JP2016005132A - 高周波増幅器 - Google Patents
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Abstract
【課題】チップコンデンサを除去することなく損失を低減し、出力や効率を向上することのできる高周波増幅器を得る。【解決手段】ショートスタブ1は、チップコンデンサ1aに接続された基本波の高域側でλ/4より短い長さの第1の伝送線路1bを用いて構成される。第1の伝送線路1bとチップコンデンサ1aの接続部に、基本波の低域側でλ/4の長さのオープンスタブ2を接続する。ショートスタブ1が接続された第2の伝送線路3およびワイヤ5をトランジスタの出力側に接続する。【選択図】図1
Description
本発明は、ショートスタブを用いた内部整合型の高周波増幅器に関するものである。
図11は、従来の、ショートスタブを用いた内部整合型の高周波増幅器の変成回路を示す回路図である。図示の回路は、FET(電界効果トランジスタ)101、ショートスタブ102、伝送線路103およびワイヤ104からなり、ショートスタブ102は、先端にチップコンデンサ102aを接続した伝送線路102bで構成されている。ショートスタブ102を用いることでFET101の出力容量を打ち消し、図12に示すようにFET101の出力インピーダンスを高インピーダンス化し、高帯域化を実現している。この技術は小型化が要求されるような内部整合型の高周波増幅器において整合回路の面積を抑えることが可能であり、広帯域かつ小型化を両立するものである(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記従来の高周波増幅器において、ショートスタブ102に用いるチップコンデンサ102aが有する内部抵抗が損失成分となり、高周波増幅器の出力や効率を低下させる問題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、内部整合型の高周波増幅器の広帯域化のために必要なショートスタブ先端のチップコンデンサを除去することなく損失を低減し、出力や効率を向上することのできる高周波増幅器を得ることを目的とする。
この発明に係る高周波増幅器は、チップコンデンサに接続された基本波の高域側でλ/4より短い長さの第1の伝送線路からなるショートスタブと、第1の伝送線路とチップコンデンサの接続部に接続された基本波の低域側でλ/4の長さのオープンスタブと、ショートスタブが接続された第2の伝送線路およびワイヤがトランジスタの出力側に接続されたものである。
この発明の高周波増幅器は、第1の伝送線路とチップコンデンサの接続部に基本波の低域側でλ/4の長さのオープンスタブを接続するようにしたので、高周波増幅器として出力や効率を向上することができる。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による高周波増幅器の出力側の回路を示す構成図である。
図示の高周波増幅器は、チップコンデンサ1aと第1の伝送線路1bを用いたショートスタブ1、ショートスタブ1の一部に接続されたオープンスタブ2、第2の伝送線路3、第3の伝送線路4、ワイヤ5およびFET6からなる。ショートスタブ1は、先端にショート点(短絡点)があるスタブであり、チップコンデンサ1aが接続された基本波の高域側でλ/4より短い長さの第1の伝送線路1bを用いて構成されている。また、その短絡点と反対側の端部は第2の伝送線路3と第3の伝送線路4との接続点に接続されている。オープンスタブ2は、先端がオープン(開放)となったスタブである。第2の伝送線路3はワイヤ5を介してFET6の出力端子に接続されており、第3の伝送線路4は、出力側の整合回路を構成するための線路である。
図1は、この発明の実施の形態1による高周波増幅器の出力側の回路を示す構成図である。
図示の高周波増幅器は、チップコンデンサ1aと第1の伝送線路1bを用いたショートスタブ1、ショートスタブ1の一部に接続されたオープンスタブ2、第2の伝送線路3、第3の伝送線路4、ワイヤ5およびFET6からなる。ショートスタブ1は、先端にショート点(短絡点)があるスタブであり、チップコンデンサ1aが接続された基本波の高域側でλ/4より短い長さの第1の伝送線路1bを用いて構成されている。また、その短絡点と反対側の端部は第2の伝送線路3と第3の伝送線路4との接続点に接続されている。オープンスタブ2は、先端がオープン(開放)となったスタブである。第2の伝送線路3はワイヤ5を介してFET6の出力端子に接続されており、第3の伝送線路4は、出力側の整合回路を構成するための線路である。
