JP5003214B2

JP5003214B2 - 高周波装置、及び高周波機器

Info

Publication number: JP5003214B2
Application number: JP2007058660A
Authority: JP
Inventors: 清春清野; 雅彦舟田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: JP2008227588A

Description

この発明は、レーダ装置、通信装置等に使用されるマイクロ波もしくはミリ波帯の高周波機器を構成する高周波装置に関するものである。

レーダ装置、通信装置には、増幅器、発振器、減衰器など多数のマイクロ波機器コンポーネントが使用される。通常、これらのマイクロ波機器コンポーネントには、トランジスタ、電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴ）、ダイオードなどの半導体素子が使用される。これらの半導体素子には、所望の直流バイアス電圧およびマイクロ波信号を供給するためのマイクロ波装置が用いられる。

通常、マイクロ波機器コンポーネントに使用されるマイクロ波装置は、電源と半導体素子間、負荷と半導体素子間あるいは半導体素子間に装荷される。
このようなマイクロ波装置として、マイクロ波信号が伝播する主線路に直列にキャパシタを装荷する構成のものが用いられている。この種のマイクロ波装置は、直流を阻止し、マイクロ波を通過させる機能を有し、一般に、直流阻止キャパシタとして知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平０６−４５８４９号公報

従来のマイクロ波装置は、誘電体基板上に設けられた主線路に、キャパシタを装荷した構成となっている。キャパシタの値は所要周波数帯で十分インピーダンスが低く、また、主線路の特性インピーダンスは通常、５０Ωに選ばれている。キャパシタのインピーダンスは直流ではほぼ無限大となるため、このマイクロ波装置は直流を阻止し、所要周波数帯のマイクロ波信号を通過させる機能を有する。

このマイクロ波装置を例えば増幅器の入力側に用いるような場合、バイアス回路を介して供給された直流バイアス電圧および電源から供給されたマイクロ波信号を、増幅器を構成するＦＥＴ等の半導体素子に同時に供給することができる。

一般に、マイクロ波信号がマイクロ波装置を通過することにより、そこで減衰がなされる。その減衰量Lはマイクロ波装置を形成するキャパシタに寄生する抵抗成分Rとキャパシタが装荷される所のインピーダンスＺに依存して、次式で与えられる。

マイクロ波装置での減衰量を小さくするには、抵抗成分の小さなキャパシタを選ぶか、キャパシタが装荷される所のインピーダンスを高くする必要がある。しかし、入手できるキャパシタにも限界があり、市販されている最も小さなものでも抵抗は１Ω程度ある。また、キャパシタが装荷される所のインピーダンスを高くするには、主線路の特性インピーダンスを高くする必要がある。

しかし、主線路の特性インピーダンスを高くする際、マイクロ波コンポーネントの特性に影響を与えないように、主線路の特性インピーダンスを５０Ω近傍に選ぶ必要がある。このため、キャパシタが装荷される所のインピーダンスも５０Ωになる。
この際、キャパシタの抵抗が１Ω、キャパシタが装荷される所でのインピーダンスが５０Ωである場合、マイクロ波装置における減衰量は数１から約０．０８６ｄＢとなり、マイクロ波装置の損失が大きくなる課題がある。

なお、このようなマイクロ波装置を低雑音増幅器に使用してマイクロ波機器を構成した場合、例えば、この値がそのまま雑音指数の劣化に結び付き、低雑音特性が得られない課題がある。
また、高出力増幅器に使用するような場合、出力低下を招くとともに効率も低下してしまう課題もある。

この発明は、上記のような課題を解消するためになされたものであり、マイクロ波もしくはミリ波帯における高周波装置の挿入損失の低減化を図ることを目的としている。

この発明による高周波装置は、一端どおしが付き合うように配置された２個の主線路と、上記それぞれの主線路の一端から対向する主線路側に向かって、それぞれ設けられた高インピーダンス線路と、それぞれの上記高インピーダンス線路の先端とその対向する主線路との間に、それぞれ装着されたキャパシタと、を備えたものである。

また、一端どおしが付き合うように配置された２個の主線路と、上記それぞれの主線路の一端に、それぞれ装着されたキャパシタと、上記それぞれのキャパシタとその対向する主線路の一端との間に、それぞれ接続された導電線とからなるものであっても良い。

この発明の高周波装置によれば、２個のキャパシタが等価的に並列に装荷される構成とすることにより、キャパシタにおける挿入損失の低減化を図る事ができる。

また、この発明による高周波装置を電界効果トランジスタに接続し、低雑音増幅器に適用することにより、低雑音特性が得られる。また、高出力増幅器に適用すれば、より高出力、高効率化を図ることができる。

実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１によるマイクロ波もしくはミリ波帯の高周波装置の構成を示す図である。図１は、高周波装置を、マイクロ波機器やミリ波機器等の高周波機器を構成する増幅器の、入力側に適用した場合の、構成例を示している。以下の説明では、高周波装置として、マイクロ波装置１３を例に説明する。

図において、この増幅器は、主線路３、４と、主線路３、４間に設けられたマイクロ装置１３と、一端が主線路４に接続された１／４波長スタブ１０と、主線路３の一端に接続された入力端子２と、主線路４の一端に接続されたＦＥＴ９と、１／４波長スタブ１０の先端を高周波的に接地するためのキャパシタ１１と、金ワイヤ１２とからなる。主線路３,４、マイクロ装置１３および１／４波長スタブ１０は、マイクロ波集積回路技術を用いて誘電体基板１上に一体形成されている。誘電体基板１の裏面には接地用金属膜が施されている。キャパシタ１１近傍において、１／４波長スタブ１０の先端に、直流バイアス電圧を印加するバイアス電源５０が接続される。また、入力端子２にはマイクロ波信号を発生するための電源が接続されるが、ここでは記述を省略している。

マイクロ波装置１３は、主線路３、４の一端部と、高インピーダンス線路７、８と、２個のキャパシタ５を備えて構成される。高インピーダンス線路７、８は、一端どおしが付き合うように配置された主線路３、４の一端から、それぞれ対向する主線路３,４側に向かって設けられるともに、５０Ωよりも高い特性インピーダンスを有する。２個のキャパシタ５は、主線路３、４における、高インピーダンス線路７、８が接続される側の一端部の線路上面にそれぞれ設けられる。高インピーダンス線路７の先端（一端）と、主線路３の一端に装荷されたキャパシタ５との間は、金ワイヤ６で接続される。また、高インピーダンス線路８の先端（一端）と、主線路４の一端に装荷された他のキャパシタ５との間は、金ワイヤ６で接続される。キャパシタ５の値は所望の周波数帯で十分インピーダンスが小さくなるような値に設定され、金ワイヤ１２の長さは波長に比べ十分短く選ばれている。

なお、金ワイヤ６の代わりに、金リボンのような他の導電線を用いても良いことは言うまでもない。また、図に示すように、主線路３の一端部と高インピーダンス線路８の他端部とが、切れ目無く一体成形により接続され、主線路４の一端部と高インピーダンス線路７の他端部とが、切れ目無く一体成形により接続されることが好ましいが、その接続態様はこれに限ることはない。例えば、主線路３の一端部と高インピーダンス線路８の他端部とが金ワイヤによって接続され、主線路４の一端部と高インピーダンス線路７の他端部とが金ワイヤによって接続されても良い。

このように、この実施の形態１によるマイクロ波装置１３では、キャパシタ５を主線路３と４にそれぞれ分散して装着することにより、主線路３,４の線路幅を広げることなく、キャパシタ５の装着が可能となっている。
ここで、仮に、２個のキャパシタ５を、同一主線路上で並列に並べて装着するような場合は、２個のキャパシタ５を装着するための線路幅が必要となるため、主線路３あるいは４の線路幅を広げる必要が生じてしまうことになる。このような場合は、主線路３あるいは４の一部の特性インピーダンスが他と異なってしまう事になるので、好ましくはない。

この実施の形態１によるマイクロ波装置１３を、増幅器の入力側に適用することにより、キャパシタ１１近傍から印加された直流バイアス電圧はキャパシタ５で阻止され、入力端子２に接続される電源へは供給されることない。これにより、１／４波長スタブ１０を介してＦＥＴ９のゲート端子のみに直流バイアス電圧を供給することができる。一方、キャパシタ１１と金ワイヤ１２とで高周波的に短絡された１／４波長スタブ１０のインピーダンスは所望の周波数帯で非常に高くなるため、電源で発生したマイクロ波信号は入力端子２、主線路３、マイクロ波装置１３および主線路４を介してＦＥＴ９のゲート端子に入力される。

