JPH0645870A - インピーダンス整合及びバイアス供給回路網 - Google Patents

インピーダンス整合及びバイアス供給回路網

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JPH0645870A
JPH0645870A JP5074075A JP7407593A JPH0645870A JP H0645870 A JPH0645870 A JP H0645870A JP 5074075 A JP5074075 A JP 5074075A JP 7407593 A JP7407593 A JP 7407593A JP H0645870 A JPH0645870 A JP H0645870A
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input
network
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bias voltage
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JP5074075A
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David M Upton
デーヴィッド・エム・アップトン
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Raytheon Co
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    • H01P1/20Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/2007Filtering devices for biasing networks or DC returns
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006Particular feeding systems
    • H01Q21/0025Modular arrays
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/56Modifications of input or output impedances, not otherwise provided for
    • HELECTRICITY
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    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2200/00Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/294Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being a low noise amplifier [LNA]
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2200/00Indexing scheme relating to amplifiers
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気的に操縦されるフェーズド・アレイ・ア
ンテナの送信/受信モジュール素子のための改善された
整合インピーダンス及びバイアス供給回路網を提供す
る。 【構成】 電気的に操縦されるフェーズド・アレイ・ア
ンテナの受信機セクション10の低ノイズ増幅器20と
のインターフェースを行うインピーダンス整合及びバイ
アス供給回路網16は、インピーダンス変換のための誘
導器及びコンデンサ回路網を含むが、回路網の50オー
ム入力側との分路にてゲートバイアスパスを誘導器4
8、50を介し低ノイズ増幅器に提供しこれにより受信
機雑音指数を実質的に減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気的に操縦されるフ
ェーズド・アレイ・アンテナの送信/受信(T/R)装
置に関し、特に、低ノイズ増幅器とのインターフェース
を行うためのインピーダンス整合及びバイアス供給回路
網に関する。
【0002】
【従来技術】小さな大きさで軽量であることは、航空機
搭載及び宇宙に配置されるフェーズド・アレイ・アンテ
ナ応用のための送信、受信及びディジタル制御回路を含
むT/Rモジュールの重要な特徴である。1インチ
(2.54cm)×2インチ(5.08cm)の寸法及
び16グラムの重さからなるL帯域T/Rモジュール
は、今日では、ひ化ガリウム(GaAs)モノリシック
・マイクロ波集積回路(MMIC)を使用すれば、実行
可能である。そのようなT/Rモジュールは、1991
年11月の政府マイクロ回路応用部会の191〜194
頁の、Peter MaloneyとJhon Sas
onoffによる「LightweightL−Ban
d T/R Modules for SBR App
lications」と題される論文に述べられてい
る。T/Rスイッチ、インピーダンス整合及びバイアス
供給回路網及び低ノイズ増幅器(LNA)を含むT/R
モジュールの受信部は、非常に低い雑音指数(高感度)
の最少電力消費及び最小歪のRF入力信号を提供しなけ
ればならない。ひ化ガリウムMMIC技術がT/Rモジ
ュールの送信、受信及びディジタル制御装置に使用され
るとき、T/Rスイッチのような受信部分及びインピー
ダンス整合及びバイアス供給回路網の各回路の設計は、
低ノイズ(低損失)、要求されるインピーダンス変換及
びOFF状態における高電力処理能力という相反する制
