JP2004096379A - 高周波電力増幅器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高周波電力増幅器100は、高周波信号を入力し該高周波信号を増幅して出力するトランジスタTrと、トランジスタTrの出力に一端が接続され、増幅された高周波信号のインピーダンスを整合して他端から出力する基本波整合回路120と、トランジスタTrの出力から基本波整合回路120までの間にあるノード150から前記トランジスタへ電力を供給する電源132と、電源132に一端が接続されたインダクタL20と、インダクタL20の他端とノード150との間に直列に接続されたインダクタL30と、インダクタL20とインダクタL30との間に一端が接続され、他端が接地され、インダクタL30と第1の直列共振回路を成し、尚且つ、インダクタL20と並列共振回路を成すキャパシタC30とを備えている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波電力増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】
高周波電力増幅器は携帯端末等の通信機器のアンテナに電力を供給するために用いられる。高周波電力増幅器は、携帯端末等に使用されるので、高い電力利得、高い電力効率および小型化が要求される。
【0003】
近年、高周波電力増幅器とアンテナとの間の入出力のインピーダンス(通常、50Ω)を整合させる整合回路をモジュールに内蔵した高周波電力増幅器が設計されている。よって、整合回路などの外部回路をモジュールとして内蔵しつつ小型化された高周波電力増幅器が望まれる。
【0004】
このような高周波電力増幅器を小型化する方法としては、半導体チップの小型化、実装技術の高精度化、モジュール基板のパターンの微細化など様々な方法がある。特に、出力整合回路は大きな面積を必要とするので、出力整合回路の小型化は高周波電力増幅器全体の小型化に大きな効果がある。
【0005】
図10に従来の典型的な高周波電力増幅器600の回路図を示す。尚、図面において入力整合回路は省略されている。基本波信号が半導体チップ10に搭載されたトランジスタTrから出力される。基本波信号は、基板上に形成されたインダクタL1とキャパシタC1とで形成される基本波整合回路20によって整合される。通常、基本波整合回路20は基本波信号のインピーダンスを50Ωに整合し、直流電流ブロック用のコンデンサC4を通じて基本波信号を出力する。
【0006】
給電回路30は、キャパシタC2、インダクタL2およびDC(Direct Current)電源32を有し、トランジスタTrに電力を供給する。キャパシタC2は高周波信号を接地するために設けられたデカップリングコンデンサである。インダクタL2は、基本波の波長λに対しλ/4の長さに設定され、いわゆるλ/4線路となっている。これにより、インダクタL2は、トランジスタTrから基本波整合回路20へ伝播する基本波にとって大きなインピーダンスとなる。即ち、インダクタL2は、給電回路30が基本波整合回路20に接続されたノード50において、基本波にとって開放状態になる。よって、給電回路30は基本波整合回路20に対して影響を与えない。また、インダクタL2によって、トランジスタTrからの出力信号のうち二次高調波信号を短絡している。
【0007】
高周波電力増幅器600は、インダクタL3およびキャパシタC3を有する高調波整合回路40をさらに備える。高調波整合回路40により、トランジスタTrからの出力信号のうち三次高調波信号を短絡している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
インダクタL2(λ/4線路)が50Ω線路で形成され、基本波の周波数が900MHzである場合、インダクタL2の長さは約30mm必要になる。近年、高周波電力増幅器600の小型化の要求により、出力整合回路60を含んだ高周波電力増幅器600は四辺が4mmから6mmの大きさの方形のモジュールとして形成される。よって、約30mmのインダクタL2を有した出力整合回路60をモジュール内に収容することは非常に困難である。
【0009】
この問題を解決するためにインダクタL2の長さを30mmよりも短く(例えば、20mmまで短縮)した場合、インダクタL2が理想的なλ/4線路よりも短くなるので、給電回路30が基本波に対し開放状態とならない。それにより、出力整合回路60の電力損失の増大やトランジスタTrの出力インピーダンスの変動が生じてしまう。
【0010】
また、インダクタL2を50Ω線路よりも高いインピーダンスを持つ伝送線路で形成した場合、例えば、インダクタL2の伝送線路の幅を狭くした場合には、給電回路30が基本波に与える影響を小さくすることができる。しかし、伝送線路の幅を狭くすることによって、インダクタL2が有している抵抗成分が増大し、DC電源32からの電力損失を生じさせる。その結果、高周波電力増幅器600の電力効率が低下してしまう。さらに、インダクタL2による電圧降下が大きくなるので、トランジスタTrの動作時の電圧振幅が制限され、高周波電力増幅器600の線形動作を妨げ、歪成分が増大するという問題が生じる。線形動作はデジタル変調方式において重要である。高周波電力増幅器600がデジタル変調方式用である場合には、歪成分の増大は高周波電力増幅器600の性能を大きく低下させる原因となる。
【0011】
このような問題を解決するために、図11に示した高周波電力増幅器700が提案されている。高周波電力増幅器700が備える出力整合回路60は、キャパシタC5およびインダクタL4から成る並列共振回路70を有する。並列共振回路70の共振周波数を基本波の周波数(例えば、f0とする)に設定することにより、ノード50からみた給電回路32のインピーダンスが大きくなる。この時のキャパシタC5の容量C5とインダクタL4のインダクタンスL4と基本波の角周波数ω0(=2πf0)との関係は式1で表される。
