JP2015149626A

JP2015149626A - 高周波半導体増幅器

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Publication number: JP2015149626A
Application number: JP2014021727A
Authority: JP
Inventors: 一考高木; Kazutaka Takagi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-08-20

Abstract

【課題】高い電力付加効率を実現可能な高周波半導体増幅器を提供する。【解決手段】高周波半導体増幅器は、半導体増幅素子と、入力回路と、出力回路と、を有する。出力回路は、第１の伝送線路と、第２の伝送線路と、伝送線路を含むショートスタブと、ボンディングワイヤと、を有する。第１の伝送線路は、第２の伝送線路と出力端子との間に設けられる。ショートスタブは、半導体増幅素子の出力電極に接続される。第１の伝送線路は、第１の特性インピーダンスと、中心周波数において９０度である第１の電気長と、を有する。第２の伝送線路は、第１の特性インピーダンスよりも低い第２の特性インピーダンスと、中心周波数において９０度である第２の電気長と、を有する。ショートスタブは、中心周波数の２倍波に対して１８０度となる電気長を有する。出力回路は、半導体増幅素子の容量性出力インピーダンスと外部負荷とを整合する。【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。

１ＧＨｚ以上の高周波において、無線通信機器、移動通信基地局、レーダー装置などに用いる高周波半導体増幅器には、高い電力付加効率が求められる。

基本波に対してインピーダンス整合し、かつ高調波を抑制する回路を設けると、高い電力付加効率を得ることができる。

たとえば、基本波インピーダンスを変化させず、２倍波インピーダンスを所望のインピーダンスに変換する高調波インピーダンス調整線路を設ける方法がある。この方法では、２倍波インピーダンスを開放インピーダンスに近づけることができる。しかし、２倍波インピーダンスをゼロ近傍にすることは困難である。また、３倍波を制御し、Ｆ級動作を実現することは困難である。

さらに、高調波調整線路を１つ多く設けるために回路サイズが大きくなる問題がある。

特開２００９−２０７０６０号公報特開平６−２０４７６４号公報

高い電力付加効率を実現可能な高周波半導体増幅器を提供する。

実施形態の高周波半導体増幅器は、半導体増幅素子と、入力回路と、出力回路と、を有する。前記半導体増幅素子は、入力電極と、出力電極と、を有し、前記周波数帯域において容量性出力インピーダンスを有する。前記入力回路は、前記入力電極に接続される。前記出力回路は、第１の伝送線路と、第２の伝送線路と、伝送線路を含むショートスタブと、ボンディングワイヤと、を有する。前記ボンディングワイヤの一方の端部は、前記半導体増幅素子の前記出力電極と接続され前記ボンディングワイヤの他方の端部は前記第２の伝送線路に一方の端部に接続される。前記第１の伝送線路は、前記第２の伝送線路と前記出力端子との間に設けられる。前記ショートスタブは、前記半導体増幅素子の前記出力電極に十分短いボンディングワイヤで接続される。前記第１の伝送線路は、第１の特性インピーダンスと前記周波数帯域の中心周波数において９０度である第１の電気長とを有する。前記第２の伝送線路は、前記第１の特性インピーダンスよりも低い第２の特性インピーダンスと前記周波数帯域の前記中心周波数において９０度である第２の電気長とを有する。前記ショートスタブは、前記周波数帯域の中心周波数の２倍波に対して１８０度となる電気長を有する。前記出力回路は、前記周波数帯域において前記半導体増幅素子の前記容量性出力インピーダンスと前記外部負荷のインピーダンスとを整合する。

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等価回路図、図１（ｂ）はその出力回路の平面構成を表す模式図、である。高周波半導体増幅器の電力付加効率を説明するグラフ図である。第１基準面から負荷側をみたインピーダンス図である。第２基準面から負荷側をみたインピーダンス図である。ショートスタブが接続されていない状態で、第３基準面から負荷側をみたインピーダンス図である。ショートスタブが接続された状態で、負荷側をみたインピーダンス図である。比較例にかかる出力回路の平面構成を表す模式図である。比較例において第３基準面から負荷側をみたインピーダンス図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施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平面的構成を示す模式図、図１（ｂ）は等価回路図、である。
図１（ａ）に表すように、高周波半導体増幅器は、入力端子１０、入力回路１２、半導体増幅素子１４、出力回路３０、出力端子２２、を有しており、たとえばパッケージに収納されている。なお、半導体増幅素子１４に電圧を供給する直流回路は省略してある。

