GaN 솔루션: 소형 패키지로 대형 레이더의 난제를 해결합니다

GaN 솔루션: 소형 패키지로 대형 레이더의 난제를 해결합니다

X밴드(8GHz~12GHz) 레이더는 상업용 항행에 적합한 핵심 장비입니다. 항공 분야는 X밴드 레이더 장비의 주요 용도이며, 드론, 해상 교통 관제, 기상 관측, 공항 주변 조류 활동 감시, 원격 결빙 감지 등 다양한 분야에도 활용됩니다.

시장 조사 기관인 스트래티지 애널리틱스의 보고서에 따르면, X밴드 레이더는 가장 큰 레이더 시장 부문입니다. 이 대역의 레이더 판매액은 2018년에 약 6.3억 달러에 달했으며, 관련 지출은 연평균 3.4%의 복합 성장률로 성장하여 2028년에는 8.7억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

하지만 모든 X밴드 레이더가 상당한 성장 가능성을 갖는 것은 아닙니다. 능동 전자식 스캔 어레이(AESA) 시스템은 연구 개발 분야에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 이 시스템은 주로 대형 항공기에 사용되지만, 육상 및 해상 시장 부문에서도 사용됩니다.

AESA 챌린지

AESA 시스템은 각각 수백 개 또는 수천 개의 안테나로 구성된 능동 배열을 사용합니다. 각 안테나는 자체적인 위상 및 이득 제어 기능을 갖추고 있습니다. 안테나 소자의 개별 파면이 간섭하거나 중첩되어 평면파가 생성되며, 이는 특정 방향으로 진행하는 전파 빔을 효과적으로 만들어냅니다. AESA 레이더 시스템은 안테나 소자의 위상을 변화시켜 이 빔을 전자적으로 조종합니다.

안테나 소자는 일반적으로 근거리장에서의 노출을 줄이기 위해 파장의 절반만큼 간격을 두고 배치됩니다. AESA 레이더는 또한 신호를 넓은 고주파수 대역에 걸쳐 분산시켜야 하는 경우가 많습니다. 이러한 주파수 유연성을 통해 레이더는 해당 영역에서 목표물을 신속하게 탐색할 수 있습니다. 또한, 이는 배경 소음 속에서 목표물을 탐지하기 어렵게 만듭니다. 따라서 함선과 항공기는 은밀성을 유지하면서 고출력 레이더 신호를 방출할 수 있으며, 간섭에 대한 내성을 강화할 수 있습니다.

이러한 요구 사항은 엔지니어에게 여러 가지 과제를 제시합니다. 각 안테나 소자는 미세한 파장 간격을 수용할 수 있을 만큼 작고 가벼워야 하며, 동시에 전체 시스템의 크기와 무게를 항공기 및 해상에서의 사용에 적합하도록 유지해야 합니다. 그러나 적용 분야에 따라 레이더 시스템은 수백 와트에서 최대 100kW에 이르는 출력을 낼 수 있을 만큼 강력해야 합니다. 따라서 레이더 시스템은 효율적인 열 방출 능력을 필요로 하며, 이는 크기와 무게 증가로 이어집니다.

이러한 여러 사용 사례 중 하나는 다음과 같은 것이 필요합니다.크기, 무게, 전력 소모 및 비용(SWaP-C)시스템을 평가해야 합니다. 시스템의 구성 요소 몇 개만 교체하는 것은 이러한 고려 사항에 큰 영향을 미치지 않습니다. 따라서 AESA 레이더 시스템을 구현하는 기술은 SWaP-C(크기, 무게, 전력 소비) 개선 측면에서 상당한 이점을 입증해야 합니다.

핵심 기술: GaN

레이더 설계자들이 전력, 열 방출, 무게 및 크기, 비용 효율성과 같은 여러 가지 문제를 극복하는 데 도움을 줄 수 있는 기술은 질화갈륨(GaN)입니다. 이 소재는 전자 이동도가 높습니다. 또한 실리콘과 비교했을 때, GaN 기반 소자는 게이트 전하와 출력 용량이 낮아 고주파수에서 더 효율적으로 높은 이득을 생성할 수 있습니다.

GaN은 넓은 에너지 밴드갭과 매우 높은 임계 항복 전기장을 가지고 있어 탁월한 고온 신뢰성, 높은 공급 전압에서의 뛰어난 내구성, 그리고 우수한 전력 밀도를 제공합니다.

