GaN HEMT を用いた Gated-Anode ダイオードのマイクロ波整流特性

電気学会研究会資料. EDD= The papers of technical meeting on electron devices, IEE Japan/電子デバイス研究会 [編]

Published On 2022/3/9

デンシ デバイス ケンキュウカイ コウキノウ カゴウブツ ハンドウタイ エレクトロニクス ギジュツ ト ショウライ システム エ ノ オウヨウ (ダイ 2 キ)

Journal

電気学会研究会資料. EDD= The papers of technical meeting on electron devices, IEE Japan/電子デバイス研究会 [編]

Published On

2022/3/9

Volume

2,022

Page

41-45

Authors

Naoki Sakai

Naoki Sakai

Kanazawa Institute of Technology

Position

H-Index(all)

8

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6

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Research Interests

Microwave circuit

Wireless power transfer

Rectifier

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An Integrated Planar Guanella Balun with the Quasi-Coaxial Structure on GaAs Substrate

This paper proposes a planar Guanella balun with the quasi-coaxial structure. This is the first report of the Guanella balun fabricated on a GaAs substrate. The quasi-coaxial structure is configured with metal layers on three thin dielectric layers of a few micrometers thickness. These layers are laminated on the GaAs substrate. The metal on the second layer (the second metal) is an inner conductor, which is surrounded by the first and third metals correspond to an outer conductor. The first and third metals are split lines to widen the inner conductor. The fabricated Guanella balun has a spiral shape, and its size is by . The fabricated Guanella balun shows less than of amplitude imbalance and 7.3 degrees of phase imbalance from 5 GHz to 15GHz. The fabricated Guanella balun is realized with half elements of a Marchand balun and achieves good performance with small size.

Naoki Sakai

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IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters

Graded Index Fiber-Inspired 3-D Printed Surface Focusing Porous Dielectric Structure With GaAs MMIC Rectenna Towards Millimeter Wave Wireless Power Transfer Application

Borrowing the idea of the graded-index (GRIN) fiber, we propose an all-dielectric porous structure with a unique surface focusing feature to improve the performance of the rectenna for millimeter-wave (mm-Wave) wireless power transfer (WPT) applications in this letter. The on- and off-axis focusing properties of the proposed structure are analyzed by the full-wave electromagnetic simulation. Moreover, benefitting from the low-cost 3-D printing technique, the designed GRIN structure prototype with different pore densities of the polylactic acid material is fabricated. The near-field phase transform experiment at 28 GHz was carried out to verify the excellent focusing performance of the fabricated structure prototype. Besides, the characteristics of multifocal spots on the surface of the proposed structure are further confirmed by the mm-Wave WPT experiments with a GaAs monolithic microwave integrated circuit rectenna …

Naoki Sakai

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高効率・大電力レクテナ

本報告では,金沢工業大学における高効率・大電力レクテナの研究状況について述べる.ドローンなどのUAVへの無線給電を行う場合,限られた受電面積から所望の直流電力を取り出すために,レクテナの大電力化,高効率化が必要となる.本稿ではその手法を述べる.

Naoki Sakai

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GaAs E-pHEMT gated anode diode を用いた 5.75 GHz 帯 1W レクテナ

空間伝送型ワイヤレス電力伝送の法制度化が進み,実用化に向けた開発が行われている.その中で,金沢工大ではダイポールアンテナとE-pHEMT gate anode diode(GAD)による整流素子を直接整合し,整合回路の損失を抑制した高効率レクテナを報告している[1].本報告は,レクテナを低姿勢化させる上で有利なパッチアンテナ用い,[1]と同様の直接整合構成の1Wレクテナを開発したので,その結果を報告する.[1] N. Sakai, K. Itoh et.al, "5.8GHz Band 10W Rectenna with GaAs E-pHEMT Gated Anode Diode on the Aluminum Nitride Antenna for Thermal Dispersion," IEEE MTT-S IMS2023, pp.1003 – 1005, 2023-8.

Naoki Sakai

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塗布型カーボンナノチューブ薄膜トランジスタによる Gated anode diode を用いる 920MHz 帯レクテナ

本報告では薄形で安価な塗布プロセスが適用可能なカーボンナノチューブ薄膜トランジスタ (carbon nanotube thin –film transistor: CNT-TFT) による920MHz帯レクテナについて述べる.ここでは高い移動度が得られるCNT-TFTによりgated anode diode (GAD)を構成し,整流素子としている.このCNT-TFT GADは強い周波数分散特性を有するため,直流特性と高周波特性を用いモデル化している.このCNT-TFT GADにより倍電圧整流器を構成し,さらに高利得特性を有するデュアルループアンテナと接続し,レクテナを構成している.試作した920MHz帯レクテナの大きさは46mm x 92mmであり,基準アンテナへの受電電力0dBmの条件で0.41Vの出力電圧を確認した.これはEIRP 2Wの送信機から1.48m離れた場所での受電に相当する測定条件である.

Naoki Sakai

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倍電圧整流器 IC の高調波輻射量の評価結果

本報告では,倍電圧整流器ICの高調波輻射量の評価結果を報告する.一般的な倍電圧整流器の等価回路をもとにしたレイアウト(Layout A)と平滑用MIMキャパシタの配置を変え,対称構造にしたレイアウト(Layout B)を比較する.その結果として,Layout Aは入力電力25.6dBmのとき,整流効率67.2%,出力電圧8.6Vを得ている.Layout Bも同等である.また,2倍波電力への変換損の測定値は,Layout Aでは-38.5dBc@Pin = 25.6dBm,Layout Bでは-41.3dBc@Pin = 25.6dBmである.レイアウトを対称とすることにより2倍波の高調波輻射レベルが2.8dB抑制することができる.

Naoki Sakai

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量子ビット駆動用 X 帯偶高調波リングミクサ MMIC の特性

量子ビット駆動用マイクロ波信号源では,演算の判定誤りを抑制するため低スプリアス特性が要求される.これに適用するため,アンチパラレルダイオードペア(APDP)を用いる偶高調波ミクサを検討している.ここでは X帯偶高調波リングミクサMMICの評価結果を示す.

Naoki Sakai

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インピーダンス変成微小ループアンテナを用いる 28GHz 帯 GaAs 高感度レクテナ MMIC

Beyond 5Gに向け,ミリ波における通信と無線電力伝送(WPT)の融合システムを検討している. WPTのサービスエリア拡大のためには高感度レクテナが必要となる.本報告では,小形に高インピーダンス特性を実現できる微小ループアンテナ(SLA)を適用した28GHz帯GaAs高感度レクテナMMICの試作結果を示す.

Naoki Sakai

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整合回路付き高周波倍電圧整流回路の整流効率の理論式

本報告は整合回路を含む高効率倍電圧整流回路の設計に向けて,整合回路を装荷した倍電流整流回路の整流効率の理論式を導出する.

Naoki Sakai

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準同軸構造グァネラバラン GaAs IC の試作結果

平衡-不平衡変換を行う高周波回路としてマーチャントバランが良く用いられている.ただし,2つのλ/4結合線路で構成されるため小型化の課題がある.ここではバランの小型化に向けて,1つのλ/4同軸伝送線路で構成可能なグァネラバランを準同軸構造によりGaAs IC上に形成した.試作の結果,4~15GHzで,3dBの分配損とI/O パッドの損失を含む挿入損失は6.3±1.4 dB,振幅インバランスは0.7dB以下,位相インバランスは10.9度以下が得られた.I/O パッドを除くグァネラバランのコアサイズは425μm×345μmである.併せて作製したマーチャントバランと比較して同等の性能で22.2%の小型化が図れた.

Naoki Sakai

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Novel Energy Harvesting and SWIPT System at 28 GHz with a Simple Phased Array

The realization of future radiative wireless power transfer products necessitates a simple and low-cost phased array with higher frequency to increase the beam efficiency. Further, simultaneous wireless power and information transfer (SWIPT) are also expected. This study developed a simple phased array at 28 GHz while considering energy harvesting from 5G radio waves. The number of antenna elements in the phased array with parasitic elements were reduced and novel, simple, and low-cost phase shifters were employed. Consequently, beam steering and SWIPT experiments were conducted using the developed phased array. This study expanded upon the developed phased array and the experimental results in Japan.

Naoki Sakai

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920 MHz band rectenna with the CNT-TFT GAD

This paper presents the first demonstration of rectification with the carbon nanotube thin film transistor (CNT-TFT) for wireless power transfer (WPT) in the 920 MHz band. The CNT-TFT that is a coated TFT using semiconducting single-walled carbon nanotubes has advantage of low-cost fabrication and planner integration with an antenna on a thin film. On the other, reported frequency ranges were within HF bands due to their wider channel size. For applying the CNT-TFT to GHz-order rectification, the gated anode diode (GAD) is employed and is characterized for its modeling. As the results, practical operations of 920 MHz band rectenna with the CNT-TFT GAD and the dual loop antenna can be confirmed in experimental investigations.

Naoki Sakai

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電子情報通信学会論文誌 C

AMC 動作基板上の誘導性高インピーダンスモノポールアンテナを用いる 5.8 GHz 帯大電力レクテナ

本論文では薄形レクテナを地導体上に配置するために,AMC(Artificial Magnetic Conductor)動作基板上に配置した誘導性高インピーダンスモノポールアンテナを用いる5.8 GHz帯大電力レクテナの設計,試作結果を示す.ここではAMCから想起され,同様の動作をするグリッド導体を有する薄形基板であるAMC動作基板を用いることにより,地導体から2 mmの高さでモノポールアンテナを実現する.これを誘導性かつ高インピーダンス動作するよう設計し,整流用ダイオードとして用いる0.5 μm GaAs E-pHEMTによるGated Anode Diode(GAD)と共役整合する.整合回路を不要とすることで,高効率化を図っている.試作したレクテナの大きさは15 mm × 17.2 mm × 2.1 mmであり,地導体・金属上に実装可能である.測定の結果,整流器への入力電力31.8 dBm(1.51 W)に対し整流効率84.4%,出力電圧37.7 Vの良好な結果が得られている.

Naoki Sakai

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5.8 GHz band 10 W rectenna with GaAs E-pHEMT gated anode diode on the aluminum nitride antenna for thermal dispersion

In this paper, the 5.8 GHz band 10 W rectenna is demonstrated. The GaAs bridge rectifier IC with GaAs E-pHEMT gated anode diodes (GADs) is employed to obtain input power of 10 W. The IC is directly connected with the inductive high-impedance antenna to reduce circuits’ loss. Furthermore, the antenna is implemented on the aluminum nitride (AlN) substrate for thermal dispersion. With migrated circuit functionalities, simulated radiation efficiency of the antenna is 99.2 %. Measured rectification efficiency of the rectifier is 83.7 % at input power of 10 W. This is the top performance among 10 W class rectifies

Naoki Sakai

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IEICE Technical Report; IEICE Tech. Rep.

5.8 GHz band 10 W rectenna on the aluminum nitride antenna for thermal dispersion

(in English) This paper presents the 5.8 GHz band 10W rectenna with GaAs E-pHEMT gated anode diode (GAD) on the aluminum nitride (AlN) antenna. The rectifier IC on the prototyped AlN antenna achieved a rectification efficiency of 83.7% at an input power of 10.5 W while maintaining a GAD junction temperature of 48 degrees. These results demonstrate that the rectenna can continuously receive RF power of 10 W with high rectification efficiency. Furthermore, we demonstrate a 3x3 rectenna array with the prototyped rectenna in a microwave power transfer (MPT) system. The MPT system with the rectenna array could transmit a DC power of 43.4 W, allowing a drone to fly continuously for ten minutes.

Naoki Sakai

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GaAs E-pHEMT GAD を用いる準ミリ波帯 1W 整流器 MMIC

GaAs E-pHEMT Gated anode diode を用いて26GHz帯1W倍電圧整流器MMICを設計した.測定結果は,26GHzにおいて入力電力29.5dBmのとき整流効率62.2%,出力電圧31.1Vである.GADにより準ミリ波帯において大電力・高効率整流が可能であることを示した.

Naoki Sakai

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5.8 GHz 帯 10W 級倍電圧整流器 MMIC

マイクロ波での無線電力伝送(MPT)が法制化され,その実用化が進められている.筆者らは,MPT用レクテナの大電力化のため,GaAs E-pHEMTによるGated anode diode (GAD)を用いる大電力レクテナの検討を行っている.本報告では5.8GHz帯10W級倍電圧整流器MMICの評価結果を示す.

Naoki Sakai

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ダイオードの閾値と降伏電圧を考慮した倍電流整流回路の解析

無線電力伝送システムにおいて,整流回路は受電した高周波電力を直流に変換し負荷へ給電するために欠かせない回路である.倍電流整流回路はモーターや電池などの低電圧・大電流で動作する負荷へ直流電力を供給するのに向いている.過去の発表ではダイオードを理想的なスイッチと仮定し,倍電流整流回路の動作および理論効率をまとめている.本稿では閾値電圧ならびにブレイクダウン(降伏)電圧を含んだダイオードモデルを用い,倍電流整流回路の動作について報告する.

Naoki Sakai

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Kanazawa Institute of Technology

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GaAs E-pHEMT gated anode diode を用いる 5.8 GHz 帯 5W レクテナ

大電力化に適するGaAs E-pHEMTによるgated anode diode(GAD)を用いる5.8GHz帯5Wレクテナの試作結果を示す.入力電力Pin=37dBm(5W)のときに整流効率=85.2%,出力電圧Vout=35.8Vである.

Naoki Sakai

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Kanazawa Institute of Technology

IEICE Technical Report; IEICE Tech. Rep.

Quasi millimeter wave high-power rectifier with GaAs E-pHEMT GADs

(in English) In this report, quasi-millimeter wave 1 W-class double-voltage rectifier MMIC with 0.18 μm GaAs E-PHEMT gated anode diodes (GADs) is presented. At first, high current characteristic of the 0.18 μm GaAs E-PHEMT GAD is indicated in its characterization, compared with the GaAs SBD. As the result, terminal capacitance of the GAD is made lower than that of the GaAs SBD, matching loss can be reduced especially in high-power rectification. In the experimental investigation of the developed double voltage rectifier MMIC, rectification efficiency of 62% and output voltage of 32.9 V are obtained at an input power of 30 dBm. This is the highest input power in reported rectifiers from 20 to 40 GHz band. And measured rectification efficiency is extreme higher than the reported efficiency trend versus input power. The reported circuit technique with the GaAs E-PHEMT GAD indicates good possibility for future …

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