วิธีขยายระยะสูงสุดในระบบเรดาร์ที่ใช้เครื่องขยายกำลัง GaN
Contributed By DigiKey's North American Editors
2025-02-11
เรดาร์ได้กลายเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับการใช้งานต่างๆ มากมาย รวมถึงการเฝ้าระวังทางทหาร การควบคุมการจราจรทางอากาศ ภารกิจในอวกาศ และความปลอดภัยของรถยนต์ สถานการณ์ที่ท้าทายที่สุดสำหรับนักออกแบบคือเรดาร์ระยะไกล ซึ่งสัญญาณตอบกลับจะอ่อนมาก สัญญาณรบกวนรอบข้างและวงจรจะทำให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ลดลง และ “พัลส์ตก” ก็จะกลายเป็นปัญหา
แม้ว่าเครื่องขยายกำลังไฟฟ้า (PA) ที่ใช้แกเลียมไนไตรด์ (GaN) จะมีประสิทธิภาพและข้อดีอื่นๆ ที่สำคัญเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้กระบวนการรุ่นเก่า แต่ผู้ออกแบบจำเป็นต้องใช้วิธีการระดับระบบเพื่อลดอาการพัลส์หย่อนและผลกระทบของมันให้น้อยที่สุด ซึ่งจะทำให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในระบบเรดาร์ระยะไกล
บทความนี้จะกล่าวถึงการทำงานของเรดาร์โดยย่อและตรวจสอบปัญหาพัลส์ดร็อป จากนั้นจะแนะนำ S-band GaN PA ที่ทันสมัยจาก Analog Devices และบอร์ดประเมินผลที่มาพร้อมกัน และแนะนำกลยุทธ์ในการชดเชยและลดการหย่อนของพัลส์ให้เหลือน้อยที่สุด
หลักการทำงานของเรดาร์และประเด็นที่เกี่ยวข้อง
หลักการของเรดาร์นั้นตรงไปตรงมา: ระบบจะส่งพัลส์พลังงาน RF เปิด/ปิดสั้นๆ และเครื่องรับจะรับสัญญาณที่สะท้อนจากเป้าหมาย ความล่าช้าของเวลาที่เกิดขึ้นระหว่างพัลส์ที่ส่งกับเสียงสะท้อนจะกำหนดระยะทาง (ระยะ) ไปยังเป้าหมาย เนื่องจากทั้งสองพัลส์จะแพร่กระจายด้วยความเร็วแสง
แม้ว่าพัลส์ง่ายๆ นี้จะเพียงพอโดยหลักการแล้ว แต่ก็ยังไม่เพียงพอสำหรับโลกแห่งความเป็นจริงที่มีเป้าหมายหลายเป้าหมาย โดยเฉพาะในระยะทางหลายสิบ หลายร้อย หรือแม้แต่หลายพันไมล์ เรดาร์ระยะไกลเหล่านี้ต้องเผชิญกับสองประเด็นหลัก:
- สัญญาณตอบกลับจากเป้าหมายไกลนั้นอ่อนมาก และ SNR ไม่ดี
- การแยกแยะระหว่างเป้าหมายหลายเป้าหมายในระยะไกลต้องแก้ไขเสียงสะท้อนที่อยู่ใกล้กัน โดยถือว่าสัญญาณตอบกลับจะไม่ถูกบิดเบือนหรือทับซ้อนกัน
ความแรงของสัญญาณต่ำมากเนื่องจากหลักฟิสิกส์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของสถานการณ์และกฎกำลัง4 สิ่งนี้แสดงให้เห็นโดยสมการเรดาร์แบบคลาสสิกที่เกี่ยวข้องกับปัจจัยของประสิทธิภาพเรดาร์และผลในทางปฏิบัติ:
สมการที่ 1
เมื่อ:
Pr คือกำลังรับที่คาดหวัง
Pt คือกำลังส่ง
Gt คือค่าเกนของเสาอากาศ