실리콘 카바이드(SiC)를 GaN의 기판으로 사용하면 열팽창률 감소, 격자 불일치 최소화, 우수한 열전도율 등의 이점을 얻을 수 있어 GaN의 특성을 최대한 활용할 수 있습니다. 4H 반절연 다형체인 SiC의 열전도율은 430 W/mK인 반면, 실리콘의 열전도율은 146 W/mK에 불과합니다. 이러한 특성 덕분에 높은 전력 밀도를 구현하면서도 효율적인 열 방출이 가능하여 소자 작동 불능을 초래할 수 있는 극심한 채널 온도 상승을 방지할 수 있습니다.

따라서 AESA 레이더에 사용되는 질화갈륨-탄화규소(GaN-on-SiC) 증폭기는 더 작은 부피에서 더 높은 성능과 동등한 출력 전력을 달성하면서 열 방출 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 하지만 SWaP-C(크기, 무게, 전력) 측면에서 향상된 이점을 실현하기 위해서는 소자 기술 측면에서 더 많은 노력이 필요합니다.

캡슐화가 핵심입니다

AESA 레이더 시스템과 같은 위상 배열 레이더의 추가 개발을 위해서는 크기 축소와 구성 요소의 더욱 긴밀한 통합이 필요합니다.

그러한 기술 중 하나가 바로 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC)입니다. MMIC는 여러 구성 요소로 이루어진 완전한 기능 모듈을 단일 장치에 제작할 수 있게 해줌으로써 회로 밀도를 높입니다. 또한 MMIC는 구성 요소 불일치 감소, 신호 지연 시간 단축(MMIC 내 구성 요소 간 거리가 짧아짐), 전체 자재 명세서(BoM) 비용 절감 등의 추가적인 이점을 제공합니다.

MMIC는 비용 및 크기 축소 효과를 더욱 높여주는 QFN(Quad Flat No-Lead) 패키지로 제공됩니다. QFN 패키지는 짧은 본드 와이어를 사용하여 리드 인덕턴스를 줄여주기 때문에 노출된 구리 다이 패드가 탁월한 열 성능을 제공합니다.

Wolfspeed CMPA901A020S는 6mm QFN 패키지로 제공됩니다. 이 제품은 9GHz~10GHz 주파수 대역에서 동작하는 20W GaN-on-SiC 고출력 증폭기로, 해상 기상 레이더와 같은 펄스 레이더 애플리케이션에 적합합니다. 3단 증폭 방식을 통해 30dB 이상의 대신호 이득과 50% 이상의 효율을 제공하여 시스템의 DC 전력 소모를 줄이고 열 관리 솔루션을 간소화할 수 있습니다.

Wolfspeed CMPA9396025S는 SWaP-C(크기, 무게, 전력) 개선을 극대화하기 위해 다양한 기술을 통합할 수 있는 또 다른 GaN MMIC입니다. 9.3GHz~9.6GHz 동작 주파수용으로 설계된 이 3차 소자는 6 × 6mm QFN 패키지로 제공됩니다.출력은 25W이며, 펄스 폭은 100µs, 듀티 사이클은 10%입니다.

Wolfspeed CMPA801B030 시리즈 MMIC 증폭기는 7.9GHz ~ 11GHz 주파수 대역에서 동작하며, X 대역에서 더 넓은 대역폭과 더 높은 출력을 제공합니다. 일반적인 출력은 최대 40W이며, 대신호 이득은 20dB 이상이고, 전력 효율은 40%에 달합니다. 이 제품군은 7 × 7mm 플라스틱 오버몰딩 QFN 패키지로 제조되며, 베어 다이 패키지와 10핀 금속/세라믹 마운팅 플랜지 패키지 두 가지 형태로 제공되어 전기적 및 열적 성능을 향상시킵니다.

▲ Wolfspeed CMPA801B030은 베어 다이 및 고소형 패키지로 제공되어 SWaP-C(크기, 무게, 전력)를 극대화합니다.

참고: 위에 나열된 모든 장치의 ECCN은 3A001.b.2입니다.

레이더 기술 변화를 촉진하다

Strategy Analytics는 앞서 언급한 GaN 소자가 빠르게 증가하는 다양한 플랫폼에서 AESA 레이더의 도입을 촉진하는 데 도움이 될 것이며, 레이더 시스템용 GaN 관련 지출이 2018년 1억 7,180만 달러에서 2028년 7억 3,410만 달러로 증가할 것으로 전망합니다.


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