JP6490541B2

JP6490541B2 - 高周波半導体装置

Info

Publication number: JP6490541B2
Application number: JP2015166635A
Authority: JP
Inventors: 治夫小島
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: JP2017046146A

Description

本発明の実施形態は、高周波半導体装置に関する。

レーダ装置の最大探知距離付近といった、レーダ装置から遠方の対象物を検知するためには、レーダ装置から出射される高周波信号としては、パルス幅が長く、デューティ比が大きい、Ｓ／Ｎ比が高い高周波信号が要求される。このため、通常のレーダ装置においては、電力付加効率が高い窒化ガリウム基板を用いた高周波半導体増幅回路（ＧａＮ−ＡＰＭ）が使用される。

他方、レーダ装置の最小探知距離付近といった、レーダ装置近傍の対象物を検知するためには、レーダ装置から出射される高周波信号としては、パルス幅が短く、かつデューティ比が小さい高周波信号が要求される。

しかし、このように高周波信号のパルス幅を小さくし、デューティ比を小さくすると、電波法上の帯域外領域におけるスプリアスが厳しくなる。ＧａＮ−ＡＭＰの線形性は悪く、裸特性でのパルス変調時の電波法の帯域外スプリアスレベル改善量は２ｄＢ程度と小さい。このため、通常のレーダ装置においては、ＧａＮ−ＡＭＰの前段に大型の歪み補償回路を設けた高周波半導体装置が適用されている。

例えばレーダ装置等に適用されるような、歪み補償回路と高周波半導体増幅回路とによって構成される高周波半導体装置においては、近年、高い電力付加効率を有したまま、小型化されることが望まれている。

特開平６−１１２３５１号公報

実施形態は、小型かつ高い電力付加効率を有する高周波半導体装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る高周波半導体装置は、歪み補償回路と、前記歪み補償回路に接続され、高周波信号の電力を増幅させる高周波半導体増幅回路と、を備える。前記高周波半導体増幅回路は、ＧａＮ基板に設けられた第１の高周波半導体増幅素子と、ＧａＡｓ基板に設けられた第２の高周波半導体増幅素子と、前記第１の高周波半導体増幅素子または前記第２の高周波半導体増幅素子に前記高周波信号を供給する第１のスイッチと、前記高周波信号の一部に基づいて第１のスイッチの動作を制御するスイッチ制御部と、を具備する。前記スイッチ制御部は、前記高周波信号が所定のデューティ比より大きいとき、前記高周波信号を前記第１の高周波半導体増幅素子に供給し、前記高周波信号が所定のデューティ比以下のとき、前記高周波信号を前記第２の高周波半導体増幅素子に供給するように、前記第１のスイッチの動作を制御する。

実施形態に係る高周波半導体装置を示す電気ブロック図である。実施形態に係る高周波半導体装置のスイッチ制御部を示す電気ブロック図である。スイッチ制御部の半波整流回路に入力される高周波信号の波形図と、スイッチ制御部の比較器に入力される電圧信号の波形図と、の関係を示す図である。スイッチ制御部の半波整流回路に入力される高周波信号の波形図と、スイッチ制御部の比較器に入力される電圧信号の波形図と、の関係を示す図である。

以下に、実施形態に係る高周波半導体装置を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る高周波半導体装置を示す電気ブロック図である。この高周波半導体装置１０は、歪み補償回路２０および高周波半導体増幅回路３０、によって構成されている。

歪み補償回路２０は、高周波半導体装置１０の入力端子１１、および高周波半導体増幅回路３０の入力端子３１、に接続されており、高周波半導体増幅回路３０において、マイクロ波信号等の高周波信号に付加される歪み量に応じて、高周波信号を予め歪ませる。予め歪んだ高周波信号を高周波半導体増幅回路３０に入力することにより、高周波半導体増幅回路３０は、高周波信号の歪みを打ち消す。したがって、高周波半導体装置１０の出力端子１２からは、歪みの少ない高周波信号を出力することができる。

