高周波電力増幅器

【課題】歪特性を改善することができる高周波電力増幅器を得る。
【解決手段】複数のトランジスタセル１１を電気的に並列接続することで、マルチフィンガー型のトランジスタが形成されている。複数のトランジスタセル１１のゲート電極は入力側整合回路１３に接続されている。各トランジスタセル１１のゲート電極と入力側整合回路１３の間に共振回路１７がそれぞれ接続されている。共振回路１７は、トランジスタの動作周波数の２次高調波の周波数又は２次高調波の周波数を中心とした所定の範囲内で共振して、２次高調波に対して高インピーダンス負荷又は開放負荷となる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体通信、衛星通信用などのマイクロ波、ミリ波帯の通信機に用いられる高周波電力増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マルチキャリア信号又は近年のＣＤＭＡ方式等の変調波信号を用いるマイクロ波通信システムでは、高周波電力増幅器の非線形性によって生じる歪の影響をできるだけ小さくする必要がある。これに対し、２次高調波に対して開放負荷又は高インピーダンス負荷となる共振回路を入力側に設ければ、高周波電力増幅器を高効率化できることが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、移動体通信、衛星通信用の高出力電力増幅器では、大電力を得るため、複数のトランジスタセルを電気的に並列接続してゲート幅を大きくしたマルチフィンガー型のトランジスタが用いられる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１６４７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１９，２０は、共振回路を入力側に設けた高周波電力増幅器の参考例を示す回路図である。複数のトランジスタセル１１が電気的に並列接続され、そのゲート電極に調整用線路１６及びボンディングワイヤ１２を介して入力側整合回路１３が接続され、そのドレイン電極にボンディングワイヤ１４を介して出力側整合回路１５が接続されている。そして、図１９，２０の回路には、入力側整合回路１３の前段に共振回路１７が設けられている。図１９の共振回路１７は２次高調波に対して開放負荷となり、図２０の共振回路１７は２次高調波に対して高インピーダンス負荷となる。
【０００５】
図１９の回路では、ゲート電極を合成して入力側整合回路１３に接続した後に共振回路１７を接続していたため、各トランジスタセル１１から入力側整合回路１３を見た場合、セル間に位相差が生じる。従って、各トランジスタセル１１のゲート電極からみた２次高調波負荷を同等に高インピーダンス負荷にすることができなかった。また、マルチフィンガー型のトランジスタを用いた場合、必然的にトランジスタの入カインピーダンスが非常に小さくなる。このため、図２０の回路では、伝播損失が生じて共振回路１７からの反射波が減衰するため、２次高調波負荷を開放負荷に制御することができなかった。従って、図１９，図２０の回路では、歪特性が悪いという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、歪特性を改善することができる高周波電力増幅器を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る高周波電力増幅器は、複数のトランジスタセルを電気的に並列接続したマルチフィンガー型のトランジスタと、複数のトランジスタセルのゲート電極に接続された入力側整合回路と、各トランジスタセルのゲート電極と入力側整合回路の間にそれぞれ接続された共振回路とを備え、共振回路は、トランジスタの動作周波数の２次高調波の周波数又は２次高調波の周波数を中心とした所定の範囲内で共振して、２次高調波に対して高インピーダンス負荷又は開放負荷となる。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、歪特性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す上面図であり、図２はその回路図である。
【００１０】
複数のトランジスタセル１１を電気的に並列接続することで、マルチフィンガー型のトランジスタが形成されている。複数のトランジスタセル１１のゲート電極は、ボンディングワイヤ１２を介して入力側整合回路１３に接続されている。複数のトランジスタセル１１のドレイン電極は、ボンディングワイヤ１４を介して出力側整合回路１５に接続されている。複数のトランジスタセル１１のソース電極は接地されている。ボンディングワイヤ１２，１４はインダクタとして機能する。
【００１１】
