JPH1093364A - Design method for microwave high output power amplifier - Google Patents
Design method for microwave high output power amplifierInfo
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- JPH1093364A JPH1093364A JP29130696A JP29130696A JPH1093364A JP H1093364 A JPH1093364 A JP H1093364A JP 29130696 A JP29130696 A JP 29130696A JP 29130696 A JP29130696 A JP 29130696A JP H1093364 A JPH1093364 A JP H1093364A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロ波高出
力電力増幅器、特にＧａＡｓ ＦＥＴを用いたマイクロ
波高出力電力増幅器の設計方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microwave high output power amplifier, and more particularly to a method for designing a microwave high output power amplifier using GaAs FETs.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、マイクロ波高出力電力増幅器の設
計は、「半導体素子のＳパラメータを使って回路を設
計する。チューナーにより求めた信号源及び負荷イン
ピーダンスを使って回路を設計する。大信号シミュレ
ータを使って回路を設計する。」の３つの方法があっ
た。2. Description of the Related Art Conventionally, a microwave high-output power amplifier has been designed by designing a circuit using S-parameters of a semiconductor device. A circuit is designed using a signal source and a load impedance obtained by a tuner. Designing a circuit using a computer. "
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体素子
（ＦＥＴ）は、小信号で動作している時と大信号で動作
している時を比較すると、反射特性、伝送特性が大きく
変わってしまう。これは、小信号動作では、ＦＥＴのゲ
ートおよびドレインにはほぼ一定の電圧しか印加されな
いのに対し、大信号動作の場合は、入力電圧に応じた大
振幅の電圧が直流バイアスに重畳する形でゲートおよび
ドレインに印加されること、あるいはその結果ドレイン
耐圧の限界値にまで振れ込み、通常とは逆方向のゲート
電流が流れること等により直流特性が変化し、ひいては
高周波における反射特性、伝送特性も大きく変わってし
まうためであると考えられている。However, when a semiconductor device (FET) is operated with a small signal and when it is operated with a large signal, the reflection characteristics and the transmission characteristics are greatly changed. This is because, in the small signal operation, only a substantially constant voltage is applied to the gate and the drain of the FET, whereas in the large signal operation, a voltage having a large amplitude corresponding to the input voltage is superimposed on the DC bias. DC characteristics change due to being applied to the gate and drain, or as a result, swinging to the limit value of the drain withstand voltage, and flowing a gate current in a direction opposite to the normal, etc., resulting in reflection characteristics and transmission characteristics at high frequencies. It is thought to be a major change.
【０００４】従って、上記の半導体素子の小信号Ｓパ
ラメータを使って回路を設計する場合、出力電力が小さ
い場合は、入出力特性、帯域特性を良く再現するが、出
力を上げていって高出力になると最大出力電力が得られ
ない欠点があった。このため、最大出力電力が得られる
ように、入出力回路を調整しなければならず、設計面の
困難があった。Therefore, when a circuit is designed using the small signal S parameter of the semiconductor element described above, if the output power is small, the input / output characteristics and the band characteristics are well reproduced. , There is a disadvantage that the maximum output power cannot be obtained. For this reason, the input / output circuit must be adjusted so that the maximum output power is obtained, and there is a difficulty in designing.
【０００５】また、上記のチューナーを使って回路を
設計する場合は、チューナーとは、可変スタブ等を備え
たインピーダンス変換器であって、半導体素子の出力側
に設けられ半導体素子の出力インピーダンスを線路イン
ピーダンス（５０Ω）に変換するものであるが、チュー
ナーが狭帯域であるため、増幅器の帯域を広げた場合の
設計が困難になる。また、チューナーのインピーダンス
変換機能には限界があり、マイクロ波高出力ＦＥＴのイ
ンピーダンス変換はその限界を超えたところに設計値が
あることが多いので、目標の設計値に変換することが難
しく、設計性が悪い。When a circuit is designed using the above-described tuner, the tuner is an impedance converter having a variable stub or the like, and is provided on the output side of the semiconductor element and controls the output impedance of the semiconductor element through a line. Although the impedance is converted to impedance (50Ω), the tuner has a narrow band, so that it is difficult to design the amplifier when the band of the amplifier is widened. Also, there is a limit to the impedance conversion function of the tuner, and the impedance conversion of microwave high-power FETs often has design values that exceed the limit, so it is difficult to convert to the target design value, and Is bad.
