כיצד למקסם טווח במערכות מכ"ם על בסיס מגברי הספק GaN

מכ"ם הפך חיוני עבור אינספור יישומים, כולל מעקב צבאי, בקרת תעבורה אווירית, משימות חלל ובטיחות רכב. בין המצבים המאתגרים ביותר עבור המתכננים הוא מכ"ם ארוך-טווח, שבו האות החוזר חלש ביותר, רעש הסביבה ורעש המעגל פוגעים ביחס האות לרעש (SNR), ו"צניחת פולס" הופכת לבעיה.

בעוד שמגברי הספק (PAs) המבוססים על גאליום ניטריד (GaN) מציעים נצילות משמעותית ויתרונות אחרים בהשוואה להתקנים המשתמשים בתהליכים ישנים יותר, המתכננים צריכים לנקוט בגישה ברמת המערכת כדי למזער את צניחת הפולס והשפעותיו. זה יבטיח ביצועים מעולים במערכות מכ"ם ארוכות-טווח.

מאמר זה סוקר בקצרה את פעולת המכ"ם ובוחן את בעיית צניחת-הפולס. לאחר מכן הוא מציג מגבר הספק (PA‏) GaN‏ מתקדם של Analog Devices‏ ולוח הערכה נלווה, ומציע טקטיקות לפיצוי ולמזעור צניחת הפולס.

עקרונות וסוגיות מכ"ם

העיקרון של מכ"ם הוא פשוט: מערכת משדרת פולס קצר של אנרגיית RF, ומקלט קולט את האות המוחזר מהמטרה. הפרש הזמן בין הפולס המשודר להד שלו קובע את המרחק (הטווח) למטרה, שכן שניהם מתפשטים במהירות האור.

בעוד שפולס פשוט זה מספיק באופן עקרוני, הוא אינו מתאים לעולם האמיתי של מטרות מרובות, במיוחד במרחקים של עשרות, מאות ואפילו אלפי קילומטרים. מערכות מכ"ם לטווח ארוך יותר מתמודדות עם שתי בעיות:

• אות ההחזרה ממטרה רחוקה הוא חלש מאוד, וה-SNR גרוע.
• הבחנה בין מטרות מרובות במרחק מצריך פתרון הבחנה בין הדים במרווחים קרובים, בהנחה שאותות ההחזרה מהם אינם מעוותים וחופפים.

עוצמת האות המוחזר היא נמוכה ביותר בגלל הפיזיקה הבלתי נמנעת של המצב וכלל החזקה-הרביעית (Power‏-^th‏4‏). זה מוצג על ידי משוואת המכ"ם הקלאסית המתייחסת לגורמים של ביצועי המכ"ם והשפעות מעשיות:

 משוואה 1

כאשר:

_r‏P‏ הוא הספק הקליטה הצפוי

_t‏P‏ הוא הספק השידור

_t‏G‏ הוא הגבר האנטנה

_r‏G‏ הוא הגבר הקליטה

λ הוא אורך הגל של פעולת המכ"ם

σ הוא שטח החתך האפקטיבי של המטרה

R הוא הטווח מהאנטנה למטרה.

המשוואה מראה שהניחות הלוך ושוב קובע בעיקר את הפסדי הטווח, שכן R, מועלה בחזקת רביעית, נמצא במכנה.

הדרך הברורה להתגבר על הפסדי הטווח היא להגדיל את שיא הספק האות המשודר ולהאריך את הפולס כדי להגדיל את האנרגיה הכוללת שלו. עם זאת, גישה זו מטשטשת את ההחזרה ויש לה חפיפה עד כדי כך שאובייקטים מרובים נראים מקובצים יחד (איור 1).

איור 1: רישומי תמונת מכ"ם אלה מציגים תגובת פולס אידיאלית (משמאל) ותגובת פולס וטווח שעברה דגרדציה (ימין). (מקור התמונה: Analog Devices)

דרך מתוחכמת יותר לשיפור הביצועים היא לעצב, לאפנן ו"לדחוס" את פולסי השידור כדי לשפר את רזולוציית הטווח וה-SNR. דחיסת פולסים מאפשרת למערכת המכ"ם להבחין בין מטרות מרובות בקיבוץ צפוף במקום לראות אותם פולסים חוזרים כמטושטשים וחופפים במקלט.

בעיות ופתרונות לצניחת הספק הפולס

אמנם הגדלת עוצמת הפולס היא אפשרית, אך היא יוצרת בעיות אחרות. אחת מהן היא שהספק גבוה יותר מחמיר את התופעה ממוקדת-PA של צניחת הפולס (איור 2).

איור 2: פולס מכ"ם מלבני נומינלי זה מציג Overshoot‏, רוחב פולס, זמני עלייה/ירידה וצניחה. (מקור התמונה: Analog Devices)

צניחת הפולס היא ההפחתה הלא-רצויה של אמפליטודת הפולס מההתחלה ועד הסוף, ומצוינת בדרך כלל בדציבלים (dB). הפחתה זו מקטינה את הטווח לאורך הפולס מאחר והשילוב של אמפליטודת הפולס והרוחב קובע את טווח המכ"ם כרמת הספק משולבת.

צניחה מתרחשת גם בעת שימוש ב-GAN PAs מצב-מוצק יעילים כגון ה-ADPA1106ACGZN‏ המתקדם ביותר של Analog Devices‏. 46 דציבלים אלו המיוחסים להתקן של 1 מילי-וואט (dBm‏) (40 וואט), עם נצילות הספק נוספת (PAE) על פני רוחב-פס של 2.7 גיגה-הרץ (GHz) עד GHz‏ 3.5‏, מתאימים היטב עבור צורכי הספק-פולס של מערכות מכ"ם בפס-תדרים S‏.

מה גורם לצניחת הפולס?

הצניחה נובעת בעיקר משני מנגנונים נפרדים:

1: ביצועי ה-PA‏ משתנים עקב זרם פולס פתאומי. זה מכניס פיזור והשפעות תרמיות אחרות הגורמות לשינוי של פרמטרי ביצועים קריטיים של ההתקן. ככל שטמפרטורת ערוץ הטרנזיסטור GaN PA עולה עקב התחממות-עצמית Joule‏, שהיא תוצר של צפיפות הזרם והשדה החשמלי, הספק היציאה של המגבר מופחת. איור 3 ממחיש את הקשר בין טמפרטורת הערוץ, זרם הניקוז ומתח הניקוז עבור נקודת פעולה אחת של טרנזיסטור GaN עם רוחב פולס של 100 מיקרו-שניות (µs‏).

איור 3: כאן מוצג היחס בין טמפרטורת הערוץ, זרם הניקוז ומתח הניקוז עבור נקודת פעולה אחת של טרנזיסטור GaN עם רוחב פולס של 100 מיקרו-שניות (µs‏).

למרות שהתני GaN הם יעילים יחסית, חלק מההספק אובד לחום, ולכן נדרש ניהול תרמי יעיל עבור התוצאות הטובות ביותר. בהתאם לרוחב הפולס, תדר החזרת הפולס (PRF) ויחס המחזור, יהיה צורך בשילוב של גישת קירור אחת או יותר כגון מאווררים, צלעות קירור, לוחיות קרות או קירור נוזלי.

ככל שיחס המחזור גדל ברוחב פולס קבוע, הזמן שה-PA מבלה בין פולסים מתקצר. משמעות הדבר היא של-PA יש פחות זמן להתקרר והוא נמצא בטמפרטורה גבוהה יותר בקצה העולה של הפולס הבא. במקרה המגביל של יחס מחזור של 100% (גל רצוף (CW)), אין זמן ל-PA להתקרר, והטמפרטורה שלו היא קבועה במקסימום.

זה מוביל לפשרה. ככל שיחס המחזור גדל, הטמפרטורה הממוצעת של החלק עולה, ומפחיתה את הספק השיא וההספק הממוצע. עם זאת, עוצמת עליית הטמפרטורה במהלך הפולס פוחתת, כשהמשמעות היא שיש פחות צניחה ויותר עקביות על-פני רוחב הפולס. לפיכך, הפשרה הופכת לאיזון בין פחות צניחה ליותר הספק.

2: השיקול השני הוא ספק-הכוח. עקב המעבר המהיר של הספק הפולס, ספק הכוח של ה-PA מאותגר להתמודד עם הדרישות הפתאומיות להספק גבוה תוך שמירה על פס המתח בערך הנדרש. כמו בבעיה התרמית, הפתרונות ידועים, אך היישום הוא קריטי.

זה מתחיל בהוספת קבלים גדולים לאחסון המטען (Bulk‏) לאורך קו הממתח של ה-PA‏ והצבת קבלי מעקפים מקרמיקה או טנטלום בקרבת מקום. ניתן לראות זאת בלוח ההערכה ADPA1106-EVALZ‏ (איור 4, משמאל) שיש לו קבלי ביטול צימוד הממוקמים קרוב למגבר, ו"לוח מחולל פולסים" המשויך לו עם קבלי אחסון-מטען גדולים השומרים על רמות הספק במהלך רוחבי פולסים רחבים (איור 4, מימין).

איור 4: החלק העליון של לוח ההערכה ADPA1106-EVALZ (משמאל) מציג את הפריסה הייחודית ואת המיקום ההדוק של קבלי ביטול צימוד; החלק התחתון מציג את מפזר החום מאלומיניום (באמצע); לוח מחולל הפולסים המשויך מכיל את קבלי Bulk‏ בעלי הערך הגבוה המשמשים לאספקת הזרם הדרוש במהלך טרנזיינטי פולסים (מימין). (מקור התמונה: Analog Devices)

לוח ההערכה נועד לתת מענה לאתגרים הייחודיים של האופטימיזציה של יישום ADPA1106‏. הוא מורכב מלוח מעגלים מודפסים (לוח PC‏) דו-שכבתי המיוצר מלוח מצופה-נחושת Rogers 4350B‏ של mil‏ 10‏ המורכב על מפזר חום מאלומיניום. המפזר מסייע במתן הקלה תרמית להתקן ותמיכה מכנית ללוח ה-PC‏. חורי הרכבה על המפזר מאפשרים לחבר אותו לצלעות קירור. לחלופין, ניתן להדק את המפזר ללוחית חמה וקרה.

למרות ששימוש בקבלי אחסון בעלי ערך גבוה אינו אידיאלי מכיוון שהם מגדילים את גודל מערך המכ"ם, המשקל והעלות של מערך המכ"ם, הם לעיתים קרובות הגישה ברת-המימוש היחידה. יתרה מכך, המיקום, הכיוון והסוג היחסי של קבלי ביטול צימוד המשמשים ליד המגבר ישפיעו על יעילות ונאמנות הפולס שלהם. בתדרי RF של PAs, כגון ה-ADPA1106, יש לשקול בזהירות את ההשפעה של קיבוליות והשראות פרזיטיות ולהביא זאת בחשבון בתהליך התכנון.

תוצאות צניחה מול רוחב הפולס ותדירות ההישנות

ה-ADPA1106 PA נבדק עבור ביצועי צניחה בשתי דרכים: על ידי שינוי רוחב הפולס בתדירות הישנות פולסים קבועה, ועל ידי שינוי יחס המחזור תוך שמירה על רוחב פולס קבוע. בשתי הבדיקות נמדדה צניחת פולס החל מ-2% בפרק-זמן הפולס ועד לסוף פרק-זמן הפולס כדי להסיר את ההשפעה של ה-Overshoot‏ הראשוני.

הבדיקה הראשונה משתמשת ברוחב פולס משתנה בתדירות הישנות קבועה של 1 מילי-שנייה (ms‏) (איור 5). יש קורלציה גבוהה בין הגדלת רוחב הפולס לבין צניחת פולס גדלה. ברוחב הפולס המקסימלי שנבדק, הצניחה מתקרבת ל-dB‏ 0.5‏, שהיא רמת הצניחה המקסימלית המקובלת בדרך כלל ברמת המערכת.

איור 5: בדיקה עם תדירות הישנות פולסים קבועה של ms‏ 1‏ מראה את הקורלציה בין הגדלת רוחב הפולס לבין צניחת הפולס הגדלה. (מקור התמונה: Analog Devices)

בנוסף, עקב השפעות תרמיות, הספק השיא וההספק הממוצע ירדו מעט עם הגדלת רוחב הפולס, בעוד שהשיפוע כלפי מטה בקצה הזנב של רוחב הפולס הארוך ביותר גדל מעט. זה עשוי להצביע על כך שההתחממות-העצמית מתחילה להשפיע על הניהול התרמי של המארז ושל צלעות-הקירור שמתחתיו.

כדי להעריך את ההשפעות של יחס המחזור, ה-ADPA1106 נבדק שוב באמצעות רוחב פולס קבוע של 100 מיקרו-שניות (µs) תוך שינוי יחס המחזור (איור 6). ככל שיחס המחזור גדל לכיוון 100%, ל-PA יש פחות זמן להתקרר בין הפולסים והוא נמצא בטמפרטורה גבוהה יותר בקצה העולה של הפולס העוקב. כתוצאה מכך הטמפרטורה הממוצעת של החלק עולה, אמפליטודת הפולס יורדת ועוצמת עליית הטמפרטורה במהלך הפולס יורדת.

איור 6: שימוש ברוחב פולס קבוע תוך שינוי יחס המחזור מראה שגודל השינוי פוחת ככל שיחס המחזור גדל. (מקור התמונה: Analog Devices)

זה מדגים את הפשרה. זה מראה את ההשפעה השלילית של הפחתת הספק שיא והספק ממוצע עקב הטמפרטורה האבסולוטית הגבוהה יותר של החלק. עם זאת, יש יתרון של פחות צניחה ועקביות גדולה יותר של הספק יציאה על פני כל רוחב הפולס מכיוון ששינוי הטמפרטורה של ה-PA קטן יותר במשך זמן הפולס.

סיכום

השגת טווח מקסימלי במערכות מכ"ם דורשת גישה ברמת המערכת למזעור צניחת הפולס. זה כולל ניהול תרמי יעיל והוספת קבלי Bulk‏ לספק הכוח. כדי להדגים כיצד לאזן את הפשרות הנדרשות, מאמר זה השתמש בנתוני בדיקה בפועל תוך שימוש ב-PA1106 עם נצילות גבוהה כדי להעריך את הצניחה על ידי שינוי שני פרמטרי פולסים קריטיים ושימוש בקירור מתאים. התוצאות הראו שהצניחה בהתקן הייתה נמוכה ביותר, מתחת ל-dB‏ 0.3‏ על-פני תחום טיפוסי של תנאי פולסים.