摘 要 X/Ku波段宽带GaN微波固态功放技术具有热导率高、禁带宽度大、临界击穿电场高的优势，在宽带大功率器件的应用上具有很好的发展前景。而且相对其他功放，X/Ku波段宽带GaN微波固态功放技术的效率和线性度更高。在采用馈电网路ode补偿微带线减少寄生参数影响的前提下，实现大功率输出和器件的小型化上，通过内匹配功率放大器的合成，形成了附加功率较大的工艺，满足了功放整体尺寸小型化的要求。
关键词 X/Ku波段宽带；GaN；微波固态功放技术
GaN材料体系化学性质非常稳定，耐腐蚀、耐辐射，其电学性质具有耐高压、电子迁移率高、离化系数大等优点，在功率器件、电力电子器件、雪崩型探测器中也有非常重要的应用。目前采用功率合成技术的固态功率放大器，广泛应用在微波发射系统上，经过功率合成，在全频段上可达到数百瓦的功率输出。
随着GaN器件的成熟，GaN功率器件在工程上已经全面展开了功率合成技术的应用，GaN器件作为第三代半导体器件的主要代表，具有高饱和电子漂移的速度，能够耐受高击穿电场强度，在高功率、高频率领域具有极高的应用前景。
1 合成功放效率
在本文中，我们采用多芯片合成的方式，在RFin输入射频信号，经过驱动放大器，经过分路器的分成，N路信号进入了单片，经过功率放大后采用合路器进行了功率合成。以GaN功率单片的增益计算，输入功率小于输出信号功率的，栅电压小于功放的楼电压需要的功率，在进行多路功率合成的时候，一般为了保证相位、功率和效率的一致，要考虑同批次的芯片效率的一致性，尽可能使用同批次的芯片[1]。
提高固态功效的效率，需要提高芯片本身的功率合成器的功率，采用GaN功率器件，能够有效提高芯片本身的功率，功率合成器的效率也有效提高了。
2 空间功率合成结构设计
采用合成的空间结构设计，结构的功率合成密度为当前常用的双探针合成方式的数倍制作，该空间合成结构的仿真模型，通过对现有的双探针进行结构的扩展，实现了探针的合成结构，在波导没有出现变化的前提下，将探针的数量翻倍。采用ROGER介质板进行探针的制作，每个探针头部的探针形成了并联的方式，特征阻抗为波导的特征阻抗。從探针达到短路面，用于进行阻抗的匹配，保证波导口的驻波良好，探针将平均分配输入功率通过阻抗变换，形成了微带阻抗匹配，达到了50毫安。
3 功放设计和测试
从本文开发的空间合成结构来看，进行16路功率合成之后，第一级功率采用功放碎片的形式进行空间合成，第二级采用波导桥的结构进行两个合成，提供较好的驻波和隔离度，采用链路合成的方法，将波导进行合成，实现功率的输出。选用的功放芯片，是当前国内研制的，C波段GaN功率放大芯片，芯片采用了28V供电电压，提供输出功率，使用的16个功放芯片经过调制，宽度可以达到100μs，占到了测试条件下的输出功率曲线的较大占空比。对C波段的GaN空间合成固态功率放大器的实测后发现：在测试中可以看到C波段的输出功率大于800W，效率大于28%，通过所有功放芯片的功率数据的和除以总功放输出功率，可以得到16路合成效率88%以上[2]。
4 X/Ku波段宽带GaN微波固态功放技术应用
经过自主研发，当前使用的400μm栅宽GaN HEMT功率放大器，选用了自主研发的GaN HEMT，该管芯寄生电容为CDS0.13PF。
该功率放大器的设计指标：工作频率为14.6GHZ，输出功率为POUT大于25W，增益GAIN大于6dB，由于栅宽过大，使得寄生电容变大，最终选用了4路功率合成。
内匹配的基材料，是在沉积不停地金属膜的绝缘基片上，通过薄膜工艺和精密光刻，制作成高性能的电感、电阻和导线的电路，将原件同时放在电路基础偏上，合成混合的微波集成电路，电路的优点是体积小、重量轻，满足电路板尺寸的小型化要求[3]。在射频微波频率的内匹配器件中，除了使用微带蛇形的弯折，还使用了金丝键合线作为电感使用，随着频率的增大，金丝的电感值增加到840PH，使用金丝键合的时候，考虑电流的承受范围，工程中将熔断电流设定为6毫安每平方米，使用多根金丝并联，距离越近，电感越小。通过阻抗变换，匹配到35欧姆线，阻抗在匹配的方法上较为多样化，使用集总元件的方法，在输入端采用T型阻抗匹配的结构，在气候加入了等效为电感的支节，用于补偿晶体管的寄生电容，满足了功率放大器的设计要求。
5 结束语
GaN器件既有分立式场效应晶体管（FET），在高性能、高可靠性应用中的具有很强的成本优势。此类器件有多家晶圆厂和器件制造商可以提供，包括单芯片微波集成电路（MMIC），基于GaN的器件已经在很大程度上取代了硅横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）和砷化镓（GaAs）器件，广泛用于高功率微波放大器系统。这些器件的栅极长度小至0.2μm，支持在毫米波频段工作。在许多高频应用以及所有低频应用（除对成本最为敏感的应用之外）中，通常采用100mm碳化硅（SiC）晶圆制造。本文对我国自主研发的X/Ku波段宽带GaN微波固态功放技术进行了分析，得出结论，通过波导合成和空间合成的方式，实现了C波段800W以上的峰值输出功率。
参考文献
[1] Morkoç H. Nitride semiconductors and devices[M]. Berlin： Springer，2000：78-80.
[2] Krames M R，Collins D，Gardner N F，et al. High-power III-nitride emitters for solid-state lighting[J]. Physica Status Solidi，2002，192（2）：237-245.
[3] Nakamura S. Current Status of GaN-Based Solid-State Lighting[J].Mrs Bulletin，2009，34（2）：101-107.