Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

Figure 6.32
(a–c) Three versions of microwave transistor solid state power amplifiers.
different units for ease of integration into the overall repeater (discussed in the
next section).
The method of paralleling stages, shown at the bottom of Figure 6.32, increases
the maximum output capability in direct proportion to the number of stages in
parallel. At the input, the signal power is split into two equal parts with a four-
port hybrid. Note that the fourth port of the hybrid is not required and is therefore
terminated, that is, connected to a passive load. Amplification is accomplished by
a matched set of single-stage microwave transistor power amplifiers, whose outputs
are combined by a second hybrid. The unique structure allows the power to be
split and recombined efficiently, without more than about 0.25 dB of total loss at
the output. The gain of the parallel combination is equal to that of a single stage,
but it can output approximately twice the power since two amplifiers are working
together. The key to successful operation is that the hybrids split and combine the
signals with the proper phasing and that the individual GaAsFET stages be nearly
identical in their characteristics. Not shown in the figure are the circuit components
that allow a technician to adjust the balance and phasing of the signals to achieve
the desired performance. With everything properly aligned, virtually all the output
power will appear at the upper port of the hybrid on the right and none will appear
at the terminated port.
The approach to further increase power is to treat the parallel stage as an
amplifier module that can be further paralleled. For example, paralleling two
modules gives nearly four times the power of the single transistor. However, it is
easy to see that the achievement of high power and high gain comes at a price in
SSPAs.
There are some unique aspects in using SSPAs instead of TWTAs. GaAsFET
devices, being solid state in nature, do not contain a cathode and do not require
high voltages to produce the electron beam. Unlike a TWT, which operates in a

---

234
Spacecraft and Repeater
hot condition for its entire lifetime, the delicate internal structure of the GaAsFET
is sensitive to temperature and should be kept rather cool. The high field and power
densitites inside a GaAsFET can limit life. Another consideration is that an SSPA
is somewhat complex in terms of the number of internal microwave connections,
which can increase the chance of failure of a random nature. For example, the
solder joints or welds where the GaAsFETs are connected into their associated
circuits can deteriorate and open up. On the performance side, the linearity of an
SSPA generally tends to be superior to a TWT by itself. SSPAs can deliver 20–50%
more FDMA channel capacity for the same output power level. TWTAs can be
improved in terms of linearity at the expense of using a device called a linearizer
(discussed in Section 6.4.6).
The areas where the TWTA continue to shine are in power output and efficiency.
The current maximum practical output for a C-band SSPA is approximately 50W,
while TWTs with powers in excess of 250W are being built. The efficiency of an
SSPA tends to decrease as power is increased (because of the need to parallel stages
and suffer losses through the hybrids that are required), while just the opposite is
true for a TWTA. In some applications, TWTAs also have been paralleled because
that provides greater output power for DTH services to a large footprint.