JP6388747B2

JP6388747B2 - 電力増幅器

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Publication number: JP6388747B2
Application number: JP2018518820A
Authority: JP
Inventors: 由文河村; 政毅半谷; 山中　宏治; 宏治山中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2036-05-23
Also published as: JPWO2017203571A1; WO2017203571A1

Description

この発明は、高周波信号を増幅する電力増幅器に関するものである。

例えば、マイクロ波やミリ波などの高周波信号を増幅する電力増幅器は、無線通信やレーダなどの用途に適している。
無線通信やレーダなどに用いられる電力増幅器の中には、高い出力電力を得るために、高周波信号を増幅する単位セルトランジスタが複数個並列に接続されているマルチセルトランジスタを実装している電力増幅器がある。
以下の特許文献１には、マルチセルトランジスタを実装している電力増幅器が開示されている。

以下の特許文献１に開示されている電力増幅器の動作を簡単に説明する。
マルチセルトランジスタは、複数の単位セルトランジスタが等間隔に配置されることで構成されている。
複数の単位セルトランジスタにより増幅された高周波信号は、出力整合回路を介して、出力端子に出力される。
出力整合回路は、単位セルトランジスタ毎に設けられている整合回路であり、オープンスタブ、線路及びワイヤによって構成されている。
オープンスタブの幅は、複数の単位セルトランジスタの間隔よりも狭い寸法であり、オープンスタブの線路長は、高調波で電気的に短絡となるように設定されている。

単位セルトランジスタ毎にオープンスタブが設けられているため、各々の単位セルトランジスタで生じた高調波は、オープンスタブで反射されて、単位セルトランジスタに戻るようになる。
このとき、高調波が適切な反射角で単位セルトランジスタに戻るように、単位セルトランジスタ端での高周波信号の信号波形を整形することで、単位セルトランジスタのドレイン効率を向上させることができる。

特開２０１１−１７６７５２号公報

従来の電力増幅器は以上のように構成されているので、高い出力電力を得ることができるようになるが、１つのトランジスタだけが実装されている場合の当該トランジスタのインピーダンスと比べて、マルチセルトランジスタの合成インピーダンスが小さくなる。これにより、マルチセルトランジスタと出力端子との間のインピーダンス変成比が大きくなるため、電力増幅器の高効率化を図るには、マルチセルトランジスタと出力端子を結ぶ線路の低インピーダンス化が必要になる。
マルチセルトランジスタと出力端子を結ぶ線路の線路幅を広げれば、線路の低インピーダンス化を図ることができるが、電力増幅器の小型化を図るには、複数の単位セルトランジスタの間隔をあまり広げることができないため、線路の線路幅を十分に広げることができず、高効率化を図ることができないことがあるという課題があった。

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、高効率化を図ることができる電力増幅器を得ることを目的とする。

この発明に係る電力増幅器は、高周波信号を増幅するトランジスタと、一端がトランジスタの出力端子に接続された第１の直列インダクタと、一端が第１の直列インダクタの他端に接続された第１の伝送線路と、一端が第１の伝送線路の他端に接続された第２の直列インダクタと、一端が第２の直列インダクタの他端に接続された第２の伝送線路と、一端が第２の伝送線路の他端に接続され、他端が出力端子に接続された第３の伝送線路と、一端が第１の直列インダクタの他端と第２の伝送線路の一端との間に接続されて、他端が開放されており、高周波信号の２倍波に対する短絡点を形成する短絡点形成回路とを備え、トランジスタが容量性の出力インピーダンスを有し、第１の伝送線路が形成されている第１の回路基板の比誘電率が、第２の伝送線路が形成されている第２の回路基板の比誘電率よりも低いようにし、短絡点形成回路は、一端が前記第１の伝送線路における一端と他端の間に接続された第４の伝送線路と、一端が第４の伝送線路の他端に接続された第３の直列インダクタと、一端が第３の直列インダクタの他端に接続され、他端が開放されている第５の伝送線路とを備え、第４の伝送線路が第１の回路基板に形成され、第５の伝送線路が第２の回路基板に形成され、第４の伝送線路の一端が接続されている第１の伝送線路上の接続点から第１の伝送線路の他端までの電気長と、第４の伝送線路の電気長とが異なっているものである。

この発明によれば、トランジスタが容量性の出力インピーダンスを有し、第１の伝送線路が形成されている第１の回路基板の比誘電率が、第２の伝送線路が形成されている第２の回路基板の比誘電率よりも低いように構成したので、高効率化を図ることができる効果がある。

