Comment maximiser la portée des systèmes radar basés sur des amplificateurs de puissance GaN

Le radar est devenu incontournable dans d'innombrables applications, notamment la surveillance militaire, le contrôle du trafic aérien, les missions spatiales et la sécurité automobile. Les radars longue portée, où le signal de retour est extrêmement faible, où le bruit ambiant et le bruit du circuit dégradent le rapport signal/bruit (SNR) et où la pente du sommet d'impulsion devient un problème, figurent parmi les situations les plus difficiles pour les concepteurs.

Bien que les amplificateurs de puissance (PA) basés sur le nitrure de gallium (GaN) offrent un rendement significatif et d'autres avantages par rapport aux dispositifs utilisant des procédés plus anciens, les concepteurs doivent adopter une approche au niveau du système pour minimiser la pente du sommet et ses effets. Cela permet de garantir des performances supérieures dans les systèmes radar longue portée.

Cet article passe brièvement en revue le fonctionnement des radars et étudie le problème de pente du sommet. Il présente ensuite un amplificateur de puissance GaN en bande S de pointe d'Analog Devices et une carte d'évaluation associée, et suggère des stratégies pour compenser et minimiser la pente du sommet.

Principes et enjeux des radars

Le principe de fonctionnement des radars est simple : un système transmet une courte impulsion on/off d'énergie RF, et un récepteur capte le signal réfléchi par la cible. Le temps de décalage entre l'impulsion transmise et son écho détermine la distance (portée) jusqu'à la cible, car les deux se propagent à la vitesse de la lumière.

Bien que cette simple impulsion soit en principe suffisante, elle n'est pas adaptée au monde réel des cibles multiples, en particulier à des distances de dizaines, de centaines, voire de milliers de kilomètres. Ces systèmes radar à plus longue portée sont confrontés à deux problèmes :

• Le signal de retour depuis une cible éloignée est très faible et le rapport signal/bruit est médiocre.
• La distinction entre plusieurs cibles à distance implique de résoudre des échos rapprochés, en supposant que leurs signaux de retour n'ont pas été déformés et ne se chevauchent pas.

La force du signal est très faible en raison de la physique inévitable de la situation et de la règle de puissance 4^e. C'est ce que montre l'équation de radar classique, qui met en relation les facteurs de performances du radar et les effets pratiques :

 Équation 1

Où :

P_r est la puissance de réception attendue

P_t est la puissance de transmission

G_t est le gain de l'antenne

G_r est le gain de réception

λ est la longueur d'onde de fonctionnement du radar

σ est la section efficace de la cible

R est la distance entre l'antenne et la cible

L'équation montre que l'atténuation aller-retour détermine principalement les pertes de portée, car R, élevé à la puissance quatrième, est au dénominateur.

Le moyen évident de surmonter les pertes de portée est d'augmenter la puissance de crête du signal transmis et d'allonger l'impulsion pour augmenter son énergie globale. Cependant, cette approche brouille le retour et crée un chevauchement au point que plusieurs objets apparaissent regroupés (Figure 1).

Figure 1 : Ces schémas d'images radar montrent une réponse impulsionnelle idéale (à gauche) et une réponse impulsionnelle et une portée dégradées (à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

Une manière plus sophistiquée d'améliorer les performances consiste à façonner, moduler et « compresser » l'impulsion d'émission pour améliorer la résolution de portée et le rapport signal/bruit. La compression d'impulsions permet au système radar de résoudre plusieurs cibles dans un groupe étroit plutôt que de les voir comme des impulsions de retour floues se chevauchant au niveau du récepteur.

Problèmes et solutions liés à la puissance de pente du sommet

Il est possible d'augmenter la puissance d'impulsion, mais cela pose d'autres problèmes, tels qu'une puissance plus élevée aggravant le phénomène de pente du sommet centré sur l'amplificateur de puissance (Figure 2).

Figure 2 : Cette impulsion radar nominalement rectangulaire montre le dépassement, la largeur d'impulsion, les temps de montée/descente et la pente. (Source de l'image : Analog Devices)

La pente du sommet est la réduction indésirable de l'amplitude de l'impulsion du début à la fin, généralement caractérisée en décibels (dB). Cette réduction diminue la portée sur la longueur d'impulsion puisque la combinaison de l'amplitude et de la largeur d'impulsion détermine la portée du radar en tant que niveau de puissance intégré.