高周波半導体増幅回路３０は、歪み補償回路２０から出力される高周波信号の電力を増幅する回路であって、窒化ガリウム基板（ＧａＮ基板）に設けられた第１の高周波半導体増幅素子３２、およびガリウムヒ素基板（ＧａＡｓ基板）に設けられた第２の高周波半導体増幅素子３３、を備える。第１の高周波半導体増幅素子３２は、高い電力付加効率を有するが線形性が悪く、出力される高周波信号の歪み量は多くなる。反対に、第２の高周波半導体増幅素子３３は、線形性が良好で、出力される高周波信号の歪み量は少ないが、電力付加効率は悪い。

高周波半導体増幅回路３０は、このような２種類の高周波半導体増幅素子３２、３３を適宜選択して使用できるようになっている。

この高周波半導体増幅回路３０は、方向性結合器３４、第１のスイッチ３５、および第２のスイッチ３６、を備える。

方向性結合器３４は、高周波半導体増幅回路３０に入力される高周波信号を所定の分岐比で２分岐する。この方向性結合器３４は、例えば２本の信号線を所定距離だけ近接配置することによって構成される。

方向性結合器３４の一方の出力端子は、第１のスイッチ３５の入力端子に接続されている。第１のスイッチ３５の一方の出力端子は、ＧａＮ基板に設けられた第１の高周波半導体増幅素子３２の入力端子に接続されており、第１のスイッチ３５の他方の出力端子は、ＧａＡｓ基板に設けられた第２の高周波半導体増幅素子３３の入力端子に接続されている。

第１のスイッチ３５は、方向性結合器３４において分岐された一方の高周波信号を、第１の高周波半導体増幅素子３２または第２の高周波半導体増幅素子３３に供給する。本実施形態において、この第１のスイッチ３５は、ＰＩＮダイオードを用いたＳＰＤＴ（ＳｉｎｇｌｅＰｏｌｅＤｏｕｂｌｅＴｈｒｏｗ）スイッチであるが、第１のスイッチ３５はＳＰＤＴスイッチに限定されない。

第１の高周波半導体増幅素子３２の出力端子および第２の高周波半導体増幅素子３３の出力端子は、第２のスイッチ３６の入力端子に接続されている。

第２のスイッチ３６は、第１のスイッチ３５に連動して動作し、第１の高周波半導体増幅素子３２または第２の高周波半導体増幅素子３３から出力される高周波信号を、高周波半導体増幅回路３０の出力信号として出力する。本実施形態において、この第２のスイッチ３６は、第１のスイッチ３５と同様に、ＰＩＮダイオードを用いたＳＰＤＴ（ＳｉｎｇｌｅＰｏｌｅＤｏｕｂｌｅＴｈｒｏｗ）スイッチであるが、第２のスイッチ３６はＳＰＤＴスイッチに限定されない。

ここで、高周波半導体装置１０に入力される高周波信号が、所定の値より大きいデューティ比であり所定の値より長いパルス幅を有する高周波信号であるとき、第１のスイッチ３５は、ＧａＮ基板に設けられた第１の高周波半導体増幅素子３２に接続される。また、高周波半導体装置１０に入力される高周波信号が、所定のデューティ比以下であり、所定のパルス幅以下の高周波信号であるとき、第１のスイッチ３５は、ＧａＡｓ基板に設けられた第２の高周波半導体増幅素子３３に接続される。

この結果、高周波半導体装置１０に入力される高周波信号が所定のデューティ比より大きいとき、この高周波信号は、第１のスイッチ３５を介して、第１の高周波半導体増幅素子３２に入力される。第１の高周波半導体増幅素子３２において電力を増幅した高周波信号は、第１のスイッチ３５に連動して動作する第２のスイッチ３６を介して出力される。

また、高周波半導体装置１０に入力される高周波信号が所定のデューティ比以下のとき、この高周波信号は、第１のスイッチ３５を介して、第２の高周波半導体増幅素子３３に入力される。第２の高周波半導体増幅素子３３において電力を増幅した高周波信号は、第１のスイッチ３５に連動して動作する第２のスイッチ３６を介して出力される。

このように動作する第１のスイッチ３５および第２のスイッチ３６は、スイッチ制御部４０によって制御される。スイッチ制御部４０の入力端子は、方向性結合器３４の他方の出力端子に接続される。そして、スイッチ制御部４０の出力端子は、第１のスイッチ３５の制御端子および第２のスイッチ３６の制御端子に接続される。

