JP6189880B2 - 高周波半導体増幅器 - Google Patents
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Description
マイクロ波において、半導体増幅素子の出力電極端からみた2倍波の負荷インピーダンスを短絡近傍、3倍波の負荷インピーダンスを開放近傍とするとF級モードという高効率動作が可能となる。半導体増幅素子の出力電極端からみた2倍波の負荷インピーダンスを短絡近傍とするために半導体増幅素子の出力電極端に基本波の1/8波長の先端開放の伝送線路を接続し、3倍波の負荷インピーダンスを開放近傍とするために半導体増幅素子の出力電極端から基本波の1/8波長の伝送線路を介して基本波の1/12波長の先端開放の伝送線路を接続する技術がある(特許文献1)。
また、マイクロ波において、半導体増幅素子の出力電極端からみた2倍波の負荷インピーダンスを開放近傍、3倍波の負荷インピーダンスを短絡近傍とすると逆F級モードという高効率動作が可能となる。2倍波の負荷インピーダンスを開放近傍とするために高調波インピーダンス調整線路により基本波には影響を与えずに2倍波のインピーダンスを制御する技術がある(特許文献2)。
第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る高周波半導体増幅器の構成を示す模式図である。
図1に示すように、高周波半導体増幅器1は、周波数帯域を有する高周波信号が入力される入力端子10、入力端子10に接続された入力整合回路12、入力整合回路12に接続された高周波半導体増幅素子14、高周波半導体増幅素子14に接続された出力整合回路21及び出力整合回路21に接続された出力端子18とから構成されている。
なお、高周波半導体増幅素子14に電圧を供給する直流回路は省略してある。
図2は、図1に示す基準面P0から見た負荷インピーダンスを例示するインピーダンス図である。
図3は、図1に示す基準面P1から見た負荷インピーダンスを例示するインピーダンス図である。
図4は、図1に示す基準面P2から見た負荷インピーダンスを例示するインピーダンス図である。
図5は、図1に示す基準面P3から見た負荷インピーダンスを例示するインピーダンス図である。
図6は、図1に示す基準面P4から見た負荷インピーダンスを例示するインピーダンス図である。
図7は、図1に示す基準面P5から見た負荷インピーダンスを例示するインピーダンス図である。
図3(а)のインピーダンス図は、中心点Oが50Ωとなるように正規化している。図3(b)のインピーダンス図は、中心点Oが1Ωとなるように正規化している。
図4〜図7のインピーダンス図は、中心点Oが1Ωとなるように正規化している。
図3〜図7の図中、m1は基本波の周波数における負荷インピーダンスを示し、m2は2倍波の周波数における負荷インピーダンスを示し、m3は3倍波の周波数における負荷インピーダンスを示す。
なお、基本波、2倍波及び3倍波の周波数におけるインピーダンスは、測定やシミュレーションにより求めることができ、インピーダンス図に表示される。
マイクロストリップ線路111は2倍波においては4分の2波長程度となり、2倍波の周波数におけるインピーダンスm2は、あまり変化せずに50Ω付近のままである。この50Ω付近の部分を、図3の中で部分3Bとして示す。この時点で2倍波の負荷インピーダンスだけが基本波、3倍波の負荷インピーダンスから分離された。
従って、マイクロストリップ線路114を付加することにより発生する容量性と、ワイヤ部115の持つ誘導性とが共振するようなマイクロストリップ線路114の電気長を選択する必要がある。
高周波半導体増幅器において、高い電力付加効率を得るには、高周波半導体増幅素子の出力に接続された出力整合回路により、基本波の周波数における負荷インピーダンスを所望のインピーダンスに整合させ、偶数次高調波、例えば2倍波の周波数におけるインピーダンスを∞Ωにし、奇数次高調波、例えば3倍波の周波数におけるインピーダンスを0Ωとすればよい。このような高周波半導体増幅器の動作を逆F級動作という。高周波半導体増幅器を逆F級動作させることにより、電圧の偶数次高調波と電流の奇数次高調波が存在せず、基本波の周波数においてのみ電圧と電流が共に存在することになり高い電力付加効率が実現される。
2.7GHzから3.1GHz程度までの周波数において、基本波の反射損失を、−30dB以下にできる。
図9は、本比較例に係る高周波半導体増幅器の構成を示す模式図である。
図10は、図9に示す基準面P1から見たインピーダンスを例示する負荷インピーダンス図である。
図11は、図9に示す基準面P2から見たインピーダンスを例示する負荷インピーダンス図である。
図12は、図9に示す基準面P5から見たインピーダンスを例示する負荷インピーダンス図である。
図10〜図12のインピーダンス図は、中心点Oが1Ωとなるように正規化している。
(表2)は、本実施形態に係る第1の比較例におけるマイクロストリップ線路の電気的特性及び寸法を例示する表である。
図13は、第1の実施形態の第2の比較例に係る高周波半導体増幅器の構成を示す模式図である。
図14は、図13に示す基準面P3から見た負荷インピーダンスを例示するインピーダンス図である。
図15は、図13に示す基準面P5から見た負荷インピーダンスを例示するインピーダンス図である。
図14及び図15のインピーダンス図は、中心点Oが1Ωとなるように正規化している。
(表3)は、本実施形態に係る第2の比較例におけるマイクロストリップ線路の電気的特性及び寸法を例示する表である。
Claims (1)
- 周波数帯域を有する信号が入力される入力端子と、
前記入力端子に接続された入力整合回路と、
前記入力整合回路に接続され、前記信号の増幅を行う高周波半導体増幅素子と、
前記高周波半導体増幅素子に接続された出力整合回路と、
出力端子と、
を備え、
前記出力整合回路は、
前記出力端子に接続され、電気長が前記周波数帯域の中心周波数において72度から108度であり、特性インピーダンスが外部負荷のインピーダンスである50Ωと比べて低い第1伝送線路と、
前記第1伝送線路に接続され、電気長が前記中心周波数において18度から27度であり、特性インピーダンスが前記第1伝送線路の前記特性インピーダンスよりも低い第2伝送線路と、
前記第2伝送線路に接続され、電気長が前記中心周波数において18度から27度であり、特性インピーダンスが前記第1伝送線路の前記特性インピーダンスよりも低く、かつ前記第2伝送線路の特性インピーダンスおよび前記高周波半導体増幅素子に与えたい所望の負荷インピーダンスの抵抗成分よりもそれぞれ高い第3伝送線路と、
前記第3伝送線路に接続され、電気長が前記中心周波数において5度から10度であり、特性インピーダンスが前記所望の負荷インピーダンスの前記抵抗成分と等しい第4伝送線路と、
前記第4伝送線路と前記高周波半導体増幅素子との間に接続されたボンディングワイヤと、
を有する、高周波半導体増幅器。
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