Come massimizzare il raggio d'azione dei sistemi radar basati su amplificatori di potenza GaN

Il radar è diventato indispensabile per innumerevoli applicazioni, tra cui la sorveglianza militare, il controllo del traffico aereo, le missioni spaziali e la sicurezza delle automobili. Tra le situazioni più difficili per i progettisti si annovera il radar a lungo raggio, dove il segnale di ritorno è estremamente debole, il rumore ambientale e quello del circuito deteriorano il rapporto segnale/rumore (SNR) e l'abbassamento di impulso diventa un problema.

Sebbene gli amplificatori di potenza (PA) al nitruro di gallio (GaN) offrano un'efficienza significativa e altri vantaggi rispetto ai dispositivi che utilizzano processi più datati, i progettisti devono adottare un approccio a livello di sistema per ridurre al minimo l'abbassamento di impulso e i suoi effetti. Ciò garantirà prestazioni superiori nei sistemi radar a lungo raggio.

Questo articolo ripercorre brevemente il funzionamento del radar ed esamina il problema dell'abbassamento di impulso. Presenta quindi un PA GaN in banda S all'avanguardia di Analog Devices e la scheda di valutazione che lo accompagna e infine suggerisce tattiche per compensare e ridurre al minimo l'abbassamento di impulso.

Principi e problemi del radar

Il principio del radar è semplice: un sistema trasmette un breve impulso on/off di energia RF e un ricevitore capta il segnale riflesso dal bersaglio. Il ritardo tra l'impulso trasmesso e la sua eco determina la distanza (raggio) dal bersaglio, poiché entrambi si propagano alla velocità della luce.

Sebbene questo semplice impulso sia sufficiente in linea di principio, è inadeguato per il mondo reale fatto di bersagli multipli, specialmente a distanze di decine, centinaia e persino migliaia di chilometri. Questi sistemi radar a raggio più lungo devono affrontare due problemi:

• Il segnale di ritorno da un bersaglio lontano è molto debole e l'SNR è scadente.
• Per distinguere tra più bersagli a distanza è necessario risolvere gli echi a distanza ravvicinata, supponendo che i segnali di ritorno non siano stati distorti e si sovrappongano.

La potenza del segnale è molto bassa a causa dell'inevitabile fisica della situazione e della regola della 4^a potenza. Ciò è dimostrato dalla classica equazione del radar che mette in relazione i fattori delle prestazioni del radar e gli effetti pratici:

 Equazione 1

Dove:

P_r è la potenza di ricezione prevista

P_t è la potenza di trasmissione

G_t è il guadagno dell'antenna

G_r è il guadagno di ricezione

λ è la lunghezza d'onda di funzionamento del radar

σ è l'area della sezione trasversale effettiva del bersaglio

R è la distanza tra l'antenna e il bersaglio.

L'equazione mostra che l'attenuazione di andata e ritorno determina principalmente le perdite di raggio, dato che R, elevato alla quarta potenza, si trova al denominatore.

Il modo più ovvio per superare le perdite di raggio è aumentare la potenza di picco del segnale trasmesso e allungare l'impulso per aumentarne l'energia complessiva. Tuttavia, questo approccio confonde il ritorno e presenta sovrapposizioni tali da far apparire più oggetti insieme (Figura 1).

Figura 1: Questi schizzi di immagini radar mostrano una risposta all'impulso ideale (a sinistra) e una risposta all'impulso e un raggio deteriorati (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un modo più sofisticato per migliorare le prestazioni consiste nel modellare, modulare e "comprimere" l'impulso di trasmissione per migliorare la risoluzione del raggio e l'SNR. La compressione degli impulsi consente al sistema radar di risolvere più bersagli in un gruppo ristretto, anziché vederli come impulsi di ritorno sfocati che si sovrappongono al ricevitore.

Problemi e soluzioni per l'abbassamento della potenza di impulso

Sebbene sia possibile aumentare la potenza dell'impulso, questo crea altri problemi, tra cui il fatto che una potenza maggiore aggrava il fenomeno dell'abbassamento di impulso, che è incentrato sul PA (Figura 2).

Figura 2: Questo impulso radar nominalmente rettangolare mostra la sovraelongazione, la larghezza dell'impulso, i tempi di salita/discesa e la caduta. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'abbassamento di impulso è la riduzione indesiderata della larghezza dell'impulso dall'inizio alla fine, tipicamente caratterizzata in decibel (dB). Questa riduzione riduce il raggio d'azione sulla lunghezza dell'impulso, poiché la combinazione di ampiezza e larghezza dell'impulso determina il raggio d'azione del radar come livello di potenza integrato.