このスイッチ制御部４０は、高周波半導体装置１０に入力される高周波信号のデューティ比に応じて制御信号を生成し、その制御信号を第１のスイッチ３５および第２のスイッチ３６に供給することによって、第１のスイッチ３５および第２のスイッチ３６の動作を制御する。

図２は、スイッチ制御部を示す電気ブロック図である。このスイッチ制御部４０は、半波整流回路５０および比較器６０によって構成されている。

半波整流回路５０は、検波器５１、インピーダンス変換器５２、積分器５３、をこの順に直列に接続することによって構成されており、方向性結合器３４から出力される高周波信号を半波整流し、高周波信号を、この信号のデューティ比に応じた電圧信号Ｖに変換する。なお、検波器５１は、一般にダイオードによって構成される高インピーダンス回路であるため、半波整流回路５０にはインピーダンス変換器５２が用いられているが、インピーダンス変換器５２については、必ずしも必要ではない。

比較器６０は、半波整流回路５０から出力される電圧信号Ｖと基準電圧Ｖｂとがそれぞれ入力される２個の入力端子と、これらの差分電圧（Ｖ−ＶｂまたはＶｂ−Ｖ）に応じた制御信号を出力する出力端子と、を備えており、例えばオペアンプ回路によって構成されている。

図３Ａおよび図３Ｂはそれぞれ、半波整流回路に入力される高周波信号の波形図と、比較器に入力される電圧信号の波形図と、の関係を示す図である。各図（ａ）は半波整流回路に入力される高周波信号の波形図を示し、各図（ｂ）は比較器に入力される電圧信号の波形図を示す。

高周波半導体装置１０に所定の値より高いデューティ比であり、所定の値より広いパルス幅Ｔｈを有する高周波信号が入力された場合、図３Ａ（ａ）に示すように、このような高周波信号が半波整流回路５０に入力される。半波整流回路５０は、図３Ａ（ｂ）に示すように、この高周波信号を電圧信号Ｖに変換して出力する。半波整流回路５０から出力された電圧信号Ｖは、比較器６０に入力される。

比較器６０は、入力される電圧信号Ｖと基準電圧Ｖｂとを比較し、例えば電圧信号Ｖが基準電圧Ｖｂより大きいとき、これらの差分電圧（Ｖ−Ｖｂ）に応じた制御信号を出力する。

反対に、高周波半導体装置１０に所定の値以下のデューティ比であり、所定の値以下の短いパルス幅Ｔｌを有する高周波信号が入力された場合、図３Ｂ（ａ）に示すように、このような高周波信号が半波整流回路５０に入力される。半波整流回路５０は、図３Ｂ（ｂ）に示すように、この高周波信号を電圧信号Ｖに変換して出力する。半波整流回路５０から出力された電圧信号Ｖは、比較器６０に入力される。

比較器６０は、入力される電圧信号Ｖと基準電圧Ｖｂとを比較する。例えば電圧信号Ｖが基準電圧Ｖｂより小さいとき、比較器６０は、制御信号を出力しない。

以上に説明したように、スイッチ制御部４０は、高周波半導体装置１０に入力される高周波信号のデューティ比が所定の値より大きいとき、制御信号を生成し、その制御信号を第１のスイッチ３５および第２のスイッチ３６に供給することによって、第１のスイッチ３５および第２のスイッチ３６を、第１の高周波半導体増幅素子３２に接続させる。また、スイッチ制御部４０は、高周波半導体装置１０に入力される高周波信号のデューティ比が所定の値以下のとき、制御信号を生成せず、第１のスイッチ３５および第２のスイッチ３６を、第２の高周波半導体増幅素子３３に接続された状態に維持する。

なお、比較器６０は、電圧信号Ｖが基準電圧Ｖｂ以上のとき、制御信号を出力せず、電圧信号Ｖが基準電圧Ｖｂより小さいとき、これらの差分電圧（Ｖｂ−Ｖ）に応じた制御信号を出力するように構成されてもよい。このとき、スイッチ制御部４０は、高周波半導体装置１０に入力される高周波信号のデューティ比が所定の値以上のとき、制御信号を生成せず、第１のスイッチ３５および第２のスイッチ３６を、第１の高周波半導体増幅素子３２に接続された状態に維持し、高周波半導体装置１０に入力される高周波信号のデューティ比が所定の値より小さいとき、制御信号を生成し、その制御信号を第１のスイッチ３５および第２のスイッチ３６に供給することによって、第１のスイッチ３５および第２のスイッチ３６を、第２の高周波半導体増幅素子３３に接続させてもよい。

以上に説明したように、本実施形態に係る高周波半導体装置１０によれば、高周波半導体装置１０に所定のデューティ比より大きい高デューティ比の高周波信号が入力されたとき、その高周波信号の電力は、ＧａＮ基板を用いた第１の高周波半導体増幅素子３２によって増幅される。高周波半導体装置１０の電力付加効率は、高デューティ比が入力された場合の運用時が支配的であるため、高デューティ比の高周波信号が入力されたときに、その信号の電力を、ＧａＮ基板を用いた第１の高周波半導体増幅素子３２によって増幅することにより、高い電力付加効率を有する高周波半導体装置１０を提供することができる。

また、本実施形態に係る高周波半導体装置１０によれば、高周波半導体装置１０に所定のデューティ比以下の低デューティ比の高周波信号が入力されたとき、その高周波信号の電力は、ＧａＡｓ基板を用いた第２の高周波半導体増幅素子３３によって増幅される。ＧａＡｓ基板を用いた第２の高周波半導体増幅素子３３は、ＧａＮ基板を用いた第１の高周波半導体増幅素子３２と比較して良好な線形性を有しており、第２の高周波半導体増幅素子３３から出力される高周波信号の混変調歪は、第１の高周波半導体増幅素子３２から出力される高周波信号の混変調歪と比較して、５〜１０ｄＢ程度小さい。このため、低デューティ比の高周波信号を第２の高周波半導体増幅素子３３によって増幅することにより、裸特性でのパルス変調時の電波法の帯域外スプリアスレベル改善量を大きくできる。その結果、歪み補償回路２０として、簡易で小型の歪み補償回路を適用することができる。したがって、小型の高周波半導体装置１０を提供することができる。

なお、ＧａＡｓ基板を用いた第２の高周波半導体増幅素子３３の電力付加効率は、ＧａＮ基板を用いた第１の高周波半導体増幅素子３２と比較して小さい。しかし、低デューティ比の高周波信号は、レーダ装置近傍の対象物を検知するための信号であるため、高Ｓ／Ｎ比であることを必ずしも要求されない。したがって、低デューティ比の高周波信号の電力については、電力付加効率の悪い第２の高周波半導体増幅素子３３を用いて増幅しても、ほとんど問題にはならない。

以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０・・・高周波半導体装置
１１・・・入力端子
１２・・・出力端子
２０・・・歪み補償回路
３０・・・高周波半導体増幅回路
３１・・・入力端子
３２・・・第１の高周波半導体増幅素子
３３・・・第２の高周波半導体増幅素子
３４・・・方向性結合器
３５・・・第１のスイッチ
３６・・・第２のスイッチ
４０・・・スイッチ制御部
５０・・・半波整流回路
５１・・・検波器
５２・・・インピーダンス変換器
５３・・・積分器
６０・・・比較器

Claims

歪み補償回路と、
前記歪み補償回路に接続され、高周波信号の電力を増幅させる高周波半導体増幅回路と、
を備え、
前記高周波半導体増幅回路は、
ＧａＮ基板に設けられた第１の高周波半導体増幅素子と、
ＧａＡｓ基板に設けられた第２の高周波半導体増幅素子と、
前記第１の高周波半導体増幅素子または前記第２の高周波半導体増幅素子に前記高周波信号を供給する第１のスイッチと、
前記高周波信号の一部に基づいて第１のスイッチの動作を制御するスイッチ制御部と、
を具備し、
前記スイッチ制御部は、前記高周波信号が所定のデューティ比より大きいとき、前記高周波信号を前記第１の高周波半導体増幅素子に供給し、前記高周波信号が所定のデューティ比以下のとき、前記高周波信号を前記第２の高周波半導体増幅素子に供給するように、前記第１のスイッチの動作を制御する、高周波半導体装置。