このように、この実施の形態１によるマイクロ波装置１３を増幅器などのマイクロ波機器に適用することにより、所望の直流バイアス電圧およびマイクロ波信号をＦＥＴ９などの半導体素子に供給することができる。この際、キャパシタ１１および１／４波長スタブ１０はバイアス回路を構成する。

図２は、図１のマイクロ波装置１３近傍の簡略化した等価回路である。図中、Ｚｇは入力端子２に接続される電源のインピーダンス、Ｚ１は１／４波長スタブ１０を含むＦＥＴ９の負荷インピーダンスである。

この実施の形態１によるマイクロ波装置では、図１のような構成にすることにより、マイクロ波装置は高インピーダンス線路７とキャパシタ５との直列回路と、高インピーダンス線路８とキャパシタ５との直列回路とが、並列接続された等価回路として表す事ができる。また、損失のあるキャパシタ５はキャパシタと抵抗との直列回路として表している。このようなマイクロ波装置は、主線路３と４間に装荷される。

なお、キャパシタ５と主線路３および４間を接続する金ワイヤ６の長さは、波長に比べ十分短く選ばれており、金ワイヤ６に起因するインダクタは無視できる程度に小さいため、ここでは省略して示している。

ここで、電源のインピーダンスＺｇおよび主線路３の特性インピーダンスは５０Ωに選ばれており、主線路３とマイクロ波装置１３との接続部から電源側を見たインピーダンスは５０Ωとなる。また、高インピーダンス線路７、８の特性インピーダンスを例えば１００Ωに選び、キャパシタ５の値を所望の周波数帯でインピーダンスが十分小さく、かつ、抵抗が１Ω程度と小さければ、近似的にマイクロ波装置は特性インピーダンス１００Ωの高インピーダンス線路７と８が並列接続された構成と見なすことができる。このような場合、高インピーダンス線路７、８の長さに関係なく、広帯域にわたってマイクロ波装置１３の入出力端でのインピーダンスとしてはほぼ５０Ωが得られる。

同様に、負荷のインピーダンスＺ１、主線路４の特性インピーダンスを５０Ωすれば、主線路４とマイクロ波装置１３との接続部から負荷側を見たインピーダンスは５０Ωとなる。従って、このマイクロ波装置はインピーダンス５０Ωの主線路３,４間に装荷されるものと見なすことができる。

従って、この実施の形態１によるマイクロ波装置１３は、それぞれキャパシタ５と高インピーダンス７、キャパシタ５と高インピーダンス８とからなる直列回路が、並列接続された構成となる。このため、キャパシタ５に寄生する抵抗も並列接続されたものと見なすことができる。かくして、キャパシタ５の抵抗が従来のものと同じであっても、合成抵抗は約半分となるので、数１から明らかなように損失低減が図れることとなる。

図３はこの実施の形態１によるマイクロ波装置１３の、挿入損失の特性を示す一例である。
図中、実線はこの発明のマイクロ波装置の特性、破線は従来のマイクロ波装置の特性であり、比較のために示している。

従来のマイクロ波装置のように特性インピーダンス５０Ωの主線路にキャパシタを装荷するものに比べ、この実施の形態１によるマイクロ波装置１３では、上記したようにキャパシタ５に寄生する合成抵抗が約半分にできる。このため、広帯域にわたって損失低減を図ることができる。
例えばキャパシタ１３の抵抗が１Ωとした場合、従来のものでは挿入損失が０.０８６ｄＢとなる。これに対し、この実施の形態１のものでは、高インピーダンス線路７、８の特性インピーダンスを１００Ωに選ぶことにより、挿入損失が０.０４３ｄＢとなり、従来比の１／２に低減できる。

また、高インピーダンス線路７、８の特性インピーダンスが１００Ωでない場合であっても、高インピーダンス線路７、８の長さを波長に比べ十分短く選ぶ事により、マイクロ波装置の入出力端におけるインピーダンスの５０Ωからの劣化を小さくすることができる。従って、良好な反射特性が得られるとともに損失低減が可能である。

以上のように、この実施の形態１によるマイクロ波装置では、２個のキャパシタ５が等価的に並列に装荷される構成とすることにより、従来のものに比べ損失低減を図る事ができるという効果を奏する。このため、このマイクロ波装置を低雑音増幅器に適用することにより低雑音特性が得られ、また、高出力増幅器に適用すれば、より高出力、高効率化を図ることができる。

また、この実施の形態１のマイクロ波装置を、１００Ｗクラスの高出力増幅器に適用した場合、キャパシタ５に寄生する合成抵抗が約半分にできるので、キャパシタ５での発熱量を著しく低減できる。しかも、２個のキャパシタ５の間に高インピーダンス線路７、８を挟んで、２個のキャパシタ５を離間配置することにより、キャパシタ５による発熱部を分散させることができるので、キャパシタ５での温度上昇を著しく抑えることが可能となり、マイクロ波装置の動作信頼性が向上する効果もある。

特に、高出力な半導体素子としてＧａＮ系のワイドバンドギャップデバイスが開発されており、１００Ｗ以上の高出力増幅器が実現されつつある。このワイドバンドギャップデバイスをＦＥＴに用いる場合、従来構成によるキャパシタでの発熱量は約２Ｗとなり、キャパシタ周辺温度が熱的に厳しい状態となるため、マイクロ波装置の信頼性が著しく低下してしまう。しかしながら、この実施の形態１によるマイクロ波装置１３を、ＧａＮ系のＦＥＴ９に接続することにより、キャパシタ５での温度上昇を著しく抑えることが可能となる。これにより、環境温度に対する動作信頼性の高い、高出力なマイクロ波機器を得ることが可能となる。

なお、このマイクロ波装置１３の入出力端子でのインピーダンスが５０Ωであるため、この装置をマイクロ波コンポーネントの主線路にそのまま装荷した場合であっても、マイクロ波コンポーネントの特性が劣化してしまうことはない。

図４は実施の形態１によるマイクロ波装置の他の実施例を示す構成図である。図４（ａ）は他の態様１、図４（ｂ）は他の態様２、図４（ｃ）は他の態様３を示す。

ここで、図４（ａ）の他の態様１は、キャパシタ５として両端に電極を有するチップ状のキャパシタ５を用いた場合を示す。この例では、高インピーダンス線路７の一端（先端）がキャパシタ５の一端の電極に接続され、主線路３の一端がキャパシタ５の他端の電極に接続される。また、高インピーダンス線路８の一端（先端）が他のキャパシタ５の一端の電極に接続され、主線路４の一端が他のキャパシタ５の他端の電極に接続される。

このようなキャパシタ５を用いることにより、図１で示したキャパシタ５と高インピーダンス線路７間、キャパシタ５と高インピーダンス線路８間を、接続する金ワイヤ６が不要となるため、製作が容易になる利点がある。

また、図４（ｂ）の他の態様２は、キャパシタ５としてギャップキャパシタを用いた場合を示す。このキャパシタ５は、主線路３,４および高インピーダンス線路７,８とともに、マイクロ波集積回路技術を用いることにより、誘電体基板１上に一体形成することが可能である。この例では、特に、チップ状のキャパシタを使用する必要がないため、製作がより容易になる利点がある。

さらに、図４（ｃ）の他の態様３は、マイクロ波装置１３を形成する誘電体基板１４として、主線路３,４を形成するものと違う基板を用いた場合を示す。誘電体基板１４として窒化アルミのような熱伝導の優れた基板を使用することにより、キャパシタ５で発生する熱を効率良く排熱させる事ができ、マイクロ波装置１３の信頼性がより向上する利点がある。

ここで、主線路３は、誘電体基板１と誘電体基板１４に跨って形成されるが、両基板の間で主線路３を金ワイヤで接続してもいいし、両基板を積層してから主線路３の導体層を一体的に形成して接続しても良い。主線路４も、誘電体基板１と誘電体基板１４により、主線路３と同様にして接続される。

なお、図４（ａ）〜（ｃ）に示した他の実施例で構成されるマイクロ波装置であっても、図１〜図３で説明したようにマイクロ波装置の機能、効果は同じである。

次に、図５は実施の形態１によるマイクロ波装置のさらに他の実施例を示す構成図であり、図５（ａ）は他の態様４、図５（ｂ）は他の態様５を示す。

図５（a）は、主線路３の一端には１個の高インピーダンス線路８を、主線路４の一端には２個の高インピーダンス線路７をそれぞれ接続し、主線路３上に装着されたキャパシタ５と２個の高インピーダンス線路７の先端間、主線路４上に装着されたキャパシタ５と１個の高インピーダンス線路８の先端間をそれぞれ金ワイヤ６で接続したものである。

