JP4475569B2 - 周波数可変インピーダンス整合回路 - Google Patents

Description

本発明は、各種高周波回路に用いられるインピーダンス整合回路において、その整合周波数を可変とする周波数可変インピーダンス整合回路に関するものである。

従来のインピーダンス整合回路においては、整合回路を構成する複数個の可変リアクタンス素子に要求されるリアクタンス値が互いに異なるため、その可変リアクタンス素子の制御電圧印加回路が複雑化してしまう問題があった。

これに対して、固定インダクタの両端に２つの可変キャパシタが接続された周波数可変インピーダンス整合回路がある（例えば、特許文献１参照）。固定インダクタのインダクタンスをＬ、負荷側及び信号源側のインピーダンスをそれぞれ実数値Ｚ_Ｌ、Ｚ_０（Ｚ_Ｌ≠Ｚ_０）とすると、角周波数ωにおける整合条件として、可変キャパシタＣ_１、Ｃ_２の取るべき値は、下式（１）、（２）で与えられる。

したがって、上式（１）、（２）に基づいて可変キャパシタの値を設定することで、周波数可変インピーダンス整合回路を得ることができる。

特開平９−３０７３３１号公報（第１頁、図１）

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。従来の周波数可変インピーダンス整合回路においては、Ｚ_Ｌ≠Ｚ_０であるため、上式（１）、（２）から明らかなように、可変キャパシタはＣ_１≠Ｃ_２となり、各々の可変キャパシタに対して個別の制御電圧を印加するための制御回路が必要となる。したがって、回路内の各々の可変素子に対して制御回路が必要となることにより、回路の複雑化、寸法の増大を招いてしまう問題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、各可変リアクタンス回路の制御回路を共通化することで回路の簡素化、小型化を実現することのできる周波数可変インピーダンス整合回路を得ることを目的とする。

本発明に係る周波数可変インピーダンス整合回路は、結合端子及び通過端子を備え、結合度が３ｄＢでなく、整合回路として動作する方向性結合器と、結合端子及び通過端子のそれぞれに個別に接続された同一特性を有する可変リアクタンス回路と、可変リアクタンス回路のそれぞれに対して制御電圧を印加するための共通の制御電圧印加端子とを備えるものである。

本発明によれば、同一特性を有する可変リアクタンス回路を方向性結合器に対して接続して周波数可変インピーダンス整合回路を構成することにより、各可変リアクタンス回路の制御回路を共通化することができ、回路の簡素化、小型化を実現することのできる周波数可変インピーダンス整合回路を得ることができる。

以下、本発明の周波数可変インピーダンス整合回路の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における周波数可変インピーダンス整合回路を含む可変増幅器全体の回路構成図である。誘電体基板１１の上に、マイクロストリップ線路からなる方向性結合器の一種であるランゲカプラ１２が構成されている。このランゲカプラ１２の結合度は３ｄＢではない値に設定されている。

ランゲカプラ１２は、入力端子、結合端子、通過端子及びアイソレーション端子の４端子を備えている。ランゲカプラ１２の通過端子及び結合端子には、ボンディングワイヤ１９を含むバラクタダイオード１３、高インピーダンスの伝送線路１４、直流阻止用のキャパシタ１５及び接地用のバイアホール１６からなる互いに同一特性を有する可変リアクタンス回路が接続される。

また、それぞれの高インピーダンスの伝送線路１４には、高周波信号の漏洩を防ぐ抵抗パターン１７が接続されており、それぞれの抵抗パターン１７の先端は、可変リアクタンス回路に制御電圧を印加するための共通の制御電圧印加端子１８に接続されている。

また、ランゲカプラ１２のアイソレーション端子には、被整合デバイスであるトランジスタ３１がボンディングワイヤ１９を介して接続され、トランジスタ３１の出力端子には出力側整合回路が適宜接続される。

なお、可変リアクタンス回路に用いられる可変リアクタンス素子としては、バラクタダイオード１３に限定されない。バラクタダイオード１３のほかに、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いた各種可変デバイスや強誘電体、ＹＩＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ｉｒｏｎ Ｇａｒｎｅｔ）などの可変性を有する材料からなる可変デバイスも適用可能である。

次に、図１のような回路構成を有する周波数可変インピーダンス整合回路の動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態１における周波数可変インピーダンス整合回路の等価回路図であり、図１のトランジスタ３１を除く部分の等価回路図を示している。

ランゲカプラ１２の結合度をＣ（０＜Ｃ＜１）、可変リアクタンス回路の反射係数をともにΓ、被整合デバイスの反射係数をΓ_Ｌとすると、図中に示すように、可変リアクタンス回路を含む方向性結合器のＳ行列はＣ、Γにより表現され、入力端子からみた反射係数Γ_ｉｎは下式（３）となる。

ここで、可変リアクタンス回路の抵抗成分は、その寄生成分のみが僅かに存在するとし、｜Γ｜≒１であるとする。上式（３）の第１項は、入力端子からの入射波のうちランゲカプラ１２の入力端で反射する成分を表し、第２項は、ランゲカプラ１２を経て被整合デバイスで反射し入力端子に戻る成分を表している。

したがって、結合度Ｃ、及び可変リアクタンス回路の反射係数Γ（｜Γ｜≒１）の位相を適切に選ぶことによってΓ_ｉｎ＝０とすることができ、整合回路として動作することとなる。そして、一般に周波数と共に被整合デバイスの反射係数Γ_Ｌの振幅、位相は変化するため、可変リアクタンス回路の反射係数ΓをΓ_ｉｎ≒０となるよう適宜制御することで、周波数可変インピーダンス整合回路として動作する。

また、本実施の形態１においては、２つの同一特性を有する可変リアクタンス素子が常に同一値のリタクタンスを呈するよう機能させるため、その制御電圧を等しくすることができる。これにより、制御回路の個数を低減あるいは共通化することができ、回路全体の簡素化、小型化を図ることができる。

なお、結合度Ｃ^２＝０．５とした場合は、結合度３ｄＢの３ｄＢハイブリッドとなるが、その場合には、上式（３）は、下式（４）となる。

前述したように、｜Γ｜≒１であり、また、Γ_Ｌは、被整合デバイスの反射係数であるため常にΓ_Ｌ≠０となることから、｜Γ_ｉｎ｜≒｜Γ_Ｌ｜となり、結合度Ｃ^２＝０．５の関係が成立する状態では、決して整合状態とすることができない。このように、結合度を３ｄＢとした場合は、整合回路としては動作せず、従来から広く知られている反射形移相器として機能することになる。したがって、本実施の形態１では、方向性結合器の結合度は、３ｄＢでない値を取る必要がある。

実施の形態１によれば、結合度が３ｄＢでなく、整合回路として働く方向性結合器の結合端子及び通過端子に、互いに同一特性を有する可変リアクタンス回路を各々接続することにより、周波数可変インピーダンス整合回路を構成することができる。また、これら２つの可変リアクタンス回路の制御電圧は、常に同一値のリタクタンスを呈するよう機能させることにより、同一の制御回路を用いることが可能となり、回路の簡素化、小型化を図ることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、実施の形態１に示した周波数可変インピーダンス整合回路を単位回路として、それを縦続接続した場合について説明する。図３は、本発明の実施の形態２における周波数可変インピーダンス整合回路を含む可変増幅器全体の回路構成図である。誘電体基板２１の上に、マイクロストリップ線路からなる方向性結合器の一種であるランゲカプラ２２ａ、２２ｂが構成されている。

ランゲカプラ２２ａ、２２ｂは、入力端子、結合端子、通過端子及びアイソレーション端子の４端子をそれぞれ備えている。ランゲカプラ２２ａの通過端子及び結合端子には、ボンディングワイヤ２９を含むバラクタダイオード２３ａ、高インピーダンスの伝送線路２４ａ、直流阻止用のキャパシタ２５及び接地用のバイアホール２６からなる互いに同一特性を有する可変リアクタンス回路が接続される。それぞれの高インピーダンスの伝送線路２４ａには、高周波信号の漏洩を防ぐ抵抗パターン２７が接続されており、それぞれの抵抗パターン２７の先端は、可変リアクタンス回路に制御電圧を印加するための共通の制御電圧印加端子２８ａに接続されている。

同様に、ランゲカプラ２２ｂの通過端子及び結合端子には、ボンディングワイヤ２９を含むバラクタダイオード２３ｂ、高インピーダンスの伝送線路２４ｂ、直流阻止用のキャパシタ２５及び接地用のバイアホール２６からなる互いに同一特性を有する可変リアクタンス回路が接続される。それぞれの高インピーダンスの伝送線路２４ｂには、高周波信号の漏洩を防ぐ抵抗パターン２７が接続されており、それぞれの抵抗パターン２７の先端は、可変リアクタンス回路に制御電圧を印加するための共通の制御電圧印加端子２８ｂに接続されている。

ここで、ランゲカプラ２２ａ、２２ｂの結合度、バラクタダイオード２３ａ、２３ｂの容量値、及び伝送線路２４ａ、２４ｂの呈するリタクタンス成分は互いに異なっており、ランゲカプラ２２ａのアイソレーション端子と、ランゲカプラ２２ｂの入力端子との間には、バラクタダイオード２３ａ、２３ｂの制御電圧を互いに分離するための直流阻止用キャパシタ３２が接続されている。

また、ランゲカプラ２２ｂのアイソレーション端子には被整合デバイスであるトランジスタ３１がボンディングワイヤ２９を介して接続され、トランジスタ３１の出力端子には出力側整合回路が適宜接続される。

図３の回路構成は、図１の回路構成を有する周波数可変インピーダンス整合回路を単位回路として、それを縦続接続したものであり、基本的な動作は実施の形態１で説明したものと同一である。

実施の形態２によれば、単位回路を縦続接続した周波数可変インピーダンス整合回路を用いることにより、回路の自由度を増すことができる。これにより、各単位回路の回路パラメータを適切に設定することで、インピーダンス変成比、あるいは整合帯域幅を大きくすることが可能な周波数可変インピーダンス整合回路を容易に得ることができる。

本発明の実施の形態１における周波数可変インピーダンス整合回路を含む可変増幅器全体の回路構成図である。 本発明の実施の形態１における周波数可変インピーダンス整合回路の等価回路図である。 本発明の実施の形態２における周波数可変インピーダンス整合回路を含む可変増幅器全体の回路構成図である。

符号の説明

１１、２１ 誘電体基板、 １２、２２ａ、２２ｂ ランゲカプラ（方向性結合器）、 １３、２３ａ、２３ｂ バラクタダイオード、 １４、２４ａ、２４ｂ 高インピーダンス線路、 １５、２５、３２ キャパシタ、 １６、２６ 接地用バイアホール、 １７、２７ 抵抗パターン、 １８、２８ａ、２８ｂ 制御電圧印加端子、１９、２９ ボンディングワイヤ、３１ トランジスタ。

Claims (3)

1. 結合端子及び通過端子を備え、結合度が３ｄＢでなく、整合回路として動作する方向性結合器と、
   前記結合端子及び前記通過端子のそれぞれに個別に接続された同一特性を有する可変リアクタンス回路と、
   前記可変リアクタンス回路のそれぞれに対して制御電圧を印加するための共通の制御電圧印加端子と
   を備えることを特徴とする周波数可変インピーダンス整合回路。
2. 請求項１に記載の周波数可変インピーダンス整合回路を複数個縦続接続することにより構成されることを特徴とする周波数可変インピーダンス整合回路。
3. 請求項１に記載の周波数可変インピーダンス整合回路を、キャパシタを介して複数個縦続接続することを特徴とする周波数可変インピーダンス整合回路。

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