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根据星载固放工作环境特点以及对固放高可靠性要求，本文介绍了一种K 波段星载固放，其内部提出了一款良好散热、保证气密的GaN 功率芯片封装模块用于功率合成。该GaN 功率模块使用金刚石铜作为衬底底部和可伐材料拼接，能够满足气密性和散热需求，同时内部集成了宽带脊波导到同轴转接，易进行空间功率合成。实测气密性优于1×10-1Pa·cm3/s ，满足可靠性和工程应用需求。经过测试，整个固态单机的输出功率大于15W ，额定输出下效率21.5%。 1 引言
输送带接头设备京理工大学，2004；石雯，Ku 波段氮化镓功率放大器研究：杭州电子科技大学，2012；Dong Min Kang,Jong Won Lim,et a1.X-band 100 W solid-state power amplifier using a O.25 μM GaN HEMT tech
nology:MICROWA VE AND 0PTICAL TECHNOLOGY LETTERS 2015）。因此，本文采用GaN MMIC 设计一款K 波段星载固态功率发射机，内部功率模块采用的是探针双脊波导过度和空间功率合成的方式。该模块能够保证较宽的工作带宽、良好的导热率以及气密性。整个固放输出功率大于15W ，功率增益大于45dB ，固放单机效率达到21.5%。芯片封装的气密性优于1×10-1Pa·cm 3/s ，散热良好，满足特殊应用环境需求。
基于GaN芯片的星载K波段固态功放研制
中国电子科技集团公司第十三研究所 朱文思
图1 宽带波导同轴探针过渡HFSS仿真模型示意图
图2 宽带同轴波导转接仿真结果曲线
目前，微波固态功放（SSPA ）相对于真空管放大器具有可靠性高、寿命长、工作电压低、尺寸小、重量轻等特点，因此在雷达、通信、卫星等领域中有着非常广泛的应用，其性能指标直接制约着整个
系统的性能和技术水平。基于GaAs 材料的功率器件已经无法满足对更高频率、更高功率的追求，这就需要新的材料来突破这个瓶颈（曹韬，曾荣，基于GaN HEMT 器件的宽带高效功率放大器：微波学报，2012；钮浪，石洁昀，潘威，X/Ku 波段宽带GaN 微波固态功放技术研究：科学与信息化，2018）。GaN 作为第三代半导体材料具有宽禁带半导体特性、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及抗辐射能力强等优点，其微波功率性能远优于Si 、GaAs 等传统材料，特别适合制作应用于高频、高功率、抗辐射等环境的功率器件，并且可以在高温恶劣环境下工作。星载固放目前对于高效、小型化、可靠性提出了越来越高的要求。
在地面环境应用中，固放的空间功率合成多使用微带探针过度的技术，原因是带宽较宽，较容易实现小型化且装配方便。但是在星载应用中，由于航天特殊要求，功率放大等裸芯片需要进行密封保证可靠性，普通基于微带线的波导过渡结构无法保证气密（陈俊，Ka 频段2W 固态功率放大器设计：南
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2 固态功放设计实例
乙酰氨基阿维菌素
shenh2.1 宽带同轴探针波导过渡和合成器设计
考虑到应用环境，封装芯片的盒体要求气密性，GaN MMIC 芯片和波导直接使用的是波导同轴探针过渡的方式以此保证气密性。单独的探针同轴波导过渡带宽较窄，无法拓宽带宽，因而采用同轴探针到双脊波导的宽带转换方式。整个功率合成采用的无耗空间功率合成（樊锡元，张瑞，沈项东，基于波导合成高效高功率密度Ku 波段功放：雷达科学与技术，2014；成海峰，徐建华，C 波导GaN 空间合成固态功率放大器：固体电子学研究与进展，2016），能够有效提高合成效率。在HFSS 三维电磁场仿真软件中建立双脊波导探针过渡和合成器的仿真模型，如图1所示。图2为该过渡模型的仿真结果，整个过渡几乎覆盖了K 频段，满足工程需求。该仿真结果将应用于下一小节中功率模块的研制工作。2.2 GaN末级功率单元设计
末级功率单元选用的是的GaN MMIC 芯片，该芯片工作频率在为K 频段，工作电压28V ，功率增益20dB ，线性增益26dB ，饱和输出功率39.5dBm ，附加效率30%。采用两路空间功率合成的方式进行功率合成输出。
考虑到固放输出接口为BJ220标准波导，且K 波段大功率传输使用波导传输损耗最小。设计了一款针对GaN 大功率芯片的可保证气密的功率小盒体。该小盒体整体采用可伐Kovar 材料，易于平行缝焊，考虑到可伐材料热导率为17w/mk ，散热差。将盒体底部更换材料为金刚石铜DC ，金刚 2.3 固放整机设计
根据K 波段星载固态功率放大器的技术要求，固放由功率放大单元和EPC 二次电源和控制电路单元组成。功率放大单元由输入隔离器、推动级放大单元、末级功率放大单元、波导定向耦合器、输出波导隔离器组成。为保证输入输出驻波，在输入端设计有MEMS 隔离器改善输入驻波，输出端设计有波导隔离器改善输出驻波。EPC 二次电源和控制单元包括了输入保险丝保护电路、浪涌抑制电路、输出滤波器电路、供电电路、控制电路和遥测电路。其设计原理框图如图4所示。
固态功率单元设计包括输入隔离器、推动级放大、末级功率放大、检波电路和波导隔离器输出等。器件均采用裸芯片，输入隔离器和推动级放大单元内部芯片封装在一个盒体内，盒体采用可伐材料。输入隔离器选用的是MEMS 隔离器，频率范围覆盖使用频段，插入损耗0.6dB ，隔离度15dB ，驻波比1.25。输出隔离器选用的是波导隔离器，插入损耗0.3dB ，隔离度17dB ，驻波比1.25，耐连续波功率30W 。推动级输入端选用的是GaAs MMIC 低放芯片。推动级输出选用的是自研GaAs MMIC 放大器芯片，工作电压+6V/-0.7V ，输出1dB 压缩点功率为27dBm 。在推动级中增加了数控衰减器芯片，0态衰减插入损耗3dB ，衰减范围0.5-31.5dB ，步进0.5dB 。
3 K波段固态功率放大器研制结果
依据方案设计，对整个固放进行了制作、装配、调试、测试。固放包含二次电源电路，输入母线电压为42V ，内部DCDC 转换至GaN 芯片工作电压28V ，电源效率90%
。常温下对固放的性能进行
图4 K波段GaN固态功放功能框图
图3 GaN MMIC芯片封装小盒实物图
了测试，固放输出功率大于15W ，额定输出15W 时工作效率21.5%，工作带宽内平坦度±0.5dB ，输出下功耗69.5W 。在常温常压下，固放经过240h 的长时间工作，工作状态稳定，指标满足要求。固放单机实物如图5所示，固态放大器单机尺寸为16.0cm ×11.0cm ×3.0cm ，在满足功能的前提下做到了小型化和轻量化。红外线加热灯
在环境温度50℃下，将固放开机正常工作，对内部GaN 功率模块内部的GaN MMIC 芯片进行热量红外近距离扫描，测试结果如图6所示，可以看到芯片沟道温度最高为149.24℃。目前GaN MMIC 功率
石铜材料热导率为550w/mk 。
采用高温焊料将金刚石铜底和可伐盒体进行烧结为一体。并且金刚石铜的热膨胀系数为6ppm/℃，和可伐材料以及芯片材料热膨胀系数相近，可以将芯片直接烧焊到金刚石铜衬底上，易于快速将芯片产生的热量通过金刚石铜到盒体的路径散热。该模块通过了包括气密性等多个可靠性试验，满足应用需求。图3为GaN 功率模块实物图，可以看到芯片使用金锡焊料烧结在金刚石铜底部，提高了芯片的导热率。浸胶线
（下转第129页）
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距离信号灯20cm 处停止。通过测量小车停车处位置，验证基于光传感器的急停小车设计的合理性。 经过多次测量，记录实验数据于表2，对比后发现小车在距信号灯1m 左右开始减速，距信号灯大约20cm 处停止；但实验记录显示小车多次出现停车位置距离信号灯过近，与信号灯距离小于20cm 。
表2 小车停车处距信号灯位置
实验次数
12345改进前距信号灯位置(cm)21.315.919.116.718.2改进后距信号灯位置(cm)
21.5
21.2
20.8
21.0
20.6
由于小车位置距离信号灯过近，查询资料后得出以下原因：一是环境光亮度发生变化，使光敏电阻阻值变化，导致小车减速失调；二是减速算法误差，小车在速度为0，却并未停止运动。之后调节光敏电阻，使光敏电阻适应环境光，改进减速算法再次实验，发现小车在距离信号灯1m 处开始减速，在20cm 左右速度减为零并且停止，成功的验证了硬件和软件的可行性，实现了基于光传感器的急停智能小车。
4.结语
设计制作该小车不仅能锻炼我们的动手能力、提高创新意识和钻研
精神，还能把学过的东西融会贯通，如绘制PCB 板，Proteus 软件设计电路图以及IAR 软件编写程序和调试运行。根据实验结果，该小车运动能够灵活运动，前期虽然受到环境光的
影响，但最后经过调试，成功实现了强光急停。该设计可用于夜晚、雾霾等光线弱的环境下避免发生事故，为无人驾驶技术的研究提供一个方向，具有一定的研究价值。
本文系国家级大学生创新训练项目（201810378141）；安徽财经大学大学生科研创新基金项目研究成果（项目编号：XSKY1921ZD ）。
作者简介：石岩（2000—），男，大学本科，现就读于安徽财经大学管理科学与工程学院，主要从事智能车和单片机方面的研究。
通信作者：武岳（1982—），男，博士，主要从事电子信息和无线通信方面的研究。
（上接第126页）
靠背轮
芯片的沟道最高工作温度为225℃，结温降额使用能够大大提高芯片和固放的整体可靠性和工作寿命，金刚石铜衬底的功率模块散热良好。
4 总结
本文基于GaN MMIC 研制了一款固态功率放大器单机，针对在星用条件下，微波高频频段GaN MMIC 热耗较大且需要气密的要求，设计了一款宽带金刚石衬底的功率模块，易于散热且保证气密，可靠性高。固放单机输出功率大于15W ，额定输出15W 时工作效率21.5%，常温下固放经过240h 的长时间工作，工作状态稳定。经过测试模块内部芯片沟道结温远低于GaN
芯片沟道最高耐受温
图5 K波导固态功放实物图
图6 50℃环境温度下固放单机内GaN MMIC温度扫描图
度，满足可靠性要求和工程应用要求。
作者简介：朱文思（1986—），男，汉族，河南信阳人，硕士，现供职于中国电子科技集团公司第十三研究所，研究方向为微波毫米波电路系统。
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