(57)【要約】【課題】  従来のマイクロ波装置では損失が大きいため、これをマイクロ波コンポーネントに適用した場合、例えば低雑音増幅器では雑音指数が劣化し、高出力増幅器では出力、効率が低下する課題があった。特に１００Ｗ級の高出力増幅器ではマイクロ波装置を構成するキャパシタでの発熱が大きくなり、マイクロ波装置の信頼性が低下してしまう課題もあった。【解決手段】  所望の周波数帯で長さが１/４波長を有し、かつ、特性インピーダンスが５０Ωよりも高い２個の高インピーダンス線路間にキャパシタを装荷する構成にした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の周波数帯で長さが１/４波長を有し、かつ、特性インピーダンスが５０Ωよりも高い２個の高インピーダンス線路と、
上記２個のそれぞれの高インピーダンス線路の一端間に装荷されたキャパシタとからなることを特徴とするマイクロ波装置。
【請求項２】
所望の周波数帯で長さが波長に比べ十分短く、かつ、特性インピーダンスが５０Ωよりも高い伝送線路と上記伝送線路の一端に接続され、長さが１/４波長よりも短い先端開放スタブとからなる２個のL形回路と、
上記先端開放スタブが接続されたそれぞれの伝送線路の一端間に装荷されたキャパシタとからなることを特徴とするマイクロ波装置。
【請求項３】
長さが１/４波長よりも短い先端開放スタブを有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波装置。
【請求項４】
所望の周波数帯で長さが波長に比べ１／４以上短くなることを特徴とする請求項２記載のマイクロ波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーダ装置、通信装置等に使用されるマイクロ波コンポーネントを構成する上で必要なマイクロ波装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーダ装置、通信装置には増幅器、発振器、減衰器など多数のマイクロ波コンポーネントが使用され、通常、これらのマイクロ波コンポーネントにはトランジスタ、ＦＥＴ、ダイオードなどの半導体素子が使用され、これらの半導体素子に所望の直流バイアス電圧およびマイクロ波信号を供給するためのマイクロ波装置が用いられる。
【０００３】
通常、マイクロ波コンポーネントに使用されるマイクロ波装置は電源と半導体素子間、負荷と半導体素子間あるいは半導体素子間に装荷され、このようなマイクロ波装置はマイクロ波信号が伝播する主線路に直列にキャパシタを装荷する構成のものが用いられ、直流を阻止し、マイクロ波を通過させるためのものであり、一般に、直流阻止キャパシタとして知られている（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−０４５８４９号公報（図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のマイクロ波装置は誘電体基板上に設けられた主線路にキャパシタを装荷した構成となっている。キャパシタの値は所要周波数帯で十分インピーダンスが低く、また、主線路の特性インピーダンスは通常、５０Ωに選ばれている。
【０００６】
キャパシタのインピーダンスは直流ではほぼ無限大となるため、このマイクロ波装置は直流を阻止し、所要周波数帯のマイクロ波信号を通過させる機能を有する。このマイクロ波装置を例えば増幅器の入力側に用いるような場合、バイアス回路を介して供給された直流バイアス電圧および電源から供給されたマイクロ波信号を、増幅器を構成する半導体素子に同時に供給することができる。
【０００７】
一般にマイクロ波信号がマイクロ波装置を通過することにより、そこで減衰される。
その減衰量Lはマイクロ波装置を形成するキャパシタの抵抗成分Rとキャパシタが装荷される所のインピーダンスZに依存し、次式で与えられる。
【０００８】
【数１】
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【０００９】
