Gan-Lösung: kleines Paket, um den Herausforderungen großer Radargeräte gerecht zu werden

X-Band-Radar (8 GHz bis 12 GHz) ist ein Schlüsselinstrument für die kommerzielle Navigation. Die Luftfahrt ist ein wichtiger Bereich, in dem X-Band-Radargeräte weit verbreitet sind. Gleichzeitig werden die Geräte auch in vielen anderen Anwendungsbereichen eingesetzt, darunter Drohnen, die Schiffsverkehrskontrolle, die Wetterüberwachung, die Vogelbeobachtung in Flughafennähe und die Fernerkundung von Frostschutzmitteln.

Laut einem Bericht des Marktforschungsinstituts Strategy Analytics ist das X-Band-Radar das größte Radarsegment. Der Umsatz mit diesem Bandradar belief sich 6.3 auf knapp 2018 Milliarden US-Dollar, und die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der entsprechenden Ausgaben wird auf 3.4 % geschätzt, sodass bis 8.7 ein Umsatz von 2028 Milliarden US-Dollar erwartet wird.

Allerdings bietet nicht jedes X-Band-Radar nennenswerte Wachstumschancen. Das Active Electronic Scanning Array (AESA)-System erfreut sich in Forschung und Entwicklung zunehmender Beliebtheit. Das System wird hauptsächlich auf großen Luftplattformen sowie im Land- und Seebereich eingesetzt.

AESA-Herausforderungen

Das AESA-System verwendet aktive Arrays mit jeweils Hunderten oder sogar Tausenden von Antennes. Jeder Antenne verfügt über eine eigene Phasen- und Verstärkungsregelung. Die Interferenz oder Überlagerung eines einzelnen Wellenfeldes Antenne Elemente können ebene Wellen erzeugen, die effektiv Funkstrahlen erzeugen können, die sich in eine bestimmte Richtung bewegen. Das AESA-Radarsystem steuert den Strahl elektronisch durch die Übertragung der Phase von Antenne Elemente.

Der Abstand von Antenne Die Wellenlänge der Elemente beträgt üblicherweise die halbe Wellenlänge, um die Belastung im Nahfeld zu reduzieren. AESA-Radare müssen zudem häufig Signale in einem breiten Hochfrequenzbereich verteilen. Diese Frequenzflexibilität ermöglicht dem Radar eine schnelle Suche nach Zielen im Sektor. Dadurch sind diese auch im Hintergrundrauschen schwerer zu erkennen. Dadurch können Schiffe und Flugzeuge Hochleistungsradarsignale senden und gleichzeitig ihre Tarnung wahren und eine bessere Störfestigkeit erreichen.

Diese Anforderungen stellen Ingenieure vor einige Herausforderungen: Jeder Antenne Das Element muss klein und leicht genug sein, um kleine Wellenlängenabstände zu ermöglichen, während gleichzeitig die Gesamtgröße und das Gewicht des Systems für den Einsatz in der Luft und auf See beherrschbar bleiben. Je nach Anwendung muss das Radarsystem jedoch leistungsstark genug sein, um überall eine Leistung von mehreren hundert Watt bis zu 100 kW abzugeben. Daher benötigt das Radarsystem eine effiziente Wärmeableitung, was jedoch Größe und Gewicht erhöht.

In vielen dieser Anwendungsfälle müssen Sie Größe, Gewicht, Leistung und Kosten (Swap-C) Bewerten Sie das System. Der Austausch nur weniger Komponenten im System hat keinen großen Einfluss auf diese Überlegungen. Daher muss die Technologie, die das AESA-Radarsystem ermöglicht, erhebliche Vorteile bei der Swap-C-Verbesserung aufweisen.

Basistechnologie: Gan

Galliumnitrid (GAN) ist eine Technologie, die Radarentwicklern hilft, viele Herausforderungen wie Leistung, Wärmeableitung, Gewicht und Größe sowie Kosteneffizienz zu meistern. Dieses Material verfügt über eine hohe Elektronenbeweglichkeit. Im Vergleich zu Silizium haben GAN-Bauelemente eine geringe Gate-Ladung und Ausgangskapazität und können effizienter eine höhere Verstärkung bei höheren Frequenzen erzeugen.

Gan verfügt über eine große Energiebandlücke und ein sehr hohes kritisches elektrisches Durchbruchsfeld, was eine hervorragende Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen, eine hervorragende Robustheit bei hoher Versorgungsspannung und eine hervorragende Leistungsdichte mit sich bringt.

