氮化镓正在变革电子战、雷达和军事通信

本文转载自微信公众号：国际电子战

在寻求下一次重大创新或新型武器平台的过程中，微小的、增量式的升级有可能会促成革命性的变化。这些升级的效果非常明显，不知不觉很快就会被新型产品所吸纳。

氮化镓（GaN）技术便是其中之一。GaN是一种坚硬、稳定的材料，正在对半导体的发展产生革命性影响。在历经20多年的研究之后，GaN正在使电子设备变得更加强大、轻型和小型化。GaN同样使电磁频谱的运用更加有效，将改进军事和商业移动手机、无线技术和卫星技术。

随着防务公司和独立的加工厂制造GaN的能力逐渐提高，GaN正在为一系列新项目提供支持，包括“下一代干扰机”、三坐标机动远程雷达(3DLRR)、“太空篱笆”系统、远程识别雷达以及“爱国者”导弹的改进。鉴于GaN在极端温度状态下的稳定性，供应商正准备将其应用于太空。

GaN是一种在功率放大器中逐渐取代砷化镓的半导体材料，体积更小但可提供更大功率。放大器使用直流电增加射频输出。采用GaN，低电平射频信号转换为高效的更高功率，而这仅使用较少的直流电。

通过将放大器放置在具有高导热性的碳化硅芯片上，生成的热量能够被消除。这样的温度能够使电子设备放置得离天线更近。因此，他们能够以更高的频率运行，使其运用更为广泛。再者，由于拥有更高的功率密度，输出性能也随之提高。

材料性能对比

雷声公司先进技术项目组成员Steve Berenstein指出：“采用GaN技术，芯片能够缩小至1～2微米，而人类头发的宽度为60微米。”

尽管GaN每平方毫米的能耗更大，但收益是每瓦射频功率的成本更低。采用GaN，公司能够制造更多小型功率放大器或生成不同的架构。GaN的高功率提高了干扰能力，扩大了作用距离或搜索范围。另一方面，采用GaN后，较小的孔径就能够形成与不采用GaN的较大孔径相同的作用距离和搜索范围。

迄今为止，GaN市场的发展在很大程度上是由商用市场推动的。然而，据研究与咨询机构StrategyAnalytics公司预测，这种状态将会有所改变。到2019年，军事应用会提升至市场份额的60%。

雷声公司射频组件制造厂负责生产GaN并开展研究。

Strategy Analytics公司的Eric Higam已经为GaN产品制造商Qorvo公司进行了市场研究。军方目前正处于LTE手机比早期军事无线电拥有更高数据率的时期。他说：“这就是我们所处的阶段。目前正在进行的项目就是为了解决这个问题。”

就像小车或卡车有不同的模型一样，GaN产品并不尽相同。Qorvo公司在18个月内研发了125种新型GaN产品。例如，QGaN15在高频下运行良好，它在30GHz频率下每毫米提供4.5瓦的功率。另一方面，QGan50侧重于低频高稳定性，平均无故障时间超过100万小时。GaN技术还能在较高的温度下运行，最高至200℃，而且对制冷的要求低。Qorvo公司基础设施和防御产品部总裁James Klein称，工程中最需要的就是这种可靠性。

Klein表示，正在进行的项目将转向更高的频率，或者转向了更高或更低的电压。较低的电压能够实现后向兼容或使改进更容易。

为了提高功率，Qorvo公司和其他GaN制造商正探索在金刚石上而不是在传统的碳化硅上制作。这将使得尺寸大幅度减小，一个功率放大器的尺寸将只有目前的1/40。

Higam指出，情况并不完全乐观。无线基础设施占通信市场的份额最大。这一领域最大的收益源自低于3瓦和低于3GHz的器件，GaN在这一领域将与现有的成熟技术相竞争。“其中有一些极具竞争性的挑战。”而且硅基GaN所标榜的低成本还未得到证实。

尽管如此，GaN仍是美国防部长阿什顿·卡特在要求硅谷进行能够引入军用目的的商业创新时所谈论的技术。

洛克希德·马丁公司任务系统与训练部先进系统分部副总裁Steve Bruce称，洛马公司在1990年代中期就开始研制GaN。刚开始，部件在烧掉前仅能工作数秒。逐渐地，该技术开始成熟。“站在军品的角度，GaN确实成为了一种必不可少的技术，否则在当前市场将不具备竞争力。”

洛马公司已经开始与商用GaN制造商Cree公司和Qorvo公司进行战略合作。洛马公司投资具有特殊国防应用的技术，同时受益于Cree公司和Qorvo公司基于量的定价，并在其商业销售的推动下继续改进前沿技术。

洛马公司还在其电子战产品中运用GaN，以提供高宽频带效率。Bruce称，这些技术还停留在原型或工程管理阶段。尽管其中的GaN技术可能比较成熟，但系统中的其他部件仍需要时间发展。

雷声公司则采取了不同的方针，在马萨诸塞州安多弗市运营其自己的制造厂。在赢得了3DLRR合同后，雷声公司还期望依赖GaN技术以升级其“爱国者”导弹防御系统。据雷声公司综合防空和导弹防御业务研发部副总裁Tim Glaeser称，雷声公司正在生产采用GaN技术的全尺寸样机，为AESA雷达提供360°覆盖范围。他们希望能够尽早为国际用户展示该样机。

Qorvo公司防御和航空航天产品部总经理RogerHall表示，不久的将来，增幅可能会更大。受到基于GaN技术的AESA雷达升级的驱动，国际市场对于GaN的需求在急速增长。

洛马公司计划使用一种固态的、基于GaN的雷达，为美国导弹防御局生产远程识别雷达。

关于雷达，在国际上很快出现了两种情况，Hall将这种变化比喻为从大型固态电视到扁平屏幕的变化。鉴于AESA天线的灵活性，它们可用于电子战和通信。老式战斗机偏向于机械扫描波束。AESA雷达的电子扫描阵列不移动，而是用软件改变着数百个有源收发部件的相位。GaN和AESA雷达的结合为改进手持通信设备、无线电或舰载雷达提供了一个很好的机会。

Hall称：“在美国，F-22、F-35及轰炸机都装备了AESA雷达，但它们采用的是砷化镓芯片。其他国家的军队正在同时升级至AESA雷达和GaN芯片。美国现在正在转向GaN。这是技术的下一阶段。”

这对于用户来说存在着风险，因为供应商需要长时间保持偿付能力以为国防产品服务，而这有一个很长的寿命周期。Hall 说：“这不仅仅是拥有最可靠和最佳的产品，而且要具备支持用户完成任务的能力。”