37
3－1
定設計手法
定
本章 示 設計手法 世 宇 用固体電力増幅器 電力増幅回路部 宇 空間 効率動作
必要 設計 ッ あ 章 示 作製 評価手法 わ
宇 用 信 確度 設計 作製 評価 実現 い 本設計 ッ
Fig. 3-1 示 う 遥 宇 環境耐性評価 特性
得 化 周波回路設計 電磁界解析 作製 評価 い 各段階 構成 各設計 ッ 明 X帯 20W級宇 用電力増幅回路 関
細 記
Fig. 3-1 Flow chart of proposed method with respect to the realization of high-efficiency and space-use amplifiers.
38
3－2
定イス選
3－2－1定
搭載用 イス し 考慮すべき項目
本研究 GaN HEMT 着目 宇 環境耐性 優 型軽 効率 世 宇 用電力
増幅回路 実現 目指 い え GaN HEMT い 種類 様々 あ
宇 用電力増幅回路 適用 あ 各点 い 考慮 必要 あ
形状
定 形状 主 ッ 化 い HEMT 出 ッ
あ 関連 部 あ 特 X帯 周波数 ッ
化 部 利得 大 く く 形状 遥択 要
一方 ッ 用い 場 出 い 扱い
く ワ ン ン 含 実装技術 必須 部 固着 用い
熱伝 率 自身 動作温度範 や熱真空環境 振 舞い 影響 え得 適 質 遥択 実装方法 用 宇 用電力増幅回路 い 要
定 GaN HEMT 外部 型 内部 型 存 ッ
全 前者 相当 ッ 品 場 内部 型 大半 あ 中 外部 型 ッ 品 存 HEMT自身 ン ン い 増幅回路 用 い 場 望 動作周波数 50 Ω 入出力 回路 必要 内部 型 本来HEMT 持 広帯域 利得特性 中 あ 帯域 限
回路 ッ 内部 含 ッ 入出力面 50 Ω 状態
回路 内部 存 既 50 Ω い 周辺 調 回路
基本的 要 増幅回路 実装 容易 全体 型化 大い
献 民生品 ッ 品 宇 用 特化 い い
動作帯域 数GHz程度 広く 帯域幅 広く 利得 く 宇 通信 用い
周波数帯域 性能 向 い 宇 通信用 特化 内部
型 得 ッ 大 い 宇 通信 場規模 う
開発 くい 外部 型 用い 宇 通信 特化
回路 外部 設 方 特性 向 いう 現状 あ 外部
型 場 周辺回路 特性 調 関 自 度 飛躍的 昇 同 増幅回路 実装や調 内部 型 困 意味
動作電
定 現 GaN HEMT 動作電 ン電 28 V,系 48 V系 主 あ
10 V 主流 GaAs 比較 場 電 動作 動作電 遥
宇 機 電源電 ン ン 電 動作 放電 等 考慮
39
宇 機 電源電 あ 大型衛星 +32.5 +52 V 非安 直流電
源 大学衛星等 型衛星 +22 +36 V 非安 直流電源 一般的 用い
GaAs 比較 場 GaN 電源電 適 性 い 言え ン
ン 関 同 RF 出力 考え 場 動作電 い程 電流値 く
ン ン く 部 述 う RF回路 入出力 回路
50 Ω 自身 ン ン 50 Ω 近 近い程
容易 出力電力 依存 点 動作電 遥 い
要 電 動作 真空移行中 電 層 放電 放電
現象 関 述 宇 機 ッ 打 度 共 真空度 く
遤移期間 存 電 層 存 電 機器 放電
存 考え い 主 10^2 V 電 動作
[5-1] kV 動作 行うTWTA 特 注意 必要 従来 GaAs 用い SSPA
特 考慮 必要 無 GaN 動作電 電 化 進 考え い 無視 く 能性 出 く 動作電 遥 い 考慮 必要 あ
出力電力
定 遥 い 単体 扱う出力電力 要 GaN GaAs
比較 優 物性値 単素子 大電力 扱え ッ 活
能 限 大 出力電力 一 扱う 増幅回路全体 型化や
効率化 効手段 一方 飽和領域 過 荷 動作 故
や 影響 ン 考慮 複数 並列 用い
い 観点 必要 並列 配置 場 単一故 半
