绝大多数雷达发射机需要能够产生千瓦甚至兆瓦级射频输出功率的有源器件。行波管（TWTA）器件是这些应用的常用器件。然而，这些器件体积庞大、价格昂贵，且可靠性存在问题。虽然半导体放大器理论上效率更高，但由于这些材料固有的临界击穿场强，其工作电压一直受到限制，需要极高的电流和更大的尺寸。高电流工作会因损耗而降低效率，并且由于大尺寸器件具有高电容和极低阻抗，从而限制了工作频率和带宽[1]。氮化镓（GaN）技术现在能够解决这个问题。在
一些高功率微波应用中，固态放大器已经开始取代行波管。然而，低工作电压会导致电路尺寸非常大，从而使器件更加复杂，并降低生产良率和可靠性。宽禁带（WBG）半导体技术，例如氮化镓（GaN），其功率密度可比传统的砷化镓（GaAs）场效应晶体管和双极异质结晶体管高五倍。其最终优势在于降低电路复杂性、提高增益和效率以及增强可靠性。雷达系统尤其将受益于这项技术的发展。
氮化镓（GaN）代表着未来。
宽带隙半导体（例如GaN或GaN基合金）的开发，为制造有源射频器件（尤其是高电子迁移率晶体管（HEMT））提供了可能，使其功率输出显著提高。射频功率输出的提升归功于该材料的特殊性能，包括高击穿场强、高电子漂移速度（EDV）饱和值，以及在使用碳化硅（SiC）衬底时更高的导热系数。表1[2]中的数据可以对硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料进行比较。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）更高的导热系数降低了自热引起的结温升高。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的击穿场强比硅（Si）和砷化镓（GaAs）高五到六倍，这使得它们在射频功率器件方面比硅（Si）和砷化镓（GaAs）更具优势[2]。碳化硅（SiC）是一种宽带隙材料（3.2 eV），但其电子迁移率较低，这限制了其在高频放大器中的应用。碳化硅（SiC）的局限性还在于其晶圆价格昂贵、尺寸小且质量不高。
虽然砷化镓（GaAs）器件的载流子迁移率显著优于碳化硅，但氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）中电子电压（EDV）的高峰值和饱和速度弥补了其相对较低的迁移率，使其能够在高频下使用。氮化镓的这些优势，结合HEMT架构的高线性度和低噪声特性，使得这些器件非常适合用于制造高功率雷达放大器。
GaN HEMT 的另一个优势在于 GaN 导带与 AlGaN 势垒层之间较大的能级差。与其他材料相比，这使得基于 GaN 的 HEMT 沟道中的载流子密度显著提高（高达 10¹³ cm⁻² 甚至更高）。此外，更高的工作电压进一步提高了功率密度。功率密度是高功率器件的关键参数，因为更高的功率密度可以缩小芯片尺寸并简化输入/输出匹配。图 1 显示了 GaN X 波段 FET（场效应晶体管）的射频功率密度随时间快速变化的情况。
GaAs MESFET（金属外延半导体场效应晶体管）技术。 GaN HEMT 技术具有单位沟道宽度高功率输出的优势，因此在相同输出功率下，器件尺寸更小、成本更低。这不仅简化了制造工艺，还提高了器件的阻抗。GaN 技术实现的高工作电压无需电压转换器，从而降低了系统总成本。
相比，宽带射频器件所实现的高工作电压和高功率密度在功率放大器的设计、制造和组装方面具有诸多优势
路径清晰。
图 2 [2] 展示了构成当前最先进技术的固态器件和微波管的输出功率与频率的关系图。 
历史上，诸如栅极控制放大器、磁控管、速调管、行波管和交叉场放大器 (CFA) 等电子管放大器一直被用作雷达发射机的功率放大器。这些放大器能够产生高功率，但通常工作在低占空比下。速调管放大器在微波频率下比磁控管提供更高的功率，并且允许使用更复杂的波形。行波管与速调管类似，但具有更宽的带宽。CFA 的特点是带宽宽、增益低和尺寸紧凑。
固态功率放大器 (SSPA) 支持长脉冲和高占空比波形。尽管固态功率放大器 (SSPA) 中使用的元件单独来看功率放大倍数较低，但它们可以组合起来实现高功率放大。硅双极型晶体管、砷化镓MESFET和砷化镓PHEMT（伪晶HEMT）是固态功率放大器（SSPA）中使用的一些元件。GaN HEMT可以组合成SSPA，从而获得更高的平均输出功率，进而获得更远的雷达探测距离。
如图2所示，固态晶体管在S波段的射频功率低于200瓦，并且其输出功率会随着频率的增加而降低[1]。GaAs FET在S波段的射频输出功率接近50瓦，在Ka波段约为1瓦。GaAs FET的输出功率主要受限于其较低的漏极击穿电压。采用带隙更大的材料（例如GaN）制造的半导体器件性能显著更优。
