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來(lái)源：Digikey 作者：Bill Schweber 雷達(dá)已成為軍事監(jiān)視、空中交通管制、太空任務(wù)和汽車安全等無(wú)數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不可或缺的設(shè)備。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，最具挑戰(zhàn)性的情況是遠(yuǎn)程雷達(dá)，因?yàn)樵谶@種情況下，返回信號(hào)非常微弱，環(huán)境和電路噪聲會(huì)降低信噪比 (SNR)，“脈沖衰減”成為一個(gè)問(wèn)題。 雖然與采用舊工藝的器件相比，基于氮化鎵 (GaN) 的功率放大器 (PA) 具有顯著的效率和其他優(yōu)勢(shì)，但設(shè)計(jì)人員仍需采用系統(tǒng)級(jí)方法，最大限度地減少脈沖衰減及其影響。這將確保遠(yuǎn)程雷達(dá)系統(tǒng)的卓越性能。 本文將簡(jiǎn)要介紹雷達(dá)的工作原理，探討脈沖衰減問(wèn)題。然后介紹 Analog Devices 最先進(jìn)的 S 波段 GaN 功率放大器和配套的評(píng)估板，并提出補(bǔ)償和最小化脈沖衰減的策略。 雷達(dá)原理及問(wèn)題 雷達(dá)的原理很簡(jiǎn)單：系統(tǒng)發(fā)射一個(gè)短的射頻能量開(kāi)關(guān)脈沖，接收器接收目標(biāo)反射的信號(hào)。發(fā)射脈沖與其回波之間的時(shí)間差決定了與目標(biāo)的距離（探測(cè)距離），因?yàn)閮烧叨家怨馑賯鞑ァ?br /> 雖然這種簡(jiǎn)單的脈沖原則上是足夠的，但對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界中的多個(gè)目標(biāo)，特別是幾十、幾百甚至幾千英里的距離，是不夠的。這些長(zhǎng)程雷達(dá)系統(tǒng)面臨兩個(gè)問(wèn)題： 遠(yuǎn)處目標(biāo)的返回信號(hào)非常微弱，信噪比很低。 要分辨遠(yuǎn)距離的多個(gè)目標(biāo)，就必須分辨間隔很近的回波，前提是這些目標(biāo)的回波信號(hào)沒(méi)有失真，沒(méi)有重疊。 由于不可避免的物理原因和 4 次冪規(guī)則，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)非常小。經(jīng)典雷達(dá)方程說(shuō)明了這一點(diǎn)，該方程將雷達(dá)性能和實(shí)際效果等因素聯(lián)系在一起： 
其中： Pr 是預(yù)期接收功率 Pt 是發(fā)射功率 Gt 是天線增益 Gr 是接收增益 λ 是雷達(dá)工作波長(zhǎng) σ 是目標(biāo)的有效橫截面積 R 是天線到目標(biāo)的距離。 該等式表明，往返衰減主要決定了距離損耗，因?yàn)榉帜钢械?R 是四次方。 顯然，克服距離損耗的方法是提高傳輸信號(hào)的峰值功率，加大脈沖長(zhǎng)度以增加其總能量。然而，這種方法會(huì)模糊返回結(jié)果并出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，以至于多個(gè)對(duì)象看起來(lái)混在一起（圖 1）。
圖 1：這些雷達(dá)圖像圖顯示了理想脈沖的響應(yīng)（左）和退化脈沖的響應(yīng)和范圍（右）。(圖片來(lái)源： Analog Devices） 為了提升性能，一種更先進(jìn)的方法是對(duì)發(fā)射脈沖進(jìn)行整形、調(diào)制和“壓縮”，以提高距離分辨率和信噪比。脈沖壓縮可使雷達(dá)系統(tǒng)分辨出緊密分組的多個(gè)目標(biāo)，而不是在接收器上看到重疊、模糊的回波脈沖。 衰減脈沖功率問(wèn)題及解決方案 雖然可以增大脈沖功率，但這樣做產(chǎn)生其他問(wèn)題。其一，更高的功率會(huì)加劇以功率放大器為中心的脈沖衰減現(xiàn)象（圖 2）。
