JP4744615B2

JP4744615B2 - マイクロ波、ミリ波帯増幅回路及びそれを用いたミリ波無線機

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Publication number: JP4744615B2
Application number: JP2009043982A
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Inventors: 直幸栗田
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Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2011-08-10
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Description

本発明は、マイクロ波帯やミリ波帯に属する高周波信号を増幅する機能を有する、マイクロ波、ミリ波帯増幅回路及びそれを用いたミリ波無線機に関するものである。

３ＧＨｚから３０ＧＨｚ程度の周波数であるマイクロ波、および３０ＧＨｚを超える周波数であるミリ波などの周波数は、それ以下の周波数と異なり、利用帯域が逼迫しておらず、ひとつの用途に使用できる帯域を非常に広く取ることができるという特徴がある。このため、高速、広帯域通信システムなどへの応用が期待され、様々な半導体プロセスを利用して、送受信用回路の開発が盛んに行われている。

伝送信号を増幅する機能を有する増幅回路を上記のような広帯域通信システムに適用するには、帯域内のすべての周波数範囲に渡って平坦な利得を持つことが要求される。増幅回路の利得の広帯域化を実現する方法として、図１４に示す負帰還型や、図１５に示す抵抗整合型が広く知られている（例えば、非特許文献１参照）。

図１４の負帰還型増幅回路は、トランジスタ１１、１２を増幅素子とする２段構成の例を示す。１１、１２のドレイン端子とゲート端子へのバイアス電源V_d, V_gを供給するための回路７３、７４が接続され、トランジスタ１１、１２が動作する。本回路はトランジスタのゲート電極とドレイン電極間に抵抗６１を挿入したり、ソース電極に抵抗６２を介して接地したりすることによって、入力から出力へ伝達される被増幅信号の一部を入力側に戻す作用を持たせ、増幅回路全体の利得の平坦化を図るものである。なお、容量７５はバイアス電源からの直流電流を阻止するために挿入されており、増幅回路の動作そのものには影響を与えない容量値を持つ。

図１５の抵抗整合型増幅回路は、トランジスタ１１、１２のゲート電極、あるいはドレイン電極とグランドとの間に抵抗素子７１、７２を接続し、入力から出力へ伝達される被増幅信号の一部をグランドへ流す作用を持たせてトランジスタを安定化させ、増幅回路全体の利得の平坦化を図るものである。なお、容量７５はバイアス電源からの直流電流がグランドへ流れることを阻止するために挿入されており、増幅回路の動作そのものには影響を与えない容量値を持つ。

また、特許文献１には、複数のトランジスタが多段に縦続接続された増幅回路において、各段間の整合回路の中心周波数を意図的にずらして設計し、最終段の整合回路の中心周波数を、所望の帯域の中心になるように設計し、増幅回路全体の利得の広帯域化を図るものが開示されている。

特許文献２にも、複数種類の周波数帯域の信号の電力増幅を行うために、電力増幅アンプＡＭＰを複数段の構成として広帯域化を図ったものが開示されている。

さらに、特許文献３には、素子サイズが単調に増加するように構成した多段縦接続の増幅器と、異なる周波数の信号を切り替えるスイッチとを組み合わせることで、周波数帯の異なる方式を共用できるようにした増幅器の例が開示されている。

特開２００３−９２５２０号公報特開２００８−８５９２９号公報特開２００８−１０４２２１号公報

伊藤康之、高木直著「ＭＭＩＣ技術の基礎と応用」リアライズ理工センター１９９２年

図１４、図１５に示した上記の従来例は、いずれも増幅回路の一部に抵抗素子を追加して利得の平坦性を得るものであるが、抵抗素子による損失が大きく、トランジスタ自体が有する増幅率のうち、増幅回路全体の増幅率に反映される割合が小さくなるという問題がある。よって、トランジスタがその増幅作用を保つことができる最大の周波数である最高発振周波数f_maxに近い周波数を動作周波数とするマイクロ波帯、ミリ波帯の増幅回路においては、上記の従来例を適用すると利得を確保することが困難になる。

上記の従来例のように抵抗素子を利用することなく、無損失素子のみを用いて利得の平坦性を得る技術として、特許文献１にて開示されている例が挙げられる。

ただ、特許文献１にて想定している整合回路の周波数特性は、使用帯域の中心近傍で所望の特性が得られるようにしたバンドパス型であり、その整合回路には低周波数側と高周波数側の両領域での伝送信号を遮断するための回路素子を含む必要がある。そのため必要な回路素子の数が増え、マイクロ波帯、ミリ波帯の高い周波数領域においては、それらの回路素子が含むわずかな損失分をも増幅回路の利得に影響を与える場合が考えられる。

