(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート端子から入力された高周波信号を増幅するトランジスタと、
前記トランジスタのゲート端子に接続される安定化回路を備え、
前記安定化回路は
基板上に形成され、一端が前記トランジスタのゲート端子と接続された抵抗と、
前記基板上に形成され、一端が前記抵抗の他端と接続され、長さが前記高周波信号の基本波周波数の４分の１波長から２分の１波長の長さの範囲である伝送線路と、
前記伝送線路の他端にワイヤで繋がれ、前記伝送線路が形成された基板に対して誘電率が高い別の基板に形成されてインピーダンスが前記伝送線路のインピーダンスより低い先端開放スタブを有することを特徴とする高周波増幅器。
【請求項２】
前記先端開放スタブが形成される基板の誘電率は３００以下であることを特徴とする請求項１記載の高周波増幅器。
【請求項３】
ゲート端子から入力された高周波信号を増幅するトランジスタと、
前記トランジスタのゲート端子に接続される安定化回路を備え、
前記安定化回路は
基板上に形成され、一端が前記トランジスタのゲート端子と接続された抵抗と、
前記基板上に形成され、一端が前記抵抗の他端と接続され、長さが前記高周波信号の基本波周波数の４分の１波長から２分の１波長の長さの範囲である伝送線路と、
前記伝送線路の他端にワイヤで繋がれ、前記伝送線路が形成された基板に対して厚さか薄い別の基板に形成されてインピーダンスが前記伝送線路のインピーダンスより低い先端開放スタブを有することを特徴とする高周波増幅器。
【請求項４】
ゲート端子から入力された高周波信号を増幅するトランジスタと、
前記トランジスタのゲート端子に接続される安定化回路を備え、
前記安定化回路は
基板上に形成され、一端が前記トランジスタのゲート端子と接続された抵抗と、
前記基板上に形成され、一端が前記抵抗の他端と接続され、長さが前記高周波信号の基本波周波数の４分の１波長から２分の１波長の長さの範囲である伝送線路と、
前記伝送線路の他端にワイヤで繋がれ、前記伝送線路が形成された基板に対して別の基板に形成され、虚数部のインピーダンスが前記高周波信号の基本波周波数の２分の１倍の周波数帯で５から２０オームの範囲である先端開放スタブを有することを特徴とする高周波増幅器。
【請求項５】
前記トランジスタは、前記抵抗及び前記伝送線路が形成された基板上に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の高周波増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高周波信号を増幅する高周波増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下の特許文献１には、ゲート端子から入力されたマイクロ波を増幅するＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を実装している高周波増幅器が開示されている。
この高周波増幅器では、不要なマイクロ波を吸収して、動作の安定化を図るために、抵抗、伝送線路及びコンデンサからなる先端短絡スタブをＦＥＴのゲート端子に接続するようにしている。
このような先端短絡スタブの実現方法として、例えば、基板上に形成された伝送線路と、マイクロチップコンデンサをワイヤで繋ぐ方法が考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２４４７６３号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の高周波増幅器は以上のように構成されているので、動作の安定化を図ることができるが、先端短絡スタブの先端に用いられるマイクロチップコンデンサは、物理的に脆く、容量の温度特性が大きいため、使用環境によっては使用することができず、動作の安定化を図ることができなくなってしまうという課題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、使用環境の影響をあまり受けることなく、動作の安定化を図ることができる高周波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】
【０００６】
この発明に係る高周波増幅器は、ゲート端子から入力された高周波信号を増幅するトランジスタと、トランジスタのゲート端子に接続される安定化回路を備え、安定化回路は、基板上に形成され、一端がトランジスタのゲート端子と接続された抵抗と、基板上に形成され、一端が抵抗の他端と接続され、長さが前記高周波信号の基本波周波数の４分の１波長から２分の１波長の長さの範囲である伝送線路と、伝送線路の他端にワイヤで繋がれ、伝送線路が形成された基板に対して誘電率が高い別の基板に形成されてインピーダンスが伝送線路のインピーダンスより低い先端開放スタブとを備えている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、ゲート端子から入力された高周波信号を増幅するトランジスタと、トランジスタのゲート端子に接続される安定化回路を備え、安定化回路は、基板上に形成され、一端がトランジスタのゲート端子と接続された抵抗と、基板上に形成され、一端が抵抗の他端と接続され、長さが前記高周波信号の基本波周波数の４分の１波長から２分の１波長の長さの範囲である伝送線路と、伝送線路の他端にワイヤで繋がれ、伝送線路が形成された基板に対して誘電率が高い別の基板に形成されてインピーダンスが伝送線路のインピーダンスより低い先端開放スタブとを備えた構成としたことにより、マイクロチップコンデンサを用いる必要がなくなったので、使用環境の影響をあまり受けることなく、動作の安定化を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１による高周波増幅器を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による高周波増幅器のＦＥＴ及び安定化回路を示す構成図である。
【図３】安定化回路が接続されている場合と接続されていない場合の高周波増幅器のＫファクタの周波数特性を示す説明図である。
【図４】安定化回路が接続されている場合と接続されていない場合のＦＥＴの利得（Ｓ２１）を示す説明図である。
【図５】マイクロチップコンデンサを用いることで実現できる理想的なショート点を示す説明図である。
【図６】基本波周波数より低い周波数はショート付近に位置し、基本波周波数はオープン付近に位置していることを示す説明図である。
【図７】先端開放スタブではショート点を作ることができず、容量性の領域に位置していることを示す説明図である。
【図８】基本波周波数より低い周波数はショート付近に位置し、基本波周波数はオープン付近に位置していることを示す説明図である。
【図９】先端開放スタブの虚数部のインピーダンスと、先端開放スタブのサイズ及び高周波増幅器の比帯域との関係を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態４による高周波増幅器のＦＥＴ及び安定化回路を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による高周波増幅器を示す構成図であり、図２はこの発明の実施の形態１による高周波増幅器のＦＥＴ及び安定化回路を示す構成図である。
図１及び図２において、入力端子１は増幅対象の高周波信号（例えば、ミリ波帯やマイクロ波帯の信号など）を入力する端子である。
入力側整合回路２は入力端子１とＦＥＴ３のゲート端子との間に接続されている入力側の整合回路である。
【００１０】
ＦＥＴ３はゲート端子が入力側整合回路２と接続され、ドレイン端子が出力側整合回路４と接続されているソース接地のトランジスタであり、ゲート端子から入力された高周波信号を増幅して、ドレイン端子から増幅後の高周波信号を出力する。
この実施の形態１では、高周波信号を増幅するトランジスタがＦＥＴ３である例を説明するが、トランジスタの種類はＦＥＴに限るものではなく、例えば、ＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）などのトランジスタであってもよい。また、この実施の形態１では、高周波信号を増幅するトランジスタがソース接地のトランジスタである例を示しているが、これに限るものではなく、例えば、ドレイン接地のトランジスタであってもよい。
【００１１】
出力側整合回路４はＦＥＴ３のドレイン端子と出力端子５との間に接続されている出力側の整合回路である。
出力端子５はＦＥＴ３により増幅された高周波信号を出力する端子である。
安定化回路６は一端がＦＥＴ３のゲート端子と接続されている回路であり、抵抗７、伝送線路８及び先端開放スタブ９から構成されている。
【００１２】
安定化回路６の抵抗７は一端がＦＥＴ３のゲート端子と接続されている。ＦＥＴ３のゲート端子と抵抗７は、ＦＥＴ３のゲート端子が接続されているドレインパッドと抵抗７との間をワイヤ１０で繋がれることで接続されている。
伝送線路８は一端が抵抗７の他端と接続されている。
先端開放スタブ９は伝送線路８とワイヤ１１で繋がれている。
抵抗７及び伝送線路８は同一の基板上に形成されているが、先端開放スタブ９は、抵抗７及び伝送線路８が形成されている基板と別の基板上に形成されている。このため、伝送線路８と先端開放スタブ９はワイヤ１１で繋がれている。
また、伝送線路８が形成されている基板の誘電率より先端開放スタブ９が形成されている基板の誘電率を高くすることで、伝送線路８のインピーダンスより先端開放スタブ９のインピーダンスを低くしている。
【００１３】
次に動作について説明する。
この実施の形態１では、安定化回路６を接続することで、高周波増幅器の安定化を図っている。
図３は安定化回路６が接続されている場合と接続されていない場合の高周波増幅器のＫファクタの周波数特性を示す説明図である。
また、図４は安定化回路６が接続されている場合と接続されていない場合のＦＥＴ３の利得（Ｓ２１）を示す説明図である。
以下、この安定化回路６の特性について説明する。
【００１４】
Ｋファクタは、高周波増幅器の安定性を示す指標の１つであり、Ｋファクタが高い程、高周波増幅器が安定であると判断され、一般にＫファクタが１より小さい場合、不安定であると判断される。
高周波増幅器は、高周波信号の周波数が低い程、ＦＥＴ３の利得（Ｓ２１）が高くなることから、高周波信号の基本波周波数（ｆｏの周波数）よりも低い周波数帯域で安定性が悪くなる。このため、安定化回路６が接続されていない場合、基本波周波数よりも低い周波数帯域では、図３に示すように、Ｋファクタが１より小さくなることがある。
