Rozwiązania GaN: małe pakiety stawiają czoła wyzwaniom dużych radarów

Rozwiązania GaN: małe pakiety stawiają czoła wyzwaniom dużych radarów

Radar w paśmie X (8 GHz do 12 GHz) to kluczowy element wyposażenia nadający się do nawigacji komercyjnej. Lotnictwo jest głównym obszarem zastosowania radarów w paśmie X, a urządzenia te są również wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, w tym w dronach, kontroli ruchu statków morskich, monitorowaniu pogody, monitorowaniu aktywności ptaków w pobliżu lotnisk oraz w teledetekcji zapobiegającej oblodzeniu.

Według raportu firmy badawczej Strategy Analytics, radary w paśmie X stanowią największy segment rynku radarów. Sprzedaż radarów w tym paśmie wyniosła blisko 6.3 miliarda dolarów w 2018 roku, a wydatki na nie mają rosnąć w tempie średniorocznym 3.4%, osiągając 8.7 miliarda dolarów w 2028 roku.

Jednak nie każdy radar pasma X oferuje znaczące możliwości rozwoju. Systemy z aktywnym skanowaniem elektronicznym (AESA) cieszą się coraz większym zainteresowaniem w badaniach i rozwoju. System ten jest wykorzystywany głównie na dużych platformach lotniczych, ale jest również wykorzystywany w segmentach rynku lądowego i morskiego.

Wyzwanie AESA

Systemy AESA wykorzystują aktywne układy anten, z których każdy składa się z setek, a nawet tysięcy anten. Każda antena posiada własne regulatory fazy i wzmocnienia. Interferencja lub superpozycja poszczególnych frontów falowych elementów anteny generuje fale płaskie, skutecznie wytwarzając wiązkę fal radiowych poruszającą się w określonym kierunku. Systemy radarowe AESA elektronicznie sterują wiązką, zmieniając fazę elementów anteny.

Elementy anteny są zazwyczaj rozmieszczone w odległości połowy długości fali, aby ograniczyć ekspozycję w polu bliskim. Radary AESA często muszą również rozpraszać sygnały w szerokim zakresie wysokich częstotliwości. Taka elastyczność częstotliwości pozwala radarowi szybko wyszukiwać cele w sektorze. To również utrudnia ich wykrycie w szumie tła. Dzięki temu statki i samoloty mogą emitować sygnały radarowe o dużej mocy, zachowując jednocześnie niewidzialność i większą odporność na zakłócenia.

Wymagania te stawiają inżynierom szereg wyzwań: każdy element anteny musi być wystarczająco mały i lekki, aby sprostać niewielkiemu odstępowi długości fali, a jednocześnie zachować rozmiar i wagę całego systemu, umożliwiając jego użytkowanie w powietrzu i na morzu. Jednak, w zależności od zastosowania, system radarowy musi być wystarczająco wydajny, aby generować moc od kilkuset watów do nawet 100 kW. Dlatego systemy radarowe wymagają wydajnych funkcji rozpraszania ciepła, co zwiększa ich rozmiar i wagę.

Wśród wielu takich przypadków użycia konieczne jestRozmiar, waga, moc i koszt (SWaP-C)Oceń system. Wymiana zaledwie kilku komponentów w systemie nie będzie miała większego wpływu na te rozważania. Dlatego technologie umożliwiające działanie systemów radarowych AESA muszą wykazywać znaczące korzyści w zakresie udoskonaleń SWaP-C.

Technologia wspomagająca: GaN

Technologią, która może pomóc projektantom radarów pokonać wiele wyzwań, takich jak zużycie energii, rozpraszanie ciepła, waga i rozmiar oraz opłacalność, jest azotek galu (GaN). Materiał ten charakteryzuje się wysoką ruchliwością elektronów. W porównaniu z krzemem, urządzenia oparte na GaN charakteryzują się niskim ładunkiem bramki i niską pojemnością wyjściową, a także mogą wydajniej generować większe wzmocnienia przy wyższych częstotliwościach.

GaN charakteryzuje się szeroką przerwą energetyczną i bardzo wysokim krytycznym polem elektrycznym przebicia, co zapewnia doskonałą niezawodność w wysokich temperaturach, wyjątkową wytrzymałość przy wysokich napięciach zasilania i doskonałą gęstość mocy.

Zastosowanie węglika krzemu (SiC) jako podłoża GaN pozwala uzyskać niższą rozszerzalność cieplną, mniejsze niedopasowanie sieci krystalicznej i doskonałą przewodność cieplną, w pełni wykorzystując właściwości GaN. Przewodność cieplna półizolacyjnego politypu 4H SiC wynosi 430 W/mK, podczas gdy przewodność cieplna krzemu wynosi zaledwie 146 W/mK. Umożliwia to uzyskanie bardzo wysokiej gęstości mocy przy jednoczesnym efektywnym rozpraszaniu ciepła, unikając ekstremalnych temperatur kanałów, które mogłyby uniemożliwić działanie urządzenia.

