Solusi GaN: Paket Kecil Memenuhi Tantangan Radar yang Besar

Solusi GaN: Paket Kecil Memenuhi Tantangan Radar yang Besar

Radar pita X (8 GHz hingga 12 GHz) adalah peralatan kunci yang cocok untuk navigasi komersial. Penerbangan merupakan penggunaan utama peralatan radar pita X, dan peralatan ini juga digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk drone, pengendalian lalu lintas kapal maritim, pemantauan cuaca, pemantauan aktivitas burung di dekat bandara, dan penginderaan jarak jauh anti-pembekuan.

Menurut laporan dari perusahaan riset pasar Strategy Analytics, radar pita X merupakan segmen pasar radar terbesar. Penjualan radar di pita ini mendekati $6.3 miliar pada tahun 2018, dan pengeluaran terkait diperkirakan akan tumbuh dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 3.4%, mencapai $8.7 miliar pada tahun 2028.

Namun, tidak semua radar X-band memiliki peluang pertumbuhan yang signifikan. Sistem Active Electronically Scanned Array (AESA) semakin populer untuk penelitian dan pengembangan. Sistem ini terutama digunakan pada platform udara besar, tetapi juga digunakan di segmen pasar darat dan maritim.

Tantangan AESA

Sistem AESA menggunakan susunan aktif, masing-masing dengan ratusan atau bahkan ribuan antena. Setiap antena memiliki kontrol fase dan penguatannya sendiri. Interferensi atau superposisi gelombang muka individual dari elemen antena menghasilkan gelombang bidang, yang secara efektif menghasilkan berkas gelombang radio yang bergerak ke arah tertentu. Sistem radar AESA secara elektronik mengarahkan berkas tersebut dengan menggeser fase elemen antena.

Elemen antena biasanya dipisahkan sejauh setengah panjang gelombang untuk mengurangi paparan di medan dekat. Radar AESA juga sering perlu menyebarkan sinyal pada rentang frekuensi tinggi yang luas. Kelincahan frekuensi seperti itu memungkinkan radar untuk dengan cepat mencari target di sektor tersebut. Hal ini juga membuat radar lebih sulit dideteksi di antara kebisingan latar belakang. Ini memungkinkan kapal dan pesawat terbang untuk memancarkan sinyal radar berdaya tinggi sambil tetap tersembunyi dan memberikan kekebalan yang lebih besar terhadap interferensi.

Persyaratan ini menghadirkan beberapa tantangan bagi para insinyur: Setiap elemen antena harus cukup kecil dan ringan untuk mengakomodasi jarak panjang gelombang yang sangat kecil, sambil menjaga ukuran dan berat sistem secara keseluruhan agar tetap mudah dikelola untuk digunakan di udara dan di laut. Namun, tergantung pada aplikasinya, sistem radar harus cukup kuat untuk menghasilkan daya keluaran mulai dari beberapa ratus watt hingga sebanyak 100 kW. Oleh karena itu, sistem radar membutuhkan kemampuan pembuangan panas yang efisien, yang meningkatkan ukuran dan berat.

Di antara banyak kasus penggunaan ini, perlu untukUkuran, berat, daya, dan biaya (SWaP-C)Evaluasi sistem tersebut. Mengganti hanya beberapa komponen dalam sistem tidak akan banyak berpengaruh pada pertimbangan ini. Oleh karena itu, teknologi yang memungkinkan sistem radar AESA harus menunjukkan keunggulan signifikan dalam peningkatan SWaP-C (Size, Weight, and Power-C).

Teknologi pendukung: GaN

Teknologi yang dapat membantu perancang radar mengatasi banyak tantangan seperti daya, pembuangan panas, berat dan ukuran, serta efektivitas biaya adalah galium nitrida (GaN). Material ini memiliki mobilitas elektron yang tinggi. Dan dibandingkan dengan silikon, perangkat berbasis GaN memiliki muatan gerbang rendah dan kapasitansi keluaran rendah, serta dapat menghasilkan penguatan yang lebih tinggi pada frekuensi yang lebih tinggi secara lebih efisien.

GaN memiliki celah pita energi yang lebar dan medan listrik tembus kritis yang sangat tinggi, yang akan menghasilkan keandalan suhu tinggi yang sangat baik, ketahanan luar biasa pada tegangan suplai tinggi, dan kepadatan daya yang sangat baik.

