JP2005217753A - 増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】所要の高周波領域において、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）に適用可能とする一方で、増幅されて出力する高周波信号の雑音が少なく、且つ安定性があり、また高利得の高周波出力信号が得られる増幅器を得ること。
【解決手段】増幅器１０は、入出力端子１９，２０間に接続される半導体１５と、この入力端子１９と半導体１５のゲート端子１５ｃ側との間に直列に接続される共振回路１３と、この共振回路１３に並列に接続される第１の抵抗（Ｒ１）１４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、増幅器に係り、特にＦＥＴ（Field-effect Transistor）等の高周波出力の半導体を使用したマイクロ波帯増幅器の改良に関する。

従来、増幅器は、所要の周波数帯域での出力電力特性、利得特性、雑音特性等が損なわれないように最適化設計を行なう。

その上、全周波数帯域において、増幅器の安定化指数Ｋファクタ（K-factor）が１以上になるように安定化しなければならない。

この種の増幅器として、特開平１０−２０９７６９号公報（特許文献１参照）に開示されたものがある。

この増幅器によれば、図６に示すように、入力端子側に接続される入力回路１側および出力端子側に接続される出力回路２側との間に、増幅器３が接続されている。増幅器３は、ＲＣ並列回路４およびこのＲＣ並列回路４に接続されるＦＥＴ等の半導体５とを備えている。ＲＣ並列回路４は、抵抗（Ｒ）４ａおよびこの抵抗４ａと並列接続されるコンデンサ４ｂとを備えている。半導体５は、出力回路２側へ接続されるドレイン５ａと、接地されるソース５ｂおよびＲＣ並列回路４側へ接続されるゲート５ｃとから構成される。

この構成によれば、半導体５のゲート５ｃにＲＣ並列回路４を直列に挿入することにより、所要の周波数帯から低い周波数にかけて増幅器３のＫファクタ改善することができる。

また他方で、この増幅器３の安定化回路４は、図７に示すように、２〜数ＧＨｚにおいて通過ロスｘが少ない。

従って、増幅器３は広帯域で適用可能なものとなる。
特開平１０−２０９７６９号公報（第１頁左欄の［要約］および［解決手段］の項および図１）

しかしながら、従来の増幅器３によれば、ＲＣ並列回路４の抵抗（Ｒ）４ａの作用として、図７に示すように、広帯域（例えば２〜数ＧＨｚ）に使用可能であるが、使用帯域では、ｘ分のロス（低下）が生じていた。

その上で、低周波領域では、抵抗４ａの抵抗ロスにより、安定化指数が改善されるが、高周波領域ではコンデンサ４ｂによる作用が支配的で抵抗４ａによる
安定化効果が表れない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、使用周波数である高周波領域において、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）に適用可能とする一方で、使用する周波数を調整可能として、この適用する高周波の入力信号振幅比が所定比率分ロスｘを低減させ、安定化指数の改善を行い、且つ雑音指数を損なわない、使用目的にあった効率的な増幅器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、入出力端子間に接続される半導体と、この入力端子と半導体のゲート側との間に直列に接続される共振回路と、この共振回路に並列に接続される第１の抵抗とを具備したことを特徴とする増幅器を提供する。

共振回路を追加することにより、安定化回路が構成されて、使用周波数での通過損失を少なくすることができる。この安定化回路の採用により、雑音指数を損なわない安定化した増幅器を提供することができる。

本発明にかかる増幅器の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態おける増幅器１０の概要を示す図である。

図１に示す増幅器１０は、高周波信号を入力する入力端子１１側および同様に高周波信号を出力する出力端子１２側との間に、共振回路１３およびこの共振回路１３に並列接続した抵抗（Ｒ１）（以下、第１の抵抗という。）１４と、ＦＥＴ（Filed Effect Transistor）の一種であるＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等の高周波用の半導体１５とを直列接続して構成される。

共振回路１３は、コイル（Ｌ）１６およびこのコイル（Ｌ）１６と直列接続されるコンデンサ（Ｃ）１７とを備えている。この共振回路１３は、入力端子１１側から入力される信号の周波数が共振回路１３の共振周波数である場合には、安定化回路Ａのインピーダンス値が０である。

従って、共振回路１３は、良好なフィルタ効果が得られる。

また、第１の抵抗（Ｒ１）１４は、不要な発信を引き起こす原因となるマイクロ波成分を吸収する働きがあり、これによって、逆方向利得（アイソレーション）を吸収するため、安定化効果を発揮する。同時に通過損失も大きく通常のＬＮＡ等の増幅器に使用するには不向きである。

半導体１５は、出力端子１２側に接続されるドレイン端子１５ａと、接地されるソース端子１５ｂおよび共振回路１３と第１の抵抗（Ｒ１）１４の並列回路側へ接続されるゲート端子１５ｃとから構成される。

次に、増幅器１０の作用について図１〜図３を参照して説明する。

安定化回路Ａは、抵抗（Ｒ１）１４により広い範囲の周波数で増幅器を安定化する。一方、使用周波数において、例えば２ＧＨｚおいては、安定化回路Ａの共振回路１３が共振し、図２に示すように、通過損失ｌがほぼ０となる。

安定化回路Ａにより安定化した結果、Ｋファクタに関しては、図３（ａ）にデータを示すように、高周波信号の周波数が、例えば５〜２０ＧＨｚの周波数帯では、Ｋファクタの周波数の変化曲線ｙに示されるように、Ｋファクタは高いレベルを示している。また、１〜５ＧＨｚ帯では低レベルであるもののＫファクタ１以上を維持している。

２０ＧＨｚ以上の周波数では、ＦＥＴ自体の利得が低下するため、回路は安定し、Ｋファクタは大きな値となる。このＫファクタは、増幅回路の安定性を示す指標として一般的に用いられるもので、安定動作のためには全ての周波数領域で１以上であることが求められる。

すなわち、Ｋファクタ＞１の時、無条件安定であり、増幅器の入出力端子に如何なるインピーダンスの機器が接続されても発振を起こさないということである。

Ｋファクタ＜１の時は、条件付き安定であり、増幅器の入出力端子に接続される機器のインピーダンスにより発振等の回路的な不安定を生ずる可能性があることを示している。

なお、図３に示されるデータは、２ＧＨｚの低雑音増幅器を想定し、安定化回路Ａを挿入した場合と、しない場合の特性を２０ＧＨｚまでシミュレーションして比較したものである。

安定化回路Ａの素子値は、共振回路１３のコイル（Ｌ）１６の容量を３ｎＨ（ナノヘンリー）、コンデンサ（Ｃ）１７の容量を２ｐＦ（ピコファラット）、第１の抵抗（ｒ１）１４の抵抗値を２００Ω（オーム）として計算した。

増幅器１０のＫファクタは、安定化回路Ａを挿入することで、図３（ａ）のデータに示されるように、使用周波数以外の周波数において効率よく改善される。また、ＮＦ（雑音指数）に関しては、安定化回路Ａを挿入しても、使用周波数の２ＧＨｚにおいては、図３（ｂ）に示すように、安定化回路Ａの挿入前のＮＦ値を示す曲線ｚ１と、安定化回路Ａの挿入後のＮＦ値を示す曲線ｚ２とを比較して、殆んど差はなく、劣化しないことが分かる。

なお、図３（ｂ）に示されるデータは、図３（ａ）のデータと同条件（周波数１〜５ＧＨｚ）により得られたデータである。

更に、Ｓパラメータ（散乱行列）に関しては、図３（ｃ）にデータを示すように、例えば２ＧＨｚの周波数帯においては、入出力反射特性ｓ１１，ｓ２２の劣化が生じないことが分かる。また、その時の利得ｓ２１が向上していることが分かる。

なお、図３（ｃ）に示されるデータは、図３（ａ）のデータと同条件（周波数１〜５ＧＨｚ）により得られたデータである。

また、共振回路１３は、そのコイル（Ｌ）１６，コンデンサ（Ｃ）１７の共振周波数を、増幅器１０の使用周波数にに合わせて、適宜に所望値に設定する。

第１の抵抗（Ｒ１）１４の抵抗値は、全周波数において、Ｋファクタが良好となるように調整する。また、この高周波信号の所要の周波数を、例えば２ＧＨｚ程度とすると、入力端子１９側から入力した高周波信号は、Ｋファクタ、ＮＦおよびＳパラメータの各特性の細かい調整を前以て行い、出力回路側へ供給することができる。

すなわち、使用する高周波信号として、例えば２ＧＨｚ帯のものを用い、ドレイン端子１５ａ側からこの２ＧＨｚ帯の高周波入力信号を増幅して、出力端子１２側から、出力回路側へ出力させることができる。

従って、今回の安定化回路Ａを増幅素子の入力側に挿入することで、広い周波数範囲において、効果的に安定化が行なえる上、使用周波数においては、安定化回路Ａの挿入損失を小さくすることができる。

増幅器１０によれば、ＬＣ直列共振回路１３を追加したことにより、安定化回路Ａが構成されて、使用周波数での通過損失を小さくすることができる。この安定化回路Ａの採用により、雑音指数を伴なわない安定化した性能が得られる。

例えば、これをＬＮＡ等の増幅器に適用する場合、効果的に安定化が行なえると同時に雑音指数の劣化が生じない。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

この第２の実施形態における増幅器２１を、第１の実施形態を示す図１と同一部分に同一符号を附した図４を参照して説明する。

増幅器２１は、第１の実施形態における増幅器１０の共振回路１３に第２の抵抗（Ｒ２）２２を直列接続した構成である。

共振回路１３に直列に第２の抵抗（Ｒ２）２２を接続することにより、入力端子１９側から入力する高周波出力信号を所要の周波数帯域内の安定化作用が得られるものである。また、このように共振回路１３に第２の抵抗（Ｒ２）２２を直列接続したことにより、Ｋファクタを積極的に１以上にする作用が得られるものである。