この発明の実施の形態１による電力増幅器を示す構成図である。この発明の実施の形態１による電力増幅器のインピーダンス軌跡を示す説明図である。伝送線路９の特性インピーダンスＺ４の一例を示す説明図である。この発明の実施の形態１による電力増幅器の広帯域性を示す説明図である。この発明の実施の形態１によるマルチセルトランジスタを実装している電力増幅器を示す構成図である。この発明の実施の形態１によるマルチセルトランジスタを実装している電力増幅器を示す構成図である。この発明の実施の形態１によるマルチセルトランジスタを実装している電力増幅器を示す構成図である。この発明の実施の形態１による他の電力増幅器を示す構成図である。この発明の実施の形態２による電力増幅器を示す構成図である。この発明の実施の形態２による他の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による他の電力増幅器を示す構成図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電力増幅器を示す構成図である。
図１において、入力端子１は基本波の周波数がｆ_０の高周波信号を入力する端子である。高周波信号としては、例えば、マイクロ波やミリ波などのＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号が該当する。周波数がｆ_０のときの波長をλとする。
入力整合回路２は入力端子１とトランジスタ３の間に配置されている整合回路である。
トランジスタ３は例えばＨＥＭＴ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体増幅素子で実現され、入力端子１から入力されて入力整合回路２を通過してきた高周波信号を増幅する。
なお、トランジスタ３の出力インピーダンスは、ＧＨｚ帯周波数において、容量性を有している。

ここでは、トランジスタ３が、ＨＥＭＴやＦＥＴで実現されるものを想定しているが、ＧＨｚ帯の所望周波数帯域において、容量性を有するトランジスタであればよく、ＨＥＭＴやＦＥＴ以外のトランジスタであってもよい。
図１の例では、トランジスタ３のゲート端子が入力整合回路２と接続され、ドレイン端子がワイヤ４と接続され、ソース端子が接地されている。ただし、これは一例に過ぎず、ソース端子がワイヤ４と接続され、ドレイン端子が接地されているものであってもよい。
トランジスタ３に供給するゲートバイアス回路及びドレインバイアス回路は記載を省略しているが、ゲートバイアス回路及びドレインバイアス回路は、トランジスタ３を含む半導体パッケージの外側に配置されていてもよいし、内側に配置されていてもよい。

ワイヤ４は一端がトランジスタ３の出力端子に接続されている第１の直列インダクタである。図１の例では、トランジスタ３の出力端子はドレイン端子である。
伝送線路５は伝送線路６と伝送線路７が直列に接続されている第１の伝送線路であり、一端がワイヤ４の他端に接続されている。
伝送線路６は一端がワイヤ４の他端に接続されており、伝送線路７は一端が伝送線路６の他端に接続されている。

ワイヤ８は一端が伝送線路７の他端に接続されている第２の直列インダクタである。
伝送線路９は一端がワイヤ８の他端に接続されている第２の伝送線路である。
ワイヤ１０は一端が伝送線路９の他端に接続されている。
伝送線路１１は伝送線路１２と伝送線路１３が直列に接続されている第３の伝送線路であり、一端がワイヤ１０の他端に接続され、他端が出力端子１４に接続されている。
図１の例では、伝送線路１１がワイヤ１０を介して伝送線路９と接続されているが、ワイヤ１０が実装されずに、伝送線路１１が伝送線路９と直接接続されているものであってもよい。
伝送線路１２は一端がワイヤ１０の他端に接続されており、伝送線路１３は一端が伝送線路１２の他端に接続されて、他端が出力端子１４に接続されている。
出力端子１４はトランジスタ３により増幅された高周波信号を出力する端子である。

短絡点形成回路１５はトランジスタ３で生じる高周波信号の２倍波に対する短絡点を形成する回路であり、伝送線路１６、ワイヤ１７及び伝送線路１８を備えている。
図１の例では、短絡点形成回路１５の一端が伝送線路６と伝送線路７の間に接続されているが、短絡点形成回路１５の一端が伝送線路６の一端、あるいは、伝送線路７の他端と接続されているものであってもよい。
ただし、トランジスタ３の出力端子から基本波の周波数ｆ_０で２分の１波長以内の位置に、短絡点形成回路１５の一端が接続されていることが望ましい。
伝送線路１６は一端が伝送線路６と伝送線路７の間に接続されている第４の伝送線路である。
ワイヤ１７は一端が伝送線路１５の他端に接続されている第３の直列インダクタである。
伝送線路１８は一端がワイヤ１７の他端に接続されて、他端が開放されている第５の伝送線路である。

