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來源：Digikey 作者：Bill Schweber 雷達已成為軍事監視、空中交通管制、太空任務和汽車安全等無數應用領域不可或缺的設備。對于設計人員來說，最具挑戰性的情況是遠程雷達，因為在這種情況下，返回信號非常微弱，環境和電路噪聲會降低信噪比 (SNR)，“脈沖衰減”成為一個問題。 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勢，但設計人員仍需采用系統級方法，最大限度地減少脈沖衰減及其影響。這將確保遠程雷達系統的卓越性能。 本文將簡要介紹雷達的工作原理，探討脈沖衰減問題。然后介紹 Analog Devices 最先進的 S 波段 GaN 功率放大器和配套的評估板，并提出補償和最小化脈沖衰減的策略。 雷達原理及問題 雷達的原理很簡單：系統發射一個短的射頻能量開關脈沖，接收器接收目標反射的信號。發射脈沖與其回波之間的時間差決定了與目標的距離（探測距離），因為兩者都以光速傳播。 雖然這種簡單的脈沖原則上是足夠的，但對于現實世界中的多個目標，特別是幾十、幾百甚至幾千英里的距離，是不夠的。這些長程雷達系統面臨兩個問題： 遠處目標的返回信號非常微弱，信噪比很低。 要分辨遠距離的多個目標，就必須分辨間隔很近的回波，前提是這些目標的回波信號沒有失真，沒有重疊。 由于不可避免的物理原因和 4 次冪規則，信號強度會非常小。經典雷達方程說明了這一點，該方程將雷達性能和實際效果等因素聯系在一起： 
其中： Pr 是預期接收功率 Pt 是發射功率 Gt 是天線增益 Gr 是接收增益 λ 是雷達工作波長 σ 是目標的有效橫截面積 R 是天線到目標的距離。 該等式表明，往返衰減主要決定了距離損耗，因為分母中的 R 是四次方。 顯然，克服距離損耗的方法是提高傳輸信號的峰值功率，加大脈沖長度以增加其總能量。然而，這種方法會模糊返回結果并出現重疊現象，以至于多個對象看起來混在一起（圖 1）。
圖 1：這些雷達圖像圖顯示了理想脈沖的響應（左）和退化脈沖的響應和范圍（右）。(圖片來源： Analog Devices） 為了提升性能，一種更先進的方法是對發射脈沖進行整形、調制和“壓縮”，以提高距離分辨率和信噪比。脈沖壓縮可使雷達系統分辨出緊密分組的多個目標，而不是在接收器上看到重疊、模糊的回波脈沖。 衰減脈沖功率問題及解決方案 雖然可以增大脈沖功率，但這樣做產生其他問題。其一，更高的功率會加劇以功率放大器為中心的脈沖衰減現象（圖 2）。
圖 2：這一名義上的矩形雷達脈沖顯示了過沖、脈沖寬度、上升/下降時間和衰減。（圖片來源：Analog Devices） 脈沖衰減是指脈沖幅度從開始到結束的意外降低，通常以分貝 (dB) 為單位。這種降低會減小雷達在脈沖寬度內的探測距離，因為脈沖幅度與寬度的組合共同決定了雷達的探測距離（作為積分功率水平的函數）。 即使使用高效固態 GaN 功率放大器（如 Analog Devices 最先進的 ADPA1106ACGZN），也會出現衰減現象。在 2.7 千兆赫 (GHz) 至 3.5 GHz 的帶寬范圍內，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 波段雷達系統的脈沖功率需求。 什么原因導致脈沖衰減？ 脈沖衰減主要是由兩種不同的機制造成： 1：突發的脈沖電流改變了 功率放大器的性能。這會引起耗散和其他熱效應，并導致關鍵的器件性能參數發生變化。隨著 GaN 功率放大器晶體管溝道溫度因焦耳自熱（電流密度和電場的乘積）而升高，放大器的輸出功率會隨之降低。圖 3 說明了脈沖寬度為 100 微秒 (µs) 的 GaN 晶體管的一個工作點的溝道溫度、漏極電流和漏極電壓之間的關系。
