JP6112500B2 - マイクロ波増幅器 - Google Patents

Description

この発明は、能動素子を用いるマイクロ波またはミリ波帯などの高周波帯で使用されるマイクロ波増幅器に関する。より詳しくは、異なる周波数の複数の通信キャリアが同時に入力されるマイクロ波増幅器に関する。

通信用途におけるマイクロ波増幅器では、一定の運用帯域にて異なる周波数の複数の通信キャリアが同時に入力される場合がある。しかし、マイクロ波増幅器においては、異なる周波数の複数の通信キャリアの間で発生するビート信号により、複数通信キャリア間の相互作用が発生しうる。

例えば特許文献１は、増幅するマイクロ波信号に多数の通信キャリア周波数が含まれる場合でも歪み特性を改善するマイクロ波増幅器を提案している。特許文献１のマイクロ波増幅器では、ＦＥＴのドレインに、マイクロ波信号の通信キャリア周波数で高インピーダンスとなり、複数の通信キャリア周波数に起因して発生するビート信号の周波数で低インピーダンスとなるフィルタ回路を接続し、その他端と接地電位（ＧＮＤ）との間にビート信号を短絡するコンデンサを接続する。

また、特許文献２には、マイクロ波増幅器のマルチ通信キャリア増幅時に問題となる低周波帯での利得を大きく低減させて増幅器入出力側の低周波成分を低減することが記載されている。特許文献２のマイクロ波増幅器は、半導体素子を有するマイクロ波増幅回路と入力側及び出力側伝送線路との各接続点に、それぞれ所定の長さを有するバイアス供給線路の一端が接続され、バイアス供給線路の他端にそれぞれコンデンサが接続される。そして、入力側バイアス回路の入力側伝送線路への接続点とマイクロ波増幅回路の入力端子との間に、抵抗とコンデンサとの並列回路が装荷される。

なお、マイクロ波増幅器において超高周波電力の損失が少なく、かつ低周波における半導体素子の動作を安定させるため、バイアス供給回路に抵抗を付加することが知られている。例えば、特許文献３の超高周波半導体回路は、バイアス回路中の抵抗に、所要の周波数近傍の超高周波では十分小さなリアクタンスを有し、かつ低周波において大きなリアクタンスを有するような容量値をもつコンデンサを並列に設けるように構成されている。

特開平１１−１３６０４５号公報 特開平１１−４１０４２号公報 特開昭６２−２０９９０９号公報

特許文献１のマイクロ波増幅器では、ＬＣ共振回路を使用し、複数の周波数間で発生するビート信号の周波数において、増幅器から見たインピーダンスを低下させることにより、複数の通信キャリアの間の相互作用を抑制する。しかし、特許文献１に記載されている方法では、ＬＣ共振回路を使用するため、低周波領域でも電気長に寄与するインダクタンス成分が存在することとなり、特定の周波数では低インピーダンスを実現しうるものの、運用周波数帯域を拡大した場合には、逆にインピーダンスは高まる場合があった。

この効果により、広帯域の運用条件下でマイクロ波増幅器に複数通信キャリアを入力した場合、特定のビート信号の周波数条件において、通信キャリア間の相互の影響が増大し、利得低下、歪み量増加といった性能劣化に繋がる問題があった。

特許文献２は、低周波領域の入力信号に対する利得を抑制することが目的であって、通信キャリア間の相互の影響による利得低下、歪み量増加といった性能劣化に対処するものではない。また、電源供給回路に抵抗が直列に加えられため、直流電力の消費量を増大させるデメリットを有する。

特許文献３の超高周波半導体回路では、ＦＥＴ単体の利得が高い、低周波の利得を低下できるので、外乱（ノイズ等）や帰還等による増幅器としての発振等の不安定動作が防止される。しかし、ビート信号は能動素子の出力側で発生するので、特許文献３の技術ではビート信号の影響を抑えることができない。

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あり、複数通信キャリアを広帯域で入力した場合についても、特定のビート信号の周波数関係に応じて発生する極端な性能劣化を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の観点に係るマイクロ波増幅器は、異なる周波数の複数の通信キャリアを能動素子を用いて増幅するマイクロ波増幅器であって、能動素子の出力端子とバイアス電圧源との間に接続される、マイクロ波増幅器の増幅対象の周波数における１／４波長の電気長を有する線路、および、その線路のバイアス電圧源に接続する端子とマイクロ波増幅器の基準電位を定める接地との間に接続される第１の容量素子、から構成されるバイアス回路と、線路のバイアス電圧源に接続する端子と接地との間に、直列に接続される抵抗体および第２の容量素子を含む共振回路と、を備えたものである。 詳しくは、第１の容量素子は、増幅対象の周波数において短絡と見なせるリアクタンスであり、抵抗体の抵抗値は、マイクロ波増幅器の通信帯域において、複数の通信キャリアの最も低い周波数と最も高い周波数の間で発生するビート信号の周波数における第１の容量素子のインピーダンスの絶対値より小さく、ビート信号の周波数において、線路のインダクタンス、抵抗体および第２の容量素子は共振回路を構成し、第２の容量素子は、ビート信号の最大周波数において、線路、抵抗体および第２の容量素子のインピーダンスが、スミスチャートにおいて円周より内側の実軸の近傍に位置するリアクタンスである。

本発明によれば、広帯域で複数の任意周波数通信キャリアを入力した場合についても通信キャリア間の相互作用を抑制し、通信キャリアの入力数及び通信キャリア間の周波数関係によらない安定的な動作を可能とする。

本発明の実施の形態１に係るマイクロ波増幅器の回路図である。 一般的なバイアス回路を有するマイクロ波増幅器の回路図である。 通信帯域内の２波により生じる相互作用を示す図である。 実施の形態１に係るマイクロ波増幅器で使用される第２の容量素子の特性例を示す図である。 ビート信号の周波数領域において能動素子から見たインピーダンスを示す図である。 複数通信キャリア入力時に共振回路の抵抗の有無による通信キャリアの利得の変化を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るマイクロ波増幅器の回路図である。 本発明の実施の形態３に係るマイクロ波増幅器の回路図である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ波増幅器の回路図である。マイクロ波増幅器は、能動素子である増幅器１１の出力端子とバイアス電圧源１３との間に、マイクロ波増幅器の増幅対象の周波数λｇにおける１／４波長の電気長λｇ／４を有する線路２０が接続される。増幅器１１は、例えばＦＥＴから構成され、ＦＥＴのゲートが入力端子であり、ドレインが出力端子である。線路２０のバイアス電圧源１３が接続される端子とマイクロ波増幅器の基準電位を定める接地１０との間に、コンデンサ１４（第１の容量素子）が接続される。また、線路２０のバイアス電圧源１３が接続される端子と接地１０との間に、抵抗体１５およびコンデンサ１６（第２の容量素子）が直列に接続される。

ここで、マイクロ波増幅器に複数の周波数の通信キャリアが入力される場合に、通信キャリアの間の相互作用を説明する。図２は、一般的なバイアス回路を有するマイクロ波増幅器の回路図である。マイクロ波増幅器は、能動素子で構成された増幅器１１の出力部に通信キャリアの周波数を取り出す増幅器出力ポート１２と、ＤＣ電力を供給するためのバイアス電圧源１３を接続するポートが設けられている。増幅器１１とバイアス電圧源１３の間には、プリント基板での波長短縮率も考慮した通信キャリアの波長λｇに対応する線路長λｇ／４の線路２０と、その線路の端部に通信キャリア周波数に対して短絡点を形成するための通信帯域短絡用のコンデンサ１４で構成されたバイアス回路が設けられている。

この構成により、理想的には増幅器１１に通信キャリアの周波数に損失を与えることなく、バイアス電圧源１３から直流電力を供給することができる。なおコンデンサ１４の代わりに通信帯域に対し短絡と見せるためのオープンスタブを使用する場合や、またバイアス回路の代わりにインダクタ等で代用することも一般的である。

