雷達，電子戰（EW）和通信系統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的關鍵組件，例如有源電子掃描陣列（AESA）雷達和電子戰系統，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略總監Dean White說。

　　GaN之所以具有諸多優勢，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。”Wolfspeed航空航天與國防部代工高級總監Jim Milligan說道。

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

　　雷達系統需要更寬的帶寬和更高的運行功率。“事實證明，GaN是AESA雷達系統的理想技術，” Mercury Systems RFM部門高級總監兼總經理Deepak Alagh說，“高功率密度使固態功率放大器（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可以實現數字束轉向。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的總尺寸。”（圖1.）

　　圖1：Mercury Systems的放大器覆蓋了大多數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應用于雷達系統有助于減少系統引腳，同時仍可提高系統效率，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效率。”

　　GaN使電子站系統中的占位面積更小

　　GaN技術正在幫助設計人員滿足電子戰系統的尺寸，重量和功率要求。像雷達系統一樣，電子戰應用也受益于GaN所占空間的減小。 Qorvo國防與航空航天市場戰略總監Dean White說：“從擁有大型車載車載系統開始，到現在士兵可以隨身攜帶背包的系統。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。

　　“大多數電子戰系統都是高寬帶，大功率的，這正是GaN可以表現的關鍵領域，”White繼續說道，“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。許多電子戰系統過去不得不使用開關在一個波段之間切換；現在最好有一個連續的帶寬來運行。以前是相當大的寬帶放大器，現在被壓縮為一個小模塊，或者可能是單個封裝中的數個芯片。”

　　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更小的電子戰系統，從而使其能夠在更廣泛的平臺上進行部署。”

　　GaN的功耗優勢

　　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開發了兩種用于相控陣天線的C波段產品。 “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，但是在保持系統散熱方面，GaN具有明顯優勢。Milligan說：“當您開始轉向使用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。”

　　“ GaN在短脈沖/低占空比雷達中具有明顯的優勢，”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的性能優于LDMOS。”

　　White說，GaN能夠實現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。”

　　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，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。”