JP4743077B2 - 高周波電力増幅器 - Google Patents

Description

この発明は、高周波電力増幅器に関するもので、特に移動体通信、衛星通信用などのマイクロ波帯、ミリ波帯、例えば数ＭＨｚから数１００ＧＨｚの通信機器に用いられる高周波電力増幅器に関する。

近年、マイクロ波帯、ミリ波帯において使用される通信機器はますます小形で高出力な機器が要求されている。これに加えて伝播される信号の品質に対する要求が高くなり、これに伴って歪みが少なく高効率な高周波電力増幅器が求められるようになってきた。
特にマルチキャリア信号や近年のＣＤＭＡ方式などの変調波信号を用いるマイクロ波通信システムにおいては、信号増幅を行う増幅器の非線形性によって生じる歪みの影響を避けるため、最大電力より遙かに低い出力レベルで増幅器を動作させて用いている。

移動体通信や衛星通信用地上局に使用される高出力電力増幅器においては、大電力を増幅するためにゲート幅が大きいトランジスタ素子を使用する必要があり、多数のゲートフィンガ形のトランジスタを並列に接続して合成して、大ゲート幅のトランジスタ素子を構成する。このような多数のゲートフィンガ形のトランジスタを並列に接続し大ゲート幅のトランジスタ素子を構成した場合には、必然的にトランジスタ素子の入出力インピーダンスが小さくなり、このトランジスタ素子の動作周波数において、このトランジスタ素子とインピーダンス整合させるための整合回路負荷も非常に小さくなる。
高周波増幅器においては入力側の２次高調波を短絡に近い負荷条件にすれば高効率で動作することが知られている。しかしながら高周波電力増幅器のような大ゲート幅のトランジスタ素子を高効率で動作させることを目的として、動作周波数の２次高調波を短絡に近い負荷条件にするためには、動作周波数の基本波に対して非常に低いインピーダンスの整合回路負荷としていることに加え、動作周波数の高調波に対してさらに低インピーダンスの整合回路負荷とすることが必要になる。

公知の高周波電力増幅器としては、、電力用トランジスタのゲートと入力側整合用線路との間にある接続点Ｂと接地端との間に、電気長が基本周波数に対してほぼ１／４波長に相当する長さを有する第２の線路とコンデンサとが直列に接続された回路を備えた構成が示され、この回路によりＢ点から第２の線路を見たインピーダンスがほぼ０になり、２次高調波に対する入力インピーダンスを、基本波に対する入力インピーダンスに影響を与えることなく制御することができ、動作効率を高めることができることが開示されている（例えば、特許文献１、段落番号［００３９］及び図２参照）。
また他の公知の電力増幅器としては、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴ間の第１経路Ａ及び第２経路Ｂに半導体チップからなる電力増幅用デバイスであるＧａＡｓＦＥＴがそれぞれソース接地で配置され、これらのＧａＡｓＦＥＴそれぞれの入力側および出力側に、等価回路としての共振回路を有する入力整合回路、出力整合回路を備えた構成が開示されている（例えば、特許文献２、段落番号［０００６］及び図１参照）。
またもう一つの公知の広帯域電力増幅回路においては、３個の電力増幅器それぞれの前後段に、周波数増幅特性を規定するための、所定の通過域のバンドパスフィルターが配置された構成が示されている。これらのバンドパスフィルタが配置されたことにより３個の電力増幅器は連続する三つの周波数帯域で順次周波数増幅特性を持つ狭帯域電力増幅器として構成される例が示されている（例えば、特許文献３、段落番号［０００６］及び図１および２ 参照）。

特開平８−３７４３３号公報 特開２００５−１０９６５１号公報 特開２００２−４３８７３号公報

しかしながら、上記に記載した各特許文献に示された電力増幅器においては、一つの電力用トランジスタとして、或いは一つのチップとして入出力端が各々合成されたトランジスタ素子の外部回路側に高調波を制御する回路や共振回路やバンドパスフィルタが配置されている。
高周波電力増幅器のような大ゲート幅のトランジスタ素子の高調波を制御する場合には、従来のように入出力端が各々合成されたトランジスタ素子の外部回路側に高調波を制御する処理回路を付加しても、高調波に対する低インピーダンス付加を得ることが困難になるという問題点があった。さらにトランジスタ素子の動作周波数に帯域幅がある場合には、動作周波数のみならず２次或いはそれ以上の高調波周波数にも帯域幅があり、入力負荷を広帯域に制御する必要がある。
この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、第１の目的は出力効率が高く、広い周波数帯域において良好な歪み特性を有する高周波電力増幅器を提供することである。

この発明に係る高周波電力増幅器は、並列接続された複数のマルチフィンガー形のトランジスタで形成され、入力信号が入力される制御端子と定電位端に接続される第１の端子と出力信号が出力される第２の端子とを有する単位トランジスタが第１の半導体基板上に複数個配設されたトランジスタ素子と、このトランジスタ素子の複数の単位トランジスタそれぞれが個別に制御端子と定電位端との間にシャント接続された第１の直列共振回路を有し、この第１の直列共振回路が第２の半導体基板上に配設された高周波処理回路と、トランジスタ素子の複数個の制御端子を相互に接続する第１の接続配線と、トランジスタ素子の複数個の第２の端子を相互に接続する第２の接続配線と、第１の接続配線に接続された入力整合回路と、第２の接続配線に接続された出力整合回路と、を備え、第１の直列共振回路の二つがトランジスタ素子の動作周波数帯域に含まれる周波数の２次以上の高調波共振回路であって互いに異なる共振周波数を有するとともに、この互いに異なる共振周波数を有する二つの第１の直列共振回路が複数配設されたものである。

この発明に係る高周波電力増幅器においては、第１の直列共振回路がトランジスタ素子を構成する単位トランジスタの制御端子と定電位端との間にシャント接続され、動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波の所望の周波数で共振するように設定されるので、トランジスタ素子の制御端子側から見て、動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波に対する高調波負荷を、容易により低いインピーダンスに制御することが可能となる。さらに第１の直列共振回路の二つがトランジスタ素子の動作周波数帯域に含まれる周波数の２次及びそれ以上の高調波であって互いに異なる共振周波数を有するので、高周波処理回路に動作周波数帯域の高調波に対する二つの異なる共振周波数を有する第１の直列共振回路が混在することになり、一つの共振周波数のみの共振回路を設けた場合に比べて動作周波数帯域における歪みの変化をより少なくすることができ、比較的広い帯域で変化の少ない歪み特性を得ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の部分平面図である。
また図２はこの発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器のＦＥＴ素子と高周波処理回路とを示す部分平面図である。
図１において、高周波電力増幅器１０は、トランジスタ素子としてのＦＥＴ素子１２、高周波処理回路１４、第１の接続配線としてのゲート接続配線１６およびワイヤ１８、ゲート接続配線１６と接続された入力整合回路２０、第２の接続配線としてのドレイン接続配線２２及びワイヤ２４、ならびにドレイン接続配線２２に接続された出力整合回路２６、それぞれが金属基板、例えば銅タングステンからなるＰＨＳ２８の表面上に配設された構成になっている。
ＦＥＴ素子１２は、第１の半導体基板としての一体的なＧａＡｓ基板１２ａ上に形成された単位トランジスタとしての単位ＦＥＴ３０を複数個並列に接続している。
単位ＦＥＴ３０は制御端子としてのゲートパッド３０ａ、第１の端子としてのソースパッド３０ｂ、第２の端子としてのドレインパッド３０ｃを備えている。
各単位ＦＥＴ３０のゲートパッド３０ａはワイヤ１８を介してゲート接続配線１６に集約され、このゲート接続配線１６がさらに入力整合回路２０に接続されている。
この実施の形態においては、各単位ＦＥＴ３０のソースパッド３０ｂはビアホール３０ｄを経由して定電位端としての、例えば接地端に接続されている。
また、この実施の形態においては、ドレインパッド３０ｃは各単位ＦＥＴ３０毎に分割されておらずに、一体的に形成されているが、各ドレインパッド３０ｃからそれぞれワイヤ２４を介してドレイン接続配線２２に集約され、ドレイン接続配線２２が出力整合回路２６に接続されている。

図２において、単位ＦＥＴ３０は複数のマルチフィンガー形の、例えば電界効果型トランジスタを多数並列に接続して構成されている。単位ＦＥＴ３０のゲートパッド３０ａは一群のゲートフィンガー３０ｅの一端を集約して接続したものである。
同様に単位ＦＥＴ３０のソースパッド３０ｂは、ゲートパッド３０ａに集約された一群のゲートフィンガー３０ｅ各々に隣接する一群のソースフィンガー３０ｆの一端を集約し接続している。
また同様にドレインパッド３０ｃはゲートパッド３０ａに集訳された一群のゲートフィンガー３０ｅ各々に隣接する一群のドレインフィンガー３０ｇの一端を集約し接続している。
高周波処理回路１４は、各単位ＦＥＴ１２に対応する第１の直列共振回路としての直列共振回路３２が、各単位ＦＥＴ３０に隣接して第２の半導体基板としてのＧａＡｓ基板１４ａ上に複数個配設された構成になっている。
直列共振回路３２は、この実施の形態においては、一端がワイヤ３４を介してゲートパッド３０ａと接続され、他端がワイヤ３６を介してビアホール３０ｄに接続されている。即ち直列共振回路３２はゲートパッド３０ａと接地端との間にシャント接続されている。 この直列共振回路３２は例えばＭＩＭキャパシタで形成されたキャパシタ３２ａと、例えばスパイラルインダクタで形成されたインダクタ３２ｂとが直列に接続されている。
但し図２に示された実施の形態においては直列共振回路３２がワイヤ３４によりゲートパッド３０ａと接続され、ワイヤ３６によりビアホール３０ｄと接続されているので、これらのワイヤ３４およびワイヤ３６も直列共振回路３２のインダクタ３２ｂに含まれる。

図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるソースパッドの部分断面図である。
図３において、ソースパッド３０ｂはエアブリッジ構造になっていて、脚部でソースフィンガー３０ｆと接合しつつ、ゲートフィンガー３０ｅおよびドレインフィンガー３０ｇを空気を介して跨いでいる。
またＧａＡｓ基板１２ａの構成はＧａＡｓ基板本体３８と、このＧａＡｓ基板本体３８の表面上にＧａＡｓのエピタキシャル成長により形成され、能動層が形成されているＧａＡｓエピ層４０と、ＧａＡｓ基板本体３８の裏面に形成されたＡｕ層４２を備えた構成になっている。そしてＧａＡｓ基板１２ａのＡｕ層４２が半田などの接合材によりＰＨＳ２８の表面上に接合されている。
直列共振回路３２が形成されているＧａＡｓ基板１４ａの構成もＧａＡｓ基板１２ａの構成と同様であり、ＧａＡｓ基板１４ａも接合材によりＰＨＳ２８の表面上に接合されている。

図４はこの発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の等価回路図である。
図４において、高周波電力増幅器１０の等価回路図の回路要素と図１及び２における高周波電力増幅器１０の構成要素とを対応付けて符号が付されている。加えて信号の入力端４４および出力端４６が設けられている。さらに直列共振回路３２を図の上端から順に３２（１）、３２（２）、３２（３）、・・・・、３２（ｋ−１）、３２（ｋ）と仮に番号を付しておく。
直列共振回路３２はそれぞれ動作周波数帯域に含まれる動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波共振回路となるように設定されている。そしてこの直列共振回路３２はゲートパッド３０ａを介して単位ＦＥＴ３０のゲート電極に接続されている。
従来の構成であればトランジスタ素子自体の内部側ではなく、トランジスタ素子の外部回路要素として高調波を制御する回路が配置されている。これに対して、この実施の形態に係る高周波電力増幅器１０においては、動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波共振回路として設定された直列共振回路３２が、ＦＥＴ素子１２を構成している単位ＦＥＴ３０のゲート電極と接地端との間にシャント接続されているので、直列共振回路３２がＦＥＴ素子１２自体の内部回路側にシャント接続されたことになる。
従って、従来の構成では高調波に対する低インピーダンス負荷を得ることが困難であったが、高周波電力増幅器１０においては、ＦＥＴ素子１２を構成する単位ＦＥＴ３０のゲート電極と接地端との間に所望の高調波共振周波数を有する直列共振回路３２がシャント接続され、所望の周波数で共振するように設定されるので、ＦＥＴ素子１２のゲート側から見て、動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波に対する高調波負荷を、容易により低いインピーダンスに制御することが可能となる。
さらにＦＥＴ素子１２の動作周波数には帯域幅があるので、動作周波数のみならず２次或いはそれ以上の高調波周波数にも帯域幅があり、入力負荷を広帯域に制御する必要がある。このために高周波処理回路１４に、動作周波数帯域の２次及びそれ以上の高調波の周波数であって互いに異なる共振周波数を有する直列共振回路３２が混在するように配設される。

図５はこの発明に係る高周波電力増幅器の直列共振回路の共振周波数を説明する模式図である。
図５において、ｆａ、ｆｂ、ｆｃは直列共振回路３２の共振周波数、ｆ１は高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の下限の動作周波数、ｆ２は高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の上限の動作周波数である。
図５（ａ）は、直列共振回路３２の一つの共振周波数ｆａを、高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の下限の動作周波数ｆ１の２次高調波２ｆ１とし、もう一つの共振周波数ｆｂを、高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の上限の動作周波数ｆ２の２次高調波２ｆ２としたものである。
図５（ｂ）は、直列共振回路３２の一つの共振周波数ｆａを、高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の下限の動作周波数ｆ１と上限の動作周波数ｆ２との中央値である（ｆ１＋ｆ２）／２の２次高調波の周波数（ｆ１＋ｆ２）と高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の下限の動作周波数ｆ１の２次高調波２ｆ１との中央値である（３ｆ１＋ｆ２）／２とし、もう一つの共振周波数ｆｂを、高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の下限の動作周波数ｆ１と上限の動作周波数ｆ２との中央値である（ｆ１＋ｆ２）／２の２次高調波の周波数（ｆ１＋ｆ２）と高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の上限の動作周波数ｆ２の２次高調波２ｆ２との中央値である（ｆ１＋３ｆ２）／２としたものである。
この二つの場合には、例えば直列共振回路３２（１）の共振周波数をｆａとした場合には、直列共振回路３２（２）の共振周波数をｆｂとし、直列共振回路３２（３）の共振周波数をｆａ、直列共振回路３２（４）の共振周波数をｆｂとなるように交互に配置し、直列共振回路３２（ｋ）において、ｋの約数として２が含まれるのであれば、直列共振回路３２（ｋ−１）の共振周波数がｆａに、直列共振回路３２（ｋ）の共振周波数がｆｂに設定される。
このように高周波処理回路１４に異なる共振周波数を有する直列共振回路３２を交互にバランスよく配置することにより、ＦＥＴ素子１２に全体として均一な動作をさせることができる。

図５（ｃ）は、直列共振回路３２の共振周波数としてｆａ、ｆｂ、ｆｃの三つを設定した場合である。
この場合は、例えば共振周波数ｆａを、高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の下限の動作周波数ｆ１の２次高調波２ｆ１とし、共振周波数ｆｂを高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の下限の動作周波数ｆ１と上限の動作周波数ｆ２との中央値である（ｆ１＋ｆ２）／２の２次高調波の周波数（ｆ１＋ｆ２）とし、ｆｃとして高周波電力増幅器１０の動作周波数帯域の上限の動作周波数ｆ２の２次高調波２ｆ２としたものである。
この場合も、例えば直列共振回路３２（１）の共振周波数をｆａとし、直列共振回路３２（２）の共振周波数をｆｂとし、直列共振回路３２（３）の共振周波数をｆｃとし、残りの直列共振回路３２が共振周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃを順次交互に繰り返すように設定される。
直列共振回路３２（ｋ）において、ｋの約数として３が含まれるのであれば、直列共振回路３２（ｋ−２）の共振周波数がｆａに、直列共振回路３２（ｋ−１）の共振周波数がｆｂに、直列共振回路３２（ｋ）の共振周波数がｆｃに設定される。
この他に、共振周波数をｆａとして２ｆ１、ｆｂとして２ｆ２、ｆｃとしてｆ１＋ｆ２とする場合などがある。共振周波数の選定に当たっては直列共振回路のＱ値を考慮した上で、より平坦な歪み特性が得られる組み合わせを選択すればよい。

ここで説明したのは、共振周波数として２つまたは３つの周波数を設定した場合であるが、さらに多くの共振周波数を設定してもよい。
また、ＦＥＴ素子１２の単位ＦＥＴ３０各々に直列共振回路３２が付加される場合には、単位ＦＥＴ３０と直列共振回路３２との数は同一になる。この場合直列共振回路３２の共振周波数の数は単位ＦＥＴ３０の数の約数になるように設定することがＦＥＴ素子１２全体の均一動作の観点からも望ましい。
なお、この実施の形態のＦＥＴ素子１２においては単位ＦＥＴ３０各々に直列共振回路３２が付加されている。基本的にはＦＥＴ素子１２においては単位ＦＥＴ３０各々に直列共振回路３２が付加されていることが望ましいが、必ずしも全ての単位ＦＥＴ３０に直列共振回路３２が付加されなくてもよい。

図６はこの発明に係る高周波電力増幅器の動作周波数に対する歪み特性を示すグラフである。
図６において、横軸は規格化された動作周波数で、縦軸は隣接チャネル漏洩電力（adjacent channel power ratio; 以下においては、ＡＣＰＲと略称する）で、単位はｄＢｃである。従って図６は規格化された動作周波数に対するＡＣＰＲの変化、言い替えれば歪みの変化を示している。
またΔｆは動作周波数帯域の中心周波数を中央とする±２％の周波数領域を示している。
図６において、実線で示された曲線ａは、この実施の形態に係るＦＥＴ素子１２に関するもので、各単位ＦＥＴ３０各々に直列共振回路３２が付加され、この直列共振回路３２の共振周波数をｆａ、ｆｂとするとともに、これらの共振周波数を有する直列共振回路３２を交互に配置し、混在させた場合である。
また、曲線ｂ及び曲線ｃは、曲線ａとの比較のために記載されたもので、破線で示された曲線ｂは各ＦＥＴ素子１２に付加した直列共振回路の共振周波数をすべてｆａとしたものである。
曲線ｃは各ＦＥＴ素子１２に付加した直列共振回路の共振周波数をすべてｆｂとしたものである。
曲線ｂの直列共振回路の共振周波数ｆａは動作周波数帯域の中心周波数の２次高調波に対応し、曲線ｃの直列共振回路の共振周波数ｆｂは、図６に示されるように、ｆａよりも３％程度高い周波数を共振周波数としている。

曲線ａの高周波処理回路１４は、曲線ｂの直列共振回路の共振周波数ｆａを有する直列共振回路３２と、曲線ｃの直列共振回路の共振周波数ｆｂを有する直列共振回路３２とを交互に配置し、混在させたものである。
動作周波数帯域内で、動作周波数が変化すると２次高調波が変化し、それに伴って２次高調波周波数での負荷が変化するために歪み特性が変化する。
曲線ａに示されるように、共振周波数をｆａ、ｆｂの直列共振回路３２を混在させた場合には、共振周波数をｆａとする直列共振回路のみを有する曲線ｂや共振周波数をｆｂとする直列共振回路のみを有する曲線ｃに比べて、ＡＣＰＲの極小値は少し高めであるが、周波数の変化に伴うＡＣＰＲの変化は少ない。すなわち、曲線ａについて云えば、動作周波数帯域の中心周波数の±２％の周波数領域で歪み特性が平坦化されていることが分かる。
従って、動作周波数の２次及びそれよりも高次の高調波を共振周波数とする直列共振回路３２の共振周波数ｆａ、ｆｂを適切に選定し、高周波処理回路１４にこれらの共振周波数を有する直列共振回路３２を適切に混在させることにより、高調波の入力負荷を広帯域に制御することが可能となるとともに、広い動作周波数帯域で歪みの少ない高周波電力増幅器を構成することができる。
直列共振回路３２（１）の共振周波数として、動作周波数の２次高調波の近辺の周波数を選定することを先に説明したが、２次以上の高調波、例えば３次高調波の周波数を選定してもよい。
すなわち共振周波数ｆａとして動作周波数の２次高調波またはその近辺の周波数を選択し、共振周波数ｆｂとして動作周波数の３次高調波またはその近辺の周波数を選択するものである。そして直列共振回路３２をこれらの共振周波数ｆａ、ｆｂが順次交互に繰り返されるように設定する。３次高調波近辺の共振周波数を有する直列共振回路３２を負荷することにより、動作周波数の５次以上の高次周波数に基づく相互変調歪みの抑制に効果がある。

変形例１
図７はこの発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の変形例の部分平面図である。
図７において示された高周波電力増幅器は基本的には実施の形態１の高周波電力増幅器１０と同じであるが、高周波電力増幅器１０においてはＦＥＴ素子１２のＧａＡｓ基板１２ａと高周波処理回路１４のＧａＡｓ基板１４ａと個別に形成されているが、この変形例の高周波電力増幅器においてはＧａＡｓ基板５０として一体的に形成されている。
このためにワイヤ３４に替えて直列共振回路３２の一端とゲートパッド３０ａとをＧａＡｓ基板５０の表面に配設された線路パターン５２により接続されている。またワイヤ３６に替えて直列共振回路３２の他端とビアホール３０ｄとをＧａＡｓ基板５０の表面に配設された線路パターン５４により接続されている。
従って、直列共振回路３２は直列に接続されたキャパシタ３２ａとインダクタ３２ｂとから構成されていることになる。このためにインダクタに含まれるワイヤが除かれたことにより、より正確な共振周波数を有する直列共振回路３２を構成することができる。
なお、図７におけるＶＩＩ−ＶＩＩ断面における断面図は図３に示されたものと同じである。

変形例２
図８はこの発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の直列共振回路の変形例を示す等価回路図である。
図８に示される直列共振回路は、図４に示された直列共振回路３２のキャパシタ３２ａに替えて可変容量としてダイオード５６を用いている。このダイオード５６を用いて容量を変えることにより、共振周波数を調整することが可能になる。
この直列共振回路３２においては、ダイオード５６の容量をＤＣバイアスの印加により変化させるためにダイオード５６のアノードとインダクタ３２ｂとの間にＤＣカット用のキャパシタ５８が設けられ、キャパシタ５８とダイオード５６のアノードとの間にＤＣ給電端子６０が設けられている。
また共振周波数を変更するために、インダクタ３２ｂをボンディングワイヤで形成し、その長さを変えることによりインダクタンスを変更してもよい。

実施の形態２．
図９はこの発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の等価回路図である。
図９において示されている高周波電力増幅器７０は、図４に示されている高周波電力増幅器１０と基本構成は同じであるが、高周波電力増幅器７０が高周波電力増幅器１０と相違するところは、高周波処理回路１４を構成する直列共振回路が、高周波電力増幅器１０においては直列共振回路３２が一つであるのに対して、高周波電力増幅器７０においては第２の直列共振回路としての直列共振回路７２が直列共振回路３２と並列に接続されていることである。高周波電力増幅器７０の他の構成は高周波電力増幅器１０と同じである。
直列共振回路７２は、各直列共振回路３２に隣接してＧａＡｓ基板１４ａ上に複数個配設された構成になっている。直列共振回路７２は、直列共振回路３２と同様に、一端がワイヤを介してゲートパッド３０ａと接続され、他端がワイヤを介してビアホール３０ｄに接続されている。即ち直列共振回路７２はゲートパッド３０ａと接地端との間にシャント接続されている。

この直列共振回路７２を構成する回路要素も直列共振回路３２と同様に構成されており、例えばＭＩＭキャパシタで形成されたキャパシタ７２ａと、例えばスパイラルインダクタで形成されたインダクタ７２ｂとが直列に接続されている。
ただ直列共振回路７２は直列共振回路３２と共振周波数を異にしている。図５において既に説明したように、例えば直列共振回路３２が共振周波数ｆａを有するとすれば、直列共振回路７２は共振周波数ｆｂを有するように構成されている。
このように各単位ＦＥＴ３０に対応して共振周波数の異なる直列共振回路３２と直列共振回路７２とを設けることにより、各単位ＦＥＴ３０毎に広い周波数帯域において歪み特性を良好にすることができる。また実施の形態１において述べたように直列共振回路３２と直列共振回路７２の一方の共振周波数を動作周波数の２次高調波およびその近傍の周波数にして、他方の共振周波数を動作周波数の３次高調波およびその近傍の周波数に選定してもよい。
上記の説明においてはなおマルチフィンガー形の電界効果型トランジスタを有するトランジスタ素子について説明したが、マルチフィンガー形のバイポーラトランジスタを有するトランジスタ素子についても同様の効果がある。

以上のように、この発明に係る高周波電力増幅器は並列接続された複数のマルチフィンガー形のトランジスタで形成され、入力信号が入力される制御端子と定電位端に接続される第１の端子と出力信号が出力される第２の端子とを有する単位トランジスタが第１の半導体基板上に複数個配設されたトランジスタ素子と、このトランジスタ素子の単位トランジスタの制御端子と定電位端との間にシャント接続された第１の直列共振回路が第２の半導体基板上に複数個配設された高周波処理回路と、トランジスタ素子の複数個の制御端子を相互に接続する第１の接続配線と、トランジスタ素子の複数個の第２の端子を相互に接続する第２の接続配線と、第１の接続配線に接続された入力整合回路と、第２の接続配線に接続された出力整合回路と、を備え、第１の直列共振回路の二つがトランジスタ素子の動作周波数帯域に含まれる周波数の２次及びそれ以上の高調波であって互いに異なる共振周波数を有するものである。

この構成を有する高周波電力増幅器においては、第１の直列共振回路がトランジスタ素子を構成する単位トランジスタの制御端子と定電位端との間にシャント接続され、動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波の所望の周波数で共振するように設定されるので、トランジスタ素子の制御端子側から見て、動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波に対する高調波負荷を、より低いインピーダンスに容易に制御することが可能となる。
さらに、第１の直列共振回路の二つがトランジスタ素子の動作周波数帯域に含まれる周波数の２次及びそれ以上の高調波の周波数であって互いに異なる共振周波数を有するので、高周波処理回路に動作周波数帯域の高調波に対する二つの異なる共振周波数を有する第１の直列共振回路が混在することになり、一つの共振周波数のみの共振回路を設けた場合に比べて動作周波数帯域における歪みの変化をより少なくすることができ、比較的広い帯域で変化の少ない歪み特性を得ることができる。延いては動作効率が高く比較的広い周波数帯域において良好な歪み特性を有する高周波電力増幅器を簡単な構成で得ることができる。

実施の形態３．
図１０はこの発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の等価回路図である。
図１０において示されている高周波電力増幅器８０は、図４に示されている高周波電力増幅器１０と基本構成は同じであるが、高周波電力増幅器８０が高周波電力増幅器１０と相違するところは、高周波電力増幅器１０がトランジスタ素子としてのＦＥＴ素子１２を使用しているのに対して高周波電力増幅器８０はトランジスタ素子としてのヘテロ接合バイポーラトランジスタ素子８２（以下、ヘテロ接合バイポーラトランジスタをＨＢＴという）を使用していることである。
ＨＢＴ素子８２は、第１の半導体基板としての一つのＧａＡｓ基板１２ａ（図１０では図示せず）上に形成された単位トランジスタとしての単位ＨＢＴ８４を複数個並列に接続している。