このように、実施の形態1では、ショートスタブ1にオープンスタブ2を接続しているため、図2に示すように回路損失は従来構成に比べて低減することができる。図中、破線21がオープンスタブ2を備えた本発明であり、実線22が従来構成を示している。以下、回路損失を低減することのできる理由について説明する。なお、以降、fHは基本波周波数帯における高域側を、fLは基本波周波数帯における低域側を意味する。
まず、ショートスタブ1における第1の伝送線路1bの長さをλ/4@fH以下にすることで、fL〜fHの基本波周波数帯でショートスタブ1を積極的に整合回路として使用する。チップコンデンサ1aは、内部に抵抗成分を有するため、fL〜fHの基本波からチップコンデンサ1aの内部抵抗が見えることになり回路損失が増加する。さらに、ショートスタブ1はfLでショート寄り、fHでオープン寄りになることから、fHよりもfLでチップコンデンサ1aの内部抵抗の影響を受けやすく、図2のようにfHよりもfLで回路損失が大きくなる。
ここでチップコンデンサ1aの接続点に、λ/4@fLの長さのオープンスタブ2を接続することを考える。図3にチップコンデンサ1aとオープンスタブ2の周波数特性を示す。チップコンデンサ1aは内部抵抗を有するために理想的なショートを実現できないが(図3(a)参照)、オープンスタブ2はチップコンデンサ1aに比べて理想的なショートを実現できる(図3(b)参照)。このため、fLはオープンスタブ2の根本ではチップコンデンサ1aよりもオープンスタブ2側のショートが見えやすくなり、チップコンデンサ1aの抵抗が見えにくくなる。その結果、図2のようにfLでの回路損失を低減できる。なお、図3(b)に示すように、fHではオープンスタブ2の根本はショートではなくなるため、回路損失の低減効果は小さくなる。
図4に実施の形態1の構成を適用した高周波増幅器のレイアウトを示す。入力基板10上には入力側整合回路11が形成されてFET6に接続される。また、出力基板20上にショートスタブ1とオープンスタブ2で構成される出力側整合回路が形成されてFET6に接続される。また、チップコンデンサ1aは、出力基板20上に形成された第1の伝送線路1bに接続されている。
以上説明したように、実施の形態1の高周波増幅器によれば、チップコンデンサに接続された基本波の高域側でλ/4より短い長さの第1の伝送線路からなるショートスタブと、第1の伝送線路とチップコンデンサの接続部に接続された基本波の低域側でλ/4の長さのオープンスタブと、ショートスタブが接続された第2の伝送線路およびワイヤがトランジスタの出力側に接続されるよう構成したので、内部整合型の高周波増幅器の広帯域化のために必要なショートスタブ先端のチップコンデンサを除去することなく損失を低減し、出力や効率を向上することができる。
実施の形態2.
図5は、実施の形態2の高周波増幅器を示す構成図である。実施の形態2の高周波増幅器は、ショートスタブ1、オープンスタブ2、第2の伝送線路3、第3の伝送線路4、ワイヤ5およびFET6からなり、図面上の構成は図1に示した実施の形態1の構成と同様であるが、各部の値が異なっている。
図5は、実施の形態2の高周波増幅器を示す構成図である。実施の形態2の高周波増幅器は、ショートスタブ1、オープンスタブ2、第2の伝送線路3、第3の伝送線路4、ワイヤ5およびFET6からなり、図面上の構成は図1に示した実施の形態1の構成と同様であるが、各部の値が異なっている。
すなわち、実施の形態2では、オープンスタブ2の長さをλ/8@fH〜λ/4@fH、チップコンデンサ1aの容量を100pF以下、オープンスタブ2から第2の伝送線路3および第3の伝送線路4までの第1の伝送線路1bの長さをλ/8@fH、第2の伝送線路3の長さをλ・3/8@2fH〜λ・4/8@2fH、ワイヤ5の長さを0.4mm以下の長さとしている。
このように構成することで高周波増幅器の動作効率をさらに向上させることができる理由について以下説明する。
このように構成することで高周波増幅器の動作効率をさらに向上させることができる理由について以下説明する。
基本波ではλ/8@fH〜λ/4@fHの長さのオープンスタブ2は、2倍波ではλ/4@2fH〜λ/2@2fHの長さになり、誘導性(L性)となる。一方、チップコンデンサ1aは容量性(C性)であるので、オープンスタブ2と2倍波(2fH)でLC並列共振させることにより、オープンスタブ2とショートスタブ1の接続点は2倍波(2fH)でオープンになり、また、ショートスタブ1がλ/8@fH(2倍波ではλ/4)であるため、ショートスタブ1と第2の伝送線路3と第3の伝送線路4との接続点は2倍波(2fH)でショートになる(図5及び図6におけるショート参照)。