L'abbassamento si verifica anche quando si utilizzano PA GaN efficienti a stato solido, come il modernissimo ADPA1106ACGZN di Analog Devices. Questo dispositivo da 46 dBm (40 W), con un'efficienza di potenza aggiunta (PAE) del 56% su una larghezza di banda da 2,7 Ghz a 3,5 GHz, è particolarmente adatto alle esigenze di potenza a impulsi dei sistemi radar in banda S.

Cosa provoca l'abbassamento di impulso?

L'abbassamento è dovuto principalmente a due meccanismi distinti:

1: Le prestazioni del PA sono alterate da una improvvisa corrente impulsiva. Ciò introduce effetti di dissipazione e altri effetti termici che determinano lo spostamento dei parametri critici delle prestazioni del dispositivo. Quando la temperatura del canale del transistor PA GaN aumenta a causa dell'autoriscaldamento Joule (il prodotto della densità di corrente e del campo elettrico), la potenza di uscita dell'amplificatore si riduce. La Figura 3 illustra la relazione tra la temperatura del canale, la corrente di drain e la tensione di drain per un punto di funzionamento di un transistor GaN con una larghezza di impulso di 100 µs.

Figura 3: La relazione tra la temperatura del canale, la corrente di drain e la tensione di drain per un punto di funzionamento di un transistor GaN con una larghezza di impulso di 100 µs. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Sebbene i dispositivi GaN siano relativamente efficienti, una parte dell'energia viene dispersa in calore, quindi per ottenere i migliori risultati è necessaria una gestione termica efficace. A seconda della larghezza dell'impulso, della frequenza di ripetizione dell'impulso (PRF) e del ciclo di lavoro, sarà necessaria una combinazione di uno o più approcci di raffreddamento come ventole, dissipatori, piastre fredde o raffreddamento a liquido.

Con l'aumento del ciclo di lavoro a una larghezza di impulso costante, il tempo che il PA trascorre spento tra gli impulsi diminuisce. Ciò significa che il PA ha meno tempo per raffreddarsi e si trova a una temperatura più elevata sul fronte di salita dell'impulso successivo. Nel caso limite di un ciclo di lavoro del 100% (onda continua (CW)), il PA non ha il tempo di raffreddarsi e la sua temperatura è costantemente al massimo.

Questo porta a un compromesso. Con l'aumento del ciclo di lavoro, la temperatura media del componente aumenta, riducendo la potenza di uscita media e di picco. Tuttavia, l'entità dell'aumento di temperatura durante l'impulso diminuisce, il che significa che l'abbassamento è minore e la larghezza dell'impulso è più costante. Il compromesso diventa quindi un equilibrio tra un minore abbassamento e una maggiore potenza.

2: La seconda considerazione riguarda l'alimentatore. A causa del rapido transitorio della potenza pulsata, l'alimentatore PA deve far fronte alle improvvise richieste di potenza elevata, mantenendo la linea di tensione al valore richiesto. Come per il problema termico, le soluzioni sono note, ma l'implementazione è fondamentale.

Si inizia con l'aggiunta di grandi condensatori di immagazzinaggio di carica (a effetto di massa) lungo la linea di polarizzazione del PA e con la collocazione di condensatori di fuga ceramici o al tantalio nelle vicinanze. Ciò è visibile nella scheda di valutazione ADPA1106-EVALZ (Figura 4, a sinistra), che presenta condensatori di disaccoppiamento vicino all'amplificatore, e nella "scheda pulser" associata, con grandi condensatori di immagazzinaggio di carica che mantengono i livelli di potenza durante ampie larghezze di impulso (Figura 4, a destra).

Figura 4: La parte superiore della scheda di valutazione ADPA1106-EVALZ (a sinistra) mostra il layout unico e il posizionamento ravvicinato dei condensatori di disaccoppiamento; il lato inferiore mostra il diffusore di calore in alluminio (al centro); la scheda pulser associata contiene i condensatori a effetto di massa di grande valore utilizzati per fornire la corrente necessaria durante i transitori di impulso (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La scheda di valutazione è stata progettata per affrontare le sfide uniche dell'ottimizzazione dell'applicazione di ADPA1106. Comprende una scheda a circuiti stampati (scheda CS) a due strati fabbricata con una scheda rivestita in rame Rogers 4350B da 10 mil e montata su un diffusore di calore in alluminio. Il diffusore aiuta a fornire dissipazione termica al dispositivo e il supporto meccanico alla scheda CS. I fori di montaggio sul diffusore consentono di fissarlo a un dissipatore di calore. In alternativa, il diffusore può essere fissato a una piastra calda e fredda.