入力回路１２は、基本波において、半導体増幅素子１４の入力インピーダンスに対する整合回路とする。

半導体増幅素子１４は、ＧａＡｓＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 、ＧａＡｓＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor)、ＧａＮＨＥＭＴなどとすることができる。たとえば、ＧａＮなどのワイドバンドギャップ材料からなるＨＥＭＴとすると、耐圧を高くでき、マイクロ波からミリ波の波長範囲で高出力を得ることができる。

第１の実施形態では、出力回路３０は、第１の伝送線路２０と、第２の伝送線路１８と、伝送線路を含むショートスタブ１６と、ボンディングワイヤ１５と、を有する。ボンディングワイヤ１５の一方の端部１５ａは半導体増幅素子１４の出力電極と接続され他方の端部１５ｂは第２の伝送線路１８に接続される。

第１の伝送線路２０は第１の特性インピーダンスＺ１と周波数帯域の中心周波数ｆｃにおいて９０度の第１の電気長Ｌ１とを有する。第１の伝送線路２０は第２の伝送線路１８と出力端子２２との間に設けられる。

第２の伝送線路１８は第１の特性インピーダンスＺ１よりも低い第２の特性インピーダンスＺ２と周波数帯域の中心周波数ｆｃにおいて９０度の第２の電気長Ｌ２とを有する。

また、伝送線路を含むショートスタブ１６は、半導体増幅素子１４の出力電極に接続され、周波数帯域の中心周波数ｆｃの２倍波に対して１８０度となる電気長Ｌ３を有する。図１（ａ）に表すように、ショートスタブ１６の線路幅を狭くして（特性インピーダンスが高くなる）半導体増幅素子１４と第２の伝送線路１８の一方の端部との間に設け、ショートスタブ１５の一方の端部と半導体増幅素子１４の出力電極とをボンディングワイヤ１９などで接続する。ボンディングワイヤ１９は、インダクタンスが小さい、つまり短いほど好ましく、そのインダクタンスと２倍波近傍で共振するように、ショートスタブの伝送線路の電気長Ｌ３を１８０度（基本波で）よりも短くして、容量性とすることで補償される。

なお、本明細書において、伝送線路の電気長が９０度であるとは、８１度以上、９９度以下の電気長を意味するものとする。また、本明細書において、ショートスタブの電気長が１８０度であるとは、１６２度以上、１９８度以下の電気長を意味するものとする。

図１（ａ）に表すように、出力回路３０の出力端子２２には外部負荷Ｚ_Ｌが接続される。なお、外部負荷Ｚ_Ｌは、たとえば、５０Ωとすることができる。半導体増幅素子１４がＨＥＭＴやＭＥＳＦＥＴである場合、その出力電極はドレイン電極となる。出力回路３０は、半導体増幅素子１４の容量性出力インピーダンスＺoutと外部負荷Ｚ_Ｌのインピーダンスとを整合する。

なお、電気長Ｌは、次式で求められる。ただし、図１において、半導体増幅素子１４の出力電極からワイヤでボンディングされる位置を第２基準面Ｐ２とするので、実効的な伝送線路の長さＭは、物理的な伝送線路の長さよりも短い。

Ｌ＝３６０°×Ｍ／λeff
但しＭ：実効的な伝送線路の長さ
λeff：所定の周波数での実効波長

図２は、高周波半導体増幅器の電力付加効率を説明するグラフ図である。
周波数帯域は、たとえば、１〜２０ＧＨｚの中のいずれかの範囲とする。出力整合回路３０が、基本波に対して整合を取り、かつ２倍波に対して短絡インピーダンスに近く、かつ３倍波に対して開放インピーダンスに近くすると、周波数帯域の下限周波数ｆｌと、上限周波数ｆｈと、の間で電力付加効率が高い使用周波数帯域とできる。

第１の実施形態では、中心周波数ｆｃにおいて、第１の伝送線路２０の第１の電気長Ｌ１および第２の伝送線路１８の第２の電気長Ｌ２をそれぞれ９０度とする。また、ショートスタブ１５の電気長は、中心周波数ｆｃにおいて、１８０度とする。２倍波インピーダンスが短絡インピーダンスから遠ざかるのに応じて、半導体増幅素子１４に向かって反射できずに漏れ出る２倍波成分が増加する。また、３倍波インピーダンスが開放インピーダンスから遠ざかるのに応じて、半導体増幅素子１４に向かって反射できずに漏れ出る３倍波成分が増加する。これらのために、電力付加効率が破線のように低下する。

