氮化鎵(GaN)功率放大器提升相位陣列雷達效能，但其脈衝下降影響探測距離。本文探討其影響與緩解措施，並分析先進固態元件如何優化雷達性能，提升解析度與感測能力。
氮化鎵(GaN)功率放大器(PA)使得現代相位陣列雷達的效能大幅超越前一代技術，除了具備高功率密度，而且不需要體積龐大而容易損耗的合成網路。本文聚焦於探討氮化鎵功率放大器的脈衝下降(Pulse Droop)作為實際雷達性能中的一項非理想性因素，並闡述應採取哪些措施以緩解其對雷達探測距離的負面影響。藉由在雷達射頻鏈的輸出級中置入先進的固態電子元件，系統工程師得以設定規格來提升探測距離、解析度以及感測能力。文末並進一步探討了能有效降低脈衝下降的元件，以滿足現代高效能相位陣列雷達的多樣需求。
大多數現代雷達採用某種形式的脈衝壓縮技術，以提升距離解析度和訊噪比(SNR)。因此維持傳輸脈衝在整個訊號鏈中的完整性非常重要。脈衝壓縮技術使雷達能夠分辨出多個緊密排列的目標，而遠程長脈衝雷達可能會因接收的回波脈衝重疊，而將多個物體模糊地視為一體。由於探測目標物體對雷達脈衝的反射方式各不相同，為了讓接收演算法能夠正確識別雷達的觀測結果，傳輸脈衝需要保持可預測的波形形狀。雷達脈衝的所有特性對雷達實現預定的感測目標都極為重要，並且這些目標依使用情境而異—某些雷達用於搜索飛機，另一些則用於監測天氣變化。圖1顯示一個典型雷達脈衝及其各項特性。
上升時間與下降時間、波峰振幅、脈衝寬度、以及工作週期等因素，共同決定了雷達的探測距離、靈敏度、熱管理、以及功率等設計目標。隨著各界逐步克服各種顯著的技術挑戰，脈衝下降的現象越來越受到重視。脈衝下降被定義為雷達脈衝從開始到結束期間的振幅下降量，通常以dB為單位表示。在雷達系統中，脈衝下降相當於脈衝持續期間內探測距離的縮短－脈衝振幅與脈衝寬度共同決定了在特定功率水準下雷達的探測距離。
雷達公式為用於定義各項因素的權衡及其相互關聯性：
雷達公式將雷達性能的各項因素與實際效應相互關聯，進而估算出性能的近似值。在這裡Pr代表預期接收功率，Pt是傳輸功率，Gt是天線增益，Gr是接收增益，λ是雷達操作時的波長，σ是目標物體的有效截面面積，R則是天線到目標物之間的距離。雷達方程式顯示出對傳輸功率造成任何負面影響都會嚴重損害雷達性能。由於距離損失和往返衰減在公式中呈四次方關係，因此克服距離損失需要盡可能利用所有可用的功率。
雷達方程式是一個很好的工具，可以估算出特定距離目標物的接收功率；然而，此方程式忽略了許多與目標物回波競爭的雜訊源。雜訊功率：
其中k是波茲曼常數，Ts是系統雜訊，Bn是接收器的雜訊頻寬，將這些引數代入雷達方程式，可以得到雷達端的訊噪比：
SNR描述了在特定距離下，雷達從雜訊中檢測出目標物的能力，包括雷達本身固有的雜訊源。從SNR的角度來看，脈衝下降會降低傳輸功率，進而降低訊噪比，這將阻礙雷達在遠距離檢測物體的能力。圖2顯示了脈衝下降對機載脈衝式雷達偵測範圍和靈敏度的影響。
氮化鎵放大器脈衝下降
各界觀察到，脈衝式雷達採用的高功率氮化鎵功率放大器具有與真空管式功率放大器相當的脈衝下降。這種現象是由於電晶體通道溫度因焦耳自熱效應而升高所致，而該效應是電流密度與電場的乘積。隨著溫度升高，放大器的輸出功率會降低，圖3展示了一個氮化鎵電晶體在經歷100微秒脈衝期間的自熱過程：使用Microsanj的熱反射系統來量測氮化鎵元件的通道溫度。在脈衝期間，由於自熱效應，電流消耗會下降；而在大型陣列中，通常在高負載下，行動電源的放電會導致供應電壓下降。一般做法是在偏壓線路上增加大容量行動電源，以及在功率放大器附近增加陶瓷或鉭質旁路穩壓單元，如圖4所示。但如此做也帶來一些缺點，例如脈衝形變以及陣列尺寸、重量和成本的大幅提升，使得使用大容量行動電源成為一種不理想的解決方案。
雖然脈衝下降的規格因系統而異，但對雷達效能而言，將衰減最小化必定有益無害。一般來說，0.5dB或更低的脈衝下降已經足夠優化雷達應用，而0.3dB或更好的脈衝下降則更受系統設計者青睞。
提升雷達探測距離 氮化鎵PA脈衝下降有解(1)
