(57)【要約】【課題】基本波整合の広帯域化を有利にすると共に、理想的な２倍波入力整合条件を実現する高周波増幅器を得る。【解決手段】基本波整合用のマイクロストリップ伝送線路６と、２倍波整合用の先端開放スタブ７とを同一の高誘電率基板５上に形成すると共に、マイクロストリップ伝送線路６とゲート電極１とをワイヤ８により接続したので、ワイヤ８を最小の長さまで短くすることができ、基本波整合の広帯域化を有利にすることができる。  また、マイクロストリップ伝送線路６と、先端開放スタブ７とを個別に形成すると共に、ゲート電極１にワイヤ８，９により個別に接続したので、先端開放スタブ７の電気長を、２倍波に対して、ワイヤ９によるリアクタンス成分を加味して、トランジスタのゲート電極端にて短絡点形成するように選ぶことができ、理想的な２倍波入力整合条件を実現することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板上に形成された基本波整合用の伝送線路と、
上記誘電体基板上に形成された２倍波整合用の先端開放スタブと、
一端が上記伝送線路に接続され、他端が高周波トランジスタの信号入力電極に接続された第１のワイヤと、
一端が上記先端開放スタブに接続され、他端が上記高周波トランジスタの信号入力電極に接続された第２のワイヤとを備えた高周波増幅器。
【請求項２】
請求項１記載の高周波増幅器を少なくとも２つ以上並列接続したことを特徴とする高周波増幅器。
【請求項３】
同一の誘電体基板上において、隣り合う高周波トランジスタに接続される先端開放スタブの開放端同士を互いに接続したことを特徴とする請求項２記載の高周波増幅器。
【請求項４】
同一の誘電体基板上において、隣り合う高周波トランジスタに接続される先端開放スタブの開放端同士を抵抗を介して接続したことを特徴とする請求項２記載の高周波増幅器。
【請求項５】
誘電体基板上に形成され、該誘電体基板の下面に形成されたグランドパターンとビアホールを介して接続されたグランドパッドと、
一端が上記グランドパッドに接続され、他端が高周波トランジスタの接地電極に接続され、且つ第１のワイヤと平行となるように接続された第３のワイヤとを備えた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】
本発明は、高効率化のための技術、特に入力２倍波制御を高効率化する高周波増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高周波増幅器において、２倍波反射（共振）回路を用いて入力２倍波を制御することにより、増幅器の高効率化を図る手法が知られている。
【０００３】
例えば、下記非特許文献１では、ＧａＮ−ＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor)チップ上に、ＭＩＭ(Metal Insulator Metal)キャパシタと伝送線路からなる２倍波共振回路を接続して、入力２倍波を制御することにより、高効率動作を達成する手法が開示されている。
【０００４】
また、下記特許文献１では、トランジスタを搭載したチップ上に共振回路を搭載することなく、入力２倍波整合を実現する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４１３１３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“A 67% PAE, 100W GaN Power Amplifier with On-Chip Harmonic Tuning Circuits for C-band Space Applications” 2011 International Microwave Symposium
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、以下のような課題があった。
上記非特許文献１では、２倍波共振回路が基本波において有するアドミタンス成分により、基本波インピーダンスが低インピーダンスとなってしまい、基本波入力整合が狭帯域になる課題があった。
【０００８】
また、広帯域増幅器では、低周波での発振防止と利得周波数特性の平坦化のために、抵抗と伝送線路とキャパシタの直列回路からなる安定化回路をトランジスタの信号入力電極の極近傍にシャントに接続する手法がとられる。