図３は、第１基準面から負荷側をみたインピーダンス図である。
なお、本明細書において、インピーダンスを表すスミス図は、特性インピーダンスＺ_ＣＣを０．５Ωとした正規化インピーダンスを表すものとする。すなわち、インピーダンスＺ（＝Ｒ＋ｊＸ）に対する正規化インピーダンスｚは、次式で表される。

ｚ＝Ｚ／Ｚ_ＣＣ＝（Ｒ＋ｊＸ）／Ｚ_ＣＣ＝ｒ＋ｊｘ

図３に表すように、インピーダンス図上で、Ｚ_Ｌ＝５０Ωのときの負荷インピーダンスをｚ_Ｌ、第１の伝送線路２０の特性インピーダンスをｚ１（＝Ｚ１／Ｚ_ＣＣ）、で表す。

第１の伝送線路において、負荷側をみたインピーダンスは、負荷を離れるに従って破線に沿って時計回りのインピーダンス軌跡を描く。第１の実施形態において、第１の伝送線路２０の第１の電気長Ｌ１は、周波数帯域の中心周波数ｆｃにおいて９０度とする。すなわち、周波数帯域の中心周波数ｆｃにおいて、第１基準面Ｐ１から負荷側をみた基本波インピーダンスｚ_P11＠ｆｃは、図３に表すように、実軸（ｘ＝０）近傍となるように変換する。

また、第１の伝送線路長は２倍波においては電気長が１８０度となるので、ドット線で表す２倍波インピーダンスｚ_P12は、周波数帯域ｆ_Ｌ（下限）〜ｆ_Ｈ（上限）ではＺｃ付近に戻る。さらに、鎖線で表す３倍波インピーダンスｚ_P13は、周波数帯域ｆ_Ｌ（下限）〜ｆ_Ｈ（上限）では基本波インピーダンスｚ_P11＠ｆｃの近傍となる。

図４は、第２基準面から負荷側をみたインピーダンス図である。
第２の伝送線路１８の特性インピーダンスＺ２は、第１の伝送線路２０の特性インピーダンスＺ１よりも小さいので、第２の伝送線路の正規化インピーダンスｚ２（＝Ｚ２／Ｚ_ＣＣ）は、図３のようにスミス図の中心に近づく。第１基準面Ｐ１における負荷側をみた中心周波数ｆｃにおける基本波インピーダンスｚ_Ｐ11＠ｆｃは、第２の伝送線路１８に沿って電源に向かって基本波軌跡（実線）のように変化し、９０度の第２の電気長Ｌ２を移動した基準面Ｐ２において基本波インピーダンスｚ_P21＠ｆｃとなる。すなわち、ｒ＝１、ｘ＝０の近傍とすることができる。

増幅器の負荷は、たとえば、５０Ωである。これに対して、半導体増幅素子１４の出力インピーダンスＺoutは低い。このため、第１の伝送線路２０の特性インピーダンスＺ１を負荷よりも低くし、第２の伝送線路１８の特性インピーダンスＺ２を、特性インピーダンスＺ１よりも低くすると、半導体増幅素子１４の低い出力インピーダンスＺoutに整合させるのことが容易となる。

他方、第２の伝送線路１８において、中心周波数ｆｃの２倍波インピーダンスの軌跡は細いドット線で示すようになる。このため、周波数帯域ｆｌ〜ｆｈにおいて、第２の伝送線路１８に沿って電源に向かって９０度の第２の電気長Ｌ２を移動したとき、第２基準面Ｐ２から負荷をみた２倍波のインピーダンスｚ_P22は、太いドット線で表すように開放インピーダンスの近傍に近づく。

また、第２の伝送線路１８において、中心周波数ｆｃの３倍波インピーダンスの軌跡は細い鎖線で示すようになる。このため、周波数帯域ｆｌ〜ｆｈの範囲において、第２の伝送線路１８に沿って電源に向かって９０度の第２の電気長Ｌ２を移動したとき、第２基準面Ｐ２から負荷をみた３倍波のインピーダンスｚ_P23は、太い鎖線で表すように広がり、誘導性および容量性を示す。

図５は、第３基準面から負荷側をみたインピーダンス図である。
但しショートスタブが接続されていないものとする。半導体増幅素子１４の出力電極と第２の伝送線路１８とを接続するボンディングワイヤ１５は、インダクタンスによる２πｆ×Ｌｗ／Ｚｃｃをリアクタンス成分を生じ、第２基準面Ｐ２のインピーダンスｚ_P21に加算される。たとえば、ボンディングワイヤ１５において中心周波数ｆｃにおける基本波インピーダンスｚ_P31＠ｆｃの軌跡は、実線で表すように、略ｒ＝１の円とほぼ一致し、半導体増幅素子１４の出力インピーダンスＺoutと整合することができる。