各トランジスタセル１１のゲート電極と入力側整合回路１３の間に、調整用線路１６及び共振回路１７がそれぞれ接続されている。即ち、各トランジスタセル１１のゲート電極にそれぞれ共振回路１７が付加されてから、ボンディングワイヤ１２により入力側整合回路１３に接続されて合成されている。
【００１２】
共振回路１７は、トランジスタと同一チップ１８上に形成され、互いに並列に接続されたボンディングワイヤ１９とＭＩＭキャパシタ２０を有する。ボンディングワイヤ１９はインダクタとして機能する。共振回路１７は、トランジスタの動作周波数の２次高調波の周波数又は２次高調波の周波数を中心とした所定の範囲内で共振し、２次高調波に対して高インピーダンス負荷となる。これにより、各トランジスタセル１１のゲート電極からみた２次高調波負荷を同等に高インピーダンス負荷にすることができるため、歪特性を改善することができる。
【００１３】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。回路図は実施の形態１と同じである。
【００１４】
実施の形態１と異なり、共振回路１７のインダクタとして、ボンディングワイヤ１９の代わりに、トランジスタと同一チップ１８上に形成されたスパイラルインダクタ２１を用いている。その他の構成は、実施の形態１の構成と同じである。
【００１５】
実施の形態１では、動作周波数が高い場合、ボンディングワイヤ１９のワイヤ長のバラツキによるインダクタンスの変動によって、共振回路１７の共振周波数が大きく変動する。これに対し、本実施の形態では、スパイラルインダクタ２１のインダクタンスのバラツキを抑え、共振回路１７の共振周波数の変動を抑えることができる。
【００１６】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る高周波電力増幅器を示す上面図であり、図５はその回路図である。ボンディングワイヤ１９の一端は入力側整合回路１３に接続されている。その他の構成は実施の形態１と同じである。これによりボンディングワイヤ１９を長くすることができるため、インダクタンスを大きくする必要がある場合に有効である。
【００１７】
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る高周波電力増幅器を示す上面図であり、図７はその回路図である。ＭＩＭキャパシタ２０は、トランジスタとは別のチップ２２上に形成されている。ＭＩＭキャパシタ２０の一端はボンディングワイヤ１２を介して入力側整合回路１３に接続され、ＭＩＭキャパシタ２０の他端はボンディングワイヤ２３を介して調整用線路１６に接続されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。トランジスタを形成しているチップ１８のコストが高い場合に、別の安価なチップ２２上にＭＩＭキャパシタを形成することで、コストを下げることができる。
【００１８】
実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５に係る高周波電力増幅器を示す上面図であり、図９はその回路図である。共振回路１７の内部構成以外は実施の形態１と同じである。
【００１９】
共振回路１７は、電気長調整用線路２４と開放端スタブ２５とを有する。開放端スタブ２５の一端は電気長調整用線路２４に接続され、開放端スタブ２５の他端は開放されている。電気長調整用線路２４は、ボンディングワイヤ１２を介して入力側整合回路１３に接続されている。
【００２０】
開放端スタブ２５と電気長調整用線路２４の長さを調整することで、各トランジスタセル１１のゲート電極からみた２次高調波負荷を所望の値に調整することができる。例えば、動作周波数信号の波長λに対して、開放端スタブ２５の長さをλ／８、電気長調整用線路２４の長さをλ／８とした場合に、共振回路１７は２次高調波に対して開放負荷となるため、歪特性を改善することができる。
【００２１】
実施の形態６．
図１０は、本発明の実施の形態６に係る高周波電力増幅器を示す上面図であり、図１１はその回路図である。共振回路１７の内部構成以外は実施の形態１と同じである。
【００２２】
共振回路１７は、電気長調整用線路２４と短絡端スタブ２６とを有する。短絡端スタブ２６の一端は電気長調整用線路２４に接続され、短絡端スタブ２６の他端はキャパシタ２７を介して裏面グランドに接続したビアホール２８に接続されて短絡されている。電気長調整用線路２４は、ボンディングワイヤ１２を介して入力側整合回路１３に接続されている。
【００２３】
短絡端スタブ２６と電気長調整用線路２４の長さを調整することで、各トランジスタセル１１のゲート電極からみた２次高調波負荷を所望の値に調整することができる。例えば、動作周波数信号の波長λに対して、短絡端スタブ２６の長さをλ／４、電気長調整用線路２４の長さをλ／８とした場合に、共振回路１７は２次高調波に対して開放負荷となるため、歪特性を改善することができる。
【００２４】
実施の形態７．
図１２は、本発明の実施の形態７に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。各共振回路１７ａ〜１７ｆの共振周波数は、インダクタンス又は容量を変えることにより、２以上の異なる周波数に分けられている。ここでは、共振回路１７ａ，１７ｃ，１７ｅの共振周波数はｆａ，共振回路１７ｂ，１７ｄ，１７ｆの共振周波数はｆｂである。その他の構成は実施の形態１の構成と同じである。
【００２５】
図１３は、規格化周波数に対するＰＡＥの変化を示す図である。規格化周波数とは規格化された動作周波数であり、ＰＡＥとは電力付加効率である。動作周波数帯域は規格化周波数０．９〜１．１である。共振周波数ｆａの共振回路のみをトランジスタに装荷した場合、共振周波数ｆｂの共振回路のみをトランジスタに装荷した場合、共振周波数ｆａ，ｆｂの共振回路をセル数比１：１で混在させた場合（図１２の回路）の３つのケースについて計算を行った。
【００２６】
共振回路１７ａ〜１７ｆの共振周波数のみがＰＡＥに影響すると仮定すると、共振周波数ｆａ，ｆｂの共振回路を混在させた場合は、共振周波数ｆａ又はｆｂのみの共振回路を用いた場合と比較して、ＰＡＥが中間的な値をとる。このため、２つの共振周波数を適切に選択すれば、広い帯域で歪特性を改善することができる。
【００２７】
また、各共振回路１７の共振周波数の種類の数は、複数のトランジスタセル１１の数の約数であることが望ましい。これにより、トランジスタ全体の均一な動作を実現することができる。
【００２８】
また、図１４〜図１６は共振周波数の設定の例を示す図である。ここで、トランジスタの動作周波数の下限をｆ１、上限をｆ２とする。図１４では共振周波数ｆａ，ｆｂをそれぞれ２次高調波の下限２ｆ１近傍の周波数、２次高調波の上限２ｆ２近傍の周波数に設定している。図１５では共振周波数ｆａ，ｆｂをそれぞれ（３ｆ１＋ｆ２）／２近傍の周波数、（ｆ１＋３ｆ２）／２近傍の周波数に設定している。図１６では共振周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃをそれぞれ２ｆ１近傍の周波数、ｆ１＋ｆ２近傍の周波数、２ｆ２近傍の周波数に設定している。共振回路のＱ値を考慮した上で、より平坦な歪特性が得られる組み合わせを選択すればよい。
【００２９】
実施の形態８．
図１７は、本発明の実施の形態８に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。各共振回路１７に、共振回路１７の共振周波数ｆａとは異なる共振周波数ｆｂを持つ第２の共振回路２９をそれぞれ直列に接続している。その他の構成は実施の形態１と同じである。これにより、セル単位で歪特性を広帯域化することができる。
【００３０】
例えば、第２の共振回路２９が、トランジスタの動作周波数の３次以上の高調波の周波数又は３次以上の高調波の周波数を中心とした所定の範囲内で共振して、３次以上の高調波に対して高インピーダンス負荷又は開放負荷となるようにしても良い。
【００３１】
実施の形態９．
図１８は、本発明の実施の形態９に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。共振回路１７の内部構成以外は実施の形態１と同じである。
【００３２】
共振回路１７は、ボンディングワイヤ１９とＭＩＭキャパシタ２０以外にダイオード３０とＤＣ給電端子３１を有する。ダイオード３０は、ボンディングワイヤ１９に並列接続され、ＭＩＭキャパシタ２０に直列接続されている。ＤＣ給電端子３１は、ダイオード３０とＭＩＭキャパシタ２０の接続点に接続されている。外部からＤＣ給電端子３１にＤＣバイアスを印加することで、共振回路１７のキャパシタの容量を外部から調整し、共振周波数を調整することができる。なお、ボンディングワイヤ１９の長さを調整してインダクタンスを変えることで、共振周波数を調整してもよい。これにより素子作製後の共振周波数の調整が可能であるため、回路素子やパターンでキャパシタやインダクタを作るよりも有利である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。
【図８】本発明の実施の形態５に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。
【図９】本発明の実施の形態５に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態６に係る高周波電力増幅器を示す上面図である。
【図１１】本発明の実施の形態６に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。
【図１２】本発明の実施の形態７に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。
【図１３】規格化周波数に対するＰＡＥの変化を示す図である。
【図１４】共振周波数の設定の例を示す図である。
【図１５】共振周波数の設定の例を示す図である。
【図１６】共振周波数の設定の例を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態８に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。
【図１８】本発明の実施の形態９に係る高周波電力増幅器を示す回路図である。
【図１９】共振回路を入力側に設けた高周波電力増幅器の参考例を示す回路図である。
【図２０】共振回路を入力側に設けた高周波電力増幅器の参考例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１トランジスタセル
１３入力側整合回路
１７，１７ａ〜１７ｆ共振回路
１９ボンディングワイヤ（インダクタ）
１８，２２チップ
２０ＭＩＭキャパシタ（キャパシタ）
２１スパイラルインダクタ（インダクタ）
２４電気長調整用線路
２５開放端スタブ
２６短絡端スタブ
２９第２の共振回路

【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のトランジスタセルを電気的に並列接続したマルチフィンガー型のトランジスタと、
前記複数のトランジスタセルのゲート電極に接続された入力側整合回路と、
各トランジスタセルのゲート電極と前記入力側整合回路の間にそれぞれ接続された共振回路とを備え、
前記共振回路は、前記トランジスタの動作周波数の２次高調波の周波数又は２次高調波の周波数を中心とした所定の範囲内で共振して、２次高調波に対して高インピーダンス負荷又は開放負荷となることを特徴とする高周波電力増幅器。
【請求項２】
前記共振回路は、並列に接続されたインダクタとキャパシタを有することを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項３】
前記共振回路のインダクタはボンディングワイヤであることを特徴とする請求項２に記載の高周波電力増幅器。
【請求項４】
前記共振回路のインダクタはスパイラルインダクタであることを特徴とする請求項２に記載の高周波電力増幅器。
【請求項５】
前記共振回路のインダクタ及びキャパシタは、前記トランジスタと同一チップ上に形成されていることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の電力増幅器。
【請求項６】
前記共振回路のキャパシタは、前記トランジスタとは別のチップ上に形成されていることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の電力増幅器。
【請求項７】
前記共振回路は、
電気長調整用線路と、
前記電気長調整用線路に一端が接続され、他端が開放された開放端スタブとを有することを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項８】
前記共振回路は、
電気長調整用線路と、
前記電気長調整用線路に一端が接続され、他端が短絡された短絡端スタブとを有することを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項９】
各共振回路の共振周波数は２以上の異なる周波数に分かれることを特徴とする請求項１に記載の電力増幅器。
【請求項１０】
各共振回路の共振周波数の種類の数は、前記複数のトランジスタセルの数の約数であることを特徴とする請求項９に記載の電力増幅器。
【請求項１１】
各共振回路の共振周波数は、前記２次高調波の下限近傍の周波数と、前記２次高調波の上限近傍の周波数とに分かれることを特徴とする請求項９に記載の電力増幅器。
【請求項１２】
前記トランジスタの動作周波数の下限をｆ１、上限をｆ２とすると、
各共振回路の共振周波数は、（３ｆ１＋ｆ２）／２近傍の周波数と、（ｆ１＋３ｆ２）／２近傍の周波数とに分かれることを特徴とする請求項９に記載の電力増幅器。
【請求項１３】
前記トランジスタの動作周波数の下限をｆ１、上限をｆ２とすると、
各共振回路の共振周波数は、２ｆ１近傍の周波数と、ｆ１＋ｆ２近傍の周波数と、２ｆ２近傍の周波数とに分かれることを特徴とする請求項９に記載の電力増幅器。
【請求項１４】
各共振回路にそれぞれ直列に接続され、前記共振回路とは異なる共振周波数を持つ第２の共振回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項１５】
前記第２の共振回路は、前記トランジスタの動作周波数の３次以上の高調波の周波数又は３次以上の高調波の周波数を中心とした所定の範囲内で共振して、３次以上の高調波に対して高インピーダンス負荷又は開放負荷となることを特徴とする請求項１４に記載の高周波電力増幅器。
【請求項１６】
前記共振回路のキャパシタは、容量を外部から調整できることを特徴とする請求項２に記載の高周波電力増幅器。

【図１】