しかしながら、上記非特許文献１に示された手法では、トランジスタチップ上に２倍波共振回路を構成するために、トランジスタチップサイズが大きくなりチップコストが高くなる課題があった。
特に、ＧａＮ−ＨＥＭＴチップのように、出力電力は高いものの単位面積当たりのチップコストの高いトランジスタチップにおいては、高周波増幅器のコストに占めるチップコストの割合が高くなるため、低コスト化のためにはチップ面積の極小化が重要である。
また、トランジスタチップ上に２倍波共振回路を構成した場合において、動作周波数を変更したい場合には、共振周波数の異なる様々なトランジスタチップを準備する必要がある。このことは結果的に少量多品種生産となってしまい、コスト高の原因となってしまう。
【０００９】
上記特許文献１では、トランジスタチップと基本波整合のための高誘電率基板との間に２倍波反射回路を配置する構成のために、トランジスタのゲート電極と基本波整合のための高誘電率基板を接続するワイヤの長さが長くなってしまう。
特に、ゲート幅の大きなトランジスタにおいては、このワイヤが長くなると、入力インピーダンスのリアクタンス成分が大きくなってしまい、広帯域な入力整合を実現できなくなる課題があった。
【００１０】
本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あり、基本波整合の広帯域化を有利にすると共に、トランジスタチップのサイズを小さく保ってコストを小さく保ち、さらに、理想的な２倍波入力整合条件を実現す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】
【００１１】
本発明の高周波増幅器は、誘電体基板上に形成された基本波整合用の伝送線路と、誘電体基板上に形成された２倍波整合用の先端開放スタブと、一端が伝送線路に接続され、他端が高周波トランジスタの信号入力電極に接続された第１のワイヤと、一端が先端開放スタブに接続され、他端が高周波トランジスタの信号入力電極に接続された第２のワイヤとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、先端開放スタブの電気長を、２倍波に対して、第２のワイヤによるリアクタンス成分を加味して、高周波トランジスタの信号入力電極端にて短絡点形成するように選ぶことができ、第１のワイヤの長さやそのリアクタンス成分に影響されることなく、理想的な２倍波入力整合条件を実現することができる。
また、基本波整合用の伝送線路と２倍波整合用の先端開放スタブとを同一誘電体基板上に形成すると共に、伝送線路と高周波トランジスタの信号入力電極とを第１のワイヤにより接続するようにしたので、第１のワイヤの長さはアセンブリ技術の限界にて決まる最小の長さまで短くすることができ、基本波整合の広帯域化を有利にすることができる。
さらに、トランジスタチップと、基本波整合用の伝送線路と２倍波整合用の先端開放スタブとを搭載するチップとを個別に設けることができるので、トランジスタチップのサイズを小さく保って、コストを小さく保つことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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上面図である。
【図２】従来の高周波増幅器を示す上面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による高周波増幅器を示す回路図である。
【図４】従来の高周波増幅器を示す回路図である。
【図５】この発明の実施の形態２による高周波増幅器を示す上面図である。
【図６】この発明の実施の形態３による高周波増幅器を示す上面図である。
【図７】この発明の実施の形態４による高周波増幅器を示す上面図である。
【図８】この発明の実施の形態５による高周波増幅器を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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上面図である。
図において、電界効果トランジスタ（以下、単にトランジスタと言う）のゲート電極（信号入力電極）１、ドレイン電極２、およびソース電極（接地電極）３がそれぞれ形成される。ソース電極３は、ソースビアホール４を介してグランドパターン（図示せず）に接続される。
高誘電率基板（誘電体基板）５上には、基本波整合用のマイクロストリップ伝送線路６と、２倍波整合用の先端開放スタブ７とが、それぞれ個別に形成される。
