JP2007135015A - Amplifier module, radio transmitting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば無線送信装置の電力増幅器として用いられる増幅器モジュール、無線送信装置に関する。 The present invention relates to an amplifier module used as a power amplifier of a wireless transmission device, for example, and a wireless transmission device.
近年の無線通信システムでは、データ伝送速度を高速化するため、送信する高周波信号の平均電力に比べてピーク電力の大きなOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)方式などの変調方式を用いるようになってきている。このような変調方式は、次世代の携帯電話システムにおける利用が検討されている。 In recent wireless communication systems, in order to increase the data transmission speed, a modulation method such as an OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) method in which the peak power is larger than the average power of a high-frequency signal to be transmitted has been used. . Use of such a modulation method in a next-generation mobile phone system is being studied.
ところで、携帯電話システムなどの無線送信装置は、送信信号を所要の電力レベルまで増幅するための電力増幅器を備えている。電力増幅器を用いて信号を増幅する際には、無線通信システムで規定される値以下に歪み信号電力を抑える必要があり、電力増幅器は、ピーク電力出力時においても線形動作をすることが要求される。これは、信号のピーク電力対平均電力の比が高い信号を増幅する場合、平均動作効率を悪化させる原因となる。その結果、携帯電話等の小型送信装置では、電源としての電池の消耗が激しくなり、通話可能時間が短くなってしまうという問題が生じる。 Incidentally, a wireless transmission device such as a cellular phone system includes a power amplifier for amplifying a transmission signal to a required power level. When amplifying a signal using a power amplifier, it is necessary to suppress the distortion signal power below the value specified by the wireless communication system, and the power amplifier is required to perform a linear operation even at peak power output. The This causes a deterioration in average operating efficiency when a signal having a high ratio of peak power to average power is amplified. As a result, in a small transmission device such as a mobile phone, there is a problem that the battery as a power source is exhausted and the available call time is shortened.
このような電力増幅器の動作効率を向上させる技術の1つとして、非特許文献1に示されるドハティアンプ技術が注目されている。ドハティアンプ技術は、複数の増幅器を並列動作させることにより、ピーク電力対平均電力の比が高い信号を高効率に増幅できる技術である。 As one of the techniques for improving the operation efficiency of such a power amplifier, the Doherty amplifier technique shown in Non-Patent Document 1 has attracted attention. The Doherty amplifier technology is a technology that can efficiently amplify a signal having a high ratio of peak power to average power by operating a plurality of amplifiers in parallel.
一方で、ドハティアンプ技術では、主として伝送線路により構成されるインピーダンス変換器などの特有の付帯回路が必要になるため、回路規模が大きくなるという問題を抱えていた。このことは、送信設備における電力増幅段の小型化を困難にする。そのため、ドハティアンプ技術は、携帯電話基地局の送信設備や放送用送信機等における大型電力増幅器として主に用いられてきた。 On the other hand, the Doherty amplifier technology has a problem that the circuit scale becomes large because a specific incidental circuit such as an impedance converter mainly including a transmission line is required. This makes it difficult to reduce the size of the power amplification stage in the transmission facility. Therefore, the Doherty amplifier technology has been mainly used as a large-sized power amplifier in a transmission facility of a mobile phone base station, a broadcasting transmitter, or the like.
回路規模の増大についての改善策としては、非特許文献2に示されるように前述の付帯回路をMMIC化(Microwave Monolithic IC)したり、付帯回路を集中定数回路によって実現したりすることが検討されている。しかし、ドハティアンプ技術において必要となる付帯回路をMMIC化や集中定数化により実現した場合、寄生抵抗が増加するため損失が増大するという問題がある。すなわち、出力電力レベルが低下して動作効率が悪化するという問題があった。
このように、従来のドハティアンプ技術による増幅器モジュール、無線送信装置では、ドハティアンプ技術の特徴である高効率化を維持しつつ電力増幅段を小型化することが困難であるという問題がある。すなわち、高効率な増幅動作を実現できるドハティアンプ技術を電力増幅器に適用する場合、付帯回路を伝送線路で実現する場合には回路規模が大きくなるという問題が生じ、また、それを解決するために付帯回路をMMIC化や集中定数化をすると、回路の損失が増大し動作効率が悪化するという問題があった。 As described above, in the conventional amplifier module and wireless transmission device using the Doherty amplifier technology, there is a problem that it is difficult to reduce the size of the power amplification stage while maintaining the high efficiency characteristic of the Doherty amplifier technology. In other words, when Doherty amplifier technology that can achieve high-efficiency amplification operation is applied to a power amplifier, there is a problem that the circuit scale becomes large when an auxiliary circuit is realized with a transmission line, and in order to solve it When the auxiliary circuit is made MMIC or lumped constant, there is a problem that the circuit loss increases and the operation efficiency deteriorates.
