JP4242287B2 - 高電力可変スライドｒｆ同調 - Google Patents

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Description

本発明は電子回路およびシステムに関する。特に、本発明は、無線周波数高電力増幅器において使用される可変キャパシタに関する。
高電力増幅器無線周波数（ＲＦ）用トランジスタは電力が増大している。最近の数年においてセル電話帯域で使用されるＲＦトランジスタの電力はほぼ２年毎に２倍になっている。増幅回路はしばしば数千または数百万ワットの電力を発生するために複数のこのようなトランジスタを一緒に使用する。しかしながら、高電力トランジスタ増幅器を構成している他の集中定数素子コンポーネント（例えばキャパシタ、抵抗、インダクタ等）の電力処理能力はそれ程急速に増加されてしいない。それ故、最新の電力トランジスタを使用する高電力ＲＦ増幅器の設計は高電力集中定数素子コンポーネントが得られないために困難になっている。特に、必要な電力レベルを処理することのできる可変ＲＦ同調キャパシタは得られていない。
典型的な高電力ＲＦマイクロストリップ増幅器では、５０オームの入力伝送ラインを遥かに低いインピーダンスの伝送ライン（幅の広い伝送ライン）へ変換する。異なった幅の伝送ライン間の転移部においてシャントキャパシタが必要とされる。低インピーダンス伝送ラインはそれからトランジスタの入力（ゲート）に接続される。同様の実施形態はトランジスタの出力（ドレイン）において使用される。
これらの形式の整合ネットワークは５０オームをトランジスタのもっと小さい入力／出力インピーダンス（ほぼ１オーム程度）に変換するために使用されている。シャントキャパシタを可変にすることにより、整合ネットワークは同調させることができる。この同調はトランジスタの特性、回路板の特性、および回路のエツチングの許容誤差、ならびに増幅器回路中に存在するその他の集中定数素子コンポーネントの変動を考慮するために必要である。
集中定数素子可変キャパシタは２００Ｗまでの電力を処理することのできる能力を有している。しかしながら、電力出力がこの能力を超えてほんの少量増加して出力されてもキャパシタは故障する。もっと高電力増幅器の可変キャパシタは利用可能であるが、それらはＲＦ周波数には適していない（それらは９００ＭＨｚより下で共振する）。
したがって、高周波で高電力で供給される電圧および電流レベルを処理することが可能な改良されたキャパシタが技術において必要とされている。
この要求は本発明の高電力無線周波数増幅器の出力インピーダンスに整合する回路によって達成される。本発明の整合回路は、誘電体基板上に配置されて高電力無線周波数増幅器の出力に結合されているマイクロストリップ伝送ラインと、選択可能なシャントキャパシタンスを与える可変キャパシタとを具備し、この可変キャパシタは、誘電体基板上に配置され、マイクロストリップ伝送ラインよりも高いインピーダンスのマイクロストリップラインセクションを通ってＴ字形の接続部においてマイクロストリップ伝送ラインに結合されているオープン回路のマイクロストリップパッチと、このマイクロストリップパッチと誘電体基板の接地平面との間の誘電体基板中に設けられている空洞と、空洞内で前記誘電体基板の表面に平行に往復運動するように構成されている誘電体スタブとを具備しており、この誘電体スタブは、高電力無線周波数増幅器の出力インピーダンスを伝送ラインの特性インピーダンスに整合させるようなシャントキャパシタンスを与えるような位置で空洞内に挿入されている。
例示的な実施形態において、空洞は、４つの方形の側壁と、方形の頂面と、方形の底面とを有する方形体である。例示的な実施形態では、マイクロストリップパッチとスタブもまた方形である。電気機械的アクチュエータは誘電体スタブを空洞に出入りするように直線的に往復運動させて制御システムに応答して所望量のキャパシタンスを提供する。
添付図面を参照にして本発明の特徴と利点を明らかにするために例示的な実施形態および例示的な応用について詳細に説明する。
