JPH0249562B2 - - Google Patents

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JPH0249562B2
JPH0249562B2 JP56171786A JP17178681A JPH0249562B2 JP H0249562 B2 JPH0249562 B2 JP H0249562B2 JP 56171786 A JP56171786 A JP 56171786A JP 17178681 A JP17178681 A JP 17178681A JP H0249562 B2 JPH0249562 B2 JP H0249562B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マイクロ波増幅器の構造に関する。
一般に、電界効果トランジスタ(FET)やバ
イポーラトランジスタを用いたマイクロ波増幅器
では半導体素子の性能を十分引き出すために、入
力側と出力側に整合回路を必要とする。第1図は
FET増幅器の等価回路を示しており、1はFET
で、このFET1のそれぞれ入力側、出力側には
整合回路2,3が設けられる。4は入力端子、5
は出力端子である。整合回路2,3としては低域
通過フイルタ形が多く用いられ、直列接続のイン
ダクタ6−a,6−b,6−c,6−d、および
並列接続のコンデンサ7−a,7−b,7−c,
7−dで構成されている。しかしながら、マイク
ロ波帯では純粋な集中定数素子の実現が困難等の
理由で、マイクロ波帯増幅器の整合回路にはマイ
クロストリツプ線路等の分布定数線路が使用され
る。
第2図はマイクロ波集積回路(MIC)技術を
用いたFET増幅器の従来例を示しており、第2
図aは平面図、第2図bは同図aの1−1′線で
の断面図である。金属性のキヤリアプレート11
の上にFET12および誘電体基板13,14が
マウントされている。誘電体基板13,14はそ
れぞれ裏面に金属膜よりなる裏面電極15,16
を設け、その上部にはマイクロストリツプ線路2
0,21が形成され入力側と出力側の整合回路を
形成している。そして増幅用素子である例えば
FET12のゲート電極17は入力側の整合回路
を構成するマイクロストリツプ線路20に、ドレ
イン電極18は出力側の整合回路を構成するマイ
クロストリツプ線路21に、それぞれ接続され、
ソース電極19はキヤリアプレート11にボンデ
イングワイヤで接続されている。
ところで、分布定数線路はその線路長lが線路
波長λgに対してl<λg/8を満足する場合には
近似的に集中定数素子と見なせる。特性インピー
ダンスZが大きい場合(Z=ZH)はインダクタと
近似でき、その値Lは線路長をlH、位相速度を
VPとすると、 L≒ZHlH/VP …(1) を満足する。一方、Zが小さい場合(Z=ZL)に
はキヤパシタに近似でき、その値Cは線路長をlL
とすると、 C≒lL/ZL・VP …(2) を満足する。従つて、整合回路の設計法としては
第1図に示した集中定数素子(Li,Ci、i=1,
2…)を実現するようにZHi、lHi、ZLi、lLi、i=
1,2…を決定すればよい。なお、マイクロスト
リツプ線路では自由空間波長をλo、光速をCo、
波長短縮率をσとすると、 σ=λo/λg=Co/VP …(3) の関係があり、σは誘電体基板の比誘電率εrで決
定される。例えばアルミナ基板(εr=10.5)の場
合にはσ=2.8である。
一方、誘電体基板13,14の厚さをH、マイ
クロストリツプ線路20,21の幅をWとする
と、線路特性インピーダンスは第3図に示すよう
にW/Hに逆比例する。(1),(2)式から明らかなよ
うにL,Cとも線路長に比例するため、整合回路
を小形化するためにはLについてはZHを大きく、
CについてはZLを小さくすることが要求される。
しかし、H=0.6mmのアルミナ基板を用いた場
合、ZHについてはパターンのエツチング精度の点
からWH=100μm(ZH=98Ω)程度が限界である。
また、ZLについてはZLを小さくすることで線路長
lLを小さくできるが、この場合線路幅、WLは大
きくなる。すなわち、必要なCの値に対してパタ
ーンの面積(lL×WL)はほぼ一定となるため、
大きなCを実現するためにはパターン寸法が大き
くなるという欠点があつた。
ところで、整合回路を第2図a,bに示したよ
うに誘電体基板上に作らず、半導体基板上に
FETなどと一体化して構成するモノリシツクマ
イクロ波集積回路(MMIC)が提案されており、
その構造を第4図a,bに示した。第4図aは平
面図、第4図bは同図aの1−1′線での断面図
である。,31はGaAs等の半導体基板、32が
能動領域、33,34,35はそれぞれソース電
極、ゲート電極、ドレイン電極であり、ソース電
極33はスルーホール又は接地用パターン36お
よび基板の側壁に設けた金属膜37を介して裏面
電極38に接続されている。ゲート電極34は入
力側整合回路39、ドレイン電極35は出力側整
合回路40に接続する。整合回路39,40は裏
面電極38とマイクロストリツプ線路を構成し、
その設計法は第2図の誘電体基板を用いた場合と
同様である。このMMICでは高インピーダンス
部ZHは半導体の電極形成に用いる微細パターンの
加工技術を応用できるため、線路幅を細くでき、
ZHを大きくできるため、(2)式より線路長lHを短く
することができる。
しかしながら、低インピーダンスZL部について
は第2図の場合と同様、必要なCの値に対してパ
ターンの面積(lL×WL)が決定されるため、大
きなCを必要とする場合にはパターンの寸法が大
きくなり、MMICのチツプサイズの小形化が困
難という欠点があつた。
本発明は上記の欠点を除去するもので、誘電体
基板あるいは半導体基板上の一部に金属膜を、そ
れらの上部に均一に誘電体膜を、さらにその上部
にマイクロストリツプ線路を形成した整合回路を
用いることにより、非常に小形のMICあるいは
MMICのマイクロ波増幅器を提供することを目
的とする。以下、本発明の実施例を図面を参照し
て説明する。
第5図に本発明のマイクロ波増幅器に適応する
整合回路の構造を示した。第5図aは平面図、第
5図b,c,dはそれぞれ同図aの1−1′線、
2−2′線、3−3′線での断面図である。51は
誘電体基板であり、その下面には裏面電極52を
設け、誘電体基板51上の一部にはその両端を基
板の側壁部に設けた金属膜53で、裏面電極52
と接続した短冊状の導電膜例えば金属膜54を形
成し、さらに誘電体基板51と金属膜54の上部
に一様に誘電体膜55を設け、その上面にマイク
ロストリツプ線路56を形成する。この構造にお
いて、金属膜54がない部分(第5図d)は第2
図で示した高インピーダンス線路、金属膜56を
設けた部分(第5図c)は低インピーダンス線路
に対応している。誘電体膜55の厚さHDを誘電
体基板51の厚さHに比べて十分小さくすると、
高インピーダンス部の特性インピーダンスZH
W/Hで決定されるため、第2図の従来例と同様
である。しかし、低インピーダンス部は短冊状の
金属膜54が裏面電極52と同電位であるため、
その特性インピーダンスZLはWL/HDで決定され
る。すなわち、HDは小さいため、線路幅WLを小
さくしてもZLを十分小さくでき、必要なCを得る
ための線路長lLを短くすることができる。
例えばアルミナ基板(εr=10.5)を用いた場合
について、L=1nH、C=1pFを実現するための
高インピーダンス、低インピーダンス線路部の寸
法を検討する。誘電体基板の厚さHを0.6mm、高
インピーダンス線路の幅WHを0.1mmとすると、第
3図よりZH=93Ωとなり、波長短縮率σは2.8で
あるから、L=1nHを満足するための線路長lH
(1)式より lH=Co・L/σZH=1.2mm …(4) となる。なお、高インピーダンス線路については
線路幅が狭いため、パターンを折り曲げることに
より、実効的なパターン面積を小さくできる。
一方、低インピーダンス線路部については従来
の構造では特性インピーダンスZLを20Ωとする
と、WL/H=4.0、WL=2.4mmとなり、C=1pF
を実現するための線路長lLは(2)式より lL=CoZLC/σ=2.2mm …(5) となり、パターンの面積S(=WL+lL)は5.3mm2
ある。しかし、第5図の構造を採用し、誘電体膜
としては厚さHD=60μmのアルミナ(εr=10.5)
を用い、WLを1mmとすると、WL/HD=16.7、ZL
=7Ωとなるため、lL=0.75mm、Sは0.75mm2と従来
のパターン面積Sの約1/7にできる。さらに
HD=10μm、WL/0.2mmとすればZL=5Ω、lL
0.53mmとなりS=0.1mm2と非常に小さくできる。
本発明をマイクロ波集積回路(MIC)に応用
した例を第6図a,bに示しており、第2図と同
一部分については同一の番号を付した。すなわ
ち、誘電体基板13の上部に短冊状の導電膜例え
ば金属膜61を設けその上部に誘電体膜62、そ
の上部にマイクロストリツプ線路64,65によ
る入力側と出力側の整合回路を形成している。誘
電体基板13の側壁には金属膜63が裏面電極1
5及び金属膜61に接続されて設けられる。第5
図において説明したように短冊状の金属膜61を
設けることにより、低インピーダンス部のパター
ン面積を小さくなしうるため、整合回路の誘電体
基板13,14が小さくなり、マイクロ波増幅器
の寸法の小形化に有効である。
本発明をモノリシツクマイクロ波集積回路
(MMIC)に応用したFET増幅器の例を第7図
a,bに示しており、第4図と同一部分について
は同一の番号を付した、GaAs等の半導体基板3
1の上部に短冊状の導電膜例えば金属膜71、誘
電体膜72、その上部にマイクロストリツプ線路
74,75による入力側と出力側の整合回路を形
成している。半導体基板31の側壁には金属膜7
3が裏面電極38及び金属膜71に接続されて設
けられる。第5図、第6図と同様に短冊状の金属
膜71を設けることにより、低インピーダンス部
のパターン寸法を小さくできる。誘電体膜72と
してSiO2(εr=4.0、σ=1.8)を用い、その厚さ
HD=1μm、線路幅WL=50μmとすると、ZL=4Ω
となり、C=1pFを実現するための線路長lL
0.67mm、パターン面積Sを0.03mm2と非常に小さく
できる。一方、高インピーダンス線路部について
はGaAs基板(εr=12.5、σ=3.0)の厚さH=
200μmとし、線路幅Wを20μmとするとZH=97Ω
となり、L=1nHを実現するための線路長lHは
1.0mmでよい。
以上述べたように本発明によれば、所望のL、
Cを実現するためのパターン寸法を大幅に小形に
でき、しかも平面構造であるため、MIC、ある
いはMMICを用いたマイクロ波増幅器の整合回
路パターンの小形化が可能となり、マイクロ波増
幅器の小形化ができる。とくに、MMICではチ
ツプサイズを小さくできるため、コストの低減が
可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図はマイクロ波増幅器の等価回路を示す回
路図、第2図aは従来のマイクロ波集積回路技術
による増幅器の構造を示す平面図、第2図bは同
図aの1−1′線断面図、第3図は誘電体基板の
比誘電率εrをパラメータとし、線路幅W、基板厚
Hとし、W/Hに対する特性インピーダンスの変
化を示す曲線図、第4図aは従来のモノリシツク
集積回路技術を用いたマイクロ波増幅器の構造を
示す平面図、第4図bは同図aの1−1′線断面
図、第5図aは本発明によるマイクロストリツプ
線路の構造を示す平面図、第5図bは同図aの1
−1′線断面図、第5図cは同図aの2−2′線断
面図、第5図dは同図aの3−3′線断面図、第
6図aは本発明によるマイクロストリツプ線路を
用いたMIC増幅器の構造を示す平面図、第6図
bは同図aの1−1′線断面図、第7図aは本発
明によるマイクロストリツプ線路を用いた
MMIC増幅器の構造を示す平面図、第7図bは
同図aの1−1′線断面図である。 1,12…FET、20,21,39,40,
56,64,65,74,75…マイクロストリ
ツプ線路、13,14…誘電体基板、54,6
1,71…短冊状金属膜、31…半導体基板、5
5,62,72…誘電体膜、15,16,38…
裏面電極、53,63,73…基板側壁の金属
膜。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 下面に裏面電極を有する誘電体あるいは半導
    体の基板と、この基板の上面に部分的に形成され
    前記裏面電極と接続される導体膜と、この導体膜
    及び前記基板上に一様に形成された誘電体膜と、
    この誘電体膜の上面に前記導体膜と交差するよう
    に形成され、かつ前記導体膜に対向する部分が少
    なくとも他の部分より同等以上の幅を有するよう
    に形成されたマイクロストリツプ線路と、で整合
    回路を形成し、この構成の整合回路を増幅用トラ
    ンジスタの入力側及び出力側に接続したことを特
    徴とするマイクロ波増幅器。
JP56171786A 1981-10-27 1981-10-27 マイクロ波増幅器 Granted JPS5873138A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP56171786A JPS5873138A (ja) 1981-10-27 1981-10-27 マイクロ波増幅器

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP56171786A JPS5873138A (ja) 1981-10-27 1981-10-27 マイクロ波増幅器

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Publication Number Publication Date
JPS5873138A JPS5873138A (ja) 1983-05-02
JPH0249562B2 true JPH0249562B2 (ja) 1990-10-30

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