Решения на основе нитрида галлия (GaN): компактные устройства для решения масштабных задач в радиолокации.

Решения на основе нитрида галлия (GaN): компактные устройства для решения масштабных задач в радиолокации.

Радар X-диапазона (от 8 до 12 ГГц) является ключевым элементом оборудования, подходящим для коммерческой навигации. Авиация — одно из основных направлений применения радиолокационного оборудования X-диапазона, и это оборудование также используется в широком спектре приложений, включая беспилотные летательные аппараты, управление движением морских судов, мониторинг погоды, мониторинг активности птиц вблизи аэропортов и дистанционное зондирование для борьбы с обледенением.

Согласно отчету исследовательской компании Strategy Analytics, радар X-диапазона является крупнейшим сегментом рынка радаров. Продажи радаров в этом диапазоне в 2018 году составили около 6.3 миллиарда долларов, и ожидается, что соответствующие расходы будут расти со среднегодовым темпом роста в 3.4%, достигнув 8.7 миллиарда долларов к 2028 году.

Однако не каждый радар X-диапазона обладает значительными перспективами для развития. Системы с активной фазированной антенной решеткой (АФАР) становятся все более популярными в сфере исследований и разработок. Эти системы в основном используются на крупных летательных аппаратах, но также применяются в наземном и морском сегментах рынка.

Вызов AESA

Системы AESA используют активные антенные решетки, каждая из которых содержит сотни или даже тысячи антенн. Каждая антенна имеет собственные регуляторы фазы и усиления. Интерференция или суперпозиция отдельных волновых фронтов элементов антенны генерирует плоские волны, эффективно создавая луч радиоволн, распространяющийся в определенном направлении. Радиолокационные системы AESA электронным способом управляют лучом, сдвигая фазу элементов антенны.

Антенные элементы обычно располагаются на расстоянии половины длины волны друг от друга, чтобы уменьшить воздействие в ближнем поле. Радары с активной фазированной антенной решеткой (AESA) также часто должны распределять сигналы в широком диапазоне высоких частот. Такая частотная гибкость позволяет радару быстро находить цели в секторе. Это также затрудняет их обнаружение на фоне шума. Это позволяет кораблям и самолетам излучать мощные радиолокационные сигналы, оставаясь при этом малозаметными, и обеспечивает большую устойчивость к помехам.

Эти требования создают ряд проблем для инженеров: каждый элемент антенны должен быть достаточно малым и легким, чтобы обеспечить минимальное расстояние между длинами волн, при этом сохраняя общие размеры и вес системы приемлемыми для использования в воздухе и на море. Однако, в зависимости от области применения, радиолокационная система должна быть достаточно мощной, чтобы выдавать мощность от нескольких сотен ватт до 100 кВт. Следовательно, радиолокационные системы требуют эффективного отвода тепла, что увеличивает их размеры и вес.

В рамках многих из этих вариантов использования необходимоРазмер, вес, энергопотребление и стоимость (SWaP-C)Проведите оценку системы. Замена всего нескольких компонентов в системе не окажет существенного влияния на эти аспекты. Поэтому технологии, позволяющие создавать радиолокационные системы с активной фазированной антенной решеткой (AESA), должны демонстрировать значительные преимущества в плане снижения веса, массы и энергопотребления (SWaP-C).

Технология, обеспечивающая развитие: GaN

Технология, которая может помочь разработчикам радаров преодолеть многие проблемы, такие как энергопотребление, теплоотвод, вес и габариты, а также экономическая эффективность, — это нитрид галлия (GaN). Этот материал обладает высокой подвижностью электронов. И по сравнению с кремнием, устройства на основе GaN имеют низкий заряд затвора и низкую выходную емкость, и могут более эффективно обеспечивать более высокое усиление на более высоких частотах.

GaN обладает широкой запрещенной зоной и очень высоким критическим электрическим полем пробоя, что обеспечит превосходную надежность при высоких температурах, исключительную устойчивость к высоким напряжениям питания и отличную плотность мощности.

