JP5303966B2 - ロードプル測定治具 - Google Patents

Description

本発明は、ロードプル測定治具に関する。

高周波電力増幅器に使用されるＦＥＴ等の能動素子の負荷特性を評価する方法としてロードプル測定が知られている。ここで、ロードプル測定を行うロードプル測定治具について図３を用いて説明する。図３は、ロードプル測定治具の構成図である。マイクロ波帯ＦＥＴ１は、治具４に装着される。マイクロ波帯ＦＥＴ１は、一般的にゲート幅が広く、入出力インピーダンスが低くなっている。治具４の外部には、インピーダンスチューナ９、１０が設けられる。インピーダンスチューナ９、１０には、同軸線路が用いられる。

マイクロ波長ＦＥＴ１の入力端子２は、１／４波長インピーダンス変成器５及びマイクロストリップ線路７を介して、インピーダンスチューナ９と接続される。同様に、マイクロ波長ＦＥＴ１の出力端子３は、１／４波長インピーダンス変成器６及びマイクロストリップ線路８を介して、インピーダンスチューナ１０と接続される。また、１／４波長インピーダンス変成器５、６は、マイクロストリップ線路からなる。マイクロストリップ線路７、８は、同軸線路とインピーダンス変成器とを接続し、高インピーダンスを有する。そして、インピーダンスチューナ９、１０には、ＢｉａｓＴｅｅ１１、１２が接続される。

次に動作について説明する。まず、ＢｉａｓＴｅｅ１１を介して、インピーダンスチューナ９に測定信号が入力される。インピーダンスチューナ９は、高い出力インピーダンスを有する。測定信号は、高インピーダンスのマイクロストリップ線路７を介して、１／４波長インピーダンス変成器５に入力される。１／４波長インピーダンス変成器５によって低インピーダンスに変換する。そして、低インピーダンスのマイクロ波帯ＦＥＴ１の入力端子２に測定信号が入力される。

そして、マイクロ波帯ＦＥＴ１の出力端子３から測定信号が出力される。マイクロ波帯ＦＥＴ１の出力インピーダンスが低いため、１／４波長インピーダンス変成器６によって高インピーダンスに変換する。そして、高インピーダンスのマイクロストリップ線路８を介してインピーダンスチューナ１０に測定信号が入力される。その後、インピーダンスチューナ１０からＢｉａｓＴｅｅ１２を介して出力された測定信号を検出する。そして、インピーダンスチューナ９、１０によって負荷インピーダンスを変化させることによりロードプル測定を行う。また、マイクロ波帯ＦＥＴ１への電源供給は、ＢｉａｓＴｅｅ１１、１２を介して行われる。具体的には、ＢｉａｓＴｅｅ１１、１２にそれぞれＤＣバイアスが供給される。そして、伝送線路を通じてマイクロ波帯ＦＥＴ１に電源が供給される。このような構成により、マイクロ波帯ＦＥＴ１の負荷特性を精度良く容易に測定できるようにしている。このようなロードプル測定治具は、例えば特許文献１に記載されている。
特開平５−１２６８４７号公報

上記のロードプル測定冶具には以下の課題がある。
（１）上記のように、マイクロ波帯ＦＥＴ１の入出力インピーダンスは、低インピーダンスである。一方、インピーダンスチューナ９、１０に接続されるマイクロストリップ線路７、８は、高インピーダンスである。これらは、１／４波長インピーダンス変成器５、６によって接続されるが、１／４波長インピーダンス変成器５、６は単一周波数の１／４波長によって設計される。このため、広帯域にわたって所望のインピーダンスに変換することが出来ない。
（２）上記のロードプル測定冶具を用いて、マイクロ波帯ＦＥＴ１の広帯域特性を評価する場合、周波数に応じて、１／４波長インピーダンス変成器５、６を替える必要がある。また、１／４波長インピーダンス変成器５、６は、マイクロ波帯ＦＥＴ１と同じ基板上に一体に形成されている。このため、測定信号の周波数が変わるごとにマイクロ波帯ＦＥＴ１を含めて冶具４全体を取り替える必要がある。このように、冶具４とマイクロ波帯ＦＥＴ１を取り替えることにより、測定精度の劣化とロードプル測定にかかる工数の増加が生じる。
（３）上記のロードプル測定冶具を用いた場合、マイクロ波帯ＦＥＴ１の電源供給を外部のＢｉａｓＴｅｅ１１、１２を通じて行う。このため、マイクロ波帯ＦＥＴ１の評価結果を元に電力増幅器を設計する際に、バイアス回路による負荷インピーダンスの変化を加味しなければならない。また、高出力電力増幅器に用いられるマイクロ波帯ＦＥＴ１のロードプル測定系を構築する際に高価な高耐圧製品を用いる必要がある。

したがって、このようなロードプル測定冶具を用いたロードプル測定では、マイクロ波帯ＦＥＴ１の狭帯域特性は、精度よく測定することが可能である。しかしながら、広帯域特性を評価する場合には複数の冶具を設計・使用する必要がある。また、広帯域信号を評価信号として用いる必要のある特性をロードプル測定で行うには適していない。

本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、広帯域特性を精度よく測定することができるロードプル測定治具を提供することを目的とする。

本発明にかかるロードプル測定治具は、インピーダンスチューナを用いて、被測定素子の特性を評価するロードプル測定治具であって、前記被測定素子を装着する治具と、前記インピーダンスチューナと前記被測定素子との間の伝送線路に設けられたチェビチェフインピーダンス変成器を有するものである。

本発明によれば、広帯域特性を精度よく測定することができるロードプル測定治具を提供することができる。

本発明にかかるロードプル測定治具について図１を用いて説明する。図１は、ロードプル測定治具の構成図である。

ロードプル測定治具は、高出力の能動素子である被測定素子２０の負荷特性を評価するものである。被測定素子２０は、入出力インピーダンスが低くなっている。被測定素子２０としてマイクロ波帯ＦＥＴを用いた場合、ゲート幅を広くすることにより、入出力インピーダンスが低くなっている。被測定素子２０は、治具２３に装着される。治具２３の外部には、インピーダンスチューナ３２、３３が設けられる。具体的には、被測定素子２０の入出力端に、それぞれインピーダンスチューナ３２、３３が接続される。そして、インピーダンスチューナ３２、３３によって負荷を変化させることにより、被測定素子２０の出力・効率・歪み特性の負荷依存性や入力電力依存性等の電気的特性を調べることができる。また、測定系は、被測定素子２０と比較して、インピーダンスが高く設定されている。従って、被測定素子２０とインピーダンスチューナ３２、３３とは、インピーダンス・マッチングしていない。このため、被測定素子２０とインピーダンスチューナ３２、３３との間の伝送線路には、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５がそれぞれ設けられる。

チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５は、階段状の伝送線路により構成される。例えば、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５は、階段状のマイクロストリップ線路により構成される。チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５は、広帯域整合を行うことができる。すなわち、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５は、広帯域の周波数に対して最良の整合となるように整合を行う。また、各段の長さ、幅、および段数を変更することにより、所望の周波数帯域で、不整合を所望の反射係数に押さえることが出来る。そして、所望の帯域幅にわたって所望のインピーダンス変換を行うことが出来る。これにより、所望の帯域幅にわたってロードプル測定が行うことが出来る。

次に、ロードプル測定治具の動作について説明する。まず、インピーダンスチューナ３２に測定信号が入力される。インピーダンスチューナ３２は、高い出力インピーダンスを有する。このため、チェビチェフインピーダンス変成器２４によって低インピーダンスに変換する。すなわち、チェビチェフインピーダンス変成器２４の入力側は高インピーダンス、チェビチェフインピーダンス変成器２４の出力側は低インピーダンスになっている。次に、低インピーダンスの被測定素子２０の入力端子に測定信号が入力される。

そして、被測定素子２０の出力端子から測定信号を出力する。被測定素子２０の出力インピーダンスが低いため、チェビチェフインピーダンス変成器２５によって高インピーダンスに変換する。すなわち、チェビチェフインピーダンス変成器２５の入力側は低インピーダンス、チェビチェフインピーダンス変成器２５の出力側は高インピーダンスになっている。そして、インピーダンスチューナ３３に測定信号が入力される。その後、インピーダンスチューナ３３から出力された測定信号を検出する。そして、インピーダンスチューナ３２、３３により負荷インピーダンスを変化させることによりロードプル測定を行う。

