GaN將改進(jìn)軍事和商業(yè)移動(dòng)手機(jī)、無(wú)線技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)

在尋求下一次重大創(chuàng)新或新型武器平臺(tái)的過(guò)程中，微小的、增量式的升級(jí)有可能會(huì)促成革命性的變化。這些升級(jí)的效果非常明顯，不知不覺(jué)很快就會(huì)被新型產(chǎn)品所吸納。

氮化鎵（GaN）技術(shù)便是其中之一。GaN是一種堅(jiān)硬、穩(wěn)定的材料，正在對(duì)半導(dǎo)體的發(fā)展產(chǎn)生革命性影響。在歷經(jīng)20多年的研究之后，GaN正在使電子設(shè)備變得更加強(qiáng)大、輕型和小型化。GaN同樣使電磁頻譜的運(yùn)用更加有效，將改進(jìn)軍事和商業(yè)移動(dòng)手機(jī)、無(wú)線技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)。

隨著防務(wù)公司和獨(dú)立的加工廠制造GaN的能力逐漸提高，GaN正在為一系列新項(xiàng)目提供支持，包括“下一代干擾機(jī)”、三坐標(biāo)機(jī)動(dòng)遠(yuǎn)程雷達(dá)(3DLRR)、“太空籬笆”系統(tǒng)、遠(yuǎn)程識(shí)別雷達(dá)以及“愛(ài)國(guó)者”導(dǎo)彈的改進(jìn)。鑒于GaN在極端溫度狀態(tài)下的穩(wěn)定性，供應(yīng)商正準(zhǔn)備將其應(yīng)用于太空。

GaN是一種在功率放大器中逐漸取代砷化鎵的半導(dǎo)體材料，體積更小但可提供更大功率。放大器使用直流電增加射頻輸出。采用GaN，低電平射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為高效的更高功率，而這僅使用較少的直流電。

通過(guò)將放大器放置在具有高導(dǎo)熱性的碳化硅芯片上，生成的熱量能夠被消除。這樣的溫度能夠使電子設(shè)備放置得離天線更近。因此，他們能夠以更高的頻率運(yùn)行，使其運(yùn)用更為廣泛。再者，由于擁有更高的功率密度，輸出性能也隨之提高。

材料性能對(duì)比

雷聲公司先進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目組成員Steve Berenstein指出：“采用GaN技術(shù)，芯片能夠縮小至1～2微米，而人類頭發(fā)的寬度為60微米。”

盡管GaN每平方毫米的能耗更大，但收益是每瓦射頻功率的成本更低。采用GaN，公司能夠制造更多小型功率放大器或生成不同的架構(gòu)。GaN的高功率提高了干擾能力，擴(kuò)大了作用距離或搜索范圍。另一方面，采用GaN后，較小的孔徑就能夠形成與不采用GaN的較大孔徑相同的作用距離和搜索范圍。

迄今為止，GaN市場(chǎng)的發(fā)展在很大程度上是由商用市場(chǎng)推動(dòng)的。然而，據(jù)研究與咨詢機(jī)構(gòu)StrategyAnalytics公司預(yù)測(cè)，這種狀態(tài)將會(huì)有所改變。到2019年，軍事應(yīng)用會(huì)提升至市場(chǎng)份額的60%。

雷聲公司射頻組件制造廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)GaN并開(kāi)展研究

Strategy Analytics公司的Eric Higam已經(jīng)為GaN產(chǎn)品制造商Qorvo公司進(jìn)行了市場(chǎng)研究。軍方目前正處于LTE手機(jī)比早期軍事無(wú)線電擁有更高數(shù)據(jù)率的時(shí)期。他說(shuō)：“這就是我們所處的階段。目前正在進(jìn)行的項(xiàng)目就是為了解決這個(gè)問(wèn)題。”

就像小車(chē)或卡車(chē)有不同的模型一樣，GaN產(chǎn)品并不盡相同。Qorvo公司在18個(gè)月內(nèi)研發(fā)了125種新型GaN產(chǎn)品。例如，QGaN15在高頻下運(yùn)行良好，它在30GHz頻率下每毫米提供4.5瓦的功率。另一方面，QGan50側(cè)重于低頻高穩(wěn)定性，平均無(wú)故障時(shí)間超過(guò)100萬(wàn)小時(shí)。GaN技術(shù)還能在較高的溫度下運(yùn)行，最高至200℃，而且對(duì)制冷的要求低。Qorvo公司基礎(chǔ)設(shè)施和防御產(chǎn)品部總裁James Klein稱，工程中最需要的就是這種可靠性。

Klein表示，正在進(jìn)行的項(xiàng)目將轉(zhuǎn)向更高的頻率，或者轉(zhuǎn)向了更高或更低的電壓。較低的電壓能夠?qū)崿F(xiàn)后向兼容或使改進(jìn)更容易。

