JP3150806B2 - マイクロ波フィルタ回路 - Google Patents

マイクロ波フィルタ回路

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JP3150806B2
JP3150806B2 JP01167693A JP1167693A JP3150806B2 JP 3150806 B2 JP3150806 B2 JP 3150806B2 JP 01167693 A JP01167693 A JP 01167693A JP 1167693 A JP1167693 A JP 1167693A JP 3150806 B2 JP3150806 B2 JP 3150806B2
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勉 竹中
裕之 松浦
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波装置における
信号の通過周波数帯域を制限するフィルタ回路に関す
る。
【0002】
【従来の技術】図4は従来から用いられているフィルタ
回路の一例を示す回路図であり、インダクタとキャパシ
タとからなるN次の基準低域LCフィルタ回路を示す。
【0003】このフィルタ回路は、はしご形状に配置さ
れた複数の直列インダクタ4−2、4−4、…、4−N
と、並列キャパシタ4−1、4−3、…、4−〔N−
1〕とからなり、周波数低域に通過帯域、高域に阻止帯
域をもつ。このような基準低域LCフィルタ回路を規格
化して変換することにより、任意の帯域および入出力イ
ンピーダンスをもつ低域通過LCフィルタ回路、高域通
過LCフィルタ回路、帯域通過LCフィルタ回路および
帯域阻止LCフィルタ回路を実現できる。これらのLC
フィルタ回路は、インダクタとキャパシタのみで構成さ
れるので、電源が不要であり、ダイナミックレンジを大
きくとれる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したLC
フィルタ回路をマイクロ波集積回路で実現するには、イ
ンダクタを実現するためのスパイラルインダクタまたは
分布定数線路に大きな回路面積を要し、導体損失によっ
て挿入損失が大きくなるという問題がある。このような
問題は特に動作周波数領域がほぼ20GHz以下のモノ
リシックマイクロ波集積回路で顕著に現れ、その実現を
困難としてきた。
【0005】集積化に適するフィルタとして、演算増幅
器、抵抗およびキャパシタのみ、すなわちインダクタを
含まずに構成される能動RCフィルタ回路も知られてい
る。しかし、演算増幅器の遮断周波数が数百MHzと低
いため、マイクロ波帯への適用は困難である。
【0006】本発明は、以上の問題を解決し、回路面積
が小さいマイクロ波フィルタ回路を提供することを目的
とし、特に1ないし20GHz程度の周波数帯で動作す
るマイクロ波集積回路を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のマイクロ波フィ
ルタ回路は、インダクタおよびキャパシタからなるLC
フィルタ回路がモノリシックマイクロ波集積回路として
形成され、このLCフィルタ回路の入力に高インピーダ
ンス入力かつ低インピーダンス出力のインピーダンス変
換手段を接続したことを特徴とする。
【0008】インピーダンス変換手段としては、電界効
果トランジスタを利用してもよく、バイポーラトランジ
スタを利用してもよい。その場合には、ゲート電極また
はベース電極を入力端子とし、ソース電極またはエミッ
タ電極を出力端子としてLC回路の入力に接続し、ドレ
イン電極またはコレクタ電極をキャパシタを介して交流
的に接地する。
【0009】
【作用】一般にLCフィルタ回路は、入力端子のインピ
ーダンスが小さくなるにつれて同等の伝達特性を得るた
めに必要なインダクタンス値が小さくなり、キャパシタ
ンス値が大きくなる傾向がある。そこで、LCフィルタ
回路の入力段に高インピーダンス入力、低インピーダン
ス出力特性を有するインピーダンス変換手段を設ける。
これにより、LCフィルタ回路中に必要なインダクタの
素子値を小さくでき、回路面積の縮小および挿入損失の
改善を実現できる。キャパシタについては電極間の誘電
