JP4212177B2 - 高利得増幅器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波の範囲内で使用可能な高利得増幅器に関する。本発明は特に、レーダの分野、電波ビームの分野、衛星による送信、テレビジョンの多方面分配システム（ＬＭＤＳ）で利用可能である。本発明が関係する周波数範囲は、より具体的には１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数範囲である。ただし、これらの分野以外およびこの範囲以外での利用も考えられる。本発明は、電波の伝搬を考える場合にはいつでも適用可能である。
【０００２】
本発明の目的は、高利得かつ低コストの増幅器を提案することである。「高利得」とは４０ｄＢ以上、最高１００ｄＢの増幅をいう。
【０００３】
【従来の技術】
これらの増幅機能を実行するのに用いられる回路は、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）と呼ばれる回路に基づいた構成要素を含んでいる。このようなＭＭＩＣ構成要素は、伝送線によって互いに接続された集積回路を含んでいる。このようなＭＭＩＣ構成要素内の伝送線のアーキテクチャ、長さおよび配置は、本質的に非振動性のマイクロ波増幅回路を構成するようなものである。実際には、マイクロ波増幅アセンブリは、ＭＭＩＣ構成要素を受容するための凹所が形成された（たとえばセラミック製、ポリテトラフルオロエチレンガラス製、またはエポキシ樹脂製の）絶縁プレートを含んでいる。この絶縁プレートは、構成要素を相互接続するための導電トラックを備えている。各ＭＭＩＣ構成要素は、増幅すべき信号が注入される入力部と、増幅された信号が取り出される出力部とを備えている。また、ＭＭＩＣ構成要素は、平行六面体の形をしている場合が多く、入力部はＭＭＩＣ構成要素の片側に位置しており、出力部は入力側と反対側に位置している。
【０００４】
当然ながら、増幅された信号は構成要素の出力部の近傍にあるスペースへ放射される。残念ながら、この放射はそのとき入力部まで伝搬する。その結果、出力部で発生した信号が入力部に再注入されるという現象が生じる。この現象は無線伝送現象である。
【０００５】
このような現象の妨害効果を制限するために、ＭＭＩＣ構成要素は金属カバーと周囲吸収材とを備える。従って、ＭＭＩＣ構成要素の集積回路とカバーとの間に吸収材が配置される。さらに、カバーを備えたＭＭＩＣ構成要素自体は、ＭＭＩＣ構成要素の入力部に対向する入力部と、ＭＭＩＣ構成要素の出力部に対向する出力部とを有するハウジング内に配置される。また、このハウジングのフタとカバーとの間のスペースも、増幅された波の再帰伝搬を防ぐために吸収材が充填される。ハウジングは、遮蔽接続ケーブルによって他の回路に接続される。
【０００６】
吸収材によってもたらされる欠点は、これらの吸収材がそれらの機能を十分に発揮しないことである。従って、吸収材の選択およびそれらの配置に注意しても、ハウジング内に配置されたこのような増幅回路で達成可能な増幅限界は約４０ｄＢである。このような限界を超えると、周波数帯のいくつかのスペクトル成分に対して、ＭＭＩＣ構成要素は振動を始め（利得は非常に大きくなる）、再注入により著しい減衰が起こる。つまり、使用周波数帯内で、実際に達成される利得は予測不可能に変動し、増幅器に割り当てられた増幅値をはるかに上回ったり、下回ったりする。従って、このような増幅器は使用不可能である。つまり、このような増幅器では増幅された信号のひずみが非常に大きくなる。
【０００７】
この問題を解消するために、たとえば９０ｄＢの増幅を達成するために、それぞれ増幅回路を含む複数のハウジング、たとえば三つのハウジングを縦続接続するようになされる。当然ながら、このようにするとコストがほぼ三倍になる。
【０００８】