Использование карбида кремния (SiC) в качестве подложки для GaN позволяет добиться меньшего теплового расширения, меньшего несоответствия кристаллической решетки и превосходной теплопроводности, тем самым в полной мере используя характеристики GaN. Теплопроводность полуизолирующего полиморфа SiC 4H составляет 430 Вт/мК, в то время как теплопроводность кремния низка и составляет всего 146 Вт/мК. Это позволяет достигать очень высоких плотностей мощности при эффективном рассеивании тепла, избегая экстремальных температур канала, которые сделали бы устройство неработоспособным.

Таким образом, усилитель на основе нитрида галлия на карбиде кремния (GaN-on-SiC) в радаре с активной фазированной антенной решеткой (AESA) позволяет достичь более высоких характеристик и эквивалентной выходной мощности при меньших размерах и снижении теплоотвода. Однако для реализации преимуществ технологии SWaP-C необходимы дальнейшие разработки в области технологий устройств.

Инкапсуляция — ключевой момент.

Дальнейшее развитие фазированных антенных решеток, таких как радиолокационные системы с активной фазированной антенной решеткой (AESA), потребует уменьшения размеров и более тесной интеграции компонентов.

Одной из таких технологий являются монолитные микроволновые интегральные схемы (MMIC), которые позволяют изготавливать функциональные модули из множества компонентов в одном устройстве, тем самым повышая плотность схем. MMIC также обладают дополнительными преимуществами, включая уменьшение несоответствия компонентов, снижение задержки сигнала (за счет меньшего расстояния между компонентами на MMIC) и снижение общей стоимости комплектующих.

MMIC выпускается в корпусе Quad Flat No-Lead (QFN), что обеспечивает дополнительное снижение стоимости и размеров. Благодаря использованию коротких соединительных проводников в корпусе QFN, которые помогают уменьшить индуктивность выводов, открытая медная контактная площадка кристалла обеспечивает превосходные тепловые характеристики.

Микросхема Wolfspeed CMPA901A020S выпускается в корпусе QFN размером 6 мм. Это мощный усилитель на основе GaN-on-SiC мощностью 20 Вт, работающий в диапазоне частот от 9 до 10 ГГц и подходящий для импульсных радиолокационных приложений, таких как морские метеорологические радары. Трехступенчатая схема усиления обеспечивает усиление более 30 дБ при больших сигналах и КПД более 50%, что позволяет снизить энергопотребление системы постоянным током и упростить решения по управлению тепловым режимом.

Wolfspeed CMPA9396025S — это ещё один GaN MMIC, который позволяет интегрировать множество технологий для максимального повышения удельных характеристик (SWaP-C). Этот третичный компонент, предназначенный для работы в диапазоне частот от 9.3 до 9.6 ГГц, выпускается в корпусе QFN размером 6 × 6 мм.Мощность составляет 25 Вт при ширине импульса 100 мкс и коэффициенте заполнения 10%.

Усилители серии MMIC Wolfspeed CMPA801B030, работающие в диапазоне частот от 7.9 ГГц до 11 ГГц, обеспечивают более широкую полосу пропускания и более высокую мощность в X-диапазоне. Типичная выходная мощность достигает 40 Вт, коэффициент усиления при больших сигналах превышает 20 дБ, а КПД по мощности составляет 40%. Семейство продуктов выпускается в пластиковых корпусах QFN размером 7 × 7 мм и доступно как в корпусе без кристалла, так и в 10-контактном металлическом/керамическом монтажном корпусе с фланцем, что обеспечивает улучшенные электрические и тепловые характеристики.

▲ Микросхема Wolfspeed CMPA801B030 доступна в вариантах без корпуса и в высококомпактных корпусах, что позволяет максимально повысить показатели SWaP-C (размер, вес, стоимость и энергопотребление).

Примечание: ECCN всех перечисленных выше устройств — 3A001.b.2.

Расширение возможностей радиолокационных технологий меняет мир

Аналитическая компания Strategy Analytics считает, что вышеупомянутые GaN-устройства будут способствовать более быстрому внедрению радаров с активной фазированной антенной решеткой (AESA) на все большем количестве платформ, и что расходы на GaN-технологии в радиолокационных системах вырастут со 171.8 млн долларов США в 2018 году до 734.1 млн долларов США в 2028 году.


Данный контент взят из Интернета/CREE. Этот сайт предоставляет только возможность перепечатки. Мнения, позиция, используемые технологии и т. д. в этой статье не имеют никакого отношения к данному сайту. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления материала!