抽象的
氮化鎵 (GaN) 功率放大器 (PA) 憑藉其高功率密度，使現代相控陣雷達的性能大大超過前幾代雷達，從而減少了對笨重且有損組合網路的需求。本文將重點放在 GaN PA 脈衝下降作為現實世界雷達性能的非理想情況，並將討論如何減輕其對雷達範圍的負面影響。透過在許多雷達射頻鏈的輸出級插入先進的固態電子裝置，系統工程師可以設定規格以實現改進的範圍、解析度和感測能力。最後，本文將討論最大限度地減少脈衝下降以滿足當今高性能相控陣雷達需求的設備。
背景
大多數現代雷達使用某種形式的脈衝壓縮來提高距離解析度和訊號雜訊比 (SNR)。因此，保持訊號鏈傳輸脈衝的完整性至關重要。脈衝壓縮方案使雷達能夠區分緊密分組的多個目標，而遠端長脈衝雷達可能會因為返回脈衝在接收器處重疊而使多個目標模糊在一起。目標以不同的方式反射雷達脈衝，為了讓接收演算法識別雷達所看到的內容，發射的脈衝需要保持可預測的形狀。雷達脈衝的所有方面對於雷達實現其預期的感測目標都很重要，具體取決於用例——一些雷達搜索飛機，而另一些雷達則監視天氣模式。
圖 1. 顯示過衝、穩定和下降等特性的典型 RF 脈衝。
上升和下降時間、峰值幅度、脈衝寬度和占空比的組合有助於定義雷達的範圍、靈敏度、熱和功率設計目標。隨著更明顯的挑戰被克服，受到越來越多關注的一個方面是脈衝下降，即雷達脈衝從脈衝開始到結束的幅度減小，通常以 dB 為單位。在雷達中，脈衝下降相當於脈衝長度範圍內的範圍減小，脈衝幅度和脈衝寬度的組合決定了雷達的範圍作為整合功率等級。
眾所周知，雷達方程式定義了權衡及其相互依賴性：
雷達方程式將雷達性能因素與實際效果聯繫起來，給出性能的近似值，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 是波長雷達運行時，σ為目標的有效截面積，R為天線到目標的距離。雷達方程式表明，對發射功率的任何負面影響都會對雷達性能產生不利影響，因為距離損失占主導地位，往返衰減提高到分母的四次方，克服距離損失需要每一位元的可用功率。
雷達方程式是一個很好的工具，可以近似估計給定範圍內給定目標的接收功率；然而，它在很大程度上忽略了與目標回波競爭的許多噪音源。雜訊功率，
其中 k 是玻爾茲曼常數，Ts 是系統噪聲，Bn 是接收器的噪聲頻寬，給出了 SNR，並且可以將其整合到雷達方程中以獲得雷達處的 SNR 表達式：
SNR 描述了雷達在雷達給定範圍內偵測目標的能力，包括雷達固有的雜訊源。從訊號雜訊比的角度來看脈衝下降的影響，降低發射功率會降低訊號雜訊比，從而妨礙雷達偵測一定範圍內的物體的能力。圖 2 顯示了脈衝下降對降低機載脈衝雷達的範圍和靈敏度的影響。
圖 2. 具有理想脈衝響應和退化脈衝響應和範圍的模擬雷達影像。
GaN 放大器中的脈衝下降
據觀察，用於脈衝雷達的高功率 GaN PA 具有與其真空管前身相當的脈衝下降。由於焦耳自熱（電流密度和電場的乘積）導致 PA 電晶體通道溫度升高，放大器的輸出功率會降低。圖 3 顯示了 GaN 電晶體的主動通道在 100 μs 脈衝期間經歷自加熱，使用桌上型電源驅動電壓和電流，並使用 Microsanj 熱反射系統測量體 GaN 中的通道溫度。由於自熱效應，電流消耗沿著脈衝減少，並且在大型陣列中，當行動電源在高電流負載下放電時，電源電壓通常會下降。為了減輕電壓暫降，
圖 3. 顯示 100 μs 脈衝寬度下 GaN 電晶體的通道溫度、汲極電流和汲極電壓。
雖然脈衝下降的規格因係統而異，但最大限度地減少下降只會有利於雷達性能。名義上，具有 0.5 dB 或更小的脈衝下降的放大器是雷達應用的最佳選擇，而 0.3 dB 或更好範圍內的脈衝下降是系統設計人員的首選。
圖 4. Analog Devices 的ADPA1106 評估板（左）和脈衝產生器板（右）。脈衝發生器板包括大型電荷儲存電容器，用於在寬脈衝寬度期間保持功率水平，評估板具有靠近放大器的去耦電容器。
管理脈衝下降
管理現場脈衝條件只是處理脈衝下降效能的可行方法之一。放大器閘極和汲極電源上的片外旁路電容器選擇可驅動上升和下降時間的性能。即使是擴大機的相對位置、方向和去耦電容器的材料選擇也會影響脈衝保真度。設計在射頻頻率下工作的電路意味著阻抗不僅僅是元件電容的函數，而且寄生電容和電感的影響通常會隨著頻率的增加而增加。
距離 PA 較遠，可能更靠近電源或在附近的電源控制板中，大型儲存電容器提供了另一種減少脈衝下降的方法。儲存電容器在脈衝期間維持電源產生的電壓，從而減輕開關穩壓器處理增加的功率負載的負擔。每個關斷脈衝，儲存電容器都會被充電並準備好支援接下來的開脈衝。如前所述，儲存電容器存在尺寸、重量和成本缺點，但儘管如此，許多雷達裝置還是使用它們來平衡脈衝條件下的功率。
在實驗室中，桌上型電源設計為能夠抵抗驅動脈衝訊號的反作用力。在現場，雷達電源通常也設計用於驅動乾淨的脈衝，儘管雷達所需電流的大小可能導致電源電壓驟降，進而驅動另一個射頻脈衝下降源。電力系統設計人員提出了透過下垂補償電路和基於軟體的脈衝調製方案來管理電壓暫降的新技術。
其他方法（例如透過數位回饋進行脈衝整形、預失真技術和前饋電源設計）已獲得不同程度的成功評估。通常這些技術很難實現，且脈衝性能的改進不值得額外硬體或軟體複雜性的開銷。
實驗室中的 GaN PA 脈衝波形
使用 ADI 的 S 波段雷達 PA ADPA1106 作為測試工具，進行測量以測試脈衝寬度和占空比對脈衝下降的影響。
測試設定包含觸發桌上型電源的任意波形產生器和脈衝射頻源，以產生 PA 輸入的脈衝直流和射頻功率波形。PA 的輸出連接到 Keysight N1924A 功率計，為 Keysight 8990B 峰值功率分析儀供電。使用冷卻板將基板溫度控制在 25°C。圖 5 顯示了 ADPA1106 脈衝的典型測量。
圖 5. 在 8990B 峰值功率分析儀上測量 ADPA1106 GaN PA 的典型脈衝。綠色跡線是放大器漏極電壓。黃色跡線是擴大機的射頻輸出。
從圖 5 中我們可以看到，典型的 ADPA1106 脈衝形狀特性對於脈衝雷達系統的使用非常有吸引力，即快速上升和下降時間、幾乎沒有過衝以及可接受的 0.3 dB 以內的下降。綠色跡線是汲極電壓脈衝，黃色跡線是 PA 的 RF 輸出。
變化的脈衝寬度
為了進一步了解 ADPA1106 在脈衝寬度和占空比上的表現，透過在恆定脈衝重複頻率 (PRF) 下改變脈衝寬度以及在保持恆定脈衝寬度的同時改變佔空比再次對 PA 進行了測試。脈衝下降是從脈衝的 2% 到脈衝結束進行測量，以消除初始過衝的影響。脈衝過衝主要由脈衝訊號濾波和系統中的電源解決方案驅動，並不代表放大器的固有性能。其他研究建議測量脈衝寬度 10% 至 90%，甚至 25% 至 75% 的下降，以消除過沖和漣波的影響。然而，消除紋波可以減少數據中看到的線性下降的很大一部分。這裡，僅初始超調已從下垂計算中刪除。圖6和表1顯示了這組實驗的結果。
圖 6. ADPA1106 RF 輸出脈衝，以固定 1 ms PRF (1 ms) 變化脈衝寬度。
這組數據如圖 6 和表 1 所示，清楚地展示了前面描述的典型脈衝形狀——初始過衝、脈衝形狀穩定和脈衝下降。如預期的那樣，在固定脈衝重複頻率下，增加脈衝寬度和增加脈衝下降之間存在強烈的相關性。在最大測試脈衝寬度下，下降接近 0.5 dB，這是系統級首選的最大下降水準。此外，由於熱效應，我們看到峰值和平均輸出功率隨著脈衝寬度的增加而略有下降。最長脈衝寬度末端的下降斜率略有增加，這可能表明自熱效應開始影響下面的封裝和散熱器的熱管理解決方案。
不同的佔空比
然後使用 100 µs 恆定脈衝並改變佔空比來測試 ADPA1106。下垂測量與之前相同，從2%進入脈衝直至脈衝結束，以消除脈衝過衝的影響。
圖 7. ADPA1106 RF 輸出脈衝，具有變化的佔空比和固定的 100 µs 脈衝寬度。
隨著佔空比在恆定脈衝寬度下增加，PA 在脈衝之間花費的時間會減少。這意味著 PA 在脈衝之間冷卻的時間較短，並且在後續脈衝的上升沿處處於較高溫度。在 100% 佔空比（連續波或 CW）的極限情況下，PA 沒有時間冷卻，並且 PA 的溫度恆定在最大值。因此，隨著佔空比的增加，零件的平均溫度增加，但脈衝期間溫升的幅度會減少。由於零件的絕對溫度較高，這會導致峰值和平均輸出功率降低。這也意味著脈衝寬度上的下降較小，因為 PA 的溫度在脈衝持續時間內變化較小。這可以從圖 7 和表 2 看出。
GaN 裝置產生大量輸出功率。儘管 GaN 的效率相對較高，但一些功率轉換會因熱量而損失，因此需要有效的熱管理才能獲得最佳結果。這裡，使用液冷溫控基板來控制熱升；類似的熱解決方案也用於現場。在熱管理不良的極端情況下，輸出波形的保真度將會降低，進而降低雷達靈敏度。
GaN 雷達 PA
ADI 不斷開發和發布針對軍用和民用雷達以及電子戰 (EW) 應用的高性能 GaN PA。雷達系統通常根據其預期用例進行頻率劃分，例如，S 波段雷達通常用於遠端追蹤應用，如空中交通管制、氣象雷達和表面追蹤雷達，而 X 波段雷達通常用於遠端追蹤應用。用於船舶和火控雷達。這些用例中的每一個都需要效能，包括低脈衝下降。
這裡用於測量壓降的 ADPA1106 測試工具是 GaN PA，可在 2.7 GHz 至 3.5 GHz 的頻寬內提供 46 dBm (40 W) 的功率和 56% 的功率附加效率 (PAE)。表 3 總結了 ADI 的一些其他 GaN 雷達 PA 的典型性能。
結論
雖然雷達系統的需求不斷增長，對單一組件的性能要求不斷提高，但 ADI 的 GaN 雷達 PA 系列始終領先於需求曲線。桌上型實驗表明，ADI 的高效率、高輸出功率 S 波段 GaN PA ADPA1106 在一系列脈衝條件下具有小於 0.3 dB 的出色脈衝下降性能。
作者
麥可·格爾
Michael Gurr是ADI公司航空航太與防務事業部的產品線工程師。他於2018年加入ADI公司，先後擔任多個RF設計和管理職位。在此之前，他在Raytheon的GaN和GaAs放大器開發部門擔任多個職位。他於2013年獲得波士頓大學電機工程學士學位，2016年獲得東北大學電機工程碩士學位，2021年獲得麻薩諸塞大學安姆斯特分校工商管理碩士學位。
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