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トランジスタ入を不整合にする電力増幅器

阅读:73发布:2023-12-28

专利汇可以提供トランジスタ入を不整合にする電力増幅器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且,下面是トランジスタ入を不整合にする電力増幅器专利的具体信息内容。

変成器を有しかつ第1高周波信号を受けて出信号を生成するように構成された第1入力モジュールと、 インピーダンス変換モジュールとを有し、各インピーダンス変換モジュールが出力インピーダンスを有しかつ変成器からのそれぞれの出力信号を受けるように構成され、 スイッチモジュールを更に有し、各スイッチモジュールがトランジスタからなりかつ1つのインピーダンス変換モジュールの出力に接続され、トランジスタは入力インピーダンスを有しかつ増幅された信号を出力し、 各出力インピーダンスが、それぞれの入力インピーダンスに対して不整合であることを特徴とする電力増幅器。入力電力増幅器は、 入力および出力を有するインダクタンスを有し、該インダクタンスの入力は第1高周波信号を受けるように構成され、 インダクタンスの出力および変成器の入力に接続された第1ターミナルを備えたキャパシタンスを更に有すること を特徴とする請求項1記載の電力増幅器。前記インピーダンス変換モジュールの各々が、スイッチモジュールから受けた反射電力を放散するように構成されていることを特徴とする請求項1記載の電力増幅器。前記インピーダンス変換モジュールの各々がキャパシタンスを有し、 該キャパシタンスが変成器のそれぞれの出力と直列に接続されかつそれぞれのトランジスタの制御入力に接続されていること を特徴とする請求項1記載の電力増幅器。前記出力インピーダンスはキャパシタンスの出力インピーダンスであることを特徴とする請求項4記載の電力増幅器。前記インピーダンス変換モジュールの各々が、変成器とそれぞれのキャパシタンスの入力との間のそれぞれのキャパシタンスと直列に接続されたインダクタンスを更に有することを特徴とする請求項4記載の電力増幅器。前記インピーダンス変換モジュールのキャパシタンスは、トランジスタの制御ターミナルでの入力インピーダンスおよびリアクタンスを増大させることを特徴とする請求項4記載の電力増幅器。前記インピーダンス変換モジュールのキャパシタンスは、電力増幅器の基本作動周波数以外の周波数出ゲインを低下させることを特徴とする請求項4記載の電力増幅器。前記インピーダンス変換モジュールは、インピーダンス変換モジュールの1つのキャパシタンスの入力と電圧基準ターミナルとの間に接続された抵抗を更に有することを特徴とする請求項4記載の電力増幅器。前記抵抗は、キャパシタンスの入力でのインピーダンスを低下させかつスイッチモジュールが受けた反射電力を放散することを特徴とする請求項9記載の電力増幅器。前記インピーダンス変換モジュールの各々がインダクタンスを更に有し、 抵抗は、トランジスタとキャパシタンスとのインピーダンス不整合を補償して、インダクタンスの出力をインピーダンス整合させること を特徴とする請求項9記載の電力増幅器。前記インピーダンス変換モジュールの各々がバイアス回路を更に有し、 該バイアス回路が1つのキャパシタンスの出力に接続されかつバイアス電圧を生成するように構成されていること を特徴とする請求項4記載の電力増幅器。前記トランジスタの出力を結合して結合出力信号を生成させるように構成されたコンバイナモジュールと、 結合出力信号を濾過して電力増幅器の出力信号を生成させるように構成された出力モジュールとを更に有すること を特徴とする請求項1記載の電力増幅器。