Azotek galu - sekret wszystkowidzącego radaru

GaN potencjalnie mógłby zastąpić układy oparte na krzemie jako fundament nowoczesnej elektroniki ze względu na wyższą wydajność, mniejszy pobór prądu oraz niższe koszty w porównaniu z krzemem. W przypadku tego półprzewodnika mamy do czynienia z niezwykle szerokim wachlarzem potencjalnych zastosowań - zarówno wojskowych, jak i cywilnych - ponieważ może on przewodzić prąd o wyższym napięciu niż starsze typy półprzewodników. Wyższe napięcie przekłada się na wyższą wydajność, co oznacza z kolei, że dany system zużywa mniej mocy i wytwarza mniej ciepła. Mając na uwadze wyższą wydajność, jaką oferuje azotek galu, konstruktorzy wojskowych systemów radarowych i systemów walki elektronicznej inwestują w tę technologię jako alternatywę dla układów MOSFET, czyli tranzystorów polowych o strukturze: metal, tlenek, półprzewodnik, oraz azotku glinu (GaAs). Według niektórych ekspertów oparte na krzemie układy MOSFET nie nadążają za ewolucją branży systemów elektronicznych wysokiej mocy.  Z uwagi na strukturę kosztów produkcji GaN materiał ten był niegdyś bardzo kosztowny, co utrudniało jego popularyzację. Wyhodowanie kryształu GaN lub wyprodukowanie wykonanej z niego płytki, na którą można następnie nanieść tranzystory i układy scalone, wymaga specjalnego procesu. Obecnie proces ten można wdrożyć na większą skalę, co obniża koszty produkcji. - Technologię azotku galu wykorzystać można w szerokiej gamie systemów - powiedział Pete Bata, wiceprezes ds. polskiej zintegrowanej obrony przeciwlotniczej i przeciwrakietowej w firmie Raytheon.  Raytheon pracuje obecnie nad opartą na GaN modernizacją radaru Patriot, dzięki której ten sprawdzony w walce system zyska zdolność zwalczania celów w 360 stopniach. 

- Rozpoczęliśmy budowę dookólnego radaru AESA systemu Patriot, który - i nie jest to żart - jest gotowy, aby wejść do produkcji Nie jest to prototyp ani platforma służąca do testowania technologii. Radar ten budujemy, korzystając z tych samych procesów, sprzętu i oprogramowania, które będą częścią systemu produkowanego fabrycznie - powiedział Doug Burgess, dyrektor programu radaru AESA Patriot w firmie Raytheon.

- W porównaniu z półprzewodnikami opartymi na krzemie lub półprzewodnikami komercyjnymi własności GaN pozwalają na pracę przy prawie pięciokrotnie większej mocy, a także w wyższej temperaturze, w wymagających zastosowaniach - dodał Bata. Technologia GaN nie tylko oszczędza energię w porównaniu do innych obecnie wykorzystywanych technologii, ale również zmniejsza rozmiar i ciężar elementów, do których wykonania służy. Gdyby nie azotek galu, wiele powszechnie używanych dziś urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, byłoby znacznie mniej wszechobecnych. W ciągu ostatnich kilku lat materiał ten miał wielki wpływ na rozwój technologii takich jak półprzewodnikowe diody LED oraz bezprzewodowe nadajniki do transmisji danych stosowane w stacjach bazowych sieci komórkowych. Producenci zasilaczy do inwerterów fotowoltaicznych i pojazdów elektrycznych również przechodzą na technologię GaN w celu zwiększenia wydajności. Technologia GaN rewolucjonizuje wiele istniejących systemów radarowych i systemów łączności. Pierwsze radary oparte były na dużych lampach elektronowych, takich jak stosowany w kuchenkach mikrofalowych magnetron. Elektronika próżniowa stanowiła niegdyś ważne źródło zasilania dla wykorzystywanych w systemach radarowych końcowych wzmacniaczy mocy. Choć jest ona nadal stosowana w wielu obecnie eksploatowanych radarach, według ekspertów nadajniki półprzewodnikowe stają się realną alternatywą w wielu zastosowaniach ze względu na ich większą dostępność, łatwiejszy serwis, modułową budowę i wysoką wydajność. W większości wypadków zastosowanie nadajników półprzewodnikowych stanowi część całościowego procesu projektowania radaru. W wojskowych systemach radarowych lampy elektronowe zaczęły ustępować miejsca technologiom półprzewodnikowym. Nowszą technologię porównać można do diody LED emitującej nie światło, a fale radiowe. Bloki złożone z kilkudziesięciu półprzewodnikowych nadajników tworzą płaską, pozbawioną ruchomych części antenę ze skanowaniem elektronicznym. W porównaniu z GaN stosowana poprzednio półprzewodnikowa technologia radarowa, czyli arsenek galu (GaAs), nie daje tych samych efektów.

Aby rozwinąć nową technologię azotku galu, Raytheon poświęcił 19 lat oraz 300 milionów dolarów, odkrywając pełen potencjał GaN - technologii, która może działać przy większej mocy i jest bardziej wydajna niż arsenek galu, a jednocześnie wytwarza mniej zakłóceń radiowych, umożliwiając skuteczniejsze wykrywanie celów na dalekich dystansach.

Firma zbudowała w Andover w stanie Massachusetts fabrykę, która koncentruje się wyłącznie na produkcji materiałów GaAs i GaN do systemów wojskowych, oferując całościowe rozwiązanie obejmujące projektowanie, tworzenie schematów, modelowanie, produkcję, testowanie i ocenę produkowanych układów, a także projektowanie i prototypowanie modułów. Większość innych zakładów produkujących azotek galu wytwarza go dla innych, niespecjalistycznych zastosowań, takich jak telefony komórkowe i inne urządzenia komercyjne. Podzespoły częstotliwości radiowej to zakład Raytheon zajmujący się produkcją opartych na GaN i GaAs monolitycznych mikrofalowych układów scalonych (MMIC) posiadający akredytację Kategorii 1A Departamentu Obrony USA. To jedyny zakład na świecie posiadający certyfikat Departamentu Obrony oznaczający gotowość do produkcji poziomu 8, co oznacza, że jest on przygotowany do małoseryjnej produkcji technologii na potrzeby wojskowe. Dlatego właśnie Raytheon jest światowym liderem w produkcji podzespołów opartych na azotku galu. Podzespoły te potrafią emitować pięciokrotnie silniejszy sygnał radiowy niż wcześniejsze technologie, co umożliwia tworzenie lżejszych, acz potężniejszych urządzeń elektronicznych.  GaN znacząco zwiększa możliwości szeregu systemów radarowych opracowanych przez Raytheon. Jest on wykorzystywany w radarze obrony powietrznej i przeciwrakietowej (Air and Missile Defense Radar) oraz radarze obserwacji przestrzeni powietrznej (Enterprise Air Surveillance Radar) Marynarki Wojennej USA, a także w trójwymiarowym radarze dalekiego zasięgu przystosowanym do przerzutu (Three Dimensional Long Range Radar) Sił Powietrznych. W międzyczasie Armia USA modernizuje swój radar obrony przeciwrakietowej AN/TPY-2 właśnie poprzez zastosowanie opracowanego przez Raytheon azotku galu. - Przełomowe ulepszenia, takie jak azotek galu, czyli rewolucyjna technologia półprzewodnikowa, oraz najnowsze technologie radarowe zwiększają moc systemu Patriot i umożliwią mu zwalczanie zagrożeń w 360 stopniach. Ponieważ produkujemy GaN w naszej własnej fabryce, która zajmuje się wyłącznie elektroniką wojskową, możemy wytwarzać go z niezwykle wysokimi tolerancjami, co przyczyni się do sukcesu i długotrwałego działania nowoczesnych systemów, takich jak proponowana przez Raytheon modernizacja radaru Patriot - wyjaśnił Burgess.  Nieruchomy radar oparty na GaN radar posiadałby pojedynczą, dużą antenę zwróconą w stronę głównego zagrożenia. W 360-stopniowym radarze Patriot mamy jedną dużą i dwie mniejsze, skierowane do tyłu anteny. Większy panel jest zwykle zwrócony ku głównemu zagrożeniu, a dwie mniejsze anteny są skierowane do tyłu i na boki, sprawiając, że radar widzi w 360 stopniach.

To dobra wiadomość dla polskiego wojska, które kupuje najnowocześniejszy system obrony powietrznej na świecie, aby chronić swoją suwerenność i spełnić zobowiązania wynikające z Artykułu 5 Traktatu Północnoatlantyckiego. System przeciwlotniczy i przeciwrakietowy Patriot z 360-stopniowymi radarami wykonanymi z podzespołów elektronicznych opartych na GaN to najnowocześniejszy, wypróbowany system obrony powietrznej na świecie. Dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych technologii, takich jak azotek galu, wytwarzany w specjalnych zakładach produkujących wyłącznie podzespoły do celów wojskowych, Raytheon gwarantuje, że sprawdzony w walce system Patriot poradzi sobie z każdym - obecnym i przyszłym - zagrożeniem.