โซลูชัน GaN: แพ็กเกจขนาดเล็กตอบโจทย์ความท้าทายของเรดาร์ขนาดใหญ่

โซลูชัน GaN: แพ็กเกจขนาดเล็กตอบโจทย์ความท้าทายของเรดาร์ขนาดใหญ่

เรดาร์ย่านความถี่ X-band (8 GHz ถึง 12 GHz) เป็นอุปกรณ์สำคัญที่เหมาะสมสำหรับการนำทางเชิงพาณิชย์ การบินเป็นหนึ่งในด้านการใช้งานหลักของอุปกรณ์เรดาร์ X-band และอุปกรณ์นี้ยังถูกนำไปใช้งานในหลากหลายด้าน รวมถึงโดรน การควบคุมการจราจรทางน้ำ การตรวจสอบสภาพอากาศ การตรวจสอบกิจกรรมของนกใกล้สนามบิน และการตรวจจับระยะไกลเพื่อป้องกันการเกิดน้ำแข็งเกาะ

จากรายงานของบริษัทวิจัยตลาด Strategy Analytics ระบุว่า เรดาร์ย่านความถี่ X-band เป็นส่วนแบ่งตลาดเรดาร์ที่ใหญ่ที่สุด ยอดขายเรดาร์ในย่านความถี่นี้อยู่ที่เกือบ 6.3 พันล้านดอลลาร์ในปี 2018 และคาดว่าการใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องจะเติบโตในอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปีแบบทบต้นที่ 3.4% โดยจะแตะระดับ 8.7 พันล้านดอลลาร์ในปี 2028

แต่ไม่ใช่ว่าเรดาร์ย่านความถี่ X-band ทุกประเภทจะมีโอกาสเติบโตอย่างมีนัยสำคัญ ระบบเรดาร์แบบ Active Electronically Scanned Array (AESA) กำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ ในด้านการวิจัยและพัฒนา ระบบนี้ส่วนใหญ่ใช้กับแพลตฟอร์มทางอากาศขนาดใหญ่ แต่ก็มีการใช้งานในตลาดทางบกและทางทะเลด้วยเช่นกัน

การแข่งขัน AESA

ระบบ AESA ใช้ชุดเสาอากาศแบบแอคทีฟ ซึ่งแต่ละชุดประกอบด้วยเสาอากาศหลายร้อยหรือหลายพันต้น เสาอากาศแต่ละต้นมีตัวควบคุมเฟสและอัตราขยายของตัวเอง การรบกวนหรือการซ้อนทับกันของหน้าคลื่นแต่ละส่วนของเสาอากาศจะสร้างคลื่นระนาบ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะสร้างลำแสงคลื่นวิทยุที่เดินทางในทิศทางเฉพาะ ระบบเรดาร์ AESA ควบคุมทิศทางของลำแสงด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์โดยการเปลี่ยนเฟสของเสาอากาศแต่ละต้น

โดยทั่วไปแล้ว เสาอากาศของเรดาร์จะเว้นระยะห่างกันครึ่งความยาวคลื่นเพื่อลดการรับสัญญาณในระยะใกล้ เรดาร์ AESA มักจำเป็นต้องกระจายสัญญาณในช่วงความถี่สูงที่กว้าง ความสามารถในการปรับเปลี่ยนความถี่เช่นนี้ช่วยให้เรดาร์ค้นหาเป้าหมายในพื้นที่ได้อย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ยังทำให้ตรวจจับเป้าหมายได้ยากขึ้นท่ามกลางสัญญาณรบกวน สิ่งนี้ช่วยให้เรือและเครื่องบินสามารถปล่อยสัญญาณเรดาร์กำลังสูงได้โดยยังคงพรางตัว และมีภูมิคุ้มกันต่อการรบกวนได้ดีขึ้น

ข้อกำหนดเหล่านี้ก่อให้เกิดความท้าทายหลายประการสำหรับวิศวกร: แต่ละองค์ประกอบของเสาอากาศต้องมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบาเพียงพอที่จะรองรับระยะห่างของความยาวคลื่นที่แคบมาก ในขณะเดียวกันก็ต้องรักษาขนาดและน้ำหนักโดยรวมของระบบให้สามารถจัดการได้สำหรับการใช้งานในอากาศและในทะเล อย่างไรก็ตาม ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ระบบเรดาร์ต้องมีกำลังมากพอที่จะส่งกำลังได้ตั้งแต่ไม่กี่ร้อยวัตต์ไปจนถึง 100 กิโลวัตต์ ดังนั้น ระบบเรดาร์จึงต้องการความสามารถในการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งทำให้ขนาดและน้ำหนักเพิ่มขึ้น

ในบรรดาตัวอย่างการใช้งานมากมายเหล่านี้ จำเป็นต้อง...ขนาด น้ำหนัก กำลังไฟ และต้นทุน (SWaP-C)ประเมินระบบ การเปลี่ยนเพียงไม่กี่ชิ้นส่วนในระบบจะไม่ส่งผลกระทบมากนักต่อข้อพิจารณาเหล่านี้ ดังนั้น เทคโนโลยีที่ช่วยให้ระบบเรดาร์ AESA ทำงานได้ ต้องแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่สำคัญในการปรับปรุง SWaP-C (ขนาด น้ำหนัก พลังงาน และต้นทุน)

เทคโนโลยีสนับสนุน: GaN

เทคโนโลยีที่จะช่วยให้นักออกแบบเรดาร์เอาชนะความท้าทายหลายประการ เช่น พลังงาน การระบายความร้อน น้ำหนัก ขนาด และความคุ้มค่า คือ แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) วัสดุนี้มีความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง และเมื่อเทียบกับซิลิคอน อุปกรณ์ที่ใช้ GaN มีประจุเกตต่ำและความจุเอาต์พุตต่ำ และสามารถสร้างอัตราขยายที่สูงขึ้นในความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

GaN มีช่องว่างพลังงานกว้างและสนามไฟฟ้าวิกฤตที่สูงมาก ซึ่งจะทำให้มีความน่าเชื่อถือสูงในอุณหภูมิสูง ความทนทานที่โดดเด่นในแรงดันไฟฟ้าสูง และความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม

การใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุรองรับของ GaN สามารถลดการขยายตัวทางความร้อน ลดความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึก และนำความร้อนได้ดีเยี่ยม จึงใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของ GaN ได้อย่างเต็มที่ การนำความร้อนของ SiC ชนิดโพลีไทป์กึ่งฉนวน 4H อยู่ที่ 430 วัตต์/เมตร-เคลวิน ในขณะที่การนำความร้อนของซิลิคอนต่ำเพียง 146 วัตต์/เมตร-เคลวิน สิ่งนี้ช่วยให้สามารถสร้างกำลังไฟฟ้าได้สูงมากในขณะที่ระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ หลีกเลี่ยงอุณหภูมิช่องสัญญาณที่สูงเกินไปซึ่งจะทำให้เครื่องทำงานไม่ได้

ดังนั้น แอมพลิฟายเออร์แกลเลียมไนไตรด์บนซิลิคอนคาร์ไบด์ (GaN-on-SiC) ในเรดาร์ AESA จึงสามารถให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและกำลังเอาต์พุตที่เทียบเท่ากันในปริมาตรที่เล็กลง ในขณะที่ลดความต้องการการระบายความร้อนลง แต่เพื่อให้ได้ประโยชน์ที่ดีขึ้นในด้าน SWaP-C จำเป็นต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมในด้านเทคโนโลยีของอุปกรณ์

การห่อหุ้มเป็นสิ่งสำคัญ

การพัฒนาระบบอาร์เรย์เฟสเพิ่มเติม เช่น ระบบเรดาร์ AESA จะต้องลดขนาดและบูรณาการส่วนประกอบต่างๆ ให้แน่นหนายิ่งขึ้น

เทคโนโลยีหนึ่งที่ว่านี้คือ วงจรรวมไมโครเวฟแบบโมโนลิธิก (MMIC) ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตโมดูลการทำงานที่สมบูรณ์ซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบหลายอย่างในอุปกรณ์เดียวได้ ทำให้เพิ่มความหนาแน่นของวงจร นอกจากนี้ MMIC ยังมีข้อดีเพิ่มเติมอีกหลายประการ เช่น ลดความไม่เข้ากันของส่วนประกอบ ลดความหน่วงของสัญญาณ (เนื่องจากระยะห่างระหว่างส่วนประกอบใน MMIC สั้นกว่า) และลดต้นทุนโดยรวมของรายการวัสดุ (BoM)

ชิป MMIC มีจำหน่ายในแพ็คเกจ Quad Flat No-Lead (QFN) ซึ่งช่วยลดต้นทุนและขนาดลงได้อีก เนื่องจากแพ็คเกจ QFN ใช้สายเชื่อมต่อสั้น ซึ่งช่วยลดค่าความเหนี่ยวนำของตะกั่ว ทำให้แผ่นทองแดงที่เปิดโล่งมีประสิทธิภาพด้านความร้อนที่ดีเยี่ยม

อุปกรณ์ Wolfspeed CMPA901A020S มีจำหน่ายในแพ็คเกจ QFN ขนาด 6 มม. เป็นแอมพลิฟายเออร์กำลังสูง GaN-on-SiC ขนาด 20 วัตต์ ที่สามารถทำงานในช่วงความถี่ 9 GHz ถึง 10 GHz และเหมาะสำหรับแอปพลิเคชันเรดาร์แบบพัลส์ เช่น เรดาร์ตรวจสภาพอากาศทางทะเล การขยายสัญญาณแบบสามขั้นตอนของแอมพลิฟายเออร์ให้การขยายสัญญาณขนาดใหญ่มากกว่า 30 dB และประสิทธิภาพมากกว่า 50% ช่วยลดความต้องการพลังงาน DC ของระบบและทำให้การจัดการความร้อนของระบบง่ายขึ้น

Wolfspeed CMPA9396025S เป็น MMIC ชนิด GaN อีกตัวหนึ่งที่สามารถผสานรวมเทคโนโลยีมากมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพด้าน SWaP-C ให้สูงสุด ออกแบบมาสำหรับการทำงานที่ความถี่ 9.3 GHz ถึง 9.6 GHz อุปกรณ์ระดับที่สามนี้มีจำหน่ายในแพ็คเกจ QFN ขนาด 6 × 6 มม.กำลังไฟฟ้าอยู่ที่ 25 วัตต์ ที่ความกว้างพัลส์ 100 ไมโครวินาที และรอบการทำงาน 10%

แอมพลิฟายเออร์ MMIC ซีรีส์ Wolfspeed CMPA801B030 ทำงานในช่วงความถี่ 7.9 GHz ถึง 11 GHz ช่วยให้ได้แบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้นและกำลังไฟฟ้าที่สูงขึ้นในย่านความถี่ X-band ค่ากำลังเอาต์พุตทั่วไปสูงถึง 40 W อัตราขยายสัญญาณขนาดใหญ่มากกว่า 20 dB และประสิทธิภาพการเพิ่มกำลังไฟฟ้าสูงถึง 40% ผลิตภัณฑ์ตระกูลนี้ผลิตในแพ็คเกจ QFN แบบขึ้นรูปพลาสติกขนาด 7 × 7 มม. และมีให้เลือกทั้งแบบชิปเปลือยและแบบมีหน้าแปลนโลหะ/เซรามิก 10 ขา ส่งผลให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความร้อนดีขึ้น

▲ Wolfspeed CMPA801B030 มีจำหน่ายทั้งแบบชิปเปล่าและแบบแพ็คเกจขนาดกะทัดรัดสูง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพด้าน SWaP-C ให้สูงสุด

หมายเหตุ: รหัส ECCN ของอุปกรณ์ทั้งหมดที่ระบุไว้ข้างต้นคือ 3A001.b.2

การเปลี่ยนแปลงที่เพิ่มประสิทธิภาพเทคโนโลยีเรดาร์

Strategy Analytics เชื่อว่าอุปกรณ์ GaN ที่กล่าวมาข้างต้นจะช่วยส่งเสริมการนำเรดาร์ AESA ไปใช้ในแพลตฟอร์มที่หลากหลายมากขึ้นอย่างรวดเร็ว และคาดว่าการใช้จ่ายด้าน GaN ในระบบเรดาร์จะเพิ่มขึ้นจาก 171.8 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2018 เป็น 734.1 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2028


เนื้อหานี้มาจากอินเทอร์เน็ต/CREE เว็บไซต์นี้อนุญาตให้เผยแพร่ซ้ำเท่านั้น มุมมอง ทัศนคติ เทคโนโลยี ฯลฯ ในบทความนี้ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับเว็บไซต์นี้ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก!