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Os engenheiros que trabalham com sistemas de radar ou equipamentos de comunicação por satélite já se depararam todos com o mesmo dilema: mais funções, especificações mais exigentes, mas cada vez menos espaço disponível para o front-end de RF.
Os radares de matriz faseada necessitam de centenas de canais. Os sistemas de defesa contra UAV têm de ver simultaneamente a longa e a curta distância. Os terminais de satélite têm de caber numa mochila. Todos estes requisitos convergem para uma única orientação técnica: circuitos integrados híbridos.
Não se trata apenas de escolhas de embalagem – isso determina o quão pequeno, o quão eficiente e o quão fiável é todo o Circuito de entrada de RF pode ser. Este artigo aborda, numa perspetiva de engenharia, o verdadeiro papel de circuitos integrados híbridos em radar e sistemas de comunicação, e analisa alguns dos desenvolvimentos técnicos da STARDL nesta área.
1. Esclarecimento do conceito: O que é, exatamente, um circuito integrado híbrido?
Muitas pessoas confundem circuitos integrados híbridos com circuitos integrados monolíticos de micro-ondas (MMIC). Estão relacionados, mas a lógica é diferente.
Um MMIC integra toda a função de RF — amplificadores, misturadores, comutadores, atenuadores — num único substrato semicondutor. As suas vantagens são o tamanho reduzido, a boa consistência e a adequação à produção em grande escala. As desvantagens são os longos ciclos de conceção, os elevados custos de revisão e o facto de certos dispositivos de alto desempenho (tais como amplificadores de GaN de alta potência ou filtros de alto Q) são difíceis de concretizar com processos MMIC.
A circuito integrado híbrido segue um caminho diferente: vários chips com chips nus, fabricados com processos e materiais diferentes, são integrados num substrato cerâmico ou metálico e interligados através de técnicas de micro-montagem para formar um módulo funcional de RF completo.
Tomemos como exemplo um front-end de um transceptor de banda X. Este pode necessitar de um Amplificador de baixo ruído em GaAs, um Amplificador de potência de GaN, interruptores e atenuadores à base de silício e filtros à base de cerâmica. Não é possível fabricar todos estes chips num único MMIC — ou os processos são incompatíveis, ou o desempenho fica aquém do esperado. No entanto, um circuito integrado híbrido pode albergar todos eles, cada um utilizando o seu processo ideal, interligados através de linhas de microfita no substrato.
A essência da integração híbrida consiste em “tirar o melhor partido de cada uma”: cada bloco funcional é implementado utilizando a tecnologia mais adequada, sendo depois integrado aos demais. Esta abordagem tem vindo a ser utilizada em aplicações militares e aeroespaciais há muitos anos, mas tem-se tornado cada vez mais comum também em equipamentos civis de ponta.
2. Por que razão os circuitos integrados híbridos estão a tornar-se cada vez mais importantes neste momento
São três as tendências que estão a impulsionar esta evolução.
Em primeiro lugar, a proliferação dos sistemas de antenas em fase.
Radares de matriz faseada exigem centenas ou milhares de canais de transmissão/recepção (T/R), sendo cada um deles um front-end de RF completo. A utilização de componentes discretos para cada canal tornaria o tamanho e o peso impraticáveis. No entanto, a integração de todos os canais num único MMIC coloca desafios em termos de dissipação de calor e isolamento. A integração híbrida oferece uma solução intermédia: agrupar vários canais num módulo, interligar os módulos através de um substrato, controlando o tamanho e mantendo simultaneamente o desempenho térmico e de isolamento.
A experiência da STARDL em radar de matriz faseada Os sistemas dependem em grande medida das capacidades de conceção ao nível da integração híbrida. O Módulos T/R em Radares AESA são, essencialmente, produtos concebidos através de integração híbrida.
Em segundo lugar, os requisitos multibanda dos sistemas de combate aos UAV.
Um completo sistema de defesa contra UAV muitas vezes tem de cobrir várias bandas de frequência em simultâneo — o radar de deteção pode funcionar na banda X ou na banda Ku, enquanto o circuito de entrada de interferência pode ter de cobrir um amplo espectro, desde algumas centenas de MHz até 6 GHz. Não existe nenhum processo de semicondutores capaz de lidar com uma gama de frequências tão ampla. A integração híbrida é a única solução viável: as diferentes bandas utilizam tecnologias de chips diferentes, integradas num único módulo.
Em terceiro lugar, a pressão contínua em termos de dimensões, peso e potência (SWaP).
Quer se trate de radares instalados em drones, de dispositivos portáteis de combate a UAV ou de terminais de comunicação por satélite, SWaP é uma limitação inevitável. Os integradores de sistemas pretendem que o front-end de RF seja mais pequeno, mais leve e mais eficiente em termos de consumo de energia. Integração híbrida, através de um montagem de alta densidade, é possível integrar mais funções na mesma área, reduzindo simultaneamente as perdas e melhorando a eficiência por meio de interligações otimizadas.
3. A Presença Técnica da STARDL nos Circuitos Integrados Híbridos
Com base em informações disponíveis publicamente, a STARDL apresenta uma estrutura abrangente em Circuitos integrados de RF e micro-ondas, abrangendo vários níveis, desde matrizes nuas para dispositivos embalados para integração ao nível do módulo.