L4=1/(ω0 2*C5) (式1)
L4の値はC5の値を大きくすることにより小さく設定できるので、インダクタL4は小型のインダクタを使用することができる。インダクタL2も共振回路の効果により大きなインダクタンスを持たせる必要がない。これにより、給電回路32が基本波整合回路20に影響を与えることなく、インダクタL2の長さをλ/4線路よりも短くすることができる。インダクタL4が小型で、かつ、インダクタL2の長さがλ/4線路よりも短いので、高周波電力増幅器700は、高周波電力増幅器600よりも小型化され、かつ、直流電流の損失を低減することができる。
【0012】
しかし、高周波電力増幅器700において、給電回路30では二次高調波を短絡させることができない。出力信号から二次高調波を除くためには、高調波整合回路40は二次高調波用の整合回路にしなければならない。その結果、高周波電力増幅器700は、三次高調波以上の高次高調波を整合することができない。よって、図10に示す高周波電力増幅器600と同様に三次高調波まで調整する場合には、高周波電力増幅器700に他の高調波整合回路を追加する必要がある。これは、部品点数を増大させ、小型化の要求に反する。さらに、他の高調波整合回路を付加することによって、基本波の損失の原因となるおそれもある。
【0013】
そこで、本発明の目的は、高い電力効率を有しつつ二次以上の高次高調波を整合することができ、尚且つ、従来よりも小型化された高周波電力増幅器を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明に従った実施の形態による高周波電力増幅器は、高周波信号を入力し該高周波信号を増幅して出力するトランジスタと、前記トランジスタの出力に一端が接続され、増幅された前記高周波信号のうち少なくとも基本波のインピーダンスを整合して他端から出力する基本波整合回路と、前記トランジスタの出力から前記基本波整合回路までの間にあるノードから前記トランジスタへ電力を供給する電源と、前記電源に一端が接続された第1のインダクタと、前記第1のインダクタの他端と前記ノードとの間に直列に接続された第2のインダクタと、前記第1のインダクタと前記第2のインダクタとの間に一端が接続され、他端が基準電位に接続され、前記第2のインダクタと第1の直列共振回路を成し、尚且つ、前記第1のインダクタと並列共振回路を成す第1のキャパシタとを備えている。
【0015】
好ましくは、前記第1の直列共振回路と前記基本波整合回路とは、前記ノードと前記基準電圧との間に互いに並列に接続されている。
【0016】
好ましくは、前記第1のインダクタおよび前記第2のインダクタのそれぞれのインダクタンスの比が約(n2―1):1(nは整数)であり、かつ、前記第1のインダクタおよび前記第2のインダクタを形成する伝送線路の長さの和が基本波の波長の8分の1以下である。
【0017】
好ましくは、前記第1のインダクタおよび前記第2のインダクタは互いに一体形成された伝送線路であり、前記第1のインダクタおよび前記第2のインダクタのそれぞれのインダクタンスの比は、該第1のインダクタおよび該第2のインダクタのそれぞれの伝送線路の長さの比によって決定されている。
【0018】
好ましくは、当該高周波電力増幅器は、前記第2のインダクタと前記ノードとの間に直列に接続され、前記第2のインダクタおよび前記第1のキャパシタと共に前記第1の直列共振回路を成す第3のインダクタと、前記第2のインダクタと前記第3のインダクタとの間に一端が接続され、他端が前記基準電位に接続され、前記第3のインダクタと第2の直列共振回路を成し、尚且つ、前記第1のキャパシタおよび前記第1のインダクタと並列共振回路を成す第2のキャパシタとをさらに備えている。
【0019】
好ましくは、前記第1のインダクタ、前記第2のインダクタおよび前記第3のインダクタは互いに一体形成された伝送線路であり、前記第1のインダクタ、前記第2のインダクタおよび前記第3のインダクタのそれぞれのインダクタンスの比は、該第1のインダクタ、該第2のインダクタおよび該第3のインダクタのそれぞれの伝送線路の長さの比によって決定される。
【0020】
本発明に従った他の実施の形態による高周波電力増幅器は、高周波信号を入力し該高周波信号を増幅して出力するトランジスタと、前記トランジスタの出力に一端が接続され、増幅された前記高周波信号のうち少なくとも基本波のインピーダンスを整合して他端から出力する基本波整合回路と、前記トランジスタの出力から前記基本波整合回路までの間にあるノードから前記トランジスタへ電力を供給する電源と、前記電源に一端が接続された第1のインダクタと、前記第1のインダクタの他端と前記ノードとの間に直列に接続された第2のインダクタと、一端が前記ノードに接続された第3のインダクタと、一端が前記第3のインダクタの他端に接続され、他端が前記基準電位に接続され、前記第3のインダクタと第1の直列共振回路を成し、尚且つ、前記第1のインダクタと並列共振回路を成す第1のキャパシタとを備えている。
【0021】
本発明に従ったさらに他の実施の形態による高周波電力増幅器は、高周波信号を入力し該高周波信号を増幅して出力するトランジスタと、前記トランジスタの出力に一端が接続され、増幅された前記高周波信号のうち少なくとも基本波のインピーダンスを整合して他端から出力する基本波整合回路と、前記トランジスタの出力から前記基本波整合回路までの間にあるノードから前記トランジスタへ電力を供給する電源と、前記電源に一端が接続された第1のインダクタと、前記第1のインダクタの他端と前記ノードとの間に直列に接続された第2のインダクタと、一端が前記トランジスタの出力に接続された第3のインダクタと、一端が前記第3のインダクタの他端に接続され、他端が前記基準電位に接続され、前記第3のインダクタと第1の直列共振回路を成し、尚且つ、前記第1のインダクタと並列共振回路を成す第1のキャパシタとを備えている。
好ましくは、前記第1のインダクタおよび前記第2のインダクタの長さの和は、基本波の波長の8分の1以下である。
【0022】
好ましくは、当該高周波電力増幅器は、一端が前記第1のインダクタと前記第2のインダクタとの間に接続され、他端が前記基準電位に接続され、前記第2のインダクタと第2の直列共振回路を成し、尚且つ、前記第1のキャパシタおよび前記第1のインダクタと並列共振回路を成す第2のキャパシタとをさらに備えている。
【0023】
好ましくは、前記第1のインダクタ、前記第2のインダクタおよび前記第3のインダクタは互いに一体形成された伝送線路であり、前記第1のインダクタ、前記第2のインダクタおよび前記第3のインダクタのそれぞれのインダクタンスの比は、該第1のインダクタ、該第2のインダクタおよび該第3のインダクタのそれぞれの伝送線路の長さの比によって決定される。
【0024】
好ましくは、前記伝送線路はストリップラインまたはマイクロストリップラインである。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明による実施の形態を説明する。尚、本実施の形態は本発明を限定するものではない。
【0026】
図1は、本発明に係る第1の実施の形態に従った高周波電力増幅器100の回路図である。高周波電力増幅器100は、高周波信号を入力し該高周波信号を増幅して出力する半導体チップ110およびその出力パッドに複数の金ワイヤ105によって接続された出力整合回路160を備えている。本実施の形態によれば、半導体チップ110は、GaAs基板にヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)(以下、単に、トランジスタという)Trを搭載している。
【0027】
尚、半導体チップ110の入力パッドには、トランジスタTrのベースにバイアスを供給するバイアス供給回路(図示せず)および入力側のインピーダンス整合を行う入力整合回路(図示せず)が接続されている。
【0028】
出力整合回路160は、増幅された高周波信号のインピーダンスを整合して出力する基本波整合回路120、および、トランジスタTrに電力を供給するDC電源132を有する給電回路130を備えている。出力整合回路160を含む高周波電力増幅器100は、モジュール化されており、誘電体基板(例えば、アルミナで形成されたセラミクス基板)上に形成されている。
【0029】
基本波整合回路120は、インダクタL10およびキャパシタC10を有する。インダクタL10は、トランジスタTrの出力に一端が接続され、基本波信号(波長λとする)をインピーダンス整合して他端から出力する。一般に、基本波信号は50Ωに整合される。キャパシタC10はインダクタL10の他端とグランドとの間に接続されており、キャパシタC10およびインダクタL10によってインピーダンス整合をとると共に、ローパスフィルタの役目も果たしている。尚、以下に記載する実施の形態においては、基準電位としてグランドを採用しているが、他の定電位を採用しても差し支えない。
【0030】
インダクタL10の他端と高周波電力増幅器100の出力との間には、直流電流を遮断するためのキャパシタ(DCブロッキングコンデンサ)C40が接続されている。キャパシタC10、インダクタL10およびキャパシタC40によって、特定の周波数帯域の高周波信号が出力整合回路160から出力される。
【0031】
半導体チップ110からの基本波信号は、基本波整合回路120によってインピーダンス整合され、キャパシタC40を介して高周波電力増幅器100から出力される。
【0032】
給電回路130は、半導体チップ110の出力パッドと基本波整合回路120との間にあるノード150に接続されている。給電回路130は、DC電源132、インダクタL20、インダクタL30、キャパシタC20およびキャパシタC30を有する。
【0033】
インダクタL20は、その一端がDC電源132に接続されており、他端がインダクタL30の一端と接続されている。インダクタL30の他端はノード150と接続されている。即ち、インダクタL20およびインダクタL30は、DC電源132とノード150との間に互いに直列に接続されている。インダクタL20はDC電源132に接続され、インダクタL30はノード150に接続されている。
【0034】
キャパシタC20は、インダクタL20の一端とグランドとの間に接続され、高周波を接地するデカップリングコンデンサである。キャパシタC30は、その一端がインダクタL20とインダクタL30との間に接続され、その他端がグランドへ接続されている。
【0035】
図1に示した回路において、インダクタL20およびインダクタL30は二つの別個の伝送線路になっている。しかし、好ましくは、インダクタL20およびインダクタL30は互いに一体形成された伝送線路L35である。この場合、キャパシタC30が伝送線路L35の途中に接続されることによって、伝送線路L35をインダクタL20およびインダクタL30に分離する。従って、伝送線路L35にキャパシタC30を接続する位置によって、インダクタL20およびインダクタL30のインダクタンスが決定される。さらに、伝送線路L35が同一の幅に形成されている場合には、インダクタL20およびインダクタL30のインダクタンスはそれぞれの伝送線路の長さによって決定される。それにより、インダクタL20およびインダクタL30の設計が容易になる。
【0036】
本実施の形態によれば、インダクタL10、L20、L30は、誘電体基板上に形成された伝送線路であり、例えば、ストリップラインまたはマイクロストリップラインである。これらの伝送線路は、誘電体としてアルミナを用いた誘電体基板の場合、誘電体基板の厚みとほぼ同じ幅を有することによって、特性インピーダンスを約50Ωに設定をすることができる。また、キャパシタC10、C20、C30は、底辺が0.5mm×1mmかつ厚みが0.5mmのチップ部品または底辺が0.3mm×0.6mmかつ厚みが0.3mmのチップ部品を誘電体基板上に実装することにより形成される。
