【導讀】雷達系統(tǒng)設計師最夢寐以求的目標是獲得遠距離、高分辨率探測能力，以鑒別互相靠近的物體，不僅能夠確定目標速度，還可分辨目標類型，從而識別目標。
要實現(xiàn)這些目的在很大程度上取決于下面的基本雷達方程：
其中：
Rmax = 最大探測距離
Pt = 發(fā)射功率
Pmin = 最小檢測功率（由接收器）
λ = 發(fā)射波長
σ = 目標雷達散射截面（面積）
G = 天線增益
f0 = 頻率
考慮到功率對雷達探測距離的重要性，工程師可能會完全專注于在尺寸限制內(nèi)盡可能多地提升功率 — 通過使用 Wolfspeed 最新的 GaN 技術獲取最高的功率密度。另一方面是依賴雷達算法鑒別多個物體，或者犧牲功率以換取“干凈”的脈沖。
這兩種方法的結合是必不可少的，工程師可以設計阻抗點在負載牽引仿真得到的峰值功率點上；同時兼顧到其它部分電路設計，以獲得基帶信號的保真度。
圖1：理想脈沖包絡（上圖）。真實 RF 脈沖中的失真
（下圖）會影響雷達性能
#1 脈沖保真度的重要性
脈沖雷達發(fā)射機發(fā)射經(jīng)脈沖調(diào)制的射頻載波信號，遇到目標反射后回波由雷達接收機接收，再經(jīng)過信號處理分析及判斷目標屬性。
真實的脈沖通常不是像教科書上說的那樣，在無噪音的背景下具有平坦的頂部和零起落時間那樣理想化。我們要了解脈沖保真度如何影響雷達性能，必須首先了解典型的脈沖失真（圖 1）會妨礙雷達目標的識別。
各種目標以它們獨特的方式修改或調(diào)制雷達回波。算法則依賴這些信息得以識別這些物體，例如區(qū)分商業(yè)飛機和國防飛行器。如果放大器發(fā)出失真的包絡射頻載波信號，則可靠探測目標速度、位置和屬性的能力會削弱。
#2 解決脈沖的惡化
為實現(xiàn)最佳功率，器件參考面的負載阻抗和源阻抗必須針對峰值功率點設計。在完成射頻頻率下最優(yōu)化的阻抗匹配后，則應仔細設計漏極偏置電路，以避免影響該最優(yōu)匹配。設計不良的漏極偏置電路往往會導致功率放大器脈沖保真度降低。
基本的設計理念是必須讓偏置網(wǎng)絡盡可能接近理想狀態(tài)。如圖 2 所示，實現(xiàn)方法如下：
● 避免偏置電路上的電壓降，以便在漏極處獲得最大電源電壓。因此，偏置電路上的直流阻抗需要設計趨近于零。
● 確保偏置電路接入到主匹配電路的射頻阻抗為無限大（開路），使得傳輸?shù)截撦d的射頻功率最大化。
● 通過將偏置電路阻抗在調(diào)制頻率 - 通常從 1 kHz 到 1 MHz 段 - 設計在較低水平，實現(xiàn)較為理想及不失真的調(diào)制波形。（從而能夠）限制該調(diào)制頻率下電壓分量的產(chǎn)生，以阻止電流和功率過沖和振鈴現(xiàn)象。
● 在脈沖“開啟”期間，由于器件漏極電流需求較大，電源電壓經(jīng)過偏置電路易引起電壓跌落。避免此問題有助于 射頻輸出功率最大化。
圖 2：微波 PA 的部分 AWR 原理圖，強調(diào)了漏極偏置電路的設計理念
長期以來，設計界公認的做法是沿偏置線添加大電解電容，及添加容值相差 10 倍左右的較小電容。然而，目前對極高功率密度的關注需要我們仔細評估必要的電解電容和去耦電容值，以及確定 RF 電容的最佳位置和旁路電容之間間距。
圖 3：RF PA 的典型漏極偏置網(wǎng)絡，顯示了可能影響性能的各種元件
#3 選擇 RF 電容值和位置
參看圖 3 中的典型漏極偏置網(wǎng)絡。在遠離漏極的方向上，射頻電容 C5 的電容容值最小，但是其位置是最重要的。
在 RF 中，電容阻抗不能簡單計算為 1/j(2πfc)。因為每個器件都有與其封裝相關的寄生參數(shù)，例如，電容的等效電路不僅包括其串聯(lián)標稱值，還包括取決于器件制造特性的寄生 R、L 和 C 部分參數(shù)。由于寄生電抗隨頻率而變化，因此須避免選擇會導致信號損耗的元件。
圖 4 給出了分析 36 pF ATC600F 電容等效電路模型隨頻率變化的仿真結果。為了確保偏置電路在 RF 下看等效為開路，電容必須在載波頻率下諧振。此特定封裝中的 36 pF 值在 1.1 GHz 載波頻率下諧振。圖 4 中的兩張圖表都表征了這個射頻電容對地的阻抗特性，顯示隨著頻率的增加而下降，直到諧振點，之后封裝寄生效應占主導地位，阻抗隨著頻率上升，等效為電感特性。
圖 4：使用高精度 Modelithics 模型的 ATC600F 電容仿真結果
第一個電容的位置也同樣重要。電容必須沿偏置線遠離漏極移動到，使其在工作頻率下及在漏極主匹配網(wǎng)絡接入點阻抗為開路。因為將原來的短路旋轉到開路的電長度是四分之一波長，所以 RF 電容通常放置在該電長度距離的位置上。
甚至電容的安裝方式也會引起不同的變化。與電容水平安裝（此時內(nèi)部極板平行于 RF 傳輸線）相反，電容豎立安裝會提高諧振頻率（此時極板垂直于傳輸線）。
#4 電容的智能組合
沿偏置線智能組合放置電容可以平滑頻率響應中尖銳的諧振，從而使偏置網(wǎng)絡在調(diào)制頻率下保持較低而平坦的阻抗特性。
這樣的設計有助于實現(xiàn)“更好的脈沖保真度”目標。
#5 電解電容的大小取值
電路系統(tǒng)追求的尺寸、重量和功率特性取決于如何限制漏極大電解電容的慣常使用。給定所需的最大 IC 和最大允許的 dV/dt（單位時間跌落），可以使用以下公式計算最小電容 C 需求值：
#6 從經(jīng)過驗證的參考開始
圖 5：使用此處討論的技術，CGHV14800F-AMP4 實現(xiàn)了雷達脈沖保真度的優(yōu)化
Wolfspeed 專家使用這種技術來設計優(yōu)化漏極偏置網(wǎng)絡，保證了在高脈沖保真度下實現(xiàn)高 RF 功率輸出。例如，Wolfspeed 的 CGHV14800F-AMP4 演示電路提供了一個經(jīng)過廣泛測試和驗證的起點。該設計應用 CGHV14800F GaN HEMT 器件于脈沖 L 波段雷達放大器中，在 1,030 至 1,090 MHz 的航空頻段實現(xiàn)了 800 W 的輸出功率。
要了解更多信息，請閱讀 GaN HEMT 脈沖電路，然后參加提高 RF 功率放大器中脈沖保真度建議線上研討會，深入了解 Wolfspeed 工程師如何確定電容值和位置，如何使用高度精確的器件模型進行廣泛的模擬以減少測試時間，以及指導如何調(diào)試電路獲取最佳性能參數(shù)。
英文原稿，敬請訪問：
https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/improving-pulse-fidelity-in-rf-power-amplifiers/
來源：Wolfspeed
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