JP4238034B2 - 進行波増幅器の改良 - Google Patents

Description

本発明は、進行波増幅器（ＴＷＡ）の改良に関し、特定的にはミリメートル波進行波増幅器に関する。

進行波は、伝送ラインに沿って進行し、伝送ラインによって案内される電磁波である。もし進行波の増幅が必要であれば、伝送ラインとして動作する増幅器を使用することが望ましい。このような進行波増幅器（もしくは、分布増幅器）は公知である。これらは、一般に、互いに接続された２つまたはそれ以上の増幅モジュールからなっている。各増幅モジュールの入力及び出力は、いわゆる人工伝送ラインを形成している。各人工伝送ラインは、直列インダクタンス成分と、並列キャパシタンスとを含む。インダクタンス成分は、高インピーダンス伝送ラインを使用して実現することができる。キャパシタンスは、各増幅モジュールに関連付けられた寄生キャパシタンスであることができる。従って、人工伝送ラインの特性インピーダンスは、Ｚ₀＝（Ｌ／Ｃ）^1/2によって与えられる。即ち、周波数依存性ではなく、これがＴＷＡの望ましい特性である。更に、インダクタンス及びキャパシタンスの値を注意深く選択することによって、特性インピーダンスをほぼ50Ωに設定することができる。この値は、ＴＷＡアプリケーションにおける工業標準である。増幅モジュールは、各モジュールのインダクタンス成分を互いに接続することによって、互いに接続される。使用されるインダクタンス成分は100Ωの領域の高い特性インピーダンスを有している。

ＴＷＡの各増幅モジュールの遮断周波数は、その入力及び出力人工伝送ラインのインダクタンス及びキャパシタンスに関係している。遮断周波数は、インダクタンスとキャパシタンスとの積の平方根に逆比例する。遮断周波数を高くするために、インダクタンス及びキャパシタンスを小さくすることができる。インダクタンスを小さくするために、各人工伝送ラインのインダクタンス成分の長さを短縮することができる。しかしながら、これは多くの問題をもたらし得る。例えば、各増幅モジュールは有限のサイズを有している。もしインダクタンス成分の長さを短くすれば、それらはモジュールを互いに接続するのに十分なサイズではなくなる。これは、増幅モジュールを互いに接続するために使用されるインダクタンス成分の所要の長さよりも、増幅モジュール間の最小分離が長いことがあり得るようなミリメートル波アプリケーション（即ち、高周波数アプリケーション（適用））において特に然りであり得る。

多くのＴＷＡに伴う別の問題は、各増幅モジュールの入力及び出力人工伝送ライン内の相速度の差が原因で発生する。各モジュールからの増幅された信号を混合することを望む場合、これらの等しくない相速度が総合出力信号にキャンセルをもたらす恐れがある。この問題は、各モジュールの出力人工伝送ライン内のインダクタンス成分の電気的長さを、入力人工伝送ライン内のインダクタンス成分の電気的長さに等しくすることによって解消することができる。しかしながら、出力人工伝送ライン内のインダクタンス成分の長さを増加させることは、所望の遮断周波数及びリターン損失に悪影響をもたらし得る。

本発明によれば、２つまたはそれ以上の増幅モジュールからなる進行波増幅器が提供される。隣接する増幅モジュールの入力は、第１の特性インピーダンスの第１のインダクタンス成分と、第２の特性インピーダンスの第２のインダクタンス成分と、実質的に第１の特性インピーダンスの第３のインダクタンス成分とによって互いに接続される。第１の特性インピーダンスは、第２の特性インピーダンスよりも大きい。

隣接する増幅モジュールの出力は、第１の特性インピーダンスの第１のインダクタンス成分と、第２の特性インピーダンスの第２のインダクタンス成分と、実質的に第１の特性インピーダンスの第３のインダクタンス成分とによって互いに接続することができる。第１の特性インピーダンスは、第２の特性インピーダンスよりも大きい。

各増幅モジュールの出力には、出力インダクタンス成分を設けることができる。これによってモジュールを、第１、第２、及び第３のインダクタンス成分に接続することができる。出力インダクタンス成分の特性インピーダンスは、第１及び第３のインダクタンス成分の特性インピーダンスと実質的に等しくすることができる。