Gr คือค่ารับที่ได้รับ
λ คือความยาวคลื่นของการทำงานของเรดาร์
σ คือพื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิภาพของเป้าหมาย
R คือระยะตั้งแต่เสาอากาศถึงเป้าหมาย
สมการแสดงให้เห็นว่าการลดทอนแบบไปกลับนั้นกำหนดการสูญเสียช่วงเป็นหลัก โดยที่ R ยกกำลังสี่จะอยู่ในตัวส่วน
วิธีที่ชัดเจนในการเอาชนะการสูญเสียช่วงสัญญาณคือการเพิ่มพลังสูงสุดของสัญญาณที่ส่งและขยายพัลส์เพื่อเพิ่มพลังงานโดยรวม อย่างไรก็ตาม แนวทางนี้ทำให้ผลตอบแทนไม่ชัดเจนและทับซ้อนกันจนทำให้มีวัตถุหลายชิ้นปรากฏรวมกันเป็นก้อน (รูปที่ 1)
รูปที่ 1: ภาพร่างเรดาร์เหล่านี้แสดงให้เห็นการตอบสนองของพัลส์ในอุดมคติ (ซ้าย) และการตอบสนองและช่วงของพัลส์ที่ลดลง (ขวา) (ที่มาของภาพ: Analog Devices)
วิธีที่ซับซ้อนขึ้นในการปรับปรุงประสิทธิภาพคือการกำหนดรูปแบบ มอดูเลตและ "บีบอัด (compress)" พัลส์ส่งสัญญาณ เพื่อเพิ่มความละเอียดของระยะทางและอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) การบีบอัดพัลส์ช่วยให้ระบบเรดาร์สามารถตรวจจับเป้าหมายหลายเป้าหมายในกลุ่มที่แน่นหนา แทนที่จะมองเป้าหมายเหล่านั้นเป็นพัลส์สะท้อนกลับแบบเบลอที่ทับซ้อนกันที่ตัวรับ
ปัญหาและแนวทางแก้ไขพลังงานพัลส์หย่อน
แม้ว่าจะสามารถเพิ่มพลังงานพัลส์ได้ แต่ก็ก่อให้เกิดปัญหาอื่นๆ ตามมา ประการหนึ่งคือพลังงานที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดปรากฏการณ์การลดลงของคลื่นพัลส์ที่เน้น PA มากขึ้น (รูปที่ 2)
รูปที่ 2: พัลส์เรดาร์ที่มีลักษณะเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้านี้แสดงการเกิน ความกว้างของพัลส์ เวลาขึ้น/ลง และการตก (ที่มาของภาพ: Analog Devices)
อาการพัลส์ตกคืออาการที่แอมพลิจูดของพัลส์ลดลงโดยไม่พึงประสงค์ตั้งแต่ต้นจนจบ โดยทั่วไปจะแสดงเป็นเดซิเบล (dB) การลดลงนี้จะลดระยะตามความยาวพัลส์ เนื่องจากการรวมกันของแอมพลิจูดและความกว้างของพัลส์จะกำหนดระยะของเรดาร์เป็นระดับพลังงานที่รวมกัน
การเอียงอาจเกิดขึ้นได้แม้จะใช้ GaN PA แบบโซลิดสเตตที่มีประสิทธิภาพ เช่น ADPA1106ACGZN อันทันสมัยจาก Analog Devices อุปกรณ์นี้ซึ่งอ้างอิงถึง 1 มิลลิวัตต์ (dBm) (40 วัตต์) ที่มีเดซิเบล 46 เดซิเบล โดยมีประสิทธิภาพเพิ่มกำลังไฟฟ้า (PAE) ร้อยละ 56 บนแบนด์วิดท์ 2.7 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) ถึง 3.5 GHz เหมาะอย่างยิ่งกับความต้องการกำลังพัลส์ของระบบเรดาร์แบนด์ S
อะไรเป็นสาเหตุของการลดลงของพัลส์?