【０００６】また、上記の大信号シミュレータを使っ
て回路を設計する場合は、上記の如く、高周波モデルの
パラメータを求めることが難しく、このため最大出力を
得る設計は困難である。この発明は、上記従来の問題点
を考慮し、簡便に実現でき、しかも負荷との整合をほぼ
満足して最大電力の得られるマイクロ波高出力電力増幅
器の設計方法を提供することを目的とする。Further, when designing a circuit using the above-described large signal simulator, it is difficult to obtain the parameters of the high frequency model as described above, and thus it is difficult to design to obtain the maximum output. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a microwave high-output power amplifier design method which can be easily realized in consideration of the above-mentioned conventional problems, and which can achieve maximum power while substantially satisfying the matching with the load.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】この発明に係るマイクロ
波高出力電力増幅器の設計方法は、ＧａＡｓ ＦＥＴ
のドレインーソース間のＩ−Ｖ特性（直流特性）より、
無歪最大電力を得る最適負荷抵抗（ｒｌ）を作図により
求める。次にＧａＡｓ ＦＥＴのＳパラメータを小信
号動作により測定する。上記で求めたＳパラメータ
に一致するように、各等価回路定数を決める。最後
に、上記で求めた等価回路定数Ｒds（等価ドレインー
ソース間抵抗）をの最適負荷抵抗（ｒｌ）に置き換
え、実際の回路設計を行う。この手順により、マイクロ
波高出力電力増幅器の設計を行うものである。SUMMARY OF THE INVENTION A method for designing a microwave high-output power amplifier according to the present invention comprises a GaAs FET.
From the IV characteristics (DC characteristics) between the drain and the source of
The optimum load resistance (rl) for obtaining the maximum distortion-free power is obtained by drawing. Next, the S parameter of the GaAs FET is measured by a small signal operation. Each equivalent circuit constant is determined so as to match the S parameter obtained above. Finally, the actual circuit design is performed by replacing the equivalent circuit constant R ds (equivalent drain-source resistance) obtained above with the optimum load resistance (rl). By this procedure, a microwave high output power amplifier is designed.
【０００８】[0008]
【発明の実施の形態】従来、マイクロ波高出力電力増幅
器の設計は、半導体素子のＳパラメータを使って回路を
設計している。また、Ｓパラメータの測定は小信号動作
で行われるが、この場合特性自体が測定条件によって大
きく変わってしまうので、正確にＳパラメータを測定す
ることが困難である。通常は、上記小信号動作で測定さ
れたＳパラメータを用い回路設計を行っているが、小出
力動作と大出力動作を比較すると、ＧａＡｓ ＦＥＴの
場合、特に等価回路定数Ｒds（等価ドレインーソース間
抵抗）が大きく変わってしまうのが問題である。すなわ
ち、このＲdsは、大出力の場合、小出力動作時の１／２
から１／３に低下してしまう。このＲdsはいわばＦＥＴ
の出力インピーダンスを決めるものなので、小信号動作
で測定されたＳパラメータを用い回路設計を行うと、大
出力時に負荷との不整合が生じ最大出力が得られないこ
ととなる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Conventionally, in the design of a microwave high output power amplifier, a circuit is designed using S parameters of a semiconductor device. In addition, the measurement of the S parameter is performed by a small signal operation. In this case, however, the characteristic itself greatly changes depending on the measurement conditions, so that it is difficult to accurately measure the S parameter. Normally, the circuit is designed using the S-parameter measured in the small signal operation. However, when the small output operation and the large output operation are compared, in the case of the GaAs FET, the equivalent circuit constant R ds (equivalent drain-source The problem is that the resistance between the electrodes greatly changes. That is, this R ds is １ ／ of that at the time of the small output operation in the case of the large output.
From 1/3 to 1/3. This R ds is a FET
Therefore, if a circuit is designed using S-parameters measured in a small signal operation, a mismatch with a load occurs at a large output, and a maximum output cannot be obtained.