第2高周波信号を受けて調整された信号を生成させるように構成された第2入力モジュールと、 調整された信号を受けて第1高周波信号を生成させるように構成されたドライバモジュールと、 請求項13に記載の電力増幅器と、 電力増幅器の出力信号を受けるように構成された負荷とを有すること を特徴とする電力生成器システム。変成器を備えかつ第1高周波信号を受けるように構成された入力モジュールを有し、変成器が、第1高周波信号に基づいて第1出力信号を出力するように構成された第1端と、第1高周波信号に基づいて第2出力信号を出力するように構成された第2端とを備え、 第1端と直列に接続されかつ第1出力インピーダンスを備えた第1キャパシタンスと、 第2端と直列に接続されかつ第2出力インピーダンスを備えた第2キャパシタンスと、 第1キャパシタンスに接続された制御ターミナルを備え、第1入力インピーダンスを備え、第1増幅信号を出力する第1トランジスタとを有し、第1入力インピーダンスは第1出力インピーダンスとは整合せず、 第2キャパシタンスに接続された制御ターミナルを備え、第2入力インピーダンスを備え、第2増幅信号を出力する第2トランジスタを更に有し、第2入力インピーダンスは第2出力インピーダンスとは整合しないこと を特徴とする電力増幅器。前記入力電力増幅器は、 入力および出力を備えたインダクタンスを有し、該インダクタンスの入力が第1高周波信号を受けるように構成され、 インダクタンスの出力および変成器の入力に接続された第1ターミナルを備えたキャパシタンスを更に有すること を特徴とする請求項15記載の電力増幅器。前記第1端と第1キャパシタンスとの間で直列に接続された第1インダクタンスと、 第1ターミナルおよび第2ターミナルを備えた第1抵抗とを有し、該第1抵抗の第1ターミナルは第1インダクタンスおよび第1キャパシタンスの入力に接続され、第1抵抗の第2ターミナルは基準電圧を受け、 第2端と第2キャパシタンスとの間で直列に接続された第2インダクタンスと、 第1ターミナルおよび第2ターミナルを備えた第2抵抗とを更に有し、該第2抵抗の第1ターミナルは第2インダクタンスおよび第2キャパシタンスの入力に接続され、第2抵抗の第2ターミナルは基準電圧を受けること を特徴とする請求項15記載の電力増幅器。前記第1抵抗は、第1キャパシタンスの入力でのインピーダンスを低下させかつ第1トランジスタが受けた第1反射電力信号を放散し、かつ第1トランジスタの入力と第1キャパシタンスの出力とのインピーダンス不整合を補償して、第1インダクタンスの出力をインピーダンス整合させ、 第2抵抗は、第2キャパシタンスの入力でのインピーダンスを低下させかつ第2トランジスタが受けた第2反射電力信号を放散し、かつ第2トランジスタの入力と第2キャパシタンスの出力とのインピーダンス不整合を補償して、第2インダクタンスの出力をインピーダンス整合させること を特徴とする請求項17記載の電力増幅器。第1バイアス電圧を生成させるように構成された第1バイアス回路を有し、第1キャパシタンスの出力および第1トランジスタの制御ターミナルが第1バイアス電圧を受け、 第2バイアス電圧を生成させるように構成された第2バイアス回路を有し、第2キャパシタンスの出力および第2トランジスタの制御ターミナルが第1バイアス電圧を受けること を特徴とする請求項15記載の電力増幅器。前記キャパシタンスは、 第1トランジスタおよび第2トランジスタの制御ターミナルでの入力インピーダンスおよびリアクタンスを増大させ、かつ 電力増幅器の基本作動周波数以外の周波数でのゲインを低下させること を特徴とする請求項15記載の電力増幅器。

