如何讓 GaN 功率放大器架構的雷達系統達到最大範圍

雷達在無數應用中已不可或缺，包括軍事監視、空中交通管制、太空任務、汽車安全等。對設計人員而言，長程雷達是最具有挑戰性的情況之一，因為其回波訊號極其微弱，環境雜訊和電路雜訊會降低訊噪比 (SNR)，此時會產生「脈衝傾斜 (pulse droop)」。

相較於採用舊製程的元件，氮化鎵 (GaN) 架構功率放大器 (PA) 具有顯著的效率等優勢，但設計人員需要採取系統級方法，將脈衝傾斜及其影響減至最低。如此可確保長程雷達系統的卓越效能。

本文簡要回顧雷達的運作方式，並研究脈衝傾斜問題。接著介紹 Analog Devices 最先進的 S 波段 GaN 功率放大器及其搭配的評估板，並提出如何補償和最小化脈衝傾斜的建議。

雷達原理與問題

雷達的原理很簡單：系統發射一個短 RF 能量開／關脈衝，由接收器接收從目標反射的訊號。發射脈衝和回波之間的時間差決定系統到目標的距離 (範圍)，因為兩者都以光速傳播。

雖然這種簡單的脈衝已可說明原理，但現實世界中有多重目標，甚至會間隔幾十、幾百甚至幾千英里的距離，此原理不足以套用。這些長程雷達系統面臨兩個問題：

• 遠距離目標的回波訊號非常弱，訊噪比差。
• 區分遠處的多個目標，需要能分辨相距很近的回波，並假設它們的回波訊號沒有失真和重疊。

礙於無法避免的實際狀態和四次方法則 ，訊號強度非常低。以下為經典的雷達方程式，此方程式說明雷達效能和實際效果的關係：

方程式 1

此處：

P_r 是預期接收功率

P_t 是發射功率

G_t 是天線增益

G_r 是接收增益

λ 是雷達工作的波長

σ 是目標的有效橫截面積

R 是從天線到目標的距離。

此方程式顯示，範圍損耗主要由往返衰減決定，因為 R 的四次方位於分母中。

克服範圍損耗的明顯方法是增加發射訊號的峰值功率，並且延長脈衝以增加其總能量。然而，這種方法會使回波訊號變得模糊且重疊，以至於多個物件看起來混雜在一起 (圖 1)。

圖 1：這些雷達影像的繪圖顯示理想的脈衝響應 (左) 和降額的脈衝響應和範圍 (右) (圖片來源：Analog Devices)

還有另一個更複雜的方法可提高效能，即塑形、調變、「壓縮」發射脈衝，以提高範圍解析度和訊噪比。壓縮脈衝能讓雷達系統解析緊密成群的多個目標，而不會在接收器視為重疊的模糊回波脈衝。

脈衝功率傾斜問題及解決方法

雖然可以增加脈衝功率，但這會產生其他問題。其一是更高的功率會加劇以功率放大器為中心的脈衝傾斜現象 (圖 2)。

圖 2：此標稱矩形雷達脈衝顯示過衝、脈衝寬度、上升／下降時間和傾斜 (圖片來源：Analog Devices)

脈衝傾斜是指從開始到結束時，非預期的脈衝幅度降低，通常以分貝 (dB) 為單位。脈衝幅度和寬度的組合以整合功率級的形式決定雷達的探測距離，因此脈衝傾斜會縮短脈衝長度的探測距離。

即使使用高效率固態 GaN 功率放大器，也會出現傾斜，例如 Analog Devices 最先進的 ADPA1106ACGZN 元件。此元件為 46 dB，參考 1 mW (dBm) (40 W)，在 2.7 GHz 至 3.5 GHz 頻寬內具有 56% 的功率附加效率 (PAE)，非常適合 S 波段雷達系統的脈衝功率需求。

造成脈衝傾斜的原因

脈衝傾斜主要歸因於兩種不同的機制：

1：功率放大器效能因突發脈衝電流而改變。這會引起耗散和其他熱效應，導致關鍵元件效能參數變化。由於焦耳自熱 (電流密度和電場的乘積) 導致 GaN 功率放大器電晶體通道溫度升高，使得放大器的輸出功率降低。圖 3 說明脈衝寬度為 100 µs 的 GaN 電晶體在一個工作點的通道溫度、汲極電流、汲極電壓之間的關係。

圖 3：脈衝寬度為 100 µs 的 GaN 電晶體中一個工作點的通道溫度、汲極電流、汲極電壓之間的關係 (圖片來源：Analog Devices)

儘管 GaN 元件的效率相對較高，但部分功率仍會因熱量而損失，因此需要進行有效的熱管理，才能獲得最佳效果。依據脈衝寬度、脈衝重複頻率 (PRF)、工作週期而定，採行一種或多種冷卻方法，例如風扇、散熱片、冷卻板、液體冷卻。

