JPS6041741Y2 - 高周波トランジスタ電力増幅器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は高周波トランジスタ電力増幅器に関しとくにＬ
ＪＨＦ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
いて高周波電力増幅器のＩＣ化が計られつつある。

例えば移動通信装置車載用として５００Ｍ Ｈｚ帯で出
力１６Ｗ程度の小形、安価なＩＣ化トランジスタ電力増
幅器の開発が進められつつある。

高周波トランジスタ電力増幅器においてはトランジスタ
の入力および出力インピーダンスが外部回路のインピー
ダンス（通常は５０Ω）と異なるため、外部回路とトラ
ンジスタとの間に整合回路を設けて整合をとることによ
り最良な利得を得るように構成されている。

一般に高周波高出力トランジスタの入出力インピーダン
スは非常に小さいので、これを用いて電力増幅器を構成
するにはインピーダンス変換比の大きな整合回路が必要
となる。

これを実現するには極めて大きな並列容量あるいは小さ
い特性インピーダンスで電気長が約１！皺長の伝送線路
を用いなければならない。

しかしながら従来のマイクロ波ＩＣ技術すなわちアルミ
ナ基板を用いたハイブリッドＩＣ技術では上記の回路を
良好に実現することは難かしかった。

第１図は従来の高周波トランジスタ電力増幅器の一例を
示す図でありａは平面図、ｂはその等価回路図である。

同図において接地導体１上に設けられたＵＨＦＨＦ山高
出力トランジスタ２後のアルミナ基板３，４上にそれぞ
れ入出力回路がＩＣ化されそれらは接地導体を兼ねたケ
ース５中に収められ、入出力コネクタ６，７およびバイ
アス印加端子８を有するＵＨＦ帯トランジスタ電力増幅
器をなっている。

入力側整合回路はチップキャパシタ９，１０およびスト
リップ線路１１より戊る。

他に１２はＤＣブロック用のチップキャパシタ、１３は
ＲＦチョーク用のスパイラルインダクタ、１４，１５．
１６は基板上に設けられた接地端子である。

出力側整合回路はチップキャパシタ１７．１８およびス
トリップ線路１９より戊る。

他に２０はＤＣブロック用のチップキャパシタ、２１は
ＲＦチョーク用のスパイラルインダクタ、２２はＲＦバ
イパス用のチップキャパシタ、２３．２４．２５は基板
上に設けられた接地端子である。

基板３および４の裏面全体は接地導体となっていて接地
端子１４，１５，１６および２３゜２４．２５はこれに
接続されている。

いまＵＨＦ帯で１６Ｗ出力の日本電気社製２３Ｃ２０８
３）ランジスタを例に考えると、周波数５００ＭＨｚで
入力インピーダンスは１．５＋ｊ６．５Ω、出力インピ
ーダンスは６．３＋ｊ２．ＯΩである。

これを外部回路のインピーダンス５０Ωに変換する場合
、第１図の整合回路の素子値は一例として次のようにな
る。

入力側回路：キャパシタ９ ＝７．００ｐＦ、キャパシ
タ１０＝３８．２ｐＦ、ストリップ線路１１＝５０Ω１
０．０４７波長、キャパシタ１２ ＝ ６３．７ｐＦ以
上、インダクタ１３＝ ２１．２ｎＨ以上 出力側回路：キャパシタ１７＝１４．６ｐＦ、キャパシ
タ１８＝ １４．０ｐＦ、ストリップ線路１９＝５０Ω
１０．０５７波長、キャパシタ２０ ＝ ６３．７ｐＦ
以上、インダクタ２１＝２１．ＯｎＨ以上、キャパシタ
２２ ＝ ４８２ｐＦ以上。

ところが第１図の従来の構成では良好な特性を実現する
のは難かしかった。

その理由の１つにチップキャパシタの使用がある。

上記素子値の例で明らかなようにチップキャパシタとし
ては１０ｐＦ程度以上の容量値が必要であるが、容量値
がこの程度に大きくなるとチップキャパシタはＵＨＦ帯
では正規な静電容量としては動作しなくなる。

例えば１００ｐＦのチップキャパシタは２００ＭＨｚ程
度から電極のインピーダンスが影響を及ぼし始め約５０
０ＭＨｚで自己共振を起す。

また１０ｐＦのチップキャパシタでは５００ＭＨｚ程度
から電極のインピーダンスが影響を及ぼし始め、約１５
００ＭＨｚで自己共振を起す。

第１図の回路においてキャパシタ１２，２０および２２
はＤＣブロックあるいはＲＦバイパス用であるからキャ
パシタが正規の静電容量として動作しなくなり、等価的
な容量値が若干変化しても特性には余り影響しないが、
キャパシタ９，１０゜１７および１８はインピーダンス
変換用であるため正確な容量値が要求される。

ところが上記数値例から明らかなようにこれらのキャパ
シタはＵＨＦ帯では必ずしも正確な容量値を期待し難い
。

そのため従来の増幅器においては試行錯誤による調整を
繰り返して所望の特性に近づける必要があった。

さらに従来の増幅器では第１図の例でいえば７個のチッ
プキャパシタと２個のスパイラルインダクタを必要とし
た。

チップキャパシタでは端子の半田付が必要であり、スパ
イラルインダクタでは端子のワイヤボンディングが必要
である。

半田付やワイヤボンディングは加工工数を増加し、また
信頼性を低下させる。

そのため従来の増幅器は価格や信頼性の点でも充分なも
のとは言い難かった。

本考案の目的は以上に述べたような問題点を解決せしめ
、電気的特性、価格および信頼性が大幅に改善され、実
用に供し得る高周波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ＭｅをＳｒ、 Ｍｇ、 ＣａまたはＺｎ
の内のいずれか一種の金属元素とするとき、Ｐｂ５−ｙ
Ｍｅｙ（Ｎｂ１−ｘＴａｘ）４０□５の組成で０＜ｘ＜
１．０．０＜ｙ＜０．６の範囲の組成物を誘電体基板と
し、該誘電体基板上にトランジスタが設けられ、かつ該
トランジスタに接続される少なくとも１個以上の並列容
量あるいは少なくとも１個以上の１７皺長伝送線路を含
む入出力回路あるいは段間整合回路が前記誘電体基板上
に構成される分布定数回路によりＩＣ化されてなること
を特徴とする高周波トランジスタ電力増幅器が得られる
。

前記本考案に用いられる誘電体基板の誘電特性の一例を
円板状試料を用いてＬバンドで測定した場合を第１表に
示す。

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
基板の特徴は全域にわたり高誘電率でＱＯが大きく優れ
た材料である。

本考案の有効さを考慮するとξｒ≧８０が好ましくその
ためにはＰ屈−ｙＭｅｙ（Ｎｂ１−ＸＴａＸ）、Ｏ１５
ノ組成物テ０ ＜ ｘ ＜ｉ、ｏ、 Ｏ＜ｙ＜０．６
の組成範囲が有効である。

つぎに上記誘電体基板の製法について述べる。

原料としテハＰｂＯ９Ｎｂ２０５．Ｔａ２０５およびＯ
＜ｙの場合はＳｒＣＯ３，ＭｇＣＯ３，ＣａＣＯ３ある
いはＺｎＯの粉末を用いる。

これらの原料粉末をＰＩ３−ｙＭｅｙ（Ｎｂ＋ −ｘＴ
ａｘ ）４０１５の組成で０ ＜ ｘ ＜ １．０．０
＜ ｙ ＜０．６の範囲の所望値になるよう秤量し、
樹脂製ボールミルポットにてエタノールを分散媒として
湿式混合し、濾過乾燥後に１０００’Ｃで２時間仮焼す
る。

これにポリビニルバインダーを加えて１、□ｔｏｎ／ｃ
ｒＡの圧力で圧縮成形後１１５０°Ｃ〜１２５０°Ｃで
焼成を大気中で行なう。

このようにして得た焼結体を所用寸法にスライスおよび
新暦することにより所望の誘電体基板が得られる。

またこれらの材料組成物の他の添加物を加え或いは置換
しても誘導率が８０以上でＱＯが導体損失より極端に小
さくない限り有効である。

つぎに本考案の原理と作用・効果について図面を用いて
詳細に説明する。

第２図は本考案の第１の実施例を示す図でありａは平面
図、ｂはその等価回路図である。

同図において接地導体３１上に設けられたＬＪＨＦ帯高
出カトランジスタ３２の前後の高誘電率基板３３゜３４
上にそれぞれ入出力回路がＩＣ化されそれらは接地導体
を兼ねたケース３５中に収められ、入出力コネクタ３６
．３７およびバイアス印加端子３８を有するＩＪＨＦ帯
トランジスタ電力増幅器となっている。

入力側整合回路はストリップ線路による開放スタブ２９
，４０およびストリップ線路４１より威る。

他に４２はＤＣブロック用のチップキャパシタ、４３は
ＲＦチョーク用のストリップ線路による短絡スタブ、４
６は基板上に設けられた接地端子である。

出力側整合回路はストリップ線路による開放スタブ４７
，４８およびストリップ線路４９より成る。

他に５０はＤＣブロック用のチップキャパシタ、５１は
ＲＦチョーク用のストリップ線路によるＲＦ短絡スタブ
、５２はＲＦバイパス用のチップキャパシタ、５５は基
板上に設けられた接地端子である。

基板３３および３４の裏面全体は接地導体となっていて
接地端子４６および５５はこれに接続されている。

使用トランジスタを前述の２８Ｃ２０８３とすれば第２
図の整合回路の端子値は一例として次のようになる。

入力側回路：開放スタブ３９＝２０Ω／ ０．０３２波
長、開放スタブ４０＝ １０Ω１０．１２５ａ長、スト
リップ線路４１ ＝ ２０Ω／ ０．１０６波長、キャ
パシタ４２＝６３．７ｐＦ以上、短絡スタブ４３＝２０
Ω以上１０．２皺長出力側回路：開放スタブ４７ ＝
２０Ω１０・０５波長、開放スタブ４８＝１５Ω／ ０
．１０皺長、ストリップ線路４９＝２０Ω１０．１８２
波長、キャパシタ５０＝６３．７ｐＦ以上、ＲＦ短絡ス
タブ５１ ＝ ２０Ω以上１０．２５波長、キャパシタ
５２＝ ４８２ｐＦ以上本考案によればチップキャパシ
タはＤＣブロック用４２．５０およびＲＦバイパス用５
２にしか使用しない。

前述したようにこれらのキャパシタの容量値は若干変化
しても電気的特性には重大な影響を与えない。

良く知られているように開放スタブは集中定数素子の並
列容量と等価で、両者には（１）式の関係が戊り立つ。

抽ｎ２？ｒ１ ｃ＝２．ｆ４（１） ただしＣは並列容量、ｆは周波数、４はスタブの特性イ
ンピーダンス、１は波長単位で前述されたスタブの長さ
である。

（１）式を用いて本数値例における開放スタブの等価並
列容量を計算すると次のようになる。

開放スタブ３９ ＝ ３．２４ｐＦ 、開放スタブ４０
＝３１．８ｐＦ。

開放スタブ４７ ＝ ６．３０ｐＦ 、開放スタブ４８
＝１６．０ｐＦ もしこれらの並列容量をチップキャパシタで実現したと
すれば電極のインピーダンスの影響で正確な容量値が期
待できない。

ところが本考案ではストリップ線路による開放スタブで
並列容量を実現しているので設計通りの容量値が得られ
、良好な電気的特性の増幅器を提供できる。

いま５〜２０Ωの特性インピーダンスを持つストリップ
線路の線路幅を従来のアルミナ基板上と本考案における
前述の高誘電率基板上に実現した場合を比較してみると
基板厚をＩＴＩｒ！ｎとしてとき次のようになる。

また、周波数５００ＭＨｚにおける０、１波長の線路長
はアルミナ基板では２４ｒｒｒｍなのに対し、本考案に
おける基板では６．５Ｗ７１となる。

（１）式から明らかなように大きな並例容量を得るため
にはスタブの特性インピーダンス乙は低いほどよく、ま
たスタブの長さ１は１≦０．２皺長の範囲（通常はこの
範囲で使用する）では長いほどよい。

したがって従来のアルミナ基板を使用して１０ｐＦ程度
以上の並列容量を開放スタブで実現すると線路幅、線路
長ともに非常に大きなものとなり、１０〜２０ｒｒｒＩ
ｎ角の通常のＩＣ基板上では実現不可能となる。

これに対して本考案における高誘電率基板ではｔｏｏｐ
Ｆ’程度まではまったく問題ない大きさで実現できる。

さらに本考案ではＲＦチョーク用として１ハ波長（０，
２皺長）の短絡スタブが使用できる。

１／＃長短絡スタブはスタブを見込んだインピーダンス
が無限大となるため理想的なＲＦチョークとなる。

ところが従来のアルミナ基板では周波数５００ＭＨｚに
おける１７４波長は６０ｍｍの長さになり通常のＩＣ基
板上では長すぎて実現不可能であった。

以上の説明から明らかなように本考案の増幅器は従来の
増幅器（第１図の例）に較でチップキャパシタを４個減
少させ、スパイラルインダクタをすべて取除くことがで
きる。

前述したようにチップキャパシタを基板に搭載するには
半田付が必要でありスパイラルインダクタにはワイヤボ
デイングが必要である。

したがって本考案の増幅器の製作では半田付の工数を半
減し、ワイヤボンディングの工数は不要である。

そのため価格や信頼性の点でも従来の増幅器に較べ大幅
に優れている。

このように本考案に増幅器ではインピーダンス変換用の
並列容量を開放スタブで、ＲＦチョーク１１皺長短絡ス
タブで実現できるため電気的特性が良好でしかも低価格
、高信頼性の増幅器を得ることができる。

前記第１の実施例においてはインピーダンス変換を並列
容量を使用して行なったが１／４波長伝送線路を使用し
てインピーダンス変換を行なうこともできる。

この例を本考案の第２の実施例として次に示す。

第３図は本考案の第２の実施例を示す図でありａは平面
図、ｂはその等価回路図である。

第３図においては第２図と同−構成要素は同一番号で示
されている。

第３図に示す実施例では入力側整合回路のインピーダン
ス変換はストリップ線路６１で、出力側は６２で行なっ
ている。

これらインピーダンス変換用ストリップ線路の素子値は
トランジスタ２３Ｃ２０８３の場合法のようになる。

ストリップ線路６１＝５．５Ω１０．１１１波長、スト
リップ線路６２＝ １７．８Ω１０．２２皺長本実施例
のように並列容量を使用せず、伝送線路のみでインピー
ダンス変換を実施する場合、この伝送線路を通常１ハ波
長インピーダンス変換線路と称するが上記数値列からも
明らかなように必ずしも１７４波長（０，２ＥＭ長）に
はなっていない。

これは変換すべきインピーダンスに虚数部分（リアクタ
ンス成分）があるためで、もし実数部分しかなければ（
すなわち純抵抗を純抵抗に変換するインピーダンス変換
なら）正確にｌへ波長となる。

したがって以下インピーダンス変換用の伝送線路を長さ
が必ずしも１ハ波長でなくても１１皺長インピーダンス
変換線路と呼ぶことにする。

１ハ波長インピーダンス変換線路には通常極めて低い値
の特性インピーダンスが要求される。

これは高周波高出力トランジスタの入出力インピーダン
スが非常に小さいためである。

本実施例のようにトランジスタインピーダンスの虚数部
分が実数部分に比較して無視できない場合、変換線路の
特性インピーダンスの算出は複雑になるのでここには記
述しないが、虚数部分の無い場合には特性インピーダン
スはトランジスタインピーダンス（抵抗）と外部回路イ
ンピーダンス（抵抗、通常は５０Ω）の相乗平均となる
。

このように特性インピーダンスの低いストリップ線路を
従来のアルミナ基板上に実現しようとすると、前述の記
載から明らかなように線路幅が極めて大きくなる。

また線路長もアルミナ基板上では極めて長くなるため、
１１４ｔｌ長インピーダンス変換線路による電力増幅器
のＩＣ化も従来のアルミナ基板を使用したのでは実現不
可能であった。

