在雷达领域中应用越来越多的氮化镓(GaN),在战术无线电中的出现也在增加。通常战术无线电需要不止一个晶体管来覆盖收发器使用的每个频带。换句话说,多频带无线电需要多个晶体管。
在通信领域,GaN可以帮助减少物理空间和系统复杂性。采用GaN使单个晶体管也能够执行多频带发射。此外,使用GaN组件的单个宽带功率放大器可以执行多个窄带放大器的任务,每个窄带放大器覆盖一定的无线电波段。这些属性正在帮助GaN应用到战术无线电领域。

例如,Harris在其Falcon系列收发器中使用GaN,Persistent Systems在其MPU5 Wave Relay mobile ad hoc networking战术无线电中采用了GaN。
VHF/UHF信号受限于视距范围,并且可能被诸如墙壁或建筑物之类的大型物体破坏或遮挡。GaN特别适用于Persistent Systems在其MPU5无线电上应用MIMO技术,使其能够克服:建筑环境通常会对采用VHF和UHF波段进行通信的战术无线电用户的限制。

自20世纪80年代以来,砷化镓(GaAs)被用于制造有源电子扫描阵列(AESA)雷达。GaAs拥有一些较Si要好的电子特性,可以用在高于250GHz的场合,并且GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。
因此,GaAs可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等地方。GaAs成为超高速、超高频器件和集成电路的必需品,被广泛使用于军事领域,是激光制导雷达的重要材料,曾在海湾战争中大显神威。

GaN是一种具有较大禁带宽度的半导体,工作温度高,是微波功率晶体管的优良材料。GaN晶体一般是六方纤锌矿结构,原子体积大约为GaAs的一半。
GaN受青睐的主要原因是它是宽禁带,能够承受比砷化镓更高的工作温度,击穿电压也更高。采用GaN,能够使电子设备放置得离天线更近,使电子设备变得更加强大、轻型和小型化。
大约30年前雷达开始对GaN的应用产生兴趣,但在那个时候,材料的质量还不足以使其大量使用。大约10年前,GaS已在逐渐被引入的GaN取代。原因主要有两条:
一是蓝绿白发光二极管的技术的进步,改善了GaN材料的质量,这为其在雷达技术中的应用铺平了道路。
二是用于GaN晶体管基板的改善。最初,GaN晶体管使用蓝宝石作为基板,但由于后者的导热性差,这影响了晶体管的性能,后来通过使用碳化硅找到了解决方法。
起初价格昂贵,但GaN应用的增加降低了成本,使得GaN晶体管在经济上变得可行。该材料在民用领域的应用也有助于降低GaN的成本。
尽管GaN似乎为战术通信提供了明显的优势,但一些公司在将技术应用于自己的产品之前,正在观察技术发展的轨迹。
全球GaN微波通信器件和电力电子器件的产值还很低,只有几亿美元,随着技术水平的进步,2020年产值有望达到15亿美元。英飞凌、富士、东芝、松下等大企业纷纷投巨资进军GaN领域。我国在第三半导体材料上的起步比较晚,且相对国外的技术水平较低。重点应用领域和国产化替代需求为产业发展提供巨大市场和弯道超车的机会。

最后和大家分享几个相关的参考资料,仅供参考。
2页《Tactical radio manufacturers eyeing GaN semiconductors as material costs decrease》
69页《Design of X-band GaN combined power amplifier for radar applications》
268页《GaN Transistors for Efficient Power Conversion》

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