89
Fig. 5-1 Block diagram of measurement system in radiation test. DUT means device undere tested, CPL means coupler, ISO means isolator and ATT means attenuator. The components in irradiation chamber except for DUT are protected by lead blocks.
Table 5-1 Comparison of power added efficiency (PAE), output power (Pout), input power (Pin) and Gain with respect to GaN HEMTs (F344, TGI7785-25L and NPT25015) between radition start time and radiation finish time.
Radiation start
0:00:00
Radiation finish 16:00:00
F344
PAE 37.8% 35.3%
Pout 40.4 dBm 40.0 dBm
Pin 30.7 dBm 30.5 dBm
Gain 9.7 dB 9.5 dB
TGI7785-25L
PAE 23.1% 21.6%
Pout 40.2 dBm 39.9 dBm
Pin 30.7 dBm 30.5 dBm
Gain 9.5 dB 9.4 dB
NPT25015
PAE 65.5% 43.8%
Pout 43.3 dBm 41.9 dBm
Pin 30.1 dBm 30.1 dBm
Gain 13.2 dBm 11.8 dBm
ATT CPL
CPL ISO ISO
DUT
Driver Amp.
Vd Vg
RF SW
90
Table 5-2 Comparison of the degradation of output power (Pout) and power added efficiency (PAE) between GaN on SiC HEMTs (F344 and TGI7785-25L) and GaN on Si HEMT (NPT25015) at the time of both after total ionizing dose (TID) test and after accelerated aging test.
GaN on SiC HEMT GaN on Si HEMT
F344 TGI7785-25L NPT25015
Pout PAE Pout PAE Pout PAE Radiation After TID -0.4 dB -2.5% -0.3 dB -1.5% -1.37 dB -21.7%
After accelerated aging
-0.35 dB +0.7% -0.07 dB -4.1% -0.64 dB -5.1%
Fig. 5-2 Input power (Pin), output power (Pout), Gain, power added efficiency (PAE) and drain current (Id) with respect to F344 (X-band GaN on SiC HEMT) versus time and total ionizing dose (TID) during TID exposure under the condition of operation frequency at 8.45 GHz with Vd=24 V and Idset=1.0 A.
[ ]
T [ ]
[] [][] [%] []
91
Fig. 5-3 Input power (Pin), output power (Pout), Gain, power added efficiency (PAE) and drain current (Id) with respect to TGI7785-25L (X-band GaN on SiC HEMT) versus time and total ionizing dose (TID) during TID exposure under the condition of operation frequency at 8.45 GHz with Vd=24 V and Idset=1.4 A.
[ ]
T [ ]
[] [] [] [%] []
T
92
Fig. 5-4 Input power (Pin), output power (Pout), Gain, power added efficiency (PAE) and drain current (Id) with respect to NPT25015 (S-band GaN on Si HEMT) versus time and total ionizing dose (TID) during TID exposure under the condition of operation frequency at 2.25 GHz with Vd=28 V and Idset=0.2 A.
[ ]
T [ ]
[] [][] [%] []
T
93 5－2－2定 熱真空試験
熱真空試験 搭載機器 要求 動作維持温度 基 く温度条件 真空領域 真空 度 条件 付 熱真空試験 い F344 (X-band, GaN on SiC HEMT) TGI7785-25L (X-band, GaN on SiC HEMT) NPT25015 (S-band, GaN on Si HEMT) 試験用増幅回路
300*400*10 mm 板 治 熱真空試験 ン 底板 固 熱真空試験
測 系 ッ Fig. 5-5 示
F344 常温真空 結果 比較 入出力特性 -20度 温 +60度 温
条件 連続動作 温度特性 Fig. 5-6(a) (b) 示 Fig. 5-7(a) (b)
TGI7785-25L 同様 結果 Fig. 5-8(a) (b) NPT25015 結果 示 Fig. 5-6(a) Fig. 5-7(a)
Fig. 5-8(a) 常温真空 基準 場 温真空動作 い 飽和出力電力 利得 向
大効率 比較 場 F344 PAE 6.5% 昇 TGI7785-25L 2.0% 昇
NPT25015 5.2% 昇 一方 温真空動作 い 飽和出力電力 利得 劣化
大効率 常温真空動作 比較 場 F344 PAE 3.4% TGI7785-25L い
1.7% NPT25015 い 5.9%各々 温度 特性 変化 温度 比例
電子 運動度 変化 結果的 温 ン電流 増加 温 ン電流
減少 起因 考え Fig. 5-6(b) Fig. 5-7(b) Fig. 5-8(b)
F344 TGI7785-25L NPT25015い 動作開始 約1 間 温度特性 常化 い
間 出力電力や利得 PAE 関 大 劣化 見 い い 測 い GaAs 比較 場 動作電 く 真空移行中 留大気等 影響 発生 放電 漸増 考え GaN 真空動作 い 電源系 結果 放電現象 見
結果 基板 遊い 熱真空試験 影響 評価 Table 5-3 各
熱真空試験 出力電力 PAE 変動 Table 5-3 GaN on SiC HEMT い 温側 常温真空 比較 大出力電力 PAE 向 各々0.9 dB 6.5% あ
GaN on Si HEMT 0.3 dB 5.2% い 一方 温側 常温真
空 比較 大出力電力 PAE 劣化 GaN on SiC HEMT 0.6 dB 3.4%
GaN on Si HEMT 0.4 dB 5.9% い 回 評価 い
熱真空環境 X帯GaN on SiC HEMT S帯GaN on Si HEMT 差異 見
熱 環境 厳 い条件 い 熱伝 率 優 GaN on SiC HEMT 利
あ 考え
94
Fig. 5-5 Block diagram of measurement system in thermal vacuum test. DUT means device undere tested, CPL means coupler, ISO means isolator and ATT means attenuator.
Table 5-3 Comparison of the differences of output power (Pout) and power added efficiency (PAE) between GaN on SiC HEMTs (F344 and TGI7785-25L) and GaN on Si HEMT (NPT25015) at the conditions of both high and low temperature in thermal vacuum test.
GaN on SiC HEMT GaN on Si HEMT
F344 TGI7785-25L NPT25015
Pout PAE Pout PAE Pout PAE
Thermal vacuum
High -0.6 dB -3.4% -0.5 dB -1.7% -0.4 dB -5.9%
Low +0.9 dB +6.5% +0.5 dB +2.0% +0.3 dB +5.2%
95
(a) Input-output characteristics
(b) Temperature characteristics (Low: -20℃, High: 60℃)
PAE
Gain Pout
25℃, 1.1E ‐ 3 Pa 60℃, 1.2E ‐ 3 Pa
‐ 20℃, 5.0E ‐ 4 Pa
[ ]
[ ] [ ] [ % ]
[ ]
[] [] [%] T[℃]
T ℃ ℃
96
Fig. 5-6 RF characteristics of F344 in thermal vacuum test, (a) output power (Pout), Gain and power added efficiency (PAE) versus input power (Pin) by comparing under the condition of 25 degC, 1.1E-3 Pa (solid line), 60 degC, 1.2E-3 Pa (broken line) and -20 degC, 5.0E-4 Pa (dotted line) with the operation frequency at 8.45 GHz, Vd=24 V and Idset=1.0 A, (b) output power (Pout), Gain, power added efficiency (PAE), chamber temperature and case temperature of both high and low temperature conditions versus time during thermal vacuum test under the condition of operation frequency at 8.45 GHz.
97
(a) Input-output characteristics
(b) Temperature characteristics (Low: -20℃, High: 60℃)
[ ]
[ ] [ ] [ % ]
T
PAE
Gain Pout
25℃, 7.9E ‐ 4 Pa 60℃, 1.1E ‐ 3 Pa
‐ 20℃, 1.5E ‐ 3 Pa
[ ]
[] [] [%] T[℃]
T T ℃ ℃
98
Fig. 5-7 RF characteristics of TGI7785-25L in thermal vacuum test, (a) output power (Pout), Gain and power added efficiency (PAE) versus input power (Pin) by comparing under the condition of 25 degC, 7.9E-4 Pa (solid line), 60 degC, 1.1E-3 Pa (broken line) and -20 degC, 1.5E-3 Pa (dotted line) with the operation frequency at 8.45 GHz, Vd=24 V and Idset=1.4 A, (b) output power (Pout), Gain, power added efficiency (PAE), chamber temperature and case temperature of both high and low temperature conditions versus time during thermal vacuum test under the condition of operation frequency at 8.45 GHz.
99
(a) Input-output characteristics
(b) Temperature characteristics (Low: -20℃, High: 60℃)
[ ]
[ ] [ ] [ % ]
T
PAE
Gain Pout
25℃, 1.7E ‐ 3 Pa 60℃, 1.3E ‐ 3 Pa
‐ 20℃, 5.2E ‐ 4 Pa
[ ]
[] [] [%] T[℃]
T T ℃ ℃
100
Fig. 5-8 RF characteristics of NPT25015 in thermal vacuum test, (a) output power (Pout), Gain and power added efficiency (PAE) versus input power (Pin) by comparing under the condition of 25 degC, 1.7E-3 Pa (solid line), 60 degC, 1.3E-3 Pa (broken line) and -20 degC, 5.2E-4 Pa (dotted line) with the operation frequency at 2.25 GHz, Vd=28 V and Idset=0.2 A, (b) output power (Pout), Gain, power added efficiency (PAE), chamber temperature and case temperature of both high and low temperature conditions versus time during thermal vacuum test under the condition of operation frequency at 2.25 GHz.
5－3 定 搭載用を考慮した実装方法の評価
宇 特 厳 い環境 考慮 実装方法 確立 向 凸型 加 底面 銅
熱伝 率 Sn-3.0Ag-0.5Cu 用い GaN HEMT 直接実装
搭載用 CW 出力動作 優 放熱特性 手法 提案 前章 い 熱
解析 通 放熱特性 優 確 素子 用い 大気中
温動作 SSPA ン ン 熱真空試験 振動 衝撃試験 通 宇 特 振 動や衝撃 真空 影響 放熱特性 変化 い 確 提案手法 効性 示
素子 用い 大気中 温動作 関 測 系 ッ Fig. 5-9
温度 衡点 遉 1 間 連続動作 出力電力 利得 PAE 底面温度 増幅回路
温度 Fig. 5-10 示 底面温度73.3度 い 増幅回路部 温度 85.5度
温度差 12.2度 温度 衡点 遉 1 間 連続動作 い 出力変動0.1 dB
いう安 動作 実現 CW 出力動作 放熱特性 優 実装方法 効性 確 宇 用電力増幅回路単体 無く 増幅回路 組 込 SSPA EM 実施
ン ン 環境試験 目 Table 5-4 Fig. 5-11 示 熱真空試験
初 1 目 常温 温 温 常温 いう温度変化 底面温度 増幅回路部 温度
真空度 Fig. 5-12 示 結果 熱真空試験 い 底面温度 増幅回路部
温度 昇 温側 -20 度 温側 +60 度 い い 12.0 度
素子 用い 温試験 比較 同等 温度 昇 い 真空環境 い 放熱特性 変化 生 い 確
SSPA EM 熱真空試験 正弦波振動試験 ン 振動試験 衝撃試験
試験 出力電力 消費電力 総 効率 実測値 Table 5-5 示 Table 5-5 ン ン 振動 衝撃試験 通 出力変動 0.1 dB
ッ 打 振動や 衝撃 提案 実装方法 放熱特性等 影 響 え 無く 安 動作 実現 能 あ 確
101
Fig. 5-9 Block diagram of measurement system in temperature test. DUT means device undere tested, CPL means coupler, ISO means isolator and ATT means attenuator.
Fig. 5-10 Output power (Pout), Gain, power added efficiency (PAE), case temperature and base plate temperature of the X-band, 20-W, space-use amplifier using GaN HEMT (TGF2023-05) versus time during high temperature test under the condition of operation frequency at 8.45 GHz.
[ ]
[ ] [ ] [ % ] T [℃ ]
[ ]
[ ] [%]
[℃]
[℃]
102
Table 5-4 Conditions of space environmental test with respect to an X-band 20 W-class SSPA including the amplifier using GaN HEMT (TGF2023-05), (a) radiation and thermal vacuum, (b) vibration (sine wave), (c) vibration (random wave) and (d) quasi-static acceleration.
