Mezi nejnáročnější radarové aplikace patří ty s dlouhým dosahem, jelikož odražený signál je extrémně slabý. Okolní šum a vlastní šum obvodu zhoršují poměr signálu k šumu (SNR), a tím dochází k poklesu pulzu neboli pulse droop. Pokles pulzu je definován jako snížení amplitudy mezi začátkem a koncem pulzu. Výkonové zesilovače (PA) na bázi nitridu galia (GaN) nabízejí nejen vysokou účinnost, ale přináší i další výhody ve srovnání s klasickými křemíkovými zesilovači. Tento článek stručně popisuje funkci radaru a problematiku poklesu pulzu (pulse droop). Představí nejmodernější S-band GaN výkonové zesilovače od Analog Devices a doprovodnou vývojovou desku, kde je vyřešena kompenzace a minimalizace poklesu pulzu.

Princip radaru

Princip radaru je přímočarý a jednoduchý. Systém vysílá krátký on/off pulz RF energie a přijímač zachytí signál odražený od cíle. Časová prodleva mezi vyslaným impulsem a jeho odrazem určuje vzdálenost k cíli. I když je tento jednoduchý puls teoreticky dostačující, je nedostatečný pro skutečný svět, kde je více cílů, zejména ve vzdálenostech desítek, stovek a dokonce i tisíců kilometrů. Tyto radarové systémy s delším dosahem čelí dvěma problémům:

• Odražený signál ze vzdáleného cíle je velmi slabý a SNR (poměr signál k šumu) je velmi slabý
• Rozlišení mezi více cíli vyžaduje přesné rozlišení odraženého signálu v krátkém časovém úseku

Síla signálu je velmi nízká kvůli fyzikálnímu zákonu a pravidlu 4. mocniny. Vše definuje tzv. radarová rovnice:

Rovnice ukazuje, že zpětný útlum primárně určuje ztráty rozsahu, protože R zvýšené na čtvrtou mocninu je ve jmenovateli. Překonat ztráty dosahu lze tím, že se zvýší špičkový výkon přenášeného signálu a prodlouží se vysílaný impuls, aby se zvýšila jeho celková energie. Toto řešení však způsobí, že odražený signál od více cílů se jeví jako signál jeden (obrázek 1).

Obrázek 1: Náčrt radarového obrazu ukazuje ideální pulzní odezvu (vlevo) a zhoršenou pulzní odezvu a dosah (vpravo). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Sofistikovanější způsob je tvarovat, modulovat a „komprimovat“ vysílací impuls tak, aby se zlepšilo rozlišení rozsahu a poměr SNR. Pulzní komprese umožňuje radarovému systému rozlišit více cílů v těsném seskupení, než je vidět jako rozmazané zpětné překrývající se pulsy.

Problémy a řešení poklesu pulzní energie

I když je zvýšení pulzního výkonu možné, vytváří to další problémy. Jedním z nich je, že vyšší výkon zhoršuje pokles pulzu (obrázek 2).

Obrázek 2: Nominální obdélníkový radarový puls – lze vidět překmit, šířku pulsu, časy náběhu/doběhu a pokles. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pokles pulzu je nežádoucí snížení amplitudy pulzu od začátku do konce. Udává se v decibelech (dB). Toto snížení snižuje dosah, protože kombinace amplitudy a šířky pulzu určuje dosah radaru jako integrovanou úroveň výkonu. K poklesu dochází i při použití účinných polovodičových GaN výkonových zesilovačů jako je ADPA1106ACGZN. Jedná se o zesilovač s výkonem 46 dBm, 56% účinností přidané energie (PAE) v šířce pásma 2,7 GHz až 3,5 GHz. Tyto parametry jsou vhodné pro potřeby pulzního radarového systému v pásmu S.

Co způsobuje pokles pulzu?

Pokles pulzu neboli Pulse Droop je způsoben především dvěma faktory:

1. Výkon zesilovače se změní náhlým pulzním proudem

Náhlý pulzní proud přináší dodatečné tepelné ztráty, které vedou k posunu kritických parametrů výkonu zesilovače. Jak se teplota kanálu GaN tranzistoru zvyšuje v důsledku samozahřívání, výstupní výkon zesilovače se snižuje. Obrázek 3 znázorňuje vztah mezi teplotou kanálu, kolektorovým proudem a napětím pro jeden pracovní bod tranzistoru GaN s šířkou impulsu 100 µs.

Obrázek 3: Vztah mezi teplotou kanálu, kolektorovým proudem a napětím pro jeden pracovní bod tranzistoru GaN s šířkou impulsu 100 µs. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Ačkoli jsou zesilovače GaN relativně účinné, část energie se přesto přeměňuje v teplo, takže pro dosažení nejlepších výsledků je zapotřebí implementovat efektivní tepelné řízení. V závislosti na šířce pulsu, frekvenci opakování pulsů (PRF) a pracovním cyklu je potřeba kombinace jednoho nebo více způsobů chlazení jako jsou ventilátory, chladiče, studené desky nebo dokonce kapalinové chlazení.

