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