JP2016165036A - 高周波増幅器 - Google Patents

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Abstract

【課題】高周波高効率増幅器を提供する。【解決手段】高周波増幅器10は、基板100上に設けられた周波数帯域を有する信号を増幅する能動素子151と、基板上に設けられた伝送線路113、114と、一端が能動素子の出力部103、104に接続され他端が伝送線路の入力部(ワイヤパッド)107、108に接続されたワイヤ105、106と、基板上に設けられ伝送線路の出力部に接続された出力端子121とを有する出力整合回路109とを備える。周波数帯域の中心周波数における能動素子の出力インピーダンスを[Rout1−jXout1](Ω)とするとき、伝送線路の入力部から出力端子側を見た中心周波数におけるインピーダンスの実部は、0.8×Rout1(Ω)以上1.2×Rout1(Ω)以下であり、インピーダンスの虚部は、0.8×Xout1(Ω)以上1.2×Xout1(Ω)以下である。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、高周波増幅器に関する。
マイクロ波帯の周波数の信号を増幅する高周波増幅器において、高周波増幅器内の能動素子から発生する高調波を処理して、高効率化を実現する方法が提案されている。この高効率化を実現する方法としては、2倍波の周波数におけるインピーダンスを、開放付近とする方法がある。
特開2009−207060号公報
本発明の実施形態の目的は、高周波高効率増幅器を提供する。
実施形態によれば、基板上に設けられた周波数帯域を有する信号を増幅する能動素子と、前記基板上に設けられた伝送線路と、一端が前記能動素子の出力部に接続され、他端が前記伝送線路の入力部に接続されたワイヤと、前記基板上に設けられ、前記伝送線路の出力部に接続された出力端子と、を有する出力整合回路と、を備えた高周波増幅器が提供される。前記周波数帯域の中心周波数における前記能動素子の出力インピーダンスを[Rout1−jXout1](Ω)とするとき、前記伝送線路の前記入力部から前記出力端子側を見た前記中心周波数におけるインピーダンスの実部は、0.8×Rout1(Ω)以上1.2×Rout1(Ω)以下であり、前記ワイヤの前記一端から前記出力端子側を見た前記中心周波数におけるインピーダンスの虚部は、0.8×Xout1(Ω)以上1.2×Xout1(Ω)以下である。
第1の実施形態に係る高周波増幅器を例示する模式平面図である。 図1を−Y方向から見た模式側面図である。 図1に示す基板100上に実装された回路の等価回路図である。 図1に示す基準面P0及び基準面P1から出力端子側を見たインピーダンスのシミュレーション結果を例示するスミス図である。 第2の実施形態に係る高周波増幅器を例示する模式平面図である。 図5を−Y方向から見た模式側面図である。 第3の実施形態に係る高周波増幅器を例示する模式平面図である。 図7を−Y方向から見た模式側面図である。 第3の実施形態の比較例に係る高周波増幅器を例示する模式平面図である。 図9を−Y方向から見た模式側面図である。
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。
第1の実施形態について説明する。
先ず、本実施形態に係る高周波増幅器の構成について説明する。
図1は、本実施形態に係る高周波増幅器を例示する模式平面図である。
図2は、図1を−Y方向から見た模式側面図である。
以下、本明細書においては、説明の便宜上、XY直交座標系を採用する。図1において、入力端子120から出力端子121へ向かう方向を「X方向」とし、それに垂直な方向を「Y方向」とする。それに垂直な方向で、電極パッド104から電極パッド103へ向かう方向を「Y方向」とする。また、「X方向」の逆方向を「−X方向」とし、「Y方向」の逆方向を「−Y方向」とする。
また、本明細書においては、基本波は周波数帯域を有しており、周波数帯域内の中心周波数を「基本波の周波数」という。「基本波の周波数」の2倍の周波数を「2倍波の周波数」という。
また、本明細書においては、インピーダンスの単位はΩとし省略してある。
図1に示すように、本実施形態に係る高周波増幅器10は、基板100と、基板100上に設けられ、周波数帯域を有する信号を増幅する能動素子151のセル領域101と、基板100上に設けられ、周波数帯域を有する信号を増幅する能動素子151のセル領域102とから構成される。セル領域101、102は、例えば、ゲート、ドレイン及びソースを有するHEMT(High Electron Mobility Transistor)やMESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)などとする事ができる。
本実施形態に係る高周波増幅器10は、さらに、基板100上のセル領域101のフィンガーゲート127の近傍に離間して設けられ、セル領域101の出力部であるドレインと接続された電極パッド103と、基板100上のセル領域102のフィンガーゲート128の近傍に離間して設けられ、セル領域102の出力部であるドレインと接続された電極パッド104と、出力整合回路109と、セル領域101のフィンガーゲート127に接続された電極パッド125と、電極パッド125に接続されたワイヤ115と、セル領域102のフィンガーゲート128に接続された電極パッド126と、電極パッド126に接続されたワイヤ116と、入力整合回路111と、から構成される。電極パッド103、104は、Y方向に延びており、同程度の長さを有している。
なお、能動素子151に電圧を供給する直流回路は省略してある。
出力整合回路109は、能動素子151のセル領域101、102のロードプル測定などを通じて測定される出力インピーダンスを、外部負荷のインピーダンスに整合させるための回路であり、基板100上に配置されている。出力整合回路109においては、出力端子121が基板100のX方向側の端部に配置され、そこから伝送線路113、114が分岐している。なお、出力端子121には、電気長が短い伝送線路とすることができる。
伝送線路113は、入力部であるワイヤパッド107と、出力端子121との接続位置P21(図1の破線で示す)を含む出力部と、を有する。ワイヤパッド107におけるワイヤ105との接続位置(図1の基準面P0に一致)と、接続位置P21との間の電気長をEL1とする。電気長EL1の長さは、伝送される信号の基本波の周波数における波長の0.25倍程度であり、4分の1波長変成器として動作する。
伝送線路114は、入力部であるワイヤパッド108と、出力端子121との接続位置P21(図1の破線で示す)を含む出力部と、を有する。ワイヤパッド108におけるワイヤ106との接続位置(図1の基準面P0に一致)と、接続位置P21との間の電気長をEL2(≒EL1)とする。電気長EL2の長さは、伝送される信号の基本波の周波数における波長の0.25倍程度であり、4分の1波長変成器として動作する。
なお、前述の0.25倍程度とは、例えば、0.2倍以上0.3倍以下のことである。
基準面P0は、伝送線路113のワイヤパッド107とワイヤ105との接続部、および伝送線路114のワイヤパッド108とワイヤ106との接続部を含む平面である。
基準面P1は、ワイヤ105とセル領域101の電極パッド103との接続部、およびワイヤ106とセル領域102の電極パッド104との接続部を含む平面である。
出力整合回路109は、さらに、ワイヤ105及び106を有している。ワイヤ105の一端は電極パッド103に接続され、他端はワイヤパッド107に接続されている。
ワイヤ106の一端は電極パッド104に接続され、他端はワイヤパッド108に接続されている。
図2に示すように、ワイヤ105の内、電極パッド103からワイヤパッド107へ向かう中ほどの部分は、基板100から離れており、基板100には接していない。同様に、ワイヤ106の内、電極パッド104からワイヤパッド108へ向かう中ほどの部分は、基板100から離れており、基板100には接していない。
出力端子121からみて外側には、通常、外部負荷が接続される(図示せず)。外部負荷のインピーダンスは、例えば50Ωである。