Dlatego wzmacniacz z azotku galu na węgliku krzemu (GaN-na-SiC) w radarze AESA może osiągnąć wyższą wydajność i równoważną moc wyjściową w mniejszej objętości, jednocześnie zmniejszając zapotrzebowanie na ciepło. Jednak aby w pełni wykorzystać zalety technologii SWaP-C, konieczne są dalsze prace w zakresie technologii urządzeń.

Kluczem jest enkapsulacja

Dalszy rozwój anten fazowanych, takich jak systemy radarowe AESA, będzie wymagał zmniejszenia rozmiarów i ściślejszej integracji podzespołów.

Jedną z takich technologii jest monolityczny mikrofalowy układ scalony (MMIC), który umożliwia tworzenie kompletnych modułów funkcjonalnych składających się z wielu komponentów w jednym urządzeniu, zwiększając w ten sposób gęstość obwodów. Układy MMIC oferują również dodatkowe zalety, takie jak mniejsze niedopasowanie komponentów, mniejsze opóźnienie sygnału (dzięki krótszej odległości między komponentami w układzie MMIC) oraz niższy całkowity koszt zestawienia materiałów (BoM).

Moduł MMIC jest dostępny w obudowie Quad Flat No-Lead (QFN), która oferuje dodatkowe korzyści w zakresie redukcji kosztów i rozmiarów. Ponieważ obudowa QFN wykorzystuje krótkie przewody połączeniowe, co pomaga zmniejszyć indukcyjność wyprowadzeń, odsłonięta miedziana płytka drukowana zapewnia doskonałą wydajność termiczną.

Urządzenie Wolfspeed CMPA901A020S jest dostępne w obudowie QFN o grubości 6 mm. To wzmacniacz dużej mocy GaN-na-SiC o mocy 20 W, który może pracować w zakresie częstotliwości od 9 GHz do 10 GHz i nadaje się do zastosowań w radarach impulsowych, takich jak radary pogodowe na morzu. Trzystopniowe wzmocnienie wzmacniacza zapewnia wzmocnienie sygnału o ponad 30 dB i sprawność przekraczającą 50%, co pozwala na obniżenie zapotrzebowania systemu na moc prądu stałego i uproszczenie rozwiązań w zakresie zarządzania temperaturą.

Wolfspeed CMPA9396025S to kolejny układ GaN MMIC, który może integrować wiele technologii, maksymalizując udoskonalenia SWaP-C. Zaprojektowany do pracy w paśmie od 9.3 GHz do 9.6 GHz, ten trzeciorzędny układ jest dostępny w obudowie QFN o wymiarach 6 × 6 mm.Moc wynosi 25 W przy szerokości impulsu 100 µs i współczynniku wypełnienia 10%.

Seria wzmacniaczy MMIC Wolfspeed CMPA801B030, pracująca w zakresie częstotliwości od 7.9 GHz do 11 GHz, zapewnia szersze pasmo przenoszenia i wyższą moc w paśmie X. Typowa moc wyjściowa wynosi do 40 W, wzmocnienie sygnału przekracza 20 dB, a sprawność dodana sięga 40%. Rodzina produktów jest produkowana w obudowach QFN o wymiarach 7 × 7 mm z tworzywa sztucznego i jest dostępna zarówno w obudowach z gołym korpusem, jak i 10-pinowych obudowach z metalowo-ceramicznym kołnierzem montażowym, co przekłada się na lepsze parametry elektryczne i termiczne.

▲ Wolfspeed CMPA801B030 jest dostępny w wersji z gołą obudową i w bardzo kompaktowych obudowach, maksymalizując udoskonalenia SWaP-C

Uwaga: Numer ECCN wszystkich urządzeń wymienionych powyżej to 3A001.b.2

Wdrażanie zmian w technologii radarowej

Firma Strategy Analytics uważa, że ​​wyżej wymienione urządzenia GaN przyczynią się do szybszego wdrożenia radarów AESA na dynamicznie rozwijających się platformach, a wydatki na systemy radarowe oparte na technologii GaN wzrosną ze 171.8 mln USD w 2018 r. do 734.1 mln USD w 2028 r.


Treść pochodzi z Internetu/CREE. Ta strona internetowa umożliwia jedynie przedruk. Poglądy, stanowisko, technologia itp. zawarte w tym artykule nie mają nic wspólnego z tą stroną internetową. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia!