Giải pháp GaN: Kích thước nhỏ gọn đáp ứng những thách thức lớn của radar

Giải pháp GaN: Kích thước nhỏ gọn đáp ứng những thách thức lớn của radar

Radar băng tần X (8 GHz đến 12 GHz) là thiết bị quan trọng phù hợp cho định vị thương mại. Hàng không là một trong những lĩnh vực sử dụng chính của thiết bị radar băng tần X, và thiết bị này cũng được triển khai trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm máy bay không người lái, kiểm soát giao thông hàng hải, giám sát thời tiết, giám sát hoạt động của chim gần sân bay và cảm biến từ xa chống đóng băng.

Theo báo cáo của công ty nghiên cứu thị trường Strategy Analytics, radar băng tần X là phân khúc thị trường radar lớn nhất. Doanh số bán radar trong băng tần này đạt gần 6.3 tỷ đô la vào năm 2018, và dự kiến ​​chi tiêu tương ứng sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 3.4%, đạt 8.7 tỷ đô la vào năm 2028.

Nhưng không phải bất kỳ hệ thống radar băng tần X nào cũng có tiềm năng phát triển đáng kể. Các hệ thống mảng quét điện tử chủ động (AESA) ngày càng phổ biến trong nghiên cứu và phát triển. Hệ thống này chủ yếu được sử dụng trên các nền tảng máy bay cỡ lớn, nhưng cũng được sử dụng trong các phân khúc thị trường trên bộ và trên biển.

Thử thách AESA

Hệ thống AESA sử dụng các mảng ăng-ten chủ động, mỗi mảng có hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn ăng-ten. Mỗi ăng-ten có bộ điều khiển pha và độ lợi riêng. Sự giao thoa hoặc chồng chất của các sóng riêng lẻ từ các phần tử ăng-ten tạo ra các sóng phẳng, tạo ra một chùm sóng vô tuyến di chuyển theo một hướng cụ thể. Hệ thống radar AESA điều khiển chùm tia bằng điện tử bằng cách thay đổi pha của các phần tử ăng-ten.

Các phần tử anten thường được đặt cách nhau một nửa bước sóng để giảm thiểu sự phơi nhiễm trong vùng gần. Radar AESA cũng thường cần phân tán tín hiệu trên một dải tần số cao rộng. Khả năng thay đổi tần số linh hoạt này cho phép radar nhanh chóng tìm kiếm mục tiêu trong khu vực. Điều này cũng khiến chúng khó bị phát hiện hơn trong môi trường nhiễu. Nhờ đó, tàu thuyền và máy bay có thể phát ra tín hiệu radar công suất cao trong khi vẫn duy trì khả năng tàng hình và có khả năng chống nhiễu tốt hơn.

Những yêu cầu này đặt ra một số thách thức cho các kỹ sư: Mỗi phần tử anten phải đủ nhỏ và nhẹ để phù hợp với khoảng cách bước sóng cực nhỏ, đồng thời giữ cho kích thước và trọng lượng tổng thể của hệ thống ở mức hợp lý để sử dụng trên không và trên biển. Tuy nhiên, tùy thuộc vào ứng dụng, hệ thống radar phải đủ mạnh để tạo ra công suất từ ​​vài trăm watt đến 100 kW. Do đó, hệ thống radar cần khả năng tản nhiệt hiệu quả, điều này làm tăng kích thước và trọng lượng.

Trong số nhiều trường hợp sử dụng này, cần phảiKích thước, trọng lượng, công suất và chi phí (SWaP-C)Đánh giá hệ thống. Việc chỉ thay thế một vài linh kiện trong hệ thống sẽ không ảnh hưởng nhiều đến những yếu tố này. Do đó, các công nghệ hỗ trợ hệ thống radar AESA phải chứng minh được những lợi thế đáng kể trong việc cải thiện SWaP-C (kích thước, trọng lượng, công suất và chi phí).

Công nghệ hỗ trợ: GaN

Công nghệ có thể giúp các nhà thiết kế radar khắc phục nhiều thách thức như công suất, tản nhiệt, trọng lượng và kích thước, cũng như hiệu quả chi phí là gallium nitride (GaN). Vật liệu này có độ linh động điện tử cao. Và so với silicon, các thiết bị dựa trên GaN có điện tích cổng thấp và điện dung đầu ra thấp, và có thể tạo ra độ khuếch đại cao hơn ở tần số cao hơn một cách hiệu quả hơn.

GaN có dải năng lượng rộng và điện trường đánh thủng tới hạn rất cao, điều này sẽ mang lại độ tin cậy tuyệt vời ở nhiệt độ cao, độ bền vượt trội ở điện áp cung cấp cao và mật độ công suất tuyệt vời.