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、ドハティアンプ技術による高効率動作を維持しつつ電力増幅段を小型化することのできる増幅器モジュール、無線送信装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide an amplifier module and a wireless transmission device capable of reducing the size of the power amplification stage while maintaining high-efficiency operation by Doherty amplifier technology. It is said.
上記した目的を達成するために、本発明の増幅器モジュール、無線送信装置は、誘電体層および導体層を有する基板と、基板の主面上に配置され、入力信号を増幅する第1の増幅部と、誘電体層中に配置され、入力信号の位相を偏移させる第1の伝送線路と、誘電体層中に配置され、第1の増幅部により増幅された信号の位相を偏移させ、かつインピーダンス変換を行う第2の伝送線路と、基板の主面上に配置され、第1の伝送線路により位相が偏移された信号を、入力信号の電力が所定の電力を超えた場合に増幅する第2の増幅部と、基板の主面上に配置され、第2の伝送線路により位相が偏移された信号と第2の増幅部により増幅された信号とを合成する合成部とを具備している。 In order to achieve the above-described object, an amplifier module and a wireless transmission device of the present invention include a substrate having a dielectric layer and a conductor layer, and a first amplification unit that is disposed on the main surface of the substrate and amplifies an input signal. And a first transmission line that is arranged in the dielectric layer and shifts the phase of the input signal, and a phase that is arranged in the dielectric layer and amplified by the first amplification unit is shifted, And a second transmission line that performs impedance conversion and a signal that is arranged on the main surface of the substrate and whose phase is shifted by the first transmission line is amplified when the power of the input signal exceeds a predetermined power A second amplifying unit that is disposed on the main surface of the substrate, and a synthesizing unit that synthesizes the signal shifted in phase by the second transmission line and the signal amplified by the second amplifying unit. is doing.
本発明によれば、ドハティ増幅器における伝送線路を誘電体層中に配置したので、伝送線路のサイズを小型にすることができる。 According to the present invention, since the transmission line in the Doherty amplifier is disposed in the dielectric layer, the size of the transmission line can be reduced.
本発明によれば、送信装置の電力増幅段を高効率かつ小型化することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power amplification stage of a transmitter can be highly efficient and reduced in size.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。この実施形態の増幅器モジュール、無線送信装置は、ドハティ増幅器を構成する2つの増幅器とそれらのバイアス回路をGaAs-MMICとして集積化し、当該2つの増幅器の入力整合回路と出力整合回路を表面実装型のチップ部品を用いてモジュール基板上に構成し、さらにドハティ増幅器として動作させるためのλ/4線路(四分の一波長線路)を入力側と出力側の2つのみとする回路構成としている。そして、これらのλ/4線路を厚さ1mm以下に抑えても動作可能なドハティ増幅器を実現するものである。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the amplifier module and the radio transmission apparatus of this embodiment, two amplifiers constituting a Doherty amplifier and their bias circuits are integrated as GaAs-MMIC, and an input matching circuit and an output matching circuit of the two amplifiers are surface-mounted type. The circuit is configured on a module substrate using chip parts, and further has a λ / 4 line (quarter wavelength line) for operating as a Doherty amplifier having only two on the input side and the output side. Then, a Doherty amplifier that can operate even if these λ / 4 lines are suppressed to a thickness of 1 mm or less is realized.
以下の説明において、電力増幅器が出力する信号の周波数が2GHz帯の周波数であり、モジュール基板として使用するアルミナ基板の比誘電率がεr=9であるものとして説明する。図1は、本発明に係る一つの実施形態の増幅器モジュールの外観を示す斜視図、図2は、この実施形態の増幅器モジュールの断面を示す断面図、図3は、この実施形態の増幅器モジュールの原理的ブロック図である。 In the following description, it is assumed that the frequency of the signal output from the power amplifier is a frequency in the 2 GHz band, and the relative dielectric constant of the alumina substrate used as the module substrate is εr = 9. FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of an amplifier module according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view showing a section of the amplifier module according to this embodiment, and FIG. 3 is a diagram of the amplifier module according to this embodiment. It is a principle block diagram.
図1および図2に示すように、この実施形態の増幅器モジュール100は、誘電体基板170の一方の主面上に、増幅器IC110、チップ素子121および122からなる第1の入力整合部120、チップ素子131および132からなる第1の出力整合部130、チップ素子141および142からなる第2の入力整合部140、およびチップ素子151および152からなる第2の出力整合部150を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
誘電体基板170は、信号配線および接地導体を有する第1ないし第4の誘電体層171ないし174からなり、例えばアルミナなどの誘電体材料からなるモジュール用基板である。ここでは、誘電体基板170の比誘電率をεrとして説明する。誘電体基板170には、第1ないし第3の接地導体が介挿されている。
The
増幅器IC110は、図3に示すように、ドハティ増幅器を構成するキャリア増幅器111、同じくピーク増幅器112、キャリア増幅器111およびピーク増幅器112のそれぞれにバイアス電流(または電圧)を供給するバイアス制御部113および114を備えた、例えばGaAs-MMICである。キャリア増幅器111は、入力信号の電力の大小によらず常に動作しており、ピーク増幅器112は、入力信号の電力が所定の電力値を超える時に動作を開始するようにバイアスが制御されている。バイアス制御部113および114は、外部電源Vccからバイアス電流(電圧)を生成する。増幅器IC110は、誘電体基板170の一方の主面の略中央に配置されている。
As shown in FIG. 3, the
第1の入力整合部120は、キャリア増幅器111の入力側に接続された、入力インピーダンスの整合をとるためのマッチング手段であり、第1の出力整合部130は、同じくキャリア増幅器111の出力側に接続された、出力インピーダンスの整合をとるマッチング手段である。第1の入力整合部120および第1の出力整合部130は、キャリア増幅器111の入出力インピーダンスと前段・後段の入出力インピーダンスとのマッチングを取ると共に、本ドハティ増幅器がドハティアンプとしての所望の高効率動作を実現するようにインピーダンス整合をする。したがって、キャリア増幅器111の入出力インピーダンスが任意に設定できる場合や、実装するキャリア増幅器111の入出力インピーダンスに合わせて回路全体を設計する場合、第1の入力整合部120および第1の出力整合部130は、必ずしも必要ではない。
The first
第2の入力整合部140は、ピーク増幅器112の入力側に接続された、入力インピーダンスの整合をとるためのマッチング手段であり、第2の出力整合部150は、ピーク増幅器112の出力側に接続された、出力インピーダンスの整合をとるマッチング手段である。第2の入力整合部140および第2の出力整合部150は、ピーク増幅器112が入力電力が増加すると共に増幅動作を開始する際に前段・後段の入出力インピーダンスとマッチングを取ると共に本ドハティ増幅器がドハティアンプとしての所望の高効率動作を実現するようにインピーダンス整合する。したがって、第1の入力整合部120および第1の出力整合部130と同様、ピーク増幅器112の入出力インピーダンスが任意に設定できる場合や、実装するピーク増幅器112の入出力インピーダンスに合わせて回路全体を設計する場合、第2の入力整合部140および第2の出力整合部150は、必ずしも必要ではない。
The second
第1および第2の入力整合部120および140は、誘電体基板170の主面上の線対称となる位置に配置されている。同様に、第1および第2の出力整合部130および150は、誘電体基板170の主面上の線対称となる位置に配置されている。さらに、第1の入力整合部120および第1の出力整合部130は、誘電体基板170の主面上の線対称となる位置に配置されている。同様に、第2の入力整合部140および第2の出力整合部150は、誘電体基板170の主面上の線対称となる位置に配置されている。すなわち、第1および第2の入力および出力整合部は、それぞれが対称となる位置に配置されている。この配置は、この増幅器モジュールのインピーダンス整合をはじめとする高周波特性のバランスを向上させ、ドハティアンプ動作の安定化に寄与するものである。
The first and second
図2に示すように、この増幅器モジュール100では、誘電体基板170の断面に、第1ないし第4の誘電体層171ないし174と、一部に信号配線を含む第1ないし第3の接地導体(層)161ないし163とを含んでいる。すなわち、誘電体基板170は、増幅器IC110が配置される主面側から順に、信号配線および接地導体を有する第1の誘電体層171、一部に信号配線も有する第1の接地導体161、第2の誘電体層172、一部に信号配線も有する第2の接地導体162、第3の誘電体層173、一部に信号配線も有する第3の接地導体163、および信号配線および接地導体を有する第4の誘電体層174が積層して形成されている。第2の誘電体層172および第3の誘電体層173には、それぞれ誘電体基板170の主面と平行方向に蛇行してメアンダ状に形成された導体線路181および191が形成されている。一部に信号配線も有する第1ないし第3の接地導体161ないし163は、誘電体基板170の基板内に該基板の主面と平行に介挿された平面状導体であり、それぞれ信号線路やグラウンドとして作用する。