体層を薄くすることで大容量化できるので、回路面積や
挿入損失に影響を与えることはない。
【0010】
【実施例】図1は本発明の第一実施例を示す回路図であ
り、図2はその集積回路上の回路パターンを示す。ここ
では、周波数低域で通過帯域、高域で阻止帯域をもつ5
次の低域通過型マイクロ波フィルタ回路を例に説明す
る。
【0011】この実施例回路はマイクロ波集積回路とし
て形成される回路であり、インダクタ15、17および
キャパシタ14、16、18からなるLCフィルタ回路
を備える。インダクタ15、17は直列に接続され、イ
ンダクタ15が入力側、、インダクタ17が出力側とな
る。インダクタ15の入力端、インダクタ15と17の
接続点、およびインダクタ17の出力端は、それぞれキ
ャパシタ14、16、18を介して共通電位点に接地さ
れる。インダクタ17とキャパシタ18との接続点は出
力端子19に接続される。
【0012】ここで本実施例の特徴とするところは、イ
ンダクタ15の入力端に、高インピーダンス入力かつ低
インピーダンス出力のインピーダンス変換手段として、
電界効果トランジスタ12およびキャパシタ13からな
る回路が接続されたことにある。電界効果トランジスタ
12のゲート電極12gは入力端子11に接続され、ソ
ース電極12sはインダクタ15に接続され、ドレイン
電極12dはキャパシタ13を介して交流的に接地され
る。ドレイン電極12dはさらに端子20に接続され、
ここからドレインバイアスが供給される。電界効果トラ
ンジスタ12のゲートバイアスは入力端子11から供給
され、ソースバイアスは出力端子19から供給される。
【0013】電界効果トランジスタ12の入力側の特性
インピーダンスは約600Ωであり、LCフィルタ回路
の特性インピーダンスは10Ω以下であることが望まし
い。
【0014】電界効果トランジスタ12を電圧制御電流
源として近似すると、そのSパラメータ行列は次の式で
与えられる。
【0015】
【数1】 この式において、gm は相互コンダクタンスを示し、Z
s はソース電極部分のインピーダンスを示す。ここでS
22項に着目すれば、整合条件を満足するZs は次式で与
えられる。
【0016】
【数2】 この式から、gm を大きくすることでZs を低くできる
ことがわかる。また、この式の条件をS21項に適用すれ
ばS21=1となり、損失なしに信号電力を伝送できるこ
とも示している。
【0017】一方、キャパシタ14、16、18および
インダクタ15、17で構成されるLCフィルタ回路
は、チェビシェフ特性が得られるように、以下の式を満
足する必要がある。
【0018】
【数3】
【0019】
【数4】
【0020】
【数5】 ただし、 n=5、s=jω である。
【0021】数式3において、H(-s)はH(s) の共役関
数であり、数式4においてR[dB]はデシベル単位での通
過帯域リップルである。数式5は5次のチェビシェフ多
項式である。また、キャパシタ14、16、18および
インダクタ15、17の各素子値をC1 、C3 、C5
よびL2 、L3 とすると、これらにより構成されたLC
フィルタ回路の伝送行列〔F〕は、入出力端子負荷イン
ピーダンス比が1:rのとき、次の式で与えられる。
【0022】
【数6】 この式から、伝達関数が次の式で与えられる。
【0023】
【数7】 数式3ないし5および数式7を係数比較のうえ連立させ
て解くことで、各インダクタンスおよび各キャパシタに
ついて正規化された解CN 1 、CN 3 、CN 5 およびL
N 2 、LN 3 が得られる。インダクタ、キャパシタおよ
び出力端子負荷インピーダンスZL の各々の実際の素子
値は次の式で与えられる。
【0024】
【数8】 ここで、fc はフィルタのカットオフ周波数である。
【0025】ここで、R=0.5、出力端子負荷インピ
ーダンスZL を50Ω、カットオフ周波数を1GHzと
して、ZS を変化させたときに得られる各素子値の例を
以下に示す。
