GaN Çözümleri: Küçük Paketler Büyük Radar Zorluklarını Karşılıyor

GaN Çözümleri: Küçük Paketler Büyük Radar Zorluklarını Karşılıyor

X-band (8 GHz ila 12 GHz) radar, ticari navigasyon için uygun, önemli bir ekipmandır. Havacılık, X-band radar ekipmanının başlıca kullanım alanlarından biridir ve ekipman ayrıca dronlar, deniz taşıtı trafik kontrolü, hava durumu izleme, havaalanları yakınındaki kuş aktivitesinin izlenmesi ve buzlanmayı önleme uzaktan algılama gibi çok çeşitli uygulamalarda da kullanılmaktadır.

Pazar araştırması firması Strategy Analytics'in raporuna göre, X-band radar, radar pazarının en büyük segmentini oluşturuyor. Bu banttaki radar satışları 2018'de 6.3 milyar dolara yakındı ve ilgili harcamaların yıllık bileşik büyüme oranı %3.4 ile artarak 2028'de 8.7 milyar dolara ulaşması bekleniyor.

Ancak her X-band radar sistemi önemli büyüme fırsatlarına sahip değil. Aktif elektronik taramalı dizi (AESA) sistemleri araştırma ve geliştirme alanında giderek daha popüler hale geliyor. Sistem ağırlıklı olarak büyük hava platformlarında kullanılmakla birlikte, kara ve denizcilik pazarlarında da kullanılıyor.

AESA Meydan Okuması

AESA sistemleri, her biri yüzlerce hatta binlerce antenden oluşan aktif diziler kullanır. Her antenin kendi faz ve kazanç kontrolü vardır. Anten elemanlarının bireysel dalga cephelerinin girişimi veya süperpozisyonu, düzlem dalgalar oluşturarak, belirli bir yönde hareket eden bir radyo dalgası demeti üretir. AESA radar sistemleri, anten elemanlarının fazını değiştirerek demeti elektronik olarak yönlendirir.

Anten elemanları, yakın alan maruziyetini azaltmak için genellikle yarım dalga boyu aralıklarla yerleştirilir. AESA radarları ayrıca genellikle sinyalleri geniş bir yüksek frekans aralığına yaymak zorundadır. Bu frekans esnekliği, radarın sektördeki hedefleri hızlı bir şekilde aramasını sağlar. Bu aynı zamanda arka plan gürültüsü arasında tespit edilmelerini de zorlaştırır. Bu, gemilerin ve uçakların gizli kalırken yüksek güçlü radar sinyalleri yaymasına olanak tanır ve parazitlere karşı daha fazla bağışıklık sağlar.

Bu gereksinimler mühendisler için çeşitli zorluklar ortaya koymaktadır: Her bir anten elemanı, küçük dalga boyu aralığını karşılayacak kadar küçük ve hafif olmalı, aynı zamanda genel sistem boyutunu ve ağırlığını havada ve denizde kullanım için yönetilebilir tutmalıdır. Bununla birlikte, uygulamaya bağlı olarak, radar sistemi birkaç yüz watt'tan 100 kW'a kadar güç üretebilecek kadar güçlü olmalıdır. Bu nedenle, radar sistemleri verimli ısı dağıtım yeteneklerine ihtiyaç duyar, bu da boyut ve ağırlığı artırır.

Bu kullanım durumlarının birçoğu arasında şunlar gereklidir:Boyut, ağırlık, güç ve maliyet (SWaP-C)Sistemi değerlendirin. Sistemdeki birkaç bileşenin değiştirilmesi bu hususlar üzerinde fazla bir etki yaratmayacaktır. Bu nedenle, AESA radar sistemlerini mümkün kılan teknolojiler, SWaP-C iyileştirmelerinde önemli avantajlar göstermelidir.

Etkinleştirme teknolojisi: GaN

Radar tasarımcılarının güç, ısı dağılımı, ağırlık, boyut ve maliyet etkinliği gibi birçok zorluğun üstesinden gelmelerine yardımcı olabilecek teknoloji, galyum nitrürdür (GaN). Bu malzeme yüksek elektron hareketliliğine sahiptir. Silikon ile karşılaştırıldığında, GaN tabanlı cihazlar düşük geçit yüküne ve düşük çıkış kapasitesine sahiptir ve daha yüksek frekanslarda daha verimli bir şekilde daha yüksek kazançlar üretebilirler.

GaN, geniş bir enerji bant aralığına ve çok yüksek bir kritik kırılma elektrik alanına sahiptir; bu da mükemmel yüksek sıcaklık güvenilirliği, yüksek besleme gerilimlerinde olağanüstü sağlamlık ve mükemmel güç yoğunluğu sağlayacaktır.

