Thread by @EternalPhysics

یک رشته توییت بیشتر تخصصی در ارتباط با استفاده از گالیوم نیترید (GaN) در رادار‌های آرایه فازی (برای دوستان علاقمند) که به نظر می‌رسد ایران هم به این تکنولوژی دست پیدا کرده است.

یکی‌ از تکنولوژی‌های مهم و مدرن در ارتباط با ساخت رادار‌های قدرتمند که چندی پیش به آن اشاره کردیم، استفاده از تکنولوژی گالیوم نیترید (GaN) در رادار‌های آرایه فازی است که توان کشف پرنده‌های پنهان کار را به صورت چشمگیری افزایش می دهد.

https://twitter.com/EternalPhysics/status/1356686414788853765

در این رشته توییت کمی‌ به ساختار این رادار و اهمیت استفاده از گالیوم نیترید در تولید نسل جدیدی از رادار های تعیین کننده در عرصه جنگ به خصوص در سیستم های آرایه هدایت الکترونیکی فعال (AESA) می پردازیم.

برخلاف سیستم های راداری هدایت مکانیکی که مکان هدف را براساس جهت گیری فیزیکی آنتن تعیین می کنند، سیستم های آرایه هدایت الکترونیکی فعال (AESA) که از ماژول های کوچکی به نام TR به معنی‌ Transmission-Receiver تشکیل شده و حاوی صد‌ها از این گونه ماژول ها می‌باشد و هر یک از آنها

خود به عنوان یک رادار کاملا مجزا عمل می‌کند، می‌ توانند امواج را با فاز‌های مختلف نسبت به یکدیگر منتشر کنند و به این خاطر بدون هیچ نیاز به چرخش خود رادار، این قابلیت را دارند که امواج را به جهت های مختلف مد نظر پخش کنند و هدف را کشف کنند.

هر یک از این ماژول ها با قابلیت کار در فاز های متفاوت نسبت به دیگری به ترتیب بر روی صفحه‌ای نصب شده ا‌ند و به همین دلیل رادار آرای فازی نامیده میشوند. ایجاد تفاوت فاز در هر ماژول نسبت به یک دیگر را میتواند در گیف زیر ببینید

بنابرین فاز نسبی ماژول های هر المانِ آنتن هدایت امواج را تنظیم می کند. این مزایای متعددی را به همراه دارد: به عنوان مثال، در مقایسه با آنتن بشقابی، آرایه مسطحی را میتوان بر روی جنگنده‌ها یا ناو‌های جنگی نصب کرد.

علاوه بر این، رادارهای AESA كنترل مستقیم تری بر جهت امواج دارند و حتی بعضی از آنها همزمان از چندین موج با فرکانس‌های متفاوت پشتیبانی می كنند و بدین روی امکان کشف اهداف سخت را میسر میسازند. با این حال، در مقایسه با یک آنتن بشقابی چرخان ساده، رادار AESA به مدارهای پیشرفته تری

نیاز دارد. به طور خاص، هر المانِ AESA به یک ماژول انتقال و دریافت (TR) نیاز دارد که شامل شیفت فاز، مدار سوئیچینگ، تقویت کننده با قدرت بالا برای Transmission Signal و تقویت کننده کاهش نویز (Low-Noise Amplifier) برای سیگنال دریافتی است.

در تصویر زیر می توانید ساختار یکی‌ از این ماژول ها را ببینید:

یا ساختار کامل تر از سیستم‌های الکترونیکی این رادار را می‌ توانید در تصویر زیر ببینید که همچنین شامل عضو مهمی‌ مثل Digital Beamforming هم میشود!

برای اینکه یک جسم قابل کشف باشد، سیگنال منعکس شده باید بالاتر از نویز باشد، که ما با استفاده از محاسبه نسبت سیگنال به نویز (SNR) مقدار آن را تعیین می کنیم. به عبارت ساده تر، بهینه سازی SNR ماژول TR شامل به حداقل رساندن نویز گیرنده و به حداکثر رساندن توان خروجی فرستنده است.

اگرچه این آسان به نظر می‌رسد، اما محدودیت های اندازه ماژول TR و نیاز به عملکرد با پهنای باند با فرکانس بالا این مساله را پیچیده می‌‌سازد. به طور معمول، ماژول های TR به صورت شبکه ای بر روی المان ها قرار می گیرند. برای جا دادن همه ماژول های TR، ارتفاع و عرض هر ماژول به اندازه

المان ها آنتن محدود می شود. بدین جهت ماژول TR باید بسیار کوچک، دارای قدرت خروجی بالا، نویز کم باشد و بتواند در فرکانس های بالا کار کند. واضح است که به حداکثر رساندن عملکرد ماژول های TR یک چالش جدی محسوب میشود. با این حال، استفاده از فناوری نیمه هادی GaN این مهم را آسان تر کرده

است به این دلیل که گالیوم نیترید، ماده ای نیمه هادی با قابلیت تحمل ولتاژ بالا و تحرک زیاد الکترون ها است. به غیر از گالیوم نیترید، گالیوم آرسنید (GaAs) که در رادار‌ها استفاده میشوند، هم با تحرک زیاد الکترون امکان کار با فرکانس بالا را فراهم می کند اما برخلاف GaAs،

تقویت کننده های مبتنی بر GaN به دلیل امکان کار در ولتاژ بالاتر قادر به تأمین توان خروجی بسیار بالاتر در فضای کوچکتر هستند! استفاده از فناوری GaN در طراحی تقویت کننده توان ماژول TR، در حالی که اندازه فیزیکی را به حداقل می رساند، قدرت خروجی انتقال را به حداکثر می رساند.

