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氮化镓|半导体技术的不断发展推动军用雷达系统在功率和可靠性性能上的持续提升

随着器件和材料技术的不断发展,军用雷达系统正在由真空管转向氮化镓半导体和固态放大器,以提高雷达系统的输出功率效率和长期可靠性。


1.合成孔径雷达(SAR)技术的长期发展推动了可靠的固态地基监视和预警系统的发展

过去几十年,雷达技术已成为军事电子领域的重要支撑技术。雷达技术的持续发展使其成为商业汽车市场上的众多避撞系统的基础,其也越来越多地应用于陆地、海上、空中和外太空的监视和跟踪系统等军事领域。在诸如无人机安装的机载系统中,雷达系统为操作人员提供的反馈信息价值是不可估量的。


在过去60年间,洛克希德·马丁已在较低的频率下发展了合成孔径雷达(SAR)技术,最近扩展到高效率的固态SAR系统。该公司的固态地基监视和预警系统能够随时提供监视能力。这些系统不受天气限制,也不受限于传统雷达和电光成像系统的大气衰减。除了用于移动目标指示(MTI)之外,VHF/UHF SAR传感器已被用于海洋溢漏监测、极地冰评估、情报采集和战场侦察。

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2.“爱国者”雷达系统进行升级,可实现全360度扫描

传统上,军用雷达系统是使用真空管进行功率放大的大型电子系统,以在射频和微波频率上实现兆瓦传输的脉冲调制输出功率。雷达信号频率一直由特定雷达系统的性能目标决定。对于更远距离来说,拥有较低频率和较长波长的雷达系统比更短波长的雷达对监视目标的跟踪更精确。


军用雷达系统中已使用了许多不同的信号发生和放大的电子管器件。其中,磁控管能够产生功率为兆瓦的输出信号,速调管作为放大器能够产生千瓦输出功率。行波管(TWT)和TWT放大器(TWTA)也已被用于放大雷达信号,同时拥有正交场放大器(CFA)。


然而,对于从音频范围到微波频段的频率来说,设计人员已经寻求真空管的固态替代品。对这两种技术采取的权衡是,与固态器件相比,真空管提供了巨大的输出功率水平,但是具有更高的偏置要求和更短的使用寿命。因此,在需要高输出信号电平的雷达系统等应用中使用固态器件的关键是并联多个晶体管的各个输出以实现更高的输出功率电平。

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3.目前,固态氮化镓模块正在与AN/TPS-80地面/空中任务导向雷达(GATOR)实现组装

氮化镓(GaN)是一种高功率半导体技术,已被证明在诸如第四代(4G)无线通信系统等低微波频率商业应用中的价值,并且正在成为军用雷达系统的解决方案。今年早些时候,雷声公司将“爱国者”防空反导系统的主要阵列,以及GaN基有源电扫描阵列(AESA)技术进行升级。


雷声公司综合防御系统业务部的综合防空反导副总裁拉尔夫·阿卡巴表示,“GaN基AESA雷达对网络传感器有利,并为‘爱国者’防空反导系统提供更大的能力和可靠性,同时显着降低运营和维持成本。”主要的AESA阵列尺寸约为13×9英尺,是一种螺栓式正面替换天线。在今年早些时候,雷声公司为“爱国者”系统建立了一个GaN基后面板阵列,作为实现系统360度全面查看工作的一部分。雷声公司还为美国海军雷达和干扰器使用固态GaN技术,并正在探索将该技术用于国防部痛击波紧凑型版本。痛击波是一种主动拒绝系统,使用射频/微波能量束通过加热。


最近,诺斯罗普·格鲁曼公司获得美海军陆战队授予的AN/TPS-80地面/空中任务导向雷达(GATOR)低速率初始生产(LRIP)系统。该系统支持空中监视、武器提示、反火力目标获取和空中交通管制。


根据之前的合同,诺格公司已向美海军陆战队提供6台G/ATOR LRIP系统,首台系统计划于2017年2月前交付。利用固态GaN技术对最新的9台系统进行设计,国防承包商已为海军陆战队每个系统提供近200万美元的生命周期成本节约。


诺格公司任务解决方案总监Roshan Roeder表示,“目前没有生产中的其他GaN地基AESA雷达。G/ATOR是国防部首个在生产项目中纳入GaN技术的地基AESA系统。我们提出这项技术作为政府成本节约措施,并通过内部资助的方式降低风险,以确保GaN技术与G/ATOR的无缝插入。我们正在继续关注未来的技术插入,以在可承受的成本范围内向作战人员提供最好的能力。”


GaN是宽带隙半导体技术,具有低寄生电容和高击穿电压。它具有比硅-双极、碳化硅(SiC)和砷化镓(GaAs)晶体管技术更宽的带隙,放大器设计者已经成功地在高效率E级和F级放大器设计中使用GaN器件,效率水平理论上接近100%。


GaN材料在高功率水平下具有优异的导热性能,用于低自热效应。与GaAs相比,它还具有更高的击穿电压,但载流子迁移率更低,这将限制GaN器件与GaAs晶体管相比的上限频率。


用于雷达和其他应用的GaN基功率放大器可从越来越多的供应商手中获得,包括用于高功率放大器的碳化硅基GaN衬底。例如,组件供应商Aethercomm公司最近向主要国防承包商交付了拥有F级效率的L波段放大器。该放大器基于商用现货、封装的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件,输出功率可达50W以上,效率可达60%以上。该公司的SSPA 0.1-1.0-300型GaN放大器专门为军事和商业应用设计,测量尺寸为5.25×10.15×1.97英寸,重8.5磅,平均功率为10至1000MHz的250至300瓦,可从MIL-STD-461飞机电源或 18至 36 V直流输入电压进行操作。


在雷达市场规模方面,一些市场研究预测认为,全球军用雷达市场将稳步增长。据市场研究媒体“美国军事无人机(UAV)2013-2018年市场预测”报告,雷达技术的使用预计将在未来几年急剧增加。配备低功率雷达系统的无人机被视为进行远程监控有吸引力的工具。


该报告预计到2018年,无人机雷达系统的市场将增长到865亿美元。使用固态GaN基放大可为用于军事乃至政府资助的无人机(如天气雷达无人机)中实用、便携和轻量级的低电压雷达系统的使用奠定基础。


在商业市场,雷达技术被广泛应用于汽车安全系统。这些雷达发射器频率高于大多数军事雷达系统,工作在毫米波频率高达77GHz,频率远远超出了GaN半导体技术的极限——他们通常使用较低功率的GaAs和硅锗(SiGe)器件。

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