การลดลงของพัลส์ (Droop) เกิดขึ้นหลัก ๆ จากสองกลไกที่แตกต่างกัน:
1: ประสิทธิภาพของ PA เปลี่ยนแปลงไปด้วยกระแสพัลส์ฉับพลัน ซึ่งจะทำให้เกิดการกระจายความร้อนและผลกระทบจากความร้อนอื่นๆ ที่ส่งผลให้พารามิเตอร์ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่สำคัญเปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากอุณหภูมิช่องทรานซิสเตอร์ GaN PA เพิ่มขึ้นเนื่องจากความร้อนแบบจูลซึ่งเป็นผลจากความหนาแน่นกระแสและสนามไฟฟ้า กำลังเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงจึงลดลง รูปที่ 3 แสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิช่องสัญญาณ กระแสเดรน และแรงดันเดรนสำหรับจุดทำงานหนึ่งจุดของทรานซิสเตอร์ GaN ที่มีความกว้างพัลส์ 100 ไมโครวินาที (µs)
รูปที่ 3: แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิช่องสัญญาณ กระแสเดรน และแรงดันเดรนสำหรับจุดทำงานหนึ่งของทรานซิสเตอร์ GaN ที่มีความกว้างพัลส์ 100µs (ที่มาของภาพ: Analog Devices)
แม้ว่าอุปกรณ์ GaN จะมีประสิทธิภาพค่อนข้างดี แต่ก็สูญเสียพลังงานบางส่วนไปกับความร้อน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด ขึ้นอยู่กับความกว้างของพัลส์ ความถี่การทำซ้ำของพัลส์ (PRF) และรอบหน้าที่ จำเป็นต้องใช้การผสมผสานวิธีการระบายความร้อนอย่างน้อยหนึ่งวิธี เช่น พัดลม แผ่นระบายความร้อน แผ่นเย็น หรือการระบายความร้อนด้วยของเหลว
ในขณะที่รอบหน้าที่เพิ่มขึ้นที่ความกว้างพัลส์คงที่ เวลาที่ PA ใช้ระหว่างพัลส์จะลดลง ซึ่งหมายความว่า PA มีเวลาในการทำความเย็นน้อยลงและมีอุณหภูมิสูงขึ้นที่ขอบขาขึ้นของพัลส์ถัดไป ในกรณีที่จำกัดของรอบหน้าที่ 100% (คลื่นต่อเนื่อง (CW)) จะไม่มีเวลาให้ PA เย็นลง และอุณหภูมิจะคงที่ที่จุดสูงสุด
สิ่งนี้ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนกัน เมื่อรอบหน้าที่เพิ่มขึ้น อุณหภูมิเฉลี่ยของชิ้นส่วนก็จะเพิ่มขึ้น ทำให้กำลังเอาต์พุตสูงสุดและเฉลี่ยลดลง อย่างไรก็ตาม ความรุนแรงของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในระหว่างพัลส์จะลดลง ซึ่งหมายความว่ามีการลดลงน้อยลงและมีความสม่ำเสมอมากขึ้นในความกว้างของพัลส์ ดังนั้น การแลกเปลี่ยนจึงกลายเป็นความสมดุลระหว่างการหย่อนน้อยลงและพลังที่มากขึ้น
2: ข้อควรพิจารณาประการที่สองคือแหล่งจ่ายไฟ เนื่องจากพลังงานพัลส์มีสภาวะชั่วขณะที่รวดเร็ว ทำให้แหล่งจ่ายไฟ PA มีความท้าทายในการรับมือกับความต้องการพลังงานสูงอย่างฉับพลัน ในขณะที่ต้องรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าที่ค่าที่ต้องการ สำหรับปัญหาด้านความร้อนนั้น มีวิธีแก้ไขที่ทราบกันดีอยู่แล้ว แต่การนำไปปฏิบัติถือเป็นสิ่งสำคัญ