約のために、しばしば、好ましくない妥協に終わってい
る。
【0003】T/Rスイッチは、送信モード動作中、サ
ーキュレータのようなRF入力源に対して整合された終
端負荷を提供し、そして受信モード動作中、非常に低損
失の透過スイッチとして機能するように使用され、最小
雑音指数の低ノイズ増幅器を保持する。従来技術におい
てよく知られたT/Rスイッチは、π回路網を有してお
り、このπ回路網は、電界効果トランジスタ(FET)
スイッチと共にπの各脚において4分の1波長ライン
(或いは、L/C等価物)を含む。しかしながら、小さ
な寸法で軽量であることが重要な要件である宇宙に配置
される或いは航空機に搭載される応用に対しては、従来
技術は十分ではない。
【0004】T/Rスイッチと低ノイズ増幅器との間に
結合されたインピーダンス整合及びバイアス供給回路網
は、50オームRFソース入力を、低ノイズ増幅器の入
力インピーダンスの値のようなより高いインピーダンス
に変換するようなインピーダンス変換を行う。そのよう
な回路網のその入力における低ノイズ増幅器に対するも
う1つの機能は、低ノイズ増幅器の性能特性を下げるこ
となく、低ノイズ増幅器の入力回路にバイアス電圧を供
給することである。当該技術においてよく知られた整合
回路網の1つのタイプは、ゲートバイアス電圧に対し分
路を形成する抵抗をもつL−C直列回路網を有する。そ
のインピーダンス変換は、誘導器(インダクタ)が電界
効果トランジスタの入力インピーダンスの無効部分を調
整している間にコンデンサ内に起こる。しかしながら、
この回路網の欠点は、コイルの寸法が相対的に大きいこ
と、及びゲートバイアス抵抗が電界効果トランジスタの
ゲートを分路(シャント)し、その結果、雑音指数を増
すことになる損失をまねくことである。
【0005】
【発明の概要】従って、本発明の目的は、電気的に操縦
されるフェーズド・アレイ・アンテナの送信/受信モジ
ュール素子のための改善された整合インピーダンス及び
バイアス供給回路網を提供することである。
【0006】本発明の別の目的は、受信機の雑音指数を
改善するためのRF受信機における低ノイズ増幅器の入
力にて、改善されたインピーダンス整合及びバイアス供
給回路網を提供することである。
【0007】これらの目的は、さらに、RF入力信号を
整合インピーダンス及びバイアス供給回路網の入力ノー
ドに結合しDC電圧を遮断する手段と、前記入力ノード
に結合されて前記RF入力信号のソースインピーダンス
を前記回路網の出力ノードにおける所定の出力インピー
ダンスに変換する手段と、前記結合及びDC電圧遮断手
段との分路にて前記入力ノードに設けられて入力バイア
ス電圧を前記回路網の前記出力ノードに供給する入力バ
イアス電圧手段とからなる整合インピーダンス及びバイ
アス供給回路網を提供することにより達成される。前記
インピーダンス変換手段はL型ローパス共振回路を有す
る。前記インピーダンス変換手段は、さらに、前記イン
ピーダンス変換手段の前記入力ノードに結合されて前記
インピーダンス変換手段の無効部分を調整する分路コン
デンサと、前記入力ノードに結合された1端及び前記出
力ノードに結合された他端を有し前記インピーダンス変
換手段の実数部を調整する直列誘導器とを含む。前記入
力バイアス電圧手段が、前記RF信号ソースインピーダ
ンスに関連づけられて前記RF入力信号の最小損失を生
ずる高ソースインピーダンスを含む。
【0008】前記各目的は、さらに、RF入力信号を増
幅する低ノイズ増幅器と、前記RF入力信号に結合され
て前記RF入力信号のソースインピーダンスを変換し前
記低ノイズ増幅器の入力インピーダンスに整合させる手
段と、前記インピーダンス変換手段の前記ソースインピ
ーダンス側に結合されて前記入力バイアス電圧を前記低
ノイズ増幅器の入力に供給する入力バイアス電圧手段と
の組合せにより達成される。前記インピーダンス変換手
段が、前記入力バイアス電圧手段に結合されて前記入力
バイアス電圧を前記低ノイズ増幅器の前記入力に供給す
る誘導器を含む。前記インピーダンス変換手段が、さら
に、前記変換手段の前記ソースインピーダンス側にて接
地端と前記誘導器手段との間に結合されてL型ローパス
共振回路を形成するコンデンサ手段を含む。前記入力バ
イアス電圧手段が、前記RF入力信号ソースインピーダ
ンスに関連づけられて前記RF入力信号の最小損失を生
ずる高ソースインピーダンスを含む。
【0009】前記各目的は、さらに、DC電圧をコンデ
ンサ手段によって前記入力ノードに対し及び同入力ノー
ドから遮断するとともに、RF入力信号をインピーダン
ス整合及びバイアス供給回路網の入力ノードに結合し、
前記RF入力信号のソースインピーダンスを前記回路網
の出力ノードにおける所定の出力インピーダンスに変換
し、前記コンデンサ手段との分路にて入力バイアス電圧
を前記入力ノードに提供して前記入力バイアス電圧を前
記回路網の前記出力ノードに供給する各ステップからな
るインピーダンス整合及びバイアス供給回路網を提供す
る方法により達成される。ソースインピーダンスを所定
の出力インピーダンスに変換する前記ステップがL型ロ
ーパス共振回路の使用を含む。ソースインピーダンスを
所定の出力インピーダンスに変換する前記ステップが、
前記分路コンデンンサ手段を前記インピーダンス変換手
段の前記入力ノードに結合して前記インピーダンス変換
手段の無効部分を調整し、かつ前記入力ノードに結合さ
れた一端及び前記出力ノードに結合された他端を有する
直列誘導器を提供して前記インピーダンス変換手段の実
数部分を調整する各ステップを含む。前記入力バイアス
電圧を提供する前記ステップが、前記RF信号ソースイ
ンピーダンスに関連づけられて前記RF入力信号の最小
損失を生ずる高バイアス電圧ソースを提供するステップ
を含む。
【0010】
【実施例】本発明の他の或いはさらなる特徴や利点は各
添付図面を参照する以下の説明から明かになるであろ
う。図1を参照すると、本発明を構成する電気的に操縦
されるフェーズド・アレイ・アンテナのための送信/受
信(T/R)モジュールのLバンド受信機10のブロッ
ク図が示されている。受信機10はT/Rスイッチ12
を有しており、このT/Rスイッチ12は、サーキュレ
ータ11からRFIN信号を受けて、インピーダンス整合
及びバイアス供給回路網16にRF信号を与える。送信
モードにおいて、T/Rスイッチ12はサーキュレータ
11の整合終端のようなRFINソースインピーダンスの
ための整合終端を提供する。インピーダンス整合及びバ
イアス供給回路網16は、50オームRFソースインピ
ーダンスを、RF信号が結合される低ノイズ増幅器(L
NA)20の入力インピーダンスであるほぼ300オー
ムに変換し、そして、それはまた、前記低ノイズ増幅器
のためのバイアス供給を提供する。低ノイズ増幅器ディ
ジタル制御装置18は、前記フェーズド・アレイ・アン
テナ内から制御信号を受けて、T/Rスイッチ12のモ
ードを制御するためのバイアス電圧信号(VT/Rバイア
ス)及び低ノイズ増幅器20のためのLNAバイアス電
圧信号を発生する。この低ノイズ増幅器20はRFOUT
を発生する。
【0011】図1においては、また、サーキュレータ1
1に結合されたT/Rモジュールの送信セクション8が
示されている。T/Rスイッチ12は、アンテナに結合
されるサーキュレータ11のための適当な終端を提供し
なければならない。サーキュレータ11は、その各ポー
トのすべてにて良好な整合(15dBよりも大きな反射
減衰量)を適切に要求して必要となる隔離を達成する。
受信機10のT/Rスイッチ12の回路は、前記受信機
セクションが能動的でないとき、送信モードにおけるこ
の終端機能をサーキュレータ11に提供する。RFIN
受信する受信機10の入力ポートは、送信モード動作中
では50オームのように見える。T/Rスイッチ12
は、また、有害となるレベルの電力が受信機10に入る
のを阻止するように、受信機フロントエンドに対し十分
な隔離を提供する。これらの2つの事項は、入力回路の
トポロジー及び各構成要素を選択するとき、相互に相反
する。インピーダンス変換は、信号電流を犠牲にして信
号電圧における増加を常に伴い、これによって、各構成
要素に対するストレスレベルを増加させる。高電力レベ
ルを安全に消散させ得る構成要素は、マイクロ波周波数
にて、通常大きくかつ効率が良くない(損失が大き
い)。受信機雑音指数はT/Rスイッチ12における何
等かの損失により直接下げられ、従って、 これをでき
るだけ少なくすることが望ましい。
【0012】ここで、図2を参照すれば、T/Rスイッ
チ12は、受信モード中、50オームの終端をRFソー
ス(サーキュレータ11)に維持して、送信モード中、
低ノイズ増幅器20を保護するためのローパスπ回路網
を有する。T/Rスイッチ12は、2つの電界効果トラ
ンジスタ(FET)40及び42の間の約45度の位相
遅延を発生する。π回路網は、低ノイズ電界効果トラン
ジスタ40をもつ入力ブランチを有しており、この低ノ
イズ電界効果トランジスタ40は、バイパスコンデンサ
32と並列な抵抗30の1端と接地端との間にノード3
1にて結合されている。RFIN信号は、π回路網の入力
ノード33及び抵抗30とコンデンサ32の並列回路網
の他端に供給される。π回路網の出力ブランチは、π回
路網の出力ノード35と接地端との間に結合されたもう
1つの低ノイズ電界効果トランジスタ42を有し、そし
て、誘導器(インダクタ)34は、π回路網の入力ノー
ド33と出力ノード35との間に結合されている。抵抗
36は電界効果トランジスタ40のゲート入力に接続さ
れ、そして、同様に、抵抗38が、電界効果トランジス
タ42のゲート入力に接続され、抵抗36及び抵抗38
の各他端は、LNAディジタル制御装置18から制御バ
イアス信号(VT/Rバイアス)を受けるノード43にて
共に接続されている。
【0013】T/Rスイッチ12のπ回路網は、130
0MHz±10%を中心とする狭帯域に亘る8分の1波
長の伝送線に匹敵する。しかし、それは、4分の1波長
の伝送線の分離特性及び帯域幅特性を示す。それは、公
知の4分の1波長伝送線に対し典型的に要求されるハイ
ブリッドマイクロ波集積回路(MIC)パッケージの基
板上の領域の約半分のみを使用して、反射送信信号から
電界効果トランジスタ40及び42の各スイッチを効果
的に隔離する。各電界効果トランジスタ40及び42の
寄生容量、主にドレーンのソースに対する容量(Cds)
は、π回路網内に吸収される。各電界効果トランジスタ
40および42のドレーンのソースに対する抵抗(Rd
s)は、オンにバイアスされたとき、ほぼ2オームであ
る。各電界効果トランジスタ40及び42はピンチオフ
されたとき、各電界効果トランジスタの容量のみが回路
動作に影響を与える。各電界効果トランジスタ40及び
42がオン(Vds=0.0V)のとき、Rdsは他の回路
素子の大部分を無力化させる。誘導器34のインダクタ
ンスは、45度の位相シフトがT/Rスイッチ12のπ
回路網を通過するRFIN信号から生ずるという本実施例
における仕様により決定される。30度から60度の範
囲における他の各位相遅延値は、他のπ回路網素子の各
値に依存することによって可能となる。位相遅延値が減
少するにつれて、送信モードにおけるT/Rスイッチの
性能は分離度が減少することにより低下する。45度の
位相遅延は、適切な隔離を提供するが、一方、受信モー
ドではT/Rスイッチ12によりRF信号損失を減少さ
せるのみならず、ハイブリッドマイクロ波集積回路の基
板上の構成要素空間を最小にする。πの各素子値は、次
の各式により決定されるもので、各式は、当業者に一般
的に知られそして1943年、McGraw−Hill
Book Company,Inc.発行のF.E.