隣接する増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続する第２のインダクタンス成分の特性インピーダンスは、好ましくは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンスと実質的に等しくする。好ましくは、１つまたは複数の第２のインダクタンス成分の特性インピーダンスは、実質的に50Ωである。これは進行波アプリケーションのための工業標準であり、ＴＷＡのような回路及びそれらが接続される回路は一般に、それらが実質的に50Ωの特性インピーダンスを有するように構成される。勿論、１つまたは複数の第２のインダクタンス成分の特性インピーダンスは、例えば40Ωまたは30Ωのように50Ω以外であることができる。第１及び第３のインダクタンス成分は、実質的に80Ω、または100Ω、または120Ω、またはそれより高い特性インピーダンスを有することができる。

第２のインダクタンス成分を付加することによって、高周波数アプリケーションにおいてでも、隣接する増幅モジュールの入力または出力の何れかの間の接続を、モジュール間に届かせるのに十分な長さにすることができる。隣接する増幅モジュールの入力または出力の何れかの間の接続内に第２の、より低い特性インピーダンスのインダクタンス成分を使用しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。

隣接する増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続する第２のインダクタンス成分は、好ましくは伝送ラインからなる。伝送ラインは、マイクロストリップ伝送ラインであることができる。マイクロストリップ伝送ラインは、例えば金合金のような金属トラックで形成することができる。

隣接する増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続する第１及び第３のインダクタンス成分は各々、インダクタまたは伝送ラインであることができる。伝送ラインは、マイクロストリップ伝送ラインであることができる。マイクロストリップ伝送ラインは、例えば金合金のような金属トラックで形成することができる。

増幅モジュールの入力を接続する各インダクタンス成分は、共通入力ラインの一部を構成することができる。共通入力ラインは、ＴＷＡの単一の入力ポートに接続することができる。従って、ＴＷＡへの信号入力の一部が各増幅モジュールへ印加され、そこで増幅される。増幅モジュールの出力を接続する各インダクタンス成分は、共通出力ラインの一部を構成することができる。共通出力ラインは、ＴＷＡの単一の出力ポートに接続することができる。従って、ＴＷＡからの出力信号を混合してＴＷＡ出力信号（共通出力ポートを通して、共通出力ラインを介する出力）を得ることができる。

各増幅モジュールからの出力信号を混合してＴＷＡ出力信号を得ることを望む場合には、明らかに、モジュールからの信号が実質的に同一の位相を有していることが望ましい。さもなければ、信号を混合する時に、幾らかがキャンセルされ、従ってＴＷＡ信号の損失が発生してしまう。１対の隣接する増幅モジュールの出力を接続する第２のインダクタンス成分の長さは、１対の隣接する増幅モジュールの入力を接続する第２のインダクタンス成分の長さよりも大きくすることができる。これは、多くの型のＴＷＡに発生し得る入力ラインと出力ラインとの間の相速度の何等かの差を解消するために使用することができる。隣接する増幅モジュールの出力間の接続内により長い第２のインダクタンス成分を使用しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。

ＴＷＡの共通入力ラインには、１つまたはそれ以上の抵抗のような終端素子を設けることができる。好ましくは、ライン内の最後の増幅モジュールに接する共通入力ライン内に抵抗を配置する。ＴＷＡの共通出力ラインには、１つまたはそれ以上の抵抗のような終端素子を設けることができる。好ましくは、ライン内の最初の増幅モジュールに接する共通出力ライン内に抵抗を配置する。ＴＷＡの動作周波数を高めることが望まれるので、共通入力ライン及び出力ラインを構成するインダクタンス成分の長さはより短くする。従って、終端抵抗はラインに接続されている増幅モジュールに益々近付けて配置されるが、これはそれらの間に不要な結合をもたらしかねない。ＴＷＡの共通入力ラインは、ラインに接続されている増幅モジュールから抵抗を離間させるために配置される１つまたはそれ以上のインダクタンス成分からなることができる。例えば、インダクタンス成分を、ラインに接続される最後の増幅モジュールと抵抗との間に配置することができる。ＴＷＡの共通出力ラインは、ラインに接続されている増幅モジュールから抵抗を離間させるために配置される１つまたはそれ以上のインダクタンス成分からなることができる。例えば、インダクタンス成分を、ラインに接続される最初の増幅モジュールと抵抗との間に配置することができる。従って、抵抗は増幅モジュールから遠去けられ、結合の可能性は低下する。インダクタンス成分は、好ましくは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンスと実質的に等しくする。好ましくは、各インダクタンス成分の特性インピーダンスは実質的に50Ωである。これらのインダクタンス成分を付加しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。

各増幅モジュールは、好ましくは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンスと実質的に等しくする。好ましくは、各モジュールの特性インピーダンスは実質的に50Ωである。上述したように、これは進行波アプリケーションにおける工業標準である。

