Höhere Radarreichweite durch reduzierten Pulsabfall

Die meisten aktuellen Radarsysteme nutzen Verfahren der Puls-Kompression, um die Entfernungsauflösung und das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern. Daher ist es entscheidend, die Pulsintegrität über die gesamte HF-Signalkette hinweg zu erhalten. Puls-Kompressionsverfahren ermöglichen es Radarsystemen, mehrere eng beieinanderliegende Ziele voneinander zu unterscheiden. Im Gegensatz dazu kann ein Radar mit langen Sendeimpulsen für große Reichweiten mehrere Objekte nicht eindeutig auflösen, da sich die zurückkehrenden Echos am Empfänger überlagern. 

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Ziele reflektieren Radarimpulse unterschiedlich. Damit die Empfangsalgorithmen die erfassten Objekte zuverlässig erkennen können, muss der gesendete Puls seine definierte und vorhersehbare Wellenform beibehalten. 

Alle Eigenschaften eines Radarpulses sind entscheidend dafür, dass das Radarsystem die durch den jeweiligen Anwendungsfall vorgegebenen Erfassungsaufgaben erfüllt. Manche Radarsysteme suchen beispielsweise nach Flugzeugen, während andere Wetterstrukturen überwachen. Bild 1 zeigt einen typischen Radarpuls und dessen Eigenschaften.

Anstiegs- und Abfallzeiten, Spitzenamplitude, Pulsbreite und Tastverhältnis bestimmen gemeinsam die Systemanforderungen eines Radarsystems hinsichtlich gewünschter Reichweite, erforderlicher Empfindlichkeit, zulässiger Verlustleistung und verfügbarer Sendeleistung. Nachdem die offensichtlicheren Herausforderungen überwunden wurden, rückt der Pulsabfall bei GaN-Leistungsverstärkern als limitierender Faktor für die Systemperformance zunehmend in den Fokus. Der Pulsabfall beschreibt die Verringerung der Amplitude eines Radarpulses zwischen Pulsbeginn und Pulsende und wird üblicherweise in dB angegeben. 

In einem Radarsystem führt der Pulsabfall dazu, dass die effektive Reichweite innerhalb der Pulsdauer abnimmt, da die Reichweite von der im Sendeimpuls enthaltenen Energie abhängt, die durch Pulsamplitude und Pulsbreite bestimmt wird.

Die Radargleichung P_r=(P_t·G_t·G_r·λ²·σ)/(4·ϖ)³·R⁴) verknüpft die wesentlichen Leistungsparameter eines Radarsystems mit praktischen Einflussgrößen, und sie ermöglicht damit eine Abschätzung der erreichbaren Systemleistung. Dabei bezeichnet Receive Power(P_r) die erwartete Empfangsleistung, Transmit Power (P_t) die Sendeleistung, Transmit Gain (G_t) und Receive Gain (G_r) die Sende- und Empfangsantennengewinne, λ die Betriebswellenlänge des Radars, σ die effektive Radar-Rückstreufläche des Ziels und R die Entfernung zwischen Antenne und Ziel. 

Die Radargleichung zeigt, dass jede Verringerung der Sendeleistung sich nachteilig auf die Leistungsfähigkeit des Radarsystems auswirkt, da die Empfangsleistung mit der vierten Potenz der Entfernung abfällt. Um Reichweitenverluste auszugleichen, ist daher jedes verfügbare dB an Sendeleistung entscheidend. Die Radargleichung eignet sich gut zur Abschätzung der Empfangsleistung eines Ziels in einer bestimmten Entfernung. Sie berücksichtigt jedoch nicht die zahlreichen Rauschquellen, die das Ziel-Echo überlagern.

Das SNR beschreibt die Fähigkeit des Radars, ein Ziel in einer bestimmten Entfernung zu erkennen, wobei die dem Radarsystem eigenen Rauschquellen berücksichtigt werden. 

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Aus Sicht des SNR zeigt sich, dass der Pulsabfall durch die Verringerung der effektiven Sendeleistung das SNR reduziert und damit die Fähigkeit des Radars einschränkt, Ziele in großer Entfernung zu erfassen. Bild 2 zeigt den Einfluss des Pulsabfalls auf Reichweite und Empfindlichkeit eines luftgestützten Pulsradars.

Pulsabfall in GaN-Verstärkern

Es wurde beobachtet, dass Hochleistungs-GaN-Leistungsverstärker für Pulsradarsysteme hinsichtlich des Pulsabfalls ähnliche Eigenschaften aufweisen wie frühere Verstärker in Röhrentechnik. Mit zunehmender Kanaltemperatur infolge der Eigenerwärmung, deren Leistungsdichte sich aus dem Produkt von Stromdichte und elektrischem Feld ergibt, verringert sich die Ausgangsleistung des Verstärkers. 

Bild 3 zeigt den aktiven Kanal eines GaN-Transistors, der sich während eines 100-µs-Pulses infolge der Eigenerwärmung erwärmt. Dabei diente ein Labornetzgerät zur Bereitstellung von Spannung und Strom, während ein Thermoreflexionssystem von Microsanj die Kanaltemperatur im GaN-Bauvolumen misst. Die Stromaufnahme nimmt während des Pulses infolge der Eigenerwärmung ab. Bei großen Arrays kann zudem die Versorgungsspannung einbrechen, da die Versorgungseinheiten durch hohe Strombelastungen beansprucht werden. Um Spannungseinbrüche zu kompensieren, werden häufig große Energiespeicherkondensatoren in der Bias-Versorgungsleitung eingesetzt, ergänzt durch Keramik- oder Tantal-Bypass-Kondensatoren nahe am Leistungsverstärker. Aufgrund der damit verbundenen Nachteile wie der Verformung der Pulsform sowie der zusätzlichen Größe, des höheren Gewichts und der steigenden Kosten des Arrays sind große Speicherkondensatoren jedoch nicht ideal.

Obwohl die zulässigen Grenzwerte für den Pulsabfall von System zu System variieren, kann eine Minimierung des Pulsabfalls die Leistungsfähigkeit des Radarsystems nur erhöhen. Typischerweise gelten Leistungsverstärker mit einem Pulsabfall von maximal 0,5 dB als optimal für Radaranwendungen. Systementwickler bevorzugen jedoch Pulsabfallwerte von 0,3 dB oder weniger.

Den Pulsabfall im GaN-Verstärker beherrschen

Die Optimierung der Pulseigenschaften im praktischen Betrieb ist nur eine von mehreren Möglichkeiten, das Pulsabfallverhalten zu beherrschen. Die Auswahl der Bypass-Kondensatoren in den Gate- und Drain-Versorgungen der Verstärker bestimmt maßgeblich die Anstiegs- und Abfallzeiten der Pulse. Selbst die relative Platzierung der Entkopplungskondensatoren zum Verstärker, ihre Ausrichtung und die Auswahl der verwendeten Materialien können die Pulsformtreue beeinflussen. Bei der Entwicklung von HF-Schaltungen werden Impedanzen nicht allein durch die Nennwerte der Bauteile bestimmt. Mit steigender Frequenz gewinnen zudem parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten zunehmend an Einfluss. 

Weiter entfernt vom Leistungsverstärker angeordnet – beispielsweise in der Nähe der Stromversorgung oder auf einer benachbarten Versorgungsplatine – bieten große Speicherkondensatoren eine weitere Möglichkeit, den Pulsabfall zu verringern. Speicherkondensatoren stabilisieren während des Pulses die Versorgungsspannung und entlasten dadurch den Schaltregler, da die zusätzliche Leistungsanforderung aus der gespeicherten Energie gedeckt wird. Während jeder Pulspause werden die Speicherkondensatoren wieder aufgeladen, um für den folgenden Sendepuls die erforderliche Energie bereitzustellen. 

Wie bereits erläutert, bringen Speicherkondensatoren Nachteile hinsichtlich Größe, Gewicht und Kosten mit sich. Dennoch werden sie in vielen Radarsystemen eingesetzt, um Leistungsschwankungen während des Pulsbetriebs auszugleichen. Im Labor eingesetzte Tischnetzteile sind darauf ausgelegt, durch gepulste Signale bzw. Lasten hervorgerufene Rückwirkungen zu verkraften. 

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Im praktischen Einsatz sind Radarnetzteile in der Regel ebenfalls darauf ausgelegt, saubere Pulse zu liefern. Die hohen erforderlichen Ströme können jedoch Spannungseinbrüche in den Versorgungen verursachen und damit eine weitere Ursache für einen Pulsabfall darstellen. Für Stromversorgungen wurden neue Verfahren zum Ausgleich von Spannungseinbrüchen entwickelt, darunter Kompensationsschaltungen für den Spannungsabfall und softwarebasierte Pulsmodulationsverfahren. 

Weitere Verfahren wie digitale Pulsformung mittels digitaler Rückkopplung, Vorverzerrungsverfahren und Feed-Forward-Konzepte für Stromversorgungen wurden mit unterschiedlichem Erfolg bewertet. Häufig sind diese Verfahren nur mit erheblichem Aufwand implementierbar, und die erzielte Verbesserung der Pulsqualität rechtfertigt nicht die zusätzliche Hard- oder Softwarekomplexität. 

Pulsform eines GaN-Leistungsverstärkers im Labor

Der Radar-Leistungsverstärker ADPA1106 für das S-Band von ADI diente als Testobjekt zur Untersuchung des Einflusses von Pulsbreite und Tastverhältnis auf den Pulsabfall.  

Der Messaufbau bestand aus einem Arbiträr-Signalgenerator, der die Triggersignale für ein Labornetzteil und eine gepulste HF-Quelle bereitstellte, um die gepulsten DC- und HF-Leistungspulse für den Eingang des Leistungsverstärkers zu erzeugen. Der Ausgang des Leistungsverstärkers wurde über einen Keysight N1924A Leistungsmesskopf einem Keysight 8990B Peak-Power-Analyzer zugeführt. Die Temperatur der Grundplatte wurde mit einer auf 25 °C eingestellten Kühlplatte konstant gehalten.

Die Messen zeigen, dass sich die typischen Pulsformeigenschaften des ADPA1106 sehr gut für den Einsatz in gepulsten Radarsystemen eignen: schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten, kein bzw. nur minimales Überschwingen sowie ein akzeptabler Pulsabfall von weniger als 0,3dB. Die grüne Kurve zeigt den Puls der Drain-Spannung, die gelbe Kurve das HF-Ausgangssignal des Leistungsverstärkers. 

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Unterschiedliche Pulsbreiten

Um das Verhalten des ADPA1106 bei unterschiedlichen Pulsbreiten und Tastverhältnissen genauer zu betrachten, wurde der Leistungsverstärker zunächst mit variierter Pulsbreite bei konstanter Pulswiederholfrequenz (PRF) und anschließend mit variiertem Tastverhältnis bei konstanter Pulsbreite untersucht. 

Der Pulsabfall wurde zwischen zwei Prozent nach Beginn des Pulses bis zum Pulsende bestimmt, um den Einfluss des anfänglichen Überschwingens auszuschließen. Das Pulsüberschwingen wird im Wesentlichen durch die Filterung des Pulssignals und die Auslegung der Stromversorgung im System bestimmt und lässt keine Rückschlüsse auf die eigentliche Leistungsfähigkeit des Verstärkers zu. 

Andere Untersuchungen empfehlen, den Pulsabfall über den Bereich von zehn bis 90 Prozent beziehungsweise 25 bis 75 Prozent der Pulsdauer zu messen, um den Einfluss von Überschwingen und Restwelligkeit zu verringern. Die Herausfilterung der Restwelligkeit führt jedoch dazu, dass ein wesentlicher Anteil des im Messverlauf beobachteten linearen Pulsabfalls lediglich das anfängliche Überschwingen entfernt. Bild 4 zeigt die Ergebnisse der Messreihe. 

