JP3097601B2 - 高出力電力増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電力増幅器に関し、
特に、複数の半導体素子を使用してそれぞれの出力電力
を合成して高出力を得る電力増幅器に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波帯の固体送信機は、高信頼度
と長寿命の特性から、従来の進行波管増幅器にとって換
わりつつある。このため固体送信機の出力電力は、高出
力化が進んでおり、これに伴って固体送信機に使用する
高出力増幅器の出力電力もより高出力化が必要となって
いる。

【０００３】高出力増幅器（トランジスタ）の出力電力
を上げるためには、出力電力の小さい半導体素子（トラ
ンジスタチップ）を複数個用いてその出力電力を合成す
る方式が一般に用いられている。

【０００４】図５に、従来の電力増幅器を示す。図５を
参照すると、この従来の電力増幅器は、電力増幅器に電
力分配／合成回路を構成し、トランジスタチップ１を複
数個並列に接続動作させる電力増幅器であり、電力分配
／合成回路の各枝回路を回路長に応じたサスペンデッド
ライン３、４を用いて、位相変化を同じに揃えて構成し
ている。

【０００５】サスペンデッドライン３、４は、その幅Ｗ
の増減により、波長短縮率とインピーダンスが変化す
る。入出力端Ａ、Ｂの直線に直角の方向にトランジスタ
チップ１を一直線に配置し、分配／合成のために末広が
り的に枝回路が構成され、各トランジスタチップ１に接
続している。

【０００６】この枝回路は、各々長さが異なるが、これ
をサスペンデッドライン３で構成させ、線路幅と接地面
からの距離とを各々の枝回路において、最適値に選定す
ることにより、入力端Ａから出力端Ｂとを各々等波長距
離とさせている。

【０００７】これにより、入力端Ａからの入力信号は、
全てのトランジスタチップ１の入力端子においても同位
相となる。トランジスタ１にて増幅された信号は、枝回
路のサスペンデッドライン４を経て出力端Ｂで同位相に
て合成されることになり、各トランジスタの出力電力の
合成を行っている。

【０００８】上記した回路構成の高周波電力増幅回路の
詳細については例えば特開昭６３−２８１５０２号公報
の記載が参照される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示した従来の電力増幅器では、出力電力が増加するとそ
の使用するトランジスタチップの数も増加する。その結
果、一直線に配置したトランジスタチップの片方の端か
らその他端のトランジスタチッブまでの距離が横に長く
なり、筐体に収容できない、という問題が生じる。

【００１０】さらに、中央の分枝回路の長さと一番外側
の分枝回路の線路長の差を、線路幅Ｗの増減でトランジ
スタチップの入出力端で同じ位相にする必要があるが、
差が大きくなりすぎると、線路幅Ｗの増減による波長短
縮率の範囲に限度があるため、線路の長さの差だけ波長
短縮率の差を生じさせることが不可能になる。

【００１１】さらに波長短縮率を選定したときにその線
路インピーダンスで整合がとれるとは限らない。

【００１２】このように、従来の高周波電力増幅回路で
は、出力電力が大きくなると、入出力端の垂直方向に並
べたトランジスタチップの距離が長くなり、上述したさ
まざまな問題が発生する。

【００１３】したがって、本発明は、上記した従来技術
の問題点を解消するためになされたものであって、その
目的は、出力電力の増加によるトランジスタチップ数の
増加に対し、入出力方向に垂直な方向の広がりを抑え、
各トランジスタチップに同じ位相を供給することを可能
とする電力増幅器を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、各増幅素子と分配・合成の伝送ラインの
間を接続するボンディングワイヤが接触しないように各
増幅素子を複数段に並べ、これらの各増幅素子に接続す
るボンディングワイヤにより生じる伝搬位相の差を信号
の総合伝搬位相が全ての増幅素子で同じになる伝送ライ
ンの長さとすることを備えたものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について以下
に説明する。本発明は、その好ましい実施の形態におい
て、入力信号を分配して伝送ラインを介して複数の電力
増幅素子に接続し、その出力を合成することにより高出
力を得る高出力増幅器において、電力増幅素子と電力分
配・合成の伝送ラインとを接続するボンディングワイヤ
が互いに接触しないように、複数の電力増幅素子を入出
力方向に沿って複数段に並べ、これらの各電力増幅素子
の入出力に接続するボンディングワイヤの長さにより生
じる伝搬位相の差を、信号の総合伝搬位相が全ての電力
増幅素子で同じになるような伝送ラインの長さとしたも
のである。

【００１６】上記した本発明の実施の形態について更に
詳細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照
して以下に説明する。

【００１７】［実施例１］図１は、本発明の第１の実施
例をなす電力増幅器の構成を示す説明図であり、図１
（Ａ）は、電力増幅器の上面図、図１（Ｂ）は側面図で
ある。図１において、図５と同一または同等部分には同
一の参照符号を付してある。

【００１８】図１において、１ａ〜１ｄは増幅素子、１
０、１１、２０、２１は伝送ライン、Ｌｇ１、Ｌｇ２、
Ｌｄ１、Ｌｄ２はボンディングワイヤを示している。図
１を参照すると、本実施例は、図５に示した従来の電力
増幅器と比較して、増幅素子１ａ〜１ｄがそれぞれ入力
端Ａと出力端Ｂの直線に対して、垂直方向に、増幅素子
１ａ、１ｂと１ｃ、１ｄの２段に配置されている。

【００１９】それぞれの増幅素子１ａ〜１ｄの入力と出
力のボンディングワイヤＬｇ１、Ｌｇ２が重ならないよ
うに左右にずらして配置し、それぞれを入力側の伝送ラ
イン１０、１１と、出力側の伝送ライン２０、２１に接
続している。

【００２０】入力端Ａに入力された信号は伝送ライン１
０、１１により電力分配されて基板の端面Ａ１まで信号
を導く。伝送ライン１０はここで線路の終端となるが、
伝送ライン１１はさらに線路を折り返して線路長をのば
し終端となる。

【００２１】伝送ライン１０から増幅素子１ｃにボンデ
ィングワイヤＬｇ２を接続する。増幅素子１ａも同様に
伝送ライン１１からボンディングワイヤＬｇ１により接
続する。

【００２２】このとき、増幅素子１ａ、１ｃに同じ位相
の信号を供給する必要がある。つまり、増幅素子１にく
わえる位相が異なると増幅した後に合成するとき位相差
による合成効率が低下する。

【００２３】また、増幅素子から反射した信号の位相も
異なるためその位相差により電力増幅器の入力反射係数
が劣化するという問題が発生する。

【００２４】これを解決するために、増幅素子１に印加
する信号をすべて同じ位相にしなければならない。

【００２５】その詳細を、伝送ライン１０、１１と増幅
素子１の近傍を部分的に拡大した図２を用いて以下に説
明する。

【００２６】入力端Ａから入った信号は伝送ライン１
０、１１を伝搬して、ボンディング端面Ａ１まで同相で
くる。

【００２７】そこから、ボンディングワイヤＬｇ１は、
直接増幅素子１ｃに接続する。一方、ボンディングワイ
ヤＬｇ２は、端面Ａ１からさらに伝送線路を延ばしたＡ
２の点から増幅素子１ａに接続する。

【００２８】増幅素子１ａ、１ｃに、同位相で信号を伝
送するには、伝送ライン１０のＡ１から増幅素子１ｃを
みたときのインピーダンスと、伝送ライン１１のＡ１か
ら増幅素子１ａをみたときのインピーダンスを同じにす
ればよい。

【００２９】増幅素子１の入力インピーダンスをＺ１、
ボンディングワイヤＬｇ１／Ｌｇ２のインダクタンスを
Ｌ１／Ｌ２、伝送ライン１１のＡ１からＡ２までの長さ
をｌ、インピーダンスをＺ０とすると、伝送ライン１
０、伝送ライン１１のＡ１から増幅素子１側をみたとき
のインピーダンスは、それぞれ次式（１）、（２）で与
えられる。

【００３０】伝送ライン１０側のＡ１のインピーダン
ス： Ｚ１＋Ｊω×Ｌ２ …(1) 伝送ライン１１側のＡ１のインピーダンス： Ｚ０×（Ｚｔ＋ＪＺ０×ｔａｎ（β×１））／（Ｚ０＋
ＪＺｔ×ｔａｎ（β×１）） …(2)

【００３１】ここで、Ｚｔ＝Ｚ１＋Ｊω×Ｌ１である
（但し、Ｊ²＝−１）。

【００３２】一般に、高出力増幅素子１の入出力のイン
ピーダンスは小さく、ボンディングワイヤＬｇ１、Ｌｇ
２は波長に対して短いので、次の近似が当てはまる。

【００３３】Ｚ１＜＜Ｚ０、 β×１＜＜１／（２π）、 ωＬ１、ωＬ２＜＜Ｚ０

【００３４】故に、Ｚｔ＜＜Ｚ０となり、上式（２）
は、 Ｚ１＋Ｊ(ω×Ｌ１＋Ｚ０×ｔａｎ(β×１)) …(3) と近似される。

【００３５】故に上式（１）と（３）が同じになれば増
幅素子１ａと増幅素子１ｂに同位相で信号が入力され
る。

【００３６】従って次の条件を満足するようにボンディ
ングワイヤＬｇ１、Ｌｇ２、Ｚ０、Ｌを決定する。

【００３７】 ω×Ｌ２＝ω×Ｌ１＋Ｚ０×ｔａｎ(β×１) …(4)

【００３８】つまり、ボンディングワイヤＬｇ２がボン
ディングワイヤＬｇ１より長いので、ボンディングワイ
ヤＬｇ１は伝送ライン１１を伝送ライン１０より１だけ
長くしたところに、ボンディングすれば増幅素子１ａと
増幅素子１ｂは同じ位相の信号が加わることになる。

【００３９】出力側は、上記の入力側と全く同じ入力の
ボンディングワイヤが長いときは出力側が短くなり、入
力のボンディングワイヤが短いときは出力側が長くな
る。

【００４０】この条件を満足する実装を行えば、入力端
Ａと出力端Ｂに対して垂直に２段の増幅素子をおいて
も、増幅素子１ａ〜１ｄは全て同じ位相になる。従って
従来例で説明した横方向の広がりは２段にすることによ
り約半分になり、増幅素子１に同じ位相で信号を供給す
ることが可能となる。