Sebbene l'utilizzo di condensatori di immagazzinaggio di grande valore non sia l'ideale, in quanto aumentano le dimensioni, il peso e il costo del campo radar, spesso è l'unico approccio possibile. Inoltre, la posizione relativa, l'orientamento e il tipo di condensatori di disaccoppiamento utilizzati vicino all'amplificatore ne influenzano l'efficacia e la fedeltà dell'impulso. Alle frequenze RF dei PA, come ADPA1106, l'impatto della capacità e dell'induttanza parassite deve essere preso in esame e contemplato nel progetto.

Risultati dell'abbassamento in funzione della larghezza dell'impulso e della frequenza di ripetizione

Il PA ADPA1106 è stato testato per le prestazioni di abbassamento in due modi: variando la larghezza dell'impulso a una frequenza di ripetizione costante e variando il ciclo di lavoro mantenendo costante la larghezza dell'impulso. In entrambi i test, l'abbassamento di impulso è stato misurato dal 2% del periodo dell'impulso fino alla fine dello stesso, per eliminare l'effetto della sovraelongazione iniziale.

Il primo test utilizza una larghezza di impulso variabile a una frequenza di ripetizione dell'impulso fissa di 1 ms (Figura 5). Esiste un'elevata correlazione tra l'aumento della larghezza dell'impulso e l'aumento dell'abbassamento di impulso. Alla massima larghezza di impulso testata, l'abbassamento si avvicina a 0,5 dB, che è il valore massimo solitamente accettabile a livello di sistema.

Figura 5: I test con una frequenza fissa di ripetizione dell'impulso di 1 ms mostrano la correlazione tra l'aumento della larghezza dell'impulso e l'aumento dell'abbassamento dell'impulso. (immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Inoltre, a causa degli effetti termici, la potenza di picco e la potenza di uscita media sono leggermente diminuite con l'aumentare della larghezza dell'impulso, mentre la pendenza verso il basso nella coda della larghezza dell'impulso più lunga è leggermente aumentata. Ciò potrebbe indicare che gli effetti di autoriscaldamento stanno iniziando a influenzare la gestione termica del contenitore e del dissipatore sottostante.

Per valutare gli effetti del ciclo di lavoro, il PA ADPA1106 è stato nuovamente testato utilizzando una larghezza di impulso costante di 100 µs e cambiando il ciclo di lavoro (Figura 6). Quando il ciclo di lavoro aumenta verso il 100%, il PA ha meno tempo per raffreddarsi tra un impulso e l'altro e si trova a una temperatura più elevata sul fronte di salita dell'impulso successivo. Di conseguenza, la temperatura media del componente aumenta, la larghezza dell'impulso diminuisce e l'entità dell'aumento di temperatura durante l'impulso diminuisce.

Figura 6: L'utilizzo di una larghezza di impulso costante al variare del ciclo di lavoro mostra che la variazione di grandezza diminuisce all'aumentare del ciclo di lavoro. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo dimostra il compromesso. Mostra l'impatto negativo della riduzione della potenza di picco e media in uscita a causa dell'aumento della temperatura assoluta del componente. Tuttavia, si ha il vantaggio di un minore abbassamento e di una maggiore costanza della potenza di uscita per l'intera larghezza dell'impulso, poiché la variazione di temperatura del PA è minore per tutta la durata dell'impulso.

Conclusione

Il raggiungimento del raggio d'azione massimo dei sistemi radar richiede un approccio a livello di sistema per ridurre al minimo l'abbassamento di impulso. Ciò include una gestione termica efficace e l'aggiunta di condensatori a effetto di massa all'alimentatore. Per dimostrare come bilanciare i compromessi richiesti, questo articolo ha utilizzato dati di test reali utilizzando il PA ad alta efficienza ADPA1106 per valutare l'abbassamento variando due parametri critici dell'impulso e utilizzando un raffreddamento adeguato. I risultati hanno dimostrato che il dispositivo ha fornito un abbassamento molto ridotto, inferiore a 0,3 dB, in un tipico intervallo delle condizioni di impulso.