使用峰值功率計測試雷達液位計信號的高功率

氮化鎵（GaN）技術(shù)已成為雷達液位計應(yīng)用中使用的高功率放大器（PA）的主要技術(shù)。此外，高功率和/或雷達液位計應(yīng)用通常需要脈沖信號。測量和表征雷達液位計應(yīng)用中使用的脈沖RF信號提出了獨特的挑戰(zhàn)。脈沖雷達液位計信號在短時間內(nèi)“開啟”，然后是長“關(guān)閉”時段。在“開啟”時間，系統(tǒng)可以傳輸從千瓦到兆瓦的功率。在“開/關(guān)”轉(zhuǎn)換期間和長時間“開啟”期間，高功率脈沖可以以多種方式對功率放大器（PA）施加壓力。隨著輸出功率水平，線性度和效率等領(lǐng)域?qū)�這些功率放大器的要求越來越高，放大器的行為需要徹底測試和評估。脈沖RF信號的時域特性需要時域信號分析。本文解釋了為什么峰值功率計是表征雷達液位計系統(tǒng)中使用的GaN功率放大器行為的理想測試儀器。GaN雷達液位計功率放大器技術(shù)概述

多年來，雷達液位計系統(tǒng)采用真空電子器件（VED），通常稱為管，用于高功率應(yīng)用。目前雷達液位計應(yīng)用中較常用的VED技術(shù)是行波管（TWT），速調(diào)管，磁控管和陀螺儀。TWT放大器（TWTA）提供多倍頻程帶寬，數(shù)千瓦峰值功率輸出，支持高頻，以及堅固耐用。然而，TWTA是相對昂貴的大型真空管結(jié)構(gòu)，需要相當大的尺寸和質(zhì)量。VED及其相關(guān)的高壓電源通常具有較短的壽命，對于相對良好的環(huán)境而言，從幾百小時到一萬小時不等。為了解決這些缺點，工程師們已經(jīng)研究了替代方案。

大約三十年前，稱為固態(tài)功率放大器（SSPA）的基于半導體的PA解決方案開始作為某些雷達液位計應(yīng)用的替代技術(shù)取得適度的進展。硅基橫向擴散金屬氧化物（LDMOS）提供幾百瓦的輸出功率，堅固性和可靠性。它在高輸出功率時的約3 GHz頻率上限（S波段）抑制了其在雷達液位計中的適用性。砷化鎵（GaAs）是一種寬帶隙半導體，克服了LDMOS的高頻缺陷，達到100 GHz以上，但其較低的工作電壓限制了其輸出功率能力。高功率GaAs放大器通常需要多個器件的并聯(lián)以達到所需的功率水平，但代價是效率損失。

在過去的20年中，氮化鎵（GaN）在SSPAs中得到了普及。與GaAs器件相比，GaN具有更高的功率密度，更高的效率和更高的電子遷移率（使其能夠在更高的頻率下使用）。較初，這些優(yōu)點是以降低可靠性和降低成本為代價的。較低的可靠性主要是由于缺少合適的基板以從模具中的高功率應(yīng)用中移除熱量�，F(xiàn)在通過將GaN放置在碳化硅（SiC）晶片襯底上來解決這個問題。SiC提供三倍的導熱性。增強的熱性能提高了可靠性和堅固性。通過制造工藝的進步和體積的增加，GaN高功率放大器的成本顯著降低。

目前，氮化鎵（GaN）晶體管廣泛用于許多商業(yè)和國防應(yīng)用中。許多人認為它是電子戰(zhàn)（EW），雷達液位計，衛(wèi)星，有線電視和移動通信中的高功率應(yīng)用的首選技術(shù)。由于涉及更高的功率，許多雷達液位計信號是脈沖的。測量和表征雷達液位計應(yīng)用中使用的脈沖RF信號提出了獨特的挑戰(zhàn)。考慮到脈沖RF信號的時域特性，觀察放大器性能的較佳方法是通過時域信號分析。本文解釋了為什么峰值功率計是必須具備的測試儀器，用于表征雷達液位計系統(tǒng)中使用的脈沖RF功率放大器（PA）的行為。

用于脈沖雷達液位計測量
的峰值功率計脈沖RF信號的較關(guān)鍵分析發(fā)生在時域中。由于峰值功率計在時域中測量，分析和顯示RF信號的功率包絡(luò)，因此它們是用于測量，分析和表征脈沖雷達液位計應(yīng)用中使用的高功率放大器的異常和行為的基本工具。圖1顯示了臺式峰值功率計的簡化框圖。

圖1.峰值功率計框圖

功率計的前端是容納在功率傳感器中的RF包絡(luò)檢測器。檢測器移除RF載波并產(chǎn)生表示RF輸入信號包絡(luò)的模擬波形。探測器較關(guān)鍵的規(guī)格是它對脈沖射頻信號的響應(yīng)時間或其上升時間。如果探測器沒有帶寬來跟蹤信號的包絡(luò)，則包括峰值，脈沖和平均功率在內(nèi)的所有測量的準確度都會受到影響（圖2）。

