GaN 如何改变了市场

本章将探讨如何将氮化镓 (GaN) 用于现有的和新的军事、航天和商业应用中。随着技术进步，GaN 越来越受工程师的青睐。在本章，我们将深入了解 GaN 有望处于领先地位的一些新应用和行业。

审视 GaN 在军事和航天领域的的应用

当今的许多航天和国防系统都需要高度可靠、坚固耐用的射频 (RF) 输出功率水平达到千瓦 (kW) 的组件。过去，许多系统都依赖于真空管技术来产生 kW 级功率。但随着高功率半导体的发展，一些应用的系统设计已经开始采用固态功率放大器 (SSPA)。SSPA 最初是以横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 或砷化镓 (GaAs) 为基础，但现在这些系统开始使用 GaN，这使它们更可靠、更坚固耐用，并支持更宽的带宽。

军事卫星

当今的军事卫星软件定义无线电架构可实现持续的安全通信，达到战术领域的优势。除了提供控制和接口功能的地面网络之外，卫星通信网络还包括用户终端和卫星。从射频微波角度来看，卫星终端有几个组件可以实现连接。

与过去相比，如今的卫星网络系统能够以更快的速度传输大量数据、视频和语音。它们可以在多个信道上快速安全地进行无线连接，并在复杂的通信环境和较宽的频谱范围内运行。由于 GaN 比其他半导体技术更可靠、功率更高且更坚固耐用，随着制造商开始从行波管放大器 (TWTA) 和 GaAs 技术转向 GaN 技术，GaN 在这些系统中发挥着越来越重要的作用。

几年来，军事和航空卫星网络市场发生了与之相关的巨变。随着功率密度的增加，GaN 使固态单芯片微波集成电路 (MMIC) 的组合达到了以前只有 TWTA 才能实现的功率水平。例如 Qorvo 的 Spatium，它采用已获专利的空间组合技术来提高射频功率、高效率和宽带工作频率。

Spatium 采用宽带对极鳍线天线向 / 从超大的同轴波导发射，分裂成多个微带电路。

这种 SSPA 解决方案也已经在商业和军事雷达、电子战 (EW)、卫星通信以及测试和测量市场领域占有一席之地。这一市场接受度归功于 SSPA 的优势，包括固态可靠性的提高、电压电源要求的降低、噪声系数的降低、能源成本的降低以及即时导通能力，所有这些都会降低系统总拥有成本。

雷达

随着频谱获得越来越困难，处理军事通信中涉及的海量数据的挑战也在加剧。优化频谱使用需要采用更复杂的调制机制和有源电子扫描阵列 (AESA) 架构。为支持这些发展趋势，卫星网络中的射频前端 (RFFE) 将越来越多地利用 GaN 等高功率固态宽带技术。GaN 性能的持续提高有助于在 AESA 系统中提供高功率输出的解决方案。如今，这些 AESA 系统中使用的许多 PA 都采用高电压 GaN（参见第 2 和 3 章）。

GaN 技术的主要优势可以归结为包括线性度、功率、效率、可靠性、尺寸和重量在内的几个属性。在 AESE 系统中，可靠性极其重要，GaN 能够在更高信道温度条件下可靠运行。

新型雷达系统还要求产品具有更高的功率附加效率 (PAE)、更低的信道温度和更低的噪声系数。GaN MMIC 的高 PAE 意味着，在特定输出功率下功耗更低，散热要求更低，运行成本更低。

此外，在雷达平台中使用高增益、高 PEA GaN MMIC 可缩减整个系统的尺寸和成本。这有助于满足新型 AESA 雷达系统更严格的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 要求。在必须实现重量和尺寸最小化的航空航天系统中，满足 SWaP-C 要求极其重要。

电子战

EW 包括用于提供保护、支持和电子攻击的防御系统，如军用无线电、通信干扰器和无人机 (UAV) 系统，用于陆基、空中和海军平台。EW 市场持续增长，并见证了巨大的技术进步和电子元件集成。

EW 应用需要采用具有宽带功率和效率、小尺寸和最小重量的电子元件。这些系统还必须在较高工作温度条件下运行，具有较高可靠性，并且能够在极其恶劣的环境下工作。因此，像 GaN 和 GaAs 这样的技术被广泛使用，而且在 EW 领域，我们继续见证了基于管的系统向固态 GaN 和 GaAs 技术过渡的过程。

