使用峰值功率計(jì)測(cè)試?yán)走_(dá)液位計(jì)信號(hào)的高功率

氮化鎵（GaN）技術(shù)已成為雷達(dá)液位計(jì)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(dá)液位計(jì)應(yīng)用通常需要脈沖信號(hào)。測(cè)量和表征雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用中使用的脈沖RF信號(hào)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。脈沖雷達(dá)液位計(jì)信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)“開(kāi)啟”，然后是長(zhǎng)“關(guān)閉”時(shí)段。在“開(kāi)啟”時(shí)間，系統(tǒng)可以傳輸從千瓦到兆瓦的功率。在“開(kāi)/關(guān)”轉(zhuǎn)換期間和長(zhǎng)時(shí)間“開(kāi)啟”期間，高功率脈沖可以以多種方式對(duì)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(lái)越高，放大器的行為需要徹底測(cè)試和評(píng)估。脈沖RF信號(hào)的時(shí)域特性需要時(shí)域信號(hào)分析。本文解釋了為什么峰值功率計(jì)是表征雷達(dá)液位計(jì)系統(tǒng)中使用的GaN功率放大器行為的理想測(cè)試儀器。GaN雷達(dá)液位計(jì)功率放大器技術(shù)概述

多年來(lái)，雷達(dá)液位計(jì)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(dá)液位計(jì)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(jiān)固耐用。然而，TWTA是相對(duì)昂貴的大型真空管結(jié)構(gòu)，需要相當(dāng)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(duì)于相對(duì)良好的環(huán)境而言，從幾百小時(shí)到一萬(wàn)小時(shí)不等。為了解決這些缺點(diǎn)，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(dǎo)體的PA解決方案開(kāi)始作為某些雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用的替代技術(shù)取得適度的進(jìn)展。硅基橫向擴(kuò)散金屬氧化物（LDMOS）提供幾百瓦的輸出功率，堅(jiān)固性和可靠性。它在高輸出功率時(shí)的約3 GHz頻率上限（S波段）抑制了其在雷達(dá)液位計(jì)中的適用性。砷化鎵（GaAs）是一種寬帶隙半導(dǎo)體，克服了LDMOS的高頻缺陷，達(dá)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(gè)器件的并聯(lián)以達(dá)到所需的功率水平，但代價(jià)是效率損失。

在過(guò)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(diǎn)是以降低可靠性和降低成本為代價(jià)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。現(xiàn)在通過(guò)將GaN放置在碳化硅（SiC）晶片襯底上來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。SiC提供三倍的導(dǎo)熱性。增強(qiáng)的熱性能提高了可靠性和堅(jiān)固性。通過(guò)制造工藝的進(jìn)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(guó)防應(yīng)用中。許多人認(rèn)為它是電子戰(zhàn)（EW），雷達(dá)液位計(jì)，衛(wèi)星，有線電視和移動(dòng)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(dá)液位計(jì)信號(hào)是脈沖的。測(cè)量和表征雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用中使用的脈沖RF信號(hào)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。考慮到脈沖RF信號(hào)的時(shí)域特性，觀察放大器性能的較佳方法是通過(guò)時(shí)域信號(hào)分析。本文解釋了為什么峰值功率計(jì)是必須具備的測(cè)試儀器，用于表征雷達(dá)液位計(jì)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(dá)液位計(jì)測(cè)量
的峰值功率計(jì)脈沖RF信號(hào)的較關(guān)鍵分析發(fā)生在時(shí)域中。由于峰值功率計(jì)在時(shí)域中測(cè)量，分析和顯示RF信號(hào)的功率包絡(luò)，因此它們是用于測(cè)量，分析和表征脈沖雷達(dá)液位計(jì)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(tái)式峰值功率計(jì)的簡(jiǎn)化框圖。

圖1.峰值功率計(jì)框圖

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

圖2.傳感器的上升時(shí)間和帶寬能力對(duì)精確測(cè)量和顯示脈沖RF信號(hào)的影響。

然后，檢測(cè)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(hào)處理器處理以進(jìn)行線性化和測(cè)量分析。處理后的波形在時(shí)域中顯示為動(dòng)力換檔時(shí)間以及自動(dòng)脈沖和標(biāo)記測(cè)量。在Boonton的峰值功率計(jì)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(shí)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(xì)細(xì)節(jié)。Boonton的峰值功率計(jì)使用隨機(jī)交織采樣（RIS）技術(shù)，可在重復(fù)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(shí)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(jì)測(cè)試?yán)走_(dá)液位計(jì)信號(hào)的高功率GaN放大器
圖3c。這四個(gè)屏幕截圖顯示了如何通過(guò)重復(fù)采樣技術(shù)構(gòu)建波形。第一次掃描（頂部）顯示一組三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，相隔20 ns。其余三個(gè)顯示10,50和200組附加數(shù)據(jù)。該方法實(shí)現(xiàn)了較高分辨率，允許“放大”到快速信號(hào)。