このように、本発明にかかるロードプル測定治具は、インピーダンスチューナ３２、３３と被測定素子２０との間の伝送線路には、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５がそれぞれ設けられている。すなわち、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５によって、インピーダンスチューナ３２、３３と被測定素子２０とのインピーダンス・マッチングが行われる。このように、本発明では、インピーダンス変成器として、低インピーダンスのチェビチェフインピーダンス変成器２４、２５を用いる。これにより、低インピーダンスの被測定素子２０とインピーダンス変成器との間に不連続部分が生じにくい。このため、不連続部分による反射を低減することができ、測定精度の向上を図ることができる。

また、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５は、１／４波長インピーダンス変成器と異なり、広帯域の周波数に対してインピーダンス・マッチングを行うことができる。これにより、被測定素子２０の負荷特性を広帯域にわたって精度良く容易に測定できる。そして、インピーダンス変成器の広帯域化によって、評価用信号に広帯域信号を必要とする特性評価を行うことが出来る様になる。

例えば、４ＧＨｚでの１／４波長インピーダンス変成器では、リターンロス−２０ｄＢ以下（通過損失０．０６ｄＢ）の帯域幅が約３６０ＭＨｚである。これに対して、４ＧＨｚを帯域内に含む６段構成のチェビチェフインピーダンス変成器では、約４ＧＨｚにわたってリターンロス−２０ｄＢを実現できる。すなわち、チェビチェフインピーダンス変成器を用いることにより、１／４波長インピーダンス変成器と比較して、広帯域化が実現できる。換言すると、ロードプル測定治具内のインピーダンストランス部における帯域幅が改善される。

具体的には、１／４波長インピーダンス変成器を１０回以上取り替えて測定する周波数範囲を、本発明のロードプル測定治具１点で測定することができる。すなわち、１／４波長インピーダンス変成器のように周波数に応じてインピーダンス変成器を取り替えること無く、広帯域にわたってロードプル測定が行えるようになる。また、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５の段数を増やすことによって、さらに帯域幅を増やすこともできる。これにより、治具４と被測定素子２０の取り替えによる測定精度の劣化とロードプル測定にかかる工程数の増加を抑えることができる。従って、簡便にロードプル測定を行うことができる。そして、被測定素子２０の周波数変更による治具再設計が不要となることにより、コストを抑えることができる。

実施の形態．
本実施の形態にかかるロードプル測定治具について図２を用いて説明する。図２は、ロードプル測定治具の構成図である。

被測定素子２０としては、例えばマイクロ波帯ＦＥＴを用いることができる。被測定素子２０は、治具２３に装着される。また、治具２３の外部において、測定信号の入出力側にインピーダンスチューナ３２、３３がそれぞれ設けられる。なお、それ以外の構成要素は、全て治具２３内に設けられる。インピーダンスチューナ３２、３３には、同軸線路が用いられる。

まず、被測定素子２０の入力側について説明する。インピーダンスチューナ３２と被測定素子２０の入力端子２１とは、ＤＣカット３０、マイクロストリップ線路２８、チェビチェフインピーダンス変成器２４を介して接続される。すなわち、インピーダンスチューナ３２、ＤＣカット３０、マイクロストリップ線路２８、チェビチェフインピーダンス変成器２４、被測定素子２０の入力端子２１の順に接続されている。また、バイアス回路２６は、チェビチェフインピーダンス変成器２４に接続される。そして、被測定素子２０には、チェビチェフインピーダンス変成器２４を介してバイアス回路２６から電源が供給される。

次に、被測定素子２０の出力側について説明する。出力側は、入力側と対称的の構成を有する。具体的には、被測定素子２０の出力端子２２とインピーダンスチューナ３３とは、チェビチェフインピーダンス変成器２５、マイクロストリップ線路２９、ＤＣカット３１を介して接続される。すなわち、被測定素子２０の出力端子２２、チェビチェフインピーダンス変成器２５、マイクロストリップ線路２９、ＤＣカット３１、インピーダンスチューナ３３の順に接続されている。また、バイアス回路２７は、チェビチェフインピーダンス変成器２５に接続される。そして、被測定素子２０には、チェビチェフインピーダンス変成器２５を介してバイアス回路２７から電源が供給される。

インピーダンスチューナ３２、３３は、出力インピーダンスが高くなっている。また、マイクロストリップ線路２８、２９は、高インピーダンスを有する。一方、被測定素子２０は、入出力インピーダンスが低くなっている。このため、インピーダンスチューナ３２、３３と被測定素子２０との間の伝送線路にそれぞれインピーダンス変成器が配置される。本発明では、インピーダンス変成器として、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５を用いる。チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５は、階段状のマイクロストリップ線路により構成される。

次に、ロードプル測定治具の動作について説明する。まず、インピーダンスチューナ３２に測定信号が入力される。インピーダンスチューナ３２は、高い出力インピーダンスを有する。ＤＣカット３０を介して、高インピーダンスのマイクロストリップ線路２８に測定信号が入力される。マイクロストリップ線路２８から出力された測定信号は、チェビチェフインピーダンス変成器２４に入力される。チェビチェフインピーダンス変成器２４によって低インピーダンスに変換される。そして、低インピーダンスの被測定素子２０の入力端子２１に測定信号が入力される。被測定素子２０の出力端子２２から測定信号を出力する。被測定素子２０の出力インピーダンスが低いため、チェビチェフインピーダンス変成器２５によって高インピーダンスに変換する。そして、高インピーダンスのマイクロストリップ線路２９に測定信号が入力される。マイクロストリップ線路２９から出力された測定信号は、ＤＣカット３１を介して、インピーダンスチューナ３３に入力される。その後、インピーダンスチューナ３３から出力された測定信号を検出する。そして、インピーダンスチューナ３２、３３により負荷インピーダンスを変化させることによりロードプル測定を行う。また、被測定素子２０には、バイアス回路２６、２７によって電源が供給される。具体的には、バイアス回路２６、２７にＤＣバイアスが供給される。そして、伝送線路を通じて被測定素子２０に電源が供給される。

このように、本実施の形態にかかるロードプル測定治具では、インピーダンスチューナ３２、３３と被測定素子２０との間の伝送線路に、チェビチェフインピーダンス変成器２５、２６がそれぞれ設けられている。このため、上記のように、反射を低減することができ、測定精度の向上を図ることができる。また、インピーダンス変成器の広帯域化によって、評価用信号に広帯域信号を必要とする特性評価を行うことが出来る様になる。これにより、被測定素子２０の負荷特性を広帯域にわたって精度良く容易に測定できる。また、被測定素子２０の周波数変更による治具再設計が不要となることにより、コストを抑えることができる。

また、本実施の形態にかかるロードプル測定冶具は、マイクロストリップ線路より構成される伝送線路に、バイアス回路２６、２７及びＤＣカット３０、３１を有する。なお、ＤＣカット３０、３１は、測定系へのＤＣ成分流入を防ぐために設けられる。バイアス回路２６、２７を電力増幅器の設計と同じバイアス回路で設計すれば、実パネルに近い状態でのロードプル測定が可能となる。すなわち、パネル搭載条件に近い状態で、被測定素子２０のロードプル測定を行うことができる。さらに、ロードプル測定系内に構成されるＢｉａｓＴｅｅが不要となる。また、ロードプル測定系を構築する際に、高価な高耐圧製品を用いる必要がない。このように、ロードプル測定系の構成品が削減され、測定系のキャリブレーション精度の向上、コスト低減を行うことが出来るようになる。また、バイアス回路２６、２７は、表面実装部品で構成することによって容易に回路の変更を行うことが出来る。さらに、バイアス回路２６、２７には、被測定素子２０の発振を抑制するための回路や、ＲＦカット用の回路を含めることも出来る。

測定系のインピーダンスは通常測定器も含め５０Ωとなっている。すなわち、インピーダンスチューナ３２、３３は、５０Ωのインピーダンスを有する。このため、インピーダンスチューナ３２、３３と接続されるマイクロストリップ線路２８、２９も、５０Ωのインピーダンスを有する。また、チェビチェフインピーダンス変成器２４は、５０Ωの入力インピーダンスを有する。そして、チェビチェフインピーダンス変成器２５は、５０Ωの出力インピーダンスを有する。このように、本実施の形態では、これらのインピーダンスが５０Ωとなるように設計したがこれに限らない。すなわち、接続する系のインピーダンスにあわせて設計することにより、様々な測定系にも対応することが出来る。