図３は、通信帯域内の２波により生じる相互作用を示す図である。図３では、増幅器の入力波と出力波の電力の大きさが、それぞれ周波数ω１の信号電力に対する比で表されている。周波数ω１の通信キャリア１と周波数ω２の通信キャリア２の電力はそれぞれ電力Ｐ１［Ｗ］、Ｐ２［Ｗ］である。増幅器１１のゲインＧによって、通信キャリア１の電力Ｐ１［Ｗ］は、電力Ｇ・Ｐ１［Ｗ］に増幅される。増幅器１１が周波数ω１および周波数ω２を含む周波数範囲で線形利得を有し、通信キャリア２の周波数ω２でも同じゲインＧとすれば、通信キャリア２の出力波の電力は本来、図３の右端の実線矢印とその上の点線矢印４の長さを加えたＧ・Ｐ２［Ｗ］になる。

ところが、通信キャリア１（ω１）および通信キャリア２（ω２）によって、（ω２−ω１）の周波数のビート信号３が発生する。ビート信号３の周波数（ω２−ω１）において、増幅器１１から見た出力側のインピーダンス（Ｒ＋ｊＸ）（ｊ：虚数単位）は有限の値なので、増幅器１１の出力側にはビート信号３の電力Ｐｂに比例した電圧変動δＶｂが発生する。
δＶｂ＝（Ｐｂ（Ｒ＋ｊＸ））^１／２［Ｖ］

その結果、通信キャリア１とビート信号３のミキシングにより通信キャリア２にかかる印加電圧が低下し、通信キャリア２の利得が低下する。利得の低下量は以下に依存する。
（１）ビート信号３の電力Ｐｂ［Ｗ］
（２）ビート信号３の周波数における増幅器からみたインピーダンス（Ｒ＋ｊＸ）［Ω］
（３）通信キャリア１に対する出力電力（Ｇ・Ｐ１）［Ｗ］
すなわち、複数の通信キャリア１および通信キャリア２の間で発生するビート信号３により、複数通信キャリア間の相互作用（図３の点線矢印４）が発生する。

本実施の形態１に係るマイクロ波増幅器では、図１に示すように、コンデンサ１４が接続された箇所に接続される、抵抗体１５とコンデンサ１６の直列回路を備える。図４は、実施の形態１に係るマイクロ波増幅器で使用される第２の容量素子の特性例を示す図である。図１のマイクロ波増幅器で使用するコンデンサ１６（第２の容量素子）は、増幅対象の周波数において最も低い周波数ｆＬと最も高い周波数ｆＨの間で発生するビート信号の最大周波数ｆｂmax（＝ｆＨ−ｆＬ）が、図４に示すように、自己共振周波数１７以下となるように選定されているものとする。また抵抗体１５の抵抗値は、例えば、線路の特性インピーダンスが５０Ω系の場合には、寄生抵抗も含め２Ω〜２５Ωの比較的低いインピーダンスの値を選定し、共振を抑制できる値にする必要がある。

Ａ．増幅対象の周波数における動作
コンデンサ１４は通信帯域短絡用に容量が設定されるので、増幅対象の周波数ではゼロΩ（短絡）とみなせる。よって、１／４波長の線路２０とコンデンサ１４との接続点から、バイアス電圧源１３側の回路は見えてこない。そして、線路２０と主線路（増幅器１１の出力側）との接続点から見たバイアス電圧源１３側のインピーダンスは、無限大とみなせるので、所用の周波数における出力損失は発生しない。この時通信帯域の周波数ｆ_１に対してコンデンサ１４の容量がＣ１であれば、それによるインピーダンスは、虚数単位をｊとして１／（ｊ２πｆ_１・Ｃ_１）の絶対値に対応し、一般にはその値が1Ω以下となるようにコンデンサの容量を選定する。

Ｂ．ビート信号の周波数（低周波）における動作
コンデンサ１４は通信帯域短絡用であるので、ビート信号の周波数ではインピーダンスは有限値となり、１／４波長の線路２０とコンデンサ１４との接続点からバイアス電圧源１３側の回路が見えてくる。容量＝Ｃの周波数ｆにおけるインピーダンス＝１／（ｊ２πｆ・Ｃ）によれば、コンデンサ１４によるインピーダンスは、ビート信号の周波数ｆ_２が通信帯域に比して小さくなれば、そのインピーダンスも（ｆ_１／ｆ_２）の値に対応して大きくなる。

そこで、線路２０のバイアス電圧源１３側に容量Ｃ_２のコンデンサ１６があれば、ビート信号３の周波数ｆ_２との関係より、同様に１／（ｊ２πｆ_２・Ｃ_２）に対応するインピーダンスが与えられる。Ｃ_２の値を大きくすることにより、増幅対象の周波数ｆ_１に比べ、小さい周波数ｆ_２においても、低インピーダンスを実現できる。コンデンサ１６に接続される抵抗体１５が１／（ｊ２πｆ _２ ・Ｃ_１）の絶対値より充分に小さければ、並列に接続されるコンデンサ１４の寄与は相対的に小さくなる。

したがって、１／４波長の線路２０と主線路（増幅器１１の出力側）との接続点から見たバイアス電圧源１３側のインピーダンスは、線路２０のインダクタンスと、抵抗体１５、コンデンサ１４、１６との合成インピーダンスとなる。ビート信号３の周波数において、線路２０（のインダクタンス）、抵抗体１５およびコンデンサ１６は共振回路を構成する。

図５は、ビート信号の周波数領域において能動素子から見たインピーダンスを示す図である。領域１８は、抵抗体１５を備えない場合の共振回路のインピーダンスの範囲を示す。領域１９は、抵抗体１５を備える場合の共振回路のインピーダンスの範囲を示す。実施の形態１の構成により、増幅器１１より見たインピーダンスを、複数の通信キャリア周波数によって発生する任意のビート信号の周波数について、図５に示す領域１８（全反射またはその近傍）を回避でき、実軸近傍の領域１９にまとめたインピーダンスのように見せることが可能である。領域１９は、スミスチャートにおいて円周より内側の実軸の近傍である。ビート信号の周波数に対して、抵抗体１５とコンデンサ１６の寄与を高め、スミスチャート上では図５の領域１９のインピーダンスとなるように想定された値に設定することができる。

ビート信号３は、同時に２つの通信キャリアが増幅器１１（ＦＥＴ等）に入力される場合に、増幅器１１での相互作用によって発生するので、ビート信号３の抑圧回路は、増幅器１１の出力側で構成される。また、ビート信号３による通信キャリア２の利得低下の作用は図３に示すとおりであり、ビート信号３の周波数（ω２−ω１）における増幅器１１からみた負荷側インピーダンス（Ｒ＋ｊＸ［Ω］）が影響している。

ビート信号３の周波数に対してインピーダンスを特定の領域１９に制限することにより、複数の通信キャリア間で発生する相互作用について著しく大きくなる条件を回避することができる。図５のスミスチャートで説明すると、抵抗体１５により、ビート信号３の周波数の領域ではＦＥＴからみたインピーダンスは、スミスチャートの円周上より内側に配されることとなる。

図６は、複数通信キャリア入力時に共振回路の抵抗の有無によって通信キャリアの利得の変化を示す図である。任意のビート信号の周波数に対してインピーダンスを特定の領域１９に制限することにより、図６に示すように、複数の通信キャリア間で発生する相互作用が著しく大きくなる条件を回避することができる。これにより、通信中に異なる周波数の通信キャリアが追加された場合に通信回線状況を劣化させずに、複数の通信キャリアを同時に使用する際の問題を抑制できる。

実施の形態１のマイクロ波増幅器によれば、共振回路に抵抗成分を追加することにより、共振回路のＱ値を低下させた効果から、広帯域で複数の任意周波数通信キャリアを入力した場合についても通信キャリア間の相互作用を抑制し、通信キャリアの入力数及び通信キャリア間の周波数関係によらない安定的な動作を可能とする。なお特許文献２でも、諸元及びその配置の選び方によっては、安定的な動作に寄与する効果を期待することができるが、本実施の形態１では直流電流が流れる経路に直列に挿入される抵抗成分が使用されないため、さらに増幅器自体の高効率性能を維持したままの安定動作が可能となる利点がある。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係るマイクロ波増幅器の回路図である。実施の形態２に係るマイクロ波増幅器は、増幅器２１の出力側と接地１０との間に直列に接続される、インダクタ２３、コンデンサ２４および抵抗体２５を備える。増幅器２１は、能動素子で構成される。増幅器２１は通信キャリア周波数の電力を伝送し、増幅器出力ポート２２にはＤＣ電力が供給される。