また、図５（ｂ）は、主線路３、４の一端にはそれぞれ２個の高インピーダンス線路８、７を接続し、主線路３上に装着されたキャパシタ５と２個の高インピーダンス線路７の先端間、主線路４上に装着されたキャパシタ５と２個の高インピーダンス線路８の先端間をそれぞれ金ワイヤ６で接続したものである。

このように、主線路３、４の一端に、複数個の高インピーダンス線路７,８を接続したものであっても、機能、効果は同じである。

実施の形態２
図６は、この発明に係る実施の形態２による、（ａ）マイクロ波またはミリ波装置等の高周波装置の構成図、および（ｂ）等価回路を示す図である。なお、この高周波装置を、マイクロ波機器やミリ波機器等の高周波機器を構成する増幅器の、入力側に適用した場合の構成例については、図１と同様であるので、ここではマイクロ波装置１３の構成に限り説明を行う。

このマイクロ波装置は、図６（ａ）に示すように、一端どおしが付き合うように配置された主線路３,４の一端にそれぞれキャパシタ５を装着するとともに、主線路３上に装着されたキャパシタ５と主線路４の一端間、主線路４に装着された他のキャパシタ５と主線路３の一端間をそれぞれ金ワイヤ６で接続したものである。

図６（ｂ）は図６（ａ）の簡略化した等価回路である。このマイクロ波装置は２個のキャパシタ５が並列接続された等価回路として表され、主線路３,４間に装荷されている。また、キャパシタ１１は抵抗とキャパシタとの直列回路として表され、キャパシタ５の値は所望の周波数帯でインピーダンスが十分小さくなるように選ばれている。さらに、キャパシタ５と主線路３間、キャパシタ５と主線路４間をそれぞれ接続する金ワイヤ６の長さは波長に比べ十分短く選ばれており、金ワイヤ１２に起因するインダクタは無視できる程度に小さいくなるため、ここでは省略して示している。なお、金ワイヤ６の代わりに、金リボンのような他の導電線を用いても良いことは言うまでもない。

この図に示すように、このマイクロ波装置では２個のキャパシタ５が並列接続されたものとして見なすことができ、キャパシタ５に寄生する合成抵抗が１個の場合に比べ半分になる。このため、実施の形態１と同様、従来のマイクロ波装置に比べ、１／２に損失低減を図ることができる。また、この実施の形態２による構成のものでは、実施の形態１で示した高インピーダンス線路７,８が不要となるため、さらに回路の小形化が図れる利点がある。
なお、その他の効果については、実施の形態１と同様である。

以上のように、実施の形態１、２で示したマイクロ波装置またはミリ波装置等の高周波装置では、マイクロ波機器またはミリ波機器等の高周波機器のコンポーネントに使用される半導体素子に、所望の直流バイアス電圧およびマイクロ波信号を供給する機能を有し、かつ、挿入損失が小さいという効果が得られる。このため、高周波機器のコンポーネントの高性能化、高信頼性化が図れるという利点がある。

この発明の実施の形態１による高周波装置を増幅器の入力側に適用した場合の構成を示す図である。この発明の実施の形態１による高周波装置の等価回路を示す図である。この発明の実施の形態１による高周波装置の損失特性を示す図である。この発明の実施の形態１による高周波装置の他の実施例の構成を示す図である。この発明による実施の形態１による高周波装置のさらに他の実施例の構成を示す図である。この発明による実施の形態２による高周波装置の構成および等価回路を示す図である。

符号の説明

１誘電体基板、２入力端子、３主線路、４主線路、５キャパシタ、６金ワイヤ、７高インピーダンス線路、８高インピーダンス線路、９ＦＥＴ、１０１／４波長スタブ、１１キャパシタ、１２金ワイヤ、１３マイクロ波装置、１４誘電体基板。

Claims

一端どおしが付き合うように配置された２個の主線路と、
上記それぞれの主線路の一端から対向する主線路側に向かって、それぞれ設けられた高インピーダンス線路と、
それぞれの上記高インピーダンス線路の先端とその対向する主線路との間に、それぞれ装着されたキャパシタと、
を備えた高周波装置。
請求項１に記載の高周波装置を、窒化ガリウム系の電界効果トランジスタに接続したことを特徴とする高周波機器。