次に、図5に記載の第2の伝送線路3の長さを3/8・λ@2fH〜4/8・λ@2fH、ワイヤ5の長さを0.4mm以下の間で適切に選ぶことで、図6に示すようにFET6端から負荷側を見た2倍波インピーダンスは動作効率が最大となる領域に変成される。以上より、広帯域かつ高効率な特性を得られる。
上記のチップコンデンサ1aの容量が100pF以下、ワイヤ5の長さが0.4mm以下といった値は、高周波増幅器における実運用上の値であるが、これらの値の求め方についてさらに説明する。
上述したチップコンデンサ1aの容量を100pF以下とするという考え方は、基本波で十分にショートとなるような値をとることである。例えば「十分ショート」の定義を仮にコンデンサのインピーダンスZの実部が0.1Ω以下、虚部が1Ω以下と仮定し、コンデンサを理想的な状態で計算する(厳密には使用するチップコンデンサの種類や大きさによって内部に寄生するインダクタンスにより自己共振を生じる)。
計算では一般的に使用される周波数帯域として、L帯(1〜2GHz),S帯(2〜4GHz)、C帯(4〜8GHz)、X〜Ku帯(8〜18GHz)ごとに十分ショートを実現するために必要な容量を求めると、その結果は以下のようになる。
「L帯では100〜80pF、S帯では80〜40pF、C帯では40〜20pF、X〜Ku帯では20〜15pFを使用すれば十分ショートとなる」。但し、実運用上ではチップコンデンサ1aはその種類や大きさによって自己共振周波数が異なり、必要に応じて最適な容量値を選ぶことになる。この時、例えばL帯において十分ショートが得られない40pFで設計しても効果を得られると考えられる。
計算では一般的に使用される周波数帯域として、L帯(1〜2GHz),S帯(2〜4GHz)、C帯(4〜8GHz)、X〜Ku帯(8〜18GHz)ごとに十分ショートを実現するために必要な容量を求めると、その結果は以下のようになる。
「L帯では100〜80pF、S帯では80〜40pF、C帯では40〜20pF、X〜Ku帯では20〜15pFを使用すれば十分ショートとなる」。但し、実運用上ではチップコンデンサ1aはその種類や大きさによって自己共振周波数が異なり、必要に応じて最適な容量値を選ぶことになる。この時、例えばL帯において十分ショートが得られない40pFで設計しても効果を得られると考えられる。
ワイヤ5の長さ(インダクタンスの大きさ)については、ワイヤ5が長いと(インダクタンスが大きいと)、図12に示すFET6の出力インピーダンスは円の中心からの距離を変えずに時計周りに回るため、実軸(スミスチャートの中心を横切る線)に移動した時はインピーダンスがショート寄りになるため低くなる。そこで、基本的にはワイヤ5の長さは短い方がFET6の出力インピーダンスの回転量は小さくなり、その後のショートスタブ1による変成でより高いインピーダンスに持っていくことが可能になり効果を得られやすくなる。このことから、ワイヤ5の長さを0.4mm以下と限定しても、広帯域な特性を得ることができる。
次に、FET6端から負荷側を見た2倍波インピーダンスについてであるが、ワイヤ5とショート@2fHの間に、3/8・λ@2fH〜4/8・λ@2fHの長さの第2の伝送線路3が入っている。3/8・λ@2fHの長さは図6ではショート点から破線矢印に従い、スミスチャート真下(270°の位置)となる。また、4/8・λ@2fHの長さは図6のスミスチャートでは、スミスチャートを一周してショート点に戻ってくる。つまり、この線路だけで図6に示すFET6の動作効率が最大となるインピーダンス領域に変成される。設計上は、3/8・λ@2fH〜4/8・λ@2fHの長さの線路と、0.4mm以下のインダクタンス成分の和に相当する分だけ回転するため、FET6の動作効率が最大となるインピーダンス領域に入るように3/8・λ@2fH〜4/8・λ@2fHの長さの第2の伝送線路3とワイヤ5の長さが最適になるようにする。
なお、上記例では、動作効率を向上したい周波数としてfHを例に説明したが、動作効率を向上したい周波数で線路長を決めるため周波数はfHに限らず、fLでも良いし他の周波数でも良い。
以上説明したように、実施の形態2の高周波増幅器によれば、ショートスタブにおける第1の伝送線路の長さが基本波でλ/8、オープンスタブの長さが基本波でλ/8〜λ/4、チップコンデンサがオープンスタブと並列共振する100pF以下の容量、ショートスタブと第2の伝送線路の接続点からワイヤ端までの第2の伝送線路の長さが2倍波で3/8・λ〜4/8・λ、ワイヤの長さが0.4mm以下である出力回路がトランジスタに接続されるようにしたので、高周波増幅器としての実運用上の動作効率をさらに向上させることができる。
実施の形態3.
