專(zhuān)利名稱(chēng)：低溫接收放大器以及放大方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于無(wú)線通信基站接收系統(tǒng)等的低溫接收放大器以及放大方法。
背景技術(shù)：
作為在極低溫的環(huán)境下工作的放大器，例示了衛(wèi)星地球站用接收放大器、 電波天文用接收放大器等(非專(zhuān)利文獻(xiàn)l)。此外，還探討了對(duì)移動(dòng)通信基站 接收系統(tǒng)的超導(dǎo)濾波器的應(yīng)用，由超導(dǎo)濾波器以及低溫接收放大器構(gòu)成極低溫接收前端(frontend)(非專(zhuān)利文獻(xiàn)2)。用于它們的冷卻而使用液體氮、液 體氦或者真空容器，接收前端被冷卻到IO幾K至60K左右。總之通過(guò)冷卻， 使接收放大器成為低噪聲，從而提高接收靈敏度。作為以低噪聲化為目的的極低溫接收放大器中所使用的微波半導(dǎo)體，使 用高電子遷移率晶體管(HEMT: High Electron Mobility Transistor)或者場(chǎng)效 應(yīng)晶體管(FET: Field Effect Transistor)(非專(zhuān)利文獻(xiàn)3 )。已知， 一般HEMT 與FET相比冷卻時(shí)的低噪聲特性更優(yōu)越(非專(zhuān)利文獻(xiàn)4)。此外，作為HEMT 的代表性的材料，使用砷化鎵(GaAs)。 GaAsHEMT可得到0.3dB左右的噪 聲指^t, ^S飽和輸出為15dBm左右。相對(duì)于此，GaAs FET無(wú)法得到GaAs HEMT這么低的噪聲指數(shù)，但可得到35dBm左右的飽和輸出。作為移動(dòng)通信基站用的極低溫接收放大器，探討著將各種晶體管的特長(zhǎng) 組合的器件(非專(zhuān)利文獻(xiàn)5)。在非專(zhuān)利文獻(xiàn)5中，提出了在初級(jí)使用GaAs HEMT、在第二級(jí)使用GaAsFET、在第三級(jí)使用GaAs FET的三級(jí)放大器結(jié) 構(gòu)的極低溫接收放大器。在這個(gè)例子中，通過(guò)將初級(jí)的低噪聲指數(shù)的HEMT 和第二級(jí)以后的高飽和輸出的FET組合，從而達(dá)成低噪聲指數(shù)且高的飽和輸 出。根據(jù)非專(zhuān)利文獻(xiàn)5，噪聲指數(shù)0.25dB、增益43dB、輸出截取點(diǎn)(intercept point) 38.5dBm、最大功率附加效率15%以下。在移動(dòng)通信基站用的接收系 統(tǒng)中，因同時(shí)放大小區(qū)內(nèi)具有遠(yuǎn)近差的移動(dòng)終端的電波，所以需要1W至2W 左右的輸出截取點(diǎn)。近年來(lái)，氮化鎵高電子遷移率晶體管(以下，也記為GaNHEMT)作為 高輸出微波半導(dǎo)體而被積極地研究著。GaNHEMT的特征在于，與GaAs FET 相比，可進(jìn)行高壓動(dòng)作。因此，可以用高負(fù)載阻抗來(lái)構(gòu)成放大器，所以實(shí)現(xiàn) 匹配電路的損失的降低。此外，GaNHEMT具有可以將動(dòng)作溫度設(shè)定得高的 優(yōu)點(diǎn)。即，具有GaNHEMT的熱容量較大的特征。因此，可以減小將在GaN HEMT不允許的熱去除到外部的放熱器，實(shí)現(xiàn)了放大器整體的小型化、輕量 化(非專(zhuān)利文獻(xiàn)6)。從這些特征，作為在常溫下使用的高輸出微波半導(dǎo)體， GaN HEMT向基站用發(fā)送放大器的應(yīng)用被積極地研究著。[非專(zhuān)利文獻(xiàn)l]浜部，斉藤，大村，耳野，"超低溫冷卻HEMT放大器"， 電子信息通信學(xué)會(huì)技術(shù)研究報(bào)告(電子設(shè)備)，ED88-122, Jan.1989.[非專(zhuān)利文獻(xiàn)2] T.Nojima, S.Narahashi, T.Mimum， K.Satoh， Y,Suzuki, "2 -GHz band cryogenic receiver front end for mobile communication base stat ion systems", IEICE Transactions on Communications, vol.E83-B,no.9，pp.183 4-1843,Aug.2000.[非專(zhuān)利文獻(xiàn)3] M.W.Pospieszalski， S.Weinreb, R.D.Norrod, and R.Harris， "FET' s and HEMT' s at cryogenic temperatures-their properties and use in low-noise amplifiers- ，， ，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，vol.36,no.3，pp.552畫(huà)560，March 1988.[非專(zhuān)利文獻(xiàn)4] K.H.G.Duh， M.W.Pospieszalski, W.F.Kopp, A.A,Jabra, P-C Chao, P.M.Smith, L,F丄ester, J.M.Ballingall， and S ^Veinreb, "Ultra-low-noise cryogenic high-electron-mobility transistors", IEEE Transactions on Electron Devices，vol.35,no.3， pp.249畫(huà)256，March 1988.[非專(zhuān)利文獻(xiàn)5]三村，權(quán)橋，野島，"移動(dòng)通信接收用2GHz帶極低溫三級(jí) 放大器"，1999年電子信息通信學(xué)會(huì)綜合大會(huì)，B-5-31， March 1999.[非專(zhuān)利文獻(xiàn)6] T.Kikkawa, and K.Joshin, "High power GaN-HEMT for wireless base station applications", IEICE Transactions on Electron, vol.E89-C, no.5, pp.608-615， May 2006.為了維持線性和低噪聲指數(shù)，以往的極低溫接收放大器在A級(jí)偏置下所 使用。此外，因使用從10dBm至20dBm左右的低飽和輸出的晶體管，所以 得不到充分高的功率附加效率。此外，為了達(dá)到1W以上的高飽和輸出，需 要三級(jí)以上的級(jí)數(shù)。而且，還有如下課題為了多級(jí)極低溫接收放大器的低二級(jí)以后的FET的偏置電壓設(shè)定為AB級(jí)或者B級(jí)，則極 低溫接收放大器的綜合線性惡化。因線性和功率附加效率具有折衷的關(guān)系， 所以在以往的使用了 A級(jí)偏置電壓設(shè)定的FET的極低溫接收放大器結(jié)構(gòu)下， 無(wú)法達(dá)到飽和輸出1W以上且功率附加效率50Q/。(A級(jí)偏置下的邏輯最大值) 以上。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可以達(dá)到飽和輸出1W以上且功率附加效率 50%以上的低溫接收放大器以及放大方法。本發(fā)明的低溫接收放大器，在極低溫的環(huán)境下將氮化鎵高電子遷移率晶 體管作為放大元件來(lái)使用。而且，包括以下電路輸入匹配電路，進(jìn)行放大 元件的柵極和輸入端子的外部之間的阻抗匹配；柵極偏置電路，對(duì)放大元件 的柵極施加直流電壓；輸出匹配電路，進(jìn)行放大元件的漏極和輸出端子的外 部之間的阻抗匹配；以及漏極偏置電路，對(duì)放大元件的漏極施加直流電壓。此外，在極低溫的環(huán)境下將砷化鎵高電子遷移率晶體管作為放大元件來(lái)使用的低溫接收放大器作為初級(jí)，在極低溫的環(huán)境下將氮化鎵高電子遷移率 晶體管作為放大元件來(lái)使用的低溫接收放大器作為第二級(jí)，從而可以構(gòu)成二級(jí)的低溫接收放大器。此外，優(yōu)選地，將本發(fā)明的低溫接收^:大器冷卻到150K以下。 此外，也可以具有對(duì)氮化鎵高電子遷移率晶體管照射至少包括相當(dāng)于氮 化鎵的帶隙(band gap )的波長(zhǎng)的光成分的光的光照射部件。通過(guò)這樣的光照 射部件，對(duì)氮化鎵高電子遷移率晶體管照射相當(dāng)于氮化鎵的帶隙的波長(zhǎng)的光， 或者照射相當(dāng)于可視頻譜的藍(lán)色區(qū)域的波長(zhǎng)的光(藍(lán)色光)，或者照射包括藍(lán) 色光的光，可以改善低溫環(huán)境下產(chǎn)生的電流崩塌效應(yīng)(Current Collapse Environment)所引起的氮化鎵高電子遷移率晶體管的漏極-源極間電流的減 少。另外，可以將光照射部件設(shè)為藍(lán)色發(fā)光二極管。而且，也可以包括積分器，用于對(duì)氮化鎵高電子遷移率晶體管的漏極-源極間電流進(jìn)行積分；比較器，求該積分器的輸出和基準(zhǔn)電流值之間的差； 以及控制器，控制藍(lán)色發(fā)光二極管的正向電流，使得該比較器的輸出為0。 在低溫環(huán)境下，漏極-源極間電流在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)緩慢地增減，所以監(jiān)視漏極-源極間電流來(lái)控制藍(lán)色發(fā)光二極管的正向電流，進(jìn)行光的照射。


圖1是表示本發(fā)明的低溫接收放大器的結(jié)構(gòu)的圖。圖2是表示柵極偏置電路的一例的圖。圖3是表示使本發(fā)明的低溫接收放大器在極低溫環(huán)境下動(dòng)作的裝置的結(jié) 構(gòu)的圖。圖4是表示在常溫(300K)和極低溫(60K)下的低溫接收放大器100的靜態(tài)特性的圖。圖5是表示低溫接收放大器100的輸入輸出特性的圖。圖6是表示低溫接收放大器100的功率附加效率特性的圖。圖7是表示低溫接收放大器100的互調(diào)失真特性的圖。圖8是表示低溫接收放大器100的每一個(gè)波的三階互調(diào)失真分量對(duì)主波的比(IM3/S)和每一個(gè)波的五階互調(diào)失真分量對(duì)主波的比(IM5/S)的圖。 圖9是表示低溫接收放大器100的噪聲指數(shù)特性的圖。 圖IO是表示有關(guān)低溫接收放大器100的增益的溫度依賴(lài)特性的測(cè)定結(jié)果的圖。圖ll是表示有關(guān)低溫接收放大器100的功率附加效率的溫度依賴(lài)特性的 測(cè)定結(jié)果的圖。圖12是表示有關(guān)低溫接收放大器100的飽和輸出功率的溫度依賴(lài)特性的 測(cè)定結(jié)果的圖。圖13是表示有關(guān)低溫接收放大器100的噪聲指數(shù)的溫度依賴(lài)特性的測(cè)定 結(jié)果的圖。圖14是表示使用了低溫接收放大器100以及超導(dǎo)濾波器950的接收前端 的結(jié)構(gòu)的圖。