入力整合回路111は、能動素子151の入力インピーダンスに整合させるための回路であり、例えば、基板100とは別の基板である基板110上に配置される。入力整合回路111においては、入力端子120が基板110の−X方向側の端部に配置され、そこから伝送線路123、124が分岐している。伝送線路123は、入力端子120のX方向側の一端部からY方向に引き出され、その先で湾曲してX方向に延び、その先でY方向に延びるワイヤパッド117の中央部に接続している。伝送線路124は、入力端子120のX方向側の一端部から−Y方向に引き出され、その先で湾曲してX方向に延び、その先でY方向に延びるワイヤパッド118の中央部に接続している。ワイヤパッド117及び118のY方向の長さは同程度である。
ワイヤ115は、ワイヤパッド117と電極パッド125を接続している。ワイヤ116は、ワイヤパッド118と電極パッド126を接続している。
図2に示すように、ワイヤ115のワイヤパッド117から電極パッド125へ向かう中ほどの部分は、基板100及び110から離れており、基板100及び110には接していない。同様に、ワイヤ116のワイヤパッド118から電極パッド126へ向かう中ほどの部分は、基板100及び110から離れており、基板100及び110には接していない。
図1に示す能動素子151のセル領域101及び102の動作条件を同じにして均一に動作させて、セル領域101の出力部からセル領域102の出力部へ回り込む信号およびセル領域102の出力部からセル領域101の出力部へ回り込む信号を無くす。この場合、図1に示す基板100上に実装された回路は、図3に示す等価回路として示すことができる。
次に、本実施形態に係る高周波増幅器の動作について説明する。
図3は、図1に示す基板100上に実装された回路の等価回路図である。
図4は、図1に示す基準面P0及び基準面P1から出力端子121側を見たインピーダンスのシミュレーション結果を例示するスミス図である。
図3に示すゲート510は、図1に示す電極パッド125、126に相当し、能動素子501は、図1に示すセル領域101、102に相当し、ドレイン503は、図1に示す電極パッド103、104に相当する。図3に示すワイヤ505は、図1に示すワイヤ105、106に相当し、出力整合回路509は、図1に示す出力整合回路109に相当し、伝送線路513(電気長:EL3)は、図1に示す伝送線路113、114に相当し、出力端子521は、図1に示す出力端子121に相当する。
また、図2に示すように、ワイヤ105は、線分の中ほどの部分が基板100から離れており、基板上にパターニングで形成したものよりも寄生成分が少なく、より理想的な集中定数素子として取り扱うことができる。
図4に示す点А0は、図3に示す基準面P0から図3に示す出力端子521(図1においては出力端子121)側を見た基本波の周波数におけるインピーダンス(R10+jX11)を示す点である。図4に示す点А1は、図3に示す基準面P1から図3に示す出力端子521側を見た基本波の周波数におけるインピーダンス(R10+jX10)を示す点である。図4に示す点B0は、図3に示す基準面P0から図3に示す出力端子521側を見た2倍波の周波数におけるインピーダンス(R20+jX21)を示す点である。図4に示す点B1は、図3に示す基準面P1から図3に示す出力端子521側を見た2倍波の周波数におけるインピーダンス(R20+jX20)を示す点である。ただし、R10及びR20はレジスタンスであり、X10、X11、X20及びX21はリアクタンスである。
なお、図4は、図3に示す能動素子501の出力インピーダンスの実部の値で正規化している。
図4に示すように、図3に示すワイヤ505(図1においては、ワイヤ105、106)が追加されると、基本波の周波数におけるインピーダンスは、点А0から点А1へ移動する。これは、集中定数素子としてのインダクタンスLを有するワイヤ505が追加されたことにより、インピーダンスが、点А0で示す(R10+jX11)からj(2×π×f×L)だけ増加して、点А1で示す(R10+jX10)へ移動したからである。ただし、fは基本波の周波数である。jX11とjX10の間には下記(式1)が成立する。
Figure 2016165036
(式1)
また、2倍波の周波数におけるインピーダンスは、点B0から点B1へ移動する。これは、集中定数素子としてのインダクタンスLを有するワイヤ505が追加されたことにより、インピーダンスが、点B0で示す(R20+jX21)からj(2×π×2×f×L)だけ増加して、点B1で示す(R20+jX20)へ移動したからである。jX21とjX20の間には下記(式2)が成立する。