Jak se pracovní cyklus zvyšuje při konstantní šířce pulzu, doba, kterou zesilovač stráví mezi pulzy, se snižuje. To znamená, že zesilovač má méně času na ochlazení a má vyšší teplotu na vzestupné hraně následujícího pulzu. V případě 100% pracovního cyklu (kontinuální vlna CW) není čas na ochlazení zesilovače a jeho teplota je konstantní na svém maximu. Jak se pracovní cyklus zvyšuje, průměrná teplota zesilovače se zvyšuje, čímž se snižuje špičkový i průměrný výstupní výkon. Velikost nárůstu teploty během pulzu se však snižuje, a to znamená, že je menší pokles a větší konzistence po šířce pulzu. Kompromisem se tak stává rovnováha mezi menším poklesem a větším výkonem.

2.Druhým aspektem je napájení

Vzhledem k rychlému přechodnému jevu pulzního výkonu je výzvou, aby se napájecí zdroj vyrovnal s náhlými požadavky na vysoký výkon při zachování požadované napěťové úrovně. Stejně jako u tepelného problému jsou řešení známá, ale jejich implementace není jednoduchá. První možností je přidání velkých nábojových kondenzátorů a umístění keramických nebo tantalových bypassových kondenzátorů co nejblíže zesilovači. To je vidět na vývojové desce ADPA1106-EVALZ (obrázek 4, vlevo), která má oddělovací kondenzátory umístěné blízko zesilovače a její přidruženou „pulsní desku“ s velkými kondenzátory pro ukládání náboje, které udržují úrovně výkonu během pulzů (obrázek 4, vpravo).

Obrázek 4: Horní část vývojové desky ADPA1106-EVALZ (vlevo) ukazuje jedinečné uspořádání a těsné umístění oddělovacích kondenzátorů. Na spodní straně je hliníkový rozvaděč tepla (uprostřed). Na přidružené desce jsou umístěny objemové kondenzátory používané k dodávání potřebného proudu během pulsních přechodných jevů (vpravo). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Vývojová deska je navržena tak, aby řešila požadavky na pulsní výkon. Obsahuje dvouvrstvou desku vyrobenou z 10 mil desky Rogers 4350B na hliníkovém rozvaděči tepla. Hliníková část pomáhá tepelnému odlehčení a mechanické podpoře desky s plošnými spoji. Montážní otvory na umožňují připevnění desky k chladiči. Ačkoli použití velkokapacitních úložných kondenzátorů není ideální, protože zvyšují velikost, hmotnost a cenu radaru, jsou často jediným schůdným řešením. Relativní poloha, orientace a typ oddělovacích kondenzátorů použitých v blízkosti zesilovače ovlivní jeho účinnost a tvar pulzu. Na RF frekvencích zesilovače ADPA1106 je třeba pečlivě zvážit vliv parazitní kapacity a indukčnosti a zohlednit jej při návrhu.

Pokles versus šířka pulzu a frekvence opakování

ADPA1106 PA byl testován na pokles výkonu dvěma způsoby. Změnou šířky impulsu při konstantní frekvenci opakování impulsů a změnou pracovního cyklu při zachování konstantní šířky impulsu. V obou testech byl naměřen pokles pulzu do 2 %. První test využívá proměnnou šířku pulzu při pevné frekvenci opakování pulzu 1 ms (obrázek 5). Existuje vysoká korelace mezi rostoucí šířkou pulzu a rostoucím poklesem pulzu. Při maximální testované šířce pulzu se pokles blíží 0,5 dB, a to je maximální úroveň poklesu, která je obvykle přijatelná na úrovni systému.

Obrázek 5: Testování s pevnou frekvencí opakování pulzu 1 ms ukazuje korelaci mezi rostoucí šířkou pulzu a rostoucím poklesem pulzu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Navíc v důsledku tepelných vlivů se špičkový a průměrný výstupní výkon mírně snižuje s rostoucí šířkou pulzu, zatímco sestupná hrana na konci nejdelší šířky pulzu se mírně zvětšuje. To naznačuje, že samozahřívací efekt začíná ovlivňovat tepelný management obalu a chladiče pod ním. Pro posouzení účinků pracovního cyklu byl ADPA1106 znovu testován s použitím konstantní šířky pulzu 100 µs při změně pracovního cyklu (obrázek 6). Jak se pracovní cyklus zvyšuje směrem ke 100 %, zesilovač má méně času na ochlazení mezi pulzy a má vyšší teplotu na vzestupné hraně následujícího pulzu. V důsledku toho se průměrná teplota zvyšuje, amplituda pulzu se snižuje a velikost nárůstu teploty během pulzu se snižuje.

Obrázek 6: Použití konstantní šířky pulsu při změně pracovního cyklu se ukazuje, že změna velikosti se zmenšuje s rostoucím pracovním cyklem. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Z toho vyplývá následující kompromis. Ukazuje se, že snížení výstupního výkonu je v důsledku vyšší absolutní teploty. Je zde však výhoda menšího poklesu pulzu a větší konzistence výstupního výkonu po celé šířce pulzu, protože změna teploty zesilovače je během trvání pulzu menší.

Závěr

Dosažení maximálního dosahu v radarových systémech vyžaduje systémový přístup k minimalizaci poklesu pulzu. To zahrnuje efektivní tepelný management a přidání velkých kondenzátorů do napájecího zdroje, aby nedocházelo k poklesu napětí.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com