Como maximizar o alcance em sistemas de radar baseados em amplificadores de potência de GaN

O radar tornou-se indispensável para inúmeras aplicações, incluindo vigilância militar, controle do tráfego aéreo, missões espaciais e segurança automotiva. Entre as situações mais desafiantes para os projetistas está o radar de longo alcance, onde o sinal de retorno é extremamente fraco, o ruído ambiente e do circuito degradam a relação sinal/ruído (SNR) e a "queda do pulso" torna-se um problema.

Embora os amplificadores de potência (PAs) baseados em nitreto de gálio (GaN) ofereçam uma eficiência significativa e outras vantagens em comparação com os dispositivos que utilizam processos mais antigos, os projetistas têm de adotar uma abordagem ao nível do sistema para minimizar a queda dos pulsos e os seus efeitos. Isto garantirá um desempenho superior nos sistemas de radar de longo alcance.

Este artigo faz uma breve revisão do funcionamento do radar e examina o problema da queda do pulso. Em seguida, apresenta um PA GaN de banda S do estado da arte da Analog Devices e uma placa de teste que o acompanha, e sugere táticas para compensar e minimizar a queda do pulso.

Princípios e problemas do radar

O princípio do radar é simples: um sistema transmite um pulso curto de energia RF e um recetor capta o sinal refletido pelo alvo. O intervalo de tempo entre o pulso transmitido e o seu eco determina a distância (alcance) do alvo, uma vez que ambos se propagam à velocidade da luz.

Embora este pulso simples seja suficiente em princípio, é inadequado para o mundo real de vários alvos, especialmente a distâncias de dezenas, centenas e mesmo milhares de quilômetros. Estes sistemas de radar de longo alcance enfrentam dois problemas:

• O sinal de retorno de um alvo distante é muito fraco e a SNR é ruim.
• A distinção entre vários alvos à distância requer a resolução de ecos muito próximos, assumindo que os seus sinais de retorno não foram distorcidos e se sobrepõem.

A intensidade do sinal é muito baixa devido à física inevitável da situação e à regra da 4^ª potência. Isto é demonstrado pela equação clássica do radar que relaciona fatores do desempenho do radar e efeitos práticos:

 Equação 1

Onde:

P_r é a potência prevista de recepção

P_t é a potência de transmissão

G_t é o ganho da antena

G_r é o ganho de recepção

λ é o comprimento de onda de funcionamento do radar

σ é a área efetiva da secção transversal do alvo

R é o alcance da antena até ao alvo.

A equação mostra que a atenuação de ida e volta determina principalmente as perdas de alcance, uma vez que R, elevado à quarta potência, está no denominador.

A forma óbvia de superar as perdas de alcance é aumentar a potência de pico do sinal transmitido e prolongar o pulso para aumentar a sua energia total. No entanto, esta abordagem desfoca o retorno e tem uma sobreposição que faz com que vários objetos apareçam agrupados (Figura 1).

Figura 1: Estes esboços de imagens de radar mostram uma resposta ideal de pulso (esquerda) e uma resposta degradada de pulso e alcance (direita). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Uma maneira mais sofisticada de melhorar o desempenho é dar forma, modular e "comprimir" o pulso de transmissão para melhorar a resolução do alcance e a SNR. A compressão de pulsos permite que o sistema de radar resolva vários alvos num grupo restrito, em vez de os ver como pulsos de retorno desfocados que se sobrepõem no receptor.

Problemas e soluções de potência do pulso na queda

Embora seja possível aumentar a potência do pulso, isto cria outros problemas. Um deles é que uma potência maior agrava o fenômeno de queda do pulso centrado no PA (Figura 2).

Figura 2: Este pulso de radar nominalmente retangular mostra um sobressinal, a largura do pulso, os tempos de subida/descida e a queda. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A queda do pulso é a redução indesejada na amplitude do pulso do início ao fim, tipicamente caracterizada em decibéis (dB). Esta redução diminui o alcance ao longo do comprimento do pulso, uma vez que a combinação da amplitude e da largura do pulso determina o alcance do radar como um nível de potência integrado.

A queda ocorre mesmo quando se utilizam PAs GaN eficientes de estado sólido, como o ADPA1106ACGZN do estado da arte da Analog Devices. Este dispositivo de 46 decibéis referenciado a 1 miliwatt (dBm) (40 watts), com 56% de eficiência de potência adicionada (PAE) numa largura de banda de 2,7 gigahertz (GHz) a 3,5 GHz, é adequado para as demandas de potência do pulso nos sistemas de radar de banda S.

O que causa a queda do pulso?

A queda deve-se principalmente a dois mecanismos distintos:

1: O desempenho do PA é alterado pela corrente súbita do pulso. Isto introduz dissipação e outros efeitos térmicos que resultam na mudança de parâmetros críticos de desempenho do dispositivo. À medida que a temperatura do canal do transistor do PA GaN aumenta devido ao auto-aquecimento de Joule, que é o produto da densidade da corrente e do campo elétrico, a potência de saída do amplificador é reduzida. A Figura 3 ilustra a relação entre a temperatura do canal, a corrente de dreno e a tensão de dreno para um ponto de operação de um transistor de GaN com uma largura de pulso de 100 microssegundos (µs).

Figura 3: É mostrada a relação entre a temperatura do canal, a corrente de dreno e a tensão de dreno para um ponto de operação de um transistor de GaN com uma largura de pulso de 100 µs. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Embora os dispositivos de GaN sejam relativamente eficientes, alguma energia é perdida em calor, então é necessário um gerenciamento térmico eficaz para obter os melhores resultados. Dependendo da largura do pulso, da frequência de repetição de pulsos (PRF) e do ciclo de trabalho, será necessária uma combinação de uma ou mais abordagens de resfriamento, como ventoinhas, dissipadores de calor, placas frias ou resfriamento líquido.

À medida que o ciclo de trabalho aumenta com uma largura de pulso constante, o tempo que o PA passa desligado entre pulsos diminui. Isto significa que o PA tem menos tempo para se refrigerar e fica a uma temperatura mais elevada na borda ascendente do pulso subsequente. No caso limite de um ciclo de trabalho de 100% (onda contínua (CW)), não há tempo para o PA se refrigerar, e a sua temperatura é constante no ponto máximo.

Isto obriga a um compromisso. À medida que o ciclo de trabalho aumenta, a temperatura média da peça aumenta, reduzindo a potência de saída média e de pico. No entanto, a magnitude do aumento da temperatura durante o pulso diminui, o que significa que há menos queda e mais consistência ao longo da largura do pulso. Assim, o compromisso passa a ser um equilíbrio entre menos queda e mais potência.

2: A segunda consideração é a fonte de alimentação. Devido ao rápido transiente da potência pulsada, a fonte de alimentação do PA é desafiada a lidar com as demandas repentinas de alta potência, mantendo a trilha de tensão no valor necessário. Tal como no caso do problema térmico, as soluções são conhecidas, mas a implementação é crítica.

Começa com a inclusão de grandes capacitores de armazenamento de carga (eletrolíticos) ao longo da linha de polarização do PA e a colocação de capacitores de desvio cerâmicos ou de tântalo nas proximidades. Isto é visível na placa de teste do ADPA1106-EVALZ (Figura 4, à esquerda), que tem capacitores de desacoplamento colocados perto do amplificador, e na sua "placa de pulsos" associada, com grandes capacitores de armazenamento de carga que mantêm os níveis de potência durante os pulsos largos (Figura 4, à direita).

Figura 4: A parte superior da placa de teste ADPA1106-EVALZ (à esquerda) mostra o layout exclusivo e o posicionamento apertado dos capacitores de desacoplamento; o lado inferior mostra o espalhador de calor em alumínio (meio); a placa de pulsos associada contém os capacitores de valor elevado, utilizados para fornecer a corrente necessária durante os transientes do pulso (à direita). (Fonte da imagem: Analog Devices)

A placa de teste foi concebida para enfrentar os desafios únicos de otimização da aplicação do ADPA1106. Inclui uma placa de circuito impresso de duas camadas (PCI) fabricada a partir de uma placa revestida de cobre Rogers 4350B de 10 milésimos de polegada, montada num espalhador de calor de alumínio. O espalhador ajuda a fornecer alívio térmico ao dispositivo e suporte mecânico à PCI. Os furos de montagem no espalhador permitem que ele seja fixado um dissipador de calor. Como alternativa, o espalhador pode ser preso a uma placa quente e fria.

