マイクロ波CADを用いた高度技術研修 −大学における社会人向け研修の

電気通信大学紀要 16 巻２号 pp.169-177（2004）
〔報告〕
マイクロ波 CAD を用いた高度技術研修
−大学における社会人向け研修の新しい方向−
本
城
和
彦
あらまし近年のマイクロ波 CAD/CAE の飛躍的な進歩により、マイクロ波回路は CAD/CAE を用いて設計すること
が通例になってきている。しかしながらマイクロ波 CAD/CAE は使用法が複雑で、ベンダーのセミナーでも企業内教
育でも使用法を教えるのが精一杯なのが実状である。一方、マイクロ波回路設計のセミナーは様々な機関で行われて
いるが、講義一辺倒でなかなか身に付かないのが現状である。電気通信大学共同研究センターでは、これらの問題点
を解決するためマイクロ波関連基礎理論の講義とマイクロ波 CAD 実習を組み合わせた高度技術研修を企画実施した。
このような研修を企画実施した背景、内容の概要ならびに今後の課題について述べる。
キーワードマイクロ波、半導体回路、CAD、教育、ハーモニックバランス、モーメント法
Advanced Seminar using Microwave CAD
− A New Trend for Seminars in Universities for Professional Engineers −
Kazuhiko Honjo
Abstract
Recent advances in microwave CAD/CAE technology enable us to perform the efficient and
accurate microwave circuit and device design. Since the operation manuals for CAD/CAE are
usually sophisticated, time-consuming efforts are reqired to learn their operations. Meanwhile,
microwave theory itself is also difficult to understand. The purpose of the new seminar is teaching
the basic microwave theory and the advance CAD/CAE technology simultaneously with appropriate
examples using the microwave CAD. This report describes the purpose and contents of the newly
developed seminar in the University of Electro-Comminications
Keyword
Microwave，Education，CAD，Semiconductor Circuit, Harmonic Balance, Moment Method
1. はじめに
の台頭によって最近出現した技術ではなく、レーダ、衛
星通信、地上マイクロ波回線などによって数十年間かけ
近年の携帯電話などワイヤレスシステム技術の進展お
て培われてきた硬派系の技術である。この技術はマイク
よびその市場規模の急拡大から、マイクロ波技術への社
ロ波工学と半導体工学が中核となった形成された技術領
会的注目度が増している。このため大学に対しては、産
域である。またその技術は半導体、金属、誘電体、磁性
業界よりこの分野の研究者、技術者育成の要請が強くな
体、超伝導体が係わる材料・プロセス・デバイス技術、
っている。マイクロ波半導体回路技術は昨今の携帯電話
さらにはこれらを精密にモデリングし有機的に連携させ
Received on October 7, 2003
Department of Information and Communication Engineering
170
本城和彦
（2004 年１月）
る回路・システム技術に係わっていることを特徴として
Microwave Office を研究用に２０ライセンス、教育用に
いる。またこれらの上流から下流にいたる技術が垂直に
２０ライセンス、ADS を８ライセンス、他に sonnet を
統合されていることが特筆点である。一般にアクティビ
５ライセンス, HFSS を備え活用している。
ティの高いマイクロ波半導体回路技術者はこれらの垂直
シミュレータは１年次の基礎セミナ、４年次集積回路工
統合技術領域を筋道よく理解したうえで、マイクロ波回
学、大学院での通信用 LSI 設計・ CAD 特論などの授業
