(57)【要約】直流信号とマイクロ波信号との交差配線を有する増幅回路は、互いに鏡像である二つの分岐サブ回路と出力端に並列接続される第三コンデンサとを含み、サブ回路は直流給電回路およびマイクロ波信号回路を含み、直流給電回路のヘテロ接合電界効果トランジスタダイのドレイン電圧印加ポートは、並列接続される第一コンデンサを介した後に第一マイクロストリップインダクタに直列接続され、さらに分岐する一対の第二インダクタを介して一対の第三インダクタに直列接続された後、ヘテロ接合電界効果トランジスタダイのドレイン電圧印加ポートに接続される。マイクロ波信号回路の一対の第三インダクタは、並列接続される一対の第二コンデンサを介した後に一対の第一コンデンサに直列接続され、かつ一対の接地インダクタに並列接続され、さらに一対の第四インダクタに直列接続されて集束された後、直列接続される第五インダクタを介して出力端に接続される。
2015517771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに鏡像である二つの分岐サブ回路（２０１、２０２）と、出力端に並列接続される第三コンデンサ（２１０１）とからなり、前記サブ回路は直流給電回路およびマイクロ波信号回路を含む直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路において、前記直流給電回路は主に、ヘテロ接合電界効果トランジスタダイのドレイン電圧印加ポート（Ｖｄｓ）、第一コンデンサ（２８１）、第一マイクロストリップインダクタ（２４１）、一対の第二インダクタ（２３１、２３２）、一対の第三インダクタ（２１１、２１２）から構成され、前記ヘテロ接合電界効果トランジスタダイのドレイン電圧印加ポート（Ｖｄｓ）は、並列接続される第一コンデンサ（２８１）を介した後に、第一マイクロストリップインダクタ（２４１）に直列接続され、さらに分岐する一対の第二インダクタ（２３１、２３２）を介して、一対の第三インダクタ（２１１、２１２）の一つにそれぞれ直列接続された後、ヘテロ接合電界効果トランジスタダイのドレイン電圧印加ポートにそれぞれ接続され、前記マイクロ波信号回路は主に、前記一対の第三インダクタ（２１１、２１２）、一対の第二コンデンサ（２２１、２２２）、一対の第一コンデンサ（２５１、２５２）、一対の接地インダクタ（２６１、２６２）、一対の第四インダクタ（２７１、２７２）、および第五インダクタ（２９１）から構成され、前記一対の第三インダクタ（２１１、２１２）は、並列接続される一対の第二コンデンサ（２２１、２２２）の一つをそれぞれ介した後に、一対の第一コンデンサ（２５１、２５２）の一つにそれぞれ直列接続され、かつ一対の接地インダクタ（２６１、２６２）の一つにそれぞれ並列接続され、さらに一対の第四インダクタ（２７１、２７２）の一つにそれぞれ直列接続されて集束された後、直列接続される第五インダクタ（２９１）を介して出力端に接続されることを特徴とする直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路。
【請求項２】
前記直流給電回路のいずれか一つの直列接続されるインダクタと前記マイクロ波信号回路のいずれか一つの直列接続されるインダクタとが立体交差することを特徴とする請求項１に記載の直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路。
【請求項３】
前記立体交差はエアブリッジ構造を用いることを特徴とする請求項２に記載の直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路。
【請求項４】
前記直流給電回路における第一インダクタおよび一対の第二インダクタと、前記マイクロ波信号回路における一対の第四インダクタおよび第五インダクタとは、集中インダクタを用いることを特徴とする請求項３に記載の直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路。
【請求項５】
前記直流給電回路における第一インダクタおよび一対の第二インダクタと、前記マイクロ波信号回路における一対の第四インダクタおよび第五インダクタとは、分布式マイクロストリップラインを用いることを特徴とする請求項３に記載の直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路。
【請求項６】
前記互いに鏡像回路である二つのサブユニット（２０１、２０２）の出力は集束され、並列接続される第三コンデンサ（２１０１）を介して出力（Ｐｏｕｔ）ポートに到達することを特徴とする請求項４または５に記載の直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路。
【請求項７】
前記ヘテロ接合電界効果トランジスタは高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項６に記載の直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路。
