GaN功率放大器发展状态评测

可以安装在标准19英寸机壳中。 该放大器的当前设计（图2）采用水冷，其他采用空冷的版本正在开发当中。 表1给出了水冷8 kW GaN PA的性能摘要。

图1. 基于GaN的固态功率放大器能够在X波段提供8kW输出功率

表1. 8 kW PA典型性能

额定输出功率	8 kW
频率范围	8 GHz至11 GHz
上升/下降时间（最大值）	200 ns
脉冲宽度	0.05 μs至100 μs
占空比	20%
输入/输出VSWR	1.50:1
带外杂散噪声（最大值）	–70.0 dBc
二阶谐波（最大值）	–40.0 dBc
RF输入连接器	SMA
RF输出连接器	波导

8 kW SSPA支持将多个模块式SSPA合并以产生更高的功率水平。 目前正在开发含有三个这样的8 kW SSPA模块的放大器，其在相同频率范围上可实现24 kW的峰值输出功率水平。 其他实现32 kW功率水平的配置也是可行的，目前正在考虑以供进一步评估。

ADI公司当前正在开发一种高级功率模块，也是基于GaN技术，其RF/微波输出功率将是当前模块的两倍。 该模块采用密封设计，支持在极端环境下工作。 结合下一代合并结构和更低的插入损耗（与当前方法相比），它将把RF/微波频率的脉冲输出功率提高到接近75 kW到100 kW的水平。 这些先进的高功率SSPA将包括控制和处理器功能，支持故障监控、内置测试(BIT)功能、远程诊断测试以及对MMIC器件（为放大器供电）的快速实时偏置控制电路进行控制。

此类GaN固态功率放大器旨在解决业界对宽瞬时带宽、高输出功率放大器的需求。 某些系统尝试利用通道化或多个放大器来满足这些要求，每个放大器覆盖所需频谱的一部分并接入一个多路复用器。 这会提高成本和复杂性，并导致在多路复用器的频率交越点处出现空隙。 更有效的替代解决方案是以更高的功率水平连续覆盖宽频率范围，这已经通过两个不同的GaN放大器得到实现，一个放大器覆盖VHF至L波段频率，另一个覆盖2 GHz至18 GHz。

图2. GaN、X波段固态功率放大器的结构和器件的框图

针对VHF到S波段频率，ADI公司开发了一款尺寸非常小、功能丰富、多倍频程的放大器，其在115 MHz到2000 MHz范围内可提供50 W输出功率。 在全频率范围内，当馈入0 dBm的标称输入信号时，该放大器可实现46 dBm（典型值40 W）的输出功率水平。

该放大器采用尺寸为7.3" × 3.6" × 1.4"的紧凑式封装，具有BIT功能，可提供热和电流过载保护及遥测报告，并集成DC-DC转换器以实现最佳RF性能，输入电源范围是26 V_DC到30 V_DC。 图3所示为该放大器的照片，输出功率的典型实测性能数据与频率的关系如图4所示。

图3. 连续波(CW)、50 W、固态功率放大器，工作频率范围为115 MHz至2000 MHz

图4. 50 W、115 MHz至2000 MHz功率放大器的输出功率与频率的关系

针对2 GHz以上的宽带应用，ADI公司也开发了一款GaN放大器，其可在2 GHz到18 GHz频段产生50 W连续波(CW)输出功率。 这款放大器采用商用10 W GaN MMIC，其输出功率贡献通过宽带低损耗功率合成器加以合并。 多个这样的放大器也可以合并，以在同样的2 GHz到18 GHz带宽产生高达200 W的输出功率。 驱动放大器链也是基于有源GaN器件。 该放大器采用48 V_DC供电，内置稳压器和高速开关电路，支持脉冲操作，具有良好的脉冲保真度和快速上升/下降时间。 表2列出的这款放大器的规格。 图5所示为该放大器的照片，图6显示了该放大器的输出功率与频率（2 GHz至18 GHz）的函数关系。

表2. 典型宽带SSPA性能

输出功率	50W
频率范围	2至18 GHz
占空比	100%
输入/输出VSWR	1.50:1
带外杂散噪声（最大值）	–70.0 dBc
增益稳定性	2.5 dB
RF输入连接器	SMA
RF输出连接器	N型

图5. 50 W、CW输出功率放大器，工作频率范围为2 GHz至18 GHz

图6. 50 W、2 GHz至18 GHz功率放大器的输出功率与频率的关系

这款50 W放大器是2 GHz到18 GHz频段系列放大器中的一员。 ADI公司还开发了一款12 W输出功率的紧凑型台式放大器（图7）和一款100 W输出功率的机架安装单元（图8）。 频率范围从2 GHz到6 GHz以及从6 GHz到18 GHz的其他放大器正在开发中。 ADI公司还在努力将这些宽带放大器的输出功率从当前水平提高到200 W及更高水平。 为了实现更高的输出功率水平，ADI公司正在开发高输出功率模块和宽带RF功率合成器，其合并效率将大为改善，损耗也低于当前功率合成器。

图7. 宽带2 GHz至18 GHz功率放大器，在全频率范围产生12 W CW输出功率

图8. 2 GHz至18 GHz固态功率放大器，在全频率范围产生100 W CW输出功率

以上是利用GaN固态放大器可实现的性能水平的几个例子。 随着更多GaN半导体供应商转向更大尺寸的晶圆，以及每片晶圆的良品率持续提高，将来此类放大器的单