Maximierung der Reichweite von Radarsystemen auf der Basis von GaN-Leistungsverstärkern

Radar ist für zahllose Anwendungen unentbehrlich geworden, z. B. für die militärische Überwachung, die Luftverkehrskontrolle, für Weltraummissionen und für die Sicherheit von Kraftfahrzeugen. Zu den größten Herausforderungen bei der Entwicklung gehört das Langstreckenradar, bei dem das Rücksignal extrem schwach ist, Umgebungs- und Schaltungsrauschen das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verschlechtern und „Impulsabschwächung“ ein Problem darstellt.

Leistungsverstärker (PAs) auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) bieten im Vergleich zu Komponenten, die mit älteren Verfahren hergestellt werden, zwar einen erheblichen Wirkungsgrad und andere Vorteile, doch müssen die Entwickler einen Ansatz auf Systemebene wählen, um die Impulsdrift und ihre Auswirkungen zu minimieren. Dadurch wird eine überragende Leistung in Radarsystemen mit großer Reichweite gewährleistet.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Funktionsweise von Radargeräten und untersucht das Problem der Impulsabschwächung. Anschließend werden ein hochmoderner S-Band-GaN-PA von Analog Devices und ein dazugehöriges Evaluierungsboard vorgestellt, und es werden Taktiken zur Kompensation und Minimierung der Impulsdrift vorgeschlagen.

Radarprinzipien und -probleme

Das Prinzip des Radars ist einfach: Ein System sendet einen kurzen Ein- und Ausschaltimpuls von HF-Energie aus, und ein Empfänger nimmt das vom Ziel reflektierte Signal auf. Die Zeitverzögerung zwischen dem Sendeimpuls und seinem Echo bestimmt die Entfernung (Reichweite) zum Ziel, da sich beide mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Dieser einfache Impuls ist zwar prinzipiell ausreichend, aber in der Realität mit mehreren Zielen, vor allem bei Entfernungen von zehn, hunderten oder sogar tausenden von Kilometern, unzureichend. Diese Radarsysteme mit größerer Reichweite haben zwei Probleme:

• Das von einem weit entfernten Ziel zurückkommende Signal ist sehr schwach und das SNR ist schlecht.
• Die Unterscheidung mehrerer Ziele in der Ferne erfordert die Auflösung eng beieinander liegender Echos, vorausgesetzt, ihre Rücksignale sind nicht verzerrt und überlappen sich.

Die Signalstärke ist aufgrund der unvermeidlichen physikalischen Gegebenheiten und der Regel der vierten Potenz sehr gering. Dies zeigt die klassische Radargleichung, die Faktoren der Radarleistung und praktische Auswirkungen in Beziehung setzt:

 Gleichung 1

Dabei gilt:

P_r ist die erwartete Empfangsleistung

P_t ist die Sendeleistung

G_t ist die Antennenverstärkung

G_r ist die Empfangsverstärkung

λ ist die Wellenlänge des Radarimpulses

σ ist die effektive Querschnittsfläche des Ziels

R ist die Entfernung von der Antenne zum Ziel.

Die Gleichung zeigt, dass die Streckendämpfung in erster Linie die Reichweitenverluste bestimmt, da R im Nenner mit der vierten Potenz steht.

Der offensichtliche Weg zur Überwindung von Reichweitenverlusten besteht darin, die Spitzenleistung des übertragenen Signals zu erhöhen und den Impuls zu verlängern, um seine Gesamtenergie zu steigern. Dieser Ansatz führt jedoch zu Unschärfen und zu Überlappungen, sodass mehrere Objekte zusammenhängend erscheinen (Abbildung 1).

Bild 1: Diese Radarbild-Skizzen zeigen eine ideale Impulsantwort (links) und eine verschlechterte Impulsantwort und Reichweite (rechts). (Bildquelle: Analog Devices)

Eine anspruchsvollere Methode zur Verbesserung der Leistung besteht darin, den Sendeimpuls zu formen, zu modulieren und zu „komprimieren“, um die Bereichsauflösung und den SNR zu verbessern. Die Impulskompression ermöglicht es dem Radarsystem, mehrere Ziele in einer engen Gruppierung aufzulösen, anstatt sie als unscharfe Rückimpulse zu sehen, die sich am Empfänger überlappen.

Probleme mit Impulsabschwächung und Lösungen

Eine Erhöhung der Impulsleistung ist zwar möglich, führt aber zu anderen Problemen. Zum einen verschlimmert eine höhere Leistung das PA-zentrierte Phänomen der Impulsabschwächung (Abbildung 2).

Abbildung 2: Dieser nominell rechteckige Radarimpuls zeigt Überschwingen, Impulsbreite, Anstiegs-/Abfallzeiten und Impulsabschwächung (Droop). (Bildquelle: Analog Devices)

Die Impulsabschwächung ist die unerwünschte Verringerung der Impulsamplitude vom Anfang bis zum Ende, die in der Regel in Dezibel (dB) angegeben wird. Diese Reduzierung verringert die Reichweite über die Pulslänge, da die Kombination aus Pulsamplitude und -breite die Reichweite des Radars als integrierter Leistungspegel bestimmt.

