GaN 如何改變了市場

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

審視 GaN 在軍事和航天領域的的應用

當今的許多航天和國防系統都需要高度可靠、堅固耐用的射頻 (RF) 輸出功率水平達到千瓦 (kW) 的組件。過去，許多系統都依賴于真空管技術來產生 kW 級功率。但隨著高功率半導體的發展，一些應用的系統設計已經開始采用固態功率放大器 (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，但現在這些系統開始使用 GaN，這使它們更可靠、更堅固耐用，并支持更寬的帶寬。

軍事衛星

當今的軍事衛星軟件定義無線電架構可實現持續的安全通信，達到戰術領域的優勢。除了提供控制和接口功能的地面網絡之外，衛星通信網絡還包括用戶終端和衛星。從射頻微波角度來看，衛星終端有幾個組件可以實現連接。

與過去相比，如今的衛星網絡系統能夠以更快的速度傳輸大量數據、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，并在復雜的通信環境和較寬的頻譜范圍內運行。由于 GaN 比其他半導體技術更可靠、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 技術轉向 GaN 技術，GaN 在這些系統中發揮著越來越重要的作用。

幾年來，軍事和航空衛星網絡市場發生了與之相關的巨變。隨著功率密度的增加，GaN 使固態單芯片微波集成電路 (MMIC) 的組合達到了以前只有 TWTA 才能實現的功率水平。例如 Qorvo 的 Spatium，它采用已獲專利的空間組合技術來提高射頻功率、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射，分裂成多個微帶電路。

這種 SSPA 解決方案也已經在商業和軍事雷達、電子戰 (EW)、衛星通信以及測試和測量市場領域占有一席之地。這一市場接受度歸功于 SSPA 的優勢，包括固態可靠性的提高、電壓電源要求的降低、噪聲系數的降低、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據的挑戰也在加劇。優化頻譜使用需要采用更復雜的調制機制和有源電子掃描陣列 (AESA) 架構。為支持這些發展趨勢，衛星網絡中的射頻前端 (RFFE) 將越來越多地利用 GaN 等高功率固態寬帶技術。GaN 性能的持續提高有助于在 AESA 系統中提供高功率輸出的解決方案。如今，這些 AESA 系統中使用的許多 PA 都采用高電壓 GaN（參見第 2 和 3 章）。

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

新型雷達系統還要求產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。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 可縮減整個系統的尺寸和成本。這有助于滿足新型 AESA 雷達系統更嚴格的尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 要求。在必須實現重量和尺寸最小化的航空航天系統中，滿足 SWaP-C 要求極其重要。

電子戰

EW 包括用于提供保護、支持和電子攻擊的防御系統，如軍用無線電、通信干擾器和無人機 (UAV) 系統，用于陸基、空中和海軍平臺。EW 市場持續增長，并見證了巨大的技術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境下工作。因此，像 GaN 和 GaAs 這樣的技術被廣泛使用，而且在 EW 領域，我們繼續見證了基于管的系統向固態 GaN 和 GaAs 技術過渡的過程。

結合 GaN MMIC 技術和 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 成為新技術的首選。

調查 GaN 在商業應用中的用途

與許多半導體技術一樣，GaN 首次應用于軍事和航空航天應用領域。但從早期開始，許多商業市場就已經采用這項技術，尤其是 5G 基礎設施市場領域。

5G 基礎設施

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，系統設計人員將重點放在提高放大器效率上。幸運的是，效率是 GaN 的關鍵屬性之一。

PA 可最有效地接近飽和。系統設計人員采用 Doherty 和數字失真來實現 5G 系統的線性度（見圖 3-4）。

GaN 可將許多基礎設施應用的能效提升至新高度。GaN 可降低系統功耗，從而節省運營商成本，使系統更“環?！?。這些優勢使 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）。大規模 MIMO 天線在相控陣自適應技術中采用了波束成型技術，在不加劇小區間協調的設計復雜性的情況下提高容量。通過使用大規模 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 ：天線陣列元件數量和 RFFE 工藝技術之間的權衡

GaN 具有較高的天線增益和較低的噪聲系數，因為這些參數由波形成型增益確定。為了使用均勻矩形陣列實現 65 dBm EIRP，每個通道的 PA 功率輸出將隨著元件數量的增加而減少，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，天線陣列能夠用更少的有源元件實現所需的功率輸出。

有線寬帶應用

多年來，GaN 在全球有線電視 (CATV) 技術進步中發揮了至關重要的作用。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) 網絡運營商開始將光纖容量安裝在其網絡的更深層。HFC 可提供所需的功率放大，以縮短光纖到戶 (FTTH) 節點和家庭或企業之間的距離。

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 是主要的技術選擇。GaN 的高效性能可以實現更高的線性輸出功率和較低的 DC 功耗。這樣一來，有線電視設計人員就可以實現更寬的帶寬和更高的數據速率，同時延長放大器之間的距離，并最大限度地提高可靠性。

商業衛星

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

衛星通信設備在全球通信生態系統和全球民眾日常生活中發揮著重要作用，如圖 4-3 中所示。它支持電信、天氣監測、航空通信、海事應用和導航等各種廣泛應用，并且應用領域仍在不斷擴展。

隨著小型衛星、便攜設備和移動衛星通信設備的日益普及，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據吞吐量，以支持 5G、超高清電視和不間斷安全通信等技術的進步。除此以外，還面臨著降低開發成本、提高可靠性的壓力。

圖 4-3 ：衛星通信市場領域中的 GaN

這些趨勢就是制造商從基于管的系統向支持更高數據吞吐量和更小尺寸的固態設備（如 GaN）轉變的原因所在。在商業衛星通信應用領域，GaN 具備顯著的高功率放大優勢。此外，GaN 支持衛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星應用開始放棄使用 TWTA 一樣，商業衛星解決方案也正在經歷同樣的轉變。這種轉變是由 MMIC 或空間組合產品（如 Qorvo 的 Spatium）中使用的固態 GaN 驅動的，這些產品具有即時導通能力、所需的低電壓軌、更低的噪聲系數和更高的可靠性。

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。隨著 GaN 技術的不斷發展，GaN 在新的和現有的應用領域中越來越受歡迎。

隨著 GaN 廣泛應用于各種射頻應用領域，其市場增長將繼續加速。軍事雷達、電子戰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 具有許多系統級優勢，越來越多的現有應用和新應用開始使用 GaN。以下是其中一些應用 ：

數據中心

由于云計算的大規模發展，數據中心也在不斷擴展。這些數據中心會消耗大量的能源，因此降低能耗是當務之急。通常在數據中心，干線電壓是分步驟進行轉換的 ：首先，從 48 V 轉換到 12 V，然后從 12 V 轉換到低至 1 V。由于 GaN 具有較高的開關速度、小巧外形和高效率，數據中心設計人員可以使用 GaN DC 功率晶體管直接從 48 V 轉換到 1 V。這種直接轉換能力可節省能源，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量，從而實現更大的行駛里程。EV 系統開發人員開始用 GaN 取代硅晶體管，以滿足更高效、更快速和更高功率系統的增長趨勢。GaN 具有更快的開關速度和熱管理性能，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療設備中。這些應用均使用 GaN 晶體管。

電源適配器

多年來，硅開關技術的改進實現了直流電源設計的許多進步。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，同時提高開關速度。因此，制造商們希望 GaN 能夠幫助設計人員實現尺寸減小、效率提高和功率增加等改進。

醫學

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

高能射頻也開始出現在用于治療惡性腫瘤的射頻消融 (RFA) 設備中。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，這種探針會產生極高的溫度，從而殺死特定區域內的腫瘤細胞。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境下所需的功率、高頻、寬帶寬和可靠性。隨著 5G 和 mmWave 的出現，如今電信運營商需采用一種能在商用手持設備上實現一些相同功能的技術，包括高頻段操作、大帶寬和大數據容量。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。例如，它開始用于粒子加速器和化學氣相沉積 (CVD) 系統之中。

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

航空應用

在航空應用領域，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不同，GaN 對輻射的天然免疫力使其成為應對惡劣航空環境的最佳技術。

文章來源： Qorvo半導體

審核編輯 黃宇