第 202 号・2023 年 1 月

住友電工テクニカルレビュー

特集

衛星搭載用 C 帯100W 高出力・高効率
GaN HEMTパワーアンプ
High-Power and High-Efficiency C-band 100W GaN HEMT forSpace Applications＊児玉晃忠

Akitada Kodama

久保田

Miki Kubota

大沢研

石山Ken Osawa

重行

Shigeyuki Ishiyama

幹GaN HEMT ※1を用いた衛星搭載用高出力・高効率内部整合型増幅器※2パワーアンプを開発した。今日の無線通信技技術は、インターネット、携帯電話のコミュニケーションに加えて、電子マネー決済にも利用されており、日常生活に欠かせないものとなっている。
世界的な情報網の拡大と、自然災害の影響を受けにくい衛星通信の必要性が高まっている。
今回開発したパワーアンプは、衛星通信の主力周波数である C 帯（f ＝3.7～4.2GHz）において、CW 動作条件下で出力電力100W、電力付加効率60％を達成した。開発に使用した GaN HEMT は長期信頼性の実績があり、性能および信頼性の両面において、業界トップクラスの製品である。

We have developed a high-output, high-efficiency internally matched power amplifier for satellites using gallium nitride
high electron mobility transistor (GaN HEMT). Today's wireless communication technology has become indispensablein our lives, not only for Internet and mobile phone communications, but also for electronic payment. Therefore, it has
become indispensable in our lives. Therefore, global information network is growing and the need for satellite
communications is increasing as these are less susceptible to natural disasters. The newly developed power amplifierachieves an output power of 100 W and power added efficiency of 60% under CW operation conditions in the C band
(f = 3.7 to 4.2 GHz), the main frequency for satellite communications. The GaN chip used in the development has aconfirmed long-term reliability. In terms of both the performance and the reliability, this is an industry-leading device.
キーワード：GaN HEMT、高効率、高出力、衛星搭載、100W

1.

緒

言

周波化、および高い信頼性が要求されている。それらの要

近年、携帯電話の主流は5G へ移行し、モバイル機器の求に対応するために、窒化ガリウム（以下、GaN）材料をデータ伝送はより高速化され公共インフラの利便性を飛躍用いた高電子移動度トランジスタ（以下、HEMT）で構成的に向上させた。モバイル機器と通信を行う基地局は地上されたマイクロ波集積回路※3（以下、MIC）が注目されてに固定設置されているため、自然災害や人為的災害等で破いる。

壊された場合、復旧まで時間を要し、大規模かつ長期間、今 回、衛 星 搭 載 用 C 帯（3.7～4.2GHz）100W GaN通信が遮断する恐れがある。それに対し、衛星通信システ

HEMT パワーアンプ（以下、C 帯100W）を開発したので、

ムは、宇宙空間に打ち上げられた衛星と、地上に設置した

本稿では、その結果について報告する。

地球局間で通信が行われる。地球局は車両搭載することが可能なため、必要な場所に移動し、いち早く通信を確保、2.

復旧することができる。また基地局の設置が難しい洋上にGaN HEMT 基本特性おいても、広範囲に通信経路を確保することができる。こ本開発に使用した GaN HEMT は、飽和最大ドレイン電の様に通信手段に対して種々のメリットがあり、欠くこと流 Imax は780A/mm と高い飽和電流が得られている。一ができないものとなっている。

方、ピンチオフ状態における3端子耐圧 BVdsx は300V が衛星に搭載される通信システムは、搭載スペースや電池容量の制限から軽量、小型、高出力、高効率に加え、長期得られており、動作電圧50V に対し3倍以上を達成し、安定的に高い出力電力を得ることが期待できる。
図1に、4.2GHz においてパルス条件（パルス幅12µs、信頼性が要求される。
当社は、衛星から電波を増幅し送信する、送信出力部に搭載されるパワーアンプの開発・製造を行っている。パワーデューティ10％）で測定した GaN HEMT のソース／ロードプル※4測定結果を示す。

アンプはコスト削減や消費電力低減のため、高出力化・高GaN HEMT のソース／ロードプル結果は、2次高調波を効率化・小型化や、より高速にデータ通信を行うための高含め入出力インピーダンスを効率整合した時の効率最適負衛星搭載用C帯100W高出力・高効率GaN HEMTパワーアンプ

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ソースプル測定結果（f=4.2GHz）

3.