【0037】
インダクタL20およびキャパシタC30は並列共振回路170を成す。並列共振回路170の並列共振周波数は基本波の周波数に設定されている。このように並列共振回路170を設定することによって、基本波に対するノード150からみた給電回路130のインピーダンスが大きくなる。換言すると、並列共振回路170の効果により、基本波にとって給電回路130は開放状態となる。その結果、給電回路130は基本波整合回路20への基本波に影響を与えない。
【0038】
インダクタL20のインダクタンスL2の大きさは、並列共振状態、つまり、ノード150からみた基本波の周波数においてインピーダンスが開放(無限大)になることより決定すればよい。例えば、基本波の角周波数ω1(=2π*f1:ここでf1は基本波の周波数)、インダクタンスL2および容量C3の関係は式2であらわされる。
L2=1/(ω1 2*C3) (式2)
キャパシタC30の容量として、チップ部品で使用可能な適当な容量C3を選択すれば、インダクタL20は式2に基づいて適切に決定され得る。
【0039】
また、インダクタL30およびキャパシタC30は、ノード150とグランドとの間に直列に接続され、高調波整合回路140を成している。高調波整合回路140は、n次高調波の周波数と共振するように設定された直列共振回路である。高調波整合回路140によって、インダクタL30およびキャパシタC30は半導体チップ110から出力された高周波信号からn次高調波を短絡している。
【0040】
インダクタL30のインダクタンスL3およびキャパシタC30の容量C3の大きさは、高調波の周波数により決定すればよい。例えば、n次高調波を短絡する場合、n次高調波の角周波数ωn、インダクタンスL3および容量C3の関係は式3であらわされる。尚、ωn=n*ω1であり、nは整数である。
L3=1/((n2−1)*ω1 2*C3) (式3)
キャパシタC30は、高調波整合回路140および並列共振回路170の両方に共用されている。従って、容量C3は既に式2によって決定されているので、式3に基づいてインダクタンスL3は適切に決定され得る。
【0041】
例えば、二次高調波を短絡する場合、n=2として式2、式3を満たすように各容量、インダクタンスを決定すればよい。この時、まずキャパシタC30の容量としてはチップ部品として使用可能な容量、例えば、数pFを選択する。容量値が大きいほど、L2の値は小さくなるので適当な容量値を選択することで、インダクタL20の長さを短く設定することができる。インダクタL30の長さはインダクタL20の長さの式2、式3からわかるように(n2−1)分の1であるので、全体としてもλ/4線路よりも短くし得る。
【0042】
このように本実施の形態は、高調波整合回路140および並列共振回路170の両方を備えている。並列共振回路170によって伝送線路L35の長さがλ/4線路より短くても基本波に対して充分に高いインピーダンスを得ることができ、尚且つ、高調波整合回路140によってn次高調波を短絡することができる。
【0043】
インダクタL20およびインダクタL30の長さの和、即ち、一体形成された伝送線路L35の長さは、適当なキャパシタC30の容量を選択することにより、基本波の波長λの約1/8から約1/12の長さにし得る。従って、本実施の形態によれば、伝送線路L35の長さをλ/4線路の約1/2から1/3にすることができる。これにより、高周波電力増幅器100は従来よりも小型化され得る。
【0044】
伝送線路L35の長さがλ/4線路の約1/2から1/3であるので、伝送線路L35の抵抗成分はλ/4線路の抵抗成分よりも約1/2から1/3に低減する。これにより、DC電源132からの直流電流の損失が低減され、その結果、トランジスタTrに高効率で電流を供給することができる。また、トランジスタTrからの高周波信号の電圧振幅がより大きくなり、その結果、歪成分が減少し、良好な線形動作を得ることができる。
【0045】
以上述べてきた効果は、伝送線路L35の長さが小さいほど顕著となる。特に明らかな効果として現れる長さは、伝送線路L35の長さがλ/4線路の1/2以下の時であった。
【0046】
一方、キャパシタC30のチップ部品の持つ寄生抵抗や、インダクタL20の寄生抵抗成分の影響で、並列共振回路170の特性はインダクタL20を短くするにつれて、共振時に大きなインピーダンスを実現できなくなる。その結果、基本波信号に対して給電回路130が無視できなくなり、損失が発生し、あるいは、基本波整合回路120に対し影響を与えるため、性能が劣化する。この効果が現れるのは、伝送線路L35の長さがλ/4線路の1/3よりも短い領域であった。そのため、少なくとも伝送線路L35の長さはλ/4線路の1/3程度以上に大きく設定した方が好ましい。しかし、この性能の劣化の程度は周波数依存性が見られることから、特に最低の長さを限定するものでない。
【0047】
高調波整合回路140は、例えば、二次高調波の周波数で共振し、並列共振回路170は基本波の周波数で共振する。式2、式3から導かれるように、インダクタL20とインダクタL30のインダクタンスの比は約3:1である。本実施の形態によれば、伝送線路L35が約3:1に分離される位置にキャパシタC30を接続すればよい。高調波整合回路140がn次高調波の周波数で共振する場合には、インダクタL20とインダクタL30のインダクタンスの比は(n2−1):1(nは整数)である。
【0048】
尚、実際の回路では、キャパシタC30のチップ部品の持つ寄生インダクタンスや金ワイヤ105の持つインダクタンス成分が存在するため、インダクタL30に必要なインダクタンスは小さくなる。そのため、実際の回路では、比は(n2−1):1よりも大きくなる場合がある。
【0049】