回路基板１９は伝送線路５及び伝送線路１６が形成されている第１の回路基板であり、回路基板１９の比誘電率は、回路基板２０の比誘電率よりも低い。
回路基板２０は伝送線路９及び伝送線路１８が形成されている第２の回路基板である。

この実施の形態１では、伝送線路６，７，９，１２，１３，１６，１８がマイクロストリップ線路で実現されるものを想定しているが、所望の電気的性質を実現できるものであれば、マイクロストリップ線路に限るものではなく、例えば、コプレーナ線路やストリップ線路などで実現されるものであってもよい。

次に動作について説明する。
入力端子１から入力された高周波信号は、入力整合回路２で整合された後、トランジスタ３に入力され、トランジスタ３で増幅される。
トランジスタ３で増幅された高周波信号は、ワイヤ４を通じて、伝送線路５に入力され、伝送線路５における伝送線路６，７によって伝送される。
伝送線路６，７によって伝送された高周波信号は、ワイヤ１０を通じて、伝送線路１１に入力され、伝送線路１１における伝送線路１２，１３によって伝送される。
伝送線路１２，１３によって伝送された高周波信号は、出力端子１４に出力される。

このとき、ワイヤ４，８，１０及び伝送線路６，７，９，１２，１３は、トランジスタ３の出力整合回路として機能し、トランジスタ３で増幅された高周波信号のインピーダンスが、出力端子１４に接続されている負荷のインピーダンスＺｏｕｔと整合される。
この結果、出力端子１４からトランジスタ３で増幅された高周波信号を出力することができるようになる。
また、伝送線路７などの主線路と並列に、短絡点形成回路１５が接続されており、短絡点形成回路１５が、トランジスタ３で生じる高周波信号の２倍波に対して短絡点を形成するため、高周波信号の２倍波が当該短絡点で反射されて、トランジスタ３に戻るようになる。高周波信号の２倍波の周波数は２ｆ_０である。

図２はこの発明の実施の形態１による電力増幅器のインピーダンス軌跡を示す説明図である。
図２では、出力端子１４に接続されている負荷のインピーダンスがＺｏｕｔ、トランジスタ３の出力インピーダンスが最適負荷インピーダンスＺｏｕｔ１であるとし、また、スミスチャートのインピーダンス中心がＺｏｕｔ／８であるとしている。
最適負荷インピーダンスＺｏｕｔ１は、トランジスタ３の効率が最高になる負荷インピーダンス、トランジスタ３の出力電力が最大になる負荷インピーダンス、あるいは、ユーザにより設定される任意の負荷インピーダンスなどが考えられる。
トランジスタ３の最適負荷インピーダンスＺｏｕｔ１は低抵抗、かつ、容量性の領域にある。

また、伝送線路１２と伝送線路１３の接続点から出力端子１４を見込んだインピーダンスがＺｏｕｔＡ、ワイヤ１０と伝送線路１２の接続点から出力端子１４を見込んだインピーダンスがＺｏｕｔＢ、ワイヤ８と伝送線路９の接続点から出力端子１４を見込んだインピーダンスがＺｏｕｔＣ、トランジスタ３の出力端子とワイヤ４の接続点から出力端子１４を見込んだインピーダンスがＺｏｕｔＤであるとしている。
この場合、高周波信号の基本波の周波数ｆ_０において、インピーダンスＺｏｕｔＤと、トランジスタ３の最適負荷インピーダンスＺｏｕｔ１との不整合を小さくすることできれば、高効率な電力増幅器が得られる。

以下、図２を参照しながら、電力増幅器のインピーダンス軌跡を説明する。
出力端子１４に接続されている負荷のインピーダンスＺｏｕｔが、抵抗成分だけの純抵抗Ｒｃで表される場合、電力増幅器のインピーダンスは、純抵抗Ｒｃよりも低い特性インピーダンスＺ６を有し、かつ、基本波の周波数ｆ_０で４分の１波長（＝λ／４）よりも短い電気長Ｅ６を有する伝送線路１３によって、インピーダンスＺｏｕｔＡに変成される。

次に、電力増幅器のインピーダンスは、特性インピーダンスＺ６よりも低い特性インピーダンスＺ５を有し、かつ、電気長Ｅ５を有する伝送線路１２によって、インピーダンスＺｏｕｔＢに変成される。
伝送線路１３の電気長Ｅ６と、伝送線路１２の電気長Ｅ５とは、合計で４分の１波長（＝λ／４）となる関係を有している。
このとき、ワイヤ１０のインダクタンスは、極力小さいことが望ましいが、ワイヤ１０のインダクタンスの影響を無視することができない場合は、ワイヤ１０のインピーダンスがスミスチャートの等レジスタンス円上を時計回りに変化することを利用し、ワイヤ１０のインダクタンスの影響分だけ、伝送線路１２の電気長Ｅ５又は伝送線路１３の電気長Ｅ６のいずれかを短くすれば、ワイヤ１０のインダクタンスの影響を無視することができるようになる。

ワイヤ１０と伝送線路１２の接続点から出力端子１４を見込んだインピーダンスＺｏｕｔＢは、図２に示すように、上向きの周波数特性を有しているため、トランジスタ３の出力インピーダンスの周波数特性と合わせるには、下向きの周波数特性を有するインピーダンスＺｏｕｔＣに変成する必要がある。
インピーダンスＺｏｕｔＢからインピーダンスＺｏｕｔＣに変成するには、伝送線路９の特性インピーダンスＺ４が、伝送線路１２の特性インピーダンスＺ５よりも低くければよい。

ここで、伝送線路９の電気長Ｅ４は、基本波の周波数ｆ_０で４分の１波長（＝λ／４）であり、例えば、伝送線路９の線路幅が４００ｕｍ、回路基板２０の基板厚が２００ｕｍ、回路基板２０の比誘電率が、高周波回路基板として一般的な比誘電率である１０、３８、９０又は１５０である場合の伝送線路９の特性インピーダンスＺ４は、図３のようになる。
図３は伝送線路９の特性インピーダンスＺ４を示す説明図である。
図３の例では、回路基板２０の比誘電率が１０である場合の特性インピーダンスＺ４が３２．８Ω、比誘電率が３８である場合の特性インピーダンスＺ４が１７．２Ω、比誘電率が９０である場合の特性インピーダンスＺ４が１１．６Ω、比誘電率が１５０である場合の特性インピーダンスＺ４が９．２Ωである。

伝送線路９の線路幅が制限されている条件下で、伝送線路９の特性インピーダンスＺ４を低くするには、回路基板２０の基板厚を薄くする方法、あるいは、回路基板２０の比誘電率を高くする方法が考えられる。
しかし、それらの方法で、伝送線路９の特性インピーダンスＺ４を低くすると、回路基板２０の誘電正接による影響が支配的となり、伝送線路９による回路損失が大きくなる。このため、トランジスタ３の最適負荷インピーダンスＺｏｕｔ１とインピーダンスＺｏｕｔＢの関係を考慮して、回路基板２０の及び伝送線路９のパラメータを決定する必要がある。

ワイヤ８と伝送線路９の接続点から出力端子１４を見込んだインピーダンスＺｏｕｔＣは、前述の通り、下向きの周波数特性を有している。このため、直列インダクタを用いて、等レジスタンス線上を時計回りにインピーダンスＺｏｕｔＣを変化させることができれば、トランジスタ３の最適負荷インピーダンスＺｏｕｔ１まで変成することが可能となる。
しかしながら、トランジスタ３の出力端子に対して、ワイヤ４の一端を接続するために形成される電極パッドにおける並列容量の影響、回路基板２０における伝送線路９の配線によって形成される並列容量の影響、伝送線路９などにより生じる容量性の影響を受けるため、等レジスタンス線上を時計回りにインピーダンスＺｏｕｔＣが動かず、むしろ反時計回りに僅かに回ってしまう。
そのため、直列インダクタを用いても、トランジスタ３の最適負荷インピーダンスＺｏｕｔ１まで変成することができず、出力容量の大きなトランジスタ３に対しての整合が困難となる。

そこで、この実施の形態１では、トランジスタ３の近くに、回路基板２０よりも比誘電率が低い回路基板１９を配置することで、トランジスタ３の直近における並列容量の影響による容量性インピーダンス変成を抑圧し、周波数ｆ_０での広帯域整合を実現できるようにしている。
また、回路基板１９の比誘電率を、回路基板２０の比誘電率よりも低くすることで、伝送線路６，７，１６の特性インピーダンスを高くすることができる。
また、下記の式（１）に示すように、伝送線路７の電気長Ｅ２と、伝送線路１６の電気長Ｅ３とが異なるように、伝送線路７の電気長Ｅ２と、伝送線路１６の電気長Ｅ３とを決定すれば、ワイヤ８とワイヤ１７の相互インダクタンスを低減することができるため、伝送線路１６、ワイヤ１７及び伝送線路１８を備える短絡点形成回路１５の小型化を実現することができる。
Ｅ２≠Ｅ３（１）

図４はこの発明の実施の形態１による電力増幅器の広帯域性を示す説明図である。
図４において、横軸は周波数ｆ_０の中心周波数ＦＣで規格化されている規格化周波数、縦軸はドレイン効率を示している。
実線はこの実施の形態１による電力増幅器でのトランジスタ３のドレイン効率を示しており、図４では、“実施の形態１適用”と表記している。
破線は上記特許文献１記載の電力増幅器でのトランジスタのドレイン効率を示しており、図４では、“実施の形態１非適用”と表記している。
図４に示すシミュレーション結果では、この実施の形態１の電力増幅器は、高ドレイン効率を実現し得る周波数範囲が、特許文献１に記載の電力増幅器よりも広がっており、高域周波数領域において、ドレイン効率を最大で８ｐｔ改善できている。即ち、規格化周波数が約１．０３のときに８ｐｔ改善できている。
図４の例では、この実施の形態１の電力増幅器におけるドレイン効率の最大値が６３％、特許文献１に記載の電力増幅器におけるドレイン効率の最大値が６０％となっており、この実施の形態１の電力増幅器では、ドレイン効率の最大値が３ｐｔ向上している。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、高周波信号を増幅するトランジスタ３と、一端がトランジスタ３の出力端子に接続されたワイヤ４と、一端がワイヤ４の他端に接続された伝送線路５と、一端が伝送線路５の他端に接続されたワイヤ８と、一端がワイヤ８の他端に接続された伝送線路９と、一端が伝送線路９の他端に接続され、他端が出力端子１４に接続された伝送線路１１と、高周波信号の２倍波に対する短絡点を形成する短絡点形成回路１５とを備え、トランジスタ３が容量性の出力インピーダンスを有し、伝送線路５が形成されている回路基板１９の比誘電率が、伝送線路９が形成されている回路基板２０の比誘電率よりも低いように構成したので、高効率化を図ることができる効果を奏する。

図１の電力増幅器では、１つのトランジスタ３を実装しているが、トランジスタ３を単位セルトランジスタとして、複数の単位セルトランジスタが並列に接続されているマルチセルトランジスタを実装しているものであってもよい。
図５はこの発明の実施の形態１によるマルチセルトランジスタを実装している電力増幅器を示す構成図である。図５において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
マルチセルトランジスタ３１は４つのトランジスタ３が並列に接続されているトランジスタ群であり、４つのトランジスタ３が等間隔に並べられている。４つのトランジスタ３の配置間隔は任意の間隔でよい。
伝送線路３２，３３，３４は４つのトランジスタ３により増幅された高周波信号を合成するために配線されている線路である。
回路基板３５は伝送線路１２，１３，３２，３３，３４が形成されている基板である。
トランジスタ３をマルチセル化することで、図１の電力増幅器よりも高出力化を図ることができる。

図５では、回路基板１９における４組の伝送線路６，７，１６及び回路基板２０における４組の伝送線路９，１８が、全て同じ向きに配置されている例を示しているが、図６及び図７に示すように、回路基板１９における４組の伝送線路６，７，１６及び回路基板２０における４組の伝送線路９，１８が、全て同じ向きに配置されている必要はない。
図６及び図７はこの発明の実施の形態１によるマルチセルトランジスタを実装している電力増幅器を示す構成図である。

図６の例では、回路基板１９において、図中、上から１番目の伝送線路６，７，１６と、上から３番目の伝送線路６，７，１６とが同じ向きに配置され、上から２番目の伝送線路６，７，１６と、上から４番目の伝送線路６，７，１６とが同じ向きに配置されているが、上から１，３番目の伝送線路６，７，１６と、上から２，４番目の伝送線路６，７，１６とが逆向きに配置されている。
また、回路基板２０において、図中、上から１番目の伝送線路９，１８と、上から３番目の伝送線路９，１８とが同じ向きに配置され、上から２番目の伝送線路９，１８と、上から４番目の伝送線路９，１８とが同じ向きに配置されているが、上から１，３番目の伝送線路９，１８と、上から２，４番目の伝送線路９，１８とが逆向きに配置されている。

