GaN器件提升了效率，并且具有優(yōu)異的功率處理能力，以及更高的擊穿電壓，使得GaN器件在L波段雷達的應(yīng)用性能上要比硅LDMOS器件更勝一籌。

作者：MACOM公司，Doug Carlson、Eric Hokenson

作為空中交通管制基礎(chǔ)設(shè)施的雷達及其相關(guān)設(shè)備的銷售額一直在增長。其銷售增長的部分原因是因為在發(fā)達國家大部分民用雷達基礎(chǔ)設(shè)施都已接近其使用壽命，升級或者替換這些設(shè)備都已經(jīng)提上日程。發(fā)展中國家則正在部署它們首個空中交通管制雷達系統(tǒng)，也對其銷售額的增加產(chǎn)生了影響。這些發(fā)展中國家其實正處在一個令人羨慕的位置，因為它們可以充分利用新的技術(shù)來超越許多舊系統(tǒng)的性能。

這些空中交通管制雷達系統(tǒng)不斷增長的出貨量正在刺激射頻和微波領(lǐng)域不斷加強其研究和開發(fā)，重點是在于改善L波段雷達的性能。這個波段的雷達系統(tǒng)一般工作在1.2GHz和1.4GHz之間，該頻率范圍不易受到大氣環(huán)境的干擾。L波段的雷達非常適合進行大范圍的監(jiān)控和多目標的搜索，使得空中交通管控中心可以在很遠的距離上探測到出入的飛機。作為補充的S波段和X波段的雷達系統(tǒng)雖然不能進行遠距離的探測，但是它們能對短距離的探測提供優(yōu)異的分辨能力。

GaN的成長

L波段雷達系統(tǒng)需要數(shù)千瓦的脈沖功率，所以高功率RF晶體管就有著天然的應(yīng)用優(yōu)勢。有了高功率分立晶體管這塊“積木”，雷達系統(tǒng)的設(shè)計人員就能夠用更少的組件靈活地制造出數(shù)千瓦的產(chǎn)品，這樣既簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，又降低了其制造成本和復(fù)雜程度。

多種半導(dǎo)體材料都可用來制造射頻功率晶體管。近來最有前景的是GaN材料，L波段雷達系統(tǒng)的設(shè)計者可以利用GaN晶體管的功率輸出能力、耐高溫以及效率特性來實現(xiàn)突破。

GaN技術(shù)的最大的優(yōu)點之一就是它在原始功率密度上比現(xiàn)有的硅LDMOS技術(shù)提升了八倍。正因如此，采用GaN技術(shù)能夠減少射頻器件的尺寸，從而設(shè)計者可以在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更高的功率。在保持或微調(diào)原系統(tǒng)占位尺寸的情況下，將功率擴展到10kW及以上射頻晶體管的研發(fā)工作就可以得到大大的簡化。

芯片性能上的改進也使得系統(tǒng)的能力得到提升。通過利用GaN基射頻元件高的輸出功率，能夠在拓展L波段雷達系統(tǒng)監(jiān)視范圍的同時又提高對目標的分辨能力，可以獲得更好的對飛機的監(jiān)測和鑒別效果。

相比于硅來說，GaN的另一個優(yōu)勢是它具有更高的擊穿電壓。這為采用更高工作電壓的應(yīng)用開啟了大門，最終將能提升器件和整個雷達系統(tǒng)的供能效率。需要注意的是，這些效率的提升并非微不足道：與硅LDMOS技術(shù)相比，GaN帶來的效率提升從40%以上到70%不等，具體取決于它的工作頻率。效率的提升可以降低雷達系統(tǒng)（其服務(wù)年限為20~30年）的運行成本。除了擁有更高的效率，GaN基射頻功率元件的高電壓閾值可提高其寬帶阻抗的匹配性，從而使L波段雷達系統(tǒng)在整個全頻帶波段都能保持高的性能。

采用GaN來制造晶體管也使得射頻信號脈沖的設(shè)計具有更大的靈活性。相比于硅射頻晶體管，GaN基晶體管可以產(chǎn)生更寬的雷達脈沖，這樣就能保證有更多的能量可聚焦在目標上以獲得更高的分辨率。用于L波段空中交通管控雷達的常規(guī)發(fā)射器發(fā)射的脈沖寬度在100微秒范圍內(nèi)，而基于GaN晶體管發(fā)射器的脈沖寬度可以持續(xù)數(shù)千微秒。

GaN技術(shù)的另一個優(yōu)點是提高了脈沖特性的靈活性。人們一直希望能夠控制脈沖的長度和占空比，因為這樣就有可能改變雷達系統(tǒng)的能量水平，從而可以提高對更廣泛的目標物的探測能力。有了這種能力，民用空中交通管制雷達就可以應(yīng)用在國土安全中：能夠區(qū)分商用飛機、無人機和其他進入領(lǐng)空的目標物，從而提高空中識別以及增強對威脅的監(jiān)測能力。

正是由于上述GaN技術(shù)的一系列優(yōu)點，才得以推出新一代更具靈活性的L波段雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)也經(jīng)過了優(yōu)化以適應(yīng)現(xiàn)代空中交通管制中所需的越來越高的性能和多功能靈活性的要求。

MACON公司650W的GaN L波段雷達晶體管，采用了行業(yè)標準的凸緣式陶瓷封裝。

在美國馬薩諸塞州Lowell的MACON公司，我們正通過向市場提供創(chuàng)紀錄的最大輸出功率為650W的GaN晶體管來推動L波段雷達晶體管的改革。它是我們SiC上GaN晶體管系列產(chǎn)品的一個組成部分，這些產(chǎn)品是以晶體管和晶圓的形式供給，采用的是0.5mm的HEMT工藝。采用這種工藝技術(shù)制造的射頻器件在功率、增益、增益平坦度、效率和負載不匹配容差等各方面都有著優(yōu)異的性能，可在很寬的運行帶寬上工作。

我們采用SiC作為高功率GaN晶體管的襯底，因為這種襯底有著優(yōu)異的熱性能，這使它非常適合于需要高功率密度的應(yīng)用中。

我們不是SiC上GaN功率器件的唯一制造商，特別是在電子戰(zhàn)應(yīng)用領(lǐng)域，幾家供應(yīng)商都在努力展示這類寬禁帶芯片的性能。我們認為，SiC上GaN晶體管的優(yōu)異性能使其在由性能所驅(qū)動的應(yīng)用中已經(jīng)成為主流。

我們破紀錄的晶體管是用于L波段脈沖雷達的SiC上GaN器件大家庭中的一個相對較新的成員，并加入到射頻輸出峰值功率為125W，250W以及500W的產(chǎn)品序列中。我們的芯片采用了共晶粘結(jié)工藝，以將更多的GaN晶體管和硅基電容器芯片集成到單個封裝中，其功率達到了650W。采用了金線來連接輸入諧振網(wǎng)絡(luò)、柵極、源極和漏電極；采用了“跳線”形式的導(dǎo)線來并行連接多個GaN器件和電容器芯片。

通過這種方法，我們已采用行業(yè)標準的陶瓷封裝，在其中幾乎填滿了GaN晶體管芯片、眾多組裝元件，使其比傳統(tǒng)LDMOS硅基器件具有更高的功率。這種類型的晶體管受益于SiC襯底較高的熱導(dǎo)率，它在橫向和縱向上能夠非常有效地傳遞熱量，最終使得器件能夠耗散更多的能量。

該器件擁有19.5dB、60%的能量轉(zhuǎn)化效率和非常高的擊穿電壓，從而使客戶能在50V工作電壓、負載失配條件（可能比先前硅半導(dǎo)體技術(shù)的條件更加極端）下仍能可靠、穩(wěn)定地運行器件。

高增益的好處之一就是降低了對最后一級驅(qū)動器的要求，這就可以減少元件的數(shù)量以及降低達到理想性能所需的功率強度。

與此同時，由于晶體管的高效率，使其整體功耗得以降低，而且通過在更高電壓下的偏置這一優(yōu)勢，它所具有的更高工作電壓和更大電壓駐波比（VSWR）容差還能進一步提高系統(tǒng)的效率。需要注意的是，當這些器件在這種條件下運行時，并不會出現(xiàn)明顯的損壞風(fēng)險，因為GaN的擊穿電壓可以很高。

MACOM公司采用盤式封裝的射頻器件解決方案，多個晶體管并聯(lián)組裝在一個器件模塊中。