ここで本発明は特定の応用に対する例示的な実施形態を参照に説明するが、本発明はそれに限定されるものではないことを理解すべきである。当業者は本発明の技術的範囲内の付加的な変形、応用および実施形態および本発明が利用できる付加的な分野を認識することができるであろう。
図１は高電力ＲＦマイクロストリップ増幅器100 の典型的な実施形態の概略図である。５０オームの入力伝送ライン10は遥かに低いインピーダンスの伝送ライン12（幅の広い伝送ライン）へ転移する。異なった幅の２つの伝送ラインの間の転移部において、接地点へのシャントキャパシタ（Ｃ1 ，Ｃ2)が配置されている。低インピーダンスの伝送ライン12はトランジスタ（Ｍ1 ，Ｍ2)の入力（例えばゲート）へ接続される。類似した構成はトランジスタの出力（例えばドレイン）でも使用されている。トランジスタ（Ｍ1 ，Ｍ2)の出力は低インピーダンスの伝送ライン14へ接続され、それは５０オームの出力伝送ライン16へ転移される。異なった幅の伝送ラインの間の転移部において、接地点へのシャントキャパシタ（Ｃ3 ，Ｃ4 ）が配置されている。
（Ｃ1 ，Ｃ 2，Ｃ3 ，Ｃ4 ）は典型的には通常入手可能な集中定数素子キャパシタである。しかしながら、これらのキャパシタは高電力ＲＦトランジスタで利用できるレベルの電力を処理することはできない。本発明によれぱＲＦおよびマイクロ波周波数で機能することのできる回路板自体中に集積される高電力スライド同調キャパシタが提供される。
図２は本願発明により設計されたスライド同調キャパシタを含む整合回路200 を示している。分布キャパシタ22の上部電極を構成しているマイクロストリップパッチは、図示のようにマイクロストリップ伝送ラインよりも幅の狭い、したがって高いインピーダンスのマイクロストリップラインセクションを通ってＴ字形の接続部においてマイクロストリップ伝送ラインの回路トレース20に接続されている。これらのマイクロストリップパッチとマイクロストリップ伝送ラインとマイクロストリップラインセクションとは誘電体基板26の表面に形成された導電層をエッチングすることにより形成されている。マイクロストリップパッチの下側の誘電体基板26中には空洞28が機械加工により形成されている。ヒートシンクまたは接地平面24は誘電体基板26の下面に形成されている。空洞28は分布キャパシタ22の下の誘電体基板26中にチャンネルを形成している。この空洞28のチャンネルよりも少し小さい誘電体材料の方形部材すなわち誘電体スタブ30が空洞28のチャンネル中に挿入されており、この誘電体スライドチューナである誘電体スタブ30の挿入の深さを変えることにより分布キャパシタ22のキャパシタンスの値を変更することができる。
図３は本発明により設計されたスライドチューナキャパシタの例示的なディメンションを示している。この図で、分布素子キャパシタ22の長さはＬであり、誘電体スライドチューナ30の挿入量（分布キャパシタ22の下に位置するスライドチューナ30の長さ）はｄである。
１０００ＭＨｚ付近の周波数に対して、集中定数素子と分布定数素子に対して指定された間の周波数範囲において、本発明は平行板キャパシタまたは伝送ラインスタブのいずれかとしてモデル化される。
平行板モデルでは、接地平面24は１つの平面であり、分布キャパシタ22は他方の平面である。２つの平面の間の領域は部分的に誘電体で充填され（長さｄ）、部分的に空気で充填され（長さＬ−ｄ）ている。これがマクスウエルの方程式を使用してモデル化されているならば、このポートにキャパシタンスが存在し、２つのプレート間の誘電体の長さの変化がキャパシタンスを変化させることが認められる。
伝送ラインモデルでは、分布キャパシタンス22は一端が開路された伝送ラインである。電磁波は分布キャパシタ22と接地平面24の間の領域を伝搬する。この領域は部分的に誘電体で充填され（長さｄ）、部分的に空気で充填され（長さＬ−ｄ）ている。誘電体中を伝搬する電磁波は空気中を伝搬する電磁波よりも短い波長を有する。したがって、分布キャパシタ22の下に挿入される誘電体スタブの長さｄが大きくなれば、このポートで認められるキャパシタンスが増加する。