Penggunaan silikon karbida (SiC) sebagai substrat GaN dapat menghasilkan ekspansi termal yang lebih rendah, ketidaksesuaian kisi yang lebih rendah, dan konduktivitas termal yang sangat baik, sehingga memanfaatkan sepenuhnya karakteristik GaN. Konduktivitas termal polipe SiC semi-isolasi 4H adalah 430 W/mK, sedangkan konduktivitas termal silikon serendah 146 W/mK. Hal ini memungkinkan kepadatan daya yang sangat tinggi sambil menghilangkan panas secara efisien, menghindari suhu saluran ekstrem yang akan membuat perangkat tidak dapat beroperasi.

Oleh karena itu, penguat galium nitrida pada silikon karbida (GaN-on-SiC) dalam radar AESA dapat mencapai kinerja yang lebih tinggi dan daya keluaran yang setara dalam volume yang lebih kecil sekaligus menghemat kebutuhan pembuangan panas. Namun, untuk mewujudkan manfaat SWaP-C yang lebih baik, masih banyak yang perlu dilakukan dalam hal teknologi perangkat.

Enkapsulasi adalah kuncinya

Pengembangan lebih lanjut dari susunan bertahap (phased array), seperti sistem radar AESA, akan membutuhkan pengurangan ukuran dan integrasi komponen yang lebih erat.

Salah satu teknologi tersebut adalah sirkuit terpadu gelombang mikro monolitik (MMIC), yang memungkinkan modul fungsional lengkap dari berbagai komponen untuk dibuat dalam satu perangkat, sehingga meningkatkan kepadatan sirkuit. MMIC juga memiliki keunggulan tambahan, termasuk pengurangan ketidaksesuaian komponen, pengurangan latensi sinyal (karena jarak yang lebih pendek antara komponen pada MMIC), dan pengurangan biaya keseluruhan daftar material (BoM).

MMIC ini tersedia dalam paket Quad Flat No-Lead (QFN), yang menawarkan manfaat pengurangan biaya dan ukuran lebih lanjut. Karena paket QFN menggunakan kawat penghubung pendek, yang membantu mengurangi induktansi timah, bantalan die tembaga yang terbuka memberikan kinerja termal yang sangat baik.

Perangkat Wolfspeed CMPA901A020S tersedia dalam paket QFN 6 mm. Ini adalah penguat daya tinggi GaN-on-SiC 20W yang dapat beroperasi dalam rentang frekuensi 9 GHz hingga 10 GHz dan cocok untuk aplikasi radar pulsa seperti radar cuaca maritim. Penguatan tiga tahap penguat memberikan penguatan sinyal besar lebih dari 30 dB dan efisiensi lebih dari 50%, memungkinkan kebutuhan daya DC sistem yang lebih rendah dan memungkinkan solusi manajemen termal sistem yang lebih sederhana.

Wolfspeed CMPA9396025S adalah MMIC GaN lain yang dapat mengintegrasikan banyak teknologi untuk memaksimalkan peningkatan SWaP-C. Dirancang untuk operasi 9.3 GHz hingga 9.6 GHz, perangkat tersier ini tersedia dalam paket QFN 6 × 6 mm.Daya yang dihasilkan adalah 25 W dengan lebar pulsa 100 µs dan siklus kerja 10%.

Seri penguat MMIC Wolfspeed CMPA801B030, yang beroperasi pada rentang frekuensi 7.9 GHz hingga 11 GHz, memungkinkan bandwidth yang lebih luas dan daya yang lebih tinggi pada pita X. Nilai output tipikalnya hingga 40 W, penguatan sinyal besarnya lebih dari 20 dB, dan efisiensi penambahan dayanya mencapai 40%. Keluarga produk ini diproduksi dalam kemasan QFN cetakan plastik 7 × 7 mm dan tersedia dalam kemasan die telanjang dan kemasan flensa pemasangan logam/keramik 10 pin, menghasilkan peningkatan kinerja listrik dan termal.

▲ Wolfspeed CMPA801B030 tersedia dalam kemasan bare die dan kemasan yang sangat ringkas, memaksimalkan peningkatan SWaP-C.

Catatan: ECCN dari semua perangkat yang tercantum di atas adalah 3A001.b.2

Memberdayakan perubahan teknologi radar

Strategy Analytics meyakini bahwa perangkat GaN yang disebutkan di atas akan membantu mendorong adopsi radar AESA yang lebih cepat di berbagai platform yang berkembang pesat, dan bahwa pengeluaran GaN untuk sistem radar akan meningkat dari US$171.8 juta pada tahun 2018 menjadi US$734.1 juta pada tahun 2028.


Konten ini berasal dari Internet/CREE. Situs web ini hanya menyediakan pencetakan ulang. Pandangan, pendirian, teknologi, dll. dari artikel ini tidak ada hubungannya dengan situs web ini. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya!