高周波回路の設計方法、高周波回路
【課題】少数の部品で高周波回路の安定性を向上させる。
【解決手段】電子回路と、該電子回路に並列に接続されたスタブと、該電子回路に並列に接続された抵抗と、を有する高周波回路において、該抵抗を分布定数回路である等価回路に置き換え、該高周波回路で用いられる第１の周波数で前記高周波回路のインピーダンスマッチングがとれており、且つ前記高周波回路が安定すべき第２の周波数で前記高周波回路が安定するように、前記スタブのインピーダンス値と、前記等価回路の抵抗値とを設定する。
【解決手段】電子回路と、該電子回路に並列に接続されたスタブと、該電子回路に並列に接続された抵抗と、を有する高周波回路において、該抵抗を分布定数回路である等価回路に置き換え、該高周波回路で用いられる第１の周波数で前記高周波回路のインピーダンスマッチングがとれており、且つ前記高周波回路が安定すべき第２の周波数で前記高周波回路が安定するように、前記スタブのインピーダンス値と、前記等価回路の抵抗値とを設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波回路を設計する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波増幅回路を設けた高周波回路においては、所望の周波数で動作を安定させるため、特許文献１に記載された回路のように、伝送線路に並列に分布定数線路（スタブ）などを接続してインピーダンスマッチングを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２６１３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、高周波回路においては、所望の周波数でインピーダンスマッチングを行っても、その周波数以外では不安定となることがあった。
【０００５】
そして、その不安定となる周波数においてもインピーダンスマッチングをとるため、所望の集中定数の部品を追加すると、部品点数が増加してしまう。さらに、安定性を維持すべき周波数が高い場合、高い周波数ではそれらの部品が分布定数として見えてきてしまうため、所望の特性が得られないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、少数の部品で高周波回路の安定性を向上させる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の高周波回路の設計方法は、電子回路と、該電子回路に並列に接続されたスタブと、該電子回路に並列に接続された抵抗と、を有する高周波回路において、該抵抗を分布定数回路である等価回路に置き換え、該高周波回路で用いられる第１の周波数で前記高周波回路のインピーダンスマッチングがとれており、且つ前記高周波回路が安定すべき第２の周波数で前記高周波回路が安定するように、前記スタブのインピーダンス値と、前記等価回路の抵抗値とを設定する、設計方法である。
【０００８】
本発明の高周波回路は、電子回路と、高周波回路で用いられる第１の周波数で該高周波回路のインピーダンスマッチングがとれるようにインピーダンス値が設定され、前記電子回路に並列に接続されたスタブと、前記高周波回路が安定すべき第２の周波数で前記高周波回路が安定するように抵抗値が設定され、前記電子回路に並列に接続された抵抗と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電子回路に並列に挿入した抵抗を分布定数回路に置き換えるので、高周波回路において適切にインピーダンスマッチングを行うことができる結果、高周波回路の安定性を向上できる。また、コイルやコンデンサなどの部品を挿入しなくてすむので、部品点数を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の高周波回路の回路図の一例である。
【図２】高周波回路のＳパラメータを４端子行列で表わした図である。
【図３】本実施形態のチップ抵抗の等価回路の一例である。
【図４】本実施形態の高周波回路において、分布定数線路、オープンスタブ、およびチップ抵抗をないものとした回路の回路図である。
【図５】図４の回路におけるＳパラメータの算出結果を示すグラフである。
【図６】図４の回路から得られたインピーダンスをプロットしたスミスチャートを示す図である。
【図７】本実施形態の高周波回路において、チップ抵抗をないものとした回路の回路図である。
【図８】図７の回路におけるＳパラメータの算出結果を示すグラフである。
【図９】図７の回路から得られたインピーダンスをプロットしたスミスチャートである。
【図１０】図７の回路から得られた、スタビリティサークル上の点を表示したスミスチャートである。
【図１１】チップ抵抗を集中定数回路として捉えた場合のＳパラメータの算出結果を示すグラフである。
【図１２】チップ抵抗を集中定数回路として捉えた場合のＳパラメータをプロットしたスミスチャートである。
【図１３】チップ抵抗を集中定数回路として捉えた場合のスタビリティサークルを表示したスミスチャートである。
【図１４】本実施形態の高周波回路の設計方法を示すフローチャートである。
【図１５】チップ抵抗を分布定数回路として捉えた場合のＳパラメータの算出結果を示すグラフである。
【図１６】チップ抵抗を分布定数回路として捉えた場合のＳパラメータをプロットしたスミスチャートである。
【図１７】チップ抵抗を分布定数回路として捉えた場合のスタビリティサークルを表示したスミスチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の高周波回路１の回路図の一例である。同図を参照すると、高周波回路１は、入力端子１１、分布定数線路１２、高周波増幅回路１３、出力整合回路１４、出力端子１５、オープンスタブ１６、およびチップ抵抗１７を有する。
【００１２】
分布定数線路１２は、高周波回路１の入力端子１１と高周波増幅回路１３の出力端子とに接続される。分布定数線路１２は、インピーダンスマッチングにおいて、分布定数回路として扱われる線路である。
【００１３】
