Soluciones de GaN: Paquetes pequeños para afrontar los grandes desafíos del radar.

Soluciones de GaN: Paquetes pequeños para afrontar los grandes desafíos del radar.

El radar de banda X (de 8 GHz a 12 GHz) es un equipo clave para la navegación comercial. La aviación es uno de los principales usos de este tipo de radar, que también se emplea en una amplia gama de aplicaciones, como drones, control del tráfico marítimo, monitoreo meteorológico, seguimiento de la actividad aviar cerca de aeropuertos y teledetección para la prevención de la formación de hielo.

Según un informe de la firma de investigación de mercado Strategy Analytics, el radar de banda X es el segmento de mercado de radares más grande. Las ventas de radares en esta banda alcanzaron casi los 6.3 millones de dólares en 2018, y se espera que el gasto correspondiente crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta del 3.4 %, llegando a los 8.7 millones de dólares en 2028.

Pero no cualquier radar de banda X ofrece importantes oportunidades de crecimiento. Los sistemas de barrido electrónico activo (AESA) son cada vez más populares para la investigación y el desarrollo. Este sistema se utiliza principalmente en grandes plataformas aéreas, pero también en los segmentos de mercado terrestre y marítimo.

Desafío AESA

Los sistemas AESA utilizan conjuntos activos, cada uno con cientos o incluso miles de antenas. Cada antena tiene sus propios controles de fase y ganancia. La interferencia o superposición de los frentes de onda individuales de los elementos de la antena genera ondas planas, produciendo efectivamente un haz de ondas de radio que se propaga en una dirección específica. Los sistemas de radar AESA dirigen electrónicamente el haz modificando la fase de los elementos de la antena.

Los elementos de la antena suelen estar espaciados a media longitud de onda para reducir la exposición en el campo cercano. Los radares AESA también suelen necesitar distribuir las señales en un amplio rango de altas frecuencias. Esta agilidad de frecuencia permite al radar buscar rápidamente objetivos en el sector, lo que dificulta su detección entre el ruido de fondo. Esto permite que los barcos y las aeronaves emitan señales de radar de alta potencia sin ser detectados y proporciona una mayor inmunidad a las interferencias.

Estos requisitos plantean varios desafíos para los ingenieros: cada elemento de antena debe ser lo suficientemente pequeño y ligero para adaptarse al reducido espaciado entre longitudes de onda, manteniendo al mismo tiempo un tamaño y peso manejables para su uso en el aire y en el mar. Sin embargo, según la aplicación, el sistema de radar debe ser lo suficientemente potente como para generar desde unos pocos cientos de vatios hasta 100 kW. Por lo tanto, los sistemas de radar requieren una disipación de calor eficiente, lo que incrementa su tamaño y peso.

Entre muchos de estos casos de uso, es necesarioTamaño, peso, potencia y coste (SWaP-C)Evalúe el sistema. Reemplazar solo algunos componentes no tendrá un gran impacto en estas consideraciones. Por lo tanto, las tecnologías que permiten los sistemas de radar AESA deben demostrar ventajas significativas en cuanto a mejoras en tamaño, peso, potencia y costo (SWaP-C).

Tecnología habilitadora: GaN

La tecnología que puede ayudar a los diseñadores de radares a superar muchos desafíos, como el consumo de energía, la disipación de calor, el peso, el tamaño y la rentabilidad, es el nitruro de galio (GaN). Este material posee una alta movilidad electrónica. Además, en comparación con el silicio, los dispositivos basados ​​en GaN tienen una baja carga de puerta y una baja capacitancia de salida, y pueden producir mayores ganancias a frecuencias más altas con mayor eficiencia.

El GaN posee una amplia banda prohibida de energía y un campo eléctrico crítico de ruptura muy elevado, lo que proporciona una excelente fiabilidad a altas temperaturas, una robustez excepcional a altos voltajes de alimentación y una excelente densidad de potencia.

El uso de carburo de silicio (SiC) como sustrato de GaN permite obtener una menor expansión térmica, una menor discrepancia de red y una excelente conductividad térmica, aprovechando así al máximo las características del GaN. La conductividad térmica del SiC, un politipo semi-aislante 4H, es de 430 W/mK, mientras que la del silicio es de tan solo 146 W/mK. Esto posibilita densidades de potencia muy elevadas, disipando el calor de forma eficiente y evitando temperaturas extremas en el canal que podrían inutilizar el dispositivo.

Por lo tanto, el amplificador de nitruro de galio sobre carburo de silicio (GaN-on-SiC) en el radar AESA puede lograr un mayor rendimiento y una potencia de salida equivalente en un volumen menor, a la vez que reduce los requisitos de disipación de calor. Sin embargo, para aprovechar las ventajas de SWaP-C mejoradas, es necesario seguir avanzando en la tecnología de los dispositivos.

La encapsulación es clave

El desarrollo posterior de antenas de fase selectiva, como los sistemas de radar AESA, requerirá una reducción del tamaño y una integración más estrecha de los componentes.

Una de estas tecnologías es el circuito integrado monolítico de microondas (MMIC), que permite fabricar módulos funcionales completos con múltiples componentes en un solo dispositivo, aumentando así la densidad del circuito. Los MMIC también ofrecen ventajas adicionales, como una menor incompatibilidad entre componentes, una menor latencia de la señal (debido a la menor distancia entre componentes) y una reducción del coste total de la lista de materiales (BoM).

El MMIC está disponible en un encapsulado QFN (Quad Flat No-Lead), que ofrece ventajas adicionales en cuanto a coste y tamaño. Gracias a que el encapsulado QFN utiliza cables de conexión cortos, que ayudan a reducir la inductancia de los terminales, su almohadilla de cobre expuesta proporciona un excelente rendimiento térmico.

El dispositivo Wolfspeed CMPA901A020S está disponible en un encapsulado QFN de 6 mm. Se trata de un amplificador de alta potencia GaN-on-SiC de 20 W que opera en el rango de frecuencia de 9 GHz a 10 GHz y es adecuado para aplicaciones de radar de impulsos, como radares meteorológicos marinos. Su ganancia de tres etapas proporciona una ganancia de señal grande superior a 30 dB y una eficiencia superior al 50 %, lo que permite reducir los requisitos de alimentación de CC del sistema y simplificar las soluciones de gestión térmica.

El Wolfspeed CMPA9396025S es otro MMIC de GaN que integra diversas tecnologías para maximizar las mejoras en tamaño, peso y consumo de energía (SWaP-C). Diseñado para operar en el rango de 9.3 GHz a 9.6 GHz, este dispositivo terciario está disponible en un encapsulado QFN de 6 × 6 mm.La potencia es de 25 W con un ancho de pulso de 100 µs y un ciclo de trabajo del 10 %.

La serie de amplificadores MMIC Wolfspeed CMPA801B030, que opera en el rango de frecuencia de 7.9 GHz a 11 GHz, permite un mayor ancho de banda y una mayor potencia en la banda X. Su potencia de salida típica alcanza los 40 W, su ganancia de señal grande supera los 20 dB y su eficiencia de potencia añadida llega al 40 %. Esta familia de productos se fabrica en encapsulados QFN de 7 × 7 mm sobremoldeados en plástico y está disponible tanto en encapsulados sin carcasa como en encapsulados con brida de montaje metálico/cerámico de 10 pines, lo que resulta en un rendimiento eléctrico y térmico mejorado.

▲ El Wolfspeed CMPA801B030 está disponible en encapsulados sin chip y en encapsulados altamente compactos, lo que maximiza las mejoras en SWaP-C.

Nota: El ECCN de todos los dispositivos mencionados anteriormente es 3A001.b.2

Potenciando los cambios en la tecnología del radar

Strategy Analytics considera que los dispositivos GaN mencionados anteriormente contribuirán a promover una adopción más rápida de los radares AESA en una variedad de plataformas cada vez mayor, y que el gasto en GaN para sistemas de radar aumentará de 171.8 millones de dólares estadounidenses en 2018 a 734.1 millones de dólares estadounidenses en 2028.


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