Une pente se produit même lors de l'utilisation d'amplificateurs de puissance GaN à semi-conducteurs efficaces tels que l'ADPA1106ACGZN de pointe d'Analog Devices. Ce dispositif de 46 décibels référencé à 1 milliwatt (dBm) (40 watts (W)), avec un rendement en puissance ajoutée (PAE) de 56 % sur une bande passante de 2,7 gigahertz (GHz) à 3,5 GHz, est bien adapté aux besoins de puissance d'impulsion des systèmes radar en bande S.

Causes de la pente du sommet

La pente est principalement due à deux mécanismes distincts :

1. Les performances de l'amplificateur de puissance sont modifiées par le courant d'impulsion soudain. Cela entraîne une dissipation et d'autres effets thermiques qui se traduisent par le décalage des paramètres de performances critiques du dispositif. À mesure que la température du canal du transistor de l'amplificateur de puissance GaN augmente en raison de l'auto-échauffement Joule, qui est le produit de la densité de courant et du champ électrique, la puissance de sortie de l'amplificateur est réduite. La Figure 3 illustre la relation entre la température du canal, le courant de drain et la tension de drain pour un point de fonctionnement d'un transistor GaN avec une largeur d'impulsion de 100 microsecondes (µs).

Figure 3 : Relation entre la température du canal, le courant de drain et la tension de drain pour un point de fonctionnement d'un transistor GaN avec une largeur d'impulsion de 100 µs. (Source de l'image : Analog Devices)

Bien que les dispositifs GaN soient relativement efficaces, une partie de la puissance est perdue à cause de la chaleur. Une gestion thermique efficace est donc nécessaire pour obtenir les meilleurs résultats. En fonction de la largeur d'impulsion, de la fréquence de répétition des impulsions (PRF) et du rapport cyclique, une combinaison d'une ou de plusieurs méthodes de refroidissement, telles que des ventilateurs, des dissipateurs thermiques, des plaques de refroidissement ou un refroidissement par liquide, sera nécessaire.

À mesure que le rapport cyclique augmente à une largeur d'impulsion constante, le temps d'inactivité de l'amplificateur de puissance entre les impulsions diminue. Cela signifie que l'amplificateur de puissance a moins de temps pour refroidir et se trouve à une température plus élevée au niveau du front de montée de l'impulsion suivante. Dans le cas limite d'un rapport cyclique de 100 % (onde entretenue (CW)), l'amplificateur de puissance n'a pas le temps de refroidir et sa température est constante à son maximum.

Cela conduit à un compromis. À mesure que le rapport cyclique augmente, la température moyenne du composant augmente, réduisant ainsi la puissance de sortie moyenne et de crête. Cependant, l'intensité de l'augmentation de la température pendant l'impulsion diminue, ce qui signifie que la pente est moindre et que la largeur d'impulsion est plus constante. Le compromis est donc un équilibre entre une pente inférieure et une puissance supérieure.

2. La deuxième considération concerne l'alimentation. En raison de la rapidité transitoire de la puissance pulsée, l'alimentation de l'amplificateur de puissance doit faire face aux demandes soudaines de puissance élevée tout en maintenant le rail de tension à la valeur requise. Comme pour le problème thermique, les solutions sont connues, mais la mise en œuvre est critique.

Cela commence par l'ajout de grands condensateurs de stockage de charge (bulk) le long de la ligne de polarisation de l'amplificateur de puissance et par le placement de condensateurs de découplage en céramique ou au tantale à proximité. C'est ce que l'on voit sur la carte d'évaluation ADPA1106-EVALZ (Figure 4, à gauche) qui comporte des condensateurs de découplage placés près de l'amplificateur, et sur la « carte pulser » associée avec de grands condensateurs de stockage de charge qui maintiennent les niveaux de puissance pendant les grandes largeurs d'impulsion (Figure 4, à droite).

Figure 4 : La partie supérieure de la carte d'évaluation ADPA1106-EVALZ (à gauche) montre la disposition unique et le positionnement serré des condensateurs de découplage. La partie inférieure montre le répartiteur de chaleur en aluminium (au milieu). La « carte pulser » associée contient les condensateurs de stockage de charge haute capacité utilisés pour fournir le courant requis pendant les transitoires d'impulsion (à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

La carte d'évaluation est conçue pour répondre aux défis uniques d'optimisation de l'application de l'ADPA1106. Elle se compose d'une carte à circuit imprimé à deux couches, fabriquée à partir d'une carte plaquée en cuivre Rogers 4350B de 10 mils d'épaisseur montée sur un répartiteur de chaleur en aluminium. Le répartiteur contribue à fournir une décharge thermique au dispositif et un support mécanique au circuit intégré. Les trous de montage sur le répartiteur permettent de le fixer sur un dissipateur thermique. Alternativement, le répartiteur peut être fixé sur une plaque chauffante et de refroidissement.