说明书全文

発明の詳細な説明

本願は、2011年8月31日付米国実用新案登録出願第13/222,202号の優先権を主張しかつ2010年9月9日付米国仮特許出願第61/381,284号の利益を主張する。これらの出願は、その全体を本願に援用する。

本発明は、高周波(RF)電増幅器の安定性を向上させることおよびRF電力増幅器の構造に関する。

この節は、本発明に関する背景技術情報を提供する。この節は、必ずしも従来技術を述べるものではない。

種々の産業は、電圧定在波比(voltage standing wave ratio:VSWR)負荷を駆動する信号を増幅するのにRF電力増幅器を使用している。非制限的な例によれば、RF生成器は多数のRF電力増幅器を有している。RF電力増幅器は、プラズマチャンバのような負荷を駆動するのに使用される。RF電力増幅器からの結合電力は、プラズマチャンバを駆動して、集積回路、ソーラーパネル、コンパクトディスク(CD)、デジタル多用途(またはビデオ)ディスク(DVD)等の種々のコンポーネンツを製造する。

電力増幅器は、安定性ある作動条件を有する。安定性の条件は、偽周波数を導入することなく基本周波数出力信号が得られることである。基本周波数とは、電力増幅器が受けた入力信号の周波数および/または電力増幅器の作動周波数をいう。また、安定性の条件は、負荷の存在時に、基本周波数出力信号に開回路および/または短絡回路を設けることである。

電力増幅器の安定性を得るため、種々の技術が使用されている。これらの技術として、直列技術、分路技術およびフィードバック技術がある。これらの技術は、基本周波数(例えば40メガヘルツ(MHz))で作動するとき、或る負荷および入力信号の位相に対して電力増幅器の安定性を得るには有効でない。電力増幅器が不安定になったとき、入力信号以外の種々の周波数信号が、電力増幅器の出力で作られる。種々の周波数信号の周波数として、(i)基本周波数の約1/2の信号、および(ii)ほぼ基本周波数と同じ側波帯周波数(例えば1キロヘルツ(kHz)〜2MHz)の近くの他の信号が含まれる。

米国特許出願公開第12/763,640号明細書

電力増幅器が提供され、該電力増幅器は入力モジュールを有している。入力モジュールは変成器を有し、高周波信号を受けるように構成されかつ出力信号を生成する。各インピーダンス変換モジュールは出力インピーダンスを有しかつ変成器からのそれぞれの出力信号を受けるように構成されている。各スイッチモジュールはトランジスタを有しかつ1つのインピーダンス変換モジュールの出力に接続されている。トランジスタは入力インピーダンスを有しかつ増幅された信号を出力する。各出力インピーダンスはそれぞれの入力インピーダンスに対して不整合とされる。

他の特徴では、電力増幅器が提供され、該電力増幅器は入力モジュールを有している。入力モジュールは変成器を有し、第1高周波信号を受けるように構成されている。変成器は第1端および第2端を有している。第1端は、第1高周波信号に基づいて第1出力信号を出力するように構成されている。第2端は、第1高周波信号に基づいて第2出力信号を出力するように構成されている。第1キャパシタンスは第1端と直列に接続されかつ第1出力インピーダンスを有している。第2キャパシタンスは第2端と直列に接続されかつ第2出力インピーダンスを有している。第1トランジスタは、第1キャパシタンスに接続された制御ターミナルを有し、第1入力インピーダンスを有し、かつ増幅された第1信号を出力する。第1入力インピーダンスは第1出力インピーダンスとは整合しない。第2トランジスタは、第2キャパシタンスに接続された制御ターミナルを有し、第2入力インピーダンスを有し、かつ増幅された第2信号を出力する。第2入力インピーダンスは第2出力インピーダンスとは整合しない。

本発明の他の適用領域は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲の記載および添付図面から明らかになるであろう。詳細な説明および特定例は、例示のみを目的とするものであり、本発明の範囲を制限するものではない。

本明細書で説明する図面は、選択した実施形態の例示を目的にするに過ぎず、実施の可能性を意図するものでも本発明の範囲を限定するものでもない。

本発明による電力増幅器モジュールを組込んだ電力生成器システムを示すブロック図である。

本発明による電力増幅器モジュールを示すブロック図である。

本発明による電力増幅器モジュールのフロントエンドモジュールを示す概略図である。

幾つかの図面に亘って、同じ部品は同じ参照番号で示されている。

添付図面を参照して例示実施形態をより完全に説明する。

例示の実施形態は、本明細書の開示を完全なものとし、かつ本発明の範囲を当業者に完全に伝えるためのものである。本明細書の実施形態の完全な理解を与えるため、多くの特定細部を、特定コンポーネンツ、デバイスおよび方法の例として述べる。当業者ならば、特定の細部は用いる必要がないこと、例示の実施形態は多くの異なる実施形態で実施できること、およびいずれの実施形態も本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではないことは明白であろう。幾つかの例示実施形態において、良く知られた方法、良く知られたデバイス構造および良く知られた技術は詳細に説明しない。

