GaN器件提升了效率，并且具有優異的功率處理能力，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設施的雷達及其相關設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達國家大部分民用雷達基礎設施都已接近其使用壽命，升級或者替換這些設備都已經提上日程。發展中國家則正在部署它們首個空中交通管制雷達系統，也對其銷售額的增加產生了影響。這些發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來超越許多舊系統的性能。

這些空中交通管制雷達系統不斷增長的出貨量正在刺激射頻和微波領域不斷加強其研究和開發，重點是在于改善L波段雷達的性能。這個波段的雷達系統一般工作在1.2GHz和1.4GHz之間，該頻率范圍不易受到大氣環境的干擾。L波段的雷達非常適合進行大范圍的監控和多目標的搜索，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異的分辨能力。

GaN的成長

L波段雷達系統需要數千瓦的脈沖功率，所以高功率RF晶體管就有著天然的應用優勢。有了高功率分立晶體管這塊“積木”，雷達系統的設計人員就能夠用更少的組件靈活地制造出數千瓦的產品，這樣既簡化了系統的設計，又降低了其制造成本和復雜程度。

多種半導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波段雷達系統的設計者可以利用GaN晶體管的功率輸出能力、耐高溫以及效率特性來實現突破。

GaN技術的最大的優點之一就是它在原始功率密度上比現有的硅LDMOS技術提升了八倍。正因如此，采用GaN技術能夠減少射頻器件的尺寸，從而設計者可以在更小的空間內實現更高的功率。在保持或微調原系統占位尺寸的情況下，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波段雷達系統監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測和鑒別效果。

相比于硅來說，GaN的另一個優勢是它具有更高的擊穿電壓。這為采用更高工作電壓的應用開啟了大門，最終將能提升器件和整個雷達系統的供能效率。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（其服務年限為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發射器發射的脈沖寬度在100微秒范圍內，而基于GaN晶體管發射器的脈沖寬度可以持續數千微秒。

GaN技術的另一個優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用在國土安全中：能夠區分商用飛機、無人機和其他進入領空的目標物，從而提高空中識別以及增強對威脅的監測能力。

正是由于上述GaN技術的一系列優點，才得以推出新一代更具靈活性的L波段雷達系統，該系統也經過了優化以適應現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晶體管系列產品的一個組成部分，這些產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異的熱性能，這使它非常適合于需要高功率密度的應用中。

我們不是SiC上GaN功率器件的唯一制造商，特別是在電子戰應用領域，幾家供應商都在努力展示這類寬禁帶芯片的性能。我們認為，SiC上GaN晶體管的優異性能使其在由性能所驅動的應用中已經成為主流。

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的產品序列中。我們的芯片采用了共晶粘結工藝，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絡、柵極、源極和漏電極；采用了“跳線”形式的導線來并行連接多個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（可能比先前硅半導體技術的條件更加極端）下仍能可靠、穩定地運行器件。

高增益的好處之一就是降低了對最后一級驅動器的要求，這就可以減少元件的數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，并不會出現明顯的損壞風險，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，多個晶體管并聯組裝在一個器件模塊中。