Maksymalizacja zasięgu systemów radarowych w oparciu o wzmacniacze mocy GaN

Wzmacniacze mocy (PA) oparte na azotku galu (GaN) oferują znaczny wzrost sprawności i inne korzyści w porównaniu do urządzeń wykorzystujących starsze procesy, jednak projektanci muszą zastosować podejście systemowe w celu minimalizacji opadania wierzchołka impulsu i jego skutków. Pozwala to zapewnić znakomite parametry działania systemów radarowych dalekiego zasięgu.

W niniejszym artykule omówiono pokrótce działanie radaru oraz problem opadania wierzchołka impulsu. Następnie przedstawiono najnowocześniejszy wzmacniacz mocy GaN na pasmo S firmy Analog Devices oraz towarzyszącą płytkę ewaluacyjną, a następnie zaproponowano taktykę kompensacji i minimalizacji opadania wierzchołka impulsu.

Zasada działania radaru i związane z tym problemy

Radary działają na prostej zasadzie: system wysyła krótki impuls włącz-wyłącz energii radiowej (RF), a odbiornik wykrywa sygnał odbity od obiektu docelowego. Opóźnienie czasowe pomiędzy nadanym impulsem i jego echem określa odległość (zasięg) od celu, ponieważ obydwa sygnały rozchodzą się z prędkością światła.

Taki prosty impuls jest wystarczający z punktu widzenia zasady działania, jednak jest nieadekwatny do rzeczywistych zastosowań, gdzie występuje wiele celów, zwłaszcza gdy są oddalone o dziesiątki, setki, a nawet tysiące kilometrów. W systemach radarowych dalekiego zasięgu występują dwa problemy:

• Sygnał powrotny odbity od oddalonego celu jest bardzo słaby, a stosunek sygnału do szumu (SNR) jest niski.
• Rozróżnienie wielu celów w pewnej odległości wymaga oddzielenia położonych blisko siebie ech, przy założeniu że sygnały powrotne nie zostały zniekształcone i nałożone na siebie.

Siła sygnału jest bardzo niska ze względu na naturę zjawisk fizycznych i zasadę 4. potęgi. Opisuje to klasyczne równanie dla radaru, które wiąże ze sobą czynniki wpływające na działanie radaru i praktyczne zjawiska:

Gdzie:

Pr jest oczekiwaną mocą odbioru

Pt jest mocą nadawania

Gt jest zyskiem anteny

Gr jest wzmocnieniem odbioru

λ jest długością fali, na której działa radar

σ jest efektywnym polem przekroju poprzecznego celu

R jest odległością od anteny do celu.

Z równania widać, że o całkowitym tłumieniu decydują głównie straty związane z odległością, ponieważ R podniesione do potęgi czwartej znajduje się w mianowniku.

Oczywistym sposobem na pokonanie problemu strat odległościowych jest zwiększenie mocy szczytowej nadawanego sygnału i wydłużenie czasu impulsu, aby zwiększyć jego całkowitą energię. Podejście to jednak powoduje rozmycie i nakładanie sygnału powrotnego w takim stopniu, że liczne obiekty wyglądają jak jeden (ilustracja 1).

Ilustracja 1: szkic obrazu radarowego ukazuje idealny impuls odpowiedzi (po lewej) oraz pogorszony impuls odpowiedzi wraz z odległością (po prawej). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Bardziej wyrafinowanym sposobem na poprawę parametrów jest kształtowanie, modulacja i kompresja nadawanego impulsu w celu poprawy rozdzielczości odległościowej i stosunku sygnału do szumu (SNR). Kompresja impulsów pozwala systemowi radarowemu na rozróżnianie wielu celów położonych blisko siebie, zamiast wyświetlania jako rozmytych i nakładających się na siebie impulsów na odbiorniku.

Problemy dotyczące opadania mocy impulsu i ich rozwiązania

Wprawdzie zwiększenie mocy impulsu jest możliwe, jednak stwarza inne problemy. Jednym z nich jest nasilenie charakterystycznego dla wzmacniaczy mocy zjawiska opadania wierzchołka impulsu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: nominalny prostokątny impuls radarowy wykazuje się przeregulowaniem, szerokością impulsu, czasami narastania i opadania oraz opadaniem wierzchołka impulsu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Opadanie wierzchołka impulsu jest niepożądanym zmniejszeniem amplitudy między jego początkiem i końcem, zwykle podawanym w decybelach (dB). Zmniejszenie to skraca zasięg wraz z długością impulsu, ponieważ amplituda impulsu w połączeniu z jego szerokością decydują o zasięgu radaru, stanowiąc całkowany poziom mocy.

Opadanie wierzchołka impulsu występuje nawet w przypadku wysokosprawnych półprzewodnikowych wzmacniaczy mocy GaN, takich jak najnowocześniejsze urządzenia ADPA1106ACGZN firmy Analog Devices. To urządzenie o mocy 46dBm (40W), przy sprawności dodanej mocy (PAE) 56% w całej szerokości pasma od 2,7GHz do 3,5GHz i jest dobrze dopasowane do impulsowych wymagań systemów radarowych w pasmie S.

Czym jest spowodowane opadanie wierzchołka impulsu?

Opadanie zwykle wynika z dwóch różnych mechanizmów:

1: Parametry wzmacniacza mocy ulegają zmianie w wyniku nagłego impulsu prądowego. Powoduje to rozpraszanie i inne efekty termiczne, które skutkują zmianą krytycznych parametrów urządzenia. Wraz ze wzrostem temperatury kanału tranzystora GaN wzmacniacza mocy w następstwie samoistnego nagrzewania Joule’a w wyniku gęstości prądu i pola elektrycznego, moc wyjściowa wzmacniacza spada. Ilustracja 3 przedstawia zależność pomiędzy temperaturą kanału, prądem drenu i napięciem drenu dla jednego punktu pracy tranzystora GaN przy szerokości impulsu równej 100µs.

Ilustracja 3 zależność pomiędzy temperaturą kanału, prądem drenu i napięciem drenu dla jednego punktu pracy tranzystora GaN przy szerokości impulsu równej 100µs. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Pomimo relatywnie wysokiej sprawności urządzeń GaN, pewna ilość mocy jest tracona w postaci ciepła, dlatego uzyskanie najlepszych rezultatów wymaga odprowadzania ciepła. W zależności od szerokości impulsu, częstotliwości powtarzania impulsów (PRF) oraz cyklu roboczego, wymagane będzie zastosowanie jednej lub kilku metod chłodzenia - na przykład wentylatorów, radiatorów, płytek chłodzących lub chłodzenia cieczą.

Wraz ze wzrostem cyklu roboczego przy stałej szerokości impulsu skraca się czas wyłączenia wzmacniacza mocy pomiędzy impulsami. Oznacza to, że wzmacniacz mocy ma mniej czasu na ostygnięcie i ma wyższą temperaturę na zboczu narastającym kolejnego impulsu. W granicznym przypadku cyklu roboczego 100% (fala ciągła (CW)), nie występuje w ogóle czas na stygnięcie wzmacniacza mocy, a temperatura ma stałą, maksymalną wartość.

Prowadzi to do kompromisu. Wraz ze wzrostem cyklu roboczego wzrasta średnia temperatura części, obniżając szczytową i średnią moc wyjściową. Jednak wielkość wzrostu temperatury podczas impulsu jest mniejsza, co oznacza mniejsze opadanie impulsu i mniejszą zmienność w całej szerokości impulsu. W ten sposób kompromis zapewnia równowagę pomiędzy mniejszym opadaniem i większą mocą.

2: Drugim zagadnieniem jest zasilanie. Szybkie stany przejściowe pulsacji mocy stanowią wyzwanie dla zasilania wzmacniaczy mocy, które musi sprostać nagłemu zapotrzebowaniu na moc, przy zachowaniu wymaganej wartości napięcia szyny. Podobnie jak w przypadku problemów termicznych, rozwiązania są znane, jednak krytyczne znaczenie ma ich implementacja.

Zaczyna się ona od dodania dużych kondensatorów magazynujących ładunek na linii polaryzacyjnej wzmacniacza mocy oraz umieszczenia obejściowych kondensatorów tantalowych lub ceramicznych w ich pobliżu. Można to zobaczyć na płytce ewaluacyjnej ADPA1106-EVALZ (ilustracja 4, po lewej), która zawiera kondensatory odsprzęgające, umieszczone w pobliżu wzmacniacza oraz powiązaną „płytkę impulsatora” z dużymi kondensatorami magazynującymi ładunek, które utrzymują poziomy mocy podczas szerokich impulsów (ilustracja 4, po prawej).

Ilustracja 4: widok płytki ewaluacyjnej ADPA1106-EVALZ od góry (po lewej) ukazuje unikalny układ i ciasne rozmieszczenie kondensatorów odsprzęgających. Widok od dołu ukazuje aluminiowy element rozpraszający ciepło (na środku). Skojarzona płytka impulsatora zawiera kondensatory magazynujące o dużej pojemności, dostarczające prądów niezbędnych podczas impulsowych stanów nieustalonych (po prawej). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Płytkę ewaluacyjną zaprojektowano w celu demonstracji unikalnych wyzwań związanych z optymalizacją zastosowania urządzenia ADPA1106. Jest to dwuwarstwowa płytka drukowana wykonana z miedziowanego laminatu o grubości 10mil, Rogers 4350B, przymocowana do aluminiowego elementu rozpraszającego. Rozpraszacz pozwala obniżyć temperaturę urządzenia i zapewnia mechaniczne podparcie dla płytki drukowanej. Otwory mocujące rozpraszacza pozwalają na mocowanie do radiatora. Element rozpraszający może być również przytwierdzony do płytki gorącej lub zimnej.