さらに、吸収材にはガスを放出するという欠点がある。吸収材は、昇華により粒子を放出する。これらの粒子は、特に集積回路内で使用されるガリウムヒ素（ＧａＡｓ）トランジスタの導電チャネル中に入り込む。このガス放出はこれらのトランジスタの劣化をもたらす。さらに、カバーとフタとの間で、吸収材の減衰能は実際にはせいぜい５０ｄＢに制限される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、妨害再注入現象を生じることなしに、高い利得、たとえば一般に６０ｄＢ、さらには８０ｄＢまたは９０ｄＢの高い利得をもつ増幅器の設計を可能にする解決法を提案することによって上記の問題を解消することを目的とする。このような条件の下では、同じハウジング内で高利得増幅器を構成することが可能になる。つまり、アセンブリのコストはほぼ三分の一になると考えられる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理は、ＭＭＩＣ回路のカバーのところで、それぞれこのカバーの上方および下方にあるスペース内に、それぞれ補助導波路および追加導波路と呼ばれる導波路を設けることからなる。これらの補助導波路および追加導波路のカットオフ周波数は、増幅すべき使用通過帯域の上限より大きくなるように選択される。その結果、使用周波数帯内で発生したすべての信号は、構成された導波路のカットオフ周波数より小さい周波数をもつことになる。つまり、それらの信号はこれらの導波路内を伝搬することができなくなる。従って、増幅回路の出力部から入力部への帰還は、それらの信号を妨害しない程度まで低減される。したがって、非常に高い利得をもつ増幅回路を設計することができる。実際に本発明をテストしたところ、８０ｄＢ〜９０ｄＢの利得が得られた。
【００１１】
当然ながら、本発明の利点は、必ずしも非常に良好な吸収特性をもたないが、ガスを放出せず、従ってＭＭＩＣ構成要素のトランジスタを汚染しないという利点をもつ材料で充填された導波路の構成が可能になることである。
【００１２】
従って、本発明は、高周波帯域内に分布した電気信号を増幅するための高利得増幅器であって、サポート上、たとえばＭＭＩＣ構成要素内の金属ベースプレート上に取り付けられ、カバーで覆われ、第一の側に信号入力部を有し、この第一の側と反対側の第二の側に信号出力部を有する増幅回路と、カバーとサポートとの間にあるスペースをいくつかの補助導波路に分割する分割手段とを含んでおり、このようにして得られた導波路の特性が、増幅器の高周波帯域内にある周波数をもつ信号を出力部と入力部との間で伝搬させるのに不適当であることを特徴とする増幅器を目的とする。カバーの上方にあるスペースは、追加導波路が補助導波路と同じ特性を有するように、同じ方法で分割されることが好ましい。
【００１３】
本発明は、添付の図面を参照しながら以下の説明を読むことによってより良く理解されるであろう。なお、これらの図面は参考として示されているにすぎず、本発明を限定するものではない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１および図２に本発明による高利得増幅器を示す。図２において、増幅器は少なくとも一つの増幅回路１を含んでいる。この回路は集積回路の形の電子構成要素２および３を含んでいる。これらの構成要素２および３は、幾何形状および配置が特に増幅回路のマイクロ波性質に適している接続４および５によって互いに接続されている。接続は、当然ながら回路のアースと接触することなしに空中線の形でなされている。回路１は、第一の側に信号入力部６を有し、第一の側の反対側の第二の側に信号出力部７を有している。信号は入力部６から入り、集積回路２および３によって処理され、出力部７から増幅された状態で出力される。
【００１５】
