GaN 解決方案：小型封裝應(yīng)對大型雷達挑戰(zhàn)

X-波段（8 GHz 到 12 GHz）雷達是適用于商業(yè)導(dǎo)航的一個關(guān)鍵設(shè)備。航空是大量采用 X-波段雷達設(shè)備的一大主要領(lǐng)域，同時該設(shè)備還廣泛部署于眾多應(yīng)用領(lǐng)域，包括無人機、海上船舶交通管制、氣象監(jiān)測、機場附近的鳥類活動監(jiān)測以及防冰凍遙感等。

根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu) Strategy Analytics 報告，X-波段雷達是最大的雷達細分市場。該波段雷達的銷售額在 2018 年接近 63 億美元，而相應(yīng)開支的復(fù)合年均增長率預(yù)計在3.4%，將在 2028 年達到 87億美元。

但并不是任何 X-波段雷達都具有顯著的增長機會。有源電子掃描陣列（AESA）系統(tǒng)愈來愈受到研發(fā)的青睞。該系統(tǒng)主要運用于大型機載平臺上，同時在陸地和海事細分市場也有采用。

AESA 的挑戰(zhàn)

AESA 系統(tǒng)使用有源陣列，每個陣列擁有數(shù)百甚至數(shù)千根天線。每一根天線均有其各自的相位和增益控制。天線元件的單個波陣面的干涉或疊加可生成平面波，能有效地產(chǎn)生向特定方向前進的無線電波束。AESA 雷達系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)移天線元件的相位，對波束進行電子控制。

天線元件的間距通常為半波長，以減少近場中的暴露。AESA 雷達同時也常常需要在寬范圍的高頻率內(nèi)擴散信號。這樣的頻率捷變可以讓雷達快速地搜索扇形區(qū)中的目標。這也使得它們更難以在背景噪聲中被探測到。這能夠讓船舶和飛機發(fā)出大功率的雷達信號，同時保持隱蔽，并帶來更出色的抗干擾能力。

這些要求為工程師們帶來了一些挑戰(zhàn)：每個天線元件必須足夠小型和輕量，從而容得下微小的波長間隔，同時要讓整體系統(tǒng)尺寸和重量在空中和海上使用時可控。然而，根據(jù)不同的應(yīng)用，雷達系統(tǒng)必須足夠強大，能夠在任意地方輸出從幾百瓦到高達 100 kW 的功率。因此，雷達系統(tǒng)需要高效的散熱能力，但這又增加了尺寸和重量。

在諸多此類使用案例之中，需要根據(jù) 尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 對系統(tǒng)進行評估。僅僅替換系統(tǒng)中的幾個元件，并不會對這些考慮因素產(chǎn)生太大的影響。因此，能夠賦能 AESA 雷達系統(tǒng)的技術(shù)必須要在 SWaP-C 改進方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。

賦能技術(shù)：GaN

能夠幫助雷達設(shè)計者克服功率、散熱、重量和尺寸、以及成本效益等諸多挑戰(zhàn)的技術(shù)，便是氮化鎵 （GaN）。這種材料的電子遷移率高。并且相較于硅而言，基于 GaN 器件的柵極電荷低、輸出電容低，能夠更高效率地在更高頻率中產(chǎn)生更高的增益。

GaN 的能帶隙寬，并且擁有極高的臨界擊穿電場，這將帶來出色的高溫可靠性、出眾的高供電電壓下的魯棒性，以及優(yōu)異的功率密度。

將碳化硅（SiC）作為 GaN 的襯底，能實現(xiàn)較低的熱膨脹、較低的晶格失配，以及出色的熱導(dǎo)率，進而充分發(fā)揮 GaN 的特性。4H-半絕緣多型體SiC的熱導(dǎo)率為 430 W/mK，而硅的熱導(dǎo)率則低到了 146 W/mK。這能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的功率密度，同時能夠高效地散熱，避免達到讓設(shè)備無法運行的[敏感詞]溝道溫度。

因此，AESA 雷達中的碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）放大器能夠在更小體積中實現(xiàn)更高性能和等效輸出功率，同時節(jié)省散熱需求。但是要顯著體現(xiàn) SWaP-C 的改進優(yōu)勢，在器件技術(shù)方面還需要做更多。

封裝是關(guān)鍵

AESA 雷達系統(tǒng)等相控陣的進一步發(fā)展，需要減小尺寸，也需要對元件進行更緊密的集成。

單片微波集成電路（MMIC）便是此類技術(shù)之一，它能將多個元件的完整功能模塊制造在單個設(shè)備中，進而提高電路密度。MMIC 還有一些額外的優(yōu)勢，包括減少元件失配、減少信號延遲（由于 MMIC 上元件之間的距離更短）、并減少整體物料清單 (BoM) 成本。

MMIC 采用方形扁平無引腳（QFN）封裝，能夠帶來進一步降低成本和減小尺寸的優(yōu)勢。由于 QFN 封裝采用短鍵合引線，有助于降低引線電感，其暴露在外的銅裸芯片焊盤提供出色的熱學(xué)性能。

Wolfspeed CMPA901A020S 器件便采用了 6 × 6 mm QFN 封裝，這是一款 20W 的 GaN-on-SiC 高功率放大器，能夠在 9 GHz 至 10 GHz 頻率范圍內(nèi)工作，適用于海洋氣象雷達這樣的脈沖雷達應(yīng)用。該放大器擁有三級增益，能夠提供大于 30 dB 的大信號增益和大于 50% 的效率，能夠滿足更低的系統(tǒng)直流功率要求，并為簡化系統(tǒng)熱管理解決方案提供支持。

Wolfspeed CMPA9396025S 是另一款 GaN MMIC ，能夠集成諸多技術(shù)，帶來 SWaP-C 改進的最大化。該三級器件針對 9.3-GHz 至 9.6-GHz 工作而設(shè)計，采用 6 × 6 mm QFN 封裝，在 100-µs 脈沖寬度、占空比為 10% 條件下的功率為 25 W。

MMIC 放大器中的 Wolfspeed CMPA801B030 系列，在 7.9-GHz 到 11-GHz 頻率范圍內(nèi)工作，能夠支持在 X-波段中實現(xiàn)更寬的帶寬和更高的功率。其輸出典型值高達 40 W，大信號增益大于 20 dB，功率附加效率達 40%。該產(chǎn)品系列采用 7 × 7 mm 的塑料二次注塑成型 QFN，同樣提供裸芯片和 10 引腳金屬 / 陶瓷安裝凸緣 flanged 封裝，從而帶來更出眾的電氣性能和熱學(xué)性能。

▲ Wolfspeed CMPA801B030 提供裸芯片和高度緊湊封裝，帶來 SWaP-C 改進的最大化

備注：以上所列所有器件 ECCN均為3A001.b.2

賦能雷達技術(shù)變革

Strategy Analytics 認為，上述的此類 GaN 器件有利于推動迅速增加的各類平臺更快速地采用 AESA 雷達，而雷達系統(tǒng)的 GaN 開支將從 2018 年的 1.718 億美元上升至 2028 年的 7.341 億美元。


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