氮化镓解决方案：小封装满足大型雷达挑战

氮化镓解决方案：小封装满足大型雷达挑战

X波段（8 GHz至12 GHz）雷达是适用于商业导航的关键设备。航空是X波段雷达设备的主要应用领域，该设备还被广泛应用于无人机、海上船舶交通管制、气象监测、机场附近鸟类活动监测以及防冰遥感等领域。

市场研究公司Strategy Analytics的一份报告显示，X波段雷达是最大的雷达市场细分领域。2018年，该波段雷达的销售额接近6.3亿美元，预计相应的支出将以3.4%的复合年增长率增长，到2028年达到8.7亿美元。

但并非所有X波段雷达都具有显著的增长潜力。有源相控阵雷达（AESA）系统在研发领域日益受到青睐。该系统主要用于大型机载平台，但也应用于陆地和海上市场。

AESA挑战赛

AESA系统采用有源阵列，每个阵列包含数百甚至数千根天线。每根天线都有其独立的相位和增益控制。各个天线单元的波前相互干涉或叠加，产生平面波，从而有效地形成一束沿特定方向传播的无线电波。AESA雷达系统通过改变天线单元的相位来电子控制波束方向。

为了降低近场辐射，天线单元通常间隔半个波长。AESA雷达通常还需要将信号扩展到很宽的高频范围内。这种频率捷变性使雷达能够快速搜索扇区内的目标，同时也使其更难被背景噪声探测到。这使得舰船和飞机能够在保持隐蔽性的同时发射高功率雷达信号，并具有更强的抗干扰能力。

这些要求给工程师带来了诸多挑战：每个天线单元都必须足够小巧轻便，以适应极小的波长间距，同时还要保证整个系统的尺寸和重量在空中和海上使用时都可控。然而，根据应用的不同，雷达系统必须拥有足够的功率，输出功率从几百瓦到高达100千瓦不等。因此，雷达系统需要高效的散热能力，这会增加其尺寸和重量。

在众多应用场景中，有必要尺寸、重量、功耗和成本 (SWaP-C)评估系统。仅更换系统中的几个组件不会对这些考量产生太大影响。因此，实现AESA雷达系统的技术必须在尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）方面展现出显著优势。

关键技术：氮化镓

氮化镓（GaN）技术能够帮助雷达设计人员克服功率、散热、重量和尺寸以及成本效益等诸多挑战。这种材料具有高电子迁移率。与硅相比，基于GaN的器件具有低栅极电荷和低输出电容，并且能够在更高频率下更高效地产生更高的增益。

GaN 具有宽能带隙和非常高的临界击穿电场，这将带来优异的高温可靠性、在高电源电压下出色的鲁棒性和优异的功率密度。

以碳化硅（SiC）作为氮化镓（GaN）衬底，可实现更低的热膨胀系数、更小的晶格失配和优异的导热性能，从而充分发挥GaN的特性。4H半绝缘型碳化硅的导热系数为430 W/mK，而硅的导热系数仅为146 W/mK。这使得GaN器件能够在高效散热的同时实现极高的功率密度，避免因沟道温度过高而导致器件无法工作。

因此，AESA雷达中的氮化镓/碳化硅（GaN-on-SiC）放大器可以在更小的体积内实现更高的性能和等效的输出功率，同时降低散热需求。但要真正实现SWaP-C方面的提升，器件技术方面仍需做出更多努力。

封装是关键

相控阵雷达系统（如 AESA 雷达系统）的进​​一步发展，需要缩小尺寸并更紧密地集成组件。

单片微波集成电路（MMIC）就是这样一种技术，它能够在单个器件中制造包含多个组件的完整功能模块，从而提高电路密度。MMIC 还具有其他优势，包括减少组件失配、降低信号延迟（由于 MMIC 上组件之间的距离更短）以及降低整体物料清单（BOM）成本。

这款单片微波集成电路 (MMIC) 采用四方扁平无引脚 (QFN) 封装，进一步降低了成本并缩小了尺寸。由于 QFN 封装使用短键合线，有助于降低引脚电感，因此其裸露的铜芯片焊盘具有出色的散热性能。

Wolfspeed CMPA901A020S 器件采用 6 mm QFN 封装。这是一款 20W GaN-on-SiC 高功率放大器，工作频率范围为 9 GHz 至 10 GHz，适用于脉冲雷达应用，例如海洋气象雷达。该放大器的三级增益可提供超过 30 dB 的大信号增益和超过 50% 的效率，从而降低系统直流功耗并简化系统散热管理方案。

Wolfspeed CMPA9396025S 是另一款 GaN MMIC，它集成了多种技术，可最大限度地提高 SWaP-C 性能。这款三级器件设计工作频率为 9.3 GHz 至 9.6 GHz，采用 6 × 6 mm QFN 封装。功率为 25 瓦，脉冲宽度为 100 微秒，占空比为 10%。

Wolfspeed CMPA801B030系列MMIC放大器工作频率范围为7.9 GHz至11 GHz，可在X波段实现更宽的带宽和更高的功率。其典型输出功率高达40 W，大信号增益大于20 dB，功率附加效率高达40%。该产品系列采用7 × 7 mm塑料包覆成型QFN封装，并提供裸芯片和10引脚金属/陶瓷安装法兰封装两种选择，从而实现了更优异的电气和热性能。

▲ Wolfspeed CMPA801B030 提供裸芯片和高度紧凑的封装，最大限度地提高了 SWaP-C 性能。

注：以上所有设备的 ECCN 均为 3A001.b.2

赋能雷达技术变革

Strategy Analytics 认为，上述 GaN 器件将有助于促进 AESA 雷达在快速增长的各种平台上的更快普及，并且雷达系统 GaN 支出将从 2018 年的 171.8 亿美元增加到 2028 年的 734.1 亿美元。


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