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摘要：本文介绍了一种C波段2500W固态合成功率放大器的工程实现。基于55所自主GaN功率器件进行了64路的功率合成，获得了2500W的输出功率和24%的功率附加效率，并具有高功率密度，高效率，体积小等优点。
关键词：固态合成功率放大器；空间功率合成；三代半导体
A design of a C-band Solid-state High-Power Amplifier
ZHANG Yangzhen CHENG Haifeng XU Jianhua
（The 55th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Nanjing，210016）
Abstract：This paper shows an engineering application of a 2500W C-band SSPA（Solid-State Power Amplifier）. Based on NEDI’s GaN power device and a 64-way combiner，an 2500-W power amplifier was developed with the PAE of 24%. It also has the characteristic of high power density，high efficiency and small size.
Key words：Solid-State Power Amplifier；Spatial combining；Three generation semiconductor；
1.引言
采用功率合成技术的固态功率放大器已经广泛的应用于微波发射系统。随着国内三代微波半导体的迅速发展，中国电科55所已经研发出覆盖各频段的GaN功率芯片。GaN材料作为三代半导体的主要代表，具有大禁带宽度、高饱和电子漂移速度和高击穿电场强度等显著优点，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）理论上可实现更大输出功率、更高工作效率以及更强的抗辐照能力，代表固态微波功率器件的发展方向。
随着自主GaN器件的成熟，基于GaN功率器件进行的功率合成也开始全面展开[1]。由于GaN器件的高功率密度以及高电压低电流的工作特性，特别适合当前微波系统小型化、集成化的方展方向。
本文将采用55所研发的C波段GaN 60W功率放大芯片进行64路功率合成，获得峰值功率2500W，效率为24%。
2.设计过程
当前微波系统对功放越来越多的提出小型化的要求。作为合成功放，实现小型化需要从提高功率器件的功率密度以及提高功率合成密度两个方面入手。GaN功率器件的出现成功的解决了提高器件功率密度的问题。目前，GaN功率器件的功率密度已经达到数倍于GaAs器件的水平。因此减小功率合成体积，提高功率合成密度成了急需解决的问题。
基于此本文开发了下文详述的空间合成结构，进行16路功率合成，如图1所示。第一级功率合成将4个功放芯片进行空间合成。在实现空间合成后采用一级3dB波导桥的结构，可以有效的控制波导合成网络的驻波以及支路之间的隔离度。最后采用波导两合成，实现800W的功率模块。
合成的最后一步是采用传统的波导合成形式，将上述模块进行4合成，以获得最终整机2500W的输出功率。
2.1 芯片级构成
MMIC芯片是固态功率放大器的核心，本文选用的功放芯片是由55所研制的C波段GaN功率放大芯片。该款芯片采用了0.25um HEMT GaN工艺，在C波段可以提供约约48dBm的输出功率。由于单芯片功率已经较大，因此在封装内不进行合成，仅对一个芯片进行封装。图2为该芯片的测试曲线。在28V，30%的测试条件下，单元模块输出功率约为60W，效率大于32%。
2.2 模块级合成
模块级合成以上述的功率单元模块为基础，4个功放芯片采用空间合成，再采用3dB波导桥的结构进行2合成，最后采用波导E面分支2合成，形成第二级合成的800W功率模块。
本文开发出了一种4合成的空间合成结构，该结构的功率合成密度为当前常用的双探针合成方式[2]的两倍。图3为该空间合成结构的仿真模型。该结构通过对现有双探针结构的扩展，实现了4探针合成结构，在波导体积未出现变化的情况下，将探针的数量翻倍。