结合 GaN MMIC 技术和 GaN 封装的进步，进一步加速了解决方案的交付，这些解决方案可提高带宽，缩小外形尺寸，提高散热性能，并为 EW 应用提供低成本塑料封装。随着承包商寻求开发更小巧、更宽带宽、更高容量、更低成本和更强大的 EW 解决方案，GaN 成为新技术的首选。

调查 GaN 在商业应用中的用途

与许多半导体技术一样，GaN 首次应用于军事和航空航天应用领域。但从早期开始，许多商业市场就已经采用这项技术，尤其是 5G 基础设施市场领域。

5G 基础设施

5G 迅速采用 GaN 的原因主要有三个 ：满足增加功率输出、更高工作频率和更低功耗的需求。由于 PA 在 5G RFFE 中消耗的能量最多，系统设计人员将重点放在提高放大器效率上。幸运的是，效率是 GaN 的关键属性之一。

PA 可最有效地接近饱和。系统设计人员采用 Doherty 和数字失真来实现 5G 系统的线性度（见图 3-4）。

GaN 可将许多基础设施应用的能效提升至新高度。GaN 可降低系统功耗，从而节省运营商成本，使系统更“环保”。这些优势使 GaN 成为 5G 的焦点，尤其是在毫米波 (mmWave) 固定无线接入 (FWA) 和使用大规模多路输入 / 多路输出 (MIMO) 天线阵列的 5G 基站中（见图 4-1）。大规模 MIMO 天线在相控阵自适应技术中采用了波束成型技术，在不加剧小区间协调的设计复杂性的情况下提高容量。通过使用大规模 MIMO，可以形成波束，确保几乎在任何时候，单个波束只会支持一位用户。这可为每位用户提供其自己的无干扰、高容量的基站连接。

图 4-1 ：5G 大规模 MIMO 射频前端框图

对于 FWA 来说，要达到其目标千兆速度，则必须实现非常高的输出功率。如图 4-2 中所示，高效 GaN Doherty PA 能够轻松满足 65 dBm 全向性辐射功率 (EIRP) 要求。

图 4-2 ：天线阵列元件数量和 RFFE 工艺技术之间的权衡

GaN 具有较高的天线增益和较低的噪声系数，因为这些参数由波形成型增益确定。为了使用均匀矩形阵列实现 65 dBm EIRP，每个通道的 PA 功率输出将随着元件数量的增加而减少，如图 4-2 中所示。由于 GaN 每个信道的功率大于硅，所以使用 GaN 技术，天线阵列能够用更少的有源元件实现所需的功率输出。

有线宽带应用

多年来，GaN 在全球有线电视 (CATV) 技术进步中发挥了至关重要的作用。为支持对更高吞吐量的视频和宽带服务的需求，混合光纤同轴 (HFC) 网络运营商开始将光纤容量安装在其网络的更深层。HFC 可提供所需的功率放大，以缩短光纤到户 (FTTH) 节点和家庭或企业之间的距离。

选择 HFC 放大器时，线性度和效率是主要考虑因素，这就是为什么 GaN 是主要的技术选择。GaN 的高效性能可以实现更高的线性输出功率和较低的 DC 功耗。这样一来，有线电视设计人员就可以实现更宽的带宽和更高的数据速率，同时延长放大器之间的距离，并最大限度地提高可靠性。

商业卫星

GaN 和 GaAs 为实现各种各样的商用卫星通信应用提供支持，例如 5G 回程、超高清电视传输、移动卫星通信、飞机乘客互联网接入，以及单人可携带的（便携式）终端。

卫星通信设备在全球通信生态系统和全球民众日常生活中发挥着重要作用，如图 4-3 中所示。它支持电信、天气监测、航空通信、海事应用和导航等各种广泛应用，并且应用领域仍在不断扩展。

随着小型卫星、便携设备和移动卫星通信设备的日益普及，对更紧凑、更轻便、功耗更低组件的需求也更加强烈。此外，这些 RFFE 组件需要应对更高的带宽和数据吞吐量，以支持 5G、超高清电视和不间断安全通信等技术的进步。除此以外，还面临着降低开发成本、提高可靠性的压力。

图 4-3 ：卫星通信市场领域中的 GaN

这些趋势就是制造商从基于管的系统向支持更高数据吞吐量和更小尺寸的固态设备（如 GaN）转变的原因所在。在商业卫星通信应用领域，GaN 具备显著的高功率放大优势。此外，GaN 支持卫星通信中使用的高频波段，如 X、Ku、K 和 Ka 波段。

正如军用和航空航天卫星应用开始放弃使用 TWTA 一样，商业卫星解决方案也正在经历同样的转变。这种转变是由 MMIC 或空间组合产品（如 Qorvo 的 Spatium）中使用的固态 GaN 驱动的，这些产品具有即时导通能力、所需的低电压轨、更低的噪声系数和更高的可靠性。

展望 GaN 的美好未来

GaN 才刚刚开始一段漫长而富有成效的旅程。尽管近年来已经取得了长足进步，但与硅或 GaAs 相比，GaN 仍是一项相对年轻的技术。随着 GaN 技术的不断发展，GaN 在新的和现有的应用领域中越来越受欢迎。

随着 GaN 广泛应用于各种射频应用领域，其市场增长将继续加速。军事雷达、电子战和无线通信应用的需求是其增长的主要推动因素。但由于 GaN 具有许多系统级优势，越来越多的现有应用和新应用开始使用 GaN。以下是其中一些应用 ：

数据中心

由于云计算的大规模发展，数据中心也在不断扩展。这些数据中心会消耗大量的能源，因此降低能耗是当务之急。通常在数据中心，干线电压是分步骤进行转换的 ：首先，从 48 V 转换到 12 V，然后从 12 V 转换到低至 1 V。由于 GaN 具有较高的开关速度、小巧外形和高效率，数据中心设计人员可以使用 GaN DC 功率晶体管直接从 48 V 转换到 1 V。这种直接转换能力可节省能源，并减少复杂性。

汽车

电动汽车 (EV) 使用 GaN DC 功率晶体管的方式有许多。功率密度更高的电池、效率更高的电机和车载充电器的组合有助于减少车辆质量，从而实现更大的行驶里程。EV 系统开发人员开始用 GaN 取代硅晶体管，以满足更高效、更快速和更高功率系统的增长趋势。GaN 具有更快的开关速度和热管理性能，从而可为 EV 提供外形更小巧、成本更低、散热性能更出色的解决方案。

无线充电

无线充电开始扩展到智能手机应用领域之外，且即将在我们的家庭中普及。此外，无线充电也开始集成到汽车和医疗设备中。这些应用均使用 GaN 晶体管。

电源适配器

多年来，硅开关技术的改进实现了直流电源设计的许多进步。然而，硅即将达到其物理极限。因为 GaN DC 功率晶体管的启动速度比硅更快速，所以它们能够减少损耗，同时提高开关速度。因此，制造商们希望 GaN 能够帮助设计人员实现尺寸减小、效率提高和功率增加等改进。

医学

医疗设备制造商开始在 X 光机和磁共振成像 (MRI) 机中使用 GaN 技术。使用 GaN 不仅可以缩小尺寸，还具有其他优势。使用 GaN 的 MRI 机的分辨率可以提高 10 到 100 倍，使医疗专业人员能够以更低成本更早且更准确地发现癌症和其他疾病。

高能射频也开始出现在用于治疗恶性肿瘤的射频消融 (RFA) 设备中。在这种方法中，可在超声波、MRI 或 计算机断层扫描 (CT) 的引导下将 RFA 探针插入肿瘤中。利用高频电流，这种探针会产生极高的温度，从而杀死特定区域内的肿瘤细胞。死亡的细胞不会被移除，而是变成疤痕组织随着时间的推移而萎缩。

无线手持设备

GaN 在军用 EW 手持无线电中的应用已有许多年的历史。它可提供在恶劣的军事环境下所需的功率、高频、宽带宽和可靠性。随着 5G 和 mmWave 的出现，如今电信运营商需采用一种能在商用手持设备上实现一些相同功能的技术，包括高频段操作、大带宽和大数据容量。如今，我们可以使用 GaN 来满足这些组合需求。

科学应用

GaN 开始帮助推进用于研究、集成电路制造和其他前沿应用（如 5G 测试和测量）的技术。例如，它开始用于粒子加速器和化学气相沉积 (CVD) 系统之中。

CVD 是一项生产高质量固体薄膜和涂层的技术，与使用物理气相沉积技术的蒸发和溅射方法相比，它更具优势。用于合规前测试和故障排除的电磁兼容性 (EMC) 测试设备部署的 GaN 可提供高功率和宽带宽，以满足 5G 产品认证需求。

航空应用

在航空应用领域，GaN 的低功耗、小尺寸、高功率、高可靠性和耐辐射性都极其重要。与其他需采取特殊屏蔽措施的技术不同，GaN 对辐射的天然免疫力使其成为应对恶劣航空环境的最佳技术。