حلول نيتريد الغاليوم: حزم صغيرة تواجه تحديات الرادار الكبيرة

حلول نيتريد الغاليوم: حزم صغيرة تواجه تحديات الرادار الكبيرة

يُعدّ رادار النطاق X (من 8 إلى 12 جيجاهرتز) جهازًا أساسيًا مناسبًا للملاحة التجارية. ويُعدّ الطيران من أبرز استخدامات رادار النطاق X، كما يُستخدم هذا الجهاز في نطاق واسع من التطبيقات، بما في ذلك الطائرات المسيّرة، ومراقبة حركة السفن البحرية، ورصد الأحوال الجوية، ومراقبة نشاط الطيور بالقرب من المطارات، والاستشعار عن بُعد لمكافحة التجمّد.

بحسب تقرير صادر عن شركة أبحاث السوق "ستراتيجي أناليتكس"، يُعدّ رادار النطاق X أكبر قطاعات سوق الرادارات. وقد بلغت مبيعات الرادارات في هذا النطاق ما يقارب 6.3 مليار دولار أمريكي في عام 2018، ومن المتوقع أن ينمو الإنفاق المقابل بمعدل نمو سنوي مركب قدره 3.4%، ليصل إلى 8.7 مليار دولار أمريكي في عام 2028.

لكن ليس كل رادار يعمل بنطاق X يتمتع بفرص نمو كبيرة. فأنظمة المصفوفة الممسوحة إلكترونيًا النشطة (AESA) تحظى بشعبية متزايدة في مجال البحث والتطوير. ويُستخدم هذا النظام بشكل رئيسي على منصات جوية كبيرة، ولكنه يُستخدم أيضًا في قطاعات السوق البرية والبحرية.

تحدي AESA

تستخدم أنظمة الرادار ذات المصفوفات النشطة (AESA) مصفوفات نشطة، تحتوي كل منها على مئات أو حتى آلاف الهوائيات. ولكل هوائي تحكمه الخاص في الطور والكسب. ويؤدي تداخل أو تراكب جبهات الموجات الفردية لعناصر الهوائي إلى توليد موجات مستوية، مما ينتج عنه حزمة من الموجات الراديوية تنتشر في اتجاه محدد. وتقوم أنظمة رادار AESA بتوجيه الحزمة إلكترونيًا عن طريق تغيير طور عناصر الهوائي.

تُفصل عناصر الهوائي عادةً بمسافة نصف طول موجة لتقليل التعرّض في المجال القريب. كما تحتاج رادارات AESA غالبًا إلى نشر الإشارات على نطاق واسع من الترددات العالية. تُمكّن هذه المرونة الترددية الرادار من البحث السريع عن الأهداف في القطاع، مما يجعل اكتشافها وسط الضوضاء الخلفية أكثر صعوبة. وهذا يسمح للسفن والطائرات ببث إشارات رادار عالية الطاقة مع الحفاظ على التخفي، ويوفر مناعة أكبر ضد التداخل.

تُشكّل هذه المتطلبات تحدياتٍ عديدة للمهندسين: يجب أن يكون كل عنصر هوائي صغيرًا وخفيف الوزن بما يكفي لاستيعاب التباعد الدقيق بين الأطوال الموجية، مع الحفاظ على حجم النظام ووزنه الإجماليين ضمن الحدود المقبولة للاستخدام في الجو والبحر. ومع ذلك، وبحسب التطبيق، يجب أن يكون نظام الرادار قويًا بما يكفي لإخراج طاقة تتراوح بين بضع مئات من الواط إلى 100 كيلوواط. لذا، تتطلب أنظمة الرادار قدرات فعّالة لتبديد الحرارة، مما يزيد من حجمها ووزنها.

من بين العديد من حالات الاستخدام هذه، من الضروري أنالحجم والوزن والطاقة والتكلفة (SWaP-C)قم بتقييم النظام. لن يكون لاستبدال بعض مكونات النظام تأثير كبير على هذه الاعتبارات. لذلك، يجب أن تُظهر التقنيات التي تُمكّن أنظمة رادار AESA مزايا كبيرة في تحسينات الحجم والوزن والطاقة والتكلفة.

التقنية المُمكّنة: نيتريد الغاليوم

تُعدّ تقنية نتريد الغاليوم (GaN) حلاً مثالياً لمصممي الرادارات، إذ تُساعدهم على التغلب على العديد من التحديات، مثل استهلاك الطاقة، وتبديد الحرارة، والوزن والحجم، والتكلفة. تتميز هذه المادة بحركية إلكترونية عالية، وبالمقارنة مع السيليكون، تتميز الأجهزة المصنوعة من نتريد الغاليوم بانخفاض شحنة البوابة وسعة الخرج، مما يُتيح لها إنتاج كسب أعلى عند الترددات العالية بكفاءة أكبر.

يتميز GaN بفجوة طاقة واسعة ومجال كهربائي انهيار حرج عالي للغاية، مما سيؤدي إلى موثوقية ممتازة في درجات الحرارة العالية، ومتانة فائقة عند جهد إمداد عالٍ، وكثافة طاقة ممتازة.