これら２つのモデルに対して数学的ソフトウエアを使用して解くと同じ解が得られる。シャントキャパシタンスＣは次の式で示される。
Figure 0004242287
ここで、Ｆは周波数、Ｚc1およびβ1 はそれぞれスライドチューナを下に有する分布キャパシタラインの特性インピーダンスおよび波数であり、Ｚc1およびβ1 はそれぞれスライドチューナを下に有していない分布キャパシタラインの特性インピーダンスおよび波数である。
ｄの値を変更することによって、キャパシタンスＣは広い範囲で変化させることができる。この性質を有するスライドチューナは構成され試験された結果ピコファラッドから２０乃至３０ピコファラッドの範囲で変化させることに成功した。
本発明は印刷回路板を製造するための標準的な材料および技術を使用して実施される。誘電体スライドチューナ30は回路板の誘電体基板と同じ材料或いは異なる材料を使用して製造されることができる。回路板の誘電体よりも高い誘電体率のスライドチューナを使用することによりさらに優れたキャパシタンス効果が得られる。これは分布キャパシタ22に対してさらに小さい導体パッチを使用することを可能にする。しかしながら、パッチが小さくなり過ぎると誘電体チューナがスライドする距離が小さくなり、同調点を得ることが不可能ではないが、困難になる。
チャンネル28を生成する方法は以下のとおりである。当業者はチャンネルを生成する任意の方法が本発明の技術的範囲を逸脱せずに可能であることを認識するであろう。回路板上に回路がエツチングで形成された後、基板の両側に銅（または他の導体）層が形成されており、その一方はエツチングされ、他方は接地平面である。チャンネル28は接地平面側から注意深く切込まれ、接地平面の導電体の銅の一部を除去される。その後、ヒートシンク（アルミニウムまたはその他の導体で形成されたプレート）が接地平面に取付けられる。これは本質的にもとの接地平面を置換し、それ故、切込まれた部分は問題がない。
キャパシタンスＣに対して与えられた前記の式は分布キャパシタ22と接地平面24との間の誘電体基板の全てが除去されることを確実にする。実際には、誘電体の全てを除去しようとすると非常に薄い銅のエツチング層を破壊する恐れがある。有効な妥協点としては誘電体の７０乃至８０％が除去されて残りは銅のエツチング層の支持体として残される。
スライドチューナの付加的な利点はロボット同調（自動的同調）の構成が容易にできることである。通常の同調キャパシタでは基板に隣接したスクリューをオペレータが手動で動作させる必要があるが、現在設計されている高電力増幅器増幅器ではこれは安全ではない。
図４は本発明により設計されたロボット同調を有するスライドチューナキャパシタ200 を示している。この設計では誘電体スライドチューナ30は電気機械的アクチュエータ32に結合でそれている。コンピュータまたは制御装置34はアクチュエータ32を駆動して誘電体30を自動的にスライドさせてユーザおよび／またはシステム入力に応答してキャパシタンスを所望の値にする。当業者はこのタイプの装置は、増幅器の性能がスライドチューナの位置により自動的に最適化されることができる自動試験／同調環境にらおいて使用できることを認識するであろう。
以上、本発明は、特定の応用に対する特定の実施形態を参照して説明した。
当業者は本発明の技術的範囲を逸脱することなく付加的な変形、変更、応用および実施形態が可能であることを認識するであろう。
それ故、このような変形、変更、応用および実施形態の全ては特許請求の範囲によって規定された本発明の技術的範囲に含まれることを意図している。
通常の高電力ＲＦマイクロストリップ増幅器の概略図。 本発明によるスライド同調キャパシタの概略図。 本発明により設計されたスライド同調キャパシタの臨界的なディメンションを示した概略図。 本発明により設計された自動同調機構を備えたスライド同調キャパシタの概略図。

Claims (7)

  1. 高電力無線周波数増幅器の出力インピーダンスに整合するための回路において、
    誘電体基板(26)上に配置されて高電力無線周波数増幅器の出力に結合されているマイクロストリップ伝送ライン(20)と、