【0026】 ZS 1 2 3 4 5 50 Ω 5.752 pF 10.37 nH 8.566 pF 10.37 nH 5.752 pF 40 Ω 6.131 pF 8.960 nH 9.740 pF 9.207 nH 6.955 pF 30 Ω 7.003 pF 7.082 nH 11.98 pF 7.496 nH 9.107 pF 20 Ω 9.135 pF 4.846 nH 16.86 pF 5.284 nH 13.51 pF 10 Ω 16.12 pF 2.435 nH 32.00 pF 2.730 nH 26.63 pF 5 Ω 30.42 pF 1.218 nH 62.54 pF 1.377 nH 52.76 pF これらの値から、ZS を小さくするにつれてインダクタ
ンス値が小さくなることがわかる。したがって、図1に
示した回路において、ZS が十分に小さくなるように電
界効果トランジスタ12のgm を選択することで、従来
のフィルタに比べてインダクタの素子値を十分に小さく
することができる。
【0027】例えば、図1に示した回路における電界効
果トランジスタ12のgm を100mSとすれば、ZS
は10Ωとなり、インダクタンス値はZS =ZL =50
Ωの場合に比べて約1/4となる。これは、スパイラル
インダクタの面積比において約1/4となることを示
し、フィルタ回路全体で回路面積を半分から1/3に縮
小できることになる。電界効果トランジスタ12のgm
の選択は、ゲート電極幅およびゲートバイアスを選択す
ることで実現される。また、インダクタンス値が小さく
て済むので、インダクタの構成導体の長さを短縮でき、
回路を集積化したときのインダクタを構成する金属の導
体損失を大幅に減じることができる。
【0028】図3は本発明の第二実施例を示す回路図で
ある。
【0029】この実施例は、インダクタおよびキャパシ
タからなるLCフィルタ回路として帯域通過型フィルタ
回路を用いたことが第一実施例と異なる。すなわち、こ
のLCフィルタ回路は3次の帯域通過型フィルタ回路で
あり、キャパシタ34、37、39およびインダクタ3
5、36、38により構成され、特定の周波数帯域に通
過帯域をもち、その他の低域および高域には阻止帯域を
もつ。このLCフィルタ回路の入力端は、キャパシタ3
4およびインダクタ35からなる並列回路を介して共通
電位点に接地され、インダクタ36およびキャパシタ3
7からなる直列回路を介して出力端子40に接続され
る。キャパシタ37と出力端子40との接続点は、イン
ダクタ38およびキャパシタ39からなる並列回路を介
して接地される。
【0030】キャパシタ34およびインダクタ35、3
6の接続点、すなわちLCフィルタ回路の入力端には、
第一実施例と同様に、高インピーダンス入力かつ低イン
ピーダンス出力のインピーダンス変換手段として電界効
果トランジスタ32およびキャパシタ33からなる回路
が接続される。電界効果トランジスタ32のゲート電極
32gは入力端子31に接続され、ソース電極32sは
LCフィルタ回路の入力端に接続され、ドレイン電極3
2dはキャパシタ33を介して交流的に接地される。ド
レイン電極32dはさらに端子41に接続され、ここか
らドレインバイアスが供給される。
【0031】LCフィルタ回路を構成するキャパシタ3
4、37、39およびインダクタ35、36、38の各
素子値C1 、C2 、C3 およびL1 、L2 、L3 につい
ては、第一実施例に示した方法と同様にして3次の規格
化された基準低域LCフィルタ回路を設計し、その正規
化された素子値CN 1 、CN 3 およびLN 2 から、以下
の式により決定する。
【0032】
【数9】
【0033】
【数10】 これらの式において、Bは3dB周波数帯域幅、f0
中心周波数である。
【0034】このように、電界効果トランジスタ32の
インピーダンス変成作用によりソース電極32sにおけ
るインピーダンスZs を下げることができ、第一実施例
と同様に、基準低域LCフィルタ回路のキャパシタンス
値を一般に大きく、インダクタンス値を一般に小さくす
ることができる。このことを数式9、10上で考慮する
と、帯域通過フィルタの場合にも、インダクタンス値が
一般に小さくなり、キャパシタンス値が一般に大きくな
ることがわかる。したがって、第一実施例と同様に、ド
レイン接地の電界効果トランジスタ32のインピーダン
ス変成作用により、設計上必要なインダクタンス値を小
さくすることができ、フィルタ回路面積を小型化し、挿
入損失を低減することができる。
【0035】以上の実施例では低域通過フィルタと帯域
通過フィルタとについてそれぞれ説明したが、本発明