これに対して本考案においては前述の高誘電率基板を使
用しているので実用的な大きさの範囲で容易に１八波長
インピーダンス変換線路を実現することが可能である。

ＵＨＦ帯の電力増幅器ではトランジスタを２個以上使用
して多段化する場合がしばしばある。

多段化した場合の例を本考案の第３の実施例として次に
示す。

第４図は本考案の第３の実施例を示す図でありａは平面
図、ｂはその等価回路図である。

第４図において入力整合回路７１および出力整合回路７
２は１１７＠長インピ一ダンス変換回路を使用した整合
回路であり、第３図に示した本考案の第２の実施例の入
出力整合回路と基本的に変るところがないので説明を省
略する。

入力段トランジスタ７３の出力インピーダンスと出力段
トランジスタ７４の入力インピーダンスを整合させる段
間整合回路は開放スタブによるインピーダンス変換回路
である。

一般に高周波高出力トランジスタの入出力インピーダン
スは共に低いため段間整合回路は入出力整合回路以上に
低い特性インピーダンスのストリップ線路が必要となる
。

例えば入力段トランジスタ７３に日本電気社製２３Ｃ２
０８２を使用し、出力段トランジスタ７４には前述の２
３Ｃ２０８３を使用した場合、２３Ｃ２０８２の出力イ
ンピーダンス７．０＋ｊ２．５Ω（周波数５００ＭＨｚ
）と２３Ｃ２０８３の入力インピーダンス１．５＋ｊ６
．５０を整合させることになる。

整合回路の素子値は次のようになる。

開放スタブ７５＝２０Ω１０．０１波長＝ｔ、ｏｐＦ’
、開放スタフ’７６＝ １０ｆ１１０．１６＃長＝５３
．１ｐＦ、 ス） ＩＪ ツブ線路７７＝１５Ω１０．
１５皺長 このように低特性インピーダンスで実効長の長いストリ
ップ線路は従来のアルミナ基板では実現できないことは
今までの説明で理解できるものと思う。

以上図を用いて詳細に説明したように本考案によれば電
気的特性が良好で安価、高信頼性の高周波トランジスタ
電力増幅器を得ることができる。

そのため本考案の増幅器を単独で使用する場合はもとよ
り、多数個使用して電力合成をするような各種高周波大
電力装置に使用して極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高周波トランジスタ電力増幅器の一例を
示す図でありａは平面図、ｂはその等価回路図である。 図において１は接地導体、２はトランジスタ、３，４は
アルミナ基板、５はケース、６，７は入出力コネクタ、
８はバイアス端子、９，１０，１２，１７，１８，２０
および２２はチップキャパシタ、１１．１９はストリッ
プ線路、１３．２１はスパイラルインダクタ、１４．１
５，１６，２３，２４および２５は接地端子である。 第２図は本考案の第１の実施例を示す図でありａは平面
図、ｂはその等価回路図である。 図において３１は接地導体、３２はトランジスタ、３３
．３４は高誘電率基板、３５はケース、３６゜３７は入
出力コネクタ、３８はバイアス端子、３９．４０，４７
および４８は開放スタブ、４１゜４９はストリップ線路
、４２，５０および５２はチップキャパシタ、４３，５
１は短絡スタブ、４６．５５は接地端子である。 第３図は本考案の第２の実施例を示す図でありａは平面
図、ｂはその等価回路図で、第２図に示す第１の実施例
と同−構成要素は同一番号で示す。 ６１，６２は１ハ波長インピーダンス変換線路である。 第４図は本考案の第３の実施例を示す図でありａは平面
図、ｂはその等価回路図である。 同図において、７１．７２は入出力整合回路、７３，７
４はトランジスタ、７５，７６は開放スタブ、７７はス
トリップ線路である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. ＭｅをＳｒ、 Ｍｇ、 ＣａまたはＺｎの内のいずれか
   一種の金属元素とするとき、Ｐｂ５− ｙＭｅｙ（Ｎｂ
   １−ＸＴａｘ）４０１５の組成で０ ＜ ｘ ＜ １．
   ０．０ ＜ ｙ ＜０．６の範囲の組成物を誘電体基板
   とし、該誘電体基板上にトランジスタが設けられ、かつ
   該トランジスタに接続される少なくとも１個以上の並列
   容量あるいは少なくとも１個以上の１八波長伝送線路を
   含む入出力回路あるいは段間整合回路が前記誘電体基板
   上に構成される分布定数回路によりＩＣ化されてなるこ
   とを特徴とする高周波トランジスタ電力増幅器。