Termanによる「Radio Engineer
s Handbook」の212頁にて述べられてい
る。ここにおいて、ZA及びZBはπ回路網の分路素子で
あり、そしてZCは直列素子である:
【数1】
【数2】
【数3】 ここにおいて、 R1(ソースインピーダンス)=R2(負荷インピーダ
ンス)=50オーム β=π回路網の挿入位相 当業者には、各電界効果トランジスタ40及び42が、
電力要求に基づきあるサイズであるように選択され、同
時にその回路網が実行不能な程大きくすることはできな
いことが理解される。即ち、45度の位相遅延シフト及
び50オームのインピーダンスを提供することが可能で
なければならない。また、π回路網の各部分におけるZ
A、ZB及びZCに基づき各素子値を計算するときは、誘
導器34の寄生容量及びレイアウト寄生容量が考慮され
ねばならない。80.0オームにて最適に活用される抵
抗30と並列のコンデンサ32は、入力無効(リアクテ
ィブ)インピーダンスを50オーム抵抗負荷に戻して、
T/Rモジュールが送信モードにあるとき到来する送信
信号の反射を妨げる機能を果たす。2.2pFのこのコ
ンデンサ32がなければ、送信モードにおける電界効果
トランジスタ42によるRFINの負荷は過度となり、隔
離は大きく減衰される。電界効果トランジスタ42がオ
ンのとき、準短絡(短絡に近い)がノード33にてみら
れる。しかしながら、コンデンサ32は、送信モードに
て無反射となるように誘導器34の誘導リアクタンスを
無効にするために設けられる。
【0014】図2をさらに参照すれば、VT/Rバイアス
電圧信号がLNAディジタル制御装置18により提供さ
れるとき、各電界効果トランジスタ40及び42はオン
に切り換えられ、これによって、T/Rスイッチを送信
モードにする。送信モードにおいては、T/Rスイッチ
12は、RFINソースインピーダンスのための整合終端
を提供し、これによって、送信信号から低ノイズ増幅器
20を保護する。各電界効果トランジスタ40及び42
がオンのとき、抵抗30、コンデンサ32及び誘導器3
4の並列回路網は50オームインピーダンスを生ずる。
送信信号の小さな部分は抵抗30から反射して誘導器3
4を通るかも知れないが、電界効果トランジスタ42は
そのような反射を接地端にシャントさせる。図4は、送
信モードにおけるT/Rスイッチ12に伴う動作周波数
に対する測定反射送信信号損失のグラフを示す。示され
ているように、T/Rスイッチ12は、1320MHz
を中心に最小値をもち、1200MHzから1400M
Hzの負荷に亘り、少なくとも、−15dBの反射送信
信号損失を維持する。
【0015】VT/Rバイアス電圧信号が活性状態でない
とき、各電界効果トランジスタ40及び42はオフであ
り、T/Rスイッチ12は受信モードにある。この受信
モードにおいて、T/Rスイッチ12の機能は、RFIN
信号を、最小信号損失でもって入力整合回路網16に通
過させることである。受信モードでは、コンデンサ32
と直列である電界効果トランジスタ40の非常に大きな
ピンチオフ容量リアクタンスのために、コンデンサ32
は無視できる程の効果しかもたない。受信モードでは、
T/Rスイッチ12は、45度の位相遅延でもって、適
用可能な周波数帯域内にて50オーム伝送線として機能
し、そして、位相遅延による以外は受信入力信号(RF
IN)を変更しない。従って、正味の効果は、T/Rスイ
ッチ12に対する入力信号を、インピーダンス整合及び
バイアス供給回路網16の入力に移すことである。電力
処理のための各電界効果トランジスタ40及び42の寸
法の選択により決定される各ピンチオフ容量は、また、
受信モードにおける位相遅延の量に寄与する。
【0016】各電界効果トランジスタ40及び42は、