【００１５】
この実施の形態１では、基本波周波数よりも低い周波数帯域でも、Ｋファクタが１より小さくならないようにするため、安定化回路６を接続するようにしている。
安定化回路６を接続することで、Ｋファクタが高くなる理由は、基本波周波数よりも低い周波数帯域では、安定化回路６を構成する抵抗７が見えるため、図４に示すように、抵抗７の作用によって、低い周波数帯域において、ＦＥＴ３の利得（Ｓ２１）が低減するからである。
一方、安定化回路６は、基本波周波数では後述するようにオープンになるようにしているため、図４に示すように、基本波周波数付近の帯域では、ＦＥＴ３の利得（Ｓ２１）の変化量が小さい。
以上より、安定化回路６は、基本波周波数よりも低い周波数帯域での安定性を向上させて、基本波周波数での利得（Ｓ２１）を変化させないという特性を有する。
以下、安定化回路６の実現方法について説明する。
【００１６】
最初に、従来のように、マイクロチップコンデンサを用いて、安定化回路を実現する方法について説明する。
一般にマイクロチップコンデンサは誘電率εｒが高く、例えば、εｒ≧５０００のマイクロチップコンデンサを用いれば、図５に示すように、理想的なショート点を作ることができる。
図５はマイクロチップコンデンサを用いることで実現できる理想的なショート点を示す説明図である。
【００１７】
マイクロチップコンデンサを用いて、安定化回路の先端にショート点を作り、そのショート点と安定化回路の伝送線路との間を繋ぐワイヤの電気長と、その伝送線路の電気長とを合わせた電気長を基本波周波数でλ／４（４分の１波長）の長さとすれば、図６に示すように、基本波周波数をオープン付近に位置させることができる。
図６は基本波周波数より低い周波数はショート付近に位置し、基本波周波数はオープン付近に位置していることを示す説明図である。
これにより、安定化回路は、基本波周波数でオープン付近になり、ＦＥＴ３の利得（Ｓ２１）の変化量が小さいものとなる。
一方、基本波周波数より低い周波数ではショート付近にあるため、伝送線路上の抵抗がショートになって回路損失が大きくなる。その結果、基本波周波数より低い周波数帯域では、ＦＥＴ３の利得（Ｓ２１）が低下してＫファクタが向上し、高周波増幅器の安定性が向上する。
【００１８】
よって、従来のように、マイクロチップコンデンサを用いて、安定化回路を実現すれば、高周波増幅器の安定性を高めることができるが、マイクロチップコンデンサは、上述したように、物理的に脆く、容量の温度特性が大きいため、使用環境によっては使用することができなくなることがある。
この実施の形態１では、使用環境によっては使用することができなくなるマイクロチップコンデンサを用いずに、使用環境の影響をあまり受けることがない先端開放スタブ９を用いて、安定化回路を実現するようにしている。
【００１９】
次に、先端開放スタブ９を用いて、安定化回路を実現する方法について説明する。
先端開放スタブ９を用いる場合も、マイクロチップコンデンサを用いる場合と同様に、基本波周波数では安定化回路をオープンとする一方で、基本波周波数より低い周波数帯域では抵抗を見せることで安定性を向上させるようにする。
まず、先端開放スタブ９は、誘電率εｒが低い基板（例えば、εｒ≦３００の基板）に形成されるものとする。
先端開放スタブ９のインピーダンスは容量性であるため、図７に示すように、理想的なショート点を作ることができない。
図７は先端開放スタブ９ではショート点を作ることができず、容量性の領域に位置していることを示す説明図である。
【００２０】
そこで、図７に示す容量性インピーダンスの位置から、基本波周波数ではオープンの位置で、基本波周波数より低い周波数帯域ではショート付近の位置に持っていくために、ワイヤ１１と伝送線路８を用いている。
図８は基本波周波数より低い周波数はショート付近に位置し、基本波周波数はオープン付近に位置していることを示す説明図である。
図８の例では、伝送線路８の長さを基本波周波数でλ／４〜λ／２の長さにすることで、基本波周波数をオープン付近に位置させている。
これにより、先端開放スタブ９を用いて、安定化回路６を実現する場合も、マイクロチップコンデンサを用いて、安定化回路を実現する場合と同様の特性が得られる。
【００２１】
この実施の形態１では、図７に示す容量性インピーダンスの位置から、図８に示すインピーダンスを作ることが、安定化回路６を実現する上で重要な点である。
即ち、基本波周波数より低い周波数で、出来るだけショートに近くなるようにするために、先端開放スタブ９のインピーダンスを低インピーダンスとする。一方、基本波で、出来るだけオープンに近くなるようにするために、伝送線路８のインピーダンスを高インピーダンスとする必要がある。
この実施の形態１では、伝送線路８が形成されている基板の誘電率より、先端開放スタブ９が形成されている基板の誘電率を高くすることで、伝送線路８のインピーダンスより先端開放スタブ９のインピーダンスを低くして、図８に示すようなインピーダンス特性を実現している。
【００２２】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、ゲート端子から入力された高周波信号を増幅するＦＥＴ３と、一端がＦＥＴ３のゲート端子と接続された抵抗７と、一端が抵抗７の他端と接続された伝送線路８と、伝送線路８とワイヤ１１で繋がれた先端開放スタブ９とを備え、伝送線路８のインピーダンスより先端開放スタブ９のインピーダンスを低くするように構成したので、使用環境によっては使用することができなくなるマイクロチップコンデンサを用いずに、高周波増幅器の安定化を図ることができる安定化回路６を実現することができる。この結果、使用環境の影響をあまり受けることなく、動作の安定化を図ることができる効果を奏する。
【００２３】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、伝送線路８が形成されている基板の誘電率より、先端開放スタブ９が形成されている基板の誘電率を高くすることで、伝送線路８のインピーダンスより先端開放スタブ９のインピーダンスを低くして、図８に示すようなインピーダンス特性を実現しているものを示したが、伝送線路８が形成されている基板の厚さより、先端開放スタブ９が形成されている基板の厚さを薄くすることでも、伝送線路８のインピーダンスより先端開放スタブ９のインピーダンスを低くすることができる。
したがって、伝送線路８が形成されている基板の厚さより、先端開放スタブ９が形成されている基板の厚さを薄くすることで、伝送線路８のインピーダンスより先端開放スタブ９のインピーダンスを低くして、図８に示すようなインピーダンス特性を実現するようにしてもよい。
このように、伝送線路８が形成されている基板の厚さより、先端開放スタブ９が形成されている基板の厚さを薄くする場合でも、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、伝送線路８のインピーダンスより先端開放スタブ９のインピーダンスを低くして、図８に示すようなインピーダンス特性を実現しているものを示したが、先端開放スタブ９の最適なインピーダンスとして、先端開放スタブ９の虚数部のインピーダンスを基本波周波数の２分の１倍の周波数帯で５〜２０オームの範囲に決定することで、上記実施の形態１，２よりも高精度な安定化回路６を得るようにしてもよい。
【００２５】
図９は先端開放スタブ９の虚数部のインピーダンスと、先端開放スタブ９のサイズ及び高周波増幅器の比帯域との関係を示す説明図である。
先端開放スタブ９のサイズは、先端開放スタブ９の面積を意味し、高周波増幅器の比帯域は、安定化回路６を用いるか否かに関わらず、図４に示す基本波周波数における利得（Ｓ２１）と同等の利得（Ｓ２１）が得られる際の周波数帯域を示している。
また、先端開放スタブ９の虚数部のインピーダンスは、基本波周波数の１／２倍の周波数帯におけるインピーダンスを示している。
【００２６】
先端開放スタブ９の虚数部のインピーダンスが５［ohm］より小さい領域では、図９に示すように、先端開放スタブ９のサイズが大きくなり、基本波周波数の比帯域がほとんど変化しなくなる。
一方、先端開放スタブ９の虚数部のインピーダンスが２０［ohm］より大きい領域では、図９に示すように、先端開放スタブ９のサイズがほとんど変化しなくなり、基本波周波数の比帯域が悪くなっている。
サイズと比帯域のトレードオフから最適な先端開放スタブ９の虚数部インピーダンスは５ohm〜２０ohmになる。
したがって、この実施の形態３では、先端開放スタブ９の虚数部のインピーダンスを基本波周波数の１／２倍の周波数帯で５〜２０［ohm］の範囲に決定する。
なお、伝送線路８の長さについては、上記実施の形態１，２と同様に、基本波周波数でλ／４〜λ／２の長さの範囲に決定する。
これにより、上記実施の形態１，２よりも高精度な安定化回路６を得ることができる。
【００２７】
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、抵抗７及び伝送線路８が同一の基板上に形成され、先端開放スタブ９が、抵抗７及び伝送線路８が形成されている基板と別の基板上に形成されているものを示したが、図１０に示すように、ＦＥＴ３、抵抗７及び伝送線路８が同一のモノリシックマイクロ波集積回路上に形成されているものであってもよい。
この場合、モノリシックマイクロ波集積回路であるＭＭＩＣ２０上に形成されている伝送線路８と先端開放スタブ９がワイヤ１１で繋がれているようにする。
この場合も、伝送線路８のインピーダンスより先端開放スタブ９のインピーダンスを低くして、図８に示すようなインピーダンス特性を実現すれば、上記実施の形態１〜３と同様の効果が得られる。
【００２８】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１  入力端子、２  入力側整合回路、３  ＦＥＴ（トランジスタ）、４  出力側整合回路、５  出力端子、６  安定化回路、７  抵抗、８  伝送線路、９  先端開放スタブ、１０，１１  ワイヤ、２０  ＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）。
【図１】
0006381429.tif 000002
【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】
0006381429.tif 000008
【図８】
0006381429.tif 000009
【図９】
0006381429.tif 000010
【図１０】
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