(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３セル以上のユニットセルトランジスタが等間隔に配置されたマルチセルトランジスタと、
スリットで区切られたオープンスタブにより、基本波の整数倍の周波数で短絡状態を形成するように各ユニットセルトランジスタに対応して設けられた高調波処理回路を複数有し、各高調波処理回路がトーナメント構成となるように線路構成された出力整合回路と
を備えた増幅器であって、
前記各高調波処理回路は、前記マルチセルトランジスタを構成する各ユニットセルトランジスタのゲートまたはドレイン端子の少なくとも一方から、電気長で１／２波長未満の距離に配置され、前記オープンスタブが、主線路と平行して片側に１本で配置され、前記オープンスタブまたは主線路が隣接セルのスタブまたは主線路と結合するように近接配置され、かつトーナメント構成された前記線路構成が対称構成となっている
ことを特徴とする増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の増幅器において、
前記トーナメント構成を有する前記出力整合回路は、前記ユニットセルトランジスタの出力が最初に２合成される線路に配置された前記オープンスタブ、または前記ユニットセルトランジスタの入力に最後に２分配される線路に配置された前記オープンスタブが、互いに結合するように対向して配置されている
ことを特徴とする増幅器。
【請求項３】
請求項１に記載の増幅器において、
前記トーナメント構成を有する前記出力整合回路は、前記ユニットセルトランジスタの出力が最初に２合成される線路に配置された前記オープンスタブ、または前記セルユニットトランジスタの入力に最後に２分配される線路に配置された前記オープンスタブが、すべて外側を向くように配置されている
ことを特徴とする増幅器。
【請求項４】
請求項１に記載の増幅器において、
前記トーナメント構成を有する前記出力整合回路は、前記ユニットセルトランジスタの出力が最初に２合成される線路に配置された前記オープンスタブ、または前記ユニットセルトランジスタの入力に最後に２分配される線路に配置された前記オープンスタブが、互いに結合しないように外側に配置されている
ことを特徴とする増幅器。
【請求項５】
請求項１に記載の増幅器において、
前記トーナメント構成を有する前記出力整合回路は、前記ユニットセルトランジスタの出力が最初に２合成される線路に配置された前記オープンスタブ、または前記ユニットセルトランジスタの入力に最後に２分配される線路に配置された前記オープンスタブが、すべて内側を向くように配置されている
ことを特徴とする増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタの近傍に設けられた高調波反射回路の構成に特徴を備えた増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
増幅器の効率改善やスプリアス抑圧のための従来技術として、トランジスタで発生した高調波を高調波反射回路で反射して戻す高調波処理を行うものがある。
【０００３】
従来例１としては、以下のような増幅器が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。図８は、従来例１による従来の増幅器の構成図である。このような従来例１における増幅器は、マルチセルトランジスタ１１０および出力整合回路１２０で構成されている。そして、マルチセルトランジスタ１１０は、複数のユニットセルトランジスタ１１１を有しており、各ユニットセルトランジスタ１１１は、マルチセルトランジスタ１１０中で、等間隔に配置されている。
【０００４】
一方、出力整合回路１２０は、各ユニットセルトランジスタ１１１の出力インピーダンスを所望のインピーダンスに変換するための回路である。具体的には、この出力整合回路１２０は、各ユニットセルトランジスタ１１１に対応した複数の高調波処理回路１２１、線路１２５、および出力端子１２６を有しており、各高調波処理回路１２１が線路１２５によりトーナメント構成となるように互いに接続された整合回路となっている。
【０００５】
そして、複数の高調波処理回路１２１と複数のユニットセルトランジスタ１１１とは、１対１に対応しており、それぞれワイヤ１３０により接続されている。また、高調波処理回路１２１の幅は、ユニットセルトランジスタ１１１の間隔よりも小さい寸法となるように設計されている。さらに、各高調波処理回路１２１は、高調波において電気的に短絡となるオープンスタブ１２２と、コの字型に切り込みの入ったスリット１２３を有して構成されている。
【０００６】
