氮化鎵解決方案：小封裝滿足大型雷達挑戰

氮化鎵解決方案：小封裝滿足大型雷達挑戰

X波段（8 GHz至12 GHz）雷達是適用於商業導航的關鍵設備。航空是X波段雷達設備的主要應用領域，該設備也被廣泛應用於無人機、海上船舶交通管制、氣象監測、機場附近鳥類活動監測以及防冰遙感等領域。

市場研究公司Strategy Analytics的報告顯示，X波段雷達是最大的雷達市場區隔。 2018年，該波段雷達的銷售額接近6.3億美元，預計相應的支出將以3.4%的複合年增長率成長，到2028年達到8.7億美元。

但並非所有X波段雷達都具有顯著的成長潛力。有源相控陣雷達（AESA）系統在研發領域日益受到青睞。該系統主要用於大型機載平台，但也應用於陸地和海上市場。

AESA挑戰賽

AESA系統採用主動陣列，每個陣列包含數百甚至數千個天線。每根天線都有其獨立的相位和增益控制。各天線單元的波前相互干涉或疊加，產生平面波，從而有效地形成一束沿特定方向傳播的無線電波。 AESA雷達系統透過改變天線單元的相位來電子控制波束方向。

為了降低近場輻射，天線單元通常間隔半個波長。 AESA雷達通常也需要將訊號擴展到很寬的高頻範圍內。這種頻率捷變性使雷達能夠快速搜索扇區內的目標，同時也使其更難被背景雜訊偵測到。這使得船艦和飛機能夠在保持隱蔽性的同時發射高功率雷達訊號，並具有更強的抗干擾能力。

這些要求為工程師帶來了許多挑戰：每個天線單元都必須足夠小巧輕便，以適應極小的波長間距，同時還要確保整個系統的尺寸和重量在空中和海上使用時都可控。然而，根據應用的不同，雷達系統必須擁有足夠的功率，輸出功率從幾百瓦到高達100千瓦不等。因此，雷達系統需要高效的散熱能力，這會增加其尺寸和重量。

在眾多應用場景中，有必要尺寸、重量、功耗和成本 (SWaP-C)評估系統。僅更換系統中的幾個組件不會對這些考慮產生太大影響。因此，實現AESA雷達系統的技術必須在尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）方面展現出顯著優勢。

關鍵技術：氮化鎵

氮化鎵（GaN）技術能夠幫助雷達設計人員克服功率、散熱、重量和尺寸以及成本效益等諸多挑戰。這種材料具有高電子遷移率。與矽相比，基於GaN的裝置具有低閘極電荷和低輸出電容，並且能夠在更高頻率下更有效率地產生更高的增益。

GaN 具有寬能帶隙和非常高的臨界擊穿電場，這將帶來優異的高溫可靠性、在高電源電壓下出色的穩健性和優異的功率密度。

以碳化矽（SiC）作為氮化鎵（GaN）基板，可實現更低的熱膨脹係數、更小的晶格失配和優異的導熱性能，從而充分發揮GaN的特性。 4H半絕緣型碳化矽的導熱係數為430 W/mK，而矽的導熱係數僅146 W/mK。這使得GaN元件能夠在高效能散熱的同時實現極高的功率密度，避免因通道溫度過高而導致元件無法運作。

因此，AESA雷達中的氮化鎵/碳化矽（GaN-on-SiC）放大器可以在更小的體積內實現更高的性能和等效的輸出功率，同時降低散熱需求。但要真正實現SWaP-C方面的提升，裝置技術方面仍需做出更多努力。

封裝是關鍵

相控陣雷達系統（如 AESA 雷達系統）的進一步發展，需要縮小尺寸並更緊密地整合組件。

單片微波積體電路（MMIC）就是這樣一種技術，它能夠在單一元件中製造包含多個組件的完整功能模組，從而提高電路密度。 MMIC 還具有其他優勢，包括減少組件失配、降低訊號延遲（由於 MMIC 上組件之間的距離更短）以及降低整體物料清單（BOM）成本。

這款單晶片微波積體電路 (MMIC) 採用四方扁平無引腳 (QFN) 封裝，進一步降低了成本並縮小了尺寸。由於 QFN 封裝使用短鍵合線，有助於降低引腳電感，因此其裸露的銅晶片焊盤具有出色的散熱性能。

Wolfspeed CMPA901A020S 裝置採用 6 mm QFN 封裝。這是一款 20W GaN-on-SiC 高功率放大器，工作頻率範圍為 9 GHz 至 10 GHz，適用於脈衝雷達應用，例如海洋氣象雷達。此放大器的三級增益可提供超過 30 dB 的大訊號增益和超過 50% 的效率，從而降低系統直流功耗並簡化系統散熱管理方案。

Wolfspeed CMPA9396025S 是另一款 GaN MMIC，它整合了多種技術，可最大限度地提高 SWaP-C 效能。這款三級元件設計工作頻率為 9.3 GHz 至 9.6 GHz，採用 6 × 6 mm QFN 封裝。功率為 25 瓦，脈衝寬度為 100 微秒，佔空比為 10%。

Wolfspeed CMPA801B030系列MMIC放大器工作頻率範圍為7.9 GHz至11 GHz，可在X波段實現更寬的頻寬和更高的功率。其典型輸出功率高達40 W，大訊號增益大於20 dB，功率附加效率高達40%。該產品系列採用7 × 7 mm塑膠包覆成型QFN封裝，並提供裸晶片和10引腳金屬/陶瓷安裝法蘭封裝兩種選擇，從而實現了更優異的電氣和熱性能。

▲ Wolfspeed CMPA801B030 提供裸晶片和高度緊湊的封裝，最大限度地提高了 SWaP-C 效能。

註：以上所有設備的 ECCN 均為 3A001.b.2

增強雷達技術變革

Strategy Analytics 認為，上述 GaN 裝置將有助於促進 AESA 雷達在快速成長的各種平台上的更快普及，且雷達系統 GaN 支出將從 2018 年的 171.8 億美元增加到 2028 年的 734.1 億美元。


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