峰值功率計於氮化鎵、砷化鎵、行波管、速調管雷達高功率放大器之測試應用

量測和特性分析雷達應用中所使用的脈衝射頻訊號，呈現了獨特的挑戰，不同於通訊訊號，脈衝雷達訊號在其「開啟」狀態僅持續一小段時間，隨後是長時間的「關閉」期間，在「開啟」時間內，系統傳輸的功率範圍從千瓦到百萬瓦不等，這種高功率脈衝會在多方面對功率放大器 (PA) 造成壓力，無論是在開關轉換期間還是在長時間的「開啟」狀態下皆然。隨著新的 PA 元件技術不斷引進，其中最新的是氮化鎵 (GaN)，放大器的行為需要進行徹底的測試與評估，考量到脈衝射頻訊號的時域特性，觀察放大器效能的最佳方式是透過時域訊號分析，本文解釋了為何峰值功率計是特性分析雷達系統中使用的脈衝射頻 PA 行為時，不可或缺的測試儀器。
 

雷達功率放大器技術概覽

在我們探討峰值功率計及其功能之前，讓我們先檢視一下用於雷達系統之高功率放大器 (HPA) 的不同技術，特別是碳化矽基氮化鎵 (GaN on SiC)，以及它為何在過去十年間引起了廣泛關注。

二十世紀下半葉見證了半導體技術在電子領域的崛起與主導地位，並逐漸淘汰了通常被稱為真空管的真空電子裝置 (VED)，除了搖滾樂團對真空管放大器「溫暖」聲音的喜愛之外，VED 在一個領域仍保持其主導地位，那就是在雷達系統中，運作於極高頻率 (1 GHz 至 100 GHz) 且輸出功率高達百萬瓦等級的 PA，現今雷達應用中最常用的 VED 技術是行波管 (TWT)、速調管 (Klystron)、磁控管 (Magnetron) 及迴旋管 (Gyrotron)，行波管放大器 (TWTA) 提供了雷達系統最需要的特性：多倍頻程頻寬、數千瓦的峰值功率輸出、支援高頻率，以及堅固性與可靠性，與 TWTA 相比，速調管功率放大器 (KPA) 提供更佳的效率。

大約三十年前，稱為固態功率放大器 (SSPA) 的半導體 PA 解決方案開始在某些雷達應用中作為替代技術，取得初步進展，以矽為材料的橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 提供了數百瓦的輸出功率、堅固性與可靠性，其在高輸出功率下，上限頻率約限制在 3 GHz (S 頻段)，這限制了其在雷達的應用性，砷化鎵 (GaAs) 是一種寬能隙半導體，克服了 LDMOS 的高頻缺陷，可達到 100 GHz 以上，然而其較低的工作電壓限制了其輸出功率能力，高功率 GaAs 放大器通常需要並聯多個元件才能達到期望的功率水準，但這會犧牲效率，GaAs 在雷達中找到了普遍的應用，但在大多數高功率雷達應用中仍不是可行的替代方案。

大約十年前，當 GaN 被引進時，它引起了極大的轟動，因為它在極高頻率下提供了數百瓦的輸出功率；同時也提供了雷達應用所需的堅固性，在 GaN 發展的早期，由於缺乏合適的基板將晶片產生的熱量導出，因而產生了對可靠性的擔憂，這個問題透過將 GaN 置於碳化矽 (SiC) 晶圓基板上得到了解決，GaN 提供了熱容量，而 SiC 則提供了三倍更佳的導熱性，這種增強的散熱效能提升了可靠性與堅固性。

儘管 TWTA 和 KPA 在可預見的未來仍將繼續存在，但 GaN 已確立其作為一種合適且成本較低的長期替代方案的地位。

用於脈衝雷達量測的峰值功率計

脈衝射頻訊號最關鍵的分析發生在時域，由於峰值功率計在時域中量測、分析並顯示射頻訊號的功率封包，因此它們是量測、分析及特性分析脈衝雷達應用中高功率放大器異常與行為的重要工具，圖 1 顯示了桌上型峰值功率計的簡化方塊圖。
 

圖 1. 峰值功率計方塊圖
 

功率計的前端是射頻封包檢測器，它安裝在功率感測器中，該檢測器移除射頻載波並產生代表射頻輸入訊號封包的類比波形，檢測器最關鍵的技術規格是其對脈衝射頻訊號的反應時間，或稱其上升時間，如果檢測器沒有足夠的頻寬來追蹤訊號的封包，則所有量測（包括峰值功率、脈衝功率和平均功率）的準確性都會受到影響 (圖 2)。

