如何最大限度地扩大基于氮化镓 (GaN) 功率放大器的雷达系统的探测距离

来源：Digikey
作者：Bill Schweber

雷达已成为军事监视、空中交通管制、太空任务和汽车安全等无数应用领域不可或缺的设备。对于设计人员来说，最具挑战性的情况是远程雷达，因为在这种情况下，返回信号非常微弱，环境和电路噪声会降低信噪比 (SNR)，“脉冲衰减”成为一个问题。

虽然与采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，但设计人员仍需采用系统级方法，最大限度地减少脉冲衰减及其影响。这将确保远程雷达系统的卓越性能。

本文将简要介绍雷达的工作原理，探讨脉冲衰减问题。然后介绍 Analog Devices 最先进的 S 波段 GaN 功率放大器和配套的评估板，并提出补偿和最小化脉冲衰减的策略。

雷达原理及问题

雷达的原理很简单：系统发射一个短的射频能量开关脉冲，接收器接收目标反射的信号。发射脉冲与其回波之间的时间差决定了与目标的距离（探测距离），因为两者都以光速传播。

虽然这种简单的脉冲原则上是足够的，但对于现实世界中的多个目标，特别是几十、几百甚至几千英里的距离，是不够的。这些长程雷达系统面临两个问题：

远处目标的返回信号非常微弱，信噪比很低。
要分辨远距离的多个目标，就必须分辨间隔很近的回波，前提是这些目标的回波信号没有失真，没有重叠。
由于不可避免的物理原因和 4 次幂规则，信号强度会非常小。经典雷达方程说明了这一点，该方程将雷达性能和实际效果等因素联系在一起：

公式 1

其中：

Pr 是预期接收功率

Pt 是发射功率

Gt 是天线增益

Gr 是接收增益

λ 是雷达工作波长

σ 是目标的有效横截面积

R 是天线到目标的距离。

该等式表明，往返衰减主要决定了距离损耗，因为分母中的 R 是四次方。

显然，克服距离损耗的方法是提高传输信号的峰值功率，加大脉冲长度以增加其总能量。然而，这种方法会模糊返回结果并出现重叠现象，以至于多个对象看起来混在一起（图 1）。


图 1：这些雷达图像图显示了理想脉冲的响应（左）和退化脉冲的响应和范围（右）。(图片来源： Analog Devices）

为了提升性能，一种更先进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信噪比。脉冲压缩可使雷达系统分辨出紧密分组的多个目标，而不是在接收器上看到重叠、模糊的回波脉冲。

衰减脉冲功率问题及解决方案

虽然可以增大脉冲功率，但这样做产生其他问题。其一，更高的功率会加剧以功率放大器为中心的脉冲衰减现象（图 2）。


图 2：这一名义上的矩形雷达脉冲显示了过冲、脉冲宽度、上升/下降时间和衰减。（图片来源：Analog Devices）

脉冲衰减是指脉冲幅度从开始到结束的意外降低，通常以分贝 (dB) 为单位。这种降低会减小雷达在脉冲宽度内的探测距离，因为脉冲幅度与宽度的组合共同决定了雷达的探测距离（作为积分功率水平的函数）。

即使使用高效固态 GaN 功率放大器（如 Analog Devices 最先进的 ADPA1106ACGZN），也会出现衰减现象。在 2.7 千兆赫 (GHz) 至 3.5 GHz 的带宽范围内，这种 46 分贝（参考值为 1 毫瓦 (dBm)）（40 瓦）器件具有 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。

什么原因导致脉冲衰减？

脉冲衰减主要是由两种不同的机制造成：

1：突发的脉冲电流改变了 功率放大器的性能。这会引起耗散和其他热效应，并导致关键的器件性能参数发生变化。随着 GaN 功率放大器晶体管沟道温度因焦耳自热（电流密度和电场的乘积）而升高，放大器的输出功率会随之降低。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沟道温度、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沟道温度、漏极电流和漏极电压之间的关系。（图片来源：Analog Devices）

虽然 GaN 器件的效率相对较高，但部分功率会因发热而损耗掉，因此需要进行有效的热管理，以达到最佳效果。根据脉冲宽度、脉冲重复频率 (PRF) 和占空比的不同，需要结合使用一种或多种冷却方法，如风扇、散热片、冷板或液体冷却。

在脉冲宽度不变的情况下，随着占空比的增加，就会缩短功率放大器在两个脉冲之间的关断时间。这意味着功率放大器的冷却时间较短，在后续脉冲上升沿时温度会较高。在 100% 占空比（连续波 (CW)）的极限情况下，功率放大器没有冷却时间，其温度恒定在最大值。

