如何最小化氮化鎵功率放大器的脈衝下降以提升雷達探測距離

作者：ADI航空航太和防務事業部產品線工程師

摘要

氮化鎵 (GaN)功率放大器 (PA)使得現代相位陣列雷達的效能大幅超越前一代技術，除了具備高功率密度，而且不需要體積龐大而容易損耗的合成網路。本文聚焦於探討氮化鎵功率放大器的脈衝下降(pulse droop)作為實際雷達性能中的一項非理想性因素，並闡述應採取哪些措施以緩解其對雷達探測距離的負面影響。藉由在雷達射頻鏈的輸出級中置入先進的固態電子元件，系統工程師得以設定規格來提升探測距離、解析度、以及感測能力。文末並進一步也探討了能有效降低脈衝下降的元件，以滿足現代高效能相位陣列雷達的多樣需求。

背景

大多數現代雷達採用某種形式的脈衝壓縮技術，以提升距離解析度和訊噪比 (SNR)。因此維持傳輸脈衝在整個訊號鏈中的完整性非常重要。脈衝壓縮技術使雷達能夠分辨出多個緊密排列的目標，而遠程長脈衝雷達可能會因接收的回波脈衝重疊，而將多個物體模糊地視為一體。由於探測目標物體對雷達脈衝的反射方式各不相同，為了讓接收演算法能夠正確識別雷達的觀測結果，傳輸脈衝需要保持可預測的波形形狀。雷達脈衝的所有特性對雷達實現預定的感測目標都極為重要，並且這些目標依使用情境而異—某些雷達用於搜索飛機，另一些則用於監測天氣變化。圖 1 顯示一個典型雷達脈衝及其各項特性。

上升時間與下降時間、波峰振幅、脈衝寬度、以及工作週期等因素，共同決定了雷達的探測距離、靈敏度、熱管理、以及功率等設計目標。隨著各界逐步克服各種顯著的技術挑戰，脈衝下降的現象越來越受到重視。脈衝下降被定義為雷達脈衝從開始到結束期間的振幅下降量，通常以dB為單位表示。在雷達系統中，脈衝下降相當於脈衝持續期間內探測距離的縮短 – 脈衝振幅與脈衝寬度共同決定了在特定功率水平下雷達的探測距離。

雷達公式，用於定義各項因素的權衡及其相互關聯性:

雷達公式將雷達性能的各項因素與實際效應相互關聯，進而估算出性能的近似值。在這裡Pr 代表預期接收功率，Pt 是傳輸功率，Gt 是天線增益， Gr 是接收增益，λ 是雷達操作時的波長，σ 是目標物體的有效截面面積， R 則是天線到目標物之間的距離。雷達方程式顯示出對傳輸功率造成任何負面影響都會嚴重損害雷達性能。由於距離損失和往返衰減在公式中呈四次方關係，因此克服距離損失需要盡可能利用所有可用的功率。

雷達方程式是一個很好的工具，可以估算出特定距離目標物的接收功率; 然而，此方程式忽略了許多與目標物回波競爭的雜訊源。雜訊功率:

其中k 是波茲曼常數，Ts 是系統雜訊，Bn 是接收器的雜訊頻寬，將這些引數代入雷達方程式，可以得到雷達端的訊噪比:

SNR描述了在特定距離下，雷達從雜訊中檢測出目標物的能力，包括雷達本身固有的雜訊源。從SNR的角度來看，脈衝下降會降低傳輸功率，進而降低訊噪比，這將阻礙雷達在遠距離檢測物體的能力。圖2顯示了脈衝下降對機載脈衝式雷達偵測範圍和靈敏度的影響。

氮化鎵放大器的脈衝下降

各界觀察到，脈衝式雷達採用的高功率氮化鎵功率放大器具有與真空管式功率放大器相當的脈衝下降。這種現象是由於電晶體通道溫度因焦耳自熱效應而升高所致，而該效應是電流密度與電場的乘積。隨著溫度升高，放大器的輸出功率會降低，圖3展示了一個氮化鎵電晶體在經歷100微秒脈衝期間的自熱過程：使用Microsanj的熱反射系統來量測氮化鎵元件的通道溫度。在脈衝期間，由於自熱效應，電流消耗會下降; 而在大型陣列中，通常在高負載下，行動電源的放電會導致供應電壓下降。一般做法是在偏壓線路上增加大容量行動電源，以及在功率放大器附近增加陶瓷或鉭質旁路穩壓單元，如圖4所示。但如此做也帶來一些缺點，例如脈衝形變以及陣列尺寸、重量和成本的大幅提升，使得使用大容量行動電源成為一種不理想的解決方案。

雖然脈衝下降的規格因系統而異，但對雷達效能而言，將衰減最小化必定有益無害。一般來說，0.5 dB或更低的脈衝下降已經足夠優化雷達應用，而0.3 dB或更好的脈衝下降則更受系統設計者青睞。

脈衝下降管理

在現場管理脈衝條件是控制脈衝下降性能的其中一種可行方法。在晶片之外，放大器閘極和漏極供應電路上的旁路電容選擇會影響上升時間和下降時間的性能。即使是放大器的相對位置、方向以及解耦電容材料的選擇都會影響脈衝保真度。設計在射頻頻率下運作的電路，表示阻抗不僅取決於元件電容，寄生電容和電感也會產生影響，而且隨著頻率增加，這種影響通常會增強。

此外，從功率放大器的角度來看，在靠近電源或鄰近電源控制板的地方，大型儲能電容提供了另一種降低脈衝下降的方法。儲能電容可以在脈衝期間維持源極產生的電壓，讓切換式穩壓器無需處理增加的功率負載。每當脈衝結束時，儲能電容就會重新充電，並準備支援下一個脈衝。如前所述，雖然相較之下，儲存電容有尺寸、重量和成本等方面的缺點，但許多雷達系統仍使用其來平衡功率對脈衝條件的影響。

在實驗室中，臺式電源供應器被設計為能夠承受驅動脈衝訊號所產生的反應力。在現場環境中，雷達電源供應器通常也被設計為能夠驅動乾淨的脈衝，儘管雷達中的所需電流可能導致電壓下降至低於電源的水準，進而驅動射頻脈衝下降的另一個來源。電源系統設計業者已經開發出各種新穎技術來管理電壓下降，這些技術包括透過衰減補償電路和軟體式脈衝調變方案。

其他方法包括利用數位回授進行脈衝塑型、預失真技術，以及前饋式電源供應器設計都已進行評估，顯示其能達到不同程度的效果。然而，這些技術通常難以實作，而脈衝性能提升的幅度往往不足以抵消額外硬體或軟體複雜性所帶來的負擔。

實驗室環境的氮化鎵PA脈衝形態

採用由 ADI 的 S 波段雷達 PA 型號 ADPA1106 的元件作為測試載體進行測量，以評估脈衝寬度與工作週期對脈衝下降的影響。

這個測試環境包含一個負責觸發臺式電源供應器的任意波形產生器，以及一個脈衝式射頻源，負責為PA輸入端產生脈衝式直流與射頻波形。PA的輸出端連接到Keysight N1924A功率錶，之後訊號饋送到峰值功率分析儀。另外使用一個冷卻板(chiller plate)將基板溫度控制在攝氏25度。圖5顯示ADPA1106脈衝的典型量測設定。

從圖 5 中可以看出，ADPA1106的典型脈衝波形特性非常適用於脈衝式雷達系統，其特性包括快速的上升與下降時間、過衝極小甚至可忽略不計，以及下降幅度控制在 0.3 dB 內的可接受範圍。綠線是汲極電壓脈衝，而黃線是功率放大器的射頻輸出。

脈衝寬度的調整

為了進一步觀察ADPA1106在不同脈衝寬度和工作週期條件下的性能表現，這裡進行了一系列測試。在這些測試中，首先保持脈衝重複頻率（PRF）恆定，改變脈衝寬度來評估PA的性能；接著，在固定的脈衝寬度下，改變工作週期進行測試。為了準確評估脈衝下降，從每個脈衝的2%開始到結束時量測其值，以消除初期過衝對結果的影響。需要注意的是，脈衝過衝主要由訊號濾波和系統中的電源供應解決方案所引起，並不反映放大器本身的固有性能。其他研究建議將下降的量測範圍設定在脈衝寬度的10%至90%，甚至是25%至75%之間，以去除過衝和漣波對結果的影響。然而，這樣做會忽略掉數據中大量的線性下降。在本次實驗中，只排除了初期過衝對計算結果的影響。圖6與表1展示了這組實驗的結果。

這組數據，如圖6與表1所示，明確展示了先前所述的典型脈衝形狀 – 初期過衝、波形安定及脈衝下降。如同預期，在固定的脈衝重複頻率下，隨著脈衝寬度增加，脈衝下降顯著加劇。在最高測試脈衝寬度下，下降幅度接近0.5 dB，接近系統層面所要求的理想下降值。此外，由於熱效應，峰值與平均輸出功率隨脈衝寬度增加而略微下降。在最大脈衝寬度的尾部，下降斜率略有增加，可能顯示自熱效應已開始影響封裝及其底部散熱片的熱管理解決方案。

調整工作週期

接著以固定的100微秒脈衝並變化工作週期對ADPA1106進行測試。下降幅度的測量方式與先前相同，測量範圍從脈衝的2%處起至脈衝結束，以消除脈衝過衝的影響。

在固定脈衝寬度下，隨著工作週期增加，PA在脈衝之間停頓的時間減少。表示PA在脈衝之間進行冷卻的時間變短，因此在後續脈衝的上升緣溫度會更高。在100%工作週期的極限情況下 (連續波或CW)，PA沒有時間進行冷卻， 溫度將穩定在最高值。因此，隨著工作週期增加，元件的平均溫度逐漸升高 ，但在脈衝期間溫度上升的幅度減小。這導致峰值與平均輸出功率降低，原因是元件的絕對溫度更高。同時，脈衝期間的溫度變化減少，因此下降幅度也相應減小。如圖 7 和表 2 所示。

氮化鎵元件能產生極高的輸出功率。儘管 GaN 的效率相對較高，但部分功率轉換會以熱量形式損失。因此，有效的熱管理對於達到最佳結果非常重要。在此使用了水冷式溫控基板來管理溫升，類似的熱解決方案也被應用於實際環境中。在極端情況下，如果熱管理不當，輸出波形的保真度將會降低，進而降低雷達靈敏度。

氮化鎵雷達功率放大器

雷達系統通常根據其預期用途而分為不同的頻段 ，例如S波段雷達通常用於遠距追蹤應用，像是空中交通管制、氣象雷達、以及地面/水面追蹤雷達，而X波段雷達則常用於海事與火控雷達。這些使用情境都對性能有著一定的要求，包括低脈衝下降。

總結

隨著雷達系統需求的不斷提升，個別元件的性能標準也持續提高。ADI旗下氮化鎵雷達功率放大器產品線始終走在需求曲線之前。在實驗室測試中， ADI的高效率、高輸出功率S頻帶氮化鎵功率放大器ADPA1106在各種脈衝條件下展現出低於0.3dB的優異脈衝下降性能。