Soluções em GaN: Pacotes compactos atendem aos grandes desafios do radar.

Soluções em GaN: Pacotes compactos atendem aos grandes desafios do radar.

O radar de banda X (8 GHz a 12 GHz) é um equipamento fundamental para a navegação comercial. A aviação é uma das principais aplicações do radar de banda X, que também é utilizado em uma ampla gama de setores, incluindo drones, controle de tráfego marítimo, monitoramento meteorológico, monitoramento da atividade de aves próximo a aeroportos e sensoriamento remoto para prevenção de gelo.

De acordo com um relatório da empresa de pesquisa de mercado Strategy Analytics, o radar de banda X é o maior segmento do mercado de radares. As vendas de radares nessa banda chegaram perto de US$ 6.3 bilhões em 2018, e a expectativa é que os gastos correspondentes cresçam a uma taxa composta de crescimento anual de 3.4%, atingindo US$ 8.7 bilhões em 2028.

Mas nem todo radar de banda X apresenta oportunidades significativas de crescimento. Os sistemas de varredura eletrônica ativa (AESA) estão se tornando cada vez mais populares para pesquisa e desenvolvimento. O sistema é usado principalmente em grandes plataformas aéreas, mas também em segmentos de mercado terrestre e marítimo.

Desafio AESA

Os sistemas AESA utilizam conjuntos ativos, cada um com centenas ou até milhares de antenas. Cada antena possui seus próprios controles de fase e ganho. A interferência ou superposição das frentes de onda individuais dos elementos da antena gera ondas planas, produzindo efetivamente um feixe de ondas de rádio que se propaga em uma direção específica. Os sistemas de radar AESA direcionam eletronicamente o feixe, alterando a fase dos elementos da antena.

Os elementos da antena são normalmente espaçados por meia onda para reduzir a exposição no campo próximo. Os radares AESA também precisam, frequentemente, espalhar os sinais por uma ampla faixa de altas frequências. Essa agilidade de frequência permite que o radar busque alvos rapidamente no setor. Isso também os torna mais difíceis de detectar em meio ao ruído de fundo. Isso permite que navios e aeronaves emitam sinais de radar de alta potência, mantendo-se furtivos e proporcionando maior imunidade a interferências.

Esses requisitos apresentam diversos desafios para os engenheiros: cada elemento da antena deve ser pequeno e leve o suficiente para acomodar o minúsculo espaçamento entre os comprimentos de onda, mantendo o tamanho e o peso geral do sistema em níveis gerenciáveis ​​para uso no ar e no mar. No entanto, dependendo da aplicação, o sistema de radar deve ser potente o suficiente para gerar de algumas centenas de watts a até 100 kW. Portanto, os sistemas de radar exigem capacidades eficientes de dissipação de calor, o que aumenta o tamanho e o peso.

Dentre muitos desses casos de uso, é necessárioTamanho, peso, potência e custo (SWaP-C)Avalie o sistema. A substituição de apenas alguns componentes não terá grande impacto nessas considerações. Portanto, as tecnologias que viabilizam os sistemas de radar AESA devem demonstrar vantagens significativas em termos de redução de tamanho, peso e custo (SWaP-C).

Tecnologia habilitadora: GaN

A tecnologia que pode ajudar os projetistas de radar a superar muitos desafios, como potência, dissipação de calor, peso, tamanho e custo-benefício, é o nitreto de gálio (GaN). Este material possui alta mobilidade eletrônica. E, em comparação com o silício, os dispositivos baseados em GaN apresentam baixa carga de porta e baixa capacitância de saída, podendo produzir ganhos mais elevados em frequências mais altas com maior eficiência.

O GaN possui uma ampla banda proibida de energia e um campo elétrico de ruptura crítico muito alto, o que proporciona excelente confiabilidade em altas temperaturas, robustez excepcional em altas tensões de alimentação e excelente densidade de potência.

