高調波リアクティブ終端技術を用いた高効率増幅器・整流器...
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高調波リアクティブ終端技術を用いた高効率増幅器・整流器に関する研究
リアクティブ終端高調波処理 5.6 GHz帯 高効率GaN HEMT増幅器
Class-J
tt
Class-C
t
Class-F
t
Class-E
・高効率マイクロ波電力増幅器
VdsIdsG
D
S
トランジスタでの電圧・電流波形
波形の重なりを無くす → 高効率化
小川 智史、北村 淳、眞下 和樹、町田 港 電気通信大学
構成
λ / 4 終端開放スタブを用いて各高調波をリアクティブ終端
高調波処理次数 ソース側: ２次 ロード側: ４次まで
基板: アルミナ 厚さ: 0.5 mm 比誘電率: 9.8 誘電正接: 10 – 4
性能
最大PAE: 79%最大ドレイン効率: 90%飽和出力: 33 dBm @5.65 GHz
最大PAE＞76% @5.54 ~ 5.67 GHz最大ドレイン効率＞85% @5.53 ~ 5.68 GHz
= 1 = + cos + cos
= + 2 sin( + )
= + 2 sin( + + )
+ cos = 0
cos = 0
(n≧2)= ±90°
0.5 1.0 2.0 5.0 10 20
1.0-1.0
=240°=210°
=150°=120°
= ±90°
波形制御 高調波制御
電圧・電流波形のひずみ波交流表記
トランジスタでの平均消費電力
高効率動作条件
高調波リアクティブ終端
: 90 ~ 270°の範囲で調整
0( ) ≥V tDS
0( )I t ≥DS
I
V
Input power (dBm)
Out
put p
ower
(dB
m)
0
20
40
80
-10
10
30
40
40-10 20
Pout
PA
E, D
rain
effi
cien
cy,
D (
%)
ηηD
10
20
0
Solid lines: f1Dashed lines: f2
30
60
PAE
0
f1 = 4.49 GHz, f2 = 8.42 GHz,VDD1&2 = 40 V,VGG1 = -2.52 V,VGG2 = -2.8 V
PAE
各動作帯高調波処理増幅器
f1
f2
λ1/4l1 =
λ2/4l2 =
Z0, l1
(Z0 = 50 Ω)Z02
, l1
Z01
, lx1
Z0, l2
Z04
, l2
Z03
, lx2
f1 = 4.5 GHzf2 = 8.5 GHz
帯域外除去回路
構成
各帯域の高調波リアクティブ終端高効率増幅器の入出力に帯域外除去回路を接続
高調波処理次数各ソース側：２次各ロード側：３次まで
基板：樹脂 （MEGTRON7） 厚さ：0.4 mm 比誘電率：3.4 誘電正接：0.002
性能
最大PAE: 61%最大ドレイン効率: 64% @4.49 GHz
最大PAE: 41%最大ドレイン効率: 54% @8.42 GHz
40
20
-60
-20
60
0 5 10 15 25
Out
put p
ower
(dB
m)
Frequency (GHz)
-40
f1 f2
2f1
20
3f12f2
0
Pin@f2 = 32 dBmPin@f1 = 29 dBm
4f1 5f1
f2-f1
近接帯域妨害信号を–38 dBc 以下に低減
4.5/8.5 GHz帯 コンカレントデュアルバンドGaN HEMT増幅器
4.7 GHz帯 広帯域高効率GaN HEMT増幅器(２周波最適化設計) トランジスタ増幅・整流動作の類似性
構成
２,３次高調波両短絡用Ｔ型開放スタブを利用し、２周波に対して高調波リアクティブ終端を実現
高調波処理次数 ソース側：各々２次 ロード側：各々３次
基板： 樹脂(MEGTRON7) 厚さ：0.4 mm 比誘電率：3.4 誘電正接：0.002
性能
最大PAE: 65% 最大ドレイン効率: 71% @4.6 GHzドレイン効率≧60%@4.52 – 4.94 GHz
- 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
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
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)
基本動作原理
- 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
Vs2
GaAs 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
5.4 GHz帯 DC-RF/RF-DC GaN HEMT相互変換モジュール
VGG VDD
4.3 4.4 4.6 5.1
PA
EM
AX,
D M
AX (
%)
η
周波数 (GHz)
4.5
PAEMAX
Gain
4.94.84.7
ηD MAX
40
50
30
20
10
80
0
10
60
80
50
30
0
70
5.0
60
70
20
40
Gai
n (d
B),
Pou
t (dB
m)@
Pin
= 2
7 dB
m
Pout
実線: 測定破線: シミュレーション
VDD = 40 VVGG = -2.5 V(Meas.)
= -2.8 V(Sim.)
3 次高調波までの2 周波高調波処理
2 周波基本波整合
fhi1
flo1or
4.5/4.9 GHz ２周波切替式高効率GaN HEMT増幅器
構成
２次高調波短絡用スタブ(２周波の中間周波数で近似)の特性インピーダンスを変化させて、基本波リアクタンスを切り替え、２周波切替動作を実現
基板：樹脂(MEGTRON7) 厚さ：0.4 mm 比誘電率：3.4 誘電正接：0.002
性能
最大PAE: 62/66% 最大ドレイン効率: 66/70% 飽和出力 38 dBm @4.66/4.92 GHz
効率
flo fhi周波数
効率
flo fhi周波数
floorfhi
２周波整合 対基本波可変リアクタンス機能付
２次高調波短絡スタブ
接続−未接続切替による基本波リアクタンス切替
@ flo & fhi
λ0/8 stubs/4 stubs@ ≈
2flo + 2fhi2
λ
( )
ワイヤー接続 ワイヤー未接続
実線: 測定破線: シミュレーション
周波数 [GHz]
PA
E, ド
レイン効率
(ηD
) [%
]
VGG VDD
初期検討としてボンディングワイヤーで接続・未接続を切替