次に、このような構成を有する従来例１による増幅器の動作について説明する。各ユニットセルトランジスタ１１１で増幅された信号は、ワイヤ１３０を介して、出力整合回路１２０に導かれる。そして、出力整合回路１２０において、各ユニットセルトランジスタ１１１の基本波における出力インピーダンスは、所望のインピーダンスに変換され、出力端子１２６に導かれる。
【０００７】
一方、各ユニットセルトランジスタ１１１で発生した高調波も、ワイヤ１３０を介して、出力整合回路１２０に導かれる。しかしながら、この高調波は、コの字型のスリット１２３で区切られたオープンスタブ１２２からなる高調波処理回路１２１で反射され、各ユニットセルトランジスタ１１１へ戻されることとなる。オープンスタブ１２２の長さを、反射させたい高調波において電気長で１／４波長とすることで、短絡点を形成し、高調波を反射させることができる。すなわち、高調波処理回路１２１は、入力側または出力側の少なくとも一方において、基本波の整数倍の周波数でおおむね短絡状態を形成することができる。
【０００８】
このようにして、高調波をトランジスタに戻すことで、出力端子１２６に現れる高調波スプリアスを抑圧することができる。このとき、高調波を適切な反射角で反射させることで、トランジスタのドレイン端子における高周波信号の波形を整形し、トランジスタのドレイン効率を向上させることができる。
【０００９】
また、従来例２としては、以下のような増幅器が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。図９は、従来例２による従来の増幅器の構成図である。このような従来例２における増幅器は、基本的な構成は、先の図８で示した従来例１の増幅器と同様である。ただし、この従来例２における増幅器は、従来例１における増幅器が有していたコの字型のスリット１２３の代わりに、Ｌ字型に切り込みの入ったスリット１２３ａを有している。
【００１０】
この結果、従来例１では、高調波処理回路１２１内のオープンスタブ１２２が主線路の中央に配置されていたのに対して、従来例２では、高調波処理回路１２１内のオープンスタブ１２２が、主線路の両側に配置されている点が異なっている。このような構成を備えた従来例２の増幅器の基本的動作は、従来例１と同一である。
【００１１】
なお、以下の説明においては、図８に示す従来例１におけるオープンスタブを、「中央配置スタブ」と称し、図９に示す従来例２におけるオープンスタブを、「両側スタブ」と称し、区別することとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−１９７０２１号公報
【特許文献２】特開２００９−１５９５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
詳細は、図面を用いて後述するが、中央配置スタブおよび両側スタブを用いた高調波処理回路１２１では、基本波の周波数ｆｏの２倍の周波数である２ｆｏにおいて、短絡点付近に整合されている。
【００１４】
しかしながら、中央配置スタブを用いた場合、短絡となる周波数は中心周波数付近のみであり、中心周波数近傍から外れた周波数では、中央配置スタブを持たない線路とほぼ同一の特性である。このように、中央配置スタブを用いた場合には、高調波処理できる周波数帯域は、狭帯域であることがわかる。
【００１５】
これは、オープンスタブの周りが主線路で取り囲まれているため、オープンスタブが主線路と強く結合しており、オープンスタブとして動作する周波数帯域が狭くなっているためである。また、主線路と強く結合しているため、２ｆｏにおいて十分短絡状態を形成できていない。
【００１６】
一方、両側配置スタブを用いた高調波処理回路は、中央配置スタブを用いる場合よりも広帯域に渡って、短絡状態を形成できるとともに、２ｆｏにおいて良好な短絡点が形成される。このように、両側スタブで構成される高調波処理回路は、単体では、広帯域増幅器に適した回路であるといえる。
【００１７】
以上から、広帯域特性に着目すると、従来例１の中央配置スタブを用いた高調波処理回路は、広帯域にわたって高調波処理を要求する増幅器には適用できないという問題がある。
【００１８】
また、増幅器の高出力化を図るためには、先の図８、図９に示したように、ユニットセルトランジスタ１１１を２個以上並列配置したマルチセルトランジスタ１１０が用いられる。マルチセルトランジスタ１１０では、低コスト化の為、ユニットセルトランジスタ１１１が互いに狭い間隔で配置されている。さらに、ユニットセルトランジスタ１１１との接続部分における各出力整合回路１２０のパターンは、互いに近接して配置される。具体的には、トランジスタのゲートまたはドレイン端子の少なくとも一方から、電気長で１／２波長未満の距離に高調波処理回路１２１が配置されることとなる。
【００１９】
その結果、パターンは、互いに干渉することとなる。従来例１および従来例２においても、トランジスタ出力側の出力整合回路１２０のパターンは、密集して配置されており、互いに干渉し合っていると考えられる。
【００２０】
先の図８および図９の構成を有する従来の増幅器において、トランジスタから出力端子端を見た反射特性を計算すると、以下のようなことがわかった（後述する図２、図３参照）。より具体的には、最も外側に位置する高調波処理回路１２１における反射特性の計算の結果、中央配置スタブでは、高調波処理回路１２１単体時と同様の特性を示している。その一方で、両側スタブでは、隣接するオープンスタブが互いに干渉し、共振している。その結果、２ｆｏ付近では、短絡状態を十分形成できていないことがわかった。
【００２１】
以上より、干渉問題に着目すると、中央配置スタブを用いた高調波処理回路１２１では、干渉の影響がないものの、両側スタブを用いた高調波処理回路１２１では、隣接セルとの干渉は抑圧されていない。従って、従来例１、従来例２の高調波処理回路１２１は、いずれも、広帯域特性の改善と干渉問題の抑制を両立できていないという課題があった。
【００２２】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、広帯域特性の改善と隣接セルからの干渉問題の抑制を両立できる増幅器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明に係る増幅器は、３セル以上のユニットセルトランジスタが等間隔に配置されたマルチセルトランジスタと、スリットで区切られたオープンスタブにより、基本波の整数倍の周波数で短絡状態を形成するように各ユニットセルトランジスタに対応して設けられた高調波処理回路を複数有し、各高調波処理回路がトーナメント構成となるように線路構成された出力整合回路とを備えた増幅器であって、各高調波処理回路は、マルチセルトランジスタを構成する各ユニットセルトランジスタのゲートまたはドレイン端子の少なくとも一方から、電気長で１／２波長未満の距離に配置され、オープンスタブが、主線路と平行して片側に１本で配置されているとともに、前記オープンスタブまたは主線路が隣接セルのスタブまたは主線路と結合するように近接配置されているものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る増幅器によれば、主線路と平行して片側にのみ１本で配置されているオープンスタブを高調波処理回路に用いることにより、広帯域特性の改善と隣接セルからの干渉問題の抑制を両立できる増幅器を得ることができ、広帯域に渡って増幅器で発生する高調波スプリアスを抑圧できるとともに、増幅器のドレイン効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１における増幅器の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１の増幅器に用いられる高調波処理回路単体におけるトランジスタから出力端子端を見た反射特性である。
【図３】本発明の実施の形態１における「片側スタブ」を用いた高調波処理回路が複数個並列接続されたトーナメント構成の整合回路において、最も外側に位置する高調波処理回路２１におけるトランジスタから出力端子端を見た反射特性である。
【図４】本発明の実施の形態１における増幅器の、図１とは異なる構成図である。
【図５】本発明の実施の形態１における増幅器の、図１とは異なる構成図である。
【図６】本発明の実施の形態１における増幅器の、図１とは異なる構成図である。
【図７】本発明の実施の形態１における「片側スタブ」の配置の違いによる特性の比較結果である。
【図８】従来例１による従来の増幅器の構成図である。
【図９】従来例２による従来の増幅器の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の増幅器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００２７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における増幅器の構成図である。本実施の形態１の図１における増幅器は、マルチセルトランジスタ１０および出力整合回路２０で構成されている。そして、マルチセルトランジスタ１０は、複数のユニットセルトランジスタ１１を有しており、各ユニットセルトランジスタ１１は、マルチセルトランジスタ１０中で、等間隔に配置されている。
【００２８】
一方、出力整合回路２０は、各ユニットセルトランジスタ１１の出力インピーダンスを所望のインピーダンスに変換するための回路である。具体的には、この出力整合回路２０は、各ユニットセルトランジスタ１１に対応した複数の高調波処理回路２１、線路２５、および出力端子２６を有しており、各高調波処理回路２１が線路２５によりトーナメント構成となるように互いに接続された整合回路となっている。