(a) Radiation/Thermal vacuum
Radiation 10 krad (60Co)
Thermal vacuum -20 to 60 degC (4 cycles), < 1E-3 Pa
(b) Vibration (Sine wave)
Axis Freqency [Hz] Accelaration
X
5-20 40-70 70-100
49.05m/s20-P定 ｛5.0GO-P 147.2m/s20-P定 ｛15.0GO-P
49.05m/s20-P定 ｛5.0GO-P
Y
5-20 40-70 70-100
49.05m/s20-P定 ｛5.0GO-P 147.2m/s20-P定 ｛15.0GO-P
49.05m/s20-P定 ｛5.0GO-P
Z 5-100 39.24m/s20-P定 ｛4.0GO-P
(c) Vibration (Random wave)
Axis Frequency [Hz] Acceleration density [G2/Hz] Effective value [Grms]
X
20-150 150-500 500-2000
+4.5dB/oct 0.2
-6.5dB/oct
12.3
Y
20-150 150-500 500-2000
+4.5dB/oct 0.2
-6.5dB/oct
12.3
Z
20-150 150-200 200-350 350-500 500-2000
+7.9dB/oct 2.0
-12.4dB/oct 0.1
-5.0dB/oct
18.1
(d) Quasi-static acceleration
Axis Acceleration
X み15G
Y み15G
Z み15G
103
Fig. 5-11 Shock acceleration versus frequency as a condition of space environmental test with respect to X-band 20 W-class SSPA including the amplifier using GaN HEMT (TGF2023-05).
Fig. 5-12 HPA case temperature, base plate temperature and vacuum of the X-band 20 W-class SSPA including the amplifier using GaN HEMT (TGF2023-05) versus time during thermal vacuum test under the condition of operation frequency at 8.45 GHz.
[ ]
[ ]
[ ]
T [℃ ] [ ]
Base plate temp.
HPA case temp.
Vacuum
104
Table 5-5 Comparison of output power, power consumption and total efficiency of an X-band 20 W-class SSPA including the amplifier using GaN HEMT (TGF2023-05) between after thermal vacuum test, after vibration (sine) test, after vibration (random) test, after shock acceleration test and after radiation test.
Output
power [dBm] Power consumption [W] Total efficiency [%]
After thermal vacuum 41.7 45.4 32.6
After vibration (Sine) 41.8 46.1 32.6
After vibration (random) 41.8 44.6 33.8
After shock acceleration 41.7 43.9 33.4
After radiation 41.8 46.1 32.5
105
5－4
定ま め 課題 今後の検討
本章 提案 X帯搭載用GaN HEMT 遥 方法 搭載用 考慮 実装方法
関 宇 環境耐性評価 行い 効性 確 X帯搭載用GaN HEMT
遥 方法 い S帯地 用 放射線試験 熱真空試験 通 宇 環境耐性評 価 比較 行 -20度 +60度 範 熱真空試験 X帯搭載用 GaN on SiC
HEMT S帯地 用 GaN on Si HEMT 共 良好 特性 示 大 差異 見
60Co 用い 総照射線 320 krad 試験 い 差異 確
GaN HEMT 実施 RF出力中 試験 照射直
結果 SiC基板 用い X帯搭載用 ン 特性 外 放射線
劣化 見 Si基板 用い S帯地 用 出力電力1.37 dB PAE 21.7%
劣化 確 宇 実運用 考慮 提案 X帯搭載用 遥 手法 効 あ 確 一方 搭載用 考慮 実装方法 い 素子 用い 大 気中 温動作 SSPA ン ン 熱真空試験 振動 衝撃試験 評 価 行 大気中 温動作 底面温度73.3度 い 増幅回路部 温度 85.5度
温度 衡点 遉 1 間 連続動作 い 出力変動0.1 dB いう安 動作
実現 放熱特性 優 実装方法 効性 確 熱真空試験 い 底面 温度 増幅回路部 温度 昇 温側 -20度 温側 +60度 い い 12.0
度 真空環境 い 放熱特性 変化 生 い 確 X帯
宇 用電力増幅回路 内部 含 SSPA ン ン 振動 衝撃試験 通 出
力変動 0.1 dB 機 環境 提案 実装方法 効 あ
確
本章 宇 環境耐性評価 通 提案 遥 手法 実装方法 効性 示 宇 用 増幅回路 性能 保証 言え 評価 持 世界初 GaN HEMT 用い 宇 用電力増幅回路 設計 作製 評価 実現 言え
出力化 周波化 効率化 い 限 的 GaN HEMT 用い 増幅回路 研究 幅 宇
適用 いう方向 大 く広 初 試 言え Fig. 5-13 示 う 本研究
S帯地 用 成果 技術移転 内之浦局 GaN HEMT 用
い SSPA 入 いう成果 回本研究 X帯搭載用 いう遈 開
本成果 PROCYON 世界初 GaN HEMT 用い X帯 効率SSPA
宇 実証 繋 型軽 化 消費電力 送信電力 大電力
化 能 放熱特性 耐放射線性 優 ン ン 搭載 置 自 度 大幅 増加 ン 直 搭載 給電損失 化 能 結果的 ン ン 回線
大 く改善 ン ン 回線 性能改善 数dB ン 得
同距 通信 ッ 2 4倍程度増加 期
価値 非常 大 い 通信系 常識 覆 世 搭載機器 得
言え PROCYON 宇 実証 経 ン ッ 用い 超 型衛
星 深宇 査 標準 役割や 将来的 大型科学衛星や 査機 機器
役割 担う 期 本研究 成果 当然地 用 適用 能
106
あ 地 局 ン 使用や 更 大電力化 S帯
同様 将来 地 局用 大電力送信用電力増幅器 適用 期
う 将来展望 向 更 進展 遂 本研究 い 課題や 検討
考え 目 通 あ RF性能 向 TWTA 比較 場
依然 出力 効率 劣 宇 用増幅回路 出力 効率 改善 挙
い 民生GaN HEMT 出力化 周波化 効率化 進 いく
考え 本研究 示 遥 手法 基 宇 用 GaN HEMT
遥 いく 回路性能 向 期 う 自身 性能改善 加え
調波処理やB級 ッ 等 動作点や動作級 変更 効率設計 宇 通信
通信品質 通信品質 確保 効率向 限界点 見極
GaN HEMT専用 非線形 構築 設計精度 更 向 や設計予測精度 評価
等 RF性能 改善 関 研究 得 課題 言え PROCYON
う 50 kg級 相乗 衛星 適用 大型衛星 標準 発展 いく あ
や 宇 用 更 信 化 課題 体的 RF 性能 劣化 無く
ッ ッ 化 施 ッ 気 腐食や ン
ン 観 点 信 性 向 熱伝 率 実装方法 用 い
Sn-3.0Ag-0.5Cu 発生 関 的 評価 実施 GaAs
比較 長期 試験 関 少 いGaN HEMT 関 温 長 間連続動
作試験 活性化 評価 い 評価 行う 等 考え
GaN on SiC HEMT GaN on Si HEMT 放射線劣化 差異 生 解明等
GaN HEMT 宇 積極的 使用 向 研究課題 一 言え
Fig. 5-13 Achievement in this research and expected future plan.
107
5－5
定文献
[5-1] N. Hayakawa, M. Hikita, and H. Okubo, “Electric discharge in space environment – discharge characteristics under non-uniform electric field in low and medium vacuum-,” Journal of the Vacuum Society of Japan, vol. 38, no. 6, pp.
593-599, 1995.
[5-2] European Space Components Coordination, “Total dose steady-state irradiation test method,” ESCC Basic Specification No. 22900, Mar. 2007
[5-3] J. W. Lee and K. J. Webb, “A temperature-dependent nonlinear analytic model for AlGaN-GaN HEMTs on SiC,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 52, no. 1, pp.2-9, Jan. 2004.
[5-4] D. Maier, M. Alomari, N. Grandjean, J. F. Carlin, M. A. di Forte-Poisson, C. Dua, A.
Chuvilin, D. Troadec, C. Gaquiere, U. Kaiser, S. L. Delage, and E. Kohn, “Testing the temperature limits of GaN-based HEMT devices,” IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE and MATERIALS RELIABILITY, Vol. 10, No. 4, pp. 427-436, Dec. 2010.
[5-5] R. N. Simons and T. R. Oldham, “Total dose test report for GaN X-band amplifier,”
NASA Electronic Parts and Packaging Program, https://nepp.nasa.gov/
[5-6] European Space Components Coordination, “Total dose steady-state irradiation test method,” ESCC Basic Specification No. 22900, Mar. 2007
108