GaN 전력 증폭기 기반의 레이더 시스템에서 범위를 최대화하는 방법

레이더는 군사 감시, 항공 교통 관제, 우주 비행, 자동차 안전을 비롯한 수많은 응용 분야에서 필수품이 되었습니다. 설계자에게 가장 까다로운 상황 중에는 반환 신호가 매우 약하고 주변 및 회로 잡음으로 신호대 잡음비(SNR)가 떨어지며 ‘펄스 드룹’이 문제가 되는 장거리 레이더의 경우가 있습니다.

질화 갈륨(GaN) 기반의 전력 증폭기(PA)는 구식 프로세스를 사용하는 장치에 비해 상당한 효율과 기타 이점을 제공하지만 설계자는 펄스 드룹과 그 효과를 최소화하는 시스템 수준의 접근 방식을 사용해야 합니다. 이는 장거리 레이더 시스템에서 뛰어난 성능을 보장합니다.

이 기사에서는 레이더 작동을 간략하게 검토하고 펄스 드룹 문제를 검토합니다. 그런 다음 Analog Devices의 최첨단 S 대역 GaN PA 및 함께 제공되는 평가 기판을 소개하고 펄스 드룹의 보정 및 최소화를 위한 전략을 제안합니다.

레이더 원리 및 문제

레이더의 원리는 간단합니다. 즉, 시스템이 RF 에너지의 짧은 on/off 펄스를 전송하고 수신기가 표적에서 반사된 신호를 포착합니다. 전송된 펄스와 에코 간 시간차에 따라 표적까지의 거리(범위)가 결정됩니다. 둘 모두 빛의 속도로 전파되기 때문입니다.

이 간단한 펄스는 원칙적으로는 충분하지만, 특히 수십, 수백, 수천 마일 거리에 있는 여러 개의 표적을 가진 실제 세계에서는 적절하지 않습니다. 이러한 장거리 레이더 시스템에는 다음 두 가지 문제가 있습니다.

원거리 표적의 반사 신호가 매우 약하고 SNR이 좋지 않습니다.
원거리에 있는 여러 표적들을 구별하려면 반사 신호가 왜곡되거나 중첩되지 않았다는 가정 하에 좁은 간격의 에코를 해결해야 합니다.

신호 강도는 피할 수 없는 상황의 물리학 및 4차 거듭제곱 규칙으로 인해 매우 낮습니다. 이는 레이더 성능의 요소와 실제 효과를 연관시키는 전형적인 레이더 방정식으로 표시됩니다.

방정식 1

여기서,

P_r은 예상되는 수신 전력입니다.

P_t는 전송 전력입니다.

G_t는 안테나 이득입니다.

G_r은 수신 이득입니다.

λ는 레이더 작동의 파장입니다.

σ는 표적의 유효 단면적입니다.

R은 안테나에서 표적까지의 범위입니다.

이 방정식은 4차 제곱의 지수가 되는 R이 분모에 있으므로 왕복 트립 감쇠에 따라 범위 손실(R)이 결정됨을 보여줍니다.

범위 손실을 극복하는 확실한 방법은 전송된 신호의 피크 전력을 늘리고 전반적인 에너지를 증가하기 위해 펄스의 길이를 늘리는 것입니다. 그러나 이 접근 방식은 반사를 흐릿하게 만들고 여러 객체가 함께 뭉쳐 보일 정도로 중첩되게 합니다(그림 1).

그림 1: 이 레이더 영상 스케치는 이상적인 펄스 응답(왼쪽)과 품질이 저하된 펄스 응답 및 범위(오른쪽)를 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices).

성능을 향상시키는 보다 정교한 방법은 범위 분해능 및 SNR을 향상시키기 위해 전송 펄스를 성형, 변조, ‘압축’하는 것입니다. 펄스 압축을 통해 레이더 시스템은 여러 표적을 수신기에서 중첩된 흐릿한 반사 펄스로 인식하는 대신 밀집 그룹으로 구분할 수 있습니다.

드룹 펄스 전력 문제 및 솔루션

펄스 전력을 늘릴 수는 있지만 다른 문제가 발생합니다. 그 중 하나는 전력이 높아지면 펄스 드룹의 PA 중심 현상이 악화된다는 것입니다(그림 2).

그림 2: 이 대략 직사각형 레이더 펄스는 오버슈트, 펄스 폭, 상승/하강 시간, 드룹을 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices).

펄스 드룹은 펄스 진폭의 시작부터 끝까지 원치 않게 감소하는 것을 의미하며 일반적으로 dB(데시벨) 단위로 나타냅니다. 펄스 진폭과 펄스 폭의 조합에 따라 레이더의 범위(통합 전력 수준)가 결정되므로 이러한 감소는 펄스 길이에 대한 범위를 감소시킵니다.

