使用峰值功率计测试雷达液位计信号的高功率

氮化镓（GaN）技术已成为雷达液位计应用中使用的高功率放大器（PA）的主要技术。此外，高功率和/或雷达液位计应用通常需要脉冲信号。测量和表征雷达液位计应用中使用的脉冲RF信号提出了独特的挑战。脉冲雷达液位计信号在短时间内“开启”，然后是长“关闭”时段。在“开启”时间，系统可以传输从千瓦到兆瓦的功率。在“开/关”转换期间和长时间“开启”期间，高功率脉冲可以以多种方式对功率放大器（PA）施加压力。随着输出功率水平，线性度和效率等领域对这些功率放大器的要求越来越高，放大器的行为需要彻底测试和评估。脉冲RF信号的时域特性需要时域信号分析。本文说明了为什么峰值功率计是表征雷达液位计系统中使用的GaN功率放大器行为的理想测试仪器。GaN雷达液位计功率放大器技术概述

多年来，雷达液位计系统采用真空电子器件（VED），通常称为管，用于高功率应用。目前雷达液位计应用中较常用的VED技术是行波管（TWT），速调管，磁控管和陀螺仪。TWT放大器（TWTA）提供多倍频程带宽，数千瓦峰值功率输出，支撑高频，以及坚固耐用。然而，TWTA是相对昂贵的大型真空管结构，需要相当大的尺寸和质量。VED及其相关的高压电源通常具有较短的寿命，对于相对良好的环境而言，从几百小时到一万小时不等。为了解决这些缺点，工程师们已经研究了替代方案。

大约三十年前，称为固态功率放大器（SSPA）的基于半导体的PA解决方案开始作为某些雷达液位计应用的替代技术取得适度的进展。硅基横向扩散金属氧化物（LDMOS）提供几百瓦的输出功率，坚固性和可靠性。它在高输出功率时的约3 GHz频率上限（S波段）抑制了其在雷达液位计中的适用性。砷化镓（GaAs）是一种宽带隙半导体，克服了LDMOS的高频缺陷，达到100 GHz以上，但其较低的工作电压限制了其输出功率能力。高功率GaAs放大器通常需要多个器件的并联以达到所需的功率水平，但代价是效率损失。

在过去的20年中，氮化镓（GaN）在SSPAs中得到了普及。与GaAs器件相比，GaN具有更高的功率密度，更高的效率和更高的电子迁移率（使其能够在更高的频率下使用）。较初，这些优点是以降低可靠性和降低成本为代价的。较低的可靠性主要是由于缺少合适的基板以从模具中的高功率应用中移除热量。现在通过将GaN放置在碳化硅（SiC）晶片衬底上来解决这个问题。SiC提供三倍的导热性。增强的热性能提高了可靠性和坚固性。通过制造工艺的进步和体积的增加，GaN高功率放大器的成本显着降低。

目前，氮化镓（GaN）晶体管广泛用于许多商业和国防应用中。许多人认为它是电子战（EW），雷达液位计，卫星，有线电视和移动通信中的高功率应用的首选技术。由于涉及更高的功率，许多雷达液位计信号是脉冲的。测量和表征雷达液位计应用中使用的脉冲RF信号提出了独特的挑战。考虑到脉冲RF信号的时域特性，观察放大器性能的较佳方法是通过时域信号分析。本文说明了为什么峰值功率计是必须具备的测试仪器，用于表征雷达液位计系统中使用的脉冲RF功率放大器（PA）的行为。

用于脉冲雷达液位计测量
的峰值功率计脉冲RF信号的较关键分析发生在时域中。由于峰值功率计在时域中测量，分析和显示RF信号的功率包络，因此它们是用于测量，分析和表征脉冲雷达液位计应用中使用的高功率放大器的异常和行为的基本工具。图1显示了台式峰值功率计的简化框图。

图1.峰值功率计框图

功率计的前端是容纳在功率传感器中的RF包络检测器。检测器移除RF载波并产生表示RF输入信号包络的模拟波形。探测器较关键的规格是它对脉冲射频信号的响应时间或其上升时间。如果探测器没有带宽来跟踪信号的包络，则包括峰值，脉冲和平均功率在内的所有测量的准确度都会受到影响（图2）。

