ’Ωでの基本波の反射特性を示す説明図である。 ２倍波の反射特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるインピーダンス整合回路が適用される高周波増幅器を示す構成図である。 図８の高周波増幅器における出力回路１４の内部を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるインピーダンス整合回路が適用される他の高周波増幅器を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるインピーダンス整合回路を示す構成図である。 図１１のインピーダンス整合回路における基本周波数での等価回路である。 図１１のインピーダンス整合回路における高調波周波数での等価回路である。 １段と２段の低域通過型フィルタにおいて、ＲＬがそれぞれ１０ｄＢ，２０ｄＢ，３０ｄＢである場合の比帯域幅の計算結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるインピーダンス整合回路が適用される高周波増幅器を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるインピーダンス整合回路が適用される他の高周波増幅器を示す構成図である。 この発明の実施の形態２による他のインピーダンス整合回路を示す構成図である。 この発明の実施の形態２による他のインピーダンス整合回路を示す構成図である。 非特許文献１に開示されているインピーダンス整合回路を示す構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるインピーダンス整合回路を示す構成図である。
図１において、インダクタ１は一端がグランドと接続されているインダクタンス値Ｌ１の第１のインダクタである。
インダクタ２は一端がインダクタ１の他端と接続されているインダクタンス値Ｌ２の第２のインダクタである。
コンデンサ３は一端がインダクタ２の他端と接続され、他端が外部接続端子７（第１の外部接続端子）と接続されている容量値Ｃ１の第１のコンデンサである。なお、インダクタ２とコンデンサ３から直列回路９（第１の直列回路）が構成されている。
図１の例では、インダクタ１とコンデンサ３の間にインダクタ２が接続されている構成であるが、インダクタ１とインダクタ２の間にコンデンサ３が接続される構成であってもよい。

インダクタ４は一端がインダクタ１の他端と接続されているインダクタンス値Ｌ３の第３のインダクタである。
コンデンサ５は一端がインダクタ４の他端と接続され、他端が外部接続端子８（第２の外部接続端子）と接続されている容量値Ｃ２の第２のコンデンサである。なお、インダクタ４とコンデンサ５から直列回路１０（第２の直列回路）が構成されている。
図１の例では、インダクタ１とコンデンサ５の間にインダクタ４が接続されている構成であるが、インダクタ１とインダクタ４の間にコンデンサ５が接続される構成であってもよい。
インダクタ６は一端が外部接続端子７と接続され、他端が外部接続端子８と接続されているインダクタンス値Ｌ４の第４のインダクタである。

図２は図１のインピーダンス整合回路における基本周波数での等価回路であり、図３は図１のインピーダンス整合回路における高調波周波数での等価回路である。
図２における符号３’，５’はインダクタ１，２，４及びコンデンサ３，５から計算される等価キャパシタンスである。
図３における符号２’，４’はインダクタ１，２，４から計算される等価インダクタンスである。
図１のインピーダンス整合回路は、図２より明らかなように、基本波周波数においては、π型の低域通過型フィルタとみなすことができる。
また、図３より明らかなように、高調波周波数においては、ＬＣ並列共振器が直列に装荷されている帯域反射型フィルタとみなすことができる。

図１のインピーダンス整合回路におけるＺパラメータは、下記の式（１）のように定義される。

図１のインピーダンス整合回路が不要な高調波の通過を阻止するには、図１のインピーダンス整合回路が、高調波周波数ではオープンとして見えている必要がある。
このため、図１のインピーダンス整合回路では、高調波周波数でのＹパラメータが、下記の式（２）のようになっている。

ここで、コンデンサ５とインダクタ６の接続点に対して、ｎΩの負荷が接続された場合の１端子回路パラメータＺは、下記の式（３）のようになる。

したがって、図１のインピーダンス整合回路は、基本波に対して、ｎΩからＺ'Ωにインピーダンスを変成する機能を有していることになる。

以下、具体例を示すことで、図１のインピーダンス整合回路が有意に動作することを明らかにする。
ここでは、基本の周波数が１０ＧＨｚ、ｎが２Ω、Ｚ’が３０Ωであるとする。また、反射したい高調波が２倍波であるとする。
また、インダクタ１，２，４，６のインダクタンス値Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が、それぞれＬ１＝１．０９９ｎＨ、Ｌ２＝０．８０３ｎＨ、Ｌ３＝０．３８４ｎＨ、Ｌ４＝０．３３４ｎＨであるとする。
また、コンデンサ３，５の容量値Ｃ１，Ｃ２が、それぞれＣ１＝０．０６５ｐＦ、Ｃ２＝０．１１５ｐＦであるとする。

上記の条件下において、図４はｎΩでの基本波の反射特性を示し、図５は２倍波の反射特性を示している。
また、上記の条件下において、図６はＺ’Ωでの基本波の反射特性を示し、図７は２倍波の反射特性を示している。
図４及び図６から明らかなように、ｎΩ及びＺ’Ωにおいて、基本波に対して良好な反射特性となっており、基本波でのインピーダンス変換が実現できている。
図５及び図７から明らかなように、２倍波に対する反射特性がｏｐｅｎ点付近になっており、２倍波の反射特性が実現できていることが分かる。

ここで、図８はこの発明の実施の形態１によるインピーダンス整合回路が適用される高周波増幅器を示す構成図である。
図８において、インピーダンス整合回路２０は図１のインピーダンス整合回路であり、基本周波数に対してインピーダンス変成機能を有し、高調波周波数に対して反射機能を有する。
入力回路１２は入力端子１１から入力された高調波を含む高周波信号をトランジスタ１３に与える回路である。
トランジスタ１３は入力回路１２から与えられた高周波信号を増幅し、増幅後の高周波信号を出力する増幅素子である。
出力回路１４はトランジスタにより増幅された高周波信号に含まれている高調波を反射させる回路である。
出力回路１５はインピーダンス整合回路２０を通過してきた信号を出力端子１６に出力する回路である。

図９は図８の高周波増幅器における出力回路１４の内部を示す構成図である。
図９の例では、高周波信号に含まれている高調波を反射させる目的で、伝送線路１４ａに対して、高周波信号における基本波でλ／８（λ：波長）の長さの電気長を有するオープンスタブ１４ｂが接続されている。

一般的な高周波増幅器では、高周波信号を高効率に増幅するために、高周波信号に含まれている高調波を反射する機能を有する出力回路１４（基本波でλ／８の長さの電気長を有するオープンスタブ１４ｂが接続されている回路）がトランジスタ１３の後段に接続される。
しかし、実際のパターンで作成されたオープンスタブ１４ｂの電気長が完全にλ／８の長さと一致するとは限らず、λ／８の長さからずれてしまうことがある。
オープンスタブ１４ｂの電気長がλ／８の長さからずれている場合、出力回路１４から出力端子１６側を見込んだ高調波周波数でのインピーダンスの影響により、トランジスタ１３から出力回路１４を見込んだ高調波周波数でのインピーダンスが、本来想定していたインピーダンスと一致しなくなる。

しかし、図８の高周波増幅器では、図１のインピーダンス整合回路２０が出力回路１４と出力回路１５の間に接続されており（トランジスタ１３と出力端子１６の間に接続されていればよい）、インピーダンス整合回路２０は、高調波周波数ではオープンとして見える回路である。
このため、出力回路１４のオープンスタブ１４ｂの電気長がλ／８の長さと完全に一致しておらず、出力回路１４が高調波を完全に反射させることができなくても、インピーダンス整合回路２０が高調波を反射させることができる。つまり、高調波が高周波増幅器から漏れないようにすることができる。
したがって、出力回路１４は、高調波周波数におけるインピーダンスの攪乱を受けずに所望のインピーダンスをトランジスタ１３に見せることができる。

図８の高周波増幅器では、図１のインピーダンス整合回路２０が出力回路１４と出力回路１５の間に接続されている例を示したが、図１０に示すように、入力回路１２と入力回路１７の間に接続されていてもよく（入力端子１１とトランジスタ１３の間に接続されていればよい）、インピーダンス整合回路２０が高調波を反射させることができる。
入力回路１７は、図９の出力回路１４と同様に、高周波信号に含まれている高調波を反射させる目的で、伝送線路に対して、高周波信号における基本波でλ／８の長さの電気長を有するオープンスタブが接続されている。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、一端がグランドと接続されているインダクタ１と、コンデンサ３とインダクタ２が直列に接続されている回路であって、一端がインダクタ１の他端と接続され、他端が外部接続端子７と接続されている直列回路９と、コンデンサ５とインダクタ４が直列に接続されている回路であって、一端がインダクタ１の他端と接続され、他端が外部接続端子８と接続されている直列回路１０と、一端が外部接続端子７と接続され、他端が外部接続端子８と接続されているインダクタ６とを備えるように構成したので、回路規模の大型化を招くことなく、不要な高調波の通過を阻止することができる効果を奏する。また、本構成では、キャパシタの寄生成分として生じるインダクタンスはＬ２，Ｌ３に吸収させることができるので、周波数が高くなっても、寄生成分により特性が劣化せず、高調波を抑圧することができる。

実施の形態２．
図１１はこの発明の実施の形態２によるインピーダンス整合回路を示す構成図であり、図１１において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
インダクタ２１は直列回路９とインダクタ６の接続点と、外部接続端子７との間に接続されている第５のインダクタである。
図１２は図１１のインピーダンス整合回路における基本周波数での等価回路であり、図１３は図１１のインピーダンス整合回路における高調波周波数での等価回路である。

図１２における符号３’，５’はインダクタ１，２，４及びコンデンサ３，５から計算される等価キャパシタンスである。
図１３における符号２’，４’はインダクタ１，２，４から計算される等価インダクタンスである。
図１１のインピーダンス整合回路は、図１２より明らかなように、基本波周波数においては、ＬＣで構成される２段の低域通過型フィルタとみなすことができる。
また、図１３より明らかなように、高調波周波数においては、ＬＣ並列共振器が直列に装荷されている帯域反射型フィルタとみなすことができる。
図１３が示す高調波周波数での等価回路は、図３が示す高調波周波数での等価回路と同等の回路である。このため、上記実施の形態１のインピーダンス整合回路と同等の反射性能を期待することができる。

図１２が示す基本周波数での等価回路では、２段の低域通過型フィルタとなっているのに対して、図２が示す基本周波数での等価回路では、１段の低域通過型フィルタとなっている点で相違している。この相違点は、低域通過型フィルタの比帯域幅の差異に相当する。
図１４は１段と２段の低域通過型フィルタにおいて、ＲＬがそれぞれ１０ｄＢ，２０ｄＢ，３０ｄＢである場合の比帯域幅の計算結果を示す説明図である。
図１４から明らかなように、低域通過型フィルタの段数を増やすことで、比帯域幅が拡大することが分かる。
したがって、この実施の形態２のインピーダンス整合回路は、上記実施の形態１のインピーダンス整合回路と比較して、基本波での比帯域幅が広帯域である。

ここで、図１５はこの発明の実施の形態２によるインピーダンス整合回路が適用される高周波増幅器を示す構成図である。
図１５において、インピーダンス整合回路３０は図１１のインピーダンス整合回路であり、基本周波数に対してインピーダンス変成機能を有し、高調波周波数に対して反射機能を有する。
図１５の高周波増幅器におけるインピーダンス整合回路３０は、高調波では図１３と等価の回路になり、基本波ではＴ型の２段通過型フィルタとなる。
このように、インピーダンス整合回路３０が高周波増幅器に適用された場合、インピーダンス整合回路３０は上記実施の形態１のインピーダンス整合回路２０と同等の反射性能を有しているので、高調波を反射させることができる。つまり、高調波が高周波増幅器から漏れないようにすることができる。

また、図１６はこの発明の実施の形態２によるインピーダンス整合回路が適用される他の高周波増幅器を示す構成図である。
図１６の高周波増幅器におけるインピーダンス整合回路３０は、高調波では図１３と等価の回路になり、基本波ではＴ型の２段通過型フィルタとなる。
このように、インピーダンス整合回路３０が高周波増幅器に適用された場合、インピーダンス整合回路３０は上記実施の形態１のインピーダンス整合回路２０と同等の反射性能を有しているので、高調波を反射させることができる。つまり、高調波が高周波増幅器から漏れないようにすることができる。

この実施の形態２では、インダクタ２１が、直列回路９とインダクタ６の接続点と、外部接続端子７との間に接続されているインピーダンス整合回路を示したが、図１７に示すように、第６のインダクタであるインダクタ２２が、直列回路１０とインダクタ６の接続点と、外部接続端子８との間に接続されていてもよく、図１１のインピーダンス整合回路３０と同等の反射性能を有することができる。
また、図１８に示すように、インダクタ２１とインダクタ２２の双方が接続されていてもよく、図１１のインピーダンス整合回路３０と同等の反射性能を有することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ インダクタ（第１のインダクタ）、２ インダクタ（第２のインダクタ）、３ コンデンサ（第１のコンデンサ）、４ インダクタ（第３のインダクタ）、５ コンデンサ（第２のコンデンサ）、６ インダクタ（第４のインダクタ）、７ 外部接続端子（第１の外部接続端子）、８ 外部接続端子（第２の外部接続端子）、９ 直列回路（第１の直列回路）、１０ 直列回路（第２の直列回路）、１１ 入力端子、１２，１７ 入力回路、１３ トランジスタ、１４ 出力回路、１４ａ 伝送線路、１４ｂ オープンスタブ、１５ 出力回路、１６ 出力端子、２０ インピーダンス整合回路、２１ インダクタ（第５のインダクタ）、２２ インダクタ（第６のインダクタ）、２’，４’ 等価インダクタンス、３’，５’ 等価キャパシタンス、１０１，１０２ 外部接続端子、１０３〜１０５ インダクタ、１０６，１０７ コンデンサ。

Claims (5)

1. 一端がグランドと接続されている第１のインダクタと、
   第１のコンデンサと第２のインダクタが直列に接続されている回路であって、一端が前記第１のインダクタの他端と接続され、他端が第１の外部接続端子と接続されている第１の直列回路と、
   第２のコンデンサと第３のインダクタが直列に接続されている回路であって、一端が前記第１のインダクタの他端と接続され、他端が第２の外部接続端子と接続されている第２の直列回路と、
   一端が前記第１の外部接続端子と接続され、他端が前記第２の外部接続端子と接続されている第４のインダクタと
   を備えたインピーダンス整合回路。
2. 前記第１の直列回路と前記第４のインダクタの接続点と、前記第１の外部接続端子との間に第５のインダクタが接続されていることを特徴とする請求項１記載のインピーダンス整合回路。
3. 前記第２の直列回路と前記第４のインダクタの接続点と、前記第２の外部接続端子との間に第６のインダクタが接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のインピーダンス整合回路。
4. 高調波を含む信号を増幅するトランジスタと、
   前記トランジスタにより増幅された信号を出力する出力端子と、
   前記トランジスタと前記出力端子の間に接続された請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のインピーダンス整合回路と
   を備えた高周波増幅器。
5. 高調波を含む信号を入力する入力端子と、
   前記入力端子から入力された信号を増幅するトランジスタと、
   前記入力端子と前記トランジスタの間に接続された請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のインピーダンス整合回路と
   を備えた高周波増幅器。

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