雷達，電子戰(zhàn)（EW）和通信系統(tǒng)越來越多地利用氮化鎵（GaN）技術來滿足對高性能，高功率和長壽命周期的嚴格要求,。與此同時,，產(chǎn)量上升會導致價格下降，也使GaN可以跨越多個市場,。

　　GaN是一種半導體材料，近年來已成為在軍事應用中啟用更高性能系統(tǒng)的關鍵組件，例如有源電子掃描陣列（AESA）雷達和電子戰(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，是因為“高水平的GaN確實因其高功率密度,，高效率,，寬帶寬以及超長的使用壽命而被用于軍事應用?！盬olfspeed航空航天與國防部代工高級總監(jiān)Jim Milligan說道,。

　　GaN應用從電子戰(zhàn)到雷達再到通信系統(tǒng)比比皆是：“寬帶通信尤其受益于GaN技術，因為傳統(tǒng)上使用兩個倍頻程和兩個晶體管,，如今可以使用單個產(chǎn)品,，這對于無線電技術尤其受益,。”恩智浦射頻多市場團隊產(chǎn)品營銷官Gavin Smith說,。 “這很重要,，因為它有助于節(jié)省空間，在某些情況下還可以節(jié)省設計的復雜性,?！?/p>

　　雷達系統(tǒng)需要更寬的帶寬和更高的運行功率?！笆聦嵶C明,，GaN是AESA雷達系統(tǒng)的理想技術，” 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,，甚至與雷達集成在一起。通過減少線長,，損耗可保持在最低水平,。此外，與一個大型行波管（TWT）放大器以及多個移相器和功率分配器相比,，貼片附近的GaN SSPA可以實現(xiàn)數(shù)字束轉(zhuǎn)向,。通過將這些多個緊湊型GaN放大器與FPGA模塊搭配使用，AESA可實現(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應用于雷達系統(tǒng)有助于減少系統(tǒng)引腳，同時仍可提高系統(tǒng)效率,，NXP的Smith說：“設計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，并且某些應用需要更高功率的晶體管,，通過高度集成以實現(xiàn)高功率水平需要,。我們還看到與雷達無關的應用，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技術正在幫助設計人員滿足電子戰(zhàn)系統(tǒng)的尺寸,，重量和功率要求。像雷達系統(tǒng)一樣,，電子戰(zhàn)應用也受益于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)的關鍵領域,，”White繼續(xù)說道,，“由于GaN晶體管的輸入端有阻抗，因此設計人員更容易進行匹配,。許多電子戰(zhàn)系統(tǒng)過去不得不使用開關在一個波段之間切換,；現(xiàn)在最好有一個連續(xù)的帶寬來運行。以前是相當大的寬帶放大器,，現(xiàn)在被壓縮為一個小模塊,，或者可能是單個封裝中的數(shù)個芯片?！?/p>

　　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行部署,。”

　　GaN的功耗優(yōu)勢

　　Milligan說：“大趨勢是晶體管的功率越來越高,，當我們首次將GaN晶體管引入高功率應用（如雷達應用）時,，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波段雷達應用,，每個封裝晶體管會產(chǎn)生千瓦或更高的功率。當您通過L,，S,，C,，X波段雷達時，我們通常會開始看到這種趨勢,。這確實是為許多集中式變送器類型的應用程序提供服務,。”

　　White說,，GaN在功率放大器中具有重要應用,。 “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還應用于低噪聲放大器（LNA）,，因為具有非常好的噪聲性能。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輸入的限制器的需求?！?/p>

　　Milligan說,，相控陣雷達也從GaN功率器件中受益。 “相控陣雷達在過去十年左右的時間里確實已經(jīng)成熟,。對于這些應用,，您需要在相控陣的每個元件中使用GaN功率晶體管。因此,，對于這些應用程序,，根據(jù)應用程序的不同，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,。 “一個是25瓦,，一個是50瓦，覆蓋5.2至5.9 GHz,。”

　　圖2：CMPA5259025F：適用于C波段雷達應用的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：“當您開始轉(zhuǎn)向使用GaN晶體管時，您可以在更高的溝道溫度下工作。我們的標準工作溝道溫度結溫為225°C,，高于LDMOS 100℃。因此,，您能夠以更高的功率水平運行GaN,，并減少散熱系統(tǒng)設計?！?/p>

　　此外，他補充說：“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/低占空比雷達中具有明顯的優(yōu)勢,，”恩智浦應用工程師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,。”

　　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,。與其他技術相比,，使用GaN和SiC，可以在200-225°C的溫度下工作,，而不會喪失器件的可靠性,，GaAs只能在大約150°C的溫度下工作?！?/p>

　　LDMOS與GaN：何時才是GaN更好的選擇,？

　　許多人將GaN視為LDMOS技術的替代品，但是每種應用都適用嗎,？恩智浦的Smith說：“對于所有雷達系統(tǒng),，我不會說GaN總是比LDMOS更好,。選擇GaN或LDMOS時,，取決于頻率,，功率水平，效率和價格,?！?/p>

　　“ LDMOS已經(jīng)存在了很多年，尤其是在低頻領域,；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系統(tǒng)所需的功率,。 Alagh同意：“ GaN是更好的選擇,，因為它可以平衡帶寬，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>