GaN-Lösungen: Kleine Bauelemente für große Radaranforderungen

GaN-Lösungen: Kleine Bauelemente für große Radaranforderungen

X-Band-Radar (8 GHz bis 12 GHz) ist ein wichtiges Gerät für die kommerzielle Navigation. Die Luftfahrt ist ein Hauptanwendungsgebiet von X-Band-Radargeräten, die darüber hinaus in einer Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetzt werden, darunter Drohnen, Schiffsverkehrskontrolle, Wetterüberwachung, Vogelbeobachtung in Flughafennähe und Fernerkundung zur Enteisung.

Laut einem Bericht des Marktforschungsunternehmens Strategy Analytics ist X-Band-Radar das größte Marktsegment im Radarbereich. Der Umsatz mit Radargeräten in diesem Frequenzband belief sich 2018 auf fast 6.3 Milliarden US-Dollar, und die entsprechenden Ausgaben werden voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 3.4 % steigen und bis 2028 8.7 Milliarden US-Dollar erreichen.

Doch nicht jedes X-Band-Radar bietet signifikante Wachstumschancen. Aktive elektronisch gesteuerte Phased-Array-Systeme (AESA) erfreuen sich zunehmender Beliebtheit in Forschung und Entwicklung. Das System wird hauptsächlich auf großen Luftfahrtplattformen eingesetzt, findet aber auch in Land- und Seegebieten Anwendung.

AESA-Herausforderung

AESA-Systeme nutzen aktive Antennenarrays mit jeweils Hunderten oder sogar Tausenden von Antennen. Jede Antenne verfügt über eigene Phasen- und Verstärkungsregler. Die Interferenz oder Überlagerung der einzelnen Wellenfronten der Antennenelemente erzeugt ebene Wellen und somit einen in eine bestimmte Richtung gerichteten Radiowellenstrahl. AESA-Radarsysteme steuern diesen Strahl elektronisch durch Phasenverschiebung der Antennenelemente.

Die Antennenelemente sind typischerweise im Abstand einer halben Wellenlänge angeordnet, um die Strahlenbelastung im Nahfeld zu reduzieren. AESA-Radargeräte müssen zudem häufig Signale über einen breiten Bereich hoher Frequenzen aussenden. Diese Frequenzflexibilität ermöglicht es dem Radar, Ziele im Sektor schnell zu erfassen. Dadurch werden sie auch schwerer vor dem Hintergrundrauschen zu orten. Dies erlaubt es Schiffen und Flugzeugen, leistungsstarke Radarsignale auszusenden und gleichzeitig unentdeckt zu bleiben, und bietet eine höhere Störfestigkeit.

Diese Anforderungen stellen Ingenieure vor mehrere Herausforderungen: Jedes Antennenelement muss klein und leicht genug sein, um den geringen Wellenlängenabstand zu ermöglichen, während gleichzeitig die Gesamtgröße und das Gewicht des Systems für den Einsatz in der Luft und auf See handhabbar bleiben müssen. Je nach Anwendung muss das Radarsystem jedoch leistungsstark genug sein, um eine Leistung von einigen hundert Watt bis zu 100 kW zu erbringen. Daher benötigen Radarsysteme eine effiziente Wärmeableitung, was Größe und Gewicht erhöht.

Bei vielen dieser Anwendungsfälle ist es notwendig,Größe, Gewicht, Leistungsaufnahme und Kosten (SWaP-C)Bewerten Sie das System. Der Austausch einzelner Systemkomponenten hat nur geringe Auswirkungen auf diese Aspekte. Daher müssen Technologien für AESA-Radarsysteme signifikante Vorteile hinsichtlich Größe, Gewicht, Leistung und Kosten (SWaP-C) aufweisen.

Basistechnologie: GaN

Galliumnitrid (GaN) ist eine Technologie, die Radarentwicklern helfen kann, zahlreiche Herausforderungen wie Leistungsaufnahme, Wärmeableitung, Gewicht, Größe und Kosteneffizienz zu meistern. Dieses Material zeichnet sich durch eine hohe Elektronenbeweglichkeit aus. Im Vergleich zu Silizium weisen GaN-basierte Bauelemente eine geringe Gate-Ladung und eine niedrige Ausgangskapazität auf und ermöglichen höhere Verstärkungen bei höheren Frequenzen effizienter.

GaN besitzt eine große Bandlücke und eine sehr hohe kritische Durchbruchfeldstärke, was zu einer ausgezeichneten Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen, einer hervorragenden Robustheit bei hohen Versorgungsspannungen und einer ausgezeichneten Leistungsdichte führt.

