Radarkomponenter i GaN för hållbart flyg

Beräkningar visar att effektivare flygledning kan minska flygets belastning på klimatet påtagligt. Men då krävs nya och avancerade radarsystem för mer exakt navigering. Nu har ett Chalmerslett forskningsprojekt utvecklat radarkomponenter med unik prestanda som ska bidra till minskad klimatpåverkan.

Ett europeiskt mål för flygets minskade klimatpåverkan anger att flygplan som sätts i drift efter år 2020 ska ha 50 procent lägre koldioxidutsläpp jämfört med de som sattes i drift år 2000. Av denna förbättring beräknas effektivare lufttrafikledning bidra med cirka 10 procentenheter. Nya effektiva trafikledningssystem, som underlättar flygning vid regn och dimma, är en viktig åtgärd för att minska utsläppen av koldioxid och att nå målet. När flygplan kan flyga rakare mot destinationen och undvika avbrutna landningsförsök på grund av dåligt väder minskar de onödiga utsläppen.

En förutsättning är att flygledningssystemet uppgraderas med radar på flygplanen. Sådan radar arbetar i det tilldelade frekvensområdet 93–100 gigahertz. Problemet är att radarkomponenter inom detta frekvensområde, med egenskaper som tillåter storskalig användning och är tillräckligt kostnadseffektiva, inte har funnits på marknaden. Men nu är ett Chalmerslett europeiskt projekt – efter nära tre års forskning – först i världen med att demonstrera just den här typen av komponenter.

– Flyget har en stor klimatpåverkan och det är angeläget att jobba med många åtgärder parallellt för att minska påverkan, säger Dan Kuylenstierna, docent vid avdelningen för mikrovågselektronik på Chalmers och ledare för projektet. Det känns jätteroligt att kunna bidra till ett mer hållbart flygande i framtiden.

De radarkomponenter som har utvecklats i projektet liknar dem som sitter i självkörande bilar. Men för att kunna användas i flygplan, särskilt vid regn och dåligt väder, behöver sändareffekten öka betydligt. Det är i sig en svår uppgift, eftersom de frekvenser som används inom flyget är högre än de som används för bilradar – och det blir allt svårare att generera hög sändareffekt ju högre frekvensen är. För att lösa problemet har forskningsprojektet utvecklat nya kretsar och kapslingsmetoder. Det gör att tekniken nu kan integreras i nya flygplans lufttrafikledningssystem på ett sätt som är både kostnadseffektivt och tillförlitligt. Forskningsprojektets vetenskapliga resultat har publicerats vid internationella konferenser:

A 24 GHz Sub-Harmonically Pumped Resistive Mixer in GaN HEMT Technology
A low phase noise W-band MMIC GaN HEMT oscillator

Projektet har också lett till ett inskickat patent.

Komponenterna är resultatet av forskning inom EU-projektet GaN mm-wave Radar Components Embedded (GRACE) som koordineras från institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers. Projektet täcker in såväl kretsdesign som paketering av radarkomponenterna. För kretsdesignen används så kallad GaN HEMT MMIC-teknologi, en typ av halvledarteknologi som är särskilt lämplig för att generera hög effekt vid höga frekvenser. För att uppnå komponenternas höga integrationsgrad har nya kretslösningar utvecklats inom projektet.
Chalmersforskarna har, utöver att stå för koordineringen, varit tekniskt ansvariga för design av frekvenskällor.

Forskningsprojektet GRACE svarar mot en utlysning definierad av Saab Aviation Systems under samverkansprogrammet CleanSky2, inom ramen för EU:s forsknings- och innovationsprogram Horisont 2020. I det Chalmersledda konsortiet ingår också Fraunhofer IZM i Tyskland samt OMMIC och MC2 Technologies i Frankrike. MC2 Technologies har designat effektförstärkare, OMMIC har bidragit med GaN HEMT MMIC-teknologin, inklusive processning, och Fraunhofer IZM har paketerat de färdiga kretsarna. Projektets totala budget är 18,7 miljoner kronor. Projektet avslutas den 31 augusti 2021.

Den rådgivande kommittén Advisory Council for Aeronautical Research in Europe (ACARE) grundades 2001 med syfte att följa upp de mål som då sattes för att minska flygets klimatpåverkan: De flygplan som skulle komma att sättas i drift efter 2020 skulle ha 50 procent mindre koldioxidutsläpp per flygkilometer jämfört med de flygplan som sattes i drift år 2000. I denna kalkyl antogs förbättrade flygstödssystem, vilka nu har utvecklats i Grace-projektet, kunna bidra med cirka 10 procentenheter. Vision 2020 har senare uppdaterats och ersatts av ”flightpath2050”.

Filed under: SvenskTeknik