(57)【要約】【課題】  従来のマイクロ波装置は、半導体素子の接地端子に接続された第１の先端開放スタブと接地導体パターンとが並列共振する周波数でのみ、半導体素子から発生した不要なマイクロ波を吸収させることができる。しかし、これ以外の周波数帯の不要なマイクロ波を吸収させることができないため、マイクロ波装置が発振したり、不安定動作してしまう課題があった。【解決手段】  直流および所望の周波数で無損失、それ以外の周波数で損失回路となるような所望の周波数で１／２波長を有する伝送線路と、抵抗との並列回路からなる接地回路を介して、半導体素子の接地端子を接地した。【選択図】        図１
2009246751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗と所望の周波数で１／２波長を有した伝送線路とを並列接続して構成した接地回路を介して、半導体素子の接地端子を接地したことを特徴とするマイクロ波装置。
【請求項２】
抵抗とインダクタとキャパシタとの直列回路とを並列接続して構成した接地回路を介して、半導体素子の接地端子を接地したことを特徴とするマイクロ波装置。
【請求項３】
上記接地端子と接地回路との間にインダクタを装荷したことを特徴とする請求請求項２記載のマイクロ波増幅器。
【請求項４】
抵抗とインダクタとの直列回路と、抵抗とキャパシタとの直列回路と、インダクタとキャパシタとの直列回路とを並列接続して構成した接地回路を介して、半導体素子の接地端子を接地したことを特徴とするマイクロ装置。
【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、ミクサ等のマイクロ波装置が使用され、このようなマイクロ波装置にはＨＥＭＴ（high electron mobility transistor）、ＦＥＴ（field  effect transistor）などの半導体素子が使用される。
【０００３】
近年、これらのマイクロ波装置では高性能化、高周波化の要求がますます強まっており、マイクロ波帯、ミリ波帯のような非常に高い周波数においても、十分な利得を有する半導体素子が使用されるようになっている。通常、このような半導体素子は高性能になるほど、半導体素子自身が不安定となる周波数領域が広がる。
【０００４】
このため、マイクロ波装置を構成するには低周波から高周波まで広帯域にわたって不要発振や不安定動作を避けるための工夫が必要となる。安定化を図る一手段として、半導体素子の接地端子に、半導体素子から発生した熱雑音レベルの不要なマイクロ波を吸収する回路を設け、安定化を図る構成のマイクロ波装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１７４５１３号公報
【０００６】
従来のマイクロ波装置は、半導体素子の接地端子を接地導体パターンを介して接地するとともに、所望の周波数帯で１／４波長を有する第１の先端開放スタブを半導体素子の接地端子に接続し、かつ、接地導体パターンと第１の先端開放スタブとが並列共振する周波数で１／４波長を有する第２の先端開放スタブと抵抗との直列回路を半導体素子の接地端子に接続する構成となっている。
このような構成により、接地導体パターンの長さが無視できる直流では、半導体素子に印加した直流電流は接地導体パターンを介して電圧降下無しで流すことができるとともに、第１の先端開放スタブにより所望の周波数で半導体素子の接地端子を等価的に接地することができる。このため、直流および所望の周波数帯で半導体素子の接地端子を無損失で接地することができ、高性能なマイクロ波装置を得ることができる。
【０００７】
また、このマイクロ波装置では、安定化を図る回路として抵抗と第２の先端開放スタブとの直列回路を用いている。これにより、接地導体パターンと第１の先端開放スタブとが並列共振する周波数では、第２の先端開放スタブのインピーダンスがほぼ０Ωとなり、等価的に半導体素子の接地端子と接地間に抵抗を装荷させることができる。このため、半導体素子から発生した低周波から高周波に至る熱雑音レベルの不要なマイクロ波の内、接地導体パターンと第１の先端開放スタブとが並列共振する周波数帯において不要なマイクロ波を抵抗で吸収させることができるとともに、この周波数帯において回路動作の安定化を図ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のマイクロ波装置で用いている安定化を図る回路では、接地導体パターンと第１の先端開放スタブとが並列共振する限定された周波数でのみ安定化が図れるものの、それ以外の周波数帯、特に接地導体パターンと第１の先端開放スタブとが並列共振する偶数倍の周波数では抵抗の一端が開放となり、半導体素子で発生した不要なマイクロ波をまったく吸収させることができない。
【０００９】
このように、従来のマイクロ波装置では特定の周波数でのみ安定化が図れるものの、広帯域に渡って安定化を図ることができず、マイクロ波装置が発振したり、不安定動作してしまうといった課題があった。
【００１０】
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あり、低周波から高周波に至る不要なマイクロ波を吸収し、安定に動作するマイクロ波装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明によるマイクロ波装置は、抵抗と所望の周波数で１／２波長を有した伝送線路とを並列接続して構成した接地回路を介して、半導体素子の接地端子を接地したことを特徴としたものである。
【００１２】
また、抵抗とインダクタとキャパシタとの直列回路とを並列接続して構成した接地回路を介して、半導体素子の接地端子を接地したことを特徴としたものであっても良い。
【００１３】
さらにまた、抵抗とインダクタとの直列回路と、抵抗とキャパシタとの直列回路と、インダクタとキャパシタとの直列回路とを並列接続して構成した接地回路を介して、半導体素子の接地端子を接地したものであっても良い。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、直流および所望の周波数帯において半導体素子の性能を劣化させることがなく、さらにそれ以外の周波数帯においても半導体素子で発生した不要なマイクロ波を吸収させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。
図１は、実施の形態１によるマイクロ波装置の構成を示す図であり、ここではマイクロ波装置として増幅器の場合を例として説明する。
【００１６】
図において、実施の形態１によるマイクロ波装置は、半導体素子１と、入力整合回路２と、出力整合回路３と、接地回路８とから構成される。半導体素子１は、ＦＥＴ、ＨＥＭＴ等の半導体素子から構成される。
【００１７】
半導体素子１の入力側には、所望のマイクロ波信号を入力するための入力端子４と、入力整合回路２とが設けられている。入力整合回路２は、入力端子４に接続される電源インピーダンスと半導体素子１の入力インピーダンスとを整合させるためのものである。
また、半導体素子１の出力側には、増幅されたマイクロ波信号を出力するための出力端子５と、出力整合回路３とが設けられている。出力整合回路３は、出力端子５に接続される負荷インピーダンスと半導体素子１の出力インピーダンスとを整合させるためのものである。
また、接地回路８は、所望の周波数帯でほぼ１／２波長を有する伝送線路６と、抵抗７との並列回路からなる。接地回路８は、半導体素子１の接地端子と接地間に設けられている。
【００１８】
このように、この実施の形態のマイクロ波装置は、接地回路８を介して半導体素子１の接地端子を接地する構成となっている。
【００１９】
図２は図１に示したマイクロ波装置の実装構造の一例を示す図であり、図２（ａ）はマイクロ波集積回路技術を用いた回路の配線例を示し、図２（ｂ）はモノリシックマイクロ波集積回路技術を用いて回路を配線する場合の接地回路８の配線例を示す。図２では、接地回路８の近傍のみを図示している。図中、符号９は導電性の貫通穴（スルーホール）、符号１０は金属細線を示す。
【００２０】
図２（ａ）において、半導体素子１及び抵抗７はチップ状のものを用い、これらは金属製地導体上に接着あるいは半田付けなどで固定されている。また、入力整合回路２、出力整合回路３および伝送線路６は、アルミナセラミック基板などの誘電体基板上にマイクロ波集積回路を用いて実装されており、半導体素子１近傍の金属製地導体上に配置されている。
【００２１】
また、半導体素子１の入力端子と入力整合回路２間、半導体素子１の出力端子と出力整合回路３間、半導体素子１の接地端子と抵抗７の一端間、抵抗７の一端と伝送線路６の一端間、および伝送線路６の他端と抵抗７の他端間は、それぞれ金属細線１０で接続されている。
さらに、抵抗７の他端には金属メッキを施した貫通穴９が設けられており、この貫通穴９を介して抵抗７および伝送線路６の他端が接地されている。
【００２２】
図２（ｂ）において、モノリシックマイクロ波集積回路技術を用いて接地回路８を実現している。図中、接地回路８を構成する抵抗７および伝送線路６は省略している。接地回路８は、半導体素子１、入力整合回路２および出力整合回路３とともに、半導体基板上に一体形成されている。
【００２３】