【請求項８】
前記高電子移動度トランジスタのダイは八つのユニットセルに展開され、二つのユニットセルごとに結合された後に、直列接続される第三インダクタ（２１１、２１２）の一つとそれぞれ接続されることを特徴とする請求項７に記載の直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路に関し、特に直流信号とマイクロ波信号との交差配線のマイクロ波・ミリ波ハイパワーモノリシック集積パワーアンプ回路に関し、通信技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波・ミリ波ハイパワーモノリシック集積パワーアンプは、マイクロ波検知・制御誘導システムにおいて中心的なデバイスであり、ローパワー信号をハイパワー信号に増幅するために用いられることにより、システムにおける送信機のパワー放射レベルを向上させ、検知距離を増大させる。マイクロ波検知・制御誘導システムの発展に伴い、検知距離を増大させるとともにエネルギー消費を減少させて、増幅器の効率を向上させることが求められている。
【０００３】
そのため、一方ではマイクロ波・ミリ波ハイパワーモノリシック集積パワーアンプが高出力パワーおよび高効率を備えることが求められる。その一方で、量産過程において均一性や歩留まりを向上させ、コストを低下させるために、チップを小型化する必要がある。
【０００４】
ハイパワー出力は大電流の供給を必要とするため、大電流を受けるために、給電回路の線幅は通常１００μｍであるが、これは信号線幅の二倍以上であり、チップの最終段空間の径方向距離の１／１０を占め、チップに占める面積が大きい。また、高パワーと高効率を取得するには、出力端において適切なマッチングを行う必要があり、常用されるＴ型とπ型のマッチング回路およびその派生形態の幾つかの部分で、異なる帯域の信号、特に広帯域信号に対して、回路の設計および配置において柔軟な調整を行いやすくしなければならない。しかしながら、チップのサイズの制約から、マイクロ波・ミリ波ハイパワーモノリシック集積パワーアンプのチップの最終段回路の配置配線空間は非常に限られる。
【０００５】
従来のマイクロ波・ミリ波ハイパワーモノリシック集積パワーアンプの最終段ユニットはゲート幅の大きなダイを有し、出力インピーダンスが低い。典型的な構造は、図１に示すように、最終段のダイ１７０は、鏡像である二つの出力回路１０１、１０２を介し、さらに直列接続されるインダクタ１３４、並列接続されるコンデンサ１３５を経由し、出力ポート１１２に達する。出力サブ回路１０１は、Ｖｄｓポート１１１、並列接続されるコンデンサ１２１、直列接続されるコンデンサ１３１、並列接続される接地マイクロストリップ１３２、マイクロストリップライン１２２、１３３、マイクロストリップ結合ユニット１５１、並列接続されるコンデンサ１４１、１４２およびマイクロストリップ結合ユニット１６１、１６２を含む。当該方法を用いて実現される回路欠陥マッチングユニットは、並列接続されるコンデンサ１４１、１４２を介した後に結合されてはじめてコンデンサ１３１に接続でき、このことにより回路設計の自由度が制限されている。また、直列接続されるコンデンサ１３１、並列接続される接地マイクロストリップ１３２は性能に対する感度が非常に高い。さらに、領域１の電磁場が不連続であり、マイクロ波マッチング回路もダイに対して完全に対称とはならない。従ってゲート幅の大きなハイパワーの高インピーダンス変換比のマッチング回路にとってはマッチング回路の性能が大幅に制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路を提案し、ゲート幅の大きなダイの性能を十分に引き出し、かつレイアウトの密度とチップの空間利用率を著しく向上させることにより、ゲート幅の大きなパワーチップが高インピーダンス比となる広帯域回路のマッチングの問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ダイの直流給電回路とマイクロ波信号回路とはＨＥＭＴユニットセルに対して完全に対称であり、ダイＦＥＴの性能が十分に発揮されやすい。また、第二コンデンサに並列接続された後にコンデンサに直接直列接続でき、回路設計の自由度を向上させる。従来技術と比較して、直列接続されるコンデンサ（１３１）が直列接続される第一コンデンサ（２５１、２５２）により実現され、並列接続される接地マイクロストリップ（１３２）が並列接続される接地インダクタ（２６１、２６２）により実現されるため、本発明における素子の回路感度は低下する。また、本発明の解決手段は回路構造が対称であり、電磁場の重大な不連続領域は存在しない。
【０００８】