実施の形態２のインダクタ２３、抵抗体２５およびコンデンサ２４は、ビート信号の周波数について、実施の形態１の線路２０の代わりに、線路２０のインダクタンスに相当するインダクタ２３を設けた構成になっている。

この構成により、理想的には増幅器２１の出力部への通信キャリア周波数及びＤＣ電力の損失を最小化しつつ、増幅器２１から見たビート信号の周波数でのインピーダンスについて、実施の形態１と同じくスミスチャートの実軸近傍の領域にまとめることができる。これにより複数の通信キャリア間で発生する相互作用が著しく大きくなる条件を回避することができる。その結果、通信中に異なる周波数の通信キャリアが重畳して追加された場合に通信回線状況を劣化させずに、複数の通信キャリアを同時に使用する際の問題を抑制できる。また増幅器２１周辺に設けられるバイアス回路等での対策も不要となる。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３に係るマイクロ波増幅器の回路図である。実施の形態３では、実施の形態１のマイクロ波増幅器の構成に比較して、図８に示すように、バイアス回路とバイアス電圧源１３との間にインダクタ３６を追加している。インダクタ３６は、直流から低周波数の信号を透過し、周波数が高い信号ほど遮断する。インダクタ３６は、増幅器１１からバイアス電圧源１３側を見たインピーダンスに対し、電源回路のインピーダンスの影響を抑制する。実施の形態３のマイクロ波増幅器においても、実施の形態１と同様に、抵抗体１５とコンデンサ１６により、ビート信号３の周波数におけるインピーダンス値が決定される。

実施の形態３のマイクロ波増幅器によれば、実施の形態１の効果に加えて、電源回路のインピーダンスの影響を抑制することができる。

１、２ 通信キャリア、３ ビート信号、１０ 接地、１１ 増幅器、１２ 増幅器出力ポート、１３ バイアス電圧源、１４ コンデンサ（第１の容量素子）、１５ 抵抗体、１６ コンデンサ（第２の容量素子）、１７ 自己共振周波数、１８、１９ 領域、２０ 線路、２１ 増幅器、２２ 増幅器出力ポート、２３ インダクタ、２４ コンデンサ、２５ 抵抗体、３６ インダクタ。

Claims (3)

1. 異なる周波数の複数の通信キャリアを能動素子を用いて増幅するマイクロ波増幅器であって、
   前記能動素子の出力端子とバイアス電圧源との間に接続される、前記マイクロ波増幅器の増幅対象の周波数における１／４波長の電気長を有する線路、および、該線路の前記バイアス電圧源に接続する端子と前記マイクロ波増幅器の基準電位を定める接地との間に接続される第１の容量素子、から構成されるバイアス回路と、
   前記線路の前記バイアス電圧源に接続する端子と前記接地との間に、直列に接続される抵抗体および第２の容量素子を含む共振回路と、
   を備え、
   前記第１の容量素子は、前記増幅対象の周波数において短絡と見なせるリアクタンスであり、
   前記抵抗体の抵抗値が、前記マイクロ波増幅器の通信帯域において、前記複数の通信キャリアの最も低い周波数と最も高い周波数の間で発生するビート信号の周波数における第１の容量素子のインピーダンスの絶対値より小さく、
   前記ビート信号の周波数において、前記線路のインダクタンス、前記抵抗体および前記第２の容量素子は共振回路を構成し、
   前記第２の容量素子は、前記ビート信号の最大周波数において、前記線路、前記抵抗体および前記第２の容量素子のインピーダンスが、スミスチャートにおいて円周より内側の実軸の近傍に位置するリアクタンスである、
   マイクロ波増幅器。
2. 前記共振回路の自己共振周波数は、前記マイクロ波増幅器の通信帯域において最も低い周波数と最も高い周波数の間で発生するビート信号の最大周波数以上である、請求項１に記載のマイクロ波増幅器。
3. 前記線路と前記バイアス電圧源との間に接続される誘導素子を備える、請求項１または２に記載のマイクロ波増幅器。

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