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

X-Band-Radar (8 GHz bis 12 GHz) ist eine Schlüsselausrüstung für die kommerzielle Navigation. Die Luftfahrt ist ein wichtiger Bereich, in dem X-Band-Radargeräte häufig eingesetzt werden. Gleichzeitig wird die Ausrüstung auch in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt, darunter UAV, Kontrolle des Schiffsverkehrs auf See, meteorologische Überwachung, Überwachung der Vogelaktivität in der Nähe des Flughafens und Frostschutz-Fernerkundung.

Laut dem Bericht von Strategy Analytics, einem Marktforschungsunternehmen, ist X-Band-Radar das größte Radarsegment. Der Umsatz dieses Bandradars liegt im Jahr 6.3 bei nahezu 2018 Milliarden US-Dollar, und die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der entsprechenden Ausgaben wird voraussichtlich 3.4 % betragen, was im Jahr 8.7 2028 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Allerdings bietet nicht jedes X-Band-Radar nennenswerte Wachstumschancen. Das Active Electronic Scanning Array (AESA)-System erfreut sich in Forschung und Entwicklung immer größerer Beliebtheit. Das System wird hauptsächlich auf großen Flugplattformen 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 von Antenne Elemente können ebene Wellen erzeugen, die effektiv Radiostrahlen erzeugen können, die sich in eine bestimmte Richtung bewegen. Das AESA-Radarsystem steuert den Strahl elektronisch durch Übertragen der Phase von Antenne Elemente.

Der Abstand von Antenne Elemente sind normalerweise halb so lang, um die Belastung im Nahfeld zu reduzieren. AESA-Radare müssen Signale außerdem häufig in einem breiten Bereich hoher Frequenzen streuen. Diese Frequenzflexibilität ermöglicht es dem Radar, schnell nach Zielen im Sektor zu suchen. Dadurch sind sie auch im Hintergrundrauschen schwieriger zu erkennen. Dadurch können Schiffe und Flugzeuge Hochleistungsradarsignale senden und gleichzeitig ihre Tarnung wahren und eine bessere Störschutzfähigkeit erreichen.

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

In vielen dieser Anwendungsfälle ist dies erforderlich Größe, Gewicht, Leistung und Kosten (Swap-C) Bewerten Sie das System. Der Austausch nur einiger Komponenten im System wird auf diese Überlegungen keinen großen Einfluss haben. Daher muss die Technologie, die das AESA-Radarsystem ermöglichen kann, erhebliche Vorteile bei der Swap-C-Verbesserung aufweisen.

Ermöglichende Technologie: Gan

Galliumnitrid (GAN) ist eine Technologie, die Radarentwicklern dabei helfen kann, viele Herausforderungen wie Leistung, Wärmeableitung, Gewicht und Größe sowie Kosteneffizienz zu meistern. Dieses Material weist eine hohe Elektronenmobilität auf. Im Vergleich zu Silizium haben Gan-Geräte eine niedrige Gate-Ladung und eine niedrige Ausgangskapazität und können effizienter eine höhere Verstärkung bei höherer Frequenz erzeugen.

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

Durch die Verwendung von Siliziumkarbid (SIC) als GaN-Substrat können eine geringe Wärmeausdehnung, eine geringe Gitterfehlanpassung und eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit erreicht werden, sodass die Eigenschaften von GaN voll zur Geltung kommen. Die Wärmeleitfähigkeit von halbisolierendem 4H-Polytyp-SiC beträgt 430 W/MK, während die von Silizium nur 146 W/MK beträgt. Dies ermöglicht eine sehr hohe Leistungsdichte und eine effiziente Wärmeableitung und vermeidet extreme Kanaltemperaturen, die die Geräte funktionsunfähig machen.

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

Kapselung ist der Schlüssel

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

Eine dieser Technologien ist der monolithische integrierte Mikrowellenschaltkreis (MMIC). Es kann die kompletten Funktionsmodule mehrerer Komponenten in einem einzigen Gerät herstellen, um so die Schaltungsdichte zu verbessern. MMIC bietet auch einige zusätzliche Vorteile, darunter die Reduzierung der Komponentenfehlanpassung, die Reduzierung der Signalverzögerung (aufgrund des kürzeren Abstands zwischen Komponenten auf MMIC) und die Reduzierung der Gesamtkosten für Stücklisten (BOM).

MMIC verwendet ein quadratisches, flaches, stiftloses (QFN) Gehäuse, das Kosten und Größe weiter reduzieren kann. Da das QFN-Gehäuse kurze Bonding-Leitungen verwendet, was zur Reduzierung der Leitungsinduktivität beiträgt, bietet sein freiliegendes Kupfer-Bare-Chip-Pad eine hervorragende thermische Leistung.

Wolfspeed cmpa901a020s Gerät übernimmt 6 & mal; Im 6-mm-QFN-Gehäuse handelt es sich um einen 20-W-Gan-on-SiC-Hochleistungsverstärker, der im Frequenzbereich von 9 GHz bis 10 GHz betrieben werden kann. Es eignet sich für Impulsradaranwendungen wie das meteorologische Marineradar. Der Verstärker verfügt über eine dreistufige Verstärkung, kann eine große Signalverstärkung von mehr als 30 dB und einen Wirkungsgrad von mehr als 50 % liefern, kann geringere Anforderungen an die Gleichstromversorgung des Systems erfüllen und vereinfachte Lösungen für das System-Wärmemanagement unterstützen.

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

Der MMIC-Verstärker der Serie cmpa801b030 von Wolfspeed arbeitet im Frequenzbereich von 7.9 GHz bis 11 GHz und kann eine größere Bandbreite und höhere Leistung im X-Band unterstützen. Der typische Ausgangswert beträgt bis zu 40 W, die Großsignalverstärkung beträgt mehr als 20 dB und der Leistungszusatzwirkungsgrad beträgt bis zu 40 %. Die Produktserie übernimmt 7 & times; Das 7-mm-Kunststoff-Sekundärspritzguss-QFN bietet außerdem ein Bare-Chip- und 10-poliges Metall-/Keramik-Montageflansch-Flanschgehäuse, was zu einer herausragenden elektrischen und thermischen Leistung führt.

▲ Wolfspeed cmpa801b030 bietet einen Bare-Chip und ein äußerst kompaktes Gehäuse, um die Verbesserung von Swap-C zu maximieren

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

Technische Innovation zur Radaraktivierung

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


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