Soluzioni GaN: piccoli pacchetti per affrontare le grandi sfide del radar

Soluzioni GaN: piccoli pacchetti per affrontare le grandi sfide del radar

Il radar in banda X (da 8 GHz a 12 GHz) è un'apparecchiatura fondamentale per la navigazione commerciale. L'aviazione rappresenta un importante settore di utilizzo per le apparecchiature radar in banda X, che trovano impiego anche in una vasta gamma di applicazioni, tra cui droni, controllo del traffico marittimo, monitoraggio meteorologico, monitoraggio dell'attività degli uccelli in prossimità degli aeroporti e telerilevamento antighiaccio.

Secondo un rapporto della società di ricerche di mercato Strategy Analytics, i radar in banda X rappresentano il segmento di mercato più ampio nel settore. Le vendite di radar in questa banda hanno raggiunto quasi 6.3 miliardi di dollari nel 2018 e si prevede che la spesa corrispondente crescerà a un tasso di crescita annuo composto del 3.4%, arrivando a 8.7 miliardi di dollari nel 2028.

Ma non tutti i radar in banda X offrono significative opportunità di crescita. I sistemi AESA (Active Electronically Scanned Array) sono sempre più diffusi nella ricerca e sviluppo. Questo sistema viene utilizzato principalmente su grandi piattaforme aeree, ma trova impiego anche nei settori terrestre e marittimo.

AESA Challenge

I sistemi AESA utilizzano array attivi, ciascuno con centinaia o addirittura migliaia di antenne. Ogni antenna ha i propri controlli di fase e guadagno. L'interferenza o la sovrapposizione dei singoli fronti d'onda degli elementi dell'antenna genera onde piane, producendo di fatto un fascio di onde radio che viaggia in una direzione specifica. I sistemi radar AESA orientano elettronicamente il fascio modificando la fase degli elementi dell'antenna.

Gli elementi dell'antenna sono in genere distanziati di mezza lunghezza d'onda per ridurre l'esposizione nel campo vicino. I radar AESA spesso necessitano anche di diffondere i segnali su un'ampia gamma di alte frequenze. Tale agilità di frequenza consente al radar di ricercare rapidamente i bersagli nel settore. Ciò li rende anche più difficili da rilevare nel rumore di fondo. Questo permette a navi e aerei di emettere segnali radar ad alta potenza pur rimanendo invisibili e offre una maggiore immunità alle interferenze.

Questi requisiti pongono diverse sfide agli ingegneri: ogni elemento dell'antenna deve essere sufficientemente piccolo e leggero da adattarsi alla minuscola spaziatura delle lunghezze d'onda, mantenendo al contempo dimensioni e peso complessivi del sistema gestibili per l'utilizzo in aria e in mare. Tuttavia, a seconda dell'applicazione, il sistema radar deve essere abbastanza potente da erogare una potenza che va da poche centinaia di watt fino a 100 kW. Pertanto, i sistemi radar richiedono efficienti capacità di dissipazione del calore, il che ne aumenta dimensioni e peso.

Tra i molti di questi casi d'uso, è necessarioDimensioni, peso, consumo energetico e costo (SWaP-C)Valutare il sistema. La sostituzione di pochi componenti del sistema non avrà un impatto significativo su queste considerazioni. Pertanto, le tecnologie che abilitano i sistemi radar AESA devono dimostrare vantaggi significativi in ​​termini di miglioramento di SWaP-C.

Tecnologia abilitante: GaN

La tecnologia che può aiutare i progettisti di radar a superare molte sfide, come quelle relative a potenza, dissipazione del calore, peso, dimensioni e rapporto costo-efficacia, è il nitruro di gallio (GaN). Questo materiale presenta un'elevata mobilità degli elettroni. Inoltre, rispetto al silicio, i dispositivi basati su GaN hanno una bassa carica di gate e una bassa capacità di uscita, e possono produrre guadagni più elevati a frequenze più alte in modo più efficiente.

Il GaN possiede un'ampia banda proibita energetica e un campo elettrico critico di rottura molto elevato, che garantiscono un'eccellente affidabilità alle alte temperature, una straordinaria robustezza alle alte tensioni di alimentazione e un'eccellente densità di potenza.

L'utilizzo del carburo di silicio (SiC) come substrato del GaN consente di ottenere una minore dilatazione termica, un minore disallineamento reticolare e un'eccellente conduttività termica, sfruttando appieno le caratteristiche del GaN. La conduttività termica del SiC politipo semi-isolante 4H è di 430 W/mK, mentre quella del silicio è di soli 146 W/mK. Ciò permette di raggiungere densità di potenza molto elevate dissipando il calore in modo efficiente, evitando temperature estreme nel canale che renderebbero il dispositivo inutilizzabile.

Pertanto, l'amplificatore al nitruro di gallio su carburo di silicio (GaN-on-SiC) nei radar AESA può raggiungere prestazioni superiori e una potenza di uscita equivalente in un volume ridotto, riducendo al contempo i requisiti di dissipazione del calore. Tuttavia, per realizzare i vantaggi di un maggiore SWaP-C, è necessario fare di più in termini di tecnologia dei dispositivi.

L'incapsulamento è fondamentale

L'ulteriore sviluppo di sistemi radar a fasi, come i sistemi AESA, richiederà la riduzione delle dimensioni e una maggiore integrazione dei componenti.

Una di queste tecnologie è il circuito integrato monolitico a microonde (MMIC), che consente di realizzare moduli funzionali completi composti da più componenti in un unico dispositivo, aumentando così la densità dei circuiti. Gli MMIC offrono anche ulteriori vantaggi, tra cui una minore disomogeneità dei componenti, una minore latenza del segnale (grazie alla minore distanza tra i componenti sugli MMIC) e una riduzione del costo complessivo della distinta base (BoM).

Il MMIC è disponibile in un package Quad Flat No-Lead (QFN), che offre ulteriori vantaggi in termini di riduzione dei costi e delle dimensioni. Poiché il package QFN utilizza fili di collegamento corti, che contribuiscono a ridurre l'induttanza dei conduttori, il pad di rame esposto sul die garantisce eccellenti prestazioni termiche.

Il dispositivo Wolfspeed CMPA901A020S è disponibile in un package QFN da 6 mm. Si tratta di un amplificatore di potenza GaN-on-SiC da 20 W che può operare nella gamma di frequenza da 9 GHz a 10 GHz ed è adatto per applicazioni radar a impulsi come i radar meteorologici marittimi. Il guadagno a tre stadi dell'amplificatore fornisce un guadagno per segnali di grande ampiezza superiore a 30 dB e un'efficienza superiore al 50%, consentendo minori requisiti di alimentazione CC del sistema e semplificando le soluzioni di gestione termica del sistema.

Il Wolfspeed CMPA9396025S è un altro MMIC GaN in grado di integrare numerose tecnologie per massimizzare i miglioramenti in termini di SWaP-C. Progettato per operare nella banda di frequenza da 9.3 GHz a 9.6 GHz, questo dispositivo terziario è disponibile in un package QFN da 6 × 6 mm.La potenza è di 25 W con una larghezza di impulso di 100 µs e un duty cycle del 10%.

La serie di amplificatori MMIC Wolfspeed CMPA801B030, operante nella gamma di frequenza da 7.9 GHz a 11 GHz, consente una maggiore larghezza di banda e una potenza superiore nella banda X. Il suo valore di uscita tipico è fino a 40 W, il suo guadagno per segnali di grande ampiezza è superiore a 20 dB e la sua efficienza di conversione di potenza raggiunge il 40%. La famiglia di prodotti è realizzata in package QFN sovrastampati in plastica da 7 × 7 mm ed è disponibile sia in package bare die che in package flangiati a 10 pin in metallo/ceramica, con conseguenti prestazioni elettriche e termiche migliorate.

▲ Il Wolfspeed CMPA801B030 è disponibile in versione bare die e in package altamente compatti, massimizzando i miglioramenti SWaP-C.

Nota: il codice ECCN di tutti i dispositivi sopra elencati è 3A001.b.2

Potenziare le modifiche alla tecnologia radar

Strategy Analytics ritiene che i dispositivi GaN sopra menzionati contribuiranno a promuovere una più rapida adozione dei radar AESA in una varietà di piattaforme in rapida crescita e che la spesa per i sistemi radar GaN aumenterà da 171.8 milioni di dollari nel 2018 a 734.1 milioni di dollari nel 2028.


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