圖2.傳感器的上升時間和帶寬能力對精確測量和顯示脈沖RF信號的影響。

然后，檢測器輸出由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)字化。數(shù)字化樣本由數(shù)字信號處理器處理以進行線性化和測量分析。處理后的波形在時域中顯示為動力換檔時間以及自動脈沖和標記測量。在Boonton的峰值功率計中，在垂直軸上，功率（或電壓）以瓦特，伏特或dBm顯示，能夠改變比例和垂直中心。在水平軸上，時基可以設(shè)置為每格5 ns（50 ns范圍），以放大波形的特定部分，如上升沿或下降沿，以觀察波形的精細細節(jié)。Boonton的峰值功率計使用隨機交織采樣（RIS）技術(shù)，可在重復波形上產(chǎn)生100 ps的分辨率。圖3a顯示了傳統(tǒng)采樣和插值方法的時域圖，圖3b顯示了RIS方法。圖3c顯示了如何在Boonton 4500C峰值功率分析儀上從傳統(tǒng)方法到基于RIS的方法提高分辨率。 使用峰值功率計測試雷達液位計信號的高功率GaN放大器
圖3c。這四個屏幕截圖顯示了如何通過重復采樣技術(shù)構(gòu)建波形。第一次掃描（頂部）顯示一組三個數(shù)據(jù)點，相隔20 ns。其余三個顯示10,50和200組附加數(shù)據(jù)。該方法實現(xiàn)了較高分辨率，允許“放大”到快速信號。

圖3a。

圖3b。
峰值功率計可由輸入RF信號或施加到輔助輸入的外部選通（基帶）觸發(fā)信號觸發(fā)。RTP5000系列實時峰值功率傳感器中的實時功率處理™允許傳感器以每秒100,000個脈沖觸發(fā)，捕獲每個脈沖和毛刺事件。Boonton峰值功率計的高級觸發(fā)功能，如觸發(fā)釋抑，延遲了觸發(fā)器的重新布防，這在處理詢問朋友或敵人（IFF）雷達液位計信號時非常有用。

圖4.使用RTP5000系列實時峰值功率傳感器的自動脈沖和標記測量

在測量能力方面，峰值功率計執(zhí)行大量手動，自動標記和自動脈沖測量。自動脈沖測量（圖4）提供了許多關(guān)鍵參數(shù)的測量值，這些參數(shù)有助于表征功率放大器和雷達液位計系統(tǒng)的性能。上升和下降時間表示放大器輸出脈沖RF信號的能力。過沖可以確定潛在的振鈴問題。Droop顯示放大器的電源限制以及延長的脈沖寬度。脈沖寬度，周期，脈沖重復率和占空比測量提供信號的其他時域特性。還有許多自動標記測量（右圖4），可以進行時間選通測量。這些測量在兩個標記之間進行，并提供平均值，峰值，
 

圖5.可以使用峰值功率計測量的一些脈沖特性。

功率計相對于其他測量儀器的顯著優(yōu)點是功率傳感器的尺寸。它足夠小，可以直接連接到測量端口，而不需要射頻電纜，這會因阻抗不匹配和電纜損耗而降低測量精度，尤其是在較高頻率時。

對于自動測試環(huán)境，所有Boonton峰值功率計都可以通過各種接口遠程訪問，如USB，LAN（TCP / IP），RS232和GPIB，具體取決于型號。本文較后提供了有關(guān)功率測量主題的更多閱讀材料，其中包含文章和應(yīng)用說明的鏈接以及Boonton的射頻功率測量指南，該指南提供了對雷達液位計信號進行測量的實用見解。

用于進行脈沖雷達液位計測量的測試裝置盡管有許多脈沖RF放大器架構(gòu)，但本文還是考慮了兩種類型。第一種是調(diào)制放大器; 輸入為CW，輸出為脈沖RF，門控信號調(diào)制輸入信號，以獲得所需的脈沖RF信號（圖6）。

在圖6中，雙通道測量儀測量P1處的輸入信號功率和時域P2處的反射功率，用于回波損耗計算，以及監(jiān)測反射信號的異常。在P3處，監(jiān)視和測量放大器的輸出。上一節(jié)中提到的關(guān)鍵放大器參數(shù)在P3和P4處測量，監(jiān)測負載的反射功率。調(diào)制RF輸入信號的門控信號還可以觸發(fā)功率計，從而實現(xiàn)延遲和延遲測量。Boonton的較高性能臺式峰值功率分析儀，型號450C，具有波形數(shù)學功能，能夠在時域中顯示增益和回波損耗。該儀器還配備了兩個示波器通道。當放大器的門控信號觸發(fā)峰值功率計時，

雖然臺式型號支持一個（單個）或兩個（雙）通道，但RTP5000系列實時峰值功率傳感器可在單個GUI窗口上測量和顯示多達八個通道。使用三個或四個USB傳感器，放大器輸入和輸出功率，反射輸入功率和反射負載功率都可以通過遠程編程（較多16或32個通道）測量并顯示在同一跡線窗口或自動測試設(shè)置中。

