雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師最夢(mèng)寐以求的目標(biāo)是獲得遠(yuǎn)距離、高分辨率探測(cè)能力，以鑒別互相靠近的物體，不僅能夠確定目標(biāo)速度，還可分辨目標(biāo)類型，從而識(shí)別目標(biāo)。

要實(shí)現(xiàn)這些目的在很大程度上取決于下面的基本雷達(dá)方程：

其中：

考慮到功率對(duì)雷達(dá)探測(cè)距離的重要性，工程師可能會(huì)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?yán)走_(dá)算法鑒別多個(gè)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(jì)阻抗點(diǎn)在負(fù)載牽引仿真得到的峰值功率點(diǎn)上；同時(shí)兼顧到其它部分電路設(shè)計(jì)，以獲得基帶信號(hào)的保真度。

圖 1：理想脈沖包絡(luò)（上圖）。真實(shí) RF 脈沖中的失真（下圖）會(huì)影響雷達(dá)性能。

脈沖保真度的重要性

脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射經(jīng)脈沖調(diào)制的射頻載波信號(hào)，遇到目標(biāo)反射后回波由雷達(dá)接收機(jī)接收，再經(jīng)過信號(hào)處理分析及判斷目標(biāo)屬性。

真實(shí)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(shí)間那樣理想化。我們要了解脈沖保真度如何影響雷達(dá)性能，必須首先了解典型的脈沖失真（圖 1）會(huì)妨礙雷達(dá)目標(biāo)的識(shí)別。

各種目標(biāo)以它們獨(dú)特的方式修改或調(diào)制雷達(dá)回波。算法則依賴這些信息得以識(shí)別這些物體，例如區(qū)分商業(yè)飛機(jī)和國(guó)防飛行器。如果放大器發(fā)出失真的包絡(luò)射頻載波信號(hào)，則可靠探測(cè)目標(biāo)速度、位置和屬性的能力會(huì)削弱。

解決脈沖的惡化

為實(shí)現(xiàn)最佳功率，器件參考面的負(fù)載阻抗和源阻抗必須針對(duì)峰值功率點(diǎn)設(shè)計(jì)。在完成射頻頻率下最優(yōu)化的阻抗匹配后，則應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)漏極偏置電路，以避免影響該最優(yōu)匹配。設(shè)計(jì)不良的漏極偏置電路往往會(huì)導(dǎo)致功率放大器脈沖保真度降低。

基本的設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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?fù)載的 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1KHz到1MHz段-設(shè)計(jì)在較低水平，實(shí)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(qiáng)調(diào)了漏極偏置電路的設(shè)計(jì)理念

長(zhǎng)期以來，設(shè)計(jì)界公認(rèn)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(duì)極高功率密度的關(guān)注需要我們仔細(xì)評(píng)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。

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(yuǎn)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。

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

在 RF 中，電容阻抗不能簡(jiǎn)單計(jì)算為 1/j(2pfc)。因?yàn)槊總€(gè)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(biāo)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)損耗的元件。

圖 4 給出了分析 36pF 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 36pF 值在 1.1 GHz 載波頻率下諧振。圖 4 中的兩張圖表都

圖 4：使用高精度 Modelithics 模型的 ATC600F 電容仿真結(jié)果

表征了這個(gè)射頻電容對(duì)地的阻抗特性，顯示隨著頻率的增加而下降，直到諧振點(diǎn)，之后封裝寄生效應(yīng)占主導(dǎo)地位，阻抗隨著頻率上升，等效為電感特性。

第一個(gè)電容的位置也同樣重要。電容必須沿偏置線遠(yuǎn)離漏極移動(dòng)到，使其在工作頻率下及在漏極主匹配網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)阻抗為開路。因?yàn)閷⒃瓉淼亩搪沸D(zhuǎn)到開路的電長(zhǎng)度是四分之一波長(zhǎng)，所以 RF 電容通常放置在該電長(zhǎng)度距離的位置上。

甚至電容的安裝方式也會(huì)引起不同的變化。與電容水平安裝（此時(shí)內(nèi)部極板平行于 RF 傳輸線）相反，電容豎立安裝會(huì)提高諧振頻率（此時(shí)極板垂直于傳輸線）。

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(jì)有助于實(shí)現(xiàn)“更好的脈沖保真度”目標(biāo)。

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(shí)間跌落），可以使用以下公式計(jì)算最小電容 C需求值：

IC=C（dVdt）

PDC=PRFout/rain Efficiency

IC=PDC/VDD

從經(jīng)過驗(yàn)證的參考開始

Wolfspeed 專家使用這種技術(shù)來設(shè)計(jì)優(yōu)化漏極偏置網(wǎng)絡(luò)，保證了在高脈沖保真度下實(shí)現(xiàn)高 RF 功率輸出。例如，Wolfspeed 的 CGHV14800F-AMP4 演示電路提供了一個(gè)經(jīng)過廣泛測(cè)試和驗(yàn)證的起點(diǎn)。該設(shè)計(jì)應(yīng)用 CGHV14800F GaN HEMT 器件于脈沖 L 波段雷達(dá)放大器中，在 1,030 至 1,090 MHz 的航空頻段實(shí)現(xiàn)了 800 W 的輸出功率。

審核編輯：郭婷