Utilizando carbeto de silício (SiC) como substrato para GaN, é possível obter menor expansão térmica, menor incompatibilidade de rede cristalina e excelente condutividade térmica, aproveitando ao máximo as características do GaN. A condutividade térmica do SiC do politipo semi-isolante 4H é de 430 W/mK, enquanto a do silício é de apenas 146 W/mK. Isso possibilita densidades de potência muito altas, dissipando o calor de forma eficiente e evitando temperaturas extremas no canal que tornariam o dispositivo inoperável.

Portanto, o amplificador de nitreto de gálio sobre carbeto de silício (GaN-on-SiC) em radares AESA pode alcançar maior desempenho e potência de saída equivalente em um volume menor, além de reduzir os requisitos de dissipação de calor. No entanto, para concretizar os benefícios do SWaP-C (tamanho, peso e potência reduzidos), ainda é necessário avançar na tecnologia dos dispositivos.

O encapsulamento é fundamental.

O desenvolvimento futuro de antenas de varredura eletrônica, como os sistemas de radar AESA, exigirá redução de tamanho e integração mais eficiente dos componentes.

Uma dessas tecnologias é o circuito integrado monolítico de micro-ondas (MMIC), que permite a fabricação de módulos funcionais completos com múltiplos componentes em um único dispositivo, aumentando assim a densidade do circuito. Os MMICs também apresentam vantagens adicionais, incluindo menor incompatibilidade de componentes, menor latência de sinal (devido à menor distância entre os componentes nos MMICs) e menor custo total da lista de materiais (BOM).

O MMIC está disponível em um encapsulamento Quad Flat No-Lead (QFN), que oferece benefícios adicionais em termos de custo e tamanho. Como o encapsulamento QFN utiliza fios de ligação curtos, que ajudam a reduzir a indutância dos terminais, sua área de contato de cobre exposta proporciona excelente desempenho térmico.

O dispositivo Wolfspeed CMPA901A020S está disponível em um encapsulamento QFN de 6 mm. Trata-se de um amplificador de alta potência GaN-on-SiC de 20 W que opera na faixa de frequência de 9 GHz a 10 GHz e é adequado para aplicações de radar de pulso, como radar meteorológico marítimo. O ganho de três estágios do amplificador proporciona um ganho de sinal grande superior a 30 dB e uma eficiência superior a 50%, permitindo menores requisitos de energia CC do sistema e soluções simplificadas de gerenciamento térmico.

O Wolfspeed CMPA9396025S é outro MMIC de GaN que pode integrar diversas tecnologias para maximizar as melhorias de tamanho, peso e custo (SWaP-C). Projetado para operação na faixa de 9.3 GHz a 9.6 GHz, este dispositivo terciário está disponível em um encapsulamento QFN de 6 × 6 mm.A potência é de 25 W com largura de pulso de 100 µs e ciclo de trabalho de 10%.

A série de amplificadores MMIC Wolfspeed CMPA801B030, que opera na faixa de frequência de 7.9 GHz a 11 GHz, permite maior largura de banda e potência na banda X. Seu valor de saída típico chega a 40 W, seu ganho de sinal grande é superior a 20 dB e sua eficiência de potência adicionada atinge 40%. A família de produtos é fabricada em encapsulamento QFN moldado em plástico de 7 × 7 mm e está disponível em encapsulamento nu e em encapsulamento com flange de montagem em metal/cerâmica de 10 pinos, resultando em desempenho elétrico e térmico aprimorado.

▲ O Wolfspeed CMPA801B030 está disponível em encapsulamento bare die e em embalagens altamente compactas, maximizando as melhorias de SWaP-C (tamanho, peso e custo).

Nota: O ECCN de todos os dispositivos listados acima é 3A001.b.2.

Transformações que impulsionam a tecnologia de radar

A Strategy Analytics acredita que os dispositivos GaN mencionados acima ajudarão a promover a adoção mais rápida de radares AESA em uma variedade crescente de plataformas e que os gastos com GaN em sistemas de radar aumentarão de US$ 171.8 milhões em 2018 para US$ 734.1 milhões em 2028.


Este conteúdo provém da Internet/CREE. Este site apenas fornece a republicação. As opiniões, posicionamentos, tecnologia, etc., deste artigo não têm qualquer relação com este site. Se houver alguma violação de direitos autorais, entre em contato conosco para que possamos removê-lo!