図１はこれらの要素を概略的に示す断面図である。この図に示すように、回路２および３はサポート上に配置されている。このサポートは絶縁プレート８から構成される。このプレート８は中央の凹所に金属ベースプレート９を備えている。プレート８上に備えられた金属被覆１０は、接続部６から供給された信号を増幅するために、制御信号、特に電力信号と利得制御信号とを集積回路２および３に伝送することを可能にしている。いずれにしても、制御信号は、増幅すべき高周波信号の周波数よりかなり低い周波数をもつ。実際に、これらの信号は、直流信号であるか（この場合、これらの信号は集積回路用の電力によって構成される）、あるいは１００ＭＨｚ以下の低周波信号である。
【００１６】
回路１は金属カバー１１で覆われている。カバー１１は図示されていないピラーまたは金属壁によってベースプレート９上に保持されている。現在の技術では、ベースプレート９とカバー１１との間にあるスペース１２には上述の付随する欠点をもつ吸収材が詰め込まれる。
【００１７】
カバーの幅１３は、増幅され、出力部７で得られた信号の様々な電波伝搬モードをプレート８とカバー１１との間のスペース内を伝搬させるのに十分な幅である。
【００１８】
本発明では、この伝搬を回避するために、幅１３を複数の導波路に、ここでは三つの導波路１４、１５および１６に分割する。以下で説明するように、これらの導波路の厚さおよび幅の特性は、出力部７で得られた増幅された信号の任意のモードを伝搬させるのに不適当であるような特性である。ＴＥ０１モードと呼ばれるモードが導波路内を伝搬するのを防ぐには、導波路の幅をλ／４より小さくするだけで十分であることが分かっている。ここで、λは導波路の誘電体内を伝搬する波の波長である。マイクロストリップ線路を備えたプレートがある場合、最も許容されるモードは、特性寸法がλ／４でないＬＳＭ１１モード（長さ方向が磁気）である。つまり、特性寸法はλ／４よりも小さく、計算が複雑である。ただし、このモードの場合でも、それ以下では伝搬が不可能になる計算可能なカットオフ周波数が存在する。また、ＬＳＭ１１モードが伝搬できない場合、それより高い他のいかなるモードも伝搬できない。
【００１９】
従って、本発明のアイデアは、導波路１４〜１６の各々の特性を知ることである。このことは、幅１３が既知であり、また分割の数および形成すべき断面のサイズが既知であるので容易である。このようにして構成された導波路の特性を知るために、ＬＳＭ１１モードのカットオフ周波数を計算する。このような計算は複雑であるが、知られているタイプの計算である。このような計算は、たとえば、米国ノーウッド（Norwood）のアーテックハウス社（Artech House）から出版されたReinmut K. HOFFMANN著「Handbook of Microwave Integrated Circuit」から知れる。次いで、この計算を用いてカットオフ周波数を決定する。次いで、このようにして得られたカットオフ周波数が、増幅回路の使用すべき高周波帯域の上限を超えているかどうかを決定する。このカットオフ周波数が高周波帯域の上限を超えている場合、導波路の企図した分割は容認できる。上限を超えていない場合は、スペース１３をさらに分割して、導波路の断面をより小さくしなければならない。
【００２０】
従って、実際的な一例である図１に示す例では、それぞれ完全に金属製の二つのバー１７および１８が形成されている。また、バー１７および１８内の材料は安定している、つまりガスを放出しないという利点を有している。一例では、その材料は機械加工された金属である。また、セラミックを使用することもできるが、その場合には、金属メッキを施された穴が設けられる。バー１７および１８は、導波路間に分離を構成するようにベースプレート９とカバー１１との間にそれらと接触して配置される。第一の補助導波路１４は、左側（図１）でＭＭＩＣ構成要素に沿って続く金属壁と、下方のベースプレート９と、上方のカバー１１と、右側のバー１７とによって形成される。第二の補助導波路１６は、右側でバー１８と協働して対称的に形成される。
【００２１】
第三のスペース１５は空気を含む補助導波路であり、その金属壁は一方ではカバー１１によって、他方ではバー１７および１８の壁によって構成される。いずれにしても、このようにしてスペース１３を三つに分割することは所望の結果を得るのに十二分である。
【００２２】
また、図２には回路１と同じ条件の下で縦続接続された第二の増幅回路１９が示されている。このようにして構成された全体的な増幅回路は、入力部６から回路１９の出力部２０まで延びる共通のカバー１１を備えている。中央の導波路１５は集積回路２および３の縁部に配置されたバー１７および１８によって形成されることがわかる。
【００２３】
ある特定の使用では、とりわけ増幅上の理由で、回路１の出力部７と回路１９の入力部２１との間で信号の周波数を二倍にしなければならなかった。従って、カットオフ周波数の制約はより厳しくなる。従って、（二倍の周波数をもつ波に対して大きすぎ、この波を通過させるような断面をもつ）導波路１５を介してでも、二倍の周波数をもつ信号が出力部２０から入力部６まで伝搬するのを防ぐために、回路１の出力部７と回路１９の入力部２１との間の遷移スペース２２内に、それぞれ別のバー２３および２４が取り付けられている。要するに、遷移スペース２２は、金属部分１７、２３、２４および１８を含み、また構造２３、２４とカバー１１との間に空のエアースペースを含む。スペース２２の幅を小さくすることにより、周波数を二倍にする結果を克服することが可能である。従って、スペース２２において、補助導波路の特性は変更される。つまり、この場所で導波路１５はそれ自体幅が狭められる。
【００２４】
プレート８は、入力部６および出力部２０において、対応する金属メッキを施されたタングおよびプレート８の下の金属被覆２５と協働して導波路を形成する。これらの導波路の特性インピーダンスは、これらのタングの幅２６とプレート８の厚さ２７とに依存する。これらの導波路の特性インピーダンスは、一例では５０オームである。
【００２５】
図４に、図１および図２で説明した構成要素などのＭＭＩＣ増幅構成要素を含むハウジング３０とそのフタ３１を示す。この構成要素内には、本質的にカバー１１と、サイドバー１７と、ＭＭＩＣ構成要素内の制御接続タブ１０とが見える。これらのタブ１０は接続３２によって増幅回路に接続されている。接続３２は、構造１７の端部を通過してもよく（従って構造１７と接触しない）、あるいは構造１７を二つの部分に分割した二つの長手方向のセグメント１７１と１７２との間を通過してもよい。一例では、二つのセグメント１７１および１７２は等しい長さである。また、プレート８の下の金属被覆層２５も見える。この層はまたベースプレート９の下でそれと接触して延びている。
【００２６】
図５にフタ３１だけを逆さにした状態を示す。フタ３１はチャネル３４中に設けられた深い空洞３３を備えている。従って、フタ３１はチャネル３４の両側にある二つの側壁３５および３６を有している。図示されている例では、フタは堅い金属でできている。たとえば、フタは銀メッキされたアルミニウムまたは黄銅のブロックからフライス削りによって切り出されるか、あるいは鋳造によって直接製造される。
【００２７】
図４に示すように、深いキャビティ３３は、プレート８の上の、ＭＭＩＣ構成要素１１によって占有されるスペースを受容するのに役立つ。チャネル３４は、ハウジング３０の前面３７１からＭＭＩＣ構成要素１１の入力部６まで、またＭＭＩＣ構成要素１１の出力部７または２０からハウジング３０の後面３７２まで通じているトラック３５を受容するのに役立つ。トラック３５はトラック６、７、２１および２０と連続して形成できる。同じハウジング内に二つのＭＭＩＣ構成要素がある場合、ハウジングは二つの深いキャビティを有する。ＭＭＩＣ構成要素が図１および図２に示すように二重構成要素である場合、深いキャビティは一つしか設けられない。トラック３５は特に、面３６および３７上に取り付けられた同軸タイプの３８などのピンにはんだ付け線３９によって動作可能に接続される。
【００２８】
チャネル３４内のＭＭＩＣ構成要素の出力部において、プレート８上のトラック３５をできるだけ完全に一致させているにもかかわらず、増幅された波は、放射され、経路４０に沿って入力部に向かって逆方向に伝搬する。換言すれば、波はチャネル３４をたどり、深いキャビティ３３を通り、チャネルに沿って伝搬して、ＭＭＩＣ増幅構成要素１１の入力部に至る傾向がある。
【００２９】
図５には、フタ３１とカバー１１（図５には図示せず）との間で深いキャビティ３３内にあるスペースを分割している導波路４１〜４３がこの深いキャビティ３３の底部に存在するために伝搬４０が阻止されることが示されている。導波路４１〜４３は、フタ３１をハウジング３０上に配置したときに、導波路４１および４３の導電面が一方では深いキャビティ３３の底面と、他方ではカバー１１と接触するように弾性材料によって製造されることが好ましい。
【００３０】
導波路４１〜４３の高さ４４および幅４５は、上述のように、この例ではＴＥ１０モードのカットオフ周波数を達成するように決定される。ここで、このカットオフ周波数は、当該増幅用途での使用通過帯域の上限より高い。従って、カバーより上のスペースは、複数の追加導波路に分割され、これらの追加導波路の各々はカットオフより低い特性を有する。
【００３１】
実際に、追加導波路に使用される材料は、単に、電子キャビネットドアの溝を遮蔽するのに使用できる電磁遮蔽用シール材料である。この材料は非常に低コストであり、指示された用途に十分適している。これらのシールセグメントの外壁は各追加導波路の四つの面を形成する。これらのシールの内面は単に絶縁フォームでもよく、金属充填フォームでもよい。なぜならば、これらのフォームは本質的に追加導波路の誘電性内面を構成するからである。
【００３２】
外挿によって、シールセグメントを幅方向に一つおきに配置することが可能である。これにより必要なシールの量が節減され、工業プロセスでの取付時間が短縮される。この場合、両側に配置された導波路の隣接する壁によっていくつかの追加導波路が形成され、またこれらの導波路は絶縁フォームの代わりに誘電体として空気を含む。この構成を図６に示す。図６では、導波路６０および６１は誘電体として空気を含んでいる。従って、この例では、五つのシールを使用する代わりに三つのシール４１、４２、４３だけを使用すればよい。また、シール４１、４２、４３の代わりに位置６０および６１に二つのシールを配置することもできる。この場合、セグメント４１〜４３は空気充填導波路を形成する。
【００３３】
また、壁３５および３６は切欠き４６および４７を有している。図４に示されている切欠き４７は、制御接続３２をＭＭＩＣ構成要素１１に通すのに役立つ。さらに、壁３５および３６は、切欠きの両側で、プレート８の上に形成されている４８などの金属被覆上に載っている。金属被覆４８は、金属メッキを施された穴４９によってプレート８の導電層２５に接続されることが好ましい。層２５はアースに接続されることが好ましい。
【００３４】
一例では、切欠き４６の高さ５０は約１ｍｍであり、チャネル３４の深さ５１は約２ｍｍである。従って、ハウジング３０とフタ３１はプレート８と協働して、ＭＭＩＣ構成要素１１によって発生した電磁波の伝搬を完全に妨害するアセンブリを形成する。フタ３１は、ねじを受容する穴５３を備えたラグ５２によってハウジング３０に固定される。
【００３５】
従って、本発明の特徴の一つは、ＭＭＩＣ構成要素１１のカバーが、現在の技術の場合のように絶縁セラミック材で製造されているのではなく、金属で製造されていることである。カバー１１の導電特性は、ＭＭＩＣ増幅構成要素の内部および外部に導波路を構成しうるものである。
【００３６】
導波路４１〜４３が深いキャビティ３３の入口側面５２および出口側面５３に当接していない場合でも、カットオフ現象はまったく同じであることが分かっている。逆方向の波の伝搬は阻止される。従って、あたかも導波路４１〜４３が、逆方向の波に対して好ましいが出口のない経路を構成しているかのようになる。当然ながら、阻止すべき波の周波数が高い場合でも、導波路４１〜４３の数を増やし、それに応じてこれらの導波路のサイズを小さくするだけでよい。
【００３７】
