1 概述

1.1 寬帶固態(tài)功率放大器

 寬禁帶半導(dǎo)體功率器件起源于美國并且發(fā)展迅速。從2000年后開始，氮化鎵（GaN）射頻功率晶體管走出了實驗室，快速步入了應(yīng)用之路。雖然它并不完全是一種新興技術(shù)，但其已發(fā)展到了足以賦予美國陸軍遙控簡易爆炸裝置（RCIED）干擾機執(zhí)行任務(wù)所需的功率的水平。在此后不到十年的時間里，寬禁帶半導(dǎo)體GaN技術(shù)日趨成熟。GaN的發(fā)展與GaAs的發(fā)展路徑大致相同，它是由美國DARPA和國防部其他機構(gòu)推動的。1980年代初，DARPA逐漸認識到有源相控陣?yán)走_需要固態(tài)放大器，而不是行波管射頻功率放大器。而微波和毫米波集成電路（MIMIC）項目由美國國防部在1980年代末期就立項，由DARPA負責(zé)管理，旨在將那些致力于GaAs器件和單片微波集成電路（MMIC）研究，以及加速其在收發(fā)模塊和其他防御系統(tǒng)中應(yīng)用的各項工作加以整合。

 在雷達領(lǐng)域，崛起于上個世紀(jì)80年代的有源相控陣技術(shù)已經(jīng)基本替代了傳統(tǒng)的真空管發(fā)射機體制，而且依靠其特有的高可靠性和高性能，在越來越多的武器系統(tǒng)中發(fā)揮了決定性的作用。而空間功率合成技術(shù)正是借鑒了相控陣技術(shù)的成功經(jīng)驗，是相控陣技術(shù)在功率放大器模塊設(shè)計技術(shù)中的有效延伸。

 在電子對抗領(lǐng)域有一句俗語——“影響干擾效果的，歸根結(jié)底還是能量”。由于干擾效能的要求越來越高，這也就需要研制超寬帶大功率的干擾發(fā)射機，而干擾發(fā)射機的核心部件——功率放大器，成為了制約干擾效能的決定性因素。

 目前各國電子對抗裝備的功率放大器都采用真空管技術(shù)或者是固態(tài)技術(shù)。但隨著上個世紀(jì)美國DARPA加大對固態(tài)功率放大器的研發(fā)投入，并提出“固態(tài)替代行波管”的思路，經(jīng)過將近20年的發(fā)展，美國空軍、美國海軍、美國陸軍都進行了發(fā)射機的升級改造，逐步在許多裝備上實現(xiàn)了“固態(tài)替代行波管”。

 雖然固態(tài)功率放大器（如GaN功率放大器）和真空器件功率放大器（如行波管放大器）各有優(yōu)勢，但是在電子對抗領(lǐng)域，對電子對抗裝備要求可靠性更高，環(huán)境適應(yīng)性更強，可維護性更強。而真空管技術(shù)相對固態(tài)而言，可靠性差，啟動時間長，且需要周期性的加電維護，維護成本高，并且有高壓維護的危險性。固態(tài)功率放大器以其特有的高可靠性，容易維護，結(jié)構(gòu)靈活，幾乎無啟動時間，超長壽命等特點，得到了美國軍方的青睞。

 針對目前電子對抗領(lǐng)域?qū)β史糯笃鞒瑢拵А⒋蠊β?、小型化的要求，?yīng)識科技團隊開創(chuàng)了基于三維設(shè)計技術(shù)的空間合成技術(shù)體系，可以將半導(dǎo)體芯片技術(shù)和超寬帶陣列天線技術(shù)進行有效的結(jié)合，從而能夠?qū)雽?dǎo)體功率放大器的輸出功率提高上百倍，超越傳統(tǒng)的半導(dǎo)體功率放大器，有效的替代真空管技術(shù)。應(yīng)識科技開發(fā)團隊在國家千人賈鵬程博士的帶領(lǐng)下，研發(fā)并產(chǎn)業(yè)化了基于空間功率合成的小型化2-6GHz，6-18GHz，2-18GHz，33-37GHz，18-26.5GHz，26.6-40GHz等多個頻段的超寬帶高功率放大器。應(yīng)識科技寬帶功放具有超寬帶、高輸出功率、高效率、體積小、重量輕的優(yōu)勢，可以良好的廣泛應(yīng)用于電子對抗、雷達、測試測量等領(lǐng)域。

