JP2018519758A - 高周波増幅器装置 - Google Patents

Abstract

プラズマ励起用に２ＭＨｚ以上の周波数において１ｋＷ以上の出力電力を発生させるために適した高周波増幅器装置（１）であって、ａ．２つのトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）を含み、そのソース端子もしくはエミッタ端子はそれぞれアース接続点（５）と接続されており、トランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）は同じ形態で形成されていて、多層配線板（２）に配置されており、ｂ．電力トランス（７）を含み、その１次巻線（６）はトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）のドレイン端子もしくはコレクタ端子と接続されており、ｃ．電力トランス（７）の１次巻線（６）および２次巻線（４）はそれぞれプレーナ型の導体路として構成されており、この導体路は多層配線板（２）のそれぞれ異なる上層（６１，６２）に配置されている。

Description

本発明は、プラズマ励起用に２ＭＨｚ以上の周波数において１ｋＷ以上の出力電力を発生させるために適した高周波増幅器装置に関する。この高周波増幅器装置は、
ａ．２つのトランジスタを含み、そのソース端子もしくはエミッタ端子はそれぞれアース接続点と接続されており、トランジスタは同じ形態で形成されていて、多層配線板に配置されており、
ｂ．電力トランスを含み、その１次巻線はトランジスタのドレイン端子もしくはコレクタ端子と接続されている。

プラズマの励起に適した電力を発生させるために、トランジスタ特にバイポーラトランジスタまたはＬＤＭＯＳトランジスタを使用することは公知である。プラズマ励起のために特に望ましいのは、高周波増幅器装置をＦ級増幅器動作または逆Ｆ級で駆動できるようにすることである。その際にかなりの熱が発生する可能性があり、これは特に、負荷から電力が反射し、高周波増幅器装置において熱に変換されざるを得ない場合である。たとえば以下の文献：米国特許出願公開第２００９／００２７９３６号明細書（ＵＳ２００９／００２７９３６Ａ１）、米国特許出願公開第２０１０／０１４８８６６号明細書（ＵＳ２０１０／０１４８８６６Ａ１）、米国特許第７，２２１，１０２号明細書（ＵＳ７，２２１，１０２Ｂ２）、米国特許第５，８３５，３６７号明細書（ＵＳ５，８３５，３６７Ａ）、米国特許出願公開第２００８／０２７２８７５号明細書（ＵＳ２００８／０２７２８７５Ａ１）、米国特許出願公開第２０１３／００３８２２６号明細書（ＵＳ２０１３／００３８２２６Ａ１）には、様々な増幅器装置が示されている。

米国特許出願公開第２００９／００２７９３６号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１４８８６６号明細書 米国特許第７，２２１，１０２号明細書 米国特許第５，８３５，３６７号明細書 米国特許出願公開第２００８／０２７２８７５号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００３８２２６号明細書

本発明の課題は、連続動作であってもファンを用いることなく機能する高周波増幅器装置を提供することにある。

本発明によればこの課題は、プラズマ励起用に２ＭＨｚ以上の周波数において１ｋＷ以上の出力電力を発生させるために適した、以下のような高周波増幅器装置によって解決される。すなわちこの高周波増幅器装置は、
ａ．２つのトランジスタを含み、そのソース端子もしくはエミッタ端子はそれぞれアース接続点と接続されており、これらのトランジスタは同じ形態で形成されていて、多層配線板に配置されており、
ｂ．電力トランスを含み、その１次巻線はトランジスタのドレイン端子もしくはコレクタ端子と接続されており、
ｃ．電力トランスの１次巻線および２次巻線はそれぞれプレーナ型の導体路として構成されており、この導体路は多層配線板のそれぞれ異なる上層に配置されている。

この場合、トランジスタとして、２つのバイポーラトランジスタもしくは２つのＬＤＭＯＳトランジスタが設けられている。これらのトランジスタは、プッシュプル動作のために特に適している。

