碳化硅MMIC上的氮化鎵：高功率AESA雷達(dá)設(shè)計(jì)

氮化鎵（GaN）在碳化硅（SiC）襯底上實(shí)施時(shí)，特別適用于雷達(dá)等高功率應(yīng)用。在這里，基于碳化硅氮化鎵技術(shù)的單片微波集成電路（MMIC）促進(jìn)了射頻功率放大器中常用的砷化鎵（GaAs）或橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）無(wú)法實(shí)現(xiàn)的帶寬。

除了導(dǎo)致更高的輸出頻率范圍外，對(duì)于地面雷達(dá)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素，地面雷達(dá)越來(lái)越多地使用有源電子掃描陣列（AESA）技術(shù)，以在更小的封裝中封裝更高的功率。矩陣節(jié)點(diǎn)格式的固態(tài)設(shè)計(jì)使AESA能夠提供更寬的視野，從而提高準(zhǔn)確性和可靠性。

使用多個(gè)發(fā)射器意味著可以控制視野以提高雷達(dá)探測(cè)和精度。此外，這種矩陣狀設(shè)計(jì)通過(guò)促進(jìn)優(yōu)雅的退化來(lái)增強(qiáng)可靠性。

下面詳細(xì)介紹了 AESA 拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)，以及 SiC MMIC 上的 GaN 如何實(shí)現(xiàn) AESA 設(shè)計(jì)承諾。

AESA 雷達(dá)設(shè)計(jì)

基于AESA的雷達(dá)設(shè)計(jì)支持多種模式來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)，例如真實(shí)波束映射，空對(duì)空搜索和跟蹤;它們還允許在節(jié)點(diǎn)之間分配任務(wù)。AESA 拓?fù)涫褂脭?shù)百個(gè)彼此獨(dú)立運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)，這反過(guò)來(lái)又有助于實(shí)現(xiàn)沒(méi)有單點(diǎn)故障的冗余系統(tǒng)。

此外，單個(gè)脈沖內(nèi)的AESA系統(tǒng)可以在寬帶上的多個(gè)頻率下工作，與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比，這使得干擾嘗試更加困難。AESA系統(tǒng)可以隨機(jī)順序快速改變頻率和脈沖寬度，這一事實(shí)也降低了雷達(dá)預(yù)警接收器（RWR）探測(cè)到的機(jī)會(huì)。

然而，與此同時(shí)，AESA系統(tǒng)需要更高水平的集成，以促進(jìn)放置在單個(gè)封裝中的多個(gè)階段。這是為了提高單個(gè)元件的增益，并消除對(duì)RF鏈中多個(gè)組件的需求。

首先，這要求使用更小的封裝來(lái)降低熱量產(chǎn)生并提高能源效率。接下來(lái)，RF器件必須允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)更高的功率，以擴(kuò)大頻率范圍并降低系統(tǒng)復(fù)雜性。在這里，SiC 上的 GaN 器件符合 AESA 拓?fù)涞奶囟☉?yīng)用封裝要求。

氮化鎵在碳化硅上的優(yōu)點(diǎn)

需要注意的是，雖然在雷達(dá)等高功率RF設(shè)計(jì)中使用單個(gè)電壓非常有益，但采用高功率設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)通常采用在不同電壓下工作的多個(gè)級(jí)。

在這里，SiC上的GaN解決方案結(jié)合了多個(gè)器件，以實(shí)現(xiàn)地面AESA系統(tǒng)的整體功率目標(biāo)。以Wolfspeed的CMPA5259050F為例，它是專(zhuān)門(mén)為AESA雷達(dá)設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)的。它采用緊湊的 0.5 × 0.5 英寸封裝，可將多個(gè)設(shè)備并排放置。

用于雷達(dá)功率放大器的MMIC工作電壓為28 V，使用有限元分析對(duì)所有熱參數(shù)進(jìn)行建模。這反過(guò)來(lái)又帶來(lái)了強(qiáng)大的脈沖能力和連續(xù)波（CW）操作。與SiC晶體管上的競(jìng)爭(zhēng)GaN相比，每節(jié)點(diǎn)的功率更高，這也增強(qiáng)了范圍并降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。

更重要的是，它可以在225°C的結(jié)溫下工作，而LDMOS和GaAs器件的結(jié)溫為150°C，硅基氮化鎵器件的結(jié)溫為200°C。CMPA5259050F的工作溫度比競(jìng)爭(zhēng)的硅基氮化鎵器件高25°C，從而產(chǎn)生更大的熱裕量，并顯著提高效率和可靠性。熱效率還導(dǎo)致 MTTF 為 10 年。

Wolfspeed憑借其SiC雷達(dá)上的GaN獲得了美國(guó)國(guó)防部制造準(zhǔn)備等級(jí)8的稱(chēng)號(hào)。此外，與市場(chǎng)上其他碳化硅氮化鎵產(chǎn)品相比，CMPA5259050F具有更具體的優(yōu)勢(shì)。

狼速射頻模型

CMPA5259050F晶體管在雷達(dá)設(shè)計(jì)中具有以下三個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。首先，雖然許多雷達(dá)設(shè)計(jì)人員依靠行業(yè)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)一次性成功，但 Wolfspeed 在內(nèi)部使用相同的模型來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)用夾具。這使得雷達(dá)設(shè)計(jì)人員能夠快速確定設(shè)計(jì)是否滿足他們的需求，并將電路板調(diào)整到所需的頻率。

Wolfspeed 還為 AWR 設(shè)計(jì)套件中的所有應(yīng)用夾具提供設(shè)計(jì)文件。所有仿真文件、gerber、原理圖和BOM都可用于參考設(shè)計(jì)，以快速?gòu)?fù)制、調(diào)諧和調(diào)試電路。這些文件通常使用 Modelithics 庫(kù)，因此設(shè)計(jì)人員可以使用供應(yīng)商網(wǎng)站上的標(biāo)準(zhǔn) s 參數(shù)文件替換它們，以防他們無(wú)法訪問(wèn)這些文件。

一次通過(guò)設(shè)計(jì)

制造工藝優(yōu)勢(shì)，加上使用工藝設(shè)計(jì)套件 （PDK） 的內(nèi)部設(shè)計(jì)的可用性，增強(qiáng)了一次性設(shè)計(jì)成功的承諾。再加上設(shè)計(jì)協(xié)助和測(cè)試支持，雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員也能夠執(zhí)行更快的設(shè)計(jì)周期。

這些是寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)不斷發(fā)展，并在更小、更輕、更可靠的設(shè)計(jì)中向更高的功率密度發(fā)展。

審核編輯：郭婷