内部整合回路設計

表1にパワーアンプの目標仕様を示す。動作条件は電源
電圧40V、電源電流800mA。線形利得16dB、出力電力51dBm（125W）、電力付加効率60％である。パッケージは、耐湿や耐塵のためセラミック気密パッケージを使用する。

表1

ロードプル測定結果（f=4.2GHz）

パワーアンプの目標仕様
VDS ＝40V

バイアス条件図1

IDS ＝800mA

周波数

3.7～4.2GHz

出力電力51dBm

線形利得16dB

電力付加効率60%

適用パッケージ

気密セラミックパッケージ

パワーアンプの内部整合回路は、非線形 GaN HEMT モ

GaN HEMT のソース / ロードプル結果

デルと、図1に示したソース／ロードプル結果で得られた基本波・2倍波に対して効率最適点になるように設計した。
写真1に、パワーアンプの回路内部の写真を示す。回路荷を示している。GaN HEMT に接続する外部整合回路を構成は、入出力共に、ローパス型整合を採用し、4：2：1

この負荷と同じ位置に設計することで、パワーアンプの効のトーナメント型同相分配／合成を行っている。入出力整率を最大限に高めることができる 。

合回路はアルミナ基板および高誘電体基板を使用している。

（1）

図2に、GaN HEMT のインピーダンスを効率最適負荷に設定した場合の、入出力特性を示す。出力特性は41dBm（12.6W）、効率特性は70％が得られた。この結果を基に、GaN HEMT 実装チップでの出力特性は、100W を実現できる。効率特性は、周波数帯域、GaN HEMT の発熱、パワーアンプ回路構成時のロス等により、ロードプル値に対して10ポイント程度下がることが、これまでの実績よりわかっている。この点を考慮しても効率60％は達成可能と考4440363228242016128048 12 16 20 24 28 32 36[dBm]

図2

GaN HEMT の RF 特性（f＝4.2GHz）

9080706050403020100[%]

[dBm]

えられる。

写真1

C 帯100W 内部整合回路

写真2に C 帯100W の外形写真を示す。パッケージの全体サイズは、24mm ×17.4mm である。写真3は評価用治具で、アルミナ基板上に50オームラインが形成され、入力側、出力側共に治具外部にバイアス回路を設けている。

衛星搭載用C帯100W高出力・高効率GaN HEMTパワーアンプ

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電力付加効率 [%]806040*
電力付加効率*2003.63.73.83.944.1
周波数 [GHz]

4.24.3*) 4dB利得圧縮時の電圧付加効率

図4

電力付加効率の周波数依存に対するシミュレーション結果

C 帯 100W 外形写真

5553514947454341393735

図5
写真3

C 帯 100W 評価用治具写真

1009080706050403020100[%][dBm]

写真21823283338[dBm]43出力電力と電力付加効率の入力電力依存に対するシミュレーション結果（ｆ＝3.9Hz）

4.

試作結果

図3、4にシミュレーションによる出力電力および電力付

図6～8に本設計を基に試作したパワーアンプの特性結果

加効率の周波数依存性（設計結果）を示す。周波数 f ＝3.7を示す。電源電圧、電源電流は、表1に示す条件に設定し～4.2GHz において、出力特性≧50dBm、電力付加効率た。試作結果から、出力電力50～51dBm（100W）電力≧60％が得られている。図5に帯域の中心周波数である f ＝付加効率60％が得られ、目標仕様を満足した。

5028*452440203516303.6

3.73.83.944.1
[GHz]

4.2

4.35528出力電力
線形利得4524402035163.6

3.73.83.944.14.24.312周波数 [GHz]*) 4dB利得圧縮時の出力電力

図350301232

線形利得 [dB]32
出力電力 [dBm]

55[dB][dBm]

3.95GHz での入出力特性と効率特性を示す。

図6

出力電力の周波数依存結果

出力電力の周波数依存に対するシミュレーション結果

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[%]