图2.传感器的上升时间和带宽能力对精确测量和显示脉冲RF信号的影响。

然后，检测器输出由模数转换器（ADC）数字化。数字化样本由数字信号处理器处理以进行线性化和测量分析。处理后的波形在时域中显示为动力换档时间以及自动脉冲和标记测量。在Boonton的峰值功率计中，在垂直轴上，功率（或电压）以瓦特，伏特或dBm显示，能够改变比例和垂直中心。在水平轴上，时基可以设置为每格5 ns（50 ns范围），以放大波形的特定部分，如上升沿或下降沿，以观察波形的精细细节。Boonton的峰值功率计使用随机交织采样（RIS）技术，可在重复波形上产生100 ps的分辨率。图3a显示了传统采样和插值方法的时域图，图3b显示了RIS方法。图3c显示了如何在Boonton 4500C峰值功率分析仪上从传统方法到基于RIS的方法提高分辨率。 使用峰值功率计测试雷达液位计信号的高功率GaN放大器
图3c。这四个屏幕截图显示了如何通过重复采样技术构建波形。第一次扫描（顶部）显示一组三个数据点，相隔20 ns。其余三个显示10,50和200组附加数据。该方法实现了较高分辨率，允许“放大”到快速信号。

图3a。

图3b。
峰值功率计可由输入RF信号或施加到辅助输入的外部选通（基带）触发信号触发。RTP5000系列实时峰值功率传感器中的实时功率处理™允许传感器以每秒100,000个脉冲触发，捕获每个脉冲和毛刺事件。Boonton峰值功率计的高级触发功能，如触发释抑，延迟了触发器的重新布防，这在处理询问朋友或敌人（IFF）雷达液位计信号时非常有用。

图4.使用RTP5000系列实时峰值功率传感器的自动脉冲和标记测量

在测量能力方面，峰值功率计实行大量手动，自动标记和自动脉冲测量。自动脉冲测量（图4）提供了许多关键参数的测量值，这些参数有助于表征功率放大器和雷达液位计系统的性能。上升和下降时间表示放大器输出脉冲RF信号的能力。过冲可以确定潜在的振铃问题。Droop显示放大器的电源限制以及延长的脉冲宽度。脉冲宽度，周期，脉冲重复率和占空比测量提供信号的其他时域特性。还有许多自动标记测量（右图4），可以进行时间选通测量。这些测量在两个标记之间进行，并提供平均值，峰值，
 

图5.可以使用峰值功率计测量的一些脉冲特性。

功率计相对于其他测量仪器的显着优点是功率传感器的尺寸。它足够小，可以直接连接到测量端口，而不需要射频电缆，这会因阻抗不匹配和电缆损耗而降低测量精度，尤其是在较高频率时。

对于自动测试环境，所有Boonton峰值功率计都可以通过各种接口远程访问，如USB，LAN（TCP / IP），RS232和GPIB，具体取决于型号。本文较后提供了有关功率测量主题的更多阅读材料，其中包含文章和应用说明的链接以及Boonton的射频功率测量指南，该指南提供了对雷达液位计信号进行测量的实用见解。

用于进行脉冲雷达液位计测量的测试装置尽管有许多脉冲RF放大器架构，但本文还是考虑了两种类型。第一种是调制放大器; 输入为CW，输出为脉冲RF，门控信号调制输入信号，以获得所需的脉冲RF信号（图6）。

在图6中，双通道测量仪测量P1处的输入信号功率和时域P2处的反射功率，用于回波损耗计算，以及监测反射信号的异常。在P3处，监视和测量放大器的输出。上一节中提到的关键放大器参数在P3和P4处测量，监测负载的反射功率。调制RF输入信号的门控信号还可以触发功率计，从而实现延迟和延迟测量。Boonton的较高性能台式峰值功率分析仪，型号450C，具有波形数学功能，能够在时域中显示增益和回波损耗。该仪器还配备了两个示波器通道。当放大器的门控信号触发峰值功率计时，

虽然台式型号支撑一个（单个）或两个（双）通道，但RTP5000系列实时峰值功率传感器可在单个GUI窗口上测量和显示多达八个通道。使用三个或四个USB传感器，放大器输入和输出功率，反射输入功率和反射负载功率都可以通过远程编程（较多16或32个通道）测量并显示在同一迹线窗口或自动测试设置中。