また、被測定素子２０によっては、入力インピーダンスと出力インピーダンスが大きく異なっている場合がある。この場合、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５のインピーダンス変換比を入出力別々に設計することで対応できる。

本実施の形態では、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５及び伝送線路をマイクロストリップ線路によって構成したがこれに限らない。被測定素子２０の入出力端が同軸形状であれば、同軸で設計すればよいし、その他の伝送線路形状にしてもよい。

チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５は、上記のように、マイクロストリップ線路によって構成される。すなわち、裏面を設置導体で覆った誘電体基板の上面に、線路導体を配して構成される。チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５は、インピーダンス変換比が大きい。このため、誘電体基板で構成されるチェビチェフインピーダンス変成器２４、２５の幅が被測定素子２０の入出力端子２１、２２と大きく寸法が異なる場合がある。また、測定系に寸法上の制約等により、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５の大きさが制約される場合がある。このような場合、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５の誘電体基板の誘電率と厚みを変更する。これにより、チェビチェフインピーダンス変成器２４、２５の幅や寸法変更を行うことが出来る。そして、ロードプル測定治具の大きさを抑えることができる。

本発明にかかるロードプル測定治具の構成図である。 実施の形態にかかるロードプル測定治具の構成図である。 ロードプル測定治具の構成図である。

符号の説明

１ マイクロ波帯ＦＥＴ、２ 入力端子、３ 出力端子、４ 治具、
５ １／４波長インピーダンス変成器、６ １／４波長インピーダンス変成器、
７ マイクロストリップ線路、８ マイクロストリップ線路、
９ インピーダンスチューナ、１０ インピーダンスチューナ、１１ ＢｉａｓＴｅｅ、
１２ ＢｉａｓＴｅｅ、
２０ 被測定素子、２１ 入力端子、２２ 出力端子、２３ 治具、
２４ チェビチェフインピーダンス変成器、２５ チェビチェフインピーダンス変成器、
２６ バイアス回路、２７ バイアス回路、２８ マイクロストリップ線路、
２９ マイクロストリップ線路、３０ ＤＣカット、３１ ＤＣカット、
３２ インピーダンスチューナ、３３ インピーダンスチューナ

Claims (6)

1. インピーダンスチューナを用いて、被測定素子の特性を評価するロードプル測定治具であって、
   前記被測定素子を装着する治具と、
   前記インピーダンスチューナと前記被測定素子との間の伝送線路に設けられたチェビチェフインピーダンス変成器と、
   前記チェビチェフインピーダンス変成器を介して前記被測定素子に電源を供給するバイアス回路と、
   前記インピーダンスチューナと前記チェビチェフインピーダンス変成器との間の伝送線路に設けられたＤＣカットと、
   を有するロードプル測定治具。
2. 前記バイアス回路は、表面実装部品により構成される請求項１に記載のロードプル測定治具。
3. 前記バイアス回路は、電力増幅器の設計と同じバイアス回路により設計された請求項１又は２に記載のロードプル測定治具。
4. 前記バイアス回路は、前記被測定素子の発振を抑制するための回路を含む、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のロードプル測定治具。
5. 前記バイアス回路は、高周波をカットするための回路を含む、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のロードプル測定治具。
6. 前記チェビチェフインピーダンス変成器は、誘電体基板の上面に線路導体を配して構成され、
   前記誘電体基板の誘電率及び厚みは、前記チェビチェフインピーダンス変成器の寸法上の制約を考慮して選択されており、
   前記寸法上の制約には、前記チェビチェフインピーダンス変成器の前記被測定素子側の幅が前記ＤＣカット側の幅より大きく、且つ前記チェビチェフインピーダンス変成器の前記被測定素子側の幅が前記チェビチェフインピーダンス変成器の前記被測定素子側に配置された入出力端子の幅より大きいことが含まれる、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のロードプル測定治具。

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