氮化镓器件可满足雷达、电子战和通信系统所需的各类需求

发布于：2018/10/22 10:37:56 | 579 次阅读

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　　NXP应用工程师Paul Scsavnicki
　　水星系统公司RFM组总监兼总经理Deepak Alagh
　　雷达、电子战（EW）和通信系统越来越多地使用氮化镓（GaN）技术来满足这些系统严格的高性能、高功率和长寿命周期需求。同时，持续增加的商业用量带来GaN器件在多个市场的价格下降。
　　GaN在军事装备中的优势
　　GaN是一种半导体材料，近年来已成为在军事应用中实现更高性能系统的关键器件，如有源电子扫描阵列（AESA）雷达，以及需要更多功率、更少占地面积和更高效热管理的电子战系统。
　　美国Qorvo公司国防和航空市场战略总监Dean White说，简而言之，“GaN有很多不同的面，我们刚刚开始挖掘这些可能性。”
　　美国Wolfspeed公司航空和国防制造总监Jim Milligan说，采用GaN是因为“GaN具有高功率密度、高效率、宽带和极长的使用寿命等优点而被用于军事应用。”
　　荷兰恩智浦（NXP）RF多市场团队的产品营销Gavin Smith说，从电子战到雷达再到通信，GaN应用比比皆是，“宽带通信等热门应用尤其受益于GaN技术，因为它可以使传统上使用两个工作在多倍频晶体管的射频器件工作在一个器件上。这很重要，不仅有助于节省空间，在某些情况下还有助于减少设计的复杂性。”
　　雷达系统应用
　　雷达系统需要更宽的带宽和更高的功率。水星系统公司RFM组总监兼总经理Deepak Alagh说：“GaN被证实是AESA雷达系统的理想技术。高功率密度使固态功率放大器（SSPA）更接近甚至集成到雷达阵列。通过减少线路长度，损耗可保持最小。此外，与大型行波管（TWT）放大器和多个移相器和功率分配器相比，雷达阵列附近的GaN SSPA可实现数字波束控制。通过使用这些多个紧凑GaN放大器，及与FPGA模块配合使用，AESA实现了更高水平的灵活性。此外，由于GaN基SSPA比同类技术小得多，有助于控制雷达系统的总体尺寸。
　　氮化镓器件可满足雷达、电子战和通信系统所需的各类需求
　　上图为Mercury系统公司的放大器，可覆盖大多数雷达和通信频段及其他常用频率。照片由Mercury Systems提供。
　　将GaN放入雷达系统中有助于减少占地面积，同时增加系统效率。 NXP的Smith说：“设计人员需要更高的功率解决方案，还要有合适的尺寸以满足尺寸受限的使用需求，也不需要太多的散热。像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，一些应用需要更高功率的晶体管，从而避免组合多个器件来实现所需的功率水平。我们还看到与SWaP要求无关的应用，但要求其系统达到一定的效率水平。”
　　电子战系统应用
　　GaN技术正帮助设计人员满足EW系统所要求的更小尺寸、重量和功率要求。与雷达系统一样，EW应用也受益于GaN所能实现的更小占地面积。
　　White说：“现在已经从过去大型车载系统转变为现在可以随身背包携带的系统。更宽的带宽使他们能够获得语音和视频，非常类似于手持智能手机中的功能。由于GaN能够在更高的温度下工作，因此对冷却的考虑也较少。大多数电子战系统带宽非常宽，需要大量的射频输出功率，但这些都是GaN真正表现良好的关键领域。由于GaN晶体管的输入阻抗，设计人员更容易进行匹配。过去使用的许多电子战系统不得不使用开关从一个频段切换到一个频段；现在情况在变好，因为有连续带宽可以运行。过去的宽带放大器通常在一个相当大的砖块模块中，现在可以压缩到单个封装中的一个或两个毫米波单片集成电路。器件变得越来越小。”
　　对于EW系统，GaN技术总体上是好的，Alagh解释说：“由于GaN器件比其等效的GaAs器件小，因此寄生栅极电容减小。这产生较小的输入阻抗，使宽带匹配更容易。此外，基于GaN器件的高功率密度带来更小的EW系统，使它们能够部署在更广泛的平台上。
　　GaN功率优势
　　Milligan说：“作为总体趋势，我们开始看到更高功率的晶体管。当我们在雷达等高功率应用中首次引入GaN晶体管时，单个封装晶体管为100至200瓦水平。现在我们开始看到趋势是达到越来越大的功率水平。”雷达系统现在水平是，“对于某些L波段雷达应用，每个封装晶体管的功率达到千瓦或更多。当你通过L、S、C波段和X波段雷达时，我们开始看到这种趋势。这切实用在很多集中式发射机类型的应用中。”
　　White说，一个重要的GaN应用是功率放大器。“由于GaN的功率密度及其在宽带频率范围上的高功率效率，它们是。”此外，还有将GaN用于低噪声放大器（LNA）的趋势。“令人惊讶地是，GaN具有非常好的噪声性能。典型的GaN器件可以用于从50毫瓦到100毫瓦的任何地方，而GaN LNA可以用在输入上具有2到4瓦的入射功率，从而在LNA输入端无需限幅器”。
　　Milligan说，相控阵雷达也受益于GaN功率器件。“在过去的十年左右，相控阵雷达确实已经成熟了。对于那些应用，你可以在相控阵的每个单元中使用GaN功率晶体管。换句话说，它是分布式的单元功率。因此，根据不同应用，可以处理峰值功率从10瓦到50瓦的较低功率水平。”例如，Wolfspeed开发了两种用于相控阵天线的C波段产品。“一个是25瓦，另一个是50瓦，将覆盖5.2到5.9千兆赫兹，工作在C波段雷达工作频段内。”
　　热管理的优势
　　增加功率也意味着增加热管理挑战，但GaN在保持系统冷却方面有提升空间。Milligan解释说：“当你开始转向使用GaN晶体管时，你可以在更高的通道温度下工作，”引用这个例子，“我们的标准工作通道温度，结温为225℃，比等效的LDMOS高100℃。因此，可以在更高的功率水平下运行GaN，并且从热设计方面给予系统设计人员一定的自由度。”而且，“如果使用硅基晶体管，可能需要使用液体冷却，如果使用GaN部件，现在可以使用空气冷却。”
　　NXP应用工程师Paul Scsavnicki解释道：“GaN尤其在短脉冲/低占空比雷达方面具有明显优势。由于在P-3dB具有更高的功率密度、漏极效率和较低的am/pm失真，GaN表现出比LDMOS更好的性能。”
　　GaN表示，GaN能够实现更好的热管理，并提供新的选择。White说，“特别是，Qorvo使用碳化硅（SiC）基GaN，因为SiC是一种优良的导热体。它比用于连接GaN的许多其他金属要好，也远好于硅。与其他技术相比，使用GaN和SiC可以工作在200、225℃通道温度，而GaAs只能在约150°C的温度下工作，而不会影响器件的可靠性。”
　　LDMOS与GaN
　　何时GaN是更好的选择？
　　许多人认为GaN可以替代LDMOS技术，但是否每种应用都如此？Smith说：“对于所有雷达系统，我并不认为GaN总是比LDMOS更好的选择。在选择GaN或LDMOS时，取决于频率、功率水平、效率和价格。”
　　Qorvo的White解释道：“LDMOS已存在多年，特别是对于低频段：S波段、L波段，甚至在低L波段和UHF波段。GaN最初开始取代LDMOS是在S波段。”
　　Alagh对此表示赞同：当GaN成熟，而LDMOS无法提供雷达系统在某些频率下所需的功率，“GaN是更好的选择，因为它可以平衡带宽、功率和尺寸。LDMOS可以在小封装中提供高输出功率，但仅适用于低频。 GaAs可以提供高频率，但功率不高。”

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