เริ่มต้นด้วยการเพิ่มตัวเก็บประจุแบบกักเก็บประจุขนาดใหญ่ (จำนวนมาก) ตามแนวไบอัส PA และวางตัวเก็บประจุบายพาสแบบเซรามิกหรือแทนทาลัมไว้ใกล้ ๆ สิ่งนี้เห็นได้ในบอร์ดประเมินผล ADPA1106-EVALZ (รูปที่ 4 ซ้าย) ซึ่งมีตัวเก็บประจุแบบแยกตัวที่วางอยู่ใกล้กับเครื่องขยายเสียง และ "บอร์ดพัลเซอร์" ที่เกี่ยวข้องพร้อมตัวเก็บประจุแบบเก็บประจุขนาดใหญ่ที่รักษาระดับพลังงานระหว่างความกว้างของพัลส์ที่กว้าง (รูปที่ 4 ขวา)
รูปที่ 4: ด้านบนของบอร์ดประเมินผล ADPA1106-EVALZ (ซ้าย) แสดงเค้าโครงที่เป็นเอกลักษณ์และตำแหน่งที่แน่นหนาของตัวเก็บประจุแยกสัญญาณ ด้านล่างแสดงตัวกระจายความร้อนแบบอะลูมิเนียม (ตรงกลาง) บอร์ดพัลเซอร์ที่เกี่ยวข้องจะบรรจุตัวเก็บประจุจำนวนมากที่มีค่าสูงซึ่งใช้ในการจ่ายกระแสไฟฟ้าที่จำเป็นระหว่างช่วงพัลส์ชั่วขณะ (ขวา) (ที่มาของภาพ: Analog Devices)
บอร์ดประเมินผลได้รับการออกแบบมาเพื่อแก้ไขปัญหาเฉพาะตัวของการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งาน ADPA1106 ประกอบด้วยแผงวงจรพิมพ์สองชั้น (แผงวงจรพีซี) ที่ผลิตจากแผงวงจรทองแดงหุ้ม Rogers 4350B ขนาด 10 mil ติดตั้งบนตัวกระจายความร้อนอลูมิเนียม ตัวกระจายช่วยระบายความร้อนให้กับอุปกรณ์และการรองรับเชิงกลให้กับแผงวงจรหลัก รูยึดบนตัวกระจายช่วยให้สามารถติดกับแผงระบายความร้อนได้ นอกจากนี้ ยังสามารถยึดตัวกระจายไว้กับแผ่นร้อนและเย็นได้
แม้ว่าการใช้ตัวเก็บประจุที่มีมูลค่าสูงนั้นอาจไม่เหมาะสม เนื่องจากจะเพิ่มขนาด น้ำหนัก และต้นทุนของอาร์เรย์เรดาร์ แต่โดยทั่วไปแล้ว มักเป็นวิธีเดียวที่มีความเป็นไปได้ นอกจากนี้ ตำแหน่งสัมพันธ์ ทิศทาง และประเภทของตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนที่ใช้ใกล้กับเครื่องขยายเสียงจะมีผลต่อประสิทธิภาพและความเที่ยงตรงของพัลส์ด้วย ที่ความถี่ RF ของ PA เช่น ADPA1106 ผลกระทบของความจุปรสิตและความเหนี่ยวนำจะต้องได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบและนำมาพิจารณาในการออกแบบ
ผลลัพธ์ของการหย่อนคล้อยเทียบกับความกว้างของพัลส์ ความถี่ของการทำซ้ำ
ADPA1106 PA ได้รับการทดสอบประสิทธิภาพการลดลงสองวิธี: โดยการเปลี่ยนความกว้างของพัลส์ภายใต้ความถี่การทำซ้ำของพัลส์คงที่ และการเปลี่ยนรอบหน้าที่ในขณะที่ยังคงความกว้างของพัลส์คงที่ ในการทดสอบทั้งสองครั้ง จะมีการวัดการลดลงของพัลส์ตั้งแต่ 2% เข้าสู่ช่วงพัลส์จนถึงจุดสิ้นสุดของพัลส์ เพื่อขจัดผลของการเกินในช่วงเริ่มต้น
การทดสอบครั้งแรกใช้ความกว้างพัลส์ที่แตกต่างกันที่ความถี่การทำซ้ำของพัลส์คงที่ 1 มิลลิวินาที (ms) (รูปที่ 5) มีความสัมพันธ์สูงระหว่างความกว้างของพัลส์ที่เพิ่มขึ้นและการลดลงของพัลส์ที่เพิ่มขึ้น ที่ความกว้างพัลส์สูงสุดที่ทดสอบ ความหย่อนจะเข้าใกล้ 0.5dB, ซึ่งเป็นระดับความหย่อนสูงสุดที่ปกติจะยอมรับได้ในระดับระบบ
