社団法人電子情報通信学会 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS 信学技報 TECHNICAL REPORT OF IEICE SPS2008-04 (2008-07) GaN HEMT を用いた SSPS 用 5.8GHz 帯 F 級高効率増幅器石川亮† 黒田健太† 本城和彦† 津田邦男†† 久田安正‡ †電気通信大学先端ワイヤレスコミュニケーション研究センター〒182-8585 東京都調布市調布ヶ丘 1-5-1 ††株式会社東芝研究開発センター電子デバイスラボラトリー〒212-8582 神奈川県川崎市幸区小向東芝町 1 ‡宇宙航空研究開発機構宇宙利用ミッション本部地球観測研究センター〒305-8505 茨城県つくば市千現 2-1-1 E-mail: †{ishikawa, kuroda, honjo}@ice.uec.ac.jp, ††[email protected], ‡[email protected] あらまし宇宙航空研究開発機構（JAXA）では，宇宙太陽エネルギー利用システム（SSPS: Space Solar Power System）に関するシステム総合研究および地上で実施可能な要素技術に対する要素試作試験を継続的に実施している．本研究では，SSPS 用のマイクロ波送電用高効率増幅器として利用が期待されている F 級増幅器に関し，マイクロ波帯で高出力動作が可能である GaN HEMT 素子を用い，更に，低損失樹脂基板による分布定数型 F 級負荷回路を用いて高出力 F 級増幅器を構成している．試作された F 級増幅器は，5.72 GHz で最大ドレイン効率 76.5 %，最大電力付加効率 68.7 %，ドレイン効率最大時の出力電力 33.9 dBm という良好な特性を示した．本報告では，この F 級増幅器を設計する上で各構成部品に要求される特性および設計手法について述べる．キーワード宇宙太陽発電，F 級増幅器，AlGaN，GaN，HEMT，高効率，マイクロ波 High Efficiency Class-F Amplifier at 5.8 GHz Band Using GaN HEMT for Space Solar Power System Ryo ISHIKAWA† Kenta KURODA† Kazuhiko HONJO† Kunio TSUDA†† and Yasumasa HISADA‡ †Advanced Wireless Communication Research Center (AWCC), The University of Electro-Communications 1-5-1 Chofugaoka, Chofu-shi, Tokyo, 182-8585 Japan ††Electron Devices Laboratory, Corporate R&D Center, Toshiba Corporation 1 Komukai-Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa, 212-8582 Japan ‡Earth Observation Research Center, Space Applications Mission Directorate, Japan Aerospace Exploration Agency 2-1-1 Sengen, Tsukuba-shi, Ibaraki, 305-8505 Japan E-mail: †{ishikawa, kuroda, honjo}@ice.uec.ac.jp, ††[email protected], ‡[email protected] Abstract Japan Aerospace Exploration Agancy (JAXA) has been conducting studies on Space Solar Power System (SSPS). Current SSPS study undertaken by JAXA consists of three main subjects, SSPS concepts and architecture study, special committee and working groups, and some important configuration of SSPS. In this paper, a high efficiency class-F amplifier at 5.8 GHz band for microwave power transportation in SSPS has been