圖15是表示將本發(fā)明的低溫接收放大器100用于第二級(jí)的二級(jí)接收放大 器的結(jié)構(gòu)的圖。圖16是表示使用了 GaN HEMT和藍(lán)色LED的低溫接收放大器的實(shí)施例的圖。圖17是表示LED的差異引起的漏極-源極間電流的測(cè)定結(jié)果的圖。圖18是表示有關(guān)圖16所示的低溫接收放大器的靜態(tài)特性的測(cè)定結(jié)果的圖。圖19是表示有關(guān)圖16所示的低溫接收放大器的互導(dǎo)特性的測(cè)定結(jié)果的圖。圖20是表示有關(guān)圖16所示的低溫接收放大器的輸入輸出特性的測(cè)定結(jié) 果的圖。圖21是表示有關(guān)圖16所示的低溫接收放大器的功率附加效率特性的測(cè) 定結(jié)果的圖。圖22是表示有關(guān)圖16所示的低溫接收放大器的增益的溫度依賴(lài)性的測(cè) 定結(jié)果的圖。圖23是表示有關(guān)圖16所示的低溫接收放大器的功率附加效率的溫度依 賴(lài)性的測(cè)定結(jié)果的圖。圖24是表示有關(guān)圖16所示的低溫接收放大器的電流穩(wěn)定化的測(cè)定結(jié)果的圖。圖25是表示圖16所示的低溫接收放大器的漏極-源極間電流穩(wěn)定化電路 的一例的圖。
具體實(shí)施方式
[第1實(shí)施方式]圖1表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式的低溫接收放大器100的結(jié)構(gòu)。作為放 大元件而使用GaNHEMTllO。而且，還包括輸入匹配電路120,進(jìn)行GaN HEMT 110的柵極和連接到低溫接4t故大器100的輸入端子Tl的外部裝置之 間的阻抗匹配；柵極偏置電路130 ，對(duì)GaN HEMT 110的4冊(cè)極施加直流電壓； 輸出匹配電路140，進(jìn)行GaNHEMT 110的漏極和連接到低溫接收放大器100 的輸出端子T2的外部裝置之間的阻抗匹配；以及漏極偏置電路150,對(duì)GaN HEMT 110的漏4及施加直流電壓。輸入匹配電路120和輸出匹配電路140的設(shè)計(jì)頻率例如為2GHz。輸入 匹配電路120和輸出匹配電路140分別由具有前端開(kāi)放短線(stub )的線路構(gòu) 成，且這些短線長(zhǎng)被調(diào)整為適應(yīng)于動(dòng)作頻率。圖2所示的4冊(cè)才及偏置電路130包括防止振蕩電^各131和電阻分壓電路 132。電阻分壓電路132將直流電源160的電壓分壓為GaNHEMT 110的柵極 電壓。分壓比是由電阻R3和包括防止振蕩電路131的柵極側(cè)電阻所產(chǎn)生的串聯(lián)電阻值和電阻R2構(gòu)成的并聯(lián)電阻值，和電阻R1的比。漏極偏置電路150包括與圖2所示的防止振蕩電路131和電阻分壓電路 132同樣地構(gòu)成的防止振蕩電路151和供電電路152。供電電路152對(duì)GaN HEMT 110的漏極施加從直流電源170供給的直流電壓。從輸入匹S5電路120側(cè)觀看的GaNHEMT 110的柵極電阻，從常溫時(shí)的 100歐姆左右例如在60K左右的極低溫度時(shí)減少為IO歐姆左右。此外，GaN HEMT 110的互導(dǎo)(gm)在極低溫時(shí)比常溫時(shí)還增加。因此，將常溫下的100 歐姆的柵極電阻作為前提來(lái)設(shè)計(jì)低溫接收放大器100,則無(wú)法控制GaNHEMT 110的漏極電流。第1實(shí)施方式的低溫接收放大器100是將IO歐姆的柵極電 阻作為前提來(lái)設(shè)計(jì)。圖3表示使第1實(shí)施方式的低溫接收放大器IOO在極低溫環(huán)境下動(dòng)作的 裝置的結(jié)構(gòu)。低溫接收放大器100被設(shè)置在真空保持容器910內(nèi)的冷卻臺(tái) (stage) 920上。真空保持容器910的內(nèi)部始終被真空泵吸引，所以被維持 著規(guī)定的真空度。此外，冷卻裝置930將真空保持容器910的內(nèi)部維持為極 低溫。如后所述那樣，冷卻溫度設(shè)為150K以下較好。另外，在以下所示的 實(shí)驗(yàn)中，使用了圖3所示的裝置。圖4表示在300K和60K下的低溫接收放大器100的靜態(tài)特性。在該實(shí) 驗(yàn)中，將柵極電壓設(shè)為一定，漏極電壓(Vd)施加到50V,測(cè)定漏極電流(Id), 并且在60K下的結(jié)果用實(shí)線表示，在300K下的結(jié)果用虛線表示。從圖4可 知，在60K下的靜態(tài)特性是，隨著漏極電壓的增加，漏極電流增大。相對(duì)于 此，在300K下的靜態(tài)特性是，即使漏極電壓增加，漏極電流也不會(huì)增加， 表示典型的晶體管的靜態(tài)特性。從圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，通過(guò)冷卻，GaN HEMT110的互導(dǎo)(gm)增大。圖5表示在一個(gè)載波時(shí)的低溫接收放大器100的輸入輸出特性。測(cè)定頻 率為2GHz。 GaN HEMT 110的漏極電壓(Vd)和漏極電流(Id)分別設(shè)為 50V和50mA。這是在300K下的AB級(jí)偏置點(diǎn)。如果比較300K和60K時(shí)的 情況，則通過(guò)冷卻，低溫接收放大器IOO的增益最大提高了 3dB。在300K的 情況下和60K的情況下，飽和輸出都為35dBm。如圖4所示，通過(guò)冷卻而增 益擴(kuò)大是因?yàn)榛?dǎo)(gm)通過(guò)冷卻而增加。圖6表示在一個(gè)載波時(shí)的低溫接收放大器100的功率附加效率特性。測(cè) 定頻率為2GHz。通過(guò)冷卻，最大功率附加效率提高了 5%。此外，最大功率9附加效率為62%,達(dá)到了以往的冷卻了 FET的多級(jí)放大器的功率附加效率 (15%左右)的4倍以上的飛躍性地高的最大功率附加效率。考慮到通過(guò)冷 卻，可減少裝置內(nèi)的損失，改善了功率附加效率。GaNHEMT是耐高壓晶體 管，是可得到高的功率附加效率的晶體管，但被確認(rèn)為即使冷卻也能夠得到 與常溫相同的高的功率附加效率。圖7表示低溫接收放大器100的互調(diào)失真特性。在測(cè)定中，使用了中心 頻率為2GHz,頻率間隔為100kHz的等振幅的兩個(gè)載波。在60K下的輸出截 取點(diǎn)為36dBm。通過(guò)冷卻，將在300K下的輸出截取點(diǎn)改善了 2dBm?？紤]到 通過(guò)冷卻提高輸出截取點(diǎn)是因?yàn)樵鲆娴臄U(kuò)大和三階互調(diào)失真分量的降低。圖8表示低溫接收放大器100的每一個(gè)波的三階互調(diào)失真分量對(duì)主波的 比(IM3/S )和每一個(gè)波的五階互調(diào)失真分量對(duì)主波的比(IM5/S )。通過(guò)冷卻， IM3/S最大提高了 5dB, IM5/S最大提高了 20dB。通過(guò)冷卻，IM5/S的提高 效果尤其顯著?；フ{(diào)失真特性被改善的理由，考慮到通過(guò)冷卻的互導(dǎo)(gm) 的增大和裝置內(nèi)部的低損失化。圖9表示低溫接收放大器100的噪聲指數(shù)特性。在該實(shí)驗(yàn)中，在圖3中， 在低溫接收放大器100的輸入和輸出的兩側(cè)連接具有l(wèi)dB的損失的電纜，每 個(gè)電纜存儲(chǔ)在真空保持容器910內(nèi)部，通過(guò)噪聲指數(shù)測(cè)定器來(lái)測(cè)定噪聲指數(shù) 特性。從圖9可知，在2GHz時(shí)，300K的情況和60K的情況下，噪聲指數(shù)大 致相同。用于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的低溫接收放大器100的輸入匹配電路和輸出匹配電 路在2GHz下被設(shè)計(jì)。但是，因?yàn)橐膊灰欢ㄊ菍⒃肼曋笖?shù)最小化的設(shè)計(jì)，所 以看不到通過(guò)冷卻的噪聲指數(shù)的改善效果。此外，通過(guò)冷卻到60K，從而與 300K時(shí)相比，增益改善了 5dB至6dB左右。輸入匹配電路120和輸出匹配 電路140的設(shè)計(jì)頻率為2GHz,所以增益的最大值在2GHz下得到。此外，通 過(guò)輸入匹配電路120和輸出匹配電路140的設(shè)計(jì)，在2.2GHz以上增益成為 OdB以下。如上所述，第1實(shí)施方式的低溫接收放大器IOO通過(guò)較高的互導(dǎo)(gm), 增益最大提高了 3dB,最大功率附加效率提高了 5%，輸出截取點(diǎn)提高了 2dB， IM3/S最大提高了 5dB, IM5/S最大提高了 20dB。尤其，最大功率附加效率 為62%,達(dá)到了冷卻了以往的FET的多級(jí)方欠大器的功率附加效率(15。/Q左右) 的4倍以上的飛躍性地高的最大功率附加效率。因GaNHEMT的飽和輸出為 數(shù)W以上，所以通過(guò)第1實(shí)施方式的低溫接收^L大器100,可以維持線性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)飽和輸出1W以上且功率附加效率50%以上。 [低溫接收放大器的溫度依賴(lài)特性]接著，為了明確對(duì)GaNHEMTllO的低溫環(huán)境下的動(dòng)作的溫度依賴(lài)特性， 通過(guò)變更圖3所示的冷卻裝置930的溫度設(shè)定值，測(cè)定了低溫接收放大器100 的輸入輸出特性。在該測(cè)定中，將載波設(shè)為2GHz的一個(gè)波，將低溫接收放 大器100的輸入功率設(shè)為0dBm、 5dBm、 10dBm。此外，分別設(shè)定了將GaN HEMT110的漏極偏置電壓為50V、漏極電流為50mA的漏極偏置電路150和 柵極偏置電路130。圖IO表示低溫接收放大器100的增益的溫度依賴(lài)特性。 從300K到150K為止，增益以一階的斜率(大致1.5dB/100K的比例)增力口。 從150K到50K為止，基本上看不到通過(guò)冷卻的增益提高效果。由此可知， 通過(guò)冷卻的互導(dǎo)(gm)的增大到150K為止。圖ll表示低溫接收放大器100的功率附加效率的溫度依賴(lài)特性。從300K 到150K為止，低溫接收放大器100的功率附加效率隨著冷卻而提高。例如， 在輸入功率為10dBm時(shí)，300K下的功率附加效率為40%，但是在150K下 的功率附加效率為52%，通過(guò)冷卻而提高了 12%。從150K到50K為止，基 本上看不到通過(guò)冷卻的功率附加效率的提高效果。例如，GaNHEMTllO的冷 卻溫度在150K下的功率附加效率與在冷卻溫度50K下的功率附加效率大致 相同。此外，如圖ll所示，如果輸入功率下降，則功率附加效率的提高程度 會(huì)降低，但可以認(rèn)識(shí)通過(guò)冷卻的功率附加效率的提高效果。圖12表示低溫接收放大器100的飽和輸出功率的溫度依賴(lài)特性。從測(cè)定 結(jié)果可知，飽和輸出功率為從34.0dBm到34.3dBm的范圍，即使冷卻，飽和 輸出功率也不會(huì)增大。這是因?yàn)?，飽和輸出功率是GaN HEMT110的不依賴(lài) 于溫度的結(jié)構(gòu)的參數(shù)(指(fmger)長(zhǎng)等)所產(chǎn)生。圖13表示低溫接收放大器IOO的噪聲指數(shù)的溫度依賴(lài)特性。這是與圖9 所示的測(cè)定結(jié)果相關(guān)的測(cè)定結(jié)果，但看不到冷卻產(chǎn)生的噪聲指數(shù)的提高效果。 一般在低噪聲HEMT或者FET中，已知增益和噪聲指數(shù)通過(guò)冷卻而提高，但 作為在本次的實(shí)驗(yàn)中噪聲指數(shù)沒(méi)有提高的理由，考慮為沒(méi)有進(jìn)行將噪聲指數(shù) 最佳化的匹配電路設(shè)計(jì)、和通過(guò)使用了飽和輸出功率4W級(jí)的高輸出GaN HEMT110所產(chǎn)生的熱噪聲為一個(gè)原因。從圖10~圖13的各圖所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，與輸入輸出功率無(wú)關(guān)，對(duì)通 過(guò)冷卻的低溫接^li^改大器100的諸多特性(增益和功率附加效率)的提高所充分的溫度范圍為150K以下。即使冷卻到低于150K,也看不到對(duì)于增益和 功率附加效率的顯著的提高效果。換言之，在將GaNHEMT110冷卻到150K 以下的環(huán)境下作為放大元件來(lái)使用，從而可以與低溫接收放大器100的輸入 輸出功率無(wú)關(guān)，得到良好的增益和功率附加效率?？紤]到通常已知的高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度大致為77K的情況，則可以 使用達(dá)到可發(fā)揮超導(dǎo)效果的高溫超導(dǎo)材料的冷卻溫度(大致77K以下)的冷 卻裝置而無(wú)需改造，從而可以實(shí)現(xiàn)使用了 GaN HEMT110的低溫接收放大器 100的冷卻溫度150K以下。即，例如通過(guò)在同一的冷卻臺(tái)920 (參照?qǐng)D3) 上搭載低溫接收放大器100,從而可以將低溫接收放大器100與使用了高溫 超導(dǎo)材料的微波電路(例如圖14所示的超導(dǎo)濾波器950) —起進(jìn)行冷卻。當(dāng)然，在由低溫接收放大器100以及使用了高溫超導(dǎo)材料的超導(dǎo)濾波器 950所構(gòu)成的接收前端中，可以將真空保持容器910內(nèi)的冷卻臺(tái)920在超導(dǎo) 濾波器950和低溫接收放大器100中分別設(shè)置。這是著眼于高溫超導(dǎo)材料的 臨界溫度(大致77K)和低溫接收放大器100的上限冷卻溫度150K的溫度差 的真空保持容器910的結(jié)構(gòu)。在同一個(gè)真空保持容器910內(nèi)設(shè)置了超導(dǎo)濾波 器950和低溫接收放大器IOO的情況下，作為一例，如圖14所示那樣，在冷 卻能力較高的冷卻臺(tái)922上設(shè)置超導(dǎo)濾波器950，在冷卻能力較低的冷卻臺(tái) 921上設(shè)置低溫接收放大器100。這種結(jié)構(gòu)，在冷卻裝置930的冷卻能力有界 限的情況等有效。此外，因無(wú)需將真空保持容器910整體冷卻到高溫超導(dǎo)材 料的臨界溫度以下，所以可以削減冷卻裝置930的冷卻能力，可實(shí)現(xiàn)真空保 持容器910整體的小型化。[第2實(shí)施方式]圖15表示將本發(fā)明的低溫接收放大器IOO用于第2級(jí)的二級(jí)接收放大器 的結(jié)構(gòu)。初級(jí)使用采用了噪聲指數(shù)較低的GaAsHEMT210的低溫接收放大器 200。第1級(jí)的低溫接收放大器200例如被設(shè)置在圖14中的真空保持容器910 內(nèi)的冷卻臺(tái)921上，在超導(dǎo)濾波器950和第2級(jí)的低溫接收放大器100之間 串聯(lián)連接。如上述非專(zhuān)利文獻(xiàn)5所示，初級(jí)的GaAsHEMT210例如具有噪聲 指數(shù)0.3dB、增益10dB的特性。例如，如果將第2級(jí)的GaNHEMTllO的特 性設(shè)計(jì)為噪聲指數(shù)2dB、增益26dB,則在圖15的結(jié)構(gòu)下的噪聲指數(shù)大致為 0.53dB。與上述非專(zhuān)利文獻(xiàn)5的三級(jí)極低溫接收機(jī)相比，可以減輕級(jí)數(shù)，同 時(shí)在噪聲指數(shù)0.53dB下可達(dá)到飽和輸出1W以上且功率附加效率62%。即，與將GaAs FET用于第2級(jí)和第3級(jí)的以往的方法相比，通過(guò)將GaN HEMT作為第2級(jí)來(lái)使用的方法，可以飛躍地改善功率附加效率。 [第3實(shí)施方式]第3實(shí)施方式改善在低溫環(huán)境下產(chǎn)生的電流崩塌效應(yīng)所引起的GaN HEMTllO的漏極-源極間電流的減少。在低溫環(huán)境中的電流崩塌效應(yīng)中，從 電子激發(fā)狀態(tài)被凍結(jié)的狀態(tài)開(kāi)始，電子激發(fā)數(shù)隨時(shí)間增加。因此，即使設(shè)定 了柵極偏置電壓，也產(chǎn)生漏極電流緩慢地增減的現(xiàn)象。但是，通常已知對(duì)半導(dǎo)體上照射光，從而其特性變化的情況。這是因?yàn)椋?半導(dǎo)體內(nèi)被注入光能，從而電子激發(fā)變?yōu)榛钴S。被注入的光能與半導(dǎo)體的帶 隙和注入的光的波長(zhǎng)有關(guān)。到此為止，沒(méi)有明確對(duì)GaN HEMT110有效的光 的波長(zhǎng)。在第3實(shí)施方式中，明確了對(duì)GaNHEMTllO有效的光的波長(zhǎng)。圖16表 示對(duì)GaN HEMT照射藍(lán)色LED (Light emitting diode ) 500的光的實(shí)施例。藍(lán) 色LED500設(shè)置在GaN HEMTllO的上部。例如設(shè)置在低溫接收放大器100 的未圖示的柵極的上部。藍(lán)色LED500與GaNHEMTllO —起4^f氐溫冷卻。LED的發(fā)光波長(zhǎng)依賴(lài)于材料的帶隙。藍(lán)色LED500 —般使用GaN， GaN HEMTllO也使用GaN，所以認(rèn)為各自的帶隙沒(méi)有多大差異。因此，認(rèn)為藍(lán)色 LED500的發(fā)光波長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)生GaNHEMTllO的電子激發(fā)是充分的。為了明確這 一點(diǎn)，使用圖2所示的低溫接收放大器100,在冷卻溫度60K下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖17表示在300K下的LED發(fā)光色相差的漏極-源極間電流特性。所使 用的LED是紅、黃、綠、藍(lán)色，在暗箱內(nèi)設(shè)置LED，對(duì)GaNHEMTllO照射 LED的光。圖中，在暗狀態(tài)是遮蓋低溫接收放大器100的表面(case)從而 進(jìn)行了遮光的狀態(tài)，沒(méi)有點(diǎn)亮LED。明狀態(tài)是，對(duì)GaN HEMTllO照射室內(nèi) 燈的狀態(tài)。與暗狀態(tài)或者點(diǎn)亮了紅、黃、綠的任一個(gè)LED的情況相比，點(diǎn)亮 了藍(lán)色LED500或室內(nèi)燈的情況下，漏極-源極間電流特性良好。另外，作為 在點(diǎn)亮了室內(nèi)燈的情況下與點(diǎn)亮了藍(lán)色LED500的情況下表示大致相同的漏 極-源極間電流特性的理由，認(rèn)為是因?yàn)槭覂?nèi)燈的光(可見(jiàn)光)包括與藍(lán)色 LED500發(fā)出的光大致相同的波長(zhǎng)。在以下的實(shí)驗(yàn)中，作為發(fā)光部件而使用藍(lán) 色LED500,但只要是能夠發(fā)出相當(dāng)于GaN的帶隙的波長(zhǎng)的光、可見(jiàn)頻譜的 藍(lán)色區(qū)域(波長(zhǎng)大致為430nm至490nm左右)的光、或者包括這個(gè)光的光的 發(fā)光部件，沒(méi)有特別限定。對(duì)GaN HEMT110的光的照射，假設(shè)是由低溫接收放大器100所具有的 發(fā)光部件來(lái)進(jìn)行，但這個(gè)結(jié)構(gòu)沒(méi)有被限定。例如，在低溫接收放大器100的 外部設(shè)置發(fā)光部件，將從該發(fā)光部件發(fā)出的光通過(guò)設(shè)置在低溫接收放大器100 的具有透光特性的窗導(dǎo)入，從而對(duì)GaN HEMT110進(jìn)行光的照射。在這個(gè)結(jié) 構(gòu)中，通過(guò)窗所導(dǎo)入的光、換言之直接照到GaN HEMT110的光，只要是相 當(dāng)于GaN的帶隙的波長(zhǎng)的光、可見(jiàn)頻譜的藍(lán)色區(qū)域(波長(zhǎng)大致為430nm至 490nm左右)的光、或者包括這個(gè)光的光即可。圖18表示在60K下的漏極-源極間電流特性。用黑色標(biāo)記所示的沒(méi)有光 照射時(shí)的5個(gè)特性與對(duì)于在圖4中用實(shí)線所示的5個(gè)柵極電壓的特性相同， 用白色標(biāo)記所示的特性表示有光照射時(shí)的特性。在實(shí)驗(yàn)中，將藍(lán)色LED500 的光照射進(jìn)行開(kāi)/關(guān)。通過(guò)照射藍(lán)色LED500的光，改善了在漏極-源極間電壓 為40V以下時(shí)顯著的電流崩塌效應(yīng)。圖19表示互導(dǎo)(gm)特性。通過(guò)在漏極-源極間電壓為20V以下照射藍(lán) 色LED500的光，改善了互導(dǎo)(gm)。圖20表示在冷卻溫度60K以及測(cè)定頻率2GHz下的輸入輸出特性。低 溫接收^L大器100的結(jié)構(gòu)與第1實(shí)施方式相同。通過(guò)照射藍(lán)色LED500的光， 增益提高了0.5dB。此外，輸出功率也提高了 0.5dBm。圖21表示功率附加效率特性。通過(guò)照射藍(lán)色LED500的光，將最大功率 附加效率改善了 8%,從而達(dá)到66。/。。這樣，通過(guò)在低溫環(huán)境下，將藍(lán)色LED500 的光照射到GaNHEMTllO， /人而可以改善功率附加效率。通過(guò)該第3實(shí)施方式，低溫接收放大器100的放大動(dòng)作被穩(wěn)定化，同時(shí) 接收前端的動(dòng)作也被穩(wěn)定化。[溫度依賴(lài)性]圖22表示關(guān)于對(duì)GaN HEMT110照射藍(lán)色LED500的光的低溫接收放大 器100的增益的溫度依賴(lài)性。測(cè)定條件是，將低溫接收放大器100的輸入功 率設(shè)為OdBm、 5dBm、 10dBm。此外，將藍(lán)色LED500的正向電流設(shè)為10mA。 在冷卻溫度120K下，各自的增益成為最大或已飽和。在120K以下的增益偏 差在輸入功率5dBm和10dBm下，分別為0.6dB和0.3dB。相對(duì)于此，從300K 到120K為止的增益增加量在輸入功率5dBm和10dBm下，分別為2dB和 2.3dB。從增益的溫度依賴(lài)性出發(fā)，希望使用了藍(lán)色LED500的低溫接收放大 器IOO冷卻到120K以下。另外，在第l實(shí)施方式中，沒(méi)有^f吏用藍(lán)色LED500的低溫接收放大器100的優(yōu)選的冷卻溫度為150K以下。該冷卻溫度的差異 是在冷卻環(huán)境下的GaN HEMTllO的放大特性引起的。圖23表示有關(guān)功率附加效率(PAE)的溫度依賴(lài)性。在冷卻溫度120K, 飽和或得到最大值。從300K至120K為止的PAE改善量在輸入功率10dBm 改善了 10%。這些與在第1實(shí)施方式的圖11所示的結(jié)果相同。從圖22和圖23可知，將對(duì)GaN HEMTllO照射藍(lán)色LED500的光的低 溫接收放大器100冷卻到120K以下，則在增益以及功率附加效率的改善這 一點(diǎn)上已足夠。因超導(dǎo)濾波器的臨界溫度一般為77K,所以對(duì)超導(dǎo)濾波器和 低溫接收放大器在真空容器內(nèi)的設(shè)置位置(參照第2實(shí)施方式)下功夫，從 而與一樣冷卻至77K以下的情況相比，可以減釋冷卻能力。[第4實(shí)施方式]圖24表示對(duì)GaN HEMTllO照射藍(lán)色LED500的光時(shí)的低溫接收放大器 IOO的電流值收斂特性。假設(shè)實(shí)驗(yàn)條件為冷卻溫度60K、測(cè)定頻率2GHz、輸 入功率5.5dBm。為了比較，還表示了沒(méi)有對(duì)GaN HEMTllO照射藍(lán)色LED500 的光時(shí)的測(cè)定結(jié)果。通過(guò)照射藍(lán)色LED500的光，照射時(shí)間1500秒為止的電 流值偏移為6%。因電流值設(shè)定為50mA，所以電流值偏移為3mA。相對(duì)于此， 如果沒(méi)有照射光，則在1500秒的電流值偏移為42%、電流值偏移為21.4mA。 這樣，通過(guò)照射藍(lán)色LED500的光，可以將低溫接收放大器IOO的電流值穩(wěn) 定化。這是低溫接收放大器IOO的動(dòng)作點(diǎn)穩(wěn)定化，增益、效率、線性穩(wěn)定化。 在沒(méi)有照射藍(lán)色LED500的光時(shí)，需要低溫接收^:大器100空閑(Idle )運(yùn)轉(zhuǎn)， 直到電流值穩(wěn)定。此時(shí)，隨著發(fā)送輸出的變化，電流值變得不穩(wěn)定。此外， 為了電流值穩(wěn)定化，需要恒流電路。但是，通過(guò)照射藍(lán)色LED500的光，可 以簡(jiǎn)單且高速地進(jìn)行電流值穩(wěn)定。圖25表示將低溫中的漏極-源極間電流維持為一定的藍(lán)色LED電路設(shè)置 在圖1的裝置的放大器的一例。電路600由積分電路610、比較器620以及 藍(lán)色LED正向電流控制電路630構(gòu)成。積分電路610監(jiān)視漏極-源極間電流， 在比較長(zhǎng)的積分時(shí)間內(nèi)對(duì)所監(jiān)視的電流值進(jìn)行積分。使用比較長(zhǎng)的積分時(shí)間 的理由是，因?yàn)樵诘蜏丨h(huán)境下的漏極-源極間電流的變化為在數(shù)分單位內(nèi)進(jìn)行 緩慢的變化。積分電路610可以由時(shí)間常數(shù)較長(zhǎng)的LC濾波器電路所構(gòu)成。 LC濾波器可由集中常數(shù)元件構(gòu)成。比較器620取積分電路610的輸出和漏極-源極間電流基準(zhǔn)值之間的差。如果積分電路610的輸出與漏極-源極間電流基準(zhǔn)值一致，則比較器620的輸 出成為0。比較器620可以由運(yùn)算放大器構(gòu)成。此外，也可以由差動(dòng)電路構(gòu) 成。藍(lán)色LED正向電流控制電路630可以由電流反饋型放大電路構(gòu)成。此外， 藍(lán)色LED正向電流控制電路630也可以由恒流二極管構(gòu)成。比較器620的輸 出輸入到構(gòu)成電流反饋型放大電路的晶體管680的基極。電流反饋型放大電 路的基極偏置電壓由兩個(gè)電阻640、 650分壓后提供。該基極偏置電壓決定正 向電流的基準(zhǔn)值。比較器620輸出積分電路610的輸出和漏極-源極間電流基 準(zhǔn)值之間的差，用緩慢的時(shí)間變動(dòng)分量來(lái)調(diào)整在晶體管680的基極中的基極 偏置電壓。此時(shí)，正向電流也發(fā)生變動(dòng)，對(duì)GaNHEMTllO照射的藍(lán)色LED500 的光強(qiáng)度變動(dòng)。在GaNHEMTllO的漏極-源極間電流小于漏極-源極間電流基 準(zhǔn)值時(shí)，增加正向電流；在GaNHEMTllO的漏極-源極間電流大于漏極-源極 間電流基準(zhǔn)值時(shí)，減少正向電流。依賴(lài)于積分電路610的時(shí)間常數(shù)來(lái)進(jìn)行這 個(gè)動(dòng)作，從而可以實(shí)現(xiàn)GaNHEMTllO的漏極-源極間電流的穩(wěn)定化。在本發(fā)明中，作為微波晶體管而使用了氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)。因GaNHEMT可以在較高的漏極電壓(50V以上)下動(dòng)作，所以 具有可以由比較高的阻抗來(lái)構(gòu)成輸出匹配電路的優(yōu)點(diǎn)。此外，GaNHEMT的 飽和輸出為數(shù)W以上，在線性和功率附加效率方面也優(yōu)越。此外，通過(guò)在極 低溫環(huán)境下的柵極電阻相匹配的柵極偏置電路，可以使高增益的GaNHEMT 穩(wěn)定地動(dòng)作。因此，可以維持線性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)飽和輸出1W以上且功率 附加效率50%以上。此夕卜，通過(guò)將GaAs HEMT用于初級(jí)，將GaN HEMT用于第2級(jí)，從而 用二級(jí)結(jié)構(gòu)的低溫接收放大器也能夠?qū)崿F(xiàn)低的噪聲指數(shù)、高的飽和輸出、高 的功率附加效率。此外，通過(guò)冷卻到150K以下，可以與低溫接收放大器的輸入輸出功率 無(wú)關(guān)地得到良好的增益和功率附加效率。而且，對(duì)氮化鎵高電子遷移率晶體管照射光，從而可以改善電流崩塌效 應(yīng)所引起的漏極-源極間電流的增減，此外，通過(guò)控制藍(lán)色發(fā)光二極管的正向 電流，可以實(shí)現(xiàn)漏極-源極間電流的穩(wěn)定，在低溫環(huán)境下，也能夠得到穩(wěn)定的 放大特性。
權(quán)利要求
1.一種低溫接收放大器，在極低溫的環(huán)境下所使用，其包括作為放大元件的氮化鎵高電子遷移率晶體管；輸入匹配電路，進(jìn)行所述放大元件的柵極和所述低溫接收放大器的輸入端子的外部之間的阻抗匹配；柵極偏置電路，對(duì)所述放大元件的柵極施加直流電壓；輸出匹配電路，進(jìn)行所述放大元件的漏極和所述低溫接收放大器的輸出端子的外部之間的阻抗匹配；以及漏極偏置電路，對(duì)所述放大元件的漏極施加直流電壓。
2. 如權(quán)利要求1所述的低溫接收放大器，其中 所述4冊(cè)極偏置路c
3. —種低溫接收放大器，其包括第l級(jí)的放大器，作為放大元件而包括砷化鎵高電子遷移率晶體管；以及第2級(jí)的放大器，作為第2級(jí)而連接在所述第1級(jí)的放大器的輸出，且 包括權(quán)利要求1所述的低音接收放大器。
4. 如權(quán)利要求1至權(quán)利要求3的任一項(xiàng)所述的低溫接收放大器，其中 -波冷卻為150K以下。
5. 如權(quán)利要求1至權(quán)利要求3的任一項(xiàng)所述的低溫接收放大器，具有 對(duì)所述氮化鎵高電子遷移率晶體管照射至少包括相當(dāng)于氮化鎵的帶隙的波長(zhǎng)的光分量的光的光照射部件。
6. 如權(quán)利要求5所述的低溫接收放大器，其中 所述光照射部件包括藍(lán)色發(fā)光二極管。
7. 如權(quán)利要求6所述的低溫接收放大器，包括積分器，對(duì)所述氮化鎵高電子遷移率晶體管的漏極-源極間電流進(jìn)行積分；比較器，求所述積分器的輸出和基準(zhǔn)電流值之間的差；以及控制器，控制所述藍(lán)色發(fā)光二極管的正向電流，使得所述比較器的輸出為0。
8. —種低溫接收放大器的放大方法，所述低溫接收放大器在極低溫的環(huán)境下所使用，所述放大方法包括將所述低溫接收放大器冷卻到150K以下的步驟；以及使用氮化鎵高電子遷移率晶體管作為所述低溫接收放大器的放大元件，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，并輸出所放大的信號(hào)的步驟。
9.如權(quán)利要求8所述的低溫接收放大器的放大方法，還包括 對(duì)所述氮化鎵高電子遷移率晶體管照射至少包括相當(dāng)于氮化鎵的帶隙的波長(zhǎng)的光分量的光的步驟。
10. 如權(quán)利要求4所述的低溫接收放大器，具有 對(duì)所述氮化鎵高電子遷移率晶體管照射至少包括相當(dāng)于氮化鎵的帶隙的波長(zhǎng)的光分量的光的光照射部件。
11. 如權(quán)利要求IO所述的低溫接收放大器，其中 所述光照射部件包括藍(lán)色發(fā)光二極管。
12. 如權(quán)利要求11所述的低溫接收放大器，包括積分器，對(duì)所述氮化鎵高電子遷移率晶體管的漏極-源極間電流進(jìn)行積分；比較器，求所述積分器的輸出和基準(zhǔn)電流值之間的差；以及控制器，控制所述藍(lán)色發(fā)光二極管的正向電流，使得所述比較器的輸出為0。
全文摘要
一種低溫接收放大器(100)，在極低溫的環(huán)境下，將氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)(110)作為放大元件來(lái)使用，其包括輸入匹配電路(120)，進(jìn)行放大元件的柵極和輸入端子(T1)的外部之間的阻抗匹配；柵極偏置電路(130)，對(duì)放大元件的柵極施加直流電壓；輸出匹配電路(140)，進(jìn)行放大元件的漏極和輸出端子(T2)的外部之間的阻抗匹配；以及漏極偏置電路(150)，對(duì)放大元件的漏極施加直流電壓。此外，將冷卻溫度設(shè)為150K以下較好。也可以對(duì)GaN HEMT(110)照射藍(lán)色LED。
文檔編號(hào)H03F1/32GK101252344SQ200810081308
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月23日
發(fā)明者楢橋祥一, 鈴木恭宜 申請(qǐng)人:株式會(huì)社Ntt都科摩