碳化硅MMIC上的氮化鎵：高功率AESA雷達設計

氮化鎵（GaN）在碳化硅（SiC）襯底上實施時，特別適用于雷達等高功率應用。在這里，基于碳化硅氮化鎵技術的單片微波集成電路（MMIC）促進了射頻功率放大器中常用的砷化鎵（GaAs）或橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）無法實現(xiàn)的帶寬。

除了導致更高的輸出頻率范圍外，對于地面雷達來說，這是一個關鍵的設計考慮因素，地面雷達越來越多地使用有源電子掃描陣列（AESA）技術，以在更小的封裝中封裝更高的功率。矩陣節(jié)點格式的固態(tài)設計使AESA能夠提供更寬的視野，從而提高準確性和可靠性。

使用多個發(fā)射器意味著可以控制視野以提高雷達探測和精度。此外，這種矩陣狀設計通過促進優(yōu)雅的退化來增強可靠性。

下面詳細介紹了 AESA 拓撲的優(yōu)勢，以及 SiC MMIC 上的 GaN 如何實現(xiàn) AESA 設計承諾。

AESA 雷達設計

基于AESA的雷達設計支持多種模式來執(zhí)行各種任務，例如真實波束映射，空對空搜索和跟蹤;它們還允許在節(jié)點之間分配任務。AESA 拓撲使用數(shù)百個彼此獨立運行的節(jié)點，這反過來又有助于實現(xiàn)沒有單點故障的冗余系統(tǒng)。

此外，單個脈沖內(nèi)的AESA系統(tǒng)可以在寬帶上的多個頻率下工作，與傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)相比，這使得干擾嘗試更加困難。AESA系統(tǒng)可以隨機順序快速改變頻率和脈沖寬度，這一事實也降低了雷達預警接收器（RWR）探測到的機會。

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

首先，這要求使用更小的封裝來降低熱量產(chǎn)生并提高能源效率。接下來，RF器件必須允許每個節(jié)點更高的功率，以擴大頻率范圍并降低系統(tǒng)復雜性。在這里，SiC 上的 GaN 器件符合 AESA 拓撲的特定應用封裝要求。

氮化鎵在碳化硅上的優(yōu)點

需要注意的是，雖然在雷達等高功率RF設計中使用單個電壓非常有益，但采用高功率設計的傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)通常采用在不同電壓下工作的多個級。

在這里，SiC上的GaN解決方案結合了多個器件，以實現(xiàn)地面AESA系統(tǒng)的整體功率目標。以Wolfspeed的CMPA5259050F為例，它是專門為AESA雷達設計而設計的。它采用緊湊的 0.5 × 0.5 英寸封裝，可將多個設備并排放置。

用于雷達功率放大器的MMIC工作電壓為28 V，使用有限元分析對所有熱參數(shù)進行建模。這反過來又帶來了強大的脈沖能力和連續(xù)波（CW）操作。與SiC晶體管上的競爭GaN相比，每節(jié)點的功率更高，這也增強了范圍并降低了系統(tǒng)復雜性。

更重要的是，它可以在225°C的結溫下工作，而LDMOS和GaAs器件的結溫為150°C，硅基氮化鎵器件的結溫為200°C。CMPA5259050F的工作溫度比競爭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。熱效率還導致 MTTF 為 10 年。

Wolfspeed憑借其SiC雷達上的GaN獲得了美國國防部制造準備等級8的稱號。此外，與市場上其他碳化硅氮化鎵產(chǎn)品相比，CMPA5259050F具有更具體的優(yōu)勢。

狼速射頻模型

CMPA5259050F晶體管在雷達設計中具有以下三個關鍵優(yōu)勢。首先，雖然許多雷達設計人員依靠行業(yè)模型來實現(xiàn)一次性成功，但 Wolfspeed 在內(nèi)部使用相同的模型來設計應用夾具。這使得雷達設計人員能夠快速確定設計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 設計套件中的所有應用夾具提供設計文件。所有仿真文件、gerber、原理圖和BOM都可用于參考設計，以快速復制、調(diào)諧和調(diào)試電路。這些文件通常使用 Modelithics 庫，因此設計人員可以使用供應商網(wǎng)站上的標準 s 參數(shù)文件替換它們，以防他們無法訪問這些文件。

一次通過設計

制造工藝優(yōu)勢，加上使用工藝設計套件 （PDK） 的內(nèi)部設計的可用性，增強了一次性設計成功的承諾。再加上設計協(xié)助和測試支持，雷達系統(tǒng)開發(fā)人員也能夠執(zhí)行更快的設計周期。

這些是寬帶隙（WBG）半導體技術的關鍵優(yōu)勢，該技術不斷發(fā)展，并在更小、更輕、更可靠的設計中向更高的功率密度發(fā)展。

審核編輯：郭婷