测量和表征雷达应用中使用的脉冲射频信号带来了独特的挑战。与通信信号不同，脉冲雷达信号在短时间内“开启”，然后是长时间的“关闭”，在“开启”期间，系统传输的功率从KW到MW不等。高功率脉冲可以在开/关转换期间和长时间的“开”期间以多种方式对功率放大器（PA）施加压力。随着新的PA器件技术的引入，最新的技术是GaN，需要对放大器的性能进行彻底的测试和评估。鉴于脉冲射频信号的时域性质，观察放大器性能的最佳方式是通过时域信号分析。本文解释了为什么峰值功率计是表征雷达系统中使用的脉冲射频功率放大器（PA）性能的必备测试仪器
雷达功率放大器技术概述
雷达系统的高功率放大器（HPA）中使用了不同技术，目前雷达应用中最常用的真空电子技术VED是行波管（TWT），速调管，磁控管和回旋管。TWT放大器（TWTA）提供雷达系统最需要的多倍频程带宽、千瓦峰值功率输出、对高频的支持以及坚固性和可靠性。与TWTA相比，速调管功率放大器（KPA）提供了更好的效率。大约四十年前，基于半导体的PA解决方案被称为固态功率放大器（SSPA）开始取得适度进展作为某些雷达应用的替代技术。砷化镓（GaAs）是一种宽带隙半导体，它克服了LDMOS的高频缺陷，达到了100GHz以上，但其工作频率较低电压限制了其输出功率能力。高功率GaAs放大器经常需要多个设备并联以效率损失为代价达到所需的功率水平。近年来氮化镓GaN的推出引起了人们的极大兴趣，因为它提供了在非常高的频率下数百瓦的输出功率；它也提供了雷达应用所需的坚固性。通过在碳化硅（SiC）晶片衬底上放置GaN有效的解决了散热问题，提高了可靠性和耐用性。虽然TWTA和KPA将在可预见的未来继续存在，GaN已经成为一种合适的低成本替代品。
用于脉冲雷达测量的峰值功率计
脉冲射频信号的最关键分析发生在时域中。由于峰值功率计在时域中测量、分析和显示射频信号的功率包络，因此它们是测量、分析并表征脉冲雷达应用中使用的高功率放大器的异常和行为的重要工具。图一显示了台式峰值功率计的简化框图。
图一 峰值功率计逻辑框图
功率计的前端是内置的射频包络检测器
在功率传感器中。检测器去除射频载波并生成射频输入信号的包络波形。检测器最关键指标是其对脉冲射频信号的响应时间或其上升时间。如果检测器没有足够带宽跟踪信号包络，那么包括峰值、脉冲和平均功率在内的所有测量的准确性都会受到影响（图2）。
图二 射频包络检测器视频带宽
检测器输出通过模数转换器（ADC）数字化，数字化样本由数字信号处理器处理，用于线性化和测量分析。处理后的波形在时域中显示为功率随时间变化，以及自动脉冲和标记测量。在Boonton峰值功率计中，在垂直轴上，功率（或电压）以W、V或dBm为单位显示，并能够改变缩放比例和垂直位置。在水平轴上，时基可以设置为低至5ns/格，以放大到波形的特定部分，例如上升沿或下降沿，以观察波形的精细细节。Boonton峰值功率计使用随机交织采样（RIS）技术，该技术在重复波形上产生100ps的分辨率。
峰值功率计可以由输入射频信号或辅助输入的外部触发信号触发。RTP5000系列USB峰值功率计中的Real Time Power Processing™使传感器能够每秒触发100，000个脉冲，捕捉每个脉冲和故障事件。Boonton峰值功率计的高级触发功能（如触发保持，延迟触发）在处理询问敌我雷达信号时很有用。
就测量能力而言，峰值功率计执行许多手动、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雷达系统的性能。上升和下降时间表示放大器输出脉冲RF信号的能力。Overshoot可精确定位潜在的振铃问题。Droop显示了放大器在脉冲宽度延长的情况下的电源限制。脉冲宽度、周期、脉冲重复率和占空比测量提供了信号的其他时域特性。还有许多自动标记测量（右侧图4），可以实现时间门控测量。这些测量是在两个标记之间进行的，并提供平均、峰值、最小和最大功率读数，以及峰均比、功率水平的德尔塔标记和德尔塔时间标记测量值。
图四 脉冲信号自动测量界面
功率计相对于其他测量仪器的一个显著优势是功率传感器的尺寸。它足够小和轻，可以直接连接到测量端口，而不需要射频电缆，通常这会由于阻抗失配和电缆损耗而降低测量精度，尤其是在较高频率下。对于自动化测试环境，所有Boonton峰值功率计都可以通过各种接口远程访问，如USB、LAN、RS232和GPIB，具体取决于型号。
脉冲雷达测量的测试装置
尽管有许多脉冲射频放大器结构，但本文考虑了两种类型。第一种是调制放大器；输入为CW，输出为脉冲射频信号，其中脉冲门控信号调制输入信号以获得所需的脉冲射频信号。在图6中，双通道仪表在时域中测量P1处的输入信号功率和P2处的反射功率，用于回波损耗计算，并监测反射信号的异常情况。在P3处，对放大器的输出进行监测和测量。在P3和P4处测量前一节中提到的关键放大器参数，监测负载的反射功率。调制射频输入信号的信号脉冲门控信号也可以触发功率计，从而实现延迟和延迟测量。Boonton的最高性能台式峰值功率分析仪，型号4500C，配备波形数学功能，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。当到放大器的脉冲门控信号触发峰值功率分析仪时，脉冲门控信号和放大器的输出都可以在峰值功率计上显示，从而实现关键的定时测量，并检测脉冲门控信号是否导致任何放大器异常。
台式机型号支持一个（单）或两个（双）通道，但RTP5000系列USB峰值功率计可以在单个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（最多16或32个通道）在同一跟踪窗口或自动测试设置中进行测量和显示。
图六 调制放大器测量连接图
第二种类型是纯增益放大器，其中输出是脉冲射频输入信号的放大（且经常失真）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，而且适用于分析子组件，例如放大器的驱动器级或末级，甚至适用于分析像GaN这样的半导体功率晶体管。该装置使用三个峰值功率计和一个定向耦合器对放大器。在评估GaN等新技术时，监测整个脉冲宽度的功率下降至关重要，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）。
图七 增益放大器测量连接图
图九 脉冲Droop 测量图
结论
基于VED的放大器在航空中使用的PA中占主导地位以及过去70年的战争雷达系统。然而，新的基于半导体的SSPA已经进入了各种雷达应用，特别是基于GaN的雷达应用。无论雷达PA中使用的技术如何，高分辨率、高精度的时域功率测量对于理解放大器的性能和行为至关重要。峰值功率计是时域功率分析的重要测量工具，用于测试雷达功率放大器的研发、质量、制造、现场支持和系统校准。
Boonton峰值功率计解决方案
Boonton已经开发功率计60年了，几乎和雷达系统一样长。正如基于VED的放大器已经发展一样，功率计也在发展。几十年来，Boonton峰值功率计已成功应用于民用和军用航空、战争和天气雷达系统，并已成为雷达信号测试的首选仪器。
Boonton 4500C是顶级性能台式峰值功率分析仪。它是在脉冲射频应用的时域和统计域中捕获、显示、分析和表征射频功率的首选仪器。4500C已经部署在气象、民用和军用航空以及电子战雷达系统测试中。除了雷达应用之外，还需要对802.11ac WLAN和TDD-LTE等通信信号进行时间门控功率测量。波形数学和存储器通道以及两个示波器通道，用于在与输入射频包络信号相同的显示器上监测外部触发信号。
PMX40系列将峰值功率计、平均功率计和电压表组合成一个前沿仪器，用于精确的射频测量，同时还提供最多4通道输入。与4500C一样，它具有高动态范围和小于3ns的上升时间，并在信号波形分析中提供了大量细节。它非常适合在时域和统计域中捕获、显示和分析射频功率。PMX40被高功率放大器制造商广泛用于研发和制造测试架。
RTP5000系列USB峰值功率计，可提供USB外形的台式性能。独有的Real-Time Power Processing™信号处理能力，能够进行每秒100，000次触发测量，使其成为捕捉高PRI/PRR/PRF雷达信号的理想选择，而不会错过脉冲和毛刺事件。业界领先的3 ns上升时间旨在处理最具挑战性的雷达信号。195 MHz视频带宽使其非常适合于对802.11ac WLAN、TDD-LTE和FDD-LTE等宽带通信信号进行时间门控功率和峰值因子测量。
