JPWO2017199400A1 - 高周波電力増幅器 - Google Patents
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Abstract
Description
具体的には、整合回路とトランジスタの接続点から、整合回路側を見たときのインピーダンスの設計値(以下、「設計インピーダンス」と称する)と、ロードプル測定などによって求められたトランジスタの最大特性が得られる負荷インピーダンスとが一致するように、整合回路の設計が行われる。
整合回路は、通常、誘電体基板上にメタル配線でパターン形成された整合回路基板から構成される。
この設計インピーダンスと負荷インピーダンスの不整合を補償するための手段として、島パターンに対するワイヤ接続の有無によって、線路長が可変となるオープンスタブと、高周波信号の基本波の周波数で4分の1波長の長さを有する線路とから構成されている出力整合回路を備えた高周波電力増幅器が以下の特許文献1に開示されている。
この高周波電力増幅器では、出力整合回路パターンの近傍に設けられている島パターンに対するワイヤの接続数を変化させることで、設計インピーダンスの調整が行われる。
図1はこの発明の実施の形態1による高周波電力増幅器を示す構成図である。
図1において、高周波電力増幅器はパッケージ1上に形成されている入力整合回路12、トランジスタ18及び出力整合回路19を備えている。
入力端子11は例えばマイクロ波やミリ波などの高周波信号を入力する端子である。
入力整合回路12は入力整合回路基板13と入力整合回路基板14を備えており、トランジスタ18の入力インピーダンスの整合を図る回路である。
入力整合回路基板13は一端が入力端子11と接続されている伝送線路15がパターン形成されている基板である。
入力整合回路基板14は伝送線路16がパターン形成されている基板である。
ワイヤ17は伝送線路15の他端と伝送線路16の一端を接続している。
図1の例では、8本の伝送線路16が配線されており、16個のトランジスタ18が並列に実装されている。
例えば、トランジスタ18が電界効果トランジスタであれば、ゲート端子が入力端子となり、ドレイン端子が出力端子となる。
ただし、トランジスタ18は、電界効果トランジスタに限るものではなく、例えば、バイポーラトランジスタであってもよい。
出力整合回路基板20は整合回路22及び伝送線路23が形成されている基板である。
出力整合回路基板21は伝送線路24が形成されている基板である。
整合回路22は並列に接続されている複数のトランジスタ18の出力端子と接続されており、複数のトランジスタ18により増幅された高周波信号を合成する合成回路22a、シャントインダクタ22b及びコンデンサ22cを備えている。整合回路22には伝送線路やオープンスタブが含まれていてもよい。
伝送線路23は一端がトランジスタ18の出力端子と接続されている第1の伝送線路であり、伝送線路23の線路長は、高周波信号の基本波の周波数で4分の1波長の長さである。なお、合成回路22aにおけるパッケージ1の入出力方向の長さが極めて短く、トランジスタ18の出力端子からシャントインダクタ22bの接続位置までの長さが極めて短いため、伝送線路23の線路長は、シャントインダクタ22bの接続位置からワイヤ26が接続されている先端部分までの長さであると考えてもよい。
伝送線路24の線路長は、高周波信号の基本波の周波数で4分の1波長の長さである。なお、伝送線路24の線路長は、先端線路24aの先端から出力端子25と接続されている位置までの長さである。伝送線路24が出力端子25と接続されている位置は、図中、破線で示している位置である。
図1では、伝送線路24の先端線路24aにおける線路幅方向と、伝送線路23の線路幅方向とが直交している例を示しているが、後述する島パターン28の形成領域である夾角部29を構成している伝送線路24の先端線路24aと伝送線路23がなす角度が90度以内の鋭角となるように、伝送線路24の先端線路24aと伝送線路23が配置されていてもよいし、伝送線路24の先端線路24aと伝送線路23がなす角度が90度より大きい鈍角となるように、伝送線路24の先端線路24aと伝送線路23が配置されていてもよい。
ワイヤ26は伝送線路23の他端と伝送線路24の先端線路24aとを接続している第1の接続部材である。
図1では、第1の接続部材がワイヤ26である例を示しているが、第1の接続部材はワイヤ26に限るものではなく、例えば、金リボンシートなどであってもよい。
接続部27はワイヤ26によって伝送線路23の他端と伝送線路24の先端線路24aとが接続されている箇所である。
夾角部29は伝送線路23と伝送線路24の先端線路24aとによって挟まれている領域である。
図1の例では、1つの夾角部29に、6つの島パターン28が配置されているが、島パターン28の数は6つに限るものではなく、島パターン28が1つ以上配置されていればよい。
図1の例では、6つの島パターン28のうち、最も接続部27に近い島パターン28を除いて、5つの島パターン28の形状が等脚台形であるが、最も接続部27に近い島パターン28の形状も等脚台形であってもよい。
図1の例では、6つの島パターン28の幅及び配置間隔は同一である。
図2は後述するワイヤ30,31によって島パターン28が伝送線路23,24と接続されていない例を示し、図3は3つのワイヤ30,31によって3つの島パターン28が伝送線路23,24と接続されている例を示している。また、図4は6つのワイヤ30,31によって6つの島パターン28が伝送線路23,24と接続されている例を示している。
図2〜図4において、ワイヤ30は島パターン28の一端と伝送線路23とを接続し得る第2の接続部材である。
ワイヤ31は島パターン28の他端と伝送線路24の先端線路24aとを接続し得る第3の接続部材である。
ワイヤ30,31によって伝送線路23,24に接続する島パターン28の数を増やすことは、伝送線路23の線路幅が広がることに相当する。また、ワイヤ30,31によって伝送線路23,24に接続する島パターン28の数を増やすことは、伝送線路24の線路長が短くなることに相当する。
図1では、第2の接続部材がワイヤ30であり、第3の接続部材がワイヤ31である例を示しているが、第2及び第3の接続部材はワイヤに限るものではなく、例えば、金リボンシートなどであってもよい。
伝送線路23,24に接続する島パターン28の数を変えることで、リアクタンス成分だけでなく、抵抗成分を有するインピーダンス成分の不整合を補償することができる原理について説明する。
以下、島パターン28と伝送線路23,24を接続しているワイヤ30,31の数が0である図2の状態を「状態A」、島パターン28と伝送線路23,24を接続しているワイヤ30,31の数が3つである図3の状態を「状態B」、島パターン28と伝送線路23,24を接続しているワイヤ30,31の数が6つである図4の状態を「状態C」とする。
図6は状態Bにおける設計インピーダンスの変成軌跡の一例を示すスミスチャートである。
即ち、図6はトランジスタ18側から外部負荷側を見たインピーダンスの変成軌跡の一例を示している。
図6の(1)〜(4)は、図5に示している地点(1)〜(4)から外部負荷側を見たインピーダンスに対応している。
また、設計インピーダンスは、シャントインダクタ22bによって、地点(3)から地点(4)に変成される。
地点(4)の設計インピーダンスは、通常、ターゲットインピーダンスである負荷インピーダンスと一致するように、回路設計がなされている。
図7は島パターン28と伝送線路23,24を接続しているワイヤ30,31の数を変化させた場合の設計インピーダンスにおける変成軌跡の変化を示す説明図である。
地点(1)から地点(2)へのインピーダンス変成では、ワイヤ31の接続数の違いに伴って伝送線路24の線路長が変化し、その結果、伝送線路24の電気長が変化するため、地点(2)の設計インピーダンスにおけるリアクタンス成分が変化する。
地点(2)から地点(3)へのインピーダンス変成では、ワイヤ30の接続数の違いに伴って伝送線路23の線路幅が変化し、その結果、伝送線路23の特性インピーダンスが変化するため、地点(3)の設計インピーダンスにおける抵抗成分が変化する。
