基于GaN器件的L波段固態(tài)功放研制

王曉會

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

作為衛(wèi)星通信等系統(tǒng)的主要部件，星載功率放大器包括行波管功率放大器(TWTA)和固態(tài)功率放大器(SSPA)兩種類型。由于效率、功率等優(yōu)勢，TWTA在星載功率放大器中占據(jù)主要地位[1-3]。近年來，由于功率密度大、線性度、高功率、高增益、耐高溫、抗輻射、長壽命等優(yōu)點[4-6]，GaN HEMT器件得到了迅速發(fā)展，尤其在S頻段以下，GaN器件效率、功率等指標已經與行波管相當[7-9]， 基于GaN器件的SSPA優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。

GaN器件在SSPA中的應用也逐漸成為國際研究熱點。在UHF波段，國外SSPA輸出功率100 W，效率達到70%[10]；在L波段，已有輸出功率300 W，效率44%的SSPA產品介紹[11]；在S波段，SSPA輸出功率240 W，效率54.5%[12]。GaN器件在SSPA中的應用逐漸擴展到C波段，文獻[13]中SSPA輸出功率69.4 W，放大效率38.9%。我國也進行了GaN固放的研究，L波段SSPA輸出功率47.2 dBm(52.48 W)，效率大于52%[14]。

本文采用GaN器件設計了L波段一體化星載功率放大器。在L波段(f0±40 MHz)，固態(tài)功放的輸出功率達到137 W(51.37 dBm)，功率增益74.7 dB，功率效率48.5%，雜散抑制63 dBc，-25～60 ℃內，輸出功率波動<0.2 dB。熱仿真結果顯示，在60 ℃環(huán)境下，GaN器件結溫為137 ℃。為了驗證其壽命，固放經過了殼溫70 ℃的加速壽命試驗，試驗時間超過5 000小時，固放工作正常，給該波段SSPA替代TWTA提供了重要的試驗數(shù)據(jù)。

1 固態(tài)放大器方案設計

1.1 設計原理

固放由射頻放大電路和二次電源兩部分組成。射頻放大電路部分包括衰減放大電路單元、推動放大單元、功率放大單元。二次電源提供+28 V，+9.5 V和-5 V電源電壓，遙控遙測包括開關機控制、開關機狀態(tài)指示、電流遙測指示、功率遙測指示功能，設計原理框圖如圖 1所示。

圖1 L波段星載固態(tài)功率放大器電原理框圖

2.2 射頻鏈路設計

固放射頻鏈路設計包括衰減放大、推動放大、功率放大和功率分配/合成器幾個部分。

衰減放大包含3個主要器件：模擬衰減器、低噪聲放大器和增益放大器，在固態(tài)功率放大器中主要實現(xiàn)增益控制的功能和放大功能。推動放大采用輸出功率為10 W的內匹配功率管。

末級放大器為80 W GaN內匹配功率管，通過功率合成完成功率放大。末級功率管飽和輸出功率達到100 W(50 dBm)，附加效率在60%以上，可滿足固放使用的要求。典型測試結果如圖 2所示。

圖2 80W GaN功率管測試結果

為提高固放可靠性，使功率管熱量合理分布，以降低功率管結溫，末級放大采用平衡放大結構。平面電路平衡放大器中功分、合成器的選擇主要為威爾金森功分器和支線耦合器。威爾金森功分器功率容量受到隔離電阻影響，大功率功分器需要承受較大功率電阻；支線耦合器[15]的4個支線壁均為四分之一波長線，在L波段功分器體積較大。根據(jù)末級功率管封裝大小，功率功分、合成器采用多層結構的寬邊耦合器，減小了功分、合成器的體積；介質的擊穿電壓較高，可承受較大功率。

寬邊耦合器采用4層高頻介質板壓制而成，其中耦合的四分之一波長帶狀線分別位于介質的第二和第三層，通過介質層進行耦合。將射頻線路埋在介質板內部，分層放置，形成立體結構，減小了功率分配器的體積，其模型如圖 3所示。經過仿真設計，功分器兩路功分度差距<0.2 dB，各個端口的回波損耗<-28 dB，端口之間隔離<-28 dB，其仿真結果如圖 4所示，由于采用四分之一波長進行寬邊耦合，兩個功分端口之間相位相差90°，經過功分、合成后可實現(xiàn)兩路功放相位一致性。

