专利名称：高频功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及高频功率放大器，尤其是关于高输出的高频功率放大器的高效率化技术。
背景技术：
高频功率放大器是对输入的信号进行放大并输出的装置，广泛用于移动通信用的终端和基站。但是，高频功率放大器的电力消耗非常大，用于驱动高频的发生电路和信号发送电路所需的电力供给几乎都被高频功率放大器消耗，成为移动通信终端和基站的低电力消耗的障碍。由此，谋求使高频功率放大器高效率化，来降低驱动电力。高频功率放大器的输入输出特性是在输入功率低的情况下确保恒定的增益并对输入信号进行放大(线性区域)，但在输入功率变高时增益开始下降，几乎与输入功率无关地，输出功率成为恒定(饱和区域)。一般地，移动通信的终端和基站所使用的高频功率放大器在线性区域动作，作为提高高频功率放大器的功率附加效率(PAE)的技术，广泛采用多赫蒂放大器(Doherty Amplifier)。多赫蒂放大器是并联连接被称为载波放大器和峰值放大器的两个放大器而构成的，在输入功率低的情况下，只驱动载波放大器，在输入功率高的情况下，驱动载波放大器和峰值放大器双方。由此，与输入功率无关地提高放大器整体的功率附加效率。另外，作为实现高频功率放大器的高效率化的技术，一般公知一种F级放大器，使面向高次谐波的终端条件最佳化，并对于向放大元件的输出端施加的电压波形及电流波形进行整形，由此降低放大元件内消耗的功率(例如，专利文献1)。图13表示使用了场效应晶体管(FET =Field Effect Transistor)的以往的高频功率放大器即F级放大器的电路图(F级放大电路)的一例。如图13所示，以往的高频功率放大器由如下部件构成放大元件即FET804 ；与 FET804的输出端A连接的、与输入信号的基本波的波长λ的四分之一(λ/4)相当的长度的微带线(Microstrip Line) 805 ；—端与微带线805的输出端B连接且另一端开放的微带线(开路短截线(open stub))806及微带线(开路短截线)807 ；面向输入信号的基本波的输出匹配电路808 ；负载电阻809。另外，以往的高频功率放大器具有与FET804的栅极连接的、用于输入高频信号的输入端子801 ；—端与FET804的输出端A连接且另一端与漏极偏置(drain bias)的直流电力供给端子802连接的、用于切断高频信号的扼流线圈电感 (Choke Inductor)803。在图13所示的以往的高频功率放大器中，通过微带线805和开路短截线806、807 构成高次谐波控制电路。这里，微带线805的线路长度是四分之一的λ (λ/4)，开路短截线806的线路长度是八分之一的λ (λ/8)，开路短截线807的线路长度是十二分之一的 λ (λ/12)。由于开路短截线806的线路长度是八分之一的λ，所以B点处的阻抗相对于第二高次谐波成为短路。而且，由于微带线805的线路长度是四分之一的λ，所以FET804的输出端即A点来看的阻抗相对于第二高次谐波成为短路。另外，由于开路短截线807的线路长度是十二分之一的λ，所以B点处的阻抗相对于第三高次谐波成为短路。而且，由于微带线805的线路长度是四分之一的λ，所以从FET804的输出端即A点来看的阻抗相对于第三高次谐波成为开放，满足高次谐波控制电路的条件。通过满足这样的条件，漏极电压波形接近矩形波，漏极电压波形和漏极电流波形的重合部分的面积减小。因此，FET804所消耗的电力也减少，其结果，得到极高的功率附加效率。另一方面，作为高频功率放大器的用途，研究了面向微波炉等微波家电的应用。将高频功率放大器用于微波炉等的情况下，优选不使高频功率放大器在线性区域动作，而在饱和区域动作，由此，能够实现高输出且高效率的高频功率放大器。饱和区域的动作与线性区域的动作相比，虽然功率附加效率变高，但发生信号畸变等。由此，面向通信领域的应用是困难的，但能够在以微波炉等为代表的微波家电领域中应用。但是，另一方面，面向微波家电的应用的情况下，与移动通信的基站相比需要高出1位数以上的输出功率。一般地，作为高频功率放大器用的放大元件，广泛采用化合物半导体即使用了砷化镓(GaAs)的晶体管。但是，近年来，各地活跃地开发为得到高输出的新设备构造、和使用了绝缘击穿场高的碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)等新材料的设备。