No nível do chip nu, A STARDL oferece vários chips de RF que abrangem a gama de frequências desde corrente contínua até 50 GHz, incluindo amplificadores de baixo ruído, amplificadores de potência, amplificadores de potência, misturadores, multiplicadores, desfasadores, atenuadores digitais, entre outros. Estes chips nus constituem os “blocos de construção” básicos para a integração híbrida — os integradores de sistemas podem selecioná-los e combiná-los de acordo com as suas próprias necessidades para conceber módulos híbridos personalizados.
No nível do dispositivo embalado, A STARDL disponibiliza opções de embalagens tanto em plástico como em cerâmica. As embalagens em cerâmica oferecem maior fiabilidade, sendo adequadas para aplicações militares e aeroespaciais; as embalagens em plástico são mais económicas para a produção comercial em grande escala.
No camada de integração ao nível do módulo, a STARDL monta chips nus, componentes passivos e substratos de interligação em módulos completos de front-end de RF que estão prontos para integração direta em sistemas de radar ou de comunicação. Isto capacidade de integração de ponta a ponta – desde dispositivos semicondutores até produtos prontos a integrar em sistemas – é um dos pontos fortes que diferenciam a STARDL.
Também vale a pena destacar o investimento da STARDL em Dispositivos de potência de GaN. A elevada densidade de potência do GaN torna-o extremamente valioso em transmissores de radar e sistemas de guerra eletrónica. No entanto, os chips de GaN requerem polarização complexa e uma gestão térmica rigorosa, o que dificulta a sua utilização de forma autónoma. A sua integração num módulo híbrido, onde a polarização, a dissipação de calor e a adaptação são geridas ao nível do módulo, constitui uma abordagem de engenharia mais pragmática.
4. Três desafios de conceção que são quase impossíveis de evitar na engenharia
Colocar os chips num substrato, interligá-los e encapsulá-los – parece simples. Mas, na prática, surgem quase sempre três problemas.
Gestão térmica. Num módulo híbrido, o amplificador de potência é frequentemente a maior fonte de calor. Se a dissipação de calor for inadequada, as temperaturas de junção aumentam, o desempenho deteriora-se acentuadamente e a fiabilidade é afetada. Os projetos de módulos da STARDL têm em conta de forma abrangente a disposição dos chips, os percursos térmicos e os materiais de embalagem, para garantir uma extração eficiente do calor.
Compatibilidade eletromagnética (EMC). A integração de múltiplas funções de RF num espaço reduzido conduz inevitavelmente à interferência e ao acoplamento de sinais. Sinais de grande amplitude provenientes da cadeia de transmissão podem infiltrar-se na cadeia de receção, saturando o recetor; os sinais do oscilador local podem acoplar-se através do substrato em percursos indesejados. A experiência de engenharia da STARDL em Isolamento de RF trata, em grande parte, de resolver precisamente esses problemas.
Fabricabilidade. A montagem de módulos híbridos envolve a fixação de chips, a ligação por fios, os testes e outras etapas — cada uma com os seus próprios desafios em termos de rendimento. Os projetos que ignoram a facilidade de fabrico acabam frequentemente por causar dificuldades na produção. A STARDL aborda esta questão desde a fase de conceção, o que é uma das razões pelas quais consegue fornecer produtos de forma fiável a mais de 70 países e regiões.
5. Algumas dimensões de avaliação para engenheiros de sistemas
Se estiver a avaliar soluções de circuitos integrados híbridos, eis alguns aspetos que vale a pena ter em conta:
Cobertura de frequências. Certifique-se de que os chips e módulos do fornecedor cobrem as bandas de que necessita. Os produtos da STARDL abrangem frequências que vão desde a corrente contínua até às ondas milimétricas, mas verifique sempre a ficha técnica dos modelos específicos.
Nível de integração. Uma maior integração nem sempre é melhor. A integração excessiva pode causar problemas térmicos ou complicações nos testes. O segredo está em encontrar o equilíbrio certo para a arquitetura do seu sistema.
Verificação da fiabilidade. As aplicações militares e aeroespaciais exigem uma fiabilidade extremamente elevada. Os produtos da STARDL foram submetidos a rigorosos processos de validação da qualidade, mas, para projetos específicos, recomendamos que se solicitem relatórios de testes de fiabilidade.
Capacidade de personalização. Uma das vantagens da integração híbrida é a capacidade de adaptar as soluções a necessidades específicas. A STARDL oferece suporte ao ajuste de frequência, a modificações estruturais e a desenvolvimentos específicos para cada aplicação. Se tiver requisitos especiais, a equipa de engenharia da empresa está disponível para consulta direta.
Por que é que isto é importante para a conceção de sistemas
Circuitos integrados híbridos não são um conceito novo, mas o seu papel na sociedade moderna radar e os sistemas de comunicação estão a passar de “opcionais” para “essenciais”. Quando a complexidade dos sistemas continua a aumentar, enquanto o espaço disponível continua a diminuir, a capacidade de integrar de forma eficiente múltiplos processos e múltiplas funções num módulo compacto constitui, por si só, uma vantagem competitiva fundamental.
A STARDL realizou investimentos significativos ao longo de toda a cadeia de integração híbrida – desde matrizes nuas para dispositivos embalados para integração ao nível do módulo, abrangendo GaAs, GaN, e processos baseados em silício. Para os engenheiros que concebem frentes de radar, sistemas anti-UAV, ou terminais de comunicação por satélite, este é um fornecedor de soluções que merece ser analisado com mais atenção.