は、高域通過フィルタや帯域素子フィルタの場合にも、
第二実施例と同様に、規格化された基準低域フィルタか
ら公知の変換式を用いて各素子値を得ることにより同様
に実施できる。このような場合にも、ドレイン接地の電
界効果トランジスタのインピーダンス変成作用により、
設計上必要なインダクタンスを小さくすることができ、
フィルタ回路面積を小型化し、挿入損失を低減できる。
【0036】電界効果トランジスタをバイポーラトラン
ジスタに置き換えても本発明を同様に実施できる。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のマイクロ
波フィルタ回路は、高インピーダンス入力、低インピー
ダンス出力のインピーダンス変換手段を従来からのLC
フィルタ回路の前段に備えることで、必要なインダクタ
ンスの値を1/4〜1/5程度に小さくすることがで
き、回路面積の小型化および低挿入損失化を実現でき
る。例えばインピーダンス変換手段として電界効果トラ
ンジスタまたはバイポーラトランジスタを用いること
で、マイクロ波集積回路におけるフィルタ回路全体の面
積を従来のLCフィルタに比べて半分から1/3にで
き、さらに、従来のLCフィルタで1〜3dBあった挿
入損失を1dB以下または逆に利得を与え得る構成とす
ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施例を示す回路図。
【図2】集積回路上の回路パターンを示す図。
【図3】本発明の第二実施例を示す回路図。
【図4】従来例を示す図。
【符号の説明】
11、31 入力端子 12、32 電界効果トランジスタ 12d、32d ドレイン電極 12g、32g ゲート電極 12s、32s ソース電極 13、14、16、18、33、34、37、39 キ
ャパシタ 15、17、35、36、38 インダクタ 19、40 出力端子 20、41 端子 4−2、4−4、…、4−N 直列インダクタ 4−1、4−3、…、4−〔N−1〕並列キャパシタ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−196616(JP,A) 特開 平1−208908(JP,A) 実開 昭64−33222(JP,U) 実開 昭63−97887(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03H 11/04 H03H 7/075

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 インダクタおよびキャパシタからなるL
    Cフィルタ回路がモノリシックマイクロ波集積回路とし
    て形成され、 上記LCフィルタ回路の入力に高インピーダンス入力か
    つ低インピーダンス出力のインピーダンス変換手段が接
    続されたマイクロ波フィルタ回路において、 上記インピーダンス変換手段は、ゲート電極を入力端子
    としソース電極を出力端子とする電界効果トランジスタ
    と、この電界効果トランジスタのドレイン電極を交流的
    に接地するキャパシタとを含む ことを特徴とするマイク
    ロ波フィルタ回路。
  2. 【請求項2】 インダクタおよびキャパシタからなるL
    Cフィルタ回路がモノリシックマイクロ波集積回路とし
    て形成され、 上記LCフィルタ回路の入力に高インピーダンス入力か
    つ低インピーダンス出力のインピーダンス変換手段が接
    続された マイクロ波フィルタ回路において、 上記インピーダンス変換手段は、ベース電極を入力端子
    としエミッタ電極を出力端子とするバイポーラトランジ
    スタと、このバイポーラトランジスタのコレクタ電極を
    交流的に接地するキャパシタとを含む ことを特徴とする
    マイクロ波フィルタ回路。
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CN116317983B (zh) * 2023-05-22 2024-04-05 南方科技大学 基于混合带通低通网络的宽带氮化镓功率放大器及芯片

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