各増幅モジュール及びその入力及び／または出力間に接続される少なくとも幾つかのインダクタンス成分は、好ましくは、ＴＷＡへの信号入力のための、及びＴＷＡからの信号出力のための伝送ラインを構成する。詳述すれば、各増幅モジュールは、その入力において２つのインダクタンス成分に接続することができる。一方のインダクタンス成分は、第１の増幅モジュールを第２の増幅モジュールに接続する第３のインダクタンス成分からなることができ、他方のインダクタンス成分は、第２の増幅モジュールを第３の増幅モジュールに接続する第１のインダクタンス成分からなることができる。同様に、各増幅モジュールは、その出力において２つのインダクタンス成分に接続することができる。この場合も、一方のインダクタンス成分は、第１の増幅モジュールを第２の増幅モジュールに接続する第３のインダクタンス成分からなることができ、他方のインダクタは、第２の増幅モジュールを第３の増幅モジュールに接続する第１のインダクタからなることができる。各増幅モジュールは、１つまたはそれ以上のキャパシタンスを提供し得る。各増幅モジュールは、好ましくは、その入力に１つのキャパシタンスと、その出力に１つのキャパシタンスとを提供する。各増幅モジュールの入力キャパシタンスは、好ましくは並列キャパシタンスであり、増幅モジュールの入力に接続されている２つのインダクタンス成分に接続される。これらのインダクタンス成分は、好ましくは互いに直列である。直列インダクタンス成分及び並列キャパシタンスは、増幅モジュールへの信号入力の伝送ラインとなるように動作させることができる。同様に、各増幅モジュールの出力キャパシタンスは、好ましくは並列キャパシタンスであり、増幅モジュールの出力に接続されている２つのインダクタンス成分に接続される。これらのインダクタンス成分は、好ましくは互いに直列である。直列インダクタンス成分及び並列キャパシタンスは、増幅モジュールからの信号出力の伝送ラインとなるように動作させることができる。

各増幅モジュールは、１つまたはそれ以上のトランジスタからなることができる。これらは、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、またはバイポーラトランジスタ、またはそれらの組合わせであることができる。増幅モジュールが１つまたはそれ以上のＦＥＴからなる場合には、ＦＥＴを接地に接続するために、これらの各々に１つまたはそれ以上のバイア（via）を設けることができる。ＦＥＴ間の接続は、バイアの周りに届くことができる長さを有していなければならないであろう。第２の、より低い特性インピーダンスのインダクタンス成分を入力及び出力ライン内に付加することによって、このような接続が可能になる。

増幅モジュールが１つのＦＥＴからなる場合には、モジュールの入力キャパシタンスはＦＥＴのゲートとソースとの間の寄生キャパシタンスを利用することができ、モジュールの出力キャパシタンスはＦＥＴのドレインとソースとの間の寄生キャパシタンスを利用することができる。

ＴＷＡは、マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）ＴＷＡであることができる。ＴＷＡは、好ましくは、ミリメートル範囲内の波長を有する信号を増幅することができる。ＴＷＡは、好ましくは、少なくとも実質的に100ｋＨｚ乃至実質的に50ＧＨｚまでの、またはそれより高い、またはそれより低い範囲内の波長を有する信号を増幅することができる。従って、本発明のＴＷＡは、一般的なＴＷＡの上限動作周波数を拡張する。ＴＷＡの利得は、好ましくはＴＷＡが動作する周波数範囲にわたって、好ましくはほぼ10ｄＢ、またはそれ以上、またはそれ以下である。

以下に、本発明によるＴＷＡの回路図を示している添付図面を参照して、本発明の特定の実施例を詳細に説明する。

進行波増幅器１は、ＭＭＩＣ ＴＷＡであり、４つの増幅モジュール２、３、４、及び５からなる。明瞭化のために、バイアス回路は省略してある。モジュール２と３、モジュール３と４、及びモジュール４と５の入力は、第１のインダクタンス成分６、第２のインダクタンス成分７、及び第３のインダクタンス成分８によって互いに接続されている。増幅モジュール２と３、モジュール３と４、及びモジュール４と５の出力は、第１のインダクタンス成分９、第２のインダクタンス成分１０、及び第３のインダクタンス成分１１によって互いに接続されている。各モジュールの出力には、それらをインダクタンス成分９、１０、及び１１に接続するインダクタンス成分１２が設けられている。

インダクタンス成分６乃至１２は、各々、マイクロストリップ伝送ラインからなる。これらは、金合金トラックで形成されている。伝送ライン７及び１０の特性インピーダンスは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンスと実質的に等しい。この場合、この特性インピーダンスは実質的に50Ωであり、これはＴＷＡ及びそれらに接続されている回路のための工業標準である。伝送ライン６、８、９、１１、及び１２の特性インピーダンスは、実質的に100Ωである。