ワイヤ８は、ゲート電極１とマイクロストリップ伝送線路６との間を接続し、ワイヤ９は、ゲート電極１と先端開放スタブ７との間を接続する。
【００１５】
ここで、本発明の効果の理解を助長するために、“Over 57% Efficiency C-band GaN HEMT High Power Amplifier with InternalHarmonic Manipulation Circuits”2008 International Microwave Symposium（非特許文献２）にて開示された回路との対比で説明する。
図２は非特許文献２にて開示された高周波増幅器を示す上面図である。
図において、高誘電率基板５上において、基本波整合用のマイクロストリップ伝送線路６と、２倍波整合用の先端開放スタブ７とが、マイクロストリップ伝送線路により接続される。
また、ゲート電極１とマイクロストリップ伝送線路６との間を、１本のワイヤ８のみで接続している。
【００１６】
図３は図１に示した実施の形態１による高周波増幅器の構成を回路図で表わしたものであり、図４は図２に示した従来の高周波増幅器の構成を回路図で表わしたものである。
図４において、従来の構成では、マイクロストリップ伝送線路６により、基本波整合条件を満たすように回路設計がなされ、先端開放スタブ７により、２倍波整合条件を満たすように回路設計がなされる。
しかし、先端開放スタブ７による２倍波整合条件は、ワイヤ８のインダクタンス成分の影響により、実現可能なインピーダンスの範囲は大いに制約を受ける。すなわち、高誘電率基板５にて実現された２倍波インピーダンスに対して、トランジスタから入力側を見込んだ２倍波インピーダンスは、ワイヤ８の有するリアクタンスが付加されたものとなる。
【００１７】
特にトランジスタの出力が大きく、トランジスタの入力インピーダンスＺｉｎが小さい場合には、高誘電率基板５にて実現可能なインピーダンスは、低インピーダンスに限られてしまう。この場合、ワイヤ８の有するリアクタンスの影響により、トランジスタから入力側を見込んだ２倍波インピーダンスは、大きく誘導性領域となってしまう。非特許文献１に示されているように、トランジスタが高効率動作する２倍波の終端条件は、おおよそ短絡条件であり、誘導性領域ではむしろ効率は低下する。
【００１８】
これに対して、実施の形態１による構成では、基本波整合用のマイクロストリップ伝送線路６と、２倍波整合用の先端開放スタブ７とを個別に形成すると共に、トランジスタのゲート電極１にワイヤ８，９により個別に接続したので、図３において、先端開放スタブ７の電気長を、２倍波に対して、ワイヤ９の有するリアクタンス成分も加味して、トランジスタのゲート電極１端にて短絡点形成するように選ぶことができる。この結果、ワイヤ８の長さやそのリアクタンス成分に影響されることなく、理想的な２倍波整合条件を実現することができる。
【００１９】
なお、実施の形態１による構成では、ワイヤ８のリアクタンス成分は、２倍波整合には無関係にできるものの、基本波整合には少なからぬ影響を与える。特にトランジスタの出力が大きく、トランジスタの入力インピーダンスＺｉｎが小さい場合には、ワイヤ８のリアクタンス成分により入力インピーダンスＺｉｎが大きく誘導性領域に入ると、回路Ｑ値が大きくなり、広帯域に渡って基本波整合が実現できなくなる。そのため、ワイヤ８の長さはやはり短いことが望ましい。
【００２０】
そこで、図３に示した電気的特性を保ちつつ、ワイヤ８の長さを極小とするために、実施の形態１による構成では、図１に示したように、基本波整合用のマイクロストリップ伝送線路６と、２倍波整合用の先端開放スタブ７とを同一の高誘電率基板５上に形成した。
上記特許文献１では、基本波整合用のマイクロストリップ伝送線路とトランジスタとの間に、２倍波整合用の基板を配置していたため、ワイヤ８の長さが不可避的に長くなるのに対して、実施の形態１による構成では、ワイヤ８の長さはアセンブリ技術の限界にて決まる最小の長さまで短くすることができ、基本波整合の広帯域化に有利となる。
【００２１】
なお、通常、ゲート電極に２本のワイヤを接続するには、ゲート電極の大きさは製造上の歩留まり等を加味して、１００μｍ×２００μｍ以上の大きさとすることが望ましい。このように、ゲート電極の大きさを大きくすることで、ゲート電極の寄生容量の分だけ入力容量が増加するが、一般に、ゲート電極の寄生容量は、数１０ｆＦ程度であり、トランジスタの真性入力容量Ｃｇｓが数ｐＦ程度であることを考慮すると、無視できるものである。
【００２２】