高周波増幅回路１３は、分布定数線路１２からの高周波信号を増幅する回路であり、インピーダンスマッチングの対象となる。出力整合回路１４は、高周波増幅回路１３の出力端子と、高周波回路１の出力端子１５とに接続される。出力整合回路１４は、高周波回路１において、所定の周波数において、高周波増幅回路１３の出力側でインピーダンスを調整するための回路である。
【００１４】
オープンスタブ１６は、高周波増幅回路１３と並列に接続される分布定数線路である。本実施形態では、オープンスタブ１６の幅を固定値とし、長さを可変とする。設計者は、長さを変更することで、オープンスタブ１６のインピーダンスを調整することができる。チップ抵抗１７は、例えば、オープンスタブ１６と、分布定数線路１２との間に挿入されるＳＭＴ（Surface Mount Technology：表面実装）部品である。
【００１５】
インピーダンスマッチングに用いるスタビリティサークルについて説明する。図２は、高周波増幅回路１３の特性をＳパラメータと呼ばれる４端子行列で表した図である。入力波と反射波との間の関係は、この４端子行列を使用して下記（１）式で表わされる。
【００１６】
【数１】
【００１７】
・・・（１）
上記（１）式において、Ｓ11、Ｓ12、Ｓ21、およびＳ22は、高周波増幅回路１３のＳパラメータであり、ａ1は、入力端子から回路へ入力される入力波であり、ｂ1は、ａ1に対応する反射波である。ａ2は、出力端子側から回路へ入力される入力波であり、ｂ2は、ａ2に対応する反射波である。
【００１８】
特に、Ｓ11は、出力側を５０Ωで終端したときの入力側の入射波ａ1に対する反射波ｂ1の割合であり、入力側の反射係数と呼ばれる。また、Ｓ12は、入力側を５０Ωで終端したときの出力側の入射波ａ2に対する反射波ｂ2の割合であり、出力側の反射係数と呼ばれる。
【００１９】
ここで、図２に示すように、入力端子に反射係数Γsの負荷（受動素子）を付けたときの出力側の反射係数Γout（Ｓ12）は、下記（２）式で表わされる。本実施形態では、分布定数線路１２、オープンスタブ１６、およびチップ抵抗１７がΓsの負荷に相当する。
【００２０】
【数２】
【００２１】
Γout＝ｂ2／ａ2＝Ｓ22＋｛（Ｓ12＊Ｓ21＊Γs／（１−Ｓ11＊Γs）｝・・・（２）
このとき、Γsのインピーダンスがスミスチャート内のいかなる場所にあっても、上記（２）式における出力反射係数Γoutの絶対値が１より小さければ、高周波回路１は安定であるといえる。
【００２２】
ただし、Γoutの絶対値が１以上の場合に必ず発振が起こるというものではなく、負性抵抗の絶対値より負荷インピーダンスの方が大きい場合には発振が起こらない。しかし、Γoutの絶対値が１以上で、負荷インピーダンスが負性抵抗の絶対値以下であれば、発振してしまう。このように、Γoutが１となるΓsのインピーダンスの軌跡は、安定性を判別する上で重要である。
【００２３】
そこで、下記（３）式を満たすΓsのインピーダンス領域を図示したものがスタビリティサークルである。
【００２４】
【数３】
【００２５】
｜Γs｜≧１・・・（３）
上記（３）式を満たすΓsのインピーダンス領域が半径１のスミスチャート内に存在しなければ、負性抵抗の絶対値より負荷インピーダンスの値のほうが大きいということになり、回路は安定であるといえる。逆に、このインピーダンス領域が半径１のスミスチャート内に存在すると、負性抵抗の絶対値より負荷インピーダンスの値が小さいことになり高周波回路１が発振し得ることになる。このように、スタビリティサークルを用いることで、視覚的に安定性を判別できる。
【００２６】
続いてインピーダンスマッチングの方法について説明する。一般的には、入力端子１１から入力された入力信号の周波数が、所望の周波数で安定するように、分布定数線路１２およびオープンスタブ１６でインピーダンスマッチングがなされる。しかし、このインピーダンスマッチングの結果、追加した負荷が、所望の周波数以外の、ある周波数にとっては、不安定な負荷となり、高周波回路１としての安定性が損なわれることがある。
【００２７】
そこで、チップ抵抗１７がオープンスタブ１６の付け根に挿入される。このチップ抵抗１７の挿入により、不安定となる周波数においても、高周波回路１の安定性が改善される。
【００２８】
ところが、チップ抵抗１７を挿入すると、ある周波数で高周波回路１の安定性が向上するものの、所望の周波数では、インピーダンスがずれてしまうことがある。
【００２９】
このため、インピーダンスマッチングにおいて、チップ抵抗１７は、図３に示す等価回路に置き換えて計算される。同図を参照すると、等価回路は、抵抗成分のほか、コンデンサ成分やインダクタンス成分を含む。チップ抵抗１７を等価回路に置き換えた場合の設計方法の詳細については、図１４で後述する。
【００３０】
続いて、図４〜図１３を参照してチップ抵抗１７の挿入の効果について、説明する。図５、図６、および図８〜図１３は、アジレント・テクノロジー株式会社製のAdvanced Design System（登録商標）を使用して、Ｓパラメータやスミスチャートをシミュレートした結果を示す図である。シミュレーションにおいて、オープンスタブ１６の幅を０．２ｍｍとし、インピーダンスマッチングにおける所望の周波数は、１０ＧＨｚとした。この１０ＧＨｚより、ある程度高い周波帯域でも回路が発振しないことが望ましい。この安定性を維持すべき周波数を１６ＧＨｚとした。また、高周波増幅回路１３として、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）を用いた。
【００３１】
上記の条件下で、オープンスタブ１６のインピーダンス値、抵抗１７の抵抗値を可変とし、シミュレーション結果に応じて、これらの値を適宜変更することにより、適切にインピーダンスマッチングをとることが可能となる。
【００３２】
まず、図４に示すように、図１の高周波回路１において、分布定数線路１２、オープンスタブ１６、およびチップ抵抗１７をないものとし、高周波増幅回路１３の入出力端が理想的な５０Ω線路で接続されている場合について考える。
【００３３】
図５は、図４の回路において、周波数ごとに算出された高周波増幅回路１３のＳパラメータＳ11、Ｓ21を示すグラフである。同図における実線はＳ21、波線はＳ11の算出結果である。グラフの縦軸は、Ｓパラメータの値であり、単位はデシベルである。横軸は、図４の回路に入出力される信号の周波数である。測定点「ｍ１」は、所望の周波数である１０ＧＨｚ帯におけるＳ21の値である。