As shown in FIG. 2, in the
導体線路181は、第1の接地導体161および第2の接地導体162の間の第2の誘電体層172の中に挟まれるように、第2の誘電体層172の断面方向の略中央に形成されている。導体線路181と、第1および第2の接地導体161および162と、第2の誘電体層172とは、ストリップラインをなして第1のλ/4線路部180を構成している。同様に、導体線路191は、第2の接地導体162および第3の接地導体163の間の第3の誘電体層173の中に挟まれるように、第3の誘電体層173の断面方向の略中央に形成されている。そして、導体線路191と、第2および第3の接地導体162および163と、第3の誘電体層173とがストリップラインをなし、第2のλ/4線路部190を構成している。第1のλ/4線路部180と第2のλ/4線路部190とは、第2の接地導体162により高周波的に良好なアイソレーションが保たれている。
The
第1のλ/4線路部180は、第1および第2の入力整合部120および140の入力間に接続され、位相を四分の一波長偏移させる伝送線路である。第1のλ/4線路部180は、第1の接地導体161および第2の接地導体162に挟まれた比誘電率εr・厚さb[mm]の第2の誘電体層172に、幅w[mm]・厚さt[mm]の帯状導体を介挿して構成したストリップラインである。第1のλ/4線路部180は、インピーダンス変換機能を有しており、特性インピーダンスをZ、入力インピーダンスをZin、出力インピーダンスをZoutとすると、Z=(Zin×Zout)1/2の関係を有している。
The first λ / 4
第2のλ/4線路部190は、第1および第2の出力整合部130および150の出力間に接続され、位相を四分の一波長偏移させる伝送線路である。第2のλ/4線路部190は、第2の接地導体162および第3の接地導体163に挟まれた誘電率εr・厚さb[mm]の第3の誘電体層173に、幅w[mm]・厚さt[mm]の帯状導体を介挿して構成したストリップラインである。第2のλ/4線路部190もインピーダンス変換機能を有しており、特性インピーダンスをZ、入力インピーダンスをZin、出力インピーダンスをZoutとすると、Z=(Zin×Zout)1/2の関係を有している。この例では第1のλ/4線路部180および第2のλ/4線路部190は同一条件で構成しているが、これには限定されない。すなわち、それぞれ異なる厚さの誘電体層に、異なる幅・厚さの帯状導体を介挿して形成してもよい。またこの例では、第1のλ/4線路部180および第2のλ/4線路部190の両方をストリップラインにて構成しているが、これにも限定されない。例えば、通過電力が大きく動作効率に対する損失の影響が大きい第2のλ/4線路部190のみをストリップラインで構成し、比較的損失の影響の小さい第1のλ/4線路部180をアクティブ回路や集中定数回路などにより構成してもよい。
The second λ / 4
図3に示すように、この増幅器モジュール100は、入力端子inに入力インピーダンスRsの入力負荷が接続される。入力端子inに送信信号が入力されると、送信信号は第1の入力整合部120を介してキャリア増幅器111、および第1のλ/4線路部180と第2の入力整合部140を介してピーク増幅器112に入力される。キャリア増幅器111は、バイアス制御部113からのバイアスに基づいて送信信号を増幅し、第1の出力整合部130および第2のλ/4線路部190を介して出力端子outに出力する。
As shown in FIG. 3, in the
一方、第1のλ/4線路部180は、入力された送信信号の位相を四分の一波長偏移させ、インピーダンス変換を行って第2の入力整合部140を介してピーク増幅器112に出力する。ピーク増幅器112は、バイアス制御部114からのバイアスに応じて送信信号を増幅し、第2の出力整合部150を介して出力端子outに出力する。ここで、バイアス制御部114は、入力された送信信号が所定のレベルを超える時にのみピーク増幅器が動作するように、所定のバイアスをピーク増幅器112に与える。したがって、ピーク増幅器112は、送信信号が所定のレベルに達した場合に増幅動作を行い、それ以外のときはオフ状態となる。
On the other hand, the first λ / 4
その結果、第2のλ/4線路部190から出力された送信信号と第2の出力整合部150から出力された送信信号とが合成されて出力端子outに出力され、インピーダンスRLの負荷に供給される。
As a result, the transmission signal output from the second λ / 4
続いて、図1ないし図4を参照して、この実施形態に係る増幅器モジュールの第1および第2のλ/4線路部180および190について詳細に説明する。図4は、従来のドハティ増幅器の構成を示すブロック図である。
Next, the first and second λ / 4
