JP6815564B2

JP6815564B2 - 電力増幅器及びフィルタ

Info

Publication number: JP6815564B2
Application number: JP2020526788A
Authority: JP
Inventors: 拓海杉谷; 政毅半谷; 山中　宏治; 宏治山中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: WO2020003417A1; US11381206B2; JPWO2020003417A1; US20210013849A1

Description

この発明は、奇数次高調波及び偶数次高調波のそれぞれに共振する電力増幅器及びフィルタに関するものである。

以下の特許文献１には、２倍波に共振する２倍波共振器と、３倍波に共振する３倍波共振器とを備える電力増幅器が開示されている。
特許文献１に開示されている電力増幅器は、増幅素子から出力された増幅後の信号を伝送する伝送線路を備えている。
また、特許文献１に開示されている電力増幅器は、伝送線路と平行に配置されており、伝送線路と電磁結合される結合線路である２倍波共振器と、伝送線路と平行に配置されており、伝送線路と電磁結合される結合線路である３倍波共振器とを備えている。
２倍波共振器が、増幅素子から出力された増幅後の信号に含まれている２倍波に共振することで、２倍波を抑圧し、３倍波共振器が、増幅素子から出力された増幅後の信号に含まれている３倍波に共振することで、３倍波を抑圧する。

特開平８−１３９５３５号公報

特許文献１に開示されている電力増幅器は、増幅後の信号に含まれている２倍波及び３倍波のそれぞれを抑圧することができる。
しかし、特許文献１に開示されている電力増幅器では、２倍波共振器である結合線路と、３倍波共振器である結合線路とを伝送線路と平行に配置する必要があり、３本の線路を平行に配置するスペースを確保しなければならない。
したがって、特許文献１に開示されている電力増幅器は、３本の線路を平行に配置するスペースを確保できない場合、２倍波及び３倍波のそれぞれを抑圧することができない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、２本の線路を平行に配置するスペースを確保できれば、奇数次高調波及び偶数次高調波のそれぞれを抑圧することができる電力増幅器及びフィルタを得ることを目的とする。

この発明に係る電力増幅器は、増幅対象の信号を増幅し、増幅後の信号を出力する増幅素子と、一端が増幅素子の出力端子と接続されており、増幅素子の出力端子から出力された増幅後の信号を伝送する伝送線路と、一端が伝送線路の一端と接続され、他端が開放されているスタブと、伝送線路及びスタブのそれぞれと平行に配置されており、有している２つの端部のうち、スタブ側の端部が開放され、伝送線路側の端部が接地されており、伝送線路及びスタブのそれぞれと電磁結合される結合線路とを備え、結合線路の電気長が、スタブの電気長と伝送線路の電気長との和であり、スタブ及び結合線路が、増幅後の信号に含まれている奇数次高調波に共振する第１の共振器として動作し、伝送線路、スタブ及び結合線路が、増幅後の信号に含まれている偶数次高調波に共振する第２の共振器として動作するようにしたものである。

この発明によれば、一端が伝送線路の一端と接続されているスタブと、伝送線路及びスタブのそれぞれと平行に配置されており、伝送線路及びスタブのそれぞれと電磁結合される結合線路とを備え、スタブ及び結合線路が、増幅後の信号に含まれている奇数次高調波に共振する第１の共振器として動作し、伝送線路、スタブ及び結合線路が、増幅後の信号に含まれている偶数次高調波に共振する第２の共振器として動作するように、電力増幅器を構成した。したがって、この発明に係る電力増幅器は、２本の線路を平行に配置するスペースを確保できれば、奇数次高調波及び偶数次高調波のそれぞれを抑圧することができる。

実施の形態１による電力増幅器を示す構成図である。図２Ａは、シミュレーション結果を示すスミスチャート、図２Ｂは、シミュレーション結果として、周波数と信号強度の関係を示すグラフである。実施の形態２による電力増幅器を示す斜視図である。

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、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１は、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、増幅素子１は、入力端子１ａから入力された高周波信号（増幅対象の信号）を増幅し、出力端子１ｂから増幅後の高周波信号をフィルタ２に出力する。
増幅素子１としては、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ：ＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることができる。
図１に示す電力増幅器では、増幅素子１のソース端子又はエミッタ端子が接地されている。しかし、これは一例に過ぎず、増幅素子１のドレイン端子又はコレクタ端子が接地されているトランジスタであってもよい。

フィルタ２は、伝送線路１１、スタブ１２及び結合線路１３を備えている。
伝送線路１１、スタブ１２及び結合線路１３のそれぞれは、例えば、メタルパターンで半導体基板に形成されている。
伝送線路１１とスタブ１２の直列線路は、１本の線路であるとみなされる。したがって、フィルタ２の構成は、伝送線路１１及びスタブ１２の直列線路と、結合線路１３との２本の線路が平行に配置されているものである。
フィルタ２は、増幅素子１の出力端子１ｂから出力された増幅後の高周波信号に含まれている２次高調波及び３次高調波のそれぞれを抑圧して、高周波信号に含まれている基本波を出力する。

伝送線路１１は、一端が増幅素子１の出力端子１ｂと接続されており、増幅素子１の出力端子１ｂから出力された増幅後の高周波信号を伝送する線路である。
スタブ１２は、一端が伝送線路１１の一端と接続されているオープンスタブである。
スタブ１２は、増幅素子１の出力端子１ｂから出力された増幅後の高周波信号に含まれている基本波ｆの波長λ_ｆの１２分の１の電気長Ｌ１（＝λ_ｆ／１２）を有している。
図１に示す電力増幅器では、伝送線路１１とスタブ１２が離れているように表記しているが、実際には、接続点Ｃにおいて、伝送線路１１とスタブ１２が接続されている。

結合線路１３は、スタブ１２側の端部１３ａが開放され、伝送線路１１側の端部１３ｂが接地されている。
結合線路１３は、伝送線路１１及びスタブ１２のそれぞれと平行に配置されており、伝送線路１１及びスタブ１２のそれぞれと電磁結合される線路である。
結合線路１３は、増幅素子１の出力端子１ｂから出力された増幅後の高周波信号に含まれている基本波ｆの波長λ_ｆの８分の１の電気長（Ｌ１＋Ｌ２）（＝λ_ｆ／８）を有している。
電気長Ｌ２は、伝送線路１１が有する電気長であり、基本波ｆの波長λ_ｆの２４分の１の長さλ_ｆ／２４である。

スタブ１２及び結合線路１３は、増幅後の高周波信号に含まれている３次高調波（奇数次高調波）に共振する第１の共振器２１として動作する。
伝送線路１１、スタブ１２及び結合線路１３は、増幅後の高周波信号に含まれている２次高調波（偶数次高調波）に共振する第２の共振器２２として動作する。

次に、図１に示す電力増幅器の動作について説明する。
増幅素子１は、入力端子１ａから高周波信号が入力されると、高周波信号を増幅し、出力端子１ｂから増幅後の高周波信号をフィルタ２に出力する。
伝送線路１１の一端にはスタブ１２が接続されており、スタブ１２の電気長Ｌ１は、増幅素子１の出力端子１ｂから出力された増幅後の高周波信号に含まれている基本波ｆの波長λ_ｆの１２分の１の長さλ_ｆ／１２である。また、スタブ１２の電気長Ｌ１は、増幅後の高周波信号に含まれている３次高調波の波長λ_３ｆの４分の１の長さλ_３ｆ／４である。
したがって、スタブ１２及び結合線路１３は、高周波信号に含まれている３次高調波に共振する第１の共振器２１として動作するため、３次高調波は、第１の共振器２１によって抑圧される。

結合線路１３は、伝送線路１１及びスタブ１２のそれぞれと平行に配置されており、伝送線路１１及びスタブ１２のそれぞれと電磁結合される。
結合線路１３の電気長（Ｌ１＋Ｌ２）は、増幅素子１の出力端子１ｂから出力された増幅後の高周波信号に含まれている基本波ｆの波長λ_ｆの８分の１の長さλ_ｆ／８である。また、結合線路１３の電気長（Ｌ１＋Ｌ２）は、増幅後の高周波信号に含まれている２次高調波の波長λ_２ｆの４分の１の長さλ_２ｆ／４である。
したがって、伝送線路１１、スタブ１２及び結合線路１３は、高周波信号に含まれている２次高調波に共振する第２の共振器２２として動作するため、２次高調波は、第２の共振器２２によって抑圧される。
増幅素子１の出力端子１ｂから出力された増幅後の高周波信号に含まれている基本波ｆは、伝送線路１１を伝送されて、外部に出力される。

ここで、図２は、フィルタ２によって、２次高調波処理及び３次高調波処理のそれぞれが実施された場合のシミュレーション結果を示す説明図である。
図２Ａは、シミュレーション結果を示すスミスチャートであり、図２Ｂは、シミュレーション結果として、周波数と信号強度の関係を示すグラフである。
図２に示すシミュレーション結果は、フィルタ２が、３０ＧＨｚ帯の高周波信号に含まれている２次高調波を処理した結果と、３次高調波を処理した結果とを示している。
図２Ａは、２次高調波の周波数である６０ＧＨｚが開放され、３次高調波の周波数である９０ＧＨｚが短絡されていることを示している。
図２Ｂは、高周波信号に含まれている２次高調波及び３次高調波のそれぞれの信号強度が減衰されていることを示している。

以上の実施の形態１は、一端が伝送線路１１の一端と接続されているスタブ１２と、伝送線路１１及びスタブ１２のそれぞれと平行に配置されており、伝送線路１１及びスタブ１２のそれぞれと電磁結合される結合線路１３とを備え、スタブ１２及び結合線路１３が、増幅後の信号に含まれている奇数次高調波に共振する第１の共振器２１として動作し、伝送線路１１、スタブ１２及び結合線路１３が、増幅後の信号に含まれている偶数次高調波に共振する第２の共振器２２として動作するように、電力増幅器を構成した。したがって、電力増幅器は、２本の線路を平行に配置するスペースを確保できれば、奇数次高調波及び偶数次高調波のそれぞれを抑圧することができる。

図１に示す電力増幅器では、第１の共振器２１が３次高調波に共振し、第２の共振器が２次高調波に共振している。しかし、これは一例に過ぎず、第１の共振器２１が５次高調波又は７次高調波などの奇数次高調波に共振し、第２の共振器が４次高調波又は６次高調波などの偶数次高調波に共振するものであってもよい。
第１の共振器２１が例えば５次高調波に共振するには、スタブ１２の電気長Ｌ１が、増幅素子１の出力端子１ｂから出力された増幅後の高周波信号に含まれている基本波ｆの波長λ_ｆの２０分の１の長さλ_ｆ／２０であればよい。
第２の共振器２２が例えば４次高調波に共振するには、結合線路１３の電気長（Ｌ１＋Ｌ２）が、増幅素子１の出力端子１ｂから出力された増幅後の高周波信号に含まれている基本波ｆの波長λ_ｆの１６分の１の長さλ_ｆ／１６であればよい。

実施の形態２．
図１に示す電力増幅器では、伝送線路１１、スタブ１２及び結合線路１３が、半導体基板の同一平面に形成されている。
実施の形態２では、結合線路１３が、伝送線路１１及びスタブ１２のそれぞれが形成されている半導体基板（回路基板）の層と別の層に形成されている電力増幅器について説明する。

図３は、実施の形態２による電力増幅器を示す斜視図である。図３において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
図３では、増幅素子１の記載を省略している。
半導体基板４０は、第１の層４１と第２の層４２とを備える多層基板である。
結合線路１３は、第１の層４１に形成されている。図３に示す電力増幅器では、結合線路１３の形状がＬ字型である。
伝送線路１１及びスタブ１２のそれぞれは、第２の層４２に形成されている。図３に示す電力増幅器では、結合線路１３の形状に合わせて、伝送線路１１とスタブ１２がＬ字型に接続されている。
第１の層４１から第２の層４２を見たとき、結合線路１３と、伝送線路１１及びスタブ１２とが重なる位置に配置されている。

以上の実施の形態２は、結合線路１３が、伝送線路１１及びスタブ１２のそれぞれが形成されている回路基板の層と別の層に形成されているように、電力増幅器を構成した。したがって、実施の形態２の電力増幅器は、実施の形態１の電力増幅器よりも、回路基板における１つの平面でのフィルタ２の占有面積を縮小することができる。

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。

この発明は、奇数次高調波及び偶数次高調波のそれぞれに共振する電力増幅器及びフィルタに適している。

１増幅素子、１ａ入力端子、１ｂ出力端子、２フィルタ、１１伝送線路、１２スタブ、１３結合線路、１３ａ，１３ｂ端部、２１第１の共振器、２２第２の共振器、４０半導体基板、４１第１の層、４２第２の層。

Claims

増幅対象の信号を増幅し、増幅後の信号を出力する増幅素子と、
一端が前記増幅素子の出力端子と接続されており、前記増幅素子の出力端子から出力された増幅後の信号を伝送する伝送線路と、
一端が前記伝送線路の一端と接続され、他端が開放されているスタブと、
前記伝送線路及び前記スタブのそれぞれと平行に配置されており、有している２つの端部のうち、前記スタブ側の端部が開放され、前記伝送線路側の端部が接地されており、前記伝送線路及び前記スタブのそれぞれと電磁結合される結合線路とを備え、
前記結合線路の電気長は、前記スタブの電気長と前記伝送線路の電気長との和であり、
前記スタブ及び前記結合線路は、前記増幅後の信号に含まれている奇数次高調波に共振する第１の共振器として動作し、
前記伝送線路、前記スタブ及び前記結合線路は、前記増幅後の信号に含まれている偶数次高調波に共振する第２の共振器として動作することを特徴とする電力増幅器。
前記スタブは、前記増幅後の信号に含まれている基本波の波長の１２分の１の電気長を有しており、
前記スタブ及び前記結合線路は、前記増幅後の信号に含まれている３次高調波に共振する第１の共振器として動作することを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
前記結合線路は、前記増幅後の信号に含まれている基本波の波長の８分の１の電気長を有しており、
前記伝送線路、前記スタブ及び前記結合線路は、前記増幅後の信号に含まれている２次高調波に共振する第２の共振器として動作することを特徴とする請求項１記載の電力増幅器。
前記結合線路は、前記伝送線路及び前記スタブのそれぞれが形成されている回路基板の層と別の層に形成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。
一端が増幅素子の出力端子と接続されており、前記増幅素子の出力端子から出力された増幅後の信号を伝送する伝送線路と、
一端が前記伝送線路の一端と接続され、他端が開放されているスタブと、
前記伝送線路及び前記スタブのそれぞれと平行に配置されており、有している２つの端部のうち、前記スタブ側の端部が開放され、前記伝送線路側の端部が接地されており、前記伝送線路及び前記スタブのそれぞれと電磁結合される結合線路とを備え、
前記結合線路の電気長は、前記スタブの電気長と前記伝送線路の電気長との和であり、
前記スタブ及び前記結合線路は、前記増幅後の信号に含まれている奇数次高調波に共振する第１の共振器として動作し、
前記伝送線路、前記スタブ及び前記結合線路は、前記増幅後の信号に含まれている偶数次高調波に共振する第２の共振器として動作することを特徴とするフィルタ。