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?!倍髦瞧稚漕l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。“事實證明,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。”(圖1.)
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。”
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。”
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?!?/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。”
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?!?/p>
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(jié)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。”
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?!?/p>
White說,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。”
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。”
“ 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。”