以上のように、実施の形態１によれば、基本波整合用のマイクロストリップ伝送線路６と、２倍波整合用の先端開放スタブ７とを個別に形成すると共に、トランジスタのゲート電極１にワイヤ８，９により個別に接続したので、先端開放スタブ７の電気長を、２倍波に対して、ワイヤ９によるリアクタンス成分を加味して、トランジスタのゲート電極端にて短絡点形成するように選ぶことができ、ワイヤ８の長さやそのリアクタンス成分に影響されることなく、理想的な２倍波入力整合条件を実現することができる。
また、基本波整合用のマイクロストリップ伝送線路６と、２倍波整合用の先端開放スタブ７とを同一の高誘電率基板５上に形成すると共に、基本波整合用のマイクロストリップ伝送線路６とトランジスタのゲート電極１とをワイヤ８により接続したので、ワイヤ８の長さはアセンブリ技術の限界にて決まる最小の長さまで短くすることができ、基本波整合の広帯域化を有利にすることができる。
さらに、トランジスタチップと、基本波整合用のマイクロストリップ伝送線路６と２倍波整合用の先端開放スタブ７とを搭載するチップとを個別に設けることができるので、トランジスタチップのサイズを小さく保って、コストを小さく保つことができる。
【００２３】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２による高周波増幅器を示す上面図である。
図において、図１に示した高周波増幅器を２つ並列接続したものである。
その他の構成については、図１と同一構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２４】
以上のように、実施の形態２によれば、高周波増幅器を２つ並列接続したので、大きな出力電力を得ることができる。
【００２５】
なお、実施の形態２では、高周波増幅器を２つ並列接続した例について示したが、並列数は３つ以上でも良く、さらに、大きな出力電力を得ることができる。
【００２６】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による高周波増幅器を示す上面図である。
図において、誘電体基板５上の電気的中間点１０において、隣り合うトランジスタに接続される先端開放スタブ１１の開放端同士を突き合わせるようにして互いに接続したものである。
その他の構成については、図５と同一構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２７】
実施形態３に示した高周波増幅器が、同相・同振幅で動作する場合、いわゆる、偶モードで動作する場合には、電気的中間点１０を挟んで対称な部位の電位は同一になる。このとき、電気的中間点１０の両側の電位は必ず同一となり、電気的中間点１０を跨ぐように流れる電流は存在しない。すなわち、電気的中間点１０は、電気的に接続されていても接続されていなくても、実施形態３に示した高周波増幅器に与える影響はない。
【００２８】
これに対して、実施形態３に示した高周波増幅器が、逆相・同振幅で動作する場合、いわゆる、奇モードで動作する場合には、電気的中間点１０を挟んで対称な部位の電位は逆相・同振幅になる。このとき、電気的な対称点である電気的中間点１０の電位は常にゼロ（いわゆるバーチャルグランド）に保たれる。奇モード動作は、トランジスタや回路の非対称に起因する寄生モードであり、しばしば不要発振の原因となることが知られている。実施形態３に示すように、隣り合った先端開放スタブ１１の先端を互いに接続することで、偶モードでは先端開放スタブとして作用し、奇モードに対して先端短絡スタブとして作用する。先端短絡スタブにおいては、先端の電位がゼロ電位に固定されるので、寄生発振を生じにくくなる。
【００２９】
以上のように、実施の形態３によれば、隣り合うトランジスタに接続される先端開放スタブ１１の開放端同士を互いに突き合わせるようにして接続したので、２つの先端開放スタブ１１の形状が１本のマイクロストリップ伝送線路６のように形成することができ、先端開放スタブ１１の形成を容易にすることができる。また、互いに接続された先端開放スタブ１１は、奇モードに対して先端短絡スタブとして作用し、先端短絡スタブにおいては先端の電位がゼロ電位に固定されるので、寄生発振を生じにくくすることができる。
【００３０】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４による高周波増幅器を示す上面図である。