以上の目的を達成するために、本発明の直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路の基本的な技術的解決手段は：互いに鏡像である二つの分岐サブ回路（２０１、２０２）と、出力端に並列接続される第三コンデンサ（２１０１）とからなり、前記サブ回路は直流給電回路およびマイクロ波信号回路を含む直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路において、前記直流給電回路は主に、ヘテロ接合電界効果トランジスタダイのドレイン電圧印加ポート（Ｖｄｓ）、第一コンデンサ（２８１）、第一マイクロストリップインダクタ（２４１）、一対の第二インダクタ（２３１、２３２）、一対の第三インダクタ（２１１、２１２）から構成され、前記ヘテロ接合電界効果トランジスタダイのドレイン電圧印加ポート（Ｖｄｓ）は、並列接続される第一コンデンサ（２８１）を介した後に、第一マイクロストリップインダクタ（２４１）に直列接続され、さらに分岐する一対の第二インダクタ（２３１、２３２）を介して、一対の第三インダクタ（２１１、２１２）の一つにそれぞれ直列接続された後、ヘテロ接合電界効果トランジスタダイのドレイン電圧印加ポートにそれぞれ接続され、前記マイクロ波信号回路は主に、前記一対の第三インダクタ（２１１、２１２）、一対の第二コンデンサ（２２１、２２２）、一対の第一コンデンサ（２５１、２５２）、一対の接地インダクタ（２６１、２６２）、一対の第四インダクタ（２７１、２７２）、および第五インダクタ（２９１）から構成され、前記一対の第三インダクタ（２１１、２１２）は、並列接続される一対の第二コンデンサ（２２１、２２２）の一つをそれぞれ介した後に、一対の第一コンデンサ（２５１、２５２）の一つにそれぞれ直列接続され、かつ一対の接地インダクタ（２６１、２６２）の一つにそれぞれ並列接続され、さらに一対の第四インダクタ（２７１、２７２）の一つにそれぞれ直列接続されて集束された後、直列接続される第五インダクタ（２９１）を介して出力端に接続されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の技術的解決手段のさらなる改善として、前記直流給電回路のいずれか一つの直列接続されるインダクタと前記マイクロ波信号回路のいずれか一つの直列接続されるインダクタとが立体交差する。マイクロ波信号と直流信号との立体交差はエアブリッジ方式により実現される。
【００１０】
また、本発明の技術的解決手段のさらなる改善として、前記直流給電回路における第一インダクタおよび一対の第二インダクタと、前記マイクロ波信号回路における一対の第四インダクタおよび第五インダクタとは、集中インダクタを用いるか、または分布式マイクロストリップラインを用いる。
【００１１】
さらに、本発明の技術的解決手段のさらなる改善として、前記互いに鏡像回路である二つのサブユニットの出力は集束され、並列接続される第三コンデンサを介して出力（Ｐｏｕｔ）ポートに到達する。
【００１２】
さらに、本発明の技術的解決手段のさらなる改善として、前記ヘテロ接合電界効果トランジスタは高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、またはＨＥＭＴ）である。ＨＥＭＴダイは八つのユニットセルに展開することができ、二つのユニットセルごとに結合された後に、直列接続される第三インダクタ（２１１、２１２）の一つと互いに接続される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の上記の技術的解決手段を用いた場合、ダイの直流給電回路とマイクロ波信号回路とはＨＥＭＴユニットセルに対して完全に対称となり、ダイＦＥＴの性能が十分に発揮されやすい。また、第二コンデンサに並列接続された後にコンデンサに直接直列接続でき、回路設計の自由度が向上する。従来技術と比較して、直列接続されるコンデンサ（１３１）が直列接続される第一コンデンサ（２５１、２５２）により実現され、並列接続される接地マイクロストリップ（１３２）が並列接続される接地インダクタ（２６１、２６２）により実現されるため、本発明における素子の回路感度が低下する。また、本発明の解決手段の回路構造は対称であり、電磁場の重大な不連続領域は存在しないため、レイアウトの密度とチップの空間利用率を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明についてさらに説明する。
【００１５】
【図１】図１は、従来技術のマイクロ波・ミリ波ハイパワーモノリシック集積パワーアンプの最終段回路のレイアウトである。
【００１６】
【図２】図２は、本発明の直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路の原理図である。
【００１７】
【図３】図３は、本発明の一実施例のマイクロ波・ミリ波ハイパワーモノリシック集積パワーアンプの最終段回路のレイアウトである。図３における符号３０１、３０２…は、図２における２０１、２０２…にそれぞれ対応し、他も同様である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施例１
【００１９】
本実施例の直流信号とマイクロ波信号との交差配線の増幅回路は半導体ＭＭＩＣプロセスラインを用いて作製され、回路原理図は図２に示す通りであり、回路レイアウトは図３に示す通りである。回路実現過程において、直列接続されるインダクタは異なるインピーダンスのマイクロストリップラインを用いて実現され、コンデンサは集中ＭＩＭコンデンサにより実現される。回路は、マイクロ波パワー信号幅および位相が一致する、互いに鏡像回路である二つの回路ネットワークユニット３０１、３０２から構成される。各回路ネットワークユニットは、直流給電回路とマイクロ波信号回路とから構成される。直流信号回路は、ＨＥＭＴダイドレインの電圧印加ポートＶｄｓ、並列接続される第一ＭＩＭコンデンサ３８１、直列接続される第一マイクロストリップライン３４１、直列接続される第二マイクロストリップライン３３１、３３２、および直列接続される第三マイクロストリップライン３１１、３１２を含む。マイクロ波信号回路は、直列接続される第三マイクロストリップライン３１１、３１２、並列接続される第二ＭＩＭコンデンサ３２１、３２２、直列接続される第一ＭＩＭコンデンサ３５１、３５２、並列接続される接地マイクロストリップライン３６１、３６２、直列接続される第四マイクロストリップライン３７１、３７２、および直列接続される第五マイクロストリップライン３９１を含む。回路ネットワークユニット３０１、３０２は結合された後に第三ＭＩＭコンデンサ３１０１に並列接続されて出力ポートＰｏｕｔに達する。この回路の直流給電回路において直列接続される第二マイクロストリップ３３２とマイクロ波信号回路において直列接続される第五マイクロストリップ３９１とが立体交差を実現している。その交差の実現方式は、エアブリッジ３１１１によるブリッジ接続である。互いに鏡像回路である二つのサブユニットの出力は集束され、並列接続される第三コンデンサを介して出力（Ｐｏｕｔ）ポートに到達する。ＨＥＭＴダイは八つのユニットセルに展開され、二つのユニットセルごとに結合された後に、直列接続される第三インダクタ２１１、２１２の一つと互いに接続される。
【００２０】
回路ユニット３０１、３０２において、直流給電信号はチップにおいて横方向に伝送され、マイクロ波パワー信号は軸方向に伝送される。このような回路配線方式は直流電源からの様々な周波数成分のランダムノイズのマイクロ波パワー信号に対するクロストークの影響を減少させることができる。回路チップは、動作周波数帯域、パワー、効率、均一性、歩留まり、コストを総合的に考慮して、そのウエハはＧａＡｓ材料またはＧａＮ材料を用いて基板とするが、これに限られない。
【００２１】
当業者は、上記の実施例に基づいて、直流給電回路のいずれか一つの直列接続されるインダクタとマイクロ波信号回路のいずれか一つの直列接続されるインダクタとが立体交差することに容易に想到することができる。直流給電回路における第一インダクタおよび一対の第二インダクタと、マイクロ波信号回路における一対の第四インダクタおよび第五インダクタとは、分布式マイクロストリップラインまたは集中インダクタを用いることができる。なお、ヘテロ接合電界効果トランジスタは、ＨＥＭＴを用いる以外に、変調ドープ電界効果トランジスタ（ＭＯＤＦＥＴ）、二次元電子ガス電界効果トランジスタ（２−ＤＥＧＦＥＴ）、選択ドープヘテロ接合トランジスタ（ＳＤＨＴ）等であってもよい。
【００２２】
本実施例は以下のような有益な効果を有することが理論と試験により証明される。
【００２３】
１）直流給電回路とマイクロ波信号回路とがダイに対して完全に対称であるため、各ユニットセルにとって、その負荷回路のインピーダンスが完全に同じであり、ダイの最適な性能が発揮されやすい。
【００２４】
２）並列接続される第二ＭＩＭコンデンサの後側に、直列接続される第二コンデンサが直接接続される。直流信号とマイクロ波パワー信号との合流点の位置が固定されることによるチップ設計の自由度への制限がなくなる。
【００２５】
３）回路構造が比較的対称であり、電磁場が比較的連続して均一である。
【００２６】
４）マイクロ波信号回路において直列接続される第一ＭＩＭコンデンサと並列接続される接地マイクロストリップとの、回路性能に対する感度が著しく低下する。プロセス加工に十分な分離マージンを確保し、チップの量産に有利である。
【００２７】
５）より多くのユニットセルの回路設計が容易になり、よ八つのセル構造に容易に展開でき、より大きなパワーチップの設計に有利である。
【００２８】
６）チップの空間利用率が向上し、チップのコストが低下する。
【００２９】
以上のように、本実施例はゲート幅の大きなパワーチップの出力インピーダンスを５０オームポートの高インピーダンス比にするという広帯域マッチングの難題を解決し、ゲート幅の大きなダイの高パワー・高効率の性能を十分に引き出す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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