図4に示すように、従来のドハティ増幅器では、図3に示すこの実施形態の増幅器に加えて、一般に、入力端子inおよび出力端子outにλ/4線路部をさらに備えている。すなわち、入力端子inに接続された第3のλ/4線路部285、第3のλ/4線路部285の出力に入力が接続された第1の入力整合部220および第1のλ/4線路部280、第1の入力整合部220の出力に入力が接続されたキャリア増幅器211、キャリア増幅器211の出力に入力が接続された第1の出力整合部230、第1の出力整合部230の出力に入力が接続された第2のλ/4線路部290、第1のλ/4線路部280の出力に入力が接続された第2の入力整合部240、第2の入力整合部240の出力に入力が接続されたピーク増幅器212、ピーク増幅器212の出力に入力が接続された第2の出力整合部250、第2のλ/4線路部290および第2の出力整合部250の出力に入力が接続され出力が出力端子outに接続された第4のλ/4線路部295を備えている。なお、図3に示す本発明の実施形態の構成要素と同一の機能を有する要素については同一の名称で表した。
As shown in FIG. 4, the conventional Doherty amplifier generally further includes a λ / 4 line section at the input terminal in and the output terminal out in addition to the amplifier of this embodiment shown in FIG. That is, the third λ / 4
図4に示す従来のドハティ増幅器において、第3のλ/4線路部285と第4のλ/4線路部295は、入力負荷Rs=50Ωおよび出力負荷RL=50Ωを、スミスチャート上で、第3および第4のλ/4線路部285および295それぞれの特性インピーダンスZ3およびZ4を中心として、180度位相が回転した点でのインピーダンスへ変換することができるインピーダンス変換器として機能する。なお、スミスチャートは高周波回路の分野では通常良く使用されるチャートであるため、ここでは詳細な説明を省略する。また、四分の一波長伝送線路が前述のようなインピーダンス変換器として機能することについても高周波回路の分野では周知であり、詳細な説明は省略する(「マイクロ波工学」基礎と原理 中島将光著 森北出版株式会社 参照)。
In the conventional Doherty amplifier shown in FIG. 4, the third λ / 4
第3のλ/4線路部285および第4のλ/4線路部295は、入力負荷Rsおよび出力負荷RLを、それぞれ第1のλ/4線路部280およびキャリア増幅器211(第1の入力整合部220)の入力インピーダンス、および第2のλ/4線路部290およびピーク増幅器212(第2の入力整合部240)の出力インピーダンスに応じて、ドハティ増幅器としての特性・動作が得られるような適切なインピーダンスに変換するために備えられている。よって、第3および第4のλ/4線路部285および295は、第1および第2のλ/4線路部280および290の特性インピーダンスZ1およびZ2、および入力負荷Rsと出力負荷RLを適切な値に選択することで省略することが可能である。電力増幅回路を小型モジュール化する上で回路要素の省略は有効な手法であるから、本願発明では第3および第4のλ/4線路部285および295を省略している。
The third λ / 4
図4に示す従来のドハティ増幅器の動作概要について、第1ないし第4のλ/4線路部280ないし295のそれぞれの特性インピーダンス、さらには入力負荷Rsおよび出力負荷RLが一般の通信機器で用いられる50Ωであるものと仮定し、説明を簡略化するため第1および第2の入力/出力整合部220ないし250を省略して説明する。
As for the operation outline of the conventional Doherty amplifier shown in FIG. 4, the characteristic impedances of the first to fourth λ / 4
入力負荷Rsおよび出力負荷RLの50Ωは、第3および第4のλ/4線路部285および295により25Ωのインピーダンスへ変換される。さらに、第1および第2のλ/4線路部280および290により100Ωへと変換される。よって、キャリア増幅器211の入力負荷は25Ω、同じく出力負荷は100Ωとなる。同様に、ピーク増幅器212の入力負荷は100Ω、同じく出力負荷は25Ωとなる。ドハティ増幅器は、キャリア増幅器とピーク増幅器とが同一レベルの出力電力を出力する場合、ピーク増幅器が休止状態の場合に100Ωであったキャリア増幅器の出力負荷がアクティブロードプル効果により50Ωへと減少して観測されることにより、キャリア増幅器の飽和出力が向上する効果を得ることができるものである(High-Linearity RF Amplifier Design, Peter B. Kenington著 参照)。
50 Ω of the input load Rs and the output load RL is converted into an impedance of 25 Ω by the third and fourth λ / 4