รูปที่ 5: การทดสอบด้วยความถี่การทำซ้ำของพัลส์คงที่ 1 มิลลิวินาที แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างของพัลส์ที่เพิ่มขึ้นและการลดลงของพัลส์ที่เพิ่มขึ้น (ที่มาของภาพ: Analog Devices)
นอกจากนี้ เนื่องจากผลกระทบทางความร้อน กำลังขาออกสูงสุดและค่าเฉลี่ยลดลงเล็กน้อยเมื่อความกว้างของพัลส์เพิ่มขึ้น ขณะเดียวกัน ความลาดลงที่ปลายพัลส์ที่ยาวที่สุดเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ซึ่งอาจบ่งบอกว่าเอฟเฟกต์ความร้อนอัตโนมัติกำลังเริ่มส่งผลต่อการจัดการความร้อนของแพ็คเกจและฮีทซิงค์ด้านล่าง
เพื่อประเมินผลกระทบของรอบหน้าที่ ADPA1106 ได้รับการทดสอบอีกครั้งโดยใช้ความกว้างพัลส์คงที่ 100 ไมโครวินาที (µs) ในขณะเปลี่ยนรอบหน้าที่ (รูปที่ 6) เมื่อรอบหน้าที่เพิ่มขึ้นใกล้ถึง 100% PA จะมีเวลาน้อยลงในการระบายความร้อนระหว่างพัลส์ และมีอุณหภูมิที่สูงกว่าที่ขอบขาขึ้นของพัลส์ถัดไป ส่งผลให้อุณหภูมิเฉลี่ยของชิ้นส่วนเพิ่มขึ้น แอมพลิจูดของพัลส์ลดลง และความรุนแรงของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในระหว่างพัลส์ลดลง
รูปที่ 6: การใช้ความกว้างพัลส์คงที่ขณะเปลี่ยนรอบหน้าที่ แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของความแปรผันของขนาดจะลดลงเมื่อรอบหน้าที่เพิ่มขึ้น (ที่มาของภาพ: Analog Devices)
สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงการแลกเปลี่ยนข้อดีข้อเสีย แสดงให้เห็นผลกระทบเชิงลบของพลังงานเอาต์พุตสูงสุดและเฉลี่ยที่ลดลงเนื่องจากอุณหภูมิสัมบูรณ์ของชิ้นส่วนที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม ข้อดีของการหย่อนคล้อยน้อยลงและพลังงานเอาต์พุตมีความสม่ำเสมอมากขึ้นตลอดความกว้างของพัลส์ทั้งหมดคือ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของ PA น้อยลงตลอดระยะเวลาของพัลส์
บทสรุป
การบรรลุระยะสูงสุดในระบบเรดาร์ต้องอาศัยวิธีการระดับระบบเพื่อลดอาการพัลส์ตกให้น้อยที่สุด ซึ่งรวมถึงการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพและการเพิ่มตัวเก็บประจุจำนวนมากให้กับแหล่งจ่ายไฟ เพื่อสาธิตวิธีการสร้างสมดุลระหว่างการแลกเปลี่ยนที่จำเป็น บทความนี้ได้ใช้ข้อมูลการทดสอบจริงโดยใช้ PA ประสิทธิภาพสูง ADPA1106 เพื่อประเมินการหย่อนคล้อยโดยการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์พัลส์ที่สำคัญสองตัวและใช้การระบายความร้อนที่เหมาะสม ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ส่งสัญญาณมีความหย่อนคล้อยต่ำมากที่ 0.3dB ในช่วงสภาวะพัลส์ทั่วไป

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.