また、特許文献２には、その図１（Ｂ）に示された多段電力増幅アンプに関して、「アクティブ素子が同じであったとしても、ゲイン特性における最大ゲインＡmax の周波数範囲は、信号レベルが小さいときには広くできるが信号レベルが大きいときには狭くなる傾向にあり、この点を踏まえると、信号レベルが小さな前段の電力増幅アンプAMP の増幅率の方を、信号レベルが大きな後段の電力増幅アンプAMP の増幅率の方よりも大きく設定するのが、全体としての広帯域化の上では都合がよいと考えられる」旨の記載がある。すなわち、電力増幅アンプの初段では周波数を大きくし、終段では周波数を小さくする思想が開示されていると考えられる。特許文献２では、このような多段電力増幅アンプは、整合回路の設計が難しくなるとして、経路切替え用のスイッチ回路を採用することが提案されている。

ただ、このような切り替えスイッチの採用は、特許文献３に開示された方式も含め、装置の高速化や小型化が困難になるという課題を生ずる。

本発明が解決しようとする課題は、トランジスタがその増幅作用を保つことができる最大の周波数である最高発振周波数f_maxに近くトランジスタとしては性能の低い領域近傍の周波数を動作周波数としながら、広帯域に渡り平坦な利得を得ることが出来ると共に、装置の高速化を図りサイズの増大を抑えることの出来る、マイクロ波、ミリ波帯増幅回路、及びそれを用いたミリ波無線機を提供することにある。

本発明の代表的な構成を示すと次の通りである。本発明のマイクロ波・ミリ波帯増幅回路は、複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタを縦続接続する複数の整合回路とを備えた増幅回路であって、前記複数のトランジスタの最高発振周波数は、各々異なり、前記複数のトランジスタのサイズは、入力側から出力側に向かって順次大きくなり、前記トランジスタを接続する整合回路は、各々ハイパス特性を有しており、各低域遮断周波数が入力側から出力側に向かって順次低くなるように構成されており、該増幅回路の利得がバンドパス型周波数特性を有しており、該バンドパス型周波数特性の高周波側の利得制限特性は前記トランジスタ自体の周波数特性に基づき実現され、低周波側の利得制限特性は前記整合回路のカットオフ周波数に基づき実現されていることを特徴とする。

本発明は、切替えスイッチなどを採用しない簡便な回路構成として、高速化に対応した小型のマイクロ波、ミリ波帯増幅回路、及びそれを用いたミリ波無線機を提供することができる。

トランジスタの利得の周波数特性を説明する図である。本発明の基本構成、および利得の周波数特性の概形を示す図である。本発明の基本構成、および利得の周波数特性の概形を示す図である。本発明の第１の実施例になる増幅器の回路図である。本発明の第１の実施例になる増幅器の、トランジスタの利得の周波数特性を示す図である。本発明の第１の実施例になる増幅器の、段間整合回路の周波数特性を示す図である。本発明の第１の実施例になる増幅器の、段間整合回路とトランジスタを合成した周波数特性を示す図である。本発明の第１の実施例になる増幅器の、利得の周波数特性を示す図である。本発明の第２の実施例になる増幅器の回路図である。示す図である。異なるゲート幅W_gを持つＧａＡｓ電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）の、利得の周波数特性を示す図である。異なるエミッタ面積を持つＳｉＧｅバイポーラトランジスタの、利得の周波数特性を示す図である。本発明の増幅回路を含む、ミリ波無線機の構成例を示す図である。図１２のミリ波無線機をＲＦモジュール化した例を示す図である。第１の従来例になる増幅器の回路図である。第２の従来例になる増幅器の回路図である。

本発明は、トランジスタのサイズが入力段から出力段に向かって段階的に大きくなる構成を持つ複数段の縦続接続構成の増幅回路において、各トランジスタ同士を接続し、被増幅信号を入力から出力に向かって伝達する機能を有する段間整合回路がハイパスフィルタとしての周波数特性を持ち、かつ、それらのカットオフ周波数（低域遮断周波数）が、入力から出力に向かって段階的に低くなるように設定されていることを１つの特徴とする。

以下、図面を参照して本発明の基本的な概念態について詳細に説明する。
図１は、複数のトランジスタを縦続接続して構成される増幅回路に用いられる、サイズの異なる１段目、２段目・・・ｎ段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amax、および最大安定利得G_msの周波数特性の模式図である。図１において、３１は１段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性、３２は２段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性、３ｎはｎ段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性、３１ａは１段目のトランジスタの最大安定利得G_msの周波数特性、３２ａは２段目のトランジスタの最大安定利得G_msの周波数特性、３ｎａはｎ段目のトランジスタの最大安定利得G_msの周波数特性を、各々示している。

トランジスタのサイズが大きくなると、容量性、誘導性の寄生成分が大きくなるため、一般にG_amaxが０dBとなる最高発振周波数f_maxが小さくなり、トランジスタの性能が劣化する。図１では、１段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性３１と最大安定利得G_msの周波数特性３１ａの性能が最も高く、２段目のトランジスタの周波数特性３２と３２ａ、およびｎ段目のトランジスタの周波数特性３ｎと３ｎａなる特性のトランジスタのサイズは、順次大きくなり、それに伴って性能が劣化する。