圖 2：這一名義上的矩形雷達(dá)脈沖顯示了過(guò)沖、脈沖寬度、上升/下降時(shí)間和衰減。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 脈沖衰減是指脈沖幅度從開(kāi)始到結(jié)束的意外降低，通常以分貝 (dB) 為單位。這種降低會(huì)減小雷達(dá)在脈沖寬度內(nèi)的探測(cè)距離，因?yàn)槊}沖幅度與寬度的組合共同決定了雷達(dá)的探測(cè)距離（作為積分功率水平的函數(shù)）。 即使使用高效固態(tài) GaN 功率放大器（如 Analog Devices 最先進(jìn)的 ADPA1106ACGZN），也會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。在 2.7 千兆赫 (GHz) 至 3.5 GHz 的帶寬范圍內(nèi)，這種 46 分貝（參考值為 1 毫瓦 (dBm)）（40 瓦）器件具有 56% 的功率附加效率 (PAE)，非常適合 S 波段雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖功率需求。 什么原因?qū)е旅}沖衰減？ 脈沖衰減主要是由兩種不同的機(jī)制造成： 1：突發(fā)的脈沖電流改變了 功率放大器的性能。這會(huì)引起耗散和其他熱效應(yīng)，并導(dǎo)致關(guān)鍵的器件性能參數(shù)發(fā)生變化。隨著 GaN 功率放大器晶體管溝道溫度因焦耳自熱（電流密度和電場(chǎng)的乘積）而升高，放大器的輸出功率會(huì)隨之降低。圖 3 說(shuō)明了脈沖寬度為 100 微秒 (µs) 的 GaN 晶體管的一個(gè)工作點(diǎn)的溝道溫度、漏極電流和漏極電壓之間的關(guān)系。
圖 3：所示為脈沖寬度為 100 µs 的 GaN 晶體管的一個(gè)工作點(diǎn)的溝道溫度、漏極電流和漏極電壓之間的關(guān)系。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 雖然 GaN 器件的效率相對(duì)較高，但部分功率會(huì)因發(fā)熱而損耗掉，因此需要進(jìn)行有效的熱管理，以達(dá)到最佳效果。根據(jù)脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率 (PRF) 和占空比的不同，需要結(jié)合使用一種或多種冷卻方法，如風(fēng)扇、散熱片、冷板或液體冷卻。 在脈沖寬度不變的情況下，隨著占空比的增加，就會(huì)縮短功率放大器在兩個(gè)脈沖之間的關(guān)斷時(shí)間。這意味著功率放大器的冷卻時(shí)間較短，在后續(xù)脈沖上升沿時(shí)溫度會(huì)較高。在 100% 占空比（連續(xù)波 (CW)）的極限情況下，功率放大器沒(méi)有冷卻時(shí)間，其溫度恒定在最大值。 這就需要權(quán)衡利弊。隨著占空比的增大，部件的平均溫度也會(huì)升高，從而降低峰值和平均輸出功率。不過(guò)，脈沖期間的溫升幅度會(huì)減小，這意味著在脈沖寬度內(nèi)的脈沖衰減幅度會(huì)減小，進(jìn)而提升一致性。因此，如何在減少衰減和增加功率之間取得平衡便成了一個(gè)難題。 2：第二個(gè)考慮因素是電源。由于脈沖功率具有快速瞬變特性，PA 電源需要在保持電壓軌為所需值的同時(shí)，應(yīng)對(duì)突發(fā)的高功率需求。與熱問(wèn)題一樣，解決方案已知，但實(shí)施是關(guān)鍵。 首先要在功率放大器偏置線上添加大型電荷存儲(chǔ)電容器，并在附近放置陶瓷或鉭旁路電容器。ADPA1106-EVALZ 評(píng)估板（圖 4，左）及其相關(guān)的“脈沖板”就體現(xiàn)了這一點(diǎn)，前者在靠近放大器的地方放置了去耦電容器，后者則配備了大型電荷存儲(chǔ)電容器，可在寬脈沖寬度期間保持功率水平（圖 4，右）。
圖 4：ADPA1106-EVALZ 評(píng)估板的頂部（左側(cè)）顯示了去耦電容器的獨(dú)特布局和緊湊的排列；底部所示為鋁散熱基板（中）；相關(guān)的脈沖發(fā)生器板放置了大容量大型電容器，用于在脈沖瞬態(tài)期間提供所需的瞬時(shí)電流（右）。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 該評(píng)估板用于應(yīng)對(duì)優(yōu)化 ADPA1106 應(yīng)用時(shí)的獨(dú)特挑戰(zhàn)。該評(píng)估板包括一塊雙層印刷電路板（PC 板），由 10 mil Rogers 4350B 覆銅板制成，并安裝在鋁散熱基板上。該散熱基板有助于套件散熱，同時(shí)為 PC 板提供機(jī)械支撐。可通過(guò)散熱基板上的安裝孔，固定到散熱器上，或者，將散熱基板夾在冷熱板上。 雖然使用大容量存儲(chǔ)電容器并不理想，因?yàn)檫@種電容器會(huì)增加雷達(dá)陣列的尺寸、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電容器的相對(duì)位置、方向和類型也會(huì)影響電容器的有效性和脈沖保真度。在 ADPA1106 等功率放大器的射頻頻率下，必須仔細(xì)考慮寄生電容和電感的影響，并將其納入設(shè)計(jì)。 衰減結(jié)果與脈沖寬度、重復(fù)頻率的關(guān)系 ADPA1106 功率放大器的衰減性能測(cè)試有兩種方式：在脈沖重復(fù)頻率恒定的情況下改變脈沖寬度，以及在保持脈沖寬度恒定的情況下改變占空比。在這兩個(gè)測(cè)試中，都測(cè)量了從脈沖周期開(kāi)始的 2% 到脈沖結(jié)束時(shí)的脈沖衰減，以消除初始過(guò)沖的影響。 第一個(gè)測(cè)試使用固定脈沖重復(fù)頻率為 1 毫秒 (ms) 的變化脈沖寬度（圖 5）。脈沖寬度增加與脈沖衰減增加之間存在高度相關(guān)性。在最大測(cè)試脈沖寬度下，衰減接近 0.5 dB，這是在系統(tǒng)層面通常可接受的最大衰減水平。
圖 5：使用 1 ms 的固定脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行的測(cè)試顯示了脈沖寬度增加與脈沖衰減增加之間的相關(guān)性。（ 圖片來(lái)源：Analog Devices） 此外，由于熱效應(yīng)，隨著脈沖寬度的增加，峰值和平均輸出功率會(huì)略有下降，而最長(zhǎng)脈沖寬度尾端的下降斜坡略有增加。這可能表明，自熱效應(yīng)開(kāi)始影響封裝及其下方散熱器的熱管理。 為了評(píng)估占空比的影響，再次使用 100 微秒 (µs) 的恒定脈沖寬度測(cè)試 ADPA1106，同時(shí)改變占空比（圖 6）。當(dāng)占空比增加到 100% 時(shí)，功率放大器在兩個(gè)脈沖之間的冷卻時(shí)間縮短，在隨后脈沖的上升沿溫度升高。因此，該器件的平均溫度升高，脈沖幅度減小，且脈沖減小期間的溫升幅度會(huì)減小。
圖 6：在改變占空比的同時(shí)使用恒定脈沖寬度，可以看出，幅度變化隨著占空比的增大而減小。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 這說(shuō)明了權(quán)衡的問(wèn)題。說(shuō)明了由于零件的絕對(duì)溫度升高而導(dǎo)致峰值和平均輸出功率降低造成的不利影響。不過(guò)，由于功率放大器在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)的溫度變化較小，因此在整個(gè)脈沖寬度內(nèi)，衰減較小，輸出功率的一致性會(huì)較高。 結(jié)語(yǔ) 要使雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大探測(cè)距離，就必須采用系統(tǒng)級(jí)方法，最大限度地減少脈沖衰減。這包括有效的熱管理和在電源中增加大型電容器。為了演示如何平衡所需的權(quán)衡，利用 ADPA1106 高效功率放大器的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)改變兩個(gè)關(guān)鍵脈沖參數(shù)和采用適當(dāng)?shù)睦鋮s來(lái)評(píng)估衰減。結(jié)果表明，在典型的脈沖條件范圍內(nèi)，該設(shè)備能提供 0.3 dB 以下的極低衰減。 |