為了提高功率，Qorvo公司和其他GaN制造商正探索在金剛石上而不是在傳統(tǒng)的碳化硅上制作。這將使得尺寸大幅度減小，一個(gè)功率放大器的尺寸將只有目前的1/40。

Higam指出，情況并不完全樂(lè)觀。無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施占通信市場(chǎng)的份額最大。這一領(lǐng)域最大的收益源自低于3瓦和低于3GHz的器件，GaN在這一領(lǐng)域?qū)⑴c現(xiàn)有的成熟技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)?！捌渲杏幸恍O具競(jìng)爭(zhēng)性的挑戰(zhàn)?！倍夜杌鵊aN所標(biāo)榜的低成本還未得到證實(shí)。

盡管如此，GaN仍是美國(guó)防部長(zhǎng)阿什頓·卡特在要求硅谷進(jìn)行能夠引入軍用目的的商業(yè)創(chuàng)新時(shí)所談?wù)摰募夹g(shù)。

洛克希德·馬丁公司任務(wù)系統(tǒng)與訓(xùn)練部先進(jìn)系統(tǒng)分部副總裁Steve Bruce稱，洛馬公司在1990年代中期就開(kāi)始研制GaN。剛開(kāi)始，部件在燒掉前僅能工作數(shù)秒。逐漸地，該技術(shù)開(kāi)始成熟?！罢驹谲娖返慕嵌?，GaN確實(shí)成為了一種必不可少的技術(shù)，否則在當(dāng)前市場(chǎng)將不具備競(jìng)爭(zhēng)力?！?/p>

洛馬公司已經(jīng)開(kāi)始與商用GaN制造商Cree公司和Qorvo公司進(jìn)行戰(zhàn)略合作。洛馬公司投資具有特殊國(guó)防應(yīng)用的技術(shù)，同時(shí)受益于Cree公司和Qorvo公司基于量的定價(jià)，并在其商業(yè)銷(xiāo)售的推動(dòng)下繼續(xù)改進(jìn)前沿技術(shù)。

洛馬公司還在其電子戰(zhàn)產(chǎn)品中運(yùn)用GaN，以提供高寬頻帶效率。Bruce稱，這些技術(shù)還停留在原型或工程管理階段。盡管其中的GaN技術(shù)可能比較成熟，但系統(tǒng)中的其他部件仍需要時(shí)間發(fā)展。

雷聲公司則采取了不同的方針，在馬薩諸塞州安多弗市運(yùn)營(yíng)其自己的制造廠。在贏得了3DLRR合同后，雷聲公司還期望依賴GaN技術(shù)以升級(jí)其“愛(ài)國(guó)者”導(dǎo)彈防御系統(tǒng)。據(jù)雷聲公司綜合防空和導(dǎo)彈防御業(yè)務(wù)研發(fā)部副總裁Tim Glaeser稱，雷聲公司正在生產(chǎn)采用GaN技術(shù)的全尺寸樣機(jī)，為AESA雷達(dá)提供360°覆蓋范圍。他們希望能夠盡早為國(guó)際用戶展示該樣機(jī)。

Qorvo公司防御和航空航天產(chǎn)品部總經(jīng)理RogerHall表示，不久的將來(lái)，增幅可能會(huì)更大。受到基于GaN技術(shù)的AESA雷達(dá)升級(jí)的驅(qū)動(dòng)，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)于GaN的需求在急速增長(zhǎng)。

洛馬公司計(jì)劃使用一種固態(tài)的、基于GaN的雷達(dá)，為美國(guó)導(dǎo)彈防御局生產(chǎn)遠(yuǎn)程識(shí)別雷達(dá)

關(guān)于雷達(dá)，在國(guó)際上很快出現(xiàn)了兩種情況，Hall將這種變化比喻為從大型固態(tài)電視到扁平屏幕的變化。鑒于AESA天線的靈活性，它們可用于電子戰(zhàn)和通信。老式戰(zhàn)斗機(jī)偏向于機(jī)械掃描波束。AESA雷達(dá)的電子掃描陣列不移動(dòng)，而是用軟件改變著數(shù)百個(gè)有源收發(fā)部件的相位。GaN和AESA雷達(dá)的結(jié)合為改進(jìn)手持通信設(shè)備、無(wú)線電或艦載雷達(dá)提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。

Hall稱：“在美國(guó)，F(xiàn)-22、F-35及轟炸機(jī)都裝備了AESA雷達(dá)，但它們采用的是砷化鎵芯片。其他國(guó)家的軍隊(duì)正在同時(shí)升級(jí)至AESA雷達(dá)和GaN芯片。美國(guó)現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向GaN。這是技術(shù)的下一階段?！?/p>

這對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)存在著風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)楣?yīng)商需要長(zhǎng)時(shí)間保持償付能力以為國(guó)防產(chǎn)品服務(wù)，而這有一個(gè)很長(zhǎng)的壽命周期。Hall 說(shuō)：“這不僅僅是擁有最可靠和最佳的產(chǎn)品，而且要具備支持用戶完成任務(wù)的能力。