シャントインダクタ22bによって変成される地点(4)の設計インピーダンスは、図7に示すように、リアクタンス成分及び抵抗成分の変化によって変化する。
図7に示しているA,B,Cは、図2〜図4における状態A,B,Cにそれぞれ対応している。また、図7に示しているBは、図3における状態Bに対応しているため、図6のスミスチャートに対応している。
図8はゲート幅Wgのトランジスタ18から、ゲート幅がWg×1.2、Wg×1.1、Wg×1.0、Wg×0.9、Wg×0.8のトランジスタ18に変えたときの負荷インピーダンスの変化の一例を示す説明図である。
図8に示している負荷インピーダンスの変化は、図7に示している地点(4)における設計インピーダンスの変化と一致している。
よって、高周波電力増幅器の出力電力を変えるために、トランジスタ18のゲート幅を変えても、ワイヤ30,31の接続数を変えることで、設計インピーダンスと負荷インピーダンスの不整合を補償することができる。
即ち、接続部27に近い側の島パターン28から順番に伝送線路23,24に接続する必要はなく、設計インピーダンスと負荷インピーダンスの不整合量に応じて、任意の島パターン28を伝送線路23,24に接続することができる。
上記実施の形態1では、伝送線路23が出力整合回路基板20に形成され、伝送線路24が出力整合回路基板21に形成されているものを示したが、図9に示すように、伝送線路23及び伝送線路24が同一の出力整合回路基板40に形成されているものであってもよい。
即ち、伝送線路23及び伝送線路24は、誘電率あるいは厚みが異なる回路基板に形成されているものであってもよいが、同一の出力整合回路基板40に形成されているものであってもよい。
出力整合回路19は出力整合回路基板40を備えており、トランジスタ18の出力インピーダンスの整合を図る回路である。
出力整合回路基板40は整合回路22及び伝送線路23,24が形成されている基板である。
伝送線路23及び伝送線路24が同一の出力整合回路基板40に形成されることで、上記実施の形態1と同様の効果が得られるほか、実装部品点数を削減することができるとともに、組立ばらつきによる特性変動を抑えることができる効果が得られる。
上記実施の形態1では、6つの島パターン28の幅及び配置間隔が同一であるものを示したが、この実施の形態3では、伝送線路23側における複数の島パターン28の幅又は配置間隔と、伝送線路24の先端線路24a側における島パターン28の幅又は配置間隔とが異なるものであってもよい。
図10は、伝送線路23側における複数の島パターン28の幅と、伝送線路24の先端線路24a側における島パターン28の幅とが異なっている例を示している。
図11は、伝送線路23側における複数の島パターン28の配置間隔と、伝送線路24の先端線路24a側における島パターン28の配置間隔とが異なっている例を示している。
図12Aは伝送線路23に対向している島パターン28の幅28aが、伝送線路24の先端線路24aに対向している島パターン28の幅28bより広い例を示している。
図12Bは伝送線路23に対向している島パターン28の幅28aが、伝送線路24の先端線路24aに対向している島パターン28の幅28bより狭い例を示している。
上記実施の形態1では、島パターン28の形状が等脚台形である例を示したが、島パターン28の形状が等脚台形に限るものではない。
島パターン28の形状としては、例えば、台形、四角形、L字型、円弧型などを用いることができる。
図13は島パターン28の形状がL字型である例を示し、図14は島パターン28の形状が円弧型である例を示し、図15は島パターン28の形状が四角形である例を示している。
なお、上記実施の形態3における図12は、島パターン28の形状が台形である例を示している。
上記実施の形態1では、伝送線路23がパッケージ1の入出力方向に対して平行な直線パターンで形成され、伝送線路24における先端線路24aの線路幅方向が伝送線路23の線路幅方向と直交している方向になるように、伝送線路24が形成されているものを示しているが、伝送線路23,24の形成は、これに限るものではない。
