《電子技術應用》
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Ka頻段小型化氣密寬帶功放組件研制
電子技術應用
趙鵬,李凱,胡順勇,張能波
中國電子科技集團公司第十研究所
摘要: 介紹了一種Ka頻段小型化氣密寬帶功放組件的工程實現。使用16片GaN功率芯片,1片GaAs驅動芯片,同時采用微帶環形電橋功分器與波導功分/合成網絡相結合的方式進行功率合成,采用同軸探針式波導氣密封電路與射頻腔體激光封焊對功放模塊射頻電路進行整體氣密封裝以避免鹽霧和低氣壓等環境對功放可靠性的影響。最終得到的功放組件在25~31 GHz的寬工作頻帶內連續波飽和輸出功率大于140 W,同時使用翅片散熱器的強制風冷方案,提高了散熱器的換熱效率,散熱性能良好。功放技術狀態穩定,可靠性及實用性滿足工程使用要求,適用于測控、通信、電子對抗等領域的微波發射系統。
中圖分類號:TN73 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245974
中文引用格式: 趙鵬,李凱,胡順勇,等. Ka頻段小型化氣密寬帶功放組件研制[J]. 電子技術應用,2025,51(5):82-86.
英文引用格式: Zhao Peng,Li Kai,Hu Shunyong,et al. Ka-band miniaturized airtight wideband power amplifier[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(5):82-86.
Ka-band miniaturized airtight wideband power amplifier
Zhao Peng,Li Kai,Hu Shunyong,Zhang Nengbo
The 10th Research Institute of CETC
Abstract: This paper introduces an engineering realization of a Ka-band miniaturized airtight wideband power amplifier. Using 16 GaN power chips and 1 GaAs driver chip, the power is synthesized by combining a microstrip ring power divider/combiner with waveguide power divider/combiner and synthesizer network. The continuous wave saturated output power at 25~31 GHz is greater than 140 W. The power amplifier uses a forced air cooling solution with a finned heat sink, which improves the heat sink’s heat dissipation efficiency and provides good heat dissipation performance. The technical condition of the power amplifier is stable, its reliability and practicality meet the requirements for engineering use, and it is suitable for microwave transmission systems in field such as telemetry, communication, and electronic warfare.
Key words : Ka-band;wideband;power amplifier

引言

近年來,GaN功率器件在微波毫米波大功率領域的應用已成為研究熱點。根據2024年全球GaN功率放大器芯片市場分析,GaN技術憑借其高功率密度(可達GaAs的4~6倍)和高工作電壓(28~50 V),已占據高頻通信和衛星領域的主流地位,頭部企業如Qorvo、Wolfspeed的GaN產品在35 GHz頻段單芯片輸出功率突破15 W。然而,現有研究在Ka波段寬帶高功率合成與封裝集成方面仍存在挑戰。

首先是合成效率與體積矛盾,傳統GaAs方案需多級合成(如32片芯片合成120 W),導致損耗高達3 dB以上,且模塊體積超過200 mm×200 mm×50 mm[1]。其次氣密封裝技術瓶頸,波導-微帶轉換結構的氣密性設計長期受限,Ka波段背靠背探針結構雖實現40 dBm以上的輸出,但微帶暴露導致環境穩定性不足[2]。第三是寬帶匹配網絡復雜度,分布式放大器雖能覆蓋多倍頻程(如HMC994A覆蓋DC-30 GHz),但功率合成效率受限于50 Ω固定負載,難以適配Ka波段高阻抗需求[3]。

本文提出一種Ka頻段小型化氣密寬帶功放組件的研制方法。該組件通過兩級級聯架構(前級驅動+末級合成)和緊湊波導功分網絡構成,從以下創新點實現性能突破。

首先是采用16片GaN芯片(單芯片飽和功率12 W)通過微帶環形電橋與波導混合網絡合成,輸出功率達140 W,較同數量的GaAs芯片合成提升6倍以上,合成效率提升至92%(傳統GaAs方案為75%~85%)[2]。得益于GaN的高功率密度,合成規模縮減50%,整機尺寸(160 mm×160 mm×30 mm)較同類GaAs方案縮小40%[1]。

其次提出與波導合成網絡互聯的E面波導-同軸探針結構,通過軟釬焊工藝實現微帶氣密封裝(焊透率>95%),較背靠背結構回波損耗降低至-20 dB以下,插損<0.1 dB,且在25~31 GHz帶寬內功率穩定性提升15%[2]。同時該設計整機重量<1 kg,可適配星載平臺嚴苛環境(氣壓5~100 kPa,鹽霧濃度6 g/m3),較傳統行波管方案功耗降低30%。

本研究通過GaN芯片高密度合成、氣密寬帶匹配網絡及熱管理優化,在輸出功率、環境適應性及集成度方面顯著超越現有成果。該設計為Ka波段衛星通信與電子對抗系統提供了更優的固態功放解決方案。


本文詳細內容請下載:

http://m.xxav2194.com/resource/share/2000006530


作者信息:

趙鵬,李凱,胡順勇,張能波

(中國電子科技集團公司第十研究所,四川 成都 610036)


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