美軍F35即將全面更換氮化鎵的APG-85
波音的F18I/F15EX配備的是雷神的氮化鎵主動陣列雷達
歐洲, 土耳其及幾個發展新戰機國家也紛紛開發配備氮化鎵主動陣列雷達
砷化鎵技術的確是過時!!!
現代戰機除掛載功能先進的各型飛彈外，電戰設備亦是決勝關鍵，主動電子掃描陣列雷達（AESA）已是全球先進戰機標準配備，AESA分布在平面陣列的高功率信號放大器需求也不斷增加。傳統機械操縱碟形雷達使用單一高功率放大器來驅動天線，AESA則需要多個緊密排列的功率放大器。想要達成在狹小雷達罩空間實現高功率輸出，需要具有高功率密度和寬頻解決方案─氮化鎵（GaN）半導體技術即是最優異元件。
GaN技術提升TR模組效能
AESA雷達系統調整每個天線單元的相對相位以掃描波束，與根據天線的物理方向確定目標位置的機械轉向雷達系統運作方式不同。AESA具備多種優勢，例如，與碟形天線相比，將平面陣列安裝到戰機內部要容易得多，能直接控制波束方向，並可多波束掃描。因此戰機裝備AESA雷達，可大幅提高追蹤難以識別的威脅目標。然而，與簡單的旋轉碟形天線相比，實現AESA雷達需要更先進的電路。特別是每個單元都需要一個發射／接收（TR）模組，其中包括移相器、開關電路、發射信號的高功率放大器，和低干擾接收信號。
AESA雷達系統最關鍵因素之一是雷達探測範圍，為使物體在雷達範圍內，反射信號必須高於接收器的本身噪音，使用信噪比（信號雜訊比，SNR）計算對其進行量化。
技術在於優化TR模組的SNR和最小化接收器的噪音係數，和最大化發射器的輸出功率均有關聯。雖然原理看來簡單，但由於TR模組的尺寸限制，以及高頻、寬頻操作的需要，在實際配置時變得相對複雜。TR模組通常排列在格柵中並放置在天線零組件後面。為安裝所有的TR模組，每個模組的高度和寬度都受到各個天線零組件尺寸的限制。隨著雷達工作頻率的增加，天線的尺寸減小。例如，在X波段，TR模組的高度和寬度將小於2公分。
TR模組設計標準必須非常小，具有高輸出功率，也須具有低噪音係數，還可在高頻下工作。顯然，最大化TR模組的性能是重大挑戰，但使用GaN半導體技術，就變得較容易。
小空間提供更高輸出功率
氮化鎵（GaN）是具有高擊穿電壓和高電子遷移率的半導體材料。與砷化鎵（GaAs）類似，高電子遷移率可實現高頻操作，與GaAs不同的是，GaN高擊穿電壓供電器零組件中的高電場強度，可在更高的電壓下運行，這是基於GaN的放大器能夠在更小的空間內，提供更高的輸出功率。
在TR模組的功率放大器設計中，使用GaN技術，可以最大化發射輸出功率，同時最小化雷達模組尺寸。除縮小放大器芯片尺寸外，使用高功率GaN還可減少使用許多低功率零組件。由於用在組合多個裸片的被動式組合網路很大，在信號路徑中必然有所損耗，因此，使用較少的被動式組合網路可以提高TR模組的功率密度。
除在狹小的雷達罩空間內提供高輸出功率之外，TR模組中的功率放大器還必須能夠在高頻下工作。根據具體應用，雷達需要在X波段甚至Ka波段運行。雖然還有其他提供高功率密度的半導體材料，例如LDMOS，但GaN是高頻操作的最佳選擇，GaN零組件不僅支持高頻操作，而且還是寬頻輸出的理想選擇。
由於現階段干擾雷達的技術愈來愈先進，為確保能有效運行，AESA雷達必須具有保護其免受電子干擾的功能相當重要。反制方法是在很寬的頻率範圍內操作雷達。通過在單一脈衝上調製頻率，可以提高雷達的分辨率。然而，這需要TR模組在更寬的頻段上運行。GaN不僅提供高功率密度，而且與 GaAs相比，GaN更高的偏置電壓簡化了寬頻阻抗匹配的設計過程。這使單個GaN放大器能夠在較高的頻寬上運行，從而實現強大的多功能偵測系統。
GaN更高的偏置電壓在電路層面提供額外的益處。由於功率是電壓和電流的乘積，對於恆定功率，GaN較高的偏置電壓導致較低的電流。當電流減小時，偏置電路中的損耗也減小，從而提高放大器的效率。
GaN技術可提高TR模組中輸出放大器性能，同時也可用於接收。最大化SNR需要增加信號強度和降低噪音，當檢查接收器鏈路時，一個噪音源是低噪音放大器輸入端保護限幅器，因為限幅器中每一分貝損耗都相當於額外分貝的噪音係數。通過使用GaN作為LNA的半導體材料，可以設計較佳的限制器，因為GaN可以承受更高的輸入電壓而不會損壞，可改善接收器噪音係數，最大化SNR和雷達系統的範圍。此外，通過從設計中移除限制器，TR模組中有更多空間用於其他電路。
須具備優良散熱技術
雖然AESA雷達TR模組利用GaN技術帶來顯著益處，但設計和製造過程，遠比移除GaAs零組件並插入GaN零組件更為複雜。除研發小面積產生的高熱能的散熱技術外，使用GaN技術要能產生最高效益，還需要了解半導體材料的許多特殊之處。GaN技術的主要優勢也帶來許多挑戰，雖然高功率密度能具備優異性能，但也需要排除裝備產生的高熱能。例如一個30W GaN放大器芯片，在28 V時偏置為2.5 A。這會導致不超過10 平方公厘的零組件功耗為40 W，勢必產生高溫效應。
