วิธีขยายระยะสูงสุดในระบบเรดาร์ที่ใช้เครื่องขยายกำลัง GaN

By Bill Schweber

Contributed By DigiKey's North American Editors

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  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)

ภาพสเก็ตช์ภาพเรดาร์รูปที่ 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)

ภาพของพัลส์เรดาร์ที่มีรูปร่างเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสรูปที่ 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)

กราฟแสดงอุณหภูมิช่อง กระแสเดรน และแรงดันเดรนสำหรับจุดทำงานหนึ่งของทรานซิสเตอร์ GaNรูปที่ 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)

รูปภาพของบอร์ดประเมินผล Analog Devices TMC5240-EVALรูปที่ 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

กราฟการทดสอบด้วยความถี่การทำซ้ำพัลส์คงที่ 1msรูปที่ 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

กราฟความกว้างพัลส์คงที่ในขณะที่เปลี่ยนรอบหน้าที่รูปที่ 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

DigiKey logo

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.

About this author

Image of Bill Schweber

Bill Schweber

Bill Schweber เป็นวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ที่เขียนตำราเกี่ยวกับระบบสื่อสารอิเล็กทรอนิกส์สามเล่ม รวมถึงบทความทางเทคนิค คอลัมน์ความคิดเห็น และคุณลักษณะของผลิตภัณฑ์หลายร้อยฉบับ ในบทบาทที่ผ่านมาเขาทำงานเป็นผู้จัดการเว็บไซต์ด้านเทคนิคสำหรับไซต์เฉพาะหัวข้อต่าง ๆ สำหรับ EE Times รวมทั้งบรรณาธิการบริหารและบรรณาธิการอนาล็อกที่ EDN

ที่ Analog Devices, Inc. (ผู้จำหน่าย IC แบบอะนาล็อกและสัญญาณผสมชั้นนำ) Bill ทำงานด้านการสื่อสารการตลาด (ประชาสัมพันธ์) ด้วยเหตุนี้เขาจึงอยู่ในทั้งสองด้านของฟังก์ชั่นประชาสัมพันธ์ด้านเทคนิคนำเสนอผลิตภัณฑ์เรื่องราวและข้อความของบริษัทไปยังสื่อและยังเป็นผู้รับสิ่งเหล่านี้ด้วย

ก่อนตำแหน่ง MarCom ที่ Analog Bill เคยเป็นบรรณาธิการของวารสารทางเทคนิคที่ได้รับการยอมรับและยังทำงานในกลุ่มวิศวกรรมด้านการตลาดผลิตภัณฑ์และแอปพลิเคชันอีกด้วย ก่อนหน้าที่จะมีบทบาทเหล่านั้น Bill อยู่ที่ Instron Corp. ซึ่งทำการออกแบบระบบอนาล็อกและวงจรไฟฟ้าและการรวมระบบสำหรับการควบคุมเครื่องทดสอบวัสดุ

เขาจบทางด้าน MSEE (Univ. of Mass) และ BSEE (Columbia Univ.) เป็นวิศวกรวิชาชีพที่ลงทะเบียนและมีใบอนุญาตวิทยุสมัครเล่นขั้นสูง Bill ยังได้วางแผนเขียนและนำเสนอหลักสูตรออนไลน์ในหัวข้อวิศวกรรมต่าง ๆ รวมถึงพื้นฐานของ MOSFET, การเลือก ADC และการขับไฟ LED

About this publisher

DigiKey's North American Editors