雷達(dá)，電子戰(zhàn)（EW）和通信系統(tǒng)越來(lái)越多地利用氮化鎵（GaN）技術(shù)來(lái)滿足對(duì)高性能,，高功率和長(zhǎng)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(chǎng),。

　　GaN是一種半導(dǎo)體材料,，近年來(lái)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(guó)防與航空航天市場(chǎng)戰(zhàn)略總監(jiān)Dean White說(shuō),。

　　GaN之所以具有諸多優(yōu)勢(shì),，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(zhǎng)的使用壽命而被用于軍事應(yīng)用,?！盬olfspeed航空航天與國(guó)防部代工高級(jí)總監(jiān)Jim Milligan說(shuō)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(duì)于無(wú)線電技術(shù)尤其受益?！倍髦瞧稚漕l多市場(chǎng)團(tuán)隊(duì)產(chǎn)品營(yíng)銷官Gavin Smith說(shuō),。 “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(jí)總監(jiān)兼總經(jīng)理Deepak Alagh說(shuō),，“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(guò)減少線長(zhǎng),，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(guò)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(shuō)：“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(guò)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(wú)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(guó)防與航空航天市場(chǎng)戰(zhàn)略總監(jiān)Dean White說(shuō)：“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(yǔ)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(duì)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(shuō)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(guò)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(lái)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,?！?/p>

　　Alagh解釋說(shuō)：“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(tái)上進(jìn)行部署?！?/p>

　　GaN的功耗優(yōu)勢(shì)

　　Milligan說(shuō)：“大趨勢(shì)是晶體管的功率越來(lái)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(lái)越高,。對(duì)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(guò)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(shì)。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),。”

　　White說(shuō),，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?。典型的GaN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(duì)輸入的限制器的需求,。”

　　Milligan說(shuō),，相控陣?yán)走_(dá)也從GaN功率器件中受益,。 “相控陣?yán)走_(dá)在過(guò)去十年左右的時(shí)間里確實(shí)已經(jīng)成熟。對(duì)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(duì)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(shì)。Milligan說(shuō)：“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(shuō)：“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(shì),，”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(shuō),，GaN能夠?qū)崿F(xiàn)更好的熱管理并提供新的選擇?！癚orvo使用SiC上GaN,，具有出色的導(dǎo)熱性。它比用來(lái)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L(zhǎng)DMOS技術(shù)的替代品,，但是每種應(yīng)用都適用嗎,？恩智浦的Smith說(shuō)：“對(duì)于所有雷達(dá)系統(tǒng)，我不會(huì)說(shuō)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,。”

　　“ 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(shuō)。

　　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挘β屎痛笮　?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>