すなわち、第３基準面Ｐ３から負荷側をみた基本波インピーダンスｚ_Ｐ３１は、ｚout^＊（＊は複素共役を表す）の近傍とすることができる。半導体増幅素子14の出力インピーダンスＺoutは、半導体増幅素子１４の構造により決まるので、伝送線路の特性インピーダンスＺ１、Ｚ２および電気長Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ適正に選択することにより、基本波インピーダンスｚ_P31と出力インピーダンスＺoutとを整合することができる。

他方、ボンディングワイヤ１５において、中心周波数ｆｃの２倍波インピーダンスの軌跡はドット線で表すようになる。このとき、第３基準面Ｐ３における２倍波インピーダンスｚ_P32は、第２基準面Ｐ２における２倍波インピーダンスｚ_P22に、４πｆ×Ｌｗ／Ｚ_ＣＣなるリアクタンス分が加わったものとなるので、帯域内で開放インピーダンスの近傍に広がる。

また、ボンディングワイヤ１５において、中心周波数ｆｃの３倍波インピーダンスの軌跡は鎖線で示すようになる。このため、第３基準面Ｐ３における３倍波インピーダンスｚ_P33は、容量性から誘導性に広がった第２基準面Ｐ２における３倍波インピーダンスｚ_P23に、４πｆ×Ｌｗ／Ｚ_ＣＣなるリアクタンス分が加わったものとなるので、帯域内で開放インピーダンスの近傍にすることができる。

図６は、ショートスタブが接続されたときに負荷側をみたインピーダンス図である。
ショートスタブ１６は基本波での電気長が略９０度であり、基本波において略開放インピーダンスとなる。このため、基本波に対して整合状態を維持できる。ショートスタブ１６は３倍波での電気長は略２７０度であり、３倍波インピーダンスｚ_P33は、帯域内で開放インピーダンス近傍となる。このため３倍波に対して影響を与えない。他方、ショートスタブ１６は２倍波での電気長は略１８０度であり、このショートスタブ１６を設けることにより、２倍波インピーダンスｚ_P21を帯域内で短絡近傍にすることができる。

なお、ショートスタブ１６を構成する伝送線路は、一方の端部と半導体増幅素子１４の出力電極とをボンディングワイヤ１９で接続することができる。この場合、ボンディングワイヤ１９のインダクタンスは、小さい。つまり、短いほど好ましく、そのインダクタンスと２倍波近傍で共振するように、ショートスタブの伝送線路の電気長Ｌ３を１８０度（基本波で）よりも短くして、容量性とすることで補償される。２倍波短絡をオープンスタブで得ようとした場合、オープンスタブの２倍波での電気長が略９０度となる。そのときオープンスタブの基本波での電気長は略４５度となり基本波の整合状態に影響を与える。また３倍波での電気長は略１３５度となり、３倍波に対しても影響を与え、３倍波でのインピーダンスを開放付近とすることが難しくなる。

また、半導体増幅素子１４が、たとえば、ＨＥＭＴやＭＥＳＦＥＴである場合、ソース端子Ｓを直流的に接地し、ドレイン端子Ｄには直流電圧を供給することになる。この場合、ショートスタブ１６のいずれかの箇所に、キャパシタＣ１を設けると直流ドレイン電流を阻止できる。

第１の実施形態によれば、第３基準面Ｐ３において、負荷側をみた２倍波インピーダンスｚ_P32を短絡インピーダンス近傍にして電圧成分をゼロに近づけることができる。また、負荷側をみた３倍波インピーダンスｚ_P33を開放インピーダンス近傍にして電流成分をゼロに近づけることができる。

図７は、比較例にかかる高周波半導体増幅器の出力回路の構成図である。
高周波半導体増幅器は、入力端子（図示せず）、入力回路（図示せず）、半導体増幅素子１１４、出力回路１３０、出力端子１２２、を有している。

出力回路１３０は、第１の伝送線路１２０と、第２の伝送線路１１８と、ボンディングワイヤ１１５と、を有する。第１の伝送線路１２０は第１の特性インピーダンスＺ１と周波数帯域の上限周波数ｆｈにおいて９０度以下の第１の電気長Ｌ１とを有する。第１の伝送線路１２０は第２の伝送線路１１８と出力端子１２２との間に設けられる。第２の伝送線路１１８は第１の特性インピーダンスＺ１よりも低い第２の特性インピーダンスＺ２と周波数帯域の上限周波数ｆｈにおいて９０度以下の第２の電気長Ｌ２とを有する。

