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GAN器件在L波段雷达中的应用性能及优势

  作为空中交通管制基础设施的雷达及其相关设备的销售额一直在增长。其销售增长的部分原因是因为在发达国家大部分民用雷达基础设施都已接近其使用寿命,升级或者替换这些设备都已经提上日程。发展中国家则正在部署它们首个空中交通管制雷达系统,也对其销售额的增加产生了影响。这些发展中国家其实正处在一个令人羡慕的位置,因为它们可以充分利用新的技术来超越许多旧系统的性能。
 
  这些空中交通管制雷达系统不断增长的出货量正在刺激射频和微波领域不断加强其研究和开发,重点是在于改善L波段雷达的性能。这个波段的雷达系统一般工作在1.2GHz和1.4GHz之间,该频率范围不易受到大气环境的干扰。L波段的雷达非常适合进行大范围的监控和多目标的搜索,使得空中交通管控中心可以在很远的距离上探测到出入的飞机。作为补充的S波段和X波段的雷达系统虽然不能进行远距离的探测,但是它们能对短距离的探测提供优异的分辨能力。
GAN器件在L波段雷达中的应用性能及优势 
 
GaN的成长
  L波段雷达系统需要数千瓦的脉冲功率,所以高功率RF晶体管就有着天然的应用优势。有了高功率分立晶体管这块“积木”,雷达系统的设计人员就能够用更少的组件灵活地制造出数千瓦的产品,这样既简化了系统的设计,又降低了其制造成本和复杂程度。
 
  多种半导体材料都可用来制造射频功率晶体管。近来最有前景的是GaN材料,L波段雷达系统的设计者可以利用GaN晶体管的功率输出能力、耐高温以及效率特性来实现突破。
 
  GaN技术的最大的优点之一就是它在原始功率密度上比现有的硅LDMOS技术提升了八倍。正因如此,采用GaN技术能够减少射频器件的尺寸,从而设计者可以在更小的空间内实现更高的功率。在保持或微调原系统占位尺寸的情况下,将功率扩展到10kW及以上射颚晶体管的研发工作就可以得到大大的简化。
 
  芯片性能上的改进也使得系统的能力得到提升。通过利用GaN基射频元件高的输出功率,能够在拓展L波段雷达系统监视范围的同时又提高对目标的分辨能力,可以获得更好的对飞机的监测和鉴别效果。
 
  相比于硅来说,GaN的另一个优势是它具有更高的击穿电压。这为采用更高工作电压的应用开启了大门,最终将能提升器件和整个雷达系统的供能效率。需要注意的是,这些效率的提升井非微不足道:与硅LDMOS技术相比,GaN带来的效率提升从40%以上到70%不等,具体取决于它的工作频率。效率的提升可以降低雷达系统(其服务年限为20-30年)的运行成本。除了拥有更高的效率,GaN基射颜功率元件的高电压阈值可提高其宽带阻抗的匹配性,从而使L波段雷达系统在整个全频带波段都能保持高的性能。
 
  采用GaN来制造晶体管也使得射频信号脉冲的设计具有更大的灵活性相比于硅射频晶体管,GaN基晶体管可以产生更宽的雷达脉冲,这样就能保证有更多的能量可聚焦在目标上以获得更高的分辨率。用于L波段空中交通管控雷达的常规发射器发射的脉冲宽度在100微秒范围内,而基于GaN晶体管发射器的脉冲宽度可以持续数千微秒。
650W的GaN L波段需达晶体管 
MACON公司650W的GaN L波段需达晶体管,采用了行业标准的凸缘式陶瓷封装
 
  GaN技术的另一个优点是提高了脉冲特性的灵活性。人们一直希望能够控制脉冲的长度和占空比,因为这样就有可能改变雷达系统的能量水平,从而可以提高对更广泛的目标物的探测能力。有了这种能力,民用空中交通管制雷达就可以应用在国土安全中:能够区分商用飞机、无人机和其他进入领空的目标物,从而提高空中识别以及增强对威胁的监测能力。
 
  正是由于上述GaN技术的一系列优点,才得以推出新一代更具灵活性的L波段雷达系统,该系统也经过了优化以适应现代空中交通管制中所需的越来越高的性能和多功能灵活性的要求。
 
  在美国马萨诸塞州Lowell的MACON公司,我们正通过向市场提供创纪录的最大输出功率为650W的GaN晶体管来推动L波段雷达晶体管的改革。它是我们SiC上GaN晶体管系列产品的一个组成部分,这些产品是以晶体管和晶圆的形式供给,采用的是0.5mm的HEMT工艺。采用这种工艺技术制造的射频器件在功率、增益、增益平坦度、效率和负载不匹配容差等各方面都有着优异的性能,可在很宽的运行带宽上工作。
 
  我们采用SiC作为高功率GaN晶体管的衬底,因为这种衬底有着优异的热性能,这使它非常适合于需要高功率密度的应用中。
 
  我们不是SiC上GaN功率器件的唯一制造商,特别是在电子战应用领域,几家供应商都在努力展示这类宽禁带芯片的性能。我们认为,SiC上GaN晶体管的优异性能使其在由性能所驱动的应用中已经成为主流。
 
  我们破纪录的晶体管是用于L波段脉冲雷达的SiC上GaN器件大家庭中的一个相对较新的成员,并加入到射频输出峰值功率为125W,250W以及500W的产品序列中。我们的芯片采用了共晶粘结工艺,以将更多的GaN晶体管和硅基电容器芯片集成到单个封装中,其功率达到了650W。采用了金线来连接输入谐振网络、栅极、源极和漏电极;采用了“跳线”形式的导线来并行连接多个GaN器件和电容器芯片。
 
  通过这种方法,我们已采用行业标准的陶瓷封装,在其中几乎填满了GaN晶体管芯片、众多组装元件,使其比传统LDMOS硅基器件具有更高的功率。这种类型的晶体管受益于SiC衬底较高的热导率,它在横向和纵向上能够非常有效地传递热量,最终使得器件能够耗散更多的能量。
 
  该器件拥有19.5dB、60%的能量转化效率和非常高的击穿电压,从而使客户能在50V工作电压、负载失配条件(可能比先前硅半导体技术的条件更加极端)下仍能可靠、稳定地运行器件。
多个晶体管并联组装在一个器件模块中
MACOM公司采用盘式封装的射频器件解决方案,多个晶体管并联组装在一个器件模块中。
 
  高增益的好处之一就是降低了对最后一级驱动器的要求,这就可以减少元件的数量以及降低达到理想性能所需的功率强度。
 
  与此同时,由于晶体管的高效率,使其整体功耗得以降低,而且通过在更高电压下的偏置这一优势,它所具有的更高工作电压和更大电压驻波比(VSWR)容差还能进一步提高系统的效率。需要注意的是,当这些器件在这种条件下运行时,并不会出现明显的损坏风险,因为GaN的击穿电压可以很高。

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