El radar se ha hecho indispensable para innumerables aplicaciones, como la vigilancia militar, el control del tráfico aéreo, las misiones espaciales y la seguridad automovilística. Una de las situaciones más difíciles para los diseñadores es la de los radares de largo alcance, en los que la señal de retorno es extremadamente débil, el ruido ambiental y de circuito degrada la relación señal/ruido (SNR) y la «caída del impulso» se convierte en un problema.
Aunque los amplificadores de potencia (PA) basados en nitruro de galio (GaN) ofrecen una eficiencia significativa y otras ventajas en comparación con los dispositivos que utilizan procesos más antiguos, los diseñadores deben adoptar un enfoque a nivel de sistema para minimizar la caída de impulsos y sus efectos. Esto garantizará un rendimiento superior en los sistemas de radar de largo alcance.
Este artículo repasa brevemente el funcionamiento de los radares y examina el problema de la caída de impulsos. A continuación, se presenta un PA de GaN de banda S de última generación de Analog Devices y una placa de evaluación adjunta y se sugieren tácticas para compensar y minimizar el estatismo del impulso.
Principios y problemas del radar
El principio del radar es sencillo: un sistema transmite un breve impulso de activación/desactivación de energía de radiofrecuencia y un receptor capta la señal reflejada por el objetivo. El tiempo transcurrido entre el impulso transmitido y su eco determina la distancia (alcance) hasta el objetivo, ya que ambos se propagan a la velocidad de la luz.
Aunque este simple impulso es suficiente en principio, es inadecuado para el mundo real de múltiples objetivos, especialmente a distancias de decenas, cientos e incluso miles de kilómetros. Estos sistemas de radar de largo alcance se enfrentan a dos problemas:
La señal de retorno de un objetivo lejano es muy débil y la SNR es pobre.
Distinguir entre varios blancos a distancia requiere resolver ecos muy próximos entre sí, suponiendo que sus señales de retorno no se hayan distorsionado y se solapen.
La intensidad de la señal es muy baja debido a la inevitable física de la situación y a la regla de la 4ª potencia. Así lo demuestra la ecuación clásica del radar que relaciona los factores del rendimiento del radar y los efectos prácticos:
Donde:
Pr es la potencia de recepción esperada
Pt es la potencia de transmisión
Gt es la ganancia de la antena
Gr es la ganancia de recepción
λ es la longitud de onda de funcionamiento del radar
σ es la sección transversal efectiva del objetivo
R es el alcance desde la antena hasta el objetivo.
La ecuación muestra que la atenuación de ida y vuelta determina principalmente las pérdidas de alcance, ya que R, elevado a la cuarta potencia, está en el denominador.
La forma obvia de superar las pérdidas de alcance es aumentar la potencia de pico de la señal transmitida y alargar el impulso para aumentar su energía total. Sin embargo, este enfoque difumina el retorno y presenta solapamientos hasta el punto de que varios objetos aparecen agrupados (Figura 1).
Figura 1. Estos bocetos de imágenes de radar muestran una respuesta de impulso ideal (izquierda) y una respuesta de impulso y alcance degradados (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)
Una forma más sofisticada de mejorar el rendimiento es dar forma, modular y «comprimir» el impulso de transmisión para mejorar la resolución del alcance y la SNR. La compresión de impulsos permite al sistema de radar resolver múltiples objetivos en un grupo cerrado en lugar de verlos como impulsos de retorno borrosos que se solapan en el receptor.
Problemas y soluciones de energía pulsada en caída
Aunque es posible aumentar la energía pulsada, esto crea otros problemas. Una de ellas es que una mayor energía agrava el fenómeno de caída del impulso centrado en el PA (Figura 2).
Figura 2. Este impulso de radar nominalmente rectangular muestra el rebasamiento, el ancho de impulso, los tiempos de subida/caída y la caída (Fuente de la imagen: Analog Devices).
La caída del impulso es la reducción no deseada de la amplitud del pulso desde el principio hasta el final, caracterizada normalmente en decibelios (dB). Esta reducción disminuye el alcance a lo largo de la longitud del impulso, ya que la combinación de la amplitud y el ancho del impulso determina el alcance del radar como un nivel de potencia integrado.
La caída se produce incluso cuando se utilizan PA de GaN de estado sólido eficientes como el ADPA1106ACGZN de Analog Devices. Este dispositivo de 46 decibelios referidos a 1 milivatio (dBm) (40 vatios), con una eficiencia de potencia añadida (PAE) del 56% en un ancho de banda de 2.7 gigahercios (GHz) a 3.5 GHz, es idóneo para las necesidades de potencia de impulso de los sistemas de radar de banda S.
¿Qué causa la caída del impulso?
La caída se debe principalmente a dos mecanismos distintos:
1: El rendimiento del PA se ve alterado por la corriente de impulso repentina. Esto introduce la disipación y otros efectos térmicos que provocan el desplazamiento de los parámetros críticos de rendimiento del dispositivo. A medida que aumenta la temperatura del canal del transistor PA de GaN debido al autocalentamiento en Joule, que es el producto de la densidad de corriente y el campo eléctrico, se reduce la potencia de salida del amplificador. La Figura 3 ilustra la relación entre la temperatura del canal, la corriente de drenaje y la tensión de drenaje para un punto de funcionamiento de un transistor de GaN con un ancho de impulso de 100 microsegundos (µs).
Figura 3. Se muestra la relación entre la temperatura del canal, la corriente de drenaje y la tensión de drenaje para un punto de funcionamiento de un transistor de GaN con un ancho de impulso de 100 µs. (Fuente de la imagen: Analog Devices)
Aunque los dispositivos GaN son relativamente eficientes, parte de la energía se pierde en forma de calor, por lo que se requiere una gestión térmica eficaz para obtener los mejores resultados. Dependiendo del ancho del impulso, la frecuencia de repetición del impulso (PRF) y el ciclo de trabajo, se necesitará una combinación de uno o más métodos de refrigeración, como ventiladores, disipadores, placas frías o refrigeración líquida.
A medida que aumenta el ciclo de trabajo con un ancho de impulso constante, disminuye el tiempo que el PA pasa apagado entre impulsos. Esto significa que el PA tiene menos tiempo para enfriarse y está a una temperatura más alta en el flanco ascendente del impulso siguiente. En el caso límite de un ciclo de trabajo del 100% (onda continua (CW)), no hay tiempo para que el PA se enfríe, y su temperatura es constante en su máximo.
Esto lleva a un compromiso. A medida que aumenta el ciclo de trabajo, aumenta la temperatura media de la pieza, lo que reduce la potencia de salida máxima y media. Sin embargo, la magnitud del aumento de temperatura durante el impulso disminuye, lo que significa que hay menos caída y más consistencia a lo largo del ancho del impulso. Por lo tanto, el compromiso se convierte en un equilibrio entre menos caída y más potencia.
2: La segunda consideración es la fuente de alimentación. Debido a la rápida transitoriedad de la potencia pulsada, la fuente de alimentación del PA se enfrenta al desafío de hacer frente a las demandas repentinas de alta potencia, manteniendo al mismo tiempo el carril de tensión en el valor requerido. Como ocurre con el problema térmico, las soluciones son conocidas, pero la aplicación es fundamental.
Comienza con la incorporación de grandes capacitores de almacenamiento de carga (a granel) a lo largo de la línea de polarización PA y la colocación de capacitores de derivación de cerámica o tantalio cerca. Esto se ve en la placa de evaluación ADPA1106-EVALZ (Figura 4, izquierda) que tiene capacitores de desacoplamiento colocados cerca del amplificador, y su «placa de pulsador» asociada con grandes capacitores de almacenamiento de carga que mantienen los niveles de potencia durante anchos de impulso amplios (Figura 4, derecha).
Figura 4. La parte superior de la tarjeta de evaluación ADPA1106-EVALZ (izquierda) muestra la disposición única y la posición ajustada de los capacitores de desacoplamiento; la parte inferior muestra el separador de cabezal de aluminio (centro); la tarjeta de pulsador asociada contiene los capacitores masivos de alto valor utilizados para suministrar la corriente necesaria durante los transitorios de impulsos (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)
La placa de evaluación está diseñada para abordar los desafíos únicos de la optimización de la aplicación del ADPA1106. Comprende una placa de circuito impreso de dos capas (placa de circuito impreso) fabricada a partir de una placa revestida de cobre Rogers 4350B de 10 milésimas de pulgada montada en un difusor de calor de aluminio. El esparcidor ayuda a proporcionar alivio térmico al dispositivo y soporte mecánico a la placa de circuito impreso. Los orificios de montaje en el esparcidor permiten conectarlo a un disipador térmico. Alternativamente, el disipador se puede sujetar a una placa fría y caliente.
Aunque el uso de capacitores de almacenamiento de gran valor no es lo ideal, ya que aumentan el tamaño, el peso y el coste del conjunto del radar, a menudo son el único enfoque viable. Además, la posición relativa, la orientación y el tipo de capacitores de desacoplamiento utilizados cerca del amplificador influirán en su eficacia y en la fidelidad del impulso. En las frecuencias de RF de los PA, como el ADPA1106, el impacto de la capacitancia e inductancia parásitas debe considerarse cuidadosamente e incluirse en el diseño.
Resultados de caída en función del ancho del impulso y la frecuencia de repetición
El PA ADPA1106 se sometió a pruebas de caída de dos maneras: variando el ancho del impulso con una frecuencia de repetición de impulso constante y variando el ciclo de trabajo manteniendo un ancho de impulso constante. En ambas pruebas, la caída del impulso se midió desde el 2% del período del impulso hasta el final del impulso para eliminar el efecto del sobreimpulso inicial.
La primera prueba utiliza un ancho de impulso variable a una frecuencia de repetición de pulso fija de 1 milisegundo (ms) (Figura 5). Existe una alta correlación entre el aumento del ancho de impulso y el aumento del estatismo. Con el máximo ancho de impulso probada, el estatismo se aproxima a 0.5 dB, que es el nivel máximo de estatismo que suele ser aceptable a nivel de sistema.
Figura 5. Las pruebas con una frecuencia de repetición de impulsos fija de 1 ms muestran la correlación entre el aumento del ancho de impulso y el aumento de la caída de impulsos. (Fuente de la imagen: Analog Devices).
Además, debido a los efectos térmicos, el pico y la potencia media de salida disminuyeron ligeramente al aumentar el ancho del impulso, mientras que la pendiente descendente en la cola del ancho de impulso más larga aumentó ligeramente. Esto puede indicar que los efectos de autocalentamiento están empezando a afectar a la gestión térmica del encapsulado y del disipador situado debajo.
Para evaluar los efectos del ciclo de trabajo, el ADPA1106 se probó de nuevo utilizando un ancho de impulso constante de 100 microsegundos (µs) mientras se cambiaba el ciclo de trabajo (Figura 6). A medida que el ciclo de trabajo aumenta hacia el 100%, el PA tiene menos tiempo para enfriarse entre impulsos y está a una temperatura más alta en el flanco ascendente del impulso siguiente. Como resultado, la temperatura media de la pieza aumenta, la amplitud del impulso disminuye y la magnitud del aumento de temperatura durante el impulso disminuye.
Figura 6. El uso de un ancho de impulso constante mientras se varía el ciclo de trabajo muestra que el cambio en la variación de magnitud disminuye a medida que aumenta el ciclo de trabajo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)
Esto demuestra el compromiso. Muestra el impacto negativo de la reducción de la potencia de salida pico y media debido a la mayor temperatura absoluta de la pieza. Sin embargo, se obtiene la ventaja de un menor estatismo y una mayor consistencia de la potencia de salida a lo largo de todo el ancho del impulso, ya que el cambio de temperatura del PA es menor durante la duración del impulso.
Conclusión
Conseguir el máximo alcance en los sistemas de radar requiere un enfoque a nivel de sistema para minimizar la caída de impulsos. Esto incluye una gestión térmica eficaz y la incorporación de capacitores masivos a la fuente de alimentación. Para demostrar cómo equilibrar las compensaciones necesarias, este artículo utiliza datos de pruebas reales con el PA de alta eficiencia ADPA1106 para evaluar la caída variando dos parámetros de impulso críticos y utilizando una refrigeración adecuada. Los resultados mostraron que el dispositivo ofrecía una caída muy baja, inferior a 0.3 dB, en una gama típica de condiciones de impulso.
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Figura 1. Estos bocetos de imágenes de radar muestran una respuesta de impulso ideal (izquierda) y una respuesta de impulso y alcance degradados (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)
Figura 2. Este impulso de radar nominalmente rectangular muestra el rebasamiento, el ancho de impulso, los tiempos de subida/caída y la caída (Fuente de la imagen: Analog Devices).
Figura 3. Se muestra la relación entre la temperatura del canal, la corriente de drenaje y la tensión de drenaje para un punto de funcionamiento de un transistor de GaN con un ancho de impulso de 100 µs. (Fuente de la imagen: Analog Devices)
Figura 4. La parte superior de la tarjeta de evaluación ADPA1106-EVALZ (izquierda) muestra la disposición única y la posición ajustada de los capacitores de desacoplamiento; la parte inferior muestra el separador de cabezal de aluminio (centro); la tarjeta de pulsador asociada contiene los capacitores masivos de alto valor utilizados para suministrar la corriente necesaria durante los transitorios de impulsos (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)
Figura 5. Las pruebas con una frecuencia de repetición de impulsos fija de 1 ms muestran la correlación entre el aumento del ancho de impulso y el aumento de la caída de impulsos. (Fuente de la imagen: Analog Devices).
Figura 6. El uso de un ancho de impulso constante mientras se varía el ciclo de trabajo muestra que el cambio en la variación de magnitud disminuye a medida que aumenta el ciclo de trabajo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)