一方、無線送受信システムの送信用電力増幅器では、出力電力を大きくするために、入力から出力に向かって、用いられるトランジスタのサイズは順次大きくなるように構成されるのが一般的である。ここで、最大有能電力利得G_amax、および最大安定利得G_msの周波数特性は、トランジスタの４つの散乱パラメータ（Ｓパラメータ）成分S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂を用いて、以下のように式（１）〜（３）で表される。これらのＳパラメータ成分は周波数の関数となっている。

ここで、式（２）のＫは安定係数であり、式（１）の最大有能電力利得G_amaxが定義されるＫ＞１となる周波数範囲において、トランジスタは絶対安定条件下にあり、任意のインピーダンス値を持つ受動素子を接続しても、安定した増幅作用を持つことができる。それに対してＫ＜１となる周波数範囲においては最大有能電力利得G_amaxが実数値を持たず、トランジスタの利得は便宜的に式（３）で表される最大安定利得G_msにより定義される。この周波数範囲では、トランジスタは条件付安定条件下にあり、トランジスタに接続される受動素子のインピーダンス値によっては不安定となり、寄生発振を起こして安定した増幅作用が阻害される。よって、Ｋ＜１となる周波数で増幅器を設計する場合には、トランジスタの近傍に抵抗等の回路素子を接続して利得を減少させて安定化し、Ｋ＞１となるようにするのが一般的である。なお、図中にはＫ＝１となる周波数を、本発明では便宜的に安定動作周波数f_kと定義し、１段目からｎ段目までのトランジスタの安定動作周波数f_kをf_k1, f_k2・・・f_knとして明示している。

本発明の増幅回路は、その動作周波数がトランジスタの最高発振周波数f_maxに近い高周波範囲を想定しており、具体的には、図１において、ｎ段目のトランジスタが持つ、最も低い最高発振周波数f_maxnと、１段目のトランジスタが持つ、最も高い最高安定動作周波数f_k1とではさまれる範囲Ｂに含まれる場合に好適である。ただし、後の実施例で述べるように、バンドパス型周波数特性は、実用上は、範囲Ｂよりも若干狭い、最終段の前記トランジスタの最高発振周波数f_maxnと出力側の整合回路の最小のカットオフ周波数の範囲で、実質的に平坦な利得特性を有するように構成される。

次に、図２、図３を用いて、サイズが異なる任意のｎ個のトランジスタを縦続接続して構成されるマイクロ波、ミリ波帯増幅回路と、その利得の周波数特性を説明する。

図２は増幅回路の構成を示す模式図であり、トランジスタ１１から１ｎのｎ個のトランジスタが縦続接続されている。各トランジスタの直前にはインピーダンス整合を行い、伝送損失を抑制しつつ被増幅信号を伝達する機能を有する整合回路２１、２２・・・２ｎが接続されている。高い出力電力が要求される電力増幅器においては、出力部の整合回路３は出力電力が最も大きくなるインピーダンスに整合するように設計されるのが一般的である。

ここでトランジスタ１１、１２・・・１ｎのサイズをW₁, W₂・・・W_nとすると、これらは入力から出力に向かって順次大きくなるように設定されており、W₁＜W₂＜・・・＜W_nなる関係が成立する。それぞれのトランジスタ単独のG_amaxの周波数特性は、図３の中の３１、３２・・・３ｎに相当する。

各トランジスタの直前に接続される整合回路２１、２２・・・２ｎは、ハイパスフィルタ型の回路構成を持っており、それぞれのカットオフ周波数f₁, f₂, ・・・f_nは、入力から出力に向かって順次低くなるように設計される（f₁＞f₂＞・・・＞f_n）。各トランジスタのG_amaxの周波数特性は、これらの整合回路が接続されることによって、低い周波数範囲がカットされ、４１、４２・・・４ｎに示す破線のような周波数特性を持つことになる。

よって、１段目のトランジスタ１１と整合回路２１の組み合わせにより、そのG_amaxの周波数特性は、曲線４１と曲線３１が滑らかに接続された形状を持つことになり、以下、２段目のトランジスタ１２と整合回路２２の組み合わせでは曲線４２と曲線３２が接続された形状、ｎ段目については曲線４ｎと曲線３ｎが接続された形状となる。１段目からｎ段目までのすべてが縦続接続される増幅回路全体の利得の周波数特性は、上記のすべてのG_amaxの周波数特性の和となり、合成周波数特性５で示すような形状にすることができる。

段間整合回路は、伝送損失を有する抵抗素子を用いず、かつ抵抗素子以外の無損失素子の数も少なくて済む構成となっている。

このように、各段のトランジスタの特性及びサイズの選定と相互の接続順序及び、整合回路２１、２２・・・２ｎの回路素子の調整により、合成周波数特性５で示すように利得特性が下限周波数ｆ_blと上限周波数ｆ_bu間でほぼフラットな、すなわち、形状平坦な利得を一定の周波数範囲内で保持するバンドパス特性を持たせることが可能になる。ここで、平坦部の下限の周波数ｆ_blは下限のカットオフ周波数f_nよりも大きく、平坦部の上限の周波数ｆ_buはトランジスタの最も低い最高発振周波数f_max-3nよりも小さい。

なお、出力整合回路３は本発明においては出力電力を最大にするインピーダンスへの整合を優先させることを想定しており、広帯域特性の発現には寄与していない。ただし、増幅回路に要求される出力電力に余裕があり、必ずしも出力電力を最大とするインピーダンスに整合する必要がない場合においては、出力整合回路３もハイパス型として、そのカットオフ周波数をf_nよりもさらに低く設定し、増幅回路の広帯域特性の発現に寄与させる設計を行うことを妨げない。

本発明の増幅回路においては、バンドパス特性を持つ利得の周波数特性のうち、低周波数側の利得のカットは、複数の整合回路のカットオフ周波数f₁, f₂, ・・・f_nの組み合わせにより実現している。

これに対して、本発明の増幅回路の高周波側の利得のカットは、トランジスタのG_amaxが周波数の増加に伴い減少する、トランジスタ自体が持つ最高発振周波数の特性f_maxnを利用することで実現している。より具体的には、バンドパス特性の上限の周波数ｆ_buを僅かに超えた周波数範囲で、初段のトランジスタの周波数特性は利得がまだ０よりも大きいものの、最終段のトランジスタの周波数特性は利得が負、すなわち減衰作用を行うようになる。このような各段のトランジスタの最高発振周波数特性の相違に基づく増幅作用と減衰作用の組み合わせにより、切り替えスイッチなどを採用することなく、上限の周波数ｆ_buを僅かに超えた周波数範囲で合成周波数特性５の利得が急速に低下する特性、換言するとバンドパス特性を有する多段トランジスタの増幅回路が実現される。

このように、本発明は、バンドパス特性の上限の周波数ｆ_buを実現するのに、トランジスタ自体が持つ最高発振周波数の特性f_maxnを利用する。すなわち、本発明は、トランジスタの最高発振周波数f_maxに近く、その性能に余裕のない高い周波数領域を積極的にバンドパス特性の上限の周波数ｆ_buの形成に利用することで、切替えスイッチなどを採用しない簡便な回路構成としながら、装置の高速化を図りサイズの増大を抑えることが出来る。

以下、より具体的な実施例について、説明する。

図４は、本発明の第１の実施例になる増幅回路の回路図である。電界効果トランジスタ１１、１２、１３が縦続接続された３段構成となっており、各トランジスタにはドレインバイアスとゲートバイアスを加えるためのバイアス回路７３、７４が接続されている。本実施例においては、各トランスジスタのゲート幅W_gは、トランスジスタ１１が８０μm、トランスジスタ１２が１６０μm、トランスジスタ１３が３２０μmであり、入力から出力に向かってW_gが大きくなる（１対2対４の比率で増大する）トランジスタを用いている。さらに、増幅回路の入力端子には入力整合回路２１が構成され、出力端子には出力整合回路３が構成されている。また、各トランジスタ同士は、段間整合回路２２、２３にて接続されている。

入力整合回路２１、および段間整合回路２２、２３は、直列キャパシタ２１ｂ、２２ｂ、２３ｂと、グランド接続されたマイクロストリップ線路により構成されたショートスタブ２１ａ、２２ａ、２３ａからなるハイパス型の周波数特性を持ち、直列キャパシタの容量値と、ショートスタブの長さの組み合わせにより、そのカットオフ周波数を調整することができる。また、出力整合回路３は出力電力が最大となる条件を満たすことを優先させた設計となっているため、マイクロストリップ線路とオープンスタブを組み合わせた構成となっており、増幅回路の広帯域特性の発現には寄与しない。なお、容量７５はバイアス電源からの直流電流を阻止するために挿入されており、増幅回路の動作そのものには影響を与えない容量値を持つ。

図５は、本発明の第1の実施例の増幅器の、トランジスタの利得の周波数特性を示す図である。４４１は増幅回路の1段目のトランジスタ１１の周波数特性を示し、４４２は２段目のトランジスタ１２の周波数特性を示し、４４３は３段目のトランジスタ１３の周波数特性を示している。

図６には、各整合回路の通過量の周波数特性を示している。入力整合回路２１の特性は４１１、段間整合回路２２の特性は４２１、同じく段間整合回路２３の特性は４３１に示すカーブで表される。特性４１１、４２１、４３１の順に、それらのカットオフ周波数が低くなるように構成されている。すなわち、各トランジスタのカットオフ周波数は、入力段から出力段に向かって順次低くなっている。

一方、図７は、本発明の第1の実施例の増幅器の、段間整合回路の周波数特性と対応するトランジスタの周波数特性を各々合成した周波数特性を示す図である。４５１は、増幅回路の入力整合回路２１の周波数特性４１１（図６）と、1段目のトランジスタの周波数特性４４１（図５）を合成した周波数特性である。同様に、４５２は、増幅回路の1段目と２段目の段間整合回路の周波数特性４２１（図６）と、２段目のトランジスタの周波数特性４４２（図５）を合成した周波数特性である。さらに、４５３は、増幅回路の２段目と３段目の段間整合回路の周波数特性４３１（図６）と、３段目のトランジスタの周波数特性４４３（図５）を合成した周波数特性である。

図８は、本実施例による増幅回路全体の利得の周波数特性を示している。図６及び図７に示す周波数特性を持つ整合回路を組み合わせることにより、広い帯域に渡り平坦な利得を持たせることが可能になる。すなわち、合成周波数特性５０で示すように、形状平坦な利得を一定の周波数範囲ｆ_bl−ｆ_bu内で保持するバンドパス特性を持たせることが可能になる。具体例を示すと、規格化周波数０．９から１．２の間で、利得が９．０ｄＢから１０．０ｄＢの範囲内に入っており、１ｄＢ利得変動帯域が、比帯域表示で３０％を示す広帯域特性が得られている。

本実施例のバンドパス特性の上限の周波数ｆ_buは、図８に示した例では、規格化周波数が１．２を僅かに超えた１．３付近で合成周波数特性５０の利得が急速に低下している。これを実現するために、図５に示した各段のトランジスタの周波数特性の中の、３段目のトランジスタ１３の周波数特性４４３が規格化周波数１．３付近で利得が０になっており、同様に図７に示した合成周波数特性４５３が規格化周波数１．２付近で利得が０、合成周波数特性４５２が規格化周波数１．３付近で利得が０になっている。このように、各段のトランジスタの最高発振周波数特性の相違に基づく増幅作用と減衰作用の組み合わせにより、上限の規格化周波数ｆ_buを僅かに超えた周波数範囲で合成周波数特性５０の利得が急速に低下する特性、換言するとバンドパス特性が実現される。本実施例によれば、例えば、１ｄＢ利得変動帯域が、比帯域表示で２０％を超えるバンドパス型周波数特性を、簡単な構成で実現できる。

このように、本実施例のマイクロ波・ミリ波帯増幅回路は、増幅回路の利得がバンドパス型周波数特性を有しており、このバンドパス型周波数特性の高周波側の利得制限特性はトランジスタ自体の周波数特性に基づき実現され、低周波側の利得制限特性は整合回路のカットオフ周波数に基づき実現されているので、広帯域に渡り平坦な利得を得ることが出来ると共に、装置の高速化を図りサイズの増大を抑えることの出来る、マイクロ波、ミリ波帯増幅回路を提供することができる。

特に、トランジスタの最高発振周波数f_maxに近く、その性能に余裕のない高い周波数領域を積極的にバンドパス特性の上限の周波数ｆ_buの領域形成に利用することで、切替えスイッチなどを採用しない簡便な回路構成としながら、装置の高速化を図りかつサイズの増大を抑えることが出来る。

マイクロ波帯、あるいはミリ波帯での増幅回路では、ハイパス特性を発現させる整合回路内の回路素子を、マイクロストリップ線路などの伝送線路で実現させるのが一般的である。しかしこれらにインダクタを用いることも可能である。図９に示した実施例は、実施例１の入力整合回路２１、段間整合回路２２および２３内に、インダクタ２１ａ、２２ａ、２３ａを含んでおり、これらのインダクタと、直列キャパシタ２１ｂ、２２ｂ、２３ｂの組み合わせによりハイパス特性を発現させる。上記の各回路素子の調整により、平坦な利得を一定の周波数範囲内で保持するバンドパス特性を増幅回路に持たせることが可能になる。

本実施例でも、増幅回路の利得がバンドパス型周波数特性を有しており、このバンドパス型周波数特性の高周波側の利得制限特性はトランジスタ自体の周波数特性に基づき実現され、低周波側の利得制限特性は整合回路のカットオフ周波数に基づき実現されているので、広帯域に渡り平坦な利得を得ることが出来ると共に、装置の高速化を図りサイズの増大を抑えることの出来る、マイクロ波、ミリ波帯増幅回路を提供することができる。

本発明は、電力増幅器を構成する複数のトランジスタとして、種々のタイプやサイズのものに適用可能である。本実施例では、電力増幅器を構成する複数のトランジスタとして、ＧａＡｓ電界効果トランジスタを採用し、そのゲート幅を入力から出力に向かって増大させている。

図１０は、異なるゲート幅W_gを持つＧａＡｓ電界効果トランジスタの、利得の周波数特性を示す図である。３１０は１段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性、３２０は２段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性、３３０は３段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性、３１０ａは１段目のトランジスタの最大安定利得G_msの周波数特性、３２０ａは２段目のトランジスタの最大安定利得G_msの周波数特性、３３０ａは３段目のトランジスタの最大安定利得G_msの周波数特性を、各々示している。

本実施例においては、各トランスジスタのゲート幅W_gは、1段目が１００μm、２段目が２００μm、３段目が３００μmであり、入力から出力に向かってW_gが、１対2対３の比率で増大するトランジスタを用いている。その他の構成は、実施例１乃至３と同じである。

