基于GaN器件的L波段固态功放研制

王晓会

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

作为卫星通信等系统的主要部件，星载功率放大器包括行波管功率放大器(TWTA)和固态功率放大器(SSPA)两种类型。由于效率、功率等优势，TWTA在星载功率放大器中占据主要地位[1-3]。近年来，由于功率密度大、线性度、高功率、高增益、耐高温、抗辐射、长寿命等优点[4-6]，GaN HEMT器件得到了迅速发展，尤其在S频段以下，GaN器件效率、功率等指标已经与行波管相当[7-9]， 基于GaN器件的SSPA优势逐渐显现。

GaN器件在SSPA中的应用也逐渐成为国际研究热点。在UHF波段，国外SSPA输出功率100 W，效率达到70%[10]；在L波段，已有输出功率300 W，效率44%的SSPA产品介绍[11]；在S波段，SSPA输出功率240 W，效率54.5%[12]。GaN器件在SSPA中的应用逐渐扩展到C波段，文献[13]中SSPA输出功率69.4 W，放大效率38.9%。我国也进行了GaN固放的研究，L波段SSPA输出功率47.2 dBm(52.48 W)，效率大于52%[14]。

本文采用GaN器件设计了L波段一体化星载功率放大器。在L波段(f0±40 MHz)，固态功放的输出功率达到137 W(51.37 dBm)，功率增益74.7 dB，功率效率48.5%，杂散抑制63 dBc，-25～60 ℃内，输出功率波动<0.2 dB。热仿真结果显示，在60 ℃环境下，GaN器件结温为137 ℃。为了验证其寿命，固放经过了壳温70 ℃的加速寿命试验，试验时间超过5 000小时，固放工作正常，给该波段SSPA替代TWTA提供了重要的试验数据。

1 固态放大器方案设计

1.1 设计原理

固放由射频放大电路和二次电源两部分组成。射频放大电路部分包括衰减放大电路单元、推动放大单元、功率放大单元。二次电源提供+28 V，+9.5 V和-5 V电源电压，遥控遥测包括开关机控制、开关机状态指示、电流遥测指示、功率遥测指示功能，设计原理框图如图 1所示。

图1 L波段星载固态功率放大器电原理框图

2.2 射频链路设计

固放射频链路设计包括衰减放大、推动放大、功率放大和功率分配/合成器几个部分。

衰减放大包含3个主要器件：模拟衰减器、低噪声放大器和增益放大器，在固态功率放大器中主要实现增益控制的功能和放大功能。推动放大采用输出功率为10 W的内匹配功率管。

末级放大器为80 W GaN内匹配功率管，通过功率合成完成功率放大。末级功率管饱和输出功率达到100 W(50 dBm)，附加效率在60%以上，可满足固放使用的要求。典型测试结果如图 2所示。

图2 80W GaN功率管测试结果

为提高固放可靠性，使功率管热量合理分布，以降低功率管结温，末级放大采用平衡放大结构。平面电路平衡放大器中功分、合成器的选择主要为威尔金森功分器和支线耦合器。威尔金森功分器功率容量受到隔离电阻影响，大功率功分器需要承受较大功率电阻；支线耦合器[15]的4个支线壁均为四分之一波长线，在L波段功分器体积较大。根据末级功率管封装大小，功率功分、合成器采用多层结构的宽边耦合器，减小了功分、合成器的体积；介质的击穿电压较高，可承受较大功率。

宽边耦合器采用4层高频介质板压制而成，其中耦合的四分之一波长带状线分别位于介质的第二和第三层，通过介质层进行耦合。将射频线路埋在介质板内部，分层放置，形成立体结构，减小了功率分配器的体积，其模型如图 3所示。经过仿真设计，功分器两路功分度差距<0.2 dB，各个端口的回波损耗<-28 dB，端口之间隔离<-28 dB，其仿真结果如图 4所示，由于采用四分之一波长进行宽边耦合，两个功分端口之间相位相差90°，经过功分、合成后可实现两路功放相位一致性。

图3 多层结构宽边耦合器

图4 宽边耦合器仿真结果

采用两只GaN 80 W内匹配功率管进行功率合成，内部合成图如图 5所示。

图5 功率放大器

2.3 固放热设计

功率管结温和其使用寿命密切相关，为了保证固放在寿命期限内正常工作，需要对固放功率管进行热设计。固放的工作环境为星上的真空环境，没有空气对流，散热方式有两种：一是盒体底面的热传导，二是盒体表面的热辐射。

固放的盒体与盒盖选用硬铝合金材料，影响接触热阻的因素主要有表面粗糙度、平面度、接触面积及接触面之间的压力等，因此在设计时采取了如下措施：提高盒体内外底面的机加工精度，对盒体外底面加工提出了技术要求，平面度≤0.1 mm，精加工及研磨抛光的加工工艺予以保证，以确保底面与安装表面之间接触热阻最小；固放外部黑色化处理，提高热辐射能力。

固放热源分布如图 6所示，其中热源部分参数如表 1所示。

图6 固放热源分布

表1 固放热源主要参数

固放底面温度为60 ℃，进行了热仿真分析，分析结果如图 7所示，固放末级GaN功率管壳温最高，为77.86 ℃。根据功率管热阻信息，可计算出功率管的结温，结算结果如表 2所示。

图7 环境温度为60 ℃时固放的温度分布

表2 热分析结果

放大器1、放大器2和放大器3采用GaAs器件，国家标准[16]规定其结温最高降额标准为100 ℃，GaAs器件满足工程寿命需求。目前对于GaN放大器还没有明确标准规定其降额结温，在国际上也未见相关报道，因此需要进行加速寿命的可靠性试验，验证GaN固放使用寿命。

3 研制结果

常温下对固放的性能进行了测试，测试结果见表 3，功放产品的实物照片如图 8所示。对-25～60 ℃内产品的性能进行测试，在正常输入条件下，输出功率波动0.16 dB，功率输出稳定。

表3 固态功放研制结果

图8 L波段GaN固放产品照片

通过测试结果可知，产品输出功率137 W，效率48.5%，多层结构宽边耦合器完成小型化设计的同时，承受功率达到140 W以上，完成了工程应用。产品技术指标均可满足工程应用的需要。

图9 L波段GaN固放寿命试验监测结果

为了验证L波段GaN固放的可靠性，进行了加速寿命试验，试验条件：固放壳温70 ℃，工作频率f，持续监测固放的输出功率、效率等指标。截至目前为止，固放已正常工作累计超过5 000小时，主要监测指标如图 9所示。从图中可以看出，固放在连续工作3 500小时后，输出功率趋于稳定不变，5 000小时后，输出功率降低0.07 dB，输出功率较为稳定。持续高温工作对效率指标影响相对较大，固放工作3 500小时后，效率下降约0.7个百分点，3 500～5 000小时过程中效率指标趋于稳定。

该试验充分验证了GaN固放长期工作的可靠性，目前还在进一步进行寿命试验。

4 结束语

根据第三代半导体GaN器件高功率、高效率、热传导率高和热稳定性好等特点，研制了L波段GaN一体化星载功率放大器。为了减小产品的体积，设计并采用了多层结构的宽边耦合器，达到两个80 W GaN功率管功率合成的效果，研制的产品达到了预期指标要求。对制约产品可靠性的功率管结温进行了热设计和分析，并进行了5 000小时的加速寿命试验，对比产品的监测结果，可以判断产品性能可靠，给该波段GaN固放替代TWTA提供了重要的试验数据。

由于第三代GaN半导体器件的可靠性数据还在探索阶段，后续还需要进行进一步的寿命试验，为GaN器件在星载固放中的应用提供更为充实的试验数据。