情報通信

船舶用レーダー向けX 帯300W GaN HEMTX-Band 300W High-Power GaN HEMT for Marine Radar Systems

西原＊信

Makoto Nishihara

青嶋真

Makoto Aojima

宮澤直行

Naoyuki Miyazawa

従来船舶レーダーの送信デバイスとしてマグネトロンが使われてきたが、長寿命化、高性能化および電波法令への対応等のため、
GaN HEMT ※1を用いた固体素子の使用が本格的に始まろうとしている。プレジャーボート向け小出力レーダーから大型商船向け高出力レーダーまでの各種船舶レーダーをターゲットに開発した、業界最高出力の300W を筆頭とする、内部整合型※2X 帯※3 GaN HEMT製品群について報告する。また、これらの製品ラインナップのデモンストレーションを目的とした小型固体化増幅器も試作したので、併せて報告する。

Magnetrons have long been used as transmitting devices for marine radar, however, gallium nitride high-electron-mobilitytransistors (GaN HEMT) are increasingly adopted due to their long life, high performance, and compliance with radio laws
and regulations. This paper presents our internally-matched X-band GaN HEMT that feature the industry's highest output
power of 300 W, targeting a variety of marine radar ranging from small-power radar for pleasure boats to high-power radarfor large-commercial vessels. We also report on a prototype compact solid-state amplifier that has been made to
demonstrate these transistors.
キーワード：GaN HEMT、X 帯、船舶レーダー用、高出力、マイクロ波集積回路（MIC）

1.

緒言

2.

X 帯300W GaN HEMT の開発

近年、海上輸送の効率化に伴い船舶の大型化や高速化が我々はこれまでに船舶用レーダー向けに GaN HEMT 製進む一方、高齢化による船員需要の逼迫から船舶航行の安全、2）。
品である X 帯200W GaN HEMT の製品化を行った（1）（を確保する航法支援の需要は年々増えている。航法支援の

この製品は既に船舶レーダー用増幅器の最終段として採用一つである船舶搭載用レーダーは自船位置や他船の動向・されているが、さらなるレーダー出力を向上すべく市場か周囲の状況をリアルタイムで把握でき衝突防止等を支援す

らはより高出力な GaN HEMT 製品が求められている。そる有用な装置である。

こで今回我々は既存製品から出力電力を大きく向上させた

従来このレーダー装置の増幅器には、優れた尖頭電力かX 帯300W GaN HEMT の開発を行った。

らマグネトロンが用いられてきたが、1～2年程度で定期交

まず X 帯300W GaN HEMT に使うパッケージについて換が必要であり維持費低減の要求から10年以上の長期信頼だが X 帯200W GaN HEMT と同じサイズである24.0×性を持つ固体素子化への移行が進んでいる。固体素子は一17.4mm の従来パッケージを使うこととした。従来パッケーつの素子としては従来のマグネトロンに比べ尖頭電力が約ジを使うことで、これまでに設計した固体化増幅器に載せ1/100程度と小さいが電力合成やパルス圧縮技術を用いる替えが可能となり、開発期間が短くなるメリットがある。

ことで従来のマグネトロンと同等以上のレーダー性能指標

次にパッケージ内部に実装する GaN HEMT チップについが実現可能となる。ては、長期信頼性や組立性、また所望の RF 特性を満足する

本報告では船舶用レーダーの固体素子として採用が広ためチップサイズを5.68×0.76mm とし、2個並列にするがっている窒化ガリウム（GaN）高電子移動度トランジス構成とした。チップサイズを X 帯200W GaN HEMT よりタ（HEMT）（以下、GaN HEMT）を用いた高出力製品で大きくすることによりトータルゲート幅が44.8mm だったある X 帯300W GaN HEMT と小型レーダー用に開発したのに対し64mm と大きくすることができた。写真1は、X 帯マイクロ波集積回路（MIC） である X 帯25W GaN HEMT

300W GaN HEMT の内部写真である。パッケージ内部にMIC について紹介する。またこれらの製品を用いて固体化実装する整合回路は、ユニットチップのロードプル※5測定増幅器も試作したので併せて報告する。

から得られた最適インピーダンスとなるよう設計した。入※4

力側整合回路はチップの利得最適インピーダンスからパッケージ端で50Ωに変換する2段変換回路とし、また出力側整合回路は出力電力最適インピーダンスから50Ωに変換する2段変換回路とした。

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て出力電力55.3dBm（340W）、電力付加効率38％を達成しており、この出力電力は業界最高である。

3.

X 帯25W GaN HEMT MIC の開発

船舶レーダー用の固体素子として数百 W 級の高出力製品
以外にプレジャーボート等に載せる小型レーダー用に数十W 級の低出力製品の需要がある。今回我々はその小出力製品の需要に応えるべく X 帯25W GaN HEMT MIC の開発を行った。
写真1

X 帯300W GaN HEMT の内部写真

一般的に低出力製品は動作周波数の汎用性を持たせるためにパッケージ内にチップのみを実装したディスクリート品にすることが多い。しかしながらディスクリート品は外部のプリント基板上で整合回路を形成する必要があること

写真2は、X 帯300W GaN HEMT の RF 評価治具である。

から固体化増幅器自体のサイズが大きくなってしまうデメ

パッケージ端で50Ω整合されているため、治具には50Ωリットがある。このデメリットを解消し省スペース化を実線路とλ/4のオープンスタブを接続したバイアス回路のみ現すべく6.7×8.3mm の小型パッケージを採用した内部整が設計されている。

合型 MIC を開発にすることとした。これによりディスク

図1は、入力電力46dBm（40W）における X 帯300W
GaN HEMT の周波数特性である。帯域9.3-9.5GHz においリート品で構成される固体化増幅器より大幅にサイズを小さくすることが可能となる。
図2は、X 帯25W GaN HEMT MIC の回路図である。パッケージ内部には6W と25W の GaN HEMT チップが実装されている。またチップ以外にパッケージ端子で50ohm にする整合回路と通常パッケージの外部のプリント基板上に形成するバイアス回路が設計されている。さらに主帯域よりも低い周波数の不要利得を減衰させるためにインダクタンスと抵抗、キャパシタを組み合わせたフィルタ回路も内蔵した。

写真2

X 帯300W GaN HEMT 用評価治具

図2

X 帯25W GaN HEMT MIC 回路図

写真3は、X 帯25W GaN HEMT MIC の RF 評価治具である。パッケージ端で50Ω整合されてパッケージ内にバイアス回路が内蔵されているため、治具上には50Ω線路と DCバイアスラインのみが設計された評価治具となっている。
図124

X 帯300W GaN HEMT の RF 特性

船舶用レーダー向けX帯300W GaN HEMT

写真3

X 帯25W GaN HEMT MIC 用評価治具
図4

固体化増幅器の構成図

図3は、入力電力22dBm（0.16W）における X 帯25W
GaN HEMT MIC の周波数特性である。帯域9.3-9.5GHz において出力電力45.4dBm（35W）、電力付加効率38％、その時の利得は23.4dB を達成した。GaN HEMT チップを2段にしたハイブリッド構成にしているため、非常に高い利得を得ることができた。

サ イ ズ ︓ 200(W)x124(H)x20(D)mm

写真4

固体化増幅器の内部写真

また固体化増幅器にはスイッチング回路が内蔵されており
印可電圧は -5V/+5V/50V を直接入力し、パルス信号対応として TTL 信号に同期して GaN HEMT 製品を高速に ON/OFF できる仕様となっている。
図5は、9.4GHz における試作した固体化増幅器の入出力特性である。入力レベル5dBm（3mW）では出力電力は
図3

4.

X 帯25W GaN HEMT MIC の RF 特性

固体化増幅器の試作

今 回 我 々 が 製 品 化 し た X 帯300W GaN HEMT と X 帯
25W GaN HEMT MIC を用い、デモンストレーション用に固体化増幅器を試作したので結果を報告する。図4は、試作した固体化増幅器の構成図である。最終段は300W 製品を4合成し、ドライバー段には25W MIC 製品の他に100W製品と300W 製品単体を用いた。
写真4は、試作した固体化増幅器の写真である。サイズは200（W）×124（H）×20（D）mm となっており、非常に小型である。最終段の合成回路は入力側を90°ハイブリッド回路、出力側をトーナメント型回路で分配・結合した。

図5

固体化増幅器の入出力特性

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58.5dBm（700W）で利得53.5dB を達成した。今回簡素※4な平面型合成器を用いているため挿入損失が大きいが、導マイクロ波帯で動作する受動素子あるいは分布定数回路を波管などの低損失な合成器を用いることでさらに高出力化

あらかじめ形成した絶縁体基板にマイクロ波トランジスタ、が可能となる。

ダイオード等の能動素子を組み込んだ回路、あるいは半導マイクロ波集積回路

体基板上に全ての素子や回路を一体形成した集積回路。前5.

結者のアルミナ等の絶縁体基板上に回路素子を組み込んだ回言路をマイクロ波ハイブリッド集積回路（MIC）、後者の半導表1に今回船舶レーダー向けに開発した X 帯300W GaNHEMT と X 帯25W GaN HEMT MIC の評価結果をまとめ体基板に素子を半導体製法により作り込んだ回路をモノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）と呼ぶ。

る。X 帯300W GaN HEMT は GaN HEMT チップ設計と整合回路設計の最適化により300W 以上の業界最大出力電力※5が得られた。また X 帯25W GaN HEMT MIC はハイブリッ

大信号特性の評価方法の1つ。チューナーと呼ばれるインド構成にすることにより小型で高利得な性能を得ることがでピーダンス可変装置を用いて、インピーダンス整合条件をきた。最後に今回開発した GaN HEMT 製品を使い固体化増変えながら特性を評価するもの。

ロードプル

幅器を試作した結果、サイズ200（W）
×124（H）×20（D）
mm と小型で700W という高出力電力が得られた。
参表1

X 帯 GaN HEMT 製品の評価結果

項目

X帯 300W

ドレイン電圧 V ds

50V

X帯 25W MIC
50V

パルス幅100µsec

100µsec

デューティサイクル

10％

10％

周波数

9.3-9.5GHz

9.3-9.5GHz

飽和出力電力 P sat

340W

35W

パワーゲイン G p

9.3dB

23.4dB

電力付加効率

38％

38％

PAE

考文

献

（1）	宮澤直行、西原信、宇佐美邦博、青嶋真、山本高史、「S 帯600W, X
帯200W を実現したレーダー送信機用 GaN HEMT」、SEI テクニカルレ
ビュー第190号、pp.138-142（July 2017）（2）	佐野征吾、蛯原要、山本高史、佐藤富雄、宮澤直行、「無線通信用 GaN
HEMT の 開 発」
、SEI テクニカルレビュー 第192号、pp.69-74（July2018）

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

西原

信＊ ：住友電工デバイス・イノベーション㈱青嶋真：住友電工デバイス・イノベーション㈱マネージャー

宮澤直行：住友電工デバイス・イノベーション㈱担当部長

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

内部整合型

トランジスタとともに整合回路用の基板をパッケージ内に実装し、互いにワイヤーで結線した高周波増幅用デバイス。
基板の素材や形状およびワイヤーの長さは、トランジスタや周波数に合わせて適切に調整される。
※3

X帯

マイクロ波の周波数による分類において、8-12GHz の帯域を指す。波長が短くアンテナの小型化が可能であることから各種レーダーに割り当てられており、他にも衛星や各種無線通信に用いられている。このうち、船舶監視あるいは気象観測用レーダーは、8.5-10.0GHz の帯域でおおよそカバーされている。

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船舶用レーダー向けX帯300W GaN HEMT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ーーーー＊主執筆者