GaN'nin alt tabakası olarak silisyum karbür (SiC) kullanılması, daha düşük termal genleşme, daha düşük kafes uyumsuzluğu ve mükemmel termal iletkenlik sağlayarak GaN'nin özelliklerinden tam olarak yararlanmayı mümkün kılar. 4H yarı iletken polimorf SiC'nin termal iletkenliği 430 W/mK iken, silisyumun termal iletkenliği 146 W/mK kadar düşüktür. Bu, ısıyı verimli bir şekilde dağıtırken çok yüksek güç yoğunluklarına olanak tanır ve cihazı çalışmaz hale getirecek aşırı kanal sıcaklıklarından kaçınmayı sağlar.

Bu nedenle, AESA radarındaki silisyum karbür üzerinde galyum nitrür (GaN-on-SiC) amplifikatör, daha küçük bir hacimde daha yüksek performans ve eşdeğer çıkış gücü elde ederken, ısı dağıtım gereksinimlerini de azaltabilir. Ancak SWaP-C'nin geliştirilmiş avantajlarını gerçekleştirmek için cihaz teknolojisi açısından daha fazla çalışma yapılması gerekmektedir.

Kapsülleme çok önemli.

AESA radar sistemleri gibi faz dizili antenlerin daha da geliştirilmesi, boyut küçültülmesini ve bileşenlerin daha sıkı entegrasyonunu gerektirecektir.

Bu teknolojilerden biri de, birden fazla bileşenin işlevsel modüllerinin tek bir cihazda üretilmesini sağlayarak devre yoğunluğunu artıran monolitik mikrodalga entegre devresidir (MMIC). MMIC'lerin ayrıca, bileşen uyumsuzluğunun azalması, sinyal gecikmesinin azalması (MMIC'lerdeki bileşenler arasındaki mesafenin daha kısa olması nedeniyle) ve toplam malzeme maliyetinin (BoM) azalması gibi ek avantajları da vardır.

MMIC, maliyet ve boyut azaltma avantajları sunan Dörtlü Düz Kurşunsuz (QFN) paket içerisinde mevcuttur. QFN paketi, kurşun endüktansını azaltmaya yardımcı olan kısa bağlantı telleri kullandığı için, açıkta kalan bakır yonga pedi mükemmel termal performans sağlar.

Wolfspeed CMPA901A020S cihazı 6 mm QFN paketinde mevcuttur. 9 GHz ila 10 GHz frekans aralığında çalışabilen ve deniz hava durumu radarı gibi darbe radarı uygulamaları için uygun olan 20W GaN-on-SiC yüksek güçlü bir amplifikatördür. Amplifikatörün üç kademeli kazancı, 30 dB'den fazla büyük sinyal kazancı ve %50'den fazla verimlilik sağlayarak daha düşük sistem DC güç gereksinimlerine ve basitleştirilmiş sistem termal yönetim çözümlerine olanak tanır.

Wolfspeed CMPA9396025S, SWaP-C iyileştirmelerini en üst düzeye çıkarmak için birçok teknolojiyi entegre edebilen bir başka GaN MMIC'tir. 9.3 GHz ila 9.6 GHz çalışma frekansları için tasarlanan bu üçüncül cihaz, 6 × 6 mm QFN paketinde mevcuttur.Güç, 100 µs darbe genişliğinde ve %10 görev döngüsünde 25 W'tır.

7.9 GHz ile 11 GHz frekans aralığında çalışan Wolfspeed CMPA801B030 serisi MMIC amplifikatörler, X bandında daha geniş bant genişliği ve daha yüksek güç sağlar. Tipik çıkış değeri 40 W'a kadar, büyük sinyal kazancı 20 dB'den fazla ve güç ekleme verimliliği %40'a ulaşır. Ürün ailesi, 7 × 7 mm plastik kaplamalı QFN paketinde üretilir ve hem çıplak çip hem de 10 pinli metal/seramik montaj flanşlı paketlerde mevcuttur, bu da gelişmiş elektriksel ve termal performans sağlar.

▲ Wolfspeed CMPA801B030, çıplak çip ve son derece kompakt paketler halinde mevcuttur ve SWaP-C iyileştirmelerini en üst düzeye çıkarır.

Not: Yukarıda listelenen tüm cihazların ECCN numarası 3A001.b.2'dir.

Radar teknolojisindeki değişimleri güçlendirmek

Strategy Analytics, yukarıda bahsedilen GaN cihazlarının, hızla artan çeşitli platformlarda AESA radarlarının daha hızlı benimsenmesine yardımcı olacağına ve radar sistemlerine yönelik GaN harcamalarının 2018'deki 171.8 milyon ABD dolarından 2028'de 734.1 milyon ABD dolarına yükseleceğine inanmaktadır.


Bu içerik internetten/CREE'den alınmıştır. Bu web sitesi yalnızca yeniden yayınlama olanağı sunmaktadır. Bu makalenin görüşleri, duruşu, teknolojisi vb. bu web sitesiyle hiçbir ilgisi yoktur. Herhangi bir telif hakkı ihlali varsa, lütfen silinmesi için bizimle iletişime geçin!