マイクロ波装置での減衰量を小さくするには抵抗成分の小さなキャパシタを選ぶか、キャパシタが装荷される所のインピーダンスを高くする必要がある。しかし、入手できるキャパシタにも限界があり、市販されている最も小さなものでも抵抗は１Ω程度ある。また、キャパシタが装荷される所のインピーダンスを高くするには主線路の特性インピーダンスを高くする必要があるが、マイクロ波コンポーネントの特性に影響を与えてしまう。
【００１０】
このため、主線路の特性インピーダンスを５０Ω近傍に選ぶ必要があり、キャパシタが装荷される所のインピーダンスも５０Ωになる。キャパシタの抵抗が１Ω、キャパシタが装荷される所でのインピーダンスが５０Ωである場合、マイクロ波装置における減衰量は約０.０８６ｄBとなる。
【００１１】
例えば、このようなマイクロ波装置を低雑音増幅器に使用した場合、この値がそのまま雑音指数の劣化に結び付き低雑音特性が得られない課題がある。また、高出力増幅器に使用するような場合、出力低下を招くとともに効率も低下してしまう課題もある。特に、高出力な半導体素子としてワイドバンドギャップデバイスが開発されており、１００Ｗ以上の高出力増幅器が実現されつつあるが、その場合、キャパシタでの発熱量は約２Ｗとなり、熱的に厳しい状態となるためマイクロ波装置の信頼性が著しく低下してしまう課題もある。
【００１２】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、既存のキャパシタを使用するにも関らず、マイクロ波装置の損失低減を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第一の発明のマイクロ波装置は、所望の周波数帯で長さが１/４波長を有し、かつ、特性インピーダンスが５０Ωよりも高い２個の高インピーダンス線路と、
上記２個のそれぞれの高インピーダンス線路の一端間に装荷されたキャパシタとからなるものである。
【００１４】
第二の発明のマイクロ波装置は、所望の周波数帯で長さが波長に比べ十分短く、かつ、特性インピーダンスが５０Ωよりも高い伝送線路と上記伝送線路の一端に接続され、長さが１/４波長よりも短い先端開放スタブとからなる２個のL形回路と、
上記先端開放スタブが接続されたそれぞれの伝送線路の一端間に装荷されたキャパシタとからなるものである。
【発明の効果】
【００１５】
第一の発明のマイクロ波装置によれば、所望の周波数帯で長さが１/４波長を有し、かつ、特性インピーダンスが５０Ωよりも高い２個の高インピーダンス線路と、上記２個のそれぞれの高インピーダンス線路の一端間に装荷されたキャパシタで構成することによって、既存のキャパシタを使用するにも関らず、マイクロ波装置の損失低減を図れるという効果が得られる。
【００１６】
第二の発明のマイクロ波装置によれば、所望の周波数帯で長さが波長に比べ十分短く、かつ、特性インピーダンスが５０Ωよりも高い伝送線路とで構成することによって、既存のキャパシタを使用するにも関らず、マイクロ波装置の損失低減を図れるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
この発明に係る実施の形態１について図１〜図４で説明する。
図１は実施の形態１で、半導体素子に所望の直流バイアス電圧およびマイクロ波信号を供給するためのマイクロ波装置をＦＥＴ等による増幅器の入力側に適用した場合の構成を示す図である。
１は誘電体基板、２は入力端子、３、４はそれぞれ主線路、５はＦＥＴ、６は１/４波長スタブ、７はキャパシタ、８は金ワイヤ、９、１０はそれぞれ高インピーダンス線路、１１はキャパシタ、１２は金ワイヤ、１３はマイクロ波装置である。
【００１８】
この増幅器は主線路３、４と、主線路３、４間に設けられたマイクロ装置１３と、一端が主線路４に接続された１/４波長スタブ６と、主線路３の一端に接続された入力端子２と、主線路４の一端に接続されたＦＥＴ５と、１/４波長スタブ６の先端を高周波的に接地するためのキャパシタ７、金ワイヤ８とからなり、主線路３、４、マイクロ装置１３および１/４波長スタブ６はマイクロ波集積回路技術を用いて誘電体基板１上に一体形成されている。なお、誘電体基板１の裏面には接地用金属膜が施されており、また、入力端子２にはマイクロ波信号を発生するための電源が接続されるが、ここでは省略している。