前述のとおり、ドハティ増幅器の小型化を図るために第3および第4のλ/4線路部285および295を省略すると、入力負荷Rsおよび出力負荷RLが依然として50Ωである場合には、第1および第2のλ/4線路部280および290の特性インピーダンスは100Ωであることが必要となる。
As described above, if the third and fourth λ / 4
この場合、入力負荷Rsおよび出力負荷RLの50Ωは、特性インピーダンスが100Ωである第1および第2のλ/4線路部280および290により、200Ωのインピーダンスに変換される。よって、キャリア増幅器211の入力負荷は50Ω、同じく出力負荷は200Ω、ピーク増幅器212の入力負荷は200Ω、同じく出力負荷は50Ωとなる。そして、ピーク増幅器212が休止状態である場合には200Ωであったキャリア増幅器211の出力負荷が、アクティブロードプル効果により100Ωへと減少して観測され、キャリア増幅器211の飽和出力が向上する効果を得ることができる。
In this case, 50Ω of the input load Rs and the output load RL is converted into an impedance of 200Ω by the first and second λ / 4
ところで、第3および第4のλ/4線路部285および295を省略した場合、キャリア増幅器211およびピーク増幅器212の入力負荷および出力負荷が2倍となるが、キャリア増幅器211およびピーク増幅器212のバイアス条件や、それぞれに備えられた第1および第2の入力/出力整合部220ないし250の定数やトポロジーを調整することにより対応することになる。
By the way, when the third and fourth λ / 4
しかし、第1および第2のλ/4線路部280および290の特性インピーダンスを50Ωから100Ωにすると、ストリップラインに必要な誘電体層の厚さが厚くなってしまう。このことは、λ/4線路部をモジュール基板内に介挿したストリップラインにより実現する場合に、必要とする誘電体の厚さが厚くなり、結果としてモジュールサイズの大型化を招くことにつながる。
However, if the characteristic impedance of the first and second λ / 4
この点について、図2に示す断面のストリップラインを参照して説明する。図2に示す導体線路181および191が構成するストリップラインの特性インピーダンスZ0[Ω]は、誘電体層の厚さをb[mm]、伝送線路幅をw[mm]、伝送線路厚をt[mm]、接地導体と伝送線路との距離をh[mm]とすると、数式(1)のように表される。
例えば、一般的な比誘電率εr=9のアルミナ基板をモジュール基板として使用する場合を例にとると、図2の導体線路181または191の幅wが0.1[mm]である場合、特性インピーダンスが50Ωであれば誘電体の厚さbを0.8[mm]とすることができるが、特性インピーダンスを100Ωとした場合には、その厚さbは10[mm]まで厚くしなければならない。この例で、導体線路181または191の幅wを0.5[mm]まで狭めた場合でも、厚さbは7[mm]まで厚くする必要がある。
For example, when using a typical alumina substrate having a relative dielectric constant εr = 9 as a module substrate, when the width w of the
一般に、モジュール基板の内層に導体線路を形成する場合、基板製造ルールの制約から、線路幅を0.1mm以上にする必要がある。そのため、特性インピーダンス100Ωの導体線路をモジュール基板の内層に形成すると、誘電体層の厚さを厚くしなければならず、モジュールサイズが大型化してしまう。そこで本願発明では、λ/4線路部の特性インピーダンスを所定の値以下に設定して、増幅器の小型モジュール化を実現している。 In general, when a conductor line is formed on the inner layer of a module board, the line width needs to be 0.1 mm or more due to restrictions of the board manufacturing rules. Therefore, if a conductor line having a characteristic impedance of 100Ω is formed in the inner layer of the module substrate, the thickness of the dielectric layer must be increased, and the module size is increased. Therefore, in the present invention, the characteristic impedance of the λ / 4 line portion is set to a predetermined value or less to realize a small-sized amplifier.
図1ないし図3に示す実施形態に係る増幅器モジュールのドハティ増幅器では、λ/4線路部を2つ必要とするから、小型化およびアイソレーション向上の観点から、二つのλ/4線路部を誘電体基板の厚さ方向に積層することが望ましい。そして、電子素子モジュールは縦4mm×横4mm×厚さ2mmの直方体形状とされることが一般的であるから、2つのλ/4線路部の誘電体層の厚さを同一とすれば、ストリップラインの誘電体層の厚さは1mm以下とすることが必要となる。この条件を満たすための第1および第2のλ/4線路部180および190の特性インピーダンスZ1[Ω]およびZ2[Ω]、ならびに入力負荷Rs[Ω]と出力負荷RL[Ω]の値は、伝送線路幅をw[mm]、伝送線路厚をt[mm]、接地導体と伝送線路との距離をh[mm]とすると、数式(2)の関係を満たせばよい。
これは数式(1)において誘電体厚bを1[mm]としたものである。 This is obtained by setting the dielectric thickness b to 1 [mm] in Equation (1).
また、比誘電率がεrである誘電体内での高周波信号の波長λrは、自由空間中の波長をλとした時、数式(3)に示される値となるため、基板内での線路の長さは数式(3)で示される波長の四分の一の長さとなる。例えば、信号の周波数が2GHzであれば、自由空間中の波長λは、150mm程度となり、1/4波長は37.5mm程度となる。ここで、比誘電率εr=9とすると、1/4波長は12.5mmまで短縮される。したがって、λ/4線路部の長さを短縮することができ、モジュール化をより容易にすることができる。
第1および第2のλ/4線路部180および190の特性インピーダンスを50Ωとすれば、入出力負荷RsおよびRLは25Ωとなり、数式(2)の関係を満たすストリップラインの誘電体層の最大限の厚さは0.8mmとなる。したがって、数式(1)において誘電体層の厚さb(=2h+t)を0.8[mm]とすれば、入出力負荷を50オームの整数分の一とすることができるから、モジュールサイズの小型化を実現しつつ設計の容易な増幅器モジュールを得ることができる。また、二つのλ/4線路部を誘電体基板の厚さ方向に積層する場合のモジュール化が容易となる。
If the characteristic impedance of the first and second λ / 4
ここで、図5および図6を参照してこの実施形態の増幅器モジュールの実施例について説明する。図5は、この実施形態の増幅器モジュールの実施例の外観を示す斜視図、図6はこの実施例における効率特性の例を示す図である。 Here, an example of the amplifier module of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a perspective view showing an external appearance of an example of the amplifier module of this embodiment, and FIG. 6 is a diagram showing an example of efficiency characteristics in this example.
