Cadence Microwave Office によるミックスモード・アウトフェージング増幅器の設計

　近年の通信システムにおいて、基地局増幅器は高周波化・広帯域化が進み、高効率デバイスの開発が進められています。その中で負荷変調を用いた高効率化・広帯域化が注目されています。住友電気工業株式会社では、様々な回路構成の研究に取り組んでおり、将来の増幅器技術の一つであるアウトフェージング増幅器の設計手法が検討されています。アウトフェージング増幅器は、2つの増幅器の出力が互いの負荷インピーダンスを変調し、互いの動作に影響を与えるため、設計が困難です。住友電気工業株式会社は、アウトフェージング増幅器の設計を定式化し、効率的に性能を見積もる手法を提案しました。本ブログでは、Microwave Officeを用いてこのプロセスを実行する方法を説明します。

設計の概要

　このアプリケーションノートでは、住友電気工業株式会社が提案した手法に基づいて、ミックスモード・アウトフェージング増幅器を設計するプロセスを示します。実際のプロセスは4つのステップで説明できます。

1. デバイスのロードプル解析
2. 高いドレイン効率が得られる飽和およびバックオフ出力電力を実現するための目標のインピーダンスの決定
3. 整合回路とシレックス電力合成器の設計
4. ミックスモード・アウトフェージング増幅器の合成

デバイスのロードプル解析

　ロードプル解析により、デバイスの性能を調査できます。Microwave Officeは、周波数、入力電力、バイアス条件、ソースインピーダンス、ロードインピーダンスなど、様々な条件をロードプル解析でスイープする機能を備えています。この手法では、ドレイン効率と出力電力を効率的にプロットする機能が非常に役立ち、飽和出力電力とバックオフ出力電力のインピーダンスにおける性能を評価するのに役立ちます。このようにMicrowave Officeのロードプル解析機能は、様々な柔軟な解析手法を提供します。

Fig.1 Microwave Officeのロードプル解析環境

飽和およびバックオフ出力電力のインピーダンスを決定

　ロードプル解析の結果から、2つのインピーダンス点でドレイン効率対出力電力のグラフをプロットします。1つは飽和出力電力で、もう1つはバックオフ出力電力のインピーダンス点です。これら2つの点でのドレイン効率対出力電力を含むミックスモード・アウトフェージング増幅器を合成することが可能です。最初のステップは、スミスチャート上でインピーダンスを移動し（下図の右側）、長方形グラフで飽和およびバックオフ時にドレイン効率対出力電力のバランスをとるインピーダンスを決定することです（下図の左側）。より高いドレイン効率が得られ、かつ必要なバックオフが得られるように飽和時とバックオフのインピーダンスを探す必要があります。下の図では、スミスチャートのマーカー位置でのドレイン効率対出力電力のプロットが左側のグラフに示されています。飽和から3〜4dBのバックオフで約50％のドレイン効率が得られると期待できます。

Fig.2 出力電力とドレイン効率およびインピーダンスの関係。

整合回路とシレックス電力合成器の設計

　次のステップは、整合回路を設計することです。この整合回路は、ロードプル解析によって得られた飽和およびバックオフ時のインピーダンス (Zsat および Zbo) を虚数部がゼロの R1 および R2 に変換します。整合回路は、2 つの TLIN エレメントで構築できます。TLIN のパラメータは最適化します。下の図には 4 つの回路があります。赤い四角の中に 2 つの TLIN があります。4 つの赤い四角はすべて同じ回路です。たとえば、左上の回路では、S11 を測定することにより、整合回路で R1 (虚数部がゼロ) のインピーダンスがどのようなインピーダンスに変換されるかを確認できます。最適化により、S11 で測定されたインピーダンスは、飽和出力電力 (Zsat) での予想されるインピーダンスに変換される必要があります。同様に、S22 はバックオフ出力電力 (Zbo) でのインピーダンスに変換される必要があります。

　右上のS33でZsatの共役がR1に変換されているかどうか、右下のS44でZboの共役がR2に変換されているかどうかを確認できます。

Fig.3 整合回路によるインピーダンス変換を確認するための回路図。

出力整合回路を最適化した後のインピーダンスはFig4のとおりです。期待されるZsatとZboがGlobal Definitionsで定義され、R1は最適化によって調整され、R2はグローバル定義のZsat、Zbo、R1から計算されます。スミスチャートは、Fig3の回路図のS11、S22、S33、S44を示しています。期待されるZsatとZboが得られ、R1とR2も最適化された値と一致しています。

Fig.4 グローバルデフィニションと最適化後のインピーダンスの確認

次に、シレックス電力合成器を設計します。シレックス電力合成器は、2つの入力と1つの出力を持つ回路です。2つの入力には、互いに逆位相の信号が入力されます。例えば、一方の入力が45度のオフセットを持つ場合、もう一方の入力は-45度のオフセットを持ちます。シレックス電力合成器によって50Ωの出力インピーダンスは、特定のオフセット角度で虚数部がゼロになるR1とR2に変換されます。住友電気工業のレポートによると、シレックス電力合成器の設計パラメータは、R1、Zsat、Zboから計算できます。Zsat、Zbo、R1 から導かれるパラメータで構成されるシレックス電力合成器のインピーダンスは、入力電力の位相が正負に 32 度オフセットされると R1 (虚数) となり、正負に 58 度オフセットされると R2 (虚数) となります。

Fig.5 虚数部が 0 となる R1 と R2 は、32 度と 58 度で実現できることを確認

ミックスモード・アウトフェージング増幅器の合成

　最後に、設計した整合回路とシレックス電力合成器を用いて、ミックスモード・アウトフェージング増幅器を合成します。この手法を用いることで、設計者はトランジスタから得られる性能を予測することができます。さらに、整合回路とシレックス電力合成器の設計パラメータはTLINとして取得できるため、TLINをマイクロストリップラインなどに変換することで、より高精度な設計に進むことができます。

出力ポートの50Ωは、シレックス電力合成器を介して、32度と58度の角度オフセットを持つ入力信号が入力されるときにR1とR2（虚数ゼロ）のインピーダンスに変換されます。そして、これらのインピーダンスは出力整合回路を介してFETにおいてZsatとZboのインピーダンスとして現れます。

Fig.6 合成されたミックスモード・アウトフェージング増幅器のインピーダンス変換

下の左側のグラフは、ロードプル解析（左）によって決定された出力電力対ドレイン効率を示しており、右側のグラフは、合成されたミックスモード・アウトフェージング増幅器の出力電力対ドレイン効率のHB解析結果を示しています。増幅器の性能は、ロードプル解析によって決定された性能に従っていることがわかります。

Fig.7 ロードプル解析と HB　解析結果の比較。

結論

本アプリケーションノートでは、住友電気工業株式会社が提案する手法をMicrowave Officeを用いて用い、ミックスモード・アウトフェージング増幅器を設計する手法を紹介しました。この手法を用いることで、設計者はデバイスから得られる性能を効率的に見積もることができます。また、TLINを用いて設計するため、Microwave OfficeのSynthesize機能を用いて配線に置き換えることで、レイアウトの影響を考慮した設計へと進めることができます。この手法はプログラミングによる自動化も可能です。

参考

Outphasing Amplifier Using GaN HEMTs, SUMITOMO ELECTRIC TECHNICAL REVIEW No. 96 · APRIL 2023

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