増幅モジュールの入力を接続している各伝送ライン６、７、及び８は、共通入力ライン１３の一部を構成している。これは、50Ωの伝送ライン１５及び100Ωの伝送ライン１６を介してＴＷＡの単一の入力ポート１４に接続されている。従って、ＴＷＡへの信号入力の一部が各増幅モジュールへ印加され、そこで増幅される。

増幅モジュールの出力を接続している各伝送ライン９、１０、１１、及び１２は、共通出力ライン１７の一部を構成している。これは、50Ωの伝送ライン１９及び100Ωの伝送ライン２０を介してＴＷＡの単一の出力ポート１８に接続されている。従って、ＴＷＡからの出力信号は混合され、共通出力ポート１８を介して出力される。

インダクタンス成分１５、１６、１９、及び２０は、マイクロストリップ伝送ラインからなる。これらも、金合金トラックで形成されている。

各増幅モジュールは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンス（この場合、実質的に50Ω）と実質的に等しい特性インピーダンスを有している。以上から、各増幅モジュールはその入力を２つの伝送ラインに接続されており、それらと共に50Ωの伝送ラインを形成していることが理解されよう。同様に、各増幅モジュールはその出力を２つの伝送ラインに接続されており、それらと共に50Ωの伝送ラインを形成している。

各増幅モジュールはＦＥＴ ２１からなり、ＦＥＴを接地に接続するための２つのバイア２２が設けられている。ＦＥＴのゲートとソースとの間の寄生キャパシタンスが、各モジュールの入力におけるキャパシタンスになっている。同様に、ＦＥＴのドレインとソースとの間の寄生キャパシタンスが、各モジュールの出力におけるキャパシタンスになっている。各モジュールの入力キャパシタンスは並列キャパシタンスであり、増幅モジュールの入力に接続されている２つの伝送ラインに接続されている。これらの伝送ラインは、互いに直列である。直列伝送ライン及び並列キャパシタンスは、増幅モジュールへの信号入力のための50Ω伝送ラインが得られるように動作する。同様に、各モジュールの出力キャパシタンスは並列キャパシタンスであり、増幅モジュールの出力に接続されている２つの伝送ラインに伝送ライン１２を介して接続されている。これら２つの伝送ラインは、互いに直列である。直列伝送ライン及び並列キャパシタンスは、増幅モジュールからの信号出力のための50Ω伝送ラインが得られるように動作する。

ＴＷＡ１は、ミリメートル範囲の波長を有する信号を増幅することができる。このＴＷＡは、実質的に100ｋＨｚ乃至実質的に50ＧＨｚまでの範囲内の波長を有する信号を増幅することができる。ＴＷＡの利得は、ＴＷＡが動作する全周波数範囲にわたってほぼ10ｄＢである。

より低い特性インピーダンスの伝送ライン７及び１０を付加することによって、隣接する増幅モジュールの入力と出力との間の接続を、モジュール間に届かせる、特にバイア２２の周りに届かせるのに十分な長さにすることができる。隣接する増幅モジュールの入力間の、または出力間の接続内に伝送ライン７、１０を使用しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。

各増幅モジュールからの出力信号を混合してＴＷＡ出力信号を得る場合、モジュールからの信号は実質的に同一の位相を有していることが望ましいのは明白である。そうでなければ、信号を混合した時にあるキャンセルを生じ、従ってＴＷＡ信号の損失が発生するようになる。１対の隣接する増幅モジュールの出力を接続している伝送ライン１０の長さは、１対の隣接する増幅モジュールの入力を接続している伝送ライン７の長さよりも大きくされる。これにより、各モジュールのＦＥＴのゲートとソースとの間の寄生キャパシタンスが、ドレインとソースとの間の寄生キャパシタンスよりも大きいために生ずる入力ラインと出力ラインとの間の相速度の差を解消することができる。隣接する増幅モジュールの出力間の接続内にこのような長い伝送ラインを使用しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。

ＴＷＡの共通入力ライン１３には、ライン内の最後の増幅モジュール５に接して配置され且つ50Ω伝送ライン２４及び100Ω伝送ライン２５によってそれに接続されている抵抗２３が設けられている。同様に、ＴＷＡの共通出力ライン１７には、ライン内の最初の増幅モジュール２に接して配置され且つ50Ω伝送ライン２７及び100Ω伝送ライン２８（それぞれ、金合金で作られている）によってそれに接続されている抵抗２６が設けられている。抵抗２３、２６は、これらのラインを終端するように機能する。伝送ライン２４及び２７は、抵抗２３、２６を増幅モジュールから遠去けるために、従って増幅モジュールと抵抗との間の結合の可能性を低下させるために使用される。これらの伝送ラインを付加しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。