圖3a。

圖3b。
峰值功率計(jì)可由輸入RF信號(hào)或施加到輔助輸入的外部選通（基帶）觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)。RTP5000系列實(shí)時(shí)峰值功率傳感器中的實(shí)時(shí)功率處理™允許傳感器以每秒100,000個(gè)脈沖觸發(fā)，捕獲每個(gè)脈沖和毛刺事件。Boonton峰值功率計(jì)的高級(jí)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(wèn)朋友或敵人（IFF）雷達(dá)液位計(jì)信號(hào)時(shí)非常有用。

圖4.使用RTP5000系列實(shí)時(shí)峰值功率傳感器的自動(dòng)脈沖和標(biāo)記測(cè)量

在測(cè)量能力方面，峰值功率計(jì)執(zhí)行大量手動(dòng)，自動(dòng)標(biāo)記和自動(dòng)脈沖測(cè)量。自動(dòng)脈沖測(cè)量（圖4）提供了許多關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量值，這些參數(shù)有助于表征功率放大器和雷達(dá)液位計(jì)系統(tǒng)的性能。上升和下降時(shí)間表示放大器輸出脈沖RF信號(hào)的能力。過(guò)沖可以確定潛在的振鈴問(wèn)題。Droop顯示放大器的電源限制以及延長(zhǎng)的脈沖寬度。脈沖寬度，周期，脈沖重復(fù)率和占空比測(cè)量提供信號(hào)的其他時(shí)域特性。還有許多自動(dòng)標(biāo)記測(cè)量（右圖4），可以進(jìn)行時(shí)間選通測(cè)量。這些測(cè)量在兩個(gè)標(biāo)記之間進(jìn)行，并提供平均值，峰值，
 

圖5.可以使用峰值功率計(jì)測(cè)量的一些脈沖特性。

功率計(jì)相對(duì)于其他測(cè)量?jī)x器的顯著優(yōu)點(diǎn)是功率傳感器的尺寸。它足夠小，可以直接連接到測(cè)量端口，而不需要射頻電纜，這會(huì)因阻抗不匹配和電纜損耗而降低測(cè)量精度，尤其是在較高頻率時(shí)。

對(duì)于自動(dòng)測(cè)試環(huán)境，所有Boonton峰值功率計(jì)都可以通過(guò)各種接口遠(yuǎn)程訪問(wèn)，如USB，LAN（TCP / IP），RS232和GPIB，具體取決于型號(hào)。本文較后提供了有關(guān)功率測(cè)量主題的更多閱讀材料，其中包含文章和應(yīng)用說(shuō)明的鏈接以及Boonton的射頻功率測(cè)量指南，該指南提供了對(duì)雷達(dá)液位計(jì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的實(shí)用見(jiàn)解。

用于進(jìn)行脈沖雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的測(cè)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(hào)調(diào)制輸入信號(hào)，以獲得所需的脈沖RF信號(hào)（圖6）。

在圖6中，雙通道測(cè)量?jī)x測(cè)量P1處的輸入信號(hào)功率和時(shí)域P2處的反射功率，用于回波損耗計(jì)算，以及監(jiān)測(cè)反射信號(hào)的異常。在P3處，監(jiān)視和測(cè)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(cè)量，監(jiān)測(cè)負(fù)載的反射功率。調(diào)制RF輸入信號(hào)的門控信號(hào)還可以觸發(fā)功率計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)延遲和延遲測(cè)量。Boonton的較高性能臺(tái)式峰值功率分析儀，型號(hào)450C，具有波形數(shù)學(xué)功能，能夠在時(shí)域中顯示增益和回波損耗。該儀器還配備了兩個(gè)示波器通道。當(dāng)放大器的門控信號(hào)觸發(fā)峰值功率計(jì)時(shí)，

雖然臺(tái)式型號(hào)支持一個(gè)（單個(gè)）或兩個(gè)（雙）通道，但RTP5000系列實(shí)時(shí)峰值功率傳感器可在單個(gè)GUI窗口上測(cè)量和顯示多達(dá)八個(gè)通道。使用三個(gè)或四個(gè)USB傳感器，放大器輸入和輸出功率，反射輸入功率和反射負(fù)載功率都可以通過(guò)遠(yuǎn)程編程（較多16或32個(gè)通道）測(cè)量并顯示在同一跡線窗口或自動(dòng)測(cè)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(hào)的放大（通常是失真）版本（圖7），沒(méi)有門控信號(hào)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(dòng)級(jí)或放大器的較后級(jí)或甚至像GaN這樣的半導(dǎo)體功率晶體管的子組件。該設(shè)置使用三個(gè)峰值功率計(jì)和一個(gè)定向耦合器來(lái)進(jìn)行放大器的標(biāo)量增益和回波損耗測(cè)量。

在評(píng)估GaN等新技術(shù)時(shí)，監(jiān)測(cè)功率在脈沖寬度上下垂至關(guān)重要，因?yàn)樗�可以作為GaN器件及其封裝的熱性能限制的指標(biāo)。時(shí)域峰值功率測(cè)量可以在放大器的輸出端進(jìn)行（圖9）。

圖6.時(shí)域脈沖測(cè)量的測(cè)試設(shè)置。輸入信號(hào)為CW，輸出信號(hào)為脈沖RF。門控信號(hào)調(diào)制輸入的CW信號(hào)。

由于典型傳感器的額定功率約為+20 dBm，PA的輸出會(huì)衰減以保護(hù)功率傳感器，同時(shí)進(jìn)行輸出功率測(cè)量。在進(jìn)行測(cè)量之前，需要在放大器將要測(cè)試的頻率上進(jìn)行徹底的校準(zhǔn)，以說(shuō)明信號(hào)路徑中的損耗。下面提供了需要在圖7的測(cè)試裝置中校準(zhǔn)的損耗和計(jì)算增益和回波損耗所需的計(jì)算。
L1：信號(hào)發(fā)生器輸出損耗到定向耦合器的FWD端口。
L2：從信號(hào)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(cè)量損耗后，可以進(jìn)行輸入，輸出和反射功率測(cè)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(cè)量的功率。
P3：在定向耦合器的REV端口測(cè)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(jì)都能夠?yàn)闇y(cè)量添加偏移，因此，一旦測(cè)量到損耗，就可以通過(guò)儀表完成上述數(shù)學(xué)計(jì)算，并將其輸入到每個(gè)通道作為偏移。

圖7.使用三個(gè)傳感器和一個(gè)定向耦合器顯示時(shí)域標(biāo)量增益和回波損耗測(cè)量的測(cè)試設(shè)置。
輸入，輸出和反射功率測(cè)量可用于計(jì)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(xué)在時(shí)域中執(zhí)行這些測(cè)量。
值得注意的是，在圖6和圖7的兩個(gè)測(cè)試裝置中，定向耦合器需要具有出色的方向性，以便進(jìn)行精確的功率測(cè)量，尤其是回波損耗計(jì)算。在測(cè)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(hào)的輸入，輸出和反射波形。藍(lán)色跡線是DUT1的輸出（注意過(guò)沖和振鈴），紫色跡線是來(lái)自負(fù)載DUT2的輸入端口的反射信號(hào)。

測(cè)量
圖8顯示了使用RTP5000系列實(shí)時(shí)峰值功率傳感器使用圖7中的測(cè)試設(shè)置測(cè)量的三個(gè)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(qǐng)注意，在所有三個(gè)通道上執(zhí)行的自動(dòng)測(cè)量顯示在跟蹤顯示窗口的左側(cè)。可以將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)诫娮颖砀瘢�以�?zhí)行必要的增益和回波損耗計(jì)算，以及其他感興趣的參數(shù)。在自動(dòng)測(cè)試環(huán)境中，可以通過(guò)遠(yuǎn)程編程訪問(wèn)相同的測(cè)量值，以執(zhí)行增益和回波損耗計(jì)算。使用Boonton RTP5318實(shí)時(shí)峰值功率傳感器，下垂測(cè)量功能如圖9所示。可以使用自動(dòng)脈沖測(cè)量或使用自動(dòng)標(biāo)記測(cè)量以及水平標(biāo)記來(lái)測(cè)量功率下垂。自動(dòng)標(biāo)記測(cè)量可以在波形上的所需點(diǎn)處顯示下垂放置標(biāo)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(diǎn)和低點(diǎn)以測(cè)量下垂。無(wú)論標(biāo)記或參考線放置如何，都會(huì)根據(jù)脈沖定義自動(dòng)計(jì)算自動(dòng)脈沖測(cè)量值。
 

圖9.使用RTP5318實(shí)時(shí)峰值功率傳感器進(jìn)行下垂測(cè)量。藍(lán)色垂直線1和2是放置用于自動(dòng)標(biāo)記測(cè)量的標(biāo)記。黃色虛線水平線是參考線。無(wú)論標(biāo)記或參考線放置如何，都會(huì)根據(jù)脈沖定義自動(dòng)計(jì)算自動(dòng)脈沖測(cè)量值。

結(jié)論
在過(guò)去七十年中，基于VED的放大器一直主導(dǎo)著航空和戰(zhàn)爭(zhēng)雷達(dá)液位計(jì)系統(tǒng)中使用的PA。然而，新的基于半導(dǎo)體的SSPA已經(jīng)進(jìn)入各種雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用，特別是基于GaN的雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用。無(wú)論雷達(dá)液位計(jì)PA中使用何種技術(shù)，高分辨率高精度時(shí)域功率測(cè)量對(duì)于理解放大器性能和行為至關(guān)重要。峰值功率計(jì)是用于時(shí)域功率分析的重要測(cè)量工具，用于測(cè)試?yán)走_(dá)液位計(jì)功率放大器的研發(fā)，質(zhì)量，制造，現(xiàn)場(chǎng)支持和系統(tǒng)校準(zhǔn)。