Die Daten in Bild 4 veranschaulichen die zuvor beschriebene typische Pulsform mit ihrem anfänglichen Überschwingen, dem Einschwingen der Pulsform sowie dem Pulsabfall. Wie zu erwarten, korreliert die Pulsbreite bei konstanter Pulswiederholfrequenz stark mit dem Pulsabfall, wobei ein Anstieg der Pulsbreite zu einem zunehmenden Pulsabfall führt. 

Bei der maximalen geprüften Pulsbreite erreicht der Pulsabfall 0,5 dB, was dem bevorzugten maximalen Pulsabfall auf Systemebene entspricht. Hinzu kommt, dass, bedingt durch thermische Effekte, die Spitzen- und Durchschnitts- Ausgangsleistung mit zunehmender Pulsbreite leicht abnimmt. Es zeigt sich ein leichter Anstieg der Leistungsabnahme in der fallenden Flanke, am Ende bei der längsten Pulsbreite, was ein Zeichen dafür ist, dass Selbsterwärmungseffekte zunehmenden Einfluss auf die Kühlungswirkung des Gehäuses und des Kühlkörpers darunter nehmen. 

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Variierendes Tastverhältnis und sein Einfluss auf die Temperatur

Der ADPA1106 wurde anschließend mit einer konstanten Pulsdauer von 100 µs und variierendem Tastverhältnis geprüft. Der Pulsabfall wurde wie zuvor ab zwei Prozent der Pulsdauer bis zum Pulsende bestimmt, um den Einfluss anfänglichen Pulsüberschwingens zu vermeiden.

Bei konstanter Pulsbreite nimmt mit steigendem Tastverhältnis die Zeit ab, während der der Leistungsverstärker zwischen den Pulsen ausgeschaltet ist. Dies führt dazu, dass dem Leistungsverstärker zwischen den Pulsen weniger Zeit zum Abkühlen bleibt und er an der steigenden Flanke des nachfolgenden Pulses noch eine höhere Betriebstemperatur  hat. Bei einem Tastverhältnis von 100 Prozent bleibt der Leistungsverstärker konstant auf der maximalen Betriebstemperatur. 

Daher steigt mit zunehmendem Tastverhältnis die mittlere Betriebstemperatur des Bauteils, während der Temperaturhub innerhalb eines Pulses abnimmt. Aufgrund der höheren Bauteiltemperatur verringert sich die Spitzen- sowie die mittlere Ausgangsleistung. Dies bedeutet außerdem, dass der Pulsabfall über die Pulsdauer geringer ausfällt, da sich die Temperatur des Leistungsverstärkers während eines Pulses weniger stark verändert (Bild 5).

 GaN Verstärker erreichen eine hohe Ausgangsleistung. Obwohl der Wirkungsgrad bei GaN relativ hoch ist, geht ein Teil der aufgenommenen Leistung als Wärme verloren und macht eine effektive Kühlungslösung erforderlich, um beste Ergebnisse zu erzielen. Hier wurde eine temperaturgeregelte, flüssigkeitsgekühlte Basisplatte verwendet, um den Temperaturanstieg zu kontrollieren. Ähnliche Kühlungslösungen werden im Feld verwendet. Bei extrem schlechter Kühlung wird die Impulstreue der Ausgangswellenform beeinträchtigt, was die Empfindlichkeit des Radars verschlechtert.

GaN-Leistungsverstärker für Radaranwendungen

ADI entwickelt hochleistungsfähige GaN-Leistungsverstärker, die für militärische und zivile Radar- sowie elektronische Kampfführungsanwendungen (EW) ausgelegt sind. Radarsysteme werden häufig entsprechend ihrer vorgesehenen Einsatzbereiche in verschiedene Frequenzbänder eingeteilt. So wird beispielsweise das S-Band häufig für Anwendungen mit großer Reichweite eingesetzt, etwa in der Flugsicherung, bei Wetterradaren oder Oberflächenüberwachungsradaren. Das X-Band hingegen kommt häufig in Marine- und Feuerleitradaren zum Einsatz. Jede dieser Anwendungen erfordert hohe Leistungsfähigkeit, einschließlich geringem Pulsabfall. (na)