developed using a GaN HEMT. The class-F amplifier consists of the GaN HEMT and a transmission line type class-F load circuit patterned on a low-loss resin circuit board. The fabricated class-F amplifier delivered maximum drain efficiency of 76.5 %, maximum power added efficiency of 68.7 %, and output power of up to 33.9 dBm at 5.72 GHz. Details of requirements for the components, and the design method for the amplifier are presented. Keyword Space Solar Power System, Class-F Amplifier, AlGaN，GaN, HEMT, High efficiency，Microwave 1. はじめにて継続的に電気エネルギーを生成し，その電気エネルエネルギー消費は世界的規模で年々増加の一途をギーを，マイクロ波などを利用した高効率無線伝送に辿っており，新たなるエネルギー源の開拓が望まれ続より地上に供給するものであり，安定かつ安全にエネけてきている．宇宙エネルギー利用システム（ SSPS）ルギーを供給する方法として期待されている．我々はは，宇宙空間に設置された太陽光発電システムによっ 5.8 GHz のマイクロ波を利用したシステム（ M-SSPS） -1- に関して，高効率マイクロ波伝送を実現するための F 2.2. F 級負荷回路の構成法級増幅器の研究を進めて来ている [1]．昨年度は，前年我々は既に，原理上任意次数まで処理可能な F 級増より特性が改善された GaN HEMT 素子を用いて幅器用の高調波処理回路について，分布定数線路を用 5.72 GHz で最大ドレイン効率 76.5 %，最大電力付加効いた手法 [5] ならびに集中定数素子を用いた手法 [6]を率 68.7 %，ドレイン効率最大時の出力電力 33.9dBm と提案している．後者は寄生成分の影響により 2 GHz 以いう良好な特性を得ている．ここでは，本結果を得る上で実現することは困難であるため， 5.8 GHz 帯の F にあたり，高周波帯で高効率動作を実現するための F 級増幅器には前者の手法が適用される．図２に分布定級増幅器の構成法に関して詳述する．数線路を用いた F 級負荷回路図を示す．FET のドレイン出力端子に，基本波の４分の１波長の分布定数線路 2. F 級増幅器実現のための課題が接続されており，その先に，各高調波に対して点 A 2.1. F 級増幅器の概念で零インピーダンスとするための高調波処理スタブがトランジスタを用いた電力増幅器において，ゲート接続されている．これらにより， FET に対して奇数次電圧（ FET を想定）を B 級バイアスとし，更に高調波高調波で無限大，偶数次高調波で零となる負荷インピ処理を行う負荷回路を出力側に接続した増幅器を F 級ーダンスが実現される．その他に，基本波での整合用増幅器と呼ぶ．図１に理想的な F 級動作時におけるの線路が付加される． FET での電流・電圧波形を示す．基本波および偶数次この回路の実現に際し，線路の接続点での物理寸法高調波の合成で表せる半波整流形の電流波形は，B 級の影響， FET 内の寄生成分の影響，等々により，調整バイアスおよび奇数次高調波に対する負荷インピーダが必要な場合が生じる．このことは周波数の上昇に伴ンスを無限大とすることにより得られる．一方，電流い顕著化する．そこで次に， 2 GHz 以上の周波数で高波形と逆相の基本波および奇数次高調波の合成で表せ効率動作を行うために，トランジスタに要求される特る矩形の電圧波形は，偶数次高調波に対する負荷イン性および F 級負荷回路に要求される特性について具体ピーダンスを零とすることにより得られる．このとき，的に述べる．電流と電圧の積が零であるため FET 部での電力消費が 2.3. トランジスタに要求される特性使用するトランジスタが寄生成分を有する場合，各零となり， 100 %の動作効率が得られる．実際には無限次数の高調波処理が不可能であるた高調波に対するインピーダンス条件が崩れることになめ，有限次数での F 級増幅器が構成される．表１に処る．図３左図に FET の寄生容量を示す．これらの容量理次数と効率の関係を数学的に導出した結果 [2] につは周波数増加に伴いインピーダンスが低下するため，いて示す．一般には回路構成の都合上，主に３次高調 F 級負荷回路の無限大の状態が崩れることになる．こ波程度まで処理されたものが試作されており [3-4]，低の崩れた特性は，F 級負荷回路の線路長を調整するこマイクロ波帯で 70％台のドレイン効率を有する F 級増とにより多少の補正は可能であるが，その場合も次数幅器が実現されている．しかしながら，表より，更なる高次処理で 10％前後の効率上昇が期待される．図１理想的な F 級動作時の FET での電流・電圧波形図２表１分布定数線路を用いた F 級負荷回路理想増幅器の高調波処理次数と効率の関係 [2] 図３ -2- FET の寄生容量（左）および最大電力利得特性（右）毎に適正に調整することは非常に困難であるため，ド 2.4. 回路に要求される特性レイン端子付近の寄生成分を極力減らすことが重要と F 級負荷回路を実際に構成する場合の問題点として，なる．また，F 級増幅器は高調波を利用しているため，前述した複数の線路が接続する点の物理寸法，および処理する高調波の周波数でトランジスタが十分に利得線路の損失がある．高周波化に伴い線路構造は縮小さを有している必要がある．図３右図の利得特性においれ，伝送距離が短くなるために一見損失は減りそうでて，経験上，最大安定電力利得（ MSG）と最大有能電あるが，信号線幅も狭まるために導体損が増す．低比力利得（ MAG）の変換点程度の高調波までが処理の対誘電率化で縮小を抑えようとすると，基板内での誘電象となる．この利得特性は寄生成分とも関係している損は周波数に比例して増加するため，やはり損失が増が，トランジスタ寸法にも依存する．高出力化を図るえる可能性がある．従って，両方の損失を考慮しつつ場合，ゲート長（フィンガー長 ×並列数）を増やして最適な材質および構造を考える必要がある．面積を稼ぐ必要があるが，フィンガー長が長すぎると図６に樹脂基板を用いて試作された 1.9 GHz 帯用の電極上での位相回転で特性が劣化し，並列数が多すぎ F 級負荷回路を示す．左図は一般的に用いられる FR4 ても結合時の位相ずれで特性が劣化する．このことを基板を使用しており，右図はセラミック基板と同程度シミュレーションで最適化することができる [7]．図４に低損失な樹脂基板を使用している．図７にこれらのに FDTD 法と回路解析を連動させて GaN HEMT のフィンガー長に対する影響を解析する手法の概念図を示す．単位長さ（ここでは 50 µm）の GaN HEMT の小信号等価回路を実測より求め，それを FDTD 解析構造上に並べることで，電極近傍の電磁界分布を考慮して長フィンガー構造全体の特性を得ている．図５に解析結果を示す．長フィンガー化に伴い，高周波での利得が減衰していく様子が見て取れる．この特性を参考に処理次数を考慮して基準のフィンガー長を決定することができる．図６図４ HEMT 電極の FDTD 電磁界 − 回路統合解析の概念図 1.9 GHz での F 級負荷回路基板（７次まで処理）（ a）負荷インピーダンス特性（ b）最大透過量特性図７図５ GaN HEMT の各フィンガー長に対する利得特性図６の負荷回路の（ a）負荷インピーダンス特性および（ b）最大透過量特性 -3- F 級負荷回路の諸特性を示す． FR4 基板は負荷インピ 0.12 ーダンス特性において，３次以上の特に奇数次高調波 0.1 に対する高インピーダンス特性が得られていない．最 0.08 Ids [A] 大透過量特性（入出力整合により透過し得る最大の透過量）を見ると，周波数の増加に対して，誘電損により透過量の減少が著しいことがわかる．一方，低損失 0.04 の樹脂基板の場合，７次高調波の 14 GHz 付近でも損 0.02 失が少なく，負荷インピーダンス特性もそれほど崩れ 0 0 ていない．以上より，誘電損が特性に与える影響は特 20 40 60 80 100 Vds [V] に高調波に対して大きいことがわかる．近年は安価な図９樹脂基板でも低損失のものが利用でき， 5.8 GHz 帯で試作した AlGaN/GaN HEMT の Id/Vd 静特性 (Wg = 100 µm, Vg = +1 V∼ –5 V, 1-V step) も５次高調波程度までは処理可能である．ただし，前述のように高周波化による構造縮小の影響は回避できないため，この場合，線路形状への工夫が必要となる． 0.06 図９に試作した AlGaN/GaN HEMT の Id/Vd 静特性の測定結果を示す．測定には，ゲート幅 100 µm の評価用 TEG を使用している．飽和ドレイン電流は約 1 A/mm 3. AlGaN/GaN HEMT 素子であった．ドレイン電圧ストレス 100 V では電流コラ 5.8 GHz 帯 F 級増幅器に用いる GaN HEMT 素子は東プスによるドレイン電流減少が見られるものの， 60 V 芝で継続的に試作を進めてきている [1]．図８に試作しでは顕著な電流コラプスは見られなかった．したがった AlGaN/GaN HEMT の断面模式図を示す．半絶縁性て，ドレイン電圧 30 V 程度であれば，電流コラプスの SiC 基板上に AlGaN/GaN HEMT 構造を MOCVD 成長し影響のない安定した動作が期待できる．たエピタキシャルウエハを用いた．GaN 系 HEMT では，実際の F 級増幅器の検討に用いたデバイスは，単位高ドレイン電圧ストレス印加時にドレイン電流が減少フィンガー長 96 µm で，2∼ 4 W 程度の出力を想定してする，電流コラプスと呼ばれる現象が発生することがフィンガー本数は 10 本とした．このデバイスの小信号知られている．その低減方法の一つとして，ゲートフィールドプレートあるいはソースフィールドプレートＳパラメータ測定から求めた最大発振周波数 f m ax は 45 GHz であった．によってゲート電極のドレイン端部の電界集中を緩和することが有効であることが報告されている．しかし，フィールドプレートの付加は寄生容量の増加につながるため，高周波特性とのトレードオフを考慮する必要がある [1]．我々は，一昨年度の F 級増幅器の検討で， 1.9 GHz 帯で最大ドレイン効率 80.1 % ，最大付加電力効率 72.7 %を達成したことを報告した [1]．このときのデバイスは電流コラプス抑制を優先して，ゲートフィールドプレートとソースフィールドプレートを採用した．今回は，目標周波数が 5.8 GHz と高いことを考慮し，高周波特性を優先してフィールドプレートは採用しないこととした．ゲート長は 0.4 µm である． Lg = 0.4μm Gate (Pt/Au) Source (Ti/Al) PE-CVD SiN 4. AlGaN/GaN HEMT のモデル化 F 級負荷回路および増幅器の試作にあたり，回路シミュレーションによる負荷インピーダンスおよび基本波整合の調整が必要不可欠となる．特にトランジスタ内の寄生成分が影響し始める高周波領域では，F 級負荷回路の微調整が必要となるため，トランジスタモデルを組み込んだシミュレーションが必要となる．そこで，試作された AlGaN/GaN HEMT を， EE-HEMT 大信号モデル [8]を用いてモデル化を図っている．大信号モデル化された素子特性の測定値との比較に関して，図 10 に静特性を図 11 にＳパラメータ特性を各々示す．図より，モデルにより素子の特性が良く再現されていることが分かる．このモデルを用いて無損失回路で構成した F 級増幅器のシミュレーションを行った．図 12 Pad (Au) に 5.8 GHz での入出力電力特性および効率特性のシミ Drain (Ti/Al) ュレーション結果を示す．なお，F 級負荷回路は 3 次 i-AlGaN i-GaN までの高調波処理スタブを設け，トランジスタの寄生成分を考慮して効率が最大となるように調整している．ドレイン電圧 25 V，ゲート電圧 –5.5 V のバイアス条件 S.I. SiC substrate で，最大ドレイン効率 76.7 %，最大電力付加効率 71.9 % であり，この値が同処理次数で最大と考えられ，この図８試作したトランジスタの断面模式図値を目標に試作を行うことになる． -4- 5. 5.8 GHz 帯 F 級増幅器の試作および評価前節までの結果を踏まえて 5.8 GHz 帯の F 級増幅器の試作を行った．図 13 に試作された F 級増幅器を示す．F 級負荷回路は，トランジスタ特性および回路構造を考慮して３次までの高調波スタブが設けられており，シミュレーションにより効率が最大となるように最適化がなされている．スタブ接続点では実効波長を考慮して寸法が狭められており，また，扇形とすることにより導体損の増加を防ぐ工夫がなされている．入力側には入力整合回路があり，各直流バイアスは，外部に接続されるバイアスティーを介して供給される．図 14 に，試作した F 級電力増幅器の入出力電力特図 10 Id/Vd 静特性の EE-HEMT モデルと測定値の比較性および効率特性の測定結果を示す．ドレイン電圧 25 V 、ゲート電圧 –5.5 V のバイアス条件で，周波数 5.72 GHz において，最大ドレイン効率 76.5 %，最大電力付加効率 68.7 %、最大 PAE 時出力 33.9 dBm が実現された。図 11 図 12 Ｓパラメータの EE-HEMT モデルと測定値の比較図 13 試作した 5.8 GHz 帯 F 級増幅器 EE-HEMT モデルと無損失回路による F 級増幅器の入出力電力特性および効率特性のシミュレー図 14 試作した F 級電力増幅器の入出力電力特性およびション結果（３次高調波までのスタブ＋調整）効率特性の測定結果 (Vd = 25 V, Vg = –5.5 V @ 5.8 GHz) （ Vd = 25 V, Vg = –5.5 V @ 5.72 GHz） -5- [8] Agilent Technologies, “ADS Documentation, user manuals, ” Version ADS2008. 6. まとめ 5.8 GHz 帯のマイクロ波を利用した宇宙エネルギー利用システム（ SSPS）の送信用電力増幅器として利用が期待される F 級増幅器に関して，現状の研究進行状況の報告を行った．先ず，F 級増幅器の原理に関して述べ，それを 5.8 GHz 帯で実現する際に，トランジスタ素子の寄生成分および回路基板の損失等が高調波処理に悪影響を及ぼすこと，そしてこれらを考慮して設計する手法について述べた．以上を考慮して 5.8 GHz 帯の F 級増幅器の試作を行い，5.72 GHz で最大ドレイン効率 76.5 %，最大電力付加効率 68.7 %，ドレイン効率最大時の出力電力 33.9dBm という良好な特性を得られている．今後，素子構造の改善および回路構造の更なる最適化により，更なる効率の改善を目指す．謝辞 F 級増幅器の試作にあたり，回路樹脂基板の試作に関して御協力下さった YKC に感謝致します．また，本研究の推進にあたり御協力頂いた徳島大学の大野泰夫教授，パウデックの河合弘治氏に感謝致します．なお，本研究は H19 年度 JAXA 委託業務の一環として行われました．文献 [1] 高田賢治，津田邦男，石川亮，本城和彦，久田安正，“SSPS 用 GaN 半導体デバイスの試作結果，” 第 17 回宇宙太陽発電時限研究専門委員会研究会， no. SPS2007-03, pp. 11-17, Apr. 2007. [2] F. H. Raab, “Class-F power amplifiers with maximally flat waveforms,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 45, no.11 pp.2007-2012, Nov. 1997. [3] V. Radisic, Y. Qian and T. Itoh, “Novel architectures for high-efficiency amplifiers for wireless applications,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 46, no. 11, pp. 1901-1909, Nov. 1998. [4] P. M. White, “Effect of input harmonic terminations on high efficiency class-B and class-F operation of PHEMT devices,” IEEE MTT-S Int. Symp. Dig., pp. 1611-1614, Jun. 1998. [5] M. Seki, R. Ishikawa, and K. Honjo, “Microwave class-F InGaP/GaAs HBT power amplifier considering up to 7th order higher harmonic frequencies,” IEICE Trans. Electronics, vol. E89-C, no. 7, pp. 937-942, Jul. 2006. [6] 相川清志，本城和彦， “集中定数素子のみから構成されたマイクロ波 F 級増幅回路の設計法，” 電子情報通信学会論文誌Ｃ， vol. J87-C, no. 12, pp. 1008-1016, Dec. 2004. [7] A. Chokki, Y. Shinohara, R. Ishikawa, and K. Honjo, “Finger length optimization for AlGaN/GaN HEMT and InGaP/GaAs HBT by using FDTD electromagnetic and device co-simulation technique,” Proc. Int. Conf. Solid State Devices and Materials, pp. 298-299, Sept. 2007. -6-