8×200ミクロンの幅のフィンガとして用意された1
600ミクロンの全ゲート周囲を含むGaAs処理によ
り作ることができ、各フィンガ幅は0.9ミクロンのゲ
ート長を有する。単一のゲート凹所(リーセス)が使用
される。0.4ミクロンの厚さのドーピング・プロファ
イルは、ドーパントの立方センチメータ原子あたり、1
×10の17乗の名目上の濃度をもつ。ソースのドレー
ンに対する間隔は、ソースインダクタンスを最小にする
ために、ゲート及びドレーンに亘りエアーブリッジされ
たソース接続でもって、5ミクロンとなっている。その
ような電界効果トランジスタは、マサチューセッツ州、
アンドバーのレイセオンカンパニー、アドバンスドデバ
イスセンターにより製造される。抵抗30は、マサチュ
ーセッツ州、ノースアトルボローのバリーインダストリ
ー(Barry Industries)のTRXディ
ビジョンにより製造されるNo.TV0402GA型8
0オーム抵抗により実施され得る。コンデンサ32は、
ニューヨーク州、ハンチィントン・ステイションのアメ
リカンテクニカルセラミックス社(American
TechnicalCeramics,Inc.)によ
り製造されるNo.ATC111型の2.2pFコンデ
ンサにより実施され得る。誘導器34は、マサチューセ
ッツ州、アンドバーのレイセオンカンパニー、アドバン
スドデバイスセンターにより製造される基板上に印刷さ
れる3.6nH(Q=40)の螺旋コイルにより実施さ
れ得る。各抵抗36、38は、マサチューセッツ、アン
ドバーのレイセオンカンパニー、アドバンスドデバイス
センターにより製造される基板上に印刷される厚膜抵抗
により実施され得る。
【0017】低ノイズ増幅器の設計において非常に重要
なことは、入力信号インピーダンスを低ノイズ増幅器の
特別な入力装置のために決定されたZOPTの値に変換す
ることである。ここにおいて、ZOPTは、所望の信号に
対する付加的なノイズ寄与を最小にする入力装置に与え
られるソースインピーダンスとして定義される。一般的
には、その装置による付加的なノイズは、見かけ上のソ
ースインピーダンス及び装置バイアス状態の双方を変え
ることにより、絶対的に最小にされ得る。この変換は、
調整されたL−C回路網により達成される。その回路に
よる損失は、変換回路網における負荷Q(QL)の非負
荷Q(Qu)に対する比に依存する。各誘導器は、前記
回路網に殆ど不変の最低のQuを与え、従って、それら
は、許容できる挿入損失(IL)にて得られる変換範囲
を制限する傾向がある。これらの考察は次のように要約
される。
【0018】
【数4】 IL(dB)=20log10[1/(1−QL/Qu)] ここにおいて、 Qu=非負荷Q(成分Q) QL=負荷Q=(ZL/ZS1/2 + 1(回路の変換
Q) QL=fo/(BW−3dB) ZL=負荷インピーダンス ZS=ソースインピーダンス これにより、要求されるインピーダンス変換は、できる
限り小さな比に保たれて最小Q成分でもって大きな損失
を避ける。薄いアルミナ(Al23)基板上に薄膜技術
により製造される各誘導器は、100μmのGaAs上
に製造される公知の螺旋誘導器と比較して、非常に高い
無負荷Qをもつ。電界効果トランジスタのノイズ調整
は、非常に小さな損失でもって、より大きな変換を許容
することによって改善される。
【0019】ここで、図3を参照すれば、インピーダン
ス整合及びバイアス供給回路網16が示されており、こ
の回路網16は、最小数の構成要素でもって、50オー
ム入力から300オーム出力(ZOPT)へのインピーダ
ンス変換機能を果たすために使用される2ポール(極)
のローパス回路網である。それは30pFのDCバイア
ス遮断コンデンサ44を有しており、コンデンサ44
は、誘導器(インダクタ)48を共振させるための1.
1pFのコンデンサ46に結合したノード45に接続さ
れている。コンデンサ46の他端は接地端に接続されて
いる。また、そのようなノード45には、15.2nH
の誘導器48が接続されている。誘導器48は、ボンド
ワイヤインダクタンスから生ずる0.1nHの等価誘導
器50と直列に接続されている。もう1つの0.1nH
の等価誘導器52は、ボンドワイヤインダクタンスから
生ずるそのようなノード45に接続されており、そし
て、等価誘導器52の他端は、Vggゲートバイアスに接
続される5Kの抵抗54(低ノイズ増幅器20内に通常
位置される)と直列になっている。低ノイズ増幅器20
からの入力電界効果トランジスタバイアス電圧信号は、
0.1nHの等価インダクタンスをもつボンドワイヤを
介してノード45に供給され、そして、そのような入力
電界効果トランジスタバイアス電圧は、誘導器48及び
誘導器50を通り、そして、低ノイズ増幅器20におけ
る入力電界効果トランジスタゲートに供給されるRF/
GB電圧信号となる。入力電界効果トランジスタバイア
ス電圧信号をノード45内にもたらすことは、そのバイ
アス線を、インピーダンス整合及びバイアス供給回路網
16の50オーム側との分路におき、従来技術における
ように高インピーダンス側にはおかず、これによって、
受信機10の雑音指数における重要な改善のための手段
を提供する。
【0020】従って、インピーダンス整合及びバイアス
供給回路網16は、最小ノイズのために低ノイズ増幅器
20における電界効果トランジスタにより要求される3
00オームZOPTインピーダンスへ50オーム入力イン
ピーダンスを変換する手段を提供し、そして同時に、受
信機10の雑音指数を顕著に改善しながら、電界効果ト
ランジスタゲートバイアスを低ノイズ増幅器20に提供
する。インピーダンス整合及びバイアス供給回路網16
は、基本的には、ローパス応答を伴うL回路網である。
回路網の負荷時Qは、結果として生ずるインピーダンス
変換がZOPTに等しくなるようにセットされる。L回路
網は共振変換回路網のための最小数の極を有しているの
で、それは最も広くできる帯域幅を提供する。コンデン
サ46は、変換の無効(リアクティブ)部を調整するた
めに設けられ、そして、各誘導器48及び50はその実
部を調整する。
【0021】図3及び図5を参照すれば、図3にて示す
ような2極のインピーダンス整合及びバイアス供給回路
網16は、もしも各素子値及び各Qが制御されるなら
ば、前述のように最小数の構成要素でもって、最も広く
できる帯域幅を提供する。不必要な誘導器を除くこと
は、低ノイズ性能を達成することに役立つ。30pFで
ある遮断コンデンサ44は、非常に小さなリアクタンス
をもっているので、回路網における調整に関し殆ど影響
をもたない。従って、それは無視される。入力電界効果
トランジスタバイアス電圧は、この遮断コンデンサ44
との分路にある低ノイズ増幅器20から各直列誘導器4
8及び50を通して供給され、そして低ノイズ増幅器2
0における電界効果トランジスタゲート入力(図示しな
い)に供給される。ノード45にてみられるようにイン
ピーダンス整合及びバイアス供給回路網16の50オー
ム入力インピーダンスにてそのようなゲートバイアスを
提供するというこの技術が、低ノイズ増幅器20におけ
る電界効果トランジスタのゲート回路への入力にてRF
信号損失を減少させる。低ノイズ増幅器20における電
界効果トランジスタによってみられる300オームZ
OPTソースインピーダンスは、低ノイズ増幅器20従っ
て受信機10のための最小雑音指数に帰する。図5は、
図1にて示される受信機10の周波数に対する測定雑音
指数のグラフを示す。示されているように、雑音指数は
1200MHzから1400MHzへの周波数範囲に亘
り1.8dBから2.1dBへ変化する。
【0022】コンデンサ44は、ニューヨーク州、ハン
チィントン・ステイションのアメリカンテクニカルセラ
ミックス社により製造されるNo.ATC100型の3
0pFのコンデンサにより実施され得る。コンデンサ4
6は、ニューヨーク州、ハンチィントン・ステイション
のアメリカンテクニカルセラミックス社により製造され
るNo.ATC111型の1.1pFのコンデンサによ
り実施され得る。誘導器48は、マサチューセッツ州、
アンドバーのレイセオンカンパニー、アドバンスドデバ
イスセンターにより製造される基板上に印刷される1
5.2nHの誘導器(Q=60)により実施され得る。
各誘導器50及び52はそれぞれ0.1nHであり、そ
して0.7ミル(0.018mm)の相互接続金ボンド
ワイヤにより実施される。
【0023】図1を再び参照すれば、低ノイズ増幅器2
0は2段のGaAsのモノリシックマイクロ波集積回路
のチップを有しており、このチップは、マサチューセッ
ツ州、アンドバーのレイセオンカンパニー、アドバンス
ドデバイスセンターにより製造されるRMML2010
型により実施される。低ノイズ増幅器20のモノリシッ
クマイクロ波集積回路は、T/Rスイッチ12における
各電界効果トランジスタ40及び42に類似した2つの
電界効果トランジスタを有するが、Nープラスとして知
られるドーパントの付加的な注入を伴う。その付加的な
