JP6132530B2 - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Description

この発明は、整合回路を改良した高周波電力増幅器に関する。

一般的に、高周波電力増幅器は、最大の出力を得るために、整合回路を用いてトランジスタのインピーダンスを、入力および出力共に５０Ωに整合させる必要がある。
したがって、整合回路のパターンは、トランジスタの最適な入力および出力インピーダンスに対して、整合が取れるように回路設計を行う。
しかし、実際には、トランジスタ自体の特性のばらつきや組立のばらつき等により、整合が設計から外れてしまう場合がある。
このため、整合が設計からずれたインピーダンスを最適点に移動させ、整合が取れるように調整が行われる。

図８は従来例１による高周波電力増幅器を示す構成図である。
図８において、１ａ，１ｂ，１ｄは線路、１ｃは結合部、１０２はインピーダンス調整用スタブからなる整合回路、１０３はスタブ、１０４はワイヤである。
従来例１では、複数のスタブ１０３がワイヤ１０４により直列に接続され、そのうちの一つのスタブ１０３と結合部１ｃの線路１ｄとがワイヤ１０４により接続される。
これら直列に接続される複数のスタブ１０３の数を調整することで、接続される複数のスタブ１０３による等価容量により、インピーダンスの調整を行う。

図９は従来例２による高周波電力増幅器を示す構成図である。
図９において、１は線路、１１２はインピーダンス調整用スタブからなる整合回路、１１３は開放性スタブ、１１４は調整用ランド（スタブ）、１１５はワイヤである。
従来例２では、線路１の近傍に、開放性スタブ１１３が配置され、開放性スタブ１１３の周りには、サイズの小さな調整用ランド１１４が配置され、任意の調整用ランド１１４がワイヤ１１５により開放性スタブ１１３に接続され、開放性スタブ１１３と線路１とがワイヤ１１５により接続される。
これら開放性スタブ１１３に接続される調整用ランド１１４の数を調整することで、インピーダンスの微調整を行う。
なお、従来例２は、下記特許文献１に提案されている。

特開昭６２−２６９４０２号公報

従来例１および従来例２の高周波電力増幅器は以上のように構成されているので、インピーダンス調整を行うためにスタブを接続すると、接続されたスタブの長さは、ある周波数に対してλ/４の電気長になる。
つまり、ある周波数に対してスタブが接続された位置は、ショート点として見えてしまうため、ある周波数信号は出力側にほとんど伝達されない。
すなわち、共振点となって利得が大幅に劣化する周波数が存在するようになる。
利得が劣化する共振点が、使用する帯域付近にあると特性上大きな課題となる。

このように、共振周波数は、接続されたスタブの長さによって決まる。
例えば、図８で示した従来例１の構成において、直列にスタブ１０３を接続してインピーダンス調整を行うと、このスタブ１０３の長さに応じた共振点が生じる。
この共振点が使用帯域付近に生じた場合、スタブ１０３の長さを変えることで共振点位置をずらす必要があるが、このスタブ１０３の長さに応じて形成される等価容量によってインピーダンス調整を行っているため、スタブ１０３の長さを変えられず、共振周波数もずらすことができない課題が生じる。

また、図９で示した従来例２の構成では、開放性スタブ１１３に接続される調整用ランド１１４の数を調整することで、インピーダンスを微調整できるようになっているが、スタブの長さは、単一の大きなサイズの開放性スタブ１１３でほぼ決まってしまい、サイズの小さな調整用ランド１１４ではスタブの長さを大きく変えることができず、よって、共振周波数も大きくずらすことができない課題が生じる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、スタブによって形成される等価容量を確保しつつ、スタブの長さを大きく変えて共振周波数を大きくずらす高周波電力増幅器を得ることを目的とする。

この発明の高周波電力増幅器は、インピーダンス調整用スタブにおいて、少なくとも２種類以上の異なるサイズを持つ複数のスタブが配置され、複数のスタブのうちの一部または全部のスタブが第一のワイヤにより接続され、それら第一のワイヤにより接続された複数のスタブのうちの少なくとも一つのスタブと線路とが第二のワイヤにより接続されると共に、それら第一のワイヤにより接続されたサイズの大きい複数のスタブのうちの一部または全部が閉ループ接続されるものである。

この発明によれば、インピーダンス調整用スタブは、第一のワイヤにより接続されたサイズの大きい複数のスタブのうちの一部または全部が閉ループ接続されるようにした。
閉ループ接続されるサイズの大きい複数のスタブは、等価容量が直列に接続したときと同等となり、同時にスタブの長さが直列に接続したときと比べて電気長が短くなるので、共振周波数が大きくなる。
よって、スタブによって形成される等価容量を確保しつつ、スタブの長さを大きく変えて共振周波数を大きくずらすことができる効果がある。

この発明の実施の形態１による高周波電力増幅器（ワイヤ接続されていない状態）を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による高周波電力増幅器（ワイヤ接続された状態）を示す構成図である。 シミュレーションの対象となる高周波電力増幅器を示す構成図である。 シミュレーション結果を示す特性図である。 この発明の実施の形態２による高周波電力増幅器を示す構成図である。 この発明の実施の形態３による高周波電力増幅器を示す構成図である。 この発明の実施の形態４による高周波電力増幅器を示す構成図である。 従来例１による高周波電力増幅器を示す構成図である。 従来例２による高周波電力増幅器を示す構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による高周波電力増幅器（ワイヤ接続されていない状態）を示す構成図である。
図１において、１ａ，１ｂ，１ｄは線路、１ｃは結合部、２はインピーダンス調整用スタブからなる整合回路、３は調整用大スタブ、４は調整用小スタブである。
結合部１ｃの線路１ｄの近傍には、サイズの大きな複数の調整用大スタブ３が配置され、複数の調整用大スタブ３の周りにはサイズの小さい複数の調整用小スタブ４が配置される。
図１は未だワイヤが接続されていない状態を示したものである。

図２はこの発明の実施の形態１による高周波電力増幅器（ワイヤ接続されてた状態）を示す構成図である。
線路１ｄのインピーダンスを調整する際には、一つの調整用大スタブ３と線路１ｄをワイヤ５により接続し、複数の調整用大スタブ３を閉ループになるようにワイヤ５で互いに接続する。
なお、閉ループになるように接続する調整用大スタブ３の数は、期待する等価容量に応じて任意であって良い。
さらに、調整用大スタブ３と任意数の調整用小スタブ４をワイヤ５により接続する。
この調整用小スタブ４の接続により、等価容量の微調整を行う。
なお、この調整用大スタブ３は、ワイヤ５を互いに複数打つことができ、ワイヤ５により閉ループを形成可能な大きさとする。
このように構成することで、スタブを長さ方向だけでなく、幅方向にも大きさを調整できる。

次に動作について説明する。
スタブを用いてインピーダンス調整を行う際には、そのスタブの電気長に応じた共振点が発生する。
このとき、調整用大スタブ３を使って、複数の調整用大スタブ３をワイヤ５により並列に接続することで、複数の調整用大スタブ３によって形成される等価容量は、直列に接続するときと同等となり、同時に複数の調整用大スタブ３の長さが直列で接続するときに比べ電気長が短くなるので共振周波数は大きくなる。
以上のような原理で使用帯域付近に生じた共振点をずらすことが可能となる。

図３はシミュレーションの対象となる高周波電力増幅器を示す構成図である。
図３において、６は入力側の線路１から入力される高周波を増幅して出力側の線路１に出力するトランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、７はトランジスタ６と入力側の線路１および出力側の線路１と接続するワイヤ、８は入力端子、９は出力端子である。
なお、整合回路２は、トランジスタ６の入力側の線路１および出力側の線路１に設けられている。

図３で示すような内部整合型ＦＥＴを考えた場合、スタブでトランジスタ６の最適インピーダンスに調整した場合、スタブを直列に接続したときと、並列に接続したときのシミュレーション結果を図４に示す。
図８で示した従来例１のようにスタブを直列に接続すると、５ＧＨｚの使用帯域近傍の６．５ＧＨｚに共振点が発生する。
しかし、実施の形態１のようにスタブを並列に接続して、スタブの長さを短くすることで共振点が高域側の８．６ＧＨｚに大きくずれていることが分かる。
このとき、共振点がずれた以外は、利得の特性が変わらないのが分かる。
実施の形態１の構成で示したように、スタブの接続方法を直列型から並列型に変えることで、トンランジス６の特性に影響を与えることなく、共振点位置を大きく変える調整が可能となる。

なお、実施の形態１において、複数の調整用大スタブ３および複数の調整用小スタブ４を配置したが、複数の調整用大スタブ３のみの配置、あるいは、複数の調整用小スタブ４のみの配置であっても良く、任意数のスタブをワイヤ５により閉ループに接続すれば、トンランジス６の特性に影響を与えることなく、共振点位置を大きく変える調整が可能となる。
また、調整用大スタブ３は、結合部１ｃの線路１ｄの近傍に接続されているが、線路１上の任意の位置に接続しても良い。

以上のように、実施の形態１によれば、整合回路２において、ワイヤ５により接続された複数の調整用大スタブ３および複数の調整用小スタブ４のうちの一部または全部が閉ループ接続されるようにした。
閉ループ接続される複数のスタブは、等価容量が直列に接続したときと同等となり、同時にスタブの長さが直列に接続したときと比べて電気長が短くなるので、共振周波数が大きくなる。
よって、スタブによって形成される等価容量を確保しつつ、スタブの長さを大きく変えて共振周波数を大きくずらすことができる。

また、結合部１ｃの線路１ｄの近傍には、サイズの大きな複数の調整用大スタブ３が配置され、複数の調整用大スタブ３の周りには、サイズの小さい複数の調整用小スタブ４が配置され、複数の調整用大スタブ３のうちの一部または全部が閉ループ接続されるようにした。
よって、ワイヤ５の数を大きく増やすこと無く、閉ループ接続することができることから、ワイヤ５に関する製造を容易にすることができる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２による高周波電力増幅器を示す構成図である。
図５において、１２はインピーダンス調整用スタブからなる整合回路、１３は調整用大スタブ、１４は調整用小スタブである。
結合部１ｃの線路１ｄの近傍には、サイズの小さい複数の調整用小スタブ１４が配置され、複数の調整用小スタブ１４の周りにはサイズの大きい複数の調整用大スタブ１３が配置される。

線路１ｄのインピーダンスを調整する際には、一つの調整用小スタブ１４と線路１ｄをワイヤ５により接続し、その調整用小スタブ１４と任意数の調整用小スタブ１４をワイヤ５により接続する。
この調整用小スタブ１４の接続により、等価容量の微調整を行う。
さらに、複数の調整用大スタブ１３を閉ループになるようにワイヤ５で互いに接続し、その調整用大スタブ１３と調整用小スタブ１４をワイヤ５により接続する。
なお、閉ループになるように接続する調整用大スタブ１３の数は、期待する等価容量に応じて任意であって良い。
また、この調整用大スタブ１３は、ワイヤ５を互いに複数打つことができ、ワイヤ５により閉ループを形成可能な大きさとする。
このように構成することで、スタブを長さ方向だけでなく、幅方向にも大きさを調整できる。

なお、実施の形態２において、複数の調整用大スタブ１３および複数の調整用小スタブ１４を配置したが、複数の調整用大スタブ１３のみの配置、あるいは、複数の調整用小スタブ１４のみの配置であっても良く、任意数のスタブをワイヤ５により閉ループに接続すれば、トンランジス６の特性に影響を与えることなく、共振点位置を大きく変える調整が可能となる。
また、調整用大スタブ１３は、結合部１ｃの線路１ｄの近傍に接続されているが、線路１上の任意の位置に接続しても良い。

以上のように、実施の形態２によれば、整合回路１２において、ワイヤ５により接続された複数の調整用大スタブ１３および複数の調整用小スタブ１４のうちの一部または全部が閉ループ接続されるようにした。
閉ループ接続される複数のスタブは、等価容量が直列に接続したときと同等となり、同時にスタブの長さが直列に接続したときと比べて電気長が短くなるので、共振周波数が大きくなる。
よって、スタブによって形成される等価容量を確保しつつ、スタブの長さを大きく変えて共振周波数を大きくずらすことができる。

また、結合部１ｃの線路１ｄの近傍には、サイズの小さい複数の調整用小スタブ１４が配置され、複数の調整用小スタブ１４の周りには、サイズの大きな複数の調整用大スタブ１３が配置され、複数の調整用大スタブ１３のうちの一部または全部が閉ループ接続されるようにした。
よって、ワイヤ５の数を大きく増やすこと無く、閉ループ接続することができることから、ワイヤ５に関する製造を容易にすることができる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による高周波電力増幅器を示す構成図である。
図６において、２２はインピーダンス調整用スタブからなる整合回路、２３，２５は調整用大スタブ、２４は調整用小スタブである。
結合部１ｃの線路１ｄの近傍には、サイズの大きい複数の調整用大スタブ２３が配置され、複数の調整用大スタブ２３の周りにはサイズの小さい複数の調整用小スタブ２４が配置され、複数の調整用小スタブ２４の周りにはサイズの大きい複数の調整用大スタブ２５が配置される。

線路１ｄのインピーダンスを調整する際には、一つの調整用大スタブ２３と線路１ｄをワイヤ５により接続し、複数の調整用大スタブ２３を閉ループになるようにワイヤ５で互いに接続する。
また、複数の調整用大スタブ２５を閉ループになるようにワイヤ５で互いに接続する。
なお、閉ループになるように接続する調整用大スタブ２３，２５の数は、期待する等価容量に応じて任意であって良い。
さらに、調整用小スタブ２４同士をワイヤ５により接続し、調整用大スタブ２３と調整用小スタブ２４、調整用小スタブ２４と調整用大スタブ２５をワイヤ５により接続する。
この調整用小スタブ２４の接続により、等価容量の微調整を行う。
なお、この調整用大スタブ２３，２５は、ワイヤ５を互いに複数打つことができ、ワイヤ５により閉ループを形成可能な大きさとする。
このように構成することで、スタブを長さ方向だけでなく、幅方向にも大きさを調整できる。

なお、実施の形態３において、複数の調整用大スタブ２３，２５および複数の調整用小スタブ２４を配置したが、複数の調整用大スタブ２３のみの配置、あるいは、複数の調整用小スタブ２４のみの配置であっても良く、任意数のスタブをワイヤ５により閉ループに接続すれば、トンランジス６の特性に影響を与えることなく、共振点位置を大きく変える調整が可能となる。
また、線路１ｄの近い側から調整用大スタブ２３、調整用小スタブ２４、調整用大スタブ２５の順で、サイズの異なるスタブが配置されているが、配置される順番はどのような順番であっても良い。
さらに、調整用大スタブ２３は、結合部１ｃの線路１ｄの近傍に接続されているが、線路１上の任意の位置に接続しても良い。

以上のように、実施の形態３によれば、整合回路２２において、ワイヤ５により接続された複数の調整用大スタブ２３，２５および複数の調整用小スタブ２４のうちの一部または全部が閉ループ接続されるようにした。
閉ループ接続される複数のスタブは、等価容量が直列に接続したときと同等となり、同時にスタブの長さが直列に接続したときと比べて電気長が短くなるので、共振周波数が大きくなる。
よって、スタブによって形成される等価容量を確保しつつ、スタブの長さを大きく変えて共振周波数を大きくずらすことができる。

また、結合部１ｃの線路１ｄの近傍には、サイズの大きい複数の調整用大スタブ２３が配置され、複数の調整用大スタブ２３の周りには、サイズの小さい複数の調整用小スタブ２４が配置され、複数の調整用小スタブ２４の周りには、サイズの大きい複数の調整用大スタブ２５が配置され、複数の調整用大スタブ２３，２５のうちの一部または全部が閉ループ接続されるようにした。
よって、ワイヤ５の数を大きく増やすこと無く、閉ループ接続することができることから、ワイヤ５に関する製造を容易にすることができる。
さらに、インピーダンス調整の自由度、およびスタブの長さと幅の調整の自由度を広げることができる。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４による高周波電力増幅器を示す構成図である。
図７において、３２はインピーダンス調整用スタブからなる整合回路、３３は調整用大スタブ、３４は調整用小スタブ、３５は調整用特大スタブである。
結合部１ｃの線路１ｄの近傍には、サイズの大きい複数の調整用大スタブ３３が配置され、複数の調整用大スタブ３３の周りにはサイズの小さい複数の調整用小スタブ３４が配置され、複数の調整用小スタブ３４の周りにはサイズが特大の複数の調整用特大スタブ３５が配置される。

線路１ｄのインピーダンスを調整する際には、一つの調整用大スタブ３３と線路１ｄをワイヤ５により接続し、複数の調整用大スタブ３３を閉ループになるようにワイヤ５で互いに接続する。
また、調整用小スタブ３４同士をワイヤ５により接続し、調整用大スタブ３３と調整用小スタブ３４、調整用小スタブ３４と調整用特大スタブ３５をワイヤ５により接続し、複数の調整用特大スタブ３５を閉ループになるように接続する。
この調整用小スタブ３４の接続により、等価容量の微調整を行う。
なお、閉ループになるように接続する調整用大スタブ３３および調整用特大スタブ３５の数は、期待する等価容量に応じて任意であって良い。
また、この調整用大スタブ３３および調整用特大スタブ３５は、ワイヤ５を互いに複数打つことができ、ワイヤ５により閉ループを形成可能な大きさとする。
このように構成することで、スタブを長さ方向だけでなく、幅方向にも大きさを調整できる。

なお、実施の形態４において、複数の調整用大スタブ３３、複数の調整用小スタブ３４および複数の調整用特大スタブ３５を配置したが、複数の調整用大スタブ３３のみの配置、あるいは、複数の調整用小スタブ３４のみの配置、あるいは、複数の調整用特大スタブ３５のみの配置であっても良く、任意数のスタブをワイヤ５により閉ループに接続すれば、トンランジス６の特性に影響を与えることなく、共振点位置を大きく変える調整が可能となる。
また、線路１ｄの近い側から調整用大スタブ３３、調整用小スタブ３４、調整用特大スタブ３５の順で、サイズの異なるスタブが配置されているが、配置される順番はどのような順番であっても良い。
さらに、調整用大スタブ３３は、結合部１ｃの線路１ｄの近傍に接続されているが、線路１上の任意の位置に接続しても良い。
さらに、調整用大スタブ３３、調整用小スタブ３４、調整用特大スタブ３５の３種類の大きさのスタブを配置したが、大きさはさらに複数あっても良い。

以上のように、実施の形態４によれば、整合回路３２において、ワイヤ５により接続された複数の調整用大スタブ３３、複数の調整用小スタブ３４、および複数の調整用特大スタブ３５のうちの一部または全部が閉ループ接続されるようにした。
閉ループ接続される複数のスタブは、等価容量が直列に接続したときと同等となり、同時にスタブの長さが直列に接続したときと比べて電気長が短くなるので、共振周波数が大きくなる。
よって、スタブによって形成される等価容量を確保しつつ、スタブの長さを大きく変えて共振周波数を大きくずらすことができる。

また、結合部１ｃの線路１ｄの近傍には、サイズの大きい複数の調整用大スタブ３３が配置され、複数の調整用大スタブ３３の周りには、サイズの小さい複数の調整用小スタブ３４が配置され、複数の調整用小スタブ３４の周りには、サイズが特大の複数の調整用特大スタブ３５が配置され、複数の調整用大スタブ３３および複数の調整用特大スタブ３５のうちの一部または全部が閉ループ接続されるようにした。
よって、ワイヤ５の数を大きく増やすこと無く、閉ループ接続することができることから、ワイヤ５に関する製造を容易にすることができる。
さらに、インピーダンス調整の自由度、およびスタブの長さと幅の調整の自由度を広げることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ａ，１ｂ，１ｄ 線路、１ｃ 結合部、２，１２，２２，３２ 整合回路、３，１３，２３，２５，３３ 調整用大スタブ、４，１４，２４，３４ 調整用小スタブ、５，７ ワイヤ、６ トランジスタ、８ 入力端子、９ 出力端子、３５ 調整用特大スタブ。

Claims (3)

1. 入力側の線路から入力される高周波を増幅して出力側の線路に出力するトランジスタと、
   インピーダンス調整用スタブを含む、入力側の線路および出力側の線路のうちの少なくともいずれか一方に設けられた整合回路とを備え、
   上記インピーダンス調整用スタブは、
   少なくとも２種類以上の異なるサイズを持つ複数のスタブが配置され、
   上記複数のスタブのうちの一部または全部のスタブが第一のワイヤにより接続され、
   それら第一のワイヤにより接続された複数のスタブのうちの少なくとも一つのスタブと上記線路とが第二のワイヤにより接続されると共に、
   それら第一のワイヤにより接続されたサイズの大きい複数のスタブのうちの一部または全部が閉ループ接続されることを特徴とする高周波電力増幅器。
2. 上記インピーダンス調整用スタブは、
   上記線路の近傍にサイズの大きい複数のスタブが配置されることを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器。
3. 上記インピーダンス調整用スタブは、
   上記線路の近傍にサイズの小さい複数のスタブが配置されることを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器。

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