単位ＨＢＴ８４は制御端子としてのベースパッド８４ａ、第１の端子としてのエミッタパッド８４ｂ、第２の端子としてのコレクタパッド８４ｃを備えている。
各単位ＨＢＴ８４のベースパッド８４ａはワイヤ８６を介してベース接続配線８８に集約され、このベース接続配線８８がさらに入力整合回路２０に接続されている。
エミッタパッド８４ｂは、ビアホールなどを経由して定電位端としての、例えば接地端に接続されている。
また、コレクタパッド８４ｃは必ずしも各単位ＨＢＴ８４毎に分割されておらず、一体的に形成されていてもよい。これらの各コレクタパッド８４ｃからそれぞれワイヤ９０を介してコレクタ接続配線９２に集約され、コレクタ接続配線９２が出力整合回路２６に接続されている。
単位ＨＢＴ８４は複数のマルチフィンガー形のＨＢＴを並列に接続して構成されている。単位ＨＢＴ８４のベースパッド８４ａは一群のベースフィンガーの一端が集約されて接続されている。
同様に単位ＨＢＴ８４のエミッタパッド８４ｂには、ベースパッド８４ａに集訳された一群のベースフィンガーに隣接する一群のエミッタフィンガーの一端が集約されて接続されている。

また同様にコレクタパッド８４ｃはベースパッド８４ａに集訳された一群のベースフィンガー３に隣接する一群のドコレクタフィンガーの一端が集約され、接続されている。
高周波処理回路１４の構成は実施の形態１に記載した構成と同じであるが、 直列共振回路３２は、この実施の形態においては、一端がワイヤを介してベースパッド８４ａと接続され、他端がワイヤを介してエミッタパッド８４ｂに設けられたビアホールに接続されている。即ち直列共振回路３２はベースパッド８４ａと接地端との間にシャント接続されている。
エミッタパッド８４ｂはエアブリッジ構造になっていて、脚部でエミッタフィンガーと接合しつつ、ベースフィンガーおよびコレクタフィンガーを空気を介して跨いでいる。
直列共振回路３２はそれぞれ動作周波数帯域に含まれる動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波共振回路となるように設定されている。そしてこの直列共振回路３２はベースパッド８４ａを介して単位ＨＢＴ８４のベース電極に接続されている。

他の構成は実施の形態１の高周波電力増幅器１０と同じである。
このために従来の構成であれば高調波を制御する回路は、トランジスタ素子自体の内部側ではなく、トランジスタ素子の外部回路要素として配置されている。これに対して、この実施の形態に係る高周波電力増幅器８０においては、動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波共振回路として設定された直列共振回路３２がＨＢＴ素子８２を構成している単位ＨＢＴ８４のベース電極と接地端との間にシャント接続されているので、直列共振回路３２がＨＢＴ素子８２自体の内部回路側にシャント接続されたことになる。
従って、従来の構成では高調波に対する低インピーダンス付加を得ることが困難であったが、高周波電力増幅器８０においては、ＨＢＴ素子８２を構成する単位ＨＢＴ８４のベース電極と接地端との間に動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波共振周波数を有する直列共振回路３２がシャント接続され、所望の周波数で共振するように設定されるので、ＨＢＴ素子８２のベース側から見て、動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波に対する高調波負荷を、より低いインピーダンスに制御することが可能となる。この場合は直列共振回路３２の共振周波数が一様に同じであってもかまわない。

さらにＨＢＴ素子８２の動作周波数に帯域幅がある場合、動作周波数のみならず２次或いはそれ以上の高調波周波数にも帯域幅があり、入力負荷を広帯域に制御する必要がある。
このために実施の形態１に記載したように、動作周波数の２次及びそれよりも高次の高調波であって異なる共振周波数を有する直列共振回路３２を設定し、これらの互いに異なる共振周波数を有する直列共振回路３２を適切に混在させバランスよく配置することにより、広い動作周波数帯域で歪みの少ない高周波電力増幅器を構成することができる。

以上のように、この発明に係る高周波電力増幅器は、並列接続された複数のマルチフィンガー形のバイポーラトランジスタで形成され、入力信号が入力される制御端子と定電位端に接続される第１の端子と出力信号が出力される第２の端子とを有する単位トランジスタを第１の半導体基板上に複数個配設されたトランジスタ素子と、このトランジスタ素子の単位トランジスタの制御端子と定電位端との間にシャント接続された第１の直列共振回路が第２の半導体基板上に複数個配設された高周波処理回路と、トランジスタ素子の複数個の制御端子を相互に接続する第１の接続配線と、トランジスタ素子の複数個の第２の端子を相互に接続する第２の接続配線と、第１の接続配線に接続された入力整合回路と、第２の接続配線に接続された出力整合回路と、を備え、第１の直列共振回路がトランジスタ素子の動作周波数帯域に含まれる周波数の２次またはそれ以上の高調波の共振周波数を有するもので、この発明に係る高周波電力増幅器においては、動作周波数の２次或いはそれ以上の高調波に対する高調波負荷を、より低いインピーダンスに制御することが可能となる。延いては、高出力で効率の高い高周波電力増幅器を構成することができる。
さらには、第１の直列共振回路の二つがトランジスタ素子の動作周波数帯域に含まれる周波数の２次及びそれ以上の高調波であって互いに異なる共振周波数を有するように設定することにより、比較的広い帯域で変化の少ない歪み特性を得ることができる。
延いては高出力で動作効率が高く、比較的広い周波数帯域において良好な歪み特性を有する高周波電力増幅器を簡単な構成で得ることができる。

以上のように、この発明に係る高周波電力増幅器は、移動体通信、衛星通信用などのマイクロ波帯やミリ波帯において使用される通信機器などの使用に適している。

この発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の部分平面図である。 この発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器のＦＥＴ素子と高周波処理回路とを示す部分平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるソースパッドの部分断面図である。 この発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の等価回路図である。 この発明に係る高周波電力増幅器の直列共振回路の共振周波数を説明する模式図である。 この発明に係る高周波電力増幅器の動作周波数に対する歪み特性を示すグラフである。 この発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の変形例の部分平面図である。 この発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の直列共振回路の変形例を示す等価回路図である。 この発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の等価回路図である。 この発明の一実施の形態に係る高周波電力増幅器の等価回路図である。

符号の説明

３０ 単位ＦＥＴ、 １２ａ ＧａＡｓ基板、 １２ ＦＥＴ素子、 ３２ 直列共振回路、 １４ａ ＧａＡｓ基板、 １４ 高周波処理回路、 １６ ゲート接続配線、 １８ ワイヤ、 ２２ ドレイン接続配線、 ２４ ワイヤ、 ２０ 入力整合回路、 ２６ 出力整合回路、 ７２ 直列共振回路、 ８４ 単位ＨＢＴ、 ８２ ヘテロ接合バイポーラトランジスタ素子、 ８６ ワイヤ、 ８８ ベース接続配線、 ９０ ワイヤ、 ９２ コレクタ接続配線。

Claims (5)

1. 並列接続された複数のマルチフィンガー形のトランジスタで形成され、入力信号が入力される制御端子と定電位端に接続される第１の端子と出力信号が出力される第２の端子とを有する単位トランジスタが第１の半導体基板上に複数個配設されたトランジスタ素子と、
   このトランジスタ素子の複数の単位トランジスタそれぞれが個別に制御端子と定電位端との間にシャント接続された第１の直列共振回路を有し、この第１の直列共振回路が第２の半導体基板上に配設された高周波処理回路と、
   上記トランジスタ素子の複数個の制御端子を相互に接続する第１の接続配線と、
   上記トランジスタ素子の複数個の第２の端子を相互に接続する第２の接続配線と、
   上記第１の接続配線に接続された入力整合回路と、
   上記第２の接続配線に接続された出力整合回路と、
   を備え、
   上記第１の直列共振回路の二つが上記トランジスタ素子の動作周波数帯域に含まれる周波数の２次以上の高調波共振回路であって互いに異なる共振周波数を有するとともに、この互いに異なる共振周波数を有する二つの第１の直列共振回路が複数配設されたことを特徴とする高周波電力増幅器。
2. 第１の直列共振回路の互いに異なる共振周波数の数が単位トランジスタの数の約数としたことを特徴とする請求項１記載の高周波電力増幅器。
3. 第１の直列共振回路に並列して単位トランジスタの制御端子と定電位端との間にシャント接続された一つまたは複数の第２の直列共振回路がさらに上記第２の半導体基板上に配設されるとともに、
   上記第２の直列共振回路が上記トランジスタ素子の動作周波数帯域に含まれる周波数の２次以上の高調波共振回路であって並列して接続された第１の直列共振回路の共振周波数と互いに異なる共振周波数を有したことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波電力増幅器。
4. 第２の直列共振回路の互いに異なる共振周波数の数が単位トランジスタの数の約数としたことを特徴とする請求項３記載の高周波電力増幅器。
5. 第１の半導体基板と第２の半導体基板とが一体的に形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波電力増幅器。

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