    選択可能なシャントキャパシタンスを与える可変キャパシタとを具備し、
    前記可変キャパシタは、
    誘電体基板(26)上に配置され、マイクロストリップ伝送ライン(20)よりも狭い幅で高いインピーダンスのマイクロストリップラインセクションを通ってＴ字形の接続部において前記マイクロストリップ伝送ライン(20)に結合されているオープン回路のマイクロストリップパッチ(22)と、
    このマイクロストリップパッチ(22)と前記誘電体基板(26)の背面の接地平面(24)との間の誘電体基板(26)中に設けられている空洞(28)と、
    前記空洞(28)内で前記誘電体基板(26)の表面に平行に往復運動するように構成されている誘電体スタブ(30)とを具備し、
    前記マイクロストリップパッチ (22) の幅はマイクロストリップ伝送ライン (20) の幅よりも広い幅を有しており、
    前記誘電体スタブ (30) の誘電体は、前記誘電体基板 (26) の誘電体の誘電率よりも高い誘電率を有しており、
    前記誘電体スタブ(30)は、前記高電力無線周波数増幅器の出力インピーダンスを伝送ラインの特性インピーダンスに整合させるようなシャントキャパシタンスを与えるような位置で空洞内に挿入されている回路。
  2. 前記誘電体基板(26)の接地平面(24)はヒートシンクを含んでおり、このヒートシンクは空洞 (28) の下側の接地平面として機能している請求項１記載の回路。
  3. 前記マイクロストリップパッチは方形である請求項１記載の回路。
  4. 前記誘電体スタブは、４つの方形の側壁と、方形の頂面と、方形の底面とを有する方形体である請求項１記載の回路。
  5. 前記可変キャパシタはさらに、前記空洞(28)内において前記誘電体スタブ(30)を直線的に移動させる手段を備えている請求項１記載の回路。
  6. 前記誘電体スタブ(30)を直線的に移動させる手段は、電気機械的アクチュエータを備えている請求項５記載の回路。
  7. 高電力無線周波数増幅器の出力インピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスに整合させるための可変キャパシタンスを具備しているシステムにおいて、
    誘電体基板(26)上に配置されて高電力無線周波数増幅器の出力に結合されているマイクロストリップ伝送ライン(20)と、
    選択可能なシャントキャパシタンスを与える可変キャパシタとを具備し、
    前記可変キャパシタは、
    誘電体基板(26)上に配置され、マイクロストリップ伝送ライン(20)よりも狭い幅で高いインピーダンスのマイクロストリップラインセクションを通ってＴ字形の接続部において前記マイクロストリップ伝送ライン(20)に結合されているオープン回路のマイクロストリップパッチ(22)と、
    このマイクロストリップパッチ(22)と前記誘電体基板(26)の背面の接地平面(24)との間の誘電体基板(26)中に設けられている空洞(28)と、
    前記空洞(28)内で前記誘電体基板(26)の表面に平行に往復運動するように構成されている誘電体スタブ(30)とを具備し、
    前記誘電体スタブ (30) の誘電体は、前記誘電体基板 (26) の誘電体の誘電率よりも高い誘電率を有しており、
    前記マイクロストリップパッチ (22) の幅はマイクロストリップ伝送ライン (20) の幅よりも広い幅を有しており、
    システムはさらに、前記誘電体スタブ(30)に結合されてそれを移動させる電気機械的アクチュエータと、
    制御信号をこの電気機械的アクチュエータに与える手段とを具備し、
    前記誘電体スタブ(30)は、前記高電力無線周波数増幅器の出力インピーダンスを伝送ラインの特性インピーダンスに整合させるようなシャントキャパシタンスを与えるような位置で空洞内に挿入されているシステム。
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