【００１９】
また、マイクロ波装置１３は約１/４波長の長さを有する高インピーダンス線路９、１０と、これらの線路９、１０間に装荷されたキャパシタ１１と、キャパシタ１１と高インピーダンス１０の一端を接続する金ワイヤ１２とからなる。キャパシタ１１の値は所望の周波数帯で十分インピーダンスが小さくなるような値に選ばれている。
【００２０】
このようにこの発明のマイクロ波装置１３を増幅器の入力側に適用することにより、キャパシタ７近傍から印加された直流バイアス電圧はキャパシタ１１で阻止され、入力端子２に接続される電源へは供給されることなく、１/４波長スタブ６を介してＦＥＴ５のゲート端子のみに供給される。
【００２１】
一方、キャパシタ７と金ワイヤ８とで高周波的に短絡された１/４波長スタブ６のインピーダンスは所望の周波数帯で非常に高くなるため、電源で発生したマイクロ波信号は入力端子２、主線路３、マイクロ波装置１３および主線路４を介してＦＥＴ５のゲート端子に入力される。このようにこの発明のマイクロ波装置１３を増幅器などのマイクロ波コンポーネントに適用することにより、所望の直流バイアス電圧およびマイクロ波信号をＦＥＴ５などの半導体素子に供給することができる。
【００２２】
図２は図１のマイクロ波装置１３近傍の簡略化した等価回路であり、Ｚｇは入力端子２に接続される電源のインピーダンス、Ｚｌは１/４波長スタブ６を含むＦＥＴ５のインピーダンスであり、キャパシタ１１はキャパシタと抵抗との直列回路として表している。
さらに、キャパシタ１１と主線路１０間を接続する金ワイヤ１２の長さは波長に比べ十分短く選ばれており、金ワイヤ１２に起因するインダクタは無視できる程度に小さいため、ここでは省略して示している。
【００２３】
ここで電源のインピーダンスＺｇおよび主線路３の特性インピーダンスは５０Ωに選ばれており、主線路３と高インピーダンス線路９との接続部から電源側を見たインピーダンスZ１は５０Ωとなる。また、高インピーダンス線路９の長さが所望の周波数帯で１/４波長に、特性インピーダンスを例えば７０.７Ωに選ぶ事により、高インピーダンス線路９とキャパシタ１１との接続点から電源側を見たインピーダンスＺ２は１００Ωとなる。
ただし、主線路３と高インピーダンス線路９との接続点から負荷側を見たインピーダンス、即ち、マイクロ波装置１３の入力端子でのインピーダンスは５０Ωとなる。
【００２４】
同様に負荷のインピーダンスＺｌ、主線路４の特性インピーダンスを５０Ωとし、高インピーダンス線路１０の長さおよび特性インピーダンスをそれぞれ１/４波長、７０.７Ωとすればキャパシタ１１と高インピーダンス線路１０との接続点から負荷側を見たインピーダンスも１００Ωとなるが、マイクロ波装置１３の出力端子でのインピーダンスは５０Ωとなる。
【００２５】
この発明のマイクロ波装置１３のように、長さが１/４波長の高インピーダンス９、１０間にキャパシタ１１を装荷する構成にすることにより、キャパシタ１３が装荷される所のインピーダンスを高くし、かつ、マイクロ波装置１３の入出力端子におけるインピーダンスを５０Ωにすることができる。
このようにキャパシタ１３が装着される部分のインピーダンスZを高くすることができ、キャパシタ１１の抵抗が従来のものと同じであっても損失低減が図れることは数１から明らかである。
【００２６】
図３はこの発明のマイクロ波装置１３の損失特性の一例であり、実線はこの発明のマイクロ波装置の特性、破線は従来のマイクロ波装置の特性であり、比較のために示している。従来のマイクロ波装置のように特性インピーダンス５０Ωの主線路にキャパシタを装荷するものに比べ、この発明のマイクロ波装置１３では所望の周波数帯で損失低減を図ることができる。
【００２７】
例えば、キャパシタ１３の抵抗が１Ωとした場合、従来のものでは０.０８６ｄBであったのに対し、この発明のものでは高インピーダンス線路９、１０の特性インピーダンスを７０.７Ωに選ぶことにより０.０４３ｄBと１/２に低減できる。また、高インピーダンス線路９、１０の特性インピーダンスをさらに高くすることにより、さらに損失低減が可能である。
【００２８】