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80HTOL）および RF ステップストレス試験を実施し、長期

60衝撃、温度サイクル）および機械環境（衝撃・振動、定加40た。DC HTOL および RF HTOL により求められた活性化エ信頼性を確認している。また環境試験として、熱環境（熱速度）試験を実施し、全てにおいて問題なき結果が得られ0

ネルギー（Ea）は、それぞれ2.10eV、2.21eV である。こ*20

れら Ea が非常に近いことから、DC HTOL と RF HTOL の故障モードは同一と考えられる。図9、10はチャネル温度

3.63.73.83.944.1[GHz]4.2200℃における平均故障時間（MTTF）を示す。DC HTOL

4.3については2.34×107時間（2671年）、RF HTOL については1.18×107時間（1347年）と予測される。これらの*) 4dB利得圧縮時の電力付加効率分である。

1009080706050403020
100

1.0E+141823283338

43

1.0E+12
1.0E+11
1.0E+101.0E+09
1.0E+08
1.0E+072.34 x107

1.0E+06[dBm]
図8

Ea=2.10eV

1.0E+13

MTTF (Hour)

5553514947454341393735

MTTF は、一般的に15年を寿命とする衛星搭載用途には十電力付加効率の周波数依存結果

[%]

[dBm]

図7hours

1.0E+05
1.0E+04

出力電力と電力付加効率の入力電力依存結果（ｆ＝3.9GHz）

100

150

200250Channel Temperature (deg.C)

5.
5－1

図9

信頼性試験

衛星搭載用認定試験（SQT）

1.0E+14

本製品に使用されている GaN HEMT に対して、世界標準 MIL-PRF-19500に基づいた標準衛星搭載用認定手順

1.0E+13に従って、衛星搭載用認定試験（SQT）を実施した。表2

1.0E+12は、耐放射線試験を除いた SQT の実施項目を示す。DC 高

1.0E+11

MTTF (Hour)

温動作寿命試験（DC HTOL）、RF 高温動作寿命試験（RF表2

衛星搭載用認定試験（SQT）

カテゴリ

試験項目

寿命試験

DC HTOL(VDS ＝60V, Tch＝250, 275, 300, 315℃)
RF HTOL(VDS ＝55V, Tch＝270, 290, 310℃, P4dB)
RFステップストレス(VDS ＝60V, Pin＝P3dB～P13dB, 各2時間)
熱環境

熱衝撃
温度サイクル

機械環境

衝撃・振動
定加速度

環境試験

DC HTOL の MTTF

Ea=2.21eV

1.0E+101.0E+09
1.0E+08
1.0E+07

1.18 x107

1.0E+06

hours

1.0E+05
1.0E+04100

150

200250Channel Temperature (deg.C)
図10

RF HTOL の MTTF

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5－2

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耐放射線試験

6.

耐放射線性は、宇宙空間で使用される上で重要な要素である。一般的に、シングルイベント効果（SEE
ルドーズ効果（TID

C 帯100W、200W ラインナップ）、トータ

C 帯100W の評価結果と現在並行して開発を進めている※5）、陽子線照射の3種類の放射線試験

C 帯30W モジュールとの組合せを図12に示す。トータルがある（2）。これらの試験の中で、GaN HEMT に対して最利得40dB で出力100W のラインナップを実現し、100Wも重要と考えられる SEE を実施した。S 通常バイアス条件デバイスを並列に構成することによって、200W のラインにおいて RF 動作させた状態（条件 A）とピンチオフさせてナップも可能となる。

※6

RF 信号を入力しない状態（条件 B）の2つの条件で試験を実施した。SEE の試験結果を表3に示す。条件 A では、GaN
HEMT に壊れは発生しなかった。条件 B では図11に示す安アンプ出力：50 dBm

入力レベル：10 dBm(100 W)

全動作領域（SOA）を得ることができた。GaN HEMT のアンプ利得：40 dB

焼損が VDS ＝195V 以上で発生していることがわかる。これは VDS ＝50V の3倍以上であり、通常動作に十分な値である。これらの結果から、当社の GaN HEMT 技術は放射アンプ出力：53 dBm(200 W)

入力レベル：13 dBm

線に対して十分な信頼性を有することを確認した。

アンプ利得：40 dB

表3 シングルイベント効果（SEE）
条件A.
線種

132

Xe

エネルギー [MeV]650

フルエンス [個/cm2 ]～ 3×105

フラックス [個/cm2 /sec]～ 3000

LET※7 (Si) [MeV･cm2/mg]

66.3

ドレイン電圧 VDS～ 53V

ドレイン電流 IDS (DC)

250mA

出力レベル
条件B.

C帯 100 W
VDS=40 V
P4dB*=50 dBm (typ.)GL= 16 dB (typ.)*)P4dB:4dB利得圧縮点**)GL: 線形利得

C帯 30W モジュール
VDS=40 V
P4dB*=45 dBm (typ.)GL= 28 dB (typ.)*)P4dB:4dB利得圧縮点**)GL: 線形利得RF動作時

図12C 帯100W、200W ラインナップ構成～ 4dB利得圧縮点

ピンチオフ動作、RF入力なし

線種132Xe

エネルギー [MeV]650124420

フルエンス [個/cm2 ]～ 3×105

フラックス [個/cm /sec]～ 30002

LET (Si) [MeV･cm /mg]
266.3～ 225V

ゲート電圧 VGS-6V

結言

本稿では、当社が開発した高信頼性 GaN HEMT テクノロジを適用した、C 帯100W パワーアンプの設計および試作した結果について報告した。得られた特性は、C 帯パワー

67.7

ドレイン電圧 VDS

7.

Xe

アンプとして業界トップクラスの性能を達成し、フルバンド（f ＝3.7～4.2GHz）での電力付加効率60％は業界初である。C 帯100W パワーアンプに適用した GaN HEMT は、衛星搭載用認定試験・耐放射試験に合格しており、宇宙空間においても十分な信頼度が得られていることを確認した。
以上の結果から、我々は衛星搭載用 GaN HEMT SSPA の実現可能性を実証した。また並行して開発を行っている C
帯30W モジュールとの組合せにより、トータル利得40dB,
C 帯100W、200W 級のラインナップが、衛星搭載用として実現可能となる。今後も、市場の要求に応えるため、当社は高出力化・高効率化・低コスト化の GaN HEMT テクノロジ及び製品開発を継続する。

図11

RF 入力なしでの SEE による安全動作領域

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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

参 考 文 献※1（1）	F. V. Rijs et.al,“Efficiency improvement of LDMOS transistors
for base stations: towards the theoretical limit,”2006 IEDMDigest（2） Mantech Digest		H. Yoshikoshi et.al,“Radiation Hardness Tests for Space Qualified
X-band AlGaN/GaN HEMTs,”2015 Reliability of Compound
Semiconductor Workshop

HEMTHigh 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

内部整合型増幅器

トランジスタと共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器用デバイス。
基板の素材や形状及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

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
児玉晃 忠＊ ：住友電工デバイス・イノベーション㈱大沢研 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱主席

石山重 行 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱課長久保田幹 ：住友電工デバイス・イノベーション㈱部長

マイクロ波集積回路

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・ダイオード等の能動素子を組み込んだ回路、あるいは半導体基板上に回路素子を組み込んだ回路をマイクロ波ハイブ
リッド集積回路（HMIC）、後者の半導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。
※4

ロードプル

大信号特性の評価方法の1つ。チューナーと呼ばれているインピーダンス整合条件を変えながら特性を評価するもの。
※5

SEESingle Event Effect：1個の高エネルギー粒子（陽子・重イオンなど）が半導体デバイスに入射し、電離作用により高密度の電荷が生成されることにより一時的な誤動作や永久的な故障が起こる効果をいう。
※6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

TID

Total Ionizing Dose Effects：宇宙放射線によって発生した電子・正孔のうち、正孔が集積回路の絶縁物に蓄積することにより素子特性が少しずつ変化し、ついに特性が劣化して故障していくもので、積算線量効果と呼ばれる。
※7

LET

Linear Energy Transfer：線エネルギー付与。粒子が物質中で単位体積密度、単位長さ当たりどのくらいのエネルギーを周囲に与えるかを表す量。

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