本実施例でも、増幅回路の利得をバンドパス型周波数特性とし、このバンドパス型周波数特性の高周波側の利得制限特性はトランジスタ自体の周波数特性に基づき実現し、低周波側の利得制限特性は整合回路のカットオフ周波数に基づき実現する。

これにより、広帯域に渡り平坦な利得を得ることが出来ると共に、装置の高速化を図りサイズの増大を抑えることの出来る、マイクロ波、ミリ波帯増幅回路を提供することができる。

本実施例では、電力増幅器を構成する複数のトランジスタとして、ＳｉＧｅバイポーラトランジスタを採用し、そのエミッタ面積を入力から出力に向かって増大させている。図１１は、異なるエミッタ面積を持つＳｉＧｅバイポーラトランジスタの、利得の周波数特性を示す図である。３１２は１段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性、３２２は２段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性、３３２は３段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性を、各々示している。本実施例においては、各トランスジスタのエミッタ面積は、1段目が１０．５μm²、２段目が２．５６μm²、３段目が４．０６μm²である。その他の構成は、実施例１や２と同じである。

本発明によるマイクロ波、ミリ波帯増幅回路は、図１２に示すミリ波無線機（無線送受信システム）の送信用増幅素子に利用することができる。なお、図１３は、図１２のミリ波無線機を含む、ＲＦモジュールの例を示す図である。

図１２において、ミリ波無線機は発振器５１と送信系回路部及び受信系回路部を有しており、送信系回路部は、送信用ミキサ５２ａ、送信用増幅器５４、送信アンテナ５３ａを備えている。また、受信系回路部は受信アンテナ５３ｂ、受信用増幅器５５、受信用ミキサ５２ｂを備えている。本実施例の送信用増幅器５４には、実施例１〜４で述べた増幅器が採用されている。すなわち、送信用増幅器５４は、入力から出力に向かって、サイズが段階的に大きくなる多段トランジスタを縦続接続させたｎ段増幅回路からなる。この送信用増幅器５４内の複数の整合回路が、ハイパス特性を持つように設計されており、そのカットオフ周波数（低域遮断周波数）f₁, f₂・・・f_nが、入力から出力に向かって、段階的に低くなるように構成されている。また、増幅回路の利得はバンドパス型周波数特性を有しており、このバンドパス型周波数特性の高周波側の利得制限特性は複数のトランジスタ自体の周波数特性に基づき実現され、低周波側の利得制限特性は整合回路のカットオフ周波数に基づき実現されている。

本システム（ミリ波無線機）の具体的な例としては、日本において５９ＧＨｚから６６ＧＨｚを使用帯域とする、免許不要の高速無線通信規格ＩＥＥＥ８０２．１５．３ｃが想定される。まず、発振器５１より発生した高周波信号は、送信用ミキサ５２ａと受信用ミキサ５２ｂのローカル信号として利用される。ＩＦ入力信号とミキシング処理された高周波信号は送信用増幅器５４を経由して送信アンテナ５３ａより送出される。一方、他のミリ波無線機から送出された信号は受信アンテナ５３ｂにより受信され、受信用低雑音増幅器５５を経由して受信用ミキサ５２ｂに入力される。そしてローカル信号とミキシング処理され、ＩＦ出力信号が得られる。

図１３は、図１２のミリ波無線機をＲＦモジュール化した状態を示したものであり、図１３の（Ａ）は基板の表側、（Ｂ）は裏側を示している。一枚の誘電体基板５７の表側には、半導体製造プロセスにより送信用増幅器５４や受信用低雑音増幅器５５及びこれらを接続する回路パターンなどが形成されている。誘電体基板５７の裏面側には、半導体製造プロセスにより送信アンテナ５３ａや受信アンテナ５３ｂのアンテナパターン等が形成されている。送信用増幅器５４と送信用アンテナ５３ａは誘電体基板５７を貫通するビアホールに設けられた接続手段５６ａで接続され、受信用増幅器５５と受信用アンテナ５３ｂはビアホールに設けられた接続手段５６で接続されている。誘電体基板５７上の送信用増幅器５４を構成する複数のトランジスタは、全て同じタイプ、例えば電界効果型トランジスタのみ、あるいはバイポーラトランジスタのみ、で構成されている。

本実施例のミリ波無線機は、送信用増幅器５４が広帯域に渡り平坦な利得を得ることが出来ると共に、切替えスイッチなどを採用していないので、高速化に対応した小型のマイクロ波、ミリ波帯増機能を備えたミリ波無線機を提供することができる。特に、トランジスタの性能が低くなる周波数帯においても十分な利得を持ち、かつ広い帯域に渡り平坦な利得を持たせることが可能になるため、通信機器やレーダー機器に用いられる全帯域で十分な性能を有する増幅器を備えたミリ波無線機を提供することができる。例えば、無線のＨＤＭＩ端末に採用することで、低遅延・高画質の無線画像転送、換言するとケーブルレス、圧縮無しにＴＶ用画像やゲームの画像を送信することも可能になる。

なお、送信用増幅器５４を構成する複数のトランジスタを、異なるタイプの組み合わせ、例えば、１、２段目のトランジスタと最終段のトランジスタとを異なるタイプのものとしても良い。

１１…１段目のトランジスタ
１２…２段目のトランジスタ
１３…３段目のトランジスタ
１ｎ…ｎ段目のトランジスタ
２１…入力整合回路
２１ａ…入力整合回路のショートスタブ
２１ｂ…入力整合回路の直列キャパシタ
２２…１段目と２段目の段間整合回路
２２ａ…１段目と２段目の段間整合回路のショートスタブ
２２ｂ…１段目と２段目の段間整合回路の直列キャパシタ
２３…２段目と３段目の段間整合回路
２３ａ…２段目と３段目の段間整合回路のショートスタブ
２３ｂ…２段目と３段目の段間整合回路の直列キャパシタ
２ｎ…(n-1)段目とｎ段目の段間整合回路
３…出力整合回路
３１…１段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性
３２…２段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性
３ｎ…ｎ段目のトランジスタの最大有能電力利得G_amaxの周波数特性
３１ａ…１段目のトランジスタの最大安定利得G_msの周波数特性
３２ａ…２段目のトランジスタの最大安定利得G_msの周波数特性
３ｎａ…ｎ段目のトランジスタの最大安定利得G_msの周波数特性
４１…入力整合回路２１の通過特性と、１段目のトランジスタの_Gamaxを合成した周波数特性
４２…１段目と２段目の段間整合回路２２の通過特性と、２段目のトランジスタのG_amaxを合成した周波数特性
４ｎ…(n-1)段目とｎ段目の段間整合回路２ｎの通過特性と、ｎ段目のトランジスタのG_amaxを合成した周波数特性
４１１…実施例１の増幅回路の、入力整合回路の周波数特性
４２１…実施例１の増幅回路の、１段目と２段目の段間整合回路の周波数特性
４３１…実施例１の増幅回路の、２段目と３段目の段間整合回路の周波数特性
４４１…実施例1の増幅回路の、1段目のトランジスタの周波数特性
４４２…実施例1の増幅回路の、２段目のトランジスタの周波数特性
４４３…実施例1の増幅回路の、３段目のトランジスタの周波数特性
４５１…実施例1の増幅回路の、入力整合回路の周波数特性４１１と、1段目のトランジスタの周波数特性４４１を合成した周波数特性
４５２…実施例1の増幅回路の、1段目と２段目の段間整合回路の周波数特性４２１と、２段目のトランジスタの周波数特性４４２を合成した周波数特性
４５３…実施例1の増幅回路の、２段目と３段目の段間整合回路の周波数特性４３１と、３段目のトランジスタの周波数特性４４３を合成した周波数特性
５…増幅器の利得の合成周波数特性
５０…増幅器の利得の合成周波数特性
５１…発振器
５２ａ…送信用ミキサ
５２ｂ…受信用ミキサ
５３ａ…送信アンテナ
５３ｂ…受信アンテナ
５４…送信用増幅器
５５…受信用増幅器
５６ａ…送信用増幅器と送信用アンテナの接続手段
５６ｂ…受信用増幅器と受信用アンテナの接続手段
５７…誘電体基板
６１…１段目のフィードバック抵抗素子
６２…２段目のフィードバック抵抗素子
７１…１段目の抵抗整合素子
７２…２段目の抵抗整合素子
７３…ドレインバイアス回路
７４…ゲートバイアス回路
７５…容量素子。