Embora o uso de capacitores de armazenamento de valor elevado não seja ideal, pois aumentam o tamanho, o peso e o custo do conjunto de radares, eles geralmente são a única abordagem viável. Além disso, a posição relativa, a orientação e o tipo de capacitores de desacoplamento usados próximos ao amplificador influenciarão sua eficácia e fidelidade do pulso. Nas frequências de RF dos PAs, como o ADPA1106, o impacto da capacitância e indutância parasitas deve ser considerado com cuidado e levado em conta no projeto.

Resultados de queda versus largura do pulso, frequência de repetição

O PA ADPA1106 foi testado quanto ao desempenho na queda de duas formas: variando a largura do pulso com uma frequência constante de repetição do pulso e variando o ciclo de trabalho, mantendo a largura do pulso constante. Em ambos os testes, a queda do pulso foi medida a partir de 2% no período do pulso até o final do pulso para remover o efeito do sobressinal inicial.

O primeiro teste usa uma largura de pulso variável em uma frequência fixa de repetição do pulso de 1 milissegundo (ms) (Figura 5). Existe uma elevada correlação entre o aumento da largura do pulso e o aumento da queda do pulso. Na largura máxima do pulso testado, a queda se aproxima de 0,5 dB, que é o nível máximo de queda que geralmente é aceitável no nível do sistema.

Figura 5: O teste com uma frequência fixa de repetição do pulso de 1 ms mostra a correlação entre o aumento da largura do pulso e o aumento da queda do pulso. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Além disso, devido a efeitos térmicos, o pico e a potência média de saída diminuíram ligeiramente com o aumento da largura do pulso, enquanto a inclinação descendente na extremidade da cauda da largura mais longa do pulso aumentou ligeiramente. Isso pode indicar que os efeitos do autoaquecimento estão começando a afetar o gerenciamento térmico do invólucro e do dissipador de calor abaixo dele.

Para avaliar os efeitos do ciclo de trabalho, o ADPA1106 foi testado novamente usando uma largura de pulso constante de 100 microssegundos (µs), enquanto alterava o ciclo de trabalho (Figura 6). À medida que o ciclo de trabalho aumenta para 100%, o PA tem menos tempo para se refrigerar entre os pulsos e está em uma temperatura mais alta na borda ascendente do pulso subsequente. Como resultado, a temperatura média da peça aumenta, a amplitude do pulso diminui e a magnitude do aumento da temperatura durante o pulso diminui.

Figura 6: Usar uma largura de pulso constante enquanto varia o ciclo de trabalho mostra que a mudança na variação de magnitude diminui à medida que o ciclo de trabalho aumenta. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Isto demonstra o compromisso. Mostra o impacto negativo da redução da potência de saída média e do pico devido à temperatura absoluta mais elevada da peça. No entanto, existe a vantagem de uma menor queda e de uma maior consistência da potência de saída ao longo de toda a largura do pulso, porque a mudança de temperatura do PA é menor ao longo da duração do pulso.

Conclusão

Atingir o alcance máximo em sistemas de radar requer uma abordagem em nível de sistema para minimizar a queda do pulso. Isto inclui um gerenciamento térmico eficaz e a inclusão de capacitores volumosos na fonte de alimentação. Para demonstrar como equilibrar os compromissos necessários, este artigo utilizou dados de teste reais utilizando o PA de alta eficiência ADPA1106 para avaliar a queda, variando dois parâmetros críticos do pulso e utilizando um resfriamento adequado. Os resultados mostraram que o dispositivo proporcionou uma queda muito baixa, inferior a 0,3 dB, numa faixa típica de condições do pulso.