JP2016111400A

JP2016111400A - 高周波電力増幅装置及び無線通信装置

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Publication number: JP2016111400A
Application number: JP2014244245A
Authority: JP
Inventors: 典久小谷; Norihisa Kotani; 毅杉浦; Takeshi Sugiura
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】増幅器の利得の仕様を満たしつつ、高周波電力増幅器の全体としての安定性を高めることが可能な高周波電力増幅装置を提供する。【解決手段】トランジスタを用いた増幅器を複数個直列に接続した高周波電力増幅装置１００であって、高周波電力増幅装置で増幅される送信信号の入力端子１０１に最も近い第１所定位置Ａ、初段の増幅器に用いられるトランジスタＴｒ１のエミッタ端子側の第２所定位置Ｂ、初段の増幅器と２段目の増幅器との間に設けられる整合回路における第３所定位置Ｃ、および２段目の増幅器に用いられるトランジスタＴｒ２のエミッタ端子側の第４所定位置Ｄのシリコン貫通電極ＴＳＶのトップ面を集積回路のメタル１１０で接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、高周波電力増幅装置及び無線通信装置に関する。

携帯電話やスマートフォン（Ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅ）、タブレット（Ｔａｂｌｅｔ）端末等に代表される携帯型の通信装置は、通信装置間で無線通信を実行する際に、中継装置となる基地局との間で定常的に通信を実行する。通常、通信装置は、基地局との距離に応じて高周波信号の送信電力及び受信感度を調整しながら通信を行う。

そして、携帯型の通信装置の飛躍的な普及に伴って、マイクロ波（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）帯の高周波電力増幅器への需要が高まっている。このような高周波電力増幅器への需要の高まりに伴って、高周波電力増幅器に対する低電圧動作化、高効率化、小型・軽量化の要望が一段と強くなっている。低電圧動作化、高効率化、小型・軽量化の実現を目的とした技術としては、例えば特許文献１〜３がある。

特開平０８−０３７４３３号公報特開２００７−３０６５４３号公報特開２０００−２０９０３８号公報

高周波電力増幅器には、一般的に複数の増幅器を直列に接続したものが用いられ、増幅器のバイポーラトランジスタには、例えばＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）ベースのプロセスで製造されたＳｉＧｅＨＢＴ（ＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）などが用いられる。

しかし、増幅器の利得の仕様を満たすために増幅器の利得を大きくすると、高周波電力増幅器の全体としての安定性が低下するという問題があり、増幅器の利得の仕様を満たしつつ、高周波電力増幅器の全体としての安定性を高めることが求められる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、増幅器の利得の仕様を満たしつつ、高周波電力増幅器の全体としての安定性を高めることが可能な、新規かつ改良された高周波電力増幅装置及び無線通信装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、トランジスタを用いた増幅器を複数個直列に接続した高周波電力増幅装置であって、前記高周波電力増幅装置で増幅される送信信号の入力端子に最も近い第１所定位置、初段の前記増幅器に用いられるトランジスタのエミッタ端子側の第２所定位置、初段の前記増幅器と２段目の前記増幅器との間に設けられる整合回路における第３所定位置、および２段目の前記増幅器に用いられるトランジスタのエミッタ端子側の第４所定位置のシリコン貫通電極のトップ面を集積回路のメタルで接続したことを特徴とする、高周波電力増幅装置が提供される。

トランジスタを用いた増幅器を複数個直列に接続した高周波電力増幅装置は、上記第１所定位置から第４所定位置の間の、シリコン貫通電極のトップ面を集積回路のメタルで接続することで、増幅器の利得の仕様を満たしつつ、高周波電力増幅器の全体としての安定性を高めることができる。

前記トランジスタは、シリコンゲルマニウムベースのプロセスで製造されたヘテロ接合バイポーラトランジスタであってもよい。

前記送信信号の周波数は４．９ＧＨｚ〜５．９ＧＨｚの範囲にあってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記高周波電力増幅装置を備えることを特徴とする、無線通信装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、増幅器の利得の仕様を満たしつつ、高周波電力増幅器の全体としての安定性を高めることが可能な、新規かつ改良された高周波電力増幅装置及び無線通信装置を提供することができる。

高周波電力増幅器１００の回路構成例を示す説明図である。高周波電力増幅器１００の特性例をグラフで示す説明図である。高周波電力増幅器１００の特性例をグラフで示す説明図である。高周波電力増幅器１００の特性例をグラフで示す説明図である。高周波電力増幅器１００の特性例をグラフで示す説明図である。高周波電力増幅器１００の特性例をグラフで示す説明図である。高周波電力増幅器１００の特性例をグラフで示す説明図である。本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える無線通信装置１０００の構成例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．背景＞
本発明の実施の形態について詳細に説明する前に、まず本発明の実施の形態の背景について説明する。

上述したように、携帯電話やスマートフォン、タブレット端末等に代表される携帯型の通信装置は、通信装置間で無線通信を実行する際に、中継装置となる基地局との間で定常的に通信を実行する。通常、通信装置は、基地局との距離に応じて高周波信号の送信電力及び受信感度を調整しながら通信を行う。

そして、携帯型の通信装置の飛躍的な普及に伴って、マイクロ波帯の高周波電力増幅器への需要が高まっている。このような高周波電力増幅器への需要の高まりに伴って、高周波電力増幅器に対する低電圧動作化、高効率化、小型・軽量化の要望が一段と強くなっている。

高周波電力増幅器には、一般的に複数の増幅器を直列に接続したものが用いられ、増幅器のバイポーラトランジスタには、例えばＳｉＧｅベースのプロセスで製造されたＳｉＧｅＨＢＴなどが用いられる。高周波電力増幅器には、所定の仕様が要求されるが、その高周波電力増幅器の利得の仕様を満たすために増幅器の利得を大きくすると、高周波電力増幅器の全体としての安定性が低下するという問題がある。

高周波電力増幅器の全体としての安定性が低下するという問題を解消するために、例えば、直列に接続される増幅器の間に抵抗を挿入するという方法がある。直列に接続される増幅器の間に抵抗を挿入することで安定性は向上するが、一方で高周波電力増幅器の全体としての利得が低下してしまう。

そのため、高周波電力増幅器に要求される利得の仕様を満たしつつ、高周波電力増幅器の全体としての安定性を高めることが求められる。

そこで本件発明者は、高周波電力増幅器に要求される利得の仕様を満たしつつ、高周波電力増幅器の全体としての安定性を高めることが可能な技術について鋭意検討を行った。その結果、本件発明者は、利得の仕様を満たしつつ、全体としての安定性を高めることが可能な高周波電力増幅器を考案するに至った。

以上、本発明の実施の形態の背景について説明した。続いて、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜２．本発明の実施の形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００の回路構成例を示す説明図である。

また図１に示した高周波電力増幅器１００は、例えば５ＧＨｚ帯の信号を増幅するための増幅器である。図１に示した高周波電力増幅器１００は、直列に接続された３つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３を用いて、送信信号入力端子１０１から入力された高周波信号、例えば５ＧＨｚ帯の信号を増幅して、送信信号出力端子１０２から出力する。

図１に示した高周波電力増幅器１００は、ＴＳＶ（ＴｈｒｏｕｇｈＳｉｌｉｃｏｎＶｉａ，シリコン貫通電極）プロセス技術を用いて形成した貫通電極を有する集積回路として形成されている。

トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３には、例えば、いずれもバイポーラトランジスタが用いられる。トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３に用いられるバイポーラトランジスタには、例えばＳｉＧｅベースのプロセスで製造されたＳｉＧｅＨＢＴなどがある。

トランジスタＴｒ１にはベース電圧Ｖｂ１が、トランジスタＴｒ２にはベース電圧Ｖｂ２が、トランジスタＴｒ３にはベース電圧Ｖｂ３が、それぞれ印加されるよう構成されている、またＶｃｃ１はトランジスタＴｒ１のプラス電源、Ｖｃｃ２はトランジスタＴｒ２のプラス電源、Ｖｃｃ３はトランジスタＴｒ３のプラス電源である。

本実施形態では、図１におけるＡ点とＤ点との間で、シリコン貫通電極（ＴＳＶ）のトップ面を集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ，ＩＣ）のメタル１１０で接続する。すなわち、送信信号入力端子１０１に最も近いＡ点、トランジスタＴｒ１のエミッタ端子側のＢ点、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２の間に設けられる整合回路に含まれるインダクタの低電位側のＣ点、およびトランジスタＴｒ２のエミッタ端子側のＤ点を、集積回路のメタル１１０で接続する。

なお、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２の間に設けられる整合回路は、図１では２つのキャパシタおよび１つのインダクタで構成されているが、各素子の特性については高周波電力増幅器１００の仕様によって定められるものであり、特定の特性に限定されるものではなく、また整合回路の構成も図１に示したものに限定されるものではない。

Ａ点は、本発明の第１所定位置の一例であり、Ｂ点は、本発明の第２所定位置の一例であり、Ｃ点は、本発明の第３所定位置の一例であり、Ｄ点は、本発明の第４所定位置の一例である。

本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００は、このように、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面を集積回路のメタル１１０で接続することで、高周波電力増幅器に要求される利得の仕様を満たしつつ、高周波電力増幅器の全体としての安定性を高めることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００が、図１のように、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面を集積回路のメタル１１０で接続されていることによる効果について説明する。

図２〜図４は、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面が集積回路のメタル１１０で接続されていない場合の高周波電力増幅器１００の特性例をグラフで示す説明図である。

図２に示したグラフは、送信信号入力端子１０１から送信信号出力端子１０２へのゲイン特性および送信信号出力端子１０２から送信信号入力端子１０１へのゲイン特性を示したものである。図２に示したグラフの横軸は周波数、縦軸はゲインを示している。図２に示したグラフの実線は、送信信号入力端子１０１から送信信号出力端子１０２へのゲイン特性である。図２に示したグラフの破線は、送信信号出力端子１０２から送信信号入力端子１０１へのゲイン特性である。

図２に示したグラフによれば、送信信号入力端子１０１から送信信号出力端子１０２へのゲインは、周波数が４．９ＧＨｚでは約２２．５ｄＢ、周波数が５．４ＧＨｚでは約２８．５ｄＢ、周波数が５．９ＧＨｚでは約２９．６ｄＢである。

しかし図２に示したグラフによれば、周波数が約３．５ＧＨｚの付近で、送信信号入力端子１０１から送信信号出力端子１０２へのゲイン特性及び送信信号出力端子１０２から送信信号入力端子１０１へのゲイン特性で山になっている部分が存在している。

図２に示したグラフの特性は、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面が集積回路のメタル１１０で接続されていない場合に、周波数が約３．５ＧＨｚの付近で高周波電力増幅器１００の動作が安定していないことを意味している。

図３に示したグラフは、送信信号入力端子１０１から見た入力のリターンロス特性および送信信号出力端子１０２から見た出力のリターンロス特性を示したものである。図３に示したグラフの横軸は周波数、縦軸はゲインを示している。

図３に示したグラフの実線は、送信信号入力端子１０１から見た入力のリターンロス特性である。図３に示したグラフの破線は、送信信号出力端子１０２から見た出力のリターンロス特性である。

図３に示した入力のリターンロス特性では、周波数が約３．５ＧＨｚの付近で０ｄＢより大きくなっていることが分かる。一般的にリターンロスは０ｄＢ以下となっていることが望ましい。すなわち入力したもの以上の出力が返ってこないことが理想である。

しかし、図３に示した入力のリターンロス特性では、周波数が約３．５ＧＨｚの付近で０ｄＢより大きくなっており、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面が集積回路のメタル１１０で接続されていないと、高周波電力増幅器１００は理想的な動作をしているとは言えない。

図４に示したグラフは、安定係数（ｋ−ｆａｃｔｏｒまたはＳｔａｂｉｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ）の周波数ごとの変化を示したものである。図４に示したグラフの横軸は周波数、縦軸は安定係数を示している。なお、安定係数ｋは以下の数式１の様に求めることが出来る。

上記数式１において、Ｓ_１１は入力のリターンロス特性、Ｓ_２２は出力のリターンロス特性、Ｓ_１２は送信信号出力端子１０２から送信信号入力端子１０１へのゲイン、Ｓ_２１は送信信号入力端子１０１から送信信号出力端子１０２へのゲインを、それぞれ示している。

安定係数は１以上であれば、その回路が安定していることを示している。しかし図４で示したグラフでは、周波数によっては安定係数が１より小さくなっていることが分かる。すなわち、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面が集積回路のメタル１１０で接続されていないと、高周波電力増幅器１００は安定せず、ある周波数において発振の可能性がある。

図５〜図７は、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面が集積回路のメタル１１０で接続されている場合の高周波電力増幅器１００の特性例をグラフで示す説明図である。

図５に示したグラフは、送信信号入力端子１０１から送信信号出力端子１０２へのゲイン特性および送信信号出力端子１０２から送信信号入力端子１０１へのゲイン特性を示したものである。

図５に示したグラフの横軸は周波数、縦軸はゲインを示している。図５に示したグラフの実線は、送信信号入力端子１０１から送信信号出力端子１０２へのゲイン特性である。図５に示したグラフの破線は、送信信号出力端子１０２から送信信号入力端子１０１へのゲイン特性である。

図５に示したグラフによれば、送信信号入力端子１０１から送信信号出力端子１０２へのゲインは、周波数が４．９ＧＨｚでは約２８．３ｄＢ、周波数が５．４ＧＨｚでは約２９．８ｄＢ、周波数が５．９ＧＨｚでは約２８．３ｄＢである。

図５に示したグラフには、図２に示したグラフのような、周波数が約３．５ＧＨｚの付近で、送信信号入力端子１０１から送信信号出力端子１０２へのゲイン特性及び送信信号出力端子１０２から送信信号入力端子１０１へのゲイン特性で山になっている部分は認められない。

図５に示したグラフの特性は、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面が集積回路のメタル１１０で接続されている場合に、周波数が約３．５ＧＨｚの付近で高周波電力増幅器１００の動作が安定していることを意味している。

図６に示したグラフは、送信信号入力端子１０１から見た入力のリターンロス特性および送信信号出力端子１０２から見た出力のリターンロス特性を示したものである。図６に示したグラフの横軸は周波数、縦軸はゲインを示している。図６に示したグラフの実線は、送信信号入力端子１０１から見た入力のリターンロス特性である。図６に示したグラフの破線は、送信信号出力端子１０２から見た出力のリターンロス特性である。

図６に示した入力のリターンロス特性では、図３に示したグラフで見られたような、周波数が約３．５ＧＨｚの付近で０ｄＢより大きくなっている部分は認められない。すなわち、図６に示した入力のリターンロス特性では、いずれの周波数においても０ｄＢより小さくなっており、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面が集積回路のメタル１１０で接続されていると、高周波電力増幅器１００は理想的な動作をしているとは言える。

図７に示したグラフは、安定係数（ｋ−ｆａｃｔｏｒまたはＳｔａｂｉｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ）の周波数ごとの変化を示したものである。図７に示したグラフの横軸は周波数、縦軸は安定係数を示している。

安定係数は１以上であれば、その回路が安定していることを示している。図７で示したグラフでは、全ての周波数において安定係数が１より大きくなっていることが分かる。すなわち、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面が集積回路のメタル１１０で接続されていると、高周波電力増幅器１００は安定して動作する。

以上から、図１におけるＡ点とＤ点との間で、ＴＳＶのトップ面が集積回路のメタル１１０で接続されている高周波電力増幅器１００は、利得を落とさずに、かつ安定係数がすべての周波数で１を上回って安定して動作する。

続いて、本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える無線通信装置の構成例について説明する。図８は、本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える無線通信装置１０００の構成例を示す説明図である。

図８に示した無線通信装置１０００は、シンセサイザ１０１０と、変調回路１０２０と、高周波増幅器１０３０、１０７０と、フィルタ１０４０、１０８０と、アイソレータ１０５０と、送信受信切り替えスイッチ１０６０と、復調回路１０９０と、アンテナ１１００と、を含んで構成される。

シンセサイザ１０１０は、変調回路１０２０での送信信号の変調や、復調回路１０９０での受信信号の復調に用いられる信号を出力する。変調回路は、供給される送信信号を所定の送信周波数の送信信号に変換する。高周波増幅器１０３０は、変調回路１０２０の出力信号を増幅する。フィルタ１０４０は、例えばバンドパスフィルタで構成され、高周波増幅器１０３０で増幅された高周波信号から、送信波帯域の信号を抽出する。アイソレータ１０５０は、フィルタ１０４０の出力信号を送信受信切り替えスイッチ１０６０へ一方向で供給する。

送信受信切り替えスイッチ１０６０は、アイソレータ１０５０の出力端子に接続される端子、高周波増幅器１０７０の入力端子に接続される端子、アンテナ１１００に接続される端子の３端子を有する。

高周波増幅器１０７０は、アンテナ１１００で受信され、送信受信切り替えスイッチ１０６０から出力される信号を増幅する。フィルタ１０８０は、例えばバンドパスフィルタで構成され、高周波増幅器１０７０の出力信号から送信波帯域の信号を抽出する。復調回路１０９０は、フィルタ１０８０で抽出された信号と、シンセサイザ１０１０から供給される局部発振信号と、を混合することで信号を復調する。

本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える無線通信装置は係る例に限定されるものではない。マイクロ波帯の信号を増幅する高周波電力増幅器が用いられるものであれば図８に示したもの以外にも適用が可能である。本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００を備える無線通信装置は、低電圧動作化、高効率化、小型・軽量化を図ることが可能となる。

＜３．まとめ＞
以上説明したように本発明の一実施形態によれば、所定の位置のＴＳＶのトップ面を、集積回路のメタルで接続した高周波電力増幅器１００が提供される。上記実施形態では、所定の位置は、送信信号入力端子１０１に最も近い点、初段のトランジスタのエミッタ端子側の点、初段のトランジスタと２段目のトランジスタとの間に設けられる整合回路におけるインダクタの低電位側の点、および２段目のトランジスタのエミッタ端子側の点である。

本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００は、このように所定の位置のＴＳＶのトップ面を、集積回路のメタルで接続することで、利得を落とさずに、かつ安定係数が、送信信号のターゲットとなるすべての周波数帯で１を上回って安定して動作することを可能とする。

本発明の一実施形態に係る高周波電力増幅器１００は、ＷＬＡＮ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＬＡＮ）用のパワーアンプ（ＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）や、携帯電話用のパワーアンプに用いることが可能である。すなわち、対象となる送信信号の周波数帯によらず、所定の位置のＴＳＶのトップ面を、集積回路のメタルで接続することで、利得を落とさずに、かつ安定係数が、送信信号のターゲット（Ｔａｒｇｅｔ）となるすべての周波数帯で１を上回って安定して動作することを可能にする。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１００：高周波電力増幅器
１０１：送信信号入力端子
１０２：送信信号出力端子
１１０：メタル
１０００：無線通信装置
１０１０：シンセサイザ
１０２０：変調回路
１０３０：高周波増幅器
１０４０：フィルタ
１０５０：アイソレータ
１０６０：送信受信切り替えスイッチ
１０７０：高周波増幅器
１０８０：フィルタ
１０９０：復調回路
１１００：アンテナ

Claims

トランジスタを用いた増幅器を複数個直列に接続した高周波電力増幅装置であって、
前記高周波電力増幅装置で増幅される送信信号の入力端子に最も近い第１所定位置、初段の前記増幅器に用いられるトランジスタのエミッタ端子側の第２所定位置、初段の前記増幅器と２段目の前記増幅器との間に設けられる整合回路における第３所定位置、および２段目の前記増幅器に用いられるトランジスタのエミッタ端子側の第４所定位置のシリコン貫通電極のトップ面を集積回路の金属で接続したことを特徴とする、高周波電力増幅装置。
前記トランジスタは、シリコンゲルマニウムベースのプロセスで製造されたヘテロ接合バイポーラトランジスタであることを特徴とする、請求項１に記載の高周波電力増幅装置。
前記送信信号の周波数は４．９ＧＨｚ〜５．９ＧＨｚの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の高周波電力増幅装置。
請求項１に記載の高周波電力増幅装置を備えることを特徴とする、無線通信装置。