JPS5837139Y2 - 高周波高出力トランジスタ増幅器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は高周波高出力トランジスタ増幅器に関し、とく
にＵＨＦ帯のＩＣ化電力増幅器の構造に係る。

最近高周波高出力トランジスタの開発が進み、これを用
いて高周波電力装置の固体化が計られつつある。

例えば飽和出力２０Ｗ程度のトランジスタ増幅器を１０
数個結合し、出力数百ＷのＵＨＦＴＶサテライト局送信
装置の開発がすすめられつつある。

しかしながら一般に高周波高出力トランジスタの入力イ
ンピーダンス値は非常に小さく、広帯域整合回路の構成
が極めて困難である。

すなわち、インピーダンス抵抗成分は通常数Ｑ以下であ
るので、わずかのりアクタンス戊分ても回路のＱ値は大
きくなってしまい、その結果帯域幅が制限される欠点が
あった。

このような高出力トランジスタ増幅器にはインピーダン
ス変換比の大きな整合回路が必要であり、これを構成す
るには極めて低いインピーダンス線路あるいは極めて大
容量の素子を用いなければならない。

しかし、従来のいわゆるマイクロ波ＩＣ技術、すなわち
アルミナ基板を用いたマイクロストリップ線路とチップ
キャパシタを用いたノ飄イブリッドＩＣ技術では、上記
の回路を高周波的に良好に実現することは難かしかった
。

とくにＵＨＦ帯では、上記マイクロストリップ回路上の
波長は数１０ｃｍとなり実用的な大きさに小形化するに
は、部分により集中定数化が必要である。

しかし一方、従来の薄膜ＬＣ素子や高誘電率材料を積層
したチップキャパシタ素子では必要な素子値や高周波特
性を有しておらず、さらに高出力回路としては、特に回
路損失を少くして、回路の発熱を抑えるとともにトラン
ジスタ等のアクチブ素子の発熱を考慮して熱的に特性変
化の少いことが必須条件を満たすことができなかったた
めに実用的な高周波高出力トランジスタ増幅器を実現す
ることができなかった。

本考案の目的は以上に概略を述べたような問題点が解決
せしめ、電気的特性、また価格、信頼性等が大幅に改善
され実用に供し得る高周波高出力トランジスタ増幅器を
提供することにある。

本考案によれば接地導体に設けられたトランジスタと該
トランジスタに接続される少くとも１個以上の並列容量
あるいは少くとも１個以上の士波長インピーダンス変換
線路を含む入出力整合回路力ＸＣＬａ２Ｔｉ２Ｏ７〕ｙ
Ｃ３ｒ２Ｎｂ２０７〕ｚＣ８Ｍｇ２ＣＬＴｉ（２−＋Ｃ
Ｌ）Ｏ（＋−２（１ｃ）〕（ただしＸ＋ｙ＋ｚ＝１）の
組成でＯ＜ｘｉｌ、ｏ、ｏ＜ｙ＜ｏ、９．ｏ＊ｚ＜１．
ｏ、ｏ≦αり１゜０の範囲で作られた誘電体基板上にＩ
Ｃ化されてなることを特徴とする高周波高出力トランジ
スタ増幅器が得られる。

上記組成で作られた誘電体基板の実測特性の一例を第１
表に示す。

誘電率と誘電損失はＩＭＨｚの周波数で測定し、温度係
数は誘電率の値を一３０℃、０℃、＋２５℃、６０℃の
各温度で測定１２５℃における誘電率の値を基準として
求めた。

通常ＵＨＦ帯、マイクロ波帯においてもほぼ同一の特性
を示すと考えられる。

第２表は従来よく用いられていたアルミナとの特性を比
較を示したものである。

第１表から明らかなように本考案において用いられる誘
電体基板の特徴は組成全域にわたり高誘電率の特性が得
られる上ｔａｎδは１０．ｌＸ１０−４と小さく、また
温度係数も±５００ ｐｐｍ／’Ｃ以下となり、−３０
℃〜＋６０℃の環境下にあってもεｒの変化範囲は５％
以下で、この値がそのまま素子値の変化範囲であり実用
上支障の無い充分小さい値である。

考案の有効範囲はｙ≧０．９では温度変化が大きくなり
、またＺ ＝１．０では誘電率が小さい欠点があるため
、有効な高周波高出力トランジスタ増幅器用誘電体基板
の組成は０＜ ｘ ＜ １．０．０ ＜ｙ＜０．９．
Ｏ＜ Ｚ ＜１．０の範囲があることが望ましい。

したがって、本考案の高誘電率基板の基本的な組成はＬ
ａ２Ｔｉ２Ｏ７と５ｒ２Ｎｂ２０７とＭｇＴｉＯ３との
３種の複合相で構成されることを示す。

但し、ＭｇＴｉＯ３については、さらにαの範囲による
ＭｇＯとＴｉＯ２の組成比によって存在する相の割合が
異なることを意味し、例えば極端にα＝０の時はＴｉＯ
２だけとなり、α−１の時はＭｇＯだけとなることを示
している。

また、第１表中には、Ｎｏ、 ４．Ｎｏ、 ３２．Ｎｏ
、 ３３゜Ｎｏ、 ３４のように、限定した範囲外の組
成比の特性例も示しているが、εｒの温度係数が大きが
ったり（Ｎｏ、４）、εｒが小さがったり（Ｎｏ、 ３
４）する。

Ｎｏ、 ３２ 、 Ｎｏ、 ３３の組成の基板材料は二
成分の基板であり、他の二成分、三成分系の材料と比べ
て秀れた電気的性能が示されているが、基板材料として
の要件である機械的強度、例えば抗折力、吸水性、表面
粗さ等の問題で高周波用回路基板としては不適当である
。

４００ ＭＨｚにおける誘電率はスロットライン法で測
定したがほとんどＩＭＨｚの値と同じ値を示した。

つぎに本考案の原理と作用、効果について−実施例を示
す図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本考案の第１の実施例を示す図でａは平面図、
ｂはその等価回路である。

同図において接地導体上に設けられたＵＨＦ高出力トラ
ンジスタ１の前後の高誘電率基板（第１表の試料Ｎｏ、
５）２．２’上にそれぞれ入出力回路がＩＣ化されて
いて、それらは接地導体を兼ねたケース４中に収められ
、入出力コネクタ５，５′を有するＵＨＦ高出力トラン
ジスタ増幅器となっている。

入力側整合回路はＬｌ。Ｃ２による低域通過形回路にさ
らに士波長変成器Ｚ１および調整用容量Ｃ１が加わって
なり、出力側整合回路はＬ２． Ｃ３，Ｌ３． Ｃ４の
低域通過形回路によって構成されている。

他にＣ８はＤＣブロックあるいはＲＦ短絡用容量、Ｚｏ
は士波長チョーク線路、Ｔ Ｂ、 Ｔ ｃはベース、コ
レクタ端子、Ｅは接地端子である。

基板全体の裏面は接地導体となっていて、接地端子Ｅも
これに接続されている。

いはＵＨＦ帯２０Ｗ出力の米国ＣＴＣ社製のＣＴ １９
３３１−ランジスタを例に考えると、その人出力インピ
ーダンス抵抗成分は、それぞれ例えば１゜２５Ω、３．
３ 、、Ｑであり、これを６００ ＭＨｚ中心、比帯域
４０％程度で５０Ωに変換する第１図の整合回路の素子
値は、例えば次のようになる。

Ｌｔ＝０．５ｎＨｙＣｔ＝１３４ｐＦ、Ｚｔ＝１４０゜
Ｌｔ＝１．８８ｎＨ，Ｃｍ＝４３ｐＦ、Ｌｓ＝７−３ｎ
ＨＬ４ ＝１１．３ ｐＦ ここで容量Ｃ２，Ｃ３はＴｒとその前後のインダクタＬ
、、 Ｌ２とのＱ値を低くしたままインピーダンス変換
を行なうのに大容量値が必要である。

しかし通常用いるチップ型積層セラミックコンデンサー
、あるいは薄膜キャパシタでは、このように容量値が大
きい場合ＵＨＦ帯で自己共振を起こすので用いられない
。

とくに高出力用の場合、寸法的にＯ０数ｎＨの自己イン
ダクタンスは避けられない。

この点一方の電極がそのまま接地導体となる単板型キャ
パシタが最適であり、それで大容量を得るには、高誘電
率基板が適している。

第１図の基板２のように板厚をそれぞれ０．２５ｍｍと
すれば約１０ｍ２で約１００ ｐＦが得られる。

しかもこの容量用基板をそのままＩＣ基板としてＣ３゜
Ｃ４あるいはＣ１，Ｃ２と共に同一基板上にＩＣ化して
形成すれば、価格、工数の点で好都合である。

第１図においてはさらに士波長のインピーダンス変換線
路が用いられているが、広帯域化整合回路で、このよう
な変換器を使用する場合が多い。

第１図においてこの変換器はり、、Ｃ，によって約４Ω
になったＴｒ入力側インピーダンスを５０Ωに変換する
ために約１４Ωの特性インピーダンスが要求されるが、
この例のように高出力トランジスタ増幅器では極めて低
い特性インピーダンス線路が必要である。

今５〜２０Ｑの特性インピーダンス線路を従来のアルミ
ナ基板と、本発明における前述の高誘電率基板とで実現
する場合の線路幅を比較すれば、板厚をＱ、５ｍｍとし
たとき次のようになる。

したがって従来のアルミナ基板の場合１０〜２０ｍｍ角
の通常のＩＣ基板に１０．Ｑ程度の線路を用いることは
非常に難かしいことである。

さらにこの変換器は士波長の長さを必要とするが、ＵＨ
Ｆ帯の例えば６００ ＭＨｚを例にとったとき、その士
波長の長さはアルミナの場合５０ｍｍ、本考案による高
誘電率基板の場合２５ｍｍである。

したがってこの場合も、アルミナ基板を用い実用的な数
ｃｍの寸法内に増幅器を形成することは非常に難かしい
。

本考案による高誘電率基板を用いることにより、従来の
アルミナ系ＩＣ回路より約３〜１０倍の大容量と、キル
売の小面積の低インピーダンス線路を実現することがで
き、これによって寸法数ｃｍの実用的大きさで、容易で
かつ広帯域、高性能のＵＨＦ帯電力トランジスタ増幅器
が実現できる。

なお、前記第１の実施例においては、低域通過フィルタ
回路の直列インダクタＬ２．Ｌ３も高誘電率基板上に形
成しであるが、これは製作上容易であるが他方において
これらのインダクタは並列容量が大きく、分布定数線路
に近くなっているのでより小型化し、あるいはＱ値を上
げた集中定数インダクタとするには、接地に対するイン
ピーダンスをできるだけ上げる必要がある。

この点を改良した別の一実施例を次に示す。

第２図は本考案の第２の実施例を示す平面図である。

第２図において第１図と同一記号は同−構成要素を示す
。

また高周波高出力トランジスタ１の両側にそれぞれ三段
の低域通過形整合回路が形成され、増幅器が構成されて
いるが、その中で、高誘電率基板２，２′上には基板を
誘電体とする単板形容量２１．２２．２３および２１
’、２２’、２３’が形成され並列容量となっている。

高誘電率基板２，２′の見えない側の面全体は当然接地
面となっている。

而して本実施例においては、これらのキャパシタと基板
境界にて接続された直列インダクタが、別の誘電体基板
３および３′上に、３１，３２．３３あるいは３１’、
３２’。

３３′のように形成されている。

４は増幅器ケース、５゜５′は入出力コネクタ、６，６
′はＤＣブロックキャパシタ、７，７′はバイアス用チ
ョーク回路である。

本実施例においてキャパシタは第１の実施例と同様高誘
電率基板上に単に分離した電極をＩＣ技術で形成するだ
けで、極めて大容量で高周波に適したものを容易に得る
ことができる。

一方誘電体３，３′としてはアルミナ、石英等の従来が
ら用いられていたＩＣ用誘電体をそのまま用いれば、イ
ンダクタ線路のインピーダンスは充分大きくすることが
でき、高周波特性の優れたものとすることができる。

第３図は本考案の第３の実施例を示す図で、ａは平面図
、ｂはその一部の拡大斜視図である。

この実施例においても、前記各実施例同様高誘電率基板
２，２′上に並列容量２０．２０’が形成されているが
、これらに直列に挿入されるインダクタとしては、別の
チップ状誘電体上に形成されたチップ型インダクタ３０
．３０’が用いられている。

ｂ図はその拡大図で、チップインダクタはアルミナ等の
通常に誘電体基体３５ 、３５’等の上に３６ 、３６
’のような導体パターンに形成され、そのチップがその
まま容量電極２０上に乗せて接続される。

高誘電率基板の裏面の接地導体２９との間で大容量が得
られる。

また、インダクタ３６．３６’の不要並列容量は主にチ
ップの誘電体基体３５．３５’によって決められ、高周
波特性の優れたインダクタが得られ、小型かつ高性能の
高周波高出力トランジスタ増幅器が実現できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の第１の実施例を示す図で、ａは平面図
、ｂはその等価回路図である。 図において１はトランジスタ、２，２′は高誘電率電体
基板、４はケース、５．５’は入出力コネクタで゛あり
、Ｃ１，Ｃ２゜Ｃ３，Ｃ４は並列容量、Ｌｌ、 Ｌ２．
Ｌ３は直列容量、Ｚｌは士波長変換器、ｃｏはＤＣブ
ロック、ＲＦショート容量、Ｚｏはチョーク線路を示す
。 第２図は本考案の第２の実施例を示す平面図で、第１図
と同一構成要素は同一番号で示す。 ３，３′は別の誘電体基板、２１〜２３．２１’〜２３
′は並列容量、３１〜３３．３１’〜３３′は直列イン
ダクターである。 第３図は本考案の第３の実施例を示す図で、ａは平面図
、ｂは一部拡大斜視図である。 ２０〜２０′は並列容量、３０〜３０′はチップ型イン
ダクタ、３５．３５’はチップ状誘電体、３６．３６’
はインダクタ導体を示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 平板状接地導体に設けられたトランジスタと、Ｘ（Ｌａ
   ２Ｔ１２０７） ’ｌ Ｃ３ｒ２Ｎｂ２０７：］ Ｚ
   （’ｚ Ｍｇ２ａＴｌ （２−２１１）ＯＣ＋−２ｇ）
   〕（ただしＸ＋Ｖ＋Ｚ＝１）の組成で０≦ｘ＜１．０．
   ０≦Ｖ＜０．９．０≦ｚ＜１．０．０≦α＜１．０の範
   囲で作られ、かつ比誘電率（εｒ）が２８以上、該比誘
   電率の温度係数範囲が±５００ ｐｐｍ／’ｃ以下の誘
   電体基板と前記トランジスタに接続される少なくとも１
   個以上の、前記誘電体基板を挾む並列単板キャパシタ素
   子と、士波長インピーダンス変換回路とが前記誘電体基
   板上にＩＣ化され、かつ前記接地導体上に設けられたＩ
   Ｃ化入出力整合回路とが一体化されてなることを特徴と
   する高周波高出力トランジスタ増幅器。