Claims

複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタを縦続接続する複数の整合回路とを備えた増幅回路であって、
前記複数のトランジスタの最高発振周波数は、各々異なり、
前記複数のトランジスタのサイズは、入力側から出力側に向かって順次大きくなり、
前記トランジスタを接続する整合回路は、各々ハイパス特性を有しており、各低域遮断周波数が入力側から出力側に向かって順次低くなるように構成されており、
該増幅回路の利得がバンドパス型周波数特性を有しており、
該バンドパス型周波数特性の高周波側の利得制限特性は前記トランジスタ自体の周波数特性に基づき実現され、低周波側の利得制限特性は前記整合回路のカットオフ周波数に基づき実現されている
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項１において、
前記バンドパス型周波数特性は、最終段の前記トランジスタの最高発振周波数と、一段目の前記トランジスタの最高安定動作周波数の範囲内で、実質的に平坦な利得特性を有する
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項１において、
前記バンドパス型周波数特性は、最終段の前記トランジスタの最高発振周波数と前記出力側の整合回路の最小のカットオフ周波数の範囲内で、実質的に平坦な利得特性を有する
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項３において、
前記バンドパス型周波数特性の前記利得特性の上限側の特性は、前記複数のトランジスタの周波数特性と前記複数の整合回路の周波数特性を合成した、周波数特性によって与えられる
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項３において、
前記バンドパス型周波数特性の前記利得特性の上限側の特性は、前記複数のトランジスタの前記最高発振周波数特性の相違に基づく増幅作用と減衰作用の組み合わせにより与えられる
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項５において、
前記増幅回路は、少なくとも３段の前記トランジスタと、入力整合回路と、前記各トランジスタの段間を接続する複数の段間整合回路とを備えており、
前記バンドパス型周波数特性の前記平坦な利得特性の上限側の特性は、前記入力整合回路の周波数特性と１段目の前記トランジスタの周波数特性を合成した周波数特性、１段目と２段目の前記段間整合回路の周波数特性と２段目の前記トランジスタの周波数特性を合成した周波数特性、および、２段目以降の前記段間整合回路の各周波数特性と３段目以降前記トランジスタの各周波数特性を各々合成した周波数特性、の全体が合成された周波数特性によって与えられる
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項１において、
前記ハイパス特性を有する整合回路は、直列に接続された容量素子と、グランドに接続された伝送線路により構成されている
ことを特徴とするマイクロ波、ミリ波帯増幅回路。
請求項１において、
前記ハイパス特性を有する整合回路は、直列に接続された容量素子と、グランドに接続されたインダクタにより構成されている
ことを特徴とするマイクロ波、ミリ波帯増幅回路。
請求項１において、
前記増幅回路の入力端子と出力端子は、任意の特性インピーダンス値に整合させている
ことを特徴とするマイクロ波、ミリ波帯増幅回路。
請求項１において、
前記増幅回路は、入力整合回路と、３段の前記トランジスタと、前記各トランジスタの段間を接続する２つの段間整合回路と、出力整合回路を備えている
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項１０において、
前記出力整合回路はハイパス型であり、そのカットオフ周波数が前記整合回路のカットオフ周波数よりもさらに小さい
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項２において、
前記バンドパス型周波数特性は、１ｄＢ利得変動帯域が、比帯域表示で２０％を超えている
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項３において、
前記バンドパス型周波数特性は、１ｄＢ利得変動帯域が、比帯域表示で２０％を超えている
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
同じ種類のプロセスで製造された複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタを縦続接続する複数の整合回路とを備えた増幅回路であって、
前記複数のトランジスタの最高発振周波数は、各々異なり、
前記複数のトランジスタのサイズは、入力側から出力側に向かって順次大きくなり、
前記トランジスタを接続する整合回路は、各々ハイパス特性を有しており、各低域遮断周波数が入力側から出力側に向かって順次低くなるように構成されており、
該増幅回路の利得がバンドパス型周波数特性を有しており、
該バンドパス型周波数特性の高周波側の利得制限特性は前記トランジスタ自体の周波数特性に基づき実現され、低周波側の利得制限特性は前記整合回路のカットオフ周波数に基づき実現されている
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項１４において、
前記増幅回路を構成する複数のトランジスタが、電界効果トランジスタであることを特徴とするマイクロ波、ミリ波帯増幅回路。
請求項１５において、
前記増幅回路は、３段の電界効果トランジスタと、入力整合回路と、前記各トランジスタの段間を接続する２つの段間整合回路とを備えており、
前記３段のトランジスタのサイズは、入力側から出力側に向かって、大凡、１：２：３の比で順次大きくなっている
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
請求項１４において、
前記増幅回路を構成する複数のトランジスタが、バイポーラトランジスタである
ことを特徴とするマイクロ波・ミリ波帯増幅回路。
発振器と送信系回路部及び受信系回路部を備え、
前記送信系回路部、送信用ミキサの出力を増幅して送信アンテナに送る送信用増幅器を有しており、
前記送信用増幅器は、
複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタを縦続接続する複数の整合回路とを備えた増幅回路であって、
前記複数のトランジスタの最高発振周波数は、各々異なり、
前記複数のトランジスタのサイズは、入力側から出力側に向かって順次大きくなり、
前記トランジスタを接続する整合回路は、各々ハイパス特性を有しており、各低域遮断周波数が入力側から出力側に向かって順次低くなるように構成されており、
該増幅回路の利得がバンドパス型周波数特性を有しており、
該バンドパス型周波数特性の高周波側の利得制限特性は前記トランジスタ自体の周波数特性に基づき実現され、低周波側の利得制限特性は前記整合回路のカットオフ周波数に基づき実現されている
ことを特徴とするミリ波無線機。
請求項１８において、
前記バンドパス型周波数特性は、最終段の前記トランジスタの最高発振周波数と前記出力側の整合回路の最小のカットオフ周波数の範囲内で、実質的に平坦な利得特性を有しており、
前記バンドパス型周波数特性の前記利得特性の上限側の特性は、前記複数のトランジスタの周波数特性と前記複数の整合回路の周波数特性を合成した、周波数特性によって与えられる
ことを特徴とするミリ波無線機。
請求項１８において、
一枚の誘電体基板の表面に送信用増幅器、受信用低雑音増幅器及びこれらを接続する回路パターンが形成され、該誘電体基板の裏面側に、前記送信用増幅器に接続された送信アンテナ及び前記受信用低雑音増幅器に接続された受信アンテナのアンテナパターンが形成されている
ことを特徴とするミリ波無線機。