図において、誘電体基板５上の電気的中間点１０において、隣り合うトランジスタに接続される先端開放スタブ１１の開放端同士を突き合わせるようにし、且つ抵抗１２を介して接続したものである。
その他の構成については、図６と同一構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３１】
実施形態３にて説明したように、偶モードで動作する場合には、電気的中間点１０に存在する抵抗１２の両端には電圧を生じない。このため、偶モードに対して抵抗１２がエネルギー損失を生じさせることはない。
これに対して、奇モードで動作する場合には、正負の電圧が抵抗１２の両端に発生してエネルギー損失を生じさせる。これにより、奇モードのエネルギーを吸収して奇モードに起因する寄生発振を抑圧する。
【００３２】
以上のように、実施の形態４によれば、隣り合うトランジスタに接続される先端開放スタブ１１の開放端同士を突き合わせるようにし、且つ抵抗１２を介して接続したので、偶モードに対して抵抗１２がエネルギー損失を生じさせることはない。また、奇モードに対して抵抗１２がエネルギーを吸収して奇モードに起因する寄生発振を抑圧することができる。
【００３３】
実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５による高周波増幅器を示す上面図である。
図において、誘電体基板５上にグランドパッド１３が形成され、誘電体基板５の下面に形成されたグランドパターン（図示せず）とビアホール１４を介して接続される。
ワイヤ１５は、ソース電極３とグランドパッド１３との間をワイヤ８と平行となるように接続される。
なお、実施形態５に限り、ソースビアホール４は設けなくても良い。
その他の構成については、図５と同一構成には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３４】
図８において、トランジスタのソース電流は、ソースビアホール４がある場合には、ソースビアホール４とワイヤ１５との両方を流れる。ワイヤ１５を流れる電流の向きは、ワイヤ８の電流の向きと逆向きである。したがって、ワイヤ８とワイヤ１５との間には、負の相互インダクタンスを生じ、ワイヤ８のインダクタンスを減らす効果があり、更に広帯域な入力整合が可能となる。
【００３５】
ソースビアホール４がない場合には、トランジスタのソース電流は、ワイヤ１５のみ流れるので、負の相互インダクタンスの効果はより顕著なものとなる。
また、図８に示したように、ワイヤ８に対応するグランドをワイヤ１５として極近傍に配置することで、ワイヤ８から電磁波が放射されることを防ぐ効果がある。これにより、例えば、パッケージに入れた際に、上蓋のグランド効果で電気特性が変化する等の特性劣化を未然に防ぐことができる。
【００３６】
以上のように、実施の形態５によれば、ワイヤ１５を流れる電流の向きは、ワイヤ８を流れる電流の向きと逆向きなので、ワイヤ８とワイヤ１５との間には負の相互インダクタンスが生じ、ワイヤ８のインダクタンスを減らす効果があり、更に広帯域な入力整合を可能にすることができる。
また、ワイヤ８に対応するグランドを、ワイヤ１５としてワイヤ８の極近傍に配置したので、ワイヤ８から電磁波が放射されるのを防ぐことができる。これにより、例えば、パッケージに入れた際に、上蓋のグランド効果で電気特性が変化する等の特性劣化を未然に防ぐことかできる。
【００３７】
なお、上記実施の形態では、トランジスタとして電界効果トランジスタを適用したものについて説明したが、バイポーラトランジスタを適用しても良い。
【００３８】
また、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な構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意な構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１  ゲート電極（信号入力電極）、２  ドレイン電極、３  ソース電極（接地電極）、４  ソースビアホール、５  高誘電率基板（誘電体基板）、６  マイクロストリップ伝送線路、７，１１  先端開放スタブ、８，９，１５  ワイヤ、１０  電気的中間点、１２  抵抗、１３  グランドパッド、１４  ビアホール。
【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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