פתרונות GaN: חבילות קטנות עומדות באתגרי מכ"ם גדולים

פתרונות GaN: חבילות קטנות עומדות באתגרי מכ"ם גדולים

מכ"ם X-band (8 GHz עד 12 GHz) הוא פריט ציוד מרכזי המתאים לניווט מסחרי. תעופה היא שימוש עיקרי בציוד מכ"ם X-band, והציוד משמש גם במגוון רחב של יישומים, כולל רחפנים, בקרת תנועה של כלי שיט ימיים, ניטור מזג אוויר, ניטור פעילות ציפורים ליד שדות תעופה וחישה מרחוק נגד קרח.

על פי דו"ח של חברת מחקרי השוק Strategy Analytics, מכ"ם X-band הוא פלח שוק המכ"ם הגדול ביותר. מכירות מכ"מים בתחום זה היו קרובות ל-6.3 מיליארד דולר בשנת 2018, וההוצאות המקבילות צפויות לגדול בקצב צמיחה שנתי מצטבר של 3.4%, ולהגיע ל-8.7 מיליארד דולר בשנת 2028.

אבל לא סתם מכ"ם X-band מציע הזדמנויות צמיחה משמעותיות. מערכות סריקה אלקטרונית אקטיבית (AESA) הופכות פופולריות יותר ויותר למחקר ופיתוח. המערכת משמשת בעיקר בפלטפורמות אוויריות גדולות, אך משמשת גם בפלחי שוק יבשתיים וימיים.

אתגר AESA

מערכות AESA משתמשות במערכים אקטיביים, שבכל אחד מהם מאות או אפילו אלפי אנטנות. לכל אנטנה יש בקרות פאזה והגבר משלה. ההפרעה או הסופרפוזיציה של חזיתות גל בודדות של אלמנטי אנטנה יוצרת גלים מישוריים, ובכך מייצרת למעשה קרן גלי רדיו הנעה בכיוון מסוים. מערכות מכ"ם AESA מכוונות את הקרן באופן אלקטרוני על ידי הזזת הפאזה של אלמנטי האנטנה.

אלמנטים של אנטנה מרוחקים בדרך כלל בחצי אורך גל זה מזה כדי להפחית את החשיפה בשדה הקרוב. מכ"מי AESA צריכים לעתים קרובות גם לפזר אותות על פני טווח רחב של תדרים גבוהים. גמישות תדרים כזו מאפשרת למכ"ם לחפש במהירות מטרות בגזרה. זה גם מקשה על גילוי שלהם בין רעשי רקע. זה מאפשר לספינות ולמטוסים לפלוט אותות מכ"ם בעלי עוצמה גבוהה תוך שמירה על חמקנות ומספק חסינות רבה יותר להפרעות.

דרישות אלו מציבות מספר אתגרים בפני מהנדסים: כל רכיב אנטנה חייב להיות קטן וקל משקל מספיק כדי להתאים למרווח הגל הזעיר, תוך שמירה על גודל ומשקל המערכת הכוללים ניתנים לניהול לשימוש באוויר ובים. עם זאת, בהתאם ליישום, מערכת המכ"ם חייבת להיות חזקה מספיק כדי להפיק בין כמה מאות וואט ל-100 קילוואט. לכן, מערכות מכ"ם דורשות יכולות פיזור חום יעילות, מה שמגדיל את הגודל והמשקל.

בין מקרי השימוש הרבים הללו, יש צורך בגודל, משקל, הספק ועלות (SWaP-C)הערכת המערכת. החלפת מספר מצומצם של רכיבים במערכת לא תשפיע רבות על שיקולים אלה. לכן, טכנולוגיות המאפשרות מערכות מכ"ם AESA חייבות להפגין יתרונות משמעותיים בשיפורי SWaP-C.

טכנולוגיה מאפשרת: GaN

הטכנולוגיה שיכולה לעזור למתכנני מכ"ם להתגבר על אתגרים רבים כגון הספק, פיזור חום, משקל וגודל, וחסכון בעלות היא גליום ניטריד (GaN). לחומר זה ניידות אלקטרונים גבוהה. ובהשוואה לסיליקון, להתקנים מבוססי GaN יש מטען שער נמוך וקיבול יציאה נמוך, והם יכולים לייצר הגבר גבוה יותר בתדרים גבוהים יותר בצורה יעילה יותר.

ל-GaN יש פער אנרגיה רחב ושדה חשמלי קריטי גבוה מאוד, אשר יביאו אמינות מעולה בטמפרטורה גבוהה, עמידות יוצאת דופן במתחי אספקה ​​גבוהים וצפיפות הספק מעולה.