 應(yīng)識科技團隊不斷的完善與改進空間功率合成技術(shù)，力求將半導(dǎo)體功率放大器的尺寸做得越來越小，最新的成果已經(jīng)使得功率放大器的尺寸比真空管放大器更加具有優(yōu)勢。并且半導(dǎo)體功率放大器具有更高的可靠性，這就避免了使用中需要定期加電維護的問題。特別是在目前國際局勢緊張的態(tài)勢下，裝備設(shè)計必須考慮實戰(zhàn)的要求，高可靠性、小型化、輕型化的功率放大器必然是未來發(fā)展的趨勢。 

1.2 寬帶功放技術(shù)介紹

 現(xiàn)階段的寬帶高功率放大器主要有兩類技術(shù)產(chǎn)品：TWT、固態(tài)功率放大器。TWT根據(jù)體積重量不同有：傳統(tǒng)TWT、Mini-TWT（MPM）；固態(tài)放大器根據(jù)功率合成技術(shù)不同有：固態(tài)平面合成功放、固態(tài)空間合成功放。

 固態(tài)功率放大器具有壽命長，適合批量生產(chǎn)等優(yōu)勢，早在70年代開始，美國政府就在固態(tài)功率放大器方面持續(xù)投入研發(fā)工作，努力尋找TWT的替代方案。但在當(dāng)時受限于傳統(tǒng)GaAs半導(dǎo)體工藝，較低的單片輸出功率以及低效的平面功率合成技術(shù)，一直缺乏上百瓦輸出功率的固態(tài)放大器模塊。而現(xiàn)在隨著采用GaN半導(dǎo)體工藝芯片使輸出功率提高，以及空間功率合成的應(yīng)用，使得固態(tài)功率放大器模塊達到百瓦量級成為可能。

2 固態(tài)空間功率合成放大器技術(shù)介紹

2.1 空間合成功放組件介紹

 目前2-18GHz頻段的最新款GaN單片輸出功率只能勉強達到10W的量級，為了實現(xiàn)更高的功率輸出以滿足實際應(yīng)用，必須采用多個器件功率合成。傳統(tǒng)的平面合成方式用微帶線連接，很難實現(xiàn)超寬帶和大規(guī)模的芯片合成，因為微帶線的帶寬有限，而合成規(guī)模越大會使得損耗越大。本組件采用同軸空間合成技術(shù)，得益于空間合成的帶寬更寬、合成損耗更小、合成效率更高的優(yōu)點，將16路單片集成電路放大器件在緊縮場內(nèi)一次性合成，可以實現(xiàn)100W以上的合成輸出功率。由于空間合成技術(shù)的合成效率最高，使用的單片集成電路放大器最少，因此基于空間合成技術(shù)的半導(dǎo)體功率放大器是目前唯一在價格上可以和真空管放大器相當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體功率放大器產(chǎn)品。

 下圖為末級合成功放，尺寸為100mm×42mm×42mm。

圖1 空間合成功放

 應(yīng)識科技的核心技術(shù)是采用了空間合成的功率放大器方案?？臻g功率合成是一種將傳統(tǒng)的基于平面電路的設(shè)計技術(shù)升級為利用三維電磁場進行設(shè)計的立體化解決方案。它將多路微波信號在微波波導(dǎo)腔體內(nèi)的空間中進行功率合成，充分利用了波導(dǎo)損耗小的特點，同時發(fā)揮了波導(dǎo)阻抗變換靈活的優(yōu)勢，實現(xiàn)多路數(shù)和高效率的功率合成?？臻g功率合成技術(shù)相比傳統(tǒng)合成技術(shù)在成本和體積上有巨大優(yōu)勢，甚至是在微波、毫米波頻段用半導(dǎo)體器件實現(xiàn)大功率合成的唯一可行方案。

 由于空間合成采用陣列天線技術(shù)，通過調(diào)整天線組件的數(shù)量可以很容易實現(xiàn)系列化，可以實現(xiàn)25W，50W，100W，200W的系列功率輸出等級。

2.2 空間功率合成技術(shù)介紹

 空間功率合成是指多路微波信號在微波波導(dǎo)腔體內(nèi)的空間中進行功率合成，充分利用了波導(dǎo)損耗小的特點，同時發(fā)揮波導(dǎo)阻抗變換靈活的優(yōu)勢，實現(xiàn)多路數(shù)和高效率的功率合成。由于平面合成通常采用微帶線連接，要實現(xiàn)超寬帶設(shè)計，微帶線線寬要求更窄，這將增加導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗，因此傳統(tǒng)的平面合成損耗過大；而采用低損耗的空間合成方式，可以大大降低合成和分配損耗，從而實現(xiàn)超寬帶、大功率。

（a）平面合成

（b）空間功率合成

圖2  平面合成與空間功率合成

 空間合成的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)多路直接合成，而不是通過二叉樹多級合成的方式，減少了合成的損耗。例如，如果采用傳統(tǒng)的平面二叉樹的合成方式，每一級的二叉樹合成采用wilkinson合成器，電損耗在0.6dB左右，考慮到傳輸線的損耗，總合成損耗約為0.75dB。如果合成16路需要4級合成，那么總損耗約為3dB，需要額外增加1倍的功率器件。而應(yīng)識科技的同軸腔空間合成是將16路直接合成為1路，其損耗是固定的。由下圖可以看出，當(dāng)合成的單元數(shù)達到一定程度后，空間合成的輸出功率要大大高于傳統(tǒng)的二叉樹合成。

圖3  16路空間合成的功率合成器性能與平面合成對比

 上圖展示了合成16路的空間合成輸出功率與平面合成輸出功率的對比。傳統(tǒng)平面合成在單元數(shù)達到一定數(shù)量后發(fā)生飽和，輸出功率不再隨單元數(shù)增加而增加；空間合成的輸出功率隨著單元數(shù)的增加而持續(xù)增加。

 空間合成的原理結(jié)構(gòu)和實際外觀如下圖所示：

圖4  空間合成原理結(jié)構(gòu)

2.3 固態(tài)空間合成放大器技術(shù)優(yōu)勢

1）極低的供電電壓

空間功率合成技術(shù)使用固態(tài)管芯，供電電壓小于 28V DC，供電電路的可靠性更高，復(fù)雜性也大大降低簡化。

2）無啟動準(zhǔn)備時間

固態(tài)產(chǎn)品的啟動時間幾乎為零，這在對抗時有絕對的優(yōu)勢。

3）可靠性高

空間合成固態(tài)功率放大器產(chǎn)品的使用壽命達十萬小時級，可靠性更高。

4）頻率帶寬

固態(tài)產(chǎn)品的帶寬可以達到10倍頻程，實現(xiàn)超寬帶。

5）軟性失效

空間合成采用芯片陣列工作方式，即使有幾路MMIC失效，整個模塊仍然較好工作，只是輸出功率稍微減小一些。

6）AM-PM 失真

經(jīng)我們實際測量，測量數(shù)據(jù)證明我們的模塊在1dB壓縮點附近都極少出現(xiàn)AM-PM失真。

7）成本更低

空間合成固態(tài)功率放大器使用固態(tài)半導(dǎo)體管芯。固態(tài)半導(dǎo)體管芯可以大規(guī)模使用自動設(shè)備生產(chǎn)，其良率>90%，一致性極高，批量生產(chǎn)后成本會更低。相比于傳統(tǒng)固態(tài)放大器使用的高損耗的多級二叉樹合成，空間合成固態(tài)功放僅采用一次合成，效率高、損耗低，故同樣的輸出功率可以使用更少的功率芯片，節(jié)約了系統(tǒng)成本。通?？臻g合成放大器的成本僅為傳統(tǒng)平面合成放大器的60%。

8）效率更高

空間功率合成技術(shù)與平面合成、（脊）波導(dǎo)合成、徑向合成等方式相比，合成效率更高。

9）體積更小，重量更輕

由于空間合成功率放大器的效率高，因此需要的散熱器的尺寸和重量都大大低于傳統(tǒng)固態(tài)功率放大器，體積和重量都可以大大降低，可適應(yīng)手持、無人平臺、彈載等對重量體積要求高的多種場合，也能滿足車載、機載等高移動、快部署需求。

對比應(yīng)識科技采用空間合成的100W及200W放大器與其他廠家的采用平面合成的放大器，可以發(fā)現(xiàn)：平面合成在合成損耗上比空間合成高1dB以上；整機效率上，受合成效率影響，平面合成的效率也僅是空間合成的一半，同樣輸出功率等級下，平面合成成本也會貴一倍以上。另外整機功耗、尺寸上，平面合成均大于空間合成整機。

可見空間合成在高頻段、大功率產(chǎn)品應(yīng)用上有更大的優(yōu)勢。而采用空間合成的技術(shù)方案，不僅具有優(yōu)秀的性能，而且具有明顯的成本優(yōu)勢。

3 最新產(chǎn)品

 經(jīng)過應(yīng)識科技研發(fā)團隊的不懈努力，現(xiàn)已突破了技術(shù)難點，將固態(tài)寬帶功率放大器的工作帶寬和功率又提升了一個等級。

 隨著市場需求的不斷提升，越來越多的用戶希望可以直接打通2-18GHz的頻率范圍，與2-18GHz的天線相配合，可以不用再切換不同的射頻通道，從而減少系統(tǒng)的復(fù)雜度、體積重量以及成本。應(yīng)識科技最新研制的固態(tài)功率放大器實現(xiàn)了覆蓋更寬的帶寬，通過空間合成天線的設(shè)計，可以完全覆蓋2-18GHz的頻帶寬度，輸出功率為100W。相對于平面合成而言，平面電路設(shè)計無法實現(xiàn)2-18GHz的寬頻段，超寬帶是空間合成的一大優(yōu)勢。

 另一款新產(chǎn)品，固態(tài)功率放大器工作頻率覆蓋6-18GHz，全頻帶飽和輸出功率不低于53dBm，功率已能達到200W以上；產(chǎn)品采用我公司獨有高效空間功率合成技術(shù)，與市場同類型產(chǎn)品相比，在合成效率、整機功耗、增益平坦度、整機尺寸等方面，均具有明顯的優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于EMC測試、電子戰(zhàn)及軍用雷達等領(lǐng)域。

（1）2-18GHz 100W連續(xù)波功率放大器模塊

 外形尺寸如下圖所示：

（2）6-18GHz 200W連續(xù)波功率放大器模塊

 外形尺寸如下圖所示：

4 結(jié)論

 由于空間合成技術(shù)解決了合成單元數(shù)量的問題，采用一次陣列合成的方法，即使合成單元的數(shù)量眾多，合成效率也并不受影響，更適合于將大量中小功率的芯片進行高效合成為高輸出功率。該合成方法在合成單元增加的前提下，依然可以保持同樣的整機效率。

 而提高了功率放大器芯片的合成效率，意味著在相同輸出功率時，可以使用更少的芯片，有效的解決了生產(chǎn)成本問題，在單位功率對應(yīng)的生產(chǎn)成本上大大優(yōu)于其他生產(chǎn)工藝。同時，半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)工藝已經(jīng)非常成熟，經(jīng)歷了大批量生產(chǎn)和大規(guī)模相控陣合成的應(yīng)用檢驗，有著極高的可靠性。

 因此，采用三維空間合成的設(shè)計方案是目前最為有效和成本優(yōu)勢最明顯的選擇。同時將空間合成和新一代的半導(dǎo)體芯片相結(jié)合的設(shè)計方案，可以在不影響安裝體積尺寸的情況下，進一步提高功放的輸出功率等級，適用于需要更大輸出功率的應(yīng)用場合。