電力 確保 い ッ 存 加え 単素子 大電力 扱う場
HEMT 本数 増え 自体 ン ン 化 前述
通 50 Ω く い 課題 存 複数
用い 用い 回路規模 大型化 各素子 動作効率 増幅素子
GaAs くGaN 用い ッ 薄 い う
基板
定 GaN HEMT 構造 層 使用 基板 料 特性 大 く変わ
GaN on Si HEMT GaN on Sapphire HEMT GaN on SiC HEMT 主 種類 あ 基板 料 熱伝 率や ン ッ 等 動作温度範 や放射線耐性等 差 生 物 性値 優 SiC 宇 環境耐性 い 利 あ Si 比較
10倍
定 出力 や ッ 品 う い 部 関連 内容
一般 自身 大 く 機 環境耐性 劣化
40
自身 要 特 20mm角 超え う 場 振動 衝撃試 験 機 環境耐性評価 要 く 増幅回路全体 型化 考え
自身 能 限 い 望 い 言え
3－2－2定 X
帯搭載用 イス選 手法
定 前節 示 目 考慮 X帯搭載用 遥 手法 提案 提案手法 明 あ S帯地 用 電力増幅回路 外観 回路構成や特徴 Fig. 3-2 示 S帯地
用 特徴 比較 形 提案 X帯搭載用 特徴 Table 3-1
Fig. 3-2 示 う S帯 ッ 品 GaN HEMT 性能 民生品 多数
存 内部 型 あ 本研究 設計目標 足 う 容易 入手
加え 地 用 い Fig. 3-2 200 W級 2並列構成や 1 kW級
8並列構成 う 複数素子 並列 配置 大電力化 容易 あ
や 関 制約 宇 機搭載用 う 厳 く い 起因 あ 地
用 消費電力 関 電力 限 搭載用 う 厳 い要求 存 い Fig.
3-2 1 kW級 増幅器 示 う 電子冷 系 い 電力 消費 積極的 排熱手法 講
能 あ 大 く異 点 あ 大気 存 宇 空間
優 放熱環境 動作 能 あ 点 搭載用 大 く異 排熱環境 差
GaN HEMT 基板 遥択 影響 え 地 用 安価 熱伝 率 劣 Si基板
用 能 言え
う 点 踏 え X帯搭載用 遥 手法 提案 あ 何
要 点 ッ 品 内部 型 設計目標 足 能 X 帯 GaN
HEMT 現 民生品 存 い いう 考慮 い
挙 必然的 外部 型 ッ 遥択
GaN HEMT自身 型軽 化 GaN HEMT自身 機 環境耐性 優
得 ッ 実装や放熱特性 回路 含 増幅回路全体 型化 い 観点
設計 非常 困 結果 X帯 GaN HEMT 用い 増幅
回路 S帯 技術 全く異 度 要素 求 搭載用
制約 非常 厳 く 複数素子 並列 構成 大電力化 く
GaN HEMT 持 堅牢 物性値 活 単素子 大電力 扱い 型軽 効率化 目
指 必要 あ 加え 積極的 排熱手法 講 基本的 底面 接触熱伝
放熱 行わ い 放射線 過酷 環境 使用 求
搭載用 熱伝 率 ン ッ 等 物性値 優 SiC基板
遥択 必須 放電 考慮 動作電 28 V 系 用 適
あ 言え
本研究 X 帯搭載用 外部 型 ッ 中
ン ン 構成 望 出力 得 大出力 遥 型軽 化 効
率化 目指 熱伝 率や ン ッ 等 物性値 関 宇 環境耐性 考慮 SiC基板
用い GaN on SiC HEMT 遥 提案
41
(a) S-band, 200-W amplifier (b) S-band, 1-kW amplifier
Fig. 3-2 S-band amplifiers for earth station, (a) 200-W amplifier, (b) 1-kW amplifier.
Table 3-1 Comparison between S-band terrestrial application and X-band space application of GaN HEMTs by type, matching, structure and substrate.
S-band terrestrial application X-band space application Type Package
Mounging: ○ (easy)
Size: large
Heat release: ○ (good)
Bare chip
Mounting: not easy)
Size: ○ (small)
Heat release: not good Matching Internal matching
Amplifier size: ○ (small)
Mounting: ○ (easy)
Design flexibility: given characteristics wide band, low Gain
External matching
Amplifier size: not small
Mounting: not easy
Design flexibility: ○ (good (narrow band, high Gain)
Structure Parallel (low power device)
Size, efficiency: not small, not high
Redundancy, reliability: ○
Single end (high power device)
Size, efficiency: ○ (small, high)
Redundancy, reliability:
Substrate Si
Space applicability: low thermal conductibity, narrow band gap
Cost: ○ (low)
SiC
Space applicability: ○ high thermal conductibity, wide band gap
Cost: (high)
42
3－3
定高出力 イスにおける
RF DC特性取得
定 外部 型 GaN HEMT 実 特性 得 手
非線形 構築 GaN HEMT 動作点 周波特性 信 特性 動作点
含 電 ン電 条件 変化 DC Direct current：直流
特性 得 必須 周波 出力 GaN HEMT 測 RF DCい
い 周波 出力 比較 い程 困 あ Fig. 3-3
特性 得 治 や測 系 ッ ッ 示 RF特性 関 同 示 測 回 路 大 得 特 性 大 く 影 響 え VNA Vector Network
Analyzer： ッ ワ RF特性 得
測 能 測 用 動作周波数 50 Ω ン 構成 回路治 必要
ッ ン い GSG Ground-Signal-Ground
直接接続 場 例外 出力 本数 複数
測 用 回路 基本的 必要 あ GaN HEMT 端面
ン ン RF特性 得 測 用 回路治 や ッ
場 ン ン ワ 影響 除く必要 あ TRL Through-Reflect-Line 校正
や ン ッ ン 外 周波数特性 引 算 や
ン 測 行い 望 間領域 特性 出 周波数特性 再度変換
等 [3-1][3-2][3-3] 測 用治 大 く 50 Ω ン 長 長く
治 射 影響 周波側 現 調波周波数 い 影響 出 う 影
響 除く 非常 く RF 特性 得 測 用治 能
限 く 治 射 影響 動作周波数 周波側 現 う 必要
一方 測 用 回路治 い 示 DC特性 得 熱 影響 壊 う いう問題 生 う RF 特性 得 信 特性 得
い 熱 影響 故 正 く実装 い 限
起 い
DC特性 Fig. 3-3 示 う 半 体 供給 電
ン電 制御 測 行う 出力 測 あ 半 体
内部電源 供給電 電流値 足 出力 測
内部電源 特 ン側 供給電流値 足 同 示 外部電源 必須
半 体 外部電源 制御 [3-4] 出力
DC特性 得 い 特 気 付 い点 示 通 熱 影響
あ DC特性 測 電 条件 変化 各 電 条件
ン電 測 条件 増や 長 間 渡 測 行う 蓄
積 熱 振 舞い 変わ う や 場 自身 壊
う 起 熱 影響 抑え う 治 治 底
面 冷 系 熱 伝遉 行わ 測 系 組 や 熱 蓄積 い測 条件や測
数 必要 電 電流 ン側 電 連
続的 的 考え 熱 影響 化 観点
43
理想 [3-5] 治 十 大 く 熱抵抗 底面 電子冷 等
温 保持 続 自身 扱え 電力 限界値 超え 条件 い 温度
限界 遉 必 壊 う 測 条件 設 ン側 供給電
電流値 積 値 気 付 必要 あ
端面 周波特性 得 極力 型 測 用治 用い
外 特性 適 除外 DC特性 得 極力大型 放熱特性 優 測
用治 熱 影響 適 除く 共 考慮 RF DC 各々 特
性 得 行う 要
定 Fig. 3-4 Fig. 3-5 外部 型 ッ GaN on SiC HEMT：TGF2023-05 TriQuint
RF特性 信 S 振幅 相 DC特性 測 結果 各々示 測 系
制約 回 DC特性 得 い 連続的 ン電 行 い
熱 影響 特 電流領域 生 い 回 動作点 考え 近辺
振 舞い 非線形 構築 い 要 測 ン い 基
振 舞い 表 非線形 構築
定
(a) Measurement circuits and measurement equipment
(b) Block diagram
Fig. 3-3 Measurement system specifications of GaN HEMT’s RF and DC characteristics, (a) measurement circuits and equipments and (b) block diagram.
44 (a) Magnitude
定 定 (b) Phase
Fig. 3-4 (a) magnitude and (b) phase of S-parameters versus operation frequency under the condition of Vd=28 V and Idset=0.5 A as measurement RF characteristics of GaN HEMT (TGF2023-05). S11 and S22 show the reflection characteristics at input and output ports. S21 means the transmittion characteristics from input port to output port.
[ ]
[ ] [ ]
S11 S21 S22
[ ]
[ ]
S11
S21
S22
45
Fig. 3-5 Drain current (Id) versus drain voltage (Vd) when gate voltage (Vg) is swept from -4.0 V to 0.0 V as measurement DC characteristcs of GaN HEMT (TGF2023-05).
3－4
定 X帯搭載用 イスの非線形 構築
定 本研究 い 得 特性 基 い 非線形 構築 Iltcho
Angelov氏 提案 Angelov Nonlinear GaAs FET Agilent社 周波
回路 ADS Advanced Design System 内 得 込
出 行う Angelov Nonlinear GaAs FET 等価回路 各 義 各々Fig.
3-6 Table 3-2 示 [3-6][3-7] 出 あ GaAs 象
あ 特 ン ン 差 関 抵抗値や動作電 差 関
ッ 電 耐 出力 あ 起因 ン 値等
大 く異 う 揃え 細 出
行う必要 あ 非線形 構築 い 何 用い いう
加え 自体 変更 加え い 周波特性 S-parameter
Y-parameter 測 一 DC特性 測 一 測 一
い部 関 視 化 い 評価 要 本研究 各
適 変更 GaN 振 舞い 得 い 自体
変更 加え い い 測 値 一 い部 い 動作点や動作周波数近辺
振 舞い 能 限 一 方針 調 行 い Fig. 3-7 Fig. 3-8
S-parameter 振幅 相 Y-parameter 実部 虚部 関 測 値 構築 非線
[ ]
[ ]
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
Maximum
handling power
46
形 基 く ン値 比較 示 Fig. 3-9 同様 DC特性 測 値
構築 非線形 基 く ン値 比較 示 周波特性 全
動作周波数領域 あ 18 GHz 特性 比較 い Y-parameter 周波側領域 一部 誤差 生 い 部 広帯域 渡 構築 非線形 基 くRF特性 測
値 一 い 一方 DC特性 示 通 回 測 連続的
ン電 用い あ 特 ン電流 2 A 超え 領域
電流値 降 ン電流 ン電 傾 測 値 い
化 熱 影響 補正 傾 正 い 回 動作点
ン電 28 V 電 -3.5 V前 ン電流=0.5 A あ 領域 振
舞い 一 視 い 得 特性 基 望 動作周波
数 動作点 増幅回路設計 用い 能 GaN HEMT 非線形 GaAs FET
構築 能 あ 確
Fig. 3-6 Equivalent circuit of Angelov nonlinear GaAs FET model.
47
Table 3-2 Parameter description of Angelov nonlinear GaAs FET model.
Name Description Ids Drain-source current Igs Gate-source current Igd Gate-drain current Vdsc Drain-source voltage Vgsc Gate-source voltage Vgdc Gate-drain voltage Cds Drain-source capacitance Cgs Gate-source capacitance Cgd Gate-drain capacitance
Cgdpe External gate-drain capacitance Ri Gate-source resistance
Rgd Gate-drain resistance
Rc Resistance for frequency dependent output conductance Crf Capacitance for frequency dependent output conductance Rcin Resistance for frequency dependent input conductance Crfin Capacitance for frequency dependent input conductance Rd Drain resistance
Ld Drain inductance Rg Gate resistance Lg Gate inductance Rs Source resistance Ls Source inductance