ここで、伝送線路６の長さを所望の周波数Ｆ０で１／２波長、例えば１０ＧＨｚでは自由空間で１５ｍｍに選ぶことにより、Ｆ０の整数倍の周波数において一端接地された伝送線路８のインピーダンスはほぼ０Ωとなる。このため、図１の半導体素子１の接地端子から接地回路８側を見たインピーダンスＺＬも０Ωとなる。
【００２４】
また、長さが波長に比べ無視できる直流近傍においても、伝送線路８のインピーダンスはほぼ０Ωとなり、この場合も接地回路８のインピーダンスはほぼ０Ωとなる。
それ以外の周波数では、接地回路８のインピーダンスは抵抗７と伝送線路６との並列回路で決まり、特にＦ０／２の整数倍の周波数では伝送線路６のインピーダンスは無限大となり、接地回路８は等価的に抵抗７のみと見なすことができる。
【００２５】
図３は、この実施の形態１によるマイクロ波装置における、接地回路８の反射特性の一例を示す図である。
直流および所望の周波数Ｆ０では、接地回路８のインピーダンスはほぼ０Ωとなり、全反射される。即ち、反射係数は１となり、接地回路８はこれらの周波数では無損失回路となる。一方、それ以外の周波数帯では、伝送線路６と抵抗７との並列回路で決まるインピーダンス示し、全反射することなく反射係数１以下の値を示す。
即ち、接地回路８は損失回路となる。このように、この接地回路８は直流および所望の周波数では無損失特性を示すが、直流と所望の周波数との間の周波数帯および所望の周波数よりも高い周波数の広帯域に渡って損失特性を示す。
【００２６】
特許文献１に示す従来のマイクロ波装置では、接地導体パターンと第１の先端開放スタブとが並列共振する周波数帯でのみ不要なマイクロ波を吸収するのに対し、この実施の形態１のマイクロ波装置では、直流および所望の周波数帯以外の周波数帯でも、不要なマイクロ波を吸収させることができるので、広帯域に渡って安定化が図れる。
また、半導体素子に印加した直流電流は伝送線路６を介して流れるため、従来のマイクロ波装置と同様に直流で損失が生じることも無い。
【００２７】
このように、この実施の形態のマイクロ波装置では、伝送線路６と抵抗７との並列回路からなる接地回路８を介して、半導体素子１の接地端子を接地する。これにより、直流および所望の周波数帯において半導体素子１の性能を劣化させることがなく、さらにそれ以外の周波数帯においても半導体素子１で発生した不要なマイクロ波を吸収させることができる。これにより、所望の周波数で高性能な増幅特性が得られるとともに、広帯域に渡って回路動作の安定化を図ることができる。従って、この実施の形態のマイクロ波装置は、入力端子４から入力されたマイクロ波信号を半導体素子１で忠実に増幅し、増幅されたマイクロ波信号を、損失を抑えて出力端子５から出力させることができる。
【００２８】
以上の説明では、接地回路８として１個の伝送線路６と１個の抵抗７との並列回路で構成した実装構造の例について述べたが、次に説明する他の構成例を用いても良い。
図４は、接地回路８の実装構造としての他の構成例を示す図であり、図４（a）は伝送線路６の両端および伝送線路６の途中間に抵抗７を設けた例を示し、図４（ｂ）は１個の抵抗７に２個の伝送線路７を並列接続した例を示す。
【００２９】
図４（ａ）では、伝送線路６の両端および伝送線路６の途中間に抵抗７を設けている。このように抵抗７を複数個設けることにより、直流および所望の周波数以外の周波数帯で、１個のものに比べて接地回路８の損失を増加させることができ、より回路動作の安定化を図ることができる。
【００３０】
また、図４（ｂ）では、１個の抵抗７に２個の伝送線路７を並列接続している。これらの伝送線路６は長さが異なり、かつ、所望の周波数帯でほぼ１／２波長の長さに選ばれている。このような構成にすることにより、所望の周波数近傍の広帯域に渡って接地回路８のインピーダンスをほぼ０Ωに保つことができ、帯域外での安定化を保ちつつ、マイクロ波装置の広帯域化を図ることが可能となる。
【００３１】
実施の形態２．
図５はこの発明に係る実施の形態２によるマイクロ波装置の構成を示す図である。
図において、実施の形態２によるマイクロ波装置は、半導体素子１と、入力整合回路２と、出力整合回路３と、接地回路８１とから構成される。図中、図１と同一符号のものは同一相当のものを示す。
【００３２】
実施の形態２によるマイクロ波装置は、図１に示す伝送線路６の代りに、インダクタ１１とキャパシタ１２との直列回路を用いている。即ち、接地回路８１は、抵抗７とこの直列回路とを並列接続した構成になっている。
【００３３】
図６は、図５に示した実施の形態２によるマイクロ波装置の実装構造の一例を示す図であり、図６（ａ）はマイクロ波集積回路技術を用いた回路の配線例を示し、図６（ｂ）はモノリシックマイクロ波集積回路技術を用いて回路を配線する場合の接地回路８１の配線例を示す。図２では、接地回路８１の近傍のみを図示している。図中、符号９は導電性の貫通穴（スルーホール）、符号１０は金属細線を示す。
【００３４】
図６（ａ）において、抵抗７およびキャパシタ１２はチップ状のものを用い、図中では省略しているが、半導体素子１、入力整合回路２および出力整合回路３とともに金属性地導体上に装着されている。また、インダクタ１１は抵抗７とともに誘電体基板上に一体形成されている。さらに、半導体素子１の接地端子と抵抗７の一端間、インダクタ１１の一端とキャパシタ１２の一端間は、それぞれ金属細線１０で接続されている。抵抗７の他端には金属メッキを施した貫通穴９が設けられている。この貫通穴９を介して抵抗７の他端が接地されており、また、キャパシタ１２を直接金属地導体に装着することにより、キャパシタ１２の他端を接地している。
【００３５】
図６（ｂ）において、接地回路８１を構成する抵抗７、インダクタ１１およびキャパシタ１２は、図中省略しているが、半導体素子１、入力整合回路２および出力整合回路３とともに半導体基板上に一体形成されており、抵抗７とキャパシタ１２の一端は貫通穴９を介して接地されている。
【００３６】
この実施の形態２のマイクロ波装置に用いた接地回路８１では、所望の周波数Ｆ０でインダクタ１１とキャパシタ１２とが直列共振するように選ばれている。これにより、所望の周波数帯では接地回路８１のインピーダンスＺＬはほぼ０Ωとなり、半導体素子１の接地端子を損失無しで接地することができる。
また、半導体素子１に印加した直流電流は抵抗７を介して流れるようになるため、直流で損失がやや増加するが、マイクロ波装置を単一電源で動作させることが可能となる。
【００３７】
図７は実施の形態２のマイクロ波装置に用いる接地回路８１の反射特性の一例を示す図である。この接地回路８１では、所望の周波数Ｆ０でのみインピーダンスがほぼ０Ωとなるため、反射係数は１となる。しかし、直流を含むそれ以外の周波数では抵抗７とインダクタ１１およびキャパシタ１２で決まるインピーダンスとなるため、広帯域に渡って反射係数は１以下となる。
即ち、実施の形態１のマイクロ波装置に用いた接地回路８に比べ、特に直流近傍の低周波帯で損失を増加させることができる。
【００３８】
以上のように、この実施の形態２のマイクロ波装置は、抵抗７と、インダクタ１１とキャパシタ１２との直列回路とを並列接続して構成した接地回路８１を用いることで、所望の周波数では無損失、直流を含む他の周波数帯では損失回路となる接地回路８１により、半導体素子１の接地端子を接地することができる。このため、所望の周波数では半導体素子１の性能を劣化させることなく、広帯域に渡って半導体素子１で発生した不要なマイクロ波を吸収することができる。
このため、所望の周波数では高性能な増幅特性が得られ、かつ、広帯域に渡って高安定なマイクロ波装置を得ることができる。しかも実施の形態１のマイクロ波装置では正、負の２つの直流電源が必要があったのに対し、この発明のマイクロ波装置では、正の１つの直流電源で済むため、電源回路が簡単になるという利点もある。
【００３９】
図８は実施の形態２のマイクロ波装置に関する、他の実施例の構成を示す図である。図中、符号１３はインダクタであり、図５と同一符号のものは同一相当のものを示す。
このマイクロ波装置では、図５に示したマイクロ波装置の半導体素子１の接地端子と接地回路８１間に、インダクタ１３を装荷した構成になっている。
【００４０】
このため、接地回路８１のインピーダンスが０Ωとなる所望の周波数では、半導体素子１の接地端子はインダクタ１３を介して接地されることになる。
このインダクタ１３はシリーズフィードバック回路の働きがあり、無損失であるものの所望の周波数でマイクロ波装置の安定化を図ることができる。
【００４１】
図１および図５に示したマイクロ波装置では、半導体素子１の接地端子側に所望の周波数で安定化を図る機能が無いため、使用する半導体素子１によっては入力整合回路２あるいは出力整合回路３側に安定化回路が必要であったのに対し、このマイクロ波装置ではその必要がないという特徴を持つ。
また、所望の周波数以外では先に述べたように、安定化回路８１は直流を含む広帯域に渡って損失回路となるため、帯域外で不安定動作することもないという特徴を持つ。
【００４２】
以上のように、図８に示す実施の形態２の他の構成例によるマイクロ波装置では、所望の周波数を含む広帯域に渡って安定化を図ることができる。しかも、安定化機能を半導体素子１の接地端子側に持たせるとともに、単一電源での動作が可能となりマイクロ波装置の構成が簡単になる利点がある。
【００４３】
図９は、実施の形態２のマイクロ波装置における、さらに他の接地回路の実施例を示す構成図である。図中、符号１４はインダクタ、符号１５は抵抗、符号１６はキャパシタであり、図５と同一符号のものは同一相当のものを示す。
この構成のマイクロ波装置では、それぞれインダクタ１１とキャパシタ１２、抵抗７とインダクタ１４、抵抗１５とキャパシタ１６とからなる３つ直列回路を並列接続して、接地回路８２を構成する。
【００４４】
接地回路を実現する場合、抵抗７の一端は図２、図４および図６に示したように貫通穴９を介して接地する必要があるが、この貫通穴９にはインダクタが寄生する。このインダクタの影響が無視できない高周波では抵抗７の一端を確実に接地できなくなり、半導体素子１で発生した不要なマイクロ波を十分吸収できない場合がある。
【００４５】
このため、この実施の形態２によるさらに他の接地回路を用いたマイクロ波装置では、貫通穴９に寄生するインダクタの影響を相殺することのできる接地回路８２を用いている。即ち、図９に示すように、貫通穴９に存在するインダクタをインダクタ１４とし、抵抗７とインダクタ１４との直列回路として表わしている。この接地回路８２ではこのインダクタ１４の影響を相殺するために、抵抗１５とキャパシタ１６との直列回路を付加している。
【００４６】
ここで、抵抗１５をＲ１、抵抗７をＲ、インダクタ１４をＬ、キャパシタ１６をＣとし、Ｒ１＝Ｒ、Ｌ＝Ｃ×Ｒ×Ｒとなるように、抵抗１５およびキャパシタ１６を選ぶことにより、抵抗７とインダクタ１４との直列回路と、抵抗１５とキャパシタ１６との直列回路とが並列接続された回路は、等価的に抵抗７のみとなる。
【００４７】
このように、実施の形態２のマイクロ波装置におけるさらに他の接地回路８２では、抵抗１５とキャパシタ１６との直列回路を付加することにより、インダクタ１４の影響を相殺することができる。
このため、貫通穴９に寄生するインダクタを相殺することができ、抵抗７の一端を確実に接地することができるので、広帯域に渡って高安定なマイクロ波装置を実現することが可能となる。
【００４８】
なお、以上説明した実施の形態１、２において、マイクロ波装置として増幅器を構成した場合について述べたが、マイクロ波装置として半導体素子により発振器、逓倍器、ミクサを構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の実施の形態１によるマイクロ波装置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接地回路近傍の構造を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるマイクロ波装置の接地回路の反射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接地回路の構造を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２によるマイクロ波装置の構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるマイクロ波装置の接地回路近傍の構造を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２によるマイクロ波装置の接地回路の反射特性を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２によるマイクロ波装置の他の構成例を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２によるマイクロ波装置における、接地回路のさらに他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  半導体素子、２  入力整合回路、３  出力整合回路、４  入力端子、５  出力端子、６  伝送線路、７  抵抗、８  接地回路、９  貫通穴、１０  金属細線、１１  インダクタ、１２  キャパシタ、１３  インダクタ、１４  インダクタ、１５  抵抗、１６  キャパシタ、８１  接地回路、８２  接地回路。
【図１】
2009246751.tif 000003
【図２】
2009246751.tif 000004
【図３】
2009246751.tif 000005
【図４】
2009246751.tif 000006
【図５】
2009246751.tif 000007
【図６】
2009246751.tif 000008
【図７】
2009246751.tif 000009
【図８】
2009246751.tif 000010
【図９】
2009246751.tif 000011