JP6973068B2

JP6973068B2 - 増幅器

Info

Publication number: JP6973068B2
Application number: JP2017254608A
Authority: JP
Inventors: 菜緒子倉橋; 優佐藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: US10644665B2; JP2019121877A; US20190207574A1

Description

本発明は、増幅器に関する。

従来、複数のトランジスタの各々に対して配置され各々のトランジスタから出力される信号に含まれる高調波を処理する高調波処理回路と、高調波処理回路の後段において各々のトランジスタから出力される信号を合成する整合回路とを備える増幅器が知られている。このような増幅器において、各々のトランジスタから出力される信号間の位相差によって生ずる発振を抑制するため、複数のトランジスタの各々の出力端子を互いに抵抗を介して接続する場合がある（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１２／１６０７５５号

ところが、複数のトランジスタの各々に対して配置される高調波処理回路が接続される各箇所は、定在波の腹となる場合がある。この場合、各箇所で発生する定在波の間に位相差が生ずると、この位相差の影響によって、各箇所を繋ぐ発振抑制用の抵抗に許容を超える大きな電力が加わり、当該抵抗がオープン故障するおそれがある。

そこで、本開示は、抵抗のオープン故障を抑えることができる増幅器を提供する。

本開示は
入力部と出力部との間で並列に接続される複数の増幅段と、帰還回路とを備え、
前記複数の増幅段は、それぞれ、
前記入力部から入力される高周波信号を増幅するトランジスタと、
前記トランジスタの出力端子に接続され、前記出力端子から出力される増幅された高周波信号に含まれる高調波を処理する高調波処理部と、
前記出力端子と前記高調波処理部とが接続される接続部と、
前記接続部と前記出力部との間に接続される伝送線路とを有し、
前記帰還回路は、２次の前記高調波の定在波の節となる前記伝送線路の途中又は前記出力部における信号を、２次の前記高調波の定在波の腹となる前記複数の増幅段の各々の前記接続部の間に接続される抵抗の両端に帰還する、増幅器を提供する。

本開示によれば、抵抗のオープン故障を抑えることができる。

送信機の構成の一例を示す図である。増幅器の比較例を示す図である。増幅器の第１の実施例を示す図である。増幅器の第２の実施例を示す図である。増幅器の第３の実施例を示す図である。増幅器の第４の実施例を示す図である。Ｓ２１特性の測定結果を示す図である。電力付加効率の測定結果を示す図である。

以下、本開示の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態における増幅器を搭載する送信機の構成の一例を示す図である。送信機１００は、例えば、電波を送受する無線通信装置、レーダーなどのセンサ装置、マイクロ波を送信して物体を加熱するマイクロ波加熱装置として使用することができる。

送信機１００は、例えば、ベースバンド回路１、ミキサ２、局部発振器３、パワーアンプ４及びアンテナ５を備える。ベースバンド回路１から変調処理されて出力されるベースバンド信号あるいは中間周波数信号は、ミキサ２及び局部発振器３により送信周波数帯にアップコンバートされ、パワーアンプ４により増幅される。パワーアンプ４により増幅された後の信号は、パワーアンプ４の出力ノードに接続されるアンテナ５から送信される。ミキサ２は、ベースバンド回路１からのベースバンド信号あるいは中間周波数信号を、局部発振器３から出力される局部発振信号とミキシングし、ミキシング後の信号をパワーアンプ４の入力端子に供給する。本実施形態における増幅器は、パワーアンプ４として使用することができる。

次に、本実施形態における増幅器について説明する前に、本実施形態における増幅器と比較される増幅器について説明する。

図２は、増幅器の比較例を示す図である。増幅器１０００は、入力部１４１と出力部１４２との間で並列に接続される２つの増幅段１１０，１２０を備える。

増幅段１１０は、トランジスタ１１１と、伝送線路１１２と、高調波処理部１１３と、伝送線路１１５とを有する。トランジスタ１１１は、入力部１４１から入力される高周波信号を増幅する。高調波処理部１１３は、トランジスタ１１１から出力される増幅された高周波信号に含まれる高調波を処理する回路である。トランジスタ１１１の出力端子は、伝送線路１１２を介して、高調波処理部１１３に接続される。高調波処理部１１３が接続される接続部１１４は、伝送線路１１５を介して、出力部１４２に接続される。