Impulsabschwächung tritt selbst bei der Verwendung effizienter Festkörper-GaN-PAs wie dem hochmodernen ADPA1106ACGZN von Analog Devices auf. Dieser, bezogen auf 1 Milliwatt (dBm), 46 Dezibel (40 Watt) starke Baustein mit einer Leistungszusatzeffizienz (PAE) von 56 % über eine Bandbreite von 2,7 Gigahertz (GHz) bis 3,5 GHz eignet sich gut für den Impulsleistungsbedarf von S-Band-Radarsystemen.

Wodurch wird die Impulsabschwächung verursacht?

Das Absinken ist hauptsächlich auf zwei verschiedene Mechanismen zurückzuführen:

1: Die PA-Leistung wird durch den plötzlichen Impulsstrom verändert. Dies führt zu Verlusten und anderen thermischen Effekten, die zu einer Verschiebung kritischer Leistungsparameter des Geräts führen. Da die Temperatur des GaN-PA-Transistorkanals aufgrund der Joule'schen Selbsterhitzung, die sich aus der Stromdichte und dem elektrischen Feld ergibt, ansteigt, verringert sich die Ausgangsleistung des Verstärkers. Abbildung 3 zeigt die Beziehung zwischen der Kanaltemperatur, dem Drainstrom und der Drainspannung für einen Betriebspunkt eines GaN-Transistors mit einer Pulsbreite von 100 Mikrosekunden (µs).

Abbildung 3: Dargestellt ist die Beziehung zwischen der Kanaltemperatur, dem Drainstrom und der Drainspannung für einen Betriebspunkt eines GaN-Transistors mit einer Pulsbreite von 100 µs. (Bildquelle: Analog Devices)

Obwohl GaN-Bauteile relativ effizient sind, geht ein Teil der Leistung in Form von Wärme verloren, so dass ein effektives Wärmemanagement erforderlich ist, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Je nach Impulsbreite, Impulswiederholfrequenz (PRF) und Tastverhältnis ist eine Kombination aus einem oder mehreren Kühlverfahren wie Lüftern, Kühlkörpern, Kühlplatten oder Flüssigkeitskühlung erforderlich.

Wenn das Tastverhältnis bei konstanter Impulsbreite steigt, verringert sich die Zeit, die der PA abgeschaltet zwischen den Impulsen verbringt. Das bedeutet, dass der PA weniger Zeit zum Abkühlen hat und bei der steigenden Flanke des folgenden Impulses eine höhere Temperatur aufweist. Im Grenzfall einer 100%-igen Einschaltdauer (kontinuierliche Welle (CW)) bleibt dem PA keine Zeit zur Abkühlung, und seine Temperatur bleibt konstant auf ihrem Höchstwert.

Dies führt zu einem Kompromiss. Mit zunehmender Einschaltdauer steigt die durchschnittliche Temperatur des Bauteils, wodurch sich die Spitzen- und Durchschnittsleistung verringert. Die Höhe des Temperaturanstiegs während des Impulses nimmt jedoch ab, was bedeutet, dass die Abweichung geringer ist und die Impulsbreite gleichmäßiger verläuft. Der Kompromiss besteht also in einem Gleichgewicht zwischen weniger Impulsabschwächung und mehr Leistung.

2: Die zweite Überlegung betrifft die Stromversorgung. Aufgrund der schnellen Transienten der gepulsten Leistung muss das PA-Netzteil die plötzlichen Anforderungen an die hohe Leistung bewältigen und gleichzeitig die Spannungsschiene auf dem erforderlichen Wert halten. Wie bei dem thermischen Problem sind die Lösungen bekannt, aber die Umsetzung ist entscheidend.

Dies beginnt mit dem Hinzufügen großer Ladungsspeicherkondensatoren (Bulk-Kondensatoren) entlang der PA-Vorspannungsleitung und der Platzierung von Keramik- oder Tantal-Bypass-Kondensatoren in der Nähe. Dies ist auf der Evaluierungsplatine ADPA1106-EVALZ (Abbildung 4, links) zu sehen, die über Entkopplungskondensatoren in der Nähe des Verstärkers verfügt, sowie auf der zugehörigen „Pulser-Platine“ mit großen Ladungsspeicherkondensatoren, die die Leistungspegel bei großen Pulsbreiten aufrechterhalten (Abbildung 4, rechts).

Abbildung 4: Die Oberseite der Evaluierungsplatine ADPA1106-EVALZ (links) zeigt das einzigartige Layout und die enge Positionierung der Entkopplungskondensatoren; die Unterseite zeigt den Aluminium-Kühlkörper (Mitte); die zugehörige Pulser-Platine enthält die hochwertigen Bulk-Kondensatoren, die zur Versorgung mit dem benötigten Strom bei Impulstransienten verwendet werden (rechts). (Bildquelle: Analog Devices)

Das Evaluierungsboard wurde entwickelt, um die einzigartigen Herausforderungen bei der Optimierung der Anwendung des ADPA1106 zu meistern. Es besteht aus einer zweilagigen Leiterplatte, die aus einer kupferkaschierten 10-Millimeter-Platte 4350B von Rogers hergestellt und auf einem Aluminium-Wärmespreizer montiert ist. Der Wärmeverteiler sorgt für eine thermische Entlastung der Komponente sowie für eine mechanische Unterstützung der Leiterplatte. Die Befestigungslöcher am Wärmeverteiler ermöglichen die Befestigung des Verteilers an einem Kühlkörper. Alternativ kann der Verteiler außerdem an eine Heiz- und Kühlplatte geklemmt werden.