図7は、実施の形態3の高周波増幅器を示す構成図である。
実施の形態2では、オープンスタブ2を2倍波で誘導性(L性)とし、チップコンデンサ1aと2倍波で並列共振させることでショートスタブ1を2倍波でオープンスタブに見せている。これに対し、実施の形態3では、オープンスタブ2を2倍波で容量性(C性)とし、チップコンデンサ1aに短い伝送線路(第4の伝送線路1c)を追加してチップコンデンサ1a側を誘導性(L性)にすることで、オープンスタブ2とチップコンデンサ1aおよび第4の伝送線路1cを2倍波で並列共振させることで、ショートスタブ1を2倍波でオープンスタブに見せた例である。図7において、第4の伝送線路1cが追加された以外、図面上の構成は図5に示した実施の形態2と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
図7は、実施の形態3の高周波増幅器を示す構成図である。
実施の形態2では、オープンスタブ2を2倍波で誘導性(L性)とし、チップコンデンサ1aと2倍波で並列共振させることでショートスタブ1を2倍波でオープンスタブに見せている。これに対し、実施の形態3では、オープンスタブ2を2倍波で容量性(C性)とし、チップコンデンサ1aに短い伝送線路(第4の伝送線路1c)を追加してチップコンデンサ1a側を誘導性(L性)にすることで、オープンスタブ2とチップコンデンサ1aおよび第4の伝送線路1cを2倍波で並列共振させることで、ショートスタブ1を2倍波でオープンスタブに見せた例である。図7において、第4の伝送線路1cが追加された以外、図面上の構成は図5に示した実施の形態2と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
オープンスタブ2の長さをλ/2@2fH〜3/4・λ@2fHとすることでオープンスタブ2を2倍波で容量性(C性)とし、一方、チップコンデンサ1aからオープンスタブ2の接続点までの第4の伝送線路1cの長さをλ/4@2fH以下にすることで、オープンスタブ2の接続点からチップコンデンサ1a側は誘導性(L性)となる。これにより、オープンスタブ2とチップコンデンサ1aおよび第4の伝送線路1cを2倍波で並列共振させ、オープンスタブ2の接続点を2倍波でオープンにすることで、ショートスタブ1を2倍波でオープンスタブに見せることができる。オープンスタブ2の接続点から、第2の伝送線路3および第3の伝送線路4までの第1の伝送線路1bの長さを、λ/8@fH(2倍波ではλ/4)とすることで、ショートスタブ1と第2の伝送線路3と第3の伝送線路4との接続点は2倍波でショートとなる。さらに、第2の伝送線路3の長さを3/8・λ@2fH〜4/8・λ@2fH、ワイヤ5の長さを0.4mm以下の間で適切に選ぶことで、図6に示すようにFET6端から負荷側を見た2倍波インピーダンスは動作効率が最大となる領域に変成することが可能となる。以上より、広帯域かつ高効率な特性を得られる。
以上説明したように、実施の形態3の高周波増幅器によれば、ショートスタブにおける第1の伝送線路の長さが基本波でλ/8、オープンスタブの長さが2倍波でλ/2〜3/4・λ、オープンスタブの接続端からチップコンデンサまでの第4の伝送線路の長さが2倍波でλ/4以下、チップコンデンサの容量が100pF以下、ショートスタブと第2の伝送線路の接続点からワイヤ端までの第2の伝送線路の長さが2倍波で3/8・λ〜4/8・λ、ワイヤの長さが0.4mm以下である出力回路がトランジスタに接続されるようにしたので、高周波増幅器としての実運用上の動作効率をさらに向上させることができる。
実施の形態4.
実施の形態1ではチップコンデンサを1個使用した回路構成であるが、チップコンデンサ1aを2個使用した例を実施の形態4として図8に示す。図示のように、チップコンデンサ1aが1個ではなく2個並列に並ぶことで、チップコンデンサ1aの内部の合成抵抗は小さくなり、回路損失を低減できる。これ以外の構成は図4に示した実施の形態1と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。なお、チップコンデンサ1aは2個ではなく3個以上でも効果が得られる。
実施の形態1ではチップコンデンサを1個使用した回路構成であるが、チップコンデンサ1aを2個使用した例を実施の形態4として図8に示す。図示のように、チップコンデンサ1aが1個ではなく2個並列に並ぶことで、チップコンデンサ1aの内部の合成抵抗は小さくなり、回路損失を低減できる。これ以外の構成は図4に示した実施の形態1と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。なお、チップコンデンサ1aは2個ではなく3個以上でも効果が得られる。
以上説明したように、実施の形態4の高周波増幅器によれば、複数の並列接続されたチップコンデンサを第1の伝送線路に接続してショートスタブを構成するようにしたので、高周波増幅器としての回路損失を低減することができる。
実施の形態5.