第二种类型是仅增益放大器，其输出是脉冲RF输入信号的放大（通常是失真）版本（图7），没有门控信号提供给放大器。该设置不仅适用于分析完全组装的放大器，还适用于分析诸如驱动级或放大器的较后级或甚至像GaN这样的半导体功率晶体管的子组件。该设置使用三个峰值功率计和一个定向耦合器来进行放大器的标量增益和回波损耗测量。

在评估GaN等新技术时，监测功率在脉冲宽度上下垂至关重要，因为它可以作为GaN器件及其封装的热性能限制的指标。时域峰值功率测量可以在放大器的输出端进行（图9）。

图6.时域脉冲测量的测试设置。输入信号为CW，输出信号为脉冲RF。门控信号调制输入的CW信号。

由于典型传感器的额定功率约为+20 dBm，PA的输出会衰减以保护功率传感器，同时进行输出功率测量。在进行测量之前，需要在放大器将要测试的频率上进行彻底的校准，以说明信号路径中的损耗。下面提供了需要在图7的测试装置中校准的损耗和计算增益和回波损耗所需的计算。
L1：信号发生器输出损耗到定向耦合器的FWD端口。
L2：从信号发生器输出到功率放大器输入的损耗。
L3：放大器输出损耗到40 dB衰减器输出。
L4：放大器输入损耗到定向耦合器的REV端口。
测量损耗后，可以进行输入，输出和反射功率测量：
P1：定向耦合器的FWD端口的功率读数。
P2：在40 dB衰减器输出端测量的功率。
P3：在定向耦合器的REV端口测量的功率。PA输入功率= P1 + L1-L2
PA输出功率= P2 + L3
PA输入反射功率= P3 + L4
所有Boonton峰值功率计都能够为测量添加偏移，因此，一旦测量到损耗，就可以通过仪表完成上述数学计算，并将其输入到每个通道作为偏移。

图7.使用三个传感器和一个定向耦合器显示时域标量增益和回波损耗测量的测试设置。
输入，输出和反射功率测量可用于计算增益（S21）和输入回波损耗（S11）。
PA增益（dB）= PA输出功率（dBm） - PA输入功率（dBm）
PA输入回波损耗（dB）= PA输入功率（dBm） - PA输入反射功率（dBm）
4500C可以使用波形数学在时域中实行这些测量。
值得注意的是，在图6和图7的两个测试装置中，定向耦合器需要具有出色的方向性，以便进行精确的功率测量，尤其是回波损耗计算。在测量期间，耦合器的未使用端口必须以50欧姆端接。

图8.屏幕截图捕获脉冲RF信号的输入，输出和反射波形。蓝色迹线是DUT1的输出（注意过冲和振铃），紫色迹线是来自负载DUT2的输入端口的反射信号。

测量
图8显示了使用RTP5000系列实时峰值功率传感器使用图7中的测试设置测量的三个波形。输入波形显示在CH1上，反射波形显示在CH3上，输出显示在CH2上。请注意，在所有三个通道上实行的自动测量显示在跟踪显示窗口的左侧。可以将测量结果传输到电子表格，以实行必要的增益和回波损耗计算，以及其他感兴趣的参数。在自动测试环境中，可以通过远程编程访问相同的测量值，以实行增益和回波损耗计算。使用Boonton RTP5318实时峰值功率传感器，下垂测量功能如图9所示。可以使用自动脉冲测量或使用自动标记测量以及水平标记来测量功率下垂。自动标记测量可以在波形上的所需点处显示下垂放置标记并使用MkRatio。或者，可以在垂直轴上将参考线放置在脉冲的所需高点和低点以测量下垂。无论标记或参考线放置如何，都会根据脉冲定义自动计算自动脉冲测量值。
 

图9.使用RTP5318实时峰值功率传感器进行下垂测量。蓝色垂直线1和2是放置用于自动标记测量的标记。黄色虚线水平线是参考线。无论标记或参考线放置如何，都会根据脉冲定义自动计算自动脉冲测量值。

结论
在过去七十年中，基于VED的放大器一直主导着航空和战争雷达液位计系统中使用的PA。然而，新的基于半导体的SSPA已经进入各种雷达液位计应用，特别是基于GaN的雷达液位计应用。无论雷达液位计PA中使用何种技术，高分辨率高精度时域功率测量对于理解放大器性能和行为至关重要。峰值功率计是用于时域功率分析的重要测量工具，用于测试雷达液位计功率放大器的研发，质量，制造，现场支撑和系统校准。