图4为该结构的仿真数据。可以看出，在C波段较宽的频带内，该结构都有较好的驻波和较小的插损。
（a）驻波
（b）插损
由上图可以看出该8路合成结构的驻波小于1.2，损耗小于0.5dB。
图7为800W功率模块的的实物照片。该模块的尺寸为270mm×165mm×80mm。相比采用GaAs器件的功放模块，体积减小约50%。
图8为C波段模块的测试曲线，在28V，30%的测试条件下，模块输出功率约为800W，效率大于28%。
2.3 组件级合成
组件级合成采用了传统的4路波导的合成方式。
图9为 2500W功放整机的实物照片。图10为整机的测试曲线，整机在28V工作，30%占空比的测试条件下，可以测得功放输出功率约为2500W，效率约为24%。
3.结果分析
本文介绍的固态功放采用了多级放大的方式，分3级放大，以满足工程应用中的各类实际需要。
芯片级构成采用55所研制的C波段GaN功率放大芯片，在28V工作电压下， （下转第页）
（上接第页）可以提供约46dBm的输出功率，效率大于32%。
模块级合成采用了本文开发的空间合成结构，进行16路功率合成。第一级功率合成将4个功放芯片进行空间合成。第二级再采用3dB波导桥的结构进行两合成。最后采用波导两合成，实现最终的功率输出。在C波段的频率范围内输出功率大于800W，效率大于28%。
组件级合成采用波导形式，其主要目的是为了减小损耗，提高效率。通过4路的波导合成最终实现最高峰值2500W，效率为24%的功率合成。
4.结论
本文开发了一种适用于GaN功率器件的空间合成结构，以55所研发的C波段GaN 60W功率放大芯片为核心，经过空间合成和波导合成的方式，最终实现了C波段2500W的峰值输出功率，功率附加效率高达24%。对比目前大规模使用的基于GaAs技术的固态功率放大器[2]，基于GaN更高的功率密度，在相同的体积内可以实现功率成倍的提高，加上开发出的更高功率密度的合成结构，可以进一步的减小合成体积。
参考文献：
[1]成海峰，王晔，张斌. 基于GaN芯片的宽带固态功率放大器设计[J]固体电子学研究与进展，2012，6：230-233
[2]吴礼群，蔡昱，成海峰. Ku波段600W固態合成功放设计 [J]，电子与封装，2011，4：24-27.
关键词：固态合成功率放大器；空间功率合成；三代半导体
A design of a C-band Solid-state High-Power Amplifier
ZHANG Yangzhen CHENG Haifeng XU Jianhua
（The 55th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Nanjing，210016）
Abstract：This paper shows an engineering application of a 2500W C-band SSPA（Solid-State Power Amplifier）. Based on NEDI’s GaN power device and a 64-way combiner，an 2500-W power amplifier was developed with the PAE of 24%. It also has the characteristic of high power density，high efficiency and small size.
Key words：Solid-State Power Amplifier；Spatial combining；Three generation semiconductor；
1.引言
采用功率合成技术的固态功率放大器已经广泛的应用于微波发射系统。随着国内三代微波半导体的迅速发展，中国电科55所已经研发出覆盖各频段的GaN功率芯片。GaN材料作为三代半导体的主要代表，具有大禁带宽度、高饱和电子漂移速度和高击穿电场强度等显著优点，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）理论上可实现更大输出功率、更高工作效率以及更强的抗辐照能力，代表固态微波功率器件的发展方向。
随着自主GaN器件的成熟，基于GaN功率器件进行的功率合成也开始全面展开[1]。由于GaN器件的高功率密度以及高电压低电流的工作特性，特别适合当前微波系统小型化、集成化的方展方向。
本文将采用55所研发的C波段GaN 60W功率放大芯片进行64路功率合成，获得峰值功率2500W，效率为24%。
2.设计过程
当前微波系统对功放越来越多的提出小型化的要求。作为合成功放，实现小型化需要从提高功率器件的功率密度以及提高功率合成密度两个方面入手。GaN功率器件的出现成功的解决了提高器件功率密度的问题。目前，GaN功率器件的功率密度已经达到数倍于GaAs器件的水平。因此减小功率合成体积，提高功率合成密度成了急需解决的问题。
基于此本文开发了下文详述的空间合成结构，进行16路功率合成，如图1所示。第一级功率合成将4个功放芯片进行空间合成。在实现空间合成后采用一级3dB波导桥的结构，可以有效的控制波导合成网络的驻波以及支路之间的隔离度。最后采用波导两合成，实现800W的功率模块。
合成的最后一步是采用传统的波导合成形式，将上述模块进行4合成，以获得最终整机2500W的输出功率。
2.1 芯片级构成
MMIC芯片是固态功率放大器的核心，本文选用的功放芯片是由55所研制的C波段GaN功率放大芯片。该款芯片采用了0.25um HEMT GaN工艺，在C波段可以提供约约48dBm的输出功率。由于单芯片功率已经较大，因此在封装内不进行合成，仅对一个芯片进行封装。图2为该芯片的测试曲线。在28V，30%的测试条件下，单元模块输出功率约为60W，效率大于32%。
2.2 模块级合成
模块级合成以上述的功率单元模块为基础，4个功放芯片采用空间合成，再采用3dB波导桥的结构进行2合成，最后采用波导E面分支2合成，形成第二级合成的800W功率模块。
本文开发出了一种4合成的空间合成结构，该结构的功率合成密度为当前常用的双探针合成方式[2]的两倍。图3为该空间合成结构的仿真模型。该结构通过对现有双探针结构的扩展，实现了4探针合成结构，在波导体积未出现变化的情况下，将探针的数量翻倍。
图4为该结构的仿真数据。可以看出，在C波段较宽的频带内，该结构都有较好的驻波和较小的插损。
（a）驻波
（b）插损
由上图可以看出该8路合成结构的驻波小于1.2，损耗小于0.5dB。
图7为800W功率模块的的实物照片。该模块的尺寸为270mm×165mm×80mm。相比采用GaAs器件的功放模块，体积减小约50%。
图8为C波段模块的测试曲线，在28V，30%的测试条件下，模块输出功率约为800W，效率大于28%。
2.3 组件级合成
组件级合成采用了传统的4路波导的合成方式。
图9为 2500W功放整机的实物照片。图10为整机的测试曲线，整机在28V工作，30%占空比的测试条件下，可以测得功放输出功率约为2500W，效率约为24%。
3.结果分析
本文介绍的固态功放采用了多级放大的方式，分3级放大，以满足工程应用中的各类实际需要。
芯片级构成采用55所研制的C波段GaN功率放大芯片，在28V工作电压下， （下转第页）
（上接第页）可以提供约46dBm的输出功率，效率大于32%。
模块级合成采用了本文开发的空间合成结构，进行16路功率合成。第一级功率合成将4个功放芯片进行空间合成。第二级再采用3dB波导桥的结构进行两合成。最后采用波导两合成，实现最终的功率输出。在C波段的频率范围内输出功率大于800W，效率大于28%。
组件级合成采用波导形式，其主要目的是为了减小损耗，提高效率。通过4路的波导合成最终实现最高峰值2500W，效率为24%的功率合成。
4.结论
本文开发了一种适用于GaN功率器件的空间合成结构，以55所研发的C波段GaN 60W功率放大芯片为核心，经过空间合成和波导合成的方式，最终实现了C波段2500W的峰值输出功率，功率附加效率高达24%。对比目前大规模使用的基于GaAs技术的固态功率放大器[2]，基于GaN更高的功率密度，在相同的体积内可以实现功率成倍的提高，加上开发出的更高功率密度的合成结构，可以进一步的减小合成体积。
参考文献：
[1]成海峰，王晔，张斌. 基于GaN芯片的宽带固态功率放大器设计[J]固体电子学研究与进展，2012，6：230-233
[2]吴礼群，蔡昱，成海峰. Ku波段600W固態合成功放设计 [J]，电子与封装，2011，4：24-27.