电子对抗系统(ECM)通常由接收机、处理器、显示器和干扰发射机组成。截至目前，固态放大器还达不到电子对抗系统发射机要求的功率、带宽和效能需求。
氮化镓固态放大器技术日渐成熟，综合运用了集成化、低损耗和大带宽技术，可以满足电子对抗系统要求的功率、带宽和效能需求。与砷化镓和其他固态半导体材料相比，采用氮化镓技术可以增加晶体管的功率密度，并且高阻抗器件可以简化与之匹配的网络设计。
过去，人们采用过行波管和其他真空管为电子对抗发射机提供微波功率。上世纪50年代以来，人们采用真空管技术(特别是行波管放大器技术)实现电子对抗发射机要求的宽带、大功率微波。
电子对抗干扰发射机通常需要在多个倍频上产生数百瓦的微波功率。放大器的效率必须足够高，才能够适应机载平台有限的功率输出，并快速将系统产生的热能散发出去，行波管放大器技术是唯一能够满足这些关键需求的技术。
固态器件 vs 真空管
长期以来，固态器件一直要优于真空器件。真空管适配的高压电通常在数kV左右，可靠性低于使用低压电(如低于50V)的固态器件。真空管的制造商和用户都面临着电力供给和材料短缺的问题。
与真空管相比，固态器件噪声小、线性度好。例如，处于“待机模式”的固态器件在没有射频信号输入的情况下，通过施加直流偏置电压，可以大大降低整个频谱上产生的噪声功率。
中等功率行波管的噪声系数可达30分贝左右，而氮化镓固态集成放大器的噪声系数只有10分贝左右。这会对电子对抗系统的性能产生很大的影响，因为较低的噪声系数可以使发射机的输出端在不发射时保持待机状态。由于不需要频繁开关主直流电源，所以可以减少总的转换时间。
固态发射机的另一个优点是，可以减小输出信号中的谐波。通常来说，在一个倍频或更宽带宽上工作的固态放大器，输出的最小谐波功率约比饱和输出的基波功率低8dB。在相同工作条件下，真空管的谐波仅比基波低2dB。这些高次谐波使发射时的滤波需求更为严格，导致整个电子对抗系统需要更大、更昂贵的元器件。
氮化镓器件提升功率
相比其他异质结半导体技术，氮化镓器件显著提高了功率密度、性能和带宽，但单个器件或集成电路还不足以支撑起大多数的电子对抗系统发射机。在2-7.5 GHz频率之间，需要输出100 W或更大功率是很正常的。
图1为单个Qorvo型氮化镓单片微波集成电路的功率输出。理论上，在1-8 GHz频率范围内，这种封装的单片微波集成电路的输出功率为10 W，但在85°C情况下，输出功率降至8W。在电子对抗系统中，需要采用超过10个这样的单片微波集成电路，才能在频段和温度范围内输出100 W的功率。
可以采用许多方法为合成设备供电，以实现固态功率放大器。对于电子对抗系统发射机来说，该方法必须具有低损耗和宽带宽的特征。大多数时候采用双端口二进制合成器(如Wilkinson功分器或magic tees功分器)这种合成技术。
每两个单片微波集成电路需要一个双端口合成器，四个单片微波集成电路需要三个合成器，合成16路需要15个合成器。magic tees功分器的损耗相对较低，不过它们工作时通常占用10%的带宽，而双脊magic tees功分器工作时仅占一个倍频带宽，不满足电子对抗系统2-7.5 GHz的带宽要求。
在双向合成中，需要四次合成才能达到预期功率。典型的双脊magic tees功分器在这些频率上有0.3 dB的损耗，所以合成器的总损耗是1.2 dB。如图1所示，单片微波集成电路合成的效率为30％的氮化镓功率放大器，通过一个16路magic tees功分器进行合成，混合输出效率约23%，在6 GHz、85°C条件下，功率输出约95 W。不过，典型的双脊magic tees功分器网络只能在一个倍频内工作(例如从2-4 GHz)。
空间合成技术
空间合成技术比基于电路的技术具有更低的损耗。Spatium是Qorvo公司的同轴空间功率合成方法(如图2所示)专利，它使用宽带对极鳍线天线作为同轴模式的发射天线，分成多个微波传输电路，通过单片微波集成电路放大后将电路功率合成。
它的带宽比较独特，以自由空间为合成介质，高效且紧致地合成多个单片微波集成电路。典型的Spatium可一步合成16个设备，且总损耗仅为0.5 dB。
如图1所示，采用16个单片微波集成电路的固态放大器效率为27％，而每个单片微波集成电路的效率为30％。与magic tees功分器获得的23％相比，数据差异是显著的。合成效率的提高可带来更高的输出功率和更小的散热量。
在Spatium放大器中，合成了16个径向叶片上的Qorvo 氮化镓固态集成放大器。图3为实测输出功率与钳面温度的关系；基板温度要比单片微波集成电路低，比钳面温度高12℃，因此基板最高温度为85℃。在2-7.5 GHz之间，该设备的平均效率为25%，可以达到或超过100W的输出功率。
散热设计
在电子对抗发射机中采用固态放大器时，热管理是设计挑战之一。在一个典型的应用中，Spatium固态功率放大器周围钳面的一个或多个侧面可以传导冷却(如图4所示)。某些系统可能采用液体冷却剂，其他系统则可能采用带风扇的散热器。
钳面设计是为了空气与所有叶片充分接触，形成通往冷板或散热器的传导路径。Spatium的叶片和钳面可以由不同的金属制成(例如铝和铜)。大小、重量和功率决定了特定应用时的材料组合。
通过计算单片微波集成电路背面到安装板的热阻，可以推导出单片微波集成电路背面的温度。根据单片微波集成电路和封装的热阻，可以计算单片微波集成电路的结温，从而估算固态放大器的可靠性。
图5是图4所示的固态放大器的热模拟，在饱和输出功率和最低效率时，单片微波集成电路在频带内效率最差(每个单片微波集成电路的损耗为25W)。热模型显示，在假设热阻为6.56℃/W的情况下，从钳面最冷的点到封装的单片微波集成电路背面大约上升了12℃，从封装背面到输出晶体管的结点又上升了164℃。
单片微波集成电路的结温为247℃，夹面温度保持在71℃。在247℃的结温下，单片微波集成电路的平均无故障时间约为120万小时。
整个空间模块的平均无故障时间为单个单片微波集成电路的平均无故障时间除以单片微波集成电路的数量，即75000小时。在这个计算公式中，最坏的假设是单个单片微波集成电路的故障即整个放大器的故障，不过Spatium放大器的性能随着单个单片微波集成电路的故障逐步降低。(即每个单片微波集成电路发射故障时，输出功率降低约0.7 dB)。
对于行波管，表2MIL-HDBK-217F列出了以下公式来计算在地面环境下的平均无故障时间:
其中P为额定功率(W)，范围从1mW到40kW；F为工作频率(GHz)，范围从100mHz到18GHz。通过这个公式，在7.5 GHz频率时，输出功率为150 W的行波管的平均无故障时间为29609小时。在类似的环境条件下，这比同类固态Spatium功率放大器模块低2.5倍。
总结
氮化镓固态集成放大器和Spatium等宽带空间合成技术，使电子对抗系统设计人员能使用可靠的固态放大器替代行波管放大器。可以在宽频带上传输数百瓦功率，同时在平台的功率范围内保持散热使系统可靠运行，为固态电子对抗发射机系统开辟了新的机遇。
表1列出了三种新型Spatium放大器的频率、功率和效率。这些固态功率放大器的尺寸和重量都小于对应行波管放大器的尺寸和重量。
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