圖 3：所示為脈沖寬度為 100 µs 的 GaN 晶體管的一個工作點的溝道溫度、漏極電流和漏極電壓之間的關系。（圖片來源：Analog Devices） 雖然 GaN 器件的效率相對較高，但部分功率會因發熱而損耗掉，因此需要進行有效的熱管理，以達到最佳效果。根據脈沖寬度、脈沖重復頻率 (PRF) 和占空比的不同，需要結合使用一種或多種冷卻方法，如風扇、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，就會縮短功率放大器在兩個脈沖之間的關斷時間。這意味著功率放大器的冷卻時間較短，在后續脈沖上升沿時溫度會較高。在 100% 占空比（連續波 (CW)）的極限情況下，功率放大器沒有冷卻時間，其溫度恒定在最大值。 這就需要權衡利弊。隨著占空比的增大，部件的平均溫度也會升高，從而降低峰值和平均輸出功率。不過，脈沖期間的溫升幅度會減小，這意味著在脈沖寬度內的脈沖衰減幅度會減小，進而提升一致性。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難題。 2：第二個考慮因素是電源。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，應對突發的高功率需求。與熱問題一樣，解決方案已知，但實施是關鍵。 首先要在功率放大器偏置線上添加大型電荷存儲電容器，并在附近放置陶瓷或鉭旁路電容器。ADPA1106-EVALZ 評估板（圖 4，左）及其相關的“脈沖板”就體現了這一點，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 評估板的頂部（左側）顯示了去耦電容器的獨特布局和緊湊的排列；底部所示為鋁散熱基板（中）；相關的脈沖發生器板放置了大容量大型電容器，用于在脈沖瞬態期間提供所需的瞬時電流（右）。（圖片來源：Analog Devices） 該評估板用于應對優化 ADPA1106 應用時的獨特挑戰。該評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，同時為 PC 板提供機械支撐。可通過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電容器并不理想，因為這種電容器會增加雷達陣列的尺寸、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位置、方向和類型也會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，必須仔細考慮寄生電容和電感的影響，并將其納入設計。 衰減結果與脈沖寬度、重復頻率的關系 ADPA1106 功率放大器的衰減性能測試有兩種方式：在脈沖重復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。在這兩個測試中，都測量了從脈沖周期開始的 2% 到脈沖結束時的脈沖衰減，以消除初始過沖的影響。 第一個測試使用固定脈沖重復頻率為 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性。在最大測試脈沖寬度下，衰減接近 0.5 dB，這是在系統層面通常可接受的最大衰減水平。
圖 5：使用 1 ms 的固定脈沖重復頻率進行的測試顯示了脈沖寬度增加與脈沖衰減增加之間的相關性。（ 圖片來源：Analog Devices） 此外，由于熱效應，隨著脈沖寬度的增加，峰值和平均輸出功率會略有下降，而最長脈沖寬度尾端的下降斜坡略有增加。這可能表明，自熱效應開始影響封裝及其下方散熱器的熱管理。 為了評估占空比的影響，再次使用 100 微秒 (µs) 的恒定脈沖寬度測試 ADPA1106，同時改變占空比（圖 6）。當占空比增加到 100% 時，功率放大器在兩個脈沖之間的冷卻時間縮短，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減小。
圖 6：在改變占空比的同時使用恒定脈沖寬度，可以看出，幅度變化隨著占空比的增大而減小。（圖片來源：Analog Devices） 這說明了權衡的問題。說明了由于零件的絕對溫度升高而導致峰值和平均輸出功率降低造成的不利影響。不過，由于功率放大器在脈沖持續時間內的溫度變化較小，因此在整個脈沖寬度內，衰減較小，輸出功率的一致性會較高。 結語 要使雷達系統實現最大探測距離，就必須采用系統級方法，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衡，利用 ADPA1106 高效功率放大器的實際測試數據，通過改變兩個關鍵脈沖參數和采用適當的冷卻來評估衰減。結果表明，在典型的脈沖條件范圍內，該設備能提供 0.3 dB 以下的極低衰減。 |