図８は、比較例において第３基準面から負荷側をみたインピーダンス図である。
比較例では、第３基準面Ｐ３において、負荷側をみた２倍波インピーダンスｚ_P32および３倍波インピーダンスｚ_P33をともに開放インピーダンス近傍にして電圧成分をゼロに近づける。すなわち、２倍波インピーダンスｚ_P32を短絡近傍にすることはできない。

これに対して、第１の実施形態では、基本波においてのみ、電流成分と電圧成分とがともに存在し、２倍波において電圧成分が存在せず、３倍波においては電流成分が存在しない。このため、出力における電流と電圧波形の重なりが小さくなる、熱に変わる消失電力が低減される。すなわち、第１の実施形態は、Ｆ級増幅器として動作可能であり、高周波において、高電力付加効率を得ることができる。

ショートスタブによる２倍波短絡の効果をより効果的に得るためには、ショートスタブの伝送線路幅は太い方が良い。一方、ショートスタブによる基本波への影響を小さくするためには、ショートスタブを接続する箇所の基本波インピーダンスよりもショートスタブの伝送線路の特性インピーダンスが高い方が良い。２つを両立させるために、適切な伝送線路幅のショートスタブをできるだけ低インピーダンスとなっている箇所、つまり半導体素子近傍に接続することが好ましい。

このような高周波半導体増幅器は、１ＧＨｚ以上の高周波において、無線通信機器、移動通信基地局、レーダー装置などに広く用いることができる。

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。

１２入力回路、１４半導体増幅素子、１５ボンディングワイヤ、１６ショートスタブ、１８第２の伝送線路、１９ボンディングワイヤ、２０第１の伝送線路、２２出力端子、３０出力回路、ｆｌ下限周波数、ｆｃ中心周波数、ｆｈ上限周波数、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３伝送線路の電気長、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３伝送線路の特性インピーダンス、Ｐ１第１基準面、Ｐ２第２基準面、Ｐ３第３基準面、Ｚ_Ｌ外部負荷、ｚ_P11 第１基準面からみた基本波インピーダンス、ｚ_P12 第１基準面からみた２倍波インピーダンス、ｚ_P13 第１基準面からみた３倍波インピーダンス、ｚ_P21 第２基準面からみた基本波インピーダンス、ｚ_P22 第２基準面からみた２倍波インピーダンス、ｚ_P23 第２基準面からみた３倍波インピーダンス、ｚ_P31 第３基準面からみた基本波インピーダンス、ｚ_P32 第３基準面からみた２倍波インピーダンス、ｚ_P33 第３基準面からみた３倍波インピーダンス

Claims

出力端子が外部負荷と接続され、所定の周波数帯域を有する高周波半導体増幅器であって、
入力電極と、出力電極と、を有し、前記周波数帯域において容量性出力インピーダンスを有する半導体増幅素子と、
前記入力電極に接続された入力回路と、
第１の伝送線路と、第２の伝送線路と、伝送線路を含むショートスタブと、ボンディングワイヤと、を有する出力回路であって、前記ボンディングワイヤの一方の端部は前記半導体増幅素子の前記出力電極と接続され前記ボンディングワイヤの他方の端部は前記第２の伝送線路に一方の端部に接続され、前記第１の伝送線路は前記第２の伝送線路と前記出力端子との間に設けられ、前記ショートスタブは前記半導体増幅素子の前記出力電極に接続された、出力回路と、
を備え、
前記第１の伝送線路は第１の特性インピーダンスと前記周波数帯域の中心周波数において９０度である第１の電気長とを有し、
前記第２の伝送線路は前記第１の特性インピーダンスよりも低い第２の特性インピーダンスと前記周波数帯域の前記中心周波数において９０度である第２の電気長とを有し、
前記ショートスタブは前記周波数帯域の中心周波数の２倍波に対して１８０度となる電気長を有し、
前記出力回路は、前記周波数帯域において前記半導体増幅素子の前記容量性出力インピーダンスと前記外部負荷のインピーダンスとを整合する高周波半導体増幅器。
前記ショートスタブの前記伝送線路の特性インピーダンスは、前記第１の特性インピーダンスよりも高い請求項１記載の高周波半導体増幅器。
前記ショートスタブの前記伝送線路の特性インピーダンスは、前記第２の特性インピーダンスよりも高い請求項１または２に記載の高周波半導体増幅器。
前記ショートスタブの一方の端部は、前記半導体増幅素子と前記第２の伝送線路との間に設けられた請求項１〜３のいずれか１つに記載の高周波半導体増幅器。