【０００９】信号源から負荷に取り出す電力は、信号源
と負荷のインピーダンス実部が等しい時最大となる。す
なわち、何らかの方法で大出力時に最大出力の得られる
Ｒds（等価ドレインーソース間抵抗）を決定すればよい
ことになる。そこで、この発明は、大出力時に最大出力
の得られる負荷抵抗値をＦＥＴのドレインーソース間の
Ｉ−Ｖ特性から求め、小信号動作で求めたＲdsを該負荷
抵抗値に置き換え、その他のＳパラメータはそのまま使
って回路設計を行うマイクロ波高出力電力増幅器の設計
方法を提案するものである。The power taken from the signal source to the load becomes maximum when the real parts of the impedance of the signal source and the load are equal. That is, it is only necessary to determine R ds (equivalent drain-source resistance) at which the maximum output is obtained at the time of large output by some method. Therefore, according to the present invention, the load resistance at which the maximum output is obtained at the time of the large output is obtained from the IV characteristic between the drain and the source of the FET, and R ds obtained by the small signal operation is replaced with the load resistance. The present invention proposes a method for designing a microwave high-output power amplifier that performs circuit design using S parameters as they are.
【００１０】以下、図を用いて詳細に説明する。図１
は、この発明に用いられるＧａＡｓ ＦＥＴの断面構造
と小信号等価回路を示す。図１において、Ｄはドレイ
ン、Ｇはゲート、Ｓはソース、ｇｍは相互コンダクタン
ス、Ｃgsはゲートーソース間空乏層容量、Ｒiは空乏層
直下の抵抗、Ｃdgはゲートードレイン間空乏層容量、Ｒ
dsはドレインーソース間抵抗、Ｃdsはドレインーソース
間容量である。τはゲート電極直下の遅延量であり、そ
の他の記号は、この発明に特に関係がないので説明を省
略する。図において、Ｒds（ドレインーソース間抵抗）
が該ＦＥＴの出力インピーダンスの実部を決めている。Hereinafter, a detailed description will be given with reference to the drawings. FIG.
1 shows a sectional structure and a small signal equivalent circuit of a GaAs FET used in the present invention. In FIG. 1, D is a drain, G is a gate, S is a source, gm is a transconductance, C gs is a depletion layer capacitance between the gate and the source, R i is a resistance just below the depletion layer, C dg is a depletion layer capacitance between the gate and the drain, R
ds is the drain-source resistance, and Cds is the drain-source capacitance. τ is the amount of delay immediately below the gate electrode, and the other symbols are not particularly relevant to the present invention, and will not be described. In the figure, R ds (drain-source resistance)
Determines the real part of the output impedance of the FET.
【００１１】図２は、この発明に用いたマイクロ波半導
体増幅素子（ＦＥＴ）の出力側Ｉ−Ｖ（ドレイン電圧ー
電流特性）を示す。図において、１、２、３で図示され
る３本の直線は負荷線であり、４は半導体素子の動作点
（バイアス点）である。小信号動作の場合は、上記動作
点の近傍で負荷線上を動くことになるが、大信号動作の
場合は、該負荷線上を目一杯動くことになるので、取り
出せる最大出力は負荷の値によって異なることとなる。
例えば、ＲL＝２０Ωの負荷線１の場合は最大電流が５
の点で飽和し、ＲL＝６Ωの負荷線３の場合は最大電流
が７の点で飽和するので電力効率が悪い。結局、動作点
４とＩ−Ｖ曲線のコーナー６を結ぶ負荷線が最もダイナ
ミックレンジも広く電力効率が最大となる。この関係を
見易くしたのが図３である。図より、大信号動作の場
合、負荷抵抗１０Ωのときが最大出力が得られることが
分かる。FIG. 2 shows the output side IV (drain voltage-current characteristic) of the microwave semiconductor amplifying device (FET) used in the present invention. In the figure, three straight lines indicated by 1, 2, and 3 are load lines, and 4 is an operating point (bias point) of the semiconductor element. In the case of the small signal operation, the actuator moves on the load line in the vicinity of the above-mentioned operation point. It will be.