従って、共振回路１３と第２の抵抗（Ｒ２）２２の直列回路により扱われる所要の周波数帯域以外に比較的広範囲の周波数帯域までカバーしつつ効率的にフィルタ効果を発揮させることができる。

更に、共振回路１３と第２の抵抗（Ｒ２）２２の直列回路は、入力端子１９側から入力する高周波出力信号成分に幾分のロス（信号出力の減衰）を生ぜしめるが、出力回路１２側の受信装置側の信号受信性能次第によって対応が可能である。

すなわち、入力端子１９と図示しない出力回路１２側の出力端子２０におけるインピーダンスを、例えば５０Ω程度とし、入力端子１９の前段の図示しない入力回路１１と出力回路１２により半導体１５の入力および出力インピーダンスの整合を取ることができる。例えば、入力回路１１の前段にアイソレータまたはアンテナ（図示せず）を直接接続する。

その他の構成は、第１の実施形態の構成と同様であるので説明を省略する。

次に、増幅器２１の作用について図４および図５を参照して説明する。

入力端子１９側から入力される高周波電力は、共振回路１３と第２の抵抗（Ｒ２）２２の直列回路に並列に第１の抵抗（Ｒ１）１４を接続することにより、より一層帯域内での高周波出力信号の安定化が得られる。

すなわち、第２の抵抗（Ｒ２）２２を共振回路１３に直列に接続することにより、中心周波数帯域において、その抵抗値により若干の信号出力ロスが生じるが、その抵抗値を可変することにより、中心周波数帯域内での出力安定化と相俟って中心帯域幅の選択制御が可能となる。また、Ｋファクタについても、１程度以上の特性が得られる。

すなわち、共振回路１３と第２の抵抗（Ｒ２）２２の直列回路を設けたことにより、図５に示すように、入出力する高周波信号の振幅比（Vout/Vin）のＧＨｚ帯で頂点の１．０よりやや低下するが、０．５〜２．０ＧＨｚの範囲の周波数帯域幅くらいまでの広がりを示す。従って、Ｋファクタ，ＮＦ，Ｓパラメータの各特性に比べて、より広い帯域で類似した特性を示す。

また、共振回路１３は、そのコイル（Ｌ）１６，コンデンサ（Ｃ）１７および第１の抵抗（Ｒ１）１４のそれぞれを、入力する高周波電力の高周波数に合わせて、適宜に所望値に設定することにより、良好なフィルタ効果が得られるように前以て調整させることができる。

また、この所要の高周波数の調整により、例えば２ＧＨｚ程度とすると、入力端子１９側から入力した高周波信号は、Ｋファクタ、ＮＦおよびＳパラメータの各特性の細かい調整を行い、出力回路１２側へ供給することができる。

すなわち、使用する高周波入力信号として、例えば２ＧＨｚ帯のものを用い、ドレイン端子１５ａ側からこの２ＧＨｚ帯の高周波入力信号を増幅して、出力端子２０側から、出力回路１２側へ出力される。

従って、所要の高周波帯域において、ＬＮＡに適用可能とする一方で、増幅され出力される信号の雑音が少なく、安定性があり、また高利得の高周波出力信号が得られる。

本発明にかかる第１の実施形態を示す増幅器の回路図。 図１の増幅器に適用される高周波数と高周波の入力信号振幅比との関係を示すグラフ。 図１の増幅器の特性を示すグラフで、（ａ）は、適用される高周波の周波数とＫファクタの関係を示す図、（ｂ）は、適用される高周波の周波数とＮＦ（雑音指数）の関係を示す図、（ｃ）は、適用される高周波の周波数とＳパラメータの関係を示す図。 本発明にかかる第２の実施形態を示す増幅器の回路図。 図２の増幅器に適用される高周波数と高周波の入力信号振幅比との関係を示すグラフ。 従来の増幅器の回路図。 図６の増幅器に適用される高周波数と高周波の入力信号振幅比との関係を示すグラフ。

符号の説明

１０，２１ 増幅器
１１ 入力回路
１２ 出力回路
１３ 共振回路
１４ 第１の抵抗（Ｒ１）
１５ 半導体
１５ａ ドレイン端子
１５ｂ ソース端子
１５ｃ ゲート端子
１６ コイル（Ｌ）
１７ コンデンサ（Ｃ）
１９ 入力端子
２０ 出力端子
２２ 第２の抵抗（Ｒ２）

Claims (2)

1. 入出力端子間に接続される半導体と、この入力端子と半導体のゲート側との間に直列に接続される共振回路と、この共振回路に並列に接続される第１の抵抗とを具備したことを特徴とする増幅器。
2. 上記共振回路に直列に第２の抵抗を接続したことを特徴とする請求項１記載の増幅器。

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