GaNソリューション：小型パッケージで大型レーダーの課題に対応

GaNソリューション：小型パッケージで大型レーダーの課題に対応

Xバンド（8GHz～12GHz）レーダーは、商用航行に適した重要な機器です。航空分野はXバンドレーダー機器の主要な用途の一つであり、ドローン、船舶交通管制、気象観測、空港付近の鳥類活動の監視、防氷リモートセンシングなど、幅広い用途で活用されています。

市場調査会社Strategy Analyticsのレポートによると、Xバンドレーダーはレーダー市場の中で最大のセグメントである。このバンドのレーダーの売上高は2018年に約6.3億ドルに達し、関連支出は年平均成長率3.4%で成長し、2028年には8.7億ドルに達すると予測されている。

しかし、あらゆるXバンドレーダーに大きな成長機会があるわけではありません。アクティブ電子走査アレイ（AESA）システムは、研究開発においてますます人気が高まっています。このシステムは主に大型航空機に搭載されていますが、陸上および海上市場セグメントでも使用されています。

AESAチャレンジ

AESAシステムは、それぞれ数百、あるいは数千ものアンテナを備えたアクティブアレイを使用します。各アンテナには、独自の位相制御とゲイン制御機能があります。アンテナ素子の個々の波面が干渉または重ね合わされることで平面波が生成され、特定の方向に進む電波ビームが効果的に形成されます。AESAレーダーシステムは、アンテナ素子の位相を変化させることで、このビームを電子的に操縦します。

アンテナ素子は通常、近距離での被ばくを低減するために半波長間隔で配置されます。AESAレーダーは、広範囲の高周波にわたって信号を拡散させる必要がある場合も多くあります。このような周波数可変性により、レーダーは対象領域内の目標を迅速に探索できます。また、背景雑音の中でレーダーが探知されにくくなります。これにより、船舶や航空機はステルス性を維持しながら高出力のレーダー信号を発信でき、干渉に対する耐性も向上します。

これらの要件は、エンジニアにとっていくつかの課題をもたらします。各アンテナ素子は、極めて狭い波長間隔に対応できるよう小型軽量である必要があり、同時にシステム全体のサイズと重量は、空中および海上での使用に適した範囲に抑えなければなりません。しかし、用途によっては、レーダーシステムは数百ワットから最大100kWの出力に対応できる十分なパワーを備えている必要があります。そのため、レーダーシステムには効率的な放熱能力が求められ、結果としてサイズと重量が増加します。

これらのユースケースの多くの中で、サイズ、重量、電力、コスト（SWaP-C）システムを評価する。システム内のコンポーネントを数個交換するだけでは、これらの考慮事項に大きな影響はない。したがって、AESAレーダーシステムを実現する技術は、SWaP-C（サイズ、重量、電力、コスト）の改善において顕著な利点を示す必要がある。

基盤技術：窒化ガリウム（GaN）

レーダー設計者が電力、放熱、重量とサイズ、コスト効率といった多くの課題を克服するのに役立つ技術は、窒化ガリウム（GaN）です。この材料は高い電子移動度を持ち、シリコンと比較してゲート電荷と出力容量が低く、より高い周波数でより効率的に高い利得を生み出すことができます。

GaNは広いエネルギーバンドギャップと非常に高い臨界破壊電界を有しており、これにより優れた高温信頼性、高電源電圧下での卓越した堅牢性、および優れた電力密度を実現します。

GaNの基板として炭化ケイ素（SiC）を用いることで、熱膨張率と格子不整合を低減し、優れた熱伝導率を実現できるため、GaNの特性を最大限に活かすことができる。4H半絶縁性ポリタイプSiCの熱伝導率は430W/mKであるのに対し、シリコンの熱伝導率は146W/mKと低い。これにより、非常に高い電力密度を実現しながら効率的に放熱することができ、デバイスの動作不能につながる極端なチャネル温度の上昇を回避できる。

したがって、AESAレーダーに用いられる炭化ケイ素基板上の窒化ガリウム（GaN-on-SiC）増幅器は、より小型の体積でより高い性能と同等の出力電力を実現し、放熱要件も削減できる。しかし、SWaP-Cの向上という利点を真に実現するには、デバイス技術の面でさらなる努力が必要である。

カプセル化が鍵となる

AESAレーダーシステムなどのフェーズドアレイのさらなる開発には、小型化とコンポーネントのより緊密な統合が必要となるだろう。

そのような技術の一つが、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）です。MMICは、複数のコンポーネントからなる完全な機能モジュールを単一のデバイスに集積できるため、回路密度が向上します。MMICには、コンポーネント間の距離が短いため信号遅延が低減され、部品コスト（BoM）全体も削減されるなど、他にも多くの利点があります。

このMMICは、コストとサイズのさらなる削減を実現するQFN（Quad Flat No-Lead）パッケージで提供されます。QFNパッケージは短いボンディングワイヤを使用しているため、リードのインダクタンスが低減され、露出した銅製ダイパッドは優れた放熱性能を発揮します。

Wolfspeed社のCMPA901A020Sは、6mm QFNパッケージで提供されます。これは、9GHz～10GHzの周波数範囲で動作可能な20W GaN-on-SiC高出力アンプで、海洋気象レーダーなどのパルスレーダー用途に適しています。このアンプは3段構成で、30dBを超える大信号利得と50%を超える効率を実現しており、システムDC電源要件を低減し、システム熱管理ソリューションを簡素化できます。

Wolfspeed CMPA9396025Sは、SWaP-C（サイズ、重量、電力、コスト）の向上を最大限に図るために多くの技術を統合できるGaN MMICです。9.3GHz～9.6GHzの動作周波数に対応するように設計されたこの三次デバイスは、6×6mmのQFNパッケージで提供されます。出力は、パルス幅100µs、デューティサイクル10%で25Wです。

Wolfspeed社のCMPA801B030シリーズMMICアンプは、7.9GHz～11GHzの周波数帯域で動作し、Xバンドにおいてより広い帯域幅とより高い出力を実現します。標準出力は最大40W、大信号利得は20dB以上、電力付加効率は40%に達します。本製品は7×7mmのプラスチックオーバーモールドQFNパッケージで製造され、ベアダイと10ピン金属/セラミック実装フランジ付きパッケージの両方が用意されており、電気的および熱的性能が向上しています。

▲ Wolfspeed CMPA801B030は、ベアダイと超小型パッケージで提供され、SWaP-Cの改善を最大限に高めます。

注：上記に挙げたすべてのデバイスのECCNは3A001.b.2です。

レーダー技術の変革を促進する

Strategy Analyticsは、上述のGaNデバイスが、急速に多様化するプラットフォームにおけるAESAレーダーの普及を促進するのに役立つと考えており、レーダーシステムへのGaN関連支出は2018年の1億7180万米ドルから2028年には7億3410万米ドルに増加すると予測している。


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