図5に示すように、長さ4mm・幅4mm・厚さ1.5mmのアルミナ基板(比誘電率8.8)の一方の主面に、長さ1mm・幅1mmのGaAsMMICからなる増幅器IC310と、その周囲にそれぞれ対称位置となるように配置された長さ0.6mm・幅0.3mmの素子チップからなる入力整合回路・出力整合回路を配置した。アルミナ基板は、増幅器IC310形成面から順に厚さ0.1mmの第1の誘電体層371、厚さ0.05mmの第2および第3の誘電体層372および373、厚さ0.6mmの第4および第5の誘電体層374および375の積層構造に形成した。また、各々の誘電体層の間には、第1ないし第4の接地導体361ないし364を介挿し、増幅器IC310配置面と対向する主面には第5の接地導体365を形成した。
As shown in FIG. 5, on one main surface of an alumina substrate (relative permittivity 8.8) having a length of 4 mm, a width of 4 mm, and a thickness of 1.5 mm, an
第4および第5の誘電体層374および375の厚さ方向の略中央には、誘電体基板の平面方向に蛇行させたλ/4線路を形成してストリップラインを構成した。その結果、図6に示す効率特性が得られた。これは、略同一のサイズに形成した従来のB級増幅器の効率特性と比較して最大で10%ほど向上している。
A strip line was formed by forming a λ / 4 line meandering in the plane direction of the dielectric substrate at substantially the center in the thickness direction of the fourth and fifth
以上説明したとおり、本発明の実施形態によれば、ドハティアンプ技術を用いた電力増幅器において付帯回路を低損失かつ小型に実現することにより、動作効率を悪化させることなく小型で高効率な電力増幅器モジュールを実現する。また、携帯電話等の小型無線送信機に搭載すれば、消費電力を削減し、電池の消耗を抑えることで、従来の電力増幅器を用いた場合よりも携帯電話での通話時間を長くすることができる。 As described above, according to the embodiments of the present invention, a small and high-efficiency power amplifier without deteriorating the operation efficiency by realizing an auxiliary circuit in a power amplifier using the Doherty amplifier technology with low loss and small size. Realize the module. Moreover, if it is installed in a small wireless transmitter such as a mobile phone, it reduces the power consumption and suppresses battery consumption, so that the call time on the mobile phone can be made longer than when a conventional power amplifier is used. it can.
なお、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではない。上記実施形態では、四分の一波長線路の特性インピーダンスを50Ω、入出力負荷を25Ωであるとして説明したが、これには限定されない。数式(2)の関係を満たす特性インピーダンスであれば、どのような入出力負荷であっても同様の効果を奏することができる。 In addition, this invention is not limited only to the said embodiment. In the above embodiment, the characteristic impedance of the quarter wavelength line is 50Ω and the input / output load is 25Ω. However, the present invention is not limited to this. As long as the characteristic impedance satisfies the relationship of Equation (2), the same effect can be obtained regardless of the input / output load.
本発明は、電子部品製造業、電子機器製造業、無線機器製造業などに適用することができる。 The present invention can be applied to an electronic component manufacturing industry, an electronic equipment manufacturing industry, a wireless equipment manufacturing industry, and the like.
100…増幅器モジュール、110…増幅器IC、111…キャリア増幅器、112…ピーク増幅器、120…第1入力整合部、130…第1出力整合部、140…第2入力整合部、150…第2出力整合部、161ないし163…第1ないし第3の接地導体、170…誘電体基板、171ないし174…第1ないし第4の誘電体層、180…第1のλ/4線路部、190…第2のλ/4線路部、310…増幅器IC、361ないし365…第1ないし第5の接地導体、371ないし375…第1ないし第5の誘電体層。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記基板の主面上に配置され、入力信号を増幅する第1の増幅部と、
前記誘電体層中に配置され、前記入力信号の位相を偏移させる第1の伝送線路と、
前記誘電体層中に配置され、前記第1の増幅部により増幅された信号の位相を偏移させ、かつインピーダンス変換を行う第2の伝送線路と、
前記基板の主面上に配置され、前記第1の伝送線路により位相が偏移された信号を、前記入力信号の電力が所定の電力を超えた場合に増幅する第2の増幅部と、
前記基板の主面上に配置され、前記第2の伝送線路により位相が偏移された信号と前記第2の増幅部により増幅された信号とを合成する合成部と
を具備したことを特徴とする増幅器モジュール。 A substrate having a dielectric layer and a conductor layer;
A first amplifying unit disposed on a main surface of the substrate and amplifying an input signal;
A first transmission line disposed in the dielectric layer for shifting the phase of the input signal;
A second transmission line that is disposed in the dielectric layer, shifts the phase of the signal amplified by the first amplifier, and performs impedance conversion;
A second amplifying unit arranged on the main surface of the substrate and amplifying a signal whose phase is shifted by the first transmission line when the power of the input signal exceeds a predetermined power;
And a synthesis unit arranged on the main surface of the substrate and configured to synthesize a signal whose phase is shifted by the second transmission line and a signal amplified by the second amplification unit. Amplifier module to do.
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