【００４１】さらに２段のみではなく、さらに段数を増
やしても上式（４）を満たすようにＡ１とＡ２の長さを
決定すれば、上記効果が同様にして得られ、段数を増や
すことにより横方向の広がりはさらに抑えることができ
る。

【００４２】［実施例２］次に、図３を参照して、本発
明の第２の実施例について説明する。図３は、複数のボ
ンディングパッド１３Ｇと１３Ｄを有する増幅素子１３
の場合についての実施例を示す説明図である。

【００４３】増幅器の出力電力が大きくなると、増幅素
子数が多くなりすぎて組立の工数が増加する、増幅素子
の位置決定が困難になる、などの問題が起こる。これに
対し増幅素子一個で、出力電力を大きくするため、単位
増幅素子を多数並べて１個の増幅素子を構成するマルチ
セル増幅素子は、小型で出力電力を大きくすることがで
きるので、多用されている。

【００４４】図３を参照すると、増幅素子１３を２段に
配置し、各増幅素子のボンディングパッド１３Ｇとボン
ディングパッド１３Ｄが交互の位置となるように配置す
る。

【００４５】各ボンディングワイヤＬｇ１、ボンディン
グワイヤＬｇ２の長さと伝送ライン１０と伝送ライン１
１の長さは、実施例１で説明したのと同じであり、複数
のボンディングパッド１３Ｇと１３Ｄの全てについてボ
ンディングワイヤを接続している。

【００４６】本実施例の場合も、横方向の広がりは、増
幅素子１３を横に一直線に並べる場合に比べて約１／２
となり、実装効率がよくなる利点がある。

【００４７】［実施例３］次に、図４を参照して、本発
明の第３の実施例について説明する。図４は、複数のボ
ンディングパッド１４Ｇと１４Ｄを有する増幅素子の各
ボンディングパッドを交互に配置して、増幅素子２個分
を１つの増幅素子１４として構成した場合についての実
施例を示す説明図である。本実施例の機能は、前記実施
例２と同じであるが、増幅素子１４を１個で構成するこ
とにより、組み立て性が向上する利点が得られる。

【００４８】また増幅素子の位置が固定されるため組立
によるばらつきが無くなる利点もある。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
増幅器の出力電力の増加に伴う使用増幅素子数の増加に
より入力端と出力端の垂直方向の広がることを抑えるこ
とができ、実装効率を向上することができるという効果
を奏する。

【００５０】その理由は、本発明においては、増幅素子
を複数段に並べて、その各増幅素子のボンディングパッ
ドが入力端と出力端方向に重ならないように配置し、各
増幅素子に信号の位相が同じになるように伝送ラインと
ボンディングワイヤの長さを組み合わせるように構成し
たことによる。

【００５１】また、本発明によれば、複数段に並べた単
位増幅素子のボンディングパッドを入力端と出力端方向
に重なり合わないように、１個のチップに配置した増幅
素子を使用することにより、横方向の広がりを抑えると
ともに、組立の工数削減と製品ばらつきを抑える効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す図であり、（Ａ）
は上面図、（Ｂ）は側面図である。

【図２】本発明の第１の実施例の部分拡大図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示す図である。

【図５】従来の高周波電力増幅器を示す図である。

【符号の説明】

１、１３、１４ 増幅素子 １０、１１、２０、２１ 伝送ライン Ｌｇ１、Ｌｇ２ Ｌｄ１、Ｌｄ２ ボンディングワイヤ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力信号を分配して伝送ラインを介して複
   数の増幅素子に接続し、その出力を合成することにより
   高出力を得る高出力電力増幅器において、 各増幅素子を入出力方向に対し複数段に並べ、 前記増幅素子に接続するボンディングワイヤの長さによ
   り生じる伝搬位相差を信号の総合伝搬位相が全ての前記
   増幅素子で同じになる前記伝送ラインの長さとした、こ
   とを特徴とする高出力電力増幅器。
2. 【請求項２】入力信号を分配して伝送ラインを介して複
   数の電力増幅素子に接続し、その出力を合成することに
   より高出力を得る高出力電力増幅器において、 電力増幅素子と電力分配・合成の伝送ラインとを接続す
   るボンディングワイヤが互いに接触しないように、前記
   複数の電力増幅素子を入出力方向に沿って複数段に並
   べ、これらの各電力増幅素子の入出力に接続するボンデ
   ィングワイヤの長さにより生じる伝搬位相の差を、信号
   の総合伝搬位相が全ての電力増幅素子で同じになるよう
   な伝送ラインの長さとした、ことを特徴とする高出力電
   力増幅器。
3. 【請求項３】複数段に並べた単位増幅素子のボンディン
   グパッドを入力端と出力端方向に重なり合わないよう
   に、１個のチップに配置した増幅素子を用いたこと特徴
   とする請求項２記載の高出力電力増幅器。