同様に、増幅段１２０は、トランジスタ１２１と、伝送線路１２２と、高調波処理部１２３と、伝送線路１２５とを有する。トランジスタ１２１は、入力部１４１から入力される高周波信号を増幅する。高調波処理部１２３は、トランジスタ１２１から出力される増幅された高周波信号に含まれる高調波を処理する回路である。トランジスタ１２１の出力端子は、伝送線路１２２を介して、高調波処理部１２３に接続される。高調波処理部１２３が接続される接続部１２４は、伝送線路１２５を介して、出力部１４２に接続される。

つまり、増幅器１０００は、入力部１４１から入力される高周波信号を、トランジスタ１１１，１２１の各々で増幅し、トランジスタ１１１，１２１の各々から出力される増幅された信号を、伝送線路１１５，１２５を介して合成して出力部１４２に出力する。また、トランジスタ１１１，１２１の各々から出力される信号間の位相差によって生ずる発振を抑制するため、増幅器１０００は、接続部１１４と接続部１２４との間に接続される抵抗１５１を備える。

ここで、高調波処理部１１３，１２３の各々は、例えば、トランジスタ１１１，１２１の各々から出力される増幅された高周波信号に含まれる２次高調波の４分の１波長の長さを有するオープンスタブとする。この場合、２次高調波の４分の１波長の長さを有するオープンスタブが接続部１１４，１２４の各々に接続されているので、２次高調波では、接続部１１４，１２４の各々は、図２に示されるように、定在波Ｘの腹となる。そのため、接続部１１４，１２４を繋ぐ抵抗１５１には、定在波が発生する。

このとき、増幅段１１０と増幅段１２０との間で回路特性にばらつきがあると、接続部１１４，１２４の各々で発生する定在波Ｘの間に位相差が生ずることがある。接続部１１４，１２４の各々で発生する定在波Ｘの間に位相差が生ずると、例えば、同一タイミングにおいて、接続部１２４の電位が接続部１１４の電位よりも低くなる。このように、接続部１１４と接続部１２４との間に電位差が発生すると、抵抗１５１に許容を超える大きな電力が加わることがあり、その結果、抵抗１５１がオープン故障するおそれがある。

本実施形態における増幅器は、このような各接続部を繋ぐ抵抗のオープン故障を抑えることが可能な構成を備える。次に、本実施形態における増幅器について説明する。

図３は、本実施形態における増幅器の第１の実施例を示す図である。増幅器１０１は、入力部４１と出力部４２との間で並列に接続される２つの増幅段１０，２０と、帰還回路６０とを備える。

入力部４１から入力される高周波信号（例えば、マイクロ波信号）は、増幅段１０，２０の各々に分配される。増幅段１０，２０の各々は、分配されて入力される高周波信号を増幅する。増幅段１０，２０の各々で増幅された高周波信号は、合成されて出力部４２から出力される。出力部４２は、増幅段１０，２０の各々で増幅された高周波信号が合成される合成点を表す。

増幅段１０，２０は、互いに同じ回路構成を有する。増幅段１０は、例えば、トランジスタ１１と、伝送線路１２と、高調波処理部１３と、接続部１４と、伝送線路１５とを有する。増幅段２０は、例えば、トランジスタ２１と、伝送線路２２と、高調波処理部２３と、接続部２４と、伝送線路２５とを有する。

トランジスタ１１，２１の各々は、入力部４１から入力される高周波信号を増幅する。例えば、トランジスタ１１，２１の各々は、ゲート、ソース及びドレインを有するＦＥＴ（Field Effect Transistor）である。この場合、入力部４１から入力される高周波信号は、トランジスタ１１，２１の各々のゲートに入力され、増幅された高周波信号は、出力端子であるドレインから出力される。また、例えば、トランジスタ１１，２１の各々は、ゲートが共通に接続された複数のトランジスタセルにより形成されるユニットトランジスタである。

