考察

電気連成シミュレーションおよび4.5.1項の前半でfRFの選定の理由として述べた。

シミュレーションにおいても，4.3 節のようにロードプルシミュレーションとソ ースプルシミュレーションの結果からfRFが 5.85 GHzから6.75GHzの間で最適な インピーダンスに合わせた入出力整合回路を設計し，AM‒PM 歪の算出は帯域外

の5.8 GHzで実施した。その結果AM‒PM歪は帯域内での発生量よりも大きくな

ったが，実験で用いた RF パワーアンプの整合回路を正確にモデル化できていな かったものと考える。

本実験では，整合回路をパッケージ内にもつ市販のGaN HEMTを用いたため，

整合回路をシミュレーション用に新たに設計した。実際の RF パワーアンプの設 計においては整合回路の情報を入手できるので，インピーダンス整合状態を精度 よく把握することが可能である。

4.7.3. GaN HEMTの電気モデルの精度

本論文で作成したGaN HEMTの電気モデルの精度については，4.3節で述べた ように，P_RFoutおよびEffについて 表 4-1に示したTGI5867-25の性能表とシミュ レーション値を比較した結果，PRFoutは同等，E_ffの差は5%であり，大電力動作時 における発熱量は妥当なものであると考える。

低電力レベルにおいては，実験結果とシミュレーションを比較するために，図

4-28 に Effと PRFoutの関係を示した。シミュレーション値は図 4-7(c)と(d)から求

め，実測値は図 4-26(a)と(c)から求めた。PRFout = 5 Wの時にEffは，実験とシミュ レーションで，それぞれ，22.5%と27.4%であり，約5%の誤差が生じることにな る。

図 4-28 RFパワーアンプの電力効率のシミュレーションと実測の比較 Fig. 4-28 Comparison between measured and simulated Eff of RF power amplifier.

低電力レベルでのGaN HEMTの電気モデルの精度向上は，温度を変えながらS パラメータを測定することで可能となる[3]。その際は，今回の実験で用いたよう なパッケージ品ではパッケージ内部の部品の温度特性が含まれてしまうので，

GaN HEMTチップ単体を評価する必要がある。また，スケールダウンしたチップ

を用いる場合には，熱モデルへの影響に注意する。

4.7.4. GaN HEMTの熱モデルの精度

熱モデルの精度を考察するために，実験における GaN HEMT の TCHを推定す る。まず，図 4-26(a)のPdisを近似式(4-6)で表す。



 



 



 



 





 



 



 



 





360 2 112

2 cos 29 . 0 360

2 7 cos 36 . 1 85 .

11 π f t π f t

P_{dis M M}



 



 



 



 



360 3 96

2 cos 24 .

0 π f_Mt

(4-6)

この時，図 4-29(a)の通りに近似式は実測値をほぼ再現している。次に GaN

V_DD= 20 V f_M= 2.5 MHz For measurement

I_DDset= 0.53 A (V_GG= − 3.0 V) f_RF= 5.8 GHz For simulation

I_DDset= 0.53 A (V_GG= − 2.68 V) f_RF= 5.8 GHz 6

Eff(%)

4 P_RFout(W) 40

0 20 30

10

2 3 5

0 50

Measurement

1

Simulation

HEMTの熱モデルにPdisに相当する熱量を印加する。具体的には，図 2-2に示す 熱等価回路に近似式(4-6)の各項に相当する電流源を接続する。こうして求めた TCHの変化が図 4-29(b)である。TCHのヒステリシス量はt = 0.25TMとt = − 0.25TM

におけるTCHの値から0.5 Kである。シミュレーションでは図 4-9に示す通り2.8

Kであった。また，AM‒PM歪のヒステリシスはシミュレーション値3.5度，実測 値3度であった。T_CHのヒステリシスとAM‒PM 歪のヒステリシスの比から，実 測では TCHのヒステリシス量が最大 4.8 倍異なっている可能性がある。ヒステリ シスの量は，(3-12)に示したように，熱抵抗の大きさだけでなく熱RC並列回路の 時間定数とfMの関係も影響する。温度変化における数MHzの時定数は，文献[25]

ではGaN HEMTチップ内の温度変化に関係することが示されており，これはGaN

HEMTチップ内の熱源配置がTCHのヒステリシス量に関係することを意味する。

本論文ではチップ構造を文献[37]と[38]から類推して作成した熱等価回路を採用 した。実設計においては，チップ構造を正確に把握することで熱モデルの精度向 上が可能である。

図 4-29 実測結果と熱等価回路から推定したGaN HEMTの温度変化

Fig. 4-29 TCH variation of GaN HEMT in RF power amplifier estimated from measured Pdis

and thermal equivalent circuit. (a) Measured and approximated Pdis. (b) Estimated TCH

variation of GaN HEMT.

(a)

−0.5 0 0.5

t(×T_M)

−0.25 0.25 Pdis(W)

13 14

12

0 0.5

−0.5 0 0.5

t(×T_M)

−0.25 0.25

(b) 10

11 T(t) − T(0)CHCH

(K)

−0.5

−1.0

−1.5

−2.0

0.5 K Measurement

Approximation