Obwohl die Verwendung großvolumiger Speicherkondensatoren nicht ideal ist, da sie die Größe, das Gewicht und die Kosten des Radar-Arrays erhöhen, sind sie oft die einzige praktikable Lösung. Außerdem beeinflussen die relative Position, die Ausrichtung und die Art der Entkopplungskondensatoren in der Nähe des Verstärkers deren Wirksamkeit und Impulstreue. Bei den HF-Frequenzen von PAs, wie dem ADPA1106, müssen die Auswirkungen parasitärer Kapazitäten und Induktivitäten sorgfältig berücksichtigt und in das Design einbezogen werden.

Ergebnisse zur Impulsabschwächung in Abhängigkeit von Impulsbreite und Wiederholfrequenz

Der ADPA1106 PA wurde auf zwei Arten auf seine Impulsabschwächung getestet: durch Variation der Pulsbreite bei konstanter Impulswiederholfrequenz und durch Variation des Tastverhältnisses bei konstanter Impulsbreite. In beiden Tests wurde die Impulsabschwächung von 2 % der Impulsdauer bis zum Ende des Impulses gemessen, um die Auswirkungen des anfänglichen Überschwingens zu beseitigen.

Der erste Test verwendet eine variierende Impulsbreite bei einer festen Impulswiederholfrequenz von 1 Millisekunde (ms) (Abbildung 5). Es besteht eine hohe Korrelation zwischen zunehmender Impulsbreite und zunehmender Impulsabschwächung. Bei der maximalen getesteten Impulsbreite nähert sich die Abschwächung 0,5 dB, was der maximalen Abschwächung entspricht, die normalerweise auf Systemebene akzeptabel ist.

Abbildung 5: Tests mit einer festen Pulswiederholfrequenz von 1 ms zeigen die Korrelation zwischen zunehmender Pulsbreite und zunehmendem Impulsabschwächung (Bildquelle: Analog Devices).

Darüber hinaus nahmen aufgrund thermischer Effekte die Spitzen- und die durchschnittliche Ausgangsleistung mit zunehmender Impulsbreite leicht ab, während die fallende Flanke am Ende der längsten Pulsbreite leicht zunahm. Dies könnte darauf hindeuten, dass Selbsterwärmungseffekte das Wärmemanagement des Gehäuses und des darunter liegenden Kühlkörpers beeinträchtigen.

Um die Auswirkungen des Tastverhältnisses zu bewerten, wurde der ADPA1106 erneut mit einer konstanten Impulsbreite von 100 Mikrosekunden (µs) und unter Änderung des Tastverhältnisses getestet (Abbildung 6). Mit zunehmender Einschaltdauer in Richtung 100 % hat der PA weniger Zeit, sich zwischen den Impulsen abzukühlen, und weist bei der steigenden Flanke des nachfolgenden Impulses eine höhere Temperatur auf. Infolgedessen steigt die Durchschnittstemperatur des Teils, die Impulsamplitude nimmt ab und das Ausmaß des Temperaturanstiegs während des Impulses verringert sich.

Abbildung 6: Die Verwendung einer konstanten Impulsbreite bei gleichzeitiger Variation des Tastverhältnisses zeigt, dass die Änderung der Amplitudenvariation mit zunehmendem Tastverhältnis abnimmt. (Bildquelle: Analog Devices)

Dies verdeutlicht den Kompromiss. Sie zeigt die negativen Auswirkungen der geringeren Spitzen- und Durchschnittsleistung aufgrund der höheren absoluten Temperatur des Bauteils. Dies hat jedoch den Vorteil, dass es eine geringere Impulsabschwächung gibt und die Ausgangsleistung über die gesamte Impulsbreite konstanter ist, da die Temperaturänderung des PA über die Dauer des Impulses geringer ist.

Fazit

Um eine maximale Reichweite in Radarsystemen zu erzielen, muss auf Systemebene ein Ansatz zur Minimierung der Impulsabschwächung verfolgt werden. Dazu gehören ein effektives Wärmemanagement und der Einbau von Großkondensatoren in die Stromversorgung. Um zu demonstrieren, wie man die erforderlichen Kompromisse ausbalancieren kann, wurden in diesem Artikel aktuelle Testdaten des hocheffizienten PA ADPA1106 verwendet, um die Impulsabschwächung zu bewerten, indem zwei kritische Pulsparameter variiert und eine geeignete Kühlung verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass der Baustein über einen typischen Bereich von Impulsbedingungen eine sehr geringe Impulsabschwächung von unter 0,3 dB aufweist.