従来の高周波電力増幅器600、700においては、高調波整合回路40を別個に設ける必要があったが、本実施の形態によれば、給電回路130内に組み込まれたインダクタL30およびキャパシタC30によって、高調波整合回路140が形成されている。よって、本実施の形態は、高調波整合回路40を別個の部品または別個の回路として新たに設ける必要がない。よって、出力整合回路160は従来よりも小型のモジュールになり、その結果、高周波電力増幅器100は小型化され得る。
【0050】
高周波電力増幅器100は次のように動作する。トランジスタTrによって増幅された高周波信号(図示せず)は出力パッドから金ワイヤ105を通して出力合成回路160へ送信される。この高周波信号は、基本波だけでなく、基本波の二倍波、三倍波およびそれ以上の高次高調波を含む。このような高調波は外部に洩れた場合、他の無線システムの妨害電波となるため、高周波信号から高調波成分を除去する必要がある。
【0051】
高調波整合回路140は、インダクタL30およびキャパシタC30から成る直列共振回路であるので、ノード150において、二倍波、即ち、二次高調波を短絡させ、高周波信号から二次高調波を除去する。インダクタL20およびキャパシタC30から成る並列共振回路170は、ノード150における基本波に対して給電回路130が無視できるほど大きなインピーダンスを有する。よって、基本波は給電回路130の影響を受けることなく基本波整合回路120へ進むことができる。これにより、本実施の形態によれば、基本波成分に影響を与えることなく高調波成分を減少させた高周波信号を基本波整合回路120へ送ることができる。
【0052】
基本波整合回路120は、高周波信号を所定のインピーダンスに整合して出力する。このとき、高周波信号はインダクタL10およびキャパシタC10によりフィルタリングされ、直流電流はキャパシタC40により阻止される。
【0053】
図2は、特開平11−127045号公報に掲載された高周波用電力増幅器と実質的に等価な高周波電力増幅器800の回路図である。高周波電力増幅器100は、一見、高周波電力増幅器800に類似する。
【0054】
しかし、高周波電力増幅器800の伝送線路L2はλ/4線路である。伝送線路L2がλ/4未満である場合には、「基本周波数のインピーダンスから見て無視できずに影響を与える」ことが明記されている。また、キャパシタC3は、高調波整合回路40の要素として用いられているのみである。
【0055】
一方で、高周波電力増幅器100の伝送線路35は、λ/4線路の約1/2から1/3である。また、キャパシタC30は、高調波整合回路140および並列共振回路170の要素として共用されている。
【0056】
伝送線路35がλ/4線路の約1/2から1/3であることによって、上述のとおりの効果が得られる。また、伝送線路35がλ/4線路の約1/2から1/3であっても、インダクタL20およびキャパシタC30が並列共振回路170を成すので、基本波は給電回路130による影響を受けない。
【0057】
図3は、高周波電力増幅器100および高周波電力増幅器800のそれぞれの一次隣接チャネル漏洩電力(ACPR1)および消費電流(Ic)を比較したグラフである。横軸は、出力電力(Pout)を示す。
【0058】
このグラフは、高周波電力増幅器100および高周波電力増幅器800を900MHz帯のIS−95(Interim Standard−95)信号用の電力増幅器として形成した場合の結果を示す。高周波電力増幅器800の伝送線路L2の長さは約32mmであった。キャパシタC3の容量は7pF、インダクタL2aの長さは約1.5mmであった。
【0059】
一方、高周波電力増幅器100のキャパシタC30の容量は6pF、インダクタL30の長さは約2.3mm、インダクタL20の長さは約9.2mmとした。長さの比が1:3と異なるのは、キャパシタC30のチップ部品と金ワイヤ105のインダクタンス成分の影響でインダクタL30の長さが小さくなったためである。これにより、給電回路130の基本波に対するインピーダンスを約1kΩにすることができ、二次高調波に対するインピーダンスをほぼゼロ(短絡状態)にすることができた。
【0060】
一般に、IS−95においては、一次隣接チャネル漏洩電力(ACPR1)が−50dBc以下を確保することが好ましい。図3に示すように、ACPR1が−50dBc以下の場合における最大の出力電力は、高周波電力増幅器100および高周波電力増幅器800ともに約27.5dBmである。
【0061】
出力電力が約27.5dBmの場合における消費電流(トランジスタTrのコレクタ電流Ic)を比較すると、高周波電力増幅器100は、高周波電力増幅器800に対して約10mA低い。即ち、高周波電力増幅器100は、高周波電力増幅器800と比較して消費電流が少なく、効率が良いことがわかる。
【0062】
図4は、特開平4−77009号公報に掲載された増幅回路と実質的に等価な高周波電力増幅器900の回路図である。高周波電力増幅器900は、高調波整合回路40および並列共振回路70に共用されているキャパシタC3を有する。
【0063】
しかし、高周波電力増幅器900のインダクタンスL2aは、半導体チップ10と基本波整合回路20との間に直列に接続されている。即ち、基本波整合回路20は、直列共振回路を成すインダクタンスL2aとキャパシタC3との中間に接続されている。従って、高調波(例えば、二次高調波)は、インダクタンスL2aとキャパシタC3との共振によって短絡する前に、基本波整合回路20へ漏洩してしまう。
【0064】
一方で、図1に示す高周波電力増幅器100において、インダクタL10およびキャパシタC10とインダクタL30およびキャパシタC30とは、ノード150とグランドとの間に互いに並列に接続されている。よって、高調波(例えば、二次高調波)はインダクタL30およびキャパシタC30から成る直列共振回路によって短絡し、基本波整合回路120へ漏洩しない。
【0065】