Việc sử dụng silicon carbide (SiC) làm chất nền cho GaN có thể đạt được hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn, độ lệch mạng tinh thể thấp hơn và độ dẫn nhiệt tuyệt vời, nhờ đó tận dụng tối đa các đặc tính của GaN. Độ dẫn nhiệt của SiC dạng bán cách điện 4H là 430 W/mK, trong khi độ dẫn nhiệt của silicon chỉ thấp đến 146 W/mK. Điều này cho phép đạt được mật độ công suất rất cao trong khi tản nhiệt hiệu quả, tránh nhiệt độ kênh quá cao có thể khiến thiết bị không hoạt động được.

Do đó, bộ khuếch đại gallium nitride trên silicon carbide (GaN-on-SiC) trong radar AESA có thể đạt được hiệu suất cao hơn và công suất đầu ra tương đương trong thể tích nhỏ hơn, đồng thời tiết kiệm yêu cầu tản nhiệt. Tuy nhiên, để hiện thực hóa những lợi ích được cải thiện của SWaP-C, cần phải làm nhiều hơn nữa về mặt công nghệ thiết bị.

Đóng gói là yếu tố then chốt.

Việc phát triển hơn nữa các mảng pha, chẳng hạn như hệ thống radar AESA, sẽ đòi hỏi việc giảm kích thước và tích hợp chặt chẽ hơn các thành phần.

Một trong những công nghệ đó là mạch tích hợp vi sóng nguyên khối (MMIC), cho phép chế tạo các mô-đun chức năng hoàn chỉnh gồm nhiều thành phần trong một thiết bị duy nhất, từ đó tăng mật độ mạch. MMIC cũng có những ưu điểm bổ sung, bao gồm giảm sự không tương thích giữa các thành phần, giảm độ trễ tín hiệu (do khoảng cách giữa các thành phần trên MMIC ngắn hơn) và giảm chi phí tổng thể của danh mục vật liệu (BoM).

MMIC có sẵn trong gói Quad Flat No-Lead (QFN), mang lại thêm lợi ích về giảm chi phí và kích thước. Vì gói QFN sử dụng các dây dẫn ngắn, giúp giảm độ tự cảm của chì, nên lớp đồng tiếp xúc với chip mang lại hiệu suất tản nhiệt tuyệt vời.

Thiết bị Wolfspeed CMPA901A020S có sẵn trong gói QFN 6 mm. Đây là bộ khuếch đại công suất cao 20W GaN-on-SiC có thể hoạt động trong dải tần từ 9 GHz đến 10 GHz và phù hợp cho các ứng dụng radar xung như radar thời tiết hàng hải. Khả năng khuếch đại ba tầng của bộ khuếch đại cung cấp độ khuếch đại tín hiệu lớn hơn 30 dB và hiệu suất hơn 50%, cho phép giảm yêu cầu công suất DC của hệ thống và đơn giản hóa các giải pháp quản lý nhiệt cho hệ thống.

Wolfspeed CMPA9396025S là một MMIC GaN khác có thể tích hợp nhiều công nghệ để tối đa hóa cải thiện SWaP-C. Được thiết kế cho hoạt động ở dải tần 9.3 GHz đến 9.6 GHz, thiết bị bậc ba này có sẵn trong gói QFN 6 × 6 mm.Công suất là 25 W với độ rộng xung 100 µs, chu kỳ hoạt động 10%.

Dòng sản phẩm khuếch đại MMIC Wolfspeed CMPA801B030, hoạt động trong dải tần từ 7.9 GHz đến 11 GHz, cho phép băng thông rộng hơn và công suất cao hơn trong băng tần X. Giá trị công suất đầu ra điển hình của nó lên đến 40 W, độ khuếch đại tín hiệu lớn hơn 20 dB và hiệu suất tăng công suất đạt 40%. Dòng sản phẩm này được sản xuất trong vỏ QFN đúc nhựa 7 × 7 mm và có cả dạng chip trần và dạng đóng gói mặt bích kim loại/gốm 10 chân, giúp cải thiện hiệu suất điện và tản nhiệt.

▲ Wolfspeed CMPA801B030 có sẵn ở dạng chip trần và các gói nhỏ gọn, tối đa hóa cải tiến SWaP-C.

Lưu ý: Mã ECCN của tất cả các thiết bị được liệt kê ở trên là 3A001.b.2

Tăng cường công nghệ radar

Strategy Analytics tin rằng các thiết bị GaN nêu trên sẽ giúp thúc đẩy việc áp dụng nhanh hơn các radar AESA trên nhiều nền tảng khác nhau, và chi tiêu cho GaN trong hệ thống radar sẽ tăng từ 171.8 triệu đô la Mỹ năm 2018 lên 734.1 triệu đô la Mỹ vào năm 2028.


Nội dung này được lấy từ Internet/CREE. Trang web này chỉ cung cấp bản sao chép. Quan điểm, lập trường, công nghệ, v.v. trong bài viết này không liên quan gì đến trang web này. Nếu có bất kỳ sự vi phạm bản quyền nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa bỏ!