Figure 2016165036
(式2)
本実施形態に係る高周波増幅器10においては、図3に示すワイヤ505のインダクタンスLの値を調整して追加することにより、点А0のインピーダンスを、点А1のインピーダンスに移動させることができる。能動素子501の基本波の周波数における出力インピーダンスをZout1=Rout1−jXout1としたとき、点А1が、インピーダンスZout1の複素共役の点C(Rout1+jXout1)付近となるように移動させる。
すなわち、図1に示すワイヤ105、106の長さを調整することにより、図3に示すワイヤ505のインダクタンスLを変化させて、点А1のインピーダンスを、能動素子101の出力インピーダンスの複素共役点C付近になるようにする。これにより、基本波の周波数においてインピーダンス整合を取ることができる。ただし、Zout1はインピーダンスであり、Rout1はレジスタンスであり、Xout1はリアクタンスである。
点А1(R10+jX10)を点C(Rout1+jXout1)付近にするには、例えば、レジスタンスR10を0.8×Rout1(Ω)以上1.2×Rout1(Ω)以下とし、リアクタンスX10を0.8×Xout1(Ω)以上1.2×Xout1(Ω)とすることが好ましい。
上記(式2)に示すように、2倍波において追加されるリアクタンスの量は、基本波において追加されるリアクタンスの量の2倍である。従って、図4に示すように、点B1のリアクタンスの値は、基本波の周波数におけるインピーダンスである点А1のリアクタンスよりも大きくなる。リアクタンスが大きくなることにより、点B1のインピーダンスを開放付近とすることができる。
その結果、高周波増幅器10を高効率で増幅させることができる。
なお、図4に示すように、基準面P0から出力端子521側を見た基本波の周波数におけるインピーダンス点А0のレジスタンスR10は、能動素子501の出力インピーダンスZout1のレジスタンスRout1と同程度となるように、伝送線路113、114により調整しておくことが好ましい。例えば、レジスタンスR10を0.8×Rout1(Ω)以上1.2×Rout1(Ω)以下とすることが好ましい。
次に、本実施形態に係る高周波増幅器の効果について説明する。
本実施形態に係る高周波増幅器10においては、図1に示すワイヤ105及び106(図3においてはワイヤ505)を使用することにより、下記に示す(а)及び(b)の効果がある。
(а)図4の点А1に示す基本波の周波数におけるインピーダンス(R10+jX10)を、能動素子501の基本波の周波数における出力インピーダンスの複素共役の点C(Rout1+jXout1)付近にして整合させる。これにより、基本波の周波数の信号が、反射損失が少なく出力端子521へ伝達される。
(b)図4の点B1に示す2倍波の周波数におけるインピーダンス(R20+jX20)を、点А1よりも大きなインピーダンスの位置に移動させて開放付近とする。これにより、2倍波の周波数の信号は、反射損失が大きくなり、出力端子521へはあまり伝達されない。
上記(а)及び(b)の結果、高周波高効率増幅器を提供することができる。
なお、本実施形態に係る高周波増幅器10においては、例えば、図1に示すワイヤ105とワイヤ106のそれぞれのの本数を3本として示しているが、これには限定されない。
次に、第2の実施形態について説明する。
図5は、本実施形態に係る高周波増幅器を例示する模式平面図である。
図6は、図5を−Y方向から見た模式側面図である。
図5及び図6に示すように、本実施形態に係る高周波増幅器20は、前述の第1の実施形態に係る高周波増幅器10と比較して、下記(а)〜(d)の点が異なっている。
(а)基板200上に、入力整合回路211、セル領域201、セル領域202、電極パッド203、電極パッド204及び出力整合回路209が配置されている。
(b)図1に示すワイヤパッド117、ワイヤパッド118、ワイヤ115及びワイヤ116、電極パッド125、電極パッド126に相当する部分が存在しない。
(c)伝送線路223が、電極パッドを介さずにセル領域201の入力部225に接続されている。