这就需要权衡利弊。随着占空比的增大，部件的平均温度也会升高，从而降低峰值和平均输出功率。不过，脉冲期间的温升幅度会减小，这意味着在脉冲宽度内的脉冲衰减幅度会减小，进而提升一致性。因此，如何在减少衰减和增加功率之间取得平衡便成了一个难题。

2：第二个考虑因素是电源。由于脉冲功率具有快速瞬变特性，PA 电源需要在保持电压轨为所需值的同时，应对突发的高功率需求。与热问题一样，解决方案已知，但实施是关键。

首先要在功率放大器偏置线上添加大型电荷存储电容器，并在附近放置陶瓷或钽旁路电容器。ADPA1106-EVALZ 评估板（图 4，左）及其相关的“脉冲板”就体现了这一点，前者在靠近放大器的地方放置了去耦电容器，后者则配备了大型电荷存储电容器，可在宽脉冲宽度期间保持功率水平（图 4，右）。


图 4：ADPA1106-EVALZ 评估板的顶部（左侧）显示了去耦电容器的独特布局和紧凑的排列；底部所示为铝散热基板（中）；相关的脉冲发生器板放置了大容量大型电容器，用于在脉冲瞬态期间提供所需的瞬时电流（右）。（图片来源：Analog Devices）

该评估板用于应对优化 ADPA1106 应用时的独特挑战。该评估板包括一块双层印刷电路板（PC 板），由 10 mil Rogers 4350B 覆铜板制成，并安装在铝散热基板上。该散热基板有助于套件散热，同时为 PC 板提供机械支撑。可通过散热基板上的安装孔，固定到散热器上，或者，将散热基板夹在冷热板上。

虽然使用大容量存储电容器并不理想，因为这种电容器会增加雷达阵列的尺寸、重量和成本，但往往又是唯一可行的方法。此外，在放大器附近使用的去耦电容器的相对位置、方向和类型也会影响电容器的有效性和脉冲保真度。在 ADPA1106 等功率放大器的射频频率下，必须仔细考虑寄生电容和电感的影响，并将其纳入设计。

衰减结果与脉冲宽度、重复频率的关系

ADPA1106 功率放大器的衰减性能测试有两种方式：在脉冲重复频率恒定的情况下改变脉冲宽度，以及在保持脉冲宽度恒定的情况下改变占空比。在这两个测试中，都测量了从脉冲周期开始的 2% 到脉冲结束时的脉冲衰减，以消除初始过冲的影响。

第一个测试使用固定脉冲重复频率为 1 毫秒 (ms) 的变化脉冲宽度（图 5）。脉冲宽度增加与脉冲衰减增加之间存在高度相关性。在最大测试脉冲宽度下，衰减接近 0.5 dB，这是在系统层面通常可接受的最大衰减水平。


图 5：使用 1 ms 的固定脉冲重复频率进行的测试显示了脉冲宽度增加与脉冲衰减增加之间的相关性。（ 图片来源：Analog Devices）

此外，由于热效应，随着脉冲宽度的增加，峰值和平均输出功率会略有下降，而最长脉冲宽度尾端的下降斜坡略有增加。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，再次使用 100 微秒 (µs) 的恒定脉冲宽度测试 ADPA1106，同时改变占空比（图 6）。当占空比增加到 100% 时，功率放大器在两个脉冲之间的冷却时间缩短，在随后脉冲的上升沿温度升高。因此，该器件的平均温度升高，脉冲幅度减小，且脉冲减小期间的温升幅度会减小。


图 6：在改变占空比的同时使用恒定脉冲宽度，可以看出，幅度变化随着占空比的增大而减小。（图片来源：Analog Devices）

这说明了权衡的问题。说明了由于零件的绝对温度升高而导致峰值和平均输出功率降低造成的不利影响。不过，由于功率放大器在脉冲持续时间内的温度变化较小，因此在整个脉冲宽度内，衰减较小，输出功率的一致性会较高。

结语

要使雷达系统实现最大探测距离，就必须采用系统级方法，最大限度地减少脉冲衰减。这包括有效的热管理和在电源中增加大型电容器。为了演示如何平衡所需的权衡，利用 ADPA1106 高效功率放大器的实际测试数据，通过改变两个关键脉冲参数和采用适当的冷却来评估衰减。结果表明，在典型的脉冲条件范围内，该设备能提供 0.3 dB 以下的极低衰减。