本発明によるＴＷＡの回路図である。

Claims (17)

1. ２つまたはそれ以上の増幅モジュール（２、３、４、５）を含む進行波増幅器（ＴＷＡ）であって、隣接する前記増幅モジュール（２と３、３と４、４と５）の入力は、第１（６）、第２（７）、第３（８）の伝送ラインによって互いに接続され、前記第１、第３の伝送ラインは、単位長さ当たり第１のインダクタンスを有し、前記第２の伝送ラインは、単位長さ当たり第１のインダクタンスと異なる単位長さ当たり第２のインダクタンスを有し、前記伝送ラインは、前記第２の伝送ラインが前記第１と第３の伝送ラインの間に配列されて直列に配置され、ＴＷＡの共通入力ライン（１３）の一部を構成し、
   隣接する前記増幅モジュール（２と３、３と４、４と５）の出力は、第１（９）、第２（１０）、第３（１１）の伝送ラインによって互いに接続され、前記第１、第３の伝送ラインは、単位長さ当たり第１のインダクタンスを有し、前記第２の伝送ラインは、単位長さ当たり第１のインダクタンスと異なる単位長さ当たり第２のインダクタンスを有し、前記伝送ラインは、前記第２の伝送ラインが前記第１と第３の伝送ラインの間に配列されて直列に配置され、ＴＷＡの共通出力ライン（１７）の一部を構成し、
   １対の前記増幅モジュールの出力を接続している第２の伝送ライン（１０）の長さは、１対の前記増幅モジュールの入力を接続している第２の伝送ライン（７）の長さより大きいことを特徴とするＴＷＡ。
2. 前記各増幅モジュールの出力には、出力インダクタンス成分（１２）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＡ。
3. 前記出力インダクタンス成分（１２）は、前記増幅モジュールを前記第１、及び第３の伝送ラインに接続していることを特徴とする請求項２に記載のＴＷＡ。
4. 前記各出力インダクタンス成分（１２）の特性インピーダンスは、前記第１及び第３の伝送ライン（９、１１）の特性インピーダンスと実質的に等しいことを特徴とする請求項２に記載のＴＷＡ。
5. 隣接する前記増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続している前記第２の伝送ライン（７、１０）の特性インピーダンスは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンスと実質的に等しいことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のＴＷＡ。
6. 前記第２の伝送ライン（７、１０）の特性インピーダンスは、実質的に50Ωであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のＴＷＡ。
7. 前記第１（６、９）及び第３の伝送ライン（８、１１）は、実質的に100Ωの特性インピーダンスを有していることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のＴＷＡ。
8. 隣接する前記増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続している前記第２の伝送ライン（７、１０）は、マイクロストリップ伝送ラインからなることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のＴＷＡ。
9. 隣接する前記増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続している前記第１及び第３の伝送ライン（６、８、９、１１）は各々、マイクロストリップ伝送ラインからなることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のＴＷＡ。
10. 前記共通入力ラインは、前記ＴＷＡの単一の入力ポート（１４）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＡ。
11. 前記共通出力ラインは、前記ＴＷＡの単一の出力ポート（１８）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＡ。
12. 前記ＴＷＡの共通入力ライン（１３）には、１つまたはそれ以上の抵抗（２３）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＡ。
13. 前記ＴＷＡの共通入力ラインは、前記抵抗（２３）を、前記ラインに接続されている増幅モジュールから離間させるために配置されている１つまたはそれ以上のインダクタンス成分（２４、２５）を含むことを特徴とする請求項１２に記載のＴＷＡ。
14. 前記入力ラインに接続されている最後の増幅モジュールと抵抗との間に、インダクタンス成分が配置されていることを特徴とする請求項１３に記載のＴＷＡ。
15. 前記ＴＷＡの共通出力ライン（１７）には、１つまたはそれ以上の抵抗（２６）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＡ。
16. 前記ＴＷＡの共通出力ラインは、前記抵抗（２６）を、前記ラインに接続されている増幅モジュールから離間させるために配置されている１つまたはそれ以上のインダクタンス成分（２７、２８）を含むことを特徴とする請求項１５に記載のＴＷＡ。
17. 前記出力ラインに接続されている最初の増幅モジュールと抵抗との間に、インダクタンス成分が配置されていることを特徴とする請求項１６に記載のＴＷＡ。

Images