Die Verwendung von Siliziumkarbid (SIC) als GaN-Substrat ermöglicht eine geringe Wärmeausdehnung, geringe Gitterfehlanpassung und eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, wodurch die Eigenschaften von GaN voll zum Tragen kommen. Die Wärmeleitfähigkeit von 4H-halbisolierendem Polytyp-SiC beträgt 430 W/mK, während die von Silizium nur 146 W/mK beträgt. Dies ermöglicht eine sehr hohe Leistungsdichte und effiziente Wärmeableitung und vermeidet extreme Kanaltemperaturen, die das Gerät funktionsunfähig machen.

Daher kann der auf Siliziumkarbid basierende Galliumnitrid-Verstärker (GaN auf SiC) im AESA-Radar eine höhere Leistung und gleichwertige Ausgangsleistung bei geringerem Volumen erreichen und gleichzeitig den Wärmeableitungsbedarf senken. Um die Verbesserungsvorteile von Swap-C jedoch deutlich zu nutzen, muss in der Gerätetechnologie noch mehr getan werden.

Kapselung ist der Schlüssel

Die Weiterentwicklung von Phased-Array-Radarsystemen wie dem AESA-Radarsystem erfordert eine Reduzierung der Größe und eine engere Integration der Komponenten.

Monolithische Mikrowellen-integrierte Schaltkreise (MMIC) sind eine dieser Technologien. Sie ermöglichen die Herstellung kompletter Funktionsmodule mehrerer Komponenten in einem einzigen Gerät, wodurch die Schaltkreisdichte verbessert wird. MMIC bietet darüber hinaus weitere Vorteile, darunter die Reduzierung von Komponentenfehlanpassungen, die Reduzierung der Signalverzögerung (aufgrund des geringeren Abstands zwischen den Komponenten auf MMIC) und die Senkung der Gesamtkosten für die Stückliste.

MMIC verwendet ein QFN-Gehäuse (Square Flat Pinless), das Kosten und Größe weiter reduziert. Da das QFN-Gehäuse kurze Anschlussleitungen verwendet, was zur Reduzierung der Anschlussinduktivität beiträgt, bietet das freiliegende Kupfer-Bare-Chip-Pad eine hervorragende Wärmeleistung.

Das Wolfspeed cmpa901a020s-Gerät verfügt über ein 6 x 6 mm großes QFN-Gehäuse. Es handelt sich um einen 20-W-Gan-on-SiC-Hochleistungsverstärker, der im Frequenzbereich von 9 GHz bis 10 GHz betrieben werden kann. Er eignet sich für Impulsradaranwendungen wie beispielsweise Schiffswetterradar. Der Verstärker verfügt über eine dreistufige Verstärkung, bietet eine Großsignalverstärkung von über 30 dB und einen Wirkungsgrad von über 50 %, erfüllt geringere System-Gleichstromanforderungen und unterstützt vereinfachte Lösungen zum Wärmemanagement des Systems.

Wolfspeed cmpa9396025s ist ein weiterer Gan MMIC, der viele Technologien integrieren kann, um die Swap-C-Verbesserung zu maximieren. Das dreistufige Gerät ist für 9.3 GHz bis 9.6 GHz ausgelegt und verwendet ein 6-mm-QFN-Gehäuse.Bei 100 – µm beträgt die Leistung 25 W unter der Bedingung einer Impulsbreite von 10 s und eines Arbeitszyklus von XNUMX %.

Die MMIC-Verstärker der Wolfspeed cmpa801b030-Serie arbeiten im Frequenzbereich von 7.9 GHz bis 11 GHz und unterstützen eine größere Bandbreite und höhere Leistung im X-Band. Die typische Ausgangsleistung beträgt bis zu 40 W, die Großsignalverstärkung über 20 dB und die zusätzliche Leistungseffizienz bis zu 40 %. Die Produktserie verwendet 7 x 7 mm starkes QFN-Kunststoff-Spritzgussverfahren und bietet einen Bare-Chip sowie ein 10-poliges Metall-/Keramik-Montageflanschgehäuse, was zu einer verbesserten elektrischen und thermischen Leistung führt.

▲ Wolfspeed cmpa801b030 bietet einen Bare-Chip und ein hochkompaktes Paket, um die Verbesserung von Swap-C zu maximieren

Hinweis: ECCN aller oben aufgeführten Geräte sind 3a001 b.2

Technische Innovation zur Aktivierung von Radar

Strategy Analytics geht davon aus, dass die oben genannten Gan-Geräte die schnelle Einführung des AESA-Radars auf verschiedenen Plattformen fördern und dass die Gan-Ausgaben für Radarsysteme von 171.8 Millionen US-Dollar im Jahr 2018 auf 734.1 Millionen US-Dollar im Jahr 2028 steigen werden.


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