高調波処理部１３は、トランジスタ１１の出力端子に接続され、トランジスタ１１の出力端子から出力される増幅された高周波信号に含まれる高調波を処理する回路である。トランジスタ１１の出力端子は、伝送線路１２を介して、高調波処理部１３の一端に接続部１４で接続される。同様に、高調波処理部２３は、トランジスタ２１の出力端子に接続され、トランジスタ２１の出力端子から出力される増幅された高周波信号に含まれる高調波を処理する回路である。トランジスタ２１の出力端子は、伝送線路２２を介して、高調波処理部２３の一端に接続部２４で接続される。

高調波処理部１３は、トランジスタ１１の出力端子から出力される増幅された高周波信号に含まれる２次高調波に対してショート状態（インピーダンスが略零）となる回路であることが好ましい。例えば、高調波処理部１３は、２次高調波以上の偶数次の高調波に対してショート状態となり、３次高調波以上の奇数次の高調波に対してオープン状態となる。高調波処理部２３についても同様である。

高調波処理部１３は、例えば、トランジスタ１１の出力端子から出力される増幅された高周波信号に含まれる２次高調波ｆ２の４分の１波長の長さを有するオープンスタブである。２次高調波ｆ２に対して高調波処理部１３をショート状態にするには、基本波の波長をλとすると、オープンスタブの長さをλ／８とし、基本波の２倍波である２次高調波ｆ２の波長をλ_２とすると、オープンスタブの長さをλ_２／４とすればよい。高調波処理部２３についても同様である。

高調波処理部１３が接続される接続部１４は、伝送線路１５を介して、整合されて出力部４２に接続される。高調波処理部２３が接続される接続部２４は、伝送線路２５を介して、整合されて出力部４２に接続される。

つまり、増幅器１０１は、入力部４１から入力される高周波信号を、トランジスタ１１，２１の各々で増幅し、トランジスタ１１，２１の各々から出力される増幅された信号を、伝送線路１５，２５を介して合成して出力部４２に出力する。また、トランジスタ１１，２１の各々から出力される信号間の位相差によって生ずる発振を抑制するため、増幅器１０１は、接続部１４と接続部２４との間に接続される抵抗５１を備える。抵抗５１は、隣り合う増幅段１０，２０の各々の接続部間に接続される発振抑制用の抵抗（発振安定化抵抗）である。

ここで、図３に示される増幅器１０１では、接続部１４と出力部４２との間に接続される伝送線路１５の長さ（つまり、接続部１４から出力部４２までの長さ）は、２次高調波の４分の１波長である。同様に、接続部２４と出力部４２との間に接続される伝送線路２５の長さ（つまり、接続部２４から出力部４２までの長さ）は、２次高調波の４分の１波長である。

したがって、高調波処理部１３，２３が接続部１４，２４に接続されていることにより、２次高調波の定在波Ｘの腹が接続部１４，２４の各々に現れる場合、接続部１４，２４から２次高調波の４分の１波長離れている出力部４２は、定在波Ｘの節となる。そこで、本実施形態における増幅器１０１は、出力部４２における信号を、増幅段１０，２０の各々の接続部１４，２４の間に接続される抵抗５１の両端に帰還する帰還回路６０を備える。

このような帰還回路６０が備えられていることにより、増幅段１０，２０の各々で増幅された高周波信号の合成箇所である出力部４２の位相が、定在波が発生している抵抗５１の両端にフィードバックされる。これにより、抵抗５１の一端が接続される接続部１４に生ずる２次高調波の定在波の位相と、抵抗５１の他端が接続される接続部２４に生ずる２次高調波の定在波の位相とを同じにすることができる。よって、抵抗５１の両端に加わる電力が低減され、抵抗５１のオープン故障を抑制することができる。また、接続部１４における信号と接続部２４における信号との間の位相差が抑制されるため、抵抗５１による基本波の発振抑制効果が更に高まり、増幅器１０１の電力付加効率が向上する。