ドーパントは、接触抵抗を減少し、これによって、装置
の金属インターフェースにおける損失を減少するために
使用される。単一のゲートリーセスが使用される。他の
点では、これらの電界効果トランジスタは、処理に関す
る限り、スイッチ電界効果トランジスタ40、42に非
常に類似している。双方の低ノイズ電界効果トランジス
タは、4×100ミクロンのゲート幅として用意される
全ゲート周囲において400ミクロンとなっている。こ
れらの電界効果トランジスタに対するゲート長は、ま
た、0.9ミクロンである。低ノイズ増幅器20は入力
段と出力段との間にて使用されるほぼ共役的整合をもつ
が、ソース誘導器からの小量の直列帰還は安定性を保証
する。中間及び出力整合回路網の双方は、高められた帯
域幅及び安定性のための多極のハイパス型である。増幅
器の周波数応答は1.2から1.6GHzへの広帯域で
あるが、入力における無整合でもって約17dBのゲイ
ンを示す。そのような状況のもとでは、増幅器は約4d
Bの雑音指数を呈する。それは、すべての入力及び出力
の終端に対しては無条件で安定的である。通常の作動電
圧は、ドレイン電源に対し6.0Vdcであり、そして
ゲートバイアス電源に対しては−2.3Vdcである。
T/Rスイッチ12は、付加的に−5から−7のVdc
を要求してスイッチ電界効果トランジスタ(40及び4
2)をピンチオフ状態におきそして受信機に機能させ
る。通常の電力消費は20から30mA或いは200m
W以下である。
【0024】LNA(低ノイズ増幅器)ディジタル制御
装置18は、8ビットのシフトレジスタ、データラッチ
及び制御タイミングを有する。それは、緩衝電界効果ト
ランジスタロジックを使用するGaAsチップでもって
満たされる。そのチップに対するデータ入力は0或いは
−5ボルトのレベルにあり、そしてデータラッチからの
出力は同様のレベルにある。電力を保存するために、そ
のチップの使用されない各部分はチップに対する電力の
選択的なボンディングにより無能にされる。32ビット
の制御ワードは、位相シフト、減衰器のセッティング、
送信/受信状態及び送信モードを具体化するデータ線上
に提供される。データ線に加え、クロック(シフト)信
号、リセット及びXパルス信号が制御装置18に提供さ
れる。リセット信号はT/Rモジュールをオフ状態にセ
ットする。XパルスはT/Rモジュールのデューティサ
イクルを決定する。そのようなディジタル制御装置18
は、さらに、ピー・マロネイ及びジェイ・サソノフ
(P.Maloney andJ.Sasonoff)
による前記引用論文に述べられている。
【0025】図6を参照すれば、図1に示すようなT/
Rモジュールの受信機10の部分のアルミナ基板レイア
ウトが示されている。基板の周辺に示される寸法はイン
チ(×2.54cm)である。相互接続(図示しない)
は、0.7ミル(0.018mm)の直径の金のボンド
ワイヤで作られる。アルミナ基板は25ミル(0.63
5mm)の厚さで誘電率の厳格な制御のために99%の
純度(AL23)を定格とする。T/Rスイッチ12及
びインピーダンス整合及びバイアス供給回路網16は、
基板の底部左領域に配置され、そして各々は、従来技術
を非常に改善することになる全基板領域の約6分の1の
みから構成される。そのようなアルミナ基板は、マサチ
ューセッツ州、アンドバーのレイセオンカンパニー、ア
ドバンスドデバイスセンターにより製造されるNo.1
3192型の部品により実施され得る。
【0026】もしも大きなフェーズド・アレイを処理す
るのに伴う規模の経済を考慮しなければ、雑音指数にお
ける1dBの10分のいくつかを節約するという期待は
価値があるとは思われない。例えば、低雑音指数で作動
するとき、雑音指数における1dBの10分の1の減少
が、1dBのシステム送信機電力の減少を許容し得る。
ここに述べられた実施例は、従来技術の実施例からLー
帯域の低ノイズ増幅器の雑音指数を0.75dBも減少
させる。送信機電力における1dBの10分のいくつか
の節約は、駆動電力要件、供給されるDC電力及び使用
されるモジュール冷却システムにおける非常な費用節減
につながり得る。同様に、各モジュール回路にて使用さ
れるより小量の資材は、より密な実装が可能となり、物
理的な大きさ及びより高い周波数作動を減少させるため
の適用要件に従う。
【0027】以上、本発明の好ましい実施例を説明した
が、多くの変形や変更が、発明概念の精神や範囲から逸
脱することなく、当業者にとって明白である。例えば、
前述した実施例のコンデンサ及び誘導器の各値は、望ま
れる動作周波数に基づき決定される。従って、この発明
の範囲は、特許請求範囲によってのみ制限されるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】T/Rスイッチ及びインピーダンス整合及びバ
イアス供給回路網の発明を含むT/Rモジュールの受信
機部のブロック図である。
【図2】図1に示されるT/Rスイッチの概略回路図で
ある。
【図3】図1に示されるインピーダンス整合及びバイア
ス供給回路網の概略回路図である。
【図4】送信モードで作動するT/Rスイッチを有する
図1に示す受信機の周波数に対する測定された反射送信