路技術を専門としている場合が多い。
ならびに研究室での研究に使用されている。学部１年生
これらの
一般に大学での専門科目は各技術分野毎に体系化され
でも多段接続負帰還増幅器を自ら設計し、増幅器の安定
深く掘り下げており、他技術分野との連携はとられてい
性に関して興味を持ち理論的検討にトライする学生も一
ないのが普通である。また学生はこれらの専門科目がど
部にはいる。これらの設備の有効活用には産業界との連
のように将来連携していくのか分からない状況のなかで
携も重要であり数多くの共同研究や企業技術者向け高度
学習しなければならない。したがってこれらの科目が選
技術研修を積極的に推進している。
択科目となっている場合には、マイクロ波半導体回路に
とって重要な科目については履修していないといったこ
３．高度技術研修の概要
とが後になって露呈する場合も多い。通常はこの分野の
電気通信大学共同研究センターが実施している高度技
技術者は企業に入ってから、実際の設計業務を通じて職
術研修「CAD を用いたマイクロ波半導体回路設計」で
場の上司先輩よりこれらの技術を身に付ける（OJD: On
はマイクロ波の基礎、トランジスタのモデル化、高出力
the Job Development）ことになる。しかしこの OJD は
高効率増幅器の設計、広帯域増幅器の設計を例に取り２
いわゆる徒弟制度であり、教える側のスキルは統一され
０台のハーモニックバランスシミュレータを用いて理論
ておらず多様である。技術習得に要する時間とその深み
と実際の設計実習を含む研修を社会人向けに学内で実施
に関しては非常に大きなバラツキがあり、さらに学ぶ側
している。
には師を選ぶことができないという大欠点がある。この
欠点を克服することが大学の使命の一つである。
2. 電気通信大学に於ける取り組み
この高度技術研修の特徴は基礎理論と CAD 関連技術
を同時に習得し、マイクロ波半導体回路の設計を自ら体
験することにある。このため研修生２０名が各々一台づ
つ Microwave Office を操作するとともに、主として理論
マイクロ波半導体回路に対して、垂直統合されるべき
を説明するパワーポイントプロジェクタと、講師の
多様な専門科目がどのように統合されていくのかという
CAD 画面を投影するプロジェクタの２台を研修生の前
ことに関して知見を持つためには、産業界における研究
面に配置していることを特徴としている。
開発の経験が必要である。このため電気通信大学におい
ては、化合物半導体プロセス、デバイス、回路および無
線システムにの分野で、企業において研究開発経験のあ
る教官を積極的に任用し、大学の現状に詳しい教官と連
研修は教官２名とティーチングアシスタント４名から
構成されている。
研修項目の一例（平成１４年９月１７日、１８日実
施）を表―２に示す。
携して技術の広がりと深みを保って本課題に取り組んで
いる。
技術分野の垂直統合を実施するためには、プロセス・
デバイスを主に担当する電子工学科、回路システムを主
に担当する情報通信工学科など、異なった学科、専攻科
に属する教官を束ねる組織・仕組みが必須である。この
ために本学にはサテライトベンチャービジネスラボラト
リ（SVBL）と共同研究センタがある。SVBL はクリーン
ルーム（図―１）に化合物半導体プロセス、デバイス、
評価装置を備え、HBT などのマイクロ波半導体デバイ
スの MOVPE による結晶成長からマイクロ波ミリ波 On
Wafer 評価に至る一貫作業が行へ（図―２）、研究、学
生実習に利用されている。また共同研究センタは電波暗
室を備えておりアンテナ特性、EMC 関連課題の研究教
育に用いられている。デバイス設計パラメータ抽出に関
しては ISE（T-CAD）、IC-CAP を利用できる。
回路設計に関してはマイクロ波総合 CAD である
表− 1 主要研究設備化合物半導体デバイス・回路・システム
マイクロ波 CAD を用いた高度技術研修
171
マイクロ波では電圧、電流を測定し易い進行波と反射
波に分離して考えるが、大多数のエレクトロニクスのエ
ンジニアにとって、ここが中々実感が持てない点である。
そこで分布定数線路から電信方程式を導出し図―４に示
すように反射係数とインピーダンスの関係をパワーポイ
ントを用いて説明する。つぎにシミュレータを用いて簡
単な L,C,R 直列回路を作成し、このインピーダンスと、
図− 1 電気通信大学化合物デバイスクリーンルーム
図− 4 反射係数とインピーダスの関係
図− 2 マイクロ波ミリ波オンウエハー評価解析装置
このインピーダンスを反射係数面で見た場合の軌跡との
関係を体験し、スミス図の読み方を練習する。自ら回路
パラメータを変えたり、周波数範囲を変えたりすること
