GaN解決方案：小型封裝應(yīng)對(duì)大型雷達(dá)挑戰(zhàn)

X-波段（8 GHz 到 12 GHz）雷達(dá)是適用于商業(yè)導(dǎo)航的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。航空是大量采用 X-波段雷達(dá)設(shè)備的一大主要領(lǐng)域，同時(shí)該設(shè)備還廣泛部署于眾多應(yīng)用領(lǐng)域，包括無人機(jī)、海上船舶交通管制、氣象監(jiān)測、機(jī)場附近的鳥類活動(dòng)監(jiān)測以及防冰凍遙感等。

根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu) Strategy Analytics 報(bào)告，X-波段雷達(dá)是最大的雷達(dá)細(xì)分市場。該波段雷達(dá)的銷售額在 2018 年接近 63 億美元，而相應(yīng)開支的復(fù)合年均增長率預(yù)計(jì)在3.4%，將在 2028 年達(dá)到 87億美元。

但并不是任何 X-波段雷達(dá)都具有顯著的增長機(jī)會(huì)。有源電子掃描陣列（AESA）系統(tǒng)愈來愈受到研發(fā)的青睞。該系統(tǒng)主要運(yùn)用于大型機(jī)載平臺(tái)上，同時(shí)在陸地和海事細(xì)分市場也有采用。

The AESA Challenge

AESA 系統(tǒng)使用有源陣列，每個(gè)陣列擁有數(shù)百甚至數(shù)千根天線。每一根天線均有其各自的相位和增益控制。天線元件的單個(gè)波陣面的干涉或疊加可生成平面波，能有效地產(chǎn)生向特定方向前進(jìn)的無線電波束。AESA 雷達(dá)系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)移天線元件的相位，對(duì)波束進(jìn)行電子控制。

天線元件的間距通常為半波長，以減少近場中的暴露。AESA 雷達(dá)同時(shí)也常常需要在寬范圍的高頻率內(nèi)擴(kuò)散信號(hào)。這樣的頻率捷變可以讓雷達(dá)快速地搜索扇形區(qū)中的目標(biāo)。這也使得它們更難以在背景噪聲中被探測到。這能夠讓船舶和飛機(jī)發(fā)出大功率的雷達(dá)信號(hào)，同時(shí)保持隱蔽，并帶來更出色的抗干擾能力。

這些要求為工程師們帶來了一些挑戰(zhàn)：每個(gè)天線元件必須足夠小型和輕量，從而容得下微小的波長間隔，同時(shí)要讓整體系統(tǒng)尺寸和重量在空中和海上使用時(shí)可控。然而，根據(jù)不同的應(yīng)用，雷達(dá)系統(tǒng)必須足夠強(qiáng)大，能夠在任意地方輸出從幾百瓦到高達(dá) 100 kW 的功率。因此，雷達(dá)系統(tǒng)需要高效的散熱能力，但這又增加了尺寸和重量。

在諸多此類使用案例之中，需要根據(jù)尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。僅僅替換系統(tǒng)中的幾個(gè)元件，并不會(huì)對(duì)這些考慮因素產(chǎn)生太大的影響。因此，能夠賦能 AESA 雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)必須要在 SWaP-C 改進(jìn)方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。

賦能技術(shù)：氮化鎵

能夠幫助雷達(dá)設(shè)計(jì)者克服功率、散熱、重量和尺寸、以及成本效益等諸多挑戰(zhàn)的技術(shù)，便是氮化鎵 （GaN）。這種材料的電子遷移率高。并且相較于硅而言，基于 GaN 器件的柵極電荷低、輸出電容低，能夠更高效率地在更高頻率中產(chǎn)生更高的增益。

GaN 的能帶隙寬，并且擁有極高的臨界擊穿電場，這將帶來出色的高溫可靠性、出眾的高供電電壓下的魯棒性，以及優(yōu)異的功率密度。

將碳化硅（SiC）作為GaN的襯底，能實(shí)現(xiàn)較低的熱膨脹、較低的晶格失配，以及出色的熱導(dǎo)率，進(jìn)而充分發(fā)揮 GaN 的特性。4H-半絕緣多型體SiC的熱導(dǎo)率為 430 W/mK，而硅的熱導(dǎo)率則低到了 146 W/mK。這能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的功率密度，同時(shí)能夠高效地散熱，避免達(dá)到讓設(shè)備無法運(yùn)行的極端溝道溫度。

因此，AESA 雷達(dá)中的碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）放大器能夠在更小體積中實(shí)現(xiàn)更高性能和等效輸出功率，同時(shí)節(jié)省散熱需求。但是要顯著體現(xiàn) SWaP-C 的改進(jìn)優(yōu)勢，在器件技術(shù)方面還需要做更多。

封裝是關(guān)鍵

AESA 雷達(dá)系統(tǒng)等相控陣的進(jìn)一步發(fā)展，需要減小尺寸，也需要對(duì)元件進(jìn)行更緊密的集成。

單片微波集成電路（MMIC）便是此類技術(shù)之一，它能將多個(gè)元件的完整功能模塊制造在單個(gè)設(shè)備中，進(jìn)而提高電路密度。MMIC 還有一些額外的優(yōu)勢，包括減少元件失配、減少信號(hào)延遲（由于 MMIC 上元件之間的距離更短）、并減少整體物料清單 (BoM) 成本。

MMIC 采用方形扁平無引腳（QFN）封裝，能夠帶來進(jìn)一步降低成本和減小尺寸的優(yōu)勢。由于 QFN 封裝采用短鍵合引線，有助于降低引線電感，其暴露在外的銅裸芯片焊盤提供出色的熱學(xué)性能。

WolfspeedCMPA901A020S器件便采用了 6 × 6 mm QFN 封裝，這是一款 20W 的GaN-on-SiC高功率放大器，能夠在 9 GHz 至 10 GHz 頻率范圍內(nèi)工作，適用于海洋氣象雷達(dá)這樣的脈沖雷達(dá)應(yīng)用。該放大器擁有三級(jí)增益，能夠提供大于 30 dB 的大信號(hào)增益和大于 50% 的效率，能夠滿足更低的系統(tǒng)直流功率要求，并為簡化系統(tǒng)熱管理解決方案提供支持。

CMPA9396025S是另一款 GaN MMIC ，能夠集成諸多技術(shù)，帶來 SWaP-C 改進(jìn)的最大化。該三級(jí)器件針對(duì) 9.3-GHz 至 9.6-GHz 工作而設(shè)計(jì)，采用 6 × 6 mm QFN 封裝，在 100-ms 脈沖寬度、占空比為 10% 條件下的功率為 25 W。

MMIC 放大器中的CMPA801B030系列，在 7.9-GHz 到 11-GHz 頻率范圍內(nèi)工作，能夠支持在 X-波段中實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬和更高的功率。其輸出典型值高達(dá) 40 W，大信號(hào)增益大于 20 dB，功率附加效率達(dá) 40%。該產(chǎn)品系列采用 7 × 7 mm 的塑料二次注塑成型 QFN，同樣提供裸芯片和 10 引腳金屬/陶瓷安裝凸緣 flanged 封裝，從而帶來更出眾的電氣性能和熱學(xué)性能。

審核編輯：郭婷