(d)伝送線路224が、電極パッドを介さずにセル領域202の入力部226に接続されている。
本実施形態においては、上記(b)に示すように、ワイヤパッド117、ワイヤパッド118、ワイヤ115、ワイヤ116、電極パッド125及び電極パッド126に相当する部分が削除されるため、高周波増幅器20の実装面積を小さくすることができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
次に、第3の実施形態について説明する。
図7は、本実施形態に係る高周波増幅器を例示する模式平面図である。
図8は、図7を−Y方向から見た模式側面図である。
図7及び図8に示すように、本実施形態に係る高周波増幅器30は、前述の第2の実施形態に係る高周波増幅器20と比較して、主に、下記(а)〜(c)の点が異なっている。
(а)高周波増幅器30の利得を向上させるため、入力整合回路312、セル領域301を有する能動素子352及び能動素子301のドレインに接続された電極パッド313が追加され、基板300上に配置されている。また、電極パッド313は、断間整合回路311の入力端子328と接続している。
(b)入力整合回路312は、セル領域301の入力インピーダンスに整合させるための回路である。入力整合回路312においては、入力端子320が基板300の−X方向側の端部に配置され、そこから伝送線路322がX方向に延び、伝送線路322のX方向側の一端部は、セル領域301のフィンガーゲート331に接続している。また、伝送線路322のX方向中央部から伝送線路329が分岐し、−Y方向に引き出され、その先で湾曲してX方向に延び、延びた後で終端している。入力端子320のY方向の長さは出力端子321のY方向の長さと同程度である。
(c)段間整合回路311は、伝送線路323の湾曲部において、外向きであり外側に行くほど幅が広がっている突起部325を有している。また、断間整合回路311は、伝送線路324の湾曲部において、外向きであり外側に行くほど幅が広がっている突起部326を有している。
本実施形態においては、能動素子351の出力に出力整合回路310を設けている。この理由は、最終段において基本波の周波数におけるインピーダンスを整合させ、2倍波の周波数におけるインピーダンスを開放付近とすることが、高周波増幅器30の効率の向上に最も効果があるからである。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第2の実施形態と同様である。
次に、第3の実施形態の比較例について説明する。
図9は、本比較例に係る高周波増幅器を例示する模式平面図である。
図10は、図9を−Y方向から見た模式側面図である。
図9及び図10に示すように、本比較例に係る高周波増幅器40は、前述の第3の実施形態に係る高周波増幅器30と比較して、出力整合回路410において、ワイヤに代わってスタブ441、442、443及び444を使用している点が異なっている。
本比較例における上記以外の構成は、前述の第3の実施形態と同様である。
図10に示すように、出力整合回路410は、分布定数素子であるスタブ441、442、443及び444を使用しているので、前述の第3の実施形態に係る高周波増幅器30と比べて複雑になる。出力整合回路410が複雑になることにより、伝送損失が大きくなり、高周波増幅器40を高効率で増幅させることが難しくなる。スタブ441、442、443及び444を使用することにより、出力整合回路410の実装面積が大きくなり、基板400のサイズが大きくなり、高周波増幅器40のコストも上昇する。
以上説明した複数の実施形態によれば、高周波高効率増幅器を提供することができる。
以上、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及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