【００３４】
図６は、図４の回路から得られた反射係数をプロットしたスミスチャートである。同図において、実線の同心円は、定抵抗円である。点線の同心円は、定コンダクタンス円である。太い実線は、図４の回路から求めた、周波数ごとの反射係数Ｓ11をプロットして繋げたものである。太い実線上の各点と、スミスチャートの中心（○）との間の距離がＳ11であり、太い実線上の各点および中心を結ぶ線分がＸ軸となす角度が位相である。測定点「ｍ２」は、所望の周波数である１０ＧＨｚ帯におけるＳ11の値をプロットした点である。
【００３５】
図６を参照すると、「ｍ２」は、スミスチャートの中心付近になく、所望の周波数においてインピーダンスマッチングがとれていない。これでは、高周波増幅回路１３に最大の電力が供給されていないため、高周波回路１は、利得をロスしていることとなる。
【００３６】
図５および図６より、オープンスタブ１６およびチップ抵抗１７を設けない回路では、インピーダンスマッチングがとれていない。このため、図７に示すように、分布定数線路１２、およびオープンスタブ１６を更に追加した回路について考える。
【００３７】
図８は、図７の回路において、周波数ごとに算出されたＳパラメータＳ11、Ｓ21を示すグラフである。同図において、測定点「ｍ１」は、１０ＧＨｚ帯におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、「ｍ１」の利得は十分に高いが、１６ＧＨｚ帯では、出力側の反射係数（Ｓ21）がかなり低下し、インピーダンスの位相がほぼショートとなっている。
【００３８】
図９は、図７の回路から得られた高周波回路１全体のＳ11をプロットしたスミスチャートである。同図において、測定点「ｍ２」は、所望の周波数である１０ＧＨｚ帯におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、「ｍ２」の測定点は、スミスチャートの中心付近に位置し、所望の周波数においてインピーダンスマッチングがとれている。
【００３９】
図１０は、図７の回路において、上記（３）式を満たすスタビリティサークル上の点を表示したスミスチャートである。同図において、測定点「ｍ３」は、スタビリティサークルの外周上の測定点の１つであり、１６ＧＨｚの周波数におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、この「ｍ３」は、スミスチャートの中心（○）からの距離がほぼ１であり、半径１の円上にある。このため、ちょっとした位相のばらつき等によっては、Ｓ11の測定点は、不安定（発振）領域、すなわち半径１のスミスチャート内に入りかねない。
【００４０】
まとめると、図８〜図１０より、１０ＧＨｚでインピーダンスマッチングをとる目的で追加した分布定数線路１２およびオープンスタブ１６が、１６ＧＨｚにおいては、高周波回路１の不安定性を生じさせる負荷となってしまっている。
【００４１】
次に、１６ＧＨｚでの不安定性を緩和するために、図７の回路において、集中定数としてのチップ抵抗１７を更に追加した回路、すなわち図１に示した回路について考える。
【００４２】
図１１は、図１の回路において、周波数ごとに算出された、高周波回路１全体のＳパラメータＳ11、Ｓ21を示すグラフである。図１１を参照すると、チップ抵抗１７の追加により、図８に示したグラフと比較して、１６ＧＨｚ帯において、出力側の反射係数（Ｓ21）が上昇し、ショート性が緩和されている。
【００４３】
図１２は、高周波回路１全体のＳ11をプロットしたスミスチャートである。同図において、測定点「ｍ２」は、所望の周波数である１０ＧＨｚの周波数におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、「ｍ２」は、スミスチャートの中心（○）付近になく、インピーダンスがずれてしまっている。
【００４４】
図１３は、図１の回路において、上記（３）式を満たすスタビリティサークルを表示したスミスチャートである。同図において、太い実線が、スタビリティサークルの外周である。測定点「ｍ３」は、１６ＧＨｚの周波数におけるＳ11の値をプロットした点である。この「ｍ３」のスミスチャートの中心（○）からの距離は、約３である。このように、「ｍ３」は、半径１の円内にないため高周波回路１は安定であり、１６ＧＨｚ帯における、高周波回路１の安定性が向上している。
【００４５】
まとめると、図１１〜図１３より、挿入したチップ抵抗１７を集中定数回路と捉えると、１６ＧＨｚ帯でのショート性が緩和されるが、所望の周波数である１０ＧＨｚにおいては、インピーダンスマッチングがとれなくなる。
【００４６】
続いて、インピーダンスマッチングの計算において、チップ抵抗１７を分布定数回路として捉えた場合、すなわちチップ抵抗１７を図３に示した等価回路に置き換えた場合について考える。
【００４７】
図１４は、チップ抵抗１７を分布定数回路として捉えた場合の高周波回路の設計方法を示すフローチャートである。同図を参照すると、設計者は、まず、図５〜図１３で使用したＡＤＳ等のシミュレーションソフトに、チップ抵抗１７を分布定数回路として捉えた場合の各種パラメータを入力する（ステップＳ１）。
【００４８】
図３で示した等価回路において、コンデンサ成分、インダクタンス成分は、チップ抵抗１７の物理的形状（チップサイズや電極の大きさ）と、周波数とにより定まる。例えば、１０ＧＨｚにおいて、コンデンサ成分の値は、０．１（pF）、インダクタンス成分の値は、０．０１(nH)である。他のパラメータの値は、図４〜図１３の場合と同様とする。
【００４９】
そして、設計者は、チップ抵抗１７の抵抗値の候補を入力する（ステップＳ２）。設計者は、高周波回路１全体のＳパラメータやスミスチャートを出力し、その結果に応じて、長さを変更することで、オープンスタブ１６のインピーダンスを調整する。このようにして、設計者は、所望の周波数（１０ＧＨｚ）でインピーダンスマッチングをとる（ステップＳ３）。
【００５０】
次いで、設計者は、所望の周波数より高い高周波帯域（１６ＧＨｚ）で、スタビリティサークルを出力し、高周波回路１の安定性を判断する（ステップＳ４）。
【００５１】
設計者は、上記のシミュレーション結果から、高周波帯域で高周波回路１が安定であるか否かを判断する（ステップＳ５）。
【００５２】
高周波帯域で高周波回路１が安定でなければ（ステップＳ５：ＮＯ）、設計者は、入力する抵抗値の候補を変更して、ステップＳ１に戻る。高周波回路１において、インピーダンスマッチングがとれており、且つ高周波回路１が安定であれば（ステップＳ５：ＹＥＳ）、設計者は、そのときの候補をチップ抵抗１７の抵抗値に決定して設計を終了する。
【００５３】
図１５〜図１７は、図１４で示した設計方法で、高周波回路１を設計した結果を示す図である。
【００５４】
図１５は、図１の回路において、周波数ごとに算出されたＳパラメータＳ11、Ｓ21を示すグラフである。同図を参照すると、同図において、測定点「ｍ１」は、１０ＧＨｚ帯におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、「ｍ１」の利得は十分に高い。また、図１１に示した結果と同様に、１６ＧＨｚ帯において、ショート性が緩和されている。
【００５５】
図１６は、図１の回路から得られた、高周波回路１のＳ11の値をプロットしたスミスチャートである。同図において、測定点「ｍ２」は、所望の周波数である１０ＧＨｚの周波数におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、「ｍ２」は、スミスチャートの中心付近にあり、インピーダンスマッチングがとれている。
【００５６】
図１７は、図１の回路において、上記（３）式を満たすスタビリティチャートを表示したスミスチャートである。測定点「ｍ３」は、１６ＧＨｚの周波数におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、この「ｍ３」のスミスチャートの中心（○）からの距離は、約２である。このように、「ｍ３」は、半径１の円内にないため、１６ＧＨｚ帯においても回路は安定している。
【００５７】
まとめると、図１５〜図１７より、挿入したチップ抵抗１７を分布定数回路と捉えることにより、１６ＧＨｚ帯でのショート性が緩和され、且つ、所望の周波数（１６ＧＨｚ）においても高周波回路１が安定する。
【００５８】
一方、図２の回路を集中定数として捉えた部品で構成すると、部品点数が増加してしまうだけでなく、高周波数帯になると、それらの部品が、分布定数として見えてきてしまう。このため、高周波数帯では、図３の等価回路は、同図に示した回路と異なるものとなり、所望の特性が得られない。
【００５９】
なお、図１４に示したフローチャートの全部または一部は、コンピュータプログラムを実行することにより、実現することもできる。
【００６０】
また、本実施形態では、インピーダンスマッチングをとってから、高周波回路１の安定性を判断していたが、高周波回路１の安定性を判断してからインピーダンスマッチングをとってもよい。
【００６１】
本実施形態では、長さを調整するだけでインピーダンス値を変更できる簡易さから、オープンスタブ１６を使用したが、インピーダンスを調整できるのであれば、オープンスタブ１６の代わりに、ショートスタブを用いてもよいのは勿論である。
【００６２】
本実施形態では、オープンスタブ１６の付け根にチップ抵抗１７を挿入する構成としているが、高周波増幅回路１３に並列にチップ抵抗１７を接続する構成であれば、オープンスタブ１６の付け根以外の箇所に、チップ抵抗１７を接続してもよい。
【００６３】
本実施形態では、チップ抵抗１７として、物理的形状、及び周波数からのリアクタンス値の算出が容易であることから、ＳＭＴ部品を使用しているが、周波数に対応するリアクタンス値を算出できるのであれば、ＳＭＴ部品以外の抵抗を用いてもよい。
【００６４】
本実施形態の高周波増幅回路１３が、本発明の電子回路に相当する。
【００６５】
以上説明したように、本発明によれば、電子回路に並列に挿入した抵抗を分布定数回路として捉えるので、高周波回路において適切にインピーダンスマッチングを行うことができる結果、高周波回路の安定性を向上できる。また、コイルやコンデンサなどの部品を挿入しなくてすむので、部品点数を削減できる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 高周波回路
１１ 入力端子
１２ 分布定数線路
１３ 高周波増幅回路
１４ 出力整合回路
１５ 出力端子
１６ オープンスタブ
１７ チップ抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波回路を設計する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波増幅回路を設けた高周波回路においては、所望の周波数で動作を安定させるため、特許文献１に記載された回路のように、伝送線路に並列に分布定数線路（スタブ）などを接続してインピーダンスマッチングを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２６１３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、高周波回路においては、所望の周波数でインピーダンスマッチングを行っても、その周波数以外では不安定となることがあった。
【０００５】
そして、その不安定となる周波数においてもインピーダンスマッチングをとるため、所望の集中定数の部品を追加すると、部品点数が増加してしまう。さらに、安定性を維持すべき周波数が高い場合、高い周波数ではそれらの部品が分布定数として見えてきてしまうため、所望の特性が得られないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、少数の部品で高周波回路の安定性を向上させる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の高周波回路の設計方法は、電子回路と、該電子回路に並列に接続されたスタブと、該電子回路に並列に接続された抵抗と、を有する高周波回路において、該抵抗を分布定数回路である等価回路に置き換え、該高周波回路で用いられる第１の周波数で前記高周波回路のインピーダンスマッチングがとれており、且つ前記高周波回路が安定すべき第２の周波数で前記高周波回路が安定するように、前記スタブのインピーダンス値と、前記等価回路の抵抗値とを設定する、設計方法である。
【０００８】
本発明の高周波回路は、電子回路と、高周波回路で用いられる第１の周波数で該高周波回路のインピーダンスマッチングがとれるようにインピーダンス値が設定され、前記電子回路に並列に接続されたスタブと、前記高周波回路が安定すべき第２の周波数で前記高周波回路が安定するように抵抗値が設定され、前記電子回路に並列に接続された抵抗と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電子回路に並列に挿入した抵抗を分布定数回路に置き換えるので、高周波回路において適切にインピーダンスマッチングを行うことができる結果、高周波回路の安定性を向上できる。また、コイルやコンデンサなどの部品を挿入しなくてすむので、部品点数を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の高周波回路の回路図の一例である。
【図２】高周波回路のＳパラメータを４端子行列で表わした図である。
【図３】本実施形態のチップ抵抗の等価回路の一例である。
【図４】本実施形態の高周波回路において、分布定数線路、オープンスタブ、およびチップ抵抗をないものとした回路の回路図である。
【図５】図４の回路におけるＳパラメータの算出結果を示すグラフである。
【図６】図４の回路から得られたインピーダンスをプロットしたスミスチャートを示す図である。
【図７】本実施形態の高周波回路において、チップ抵抗をないものとした回路の回路図である。
【図８】図７の回路におけるＳパラメータの算出結果を示すグラフである。
【図９】図７の回路から得られたインピーダンスをプロットしたスミスチャートである。
【図１０】図７の回路から得られた、スタビリティサークル上の点を表示したスミスチャートである。
【図１１】チップ抵抗を集中定数回路として捉えた場合のＳパラメータの算出結果を示すグラフである。
【図１２】チップ抵抗を集中定数回路として捉えた場合のＳパラメータをプロットしたスミスチャートである。
【図１３】チップ抵抗を集中定数回路として捉えた場合のスタビリティサークルを表示したスミスチャートである。
【図１４】本実施形態の高周波回路の設計方法を示すフローチャートである。
【図１５】チップ抵抗を分布定数回路として捉えた場合のＳパラメータの算出結果を示すグラフである。
【図１６】チップ抵抗を分布定数回路として捉えた場合のＳパラメータをプロットしたスミスチャートである。
【図１７】チップ抵抗を分布定数回路として捉えた場合のスタビリティサークルを表示したスミスチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の高周波回路１の回路図の一例である。同図を参照すると、高周波回路１は、入力端子１１、分布定数線路１２、高周波増幅回路１３、出力整合回路１４、出力端子１５、オープンスタブ１６、およびチップ抵抗１７を有する。
【００１２】
分布定数線路１２は、高周波回路１の入力端子１１と高周波増幅回路１３の出力端子とに接続される。分布定数線路１２は、インピーダンスマッチングにおいて、分布定数回路として扱われる線路である。
【００１３】
高周波増幅回路１３は、分布定数線路１２からの高周波信号を増幅する回路であり、インピーダンスマッチングの対象となる。出力整合回路１４は、高周波増幅回路１３の出力端子と、高周波回路１の出力端子１５とに接続される。出力整合回路１４は、高周波回路１において、所定の周波数において、高周波増幅回路１３の出力側でインピーダンスを調整するための回路である。
【００１４】
オープンスタブ１６は、高周波増幅回路１３と並列に接続される分布定数線路である。本実施形態では、オープンスタブ１６の幅を固定値とし、長さを可変とする。設計者は、長さを変更することで、オープンスタブ１６のインピーダンスを調整することができる。チップ抵抗１７は、例えば、オープンスタブ１６と、分布定数線路１２との間に挿入されるＳＭＴ（Surface Mount Technology：表面実装）部品である。
【００１５】
インピーダンスマッチングに用いるスタビリティサークルについて説明する。図２は、高周波増幅回路１３の特性をＳパラメータと呼ばれる４端子行列で表した図である。入力波と反射波との間の関係は、この４端子行列を使用して下記（１）式で表わされる。
【００１６】
【数１】
【００１７】
・・・（１）
上記（１）式において、Ｓ11、Ｓ12、Ｓ21、およびＳ22は、高周波増幅回路１３のＳパラメータであり、ａ1は、入力端子から回路へ入力される入力波であり、ｂ1は、ａ1に対応する反射波である。ａ2は、出力端子側から回路へ入力される入力波であり、ｂ2は、ａ2に対応する反射波である。
【００１８】
特に、Ｓ11は、出力側を５０Ωで終端したときの入力側の入射波ａ1に対する反射波ｂ1の割合であり、入力側の反射係数と呼ばれる。また、Ｓ12は、入力側を５０Ωで終端したときの出力側の入射波ａ2に対する反射波ｂ2の割合であり、出力側の反射係数と呼ばれる。
【００１９】
ここで、図２に示すように、入力端子に反射係数Γsの負荷（受動素子）を付けたときの出力側の反射係数Γout（Ｓ12）は、下記（２）式で表わされる。本実施形態では、分布定数線路１２、オープンスタブ１６、およびチップ抵抗１７がΓsの負荷に相当する。
【００２０】
【数２】
【００２１】
Γout＝ｂ2／ａ2＝Ｓ22＋｛（Ｓ12＊Ｓ21＊Γs／（１−Ｓ11＊Γs）｝・・・（２）
このとき、Γsのインピーダンスがスミスチャート内のいかなる場所にあっても、上記（２）式における出力反射係数Γoutの絶対値が１より小さければ、高周波回路１は安定であるといえる。
【００２２】
ただし、Γoutの絶対値が１以上の場合に必ず発振が起こるというものではなく、負性抵抗の絶対値より負荷インピーダンスの方が大きい場合には発振が起こらない。しかし、Γoutの絶対値が１以上で、負荷インピーダンスが負性抵抗の絶対値以下であれば、発振してしまう。このように、Γoutが１となるΓsのインピーダンスの軌跡は、安定性を判別する上で重要である。
【００２３】
そこで、下記（３）式を満たすΓsのインピーダンス領域を図示したものがスタビリティサークルである。
【００２４】
【数３】
【００２５】
｜Γs｜≧１・・・（３）
上記（３）式を満たすΓsのインピーダンス領域が半径１のスミスチャート内に存在しなければ、負性抵抗の絶対値より負荷インピーダンスの値のほうが大きいということになり、回路は安定であるといえる。逆に、このインピーダンス領域が半径１のスミスチャート内に存在すると、負性抵抗の絶対値より負荷インピーダンスの値が小さいことになり高周波回路１が発振し得ることになる。このように、スタビリティサークルを用いることで、視覚的に安定性を判別できる。
【００２６】
続いてインピーダンスマッチングの方法について説明する。一般的には、入力端子１１から入力された入力信号の周波数が、所望の周波数で安定するように、分布定数線路１２およびオープンスタブ１６でインピーダンスマッチングがなされる。しかし、このインピーダンスマッチングの結果、追加した負荷が、所望の周波数以外の、ある周波数にとっては、不安定な負荷となり、高周波回路１としての安定性が損なわれることがある。
【００２７】
そこで、チップ抵抗１７がオープンスタブ１６の付け根に挿入される。このチップ抵抗１７の挿入により、不安定となる周波数においても、高周波回路１の安定性が改善される。
【００２８】
ところが、チップ抵抗１７を挿入すると、ある周波数で高周波回路１の安定性が向上するものの、所望の周波数では、インピーダンスがずれてしまうことがある。
【００２９】
このため、インピーダンスマッチングにおいて、チップ抵抗１７は、図３に示す等価回路に置き換えて計算される。同図を参照すると、等価回路は、抵抗成分のほか、コンデンサ成分やインダクタンス成分を含む。チップ抵抗１７を等価回路に置き換えた場合の設計方法の詳細については、図１４で後述する。
【００３０】
続いて、図４〜図１３を参照してチップ抵抗１７の挿入の効果について、説明する。図５、図６、および図８〜図１３は、アジレント・テクノロジー株式会社製のAdvanced Design System（登録商標）を使用して、Ｓパラメータやスミスチャートをシミュレートした結果を示す図である。シミュレーションにおいて、オープンスタブ１６の幅を０．２ｍｍとし、インピーダンスマッチングにおける所望の周波数は、１０ＧＨｚとした。この１０ＧＨｚより、ある程度高い周波帯域でも回路が発振しないことが望ましい。この安定性を維持すべき周波数を１６ＧＨｚとした。また、高周波増幅回路１３として、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）を用いた。
【００３１】
上記の条件下で、オープンスタブ１６のインピーダンス値、抵抗１７の抵抗値を可変とし、シミュレーション結果に応じて、これらの値を適宜変更することにより、適切にインピーダンスマッチングをとることが可能となる。
【００３２】
まず、図４に示すように、図１の高周波回路１において、分布定数線路１２、オープンスタブ１６、およびチップ抵抗１７をないものとし、高周波増幅回路１３の入出力端が理想的な５０Ω線路で接続されている場合について考える。
【００３３】
図５は、図４の回路において、周波数ごとに算出された高周波増幅回路１３のＳパラメータＳ11、Ｓ21を示すグラフである。同図における実線はＳ21、波線はＳ11の算出結果である。グラフの縦軸は、Ｓパラメータの値であり、単位はデシベルである。横軸は、図４の回路に入出力される信号の周波数である。測定点「ｍ１」は、所望の周波数である１０ＧＨｚ帯におけるＳ21の値である。
【００３４】
図６は、図４の回路から得られた反射係数をプロットしたスミスチャートである。同図において、実線の同心円は、定抵抗円である。点線の同心円は、定コンダクタンス円である。太い実線は、図４の回路から求めた、周波数ごとの反射係数Ｓ11をプロットして繋げたものである。太い実線上の各点と、スミスチャートの中心（○）との間の距離がＳ11であり、太い実線上の各点および中心を結ぶ線分がＸ軸となす角度が位相である。測定点「ｍ２」は、所望の周波数である１０ＧＨｚ帯におけるＳ11の値をプロットした点である。
【００３５】
図６を参照すると、「ｍ２」は、スミスチャートの中心付近になく、所望の周波数においてインピーダンスマッチングがとれていない。これでは、高周波増幅回路１３に最大の電力が供給されていないため、高周波回路１は、利得をロスしていることとなる。
【００３６】
図５および図６より、オープンスタブ１６およびチップ抵抗１７を設けない回路では、インピーダンスマッチングがとれていない。このため、図７に示すように、分布定数線路１２、およびオープンスタブ１６を更に追加した回路について考える。
【００３７】
図８は、図７の回路において、周波数ごとに算出されたＳパラメータＳ11、Ｓ21を示すグラフである。同図において、測定点「ｍ１」は、１０ＧＨｚ帯におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、「ｍ１」の利得は十分に高いが、１６ＧＨｚ帯では、出力側の反射係数（Ｓ21）がかなり低下し、インピーダンスの位相がほぼショートとなっている。
【００３８】
図９は、図７の回路から得られた高周波回路１全体のＳ11をプロットしたスミスチャートである。同図において、測定点「ｍ２」は、所望の周波数である１０ＧＨｚ帯におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、「ｍ２」の測定点は、スミスチャートの中心付近に位置し、所望の周波数においてインピーダンスマッチングがとれている。
【００３９】
図１０は、図７の回路において、上記（３）式を満たすスタビリティサークル上の点を表示したスミスチャートである。同図において、測定点「ｍ３」は、スタビリティサークルの外周上の測定点の１つであり、１６ＧＨｚの周波数におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、この「ｍ３」は、スミスチャートの中心（○）からの距離がほぼ１であり、半径１の円上にある。このため、ちょっとした位相のばらつき等によっては、Ｓ11の測定点は、不安定（発振）領域、すなわち半径１のスミスチャート内に入りかねない。
