JP6815564B2 - 電力増幅器及びフィルタ - Google Patents
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Description
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。
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。
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: Field Effect Transistor)又はヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)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。
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。
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λfの12分の1の電気長L1(=λf/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、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λfの8分の1の電気長(L1+L2)(=λf/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λfの24分の1の長さλf/24である。
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。
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λfの12分の1の長さλf/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λ3fの4分の1の長さλ3f/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λfの8分の1の長さλf/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λ2fの4分の1の長さλ2f/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。
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。
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λfの20分の1の長さλf/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λfの16分の1の長さλf/16であればよい。
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。
Claims (5)
- 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。
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