GaN 解决方案：小型封装应对大型雷达挑战

来源:第三代半导体产业网发布时间:2021-04-1920浏览

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-波段雷达都具有显着的增长机会。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。

AESA 的挑战

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 改进方面表现出显着的优势。

赋能技术：GaN

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。但是要显着体现 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。

Wolfspeed 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-?s 脉冲宽度、占空比为 10% 条件下的功率为 25 W。

MMIC 放大器中的 Wolfspeed 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。