【導讀】雷達系統(tǒng)設(shè)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(shù)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(jié)合是必不可少的，工程師可以設(shè)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(shè)計，以獲得基帶信號的保真度。
圖1：理想脈沖包絡(luò)（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(luò)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(shè)計。在完成射頻頻率下最優(yōu)化的阻抗匹配后，則應(yīng)仔細設(shè)計漏極偏置電路，以避免影響該最優(yōu)匹配。設(shè)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(shè)計理念是必須讓偏置網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)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(shè)計理念
長期以來，設(shè)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(guān)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(luò)，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(luò)。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(guān)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(jié)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(yīng)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(jié)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(luò)接入點阻抗為開路。因為將原來的短路旋轉(zhuǎn)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(yīng)中尖銳的諧振，從而使偏置網(wǎng)絡(luò)在調(diào)制頻率下保持較低而平坦的阻抗特性。
這樣的設(shè)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(shù)，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(shù)來設(shè)計優(yōu)化漏極偏置網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計應(yīng)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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