2020年02月14日 | GaN在军事系统中的应用

雷达，电子战（EW）和通信系统越来越多地利用氮化镓（GaN）技术来满足对高性能，高功率和长寿命周期的严格要求。与此同时，产量上升会导致价格下降，也使GaN可以跨越多个市场。

GaN是一种半导体材料，近年来已成为在军事应用中启用更高性能系统的关键组件，例如有源电子扫描阵列（AESA）雷达和电子战系统，都需要更多功率，更少的占地面积和更有效的热管理。

“ GaN有很多不同的方面，我们才刚刚开始挖掘各种可能性。” Qorvo国防与航空航天市场战略总监Dean White说。

GaN之所以具有诸多优势，是因为“高水平的GaN确实因其高功率密度，高效率，宽带宽以及超长的使用寿命而被用于军事应用。”Wolfspeed航空航天与国防部代工高级总监Jim Milligan说道。

GaN应用从电子战到雷达再到通信系统比比皆是：“宽带通信尤其受益于GaN技术，因为传统上使用两个倍频程和两个晶体管，如今可以使用单个产品，这对于无线电技术尤其受益。”恩智浦射频多市场团队产品营销官Gavin Smith说。 “这很重要，因为它有助于节省空间，在某些情况下还可以节省设计的复杂性。”

雷达系统需要更宽的带宽和更高的运行功率。“事实证明，GaN是AESA雷达系统的理想技术，” Mercury Systems RFM部门高级总监兼总经理Deepak Alagh说，“高功率密度使固态功率放大器（SSPA）可以更接近雷达，甚至与雷达集成在一起。通过减少线长，损耗可保持在最低水平。此外，与一个大型行波管（TWT）放大器以及多个移相器和功率分配器相比，贴片附近的GaN SSPA可以实现数字束转向。通过将这些多个紧凑型GaN放大器与FPGA模块搭配使用，AESA可实现更高的灵活性。而且，由于基于GaN的SSPA尺寸要小得多，因此有助于控制雷达系统的总尺寸。”（图1.）

图1：Mercury Systems的放大器覆盖了大多数雷达和通信频段以及其他流行的频率，包括毫米波。照片由Mercury Systems提供。

将GaN应用于雷达系统有助于减少系统引脚，同时仍可提高系统效率，NXP的Smith说：“设计人员需要受限空间的高功率解决方案，并且也不需要太多散热。与LDMOS一样，使用GaN的客户继续要求更高功率的解决方案。为了满足这样的尺寸要求，并且某些应用需要更高功率的晶体管，通过高度集成以实现高功率水平需要。我们还看到与雷达无关的应用，但仍然需要提高系统效率。”

GaN使电子站系统中的占位面积更小

GaN技术正在帮助设计人员满足电子战系统的尺寸，重量和功率要求。像雷达系统一样，电子战应用也受益于GaN所占空间的减小。 Qorvo国防与航空航天市场战略总监Dean White说：“从拥有大型车载车载系统开始，到现在士兵可以随身携带背包的系统。更宽的带宽使他们能够获取语音和视频，这与您在手持智能手机中获得的非常相似。由于GaN能够在更高的沟道温度下工作，因此对冷却的担忧也减少了。

“大多数电子战系统都是高宽带，大功率的，这正是GaN可以表现的关键领域，”White继续说道，“由于GaN晶体管的输入端有阻抗，因此设计人员更容易进行匹配。许多电子战系统过去不得不使用开关在一个波段之间切换；现在最好有一个连续的带宽来运行。以前是相当大的宽带放大器，现在被压缩为一个小模块，或者可能是单个封装中的数个芯片。”

Alagh解释说：“由于GaN器件小于其等效的GaAs器件，因此寄生栅极电容得以降低。这样可产生较小的输入阻抗，从而使宽带匹配更加容易。同样，基于GaN的器件的高功率密度可以实现更小的电子战系统，从而使其能够在更广泛的平台上进行部署。”

GaN的功耗优势

Milligan说：“大趋势是晶体管的功率越来越高，当我们首次将GaN晶体管引入高功率应用（如雷达应用）时，单封装晶体管的GaN晶体管的功率为100至200瓦，现在是越来越高。对于某些L波段雷达应用，每个封装晶体管会产生千瓦或更高的功率。当您通过L，S，C，X波段雷达时，我们通常会开始看到这种趋势。这确实是为许多集中式变送器类型的应用程序提供服务。”

White说，GaN在功率放大器中具有重要应用。 “由于GaN的功率密度及其在宽带带宽上的高能效水平，它们是第一选择。GaN还应用于低噪声放大器（LNA），因为具有非常好的噪声性能。典型的GaN器件可能能够承受50毫瓦至100毫瓦的任何电流，而GaN LNA可以承受2到4瓦的功率，从而减少或消除了对输入的限制器的需求。”

Milligan说，相控阵雷达也从GaN功率器件中受益。 “相控阵雷达在过去十年左右的时间里确实已经成熟。对于这些应用，您需要在相控阵的每个元件中使用GaN功率晶体管。因此，对于这些应用程序，根据应用程序的不同，您可以处理更低的功率，从10瓦到50瓦的峰值功率。

Milligan指出，Wolfspeed开发了两种用于相控阵天线的C波段产品。 “一个是25瓦，一个是50瓦，覆盖5.2至5.9 GHz。”

图2：CMPA5259025F：适用于C波段雷达应用的25 W，5.2-5.9 GHz GaN MMIC功率放大器。

热管理的好处

功率的增加也可能意味着热量管理方面的挑战，但是在保持系统散热方面，GaN具有明显优势。Milligan说：“当您开始转向使用GaN晶体管时，您可以在更高的沟道温度下工作。我们的标准工作沟道温度结温为225°C，高于LDMOS 100℃。因此，您能够以更高的功率水平运行GaN，并减少散热系统设计。”

此外，他补充说：“如果您使用的是硅基晶体管，则可能需要使用液冷，如果要使用GaN，则可以使用普通的散热方式。”

“ GaN在短脉冲/低占空比雷达中具有明显的优势，”恩智浦应用工程师Paul Scsavnicki解释，“由于在3dB处具有更高的功率密度，漏极效率和更低的am / pm失真，GaN的性能优于LDMOS。”

White说，GaN能够实现更好的热管理并提供新的选择。“Qorvo使用SiC上GaN，具有出色的导热性。它比用来连接它的许多金属更好，也比硅好得多。与其他技术相比，使用GaN和SiC，可以在200-225°C的温度下工作，而不会丧失器件的可靠性，GaAs只能在大约150°C的温度下工作。”

LDMOS与GaN：何时才是GaN更好的选择？

许多人将GaN视为LDMOS技术的替代品，但是每种应用都适用吗？恩智浦的Smith说：“对于所有雷达系统，我不会说GaN总是比LDMOS更好。选择GaN或LDMOS时，取决于频率，功率水平，效率和价格。”

“ LDMOS已经存在了很多年，尤其是在低频领域；S波段，L波段，甚至是低L波段的UHF波段，GaN最初开始是在S波段” Qorvo的怀特解释说。

GaN的成就和LDMOS并未在某些频率下提供雷达系统所需的功率。 Alagh同意：“ GaN是更好的选择，因为它可以平衡带宽，功率和大小。 LDMOS可以采用小型封装提供高输出功率，但仅适用于低频。 GaAs可以提供高频，但不能提供高功率。”