GaN 如何改變了市場

本章將探討如何將氮化鎵 (GaN) 用于現(xiàn)有的和新的軍事、航天和商業(yè)應用中。隨著技術(shù)進步，GaN 越來越受工程師的青睞。在本章，我們將深入了解 GaN 有望處于領(lǐng)先地位的一些新應用和行業(yè)。

審視 GaN 在軍事和航天領(lǐng)域的的應用

當今的許多航天和國防系統(tǒng)都需要高度可靠、堅固耐用的射頻 (RF) 輸出功率水平達到千瓦 (kW) 的組件。過去，許多系統(tǒng)都依賴于真空管技術(shù)來產(chǎn)生 kW 級功率。但隨著高功率半導體的發(fā)展，一些應用的系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)開始采用固態(tài)功率放大器 (SSPA)。SSPA 最初是以橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 或砷化鎵 (GaAs) 為基礎(chǔ)，但現(xiàn)在這些系統(tǒng)開始使用 GaN，這使它們更可靠、更堅固耐用，并支持更寬的帶寬。

軍事衛(wèi)星

當今的軍事衛(wèi)星軟件定義無線電架構(gòu)可實現(xiàn)持續(xù)的安全通信，達到戰(zhàn)術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢。除了提供控制和接口功能的地面網(wǎng)絡(luò)之外，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)還包括用戶終端和衛(wèi)星。從射頻微波角度來看，衛(wèi)星終端有幾個組件可以實現(xiàn)連接。

與過去相比，如今的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠以更快的速度傳輸大量數(shù)據(jù)、視頻和語音。它們可以在多個信道上快速安全地進行無線連接，并在復雜的通信環(huán)境和較寬的頻譜范圍內(nèi)運行。由于 GaN 比其他半導體技術(shù)更可靠、功率更高且更堅固耐用，隨著制造商開始從行波管放大器 (TWTA) 和 GaAs 技術(shù)轉(zhuǎn)向 GaN 技術(shù)，GaN 在這些系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

幾年來，軍事和航空衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)市場發(fā)生了與之相關(guān)的巨變。隨著功率密度的增加，GaN 使固態(tài)單芯片微波集成電路 (MMIC) 的組合達到了以前只有 TWTA 才能實現(xiàn)的功率水平。例如 Qorvo 的 Spatium，它采用已獲專利的空間組合技術(shù)來提高射頻功率、高效率和寬帶工作頻率。

Spatium 采用寬帶對極鰭線天線向 / 從超大的同軸波導發(fā)射，分裂成多個微帶電路。

這種 SSPA 解決方案也已經(jīng)在商業(yè)和軍事雷達、電子戰(zhàn) (EW)、衛(wèi)星通信以及測試和測量市場領(lǐng)域占有一席之地。這一市場接受度歸功于 SSPA 的優(yōu)勢，包括固態(tài)可靠性的提高、電壓電源要求的降低、噪聲系數(shù)的降低、能源成本的降低以及即時導通能力，所有這些都會降低系統(tǒng)總擁有成本。

雷達

隨著頻譜獲得越來越困難，處理軍事通信中涉及的海量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)也在加劇。優(yōu)化頻譜使用需要采用更復雜的調(diào)制機制和有源電子掃描陣列 (AESA) 架構(gòu)。為支持這些發(fā)展趨勢，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的射頻前端 (RFFE) 將越來越多地利用 GaN 等高功率固態(tài)寬帶技術(shù)。GaN 性能的持續(xù)提高有助于在 AESA 系統(tǒng)中提供高功率輸出的解決方案。如今，這些 AESA 系統(tǒng)中使用的許多 PA 都采用高電壓 GaN（參見第 2 和 3 章）。

GaN 技術(shù)的主要優(yōu)勢可以歸結(jié)為包括線性度、功率、效率、可靠性、尺寸和重量在內(nèi)的幾個屬性。在 AESE 系統(tǒng)中，可靠性極其重要，GaN 能夠在更高信道溫度條件下可靠運行。

新型雷達系統(tǒng)還要求產(chǎn)品具有更高的功率附加效率 (PAE)、更低的信道溫度和更低的噪聲系數(shù)。GaN MMIC 的高 PAE 意味著，在特定輸出功率下功耗更低，散熱要求更低，運行成本更低。

此外，在雷達平臺中使用高增益、高 PEA GaN MMIC 可縮減整個系統(tǒng)的尺寸和成本。這有助于滿足新型 AESA 雷達系統(tǒng)更嚴格的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 要求。在必須實現(xiàn)重量和尺寸最小化的航空航天系統(tǒng)中，滿足 SWaP-C 要求極其重要。

電子戰(zhàn)

EW 包括用于提供保護、支持和電子攻擊的防御系統(tǒng)，如軍用無線電、通信干擾器和無人機 (UAV) 系統(tǒng)，用于陸基、空中和海軍平臺。EW 市場持續(xù)增長，并見證了巨大的技術(shù)進步和電子元件集成。

EW 應用需要采用具有寬帶功率和效率、小尺寸和最小重量的電子元件。這些系統(tǒng)還必須在較高工作溫度條件下運行，具有較高可靠性，并且能夠在極其惡劣的環(huán)境下工作。因此，像 GaN 和 GaAs 這樣的技術(shù)被廣泛使用，而且在 EW 領(lǐng)域，我們繼續(xù)見證了基于管的系統(tǒng)向固態(tài) GaN 和 GaAs 技術(shù)過渡的過程。

結(jié)合 GaN MMIC 技術(shù)和 GaN 封裝的進步，進一步加速了解決方案的交付，這些解決方案可提高帶寬，縮小外形尺寸，提高散熱性能，并為 EW 應用提供低成本塑料封裝。隨著承包商尋求開發(fā)更小巧、更寬帶寬、更高容量、更低成本和更強大的 EW 解決方案，GaN 成為新技術(shù)的首選。

調(diào)查 GaN 在商業(yè)應用中的用途

與許多半導體技術(shù)一樣，GaN 首次應用于軍事和航空航天應用領(lǐng)域。但從早期開始，許多商業(yè)市場就已經(jīng)采用這項技術(shù)，尤其是 5G 基礎(chǔ)設(shè)施市場領(lǐng)域。

5G 基礎(chǔ)設(shè)施

5G 迅速采用 GaN 的原因主要有三個 ：滿足增加功率輸出、更高工作頻率和更低功耗的需求。由于 PA 在 5G RFFE 中消耗的能量最多，系統(tǒng)設(shè)計人員將重點放在提高放大器效率上。幸運的是，效率是 GaN 的關(guān)鍵屬性之一。

PA 可最有效地接近飽和。系統(tǒng)設(shè)計人員采用 Doherty 和數(shù)字失真來實現(xiàn) 5G 系統(tǒng)的線性度（見圖 3-4）。

GaN 可將許多基礎(chǔ)設(shè)施應用的能效提升至新高度。GaN 可降低系統(tǒng)功耗，從而節(jié)省運營商成本，使系統(tǒng)更“環(huán)?！?。這些優(yōu)勢使 GaN 成為 5G 的焦點，尤其是在毫米波 (mmWave) 固定無線接入 (FWA) 和使用大規(guī)模多路輸入 / 多路輸出 (MIMO) 天線陣列的 5G 基站中（見圖 4-1）。大規(guī)模 MIMO 天線在相控陣自適應技術(shù)中采用了波束成型技術(shù)，在不加劇小區(qū)間協(xié)調(diào)的設(shè)計復雜性的情況下提高容量。通過使用大規(guī)模 MIMO，可以形成波束，確保幾乎在任何時候，單個波束只會支持一位用戶。這可為每位用戶提供其自己的無干擾、高容量的基站連接。

圖 4-1 ：5G 大規(guī)模 MIMO 射頻前端框圖

對于 FWA 來說，要達到其目標千兆速度，則必須實現(xiàn)非常高的輸出功率。如圖 4-2 中所示，高效 GaN Doherty PA 能夠輕松滿足 65 dBm 全向性輻射功率 (EIRP) 要求。

圖 4-2 ：天線陣列元件數(shù)量和 RFFE 工藝技術(shù)之間的權(quán)衡

GaN 具有較高的天線增益和較低的噪聲系數(shù)，因為這些參數(shù)由波形成型增益確定。為了使用均勻矩形陣列實現(xiàn) 65 dBm EIRP，每個通道的 PA 功率輸出將隨著元件數(shù)量的增加而減少，如圖 4-2 中所示。由于 GaN 每個信道的功率大于硅，所以使用 GaN 技術(shù)，天線陣列能夠用更少的有源元件實現(xiàn)所需的功率輸出。

有線寬帶應用

多年來，GaN 在全球有線電視 (CATV) 技術(shù)進步中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。為支持對更高吞吐量的視頻和寬帶服務的需求，混合光纖同軸 (HFC) 網(wǎng)絡(luò)運營商開始將光纖容量安裝在其網(wǎng)絡(luò)的更深層。HFC 可提供所需的功率放大，以縮短光纖到戶 (FTTH) 節(jié)點和家庭或企業(yè)之間的距離。

選擇 HFC 放大器時，線性度和效率是主要考慮因素，這就是為什么 GaN 是主要的技術(shù)選擇。GaN 的高效性能可以實現(xiàn)更高的線性輸出功率和較低的 DC 功耗。這樣一來，有線電視設(shè)計人員就可以實現(xiàn)更寬的帶寬和更高的數(shù)據(jù)速率，同時延長放大器之間的距離，并最大限度地提高可靠性。

商業(yè)衛(wèi)星

GaN 和 GaAs 為實現(xiàn)各種各樣的商用衛(wèi)星通信應用提供支持，例如 5G 回程、超高清電視傳輸、移動衛(wèi)星通信、飛機乘客互聯(lián)網(wǎng)接入，以及單人可攜帶的（便攜式）終端。

衛(wèi)星通信設(shè)備在全球通信生態(tài)系統(tǒng)和全球民眾日常生活中發(fā)揮著重要作用，如圖 4-3 中所示。它支持電信、天氣監(jiān)測、航空通信、海事應用和導航等各種廣泛應用，并且應用領(lǐng)域仍在不斷擴展。

隨著小型衛(wèi)星、便攜設(shè)備和移動衛(wèi)星通信設(shè)備的日益普及，對更緊湊、更輕便、功耗更低組件的需求也更加強烈。此外，這些 RFFE 組件需要應對更高的帶寬和數(shù)據(jù)吞吐量，以支持 5G、超高清電視和不間斷安全通信等技術(shù)的進步。除此以外，還面臨著降低開發(fā)成本、提高可靠性的壓力。

圖 4-3 ：衛(wèi)星通信市場領(lǐng)域中的 GaN

這些趨勢就是制造商從基于管的系統(tǒng)向支持更高數(shù)據(jù)吞吐量和更小尺寸的固態(tài)設(shè)備（如 GaN）轉(zhuǎn)變的原因所在。在商業(yè)衛(wèi)星通信應用領(lǐng)域，GaN 具備顯著的高功率放大優(yōu)勢。此外，GaN 支持衛(wèi)星通信中使用的高頻波段，如 X、Ku、K 和 Ka 波段。

正如軍用和航空航天衛(wèi)星應用開始放棄使用 TWTA 一樣，商業(yè)衛(wèi)星解決方案也正在經(jīng)歷同樣的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變是由 MMIC 或空間組合產(chǎn)品（如 Qorvo 的 Spatium）中使用的固態(tài) GaN 驅(qū)動的，這些產(chǎn)品具有即時導通能力、所需的低電壓軌、更低的噪聲系數(shù)和更高的可靠性。

展望 GaN 的美好未來

GaN 才剛剛開始一段漫長而富有成效的旅程。盡管近年來已經(jīng)取得了長足進步，但與硅或 GaAs 相比，GaN 仍是一項相對年輕的技術(shù)。隨著 GaN 技術(shù)的不斷發(fā)展，GaN 在新的和現(xiàn)有的應用領(lǐng)域中越來越受歡迎。

隨著 GaN 廣泛應用于各種射頻應用領(lǐng)域，其市場增長將繼續(xù)加速。軍事雷達、電子戰(zhàn)和無線通信應用的需求是其增長的主要推動因素。但由于 GaN 具有許多系統(tǒng)級優(yōu)勢，越來越多的現(xiàn)有應用和新應用開始使用 GaN。以下是其中一些應用 ：

數(shù)據(jù)中心

由于云計算的大規(guī)模發(fā)展，數(shù)據(jù)中心也在不斷擴展。這些數(shù)據(jù)中心會消耗大量的能源，因此降低能耗是當務之急。通常在數(shù)據(jù)中心，干線電壓是分步驟進行轉(zhuǎn)換的 ：首先，從 48 V 轉(zhuǎn)換到 12 V，然后從 12 V 轉(zhuǎn)換到低至 1 V。由于 GaN 具有較高的開關(guān)速度、小巧外形和高效率，數(shù)據(jù)中心設(shè)計人員可以使用 GaN DC 功率晶體管直接從 48 V 轉(zhuǎn)換到 1 V。這種直接轉(zhuǎn)換能力可節(jié)省能源，并減少復雜性。

汽車

電動汽車 (EV) 使用 GaN DC 功率晶體管的方式有許多。功率密度更高的電池、效率更高的電機和車載充電器的組合有助于減少車輛質(zhì)量，從而實現(xiàn)更大的行駛里程。EV 系統(tǒng)開發(fā)人員開始用 GaN 取代硅晶體管，以滿足更高效、更快速和更高功率系統(tǒng)的增長趨勢。GaN 具有更快的開關(guān)速度和熱管理性能，從而可為 EV 提供外形更小巧、成本更低、散熱性能更出色的解決方案。

無線充電

無線充電開始擴展到智能手機應用領(lǐng)域之外，且即將在我們的家庭中普及。此外，無線充電也開始集成到汽車和醫(yī)療設(shè)備中。這些應用均使用 GaN 晶體管。

電源適配器

多年來，硅開關(guān)技術(shù)的改進實現(xiàn)了直流電源設(shè)計的許多進步。然而，硅即將達到其物理極限。因為 GaN DC 功率晶體管的啟動速度比硅更快速，所以它們能夠減少損耗，同時提高開關(guān)速度。因此，制造商們希望 GaN 能夠幫助設(shè)計人員實現(xiàn)尺寸減小、效率提高和功率增加等改進。

醫(yī)學

醫(yī)療設(shè)備制造商開始在 X 光機和磁共振成像 (MRI) 機中使用 GaN 技術(shù)。使用 GaN 不僅可以縮小尺寸，還具有其他優(yōu)勢。使用 GaN 的 MRI 機的分辨率可以提高 10 到 100 倍，使醫(yī)療專業(yè)人員能夠以更低成本更早且更準確地發(fā)現(xiàn)癌癥和其他疾病。

高能射頻也開始出現(xiàn)在用于治療惡性腫瘤的射頻消融 (RFA) 設(shè)備中。在這種方法中，可在超聲波、MRI 或 計算機斷層掃描 (CT) 的引導下將 RFA 探針插入腫瘤中。利用高頻電流，這種探針會產(chǎn)生極高的溫度，從而殺死特定區(qū)域內(nèi)的腫瘤細胞。死亡的細胞不會被移除，而是變成疤痕組織隨著時間的推移而萎縮。

無線手持設(shè)備

GaN 在軍用 EW 手持無線電中的應用已有許多年的歷史。它可提供在惡劣的軍事環(huán)境下所需的功率、高頻、寬帶寬和可靠性。隨著 5G 和 mmWave 的出現(xiàn)，如今電信運營商需采用一種能在商用手持設(shè)備上實現(xiàn)一些相同功能的技術(shù)，包括高頻段操作、大帶寬和大數(shù)據(jù)容量。如今，我們可以使用 GaN 來滿足這些組合需求。

科學應用

GaN 開始幫助推進用于研究、集成電路制造和其他前沿應用（如 5G 測試和測量）的技術(shù)。例如，它開始用于粒子加速器和化學氣相沉積 (CVD) 系統(tǒng)之中。

CVD 是一項生產(chǎn)高質(zhì)量固體薄膜和涂層的技術(shù)，與使用物理氣相沉積技術(shù)的蒸發(fā)和濺射方法相比，它更具優(yōu)勢。用于合規(guī)前測試和故障排除的電磁兼容性 (EMC) 測試設(shè)備部署的 GaN 可提供高功率和寬帶寬，以滿足 5G 產(chǎn)品認證需求。

航空應用

在航空應用領(lǐng)域，GaN 的低功耗、小尺寸、高功率、高可靠性和耐輻射性都極其重要。與其他需采取特殊屏蔽措施的技術(shù)不同，GaN 對輻射的天然免疫力使其成為應對惡劣航空環(huán)境的最佳技術(shù)。

文章來源： Qorvo半導體

審核編輯 黃宇