雷達(dá)，電子戰(zhàn)（EW）和通信系統(tǒng)越來越多地利用氮化鎵（GaN）技術(shù)來滿足對高性能，高功率和長壽命周期的嚴(yán)格要求。與此同時(shí)，產(chǎn)量上升會(huì)導(dǎo)致價(jià)格下降，也使GaN可以跨越多個(gè)市場。
GaN是一種半導(dǎo)體材料，近年來已成為在軍事應(yīng)用中啟用更高性能系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，例如有源電子掃描陣列（AESA）雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)，都需要更多功率，更少的占地面積和更有效的熱管理。
“ GaN有很多不同的方面，我們才剛剛開始挖掘各種可能性。” Qorvo國防與航空航天市場戰(zhàn)略總監(jiān)Dean White說。
GaN之所以具有諸多優(yōu)勢，是因?yàn)椤案咚降腉aN確實(shí)因其高功率密度，高效率，寬帶寬以及超長的使用壽命而被用于軍事應(yīng)用?！盬olfspeed航空航天與國防部代工高級總監(jiān)Jim Milligan說道。
GaN應(yīng)用從電子戰(zhàn)到雷達(dá)再到通信系統(tǒng)比比皆是：“寬帶通信尤其受益于GaN技術(shù)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)上使用兩個(gè)倍頻程和兩個(gè)晶體管，如今可以使用單個(gè)產(chǎn)品，這對于無線電技術(shù)尤其受益?！倍髦瞧稚漕l多市場團(tuán)隊(duì)產(chǎn)品營銷官Gavin Smith說。 “這很重要，因?yàn)樗兄诠?jié)省空間，在某些情況下還可以節(jié)省設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。”
雷達(dá)系統(tǒng)需要更寬的帶寬和更高的運(yùn)行功率?！笆聦?shí)證明，GaN是AESA雷達(dá)系統(tǒng)的理想技術(shù)，” Mercury Systems RFM部門高級總監(jiān)兼總經(jīng)理Deepak Alagh說，“高功率密度使固態(tài)功率放大器（SSPA）可以更接近雷達(dá)，甚至與雷達(dá)集成在一起。通過減少線長，損耗可保持在最低水平。此外，與一個(gè)大型行波管（TWT）放大器以及多個(gè)移相器和功率分配器相比，貼片附近的GaN SSPA可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字束轉(zhuǎn)向。通過將這些多個(gè)緊湊型GaN放大器與FPGA模塊搭配使用，AESA可實(shí)現(xiàn)更高的靈活性。而且，由于基于GaN的SSPA尺寸要小得多，因此有助于控制雷達(dá)系統(tǒng)的總尺寸?！保▓D1.）
圖1：Mercury Systems的放大器覆蓋了大多數(shù)雷達(dá)和通信頻段以及其他流行的頻率，包括毫米波。照片由Mercury Systems提供。
將GaN應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)有助于減少系統(tǒng)引腳，同時(shí)仍可提高系統(tǒng)效率，NXP的Smith說：“設(shè)計(jì)人員需要受限空間的高功率解決方案，并且也不需要太多散熱。與LDMOS一樣，使用GaN的客戶繼續(xù)要求更高功率的解決方案。為了滿足這樣的尺寸要求，并且某些應(yīng)用需要更高功率的晶體管，通過高度集成以實(shí)現(xiàn)高功率水平需要。我們還看到與雷達(dá)無關(guān)的應(yīng)用，但仍然需要提高系統(tǒng)效率?！?/p>
GaN使電子站系統(tǒng)中的占位面積更小
GaN技術(shù)正在幫助設(shè)計(jì)人員滿足電子戰(zhàn)系統(tǒng)的尺寸，重量和功率要求。像雷達(dá)系統(tǒng)一樣，電子戰(zhàn)應(yīng)用也受益于GaN所占空間的減小。 Qorvo國防與航空航天市場戰(zhàn)略總監(jiān)Dean White說：“從擁有大型車載車載系統(tǒng)開始，到現(xiàn)在士兵可以隨身攜帶背包的系統(tǒng)。更寬的帶寬使他們能夠獲取語音和視頻，這與您在手持智能手機(jī)中獲得的非常相似。由于GaN能夠在更高的溝道溫度下工作，因此對冷卻的擔(dān)憂也減少了。
“大多數(shù)電子戰(zhàn)系統(tǒng)都是高寬帶，大功率的，這正是GaN可以表現(xiàn)的關(guān)鍵領(lǐng)域，”White繼續(xù)說道，“由于GaN晶體管的輸入端有阻抗，因此設(shè)計(jì)人員更容易進(jìn)行匹配。許多電子戰(zhàn)系統(tǒng)過去不得不使用開關(guān)在一個(gè)波段之間切換；現(xiàn)在最好有一個(gè)連續(xù)的帶寬來運(yùn)行。以前是相當(dāng)大的寬帶放大器，現(xiàn)在被壓縮為一個(gè)小模塊，或者可能是單個(gè)封裝中的數(shù)個(gè)芯片。”
Alagh解釋說：“由于GaN器件小于其等效的GaAs器件，因此寄生柵極電容得以降低。這樣可產(chǎn)生較小的輸入阻抗，從而使寬帶匹配更加容易。同樣，基于GaN的器件的高功率密度可以實(shí)現(xiàn)更小的電子戰(zhàn)系統(tǒng)，從而使其能夠在更廣泛的平臺上進(jìn)行部署?！?/p>
GaN的功耗優(yōu)勢
Milligan說：“大趨勢是晶體管的功率越來越高，當(dāng)我們首次將GaN晶體管引入高功率應(yīng)用（如雷達(dá)應(yīng)用）時(shí)，單封裝晶體管的GaN晶體管的功率為100至200瓦，現(xiàn)在是越來越高。對于某些L波段雷達(dá)應(yīng)用，每個(gè)封裝晶體管會(huì)產(chǎn)生千瓦或更高的功率。當(dāng)您通過L，S，C，X波段雷達(dá)時(shí)，我們通常會(huì)開始看到這種趨勢。這確實(shí)是為許多集中式變送器類型的應(yīng)用程序提供服務(wù)?！?/p>
White說，GaN在功率放大器中具有重要應(yīng)用。 “由于GaN的功率密度及其在寬帶帶寬上的高能效水平，它們是第一選擇。GaN還應(yīng)用于低噪聲放大器（LNA），因?yàn)榫哂蟹浅：玫脑肼曅阅堋５湫偷腉aN器件可能能夠承受50毫瓦至100毫瓦的任何電流，而GaN LNA可以承受2到4瓦的功率，從而減少或消除了對輸入的限制器的需求?！?/p>
Milligan說，相控陣?yán)走_(dá)也從GaN功率器件中受益。 “相控陣?yán)走_(dá)在過去十年左右的時(shí)間里確實(shí)已經(jīng)成熟。對于這些應(yīng)用，您需要在相控陣的每個(gè)元件中使用GaN功率晶體管。因此，對于這些應(yīng)用程序，根據(jù)應(yīng)用程序的不同，您可以處理更低的功率，從10瓦到50瓦的峰值功率。
Milligan指出，Wolfspeed開發(fā)了兩種用于相控陣天線的C波段產(chǎn)品。 “一個(gè)是25瓦，一個(gè)是50瓦，覆蓋5.2至5.9 GHz?！?/p>
圖2：CMPA5259025F：適用于C波段雷達(dá)應(yīng)用的25 W，5.2-5.9 GHz GaN MMIC功率放大器。
熱管理的好處
功率的增加也可能意味著熱量管理方面的挑戰(zhàn)，但是在保持系統(tǒng)散熱方面，GaN具有明顯優(yōu)勢。Milligan說：“當(dāng)您開始轉(zhuǎn)向使用GaN晶體管時(shí)，您可以在更高的溝道溫度下工作。我們的標(biāo)準(zhǔn)工作溝道溫度結(jié)溫為225°C，高于LDMOS 100℃。因此，您能夠以更高的功率水平運(yùn)行GaN，并減少散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)?！?/p>
此外，他補(bǔ)充說：“如果您使用的是硅基晶體管，則可能需要使用液冷，如果要使用GaN，則可以使用普通的散熱方式?！?/p>
“ GaN在短脈沖/低占空比雷達(dá)中具有明顯的優(yōu)勢，”恩智浦應(yīng)用工程師Paul Scsavnicki解釋，“由于在3dB處具有更高的功率密度，漏極效率和更低的am / pm失真，GaN的性能優(yōu)于LDMOS?！?/p>
White說，GaN能夠?qū)崿F(xiàn)更好的熱管理并提供新的選擇。“Qorvo使用SiC上GaN，具有出色的導(dǎo)熱性。它比用來連接它的許多金屬更好，也比硅好得多。與其他技術(shù)相比，使用GaN和SiC，可以在200-225°C的溫度下工作，而不會(huì)喪失器件的可靠性，GaAs只能在大約150°C的溫度下工作?！?/p>
LDMOS與GaN：何時(shí)才是GaN更好的選擇？
許多人將GaN視為LDMOS技術(shù)的替代品，但是每種應(yīng)用都適用嗎？恩智浦的Smith說：“對于所有雷達(dá)系統(tǒng)，我不會(huì)說GaN總是比LDMOS更好。選擇GaN或LDMOS時(shí)，取決于頻率，功率水平，效率和價(jià)格?！?/p>
“ LDMOS已經(jīng)存在了很多年，尤其是在低頻領(lǐng)域；S波段，L波段，甚至是低L波段的UHF波段，GaN最初開始是在S波段” Qorvo的懷特解釋說。
GaN的成就和LDMOS并未在某些頻率下提供雷達(dá)系統(tǒng)所需的功率。 Alagh同意：“ GaN是更好的選擇，因?yàn)樗梢云胶鈳?，功率和大小?LDMOS可以采用小型封裝提供高輸出功率，但僅適用于低頻。 GaAs可以提供高頻，但不能提供高功率?！?/p>