図5は、高周波電力増幅器100および高周波電力増幅器900のそれぞれの二次高調波の出力を比較したグラフである。このグラフから高周波電力増幅器100は高周波電力増幅器900に比べ約8dBcだけ二次高調波の出力が低減している。dBcは基本波出力に対するdB値を示す。−8dBcは、約84%減に相当する。即ち、高周波電力増幅器100は、基本波整合回路120への二次高調波の漏洩が高周波電力増幅器900に比べ約84%少ないことがわかる。尚、このグラフは、出力電力が27.5dBmの時の二次高調波の出力を示している。
【0066】
図6は、本発明に係る第2の実施の形態に従った高周波電力増幅器200の回路図である。本実施の形態によれば、キャパシタC30が無く、インダクタL21およびキャパシタC21がノード150からグランドへ直列に接続されている点で第1の実施の形態と異なる。
【0067】
本実施の形態において、インダクタL21およびキャパシタC21が、高調波整合回路240を構成し、直列共振回路を成すことによって二次高調波を短絡させる。また、インダクタL11およびキャパシタC21が並列共振回路270を成し、ノード150における基本波の給電回路230に対するインピーダンスが大きくなっている。
【0068】
インダクタL11およびキャパシタC21は、基本波の周波数に共振するように設定される。
【0069】
より詳細には、インダクタL21のインダクタンスL21およびキャパシタC21の容量C21の大きさは、高調波の周波数により決定すればよい。例えば、n次高調波を短絡する場合、n次高調波の角周波数ωn、インダクタンスL21および容量C21の関係は式4で表される。
L21=1/(n2*ω1 2*C21) (式4)
尚、ωn=n*ω1であり、ω1は基本波の角周波数である。
【0070】
キャパシタC21の容量として、チップ部品で使用可能な適当な容量C21を選択すれば、インダクタL21は式4に基づいて適切に決定され得る。
【0071】
また、インダクタL11のインダクタンスL11の大きさは、ノード150から給電回路230をみた基本波の周波数におけるインピーダンスが無限大(開放)になることより決定すればよい。例えば、基本波の角周波数ω1、インダクタンスL11および容量C21の関係は式5であらわされる。
L11=(n2−1)/(n2*ω1 2*C21) (式5)
キャパシタC21は、高調波整合回路140および並列共振回路170の両方に共用されている。従って、容量C21は既に式4によって決定されているので、式5に基づいてインダクタンスL21は適切に決定され得る。
【0072】
例えば、二次高調波を短絡する場合、n=2として式4、式5を満たすように各容量、インダクタンスを決定すればよい。このとき、キャパシタC21の容量は、チップ部品として使用可能な容量、例えば、数pFを選択する。キャパシタC21の容量値が大きいほど、インダクタL11の値は小さくなるので適当な容量値を選択することで、インダクタL11の長さを短く設定することができる。式4、式5から、インダクタL21の長さはインダクタL11の長さの(n2−1)分の1であるので、全体としても短くすることができる。
【0073】
さらに、式2、式3と式4、式5とを比較すると、図1に示した形態のインダクタL35の大きさに対し、本実施の形態では(n2−1)/n2に小さくなっている。従って、高調波整合回路240の付加による回路面積の増大にも関わらず、給電回路230全体の面積は、図1に示した形態に比べてさほど増加しない。
【0074】
本実施の形態によれば、高調波整合回路240および並列共振回路270の両方を備えている。並列共振回路170によって伝送線路L11の長さがλ/4線路より短くても基本波に対して充分に高いインピーダンスを得ることができ、尚且つ、高調波整合回路240によってn次高調波を短絡することができる。さらに、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【0075】
図7は、本発明に係る第3の実施の形態に従った高周波電力増幅器300の回路図である。本実施の形態は、ノード150からグランドへ直列に接続されたインダクタL22およびキャパシタC22が追加されている点で第1の実施の形態と異なる。インダクタL22およびキャパシタC22は、第2の高調波整合回路342として、直列共振回路を成す。第2の高調波整合回路342は、第1の高調波整合回路340によって整合できないより高次の高調波を整合することができる。例えば、第1の高調波整合回路340は二次高調波を短絡し、第2の高調波整合回路340は三次高調波を短絡する。それによって、高調波成分が第1の実施の形態よりも少ない高周波信号を出力することができる。
【0076】
より詳細には、900MHz帯の基本波を用いる場合、インダクタL22を約2.0mmに設定し、キャパシタC22を3pFに設定することにより、三次高調波のインピーダンスを短絡状態にすることができる。
【0077】
本実施の形態によれば、並列共振回路370は、インダクタL20およびキャパシタC30だけでなく、キャパシタC22をも含む。即ち、インダクタL20とキャパシタC30、C22とが並列共振回路370を形成することによって、給電回路330の基本波におけるインピーダンスを大きくしている。
【0078】
インダクタL30、L22の大きさとキャパシタC30、C22の大きさは互いに依存している。従って、高周波電力増幅器300の設計は第1の実施の形態よりも複雑になる。しかし、最近のシミュレーション技術の向上により、トランジスタTrからみた給電回路330のインピーダンスを予め予想することは困難ではなくなっている。従って、ノード150における基本波に対する給電回路330のインピーダンスが第1の実施の形態と同程度になるように、インダクタL30、L22、キャパシタC30、C22の定数を見つけることは困難ではない。
【0079】