信号損失のグラフである。
【図5】図1に示される受信機の周波数に対する測定さ
れた雑音指数のグラフである。
【図6】図1に示されるT/Rモジュールの受信機部の
アルミナ基板のレイアウトを示す図である。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 インピーダンス整合及びバイアス供給回
    路網であって、 RF入力信号を前記インピーダンス整合及びバイアス供
    給回路網の入力ノードに結合してDC電圧を遮断する手
    段と、 前記入力ノードに結合され、前記RF入力信号のソース
    インピーダンスを前記回路網の出力ノードにおいて所定
    の出力インピーダンスに変換する手段と、 前記結合及びDC電圧遮断手段との分路にて前記入力ノ
    ードに設けられて、入力バイアス電圧を前記回路網の前
    記出力ノードに供給する入力バイアス電圧手段と、 から構成されるインピーダンス整合及びバイアス供給回
    路網。
  2. 【請求項2】 前記インピーダンス変換手段がL型ロー
    パス共振回路を含む請求項1に記載のインピーダンス整
    合及びバイアス供給回路網。
  3. 【請求項3】 前記インピーダンス変換手段が、前記イ
    ンピーダンス変換手段の前記入力ノードに結合され、前
    記インピーダンス変換手段の無効部分を調整する分路コ
    ンデンサと、前記入力ノードに結合された一端及び前記
    出力ノードに結合された他端を有し前記インピーダンス
    変換手段の実部分を調整する直列誘導器とを含む請求項
    1に記載のインピーダンス整合及びバイアス供給回路
    網。
  4. 【請求項4】 前記入力バイアス電圧手段が、前記RF
    信号ソースインピーダンスに関連づけられて前記RF入
    力信号の最小損失を生ずる高ソースインピーダンスを含
    むようにした請求項1に記載のインピーダンス整合及び
    バイアス供給回路網。
  5. 【請求項5】 RF入力信号を増幅する低ノイズ増幅器
    と、 前記RF入力信号に結合され前記RF入力信号のソース
    インピーダンスを変換して前記低ノイズ増幅器の入力イ
    ンピーダンスに整合させる手段と、 前記インピーダンス変換手段の前記ソースインピーダン
    ス側に結合され前記入力バイアス電圧を前記低ノイズ増
    幅器の入力に供給する入力バイアス電圧手段と、 の組合せ。
  6. 【請求項6】 前記インピーダンス変換手段が、前記入
    力バイアス電圧手段に結合されて前記入力バイアス電圧
    を前記低ノイズ増幅器の前記入力に供給する誘導器を含
    むようにした請求項5に記載の組合せ。
  7. 【請求項7】 前記インピーダンス変換手段が、さら
    に、前記変換手段の前記ソースインピーダンス側にて接
    地端と前記誘導器手段との間に結合されてL型ローパス
    共振回路を形成するコンデンサ手段を含むようにした請
    求項6に記載の組合せ。
  8. 【請求項8】 前記入力バイアス電圧手段が、前記RF
    入力信号に関連づけられて前記RF入力信号の最小損失
    を生ずる高ソースインピーダンスを含むようにした請求
    項5に記載の組合せ。
  9. 【請求項9】 インピーダンス整合及びバイアス供給回
    路網を提供する方法であって、 RF入力信号を前記回路網の入力ノードに結合するとと
    もに、DC電圧をコンデンサ手段によって前記入力ノー
    ドに対し及びその入力ノードから遮断するステップと、 前記RF入力信号のソースインピーダンスを前記回路網
    の出力ノードにおいて所定の出力インピーダンスに変換
    するステップと、 前記コンデンサ手段との分路にて入力バイアス電圧を前
    記入力ノードに提供して前記入力バイアス電圧を前記回
    路網の前記出力ノードに供給するステップと、 から構成される方法。
  10. 【請求項10】 ソースインピーダンスを所定の出力イ
    ンピーダンスに変換する前記ステップがL型ローパス共
    振回路の使用を含む請求項9に記載の方法。
  11. 【請求項11】 ソースインピーダンスを所定の出力イ
    ンピーダンスに変換する前記ステップが、 前記分路コンデンサ手段を前記インピーダンス変換手段
    の前記入力ノードに結合して前記インピーダンス変換手
    段の無効部分を調整するステップと、 前記入力ノードに結合された一端及び前記出力ノードに
    結合された他端を有する直列誘導器を提供して前記イン
    ピーダンス変換手段の実部を調整するステップと、を含
    む請求項9に記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記入力バイアス電圧を提供する前記
    ステップが、前記RF信号ソースインピーダンスに関連
    づけられて前記RF入力信号の最小損失を生ずる高バイ
    アス電圧ソースインピーダンスを提供するステップを含
    む請求項9に記載の方法。
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