يُمكن استخدام كربيد السيليكون (SiC) كركيزة لنيتريد الغاليوم (GaN) لتحقيق تمدد حراري أقل، وتطابق شبكي أقل، وموصلية حرارية ممتازة، مما يُتيح الاستفادة الكاملة من خصائص نيتريد الغاليوم. تبلغ الموصلية الحرارية لكربيد السيليكون من النوع 4H شبه العازل 430 واط/متر.كلفن، بينما تبلغ الموصلية الحرارية للسيليكون 146 واط/متر.كلفن فقط. وهذا يُتيح كثافة طاقة عالية جدًا مع تبديد حرارة فعال، وتجنب درجات حرارة القناة المرتفعة جدًا التي قد تُعطل الجهاز.

لذا، يُمكن لمضخم نتريد الغاليوم على كربيد السيليكون (GaN-on-SiC) في رادار AESA تحقيق أداء أعلى وقدرة خرج مكافئة في حجم أصغر مع تقليل متطلبات تبديد الحرارة. ولكن لتحقيق الفوائد المُحسّنة لتقنية SWaP-C، يلزم بذل المزيد من الجهود في مجال تكنولوجيا الأجهزة.

التغليف هو المفتاح

إن تطوير المصفوفات المرحلية، مثل أنظمة رادار AESA، سيتطلب تقليل الحجم وتكامل المكونات بشكل أكثر إحكامًا.

إحدى هذه التقنيات هي الدوائر المتكاملة الميكروية أحادية الرقاقة (MMIC)، التي تُمكّن من تصنيع وحدات وظيفية كاملة لمكونات متعددة في جهاز واحد، مما يزيد من كثافة الدوائر. كما تتميز الدوائر المتكاملة الميكروية أحادية الرقاقة بمزايا إضافية، منها تقليل عدم تطابق المكونات، وتقليل زمن استجابة الإشارة (بسبب قصر المسافة بين المكونات في هذه الدوائر)، وخفض التكلفة الإجمالية لقائمة المواد.

تتوفر الدائرة المتكاملة أحادية الليثية (MMIC) في حزمة رباعية مسطحة بدون أطراف (QFN)، مما يوفر مزايا إضافية في خفض التكلفة والحجم. ولأن حزمة QFN تستخدم أسلاك توصيل قصيرة، مما يساعد على تقليل حث الأطراف، فإن وسادة النحاس المكشوفة فيها توفر أداءً حراريًا ممتازًا.

يتوفر جهاز Wolfspeed CMPA901A020S في حزمة QFN بحجم 6 مم. وهو مضخم طاقة عالي القدرة من نوع GaN-on-SiC بقدرة 20 واط، يعمل ضمن نطاق تردد من 9 إلى 10 جيجاهرتز، ومناسب لتطبيقات رادار النبضات مثل رادار الأرصاد الجوية البحرية. يوفر المضخم، بفضل كسبه ثلاثي المراحل، كسبًا للإشارة الكبيرة يزيد عن 30 ديسيبل وكفاءة تزيد عن 50%، مما يقلل من متطلبات الطاقة المستمرة للنظام ويسهل حلول إدارة الحرارة.

يُعدّ Wolfspeed CMPA9396025S شريحةً أخرى من شرائح GaN MMIC التي تُتيح دمج العديد من التقنيات لتحقيق أقصى قدر من التحسينات في الحجم والوزن والطاقة والتكلفة. صُممت هذه الشريحة للعمل بترددات تتراوح بين 9.3 و9.6 جيجاهرتز، وهي متوفرة في حزمة QFN بحجم 6 × 6 مم.تبلغ الطاقة 25 واط عند عرض نبضة 100 ميكروثانية، ودورة تشغيل 10%.

تُتيح سلسلة مكبرات الصوت MMIC من Wolfspeed طراز CMPA801B030، العاملة ضمن نطاق التردد من 7.9 جيجاهرتز إلى 11 جيجاهرتز، نطاق تردد أوسع وقدرة أعلى في النطاق X. تصل قيمة خرجها النموذجية إلى 40 واط، وكسب الإشارة الكبيرة فيها إلى أكثر من 20 ديسيبل، وكفاءتها في استهلاك الطاقة المضافة إلى 40%. تُصنّع هذه السلسلة من المنتجات في عبوات QFN مصبوبة بالبلاستيك بحجم 7 × 7 مم، وهي متوفرة في كلٍ من الرقاقة المجردة وعبوات التثبيت المعدنية/الخزفية ذات الحواف ذات 10 دبابيس، مما يُحسّن الأداء الكهربائي والحراري.

▲ يتوفر معالج Wolfspeed CMPA801B030 في شكل رقائق عارية وحزم صغيرة للغاية، مما يزيد من تحسينات الحجم والوزن والطاقة والتكلفة.

ملاحظة: رقم تصنيف مراقبة الصادرات (ECCN) لجميع الأجهزة المذكورة أعلاه هو 3A001.b.2

تغييرات تكنولوجيا الرادار التمكينية

ترى شركة Strategy Analytics أن أجهزة GaN المذكورة أعلاه ستساعد في تعزيز اعتماد رادارات AESA بشكل أسرع في مجموعة متنوعة ومتزايدة من المنصات، وأن الإنفاق على أنظمة الرادار المصنوعة من GaN سيرتفع من 171.8 مليون دولار أمريكي في عام 2018 إلى 734.1 مليون دولار أمريكي في عام 2028.


هذا المحتوى مأخوذ من الإنترنت/CREE. هذا الموقع الإلكتروني يُعيد نشره فقط. الآراء والمواقف والتقنيات وغيرها الواردة في هذه المقالة لا علاقة لها بهذا الموقع. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها!