JP6981165B2

JP6981165B2 - 増幅器及び送信機

Info

Publication number: JP6981165B2
Application number: JP2017199754A
Authority: JP
Inventors: 優佐藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: JP2019075666A

Description

本発明は、増幅器及び送信機に関する。

レーダーや通信装置が送信する電波の伝達距離を伸ばすため、パワーアンプには高い出力電力まで増幅することが求められる。また、高速なデータを通信するために、広い周波数帯域で一定の増幅利得をもつ広帯域性も求められる。このような高出力・広帯域性を両立させるため、分布型増幅器という回路構成が知られている。

特開平３−２０１７０９号公報特開平１−１７０２０８号公報

C. Campbell, et. al, "A Wideband Power Amplifier MMIC Utilizing GaNon SiC HEMT Technology," IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 44, No. 10, Oct.2009.

従来の分布型増幅器は、入力側伝送線路と出力側伝送線路との間に複数のトランジスタが挟まれた構成を有する。伝送線路のもつインダクタンスとトランジスタのもつ寄生容量を整合させることにより、広帯域にわたり一定の増幅利得をもつ特性を得ることが期待できる。

しかしながら、従来の分布型増幅器では、各トランジスタで増幅された信号は、出力側伝送線路において出力端子に向かう側と終端抵抗に向かう側とに分かれてしまう。そのため、各トランジスタの増幅出力のうち半分のみを出力端子から取り出すこととなり、増幅利得が低くなる。

そこで、本開示では、増幅利得を向上させた増幅器、及び当該増幅器を備える送信機が提供される。

本開示の一態様では、
直列に接続される複数の入力側伝送線路と、
前記複数の入力側伝送線路の終端に直列に接続される終端抵抗と、
前記複数の入力側伝送線路の夫々の間にある複数の接続点のうち、対応する一の接続点にゲートが接続される複数のトランジスタと、
前記複数のトランジスタの夫々のドレインのうち、対応する一のドレインに一端が接続される複数の出力側伝送線路とを備え、
前記複数のトランジスタの夫々のソースは、グランドに接続されており、
前記複数の出力側伝送線路の夫々の他端は、共通の出力ノードに接続されており、
前記複数の出力側伝送線路のうち１段目の出力側伝送線路は、前記出力ノードから見た反射係数の位相が０°になるように、前記複数の入力側伝送線路に入力される高周波信号の波長に対する（１／４）波長よりも長い線路長を有し、
前記複数の出力側伝送線路のうち２段目以降のｋ段目の出力側伝送線路は、前記出力ノードから見た反射係数の位相が０°になるように、（ｋ−１）段目の出力側伝送線路の線路長から、前記複数の入力側伝送線路のうちｋ段目の入力側伝送線路の線路長を減算した線路長を有し、
（ｋ−１）段目の出力側伝送線路の線路長は、ｋ段目の入力側伝送線路の線路長よりも長い、増幅器が提供される。

また、本開示の他の一態様では、
増幅器と、前記増幅器の出力ノードに接続されるアンテナとを備え、
前記増幅器は、
直列に接続される複数の入力側伝送線路と、
前記複数の入力側伝送線路の終端に直列に接続される終端抵抗と、
前記複数の入力側伝送線路の夫々の間にある複数の接続点のうち、対応する一の接続点にゲートが接続される複数のトランジスタと、
前記複数のトランジスタの夫々のドレインのうち、対応する一のドレインに一端が接続される複数の出力側伝送線路とを備え、
前記複数のトランジスタの夫々のソースは、グランドに接続されており、
前記複数の出力側伝送線路の夫々の他端は、前記出力ノードに接続されており、
前記複数の出力側伝送線路のうち１段目の出力側伝送線路は、前記出力ノードから見た反射係数の位相が０°になるように、前記複数の入力側伝送線路に入力される高周波信号の波長に対する（１／４）波長よりも長い線路長を有し、
前記複数の出力側伝送線路のうち２段目以降のｋ段目の出力側伝送線路は、前記出力ノードから見た反射係数の位相が０°になるように、（ｋ−１）段目の出力側伝送線路の線路長から、前記複数の入力側伝送線路のうちｋ段目の入力側伝送線路の線路長を減算した線路長を有し、
（ｋ−１）段目の出力側伝送線路の線路長は、ｋ段目の入力側伝送線路の線路長よりも長い、送信機が提供される。

本開示によれば、増幅利得を向上させた増幅器、及び当該増幅器を備える送信機の提供が可能となる。

送信機の構成の一例を示す図である。増幅器の第１の構成例を示す図である。増幅器の第２の構成例を示す図である。出力側伝送線路の働きを示すスミスチャートである。増幅器の利得の周波数特性を示す図である。

以下、本開示の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態における送信機の構成の一例を示す図である。送信機１００は、例えば、電波を送受する無線通信装置、レーダーなどのセンサ装置、マイクロ波を送信して物体を加熱するマイクロ波加熱装置として使用することができる。

送信機１００は、例えば、ベースバンド回路１、ミキサ２、局部発振器３、パワーアンプ４及びアンテナ５を備える。ベースバンド回路１から変調処理されて出力されるベースバンド信号あるいは中間周波数信号は、ミキサ２及び局部発振器３により送信周波数帯にアップコンバートされ、パワーアンプ４により増幅される。パワーアンプ４により増幅された後の信号は、パワーアンプ４の出力ノードに接続されるアンテナ５から送信される。ミキサ２は、ベースバンド回路１からのベースバンド信号あるいは中間周波数信号を、局部発振器３から出力される局部発振信号とミキシングし、ミキシング後の信号をパワーアンプ４の入力端子に供給する。本実施形態における増幅器は、パワーアンプ４として使用することができる。

図２は、本実施形態における増幅器の第１の構成例を示す図である。増幅器１１は、入力端子５１、複数の入力側伝送線路２１〜２４、終端抵抗１３、複数のトランジスタ３１〜３３、複数の出力側伝送線路４１〜４３及び出力ノード５２を備える。以下、入力側伝送線路を「入力線路」、出力側伝送線路を「出力線路」とも称する。

入力端子５１には、例えば、マイクロ波信号の電力が入力される。４個の入力線路２１〜２４は、直列に接続されている。入力端子５１には、１段目の入力線路２１の一端が接続されている。終端抵抗１３は、入力線路２１〜２４の終端に直列に接続されている。終端抵抗１３の一端は、最終段目（本実施形態では、４段目）の入力線路２４の終端側に接続され、終端抵抗１３の他端は、グランドに接続されている。

複数のトランジスタ３１〜３３は、夫々、ゲート（Ｇ）、ソース（Ｓ）、ドレイン（Ｄ）を有する。トランジスタ３１〜３３は、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）である。

複数の入力線路２１〜２４の夫々の間には、複数の接続点６１〜６３がある。複数のトランジスタ３１〜３３の夫々のゲートは、複数の接続点６１〜６３のうち、対応する一の接続点に接続されている。１段目のトランジスタ３１のゲートは、１段目の入力線路２１と２段目の入力線路２２との間の接続点６１に接続されている。２段目のトランジスタ３２のゲートは、２段目の入力線路２２と３段目の入力線路２３との間の接続点６２に接続されている。３段目のトランジスタ３２のゲートは、３段目の入力線路２３と４段目の入力線路２４との間の接続点６３に接続されている。複数のトランジスタ３１〜３３の夫々のソースは、グランドに接続されている。なお、ゲートと接続点との間にキャパシタが直列に挿入されていてもよい。

複数のトランジスタ３１〜３３の夫々のドレインは、複数の出力線路４１〜４３のうち、対応する一の出力線路の一端に接続されている。１段目のトランジスタ３１のドレインは、１段目の出力線路４１の一端に接続されている。２段目のトランジスタ３２のドレインは、２段目の出力線路４２の一端に接続されている。３段目のトランジスタ３３のドレインは、３段目の出力線路４３の一端に接続されている。複数の出力線路４１〜４３のそれぞれの他端は、共通の出力ノード５２に接続されている。

１段目の出力線路４１は、出力ノード５２から見た反射係数Γ_Aの位相が０°になるように、（１／４）波長よりも長い線路長lを有する。ここで、（１／４）波長とは、入力端子５１から入力線路２１〜２４に入力される高周波信号の波長λの４分の１の長さ（＝λ／４）を表す。

２段目以降のｋ段目の出力線路は、入力線路による位相回りを補償するように、（ｋ−１）段目の出力線路の線路長から、直列に接続されたｎ個の入力線路のうちｋ段目の入力線路の線路長を減算した線路長を有する。ｋは、２以上ｎ以下の整数である。ｎは、直列に接続される入力側伝送線路の直列数を表す（図２の場合、ｎ＝４）。

複数の出力線路の夫々の線路長が上記のように設定されることによって、複数の出力線路のうち一の出力線路から見た残りの出力線路のインピーダンスを高くすることができる。本実施形態であれば、出力線路４１から見た出力線路４２，４３のインピーダンス、出力線路４２から見た出力線路４３，４１のインピーダンス、出力線路４３から見た出力線路４１，４２のインピーダンスを高くすることができる。

したがって、（ｎ−１）個の出力線路のうち一の出力線路から見た残りの出力線路のインピーダンスが高くなるので、（ｎ−１）個のトランジスタの夫々で増幅された信号電力を、（ｎ−１）個の出力線路が共通に接続される出力ノードに導く度合いが高まる。つまり、増幅器の増幅利得を向上させることができる。

図２の場合であれば、３個の出力線路４１〜４３のうち一の出力線路から見た残りの出力線路のインピーダンスが高くなるので、３個のトランジスタ３１〜３３の夫々で増幅された信号電力を出力ノード５２に導く度合いを高めることができる。つまり、増幅器１１の増幅利得を向上させることができる。

図３は、本実施形態における増幅器の第２の構成例を示す図である。第２の構成例のうち第１の構成例と同一の構成については、上述の説明を援用することで省略する。図３に示される第２の構成例の増幅器１２は、波長変成器６０を更に備える点で、第１の構成例と異なる。

波長変成器６０は、出力ノード５２に直列に接続されている。波長変成器６０の一端は、出力ノード５２に接続され、波長変成器６０の他端は、出力ノード５３に接続されている。波長変成器６０は、例えば、（１／４）波長の線路長を有する伝送線路である。波長変成器６０の特性インピーダンスは、√（Z_total×50）である。Z_totalは、出力ノード５２から複数の出力線路４１〜４３を見たインピーダンスを表す。このような波長変成器６０を設けることにより、出力ノード５３の特性インピーダンスを所望値（例えば、５０Ω）に更に近づけることができる。

ここで、直列に接続される複数の入力側伝送線路は、互いに等しい線路長を有してもよいし、互いに異なる線路長を有してもよい。図２，３は、複数の入力線路２１〜２４が互いに等しい線路長l_inputを有する場合を示す。この場合、出力線路４１が線路長lを有する場合、出力線路４２は、線路長（l-l_input）を有し、出力線路４３は、線路長（l-2×l_input）を有する。

図４は、出力側伝送線路の働きを示すスミスチャートである。図４では、１段目の出力線路４１の働きを示す。△印のプロットは、出力線路４１からトランジスタ３１のドレインを見た反射係数Γ_A’の周波数特性（0.1GHz〜15GHz）を表す。6GHzにおける反射係数Γ_A’の位置がマーカーｍ１で例示されている。出力線路４１をトランジスタ３１のドレインに付加することにより、反射係数Γ_A’は、スミスチャート上で時計回りに回転し、反射係数Γ_Aへ移動する。出力線路４１が線路長lを有する場合、

と表すことができる。ここで、βは、出力線路４１の位相定数を表す。本実施形態では、出力ノード５２から出力線路４１を見た反射係数Γ_Aの位相が０度となる位置まで、出力線路４１の線路長lを延ばす。スミスチャート上では、反射係数Γ_Aの位相は、黒矢印の位置に対応する。このときの出力ノード５２から出力線路４１を見た特性インピーダンスZ_Aは、出力線路４１の出力インピーダンスをZ₀とすると、

と表すことができる。出力ノード５２から出力線路４２を見た反射係数Γ_Ｂ、出力ノード５２から出力線路４３を見た反射係数Γ_Ｃについても同様に考えることができる。

ここで、本実施形態における増幅器を、従来のウィルキンソン型合成器を使う上掲の特許文献２の増幅器と比較する。なお、特許文献２では、「コーポレート型電力合成回路」という用語が使用されているが、これは、一般的な用語ではない。仮に、コーポレート型電力合成回路がウィルキンソン型合成器と同じとすると、特許文献２のように４合成を行う場合、ウィルキンソン型合成器の特性インピーダンスは、100Ωと決まっている。また、ウィルキンソン型合成器の夫々の線路長も1/4波長と決まっている。100Ωという高い特性インピーダンスを実現するためには線路幅を狭くする必要があり、各増幅素子へ多くの電流を流す必要があるパワーアンプへ適用する場合には、エレクトロマイグレーションの問題が生ずるおそれがある。

これに対し、本実施形態における増幅器は、出力側伝送線路の線路長を調整して出力ノードから見た反射係数の位相が０°となるまで回す構成であるので、特性インピーダンスに制限がない。実際、図４では、特性インピーダンスZ_Aが65Ωである。また、出力線路４１の線路長も反射係数Γ_Aの位相が０度となるように設定されており、図４では、出力線路４１の線路長lは、波長λの0.4倍の長さ（つまり、（λ／４）よりも大きい長さ）である。したがって、特性インピーダンス及び線路長とも、従来のウィルキンソン型合成器とは異なる。

また、上述のように、複数段の出力側伝送線路の線路長を段数が進むにつれて徐々に短くすることにより、同じ位相で増幅出力を出力ノード５２で合成することが可能になる。

次に、本実施形態における増幅器の効果をシミュレーションにより示す。図５は、本実施形態における増幅器と従来の分布型増幅器の利得の周波数特性を示す。図５では、従来の分布型増幅器として、上掲の非特許文献１のFig.4に記載された増幅器を使用している。

本実施形態では、複数の出力線路のうち一の出力線路から見た残りの出力線路のインピーダンスが高いので、出力線路４１〜４３の夫々からの出力電力は、トランジスタ側に流れるよりもインピーダンスの低い出力ノード５２へ導かれる。このため、増幅信号が高められるため増幅利得を高めることができる。図５は、シミュレーションにより求めた本実施形態における増幅器と従来の分布型増幅器の増幅利得の周波数特性を示す。従来の分布型増幅器は、比較的広い帯域を有するものの、使用したい周波数範囲４〜６ＧＨｚでは、8dB程度の利得しか有しない。これに対して、本実施形態における増幅器は、同じトランジスタを増幅素子として使用しても、10dBの利得を実現しており、高利得特性を示している。

以上、増幅器及び送信機を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
直列に接続される複数の入力側伝送線路と、
前記複数の入力側伝送線路の終端に直列に接続される終端抵抗と、
前記複数の入力側伝送線路の夫々の間にある複数の接続点のうち、対応する一の接続点にゲートが接続される複数のトランジスタと、
前記複数のトランジスタの夫々のドレインのうち、対応する一のドレインに一端が接続される複数の出力側伝送線路とを備え、
前記複数の出力側伝送線路の夫々の他端は、共通の出力ノードに接続されており、
前記複数の出力側伝送線路のうち１段目の出力側伝送線路は、前記出力ノードから見た反射係数の位相が０°になるように、（１／４）波長よりも長い線路長を有し、
前記複数の出力側伝送線路のうち２段目以降のｋ段目の出力側伝送線路は、（ｋ−１）段目の出力側伝送線路の線路長から、前記複数の入力側伝送線路のうちｋ段目の入力側伝送線路の線路長を減算した線路長を有する、増幅器。
（付記２）
前記複数の入力側伝送線路は、互いに等しい線路長を有する、付記１に記載の増幅器。
（付記３）
前記共通のノードに直列に接続される波長変成器を更に備える、付記１又は２に記載の増幅器。
（付記４）
前記出力ノードから前記複数の出力側伝送線路を見たインピーダンスをZ_totalとするとき、
前記波長変成器は、（１／４）波長の線路長を有し、√（Z_total×50）の特性インピーダンスを有する、付記３に記載の増幅器。
（付記５）
増幅器と、前記増幅器の出力ノードに接続されるアンテナとを備え、
前記増幅器は、
直列に接続される複数の入力側伝送線路と、
前記複数の入力側伝送線路の終端に直列に接続される終端抵抗と、
前記複数の入力側伝送線路の夫々の間にある複数の接続点のうち、対応する一の接続点にゲートが接続される複数のトランジスタと、
前記複数のトランジスタの夫々のドレインのうち、対応する一のドレインに一端が接続される複数の出力側伝送線路とを備え、
前記複数の出力側伝送線路の夫々の他端は、前記出力ノードに接続されており、
前記複数の出力側伝送線路のうち１段目の出力側伝送線路は、前記出力ノードから見た反射係数の位相が０°になるように、（１／４）波長よりも長い線路長を有し、
前記複数の出力側伝送線路のうち２段目以降のｋ段目の出力側伝送線路は、（ｋ−１）段目の出力側伝送線路の線路長から、前記複数の入力側伝送線路のうちｋ段目の入力側伝送線路の線路長を減算した線路長を有する、送信機。
（付記６）
前記複数の入力側伝送線路は、互いに等しい線路長を有する、付記５に記載の送信機。
（付記７）
前記出力ノードに直列に接続される波長変成器を更に備える、付記５又は６に記載の送信機。
（付記８）
前記出力ノードから前記複数の出力側伝送線路を見たインピーダンスをZ_totalとするとき、
前記波長変成器は、（１／４）波長の線路長を有し、√（Z_total×50）の特性インピーダンスを有する、付記７に記載の送信機。