圖3 多層結構寬邊耦合器

圖4 寬邊耦合器仿真結果

采用兩只GaN 80 W內匹配功率管進行功率合成，內部合成圖如圖 5所示。

圖5 功率放大器

2.3 固放熱設計

功率管結溫和其使用壽命密切相關，為了保證固放在壽命期限內正常工作，需要對固放功率管進行熱設計。固放的工作環(huán)境為星上的真空環(huán)境，沒有空氣對流，散熱方式有兩種：一是盒體底面的熱傳導，二是盒體表面的熱輻射。

固放的盒體與盒蓋選用硬鋁合金材料，影響接觸熱阻的因素主要有表面粗糙度、平面度、接觸面積及接觸面之間的壓力等，因此在設計時采取了如下措施：提高盒體內外底面的機加工精度，對盒體外底面加工提出了技術要求，平面度≤0.1 mm，精加工及研磨拋光的加工工藝予以保證，以確保底面與安裝表面之間接觸熱阻最小；固放外部黑色化處理，提高熱輻射能力。

固放熱源分布如圖 6所示，其中熱源部分參數(shù)如表 1所示。

圖6 固放熱源分布

表1 固放熱源主要參數(shù)

固放底面溫度為60 ℃，進行了熱仿真分析，分析結果如圖 7所示，固放末級GaN功率管殼溫最高，為77.86 ℃。根據(jù)功率管熱阻信息，可計算出功率管的結溫，結算結果如表 2所示。

圖7 環(huán)境溫度為60 ℃時固放的溫度分布

表2 熱分析結果

放大器1、放大器2和放大器3采用GaAs器件，國家標準[16]規(guī)定其結溫最高降額標準為100 ℃，GaAs器件滿足工程壽命需求。目前對于GaN放大器還沒有明確標準規(guī)定其降額結溫，在國際上也未見相關報道，因此需要進行加速壽命的可靠性試驗，驗證GaN固放使用壽命。

3 研制結果

常溫下對固放的性能進行了測試，測試結果見表 3，功放產品的實物照片如圖 8所示。對-25～60 ℃內產品的性能進行測試，在正常輸入條件下，輸出功率波動0.16 dB，功率輸出穩(wěn)定。

表3 固態(tài)功放研制結果

圖8 L波段GaN固放產品照片

通過測試結果可知，產品輸出功率137 W，效率48.5%，多層結構寬邊耦合器完成小型化設計的同時，承受功率達到140 W以上，完成了工程應用。產品技術指標均可滿足工程應用的需要。

圖9 L波段GaN固放壽命試驗監(jiān)測結果

為了驗證L波段GaN固放的可靠性，進行了加速壽命試驗，試驗條件：固放殼溫70 ℃，工作頻率f，持續(xù)監(jiān)測固放的輸出功率、效率等指標。截至目前為止，固放已正常工作累計超過5 000小時，主要監(jiān)測指標如圖 9所示。從圖中可以看出，固放在連續(xù)工作3 500小時后，輸出功率趨于穩(wěn)定不變，5 000小時后，輸出功率降低0.07 dB，輸出功率較為穩(wěn)定。持續(xù)高溫工作對效率指標影響相對較大，固放工作3 500小時后，效率下降約0.7個百分點，3 500～5 000小時過程中效率指標趨于穩(wěn)定。

該試驗充分驗證了GaN固放長期工作的可靠性，目前還在進一步進行壽命試驗。

4 結束語

根據(jù)第三代半導體GaN器件高功率、高效率、熱傳導率高和熱穩(wěn)定性好等特點，研制了L波段GaN一體化星載功率放大器。為了減小產品的體積，設計并采用了多層結構的寬邊耦合器，達到兩個80 W GaN功率管功率合成的效果，研制的產品達到了預期指標要求。對制約產品可靠性的功率管結溫進行了熱設計和分析，并進行了5 000小時的加速壽命試驗，對比產品的監(jiān)測結果，可以判斷產品性能可靠，給該波段GaN固放替代TWTA提供了重要的試驗數(shù)據(jù)。

由于第三代GaN半導體器件的可靠性數(shù)據(jù)還在探索階段，后續(xù)還需要進行進一步的壽命試驗，為GaN器件在星載固放中的應用提供更為充實的試驗數(shù)據(jù)。