隨著工作週期在恆定脈衝寬度下增加，功率放大器在脈衝之間關閉的時間也減少。這會使得功率放大器的冷卻時間更短，並且在後續脈衝的正緣溫度更高。在 100% 工作週期 (連續波 (CW)) 的特定情況下，功率放大器沒有時間冷卻，其溫度維持在最高。

此時需要進行權衡。隨著工作週期增加，零件的平均溫度也會升高，進而降低峰值和平均輸出功率。然而，脈衝期間溫升的幅度會減小，代表脈衝寬度的傾斜更少、一致性更高。因此，需要在減少脈衝傾斜和增加功率的之間進行權衡。

2：第二個考量因素是電源供應器。脈衝功率的快速暫態是功率放大器電源供應器的一項挑戰，即需要回應突然的高功率需求，同時維持電壓軌在要求的值。跟散熱問題一樣，已經有解決方案，但如何實作才是關鍵。

首先，沿著功率放大器偏壓線路加上大型電荷儲存 (大容量) 電容，並在附近置放陶瓷或鉭旁路電容。ADPA1106-EVALZ 評估板 (圖 4，左) 在放大器附近置放去耦電容，且其相關的「脈衝產生板」搭載大型電荷儲存電容，可在寬脈衝寬度期間維持功率位準 (圖 4，右)。

圖 4：ADPA1106-EVALZ 評估板的正面 (左) 可指出解耦電容的獨特佈局和緊密定位；底部則顯示鋁質均熱片 (中間)；相關的脈衝產生板可容納高容量大型電容，可在脈衝暫態期間提供所需的電流 (右) (圖片來源：Analog Devices)

此評估板旨在解決最佳化 ADPA1106 應用的獨特挑戰。此板為一個雙層印刷電路板 (PCB)，由安裝在鋁製均熱片上的 10 mil Rogers 4350B 覆銅板製成。其均熱片有助於輔助元件限熱，並為印刷電路板提供機械性支撐。均熱片上的安裝孔可將均熱片連接到散熱片。或者，均熱片也可夾到冷熱板上。

雖然使用大容量儲存電容不盡完美，因為此電容會增加雷達陣列的尺寸、重量、成本，但常常是唯一可行的方法。此外，在放大器附近使用的解耦電容之相對位置、方向、類型也會影響其有效能力和脈衝保真度。針對功率放大器 (如 ADPA1106) 的 RF 頻率，必須在設計中仔細考量寄生電容量和電感值的影響。

傾斜結果與脈衝寬度、重複頻率的關係

ADPA1106 功率放大器的傾斜效能可透過兩種方式進行測試：在恆定脈衝重複頻率下改變脈衝寬度，以及在保持恆定脈衝寬度的同時改變工作週期。在這兩項測試中，脈衝傾斜的量測範圍為從脈衝週期的 2% 到脈衝結束之間，以消除初始過衝的影響。

第一個測試在 1 ms 的固定脈衝重複頻率下變化脈衝寬度 (圖 5)。增加脈衝寬度和增加脈衝傾斜之間有高度相關。在最大測試脈衝寬度下，傾斜接近 0.5 dB，這是系統級通常可以接受的最大傾斜水準。

圖 5：以 1 ms 的固定脈衝重複頻率進行測試，顯示脈衝寬度增加與脈衝傾斜增加之間的相關性 (圖片來源：Analog Devices)

此外，由於熱效應，峰值和平均輸出功率隨脈衝寬度的增加而略有下降，而最長脈衝寬度尾端的向下斜率略有增加。這可能表示自熱效應開始影響封裝及其下方散熱片的熱管理。

為了評估工作週期的影響，使用 100 µs 的恆定脈衝寬度，再次測試 ADPA1106，同時改變工作週期 (圖 6)。隨著工作週期增加至 100%，功率放大器在脈衝之間冷卻的時間更少，並且在後續脈衝正緣溫度更高。結果，零件的平均溫度升高，脈衝幅度減小，脈衝期間溫升的幅度減少。

圖 6：使用恆定脈衝寬度，同時改變工作週期，顯示隨著工作週期增加，幅度變化會減少 (圖片來源：Analog Devices)

這展示了其中的權衡。顯示出零件絕對溫度較高，會導致峰值和平均輸出功率降低的負面影響。然而，由於功率放大器的溫度變化在脈衝持續時間內較小，因此在整個脈衝寬度上具有更少傾斜、更高輸出功率一致性的優勢。

結論

要讓雷達系統達到最大偵測範圍，需要採用系統級方法，將脈衝傾斜降至最低。這包括有效的熱管理和在電源供應器中添加大容量電容。本文討論實際測試 ADPA1106 高效率功率放大器得到的數據，透過改變兩個關鍵脈衝參數並使用適當的冷卻，評估脈衝傾斜，說明如何平衡必要的權衡。結果表明，此元件在典型的脈衝條件範圍內可達到低於 0.3 dB 的極低傾斜。