GaN-oplossingen: compacte systemen voldoen aan grote radaruitdagingen

GaN-oplossingen: compacte systemen voldoen aan grote radaruitdagingen

X-bandradar (8 GHz tot 12 GHz) is een essentieel onderdeel van de commerciële scheepvaart. De luchtvaart is een belangrijke toepassing van X-bandradarapparatuur, maar de apparatuur wordt ook ingezet voor een breed scala aan toepassingen, waaronder drones, scheepvaartverkeersleiding, weersmonitoring, monitoring van vogelactiviteit in de buurt van luchthavens en remote sensing voor ijsbestrijding.

Volgens een rapport van marktonderzoeksbureau Strategy Analytics is X-bandradar het grootste marktsegment voor radars. De verkoop van radars in deze band bedroeg bijna 6.3 miljard dollar in 2018, en de bijbehorende uitgaven zullen naar verwachting met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 3.4% toenemen tot 8.7 miljard dollar in 2028.

Maar niet elke X-bandradar biedt significante groeimogelijkheden. Actieve elektronisch gescande array-systemen (AESA-systemen) worden steeds populairder voor onderzoek en ontwikkeling. Het systeem wordt voornamelijk gebruikt op grote luchtplatforms, maar vindt ook toepassing in de land- en maritieme markt.

AESA-uitdaging

AESA-systemen maken gebruik van actieve arrays, elk met honderden of zelfs duizenden antennes. Elke antenne heeft zijn eigen fase- en versterkingsregeling. De interferentie of superpositie van individuele golffronten van antenne-elementen genereert vlakke golven, waardoor effectief een bundel radiogolven ontstaat die in een specifieke richting reist. AESA-radarsystemen sturen de bundel elektronisch door de fase van de antenne-elementen te verschuiven.

Antenne-elementen worden doorgaans op een halve golflengte afstand van elkaar geplaatst om de blootstelling in het nabije veld te verminderen. AESA-radars moeten signalen vaak ook over een breed scala aan hoge frequenties verspreiden. Deze frequentie-flexibiliteit stelt de radar in staat om snel naar doelen in de sector te zoeken. Dit maakt ze ook moeilijker te detecteren tussen achtergrondruis. Hierdoor kunnen schepen en vliegtuigen krachtige radarsignalen uitzenden en tegelijkertijd onzichtbaar blijven, wat een grotere immuniteit tegen interferentie biedt.

Deze eisen stellen ingenieurs voor verschillende uitdagingen: elk antenne-element moet klein en licht genoeg zijn om de zeer kleine golflengteafstand te kunnen accommoderen, terwijl de totale omvang en het gewicht van het systeem beheersbaar moeten blijven voor gebruik in de lucht en op zee. Afhankelijk van de toepassing moet het radarsysteem echter krachtig genoeg zijn om een ​​vermogen te leveren van enkele honderden watts tot wel 100 kW. Daarom vereisen radarsystemen efficiënte warmteafvoer, wat de omvang en het gewicht vergroot.

Bij veel van deze gebruiksscenario's is het noodzakelijk omGrootte, gewicht, vermogen en kosten (SWaP-C)Evalueer het systeem. Het vervangen van slechts enkele componenten in het systeem zal weinig invloed hebben op deze overwegingen. Daarom moeten technologieën die AESA-radarsystemen mogelijk maken, aanzienlijke voordelen laten zien op het gebied van SWaP-C-verbeteringen.

Ondersteunende technologie: GaN

De technologie die radarontwerpers kan helpen bij het overwinnen van vele uitdagingen zoals stroomverbruik, warmteafvoer, gewicht, afmetingen en kosteneffectiviteit, is galliumnitride (GaN). Dit materiaal heeft een hoge elektronenmobiliteit. En vergeleken met silicium hebben GaN-gebaseerde apparaten een lage gate-lading en een lage uitgangscapaciteit, en kunnen ze efficiënter hogere versterkingen produceren bij hogere frequenties.

GaN heeft een brede energiebandkloof en een zeer hoog kritisch doorslagveld, wat zorgt voor een uitstekende betrouwbaarheid bij hoge temperaturen, een uitzonderlijke robuustheid bij hoge voedingsspanningen en een uitstekende vermogensdichtheid.