本明細書で使用する用語は特定の例示実施形態を説明することのみを目的とし、限定することを意図するものではない。本明細書で使用するとき、状況が明瞭にならない限り、単数を示す「a」、「an」および「the」は複数を含むものである。用語「からなる」、「含む」、および「有する」は包括的な意味を有し、したがって、説明された特徴、整数、段階、作動、要素および/またはコンポーネンツの存在を特定するものであるが、1つ以上の他の特徴、整数、段階、作動、要素、コンポーネンツおよび/またはこれらの群の存在または付加を排除するものではない。本明細書で説明する方法の段階、工程および作動は、作業の順序として特定するものでない限り、ここに説明しまたは図示する特定順序での作業を必ず必要とするものと解釈すべきではない。また、付加段階または他の段階を用いることができることも理解すべきである。

或る要素または層が他の要素または層に対して「上にある」、「係合している」、「接続されている」または「結合されている」と表現されるときは、これらの表現は、他の要素または層に対して、直接「上にある」、「係合している」、「接続されている」又は「結合されている」こと、または介在要素または層が存在することを含むものである。これに対し、要素が、「直接上にある」、「直接係合している」、「直接接続されている」または「直接結合されている」と表現するときは、介在要素または層が全く存在しないことを意味する。要素間の関係を説明するのに使用される他の用語も同様な態様で解釈すべきである(例えば、「の間」と「の直接間」、「に隣接」と「に直接隣接」等)。本明細書で使用されるとき、用語「および/または」は、1つ以上の関連要素の全ての組合せを含むものである。

用語「第1」、「第2」、「第3」等は、本明細書では、種々の要素、コンポーネント、領域、層および/またはセクションを表現するのに使用されるが、これらの要素、コンポーネント、領域、層および/またはセクションは、これらの用語によって制限を受けるものではない。これらの用語は、或る要素、コンポーネント、領域、層またはセクションを他の領域、層またはセクションから区別するのに使用されるに過ぎない。「第1」、「第2」および他の数字的用語は、本明細書で使用されるとき、当該状況で明瞭に指摘されていない限り、順番または順序を意味するものではない。したがって、以下に記載される第1要素、コンポーネント、領域またはセクションは、例示実施形態の教示から逸脱することなく、第2要素、コンポーネント、領域、レイヤーまたはセクションと呼ぶこともできよう。

例えば「内方」、「外方」、「直ぐ下」、「下」、「下方」、「上」、「上方」等の空間に関する用語は、本明細書では、図面に示した或る要素または特徴に対する他の要素または特徴の説明を容易にするため使用される。空間に関する用語は、図示の方向に加えてデバイスの異なる方向をも含むものである。例えば、図示のデバイスを反転させたとき、他の要素または特徴の「下」または「直ぐ下」として説明された、説明に係る要素は、他の要素または特徴の「上」を向くことになる。したがって、例えば用語「下」は、「上」および「下」の両方を含むものである。その他の場合は、デバイスは90度または他の度に回転される。空間的な語句は回転角度に従って適宜解釈される。

図1には電力生成器システム10が示されている。電力生成器システム10は、増幅器入力モジュール12と、ドライバモジュール14と、電力増幅器(power amplifier:PA)モジュール(または簡単にPA)16と、負荷18とを有している。増幅器入力モジュール12は、高周波(RF)信号20を受けかつ調整して、調整された信号22を生成する。増幅器入力モジュール12には、例えば前置増幅器を設けることができる。調整された信号22は、ドライバモジュール14に入力される。ドライバモジュール14の出力はPAモジュール16に入力される。PAモジュール16は、高出力RF PAモジュールで構成できる。非制限的な例では、PAモジュール16は2.5キロワット(kW)以上の電力出力を生成する。PAモジュール16の出力により負荷18を駆動する。

負荷18は、RF信号により駆動される多くの要素またはデバイスの任意のもので構成でき、非制限的な例として例えばプラズマチャンバがある。負荷18は、広帯域不整合負荷(すなわち、不整合抵抗端末を備えたケーブル)、狭帯域不整合負荷(すなわち、2要素整合ネットワーク)および共振器負荷とすることができる。