により回路シミュレータの初歩的な使用法も同時に理解
できる。
大変重要でよく使われるが、回路技術者が実感として
理解しにくいテブナンの定理と共役インピーダンス整合
の問題もシミュレータを併用すると理解が深まる。
図− 3 OFDM/W-CDMA/cdma2000 信号劣化解析装置
表− 2 研修項目の一例
図− 5 共投整合の原理
172
本城和彦
（2004 年１月）
Graph 1
30
4
DB(GMax) (L)
FET
GMax (dB) and K
K (R)
FET
20
3
10
2
0
1
-10
FET
ID=F1
G=0.015 S
T=0 ns
F=50 GHz
CGS=0.043 pF
GGS=0 S
RI=16 Ohm
CDG=0.005 pF
CDC=0 pF
CDS=0 pF
RDS=2000 Ohm
RS=1 Ohm
0
1
51
101
Frequency (GHz)
151
200
PORT
P=1
Z=50 Ohm
Graph 1
40
DB(GMax)
FET
GMax (dB) and S21 (dB)
図− 6 チェビシェフフィルタ内部でのインピーダス整合
PORT
P=2
Z=50 Ohm
1
DB(|S[1,2]|)
FET
20
2
DB(|S[2,1]|)
FET
DB(MSG)
FET
0
3
-20
-40
-60
1
51
101
Frequency (GHz)
151
200
図− 9 MAG と MSG
Swp Max
8GHz
能動素子（図―１０）は非線形性を有するため大信号
2.
0
0.
6
0.8
1. 0
Graph 1
0.
4
0
3.
4.
0
5. 0
図− 7 フィルタ内の
共投インピーダス整合
パラメータの抽出が必要である。このためデバイス物理
に立脚して動作原理を理解するとともに（図―１１）、
0. 2
10.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.8
0. 6
0
0.2
0. 4
10. 0
回路シミュレーションに用いられる経験式、理論式の関
-10.0
-0.2
-5.0
数的性質をビジュアルに把握する必要がある。図―１２
- 4.
0
-3
.0
Swp Min
4GHz
・デブナンの定理
・複素インピーダス系での
最大電力の供給
・チェシェフフィルタ
・フィルタの相似性
はカーチスキュービックモデルにおいて低 KNEE 電圧
Complex Conjugate Matching
30
Real Part and Imaginary Part ( ohms )
-1. 0
-0. 8
- 0.
6
.0
-2
.4
-0
S[1,1]
SmithChart
20
Re(ZIN[2])
SmithChart
Re(ZIN[3])
SmithChart
Im(ZIN[2])
SmithChart
Im(ZIN[3])
SmithChart
特性や短チャネル効果の表現を示したものである。次
に大信号モデル化されたトランジスタに直流バイアスを
10
加えて CAD 上で S パラメータを測定し、これよりｆ T、
0
ｆ max を求め、さらに所望周波数で入出力端子を整合
-10
-20
4
5
6
Frequency (GHz)
7
8
させることにより最大有能利得が達成されるこをとバー
チャルに体験する。
共役整合の概念は図―５の説明が通常なされるが、図
―６に示したチェビシェフフィルタにおいて、入力端子
を５０Ω化するとフィルタ内部の如何なる場所において
も共役インピーダンス整合状態となることが実感できる
（図―７）。
マイクロ波半導体回路の中で理論的に最も難解であ
るのが図―８に示す安定性の判別の問題であるが、シミ
ュレータにより種々条件下の利得を K ファクタをパラメ
ータとして計算できるため、現象の把握がスムーズでき
る（図―９）。
図− 10 GaAsFET の基本断面構造
図− 8 安定性の判別
図− 11 GaAsFET の基本動作原理
173
マイクロ波 CAD を用いた高度技術研修
Curtice FET Model
IVCurve (mA)
nonlinear1
800
600
Drain Current ( mA )
Drain Current ( mA )
Curtice FET Model
IVCurve (mA)
nonlinear1
800
400
Power Responce
|PcompSP[PORT_2,1,1]| (L, dBm)
nonlinear1
PAE_SP[PORT_1,PORT_2,1] (R)
nonlinear1
|PcompSP[PORT_2,1,1]| (L, dBm)
Layo ut
PAE_SP[PORT_1,PORT_2,1] (R)
Layout
20
400
10
48
0
32
200
200
80
30
600
64
-10
16
0
0
0
1
2
Voltage (V)
3
0
4
1
2
Voltage (V)
3
4
-20
0
-30
（ VT IDS Gd ）
標準形
0
Power (dBm)
低 Knee 電圧
MAG
15
25
DB(GMax)
nonlinear1
IVCurve (mA)
nonlinear1
Drain Current ( mA )
800
短チャンネル効果
GMax (dB) and S21 (dB)
DB(GMax)
Layout
Curtice FET Model
実装時の特性劣化
600
400
図− 12 GaAsFFT の
大信号モデル
200
0
0
1
2
Voltage (V)
3
DB(|S[2,1]|)
nonlinear1
DB(|S[2,1]|)
Layout
10
5
0
7
9
11
Frequency (GHz)
13
14
4
図− 14 X 帯高出力 MMIC の実装設計
さらにこの増幅器への入力信号レベルを上昇させたと
増幅動作の概要が把握できると、電力効率を１００％
き得られる飽和出力は、出力側をインピーダンス整合か
に近づける方法、歪みを低減する方法など種々のアイデ
ら外すとさらに大きくなることを体験する。付加電力効
アが浮かぶようになる。ここでは F 級増幅器を取り上げ
率も同様に出力側のインピーダンス整合を外しながら最
高調波制御により効率が上昇すること（図―１５）、ま
適値を CAD 上で探す。なぜこのようなことが起こるの
た高調波処理が歪み特性に影響を与えることなどを習得
を実験で体験するのはそれなりに難しいが、シミュレー
する（図―１６）。
受動素子に関しては、先ずモーメント法によりマイ
ションの場合は、回路中のどの場所における電圧波形、
電流波形も容易に表示できるので理解が容易である。３
クロストリップ線路の S11,S12,S21,S22 を実際の構造に
次、５次、７次相互変調歪みが発生する様子を計算し、関して解析し、基板厚を厚くすると不要モードである表
これらの相互変調歪みがマイクロ波帯だけでなく、低周
面波の発生することを確認し、マイクロストリップ線路
波帯のバイアス回路インピーダンスにも依存することを
応用回路デバイスとして３ｄ B ブランチカップラーとバ
体験できる（図―１３）。
ンドパスフィルタを取上げる。平面回路上に形成された
次にこのような増幅器を動作させるためには実装設
２分の１波長共振器と入力伝送線路、出力伝送線路を結
計を行わなければならない。接地用ビアホールのインダ
合させること、複数個の共振器を飛び結合を避けて結合
クタンス、伝送線路、キャパシタ、トランジスタのレイ
させること、入出力の結合伝送線路の特性インピーダン
アウトを行った後、増加した寄生素子の影響による増幅
スを５０Ω化することなどをシミュレータにより確認し
器特性劣化の程度をシミュレーションにより確認する
ながら
(図―１４)。
タの設計を行う。
図―１７は２段のペアピン型バンドパスフィル
Power Response
30
100
|PcompSP[PORT_2,1,1]| (L, dBm)
nonlinear1
0
40
-10
20
Output current and voltage
DB(GMax)
nonlinear1
20
8
DB(|S[2,1]|)
nonlinear1
15
6
10
4
5
2
6
0
Drain Voltage (V)
60
9
Drain Current (mA)
10
GMax (dB) and S21 (dB)
80
Power Added Efficiency (%)
20
0
3
7
-20
0
-30
-20
-10
0
Power (dBm)
10
9
11
Frequency (GHz)
13
14
-5
0
0.5
Time (ns)
-2
1.0526316
1
Vtime[V_METER.VM2,1,1] (R, V)
nonlinear1
Itime[I_METER.AMP2,1,1] (L, mA)
nonlinear1
20
図− 13 マイクロ波高出力増幅器
Power Response
Spectrum
20
0
-150
-200
-250
-300
9.999
10.001
Frequency (GHz)
100
図− 15
PAE_SP[PORT_1,PORT_2,1] (R)
nonlinear1
10
80
0
60
-10
40
-20
20
-30
0
-40
-30
-20
Power (dBm)
-10
0
5
PAE (%)
-100
・Kファクタと小信号整合
・小信号整合と大信号最適負荷
状態の違い
・歪の発生
・AM/AM,AM/PM変換特性と
2トーン特性の関係
|PcompSP[PORT_2,1,1]| (L, dBm)
nonlinear1
Power Output (dBm)
DB(|Pharm[PORT_2,1,1]|) (dBm)
nonlinear1
-50
Power Output (dBm)
Power Output (dBm)
MAG
12
PAE_SP[PORT_1,PORT_2,1] (R)
nonlinear1
F 級増幅回路による
極限性能追求
174
本城和彦
（2004 年１月）
実際に設計されたバンドパスフィルタを、平面回路自
動加工機により試作し特性を比較した例を図―１８に示
す。
４．研修生の反応と今後の展開
平成１４年９月に実施された電気通信大学共同研究セ
ンター高度技術研修「CAD を用いたマイクロ波半導体
回路設計」のアンケート集計結果を付録にまとめる。理
論と CAD 実習が併行する研修の本来の趣旨は殆ど研修
生に理解され支持されている。CAD の操作方法に関し
ては(a)日頃業務で使っているので講義は不要という意
図− 16
見と(b)もう少し詳しく丁寧に教えてほしいという意見
相互変調歪み発生メカニズム
図− 17
マイクロストリップ型
バンドパスフィルタ
の２つの分かれ、研修を進めるにあってのクラス別け等
今後の工夫が必要である。今回はマイクロ波半導体回路
初級者、中級者を対象にした研修であったが、今後はタ
基本設計法
小型化
共振系の低損失化
通過損失の低減
遮断特性の向上
ーゲットを絞りより専門的な研修を行って欲しいという
要望も強かった。
今後の高度技術研修の展開としては、昨今の各種マイ
クロ波 MMIC の低価格ファンドリーサービスの充実と相
S11
0
まって、設計だけでなく、試作評価までを研修に含める
DB(|S[1,1]|)
Microstrip on GaAs
S21
0
ことも可能である。
-5
-10
-10
以上のような一連の流れの中で、大学の研究開発セ
-20
-15
DB(|S[2,1]|)
Microstrip on GaAs
-20
ンター化、産学連携強化を一層推し進めることが必要で
-30
-25
10
12
14
16
Frequency (GHz)
18
-40
20
10
12
14
16
Frequency (GHz)
18
20
ある。
S21
0
5.118 GHz
-0.3534 dB
5.423
-0.853
5 GHz
-0.253 dB
5.324
-0.747
5.106
-0.855
4.83 GHz
-0.3516 dB
-10
DB(|S[2,1]|)
5GHz_BPF 1
EM
DB(|S[2,1]|)
EM Structure 1
-20
PlotCol[1,2]
S21
-30
2
3
4
5
Frequency (GHz)
6
7
8
図− 18 − a 5GHz 帯帯域通過フィルタのシミュレーションと実験結果
S11
0
-10
5.423
-13
-20
4.83 GHz
-20.69 dB
-30
DB(|S[1,1]|)
5GHz_BPF 1
DB(|S[1,1]|)
EM Structure 1
-40
PlotCol[1,2]
S11
-50
2
3
4
5
Frequency (GHz)
6
7
8
図− 18 − b 5GHz 帯帯域通過フィルタのシミュレーションと実験結果
図− 20 今後の大学における高度技術研修の展開
マイクロ波 CAD を用いた高度技術研修
５．あとがき
電気通信大学において行われているマイクロ波 CAD
を用いた高度技術研修を例に取り、シミュレータを用い
たマイクロ波専門教育のあり方について述べた。大学で
の研修においても CAD を用いることにより、理論的理
解に加えて定量的理解も同時に進むことなどが確認され
た。
電気通信大学共同研究センター高度技術研修を実施す
るにあたり、種々ご支援頂いた湘南工科大学教授（本学
元客員教授）伊藤康之氏、サイバネットシステム㈱応用
システム第二事業部副事業部長勝山義樹氏、同事業部技
術部 EDA エンジニアリング第二グループリーダー伊藤
大輔氏、同部員 Ragip Ispir 氏に感謝します。
175
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本城和彦
（2004 年１月）
マイクロ波 CAD を用いた高度技術研修
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