(57)【要約】【課題】  ＷＢＧデバイス等を有する高出力増幅器を低熱伝導率の樹脂基板に搭載する場合、チップキャパシタの僅かな損失による発熱で、チップキャパシタの半田が柔らかくなる、もしくは溶けるため、高出力増幅器の信頼性が著しく低下してしまう。【解決手段】  高出力増幅素子の出力信号をＤＣカットするキャパシタと電気的に接続し、キャパシタの発熱を熱伝導する誘電体棒と、グランドと接続するスルーホールを含むとともに、誘電体棒と電気的に接続し、誘電体棒を熱伝導するキャパシタの発熱をグランドへ排熱する金属島とを備える排熱回路であり、金属島の容量成分とスルーホールのインダクタ成分とを並列共振させることを特徴とする。【選択図】  図１
2009105480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端を金属被覆した電極をもつ誘電体棒と、
スルーホールを含む金属の島状パターンと、
を備える排熱回路であり、
前記誘電体棒の一端は高出力増幅素子の出力信号をＤＣカットするキャパシタと電気的及び熱的に接続し、前記誘電体棒の他端は前記島状パターンと電気的及び熱的に接続し、
前記スルーホールは前記島状パターンとグランドとを電気的及び熱的に接続し、
前記誘電体棒を熱伝導する前記キャパシタの熱を前記グランドへ排熱するとともに、
前記島状パターンの容量成分と前記スルーホールのインダクタ成分とを並列共振させることを特徴とする排熱回路。
【請求項２】
両端を金属被覆した電極をもつ誘電体棒と、
前記誘電体棒を搭載する基板の側面に金属部材を被覆してグランドと接続する金属の島状パターンと、
を備える排熱回路であり、
前記誘電体棒の一端は高出力増幅素子の出力信号をＤＣカットするキャパシタと電気的及び熱的に接続し、前記誘電体棒の他端は前記島状パターンと電気的及び熱的に接続し、
前記金属部材は前記島状パターンと前記グランドとを電気的及び熱的に接続し、
前記誘電体棒を熱伝導する前記キャパシタの熱を前記グランドへ排熱するとともに、
前記島状パターンの容量成分と前記金属部材のインダクタ成分とを並列共振させることを特徴とする排熱回路。
【請求項３】
前記誘電体棒は窒化アルミニウムを用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の排熱回路。
【請求項４】
前記島状パターンの容量成分は島状パターンの寸法で決定し、前記スルーホールのインダクタ成分はスルーホールの位置、個数、穴径、またはスルーホールの深さで決定することを特徴とする請求項１記載の排熱回路。
【請求項５】
前記島状パターンの容量成分は島状パターンの寸法で決定し、前記金属部材のインダクタ成分は金属部材の長さまたは幅で決定することを特徴とする請求項２記載の排熱回路。
【請求項６】
前記金属部材は、金リボンもしくは金銀クラッドリボンであることを特徴とする請求項２記載の排熱回路。
【請求項７】
ＲＦ信号を高出力増幅する高出力増幅素子と、
前記高出力増幅素子の出力信号をＤＣカットするキャパシタと、
前記キャパシタの発熱を排熱する排熱回路と、
を備える高出力増幅器であって、
前記排熱回路は、請求項１から６のうちいずれか１項記載の排熱回路であることを特徴とする高出力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＷＢＧ（Ｗｉｄｅ  Ｂａｎｄ  Ｇａｐ）デバイス素子等を用いた高出力増幅器の排熱に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
低雑音増幅器、受信機、ビーコン送信器、高出力増幅器等のＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）コンポーネントでは、近年、小型化、軽量化、低価格化の要求が強まってきている。そのためＲＦコンポーネントには、アルミナセラミック基板より安価で加工性に優れ、しかも、ＭＩＣ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）回路など種々の回路を一枚の基板上に形成する、一体形成可能な樹脂基板が用いられつつある。
【０００３】
また、ＲＦコンポーネントの一つである高出力増幅器において、従来は、数１０Ｗ（ワット）クラスのデバイスが使用され、更に高出力を得るために最終段で電力増幅を行っていた。しかし近年、例えば衛星搭載用マイクロ波高出力増幅器には、数１００ＷクラスのＷＢＧデバイス等を有する高出力増幅器が用いられようとしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２２２６００号公報（第３〜５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に増幅器には、高出力増幅器の入力に規定電圧を供給するため、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）カット用のチップキャパシタを実装する。従って、増幅器に数１００Ｗクラスのデバイスを用いた場合、チップキャパシタに僅かな抵抗成分があると、発熱が生じ問題となる。例えば、損失０．１ｄＢ（デシベル）のチップキャパシタに１００Ｗのマイクロ波が入力した場合、２．３Ｗの熱がチップキャパシタに発生する。
【０００６】
樹脂基板は、アルミナセラミック基板と比較して熱伝導率が１／３５程度と小さい。従って、ＷＢＧデバイス等を有する高出力増幅器と樹脂基板を組み合わせて用いる場合、樹脂基板の熱伝導率では、チップキャパシタで発生した熱を排熱させることが困難となる。排熱が困難なため、チップキャパシタを固定する半田が発生した熱で柔らかくなったり、最悪の場合、半田が溶ける事態が生じる。これにより、高出力増幅器の信頼性が著しく低下してしまう、という問題が生じる。
【０００７】
本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、ＤＣカット用などのチップキャパシタより発生した熱をＲＦ電気特性に影響を与えることなく排熱することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る排熱回路は、
両端を金属被覆した電極をもつ誘電体棒と、
スルーホールを含む金属の島状パターンと、
を備える排熱回路であり、
前記誘電体棒の一端は高出力増幅素子の出力信号をＤＣカットするキャパシタと電気的及び熱的に接続し、前記誘電体棒の他端は前記島状パターンと電気的及び熱的に接続し、
前記スルーホールは前記島状パターンとグランドとを電気的及び熱的に接続し、
前記誘電体棒を熱伝導する前記キャパシタの熱を前記グランドへ排熱するとともに、
前記島状パターンの容量成分と前記スルーホールのインダクタ成分とを並列共振させる
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、ＤＣカット用チップキャパシタで発生した熱を誘電体棒およびスルーホールを介して排熱させることができるため、ＤＣカット用チップキャパシタを固定する半田が柔らかくなったり溶けたりすることがなく、ＷＢＧ素子等、高出力増幅器の信頼性を保つことが可能となる。また、スルーホールのインダクタ成分と金属島の容量成分とを並列共振させることにより、誘電体棒の容量成分を高出力増幅器のＲＦ電気特性に影響を与えることなく、ＤＣカット用チップキャパシタで発生した熱を排熱させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係わる実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１によるマイクロ波集積回路の構成を示す図である。ここでマイクロ波集積回路は、樹脂基板１１、ドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２、マイクロストリップ線路１３、金属の島状パターンである金属島１４、誘電体棒１５、スルーホール１６、半田１７、ＧＮＤ（グランド）層１８で構成される。
【００１１】
なお樹脂基板１１は、セラミック基板としてもよい。またドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２は、高出力増幅されたＲＦ信号のＤＣカットを行うキャパシタであれば、チップに限定するものではない。
【００１２】
また図２は、図１のマイクロ波集積回路を含む高出力増幅器２１の等価回路図を示す。ここで高出力増幅器２１は、ドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２、ＷＢＧ素子２２、金属島の容量成分２３、誘電体棒の容量成分２４、スルーホールのインダクタ成分２５、ＲＦ信号入力端子２６、ＲＦ信号出力端子２７、ゲートバイアス端子２８、ドレインバイアス端子２９、ゲートＤＣカット用チップキャパシタ３０で構成される。
【００１３】
なお高出力増幅器２１のうち、破線で示されている箇所は、図１で示すマイクロ波集積回路に相当する箇所を示す。またＷＢＧ素子２２は、ＲＦ信号入力を高出力増幅する素子であればよく、ＷＢＧ素子に限定するものではない。
【００１４】
図１のマイクロ波集積回路は、マイクロストリップ線路１３の近傍に、銅などの金属メッキを内壁に施し、ＧＮＤ層１８と接続しているスルーホール１６を設け、スルーホール１６を含む金属島１４とマイクロストリップ線路１３の間を誘電体棒１５で接続した構成となっている。
【００１５】
なお図１ではスルーホール１６を２個設けているが、排熱効果をより向上させるために、スルーホールを３個以上設けてもよく、個数は２個に限定するものではない。また金属島１４は、例えば基板側からＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ（クロム／金／ニッケル／金）の順に蒸着させたものである。
【００１６】
誘電体棒１５には、窒化アルミニウムなど熱伝導性の良いものを使用する。窒化アルミニウムの熱伝導率は、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上達成可能であり、高い熱伝導率を示す。これにより、ドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２での発熱を、誘電体棒１５を介して排熱させることが可能となる。
【００１７】
本実施の形態においては、誘電体棒１５の長辺方向は数ｍｍ程度、短辺方向は１ｍｍ四方程度の面である。しかし誘電体棒のサイズはこれに限定するものではない。また誘電体棒１５は、窒化アルミニウムを棒状に切り出し、両端に金属を蒸着させるよう誘電体棒１５をマスキングした後、Ｎｉ（ニッケル）やＳｎ（錫）などの金属でメタライズ加工を施し、両端を金属被覆し電極とする。これにより、誘電体棒１５を半田づけで固定し易いようにする。
【００１８】
誘電体棒１５の金属被覆した電極の一端はＷＢＧ素子２２の出力信号をＤＣカットするドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２と電気的に接続するとともに、誘電体棒１５の一端側はドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２と熱的に接続する。また誘電体棒１５の金属被覆した電極の他端は金属島１４と電気的に接続するとともに、誘電体棒１５の他端側は金属島１４と熱的に接続する。
【００１９】
またスルーホール１６の一端は金属島１４と電気的、熱的に接続し、スルーホール１６の他端はＧＮＤ層１８と電気的、熱的に接続する。これにより誘電体棒１５を熱伝導するドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２の熱をグランドへ排熱する。
【００２０】
次に動作について図１と図２を用いて説明する。図２に示すように、ＲＦ信号は高出力増幅器２１のＲＦ信号入力端子２６より入力し、ＷＢＧ素子２２にて電力増幅された後、ＲＦ信号出力端子２７より出力される。ＷＢＧ素子２２の入力側にはゲートＤＣカット用チップキャパシタ３０が、出力側にはドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２が実装される。
【００２１】
ＲＦ信号はＷＢＧ素子２２にて電力増幅されるため、ドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２の抵抗成分にて発生する熱の方が、ゲートＤＣカット用チップキャパシタ３０の抵抗成分にて発生する熱よりも大きい。そのため、ドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２の発熱を排熱する必要がある。しかし樹脂基板１１の熱伝導率は小さいため、樹脂基板１１よりの排熱は困難である。
【００２２】
そこで図１のように、ドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２より発生した熱を、マイクロストリップ線路１３、誘電体棒１５、金属島１４を介して、スルーホール１６よりグランドに排熱させる。ここでスルーホール１６は、例えば図１に示すＧＮＤ層１８と接続することにより、グランドへ排熱させる。
【００２３】
なお排熱の際、誘電体棒１５を用いることで、誘電体棒の容量成分２４がＷＢＧ素子２２のＲＦ出力に対して、電気特性に影響を及ぼす可能性がある。つまり、誘電体棒の容量成分２４が見えることにより、ＷＢＧ素子２２で増幅した電力の一部が誘電体棒１５を介して散逸したり、ＷＢＧ素子２２が出力するＲＦ信号の周波数特性を平坦とさせている場合、誘電体棒の容量成分２４によりリップルが生じ、周波数特性に影響を及ぼしたりする可能性がある。
【００２４】
そこで図２に示すように、スルーホールのインダクタ成分２５と金属島の容量成分２３とを並列共振させることにより、誘電体棒の容量成分２４が、ＷＢＧ素子２２のＲＦ電気特性に影響を与えないようにする。
【００２５】
金属島の容量成分２３をＣ、スルーホールのインダクタ成分２５をＬとすると、金属島の容量成分２３とスルーホールのインダクタ成分２５とにおけるアドミタンスを０（つまりインピーダンスを無限大）とする共振周波数ｆは、以下のようになる。
【００２６】
【数１】
2009105480.tif 000003
【００２７】
ＲＦ信号に対する共振周波数を上記のように設定することで、金属島の容量成分２３とスルーホールのインダクタ成分２５におけるインピーダンスを無限大とすることができるため、電気的にはオープン（開放）とみなすことができる。よって、誘電体棒の容量成分２４を見えなくすることができ、ＷＧＢ素子２２のＲＦ出力の電気特性に対して、誘電体棒の容量成分２４が影響を与えることはない。
【００２８】
なお金属島の容量成分２３を決める要素としては、金属島１４の寸法がある。またスルーホールのインダクタ成分２５を決める要素としては、スルーホール１６の位置、個数、穴径、基板厚（スルーホールの深さ）がある。これらの要素をパラメータとして、金属島の容量成分２３とスルーホールのインダクタ成分２５を決定する。
【００２９】
またドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２より発生した熱を排熱させる誘電体棒１５と金属島１４とスルーホール１６を用いた排熱回路は、図２に示したように１つと限定する必要はなく、２つ以上の排熱回路を用いてより排熱効果を上げてもよい。
【００３０】
これにより、ドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２で発生した熱を、誘電体棒１５およびスルーホール１６を介して排熱させることができるため、ドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２を固定する半田１７が柔らかくなったり溶けたりすることがなく、高出力増幅器２１の信頼性を保つことが可能となる。
【００３１】
また、スルーホールのインダクタ成分２５と金属島の容量成分２３とを並列共振させることにより、誘電体棒の容量成分２４を高出力増幅器２１のＲＦ電気特性に影響を与えることなく、ドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２で発生した熱を排熱させることが可能となる。
【００３２】
実施の形態２．
以下、図を用いてこの発明に係わる実施の形態２について説明する。図３は、実施の形態２によるマイクロ波集積回路の構成を示す図である。３１は金属島１４とＧＮＤ層１８を接続するように、樹脂基板１１の側面を金属被覆する金属部材であり、例えば金リボンや金銀クラッドリボンを用いて樹脂基板１１の側面を被覆する。それ以外は図１と同様の構成である。
【００３３】
図３のマイクロ波集積回路は、マイクロストリップ線路１３の近傍に金属部材３１でＧＮＤ層１８と接続している金属島１４を設け、金属島１４とマイクロストリップ線路１３間を誘電体棒１５で接続した構成となっている。
【００３４】
誘電体棒１５を搭載する樹脂基板１１の側面に金属部材３１を被覆してＧＮＤ層１８と金属島１４を接続する。つまり金属部材３１の一端は金属島１４と電気的、熱的に接続し、金属部材３１の他端は前記グランドと電気的、熱的に接続する。
【００３５】
そしてドレインＤＣカット用チップキャパシタ１２より発生した熱を、マイクロストリップ線路１３、誘電体棒１５、金属島１４、金属部材３１を介してグランドに排熱させる。
【００３６】
実施の形態１では、金属島の容量成分２３とスルーホールのインダクタ成分２５を並列共振させて、ＷＧＢ素子２２のＲＦ出力の電気特性に対して、誘電体棒の容量成分２４が影響を与えないようにしていた。実施の形態２においては、スルーホールのインダクタ成分の代わりに、金リボンや金銀クラッドリボンの金属部材３１のインダクタ成分を用いて並列共振させることで、ＷＧＢ素子２２のＲＦ出力の電気特性に対して、誘電体棒の容量成分２４が影響を与えないようにすることができる。
【００３７】
なお金属部材３１のインダクタ成分を決める要素としては、例えば金リボンや金銀クラッドリボンの長さや幅がある。これらの要素をパラメータとして、金属部材３１のインダクタ成分を決定する。
【００３８】
これにより、実施の形態１と比較して、金属島１４がＧＮＤ層１８と接続する面積が大きくなり、排熱効果をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の実施の形態１によるマイクロ波集積回路の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるマイクロ波集積回路を含む高出力増幅器の等価回路図である。
【図３】この発明の実施の形態２によるマイクロ波集積回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１．樹脂基板
１２．ドレインＤＣカット用チップキャパシタ
１３．マイクロストリップ線路
１４．金属島
１５．誘電体棒
１６．スルーホール
１７．半田
１８．ＧＮＤ層
２１．高出力増幅器
２２．ＷＢＧ素子
２３．金属島の容量成分
２４．誘電体棒の容量成分
２５．スルーホールのインダクタ成分
２６．ＲＦ信号入力端子、
２７．ＲＦ信号出力端子、
２８．ゲートバイアス端子、
２９．ドレインバイアス端子
３０．ゲートＤＣカット用チップキャパシタ
３１．金属部材
【図１】
2009105480.tif 000004
【図２】
2009105480.tif 000005
【図３】
2009105480.tif 000006