JPH03277005A - 高周波増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｃ産業上の利用分野〕 本発明は、高周波信号を送受信する通信装置の電力増幅
器として用いられる高周波増幅器に関する。

特に、モノシリツク集積回路に適し、小型で高効率な高
周波増幅器に関する。

〔従来の技術〕

携帯用無線器などの移動機に用いられる各回路は、消費
電力が低くかつ超小型であることが要求されている。特
に、送信時の電力増幅器における消費電力は移動機全体
の消費電力の大きな割合を占めており、その効率向上は
大きな課題になっている。

一般に、高効率の高周波増幅器としては、Ｂ級増幅器に
高調波処理回路を付加したＦ級増幅器が使用されている
。

第２図は、ＦＥＴを用いた従来のＦ級増幅器の等価回路
図である。

図において、高周波増幅器は、ＦＥＴ　（電界効果トラ
ンジスタ）２１と、そのゲート端子に接続される入力整
合回路２３およびドレイン端子に接続される出力整合回
路２５と、ＦＥＴ２１のドレイン端子に接続される２倍
波阻止スタブ２７により構成される。

ところで、ＦＥＴ２１をＢ級のバイアス条件で使用する
と、出力信号には入力信号の周波数（以下「基本波」と
いう）の他に、その２倍、３倍、・・・の周波数の高調
波成分が含まれる。特に、２倍の周波数の高調波成分（
以下「２倍波」という）は、全高調波成分の大部分のエ
ネルギーを占めており、基本波のエネルギーに対しても
無視できない大きさになっている。

したがって、高周波増幅器の効率向上のためには、この
２倍波を有効利用することが不可欠になっており、図に
示すように、２倍波阻止スタブ２７により２倍波をＦＥ
Ｔ２１にはね返して基本波に変換する構成が採用されて
いる。

ここで、２倍波阻止スタブ２７には、先端を大きな容量
のキャパシタ２９によって高周波的に短絡し、２倍波で
１／２波長に相当する長さを有する高周波伝送線路が用
いられている。すなわち、この２倍波阻止スタブ２７は
、基本波では１／４波長に相当する長さを有する高周波
伝送線路となる。

なお、キャパシタ２９は、基本波に対してインピーダン
スの絶対値が１Ω以下で、はぼ短絡と見なせる大きな容
量（例えば、基本波の周波数がＩＧＨｚの場合に１５０
ｐＦ以上）のものが用いられるが、この容量は２倍波に
対してはさらにその１／２のインピーダンス値となる。

このようなキャパシタ２９を用いる第一の理由は、基本
波の周波数で一端が短絡の１／４波長の高周波伝送線路
は、その他端では基本波に対しては開放で、２倍波に対
しては短絡となるからである。すなわち、基本波に対し
ては何も接続していないのと等価であり、一方２倍波に
対しては短絡の２倍波阻止スタブとなることを意味して
いる。

第二の理由は、ドレインのバイアス供給回路として使用
できる点である。！圧電源は、等価回路的には短絡とな
るために、電圧電源を接続する場合は増幅器中で短絡と
なっても支障のない箇所に接続しなければならず、２倍
波阻止スタブの先端は高周波的に短絡なので、電圧電源
を接続しても増幅器の特性に与える影響は回避できる。

すなわち、増幅器のバイアス供給回路として適した構成
となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、従来の構成は、２倍波阻止スタブに２倍波の
１／２波長に相当する長さを有する高周波伝送線路を用
いるので、その部分に大きな面積が必要になっている。

特に、ＩＧＨｚ以下の周波数では、そのような２倍波阻
止スタブを用いたＦ級増幅器をそのままの構造で、ガリ
ウム砒素基板上にモノリシック集積回路として形成する
ことができない。

たとえば、２倍波の周波数を２ＧＨｚ（基本波の周波数
を１ＧＨｚ）とし、比誘電率が１２．６のガリウム砒素
基板上に形成したマイクロストリップ線路、あるいはコ
プレーナ線路を用いた場合は、１／２波長に相当する高
周波伝送線路の長さは約３０１１１１１となる。この長
さの高周波伝送線路を基板上にコンパクトにレイアウト
したとしても、４ｍｍＸ４ａ＋ｍ程度の面積が占有され
る。

この面積は、個別部品のＦＥＴチップを使用し、外付け
の誘電体基板上に整合回路その他を形成したハイブリッ
ド集積回路では容認しうる大きさであるが、増幅器全体
をガリウム砒素基板上にモノリシック集積回路として形
成するには困難な大きさといえる。すなわち、現在のガ
リウム砒素モノリシック集積回路の製造技術では、ガリ
ウム砒素ウェハの価格とチップの製造歩留まりの点から
、５＋ｍｓ角以上のチップサイズになると経済的に従来
のハイブリッド集積回路に対して不利であった。

したがって、ＩＧＨｚ以下の周波数でＦ級増幅器をモノ
リシック集積回路化する場合には、別途小型化の手段が
必要であった。

本発明は、モノシリツク集積回路化に適した小型で高効
率な高周波増幅器を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 請求項１に記載の本発明は、高周波増幅器の増幅用デバ
イスの出力端に、線路長が使用周波数の２倍の周波数に
おいて１／２波長より短い所定の長さの高周波伝送線路
を接続し、増幅器デバイスと高周波伝送線路との接続点
に、所定の容量値を有するキャパシタを接地導体との間
に接続し、高周波伝送線路の中点に、前記キャパシタの
容量値の２倍の容量値を有するキャパシタを接地導体と
の間に接続し、さらに高周波伝送線路の終端と接地導体
との間に、所定の容量値を有するキャパシタを接続して
構成する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高周波増幅
器において、高周波伝送線路は、誘電体基板上に形成さ
れたコプレーナ線路であり、各キャパシタは、コプレー
ナ線路の接地導体と、この接地導体に絶縁体を介して対
向する導体で形成される構造である。

〔作　用〕

本発明は、高周波増幅器の増幅器デバイスの出力端に接
続し、基本波に対しては開放となり２倍波に対しては短
絡となる２倍波阻止スタブを、高周波伝送線路とその特
定の位置に装荷したキャパシタで構成することにより、
従来の２倍波阻止スタブの長さである２倍波の１／２波
長より大幅に短縮することができ、小型化が可能となる
。

〔実施例〕

以下、図面に基づいて本発明の実施例について詳細に説
明する。

第１図は、本発明のＦ級増幅器の一実施例を示す等価回
路図である。

図において、入力信号は入力整合回路１１を介してＦＥ
Ｔ１２のゲート端子に入力され、その出力信号はドレイ
ン端子から出力整合回路１３を介して出力される。ＦＥ
Ｔ１２のソース端子は接地される。

本発明の特徴とするところは、２倍波阻止スタブとして
、ＦＥＴ１２のドレイン端子に、電気長２θ（０〈θ〈
９０°）の高周波伝送線路１５を接続し、その接続点を
容量値Ｃ１のキャパシタ１６を介して接地し、高周波伝
送線路１５の中点を容量［２Ｃ，のキャパシタ１７を介
して接地する構成をとる。さらに、高周波伝送線路１５
の終端を容量値Ｃ０のキャパシタ１８を介して接地する
。

ここで、高周波伝送線路１５の特性インピーダンスをＺ
とし、従来の２倍波で１／２波長に対応する高周波伝送
線路の特性を７０とし、ｉｒｌ の関係を満足するように各便を設定すれば、従来の２倍
波の周波数で１／２波長に相当する長さを有する高周波
伝送線路を用いた２倍波阻止スタブと同等の特性を得る
ことができる。

なお、キャパシタ１８の容量値Ｃ０は、基本波に対して
インピーダンスの絶対値が１Ω以下で、ぼぼ短絡と見な
せるような大きな容量とする。

また、このような関係式において、Ｚｏの選択には任意
性があり、スタブの短縮化のためにはＺｏを１０Ω以下
の低インピーダンスに設定する。ｆは２倍波の周波数で
ある。

以上の条件に基づいて、例えばｚ、＝ｉｏΩ、Ｚ＝５０
Ω、ｆ−２ＧＨｚとすると、θ＝１１．５″′となり、
ＣＩ＝７．８　ｐ　Ｆとなる。すなわち、キャパシタ１
６の容量値は７．８ｐＦ、キャパシタ１７の容量値は１
５．６ｐＦとなり、また高周波伝送線路■５の全長は２
θであるから２３°となる。これは、２倍波で１／１５
波長になったことに相当する。

なお、従来の２倍波阻止スタブは２倍波で１／２波長の
長さを有していたので、本発明によりその全長は２／１
５に短縮されたといえる。

したがって、比誘電率が１２．６のガリウム砒素基板上
に形成したマイクロストリップ線路、あるいはコプレー
ナ線路を用いた場合には、本発明の構成による２倍波阻
止スタブの全長は約４ｍｍ（＝３０Ｘ　２／１５）とな
る。さらに、この長さの高周波伝送線路をガリウム砒素
基板上にレイアウトした場合には、占有面積は１ｍｍＸ
０．５ｍｍ程度となる。

このように、２倍波阻止スタブの小型化により、Ｆ級増
幅器全体のモノリシック集積回路化が十分可能となる。

ところで、本発明による２倍波阻止スタブでは、２倍波
に対しては従来の２倍波阻止スタブと同様にスタブの接
続端で短絡となるが、基本波に対しては従来例と異なり
完全な開放とはならない。したがって、出力整合回路１
３の設計ではスタブのインピーダンスも考慮する必要が
生じる。

また、高周波伝送線路１５の特性インピーダンスＺ、従
来の２倍波で１／２波長に相当する長さを有する高周波
伝送線路の特性Ｚ、については任意性があるが、Ｚの値
を極端に高くしたり、Ｚｏの値を極端に低く設定すると
、スタブの短縮度は上がるが帯域特性は悪化する傾向に
ある。したがって、増幅器の使用帯域に応じて短縮度（
Ｚ、の値）を決定する必要がある。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明は、従来の２倍波阻止スタブに
比べて大幅に小型化することが可能となり、ガリウム砒
素基板上にモノリシック集積回路化することが容易とな
る。

また、本発明高周波増幅器に用いられる２倍波阻止スタ
ブは、従来と同様にその先端を高周波的に短絡すること
ができるので、電圧電源を接続しても増幅器の特性に影
響を与えない。すなわち、増幅器のバイアス供給回路と
しても利用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す等価回路図。 第２図はＦＥＴを用いたＦ級増幅器の等価回路図。 １１・・・・・・入力整合回路、１２・・・ＦＥＴ、出
力整合回路、１５・・・高周波伝送線路、１７．１８・
・・キャパシタ、２１・・・ＦＥＴ、２力整合回路、２
５・・・出力整合回路、２７・・・阻止スタブ、２９・
・・キャパシタ。 １３・・・ ６、１ ３・・・入 ２倍波 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波増幅器の増幅用デバイスの出力端に、線路
   長が使用周波数の２倍の周波数において１／２波長より
   短い所定の長さの高周波伝送線路を接続し、 前記増幅用デバイスと前記高周波伝送線路との接続点に
   、所定の容量値を有するキャパシタを接地導体との間に
   接続し、 前記高周波伝送線路の中点に、前記キャパシタの容量値
   の２倍の容量値を有するキャパシタを接地導体との間に
   接続し、 さらに前記高周波伝送線路の終端と接地導体との間に、
   所定の容量値を有するキャパシタを接続したことを特徴
   とする高周波増幅器。
2. （２）請求項１に記載の高周波増幅器において、高周波
   伝送線路は、誘電体基板上に形成されたコプレーナ線路
   であり、 各キャパシタは、コプレーナ線路の接地導体と、この接
   地導体に絶縁体を介して対向する導体で形成される構造
   であることを特徴とする高周波増幅器。