第二種類型是僅增益放大器，其輸出是脈沖RF輸入信號的放大（通常是失真）版本（圖7），沒有門控信號提供給放大器。該設(shè)置不僅適用于分析完全組裝的放大器，還適用于分析諸如驅(qū)動級或放大器的較后級或甚至像GaN這樣的半導體功率晶體管的子組件。該設(shè)置使用三個峰值功率計和一個定向耦合器來進行放大器的標量增益和回波損耗測量。

在評估GaN等新技術(shù)時，監(jiān)測功率在脈沖寬度上下垂至關(guān)重要，因為它可以作為GaN器件及其封裝的熱性能限制的指標。時域峰值功率測量可以在放大器的輸出端進行（圖9）。

圖6.時域脈沖測量的測試設(shè)置。輸入信號為CW，輸出信號為脈沖RF。門控信號調(diào)制輸入的CW信號。

由于典型傳感器的額定功率約為+20 dBm，PA的輸出會衰減以保護功率傳感器，同時進行輸出功率測量。在進行測量之前，需要在放大器將要測試的頻率上進行徹底的校準，以說明信號路徑中的損耗。下面提供了需要在圖7的測試裝置中校準的損耗和計算增益和回波損耗所需的計算。
L1：信號發(fā)生器輸出損耗到定向耦合器的FWD端口。
L2：從信號發(fā)生器輸出到功率放大器輸入的損耗。
L3：放大器輸出損耗到40 dB衰減器輸出。
L4：放大器輸入損耗到定向耦合器的REV端口。
測量損耗后，可以進行輸入，輸出和反射功率測量：
P1：定向耦合器的FWD端口的功率讀數(shù)。
P2：在40 dB衰減器輸出端測量的功率。
P3：在定向耦合器的REV端口測量的功率。PA輸入功率= P1 + L1-L2
PA輸出功率= P2 + L3
PA輸入反射功率= P3 + L4
所有Boonton峰值功率計都能夠為測量添加偏移，因此，一旦測量到損耗，就可以通過儀表完成上述數(shù)學計算，并將其輸入到每個通道作為偏移。

圖7.使用三個傳感器和一個定向耦合器顯示時域標量增益和回波損耗測量的測試設(shè)置。
輸入，輸出和反射功率測量可用于計算增益（S21）和輸入回波損耗（S11）。
PA增益（dB）= PA輸出功率（dBm） - PA輸入功率（dBm）
PA輸入回波損耗（dB）= PA輸入功率（dBm） - PA輸入反射功率（dBm）
4500C可以使用波形數(shù)學在時域中執(zhí)行這些測量。
值得注意的是，在圖6和圖7的兩個測試裝置中，定向耦合器需要具有出色的方向性，以便進行精確的功率測量，尤其是回波損耗計算。在測量期間，耦合器的未使用端口必須以50歐姆端接。

圖8.屏幕截圖捕獲脈沖RF信號的輸入，輸出和反射波形。藍色跡線是DUT1的輸出（注意過沖和振鈴），紫色跡線是來自負載DUT2的輸入端口的反射信號。

測量
圖8顯示了使用RTP5000系列實時峰值功率傳感器使用圖7中的測試設(shè)置測量的三個波形。輸入波形顯示在CH1上，反射波形顯示在CH3上，輸出顯示在CH2上。請注意，在所有三個通道上執(zhí)行的自動測量顯示在跟蹤顯示窗口的左側(cè)�？梢詫�測量結(jié)果傳輸?shù)诫娮颖砀�，以�?zhí)行必要的增益和回波損耗計算，以及其他感興趣的參數(shù)。在自動測試環(huán)境中，可以通過遠程編程訪問相同的測量值，以執(zhí)行增益和回波損耗計算。使用Boonton RTP5318實時峰值功率傳感器，下垂測量功能如圖9所示�？梢允褂米詣用}沖測量或使用自動標記測量以及水平標記來測量功率下垂。自動標記測量可以在波形上的所需點處顯示下垂放置標記并使用MkRatio。或者，可以在垂直軸上將參考線放置在脈沖的所需高點和低點以測量下垂。無論標記或參考線放置如何，都會根據(jù)脈沖定義自動計算自動脈沖測量值。
 

圖9.使用RTP5318實時峰值功率傳感器進行下垂測量。藍色垂直線1和2是放置用于自動標記測量的標記。黃色虛線水平線是參考線。無論標記或參考線放置如何，都會根據(jù)脈沖定義自動計算自動脈沖測量值。

結(jié)論
在過去七十年中，基于VED的放大器一直主導著航空和戰(zhàn)爭雷達液位計系統(tǒng)中使用的PA。然而，新的基于半導體的SSPA已經(jīng)進入各種雷達液位計應(yīng)用，特別是基于GaN的雷達液位計應(yīng)用。無論雷達液位計PA中使用何種技術(shù)，高分辨率高精度時域功率測量對于理解放大器性能和行為至關(guān)重要。峰值功率計是用于時域功率分析的重要測量工具，用于測試雷達液位計功率放大器的研發(fā)，質(zhì)量，制造，現(xiàn)場支持和系統(tǒng)校準。