以上のようにこの発明のマイクロ波装置では抵抗成分が変わらないキャパシタ１１を用いても従来のものに比べ損失低減を図る事ができる。このため、このマイクロ波装置を低雑音増幅器に適用することにより低雑音特性が得られ、また、高出力増幅器に適用すれば、より高出力、高効率化を図ることができる。
【００２９】
特に、１００Ｗクラスの高出力増幅器に適用することにより、キャパシタでの発熱量を著しく低減でき、マイクロ波装置の信頼性が向上する効果もある。なお、このマイクロ波装置１３の入出力端子でのインピーダンスが５０Ωであるため、この装置をマイクロ波コンポーネントの主線路にそのまま装荷した場合であっても、マイクロ波コンポーネントの特性が劣化してしまうことはない。
【００３０】
図４は実施の形態１によるマイクロ波装置の他の実施例を示す構成図であり、図４（a）はキャパシタ１１として両端に電極を有するチップ状のキャパシタ１１を用いた場合である。
このようなキャパシタ１１を用いることにより、図１で示したキャパシタ１１と高インピーダンス線路１０間を接続する金ワイヤ１２が不要となるため製作が容易になる利点がある。
【００３１】
また、図４（ｂ）はキャパシタ１１としてギャップキャパシタを用いた場合であり、このキャパシタは主線路３、４および高インピーダンス線路９、１０とマイクロ波集積回路技術を用いることにより誘電体基板１上に一体形成することが可能で、特にチップ状のキャパシタを使用する必要がないため製作がより容易になる利点がある。
さらに、図４（ｃ）はマイクロ波装置１３を形成する誘電体基板１４として主線路３、４を形成するものと違う基板を用いた場合である。
【００３２】
誘電体基板１４として窒化アルミ等の熱伝導の優れた基板を使用することにより、キャパシタ１１で発生する熱を効率良く排熱させる事ができ、マイクロ波装置１３の信頼性がより向上する利点がある。なお、このような構成のマイクロ波装置であっても図１〜図３で説明したようにマイクロ波装置の機能、効果は同じである。
【００３３】
実施の形態２
図５に実施の形態２によるマイクロ波装置の構成および等価回路を示すものであり、１５、１６は所望の周波数帯で長さが波長に比べ十分短く、かつ、特性インピーダンスが５０Ωよりも高い伝送線路、１７、１８は所望の周波数帯で１/４波長よりも短い先端開放スタブである。
【００３４】
このマイクロ波装置は図５（a）に示すように、２個の伝送線路１５、１６と、２個の先端開放スタブ１７、１８と、キャパシタ１１および金ワイヤ１２とからなり、伝送線路１５の先端には先端開放スタブ１７、１８を接続し、これらの先端開放スタブ１７、１８の接続点近傍にチップ状のキャパシタ１１を装着するとともに、キャパシタ１１と伝送線路１６間を金ワイヤ１２で接続した構成のものである。このような構成のマイクロ波装置１３も実施の形態１で示したように主線路３、４間に装荷されている。
【００３５】
図５（ｂ）は図５（a）の簡略化した等価回路であり、伝送線路１５、１６は高インピーダンスを有し、長さが波長に比べ十分短い事からインダクタとして表され、また、１/４波長よりも短い先端開放スタブ１７、１８は等価的にキャパシタとして表すことができる。
【００３６】
また、キャパシタ１１は抵抗とキャパシタとの直列回路として表され、キャパシタ１１の値は所望の周波数帯でインピーダンスが十分小さくなるように選ばれている。さらに、キャパシタ１１と伝送線路１６間を接続する金ワイヤ１２の長さは波長に比べ十分短く選ばれており、金ワイヤ１２に起因するインダクタは無視できる程度に小さいくなるため、ここでは省略して示している。
【００３７】
この図に示すように、このマイクロ波装置ではインダクタ１５とキャパシタ１７とで形成されるL形回路と、インダクタ１６とキャパシタ１８とで形成されるL形回路との間にキャパシタ１３が装荷されたものとして表される。このようなL形回路はインピーダンス変換機能を有することは一般に知られている。
【００３８】
例えば、２GHｚで５０Ωから１００Ωへ変換するにはインダクタは約４ｎH、キャパシタは約０.８ｐFとなる。このような値が得られるように伝送線路１５、１６の長さと特性インピーダンス、先端開放スタブ１７、１８の長さと特性インピーダンスを選ぶことにより、キャパシタ１３が装着されるインピーダンスを１００Ωに保ちつつ、マイクロ波装置の入出力端子でのインピーダンスを５０Ωにできる。