随着时间的推移，出现了不同的性能指标，用于评估各种半导体器件在需要高功率和高工作频率的应用中的潜力。这些性能指标旨在将材料最相关的特性综合为一个单一的定性值。因此，约翰逊性能指标（JFOM = ECR vsat/p）考虑了ECR击穿场强和EDV饱和电压Vsat。如图3[3]所示，GaN的约翰逊性能指标至少是GaAs的15倍。Aethercomm
认为，如果GaN的增长趋势继续以目前的速度发展，那么到2010年，GaN HEMT的预期性能将如图4所示。GaN很快将超越所有竞争对手。
效率至关重要。
由于需要减小尺寸、重量和降低成本，用于军事应用的现代雷达系统对射频功率放大器提出了新的要求。规格的主要变化越来越侧重于提高放大器效率，以降低直流功率需求，并通过降低元件功耗来提高系统可靠性。基于宽禁带和高效率技术的微波器件将进一步提升系统性能。GaN
HEMT 的寄生电容和高击穿电压使其成为高效 E 类和 F 类放大模式的理想选择。这两种模式的理论效率均为 100%。最近，一些 GaN 晶体管制造商已经实现了混合 E 类放大器。典型的结果是 L 波段输出功率为 10 瓦，效率在 80% 到 90% 之间。Aethercomm
最近 交付了一款用于 L 波段应用的 F 类放大器模块。所需的输出功率必须超过 50 瓦，放大器的整体效率为 60%。由于项目期限紧迫，必须使用标准封装的晶体管，而不是开发定制的混合解决方案。
功率放大器的末级采用一对工作在F类的GaN封装HEMT平衡晶体管实现。匹配网络（包括F类工作所需的谐波终端）最初是基于理想晶体管模型设计的。随后引入晶体管封装的寄生电感和电容，并对匹配网络进行修改，以在给定的晶体管级别上保持所需的谐波终端。之后，使用非线性晶体管模型对放大器进行仿真，并修改匹配网络以优化效率和功率。
为F类输出级构建了一个单端原型。在最小调谐量下，实现了75%的漏极效率、40瓦的输出功率和16dB的增益。结果与仿真结果非常接近。由于没有合适的低功耗GaN器件用于驱动级，因此设计了一个采用工作在A类的GaAs MESFET的三级驱动电路。最初，认为驱动级应工作在高效率模式下，以实现所需的功率附加效率（PAE）。然而，分析表明，通过适当的晶体管尺寸设计，可以实现A类工作模式。驱动级增益为40 dB，功耗为10瓦。
最终功率放大器配置的峰值功率附加效率（PAE）为63%，输出功率为75瓦。该放大器在P2dB时的输出功率为65瓦，PAE为61%。表2显示了不同输出功率下的放大器特性。由于最终的F类放大器采用阈值偏置，没有漏极电流，因此该放大器在低功率水平下具有较宽的工作范围。放大器增益达到峰值后，在达到最大输出功率时开始下降。表2显示了该设计在不同输出功率水平下的效率。Aethercomm
公司还开发了一种基于SiC衬底的200瓦GaN HEMT器件，旨在最大化PAE并在1215 MHz至1390 MHz的工作频率范围内保持高输出功率。在P3dB增益下，输出功率超过205瓦时，效率可超过56%。
许多用于雷达应用的固态功率放大器（SSPA）采用配置为C类工作的射频半导体器件。这种偏置方式可使单晶体管级高效运行；然而，C类晶体管的增益通常很低（6dB），因此需要许多额外的增益级才能达到所需的输出功率，从而抵消了效率优势。
结论：
未来的雷达系统，例如基于有源相控阵雷达的系统，将越来越需要更高效、更小的传感器-传感器放大器（SSPA）。为了实现极快的扫描速度、更远的探测距离、定位和跟踪大量目标的能力、更低的被拦截概率以及干扰能力，需要创新且经济高效的晶体管技术。近年来，氮化镓高效率微波晶体管（GaN HEMT）领域的发展使得设计微波频率下的高效放大器成为可能。GaN HEMT具有高峰值电流、低输出电容、极高的击穿电压和功率密度等优点。这些独特的特性组合使得设计人员能够获得整体性能远超基于现有替代技术的器件的放大器。
参考
[1] RJ Trew，“用于提高微波功率和雷达应用性能的宽禁带晶体管放大器”，第15届
微波、雷达和无线通信国际会议（MIKON 2004），第1卷，2004年5月17-19日，第18-23页。
[2] CE Weitzel，“用于无线通信的射频功率器件”，IEEE MTT-s文摘，第1卷，2002年6月2-7日，第285-288页。
[3] T. Kikkawa、K. Imanishi、M. Kanamura和K. Joshin，“用于大规模生产的高可靠性GaN-HEMT的最新进展”，CS MANTECH会议，2006年4月24-27日，第171-174页。
Altaix Electronics, SAL 技术部.
