Hoe het bereik maximaliseren in radarsystemen gebaseerd op GaN-vermogensversterkers

Radar is onmisbaar geworden voor talloze toepassingen, waaronder militaire surveillance, luchtverkeerscontrole, ruimtemissies en veiligheid in de auto. Een van de meest uitdagende situaties voor ontwerpers is een langeafstandsradar, waarbij het retoursignaal extreem zwak is, omgevings- en circuitruis de signaal-ruisverhouding (SNR) verlagen en "pulsdroop" een probleem wordt.

Hoewel vermogensversterkers (PA's) op basis van galliumnitride (GaN) aanzienlijke efficiëntie en andere voordelen bieden in vergelijking met apparaten die gebruikmaken van oudere processen, moeten ontwerpers een benadering op systeemniveau hanteren om pulsdroop en de effecten daarvan te minimaliseren. Dit zorgt voor superieure prestaties in langeafstandsradarsystemen.

Dit artikel geeft een kort overzicht van de werking van radar en onderzoekt het pulse-droop-probleem. Vervolgens wordt een geavanceerde S-band GaN PA van Analog Devices en een bijbehorend evaluatiebord geïntroduceerd en worden tactieken voorgesteld voor het compenseren en minimaliseren van pulsdroop.

Radarprincipes en -kwesties

Het principe van radar is eenvoudig: een systeem zendt een korte aan/uit-puls van RF-energie uit en een ontvanger pikt het signaal op dat door het doel wordt weerkaatst. Het tijdsverloop tussen de uitgezonden puls en zijn echo bepaalt de afstand (reikwijdte) tot het doel, aangezien beide zich voortplanten met de snelheid van het licht.

Hoewel deze eenvoudige puls in principe voldoende is, is hij ontoereikend voor de echte wereld van meerdere doelen, vooral op afstanden van tientallen, honderden en zelfs duizenden kilometers. Deze langereafstandsradarsystemen hebben te maken met twee problemen:

• Het retoursignaal van een ver doel is erg zwak en de SNR is slecht.
• Onderscheid maken tussen meerdere doelen op een afstand vereist het oplossen van dicht bij elkaar liggende echo's, ervan uitgaande dat hun retoursignalen niet vervormd zijn en elkaar overlappen.

De signaalsterkte is erg laag vanwege de onvermijdelijke fysica van de situatie en de 4^e machtsregel. Dit wordt aangetoond door de klassieke radarvergelijking die factoren van de radarwerking en praktische effecten met elkaar in verband brengt:

 Vergelijking 1

met

P_r is het verwachte ontvangstvermogen

P_t is het zendvermogen

G_t is de antenneversterking

G_r is de ontvangstversterking

λ de golflengte van de radarwerking is

σ is de effectieve dwarsdoorsnede van het doelwit

R is het bereik van de antenne tot het doel.

De vergelijking laat zien dat de omloopverzwakking voornamelijk bepalend is voor de reikwijdteverliezen, aangezien R, verheven tot de vierde macht, in de noemer staat.

De voor de hand liggende manier om bereikverliezen te overwinnen is om het piekvermogen van het uitgezonden signaal te verhogen en de puls te verlengen om de totale energie te verhogen. Deze benadering vervaagt echter het rendement en heeft een zodanige overlap dat meerdere objecten op één hoop lijken (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Deze radarbeeldschetsen tonen een ideale pulsrespons (links) en een gedegradeerde pulsrespons en reikwijdte (rechts). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een geavanceerdere manier om de prestaties te verbeteren is het vormen, moduleren en "comprimeren" van de zendpuls om de bereikresolutie en SNR te verbeteren. Pulscompressie stelt het radarsysteem in staat om meerdere doelen in een hechte groep op te lossen in plaats van ze te zien als wazige retourpulsen die elkaar overlappen bij de ontvanger.

Droop pulsvermogen problemen en oplossingen

Hoewel het mogelijk is om het pulsvermogen te verhogen, zorgt dit voor andere problemen. Een daarvan is dat een hoger vermogen het PA-gecentreerde fenomeen van pulsdroop verergert (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Deze nominaal rechthoekige radarimpuls toont overshoot, pulsbreedte, stijg-/valtijden en droop. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Pulsverzakking is de ongewenste afname van de pulsamplitude van het begin tot het einde, meestal gekarakteriseerd in decibel (dB). Deze vermindering vermindert het bereik over de pulslengte omdat de combinatie van pulsamplitude en -breedte het bereik van de radar bepaalt als een geïntegreerd vermogensniveau.

Droop treedt zelfs op bij gebruik van efficiënte solid-state GaN PA's zoals de geavanceerde ADPA1106ACGZN van Analog Devices. Dit apparaat van 46 decibel, gerefereerd aan 1 milliwatt (dBm) (40 watt), met 56% vermogenstoevoegingsefficiëntie (PAE) over een bandbreedte van 2,7 gigahertz (GHz) tot 3,5 GHz, is zeer geschikt voor de behoefte aan pulsvermogen van S-band radarsystemen.

Wat veroorzaakt pulsdroop?

Droop wordt voornamelijk veroorzaakt door twee verschillende mechanismen:

1: De prestaties van de PA veranderen door de plotselinge pulsstroom. Dit introduceert dissipatie en andere thermische effecten die resulteren in de verschuiving van kritieke prestatieparameters van het apparaat. Naarmate de temperatuur van de GaN PA-transistor-kanaal toeneemt door Joule-zelfverhitting, wat het product is van de stroomdichtheid en het elektrisch veld, neemt het uitgangsvermogen van de versterker af. Afbeelding 3 illustreert de relatie tussen de kanaaltemperatuur, drainstroom en drainspanning voor één werkpunt van een GaN-transistor met een pulsbreedte van 100 microseconden (µs).

Afbeelding 3: De relatie tussen de kanaaltemperatuur, drainstroom en drainspanning voor één werkpunt van een GaN-transistor met een pulsbreedte van 100 µs. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Hoewel GaN-apparaten relatief efficiënt zijn, gaat er wat vermogen verloren aan warmte, dus is er effectief thermisch beheer nodig voor de beste resultaten. Afhankelijk van de pulsbreedte, pulsherhalingsfrequentie (PRF) en duty cycle is een combinatie van een of meer koelmethoden nodig, zoals ventilatoren, koellichamen, koude platen of vloeistofkoeling.

Naarmate de duty cycle toeneemt bij een constante pulsbreedte, neemt de tijd af dat de PA uit staat tussen pulsen. Dit betekent dat de PA minder tijd heeft om af te koelen en op een hogere temperatuur is bij de opgaande flank van de volgende puls. In het beperkende geval van een werkcyclus van 100% (continugolf (CW)) is er geen tijd voor de PA om af te koelen en is de temperatuur constant op zijn maximum.

Dit leidt tot een afweging. Naarmate de duty cycle toeneemt, stijgt de gemiddelde temperatuur van het onderdeel, waardoor het piekvermogen en het gemiddelde uitgangsvermogen afnemen. De grootte van de temperatuurstijging tijdens de puls neemt echter af, wat betekent dat er minder droop is en meer consistentie over de pulsbreedte. De afweging wordt dus een balans tussen minder droop en meer vermogen.

2: De tweede overweging is de voeding. Door de snelle transiënten van het gepulseerde vermogen staat de PA-voeding voor de uitdaging om te gaan met de plotselinge vraag naar een hoog vermogen en tegelijkertijd de spanningsrail op de vereiste waarde te houden. Net als bij het thermische probleem zijn de oplossingen bekend, maar de implementatie is kritisch.

Het begint met het toevoegen van grote ladingsopslagcondensatoren (bulkcondensatoren) langs de PA-biaslijn en het plaatsen van keramische of tantaal bypasscondensatoren in de buurt. Dit is te zien op het evaluatiebord ADPA1106-EVALZ (afbeelding 4, links) met ontkoppelingscondensatoren dicht bij de versterker en het bijbehorende "pulserbord" met grote ladingsopslagcondensatoren die het vermogen op peil houden tijdens grote pulsbreedten (afbeelding 4, rechts).

Afbeelding 4: De bovenkant van het ADPA1106-EVALZevaluatiebord (links) toont de unieke lay-out en strakke positionering van de ontkoppelingscondensators; de onderkant toont de aluminium warmtespreider (midden); het bijbehorende pulserbord bevat de hoogwaardige bulkcondensators die worden gebruikt om de benodigde stroom te leveren tijdens pulstransiënten (rechts). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het evaluatiebord is ontworpen om de unieke uitdagingen van het optimaliseren van de toepassing van de ADPA1106 aan te gaan. Het bestaat uit een tweelagige printplaat (pc-bord) gemaakt van een 10 mil Rogers 4350B met koper beklede printplaat gemonteerd op een aluminium hittespreider. Het koellichaam helpt bij de thermische ontlasting van de ADPA9002 en de mechanische ondersteuning van de printplaat. Dankzij de montagegaten op de spreider kan hij aan een koelplaat worden bevestigd. De spreider kan ook worden vastgeklemd op een warme en koude plaat.

Hoewel het gebruik van opslagcondensatoren met een grote waarde niet ideaal is omdat ze de grootte, het gewicht en de kosten van de radararray vergroten, zijn ze vaak de enige haalbare aanpak. Verder zullen de relatieve positie, oriëntatie en het type ontkoppelingscondensators die in de buurt van de versterker worden gebruikt hun effectiviteit en pulsgetrouwheid beïnvloeden. Bij de RF-frequenties van PA's, zoals de ADPA1106, moet de invloed van parasitaire capaciteit en inductie zorgvuldig worden overwogen en in het ontwerp worden verdisconteerd.

Droopresultaten versus pulsbreedte, herhalingsfrequentie

De ADPA1106 PA werd op twee manieren getest op droopprestaties: door de pulsbreedte te variëren bij een constante pulsherhalingsfrequentie en door de duty cycle te variëren bij een constante pulsbreedte. In beide tests werd de pulsdaling gemeten vanaf 2% in de pulsperiode tot het einde van de puls om het effect van de initiële doorschieting te elimineren.

De eerste test maakt gebruik van een variërende pulsbreedte bij een vaste pulsherhalingsfrequentie van 1 milliseconde (ms) (Afbeelding 5). Er is een hoge correlatie tussen toenemende pulsbreedte en toenemende pulsdroop. Bij de maximaal geteste pulsbreedte benadert de daling 0,5 dB, wat het maximale niveau van daling is dat gewoonlijk acceptabel is op systeemniveau.

Afbeelding 5: Testen met een vaste pulsherhalingsfrequentie van 1 ms toont de correlatie tussen toenemende pulsbreedte en toenemende pulsdroop. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Bovendien namen door thermische effecten de piek en het gemiddelde uitgangsvermogen licht af met toenemende pulsbreedte, terwijl de neerwaartse helling aan het einde van de langste pulsbreedte licht toenam. Dit kan erop wijzen dat de effecten van zelfverwarming het thermisch beheer van de verpakking en het koellichaam eronder beginnen aan te tasten.

Om de effecten van de duty cycle te beoordelen, werd de ADPA1106 opnieuw getest met een constante pulsbreedte van 100 microseconden (µs) terwijl de duty cycle werd gewijzigd (afbeelding 6). Naarmate de duty cycle toeneemt tot 100%, heeft de PA minder tijd om af te koelen tussen pulsen en heeft deze een hogere temperatuur bij de opgaande flank van de volgende puls. Als gevolg hiervan neemt de gemiddelde temperatuur van het onderdeel toe, neemt de pulsamplitude af en wordt de omvang van de temperatuurstijging tijdens de puls kleiner.

Afbeelding 6: Bij gebruik van een constante pulsbreedte terwijl de duty cycle wordt gevarieerd, blijkt dat de verandering in magnitude afneemt naarmate de duty cycle toeneemt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit toont de afweging aan. Het toont de negatieve impact van een lager piekvermogen en gemiddeld uitgangsvermogen door de hogere absolute temperatuur van het onderdeel. Er is echter het voordeel van minder droop en een grotere consistentie van het uitgangsvermogen over de gehele pulsbreedte, omdat de temperatuurverandering van de PA minder groot is tijdens de pulsduur.

Conclusie

Het bereiken van een maximaal bereik in radarsystemen vereist een aanpak op systeemniveau om pulsdroop te minimaliseren. Dit omvat effectief thermisch beheer en het toevoegen van bulkcondensators aan de voeding. Om te laten zien hoe de vereiste afwegingen in balans kunnen worden gebracht, zijn in dit artikel actuele testgegevens gebruikt met de ADPA1106 PA met hoog rendement om droop te beoordelen door twee kritische pulsparameters te variëren en geschikte koeling te gebruiken. De resultaten toonden aan dat het apparaat een zeer lage droop van minder dan 0,3 dB leverde over een typisch bereik van pulsomstandigheden.