本実施の形態によれば、第2の高調波整合回路342により、第1の実施の形態よりも高調波成分の少ない高周波信号を出力することができる。本実施の形態によれば、第1の実施の形態よりも構成要素の数が多いものの、並列共振回路370が採用されているので、インダクタL20、L30を含む伝送線路L35の長さはλ/4線路の半分以下である。よって、本実施の形態は、第1の実施の形態と同様に小型化できる。また、本実施の形態は、消費電流が少なく、電力効率が良い。
【0080】
第2の高調波整合回路342と並列して、ノード150とグランドとの間にさらに追加の直列共振回路(図示せず)を設けてもよい。それによって、三次以上の高調波をも短絡することができる。
【0081】
図8は、本発明に係る第4の実施の形態に従った高周波電力増幅器400の回路図である。本実施の形態によれば、給電回路430内において、一体形成された伝送線路L36の途中に複数のキャパシタC24およびC25が接続されている。それによって、伝送線路L36をインダクタL23、L24およびL25の3つに分離している。
【0082】
第1の実施の形態によれば、単一のキャパシタC30が伝送線路L35の途中に接続されていた。従って、第1の実施の形態は、単一の高調波整合回路140を備えていた(図1参照)。しかし、本実施の形態によれば、インダクタL25およびキャパシタC25が第1の高調波整合回路440として直列共振回路を成し、インダクタL25、L24およびキャパシタC24が第2の高調波整合回路442として直列共振回路を成している。さらに、キャパシタC24、C25およびインダクタL23は並列共振回路470を成している。
【0083】
第3の実施の形態によれば、第2の高調波整合回路342を形成するために、伝送線路L35とは別にインダクタL22用の伝送線路を設ける必要があった(図7参照)。しかし、本実施の形態によれば、伝送線路L36の一部を第2の高調波整合回路442として用いているので、伝送線路L36と別に伝送線路を形成する必要がない。
【0084】
本実施の形態による高周波電力増幅回路400は、第1の高調波整合回路440および第2の高調波整合回路442によって、二次高調波および三次高調波を短絡させることができる。本実施の形態は並列共振回路470を用いているので、給電線全体の長さはλ/4線路の半分以下になっている。よって、高周波電力増幅回路400は従来より小型化され得る。さらに、高周波電力増幅回路400は伝送線路L36の他に伝送線路を設ける必要がないので、第3の実施の形態よりも小型化できる。また、本実施の形態は、第3の実施の形態よりもさらに電力効率が良い。
【0085】
本実施の形態は、二次高調波および三次高調波の高調波整合回路を備えている。しかし、キャパシタC24、C25と同様にさらに追加のキャパシタを伝送線路36に接続することによって、より高次の高調波を短絡状態にすることができる。この場合も、基本波における並列共振回路が実現されるように、インダクタおよびキャパシタの定数を調節すればよい。
【0086】
図9は、本発明に係る第5の実施の形態に従った高周波電力増幅器500の回路図である。本実施の形態は第2の高調波整合回路542が、ノード150に接続されることなく、金ワイヤ106によって半導体チップ110の出力パッドに直接接続されている。他の構成は第3の実施の形態と同様である。
【0087】
第3の実施の形態によれば、第2の高調波整合回路342はノード150に接続されていたので、出力パッドからノード150までのインダクタンスによって、三次高調波を完全に短絡することはできなかった。これは、出力パッドからノード150までのインダクタンスが、図4に示したインダクタL2aと同様に作用するからである。
【0088】
本実施の形態によれば、出力パッドから金ワイヤ106を介してインダクタL22までのインダクタンスが第2の高調波整合回路542のインダクタンス成分に含まれる。よって、三次高調波を第3の実施の形態よりも完全に短絡することができる。
【0089】
直列共振回路が複数ある場合には、総ての直列共振回路をノード150ではなく、トランジスタTrの出力パッドに直接接続することで、三次高調波だけでなく、二次高調波や四次以上の高調波をもより完全に短絡することができる。
【0090】
【発明の効果】
本発明に従った高周波電力増幅器は、高い電力効率を有しつつ二次以上の高次高調波を整合することができ、尚且つ、従来よりも小型化され得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1の実施の形態に従った高周波電力増幅器100の回路図。
【図2】特開平11−127045号公報に掲載された高周波用電力増幅器と実質的に等価な高周波電力増幅器800の回路図。
【図3】高周波電力増幅器100および高周波電力増幅器800のそれぞれのACPR1およびIcのグラフ。
【図4】特開平4−77009号公報に掲載された増幅回路と実質的に等価な高周波電力増幅器900の回路図。
【図5】高周波電力増幅器100および高周波電力増幅器900のそれぞれの二次高調波の出力を比較したグラフ。
【図6】本発明に係る第2の実施の形態に従った高周波電力増幅器200の回路図。
【図7】本発明に係る第3の実施の形態に従った高周波電力増幅器300の回路図。
【図8】本発明に係る第4の実施の形態に従った高周波電力増幅器400の回路図。
【図9】本発明に係る第5の実施の形態に従った高周波電力増幅器500の回路図。
【図10】従来の典型的な高周波電力増幅器600の回路図。
【図11】従来型の高周波電力増幅器700の回路図。
【符号の説明】
100、200、300、400、500 高周波電力増幅器
110 半導体チップ
Tr トランジスタ
120 基本波整合回路
130 給電回路
132 DC電源
140 高調波整合回路
150 ノード
160 出力整合回路
170 並列共振回路
L10、L20、L30、L35 インダクタ
C10、C20、C30、C40 キャパシタ