図７の例では、回路基板１９において、図中、上から１番目の伝送線路６，７，１６と、上から２番目の伝送線路６，７，１６とが同じ向きに配置され、上から３番目の伝送線路６，７，１６と、上から４番目の伝送線路６，７，１６とが同じ向きに配置されているが、上から１，２番目の伝送線路６，７，１６と、上から３，４番目の伝送線路６，７，１６とが逆向きに配置されている。
また、回路基板２０において、図中、上から１番目の伝送線路９，１８と、上から２番目の伝送線路９，１８とが同じ向きに配置され、上から３番目の伝送線路９，１８と、上から４番目の伝送線路９，１８とが同じ向きに配置されているが、上から１，２番目の伝送線路９，１８と、上から３，４番目の伝送線路９，１８とが逆向きに配置されている。

図５〜７では、４つのトランジスタ３が並列に接続されているマルチセルトランジスタ３１の例を示しているが、マルチセルトランジスタ３１におけるトランジスタ３のセル数は複数であればよく、例えば、トランジスタ３のセル数が８つであってもよい。
８つのトランジスタ３が並列に接続されているマルチセルトランジスタ３１のレイアウトとして、例えば、マルチセルトランジスタ３１の幅方向の中心に対して、図５〜７に示している電力増幅器の２組が並列複写あるいは鏡像複写となるように配置されるものが考えられる。
図５〜７の例では、紙面上下方向がマルチセルトランジスタ３１の幅方向となり、上から２番目のトランジスタ３と３番目のトランジスタ３との中間位置、即ち、上から２番目のトランジスタ３と３番目のトランジスタ３との間で、双方のトランジスタ３から等距離にある位置が幅方向の中心となる。
したがって、８つのトランジスタ３が並列に接続されているマルチセルトランジスタ３１の場合、上から４番目のトランジスタ３と５番目のトランジスタ３との中間位置が幅方向の中心となる。

また、この実施の形態１では、伝送線路９の電気長が基本波の周波数ｆ_０で４分の１波長（＝λ／４）、伝送線路１２と伝送線路１３を合わせた合計の電気長がλ／４であり、トランジスタ３の出力整合回路が、ワイヤ４及び伝送線路６，７によるインピーダンス変成と、伝送線路９によるインピーダンス変成と、ワイヤ１０及び伝送線路１２，１３によるインピーダンス変成との３段変成である構成例を示している。ただし、この構成例は一例に過ぎず、トランジスタ３と出力端子１４を整合できればよい。このため、電力増幅器のサイズによっては、３段以上の変成からなる出力整合回路であってもよい。

この実施の形態１では、インダクタンス成分を有する高周波部品、即ち、直列インダクタとして、ワイヤ４，８，１０，１７を用いる例を示しているが、トランジスタ３の出力整合回路におけるインピーダンス変成において、インピーダンスが等レジスタンス線上を時計回りに移動する高周波部品であればよい。このため、図８に示すように、ワイヤ４，８，１０，１７の代わりに、電気長が基本波の周波数ｆ_０で４分の１波長（＝λ／４）未満の直列線路４ａ，８ａ，１０ａ，１７ａを用いるようにしてもよく、同様の効果を奏することができる。図８はこの発明の実施の形態１による他の電力増幅器を示す構成図である。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、伝送線路１６、ワイヤ１７及び伝送線路１８を備えている短絡点形成回路１５を実装している電力増幅器を示しているが、この実施の形態２では、一端がワイヤ８と伝送線路９の間に接続され、他端が開放されている短絡点形成回路を実装している電力増幅器について説明する。

図９はこの発明の実施の形態２による電力増幅器を示す構成図である。図９において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
短絡点形成回路は、電気長が２倍波の周波数２ｆ_０で４分の１波長の長さである伝送線路４１を備えており、伝送線路４１は一端がワイヤ８と伝送線路９の間に接続され、他端が開放されている第４の伝送線路である。伝送線路４１は、いわゆるオープンスタブ線路である。

オープンスタブ線路である伝送線路４１の電気長が２倍波の周波数２ｆ_０で４分の１波長の長さであるため、伝送線路４１と伝送線路９の接続点において、２倍波に対する短絡点が形成される。
これにより、上記実施の形態１と同様に、トランジスタ３によって生じた高周波信号の２倍波が当該短絡点で反射されて、トランジスタ３に戻るようになる。

この実施の形態２によれば、高周波信号を増幅するトランジスタ３と、一端がトランジスタ３の出力端子に接続されたワイヤ４と、一端がワイヤ４の他端に接続された伝送線路５と、一端が伝送線路５の他端に接続されたワイヤ８と、一端がワイヤ８の他端に接続された伝送線路９と、一端が伝送線路９の他端に接続され、他端が出力端子１４に接続された伝送線路１１と、高周波信号の２倍波に対する短絡点を形成する短絡点形成回路である伝送線路４１とを備え、トランジスタ３が容量性の出力インピーダンスを有し、伝送線路５が形成されている回路基板１９の比誘電率が、伝送線路９が形成されている回路基板２０の比誘電率よりも低いように構成したので、上記実施の形態１と同様に、高効率化を図ることができる効果を奏する。

この実施の形態２では、２倍波の周波数２ｆ_０での最適負荷インピーダンスＺｏｕｔ１が２倍波に対する短絡点からずれていても、伝送線路４１の線路長を調整するだけで、２倍波の周波数２ｆ_０に対するインピーダンスを調整することができるため、上記実施の形態１よりも、２倍波の周波数２ｆ_０に対するインピーダンスの調整が容易となる。
短絡点形成回路を伝送線路４１だけで実現することができるため、短絡点形成回路の製造ばらつきを小さくすることができる。

この実施の形態２の電力増幅器でも、上記実施の形態１と同様に、トランジスタ３をマルチセル化することで、図９の電力増幅器よりも高出力化を図ることができる。

この実施の形態２では、インダクタンス成分を有する高周波部品、即ち、直列インダクタとして、ワイヤ４，８，１０を用いる例を示しているが、トランジスタ３の出力整合回路におけるインピーダンス変成において、インピーダンスが等レジスタンス線上を時計回りに移動する高周波部品であればよい。このため、図１０に示すように、ワイヤ４，８，１０の代わりに、電気長が基本波の周波数ｆ_０で４分の１波長（＝λ／４）未満の直列線路４ａ，８ａ，１０ａを用いるようにしてもよく、同様の効果を奏することができる。図１０はこの発明の実施の形態２による他の電力増幅器を示す構成図である。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、伝送線路１６、ワイヤ１７及び伝送線路１８を備えている短絡点形成回路１５を実装している電力増幅器を示しているが、この実施の形態３では、ワイヤと伝送線路を備えている短絡点形成回路を実装している電力増幅器について説明する。

図１１はこの発明の実施の形態３による電力増幅器を示す構成図である。図１１において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
短絡点形成回路５１はトランジスタ３で生じる高周波信号の２倍波に対する短絡点を形成する回路であり、ワイヤ５２及び伝送線路５３を備えている。
図１１の例では、短絡点形成回路５１の一端が伝送線路５とワイヤ８の間に接続されているが、短絡点形成回路５１の一端がワイヤ４と伝送線路５の間、あるいは、伝送線路５における一端と他端の間に接続されているものであってもよい。
ただし、トランジスタ３の出力端子から基本波の周波数ｆ_０で２分の１波長以内の位置に、短絡点形成回路５１の一端が接続されていることが望ましい。

ワイヤ５２は一端が伝送線路５とワイヤ８の間に接続された第３の直列インダクタである。
伝送線路５３は一端がワイヤ５２の他端に接続されており、他端が開放されている第４の伝送線路である。
伝送線路５３の電気長は２倍波の周波数２ｆ_０で４分の１波長の長さである。

短絡点形成回路５１によって、トランジスタ３で生じる高周波信号の２倍波に対する短絡点が形成される。
これにより、上記実施の形態１と同様に、トランジスタ３によって生じた高周波信号の２倍波が当該短絡点で反射されて、トランジスタ３に戻るようになる。

この実施の形態３によれば、高周波信号を増幅するトランジスタ３と、一端がトランジスタ３の出力端子に接続されたワイヤ４と、一端がワイヤ４の他端に接続された伝送線路５と、一端が伝送線路５の他端に接続されたワイヤ８と、一端がワイヤ８の他端に接続された伝送線路９と、一端が伝送線路９の他端に接続され、他端が出力端子１４に接続された伝送線路１１と、高周波信号の２倍波に対する短絡点を形成する短絡点形成回路５１とを備え、トランジスタ３が容量性の出力インピーダンスを有し、伝送線路５が形成されている回路基板１９の比誘電率が、伝送線路９が形成されている回路基板２０の比誘電率よりも低いように構成したので、上記実施の形態１と同様に、高効率化を図ることができる効果を奏する。