For example, in the case of load line 1 with R L = 20Ω, the maximum current is 5
In the case of the load line 3 of R L = 6Ω, the power efficiency is poor because the maximum current is saturated at the point of 7. As a result, the load line connecting the operating point 4 and the corner 6 of the IV curve has the widest dynamic range and the highest power efficiency. FIG. 3 shows this relationship easily. From the figure, it can be seen that in the case of the large signal operation, the maximum output is obtained when the load resistance is 10Ω.
【００１２】図４は、このようにして設計された増幅器
の出力特性の例を示す。図は、３Ｗ級ＧａＡｓ ＦＥＴ
チップ（ＦＬＣ３０１）についてこの発明を適用したも
のである。Ｓパラメータを測定し、得られた等価回路の
Ｒds（ドレインーソース間抵抗）は１８．５Ωであっ
た。上記等価回路のＲdSを１０Ω（すなわち、負荷抵抗
１０Ω）として回路を設計し、無歪最大電力３．２Ｗが
得られた。FIG. 4 shows an example of the output characteristics of the amplifier designed in this way. The figure shows a 3W class GaAs FET
The present invention is applied to a chip (FLC301). The S parameter was measured, and R ds (drain-source resistance) of the obtained equivalent circuit was 18.5Ω. The circuit was designed with R dS of the above equivalent circuit being 10Ω (that is, load resistance of 10Ω), and a maximum distortion-free power of 3.2 W was obtained.
【００１３】図において、８は従来の設計法による出力
特性であり、９はこの発明の設計法による出力特性であ
る。図から分かるように、小信号動作の場合は、従来の
方法で大きい出力の設計が得られるが、大信号動作の場
合は従来の方法では出力が伸びない。これに対して、こ
の発明の設計の場合は、小信号動作の場合は従来の方法
より出力が小さいが、大信号動作の場合は従来の方法よ
りはるかに大きな出力が得られることが明らかである。In the drawing, reference numeral 8 denotes an output characteristic by the conventional design method, and 9 denotes an output characteristic by the design method of the present invention. As can be seen, in the case of the small signal operation, a large output design can be obtained by the conventional method, but in the case of the large signal operation, the output does not increase by the conventional method. On the other hand, in the case of the design of the present invention, it is apparent that the output is smaller than that of the conventional method in the case of the small signal operation, but much larger than that of the conventional method in the case of the large signal operation. .
【００１４】これは、とりもなおさず前述の如く、小信
号動作のＳパラレータが大信号動作の場合には変化して
しまうので負荷との整合が取れていないことに起因する
ものといえる。この発明は、上記大信号動作の場合の負
荷との整合を簡単な方法で設計できることを提案した点
で非常に優れたものである。図５には、上記実施例にお
けるシミュレーション帯域特性と大信号入力時の実測帯
域特性を示す。両者の特性は良く一致していて、帯域特
性も十分満足しているこＴが分かる。This can be attributed to the fact that, as described above, the S-parallel in small-signal operation changes in the case of large-signal operation, and is not matched with the load. The present invention is very excellent in that it proposes that the matching with the load in the case of the large signal operation can be designed by a simple method. FIG. 5 shows the simulation band characteristics and the actually measured band characteristics when a large signal is input in the above embodiment. It can be seen that the characteristics of the two agree well and that the band characteristics are sufficiently satisfied.
【００１５】[0015]
【発明の効果】この発明は、以上説明したように、大信
号動作における、簡便に実現でき、しかも負荷との整合
をほぼ満足して最大電力の得られるマイクロ波高出力電
力増幅器の設計方法、特にＧａＡｓ ＦＥＴを用いたマ
イクロ波高出力電力増幅器の設計方法を提供することが
できた。As described above, the present invention provides a method for designing a microwave high-output power amplifier which can be easily realized in a large signal operation and which can obtain the maximum power while substantially satisfying the matching with the load. A method for designing a microwave high-output power amplifier using GaAs FETs can be provided.
【図１】この発明に用いられるＧａＡｓ ＦＥＴの断面
構造と小信号等価回路を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a sectional structure and a small signal equivalent circuit of a GaAs FET used in the present invention.