Claims (12)
- 高周波信号を入力し該高周波信号を増幅して出力するトランジスタと、
前記トランジスタの出力に一端が接続され、増幅された前記高周波信号のうち少なくとも基本波のインピーダンスを整合して他端から出力する基本波整合回路と、
前記トランジスタの出力から前記基本波整合回路までの間にあるノードから前記トランジスタへ電力を供給する電源と、
前記電源に一端が接続された第1のインダクタと、
前記第1のインダクタの他端と前記ノードとの間に直列に接続された第2のインダクタと、
前記第1のインダクタと前記第2のインダクタとの間に一端が接続され、他端が基準電位に接続され、前記第2のインダクタと第1の直列共振回路を成し、尚且つ、前記第1のインダクタと並列共振回路を成す第1のキャパシタとを備えた高周波電力増幅器。 - 前記第1の直列共振回路と前記基本波整合回路とは、前記ノードと前記基準電圧との間に互いに並列に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の高周波電力増幅器。
- 前記第1のインダクタおよび前記第2のインダクタのそれぞれのインダクタンスの比が約(n2―1):1(nは整数)であり、かつ、前記第1のインダクタおよび前記第2のインダクタを形成する伝送線路の長さの和が基本波の波長の8分の1以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の高周波電力増幅器。
- 前記第1のインダクタおよび前記第2のインダクタは互いに一体形成された伝送線路であり、
前記第1のインダクタおよび前記第2のインダクタのそれぞれのインダクタンスの比は、該第1のインダクタおよび該第2のインダクタのそれぞれの伝送線路の長さの比によって決定されていることを特徴とする請求項1から請求項3に記載の高周波電力増幅器。 - 前記第2のインダクタと前記ノードとの間に直列に接続され、前記第2のインダクタおよび前記第1のキャパシタと共に前記第1の直列共振回路を成す第3のインダクタと、
前記第2のインダクタと前記第3のインダクタとの間に一端が接続され、他端が前記基準電位に接続され、前記第3のインダクタと第2の直列共振回路を成し、尚且つ、前記第1のキャパシタおよび前記第1のインダクタと並列共振回路を成す第2のキャパシタとをさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の高周波電力増幅器。 - 前記第1のインダクタ、前記第2のインダクタおよび前記第3のインダクタは互いに一体形成された伝送線路であり、
前記第1のインダクタ、前記第2のインダクタおよび前記第3のインダクタのそれぞれのインダクタンスの比は、該第1のインダクタ、該第2のインダクタおよび該第3のインダクタのそれぞれの伝送線路の長さの比によって決定されることを特徴とする請求項5に記載の高周波電力増幅器。 - 高周波信号を入力し該高周波信号を増幅して出力するトランジスタと、
前記トランジスタの出力に一端が接続され、増幅された前記高周波信号のうち少なくとも基本波のインピーダンスを整合して他端から出力する基本波整合回路と、
前記トランジスタの出力から前記基本波整合回路までの間にあるノードから前記トランジスタへ電力を供給する電源と、
前記電源に一端が接続された第1のインダクタと、
前記第1のインダクタの他端と前記ノードとの間に直列に接続された第2のインダクタと、
一端が前記ノードに接続された第3のインダクタと、
一端が前記第3のインダクタの他端に接続され、他端が前記基準電位に接続され、前記第3のインダクタと第1の直列共振回路を成し、尚且つ、前記第1のインダクタと並列共振回路を成す第1のキャパシタとを備えた高周波電力増幅器。 - 高周波信号を入力し該高周波信号を増幅して出力するトランジスタと、
前記トランジスタの出力に一端が接続され、増幅された前記高周波信号のうち少なくとも基本波のインピーダンスを整合して他端から出力する基本波整合回路と、
前記トランジスタの出力から前記基本波整合回路までの間にあるノードから前記トランジスタへ電力を供給する電源と、
前記電源に一端が接続された第1のインダクタと、
前記第1のインダクタの他端と前記ノードとの間に直列に接続された第2のインダクタと、
一端が前記トランジスタの出力に接続された第3のインダクタと、
一端が前記第3のインダクタの他端に接続され、他端が前記基準電位に接続され、前記第3のインダクタと第1の直列共振回路を成し、尚且つ、前記第1のインダクタと並列共振回路を成す第1のキャパシタとを備えた高周波電力増幅器。 - 前記第1のインダクタおよび前記第2のインダクタの長さの和は、基本波の波長の8分の1以下であることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の高周波電力増幅器。
- 一端が前記第1のインダクタと前記第2のインダクタとの間に接続され、他端が前記基準電位に接続され、前記第2のインダクタと第2の直列共振回路を成し、尚且つ、前記第1のキャパシタおよび前記第1のインダクタと並列共振回路を成す第2のキャパシタとをさらに備えた請求項7または請求項8に記載の高周波電力増幅器。
- 前記第1のインダクタ、前記第2のインダクタおよび前記第3のインダクタは互いに一体形成された伝送線路であり、
前記第1のインダクタ、前記第2のインダクタおよび前記第3のインダクタのそれぞれのインダクタンスの比は、該第1のインダクタ、該第2のインダクタおよび該第3のインダクタのそれぞれの伝送線路の長さの比によって決定されることを特徴とする請求項7から請求項10のいずれかに記載の高周波電力増幅器。 - 前記伝送線路はストリップラインまたはマイクロストリップラインであることを特徴とする請求項4、請求項6または請求項11のいずれかに記載の高周波電力増幅器。
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