したがって、伝送線路24は、図16に示すように、先端線路24aの線路幅方向が伝送線路23の線路幅方向と同じ方向に配置されているものであってもよい。
図16の例では、伝送線路24の先端線路24aは、パッケージ1の入出力方向に対して平行な直線パターンで形成されており、先端線路24aの線路幅方向は、伝送線路23の線路幅方向と同じ方向である。
なお、伝送線路23は、図17に示すように、途中で折り曲げられているものであってもよい。線路23aは、途中で折り曲げられている伝送線路23の出力側の線路であり、図中、斜線が施されている。
ただし、図17の例では、伝送線路23の出力側の線路23aにおける線路幅方向は、伝送線路24における先端線路24aの線路幅方向と異なる方向になっている。また、島パターン28が配置されている夾角部29は、出力整合回路基板21に形成されている。
以上より、伝送線路23,24や島パターン28は、高い自由度でレイアウト設計を行うことができる。
Claims (9)
- 高周波信号を増幅するトランジスタと、
一端が前記トランジスタの出力端子と接続され、他端が接地されている整合回路と、
一端が前記トランジスタの出力端子と接続されている第1の伝送線路と、
先端部分の線路である先端線路の線路幅方向が前記第1の伝送線路の線路幅方向と異なる方向に配置され、前記先端部分と反対側の端が出力端子と接続されている第2の伝送線路と、
前記第1の伝送線路の他端と前記第2の伝送線路の先端線路とを接続する第1の接続部材と、
一端が前記第1の伝送線路の周囲に配置され、他端が前記第2の伝送線路における前記先端線路の周囲に配置されている複数の島パターンと、
前記島パターンの一端と前記第1の伝送線路とを接続し得る第2の接続部材と、
前記島パターンの他端と前記第2の伝送線路の先端線路とを接続し得る第3の接続部材と
を備えた高周波電力増幅器。 - 前記第1及び第2の伝送線路の線路長は、前記高周波信号の基本波の周波数で4分の1波長の長さであることを特徴とする請求項1記載の高周波電力増幅器。
- 前記第1の伝送線路と前記第2の伝送線路とが別の回路基板に形成されていることを特徴とする請求項1記載の高周波電力増幅器。
- 前記第1の伝送線路と前記第2の伝送線路とが同一の回路基板に形成されていることを特徴とする請求項1記載の高周波電力増幅器。
- 前記複数の島パターンの幅及び配置間隔が同一であることを特徴とする請求項1記載の高周波電力増幅器。
- 前記第1の伝送線路側における前記複数の島パターンの幅と、前記第2の伝送線路側における前記複数の島パターンの幅とが異なることを特徴とする請求項1記載の高周波電力増幅器。
- 前記第1の伝送線路側における前記複数の島パターンの配置間隔と、前記第2の伝送線路側における前記複数の島パターンの配置間隔とが異なることを特徴とする請求項1記載の高周波電力増幅器。
- 前記島パターンの形状が等脚台形、台形、四角形、L字型又は円弧型であることを特徴とする請求項1記載の高周波電力増幅器。
- 高周波信号を増幅するトランジスタと、
一端が前記トランジスタの出力端子と接続され、他端が接地されている整合回路と、
一端が前記トランジスタの出力端子と接続されている第1の伝送線路と、
先端部分の線路である先端線路の線路幅方向が前記第1の伝送線路の線路幅方向と同じ方向に配置され、前記先端部分と反対側の端が出力端子と接続されている第2の伝送線路と、
前記第1の伝送線路の他端と前記第2の伝送線路の先端線路とを接続する第1の接続部材と、
一端が前記第1の伝送線路の周囲に配置され、他端が前記第2の伝送線路における前記先端線路の周囲に配置されている複数の島パターンと、
前記島パターンの一端と前記第1の伝送線路とを接続し得る第2の接続部材と
前記島パターンの他端と前記第2の伝送線路の先端線路とを接続し得る第3の接続部材と
を備えた高周波電力増幅器。
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