【００２９】
そして、複数の高調波処理回路２１と複数のユニットセルトランジスタ１１とは、１対１に対応しており、それぞれワイヤ３０により接続されている。また、高調波処理回路２１の幅は、ユニットセルトランジスタ１１の間隔よりも小さい寸法となるように設計されている。さらに、各高調波処理回路２１は、高調波において電気的に短絡となるオープンスタブ２２と、Ｌ字型に切り込みの入ったスリット２３を有して構成されている。
【００３０】
なお、増幅器の高出力化、および省スペース化を図るために、トランジスタのゲートまたはドレイン端子の少なくとも一方から、電気長で１／２波長未満の距離に高調波処理回路２１が配置されることとなる。
【００３１】
このように、図１に示した本実施の形態１における増幅器は、広帯域特性の改善と隣接セルからの干渉問題の抑制の両立を図るために、オープンスタブ２２が主線路と平行して片側にのみ１本で配置されている点を第１の特徴としている。なお、以下の説明においては、この第１の特徴を有するオープンスタブ２２を、「片側スタブ」と称し、従来の「中央配置スタブ」、「両側スタブ」と区別することとする。
【００３２】
さらに、この図１におけるオープンスタブ２２は、トーナメント構成の整合回路において、トランジスタの出力が最初に２合成される線路に配置されたオープンスタブ同士が、互いに結合するように対向配置されている点を第２の特徴としている。
【００３３】
次に、第１の特徴である「片側スタブ」として構成されたオープンスタブ２２を備えた増幅器の動作について説明する。各ユニットセルトランジスタ１１で増幅された信号は、ワイヤ３０を介して、出力整合回路２０に導かれる。そして、出力整合回路２０において、各ユニットセルトランジスタ１１の基本波における出力インピーダンスは、所望のインピーダンスに変換され、出力端子２６に導かれる。
【００３４】
一方、各ユニットセルトランジスタ１１で発生した高調波は、ワイヤ３０を介して、出力整合回路２０に導かれる。しかしながら、この好調波は、Ｌ字型のスリット２３で区切られたオープンスタブ２２からなる高調波処理回路２１で反射され、各ユニットセルトランジスタ１１へ戻されることとなる。オープンスタブ２２の長さを、反射させたい高調波において電気長で１／４波長とすることで、短絡点を形成し、高調波を反射させることができる。すなわち、高調波処理回路２１は、入力側または出力側の少なくとも一方において、基本波の整数倍の周波数でおおむね短絡状態を形成することができる。
【００３５】
次に、第１の特徴である「片側スタブ」を用いることで、高調波処理回路の広帯域特性の改善と隣接セルからの干渉問題の抑制の両立を図ることができることを、計算結果に基づいて説明する。図２は、本発明の実施の形態１の増幅器に用いられる高調波処理回路単体におけるトランジスタから出力端子端を見た反射特性である。
【００３６】
なお、広帯域特性の改善を示す図２においては、「片側スタブ」の効果を明確とするために、背景技術で説明した従来例１の「中央配置スタブ」と従来例２の「両側スタブ」のそれぞれを用いた高調波処理回路単体におけるトランジスタから出力端子端を見た反射特性、および「中央配置スタブ」を含む主線路の幅と同一の線路幅を有する線路の反射特性を、比較として示している。
【００３７】
図２に示すように、「片側スタブ」を用いた高調波処理回路２１は、従来例１の「中央配置スタブ」よりも広帯域に渡って高調波処理が可能であることがわかる。
【００３８】
図３は、本発明の実施の形態１における「片側スタブ」を用いた高調波処理回路２１が複数個並列接続されたトーナメント構成の整合回路において、最も外側に位置する高調波処理回路２１におけるトランジスタから出力端子端を見た反射特性である。なお、干渉問題の抑制を示す図３においては、「片側スタブ」の効果を明確とするために、従来例１の「中央配置スタブ」と従来例２の「両側スタブ」のそれぞれを用いた際の、最も外側に位置する高調波処理回路単体におけるトランジスタから出力端子端を見た反射特性を、比較として示している。
【００３９】
図３に示すように、オープンスタブ２２を隣接して配置した場合にも、「片側スタブ」を用いた高調波処理回路２１は、従来例２の「両側スタブ」を用いた場合よりも良好な特性が得られている。以上により、オープンスタブ２２として本実施の形態１による「片側スタブ」を複数個用いた高調波処理回路２１の優位性が確認でき、高調波処理回路の広帯域特性の改善と隣接セルからの干渉問題の抑制の両立を図れることがわかる。
【００４０】
次に、増幅器の効率改善について説明する。増幅器には、消費電力低減が求められており、増幅器が高効率動作を達成するためには、ユニットセルトランジスタ１１の負荷が、基本波および高調波において、すべて同一であることが望まれる。そこで、「片側スタブ」を用いる場合において、そのスタブの配置が異なる高調波処理回路のトランジスタから出力端子端を見た反射特性の比較結果について、以下に説明する。
【００４１】
図４〜図６のそれぞれは、本発明の実施の形態１における増幅器の、図１とは異なる構成図であり、具体的には、「片側スタブ」の配置が、先の図１に示した配置とは異なるものを示している。先の図１、および図４〜図６に示すそれぞれの増幅器は、第２の特徴であるオープンスタブ２２の配置が異なっている。
【００４２】
図１に示される高調波処理回路２１の「片側スタブ」は、トーナメント構成の整合回路において、トランジスタの出力が最初に２合成される線路に配置されたオープンスタブ同士が、互いに結合するように対向配置されているものである。そこで、以下の説明においては、「対向配置片側スタブ」と称するとともに、図１において、オープンスタブ２２ａと併記している。
【００４３】
また、図４に示される高調波処理回路２１の「片側スタブ」は、トーナメント構成の整合回路において、すべてのオープンスタブ２２がトランジスタの中心方向に向かって配置されているものである。そこで、以下の説明においては、「全内向き配置片側スタブ」と称するとともに、図４において、オープンスタブ２２ｂと記載している。
【００４４】
また、図５に示される高調波処理回路２１の「片側スタブ」は、トーナメント構成の整合回路において、トランジスタの出力が最初に２合成される線路に配置されたオープンスタブ同士が、互いに結合しないように外側に配置されているものである。そこで、以下の説明においては、「外向き配置片側スタブ」と称するとともに、図５において、オープンスタブ２２ｃと記載している。
【００４５】
さらに、図６に示される高調波処理回路２１の「片側スタブ」は、トーナメント構成の整合回路において、すべてのオープンスタブ２２がトランジスタの中心方向とは逆の外側に向かって配置されているものである。そこで、以下の説明においては、「全外向き配置片側スタブ」と称するとともに、図６において、オープンスタブ２２ｄと記載している。
【００４６】
図７は、本発明の実施の形態１における「片側スタブ」の配置の違いによる特性の比較結果である。より具体的には、最も外側に位置する高調波処理回路と最も内側に位置する高調波処理回路との振幅差、位相差を、基本波および２倍波について計算した結果をまとめたものである。
【００４７】
図７の計算結果から、図１の「対向配置片側スタブ」、および図６の「全外向き配置片側スタブ」では、振幅差、位相差が、図４の「全内向き配置片側スタブ」、および図５の「外向き配置片側スタブ」よりも、小さい特性結果が得られており、隣接セルの整合回路との干渉を一層軽減できることが確認できる。
【００４８】
以上のように、実施の形態１によれば、片側スタブを高調波処理回路に用いることで、高調波処理回路の広帯域特性の改善と隣接セルからの干渉問題の抑制の両立を図ることができる。さらに、トーナメント構成の整合回路におけるそれぞれの片側スタブの配置を、対向配置スタブあるいは全外向き配置片側スタブとすることにより、各ユニットセル間の負荷インピーダンスのばらつき抑圧を改良できる。この結果、広帯域に渡って増幅器で発生する高調波スプリアスを抑圧できるとともに、増幅器のドレイン効率を向上させることができる。
【００４９】
なお、各高調波処理回路がトーナメント構成となるように線路構成する際に、マイクロストリップ線路を用いることができる。また、上述した実施の形態では、８個の高調波処理回路を用いる場合を例示したが、本発明は、これに限定されるものではない。３セル以上のユニットセルトランジスタが等間隔に配置されたマルチセルトランジスタに対応して設けられた３個以上の高調波処理回路をトーナメント構成となるように線路構成した場合にも、童謡の効果を得ることができる。
【００５０】
また、上述した実施の形態では、ユニットセルトランジスタ１１からの出力を出力整合回路２０内の高調波処理回路２１で受ける場合について説明した。しかしながら、本発明の増幅器は、このような構成に限定されず、出力整合回路２０内の高調波処理回路２１からユニットセルトランジスタ１１へ入力するように、入出力を逆にする構成にも適用可能であり、同様の効果を有する。
【符号の説明】
【００５１】
１０  マルチセルトランジスタ、１１  ユニットセルトランジスタ、２０  出力整合回路、２１  高調波処理回路、２２、２２ａ〜２２ｄ  オープンスタブ、２３  スリット、２５  線路、２６  出力端子、３０  ワイヤ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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