図３に、６０ｄＢの平均増幅の一例として、本発明の増幅器を用いて得られた増幅曲線２８と、現在の技術を用いて同じ条件の下で得られた曲線２９とを示す。タブ１０に加えられた制御信号によって利得がさらに高くなれば、増幅２９の予測不可能な性質はより一層顕著になるであろう。その場合、この増幅器は使用できないであろう。なぜならば、いくつかのスペクトル成分をあまりにも強く増幅し（増幅器は準振動性になる）、また他のスペクトル成分を完全に減衰させるからである。これに対して、本発明では、スペクトル成分の値にかかわらず、利得は同じである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高利得増幅器を形成するＭＭＩＣ構成要素の断面図である。
【図２】本発明による高利得増幅器を形成するＭＭＩＣ構成要素の平面図である。
【図３】本発明の増幅器と従来技術の増幅器とによって得られた増幅利得を示すグラフである。
【図４】 本発明によるＭＭＩＣ増幅構成要素を備えた、フタを有するハウジングの透視図である。
【図５】本発明による増幅器ＭＭＩＣ構成要素を備えた、フタを有するハウジングの透視図である。
【図６】図５の変形形態である。
【符号の説明】
３１ フタ
３３ スペース
３４ チャネル
３５ 側壁
３６ 側壁
４０ 伝搬
４１〜４３ 追加導波路
４４ 高さ
４５ 幅
４６〜４７ 切欠き
５２ 入口側面
５３ 出口側面

Claims (8)

1. 高周波帯域（２８）内に分布した電気信号を増幅するための高利得増幅器であって、サポート上に取り付けられ、カバー（１１）で覆われ、第一の側に信号入力部（６）を有し、この第一の側と反対側の第二の側に信号出力部（７）を有する増幅回路（１）と、カバーとサポートとの間にあるスペースをいくつかの補助導波路（１３〜１５）に分割する分割手段（１７、１８）とを含んでおり、このようにして得られた導波路の特性が、増幅器の高周波帯域内にある周波数をもつ信号を出力部と入力部との間で伝搬させるのに不適当であり、フタ（３１）を備えたハウジング（３０）と、このハウジング内の少なくとも一つの増幅回路（１）とを含んでおり、フタがチャネル（３４）中に設けられた深いキャビティを備えており、この深いキャビティが追加導波路を受容し、そのチャネルが増幅回路の入力部（６）および出力部（２０）をそれぞれ、ハウジングの入力部（３９）および出力部（３８）に接続し、かつ増幅回路の入力部および出力部をハウジングの入力部および出力部から絶縁するのに役立つことを特徴とする増幅器。
2. 分割手段がバー（１７）を含んでおり、このバー（１７）が、導電性の外表面を有し、増幅器の入力部から出力部に向かう方向に整列し、サポートとカバーとの間の、増幅回路を形成する集積回路の縁部に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の増幅器。
3. バーが整列した二つのセグメント（１７、１７２）として形成されることを特徴とする請求項２に記載の増幅器。
4. 増幅回路が、高周波帯域より高い低カットオフ周波数をもつ遷移スペース（２２）を含んでおり、この遷移スペース内で、補助導波路（２３、２４）の特性が変更されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の増幅器。
5. さらにこのフタと増幅回路のカバーとの間のスペース（３３）が、増幅器の高周波帯域内にある周波数をもつ信号を伝搬させるのに不適当な特性をもつ追加導波路（４１〜４３）によって分割されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の増幅器。
6. フタとカバーとの間のスペースが、導電性の外表面をもつ弾性バーによって分割されることを特徴とする請求項５に記載の増幅器。
7. 補助導波路または追加導波路の寸法がＬＳＭ１１モードまたはＴＥ１０モードを伝搬させるのに不十分であることを特徴とする請求項１に記載の増幅器。
8. カバー（１１）が金属製であることを特徴とする請求項１に記載の増幅器。

Images