为实现高频功率放大器的高输出化，必须以大电流、高电压使晶体管动作。关于大电流动作，通过使晶体管的尺寸变大就能够应对，但未实现高电压动作，即使使用绝缘击穿场高的SiC或GaN也不是容易的。作为使晶体管高耐压化的代表性技术，广泛公知场板 (field plate)构造。图14A表示使用了 GaN的以往的场效应晶体管(FET)的剖视图。另夕卜，图14B表示使用了场板构造的场效应晶体管(FET)的剖视图。如图14A所示，使用了 GaN的以往的FET是在基板700上形成缓冲层701，并在其上形成GaN沟道层702、和向GaN添加了铝(Al)而成的AKkiN电子供给层703，并通过异质结接合。而且，在AKiaN电子供给层703上，形成有源极704、栅极705和漏极706。此外， 在源极704、栅极705和漏极706的各电极间以及这些电极上形成有层间膜707、708。在图14A所示的以往的FET中，使GaN沟道层702和AlGaN电子供给层703通过异质结接合，由此，在GaN沟道层702和AKiaN电子供给层703之间的界面上产生二维电子气(电子)。该电子成为从源极704向漏极706流动的电流，能够通过向栅极705施加的电压控制其电流值。另外，如图14B所示，具有场板构造的FET是使栅极705A的形状延伸到层间膜707 上，呈以屋檐状向漏极706侧伸出的形状。由此，施加在集中于栅极705A附近的漏极706、 和栅极705A之间的电场被缓和，能够实现高耐压的FET。此外，作为其他的场板构造的FET 公知有，源极成为伸出到栅极和漏极之间的形状，或者将源极以外的第二源极配置在栅极和漏极之间。而且，通过对于栅极和源极双方采用场板构造，能够进一步使FET高耐压化 (例如，专利文献2)。现有技术文献专利文献1日本特开平06-204764号公报专利文献2日本特开2008-277604号公报发明概要
发明要解决的课题但是，为实现高频功率放大器的高输出化，使用了场板构造的FET的情况下，本申请的发明人发现功率附加效率大幅度降低的课题。而且，即使通过F级放大电路实现高效率化，还存在不能充分地得到功率附加效率提高的效果的课题。
发明内容
本发明为解决上述课题而研发的，其目的是提供高输出且功率附加效率高的高频功率放大器。用于解决课题的手段为实现上述目的，本发明的高频功率放大器的一实施方式具有对第一频率的高频信号进行放大的放大元件、与所述放大元件的输入端侧连接的输入匹配电路、与所述放大元件的输出端通过直流电源端子连接的输出匹配电路、配置在所述放大元件的输出端和所述直流电源端子之间的电抗控制电路，所述电抗控制电路具有与所述放大元件的输出端中的所述放大元件的寄生电容之间以第二频率发生谐振的电抗，所述第二频率是与所述第一频率相同的频率或所述第一频率附近的频率。发明的效果根据本发明，能够减轻由放大元件的寄生电容引起的漏极电压波形及漏极电流波形的畸变，从而能够降低放大元件内部的电力消耗。由此，能够实现高输出且功率附加效率高的高频功率放大器。
图1是本发明的第一实施方式的高频功率放大器的电路图。图2A是表示一般的FET的结构的电路图。图2B是考虑了寄生电容等的图2A所示的FET的等效电路图。图3是本发明的第一实施方式的高频功率放大器的史密斯圆图。图4是表示FET不使用场板构造且无电抗控制电路的情况下的、FET的漏极电流波形和漏极电压波形之间的关系的图。图5是表示FET使用场板构造且无电抗控制电路的情况下的、FET的漏极电流波形和漏极电压波形之间的关系的图。图6是表示FET使用场板构造且有电抗控制电路的情况即本发明的第一实施方式中的、漏极电流波形和漏极电压波形之间的关系的图。图7是表示信号频率为2. 45GHz的情况下的本发明的第一实施方式中的谐振频率和功率附加效率之间的关系的图。图8是表示信号频率为IGHz的情况下的本发明的第一实施方式中的谐振频率和功率附加效率之间的关系的图。图9是表示信号频率为5GHz的情况下的本发明的第一实施方式中的谐振频率和功率附加效率之间的关系的图。图10是本发明的第二实施方式的高频功率放大器的电路图。图11是本发明的第三实施方式的高频功率放大器的电路图。
图12是本发明的第四实施方式的高频功率放大器的电路图。图13是使用了 FET的以往的高频功率放大器即F级放大器的电路图。图14A是使用了 GaN的以往的FET的剖视图。图14B是使用了场板构造的FET的剖视图。
具体实施例方式本发明的高频功率放大器的一实施方式具有对第一频率的高频信号进行放大的放大元件；与所述放大元件的输入端侧连接的输入匹配电路；与所述放大元件的输出端侧连接的输出匹配电路；一端侧与所述放大元件的输出端连接且另一端侧与所述输出匹配电路的输入端及直流电源端子连接的电抗控制电路，所述电抗控制电路具有在与所述放大元件的输出端中的所述放大元件的寄生电容之间以第二频率发生谐振的电抗，所述第二频率是与所述第一频率相同的频率或所述第一频率附近的频率。根据本发明，放大元件的寄生电容和电抗控制电路的电抗发生谐振，从而降低放大元件的寄生电容的电抗。由此，在高频动作时，成为提高功率附加效率的障碍的漏极电流的充放电被抑制，能够进行高频功率放大器的高效率动作。而且，在本发明的高频放大器的一实施方式中，所述第二频率是与没有所述电抗控制电路的情况相比使功率附加效率变高的频率。另外，在本发明的高频放大器的一实施方式中，在所述第一频率为2. 4 2. 5GHz 的情况下，所述第二频率优选为所述第一频率的0. 82倍至2. 4倍的频率。而且，该情况下， 所述第二频率优选为所述第一频率的0. 87倍至1. 9倍的频率。另外，在本发明的高频放大器的一实施方式中，在所述第一频率为1 5GHz的情况下，所述第二频率优选为所述第一频率的0. 92倍至1. 8倍的频率。而且，该情况下，所述第二频率优选为所述第一频率的0. 93倍至1. 4倍的频率。另外，在本发明的高频放大器的一实施方式中，所述第二频率优选比所述第一频率大。所述第二频率比所述第一频率大的情况下，能够使高频功率放大器的功率附加效率最尚。另外，在本发明的高频放大器的一实施方式中，所述电抗控制电路优选由电感器构成。由此，电抗控制电路的结构简易，构成电路的部件个数少，从而能够减小电路插入损耗。另外，在本发明的高频放大器的一实施方式中，所述电抗控制电路优选由传送线路构成。由此，能够将电抗控制电路设置于输出匹配电路等中广泛使用的低损耗的模块基板上。而且，所述传送线路优选为微带线或共面线。由此，将电抗控制电路设置于所述模块基板上的情况下，能够容易地设计所述第二频率。另外，在本发明的高频放大器的一实施方式中，所述电抗控制电路优选由电容器和电感的串联谐振器构成。另外，在本发明的高频放大器的一实施方式中，所述电抗控制电路优选由开路短截线构成。另外，在本发明的高频放大器的一实施方式中，优选的是，所述放大元件是场效应晶体管，栅极及源极的至少一方是场板构造。该情况下，放大元件的耐压变高，能够实现高输出化，而由于放大元件的寄生电容变大，所有功率附加效率降低。但是，通过调整第二频率，与不具有场板构造的以往的结构相比，能够进一步提高功率附加效率。而且，所述放大元件优选是使用了化合物半导体的场效应晶体管。由此，能够提高高频特性。另外，所述放大元件优选是具有GaN和AlGaN的异质结的场效应晶体管。由此，实现高电流化。以下，参照
本发明的实施方式。(第一实施方式)图1表示本发明的第一实施方式的高频功率放大器的电路图。如图1所示，本发明的第一实施方式的高频功率放大器具有输入匹配电路102 ； 放大元件即晶体管104 ；电抗控制电路107 ；和输出匹配电路105。另外，在输入匹配电路 102的输入侧连接有高频信号的输入端子101，在输入匹配电路102的输出侧连接有偏置端子109。通过偏置端子109，用于驱动晶体管104的直流电压被施加到晶体管104的栅极上。另外，在输出匹配电路105的输入侧连接有偏置端子103。通过偏置端子103，用于驱动晶体管104的直流电压被施加到晶体管104的漏极。而且，在输出匹配电路105的输出侧连接有用于输出被放大的高频信号的输出端子106。此外，优选在偏置端子109、103的近前，分别配置扼流线圈电感或四分之一波长线路、和电容器等，以避免放大信号向偏置端子 109、103 漏损。从输入端子101输入的高频信号在输入匹配电路102中相对于基本频率进行阻抗匹配，并通过晶体管104被放大。而且，被放大的高频信号通过电抗控制电路107，在输出匹配电路105中进行阻抗匹配，并由输出端子106输出而向负载供给。在本实施方式中，电抗控制电路107是由输入侧(一端侧)与晶体管104的输出端 (A点)串联连接且输出侧(另一端侧)与输出匹配电路105的输入端(B点)连接的电感器108构成的。在本实施方式中，电感器108的电感是以降低晶体管104的输出端(A点) 中的晶体管104的寄生电容的电抗的方式设定的。具体的是，在与信号频率相同的频率或该信号频率附近的频率处，以使晶体管104的寄生电容和电感器108的电感谐振的方式进行设定。即，电感器108的电感是以与晶体管104的输出端中的该晶体管104的寄生电容之间发生谐振的方式构成的，此时的频率(第二频率)成为与被输入的高频信号即信号频率(第一频率)相同的频率或该信号频率附近的频率的方式构成。而且，该第二频率是与没有电抗控制电路107(电感器108)的情况下的结构相比功率附加效率变高的频率。以下，使用图2A及图2B说明电感器108的电感的设定方法。图2A是一般的场效应晶体管(FET)的电路图。如图2A所示，一般地，FET具有栅极1001、漏极1002及接地的源极1003，在栅极 1001、漏极1002及源极1003的各电极间具有寄生电容。这里，设栅极1001和源极1003 之间的寄生电容为Cgs、漏极1002和栅极1001之间的寄生电容为Cdg、漏极1002和源极 1003之间的寄生电容为Cds。另外，漏极电流与Cgs两端的电位差Vl成正比，设该跨导 (transconductance)为gm。而且，设漏极电导为R，则图2A的场效应晶体管是在考虑了这些寄生电容及电导时，成为图2B所示的等效电路。
因此，从晶体管的漏极1002来看的晶体管的寄生电容C由Cgs和Cdg的串联电容再与Cds之间的并联电容构成，能够通过下述(式1)计算。式1
权利要求
1.一种高频功率放大器，其特征在于，具有 对第一频率的高频信号进行放大的放大元件； 与所述放大元件的输入端侧连接的输入匹配电路； 与所述放大元件的输出端侧连接的输出匹配电路；一端侧与所述放大元件的输出端连接且另一端侧与所述输出匹配电路的输入端及直流电源端子连接的电抗控制电路，所述电抗控制电路具有在与所述放大元件的输出端中的所述放大元件的寄生电容之间以第二频率发生谐振的电抗，所述第二频率是与所述第一频率相同的频率或所述第一频率附近的频率。
2.如权利要求1所述的高频功率放大器，其特征在于，所述第二频率是与没有所述电抗控制电路的情况相比使功率附加效率变高的频率。
3.如权利要求1所述的高频功率放大器，其特征在于，所述第一频率为2.4 2. 5GHz, 所述第二频率是所述第一频率的0. 82倍至2. 4倍的频率。
4.如权利要求3所述的高频功率放大器，其特征在于，所述第二频率是所述第一频率的0. 87倍至1. 9倍的频率。
5.如权利要求1所述的高频功率放大器，其特征在于，所述第一频率为1 5GHz， 所述第二频率是所述第一频率的0. 92倍至1. 8倍的频率。
6.如权利要求5所述的高频功率放大器，其特征在于，所述第二频率是所述第一频率的0. 93倍至1. 4倍的频率。
7.如权利要求1所述的高频功率放大器，其特征在于，所述第二频率比所述第一频率大。
8.如权利要求1所述的高频功率放大器，其特征在于，所述电抗控制电路由电感器构成。
9.如权利要求1所述的高频功率放大器，其特征在于，所述电抗控制电路由传送线路构成。
10.如权利要求9所述的高频功率放大器，其特征在于，所述传送线路是微带线或共面线。
11.如权利要求1所述的高频功率放大器，其特征在于，所述电抗控制电路由电容器和电感器的串联谐振器构成。
12.如权利要求1所述的高频功率放大器，其特征在于，所述电抗控制电路由开路短截线构成。
13.如权利要求1所述的高频功率放大器，其特征在于，所述放大元件是场效应晶体管，栅极及源极的至少一方是场板构造。
14.如权利要求13所述的高频功率放大器，其特征在于，所述放大元件是使用了化合物半导体的场效应晶体管。
15.如权利要求13所述的高频功率放大器，其特征在于，所述放大元件是具有GaN和 AlGaN的异质结的场效应晶体管。
全文摘要
高频功率放大器具有对第一频率的高频信号进行放大的晶体管(104)；与晶体管(104)的输入端侧连接的输入匹配电路(102)；与晶体管(104)的输出端侧连接的输出匹配电路(105)；一端侧与晶体管(104)的输出端连接且另一端侧与输出匹配电路(105)的输入端及偏置端子(103)连接的电抗控制电路(107)。电抗控制电路(107)具有与晶体管(104)的输出端中的该晶体管(104)的寄生电容分量之间以第二频率发生谐振的电抗。第二频率是与第一频率相同的频率或第一频率附近的频率。
文档编号H03F1/02GK102474228SQ20108002785
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月9日 优先权日2009年7月14日
发明者八幡和宏, 夘野高史, 石崎俊雄 申请人:松下电器产业株式会社