【００４０】
まとめると、図８〜図１０より、１０ＧＨｚでインピーダンスマッチングをとる目的で追加した分布定数線路１２およびオープンスタブ１６が、１６ＧＨｚにおいては、高周波回路１の不安定性を生じさせる負荷となってしまっている。
【００４１】
次に、１６ＧＨｚでの不安定性を緩和するために、図７の回路において、集中定数としてのチップ抵抗１７を更に追加した回路、すなわち図１に示した回路について考える。
【００４２】
図１１は、図１の回路において、周波数ごとに算出された、高周波回路１全体のＳパラメータＳ11、Ｓ21を示すグラフである。図１１を参照すると、チップ抵抗１７の追加により、図８に示したグラフと比較して、１６ＧＨｚ帯において、出力側の反射係数（Ｓ21）が上昇し、ショート性が緩和されている。
【００４３】
図１２は、高周波回路１全体のＳ11をプロットしたスミスチャートである。同図において、測定点「ｍ２」は、所望の周波数である１０ＧＨｚの周波数におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、「ｍ２」は、スミスチャートの中心（○）付近になく、インピーダンスがずれてしまっている。
【００４４】
図１３は、図１の回路において、上記（３）式を満たすスタビリティサークルを表示したスミスチャートである。同図において、太い実線が、スタビリティサークルの外周である。測定点「ｍ３」は、１６ＧＨｚの周波数におけるＳ11の値をプロットした点である。この「ｍ３」のスミスチャートの中心（○）からの距離は、約３である。このように、「ｍ３」は、半径１の円内にないため高周波回路１は安定であり、１６ＧＨｚ帯における、高周波回路１の安定性が向上している。
【００４５】
まとめると、図１１〜図１３より、挿入したチップ抵抗１７を集中定数回路と捉えると、１６ＧＨｚ帯でのショート性が緩和されるが、所望の周波数である１０ＧＨｚにおいては、インピーダンスマッチングがとれなくなる。
【００４６】
続いて、インピーダンスマッチングの計算において、チップ抵抗１７を分布定数回路として捉えた場合、すなわちチップ抵抗１７を図３に示した等価回路に置き換えた場合について考える。
【００４７】
図１４は、チップ抵抗１７を分布定数回路として捉えた場合の高周波回路の設計方法を示すフローチャートである。同図を参照すると、設計者は、まず、図５〜図１３で使用したＡＤＳ等のシミュレーションソフトに、チップ抵抗１７を分布定数回路として捉えた場合の各種パラメータを入力する（ステップＳ１）。
【００４８】
図３で示した等価回路において、コンデンサ成分、インダクタンス成分は、チップ抵抗１７の物理的形状（チップサイズや電極の大きさ）と、周波数とにより定まる。例えば、１０ＧＨｚにおいて、コンデンサ成分の値は、０．１（pF）、インダクタンス成分の値は、０．０１(nH)である。他のパラメータの値は、図４〜図１３の場合と同様とする。
【００４９】
そして、設計者は、チップ抵抗１７の抵抗値の候補を入力する（ステップＳ２）。設計者は、高周波回路１全体のＳパラメータやスミスチャートを出力し、その結果に応じて、長さを変更することで、オープンスタブ１６のインピーダンスを調整する。このようにして、設計者は、所望の周波数（１０ＧＨｚ）でインピーダンスマッチングをとる（ステップＳ３）。
【００５０】
次いで、設計者は、所望の周波数より高い高周波帯域（１６ＧＨｚ）で、スタビリティサークルを出力し、高周波回路１の安定性を判断する（ステップＳ４）。
【００５１】
設計者は、上記のシミュレーション結果から、高周波帯域で高周波回路１が安定であるか否かを判断する（ステップＳ５）。
【００５２】
高周波帯域で高周波回路１が安定でなければ（ステップＳ５：ＮＯ）、設計者は、入力する抵抗値の候補を変更して、ステップＳ１に戻る。高周波回路１において、インピーダンスマッチングがとれており、且つ高周波回路１が安定であれば（ステップＳ５：ＹＥＳ）、設計者は、そのときの候補をチップ抵抗１７の抵抗値に決定して設計を終了する。
【００５３】
図１５〜図１７は、図１４で示した設計方法で、高周波回路１を設計した結果を示す図である。
【００５４】
図１５は、図１の回路において、周波数ごとに算出されたＳパラメータＳ11、Ｓ21を示すグラフである。同図を参照すると、同図において、測定点「ｍ１」は、１０ＧＨｚ帯におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、「ｍ１」の利得は十分に高い。また、図１１に示した結果と同様に、１６ＧＨｚ帯において、ショート性が緩和されている。
【００５５】
図１６は、図１の回路から得られた、高周波回路１のＳ11の値をプロットしたスミスチャートである。同図において、測定点「ｍ２」は、所望の周波数である１０ＧＨｚの周波数におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、「ｍ２」は、スミスチャートの中心付近にあり、インピーダンスマッチングがとれている。
【００５６】
図１７は、図１の回路において、上記（３）式を満たすスタビリティチャートを表示したスミスチャートである。測定点「ｍ３」は、１６ＧＨｚの周波数におけるＳ11の値をプロットした点である。同図を参照すると、この「ｍ３」のスミスチャートの中心（○）からの距離は、約２である。このように、「ｍ３」は、半径１の円内にないため、１６ＧＨｚ帯においても回路は安定している。
【００５７】
まとめると、図１５〜図１７より、挿入したチップ抵抗１７を分布定数回路と捉えることにより、１６ＧＨｚ帯でのショート性が緩和され、且つ、所望の周波数（１６ＧＨｚ）においても高周波回路１が安定する。
【００５８】
一方、図２の回路を集中定数として捉えた部品で構成すると、部品点数が増加してしまうだけでなく、高周波数帯になると、それらの部品が、分布定数として見えてきてしまう。このため、高周波数帯では、図３の等価回路は、同図に示した回路と異なるものとなり、所望の特性が得られない。
【００５９】
なお、図１４に示したフローチャートの全部または一部は、コンピュータプログラムを実行することにより、実現することもできる。
【００６０】
また、本実施形態では、インピーダンスマッチングをとってから、高周波回路１の安定性を判断していたが、高周波回路１の安定性を判断してからインピーダンスマッチングをとってもよい。
【００６１】
本実施形態では、長さを調整するだけでインピーダンス値を変更できる簡易さから、オープンスタブ１６を使用したが、インピーダンスを調整できるのであれば、オープンスタブ１６の代わりに、ショートスタブを用いてもよいのは勿論である。
【００６２】
本実施形態では、オープンスタブ１６の付け根にチップ抵抗１７を挿入する構成としているが、高周波増幅回路１３に並列にチップ抵抗１７を接続する構成であれば、オープンスタブ１６の付け根以外の箇所に、チップ抵抗１７を接続してもよい。
【００６３】
本実施形態では、チップ抵抗１７として、物理的形状、及び周波数からのリアクタンス値の算出が容易であることから、ＳＭＴ部品を使用しているが、周波数に対応するリアクタンス値を算出できるのであれば、ＳＭＴ部品以外の抵抗を用いてもよい。
【００６４】
本実施形態の高周波増幅回路１３が、本発明の電子回路に相当する。
【００６５】
以上説明したように、本発明によれば、電子回路に並列に挿入した抵抗を分布定数回路として捉えるので、高周波回路において適切にインピーダンスマッチングを行うことができる結果、高周波回路の安定性を向上できる。また、コイルやコンデンサなどの部品を挿入しなくてすむので、部品点数を削減できる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 高周波回路
１１ 入力端子
１２ 分布定数線路
１３ 高周波増幅回路
１４ 出力整合回路
１５ 出力端子
１６ オープンスタブ
１７ チップ抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子回路と、該電子回路に並列に接続されたスタブと、該電子回路に並列に接続された抵抗と、を有する高周波回路において、該抵抗を分布定数回路である等価回路に置き換え、
該高周波回路で用いられる第１の周波数で前記高周波回路のインピーダンスマッチングがとれており、且つ前記高周波回路が安定すべき第２の周波数で前記高周波回路が安定するように、前記スタブのインピーダンス値と、前記等価回路の抵抗値とを設定する、高周波回路の設計方法。
【請求項２】
前記インピーダンス値、及び前記抵抗値の設定において、
前記抵抗値の候補を設定し、
前記第１の周波数で前記高周波回路のインピーダンスマッチングがとれるように、前記インピーダンスを設定してから、前記第２の周波数で前記高周波回路が安定するか否かを判断し、
前記高周波回路が安定するのであれば、前記候補を前記等価回路の抵抗値とする、請求項１に記載の高周回路の設定方法。
【請求項３】
前記スタブは、オープンスタブであり、該オープンスタブの長さを調整することにより、前記インピーダンス値を設定する、請求項２に記載の高周波回路の設計方法。
【請求項４】
前記抵抗は、ＳＭＴ部品であり、
前記等価回路のリアクタンス値は、該ＳＭＴ部品の物理的形状と、周波数とにより定まる値である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高周波回路の設計方法。
【請求項５】
電子回路と、
高周波回路で用いられる第１の周波数で該高周波回路のインピーダンスマッチングがとれるようにインピーダンス値が設定され、前記電子回路に並列に接続されたスタブと、
前記高周波回路が安定すべき第２の周波数で前記高周波回路が安定するように抵抗値が設定され、前記電子回路に並列に接続された抵抗と、
を有する高周波回路。
【請求項１】
電子回路と、該電子回路に並列に接続されたスタブと、該電子回路に並列に接続された抵抗と、を有する高周波回路において、該抵抗を分布定数回路である等価回路に置き換え、
該高周波回路で用いられる第１の周波数で前記高周波回路のインピーダンスマッチングがとれており、且つ前記高周波回路が安定すべき第２の周波数で前記高周波回路が安定するように、前記スタブのインピーダンス値と、前記等価回路の抵抗値とを設定する、高周波回路の設計方法。
【請求項２】
前記インピーダンス値、及び前記抵抗値の設定において、
前記抵抗値の候補を設定し、
前記第１の周波数で前記高周波回路のインピーダンスマッチングがとれるように、前記インピーダンスを設定してから、前記第２の周波数で前記高周波回路が安定するか否かを判断し、
前記高周波回路が安定するのであれば、前記候補を前記等価回路の抵抗値とする、請求項１に記載の高周回路の設定方法。
【請求項３】
前記スタブは、オープンスタブであり、該オープンスタブの長さを調整することにより、前記インピーダンス値を設定する、請求項２に記載の高周波回路の設計方法。
【請求項４】
前記抵抗は、ＳＭＴ部品であり、
前記等価回路のリアクタンス値は、該ＳＭＴ部品の物理的形状と、周波数とにより定まる値である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高周波回路の設計方法。
【請求項５】
電子回路と、
高周波回路で用いられる第１の周波数で該高周波回路のインピーダンスマッチングがとれるようにインピーダンス値が設定され、前記電子回路に並列に接続されたスタブと、
前記高周波回路が安定すべき第２の周波数で前記高周波回路が安定するように抵抗値が設定され、前記電子回路に並列に接続された抵抗と、
を有する高周波回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−２８８１３３（Ｐ２０１０−２８８１３３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４１１６８（Ｐ２００９−１４１１６８）
【出願日】平成２１年６月１２日（２００９．６．１２）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１２日（２００９．６．１２）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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