ここで図2を参照すると、PAモジュール16の一例(参照番号16’で示す)が示されている。電力増幅器モジュール16’は、フロントエンドモジュール50、コンバイナ(combiner)モジュール52および出力モジュール54で構成できる。フロントエンドモジュール50は、入力PAモジュール56、インピーダンス変換モジュール58、60およびスイッチモジュール62、64で構成できる。入力PAモジュール56は、種々の周波数および種々の位相を有する発振入力信号(例えば入力信号20)を受ける。入力PAモジュール56は、インピーダンス変換モジュール58、60の各々に入力信号を入力する。入力PAモジュール56は、該入力PAモジュール56の入力66とインピーダンス変換モジュール58、60との間のインピーダンス変換を行う。入力PAモジュール56およびインピーダンス変換モジュール58、60は、ドライバモジュール、又はPAモジュール16’から上流側のデバイス(例えば、ドライバモジュール14)の出力インピーダンス(例えば、50オーム(Ω))に対する入力インピーダンス整合を行う。

インピーダンス変換モジュール58、60は、スイッチモジュール62、64に信号を入力しかつ多くのタスクを行う。タスクとして、入力PAモジュール56とスイッチモジュール62、64との間のインピーダンス変換、スイッチモジュール62、64の入力68、70での入力インピーダンスの増大、PAモジュール16’の入力インピーダンスの整合を行うことへの寄与、スイッチモジュール62、64から受ける反射電力の消散等がある。スイッチモジュール62、64は、インピーダンス変換モジュール58、60からのそれぞれの出力信号を受けかつ増幅された信号72、74を生成する。コンバイナモジュール52は、増幅された信号72、74を結合しかつ結合された出力信号76を生成して、該出力信号76を、出力モジュール54を介して負荷18に提供する。上記特許文献1にはコンバイナモジュールの例が開示されている。尚、この特許文献1は、その全体を本願に援用する。出力モジュール54は、結合された出力信号76を受けて濾過および調整を行ない、PA出力信号78を生成する。PA出力信号78は負荷18に入力される。出力モジュールの例は特許文献1に開示されている。特許文献1はその全体を本願に援用する。

ここで図3を参照すると、フロントエンドモジュール50の一例(参照番号50’で示す)が概略図で示されている。フロントエンドモジュール50’は、入力PAモジュール56’、インピーダンス変換モジュール58’、60’およびスイッチモジュール62’、64’を有している。

入力PAモジュール56’は、インダクタンスL1、キャパシタンスC1および変成器T1を有している。インダクタンスL1は、入力信号(例えば、入力信号20)を受ける。インダクタンスL1およびキャパシタンスC1は、入力PAモジュール56’から上流側のデバイス(例えば、ドライバモジュール14)の出力インピーダンス(例えば、50Ω)と整合させるインピーダンス変換を行うLC回路を形成する。変成器T1は、1次巻線100で入力信号を受けて、入力信号を、コアを横切って変成器T1の2次巻線102に変換する。種々の実施形態では、変成器T1は、浮動センタータップを備えたシングルエンドバランス型変成器である。変成器T1の2次巻線102の両端は、インピーダンス変換モジュール58’、60’のそれぞれの端に接続されている。

第1インピーダンス変換モジュール58’は、インダクタンスL2と、抵抗R1と、キャパシタンスC2と、抵抗R2および電圧源V1を備えた第1バイアス回路103とを有している。インダクタンスL2およびキャパシタンスC2は、2次巻線102の第1端104と、第1スイッチモジュール62’のスイッチ要素Q1(例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET))のゲート入力106との間で直列に接続されている。抵抗R1は分路抵抗であり、第1端108および第2端110を備えている。抵抗R1の第1端108は、インダクタンスL2の出力112およびキャパシタンスC2の入力114に接続されている。抵抗R1の第2端110は、グランド116に接地されている。キャパシタンスC2の出力118は、ゲート入力106に接続されている。抵抗R2は、ゲート入力106と電圧源V1との間に接続されている。電圧源V1は、抵抗R2とグランド116との間に接続されている。抵抗R2および電圧源V1は、第1バイアス電圧をゲート入力106に印加する。

