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GaN 解决方案:小型封装应对大型雷达挑战

Mar 24, 2021
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GaN 解决方案:小型封装应对大型雷达挑战

X-波段(8 GHz 到 12 GHz)雷达是适用于商业导航的一个关键设备。航空是大量采用 X-波段雷达设备的一大主要领域,同时该设备还广泛部署于众多应用领域,包括无人机、海上船舶交通管制、气象监测、机场附近的鸟类活动监测以及防冰冻遥感等。

根据市场调研机构 Strategy Analytics 报告,X-波段雷达是最大的雷达细分市场。该波段雷达的销售额在 2018 年接近 63 亿美元,而相应开支的复合年均增长率预计在3.4%,将在 2028 年达到 87亿美元。

但并不是任何 X-波段雷达都具有显著的增长机会。有源电子扫描阵列(AESA)系统愈来愈受到研发的青睐。该系统主要运用于大型机载平台上,同时在陆地和海事细分市场也有采用。

The AESA Challenge

AESA 系统使用有源阵列,每个阵列拥有数百甚至数千根天线。每一根天线均有其各自的相位和增益控制。天线元件的单个波阵面的干涉或叠加可生成平面波,能有效地产生向特定方向前进的无线电波束。AESA 雷达系统通过转移天线元件的相位,对波束进行电子控制。

天线元件的间距通常为半波长,以减少近场中的暴露。AESA 雷达同时也常常需要在宽范围的高频率内扩散信号。这样的频率捷变可以让雷达快速地搜索扇形区中的目标。这也使得它们更难以在背景噪声中被探测到。这能够让船舶和飞机发出大功率的雷达信号,同时保持隐蔽,并带来更出色的抗干扰能力。

这些要求为工程师们带来了一些挑战:每个天线元件必须足够小型和轻量,从而容得下微小的波长间隔,同时要让整体系统尺寸和重量在空中和海上使用时可控。然而,根据不同的应用,雷达系统必须足够强大,能够在任意地方输出从几百瓦到高达 100 kW 的功率。因此,雷达系统需要高效的散热能力,但这又增加了尺寸和重量。

在诸多此类使用案例之中,需要根据尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 对系统进行评估。仅仅替换系统中的几个元件,并不会对这些考虑因素产生太大的影响。因此,能够赋能 AESA 雷达系统的技术必须要在 SWaP-C 改进方面表现出显著的优势。

赋能技术:氮化镓

能够帮助雷达设计者克服功率、散热、重量和尺寸、以及成本效益等诸多挑战的技术,便是氮化镓 (GaN)。这种材料的电子迁移率高。并且相较于硅而言,基于 GaN 器件的栅极电荷低、输出电容低,能够更高效率地在更高频率中产生更高的增益。

GaN 的能带隙宽,并且拥有极高的临界击穿电场,这将带来出色的高温可靠性、出众的高供电电压下的鲁棒性,以及优异的功率密度。

将碳化硅(SiC)作为GaN的衬底,能实现较低的热膨胀、较低的晶格失配,以及出色的热导率,进而充分发挥 GaN 的特性。4H-半绝缘多型体SiC的热导率为 430 W/mK,而硅的热导率则低到了 146 W/mK。这能够实现非常高的功率密度,同时能够高效地散热,避免达到让设备无法运行的极端沟道温度。

因此,AESA 雷达中的碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)放大器能够在更小体积中实现更高性能和等效输出功率,同时节省散热需求。但是要显著体现 SWaP-C 的改进优势,在器件技术方面还需要做更多。

封装是关键

AESA 雷达系统等相控阵的进一步发展,需要减小尺寸,也需要对元件进行更紧密的集成。

单片微波集成电路(MMIC)便是此类技术之一,它能将多个元件的完整功能模块制造在单个设备中,进而提高电路密度。MMIC 还有一些额外的优势,包括减少元件失配、减少信号延迟(由于 MMIC 上元件之间的距离更短)、并减少整体物料清单 (BoM) 成本。

MMIC 采用方形扁平无引脚(QFN)封装,能够带来进一步降低成本和减小尺寸的优势。由于 QFN 封装采用短键合引线,有助于降低引线电感,其暴露在外的铜裸芯片焊盘提供出色的热学性能。

Wolfspeed CMPA901A020S 器件便采用了 6 × 6 mm QFN 封装,这是一款 20W 的GaN-on-SiC高功率放大器,能够在 9 GHz 至 10 GHz 频率范围内工作,适用于海洋气象雷达这样的脉冲雷达应用。该放大器拥有三级增益,能够提供大于 30 dB 的大信号增益和大于 50% 的效率,能够满足更低的系统直流功率要求,并为简化系统热管理解决方案提供支持。

CMPA9396025S 是另一款 GaN MMIC ,能够集成诸多技术,带来 SWaP-C 改进的最大化。该三级器件针对 9.3-GHz 至 9.6-GHz 工作而设计,采用 6 × 6 mm QFN 封装,在 100-ms 脉冲宽度、占空比为 10% 条件下的功率为 25 W。

MMIC 放大器中的 CMPA801B030 系列,在 7.9-GHz 到 11-GHz 频率范围内工作,能够支持在 X-波段中实现更宽的带宽和更高的功率。其输出典型值高达 40 W,大信号增益大于 20 dB,功率附加效率达 40%。该产品系列采用 7 × 7 mm 的塑料二次注塑成型 QFN,同样提供裸芯片和 10 引脚金属/陶瓷安装凸缘 flanged 封装,从而带来更出众的电气性能和热学性能。

赋能雷达技术变革

Strategy Analytics 认为,上述的此类GaN器件有利于推动迅速增加的各类平台更快速地采用 AESA 雷达,而雷达系统的 GaN 开支将从 2018 年的 1.718 亿美元上升至 2028 年的 7.341 亿美元。

浏览 Wolfspeed X-波段产品页面,了解如何赋能您的下一代 X-波段雷达设计。

References

  1. Deloitte, 2020 Global Aerospace and Defense Industry Outlook ,
    https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/global/Documents/Manufacturing/gx-global-outlook-ad-2020.pdf
  2. Strategy Analytics, Defense Radar Market and Technology Forecast: 2018–2028
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