Bien que l'utilisation de condensateurs de stockage haute capacité ne soit pas idéale car ils augmentent la taille, le poids et le coût du réseau radar, ils constituent souvent la seule approche viable. De plus, la position relative, l'orientation et le type de condensateurs de découplage utilisés à proximité de l'amplificateur influencent le rendement et la fidélité des impulsions. Aux fréquences RF des amplificateurs de puissance, tels que l'ADPA1106, l'impact de la capacité et de l'inductance parasites doit être considéré et pris en compte dans la conception.

Résultats de la pente en fonction de la largeur d'impulsion et de la fréquence de répétition

L'amplificateur de puissance ADPA1106 a été testé pour ses performances de pente de deux manières : en faisant varier la largeur d'impulsion à une fréquence de répétition d'impulsion constante et en faisant varier le rapport cyclique tout en maintenant une largeur d'impulsion constante. Dans les deux tests, la pente du sommet a été mesurée de 2 % de la période d'impulsion jusqu'à la fin de l'impulsion afin d'éliminer l'effet du dépassement initial.

Le premier test utilise une largeur d'impulsion variable à une fréquence de répétition d'impulsion fixe de 1 milliseconde (ms) (Figure 5). Il existe une forte corrélation entre l'augmentation de la largeur d'impulsion et l'augmentation de la pente du sommet. À la largeur d'impulsion maximum testée, la pente approche 0,5 dB, ce qui correspond à la valeur maximum de pente généralement acceptable au niveau du système.

Figure 5 : Les tests avec une fréquence de répétition d'impulsion fixe de 1 ms montrent la corrélation entre l'augmentation de la largeur d'impulsion et l'augmentation de la pente du sommet. (Source de l'image : Analog Devices)

De plus, en raison des effets thermiques, la puissance de sortie de crête et moyenne diminue légèrement avec l'augmentation de la largeur d'impulsion, tandis que la pente descendante à l'extrémité de la largeur d'impulsion la plus longue augmente légèrement. Cela peut indiquer que les effets d'auto-échauffement commencent à affecter la gestion thermique du boîtier et du dissipateur thermique situé en dessous.

Pour évaluer les effets du rapport cyclique, l'ADPA1106 a été re-testé en utilisant une largeur d'impulsion constante de 100 µs tout en modifiant le rapport cyclique (Figure 6). À mesure que le rapport cyclique augmente vers 100 %, l'amplificateur de puissance a moins de temps pour refroidir entre les impulsions et se trouve à une température plus élevée au niveau du front de montée de l'impulsion suivante. En conséquence, la température moyenne du composant augmente, l'amplitude d'impulsion diminue et l'intensité de l'augmentation de la température pendant l'impulsion diminue.

Figure 6 : L'utilisation d'une largeur d'impulsion constante tout en faisant varier le rapport cyclique montre que la variation de l'amplitude diminue à mesure que le rapport cyclique augmente. (Source de l'image : Analog Devices)

Cela démontre le compromis. Cela montre l'impact négatif de la réduction de la puissance de sortie de crête et moyenne en raison de la température absolue plus élevée du composant. Cependant, on bénéficie de l'avantage d'une pente moindre et d'une plus grande régularité de la puissance de sortie sur toute la largeur de l'impulsion, car le changement de température de l'amplificateur de puissance est moindre sur la durée de l'impulsion.

Conclusion

Pour atteindre une portée maximum dans les systèmes radar, il faut adopter une approche au niveau du système pour minimiser la pente du sommet. Cela inclut une gestion thermique efficace et l'ajout de condensateurs de stockage de charge (bulk) à l'alimentation. Pour démontrer comment équilibrer les compromis requis, cet article a utilisé des données de test réelles utilisant l'amplificateur de puissance haut rendement ADPA1106 pour évaluer la pente en faisant varier deux paramètres d'impulsion critiques et en utilisant un refroidissement approprié. Les résultats ont montré que le dispositif présentait une très faible pente, inférieure à 0,3 dB, sur une plage typique de conditions d'impulsion.