低周波アクティブロード・プルシステム評価に基づくマイクロ波高効率電力増幅器設計の高精度化に関する研究

摘要

近年、スマートフォンを代表とするデジタル無線通信技術の発展は著しく、更に高速・大容量通信の第五世代(5G)携帯電話システムに関する研究が盛んに行われている。また、エネルギー需要の多様化により、マイクロ波を用いたマイクロ波無線電力伝送技術の研究も非常に重要となっている。そのため、各種技術に対して、共通に使用されるマイクロ波電力増幅器の高効率化が求められている。　増幅器の高効率化に関しては、E級、F級、J級といった高調波処理による設計手法が数多く提案されている。しかし、いずれの高効率を実現する方法も共通の原理を有している。すなわち、トランジスタの非線形等価電流源における瞬時電圧波形及びそれに流れ込む瞬時電流波形の周期積分値がゼロとなるようなに、波形が制御されている。言い換えると、電圧・電流波形の基本波及び高調波の振幅・位相の調整の最適化を行うということである。一般に、高効率増幅器を設計するために、ハーモニックバランス回路シミュレーションで設計する方法と、動作周波数おける高調波のロード・プルを行うことにより実験的にトランジスタの最適負荷インピーダンスを求める方法の二通りのアプローチがある。シミュレーションで設計する場合は、使用するトランジスタ大信号モデルの高精度を保証する必要がある。一方、GHz帯における高調波（ソース）ロード・プルを利用して設計すると、処理する高調波の数が増える毎にシステム全体が更に複雑になり、高価な装置が必要となる。　以上の問題を解決するために、当研究室ではこれまでにトランジスタ内の非線形等価電流源がほぼ周波数特性を持たないことを利用して、GHz帯におけるトランジスタの寄生リアクタンス成分を無視できるMHz帯の安価なロード・プルを提案している。ここでは、別途抽出したトランジスタGHz帯寄生リアクタンスを用いて最適基本波、高調波インピーダンスを実験的に導く方法をとっているが、トランジスタ内寄生容量は全て線形近似とされ、設計精度が不十分だった。そこで、本研究では、GaN HEMT素子を用いる電力増幅器の設計精度の向上させるため、トランジスタの寄生リアクタンスの非線形性を考慮し、MHz帯ロード・プルを用いて高効率電力増幅器の設計を行った。提案手法により、設計・試作した電力増幅器は30.5 dBm の飽和出力で2.13 GHzにおいて最大ドレイン効率77%、最大付加電力効率(PAE)74％の特性を達成した。