１ベースバンド回路
２ミキサ
３局部発振器
４パワーアンプ
５アンテナ
１１，１２増幅器
２１〜２３入力側伝送線路
３１〜３３トランジスタ
４１〜４４出力側伝送線路
５１入力端子
５２，５３出力ノード
６０波長変成器
１００送信機

Claims

直列に接続される複数の入力側伝送線路と、
前記複数の入力側伝送線路の終端に直列に接続される終端抵抗と、
前記複数の入力側伝送線路の夫々の間にある複数の接続点のうち、対応する一の接続点にゲートが接続される複数のトランジスタと、
前記複数のトランジスタの夫々のドレインのうち、対応する一のドレインに一端が接続される複数の出力側伝送線路とを備え、
前記複数のトランジスタの夫々のソースは、グランドに接続されており、
前記複数の出力側伝送線路の夫々の他端は、共通の出力ノードに接続されており、
前記複数の出力側伝送線路のうち１段目の出力側伝送線路は、前記出力ノードから見た反射係数の位相が０°になるように、前記複数の入力側伝送線路に入力される高周波信号の波長に対する（１／４）波長よりも長い線路長を有し、
前記複数の出力側伝送線路のうち２段目以降のｋ段目の出力側伝送線路は、前記出力ノードから見た反射係数の位相が０°になるように、（ｋ−１）段目の出力側伝送線路の線路長から、前記複数の入力側伝送線路のうちｋ段目の入力側伝送線路の線路長を減算した線路長を有し、
（ｋ−１）段目の出力側伝送線路の線路長は、ｋ段目の入力側伝送線路の線路長よりも長い、増幅器。
前記複数の入力側伝送線路は、互いに等しい線路長を有する、請求項１に記載の増幅器。
前記出力ノードに直列に接続される波長変成器を更に備える、請求項１又は２に記載の増幅器。
前記出力ノードから前記複数の出力側伝送線路を見たインピーダンスをZ_totalとするとき、
前記波長変成器は、（１／４）波長の線路長を有し、√（Z_total×50）の特性インピーダンスを有する、請求項３に記載の増幅器。
増幅器と、前記増幅器の出力ノードに接続されるアンテナとを備え、
前記増幅器は、
直列に接続される複数の入力側伝送線路と、
前記複数の入力側伝送線路の終端に直列に接続される終端抵抗と、
前記複数の入力側伝送線路の夫々の間にある複数の接続点のうち、対応する一の接続点にゲートが接続される複数のトランジスタと、
前記複数のトランジスタの夫々のドレインのうち、対応する一のドレインに一端が接続される複数の出力側伝送線路とを備え、
前記複数のトランジスタの夫々のソースは、グランドに接続されており、
前記複数の出力側伝送線路の夫々の他端は、前記出力ノードに接続されており、
前記複数の出力側伝送線路のうち１段目の出力側伝送線路は、前記出力ノードから見た反射係数の位相が０°になるように、前記複数の入力側伝送線路に入力される高周波信号の波長に対する（１／４）波長よりも長い線路長を有し、
前記複数の出力側伝送線路のうち２段目以降のｋ段目の出力側伝送線路は、前記出力ノードから見た反射係数の位相が０°になるように、（ｋ−１）段目の出力側伝送線路の線路長から、前記複数の入力側伝送線路のうちｋ段目の入力側伝送線路の線路長を減算した線路長を有し、
（ｋ−１）段目の出力側伝送線路の線路長は、ｋ段目の入力側伝送線路の線路長よりも長い、送信機。