ここで「多層配線板の上層」とは、配線板の最下層ではない層のことである。さらにこの場合、１次巻線および２次巻線のプレーナ型の導体路は、好ましくは配線板材料中に埋め込まれており、それぞれ異なる平面に位置しており、つまりこれらの導体路は互いに隔てられており、各導体路間に配線板材料が配置されている。かかる配置によって、良好な放熱が可能となる。さらに、かかる配置によって以下のことが可能となる。すなわち理想的なプッシュプル動作中、「差動モード」信号のために、基本波つまり高周波増幅器装置から発生する高周波信号が、所定の基本周波数（これは高周波増幅器装置の動作周波数である）で励起され、奇数高調波がもっぱら逆相中に、さらに偶数高調波がもっぱら同相中に励起される。１次巻線と２次巻線の巻回比を選定することにより、基本周波数において両方のトランジスタ各々について、増幅器装置の所望の特性に応じてインピーダンスを与えることができる。高周波増幅器装置を励起する際にトランジスタの非線形性に起因して発生する可能性のある奇数および偶数の高調波周波数成分を、基本波のインピーダンスに関してより高い反射性の終端によって終端させることができ、それによりこれらの周波数においてより僅かなエネルギーしか変換されず、効率が高められる。高調波の周波数に対しより高い反射性の終端とは、基本波の場合よりも高い反射係数を有する終端のことである。より高い反射性の終端をたとえば、相応の高調波周波数に対する短絡状態または無負荷状態とすることができる。このことを、相応の高調波周波数に合わせてチューニングされた付加的なフィルタによって行うことができる。トランジスタにおける電流波形と電圧波形とが成形されて最小のオーバラップが得られるように、反射係数の位相を選定することができる。このようにすれば、トランジスタのところで発生する電力損失が低減される。

１次巻線と２次巻線とを、垂直方向で相互に結合することができる。間隔およびその間に位置する材料によって、結合に作用を及ぼすことができる。

この場合、１次巻線を２次巻線の下に配置することができる。

トランジスタを１つの共通のケーシング内に配置することができる。特に、それらのトランジスタが１つのモジュール（パッケージ）内に配置されているように、構成することができる。これによって、コンパクトな構造が得られ、製造コストが低減されるようになる。

１次巻線と２次巻線との垂直方向間隔を、１次巻線または２次巻線を形成している導体路の幅の半分よりも小さくすることができる。これによって、磁気結合が高まること（間隔が小さくなること）と容量結合が小さくなること（間隔が大きくなること）との間で、妥協点が得られるようになる。

多層配線板の最下層を金属層として形成することができ、この金属層は基準アースとして用いられる。冷却板への良好な熱伝達を形成するために、この金属層を用いることもできる。よって、配線板が金属製冷却板上に配置されているように構成することができる。

電力トランスの１次巻線および２次巻線から配線板の最下層までの垂直方向間隔を、１次巻線から２次巻線までの間隔よりも大きくすることができる。これによって以下のことを保証することができる。すなわち、各巻線が配置されている各層からアースまでの単位長さあたりの容量、ならびに各巻線が配置されている各層間の容量結合が、望ましい整合特性すなわち理想的な変換のために十分に小さいものとなる一方、１次巻線および２次巻線における損失を冷却板へ向かう方向で放熱できるようにするために、冷却板に対する熱抵抗も十分に小さいものとなる。

１次巻線と２次巻線の水平面寸法を、配線板の水平面縦方向および水平面横方向において、それぞれλ／３０よりも小さくすることができる。ただしλは、高周波増幅器装置が発生する高周波信号の波長である。

それぞれ１つのキャパシタンス特にコンデンサを、電力トランスの１次巻線および２次巻線に対し並列に接続することができる。たとえば集中型コンデンサとして形成されたこれらのキャパシタンスは、１次巻線または２次巻線の個々の自己インダクタンスと合わさって基本周波数において、特に並列共振付近で、高いインピーダンスを成すことができる。電力トランスの１次側においてこのキャパシタンスを部分的に、トランジスタの出力キャパシタンスによって形成することができる。さらに１次側の並列キャパシタンスを、トランジスタペアの双方のドレインもしくはコレクタ間の逆相キャパシタンスと、それぞれ双方のドレインもしくはコレクタからアースの方向へ向かう同相キャパシタンスの組み合わせから合成することもできる。

１次側が双方のトランジスタについて同じ負荷を示すように、１次巻線を対称に形成することができる。これにより基本波インピーダンスと比べて高インピーダンスの終端が発生し、その結果、同相励起において第２高調波に対し高インピーダンスで負荷が加えられるようになる。