Door siliciumcarbide (SiC) als substraat voor GaN te gebruiken, kunnen lagere thermische uitzetting, een kleinere roosterverschil en een uitstekende thermische geleidbaarheid worden bereikt, waardoor de eigenschappen van GaN volledig worden benut. De thermische geleidbaarheid van 4H-semi-isolerend polytype SiC bedraagt ​​430 W/mK, terwijl die van silicium slechts 146 W/mK is. Dit maakt zeer hoge vermogensdichtheden mogelijk met efficiënte warmteafvoer, waardoor extreme kanaaltemperaturen die het apparaat onbruikbaar zouden maken, worden vermeden.

Daarom kan de galliumnitride-op-siliciumcarbide (GaN-op-SiC) versterker in AESA-radars hogere prestaties en een gelijkwaardig uitgangsvermogen bereiken in een kleiner volume, terwijl de warmteafvoer minder belast wordt. Maar om de verbeterde voordelen van SWaP-C te realiseren, is er nog meer nodig op het gebied van apparaattechnologie.

Inkapseling is essentieel.

Verdere ontwikkeling van phased arrays, zoals AESA-radarsystemen, vereist een kleinere afmeting en een nauwere integratie van componenten.

Een van die technologieën is de monolithische microgolf-geïntegreerde schakeling (MMIC), waarmee complete functionele modules van meerdere componenten in één apparaat kunnen worden gefabriceerd, waardoor de circuitdichtheid toeneemt. MMIC's hebben ook andere voordelen, waaronder minder mismatch tussen componenten, een lagere signaalvertraging (vanwege de kortere afstand tussen componenten op MMIC's) en lagere totale materiaalkosten.

De MMIC is verkrijgbaar in een Quad Flat No-Lead (QFN)-behuizing, wat verdere kosten- en afmetingsvoordelen biedt. Doordat de QFN-behuizing gebruikmaakt van korte verbindingsdraden, die de inductantie van de aansluitingen verminderen, biedt de blootliggende koperen chip-pad uitstekende thermische prestaties.

De Wolfspeed CMPA901A020S is verkrijgbaar in een 6 mm QFN-behuizing. Het is een 20W GaN-on-SiC-versterker met hoog vermogen die kan werken in het frequentiebereik van 9 GHz tot 10 GHz en geschikt is voor pulsradartoepassingen zoals maritieme weerradar. De drietrapsversterking van de versterker levert een versterking van meer dan 30 dB bij grote signalen en een rendement van meer dan 50%, waardoor het gelijkstroomvermogen van het systeem lager is en de thermische beheersing van het systeem vereenvoudigd kan worden.

De Wolfspeed CMPA9396025S is een andere GaN MMIC die diverse technologieën kan integreren om de SWaP-C-verbeteringen te maximaliseren. Dit tertiaire apparaat is ontworpen voor gebruik bij frequenties van 9.3 GHz tot 9.6 GHz en is verkrijgbaar in een 6 × 6 mm QFN-behuizing.Het vermogen bedraagt ​​25 W bij een pulsbreedte van 100 µs en een duty cycle van 10%.

De Wolfspeed CMPA801B030-serie MMIC-versterkers, werkend in het frequentiebereik van 7.9 GHz tot 11 GHz, maakt een bredere bandbreedte en een hoger vermogen in de X-band mogelijk. Het typische uitgangsvermogen bedraagt ​​tot 40 W, de versterking bij grote signalen is groter dan 20 dB en het rendement met toegevoegde waarde bereikt 40%. De productfamilie wordt geproduceerd in een 7 × 7 mm kunststof QFN-behuizing en is verkrijgbaar als kale chip en als 10-pins metalen/keramische flensbehuizing, wat resulteert in verbeterde elektrische en thermische prestaties.

▲ De Wolfspeed CMPA801B030 is verkrijgbaar als losse chip en in zeer compacte behuizingen, waardoor de SWaP-C-verbeteringen maximaal benut worden.

Opmerking: De ECCN van alle hierboven vermelde apparaten is 3A001.b.2

De mogelijkheden van radartechnologie veranderen

Strategy Analytics is van mening dat de bovengenoemde GaN-componenten zullen bijdragen aan een snellere toepassing van AESA-radars in een snel groeiend aantal verschillende platforms, en dat de uitgaven aan GaN in radarsystemen zullen stijgen van 171.8 miljoen dollar in 2018 naar 734.1 miljoen dollar in 2028.


Deze inhoud is afkomstig van internet/CREE. Deze website biedt uitsluitend herpublicatie aan. De standpunten, meningen, technologie, enz. in dit artikel hebben niets met deze website te maken. Indien er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen!