第 202 号・2023 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

特集

GaN HEMT を用いた
アウトフェージング増幅器
Outphasing Amplifier Using GaN HEMTs

住吉＊高志

Takashi Sumiyoshi

前畠貴

Takashi Maehata

高い電力効率を持つ増幅器は、発生する熱が少なく軽微な放熱機能で動作が可能となるため、通信装置の小型化、軽量化、低コスト化に対して有効である。特に Massive Multiple Input Multiple Output（MIMO）では、多数の増幅器を使用するため、より高効率な増幅器が必要とされており、窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ（GaN HEMT）による増幅器の普及が携帯電話基地局用途で進んでいる。一方変調波効率の向上を目的とした増幅器技術として負荷変調が注目されており、中でも、アウトフェージング増幅器は、従来のドハティ増幅器よりも、変調波効率が高効率に実現できることが知られている。今回、当社 GaN HEMT を用いアウトフェージング増幅器の設計試作評価を行った。その結果、増幅器の高効率化により従来のドハティ増幅器の構成と比較し1増幅器あたり1.1W 消費電力を削減でき64送信の Massive MIMO 基地局で70.4W の消費電力を削減でき基地局の小型化に貢献できることを確認できた。

High-efficiency power amplifiers generate little heat and operate with a small heat dissipation function, making themeffective in reducing the size, weight, and cost of communication devices. In particular, since many amplifiers are used in
Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), amplifiers with higher efficiency are required, and those based on gallium
nitride high electron mobility transistors (GaN HEMTs) are becoming popular for cell phone base station applications. On
the other hand, load modulation is attracting attention as an amplifier technology for improving modulation wave efficiency,and among them, outphasing amplifiers are known to achieve higher modulation wave efficiency than conventional Doherty
amplifiers. In this study, we conducted a design prototype evaluation of an outphasing amplifier using our GaN HEMTs. The
result confirmed that the higher efficiency of the amplifier reduces power consumption by 1.1 W per amplifier compared tothe conventional Doherty amplifier configuration. In a 64 transmitters Massive MIMO base station, a power reduction of 70.4
W is achieved, contributing to the miniaturization of the base station.
キーワード：GaN、HEMT、アウトフェージング増幅器

1.

緒

言

るに増幅器の低消費電力が求められており、今後携帯電話

高い電力効率を持つ増幅器は、発生する熱が少なく軽微

基地局用世代が5G から6G に進むにつれ、2入力で RF（無な放熱機能で動作が可能となるため、通信装置の小型化、線）信号を増幅する高効率増幅器が有力な候補となり、ア軽量化、低コスト化に対して有効である。特に Massive

ウトフェージング増幅器が注目されている。今回当社 GaN

Multiple Input Multiple Output（MIMO）では、多数のHEMT デバイスでアウトフェージング増幅器を設計、試増幅器を使用するため、より高効率な増幅器が必要とされ作、評価を行ったので本稿で報告する。ており、窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ（GaN
HEMT ※1）による 増幅器の普及が携帯電話基地局用途（1）で以下、2章にアウトフェージング増幅器の概要、3章に設計事例及び実測結果、4章にまとめを記載した。

進んでいる。窒化ガリウム（GaN）は、シリコン（Si）や砒化ガリウム（GaAs）と比較して、バンドギャップが大きく、飽和電子速度も大きいことから、高出力かつ高速の電子デバイスとして適しており、また、熱伝導性に優れた半絶縁性 SiC 基板に GaN HEMT 構造を形成することで、良好な放熱特性もよく高い電力効率が実現されている。その中でも当社は GaN HEMT の研究開発を2000年から始め、2006年に世界で初めて量産開発を実現して以来 GaN
HEMT 市場を牽引している。一方変調波効率の向上を目的とした増幅器技術（2）～（4）として負荷変調が注目されており、中でも、アウトフェージング増幅器（5）は、ドハティ増幅器※2よりも、変調波効率が高効率に実現できることが知られている。図1のようにこれまで実用レベルではドハティ増幅器が使用されてきたが、昨今のエネルギー事情から更な

図1

携帯電話用基地局における増幅器のトレンド
GaN HEMTを用いたアウトフェージング増幅器

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2.

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アウトフェージング増幅器

アウトフェージング増幅器について説明する。図2のように2入力の信号源を持ち、I1、I2の比率と位相差により負荷 R の倍率（実効負荷）を変更し、図3のように RF 出力を変更する。実効負荷を変更することで図4のように RF 出力に応じた最適負荷を使用することができ、低出力でも高効率を実現できる。実際の回路としては、図5のようにデバイスに対して整合回路を入出力に有し、シレックス電力合成器にて2つの回路が電力合成される構成となる。図6にシレックス合成回路について記す。シレックス電力合成器は

図4

負荷と出力電力の関係

入力位相差によって生じるリアクタンスを補償する2種のリアクタンス補償（－ jB と＋ jB）とインピーダンス変換器から構成されている。アウトフェージング増幅器は、上述の通り2つの増幅器が電力合成する際に大きな負荷変調を行い、高効率動作を実現している。

Z th1 ,θ以下の節では、アウトフェージング増幅器設計として設計に使用した増幅器モデル、整合回路設計、シレックス電力合成器の順に紹介する。
Z th1 ,θZ1
I1

負荷の電圧と電流の関係
V = ( I1 + I 2 ) R

図5

アウトフェージング増幅器回路構成

R

I2

実効負荷 Z1 =

図2

倍率

Y1Ve jθV  I2 = 1 +  R
I1 I1 Z th 2 , 90deg.
－ jB

アウトフェージング増幅器構成

Y2j
Ve－θ

Z th 2 , 90deg.

+ jB

B
図6 シレックス電力合成器

図3

アウトフェージング増幅器による出力変化

GaN HEMTを用いたアウトフェージング増幅器

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3.
3－1

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アウトフェージング増幅器の設計

設計用増幅器モデル

設計にあたっては、高周波シミュレータによるハーモニックバランス解析を活用した。設計時の回路構成を図9に記す。設計時の回路構成としては入力整合回路、3－1項で記設計の事前準備として設計用増幅器モデルを作成した。

した当社 GaN HEMT の増幅器モデル、出力整合回路、オ市場で入手可能な増幅器モデルとして特に限定するものでフセットライン、インピーダンス変換器、負荷 ZL で構成はないが、ここでは、FOCUS 製 Model Generation によしている。出力整合回路は、主として飽和出力で電力整合る Cardiff モデルを使用したので、その事例について報告すを行い、一方オフセットライン（特性インピーダンスを飽る。Cardiff モデルは、増幅器モデルのベースとなる無線性和出力時の整合負荷を利用し電力整合を維持）は、バック能を図7に示すロードプル 装置によって測定し、Cardiffオフ出力時の負荷を抵抗成分に整合している。したがって増幅器モデルを用いて測定データをデータベース化し、高後続するシレックス電力合成器は、抵抗負荷との接続とな周波回路シミュレータ内で利用することできる。

り容易に設計を進めることができる。負荷 ZL を図2や図4※3今回作成したデバイスのモデルと実測の入力電力によるで説明したようにアウトフェージング位相に応じて変化さ利得及び位相の比較結果を図8に記す。利得で0.2dB 以下、せ、その際の出力対ドレイン効率特性を確認し、目標性能位相で0.1°以下と非常に相関が取れていることがわかる。に到達するように設計を行った

この増幅器モデルと高周波シミュレータを用いアウトフェージング増幅器の回路設計を行った。

設計結果を図10に記す。図10より前述した設計目標に飽和出力電力48dBm（60W）とバックオフ出力10dB の出力電力38dBm（6W）でドレイン効率50％到達していることがわかる。本設計結果を用い試作評価を行ったので次項で報告する。

図7

モデル作成時のロードプル測定系

20

図90< 0.2dB

18-2016-4014-60< 0.11210-80-10015

図83－2

アウトフェージング増幅器設計時の回路構成

2025

取得した GaN デバイスモデルの利得、位相比較

図10

アウトフェージング増幅器設計結果

増幅器の整合回路設計

本検討では、設計の目標として周波数3.5GHz、飽和出

3－3シレックス電力合成器の設計

力※4電力48dBm（60W）、バックオフ※5出力10dB の出力

前述のとおりオフセットラインを用いることで増幅器出電力38dBm（6W）でドレイン効率50％となるように設

力負荷が抵抗成分として設計されているため、図5の R1、計を行った。

R2と図6に示すシレックス電力合成器の入力インピーダンス
GaN HEMTを用いたアウトフェージング増幅器

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Y1、Y2と整合させることができる。図6においてシレック相関が取れていることがわかる。また、図13には、アウトス電力合成器は、飽和出力とバックオフ出力において、リフェージング増幅器で使用した同デバイスで設計したドハアクタンス補償を行い、前述した2種類の抵抗負荷 R1、R2ティ増幅器との実機性能比較も示した。図13よりドハティが入力インピーダンスとなるよう設計する。入力インピー増幅器と比較しアウトフェージング増幅器の方が効率が高

ダンス Y1、Y2は式（1）にて表現され、飽和出力及びバックいことがわかる。また図13の増幅器について LTE 変調信号オフ出力時に1/R1、1/R2と一致する。式（1）の実部、虚で変調波効率を確認したところ、アウトフェージング増幅部をそれぞれ整理することで、3つの設計諸元（θm、B、器で出力6W において効率54％、ドハティ増幅器で49％Ztn2）を式（2）にて求めることができる。ここで、θm は、と5pt の効率改善が確認された。

バックオフ時の RF 信号の位相差とし、飽和時は、π/2-θmが RF 信号の位相差、B がリアクタンス補償となる。リアクタンス補償は図11のようにアウトフェージング位相θm を用いてリアクタンス補償1、リアクタンス補償2を求めることができる。

.................（1）

写真1

アウトフェージング増幅器（試作機）........................................（2）180-θm deg.
Zth2, 90 deg.
図12
Zth2, 90 deg.

アウトフェージング増幅器とドハティ増幅器比較（実測、設計）θm deg.

4.

結言

当社 GaN HEMT を用いたアウトフェージング増幅器
図11

今回設計したシレックス電力合成器の構成図

について、CW パルス信号にて周波数3.5GHz、飽和出力60W、出力6W（バックオフ10dB）効率50％、変調波効率で、アウトフェージング増幅器効率54％、ドハティ増幅器49％とドハティより5pt の高効率特性を実現した。増幅3－4

試作評価結果器の高効率化により従来のドハティ増幅器が1増幅器あた

試作したアウトフェージング増幅器を写真1に、試作評

り12.2W の消費電力で本取組のアウトフェージング増幅器

価結果と設計結果を図12に示す。写真1のMNはMatchingは11.1W の消費電力となり1増幅器あたり1.1W 消費電力Network（MN）である。入力信号はパルス CW にて評価を削減でき64TのMassive MIMO 基地局で70.4W 消費電を行った。図13のように試作評価結果と設計結果で非常に力を削減でき、基地局の小型化に貢献できることを確認で
GaN HEMTを用いたアウトフェージング増幅器

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きた。

第 202 号・2023 年 1 月

執 筆 者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

この成果は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術住吉

高 志＊ ：伝送デバイス研究所

主席

前畠

貴 ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

主幹

総合開発機構（NEDO）の委託業務（JPNP20017）の結果得られたものである。

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1HEMT

High Electron Mobility Transistor：半導体接合界面に誘起される2次元電子を利用したトランジスタ。不純物散乱の影響の少ない高電子濃度のチャネルが形成できる。
※2ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

ドハティ増幅器

負荷変調方式の1つ。ドハティ増幅器の原理は、並列に配置されたキャリア増幅器とピーク増幅器を用い、低出力の時はキャリア増幅器のみが、高出力の時は2台の増幅器が動作するというものである。
※3

ロードプル

トランジスタの大信号特性の評価方法の1つ。チューナーと呼ばれる負荷可変装置を用いて、整合条件を変えながらRF 特性を評価する。
※4

飽和出力

増幅器において入力電力を増加させても出力が増加せず飽和する出力。
※5

バックオフ

飽和出力から平均出力を引いた値。

参 考 文 献（1）	A. Grebennikov, J. Wong, and H. Deguchi,“High-Power HighEfficiency GaN HEMT Doherty Amplifiers forBase StationApplications,”IEICE Trans. Electron., vol. E104-C, no. 10,
pp.488-495（Oct. 2021）（2）	N. Ui, H. Sano, and S. Sano.,“A 45％ Drain Efficiency, -50dBc
ACLR GaN HEMT Class-E Amplifier with DPD for W-CDMA
Base Station,”2006 IEEE MTT-S International Microwave
Symp osium (IM S), pp. 718 -721, Session WE3B - 4, San
Francisco, CA, USA（June 2006）（3）	N. Ui and S. Sano.,“A 100W Class-E GaN HEMT with 75% Drain
Efficiency at 2GHz,”2006 European Microwave Integrated
Circuits Conference (EuMIC), pp. 72-74, Session EuMIC04-4,Manchester, UK（June 2006）（4）	N. Ui, H. Sano, and S. Sano.,“A 80W 2-stage GaN HEMT
Doherty Amplifier with 50dBc ACLR, 42 ％ Efficiency 32dB
Gain with DPD for W-CDMA Base station,”2007 IEEE MTT-S
International Microwave Symposium (IMS), pp. 1259-1262,
Session TH1A-4, Honolulu, HI, USA（June 2007）（5）	H. Chireix,“High Power Outphasing Modulation,”Proc. IRE,
vol. 23, no. 11, pp. 1370–1392（Nov. 1935）

GaN HEMTを用いたアウトフェージング増幅器

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