【００３９】
このようにキャパシタ１３が装着されるインピーダンスを高くすることができ、実施の形態１で説明したようにマイクロ波装置の損失低減を図ることができる。このマイクロ波装置をマイクロ波コンポーネント、例えば低雑音増幅器では雑音指数の劣化、高出力増幅器では出力、効率の低下小さくする事ができる効果がある。また、１００Ｗ級の高出力増幅器ではマイクロ波装置を構成するキャパシタ１１での発熱を小さくすることができ、マイクロ波装置の信頼性向上が図れる効果もある。
なお、実施の形態１で示したような１/４波長の高インピーダンス線路９、１０が不要となるため、実施の形態１のものに比べ、小形になる効果もある。
【００４０】
図６は実施の形態２のマイクロ波装置による他の実施例の構成を示す図であり、１９は誘電体ブロック、２０は金属パターン、２１はスルーホールである。
このマイクロ波装置は図５のものと基本的構成は同じであるが、誘電体基板１上に形成され、スルーホール２１を施した金属パターン２０と先端開放スタブ１７の先端部との間に、例えば窒化アルミ等の熱伝導性の良好な誘電体ブロック１９を設けたものである。
【００４１】
先端開放スタブ１７の先端部に誘電体ブロック１９を設けることにより、先端開放スタブ１７に起因するキャパシタの値が若干変動するが、この誘電体ブロック１９を設けることを考慮し、所望の値が得られるように先端開放スタブ１７の長さおよび特性インピーダンスが選ばれている。
【００４２】
このような構成にすることにより、キャパシタ１１で発生した熱を先端開放スタブ１７、誘電体ブロック１９およびスルーホール２０を介して排熱させることができる。これにより、キャパシタ１１の温度を下げることができ、図５のマイクロ波装置よりも高信頼性が得られる効果がある。
【００４３】
以上のように、実施の形態１、２で示したマイクロ波装置ではマイクロ波コンポーネントに使用される半導体素子に所望の直流バイアス電圧およびマイクロ波信号を供給する機能を有し、かつ、損失が小さいためマイクロ波コンポーネントの高性能化、高信頼性化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の実施の形態１によるマイクロ波装置を増幅器の入力側に適用した場合の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるマイクロ波装置の等価回路を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるマイクロ波装置の損失特性を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるマイクロ波装置の他の実施例の構成を示す図である。
【図５】この発明による実施の形態２のマイクロ波装置の構成および等価回路を示す図である。
【図６】この発明による実施の形態２のマイクロ波装置の他の実施例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  誘電体基板、  ２  入力端子、  ３  主線路、  ４  主線路、  ５  ＦＥＴ、  ６  １/４波長スタブ、  ７  キャパシタ、  ８  金ワイヤ、  ９  高インピーダンス線路、  １０  高インピーダンス線路、  １１  キャパシタ、  １２  金ワイヤ、  １３  マイクロ波装置、  １４  誘電体基板、  １５  伝送線路、  １６  伝送線路、  １７  先端開放スタブ、  １８  先端開放スタブ、  １９  誘電体ブロック、  ２０  金属パターン、  ２１  スルーホール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008187633.tif 000007
【図５】
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【図６】
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