Durch die Verwendung von Siliziumkarbid (SiC) als Substrat für GaN lassen sich eine geringere Wärmeausdehnung, eine geringere Gitterfehlanpassung und eine exzellente Wärmeleitfähigkeit erzielen, wodurch die Eigenschaften von GaN optimal genutzt werden. Die Wärmeleitfähigkeit von 4H-halbisolierendem SiC beträgt 430 W/mK, während die von Silizium lediglich 146 W/mK beträgt. Dies ermöglicht sehr hohe Leistungsdichten bei gleichzeitig effizienter Wärmeableitung und vermeidet extreme Kanaltemperaturen, die das Bauelement funktionsunfähig machen würden.

Daher kann der Galliumnitrid-auf-Siliziumkarbid-Verstärker (GaN-auf-SiC) in AESA-Radargeräten eine höhere Leistung und äquivalente Ausgangsleistung bei kleinerem Volumen und geringerem Wärmebedarf erzielen. Um die Vorteile von SWaP-C (Size, Weight, Power, Construction) voll auszuschöpfen, sind jedoch weitere technologische Verbesserungen erforderlich.

Kapselung ist der Schlüssel

Die Weiterentwicklung von Phased-Array-Systemen, wie beispielsweise AESA-Radarsystemen, erfordert eine Verkleinerung der Abmessungen und eine engere Integration der Komponenten.

Eine solche Technologie ist der monolithische Mikrowellen-integrierte Schaltkreis (MMIC), der die Fertigung vollständiger Funktionsmodule aus mehreren Komponenten in einem einzigen Bauelement ermöglicht und dadurch die Schaltungsdichte erhöht. MMICs bieten zudem weitere Vorteile, darunter geringere Bauteilfehlanpassungen, reduzierte Signallatenz (aufgrund des geringeren Abstands zwischen den Komponenten) und niedrigere Materialkosten.

Der MMIC ist im QFN-Gehäuse (Quad Flat No-Lead) erhältlich, was weitere Kosten- und Größenvorteile bietet. Da das QFN-Gehäuse kurze Bonddrähte verwendet, wodurch die Induktivität der Anschlüsse reduziert wird, sorgt das freiliegende Kupfer-Chippad für eine hervorragende Wärmeableitung.

Der Wolfspeed CMPA901A020S ist in einem 6-mm-QFN-Gehäuse erhältlich. Es handelt sich um einen 20-W-GaN-auf-SiC-Hochleistungsverstärker, der im Frequenzbereich von 9 GHz bis 10 GHz arbeitet und sich für Impulsradaranwendungen wie beispielsweise Schiffswetterradar eignet. Die dreistufige Verstärkung des Verstärkers bietet eine Großsignalverstärkung von über 30 dB und einen Wirkungsgrad von über 50 %. Dies ermöglicht einen geringeren Gleichstrombedarf des Systems und vereinfachte Lösungen für das Wärmemanagement.

Der Wolfspeed CMPA9396025S ist ein weiterer GaN-MMIC, der zahlreiche Technologien integriert und so die Größen-, Gewichts-, Leistungs- und Kostenoptimierung (SWaP-C) maximiert. Dieser für den Betrieb im Frequenzbereich von 9.3 GHz bis 9.6 GHz ausgelegte Tertiärbaustein ist in einem 6 × 6 mm großen QFN-Gehäuse erhältlich.Die Leistung beträgt 25 W bei einer Impulsbreite von 100 µs und einem Tastverhältnis von 10 %.

Die Wolfspeed CMPA801B030 MMIC-Verstärkerserie arbeitet im Frequenzbereich von 7.9 GHz bis 11 GHz und ermöglicht eine größere Bandbreite und höhere Leistung im X-Band. Ihre typische Ausgangsleistung beträgt bis zu 40 W, die Großsignalverstärkung liegt über 20 dB und der Wirkungsgrad (PAE) erreicht 40 %. Die Produktfamilie wird in einem 7 × 7 mm großen, kunststoffumspritzten QFN-Gehäuse gefertigt und ist sowohl als Chip ohne Chip als auch in einem 10-poligen Metall-/Keramik-Montageflanschgehäuse erhältlich, was zu einer verbesserten elektrischen und thermischen Leistung führt.

▲ Der Wolfspeed CMPA801B030 ist als Bare-Die und in hochkompakten Gehäusen erhältlich, wodurch die SWaP-C-Verbesserungen maximiert werden.

Hinweis: Die ECCN aller oben aufgeführten Geräte lautet 3A001.b.2.

Die Weiterentwicklung der Radartechnologie

Strategy Analytics geht davon aus, dass die oben genannten GaN-Bauelemente dazu beitragen werden, die schnellere Einführung von AESA-Radaren in einer rasch wachsenden Vielfalt von Plattformen zu fördern, und dass die Ausgaben für GaN in Radarsystemen von 171.8 Millionen US-Dollar im Jahr 2018 auf 734.1 Millionen US-Dollar im Jahr 2028 steigen werden.


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