علاوه بر کوچک شدن اندازه تقویت کننده، استفاده از GaN نیاز به استفاده از بسیاری از دیوایس‌های پسیو الکترونیکی‌ را کاهش می دهد که هر چه تعدادشان کمتر باشد، باعث بهبود توان سیگنال خروجی میشود!

علاوه بر تأمین توان خروجی بالا در فضای کم، تقویت کننده توان در ماژول TR باید توانایی کار در فرکانس های بالا را نیز داشته باشد. بسته به کاربردهای خاص، ممکن است لازم باشد که رادار در باند X یا حتی باند K کار کند. در حالی که مواد نیمه هادی دیگری نیز وجود دارند

مانند laterally-diffused metal-oxide semiconductor که چگالی توان بالایی را دارند، GaN اما بهترین گزینه برای عملکرد با فرکانس بالا است. یک مزیت کار در فرکانس بالا این است که با افزایش فرکانس، اندازه آنتن کاهش می یابد. به عنوان مثال، در باند X ارتفاع و عرض ماژول TR کمتر

از 2 سانتی متر است. یک مزیت دیگر این تکنولوژی این است که دیوایس‌های GaN پایه نه تنها کار در فرکانس بالا را امکان پذیر می کنند، بلکه گزینه ای ایده آل برای افزایش پهنای باند هم هستند، در واقع چندین باند را میتوان همزمان با رادار‌های بر پایه گلیوم نیترید پوشش داد!

اهمیت افزایش پهنای باند را میتوان در اینجا دید که این قابلیت، رادار را دربرابر حملات الکترونیکی دشمن (جنگال) مصون میسازد که این به امکان کار گلیوم نیترید با ولتاژ‌های بالا بر میگردد. همچنین ولتاژ بالاتر GaN مزیت دیگری در سطح مدار دارد.

از آنجا که توان برابر با ولتاژ ضربدر جریان است، برای یک توان ثابت، ولتاژ بالاتر GaN منجر به جریان کمتری می شود و با کاهش جریان، افت جریان هم نیز کاهش می یابد که باعث بهبود کارایی تقویت کننده سیگنال می شود.

یکی‌ دیگر از مزایای مهم GaN این است که باعث کاهش اجزای الکترونیکی در مدار میشود که تولید نویز میکنند. به همین سبب این کاهش در اجزای الکترونیکی SNR به مراتب بهتری به ما خواهد داد و بدین روی قدرت تشخیص بهتر!

در حالی که مزایای استفاده از فناوری GaN در ماژولهای AESA TR قابل توجه است، مراحل طراحی و ساخت، بسیار پیچیده تر از حذف ساده دیوایس GaAs و قرار دادن دیوایس GaN است، زیرا که اگر چه تراکم توان بالا مزایای جدیدی را فراهم می‌‌آورد، اما نیاز به مدیریت گرمای تولید شده توسط دیوایس

چالشی است که پیش رو داریم. به عنوان مثال، یک تقویت کننده ۳۰ واتی را با ۲.۵ آمپر در ۲۸ ولت در نظر بگیرید. این منجر به هدر رفتن توانی‌ بالغ بر ۴۰ وات در دیوایسی‌ که بزرگتر از 10 میلی متر مربع نیست، می شود.

از آنجا که گالیوم نیترید هادی بسیار خوب حرارت می‌‌باشد، مدیریت گرما نیاز به توجه به تماس‌های حرارتی بین دیوایس GaN و صفحهٔ زیرین GaN (اصطلاحا Baseplate) دارد، زیرا حتی افزایش اندک در مقاومت حرارتی منجر به افزایش قابل توجه دما در دیوایس شده که در نتیجه باعث کاهش کار کرد و

عمر دیوایس می شود. اولین قدم برای اطمینان از مدیریت گرمایی موثر، بهینه سازی اتصال دیواره GaN به صفحه پایه است. به عنوان مثال، استفاده از طلا به منظور اتصال، رسانایی گرمایی بسیار بهتری را نسبت به نقره فراهم می کند.

علاوه بر این، فرآیند اتصال باید با دقت کنترل شود تا از ایجاد حفره های هوا جلوگیری شود که خود داستان دیگریست.

همچنین باید رسانایی گرمایی بین پایه اصلی (Baseplate) و بدنه محفظه را به حداکثر برسانیم. برای تقویت کنند هایی با توان بالا، ماده ای مانند مولیبدن مس گزینه خوبیست زیرا مقاومت حرارتی کمتری دارد.

علاوه بر چالش های مرتبط با مدیریت حرارت تولید شده، طراحی تقویت کننده با استفاده از فناوری GaN نیاز به توجه دقیق به مدار دارد. در حالی که برای دیوایس های GaAs، جریان گیت ناچیز است، برای GaN، جریان قابل توجهی را در گیت می‌ بینیم و به این دلیل

نیاز به مداری داریم که این جریان را سریع انتقال (مقاومت کمتر) و کاهش دهد. این دو مثال - مدیریت حرارتی و مدار - فقط چند مورد از چالش هایی را که هنگام استفاده از GaN در طراحی تقویت کننده وجود دارد برجسته می کند.

از آنجا که هر طراحی منحصر به فرد است، طبیعتا با مشکلات فنی‌ متعددی روبرو هستیم.
t.me/T_neutrino