排除產生的熱能需要在每個熱介面上集中降溫，因為即使熱阻的小幅增加也會導致零組件溫度顯著升高，從而降低雷達可靠性。確保有效散熱功能的第一步是優化GaN芯片與電路板的連接。例如，使用「金錫共晶芯片貼裝技術」將提供比銀環氧樹脂更佳的導熱性。此外，必須仔細控制連接過程，以防止在模具下方形成氣孔。為確保芯片貼裝質量，可使用「共聚焦掃描聲學顯微鏡」（C-SAM）檢查是否存在會降低熱導率，並造成零組件溫度升高時導致故障。
AESA功能將更先進
在裝備之外，還需要最大程度提高底板和載具外殼主體之間的導熱性。對於低功率應用，由於考量其匹配的熱膨脹係數，通常將芯片安裝在Kovar電路板。然而，對於高功率應用，銅、鉬等材料是較佳的選擇，因為其具有較低的熱阻。
除散熱技術的挑戰之外，使用GaN技術設計放大器，還需要仔細注意偏置電路。對於GaAs零組件，通過柵極電流可以忽略不計，而對於GaN，零組件的柵極消耗大量電流。要讓裝備適應大電流，需要具有低串聯電阻和源電流能力的偏置電路。作為額外的挑戰，雷達的脈衝特性需要偏置電路來支持快速開關柵極電流。
散熱技術和偏置電路凸顯在放大器設計中，使用GaN遇到的挑戰，由於每個AESA雷達機組設計都是獨一無二，因此技術問題持續待克服。為實現GaN帶來諸多優勢，設計和製造商必須克服挑戰並提出創新解決方案的經驗和技術知識，在當前研發能量不斷提升，AESA雷達功能將更為先進，制空權的爭奪，GaN技術扮演關鍵地位。
軍聞網站「Aviación Digital」16日報導，諾斯洛普格魯曼集團（簡稱諾格）11日證實，已開始研發新型APG-85主動電子掃描陣列（AESA）雷達，採用新一代氮化鎵（GaN）半導體技術，能強化雷達偵蒐距離與效能，未來將成為F-35戰機Block 4的標準配備，提升作戰能量。
F-35戰機目前使用APG-81雷達，雖然先進，但仍是以砷化鎵（GaAs）技術為基礎；未來換用氮化鎵製作傳輸模組（Transmit/Receive Modules）後，可透過高擊穿電壓和高電子遷移率特性，提升次系統零附件的散熱、傳輸效率和操作頻寬，大幅增加新型雷達的目標探測距離、資料傳輸與「電子反反制」（ECCM）效能。
未來APG-85雷達將成為F-35戰機Block 4的標準裝備，顯著提升F-35的戰場覺知能力，並轉換為優異的作戰力與生存性，有效抗衡未來空中與地面威脅。
諾格表示，F-35戰機將自第17生產批次（lot 17）開始，正式配備APG-85雷達，除傳統起降的F-35A外，具備垂直／短場起降能力的F-35B，以及航艦起降構型的F-35C都將統一配備，進而持續鞏固美國與盟邦的航空戰力優勢。
現今的多數噴射戰機大多配備機械掃描天線（Mechanically Scanned Antenna，MSA）雷達，即透過機械性方式來偏轉平面天線、控制雷達波束。縱使此類雷達系統技術成熟且具備不錯之性能，傳統的轉向天線卻也受到慣性限制。有鑑於此，採用大量輻射元件組成的電子掃描陣列（Electronically Scanned Array，ESA），可透過分別控制每個單元改變相位的方式控制波束。能透過電子敏捷的改變波束方向是電子掃描陣列優於機械掃描天線的主要優勢，因其允許靈敏的控制波束以追蹤單個目標或目標機群。
這些天線通常被稱作相位陣列，且依據訊號發射源的不同，常被分作兩類，被動（Passive Electronically
Scanned Array，PESA）與主動電子掃描陣列：PESA採用傳統的訊號源，通常由一或兩個行波管（Travelling Wave Tubes）提供必要的射頻功率，並在每個輻射單元之前使用以電腦控制之相位變化器；而AESA則是由發射／接收模組（T/R modules ，下稱TRM）組成，這些模組包含獨立控制的訊號源、接收器以及通常藉改變相位進行的波束控制。
AESA在波束靈敏性、操作運用的多樣性與可靠度上具顯著的優勢。TRM主要基於砷化鎵（GaA）技術。然而，由於GaA較差的導熱性（譯註1），近來出現了如矽鍺（SiGe）與氮化鎵（GaN）等新興技術，尤其後者已被多數的先進AESA開發計畫納入考量。
而在面對以降低雷達截面積（Radar Cross Section，RCS）為目標的低可偵測技術的挑戰時，光電感測器與IRST系統對雷達的優勢最為顯著。然而，這不代表應完全捨棄雷達——為了建立球形狀況意識（Situation Awareness），應該將所有可行的感測器納入考量。因此，需要融合多感測器數據，以便採多源量測進行目標追蹤。每個感測器都有其特定的優勢與限制，將它們聯合運用能夠在作戰上提供助益。
在下一章節，本文將討論AESA相關技術，分析自MSA升級至AESA的情形與局限。因此，我們也將探討IRST的潛力，以進行AESA雷達與IRST在抗衡匿蹤飛機能力的比較。最後，將討論融合多感測器的益處。
譯註1：即意味雷達功率容易受限於機體散熱系統，若機體散熱系統較差，雷達功率將無法完全發揮，如本文的主角APG-83即為一例。
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