드룹은 Analog Devices의 최첨단 ADPA1106ACGZN과 같은 효율적인 무접점 GaN PA를사용하는 경우에도 발생합니다. 이 46dBm(1mW의 전력을 dB 스케일로 나타낸 단위)(40와트) 장치는 2.7GHz ~ 3.5GHz의 대역폭에 걸쳐 56%의 전력 추가 효율(PAE)로 S 대역 레이더 시스템의 펄스 전력 요구 사항에 매우 적합합니다.

펄스 드룹의 원인

드룹은 대개 두 가지 고유한 메커니즘으로 인해 발생합니다.

1: PA 성능은 순간적인 펄스 전류에 의해 변화합니다. 이는 중요 장치 성능 파라미터를 변화시키는 손실 및 다른 열 효과를 일으킵니다. 전류 밀도와 전계의 제곱인 줄 자체 발열로 인해 GaN PA 트랜지스터 채널 온도가 증가함에 따라 증폭기의 출력 전력은 감소합니다. 그림 3은 100µs(마이크로초)의 펄스 폭을 가진 GaN 트래지스터의 1개 작동점에 대한 채널 온도, 드레인 전류, 드레인 전압 간 관계를 나타냅니다.

그림 3: 100µs(마이크로초)의 펄스 폭을 가진 GaN 트래지스터의 1개 작동점에 대한 채널 온도, 드레인 전류, 드레인 전압 간 관계를 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices).

GaN 장치는 상대적으로 효율적이지만 일부 전력이 열로 손실되므로 최상의 결과를 얻으려면 효과적인 열 관리가 필요합니다. 펄스 폭, 펄스 반복 주파수(PRF), 듀티 사이클에 따라 팬, 방열판, 냉각판 또는 액체 냉각과 같은 하나 이상의 냉각 접근 방식 조합이 필요할 수 있습니다.

일정한 펄스 폭에서 듀티 사이클이 증가함에 따라 펄스 사이에 PA가 보내는 시간은 감소합니다. 즉, PA는 냉각될 시간이 줄어들고 이후 펄스의 상승 에지에서 더 높은 온도에 도달합니다. 100% 듀티 사이클(지속파(CW))의 극한 사례에서 PA는 냉각될 시간이 없으며 해당 온도는 최대값으로 일정하게 유지됩니다.

이는 장단점이 있습니다. 듀티 사이클이 증가하면 부품의 평균 온도가 증가하여 피크 및 평균 출력 전력이 감소합니다. 그러나 펄스 중에 온도 상승의 크기가 감소하므로 펄스 폭에서 드룹이 감소하고 일관성이 향상됩니다. 따라서 드룹 감소와 전력 증가 간에 균형을 맞춰야 합니다.

2: 두 번째 고려 사항은 전원 공급 장치입니다. 펄스 전력의 빠른 과도 현상으로 인해 PA 전원 공급 장치는 전압 레일을 필요한 값으로 유지하면서 갑작스러운 고전력 수요에 대처해야 하는 과제를 가집니다. 열 문제와 마찬가지로 솔루션은 이미 알려져 있지만 이를 구현하는 것이 중요합니다.

이러한 솔루션의 구현은 PA 바이어스 라인을 따라 대형 전하 충전(벌크) 커패시터를 추가하고 세라믹 또는 탄탈룸 바이패스 커패시터를 가까이 배치하는 것으로 시작됩니다. 이는 증폭기 가까이에 감결합 커패시터가 배치된 ADPA1106-EVALZ 평가 기판(그림 4, 왼쪽)과 넓은 펄스 폭 동안 전력 수준을 유지하는 대형 전하 충전 커패시터가 있는 관련 ‘펄서 기판'(그림 4, 오른쪽)에서 확인할 수 있습니다.

그림 4: ADPA1106-EVALZ 평가 기판의 상단(왼쪽)은 고유한 레이아웃과 감결합 커패시터의 타이트한 위치를 보여주고 하단(가운데)은 알루미늄 열 확산기를 보여줍니다. 관련 펄서 기판에는 펄스 과도 시 필요한 전류를 공급하는 데 사용되는 고가의 벌크 커패시터가 장착되어 있습니다(오른쪽)(이미지 출처: Analog Devices).

