Hur man maximerar räckvidden i radarsystem baserade på GaN-effektförstärkare

Radar har blivit oumbärligt i många tillämpningar, inklusive militär övervakning, flygtrafikledning, rymduppdrag och bilsäkerhet. En av de mest utmanande situationerna för konstruktörer är radar med lång räckvidd, där retursignalen är extremt svag, brus från omgivning och kretsar som försämrar signal-brusförhållandet (SNR) och där "pulssänkning" blir ett problem.

Effektförstärkare baserade på galliumnitrid (GaN) har bättre verkningsgrad och andra fördelar jämfört med enheter som använder äldre processer, men konstruktörer måste arbeta på systemnivå för att minimera pulssänkningen och dess effekter. Det kommer att säkerställa en överlägsen prestanda i radarsystem för lång räckvidd.

Artikeln ger en kortfattad översikt över radarns funktion och undersöker problemet med pulssänkning. Därefter presenteras en toppmodern GaN-effektförstärkare för S-bandet från Analog Devices och ett tillhörande utvärderingskort samt förslag på strategier för att kompensera för och minimera pulssänkningen.

Principer och problemställningar med radar

Principen för radar är enkel: ett system sänder ut en kort på/av-puls med RF-energi och en mottagare som fångar upp den signal som reflekteras från målet. Tidsfördröjningen mellan den utsända pulsen och dess eko bestämmer avståndet (räckvidden) till målet, eftersom båda fortplantar sig med ljusets hastighet.

Även om denna enkla puls är tillräcklig i princip, är den otillräcklig i den verkliga världen med flera mål, särskilt på avstånd av tiotals, hundratals och till och med tusentals kilometer. Dessa radarsystem med längre räckvidd ställs inför två problem:

• Retursignalen från ett avlägset mål är mycket svag och signal-brusförhållandet är dåligt.
• För att kunna skilja mellan flera mål på avstånd krävs hantering av ekon som ligger nära varandra, förutsatt att deras retursignaler inte har förvrängts och överlappar varandra.

Signalstyrkan är mycket låg till följd av situationens oundvikliga fysik och 4:e potensregeln. Det framgår av den klassiska radarekvationen som relaterar faktorer för radarprestanda och praktiska effekter:

 Ekvation 1

Där:

P_r är den förväntade mottagningseffekten

P_t är sändningseffekten

G_t är antennens förstärkning

G_r är mottagningsförstärkningen

λ är våglängden för radardrift

σ är målets effektiva tvärsnittsarea

R är avståndet från antennen till målet.

Ekvationen visar att det i första hand är dämpningen vid tur- och returfärden som avgör räckviddsförlusterna, eftersom R, upphöjt till fjärde potensen, står i nämnaren.

Det uppenbara sättet att övervinna förlusterna i räckvidd är att öka den utsända signalens maximala effekt och förlänga pulsen för att öka dess totala energi. Detta tillvägagångssätt gör dock att returen blir otydlig och överlappar i en sådan utsträckning att flera objekt verkar ihopklumpade (figur 1).

Bild 1: De här skisserna på radarbilder visar ett perfekt pulssvar (vänster) och ett försämrat pulssvar och försämrad räckvidd (höger). (Bildkälla: Analog Devices)

Ett mer sofistikerat sätt att förbättra prestandan är att forma, modulera och "komprimera" sändningspulsen för att förbättra avståndsupplösningen och signal-brusförhållandet. Pulskomprimering gör att radarsystemet kan hantera flera mål i en tät gruppering i stället för att se dem som suddiga returpulser som överlappar varandra vid mottagaren.

Problem och lösningar vid sjunkande pulseffekt

Det är möjligt att öka pulsens effekt, men det skapar andra problem. Det ena är att högre effekt förvärrar det effektförstärkarcentrerade fenomenet med pulssänkning (figur 2).

Bild 2: Denna nominellt rektangulära radarpuls visar översläng, pulsbredd, stig/fall-tider och sänkning (Bildkälla: Analog Devices)

Pulssänkning är den oönskade minskningen av pulsens amplitud från början till slut, vanligtvis uttryckt i decibel (dB). Denna sänkning minskar räckvidden under pulsens längd eftersom kombinationen av pulsens amplitud och bredd bestämmer radarns räckvidd som en integrerad effektnivå.

Sänkning uppstår även när man använder effektiva GaN-effektförstärkare med solid state-teknik, som exempelvis den toppmoderna ADPA1106ACGZN från Analog Devices. Enheten på 46 dBm (40 W), med 56 % PAE (Power Added Efficiency) över en bandbredd på 2,7 till 3,5 GHz, är väl lämpad för radarsystemens behov av pulseffekt i S-bandet.

Vad orsakar pulssänkning?

Sänkningen beror huvudsakligen på två olika mekanismer:

1: Effektförstärkarens prestanda som ändras av den plötsliga pulsströmmen. Det ger upphov till spridning och andra termiska effekter som leder till att kritiska prestandaparametrar för enheten förändras. När temperaturen i effektförstärkarens GaN-transistorkanal ökar till följd av Joules självuppvärmning, som är produkten av strömtätheten och det elektriska fältet, minskar förstärkarens uteffekt. Figur 3 illustrerar förhållandet mellan kanaltemperatur, drain-ström och drain-spänning vid en driftpunkt för en GaN-transistor med en pulsbredd på 100 µs.

Bild 3: Här visas förhållandet mellan kanalens temperatur, drain-ström och drain-spänning för en GaN-transistors driftpunkt med en pulsbredd på 100 µs. (Bildkälla: Analog Devices)

Även om GaN-enheter är relativt effektiva går en del av effekten förlorad i värme, så en effektiv värmehantering krävs för bästa resultat. Beroende på pulsbredd, pulsrepetitionsfrekvens (PRF) och driftcykel krävs en kombination av en eller flera kylningsmetoder, t.ex. fläktar, kylflänsar, kylplattor eller vätskekylning.

När driftcykeln ökar vid en konstant pulsbredd minskar den tid som effektförstärkaren är avstängd mellan pulserna. Det innebär att effektförstärkaren har kortare tid på sig att svalna och har en högre temperatur vid den efterföljande pulsens stigande flank. I det begränsande fallet med 100 % driftcykel (kontinuerlig våg (CW)) hinner effektförstärkaren inte svalna och temperaturen är ständigt maximal.

Detta leder till en avvägning. När driftcykeln ökar, ökar även komponentens medeltemperatur, vilket minskar den maximala och genomsnittliga uteffekten. Däremot minskar temperaturökningens omfattning under pulsen, vilket innebär att sänkningen blir mindre och pulsbredden med konsekvent. Avvägningen blir således en balans mellan mindre sänkning och mer effekt.

2: Den andra aspekten är strömförsörjningen. Till följd av den snabba transienten i den pulserande effekten, måste effektförstärkarens strömförsörjning klara av de plötsliga kraven på hög effekt samtidigt som spänningsmatningen bibehålls på önskat värde. Precis som med värmeproblemet är lösningarna kända, men det är implementeringen som är avgörande.

Det börjar med att man lägger till stora laddningslagrande kondensatorer (bulk) längs effektförstärkarens förspänningsledning och placerar avkopplingskondensatorer av keramik eller tantal i närheten. Detta framgår av utvärderingskortet ADPA1106-EVALZ (bild 4, vänster) som har avkopplingskondensatorer placerade nära förstärkaren, och det tillhörande "pulskortet" med stora laddningslagringskondensatorer som upprätthåller effektnivåerna vid stor pulsbredd (bild 4, höger).

Bild 4: Ovansidan av utvärderingskortet ADPA1106-EVALZ (vänster) visar den unika layouten och den snäva placeringen av avkopplingskondensatorerna; undersidan visar värmespridaren av aluminium (mitten); det tillhörande pulskortet innehåller de dyra bulkkondensatorer som används för att leverera den ström som behövs vid pulstransienter (höger). (Bildkälla: Analog Devices)

Utvärderingskortet är utformat för att hantera de unika utmaningarna för att optimera tillämpningen av ADPA1106. Den består av ett kretskort med två lager som tillverkats av ett kopparpläterat 10 mil Rogers 4350B-kretskort, monterat på en värmespridare av aluminium. Spridaren bidrar till termisk avlastning av enheten och agerar även som mekaniskt stöd för kretskortet. Värmespridarens monteringshål gör att den kan fästas på en kylfläns. Alternativt kan spridaren klämmas fast på en varm och kall platta.

Även om det inte är idealiskt att använda stora lagringskondensatorer, eftersom de ökar radaranordningens storlek, vikt och kostnad, är de ofta den enda framkomliga vägen. Dessutom påverkar den relativa positionen, riktningen och typen av avkopplingskondensatorer som används nära förstärkaren deras effektivitet och pulsens naturtrogenhet. Vid effektförstärkares RF-frekvenser, som exempelvis ADPA1106, måste inverkan av parasitär kapacitans och induktans noga övervägas och tas med i konstruktionen.

Sänkningsresultat kontra pulsbredd, repetitionsfrekvens

Sänkningsprestandan hos ADPA1106 PA har testats på två sätt: genom att variera pulsbredden med en konstant pulsrepetitionsfrekvens och genom att variera driftcykeln med en konstant pulsbredd. I båda testerna mättes pulssänkningen från 2 % in i pulsens period till slutet av pulsen för att ta bort effekten av den initiala överslängen.

I det första testet används en varierande pulsbredd med en fast pulsrepetitionsfrekvens på 1 ms (figur 5). Det finns en hög korrelation mellan ökad pulsbredd och ökad pulssänkning. Vid den maximala testade pulsbredden närmar sig sänkningen 0,5 dB, vilket är den maximala sänkningsnivå som vanligtvis kan accepteras på systemnivå.

Bild 5: Testning med en fast pulsupprepningsfrekvens på 1 ms visar korrelationen mellan ökande pulsbredd och ökande pulssänkning. (Bildkälla: Analog Devices)

Till följd av termiska effekter, minskade dessutom den maximala och genomsnittliga uteffekten något med ökande pulsbredd, medan den nedåtgående lutningen i slutet av den längsta pulsbredden ökade något. Det kan tyda på att självuppvärmningseffekter börjar påverka kapslingens värmehantering och kylflänsen under den.

För att bedöma effekterna av driftcykeln testades ADPA1106 igen med en konstant pulsbredd på 100 mikrosekunder (µs) samtidigt som driftcykeln ändrades (figur 6). När driftcykeln ökar mot 100 % får effektförstärkaren mindre tid att svalna mellan pulserna och har en högre temperatur vid den efterföljande pulsens stigande flank. Detta medför att komponentens medeltemperatur ökar, pulsens amplitud minskar och temperaturökningens omfattning under pulsen minskar.

Bild 6: Om man använder en konstant pulsbredd och varierar driftcykeln ser man att förändringen i omfattningens variation minskar när driftcykeln ökar. (Bildkälla: Analog Devices)

Detta demonstrerar avvägningen. Det visar den negativa effekten av minskad maximal och genomsnittlig uteffekt till följd av komponentens högre absoluta temperatur. Fördelen är dock en mindre sänkning och en större jämnhet i uteffekten längs hela pulsbredden eftersom effektförstärkarens temperaturförändring är lägre under pulsens varaktighet.

Sammanfattning

För att uppnå maximal räckvidd i radarsystem krävs en metod på systemnivå för att minimera pulssänkningen. Det inkluderar en effektiv termisk hantering och tillägg av stora kondensatorer i strömförsörjningen. För att visa hur de nödvändiga avvägningarna kan göras har vi i den här artikeln använt faktiska testdata från den högeffektiva effektförstärkaren ADPA1106 för att bedöma sänkningen genom att variera två kritiska pulsparametrar och använda lämplig kylning. Resultaten visade att enheten gav en mycket låg sänkning vid 0,3 dB för ett typiskt intervall av pulsförhållanden.