P2-126

PROCYON搭載X帯SSPAにおける
GaNを用いた高効率電力増幅回路モジュール
小林雄太，吉田賢史（JAXA），福田豪，甲斐誉史朗（東京理科大学），野地拓匡（首都大学東京），
長谷川直輝（京都大学），川崎繁男（JAXA）
研究背景・目的
非線形モデルの構築
• GaN HEMTデバイスのRF・DC特性に基づき，
Angelov GaAs非線形モデルのパラメータ抽出を行い，
GaN HEMT非線形モデルを構築
Angelov GaAs非線形モデル
0
S21
-8
-10
10
-10
Magnitude
1
3
5
7
9
11 13 15 17
S21 [dB]
S22
-4
-6
180
20
S11
-20
4
90
S21
0
0
S11
-90
-180
5
180
Phase
90
1
3
5
3
2
-90
S22
Freq [GHz]
Id [A]
30
-2
S11, S21, S22 [deg]
S11, S22 [dB]
0
1
7
9
11 13 15 17
-180
0
0
5
10
Freq [GHz]
Measurement
Nonlinear model
RF特性
15
20
Vd [V]
25
30
35
DC特性
増幅回路設計・製作・宇宙適用を考慮した実装
Port3
ボンディングワイヤ
（Au，φ25um）
銅箔
GaN HEMT
基板（AD1000）（銅箔厚35um）
Port2
Port1
銅箔
銅ケース
ソルダーペースト
（Sn‐3.0Ag‐0.5Cu）
ソルダーペースト
Sn-3.0Ag-0.5Cu ＞金スズ（Au-20Sn）＞共晶はんだ（Sn-37Pb）＞銀ペースト
64 W/(m・K)
57 W/(m・K)
54 W/(m・K)
25 W/(m・K)
(a)スルーホールを用いた実装
(b)宇宙適用を考慮した実装
熱解析による放熱特性の比較
底面ケース
銅
＞
400 W/(m・K)
銅モリブデン（CuMo）
182～280W/(m・K)
＞
アルミ
218 W/(m・K)
• 凸型加工銅ケースへの直接実装による高熱伝導率な構成によって優れた放熱特性を実現
• 凸型の加工により金属同士の接触面が無くなり，振動環境・真空環境でも放熱特性に影響は無い
回路レイアウト図
電磁界解析による電流分布の様子
増幅回路評価
バイアス条件によるRF特性の改善
基本RF特性
0
S22
-20
S31
-40
-40
3
5
7
9 11
Freq [GHz]
13
15
関連研究との比較
Measurement
Nonlinear model
50
40
40
30
30
Pout
20
PAE
Gain
設計値と実測値の比較
20
10
Pmax
PAE Max
10
10
15
20
25
30
28
Vd [V]
30
32
35
0
8.4 GHz
Meas.
Sim.
42.6 dBm 42.9 dBm
47.3 %
51.7 %
最大出力 42.6 dBm
最大PAE 47.3 %
＠8.4 GHｚを実現
40
30
Pout
20
10
0
Pin[dBm]
入出力特性
50
30
PAE
20
Gain
10
10
15
20
25
30
35
50
50
60
8.4 GHz
8.425 GHz
8.45 GHz
50
PAE [%]
Pout[dBm],Gain[dB]
26
検証したバイアス条件
60
40
0
Vg=-3.8V
Vg=-3.7V
Vg=-3.6V
Vg=-3.5V
Vg=-3.4V
0
24
小信号特性
50
0.4
0.2
-60
17
Pout[dBm], Gain[dB], PAE [%]
1
0.6
PAE [%]
-50
0.8
Id [A]
S21
-30
Pout[dBm],Gain[dB]
-20
Vd: 28 V, Id: 0.5 A
S21, S31 [dB]
S11, S22 [dB]
S11
-10
RFユニット評価
1
20
0
• ドレイン電圧，ゲート電圧の
バイアス条件を変更し，特性
を評価
• Vd 30 V, Vg -3.8 Vのバイア
ス条件で，最大PAE48.0 %
（＠8.4GHz）を実現
40
40
Vd:28 V
Vd:30 V
30
30
20
20
10
10
0
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
0
0
5
0
• ドライバーアンプ・
アイソレータを含む
RFユニット全体の
評価を実施
• RFユニットとして，
利得44.5 dB，
最大効率41.5 %
を実現
Pin[dBm]
Pin[dBm]
Vd 30 V，Vg -3.8 Vでの入出力特性
SSPA EM評価
X帯SSPA実績機器との比較
Spacecraft
Name
SSPA EM外観
基本性能
測定項目
出力レベル
High
出力レベル
Low
スプリアス
高調波
質量
総合効率
消費電力
測定値
備考
熱真空試験
+41.8 dBm Ch. 35
+30.5 dBm Ch. 35
-70.1 dBc
-29.0 dBc
1470g
32.3 ％
46.8W
Fc+70.5kHz
3次
High時
電源電圧+36V
振動試験
衝撃試験
放射線試験
環境試験結果
After thermal vacuum
After vibration (Sine)
After vibration (random)
After shock acceleration
After radiation
Pout [dBm]
41.7
41.8
41.8
41.7
41.8
Power consumption [W]
45.4
46.1
44.6
43.9
46.1
Total efficiency [%]
32.6
32.6
33.8
33.4
32.5
• EMの環境試験を通して，特性の劣化は見られず，宇宙環境耐性を確認
Agency
HAYA
BUSA
JAXA
PLANET-C
JAXA
GOSAT,
ALOS-2
SPOT,
HELIOS,
SKYNET
JAXA
ESA
SPOT-5
ESA
MER
NASA
PROCYON
JAXA
PA type
GaAs
SSPA
GaAs
SSPA
GaAs
SSPA
GaAs
SSPA
GaAs
SSPA
GaAs
SSPA
GaN
SSPA
RF
output
power
[W]
Size
[mm]
Weight
[kg]
Power
consumption
[W]
Total
efficiency
[%]
20
310*185*35
266*176*27
1.45
1.03
92.7
21.6
10
271*150*80
1.9
44.5
22.5
20
313*147*142
2.05
98
20.4
22
220*140*84
1.5
90
24.4
22
271*160*70
1.5
91
24.2
17
174*134*47
1.37
66
25.8
15
150*120*62
1.47
46.8
32.3
世界最高性能のSSPAを実現
• GaN HEMTを用いたX帯SSPAの世界初となる宇宙実証をPROCYONプロジェクトにおいて行う予定である
• 本成果は今後の超小型深宇宙探査におけるバス機器の役割を担い，更には大型衛星へと発展していくと言える
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