Solutions GaN : Des boîtiers compacts pour relever les grands défis radar

Solutions GaN : Des boîtiers compacts pour relever les grands défis radar

Le radar en bande X (8 GHz à 12 GHz) est un équipement essentiel pour la navigation commerciale. L'aviation est l'une des principales applications de ce type de radar, qui est également déployé dans de nombreux autres domaines, tels que les drones, le contrôle du trafic maritime, la surveillance météorologique, le suivi de l'activité aviaire à proximité des aéroports et la télédétection pour le dégivrage.

D'après un rapport du cabinet d'études de marché Strategy Analytics, le radar en bande X représente le segment le plus important du marché des radars. Les ventes de radars fonctionnant dans cette bande ont avoisiné les 6.3 milliards de dollars en 2018, et les dépenses correspondantes devraient croître à un taux de croissance annuel composé de 3.4 %, pour atteindre 8.7 milliards de dollars en 2028.

Mais tous les radars en bande X ne présentent pas d'importantes perspectives de croissance. Les systèmes à antenne active à balayage électronique (AESA) sont de plus en plus prisés pour la recherche et le développement. Ce système est principalement utilisé sur de grandes plateformes aéroportées, mais également dans les secteurs terrestre et maritime.

Défi AESA

Les systèmes AESA utilisent des réseaux actifs, chacun comportant des centaines, voire des milliers d'antennes. Chaque antenne possède ses propres commandes de phase et de gain. L'interférence ou la superposition des fronts d'onde individuels des éléments d'antenne génère des ondes planes, produisant ainsi un faisceau d'ondes radio se propageant dans une direction spécifique. Les systèmes radar AESA orientent électroniquement ce faisceau en modifiant la phase des éléments d'antenne.

Les éléments d'antenne sont généralement espacés d'une demi-longueur d'onde afin de réduire l'exposition en champ proche. Les radars AESA doivent également souvent répartir les signaux sur une large gamme de hautes fréquences. Cette agilité fréquentielle permet au radar de rechercher rapidement des cibles dans le secteur. Elle les rend également plus difficiles à détecter parmi le bruit de fond. Ceci permet aux navires et aux aéronefs d'émettre des signaux radar de forte puissance tout en restant furtifs et offre une meilleure immunité aux interférences.

Ces exigences posent plusieurs défis aux ingénieurs : chaque élément d’antenne doit être suffisamment petit et léger pour respecter l’espacement inter-longueurs d’onde très faible, tout en conservant des dimensions et un poids globaux compatibles avec une utilisation aérienne et maritime. Cependant, selon l’application, le système radar doit être suffisamment puissant pour délivrer une puissance allant de quelques centaines de watts à 100 kW. Par conséquent, les systèmes radar nécessitent une dissipation thermique efficace, ce qui augmente leur taille et leur poids.

Parmi ces nombreux cas d'utilisation, il est nécessaire deTaille, poids, puissance et coût (SWaP-C)Évaluer le système. Le remplacement de quelques composants seulement n'aura que peu d'incidence sur ces considérations. Par conséquent, les technologies permettant le fonctionnement des systèmes radar AESA doivent démontrer des avantages significatifs en termes d'amélioration du rapport taille/poids/consommation (SWaP-C).

Technologie habilitante : GaN

La technologie du nitrure de gallium (GaN) permet aux concepteurs de radars de surmonter de nombreux défis liés à la consommation d'énergie, à la dissipation thermique, au poids, à la taille et au rapport coût-efficacité. Ce matériau présente une mobilité électronique élevée. De plus, comparés au silicium, les dispositifs à base de GaN possèdent une faible charge de grille et une faible capacité de sortie, et peuvent produire des gains plus élevés à des fréquences plus élevées, et ce, de manière plus efficace.

Le GaN possède une large bande interdite et un champ électrique de claquage critique très élevé, ce qui lui confère une excellente fiabilité à haute température, une robustesse exceptionnelle sous des tensions d'alimentation élevées et une excellente densité de puissance.

L'utilisation du carbure de silicium (SiC) comme substrat du GaN permet d'obtenir une dilatation thermique et un désaccord de maille réduits, ainsi qu'une excellente conductivité thermique, exploitant ainsi pleinement les caractéristiques du GaN. La conductivité thermique du SiC de type 4H semi-isolant est de 430 W/mK, tandis que celle du silicium est de seulement 146 W/mK. Ceci permet d'atteindre des densités de puissance très élevées tout en dissipant efficacement la chaleur, évitant ainsi les températures extrêmes du canal qui rendraient le dispositif inutilisable.

Par conséquent, l'amplificateur à base de nitrure de gallium sur carbure de silicium (GaN/SiC) utilisé dans les radars AESA permet d'atteindre des performances supérieures et une puissance de sortie équivalente dans un volume réduit, tout en diminuant les besoins en dissipation thermique. Toutefois, pour exploiter pleinement les avantages en termes de taille, poids, puissance et coût (SWaP-C), des progrès supplémentaires sont nécessaires au niveau de la technologie des composants.

L'encapsulation est essentielle

Le développement futur des réseaux à commande de phase, tels que les systèmes radar AESA, nécessitera une réduction de taille et une intégration plus étroite des composants.

L'une de ces technologies est le circuit intégré monolithique hyperfréquence (MMIC), qui permet de fabriquer des modules fonctionnels complets composés de plusieurs éléments sur un seul dispositif, augmentant ainsi la densité des circuits. Les MMIC présentent également d'autres avantages, tels qu'une réduction des erreurs d'appariement des composants, une latence de signal réduite (grâce à la plus faible distance entre les composants) et un coût global de nomenclature (BoM) réduit.

Le MMIC est disponible en boîtier QFN (Quad Flat No-Lead), ce qui permet de réduire encore les coûts et la taille. Grâce à ses fils de connexion courts, qui contribuent à diminuer l'inductance des broches, la pastille de cuivre exposée de la puce offre d'excellentes performances thermiques.

Le composant Wolfspeed CMPA901A020S est disponible en boîtier QFN de 6 mm. Cet amplificateur de puissance GaN sur SiC de 20 W fonctionne dans la bande de fréquences de 9 à 10 GHz et convient aux applications radar à impulsions, notamment les radars météorologiques maritimes. Son gain à trois étages offre un gain en grand signal supérieur à 30 dB et un rendement supérieur à 50 %, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie CC du système et de simplifier sa gestion thermique.

Le Wolfspeed CMPA9396025S est un autre MMIC GaN capable d'intégrer de nombreuses technologies pour optimiser les performances en termes de taille, de poids, de consommation et de coût (SWaP-C). Conçu pour fonctionner entre 9.3 GHz et 9.6 GHz, ce composant tertiaire est disponible en boîtier QFN de 6 × 6 mm.La puissance est de 25 W à une largeur d'impulsion de 100 µs, avec un rapport cyclique de 10 %.

La série d'amplificateurs MMIC Wolfspeed CMPA801B030, fonctionnant dans la bande de fréquences de 7.9 GHz à 11 GHz, offre une bande passante plus large et une puissance plus élevée en bande X. Sa puissance de sortie typique atteint 40 W, son gain en grand signal est supérieur à 20 dB et son rendement d'amplification atteint 40 %. Cette gamme de produits est fabriquée en boîtier QFN surmoulé plastique de 7 × 7 mm et est disponible en version nue ou en boîtier à bride de montage métal/céramique à 10 broches, ce qui améliore ses performances électriques et thermiques.

▲ Le Wolfspeed CMPA801B030 est disponible en puce nue et en boîtiers ultra-compacts, optimisant ainsi les améliorations SWaP-C.

Remarque : Le numéro ECCN de tous les appareils mentionnés ci-dessus est 3A001.b.2

Des changements technologiques radar performants

Strategy Analytics estime que les dispositifs GaN susmentionnés contribueront à promouvoir une adoption plus rapide des radars AESA sur une variété croissante de plateformes, et que les dépenses en GaN pour les systèmes radar passeront de 171.8 millions de dollars américains en 2018 à 734.1 millions de dollars américains en 2028.


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