평가 기판은 ADPA1106 응용 제품을 최적화하는 고유한 과제를 해결하도록 설계되었습니다. 이 평가 기판은 알루미늄 열 확산기에 실장되는 10mil Rogers 4350B 구리 피복 기판으로 제작된 2층 인쇄 회로 기판(pc 기판)으로 구성됩니다. 이 확산기는 장치에 대한 열 완화와 pc 기판에 대한 기계적 지지를 제공하는 데 도움을 줍니다. 확산기에 있는 실장 구멍을 통해 방열판에 연결할 수 있습니다. 또는 확산기를 열판 및 냉각판에 고정할 수 있습니다.

대용량 스토리지 커패시터를 사용하면 레이더 어레이의 크기, 무게, 비용이 증가되므로 이상적이지는 않지만 이 접근 방법이 실행 가능한 유일한 방법인 경우가 많습니다. 또한 증폭기 가까이 사용되는 감결합 커패시터의 상대 위치, 방향, 유형은 효용성과 펄스 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. ADPA1106과 같은 PA의 RF 주파수에서 기생 정전 용량 및 유도 용량의 영향을 신중하게 고려하고 설계에 반영해야 합니다.

드룹 결과 대 펄스 폭, 반복 주파수

ADPA1106 PA는 두 가지 방법으로 드룹 성능에 대해 테스트를 거쳤습니다. 하나는 일정한 펄스 반복 주파수에서 펄스 폭을 변화시키는 것이고 다른 하나는 일정한 펄스 폭을 유지하면서 듀티 사이클을 변화시키는 것입니다. 두 테스트 모두에서 펄스 드룹은 초기 오버슈트의 효과를 제거하기 위해 펄스 주기 2%부터 펄스의 끝까지 측정되었습니다.

첫 번째 테스트는 1ms(밀리초)의 고정된 펄스 반복 주파수에서 다양한 펄스 폭을 사용합니다(그림 5). 증가하는 펄스 폭과 증가하는 펄스 드룹 사이에는 높은 상관관계가 있습니다. 테스트된 최대 펄스 폭에서 드룹은 0.5dB에 근접하며 이는 시스템 수준에서 일반적으로 허용 가능한 최대 드룹 레벨입니다.

그림 5: 고정된 펄스 반복 주파수 1ms로의 테스트를 통해 펄스 폭과 증가하는 펄스 드룹 간 상관관계를 볼 수 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

또한 열 효과로 인해, 펄스 폭 증가 시 피크 및 평균 출력 전력이 약간 감소한 반면 가장 긴 펄스 폭의 맨 끝에서 하향 기울기는 약간 증가했습니다. 이는 자체 발열 효과가 패키지 및 패키지 아래 방열판에 대한 열 관리에 영향을 미치기 시작했음을 나타낼 수 있습니다.

듀티 사이클의 효과를 평가하기 위해 ADPA1106을 다시 테스트했습니다. 이번에는 듀티 사이클을 변경하면서 100µs(마이크로초)의 일정한 펄스 폭을 사용했습니다(그림 6). 듀티 사이클이 100%로 증가하면 PA는 펄스 사이의 냉각 시간이 감소하며 이후 펄스의 상승 에지에서 더 높은 온도에 도달합니다. 결과적으로 부품의 평균 온도가 증가하고 펄스 진폭이 감소하며 펄스 중에 온도 상승의 크기가 감소합니다.

그림 6: 듀티 사이클을 변화시키면서 일정한 펄스 폭을 사용하면 듀티 사이클의 증가에 따라 크기 변동의 변화가 감소함을 볼 수 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

이는 절충안을을 보여줍니다. 또한 부품의 더 높은 절대 온도로 인해 피크 및 평균 출력 전력이 감소하는 부정적 효과를 보여줍니다. 그러나, 펄스의 지속 시간에 걸쳐 PA의 온도 변화가 작으므로 전체 펄스 폭에 걸쳐 드룹이 감소하고 출력 전력 일관성이 향상된다는 이점이 있습니다.

결론

레이더 시스템에서 최대 범위를 달성하려면 펄스 드룹을 최소화하기 위한 시스템 수준의 접근 방식이 필요합니다. 여기에는 효과적인 열 관리와 전원 공급 장치에 벌크 커패시터를 추가하는 작업이 포함됩니다. 필요한 절충안 간 균형을 맞추는 방법을 시연하기 위해 이 기사에서는 두 개의 중요 펄스 파라미터를 변화시키고 적절한 냉각을 사용하는 방식으로 ADPA1106 고효율 PA를 활용하여 드룹을 평가하는 실제 테스트 데이터를 사용했습니다. 결과를 통해 이 장치는 통상적인 펄스 조건 범위에서 0.3dB 미만의 매우 낮은 드룹을 제공함을 알 수 있었습니다.