基于GaN功率放大器的雷达系统如何最大化测距

雷达已成为无数应用不可或缺的设备，包括军事监视、空中交通管制、太空任务和汽车安全。对于设计人员来说，最具挑战性的情况之一是远程雷达，其中返回信号非常微弱，环境和电路噪声会降低信噪比 (SNR)，并且“脉冲下降”成为一个问题。

虽然与使用旧工艺的器件相比，基于氮化镓 (GaN) 的功率放大器 (PA) 具有显著的效率和其他优势，但设计人员需要采用系统级方法来最大限度地减少脉冲下降及其影响。这将确保远程雷达系统的卓越性能。

本文简要回顾了雷达的运行情况，并研究了脉冲下降问题。然后，介绍了Analog Devices（亚德半导体）最先进的 S 波段 GaN PA 和随附的评估板，并提出了补偿和减少脉冲压降的策略。

雷达原理和问题

雷达的原理很简单：系统发射射频能量的短开/关脉冲，接收器接收从目标反射的信号。发射脉冲与其回波之间的时间滞后决定了到目标的距离(距离)，因为两者都以光速传播。

虽然这个简单的脉冲在原则上就足够了，但对于多个目标的现实世界来说是不够的，尤其是在数十英里、数百英里甚至数千英里的距离上。这些远程雷达系统面临两个问题：

来自远距离目标的返回信号非常微弱，SNR 很差。

区分远距离的多个目标需要解析紧密间隔的回声，前提是它们的返回信号没有失真和重叠。

由于情况不可避免的物理特性，信号强度非常低，并且 4th-power 规则。经典的雷达方程式证明了这一点，该方程式将雷达性能和实际效果的因素联系起来：

方程 1

哪里：

Pr是预期的接收功率

Pt是发射功率

Gt是天线增益

Gr是接收增益

λ 是雷达工作的波长

σ 是目标的有效横截面积

R 是从天线到目标的距离。

该公式显示，往返衰减主要决定距离损耗，因为 R 是 4 次方，位于分母中。

克服距离损失的明显方法是增加传输信号的峰值功率并延长脉冲以增加其总能量。然而，这种方法模糊了回波，并且重叠到多个对象看起来集中在一起的程度(图 1)。

图 1：这些雷达图像草图显示了理想的脉冲响应(左)和降级的脉冲响应和范围(右)。(图片来源：Analog Devices)

提高性能的更复杂的方法是对发射脉冲进行整形、调制和“压缩”，以提高距离分辨率和 SNR。脉冲压缩使雷达系统能够分辨紧密分组的多个目标，而不是将它们视为在接收器处重叠的模糊返回脉冲。

脉冲功率下降问题和解决方案

虽然可以增加脉冲功率，但这会产生其他问题。一个是更高的功率会加剧以 PA 为中心的脉冲下降现象(图 2)。

图 2：这个标称矩形雷达脉冲显示过冲、脉冲宽度、上升/下降时间和下降。(图片来源：Analog Devices)

脉冲衰减是指脉冲幅度从头到尾的意外降低，通常以分贝 (dB) 为单位。这种减少会减小脉冲长度上的范围，因为脉冲幅度和宽度的组合决定了雷达的范围作为积分功率电平。

即使使用高效的固态 GaN PA，例如 Analog Devices 最先进的 ADPA1106ACGZN GaN PA，也会发生压降。这款以 1 毫瓦 (dBm) (40 W) 器件为基准的 46 分贝器件，在 2.7 GHz 至 3.5 GHz 的带宽范围内具有 56% 的功率附加效率 (PAE)，非常适合 S 波段雷达系统的脉冲功率需求。

什么原因导致脉搏下垂?

下垂主要是由于两种不同的机制：

1：PA 性能会因突然脉冲电流而改变。这会引入耗散和其他热效应，从而导致关键器件性能参数发生变化。由于焦耳自热(电流密度和电场的乘积)，GaN PA 晶体管通道温度升高，放大器的输出功率降低。图 3 说明了脉冲宽度为 100 微秒 (μs) 的 GaN 晶体管的一个工作点的通道温度、漏极电流和漏极电压之间的关系。

图 3：所示为脉冲宽度为 100 μs 的 GaN 晶体管的一个工作点的通道温度、漏极电流和漏极电压之间的关系。

尽管 GaN 器件的效率相对较高，但一些功率会因热量而损失，因此需要有效的热管理才能获得最佳结果。根据脉冲宽度、脉冲重复频率 (PRF) 和占空比，需要一种或多种冷却方法的组合，例如风扇、散热器、冷板或液体冷却。

当占空比在恒定脉冲宽度下增加时，PA 在脉冲之间花费的时间会减少。这意味着 PA 的冷却时间更短，并且在后续脉冲的上升沿处于更高的温度。在 100% 占空比(连续波 (CW))的极限情况下，PA 没有时间冷却，其温度恒定在最大值。

这会导致权衡。随着占空比的增加，器件的平均温度升高，从而降低峰值和平均输出功率。然而，脉冲期间温升的幅度减小，这意味着在脉冲宽度上下降更少，一致性更高。因此，权衡变成了减少下降和增加功率之间的平衡。

2：第二个考虑因素是电源。由于脉冲功率的快速瞬变，PA 电源面临的挑战是应对突然的高功率需求，同时将电压轨保持在所需值。与热问题一样，解决方案是已知的，但实施是关键的。

首先，沿着 PA 偏置线添加大型电荷存储(大容量)电容器，并在附近放置陶瓷或钽旁路电容器。这可以从 ADPA1106-EVALZ 评估板(图 4，左)中看出，该评估板在放大器附近放置了去耦电容器，其相关的“脉冲发生器板”带有大型电荷存储电容器，可在宽脉冲宽度下保持功率水平(图 4，右)。

图 4：ADPA1106-EVALZ 评估板的顶部(左)显示了去耦电容器的独特布局和紧密定位;底部显示铝制头部吊具(中间);相关的脉冲发生器板包含用于在脉冲瞬变期间提供所需电流的高值大容量电容器(右)。(图片来源：Analog Devices)

该评估板旨在解决优化 ADPA1106 应用的独特挑战。它包括一个两层印刷电路板(印刷电路板)，该电路板由 10 mil Rogers 4350B 覆铜板制成，安装在铝制散热器上。该吊具有助于为设备提供散热，并为印刷电路板提供机械支撑。散热器上的安装孔允许将其连接到散热器。或者，可以将吊具夹在热板和冷板上。

虽然使用大值存储电容器并不理想，因为它们会增加雷达阵列的尺寸、重量和成本，但它们通常是唯一可行的方法。此外，放大器附近使用的去耦电容的相对位置、方向和类型将影响其有效性和脉冲保真度。在 PA 的 RF 频率(例如 ADPA1106)下，必须仔细考虑寄生电容和电感的影响，并在设计中考虑这些因素。

下垂结果与脉冲宽度、重复频率的关系

ADPA1106 PA 的下垂性能测试有两种方式：在恒定脉冲重复频率下改变脉冲宽度，以及在保持恒定脉冲宽度的情况下改变占空比。在这两项测试中，从脉冲周期的 2% 到脉冲结束测量脉冲下降，以消除初始过冲的影响。

第一个测试使用 1 毫秒 (ms) 的固定脉冲重复频率的变化脉冲宽度(图 5)。增加的脉冲宽度和增加的脉冲下降之间存在高度相关性。在测试的最大脉冲宽度下，下垂接近 0.5 dB，这是系统级别通常可接受的最大下垂水平。

图 5：使用 1 ms 的固定脉冲重复频率进行测试，显示了增加脉冲宽度和增加脉冲下降之间的相关性。(图片来源：Analog Devices)

此外，由于热效应，峰值和平均输出功率随着脉冲宽度的增加而略有下降，而最长脉冲宽度尾端的向下斜率略有增加。这可能表明自热效应开始影响封装及其下方散热器的热管理。

为了评估占空比的影响，在改变占空比的同时，使用 100 微秒 (μs) 的恒定脉冲宽度再次测试了 ADPA1106(图 6)。当占空比增加到 100% 时，PA 在脉冲之间的冷却时间更短，并且在后续脉冲的上升沿处于更高的温度。结果，零件的平均温度升高，脉冲幅度减小，脉冲期间的温升幅度减小。

图 6：在改变占空比时使用恒定脉冲宽度表明，幅度变化的变化随着占空比的增加而减小。(图片来源：Analog Devices)

这演示了权衡。它显示了由于器件较高的绝对温度而降低的峰值和平均输出功率的负面影响。然而，在整个脉冲宽度上，PA 的温度变化较小，因此在整个脉冲宽度上具有更大的压降和更高的输出功率一致性。

结论

在雷达系统中实现最大范围需要一种系统级方法来最大限度地减少脉冲下降。这包括有效的热管理和在电源中添加大容量电容器。为了演示如何平衡所需的权衡，本文使用实际测试数据，利用ADPA1106高效 PA，通过改变两个关键脉冲参数并使用适当的冷却来评估下降。结果表明，该器件在典型的脉冲条件下提供低于 0.3 dB 的极低下降。