如何将相控阵技术用于功放设计？空间功率合成技术简介

1 概述
1.1 宽带固态功率放大器
在雷达领域，崛起于上个世纪80年代的有源相控阵技术已经全面替代了传统的真空管发射机体制，而且依靠其特有的高可靠性和高性能在越来越多的武器系统中发挥了决定性的作用。而空间功率合成技术正是借鉴了相控阵技术的成功经验，是相控阵技术在功率放大器模块设计技术的有效延伸。
应识科技开发团队在贾鹏程博士的带领下，研发并产业化了基于空间功率合成的小型化2-6GHz,6-18GHz固态宽带高功率放大器。应识科技宽带功放具有超宽带、高输出功率、高效率、体积小、重量轻的优势，可广泛应用于电子对抗、雷达、测试测量等领域。
在电子对抗领域，目前我军还是延续了上个世纪的真空管技术，可靠性差，需要周期性的加电维护，维护成本高。特别是，目前真空管产业由于在民用应用中越来越窄，已经成为一个夕阳产业，人才匮乏，技术更新缓慢。由于目前装备发展的需求，核心部件必须国产化，但是国内研制生产单位人才缺乏，技术水平低，导致了产品的可靠性差，大大低于国际先进水平。而且由于该领域的研发投入低，无法在覆盖到材料、器件和系统的整个产业链上实现突破，因此也就无法不断推出满足新一代武器系统的核心放大器产品。
针对目前真空管技术带来的困境，应识科技团队开创了基于三维设计技术的空间合成技术体系，可以将半导体芯片技术和超宽带阵列天线技术进行有效的结合，能够将半导体功率放大器的输出功率提高上百倍，超越传统的半导体功率放大器，有效替代真空管技术。
应识科技团队不断的完善与改进空间功率合成技术，将半导体功率放大器的尺寸持续降低，最新的成果已经使得功率放大器的尺寸比真空管放大器更加具有优势。并且由于具有半导体功率放大器的高可靠行特点，避免了使用中需要定期加电维护的问题。特别是在目前国际局势紧张的态势下，装备设计必须考虑实战的要求，具有高可靠性、小型化和轻型化的功率放大器必然是未来发展的趋势。
目前最新的一款4通道半导体功率放大器主要技术指标如下：
 
工作频率：6-18GHz
单通道输出功率：50W, 80W, 100W
体积：210×190×55mm（4通道整机，每路50W输出），210×190×55mm（单通道）
重量：4.2Kg（4通道整机），1Kg（单通道功放组件）
 
外形尺寸如下图示：



图1  4合路整机外形图
 
1.2 宽带功放技术介绍
 
现阶段6-18GHz频段的宽带高功率放大器主要有两类技术产品：TWT、固态功率放大器。TWT根据体积重量不同有：传统TWT、Mini-TWT（MPM）；固态放大器根据功率合成技术不同有：固态平面合成功放、固态空间合成功放。
行波管放大器在国外有着较长的使用历史，当前国外真空管厂家众多，竞争激烈，不断的推进技术进步，以满足新系统的要求，到今天最新的MPM输出功率可以达到100W以上，重量最小可以达到2公斤。目前国内基于TWT的宽带高功率微波放大器主要由中国电子科技集团下属单位提供，其产品种类和销售金额都远远低于国外厂家，目前主要应用是进口成熟产品的替代。
固态功率放大器具有寿命长，适合批量生产等优势，早在70年代开始，美国政府就持续投入在固态功率放大器方面的研发工作，努力寻找TWT的替代方案。受限于传统GaAs半导体工艺较低的单片输出功率及低效的平面功率合成技术，一直缺乏上百瓦输出功率的固态放大器模块。但随着采用GaN半导体工艺芯片输出功率的提高及空间功率合成的应用，使得固态功率放大器模块达到百瓦量级成为可能。
 
2. 固态空间功率合成放大器方案与技术介绍
2.1 空间合成功放组件方案介绍
 
6-18G频段功率最大的GaAs芯片一般只有3-5W左右，即使最新的GaN单片也只能达到10W的量级，为实现更高的功率输出，必须采用多个器件功率合成。传统的平面合成方式很难实现大规模的合成，因为合成规模越大损耗越大。本组件采用同轴空间合成技术，得益于空间合成的带宽宽，合成损耗小、高合成效率的优点，采用多路单片集成电路放大器件合成来实现100W以上的合成输出功率，效率高、体积小。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。
下图为末级合成功放，尺寸为100×42×42mm。

图2  空间合成功放
本方案的关键技术是采用了空间合成的功率放大器方案。空间功率合成是一种将传统的基于平面电路的设计技术升级为利用三维电磁场进行设计的立体化解决方案。它将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。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。
由于空间合成采用阵列天线技术，通过调整天线组件的数量可以很容易实现系列化，目前在相同的尺寸上，可以实现25W，50W和100W的系列功率输出等级。