帰還回路６０は、例えば、インダクタと抵抗の少なくとも一方である。図３の帰還回路６０では、出力部４２と抵抗５１の一端（接続部１４）との間に、インダクタ６１と抵抗７１との少なくとも一方が接続され、出力部４２と抵抗５１の他端（接続部２４）との間に、インダクタ６２と抵抗７２との少なくとも一方が接続される。帰還回路６０は、例えば、インダクタンス成分を含むボンディングワイヤによって形成される。

図４は、本実施形態における増幅器の第２の実施例を示す図である。第２の実施例のうち第１の実施例と同一の構成及び効果の説明については、上述の説明を援用することで省略する。図４に示される第２の構成例の増幅器１０２は、伝送線路１５，２５の各々の長さが、２次高調波の４分の１波長よりも長い点で、図３に示される第１の構成例の増幅器１０１と異なる。

図４に示される伝送線路１５は、伝送線路部１５ａと、伝送線路部１５ｂとを有する。伝送線路部１５ａは、一端が接続部１４に接続され、他端が伝送線路部１５ｂの一端に接続される。伝送線路部１５ａの長さは、２次高調波の４分の１波長である。伝送線路部１５ｂは、一端が伝送線路部１５ａの他端に接続され、他端が出力部４２に接続される。同様に、図４に示される伝送線路２５は、伝送線路部２５ａと、伝送線路部２５ｂとを有する。伝送線路部２５ａは、一端が接続部２４に接続され、他端が伝送線路部２５ｂの一端に接続される。伝送線路部２５ａの長さは、２次高調波の４分の１波長である。伝送線路部２５ｂは、一端が伝送線路部２５ａの他端に接続され、他端が出力部４２に接続される。

したがって、高調波処理部１３，２３が接続部１４，２４に接続されていることにより、２次高調波の定在波Ｘの腹が接続部１４，２４の各々に現れる場合、接続部１４，２４から２次高調波の４分の１波長離れている箇所１５ｃ，２５ｃは、定在波Ｘの節となる。そこで、本実施形態における増幅器１０２は、伝送線路１５，２５の途中の箇所１５ｃ，２５ｃにおける信号を、増幅段１０，２０の各々の接続部１４，２４の間に接続される抵抗５１の両端に帰還する帰還回路６５を備える。

このような帰還回路６５が備えられていることにより、定在波の節が現れる箇所１５ｃ，２５ｃの位相が、定在波が発生している抵抗５１の両端にフィードバックされる。これにより、抵抗５１の一端が接続される接続部１４に生ずる２次高調波の定在波の位相と、抵抗５２の他端が接続される接続部２４に生ずる２次高調波の定在波の位相とを同じにすることができる。よって、抵抗５１の両端に加わる電力が低減され、抵抗５１のオープン故障を抑制することができる。また、接続部１４における信号と接続部２４における信号との間の位相差が抑制されるため、抵抗５１による基本波の発振抑制効果が更に高まり、増幅器１０２の電力付加効率が向上する。

図５は、本実施形態における増幅器の第３の実施例を示す図である。第３の実施例のうち第１の実施例と同一の構成及び効果の説明については、上述の説明を援用することで省略する。図５に示される第３の構成例の増幅器１０３は、入力部４１と出力部４２との間で並列に接続される増幅段の数が３つある点で、図３に示される第１の構成例の増幅器１０１と異なる。

図５に示される増幅器１０３は、３つの増幅段１０，２０，３０を備える。増幅段１０，２０，３０は、互いに同じ回路構成を有する。増幅段３０は、例えば、トランジスタ３１と、伝送線路３２と、高調波処理部３３と、接続部３４と、伝送線路３５とを有する。

つまり、増幅器１０３は、入力部４１から入力される高周波信号を、トランジスタ１１，２１，３１の各々で増幅し、トランジスタ１１，２１，３１の各々から出力される増幅された信号を、伝送線路１５，２５，３５を介して合成して出力部４２に出力する。また、トランジスタ１１，２１，３１の各々から出力される信号間の位相差によって生ずる発振を抑制するため、増幅器１０３は、接続部１４と接続部２４との間に接続される抵抗５１と、接続部２４と接続部３４との間に接続される抵抗５２とを備える。安定化抵抗の数は、増幅段の数よりも一つ少ない。

したがって、第１の構成例と同様の帰還回路６０が備えられていることにより、増幅段１０，２０，３０の各々で増幅された高周波信号の合成箇所である出力部４２の位相が、定在波が発生している抵抗５１，５２の両端にフィードバックされる。これにより、抵抗５１の両端は同位相となり、抵抗５２の両端も同位相となる。よって、抵抗５１，５２の各々の両端に加わる電力が低減され、抵抗５１，５２のオープン故障を抑制することができる。また、抵抗５１の両端は同位相となり、抵抗５２の両端も同位相となるため、抵抗５１，５２による基本波の発振抑制効果が更に高まり、増幅器１０３の電力付加効率が向上する。

第３の実施例の帰還回路も、第１の実施例の帰還回路と同様に、例えば、インダクタと抵抗の少なくとも一方である。図５に示される帰還回路６０は、出力部４２と抵抗５１の両端との間に接続されるインダクタ６１，６２と、出力部４２と抵抗５２の両端との間に接続されるインダクタ６３，６４とを有する。

図６は、本実施形態における増幅器の第４の実施例を示す図である。第４の実施例のうち第３の実施例と同一の構成及び効果の説明については、上述の説明を援用することで省略する。図６に示される第４の構成例の増幅器１０４は、伝送線路１５，２５，３５の各々の長さが、２次高調波の４分の１波長よりも長い点で、図５に示される第３の構成例の増幅器１０３と異なる。

図６に示される伝送線路３５は、伝送線路部３５ａと、伝送線路部３５ｂとを有する。伝送線路部３５ａは、一端が接続部３４に接続され、他端が伝送線路部３５ｂの一端に接続される。伝送線路部３５ａの長さは、２次高調波の４分の１波長である。伝送線路部３５ｂは、一端が伝送線路部３５ａの他端に接続され、他端が出力部４２に接続される。

したがって、第２の構成例と同様の帰還回路６５が備えられていることにより、定在波の節が現れる箇所１５ｃ，２５ｃの位相が、定在波が発生している抵抗５１の両端にフィードバックされる。また、定在波の節が現れる箇所２５ｃ，３５ｃの位相が、定在波が発生している抵抗５２の両端にフィードバックされる。これにより、抵抗５１の両端は同位相となり、抵抗５２の両端も同位相となる。よって、抵抗５１，５２の各々の両端に加わる電力が低減され、抵抗５１，５２のオープン故障を抑制することができる。また、抵抗５１の両端は同位相となり、抵抗５２の両端も同位相となるため、抵抗５１，５２による基本波の発振抑制効果が更に高まり、増幅器１０４の電力付加効率が向上する。

図７は、Ｓパラメータの一つであるＳ２１の特性の測定結果の一例を示す図である。Ｓ２１は、増幅器の増幅利得を表す。図７において、実線は、図２の増幅器１０００（比較例）の増幅利得を示し、点線は、図３の増幅器１０１（第１の実施例）の増幅利得を示す。帰還回路が無い増幅器１０００では、中間周波数ＦＣから高周波数ＦＨの間で発振が生じている。これに対し、帰還回路６０を備える増幅器１０１では、発振が抑制されるとともに、低周波数ＦＬから高周波数ＦＨにかけて増幅利得が増大している。

図８は、増幅器に入力される入力電力Ｐｉｎに対する電力付加効率（ＰＡＥ：ＰｏｗｅｒＡｄｄｅｄＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の測定結果の一例を示す図である。図８において、実線は、図２の増幅器１０００（比較例）のＰＡＥを示し、点線は、図３の増幅器１０１（第１の実施例）のＰＡＥを示す。図８に示されるように、増幅器１０１のＰＡＥは、増幅器１０００のＰＡＥよりも向上し、比較的高い入力電力Ｐｉｎでは、７％向上している。

以上、増幅器を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、増幅段の数が４つ以上ある場合も、上述の実施例のような回路構成とすることで、上述の実施例と同様の効果が得られる。

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
入力部と出力部との間で並列に接続される複数の増幅段と、帰還回路とを備え、
前記複数の増幅段は、それぞれ、
前記入力部から入力される高周波信号を増幅するトランジスタと、
前記トランジスタの出力端子に接続され、前記出力端子から出力される増幅された高周波信号に含まれる高調波を処理する高調波処理部と、
前記出力端子と前記高調波処理部とが接続される接続部と、
前記接続部と前記出力部との間に接続される伝送線路とを有し、
前記帰還回路は、前記伝送線路の途中又は前記出力部における信号を、前記複数の増幅段の各々の前記接続部の間に接続される抵抗の両端に帰還する、増幅器。
（付記２）
前記高調波処理部は、２次の前記高調波に対してショート状態となる、付記１に記載の増幅器。
（付記３）
前記高調波処理部は、２次の前記高調波の４分の１波長の長さを有するオープンスタブである、付記１又は２に記載の増幅器。
（付記４）
前記帰還回路は、前記出力部における信号を前記抵抗の両端に帰還し、
前記伝送線路の長さは、２次の前記高調波の４分の１波長である、付記２又は３に記載の増幅器。
（付記５）
前記帰還回路は、前記伝送線路の途中における信号を前記抵抗の両端に帰還し、
前記伝送線路の途中は、前記接続部から、２次の前記高調波の４分の１波長となる箇所である、付記２又は３に記載の増幅器。
（付記６）
前記帰還回路は、インダクタと抵抗の少なくとも一方である、付記１から５のいずれか一項に記載の増幅器。
（付記７）
増幅器と、前記増幅器の出力ノードに接続されるアンテナとを備え、
前記増幅器は、
入力部と出力部との間で並列に接続される複数の増幅段と、帰還回路とを備え、
前記複数の増幅段は、それぞれ、
前記入力部から入力される高周波信号を増幅するトランジスタと、
前記トランジスタの出力端子に接続され、前記出力端子から出力される増幅された高周波信号に含まれる高調波を処理する高調波処理部と、
前記出力端子と前記高調波処理部とが接続される接続部と、
前記接続部と前記出力部との間に接続される伝送線路とを有し、
前記帰還回路は、前記伝送線路の途中又は前記出力部における信号を、前記複数の増幅段の各々の前記接続部の間に接続される抵抗の両端に帰還する、送信機。

１ベースバンド回路
２ミキサ
３局部発振器
４パワーアンプ
５アンテナ
１０，２０，３０増幅段
１１，２１，３１トランジスタ
１５，２５，３５伝送線路
４１入力部
４２出力部
５１，５２抵抗
６０，６５帰還回路
１０１〜１０４，１０００増幅器
１００送信機

Claims

入力部と出力部との間で並列に接続される複数の増幅段と、帰還回路とを備え、
前記複数の増幅段は、それぞれ、
前記入力部から入力される高周波信号を増幅するトランジスタと、
前記トランジスタの出力端子に接続され、前記出力端子から出力される増幅された高周波信号に含まれる高調波を処理する高調波処理部と、
前記出力端子と前記高調波処理部とが接続される接続部と、
前記接続部と前記出力部との間に接続される伝送線路とを有し、
前記帰還回路は、２次の前記高調波の定在波の節となる前記伝送線路の途中又は前記出力部における信号を、２次の前記高調波の定在波の腹となる前記複数の増幅段の各々の前記接続部の間に接続される抵抗の両端に帰還する、増幅器。
前記高調波処理部は、２次の前記高調波に対してショート状態となる、請求項１に記載の増幅器。
前記高調波処理部は、２次の前記高調波の４分の１波長の長さを有するオープンスタブである、請求項１又は２に記載の増幅器。
前記帰還回路は、前記出力部における信号を前記抵抗の両端に帰還し、
前記伝送線路の長さは、２次の前記高調波の４分の１波長である、請求項２又は３に記載の増幅器。
前記帰還回路は、前記伝送線路の途中における信号を前記抵抗の両端に帰還し、
前記伝送線路の途中は、前記接続部から、２次の前記高調波の４分の１波長となる箇所である、請求項２又は３に記載の増幅器。
前記帰還回路は、インダクタと抵抗の少なくとも一方である、請求項１から５のいずれか一項に記載の増幅器。