10、20、30、40 高周波増幅器、100、110、200、300、400 基板、151、251、351、352、451、452、501 能動素子、101、102、201、202、301、302、303、401、402、403 セル領域、103、104、125、126、203、204、304、305、313 電極パッド、105、106、115、116、205、206、306、307、505 ワイヤ、505а ワイヤ一端、505b ワイヤ他端、107、108、117、118、207、208、308、309 ワイヤパッド、109、209、310、410、509 出力整合回路、111、211、312、412 入力整合回路、311、411 段間整合回路、113、114、123、124、213、214、223、224、322、323、324、329、513 伝送線路、513а 伝送線路入力部、513b 伝送線路出力部、120、220、320、328、420 入力端子、121、221、321、421、521 出力端子、127、128、227、228、331、334、335 フィンガーゲート、325 突起部、326 突起部、441 スタブ、442 スタブ、443 スタブ、444 スタブ、503 ドレイン、510 ゲート、P0、P1、P3、P4 基準面、L インダクタンス、f 周波数、А0、А1、B0、B1 インピーダンス、Zout1 出力インピーダンス、R10、R20、Rout1 レジスタンス、X11、X20、X21、Xout1 リアクタンス、P21、P22 接続位置、EL1、EL2、EL3 電気長

Claims (6)

  1. 基板上に設けられた周波数帯域を有する信号を増幅する能動素子と、
    前記基板上に設けられた伝送線路と、一端が前記能動素子の出力部に接続され、他端が前記伝送線路の入力部に接続されたワイヤと、前記基板上に設けられ、前記伝送線路の出力部に接続された出力端子と、を有する出力整合回路と、
    を備え、
    前記周波数帯域の中心周波数における前記能動素子の出力インピーダンスを[Rout1−jXout1](Ω)とするとき、
    前記伝送線路の前記入力部から前記出力端子側を見た前記中心周波数におけるインピーダンスの実部は、0.8×Rout1(Ω)以上1.2×Rout1(Ω)以下であり、
    前記ワイヤの前記一端から前記出力端子側を見た前記中心周波数におけるインピーダンスの虚部は、0.8×Xout1(Ω)以上1.2×Xout1(Ω)以下である、高周波増幅器。
  2. 前記ワイヤの前記一端から前記出力端子側を見た前記中心周波数の2倍の周波数におけるインピーダンスの虚部は、1.2×Xout1(Ω)よりも大きい請求項1記載の高周波増幅器。
  3. 前記伝送線路の電気長が前記中心周波数における波長の0.2倍以上0.3倍以下の長さである請求項1記載の高周波増幅器。
  4. 基板上に設けられた周波数帯域を有する信号を増幅する第1能動素子であって、第1セル領域と前記第1セル領域とは離間して設けられた第2セル領域とを含む第1能動素子と、
    前記基板上に設けられた第1伝送線路と、
    前記基板上に設けられた第2伝送線路と、
    一端が前記第1セル領域の出力部に接続され、他端が前記第1伝送線路の入力部に接続された第1ワイヤと、
    一端が前記第2セル領域の出力部に接続され、他端が前記第2伝送線路の入力部に接続された第2ワイヤと、
    前記基板上に設けられ、前記第1伝送線路の出力部及び前記第2伝送線路の出力部に接続された出力端子と、
    を備え、
    前記周波数帯域の中心周波数における前記第1能動素子の出力インピーダンスを[Rout1−jXout1](Ω)とするとき、
    前記第1伝送線路の前記入力部および前記第2伝送線路の前記入力部を含む基準面から前記出力端子側を見た前記中心周波数におけるインピーダンスの実部は、0.8×Rout1(Ω)以上1.2×Rout1(Ω)以下であり、
    前記第1ワイヤの前記一端および前記第2ワイヤの前記一端とを含む基準面から前記出力端子側を見た前記中心周波数におけるインピーダンスの虚部は、0.8×Xout1(Ω)以上1.2×Xout1(Ω)以下である高周波増幅器。
  5. 前記基板上に設けられ、前記第1セル領域の入力部及び前記第2セル領域の入力部に接続された入力整合回路をさらに備えた請求項4記載の高周波増幅器。
  6. 前記基板上に設けられ、前記入力整合回路の入力部に接続された第2能動素子をさらに備えた請求項5記載の高周波増幅器。
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