1．引言
合肥应识防务科技有限公司去年推出了一款6-18G固态功率放大器，体积为305*250*190mm，重量只有12kg,全频段功率输出200W，典型值250W。这款功率放大器是专门为某型号系统进行EMC检测而开发的。由于该型号系统体积过于庞大，需要通过机械臂转动天线围绕着EUT在不同方向上进行辐射测量。为了减少线缆传输造成的功率损耗，需要将功率放大器置于机械臂上随天线一起转动，对被测设备进行照射，这就要求功率放大器具有体积重量的小型化和便携性设计。
另外，在电子对抗应用中，很多平台的载荷有限，往往要求干扰机提供大功率输出的同时，要具备更小的体积和重量。尤其是弹载、机载和诱饵等小型化要求苛刻的干扰机平台。所以该款6-18G 200W功率放大器的小型化设计完全满足了这类需求。
图1 6-18GHz 200W连续波功率放大器
2. 宽带大功率功放小型化设计的挑战
由于传统大功率宽带功率放大器多采用行波管等电真空器件，其采用高压供电电路复杂，启动时间长，可靠性差，寿命短。因此使用方便、寿命长、可靠性好的固态功率放大器成为了大功率器件的新生力量。
但是现阶段单个固态微波功率器件的输出功率不高，大功率放大器需采用功率合成的方式，将多个功率管芯片进行功率合成，以实现输出高功率的要求。为了实现更大的功率，往往通过多路功率芯片合成的单个功放模块还不够，需要更多的功放模块再次合成，多模块的再次合成造成合成效率的降低，进而增加散热设计难度并大大增加功放的整体尺寸，多功放模块合并是影响体积重量的关键因素。
多个功放模块再次合成是导致体积重量大幅增加的主要原因，那么改良方法就是实现宽带大功率功率放大器模块小型化，或提升单个模块输出的功率以减少合成模块的数量，也就是在单模块中实现更多的路数合成和更高的合成效率，并有效解决散热问题是解决小型化设计的一个思路。
3. 功率合成技术概述
功率合成技术是将多路输出功率较小的放大器芯片进行功率合成，从而实现大功率输出，要想提高固态功率放大器的输出功率，功率合成技术最为关键，功率合成技术也是功率放大器设计的重点和难点。功率合成技术可分为：晶体管合成、平面合成、波导合成、径向合成和空间合成。
当前采用最多的合成方式是平面合成。平面合成是通过微带线、带状线等平面传输线电路进行功率合成。此类合成器由于电场能量主要集中在介质表面的金属带线附近，较窄的线宽导致电场强度过分集中，当传输功率较大时容易出现电击穿现象。通过选用更厚的介质材料可以加宽金属线宽，使电场强度分散从而提高功率容量。但是随着工作频率的提高，波长变短，金属线宽与波长可比拟时，再增加线宽和介质厚度将会对传输线性能产生不良影响。另外，由于介质的导热率不够好，使用电路合成方式合成损耗产生的热量不容易快速传走。所以在较高频率应用时，电路合成通常只对两个放大器芯片进行功率合成。电路合成器的设计难度取决于路数，路数越多，体积越大，实现难度也越大，尤其是随着频率越来也高，路数一般只能小于4路。目前，单个功放裸片饱和功率的限制，如工作频段为6～18 GHz的功率芯片，国内外单片最大输出功率不超过20W，所以单个平面合成的模块功率等级只能到几十瓦的量级，平面合成要实现200W的输出功率，只能多个模块再进行叠加，这将大大增加功放整机的体积、重量和散热的难度。
常见的功率合成器有wilkinson功率合成器、Lange 电桥、带状线平行耦合电桥、分支线电桥，都属于平面合成方式。下图为最常用的wilkinson功分器和合路器结构。平面合成技术非常适合低频段和较少路数的合成，是当前功放主要采用的合成方式。
图2 典型平面合成电路
4. 超宽带大功率单模块实现大功率输出的技术难点
单个模块实现大功率输出最大的困难就是增加合成路数，比如平面合成路数的增加不仅仅是增加了设计难度，路数的增加必然导致更大的插入损耗，每增加一级，可能会带来0.5-1dB的插损。
提高功率合成效率是固态功率放大器实现大功率输出的重中之重。影响功率合成效率的主要因数包括各路合成信号的幅度差异、相位差异和传输损耗。降低传输损耗是设计功率合成器的主要目标。
散热设计也是影响单个模块小型化设计的重要因素。如果不能有效的把热量散掉，功放也是无法正常工作。
5. 空间功率合成技术
空间功率合成是另外一种合成技术。跟平面合成不同的是：平面合成是通过电路的功率合成；而空间合成变成了电磁场的能量叠加！空间合成技术最早是由美国加州理工大学David B. Rutledge教授提出，上世纪九十年代贾鹏程博士在加州大学圣塔芭芭拉分校读博士期间提出基于有源单卡的同轴空间合成结构，成功解决了实现超宽带的问题和散热的瓶颈，并通过增加卡的数量可以大大提升功率等级。贾鹏程博士也成为了空间功率合成技术真正实现应用的开创者，拥有众多空间合成技术的专利。
空间合成的原理结构如下图所示：
图3 空间合成原理结构
空间功率合成是指多路微波信号在微波波导腔体内的空间中进行功率合成，充分利用了波导损耗小的特点，同时发挥波导阻抗变换灵活的优势，实现多路数和高效率的功率合成。由于平面合成通常采用微带线连接，要实现超宽带设计，微带线线宽要求更窄，这将增加导体损耗和介质损耗，因此传统的平面合成损耗过大；而采用低损耗的空间合成方式，可以大大降低合成和分配损耗，从而实现超宽带、大功率。
（a）平面合成
（b）空间功率合成
图4 平面合成与空间功率合成
空间合成的优势在于可以实现多路直接合成，而不是通过二叉树多级合成的方式，减少了合成的损耗。例如，如果采用传统的平面二叉树的合成方式，每一级的二叉树合成采用wilkinson合成器，电损耗在0.6dB左右，考虑到传输线的损耗，总合成损耗约为0.75dB。如果合成16路需要4级合成，那么总损耗约为3dB，需要额外增加1倍的功率器件。而应识科技的同轴腔空间合成是将16路直接合成为1路，其损耗是固定的，与合成路数无关。由下图可以看出，当合成的单元数达到一定程度后，平面合成通过合成路数的增加将无法有效的增加输出功率，能量都变成了热耗。而空间合成的输出功率随着单元数的增加而持续增加。
图5 16路空间合成的功率合成器性能与平面合成对比
6. 基于空间合成技术的6-18G 200W单功放模块
目前6-18GHz频段GaN单片输出功率在10W左右，为了实现更高的功率输出以满足实际应用，必须采用多个单片功率合成。传统的平面合成方式用微带线连接，很难实现超宽带和大规模的芯片合成，因为微带线的带宽有限，而合成规模越大会使得损耗越大。本组件采用同轴空间合成技术，得益于空间合成的带宽更宽、合成损耗更小、合成效率更高的优点，将16或者32路单片集成电路放大器件在紧缩场内一次性合成，可以实现200W以上的合成输出功率。因为单个模块就能实现200W的功率输出，不再需要多个模块合并，所以跟传统的以平面合成多个模块再合成的方式比，体积重量大大缩小。由于空间合成技术的合成效率最高，使用的单片集成电路放大器最少，因此基于空间合成技术的半导体功率放大器是目前唯一在价格上可以和真空管放大器相当的半导体功率放大器产品。对于大功率和超大功率功放的设计，空间功率合成技术相比传统合成技术在成本和体积上有巨大优势，甚至是在微波、毫米波频段用半导体器件实现大功率合成的唯一可行方案。
图6 空间合成功放末级组件
由于空间合成采用多卡（多路天线）进行空间电磁场的功率叠加实现功率合成，通过调整卡片组件的数量可以很容易实现系列化，可以实现50W，100W，200W，300W的系列功率输出等级。
热设计一直是功率放大器研发的关键工作之一，良好的散热才能保障功放在高温下稳定工作。而目前6-18GHz的最新款GaN芯片附加效率约为20%左右，使得我们必须在有限的尺寸和重量要求下快速的将80%的热耗散去。基于空间合成架构，应识科技热设计小组创新性设计了强制风冷立体散热，采用高导热率、低热阻的介质配合风扇强制风冷散热。实现了在高温环境连续波模式长时间工作的前提下，达成大功率、小型化、轻型化的目标，能够很好的适用于机载、吊舱、无人机、有源诱饵、车载等对小型化高要求的平台。
7. 6-18GHz 200W连续波功率放大器模块指标
采用空间合成技术将6-18GHz全频带饱和输出功率达到200W以上，功率输出典型值可以到250W。此功放与市场同类型产品相比，在合成效率、整机功耗、增益平坦度、整机尺寸等方面，均具有明显的优势，可广泛应用于EMC测试、电子战及军用雷达等领域。
另外，基于这项技术可以开发6-18GHz输出功率达到500W（低占空比）以上自然散热的极小型化诱饵发射机，重量小于6千克，可完全替代目前大量使用的行波管，具有极高的应用价值。
8. 应识科技固态功放单模块产品线
9. 结论
由于空间合成技术解决了合成单元数量和合成损耗的矛盾，采用一次阵列合成的方法，即使合成单元的数量众多，合成效率也并不受影响，更适合于将大量中小功率的芯片进行高效合成为高输出功率。该合成方法在合成单元增加的前提下，依然可以保持同样的整机效率。
而提高了功率放大器的合成效率，意味着在相同输出功率时，可以使用更少的芯片，有效的降低了生产成本，在单位功率对应的生产成本上大大优于其他生产工艺。应识科技采用空间合成的6-18G 100W及200W放大器与其他厂家的采用平面合成的放大器对比，可以发现：平面合成在合成损耗上比空间合成高1dB以上，整机功耗、尺寸上，平面合成均大于空间合成整机，可见空间合成在高频段、大功率产品应用上有更大的优势。
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