実施の形態1の回路レイアウトは図4で示したように、FET6に対して非対称(図面における上下非対称)の構成であるが、回路レイアウトを上下対称にした例を実施の形態5として図9に示す。
実施の形態1の回路レイアウトは図4で示したように、FET6に対して非対称(図面における上下非対称)の構成であるが、回路レイアウトを上下対称にした例を実施の形態5として図9に示す。
FET6は複数のセルが横に並べられているため、実施の形態1の構成では一方端のセルと他方端のセルからショートスタブ1の見え方が異なり、ひいては各セルから負荷側を見たインピーダンスがばらつき、各セルが均一動作せずに高周波増幅器の出力や効率の低下を招く恐れがある。そこで、チップコンデンサ1aを2個使用し、回路レイアウトを対称にすることで、各セル間の不均一動作を低減することが可能となる。
以上説明したように、実施の形態5の高周波増幅器によれば、トランジスタに対してショートスタブが対称となる回路レイアウトとしたので、トランジスタの各セル間の不均一動作を低減することができる。
実施の形態6.
実施の形態4ではチップコンデンサを並列に複数並べることでチップコンデンサ1aの合成抵抗を小さくし、実施の形態5では回路レイアウトを対称にすることでFET6の各セルの不均一動作を低減したが、これらの構成を組み合わせてもよく、これを実施の形態6として図10に示す。
実施の形態4ではチップコンデンサを並列に複数並べることでチップコンデンサ1aの合成抵抗を小さくし、実施の形態5では回路レイアウトを対称にすることでFET6の各セルの不均一動作を低減したが、これらの構成を組み合わせてもよく、これを実施の形態6として図10に示す。
このように構成することで、チップコンデンサ1aによる損失の低減とFET6の各セルの不均一動作の低減を同時に達成することが可能である。
なお、上記各実施の形態では、トランジスタとしてFETを例として説明したが、バイポーラトランジスタ等、他のトランジスタであっても同様に適用可能である。
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
1 ショートスタブ、1a チップコンデンサ、1b 第1の伝送線路、1c 第4の伝送線路、2 オープンスタブ、3 第2の伝送線路、4 第3の伝送線路、5 ワイヤ、6 FET、10 入力基板、11 入力側整合回路、20 出力基板。
Claims (5)
- チップコンデンサに接続された基本波の高域側でλ/4より短い長さの第1の伝送線路からなるショートスタブと、
前記第1の伝送線路と前記チップコンデンサの接続部に接続された基本波の低域側でλ/4の長さのオープンスタブと、
前記ショートスタブが接続された第2の伝送線路およびワイヤがトランジスタの出力側に接続されたことを特徴とする高周波増幅器。 - 前記ショートスタブにおける前記第1の伝送線路の長さが基本波でλ/8、
前記オープンスタブの長さが基本波でλ/8〜λ/4、
前記チップコンデンサが前記オープンスタブと並列共振する100pF以下の容量、
前記ショートスタブと前記第2の伝送線路の接続点から前記ワイヤ端までの当該第2の伝送線路の長さが2倍波で3/8・λ〜4/8・λ、
前記ワイヤの長さが0.4mm以下である出力回路が前記トランジスタに接続されたことを特徴とする請求項1記載の高周波増幅器。 - 前記ショートスタブにおける第1の伝送線路の長さが基本波でλ/8、
前記オープンスタブの長さが2倍波でλ/2〜3/4・λ、
前記オープンスタブの接続端から前記チップコンデンサまでの第4の伝送線路の長さが2倍波でλ/4以下、
前記チップコンデンサの容量が100pF以下、
前記ショートスタブと前記第2の伝送線路の接続点から前記ワイヤ端までの当該第2の伝送線路の長さが2倍波で3/8・λ〜4/8・λ、
前記ワイヤの長さが0.4mm以下である出力回路が前記トランジスタに接続されたことを特徴とする請求項1記載の高周波増幅器。 - 複数の並列接続されたチップコンデンサを前記第1の伝送線路に接続して前記ショートスタブを構成することを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の高周波増幅器。
- 前記トランジスタに対して前記ショートスタブが対称となる回路レイアウトとしたことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の高周波増幅器。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2017203571A1 (ja) * | 2016-05-23 | 2017-11-30 | 三菱電機株式会社 | 電力増幅器 |
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- 2014-06-17 JP JP2014124420A patent/JP2016005132A/ja active Pending
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WO2017203571A1 (ja) * | 2016-05-23 | 2017-11-30 | 三菱電機株式会社 | 電力増幅器 |
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