第2インピーダンス変換モジュール60’は、インダクタンスL3と、抵抗R3と、キャパシタンスC3と、抵抗R4および電圧源V2を備えた第2バイアス回路119とを有している。インダクタンスL3およびキャパシタンスC3は、2次巻線102の第2端120と、第2スイッチモジュール64’のスイッチ要素Q2(例えば、MOSFET)のゲート入力122との間で直列に接続されている。抵抗R3は分路抵抗であり、第1端124および第2端126を備えている。抵抗R3の第1端124は、インダクタンスL3の出力128およびキャパシタンスC3の入力130に接続されている。抵抗R3の第2端126は、グランド116に接地されている。キャパシタンスC3の出力132は、ゲート入力122に接続されている。抵抗R4は、ゲート入力122と電圧源V2との間に接続されている。電圧源V2は、抵抗R4とグランド116との間に接続されている。抵抗R4および電圧源V2は、第2バイアス電圧をゲート入力122に印加する。第2バイアス電圧は、第1バイアス電圧と等しくてもよいし、異ならせることもできる。

インダクタンスL1、L2、L3、キャパシタンスC1、C2、C3、抵抗R1、R2、R3、R4および電圧源V1、V2は、それぞれ、ここに説明しおよび/または図3に示すように接続された入力端および出力端(すなわちターミナル)を有している。入力端および出力端は、各々対応する、入力、入力インピーダンス、出力および出力インピーダンスを有している。

キャパシタンスC2、C3は、スイッチ要素Q1、Q2のゲート入力106、122の入力インピーダンスおよびリアクタンスを増大させる。非制限的な例として、各キャパシタンスC2、C3のキャパシタンス値は1000ピコファラッド(pF)より小さい。1つの例示実施形態では、各キャパシタンス値は約560pF±10pFであり、各キャパシタンスC2、C3は約7.5Ωのリアクタンスを有している。キャパシタンスC2、C3のキャパシタンス値は、例えば作動周波数に基づいて変えることができる。キャパシタンスC2、C3は、スイッチ要素Q1、Q2の入力インピーダンスに対して共役インピーダンス整合を与えることはあっても、インピーダンス不整合を与えることはない。

キャパシタンスC2、C3は、直流(DC)結合キャパシタンスとは異なる機能を遂行する。DC結合キャパシタンスは、高周波で短絡回路として機能する(すなわち、無視できるインピーダンスを有する)。DC結合キャパシタンスは、例えば、5000pFのキャパシタンス値および0.75Ωのリアクタンスにすることができる。DC結合キャパシタンスは、キャパシタンスC2、C3の大きなインピーダンスおよびリアクタンスを与えることはなく、したがって、キャパシタンスC2、C3で得られるような電力生成器システムの安定性は得られない。

キャパシタンスC2、C3が単独で(すなわち、抵抗R1、R3を用いることなく)使用されるときは、キャパシタンスC2、C3の高いインピーダンスおよびリアクタンスのため、フロントエンドモジュール50’の入力インピーダンス整合は困難である。抵抗R1、R3は、インダクタL2、L3の出力112、128および/またはフロントエンドモジュール50’の入力(例えば入力66)で容易に整合される入力インピーダンスを得るのに使用される。

1つの例示実施形態では、各抵抗R1、R3は約50Ωより小さい。他の公称例示実施形態では、各抵抗は、40MHzの周波数で作動するとき、約12Ω±1Ωに等しい。より高いインピーダンス整合値を望む場合には、より高い抵抗値が使用される。更に別の公称例示実施形態では、60MHzの周波数で作動するとき、各抵抗R1、R3は、約47Ω±1Ωである。抵抗R1、R3の抵抗値は、例えば作動周波数に基づいて変えることができる。抵抗R1、R3の抵抗値は、PA入力リターン損失(S11)、PAゲイン(S21)およびPA安定性のうちの2つ以上の優先に基づいて選択される。S21は、散乱パラメータであり、50Ω終端出力のフォワード伝達係数である。

抵抗R1、R3は、キャパシタンスC2、C3の入力114、130でのインピーダンスを低下させる。抵抗R1、R3はまた、スイッチモジュール62’、64’から受ける反射電力(reflected power)を放散する。これにより、ドライバモジュール(例えばドライバモジュール14)が反射電力を受けることを防止する。反射電力は、ドライバモジュールの性能およびフロントエンドモジュールのPAモジュール(例えばPAモジュール16)と並行して作動する他のPAの性能に悪影響を与える。或る作動周波数(例えば、トランジスタゲインが小さい60MHzより高い周波数)では、(i)安定性条件が満たされているとき、および(ii)PAモジュールの構造を簡単化するときは、抵抗R1、R3は設けなくてもよい。

第1スイッチモジュール62’はスイッチQ1を有し、第2スイッチモジュール64’はスイッチQ2を有している。スイッチQ1、Q2は、それぞれのドレン、ゲートおよびソースを有している。ドレンは、スイッチ要素Q1、Q2の出力信号を出力する。ゲートは、キャパシタンスC2、C3の出力118、132に接続されている。ソースは、グラウンド116に接続されている。

抵抗R2、R4は、例えば100Ωより大きい抵抗値にすることができる。1つの例示実施形態では、抵抗R2、R4は、1000Ωより大きい。他の例示実施形態では、抵抗R2、R4の各々は約10キロオーム(kΩ)である。抵抗R2、R4の抵抗値を増大させれば、高い安定性が得られる。

キャパシタンスC1、C2、C3、変成器T1、インダクタンスL1、L2、L3および抵抗R1、R3は、インピーダンス変換を行い、かつフロントエンドモジュール50’から上流側のデバイス(例えばドライバモジュール14)に対する入力インピーダンス整合を行うのに使用される。

フロントエンドモジュール50’の入力66とスイッチ要素Q1、Q2との間の回路要素は、集合的に「PA入力ネットワーク」と呼ばれる。PA入力ネットワークは、インダクタンスL1〜L3、キャパシタンスC1〜C3、変成器T1、抵抗R1〜R4および、電圧源V1〜V2で構成できる。フロントエンドモジュール50’(すなわちスイッチ要素Q1、Q2)の出力140、142とPAモジュール16または16’の出力144との間の回路要素は、集合的に「PA出力ネットワーク」と呼ばれる。PA出力ネットワークは、コンバイナモジュール52および出力モジュール54の要素で構成できる。

スイッチ要素Q1、Q2のゲート入力106、122の各々は不整合状態にある。ゲート入力106、122は、キャパシタンスC2、C3の使用により不整合状態にある。キャパシタンスは、基本作動周波数でのスイッチ要素Q1、Q2のゲインが15dBを超えないようにするため設けられる。キャパシタンスC2、C3は、基本作動周波数以外の周波数でゲインを低下させる。キャパシタンスC2、C3は、基本作動周波数の1/2以下の周波数でPAゲインを更に低下させる低い周波数ゲインの逃げ部(roll off)を形成し、安定性を向上させる。基本作動周波数の1/2で、各スイッチ要素Q1、Q2は、回路要素およびPA出力ネットワークの回路要素の形態により、最大(またはピーク)ゲインを有する。キャパシタンスC2、C3は、種々の電圧定在波比(VSWR)負荷を駆動しかつ種々の位相で作動するとき、PAモジュール16または16’およびドライバモジュール14を含む電力生成器システム10が安定に維持されるように、充分な安定性の余裕を与える。

キャパシタンスC2、C3は、低い周波数ゲインの逃げ部を形成することに加え、基本作動周波数で作動するときに優れた安定性を付与する。キャパシタンスC2、C3は、スイッチ要素Q1、Q2のゲート入力106、122に生じるインピーダンスを高め、これにより、高いVSWR負荷から高い反射RF電力を受ける間に、スイッチ要素Q1、Q2が不安定になる傾向が低下される。

不整合ゲート入力(またはトランジスタ入力インピーダンスの低度の整合)を行うことは、RF設計者が行う慣用的アプローチとは異なる。不整合ゲート入力を行うと、ゲインを低下できる。図3の実施形態は共役インピーダンス整合を有しないどころか、不整合ゲート入力インピーダンスを有する。これにより、ゲート入力のインピーダンスおよびリアクタンスが増大される。

ここに開示する不整合ゲート入力を、所定のインピーダンス(例えば50Ω)にインピーダンス変成することは困難かもしれない。このため、分路抵抗が組込まれており(例えば抵抗R1、R3)、これにより、PAモジュール16または16’の入力インピーダンス(S11)を所定のインピーダンスに調整できる。S11は、2ポート(入力/出力)デバイスに関連する散乱パラメータでありかつ50Ωの終端出力についての入力反射係数である。かくして、ゲート入力106、122はインピーダンスが不整合であるが、PAモジュール16または16’の入力66は、例えばドライバモジュール14の出力インピーダンスに対してインピーダンス整合される。

抵抗R1、R3は、リバースアイソレーションS12機構を介してPAモジュール16または16’を通る不整合負荷(例えば図1の負荷)からの反射RF電力が放散されるようにする。S12とは散乱パラメータをいい、50Ωの終端入力のリバース伝達係数である。反射電力は、PA入力ネットワークに通される代わりに、抵抗R1、R3を通って放散される。これにより、安定性が更に改善される。このリバース電力を抵抗R1、R3に放散することにより、ドライバモジュール14にはリバース電力が殆ど生じなくなり、ドライバの安定性が改善される。スイッチ要素Q1、Q2の出力側ではなく入力側のリバースエネルギを放散させることにより、PAモジュール16または16’および/またはドライバモジュール14の電力損失を最小にでき、これによりRFデッキ効率に与える悪影響が防止される。出力側に分路抵抗を組込むと、フォワードエネルギおよびリバースエネルギが放散され、廃棄電力(損失電力)および効率低下をもたらす。

キャパシタンスC2、C3および抵抗R1、R3を上記のように組込むことにより、プッシュ・プルトポロジー(例えばスイッチ要素Q1、Q2)のPAトランジスタを、作動周波数の如何にかかわらず種々の位相のVSWR負荷に対して安定化できる。安定性は、トランジスタゲインが増大する低周波数で作動するときに得られる(作動周波数の低下によりスイッチ要素のゲインが増大するため)。本発明の実施形態は、増大された出力電力と並行して使用されるとき、多数のプッシュ・プルPAを安定化できる。安定性の条件は、高出力電力レベルで作動するシステムについては一層厳格にすることができる。本発明の実施形態は、これらの安定性条件を満たすのに使用できる。

フロントエンドモジュール50’はプッシュ・プル実施形態に関連して主として説明したが、フロントエンドモジュール50’の特徴は、電力増幅器のシングルエンド実施形態にも適用できる。例えば、キャパシタンスC2、C3および抵抗R1、R3はシングルエンド実施形態に組込まれて、PAトランジスタのゲインが高められる低周波作動を含む作動周波数の如何にかかわらず、種々の位相のVSWR負荷にPA安定性を付与する。

フロントエンドモジュール50’はドライバモジュール14に使用される。ドライバモジュール14およびPAモジュール16の内部構成は同じにすることができる。フロントエンドモジュール50’をドライバモジュール14に組込むことにより、種々の位相で作動するとき、PAモジュール16が高VSWR遷移負荷を駆動する場合または帯域エネルギ放散負荷から出る場合に、プッシュ・プルドライバ段を安定化させることができる。キャパシタンスC2、C3および抵抗R1、R3をドライバモジュール14のフロントエンドモジュールに組込むことにより、ドライバモジュール14の不安定性の除去を補助でき、これにより、種々の位相に対して電力生成器システム10の安定性が高められる。

図3の実施形態は、種々のPA入力電圧、PA負荷、作動位相および作動周波数に対し、広帯域の安定性および側波帯に近い安定性を与える。本発明の実施形態は、PAの入力インピーダンスを所定のインピーダンス(例えば50Ω)に正確に整合させることができる。また、PAスイッチ要素(トランジスタ)の特性(例えばトランジスタゲイン、入力キャパシタンス等)の通常の変化があっても安定性が得られる。

10 電力生成器システム 12 増幅器入力モジュール 14 ドライバモジュール 16、16’ 電力増幅器(PA)モジュール 18 負荷 50、50’ フロントエンドモジュール 52 コンバイナモジュール 54 出力モジュール 56 入力PAモジュール 58、60 インピーダンス変換モジュール 62、64 スイッチモジュール

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