【図２】この発明に用いられるＧａＡｓ ＦＥＴの出力
側Ｉ−Ｖ（ドレイン電圧ー電流特性）を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an output side IV (drain voltage-current characteristic) of a GaAs FET used in the present invention.
【図３】この発明に用いられるＧａＡｓ ＦＥＴの最大
出力の負荷依存特性を示す図である。FIG. 3 is a graph showing the load dependence of the maximum output of a GaAs FET used in the present invention.
【図４】この発明に用いられるＧａＡｓ ＦＥＴ増幅器
の出力特性を示すである。FIG. 4 is a graph showing output characteristics of a GaAs FET amplifier used in the present invention.
【図５】この発明に用いられるＧａＡｓ ＦＥＴ増幅器
の帯域特性を示すである。FIG. 5 is a graph showing band characteristics of a GaAs FET amplifier used in the present invention.
１、２、３ 負荷線 ４ ＦＥＴの動作点 ５、６、７ ＦＥＴの最大電流点 ８ 従来の設計法による出力特性 ９ この発明の設計法による出力特性 1, 2, 3 Load line 4 Operating point of FET 5, 6, 7 Maximum current point of FET 8 Output characteristic by conventional design method 9 Output characteristic by design method of the present invention
フロントページの続き (72)発明者 川上 用一 東京都千代田区岩本町２丁目12番５号 株 式会社次世代衛星通信・放送システム研究 所内 (72)発明者 石井 恭一 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士 通株式会社内Continuing from the front page (72) Inventor Yoichi Kawakami 2-12-5 Iwamotocho, Chiyoda-ku, Tokyo Research Institute for Next-Generation Satellite Communications and Broadcasting Systems Co., Ltd. (72) Inventor Kyoichi Ishii Kamihara-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture 4-1-1 Odanaka Fujitsu Limited
Claims (2)
パラメータ）を求め、該小信号回路定数（Ｓパラメー
タ）における前記増幅素子の等価出力インピーダンス
を、高出力時における前記増幅素子の出力側Ｉ−Ｖ特性
から求めた最大出力を得る最適負荷抵抗（ｒｌ）に置き
換えて回路設計を行うことを特徴とするマイクロ波高出
力電力増幅器の設計方法。1. A small signal circuit constant (S) of a microwave amplifying element.
Parameter, and the equivalent output impedance of the amplifying element at the small signal circuit constant (S-parameter) is determined by the optimum load resistance (rl) for obtaining the maximum output obtained from the output-side IV characteristic of the amplifying element at high output. A method for designing a microwave high-output power amplifier, wherein circuit design is performed in place of the above.
Ｔであって、前記小信号回路定数（Ｓパラメータ）にお
けるＲds（等価ドレインーソース間抵抗）を高出力時に
おける前記ＦＥＴのドレインーソース間のＩ−Ｖ特性か
ら求めた最大出力を得る最適負荷抵抗（ｒｌ）に置き換
えて回路設計を行うことを特徴とする前記請求項１記載
のマイクロ波高出力電力増幅器の設計方法。2. The method according to claim 1, wherein the microwave amplifying element is GaAsFE.
T is the optimum value for obtaining the maximum output obtained from the drain-source IV characteristics of the FET when the output is R ds (equivalent drain-source resistance) in the small signal circuit constant (S parameter) at a high output. 2. The method for designing a microwave high output power amplifier according to claim 1, wherein the circuit is designed by replacing the load resistance (rl).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29130696A JPH1093364A (en) | 1996-09-10 | 1996-09-10 | Design method for microwave high output power amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29130696A JPH1093364A (en) | 1996-09-10 | 1996-09-10 | Design method for microwave high output power amplifier |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1093364A true JPH1093364A (en) | 1998-04-10 |
Family
ID=17767197
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29130696A Pending JPH1093364A (en) | 1996-09-10 | 1996-09-10 | Design method for microwave high output power amplifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1093364A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015075390A (en) * | 2013-10-09 | 2015-04-20 | ローム株式会社 | Evaluation method of device including noise source |
-
1996
- 1996-09-10 JP JP29130696A patent/JPH1093364A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015075390A (en) * | 2013-10-09 | 2015-04-20 | ローム株式会社 | Evaluation method of device including noise source |
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