背景

大多数现代雷达使用某种形式的脉冲压缩来提高距离分辨率和信噪比(SNR)。因此，通过信号链保持传输脉冲的完整性是至关重要的。脉冲压缩方案允许雷达在紧密分组中区分多个目标，而远程长脉冲雷达可能会模糊多个目标在一起，因为接收器的返回脉冲重叠。目标以不同的方式反射雷达脉冲，为了让接收算法识别雷达所看到的东西，发射的脉冲需要保持可预测的形状。雷达脉冲的所有方面对于雷达实现其预期的传感目标都很重要，这些目标由使用案例决定——一些雷达搜索飞机，而另一些雷达监测天气模式。一个典型的雷达脉冲及其特性如图1所示。

上升和下降时间、峰值幅度、脉冲宽度和占空比的组合有助于定义雷达的范围、灵敏度、热和功率设计目标。随着更明显的挑战被克服，一个方面受到了越来越多的关注，那就是脉冲衰减，即从脉冲开始到脉冲结束时雷达脉冲幅度的减少，通常以dB表示。在雷达中，脉冲衰减等于脉冲长度上的距离减小——脉冲幅度和脉冲宽度的组合决定了雷达作为综合功率电平的距离。

众所周知，雷达方程定义了权衡和相互依赖关系:

其中，Pr为预期接收功率，Pt为发射功率，Gt为天线增益，Gr为接收增益，λ为雷达工作波长，西格马为目标有效截面积，R为天线到目标的距离。雷达方程表明，任何对发射功率的负面影响都会对雷达性能产生不利影响，因为距离损失占主导地位，往返衰减上升到分母的四次方，克服距离损失需要每一位可用功率。

雷达方程是一个很好的工具，近似接收功率的目标在一定的距离;然而，它在很大程度上忽略了与目标回波竞争的许多噪声源。噪声功率,

式中，k为玻尔兹曼常数，Ts为系统噪声，Bn为接收机噪声带宽，给出信噪比，可将其积分到雷达方程中，得到雷达处信噪比表达式:

信噪比描述了雷达在给定范围内探测目标的能力，包括雷达固有的噪声源。从信噪比的角度来看脉冲衰减的影响，降低发射功率会降低信噪比，阻碍雷达对远距离目标的探测能力。图2显示了脉冲下垂对降低机载脉冲雷达的距离和灵敏度的影响。

GaN放大器中的脉冲衰减

用于脉冲雷达的高功率GaN PAs已被观察到与它们的真空管前辈具有可比的脉冲下垂。由于电流密度与电场的乘积焦耳自热导致PA晶体管通道温度升高，导致放大器输出功率降低。图3显示了在100 μs脉冲下GaN晶体管的自热通道，使用台式电源驱动电压和电流，Microsanj热反射系统测量GaN的通道温度。在响应自热效应时，沿着脉冲的电流消耗减小，并且在大型阵列中，当电源在大电流负载下放电时，电源电压通常会下降。为了减轻电压凹陷，除了靠近PA的陶瓷或钽旁路电容器外，沿着偏置线通常还会看到大型电荷存储电容器，如图4所示。然而，脉冲形状变形和阵列尺寸、重量和成本增加的相关缺点使大型存储电容器成为不理想的解决方案。

虽然脉冲衰减的规格因系统而异，但最大限度地减少衰减只能使雷达性能受益。名义上，0.5 dB或更小的脉冲衰减放大器是雷达应用的最佳选择，而0.3 dB或更好的脉冲衰减范围则是系统设计人员的首选。

管理脉冲衰减

管理现场脉冲条件只是处理脉冲下垂性能的可行方法之一。片外，旁路电容选择在放大器的栅极和漏极电源驱动上升和下降时间的性能。即使是与放大器的相对位置、方向和去耦电容器的材料选择也会影响脉冲保真度。设计工作在射频频率下的电路意味着阻抗不仅仅是元件电容的函数，寄生电容和电感的影响通常随频率增加而增加。

远离PA，可能更靠近电源或在附近的电源控制板中，大型存储电容器提供了另一种减少脉冲下垂的方法。存储电容器在脉冲期间保持电源产生的电压，减轻开关调节器处理增加的功率负载的负担。每个关断脉冲，存储电容器都被充电并准备好支持接下来的开脉冲。如前所述，存储电容器存在尺寸、重量和成本方面的缺点，但尽管如此，许多雷达装置仍使用它们来均匀脉冲条件下的功率。

在实验室中，台式电源被设计成能够适应驱动脉冲信号的反作用力。在现场，雷达电源通常也被设计为驱动干净脉冲，尽管雷达所需电流的大小可能导致电源的电压凹陷，进而驱动另一个射频脉冲下垂源。电力系统设计人员已经提出了新的技术来管理电压暂降，通过下垂补偿电路和基于软件的脉冲调制方案。

其他方法，如脉冲整形通过数字反馈，预失真技术，和前馈电源设计已经评估到不同程度的成功。通常这些技术很难实现，而且脉冲性能的改进不值得额外的硬件或软件复杂性的开销。

实验室GaN - PA脉冲形状

采用s波段雷达PAs之一ADPA1106作为测试载体，测量了脉冲宽度和占空比对脉冲下垂的影响。

测试装置包含一个任意波形发生器，触发一个工作台电源和一个脉冲射频源，为PA输入产生脉冲直流和射频功率波形。扩音器的输出连接Keysight N1924A功率计，该功率计馈送Keysight 8990B峰值功率分析仪。底板温度控制使用冷却板设定为25°C。图5显示了ADPA1106脉冲的典型测量。

从图5中我们可以看到，典型的ADPA1106脉冲形状特性非常适合用于脉冲雷达系统——快速的上升和下降时间，几乎没有超调，0.3 dB以内的可接受的下降。绿色走线是漏极电压脉冲，黄色走线是PA的射频输出。

变脉宽

为了进一步了解ADPA1106在脉冲宽度和占空比下的性能，在恒定脉冲重复频率(PRF)下改变脉冲宽度，在保持恒定脉冲宽度的情况下改变占空比，对PA进行了测试。从2%到脉冲末端测量脉冲下垂，以消除初始超调的影响。脉冲超调主要由脉冲信号滤波和系统中的电源解决方案驱动，并不表示本征放大器的性能。其他研究建议测量脉冲宽度的10%到90%，甚至25%到75%，以消除超调和纹波的影响。然而，去除纹波会降低数据中线性下降的很大一部分。这里，只有初始超调从下垂计算中删除。图6和表1显示了这组实验的结果。

图6和表1所示的这组数据给出了前面描述的典型脉冲形状的清晰示例——初始超调、脉冲形状稳定和脉冲下垂。正如预期的那样，在一定的脉冲重复频率下，增加脉冲宽度和增加脉冲下垂之间存在很强的相关性。在测试的最大脉宽处，垂降接近0.5 dB，这是系统级首选的最大垂降水平。此外，由于热效应，我们看到峰值和平均输出功率随着脉冲宽度的增加而略有下降。在最长脉冲宽度的尾端，向下的斜率略有增加，这可能表明自热效应开始影响封装和散热器的热管理解决方案。

变占空比

然后用100µs恒定脉冲和改变占空比对ADPA1106进行测试。下垂测量与之前相同，从2%进入脉冲，通过脉冲的末端，以消除脉冲超调的影响。

当脉冲宽度不变时，占空比增大，脉冲间的脉冲间隔时间减小。这意味着PA在脉冲之间有更少的时间冷却，并且在后续脉冲的上升边缘处于更高的温度。在100%占空比(连续波或连续波)的极限情况下，PA没有时间冷却，并且PA的温度恒定在其最大值。因此，随着占空比的增加，部件的平均温度增加，但脉冲期间的温升幅度减小。由于零件的绝对温度较高，这导致峰值和平均输出功率降低。这也意味着在脉冲宽度上有更少的下垂，因为PA的温度在脉冲持续时间内变化更小。这可以在图7和表2中看到。

氮化镓器件产生大量的输出功率。虽然氮化镓的效率相对较高，但一些功率转换会损失为热量，因此需要有效的热管理才能获得最佳效果。在这里，使用液冷温控底板来控制热上升;类似的热解决方案在现场使用。在热管理不良的极端情况下，输出波形的保真度将降低，降低雷达灵敏度。

GaN雷达PAs

继续开发和发布针对军事和民用雷达和电子战(EW)应用的高性能GaN PAs。雷达系统通常根据其预期用例在频率上进行带状设置——例如，s波段雷达通常用于远程跟踪应用，如空中交通管制、气象雷达和地面跟踪雷达，而x波段雷达通常用于船舶和火控雷达。这些用例中的每一个都需要性能，包括低脉冲下垂。

用于测量下降的ADPA1106测试车是一款GaN PA，在2.7 GHz至3.5 GHz的带宽范围内提供46 dBm (40 W)功率和56%的功率附加效率(PAE)。表3总结了一些其他GaN雷达PAs的典型性能。

结论

虽然雷达系统不断增长的需求继续提高单个组件性能的标准，但GaN雷达PAs系列始终领先于需求曲线。台式实验表明，在各种脉冲条件下，高效、高输出功率的s波段GaN放大器ADPA1106的脉冲下垂性能都小于0.3 dB。