Pomimo że użycie kondensatorów magazynujących o dużej pojemności nie jest idealnym rozwiązaniem, ponieważ zwiększa rozmiary, ciężar i koszt urządzeń radarowych, często jest to jedyne możliwe rozwiązanie. Ponadto orientacja, typ oraz położenie kondensatorów odsprzęgających względem wzmacniacza będą miały wpływ na ich skuteczność i jakość impulsów. Przy częstotliwościach radiowych (PA), we wzmacniaczach mocy, takich jak ADPA1106, konieczne jest staranne uwzględnienie pojemności oraz indukcyjności pasożytniczych w projekcie.

Wyniki opadania wierzchołka impulsu wraz ze zmianą szerokości i częstotliwości powtarzania impulsów

Parametry opadania wierzchołka impulsu dla wzmacniaczy mocy ADPA1106 zbadano na dwa sposoby: zmieniając szerokość impulsu przy stałej częstotliwości powtarzania impulsów oraz zmieniając cykl roboczy przy stałej szerokości impulsów. W obydwu próbach opadanie wierzchołka impulsu zostało zmierzone od momentu 2% w okresie impulsu do końca impulsu, aby wyeliminować początkowe przeregulowanie.

Pierwsza próba wykorzystuje zmienną szerokość impulsu i ustaloną częstotliwość powtarzania impulsów odpowiadającą 1ms (ilustracja 5). Występuje silna korelacja pomiędzy zwiększaniem szerokości impulsów i zwiększaniem opadania wierzchołka impulsu. Przy maksymalnej badanej szerokości impulsów, opadanie zbliżyło się do 0,5dB, co jest maksymalnym poziomem opadania, jaki jest zwykle dopuszczalny na poziomie systemu.

Ilustracja 5: próby przy ustalonej częstotliwości powtarzania impulsów odpowiadającej 1ms wykazują korelację między zwiększaniem szerokości impulsu i zwiększaniem opadania wierzchołka impulsu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Dodatkowo, ze względu na zjawiska termiczne, następowało nieznaczne obniżanie szczytowej i średniej mocy wyjściowej wraz ze wzrostem szerokości impulsów, a także nieznaczne zwiększenie nachylenia w dół zbocza końcowego dla największej szerokości impulsu. Może to wskazywać na to, że zjawisko samoistnego nagrzewania zaczyna wpływać na odprowadzanie ciepła przez obudowę i znajdujący się niżej radiator.

Aby oszacować wpływ cyklu roboczego, urządzenie zostało poddane próbom z użyciem stałej szerokości impulsu równej 100µs, przy zmienianiu cyklu roboczego (ilustracja 6). Gdy cykl roboczy zbliża się do 100%, wzmacniacz mocy ma mniej czasu na ostygnięcie pomiędzy impulsami i ma wyższą temperaturę na zboczu narastającym kolejnego impulsu. W wyniku tego średnia temperatura części wzrasta, amplituda impulsu spada, a wzrost temperatury w czasie impulsu jest mniejszy.

Ilustracja 6: przy stałej szerokości impulsów i zmiennym cyklu roboczym okazuje się, że zmiana wielkości różnic zmniejsza się wraz ze wzrostem cyklu roboczego. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Obrazuje to omawiany kompromis. Ukazuje negatywny wpływ zmniejszenia szczytowej i średniej mocy wyjściowej ze względu na wyższą temperaturę bezwzględną części. Korzyścią jest jednak mniejsze opadanie wierzchołka impulsu i bardziej stała moc na całej szerokości impulsu, ponieważ zmiany temperatury wzmacniacza mocy w czasie trwania impulsu są mniejsze.

Podsumowanie

Osiągnięcie maksymalnego zasięgu systemów radarowych wymaga systemowego podejścia do minimalizacji opadania wierzchołka impulsu. Obejmuje to efektywne odprowadzanie ciepła oraz dodanie kondensatorów magazynujących w zasilaczu. W celu zademonstrowania sposobu zrównoważenia wymaganych kompromisów, w tym artykule wykorzystano rzeczywiste dane z prób wysokosprawnego wzmacniacza mocy ADPA1106 do oceny opadania wierzchołka impulsu poprzez zmienianie dwóch krytycznych parametrów impulsów i użycie odpowiedniego chłodzenia. Wyniki wykazały, że urządzenie charakteryzuje się bardzo niskim opadaniem wierzchołka impulsu wynoszącym poniżej 0,3dB w typowym zakresie parametrów impulsów.

Źródło: Maksymalizacja zasięgu systemów radarowych w oparciu o wzmacniacze mocy GaN

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.