引言
近年来，GaN功率器件在微波毫米波大功率领域的应用已成为研究热点。根据2024年全球GaN功率放大器芯片市场分析，GaN技术凭借其高功率密度（可达GaAs的4~6倍）和高工作电压（28~50 V），已占据高频通信和卫星领域的主流地位，头部企业如Qorvo、Wolfspeed的GaN产品在35 GHz频段单芯片输出功率突破15 W。然而，现有研究在Ka波段宽带高功率合成与封装集成方面仍存在挑战。
首先是合成效率与体积矛盾，传统GaAs方案需多级合成（如32片芯片合成120 W），导致损耗高达3 dB以上，且模块体积超过200 mm×200 mm×50 mm[1]。其次气密封装技术瓶颈，波导-微带转换结构的气密性设计长期受限，Ka波段背靠背探针结构虽实现40 dBm以上的输出，但微带暴露导致环境稳定性不足[2]。第三是宽带匹配网络复杂度，分布式放大器虽能覆盖多倍频程（如HMC994A覆盖DC-30 GHz），但功率合成效率受限于50 Ω固定负载，难以适配Ka波段高阻抗需求[3]。
本文提出一种Ka频段小型化气密宽带功放组件的研制方法。该组件通过两级级联架构（前级驱动+末级合成）和紧凑波导功分网络构成，从以下创新点实现性能突破。
首先是采用16片GaN芯片（单芯片饱和功率12 W）通过微带环形电桥与波导混合网络合成，输出功率达140 W，较同数量的GaAs芯片合成提升6倍以上，合成效率提升至92%（传统GaAs方案为75%~85%）[2]。得益于GaN的高功率密度，合成规模缩减50%，整机尺寸（160 mm×160 mm×30 mm）较同类GaAs方案缩小40%[1]。
其次提出与波导合成网络互联的E面波导-同轴探针结构，通过软钎焊工艺实现微带气密封装（焊透率>95%），较背靠背结构回波损耗降低至-20 dB以下，插损<0.1 dB，且在25~31 GHz带宽内功率稳定性提升15%[2]。同时该设计整机重量<1 kg，可适配星载平台严苛环境（气压5~100 kPa，盐雾浓度6 g/m³），较传统行波管方案功耗降低30%。
本研究通过GaN芯片高密度合成、气密宽带匹配网络及热管理优化，在输出功率、环境适应性及集成度方面显著超越现有成果。该设计为Ka波段卫星通信与电子对抗系统提供了更优的固态功放解决方案。
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作者信息：
赵鹏，李凯，胡顺勇，张能波
（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）