電力トランスの１次巻線と２次巻線のための巻回数を、望ましいインピーダンス変換が生じるように選定することができる。特に巻回数比を１：２とすることができ、好ましくは、１次巻線は１ターンを有し、２次巻線は２ターンを有することができる。

電力トランスの１次巻線は、トランジスタのＤＣ給電のために中点タップを有することができる。

この中点タップに、インダクタンスおよび／またはコンデンサを含む回路網を接続することができる。これにより偶数高調波を終端させることができる。この回路網と中点タップにおける１次巻線の半分とから成る直列接続体を、基本周波数の２倍の周波数に対し高インピーダンスで設計するのが望ましい。

各トランジスタのドレインもしくはコレクタを、インダクタンスとコンデンサとを含む直列接続体を介して接続することができる。コンデンサを集中型コンデンサとしてもよいし、分散型コンデンサとしてもよい。インダクタンスとコンデンサとから成る直列接続体の仕様を、第３高調波において低インピーダンスの終端が達成されるように選定することができる。このようにすれば定量的には、基本波インピーダンスと比べて低インピーダンスの終端を実現することができる。

直列接続体のインダクタンスを、プレーナ型のインダクタンスとして配線板の上層に形成することができる。配線板の最下層はここでもアース層として用いられ、冷却板へ向かう方向で電力損失に関して低インピーダンスの熱経路を成す。

トランジスタの駆動制御のために、信号トランスを設けることができる。この信号トランスの２次巻線の第１の端部は、一方のトランジスタのゲート端子もしくはベース端子と接続されており、第２の端部は、他方のトランジスタのゲート端子もしくはベース端子と接続されている。

第４高調波よりも高い高調波は、高周波増幅器装置の性能にごく僅かな作用しか及ぼさない。オプションとしてそれらのトランジスタを、ドレインもしくはコレクタのところで直接、アースへ向かう方向でそれぞれ１つのコンデンサを介して低インピーダンスで接続することができる。このようにすれば、著しく高い高調波による寄生的な共振の励起を阻止することができ、安定度を格段に向上させることができる。

本発明による高周波励起装置は、ほぼ正弦半波状の電圧推移とほぼ矩形波状の電流推移を発生させるのに適している。これは逆Ｆ級動作に相当し、または、基本波インピーダンスおよび対応する高調波の選定によっては、逆Ｆ級連続性（Klasse F-Invers-Kontinuum）から成るケースに相当する。

本発明の本質を成す細部について示す図面を参照した本発明の実施例に関する以下の詳細な説明および特許請求の範囲から、本発明のその他の特徴および利点を読み取ることができる。それらの図面に示されている特徴は、必ずしも縮尺どおりではないことを理解されたい。また、それらの特徴は、本発明による特別な点をはっきりと見ることができるように描かれている。さらに様々な特徴をそれ自体単独で実現してもよいし、または本発明の変形実施形態において複数の特徴を任意に組み合わせて実現してもよい。

概略的に示された図面には、様々な使用状況における本発明の実施例が示されており、次にそれらの実施例について詳しく説明する。

本発明による高周波増幅器装置を示す回路図である。 プレーナ型の電力トランスを示す斜視図である。 高周波増幅器装置の配線板を示す断面図である。 高周波増幅器装置のトランジスタにおいて生じる電流および電圧の推移を示す図である。

図１には、高周波増幅器装置１の第１の実施形態が示されている。高周波増幅器装置１は配線板２を含み、この配線板２にモジュール３が配置されている。配線板２を多層配線板とすることができる。モジュール３は、ＬＤＭＯＳトランジスタとして形成された２つのトランジスタＳ１，Ｓ２を有しており、これらのトランジスタは同じ形態で形成されていて、それらのソース端子がそれぞれアース接続点５と接続されている。モジュール３を１つの基板上に配置することができる。さらにこのモジュール３をケーシング内に配置することができる。モジュール３のケーシングを、配線板２における貫通開口部内に配置することができる。モジュール３の接続端子を、配線板２上で接触接続させることができる。

トランジスタＳ１，Ｓ２のドレイン端子はそれぞれ、出力回路網の一部である電力トランス７の１次巻線６の一方の端部と接続されている。電力トランス７の２次巻線４の一方の端部はアース８と接続されており、他方の端部は高周波出力端９と接続されている。