שימוש בסיליקון קרביד (SiC) כמצע של GaN יכול להשיג התפשטות תרמית נמוכה יותר, אי התאמה נמוכה יותר בסריג ומוליכות תרמית מעולה, ובכך לנצל באופן מלא את המאפיינים של GaN. המוליכות התרמית של פוליאתילן SiC מבודד למחצה 4H היא 430 W/mK, בעוד שהמוליכות התרמית של סיליקון נמוכה עד כדי 146 W/mK. זה מאפשר צפיפויות הספק גבוהות מאוד תוך פיזור חום ביעילות, תוך הימנעות מטמפרטורות קיצוניות של התעלות שיהפכו את המכשיר לבלתי ניתן להפעלה.

לכן, מגבר גליום ניטריד על סיליקון קרביד (GaN-on-SiC) במכ"ם AESA יכול להשיג ביצועים גבוהים יותר והספק פלט שווה ערך בנפח קטן יותר תוך חיסכון בדרישות פיזור חום. אך כדי לממש את היתרונות המשופרים של SWaP-C, יש צורך לעשות יותר מבחינת טכנולוגיית המכשיר.

אנקפסולציה היא המפתח

פיתוח נוסף של מערכי פאזה, כגון מערכות מכ"ם AESA, ידרוש צמצום גודל ושילוב הדוק יותר של רכיבים.

טכנולוגיה אחת כזו היא מעגל משולב מיקרוגל מונוליטי (MMIC), המאפשר ייצור מודולים פונקציונליים שלמים של רכיבים מרובים בהתקן יחיד, ובכך להגדיל את צפיפות המעגלים. ל-MMICs יש גם יתרונות נוספים, כולל הפחתת אי-התאמה בין רכיבים, הפחתת השהיית אות (בשל המרחק הקצר יותר בין רכיבים ב-MMICs), ועלות כוללת מופחתת של רשימת חומרים (BoM).

ה-MMIC זמין במארז Quad Flat No-Lead (QFN), המציע יתרונות נוספים להפחתת עלות וגודל. מכיוון שמארז ה-QFN משתמש בחוטי קשר קצרים, המסייעים בהפחתת השראות עופרת, משטח השבב החשוף מנחושת מספק ביצועים תרמיים מצוינים.

התקן Wolfspeed CMPA901A020S זמין במארז QFN של 6 מ"מ. זהו מגבר GaN-on-SiC בעל הספק גבוה של 20W שיכול לפעול בטווח התדרים 9 GHz עד 10 GHz ומתאים ליישומי מכ"ם דופקים כגון מכ"ם מזג אוויר ימי. ההגבר התלת-שלבי של המגבר מספק הגבר אות גדול של יותר מ-30 dB ויעילות של יותר מ-50%, מה שמאפשר דרישות הספק DC נמוכות יותר של המערכת ומאפשר פתרונות ניהול תרמי פשוטים יותר של המערכת.

Wolfspeed CMPA9396025S הוא רכיב MMIC נוסף מסוג GaN שיכול לשלב טכנולוגיות רבות כדי למקסם את שיפורי SWaP-C. התקן שלישוני זה, שתוכנן לפעולה בתדרים של 9.3 גיגה-הרץ עד 9.6 גיגה-הרץ, זמין במארז QFN בגודל 6 × 6 מ"מ.ההספק הוא 25 וואט ברוחב פולס של 100 מיקרו-שנייה, מחזור עבודה של 10%.

סדרת מגברי MMIC מדגם Wolfspeed CMPA801B030, הפועלים בטווח התדרים 7.9 גיגה-הרץ עד 11 גיגה-הרץ, מאפשרים רוחב פס רחב יותר והספק גבוה יותר בתחום ה-X. ערך המוצא הטיפוסי שלו הוא עד 40 וואט, הגבר האות הגדול שלו גדול מ-20 dB, ויעילות ההספק המוסף שלו מגיעה ל-40%. משפחת המוצרים מיוצרת ב-QFN יצוק פלסטיק בגודל 7 × 7 מ"מ וזמינה הן במארזי אוגן עם שבב חשוף והן במארזי אוגן עם מתכת/קרמיקה בעלי 10 פינים, וכתוצאה מכך ביצועים חשמליים ותרמיים משופרים.

▲ Wolfspeed CMPA801B030 זמין במארזים קומפקטיים במיוחד ובמארזי שבב חשוף, מה שממקסם את שיפורי SWaP-C.

הערה: ה-ECCN של כל ההתקנים המפורטים לעיל הוא 3A001.b.2

שינויים בטכנולוגיית מכ"ם מעצימים

באסטרטגיית אנליטיקס מאמינים כי התקני ה-GaN שהוזכרו לעיל יסייעו לקדם אימוץ מהיר יותר של מכ"מי AESA במגוון גדל במהירות של פלטפורמות, וכי הוצאות GaN על מערכות מכ"ם יעלו מ-171.8 מיליון דולר בשנת 2018 ל-734.1 מיליון דולר בשנת 2028.


תוכן זה מגיע מהאינטרנט/CREE. אתר זה מספק רק הדפסה חוזרת. הדעות, העמדות, הטכנולוגיה וכו' של מאמר זה אינם קשורים לאתר זה. אם ישנה הפרה כלשהי, אנא צרו עמנו קשר כדי למחוק אותה!