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高効率増幅器設計技術に基づく高効率トランジスタ整流器の実現
トランジスタ増幅・整流動作の類似性(時間反転双対性) 2.45 GHz帯および5.8 GHz帯GaAs pHEMT整流器
溝口 奨悟、藤牧 美咲子、大吉 一成、安井 吏 電気通信大学
- トランジスタ増幅回路 - - トランジスタ整流回路 -
RF出力
DC入力
RF入力
DC出力
同じ回路
整合回路
RF入力
VG
VG
高調波処理回路
高調波処理回路
整合回路
調整回路
整合回路
off
onVp
off
t
t
t
t
Tr.
理想 class-E増幅器
理想 class-E整流器
daυida
I0
V0
drυidr
I00-1
0
1
2
0 90 180 270 360
i da (a
.u. )
-0.20
0.20.40.60.8
0 90 180 270 360
daυ (a
.u.)
I0
V0
ON OFF
(deg)ωt
(deg)ωt
i dr (a
.u. )
1
-1
0
-2
0 90 180 270 360
-0.20
0.20.40.60.8
0 90 180 270 360
drυ (a
.u.)
–I0
V0
ONOFF
(deg)ωt
(deg)ωt
Tr.
例) 時間反転双対性
ドレイン側に同じ整合(高調波処理込)を接続
同程度の高効率動作
DC-RF 変換 RF-DC 変換V
トランジスタ増幅器( DC-RF変換)&
トランジスタ整流器( RF-DC変換)
RFin
DCoutVG
HEMT
基本動作原理
理想E級動作における電圧・電流波形の関係の例
RFin
DCoutVG
RF-
DC
変換効率
[%]
入力電力, Pin [dBm]
0
0.5
1
1.5
0
40
80
20-30 0
DC出力電圧
[V]
20
-10
2
10
60
f0 = 2.45 GHz,RL = 210 Ω,VG = -1.08 V
-20
- RF-DC変換効率およびDC出力電圧 -
77%
f0 = 5.8 GHz,RL = 230 Ω,VG = -1.14 V
RF-
DC
変換効率
[%]
入力電力, Pin [dBm]
0
0.5
1
1.5
0
40
80
20-30 0
DC出力電圧
[V]
20
-10
2
10
60
-20
- RF-DC変換効率およびDC出力電圧 -
67%
- 2.45 GHz帯GaAs pHEMT整流器 - - 5.8 GHz帯GaAs pHEMT整流器 -
厚さ : 0.75 mm, r: 3.7, tan : 0.002ε δ基板 : Megtron 6 (Panasonic)
厚さ : 0.3 mm, r: 3.7, tan : 0.002ε δ
●性能
●構成 ドレイン側を高調波リアクティブ終端することで高効率化 (高効率増幅器設計技術をそのまま流用)
2.45 GHz帯:5次高調波まで処理 5.8 GHz帯:4次高調波まで処理
最大RF-DC変換効率: 77% @2.45 GHz
最大RF-DC変換効率: 67% @5.8 GHz
-
5.4 GHz帯 DC-RF/RF-DC GaN HEMT相互変換モジュール 900 MHz 高ダイナミックレンジンGaAs pHEMT F級整流器
高調波処理次数ドレイン側:3次まで
基板:樹脂 (MEGTRON7) 厚さ:0.75 mm 比誘電率:3.4 誘電正接:0.002
- 増幅動作(DC-RF変換) -入出力・効率特性
RF入力電力 [dBm]
RF出
力電力
[dB
m]
0
20
40
60
80
5
10
30
35
300 20
Pout
PA
E, ド
レイン効率
, D
[%]
η
ηD
15
100
10
20
f0 = 5.36 GHz,VD = 20 V,VG = -4.1 V
25
5 15 25
実線: 増幅動作モード点線: 整流動作モード
76%
PAE
69%
利得・効率上昇
- 整流動作(RF-DC変換) -効率・出力電圧特性
RF入力電力 [dBm]
DC出力電圧
[V]
0
5
10
15
20
0
10
60
70
3510 20
VDC20
25
30
40
f0 = 5.36 GHz,RL = 220 Ω,VG = -6.1 V50
15 25
実線: 増幅動作モード点線: 整流動作モード
30
RF-
DC変換効率
[%]
30
35
ηRF-DC2η
ηRF-DC
上昇
66%
36%
RF入力 RF出力
RF入力
DC出力
VG
DC入力 (VD)
GaN HEMT (東芝)
基板:ドレイン側:アルミナ(厚さ 0.5 mm) ゲート側:Megtron 6 (Panasonic, 厚さ 0.4 mm)
Vs1
Vs2GaAs pHEMTs
ボンディングワイヤー
増幅動作モード
Vs1: 0 V, Vs2: -1.8 V
Vs1: -1.8 V, Vs2: 0 V整流動作モード
単層キャパシタ
Vs2
Vs1
GaN HEMT側ゲートバイアス
回路側
RFオフ(50Ω)
ゲート側にインピーダンススイッチ回路を接続し、DC-RF(増幅)、RF-DC(整流)各変換モードが切替え可能
● 構成
ドレイン側は4次高調波までリアクティブ終端処理(5.6 GHz高効率GaN HEMT 増幅器の回路を流用)
●性能増幅動作(DC-RF変換):最大ドレイン効率 = 76% @5.36 GHz整流動作(RF-DC変換):最大RF-DC変換効率 = 66% @5.36 GHz
0
1
2
3
4
5
6
7
0
10
20
30
40
50
60
70
-10 -5 0 5 10 15 20
直流出力電圧
[V]
RF/D
C 変換効率
[%]
入力電力[dBm]
fo = 850MHz
9種類の回路
0
100
200
300
400
500
600
700
0
10
20
30
40
50
60
70
10 12 14 16 18 20 22 基本波インピーダンス
ZL, 直流抵抗
R[Ω
]
RF-D
C率効
換変
[%]
入力電力[dBm]
各入力電力における最大効率の分布(実測)
□直流負荷抵抗R
△入力インピーダンス ZL
○RF-DC変換効率
RF-DC変換効率 > 55% @ 6~22 dBm2種類の回路で広ダイナミックレンジを実現
第1段階として、基本波終端インピーダンスをチップ素子付け替えで複数サンプル作製
F級高調波終端条件を保ちつつ、基本波インピーダンス終端値を変化させ、電圧波形を変えずに電流波形を相似変化
↓高効率動作点の電力値可変化