この実施の形態３では、２倍波の周波数２ｆ_０での最適負荷インピーダンスＺｏｕｔ１が２倍波に対する短絡点からずれていても、伝送線路５３の線路長を調整するだけで、２倍波の周波数２ｆ_０に対するインピーダンスを調整することができるため、上記実施の形態１よりも、２倍波の周波数２ｆ_０に対するインピーダンスの調整が容易となる。
短絡点形成回路５１をワイヤ５２と伝送線路５３だけで実現することができるため、短絡点形成回路５１の製造ばらつきを小さくすることができる。

この実施の形態３の電力増幅器でも、上記実施の形態１と同様に、トランジスタ３をマルチセル化することで、図１１の電力増幅器よりも高出力化を図ることができる。

この実施の形態３では、インダクタンス成分を有する高周波部品、即ち、直列インダクタとして、ワイヤ４，８，１０，５２を用いる例を示しているが、トランジスタ３の出力整合回路におけるインピーダンス変成において、インピーダンスが等レジスタンス線上を時計回りに移動する高周波部品であればよい。このため、図１２に示すように、ワイヤ４，８，１０，５２の代わりに、電気長が基本波の周波数ｆ_０で４分の１波長（＝λ／４）未満の直列線路４ａ，８ａ，１０ａ，５２ａを用いるようにしてもよく、同様の効果を奏することができる。図１２はこの発明の実施の形態３による他の電力増幅器を示す構成図である。

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。

この発明は、高周波信号を増幅する高効率な電力増幅器に適している。

１入力端子、２入力整合回路、３トランジスタ、４ワイヤ（第１の直列インダクタ）、４ａ直列線路、５伝送線路（第１の伝送線路）、６伝送線路、７伝送線路、８ワイヤ（第２の直列インダクタ）、８ａ直列線路、９伝送線路（第２の伝送線路）、１０ワイヤ、１０ａ直列線路、１１伝送線路（第３の伝送線路）、１２伝送線路、１３伝送線路、１４出力端子、１５短絡点形成回路、１６伝送線路（第４の伝送線路）、１７ワイヤ（第３の直列インダクタ）、１７ａ直列線路、１８伝送線路（第５の伝送線路）、１９回路基板（第１の回路基板）、２０回路基板（第２の回路基板）、３１マルチセルトランジスタ、３２，３３，３４伝送線路、３５回路基板、４１伝送線路（第４の伝送線路）、５１短絡点形成回路、５２ワイヤ（第３の直列インダクタ）、５２ａ直列線路、５３伝送線路（第４の伝送線路）。

Claims

高周波信号を増幅するトランジスタと、
一端が前記トランジスタの出力端子に接続された第１の直列インダクタと、
一端が前記第１の直列インダクタの他端に接続された第１の伝送線路と、
一端が前記第１の伝送線路の他端に接続された第２の直列インダクタと、
一端が前記第２の直列インダクタの他端に接続された第２の伝送線路と、
一端が前記第２の伝送線路の他端に接続され、他端が出力端子に接続された第３の伝送線路と、
一端が前記第１の直列インダクタの他端と前記第２の伝送線路の一端との間に接続されて、他端が開放されており、前記高周波信号の２倍波に対する短絡点を形成する短絡点形成回路とを備え、
前記トランジスタが容量性の出力インピーダンスを有し、前記第１の伝送線路が形成されている第１の回路基板の比誘電率が、前記第２の伝送線路が形成されている第２の回路基板の比誘電率よりも低く、
前記短絡点形成回路は、
一端が前記第１の伝送線路における一端と他端の間に接続された第４の伝送線路と、
一端が前記第４の伝送線路の他端に接続された第３の直列インダクタと、
一端が前記第３の直列インダクタの他端に接続され、他端が開放されている第５の伝送線路とを備え、
前記第４の伝送線路が前記第１の回路基板に形成され、前記第５の伝送線路が前記第２の回路基板に形成され、
前記第４の伝送線路の一端が接続されている前記第１の伝送線路上の接続点から前記第１の伝送線路の他端までの電気長と、前記第４の伝送線路の電気長とが異なっていることを特徴とする電力増幅器。
前記トランジスタが複数個並列に接続されているマルチセルトランジスタであり、
前記第１の直列インダクタ、前記第１の伝送線路、前記第２の直列インダクタ、前記第２の伝送線路、前記第３の伝送線路及び前記短絡点形成回路の組が、前記マルチセルトランジスタにおける複数のトランジスタにそれぞれ設けられており、
前記複数のトランジスタに設けられている前記第３の伝送線路の他端が前記出力端子に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。