Una pietra miliare nel processo di continua innovazione delle tecnologie militari e aerospaziali è certamente costituita dai sistemi radar, utilizzati come apparati di identificazione di oggetti nemici, sia attraverso le installazioni nelle basi e sui mezzi di terra, sia su navi e aerei. La tecnologia radar sembra anche una delle aree nel settore della Difesa dove attualmente si stanno investendo molte energie di ricerca e sviluppo per la realizzazione dei sistemi di identificazione di nuova generazione.
Fig. 1 – Un radar AESA (Fonte: Northrop Grumman)
In particolare, nell’ambito della progettazione dei radar e dei sistemi ECM (electronic countermeasure) di contrattacco, sta crescendo da parte dei tecnici la considerazione per gli amplificatori di potenza a stato solido e i semiconduttori basati sulla tecnologia GaN (Gallium Nitride – nitruro di gallio). In effetti questi semiconduttori stanno suscitando interesse per la loro potenzialità di innovare fortemente il settore, e diventare i principali candidati in grado di influenzare, nei prossimi anni, gli approcci ingegneristici con cui i sistemi radar verranno sviluppati e realizzati.
Quello dei radar è del resto un comparto dove gli apparati devono operare ad alte prestazioni, e dove sono in gioco elevate potenze e frequenze. Qui, per molti anni dall’invenzione di questi sistemi di rilevamento degli oggetti, la tecnologia utilizzata come principale fonte di potenza è stata rappresentata dai dispositivi VED (vacuum electron device), ossia tubi a vuoto e valvole termoioniche come i TWTA (traveling-wave tube amplifier) – in italiano tubi a onda progressiva – che vengono usati come amplificatori di potenza.
Per quanto questi dispositivi ‘preistorici’ possano ancora alimentare le attuali applicazioni nei sistemi radar militari e nelle applicazioni di guerra elettronica (EW – electronic warfare), le continue innovazioni tecnologiche avvenute in questi anni stanno agendo da forte stimolo, che prevedibilmente porterà a una loro progressiva sostituzione con device più moderni e basati su tecnologia a stato solido.
Tecnologia GaN in ascesa
Nell’ambito dell’elettronica di potenza, i semiconduttori WBG (wide band gap), come il carburo di silicio (SiC) o il nitruro di gallio (GaN) rappresentano dispositivi sempre più interessanti per ingegneri e progettisti, in virtù delle loro caratteristiche fisiche, che gli permettono di oltrepassare i limiti, in termini di potenza e frequenza, manifestati dai device in silicio, e di ottenere notevoli miglioramenti delle performance, senza considerare la loro la capacità di funzionare in ambienti dove esistono condizioni estreme. I device WBG mostrano, ad esempio, una maggior conduttività termica, una maggior affidabilità, una minore on-resistance, sono in grado di operare a temperature elevate, e anche in alte frequenze.
In particolare nel campo dei radar militari, i semiconduttori WGB basati su tecnologia GaN stanno diventando sempre più oggetto d’attenzione e valutazione per chi si occupa della realizzazione di questi sistemi. E soprattutto in questi ultimi anni, in cui dispositivi VED, o gli amplificatori HPA (high power amplifier), fabbricati su semiconduttori GaAs (Gallium Arsenide – arseniuro di gallio) o su device a stato solido in silicio, tendono a dimostrare il raggiungimento dei propri limiti, soprattutto in rapporto ai nuovi requisiti tecnici richiesti per i sistemi di rilevamento militari ad alta potenza, soggetti a una continua evoluzione e innovazione tecnologica.
Ad esempio, un campo d’innovazione dove GaN promette forti miglioramenti è quello dei radar AESA (active electronically scanned array) di ultima generazione, sviluppati per accrescere in maniera notevole l’affidabilità, la precisione, le prestazioni e la flessibilità di configurazione del sistema di rilevamento, rispetto alle soluzioni più tradizionali. Tra queste ultime, ad esempio, i radar PESA (passive electronically steered array), o sistemi ancora meno evoluti, con antenne guidate meccanicamente da servomotori, soggetti a usura, e a rischi di avarie che aumentano al crescere dei cicli di servizio.
In sostanza, a differenza dei classici sistemi radar, l’antenna di un sistema AESA non è più un componente passivo ma diventa un elemento radiante, in cui la direzione del fascio può essere controllata in modalità digitale, con una precisione nell’ordine dei millisecondi. Nei sistemi AESA, si parla di array attivi di antenne a schiera fasata, formati da migliaia di elementi radianti alimentati da moduli TRM (transmitter/receiver module) a stato solido. Grazie alla capacità di controllare in modo opportuno le fasi dei singoli elementi radianti, diventa possibile creare fronti d’onda controllabili elettronicamente e in grado di propagarsi in direzioni diverse.
Nei sistemi AESA ‘full phased array’ ogni singolo elemento radiante è alimentato da un modulo TRM: quindi, quando si ha a che fare con migliaia di moduli TRM, le dimensioni, il peso, le prestazioni e il costo di questi componenti diventano uno dei principali vincoli di progetto che determinano la fattibilità, le prestazioni, l’affidabilità, il costo e la competitività dell’intero sistema.
Proprio a questo livello entra in gioco GaN. Infatti, tra le tecnologie abilitanti per produrre moduli TRM compatti a costo accettabile, e quindi sistemi AESA in ampi volumi, vi sono i circuiti MMIC (microwave monolithic integrated circuit). Quelli fabbricati con tecnologia GaAs hanno consentito lo sviluppo di MMIC per alte frequenze: tuttavia, con il tempo e la continua innovazione, oggi i dispositivi basati su tecnologia GaN stanno dimostrando di rendere possibili performance più elevate, e adatte alle applicazioni nei radar militari. I continui miglioramenti, a livello di efficienza, prestazioni, affidabilità, costi di produzione, ottenuti nei dispositivi GaN rendono quindi possibile una crescente implementazione di questi device nei radar per la Difesa, dove si prevede andranno gradualmente a sostituire tecnologie tradizionali come quelle VED, e a ridurre le dimensioni e la complessità dell’intero sistema.
GaN, opportunità anche nelle comunicazioni spaziali
Grazie alla loro elevata potenza, oltre a prestarsi a crescenti implementazioni nei sistemi radar militari, e ad essere ampiamente utilizzati nei sistemi di illuminazione LED (light emitting diode), i semiconduttori basati su tecnologia GaN (Gallium Nitride), sembrano avere un brillante futuro anche nei sistemi spaziali di telecomunicazioni, dove promettono miglioramenti, da cinque a dieci volte, nella velocità di trasferimento dati (data rate) e nella forza dei segnali satellitari.
Così scrive l’Agenzia spaziale europea (ESA), che ricordando come il nitruro di gallio sia considerato il più promettente semiconduttore dopo la scoperta del silicio – e come funzioni meglio a tensioni e temperature molto più elevate, rispetto al silicio o al largamente utilizzato arseniuro di gallio (GaAs) – sottolinea anche la sua intrinseca resistenza alle radiazioni spaziali. Identificando GaN come ‘key enabling technology’ per lo spazio, ESA ha istituito la GaN Reliability Enhancement and Technology Transfer Initiative (GREAT2), tesa a unire insieme istituti di ricerca di primo piano e industrie della produzione, per avviare una catena di fornitura europea indipendente, destinata a fabbricare dispositivi GaN di alta qualità per le applicazioni spaziali.
L’obiettivo è migliorare i prodotti allo stato dell’arte e sviluppare nuove applicazioni per i semiconduttori WBG. GREAT2 è inizialmente focalizzato sullo sviluppo di processi di produzione compatibili con lo spazio, per la fabbricazione di transistor di potenza a microonde basati su GaN, e di circuiti MMIC (monolithic microwave integrated circuit). Tali processi possono poi essere usati per progettare e fabbricare amplificatori di potenza ad elevate prestazioni. Altre aree applicative includono il miglioramento di radar e altimetri per l’osservazione della Terra, e il potenziamento delle prestazioni della prossima generazione di satelliti Galileo.