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(shù)應(yīng)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.
引言
近年來，GaN功率器件在微波毫米波大功率領(lǐng)域的應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)2024年全球GaN功率放大器芯片市場(chǎng)分析，GaN技術(shù)憑借其高功率密度（可達(dá)GaAs的4~6倍）和高工作電壓（28~50 V），已占據(jù)高頻通信和衛(wèi)星領(lǐng)域的主流地位，頭部企業(yè)如Qorvo、Wolfspeed的GaN產(chǎn)品在35 GHz頻段單芯片輸出功率突破15 W。然而，現(xiàn)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(zhàn)。
首先是合成效率與體積矛盾，傳統(tǒng)GaAs方案需多級(jí)合成（如32片芯片合成120 W），導(dǎo)致?lián)p耗高達(dá)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(shù)瓶頸，波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的氣密性設(shè)計(jì)長(zhǎng)期受限，Ka波段背靠背探針結(jié)構(gòu)雖實(shí)現(xiàn)40 dBm以上的輸出，但微帶暴露導(dǎo)致環(huán)境穩(wěn)定性不足[2]。第三是寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)復(fù)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(fù)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(jí)級(jí)聯(lián)架構(gòu)（前級(jí)驅(qū)動(dòng)+末級(jí)合成）和緊湊波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，從以下創(chuàng)新點(diǎn)實(shí)現(xiàn)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(huán)形電橋與波導(dǎo)混合網(wǎng)絡(luò)合成，輸出功率達(dá)140 W，較同數(shù)量的GaAs芯片合成提升6倍以上，合成效率提升至92%（傳統(tǒng)GaAs方案為75%~85%）[2]。得益于GaN的高功率密度，合成規(guī)?？s減50%，整機(jī)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(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的E面波導(dǎo)-同軸探針結(jié)構(gòu)，通過軟釬焊工藝實(shí)現(xiàn)微帶氣密封裝（焊透率>95%），較背靠背結(jié)構(gòu)回波損耗降低至-20 dB以下，插損<0.1 dB，且在25~31 GHz帶寬內(nèi)功率穩(wěn)定性提升15%[2]。同時(shí)該設(shè)計(jì)整機(jī)重量<1 kg，可適配星載平臺(tái)嚴(yán)苛環(huán)境（氣壓5~100 kPa，鹽霧濃度6 g/m3），較傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)及熱管理優(yōu)化，在輸出功率、環(huán)境適應(yīng)性及集成度方面顯著超越現(xiàn)有成果。該設(shè)計(jì)為Ka波段衛(wèi)星通信與電子對(duì)抗系統(tǒng)提供了更優(yōu)的固態(tài)功放解決方案。
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作者信息：
趙鵬，李凱，胡順勇，張能波
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）