トランジスタＳ１，Ｓ２のソース端子は、それぞれコンデンサ３２，３３を介してアースと接続されている。この接続は、トランジスタＳ１，Ｓ２のヒートスプレッダ内へのスルーホールを介して行われる。

高周波増幅器装置１はさらに信号トランス１０を有しており、この信号トランス１０は、たとえば整合回路網１８を介して高周波入力端１２と接続された１次巻線１１を有している。信号トランス１０の２次巻線１３の一方の端部は、抵抗性素子１４特に１つの抵抗を介して、トランジスタＳ１のゲート端子１５と接続されている。２次巻線１３の他方の端部は、抵抗性素子１６特に１つの抵抗を介して、トランジスタＳ２のゲート端子１７と接続されている。したがって抵抗性素子１４，１６および２次巻線１３は、直列に接続されている。信号トランス１０も、電力トランス７と同様に配線板２上に配置することができる。

配線板２は、面全体にわたり冷却板２５上に載置されており、この冷却板２５はアース２６とも接続可能である。モジュール３を、冷却のために銅板上に取り付けることができる。この銅板は、モジュール３から冷却板２５へ、熱を伝達する特に熱を拡散する役割を果たすことができる。さらにこの銅板を、配線板２においてモジュール３と同じ貫通開口部内に配置することができる。銅板の面を、冷却板２５に向いた側のモジュール３の面よりも広くすることができる。貫通開口部を段状に形成して、銅板とモジュール３の面に整合させることができる。

図１にはさらに、電力トランス７の１次巻線６と並列にキャパシタンス３５が設けられていることが示されている。さらに電力トランス７の２次巻線４に並列に、キャパシタンス３６も設けられている。

電力トランス７の１次巻線６は中点タップ３７を有しており、これはトランジスタＳ１，Ｓ２のＤＣ給電のために用いられる。中点タップ３７には、インダクタンスおよび／またはコンデンサを含むことができる回路網３８が接続されている。特にこの場合、１つのコンデンサと１つのインダクタンスとから成る直列接続体を設けることができる。別の選択肢として、アースに対し接続されたキャパシタンスと直列インダクタンスを設けてもよい。

トランジスタＳ１，Ｓ２のドレインもしくはコレクタは、インダクタンス４１とコンデンサ４２とを含む直列接続体４０を介して接続されている。この直列接続体４０は、第３高調波の低インピーダンスの終端の役割を果たす。

さらにオプションとして整合回路網４３を設けることができ、この整合回路網４３は２つのコンデンサ４４，４５を有しており、これらのコンデンサの接続点はアースと接続されている。このようにすることで、電力トランス７の１次巻線６をチューニングすることができる。

図２には電力トランス７が示されている。この場合、１次巻線６が２次巻線４の下に配置されている。これによれば１次巻線６は１ターンを有するのに対し、２次巻線４は２ターンを有する。１次巻線６および２次巻線４は、ほぼ等しい面積を占めている。この場合、ｘ方向およびｙ方向すなわち配線板２の縦方向および横方向での寸法は、それぞれλ／３０よりも小さく、ただしλは発生させるべき高周波信号の波長である。同様にこの図からわかるように、１次巻線６は中点タップ３７を有している（図２からは明確には認識できないかもしれないが、この中点タップ３７は２次巻線４とは接続されていない）。

１次巻線６も２次巻線４も、配線板の上層に配置されている。特にこれらの巻線は、配線板の下層５０よりも上に配置されている。図２にさらに示されているように、１次巻線６および２次巻線４はそれぞれ導体路から形成されている。さらに図２にはプレーナ型のインダクタンス４１が示されており、これも同様に配線板２の１つの層に配置されており、ただし層５０よりも上に位置している。

図３には、配線板２の断面が示されている。配線板２の上側には、個別部品を接続するための接続パッド６０が設けられている。相応の接続パッドを層６２上に設けてもよい。配線板２の最下層５０は、面全体にわたり金属で形成されている。この層はアース板を成しており、広い面積で冷却板２５と接続されている。配線板の上層６１，６２には、１次巻線６および２次巻線４が配置されている。この場合、１次巻線６と２次巻線４との間隔ｂは好ましくは、１次巻線６または２次巻線４の導体路の幅ｃの半分よりも小さい。１次巻線６から層５０までの間隔ｄは、同様に２次巻線４から層５０までの間隔ｅも、それぞれ間隔ｂより大きい。層６３には接続導体を設けることができ、さらにプレーナ型のインダクタンス４１を設けることもできる。

図４には、ほぼ正弦半波状の電圧推移１００と、実質的に矩形波状の電流推移１０１とが示されている。このような電圧推移１００もしくは電流推移１０１がトランジスタＳ１，Ｓ２のところに発生するのは、高周波増幅器装置１が適正にチューニングされている場合である。この図からわかるように、電圧推移１００と電流推移１０１はごく僅かにしかオーバラップしておらず、その結果、トランジスタＳ１，Ｓ２においてごく僅かな熱出力しか発生しない。

Claims (14)

1. プラズマ励起用に２ＭＨｚ以上の周波数において１ｋＷ以上の出力電力を発生させるために適した高周波増幅器装置（１）であって、
   ａ．２つのトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）であって、前記２つのトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）のソース端子もしくはエミッタ端子は、それぞれアース接続点（５）と接続されており、前記トランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）は同じ形態で形成されていて、多層配線板（２）に配置されている、２つのトランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）と、
   ｂ．電力トランス（７）であって、前記電力トランス（７）の１次巻線（６）は、前記トランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）のドレイン端子もしくはコレクタ端子と接続されている、電力トランス（７）と、
   を含む、高周波増幅器装置（１）において、
   ｃ．前記電力トランス（７）の１次巻線（６）および２次巻線（４）は、それぞれプレーナ型の導体路として構成されており、前記プレーナ型の導体路は、前記多層配線板（２）のそれぞれ異なる上層（６１，６２）に配置されていることを特徴とする、
   高周波増幅器装置（１）。
2. 前記１次巻線（６）および前記２次巻線（４）は、垂直方向において相互に結合されている、
   請求項１記載の高周波増幅器装置。
3. 前記トランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）は、１つの共通のケーシング内に配置されている、
   請求項１または２記載の高周波増幅器装置。
4. 前記１次巻線（６）と前記２次巻線（４）との垂直方向間隔（ｂ）は、前記１次巻線（６）または前記２次巻線（４）を形成している導体路の幅（ｃ）の半分よりも小さい、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。
5. 前記多層配線板（２）の最下層（５０）は、基準アースとして用いられる金属層として形成されている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。
6. 前記配線板（２）は、金属製冷却板（２５）上に配置されている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。
7. 前記電力トランス（７）の前記１次巻線（６）および前記２次巻線（４）から前記配線板（２）の最下層（５０）までの垂直方向間隔（ｄ，ｅ）は、前記１次巻線（６）から前記２次巻線（４）までの間隔（ｂ）よりも大きい、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。
8. 前記１次巻線（６）と前記２次巻線（４）の水平面寸法は、前記配線板（２）の水平面縦方向および水平面横方向において、それぞれλ／３０よりも小さく、ただし、λは、当該高周波増幅器装置が発生する高周波信号の波長である、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。
9. 前記電力トランス（７）の前記１次巻線（６）および前記２次巻線（４）に対し並列に、それぞれ１つのキャパシタンス（３５，３６）が接続されている、
   請求項１から８までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。
10. 前記電力トランス（７）の前記１次巻線（６）は、前記トランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）のＤＣ給電のために中点タップ（３７）を有する、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。
11. 前記中点タップ（３７）に、インダクタンスおよび／またはコンデンサを備えた回路網（３８）が接続されている、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。
12. 前記トランジスタ（Ｓ１，Ｓ２）のドレインもしくはコレクタは、インダクタンス（４１）およびコンデンサ（４２）を含む直列接続体（４０）により接続されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。
13. 前記インダクタンス（４１）は、プレーナ型のインダクタンスとして前記配線板（２）の上層（６３）上に形成されている、
    請求項１から１２までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。
14. 信号トランス（１０）であって、前記信号トランス（１０）の２次巻線（１３）の第１の端部は、前記トランジスタのうち一方のトランジスタ（Ｓ１）のゲート端子もしくはベース端子（１５）と接続されており、第２の端部は、前記トランジスタのうち他方のトランジスタ（Ｓ２）のゲート端子もしくはベース端子（１７）と接続されている、信号トランス（１０）が設けられている、
    請求項１から１３までのいずれか１項記載の高周波増幅器装置。

Images