圖 2. 感測器的上升時間和頻寬能力對準確量測和顯示脈衝射頻訊號的影響。
 

檢測器的輸出隨後由類比數位轉換器 (ADC) 進行數位化，數位化後的取樣由數位訊號處理器進行線性化和量測分析，處理後的波形以功率對時間的方式在時域中顯示，並同時顯示自動脈衝和標記量測結果。在 Boonton 的峰值功率計中，垂直軸以瓦特、伏特或 dBm 顯示功率（或電壓），並能夠更改刻度和垂直中心，在水平軸上，時基可以設定低至每格 5 ns (50 ns 範圍)，以便放大到波形的特定部分，例如上升緣或下降緣，以觀察波形的細微細節，Boonton 的峰值功率計使用隨機交錯取樣 (RIS，Random Interleave Sampling) 技術，該技術可在重複波形上產生 100 ps 的解析度，圖 3a 顯示了傳統取樣和內插方法的時域圖，圖 3b 顯示了 RIS 方法，圖 3c 顯示了在 Boonton 4500C RF 峰值功率分析儀上，從傳統方法到 RIS 方法解析度如何提高。

圖 3a



圖 3b


圖 3c. 這四個螢幕截圖顯示了如何透過重複取樣技術建立波形，第一個掃描 (頂部) 顯示了三個初始資料點，彼此等距 20 ns，其餘三個則分別顯示 10、50 和 200 組額外的資料，此方法可達到最高解析度，允許「放大」快速訊號。

峰值功率計可以由輸入的射頻訊號觸發，或由施加到輔助輸入的外部閘控 (基頻) 觸發訊號觸發，55 系列 USB 峰值功率感測器中具備的即時功率處理 (Real Time Power Processing™) 功能，讓感測器能夠以每秒 100,000 個脈衝的速度觸發，擷取每個脈衝和突波事件，Boonton 峰值功率計的先進觸發功能，如觸發延遲 (trigger holdoff)，可延遲觸發的重新啟用，這在處理詢問敵友 (IFF，Interrogation Friend or Foe) 雷達訊號時非常有用。
 

圖 4. 使用 55 系列 USB 峰值功率感測器進行自動脈衝與標記量測
 

在量測能力方面，峰值功率計可執行眾多手動、自動標記和自動脈衝量測，自動脈衝量測 (圖 4) 提供了許多關鍵參數的量測值，有助於特性分析功率放大器和雷達系統的效能，上升時間與下降時間指出放大器輸出脈衝射頻訊號的能力，過衝則指出了潛在的振鈴問題，下垂顯示了放大器電源在長時間脈衝寬度下的限制，脈衝寬度、週期、脈衝重複率和工作週期量測則提供了訊號的其他時域特性，此外還有許多自動標記量測 (圖 4 右側)，可實現時間閘控量測，這些量測在兩個標記之間執行，並提供平均功率、峰值功率、最小功率和最大功率讀值，以及峰均比、功率位準的差值標記和時間的差值標記量測。

圖 5. 可使用峰值功率計量測的部分脈衝特性。
 

相較於其他量測儀器，功率計的一個顯著優勢是其功率感測器的尺寸，它足夠小巧輕便，可以直接連接到量測埠，無需使用射頻纜線，從而避免了因阻抗不匹配和纜線損耗（尤其是在較高頻率下）而可能導致的量測準確性下降。

針對自動化測試環境，所有 Boonton 峰值功率計都可以透過各種介面進行遠端存取，例如 USB、區域網路 (LAN (TCP/IP))、RS232 和 GPIB，具體取決於型號。

本文末尾提供了更多關於功率量測主題的閱讀材料，包含文章和應用筆記的連結，以及 Boonton 新修訂的射頻功率量測指南，該指南為雷達訊號的量測提供了實用的見解。

脈衝雷達量測的測試配置

儘管存在眾多脈衝射頻放大器架構，本文將探討兩種類型，第一種是調變放大器；輸入為連續波 (CW)，輸出為脈衝射頻，其中閘控訊號調變輸入訊號以獲得所需的脈衝射頻訊號 (圖 6)。
在圖 6 中，雙通道功率計在 P1 量測輸入訊號功率，並在 P2 量測時域中的反射功率，用於計算回波損耗，同時監測反射訊號的異常情況，在 P3 監測和量測放大器的輸出，前一節中提到的關鍵放大器參數在 P3 進行量測，而 P4 則監測負載的反射功率，調變射頻輸入訊號的閘控訊號也可以觸發功率計，從而實現延遲和潛時量測，Boonton 效能最高的桌上型峰值功率分析儀，型號 4500C，配備了波形數學運算功能，能夠在時域中顯示增益和回波損耗，此儀器還配備了兩個示波器通道，當施加於放大器的閘控訊號觸發峰值功率計時，閘控訊號和放大器的輸出都可以顯示在峰值功率計上，從而實現關鍵的時序量測，並檢測任何由閘控訊號引起的放大器異常。

桌上型號支援單通道或雙通道，而 55 系列 USB 峰值功率感測器可以在單個圖形化使用者介面 (GUI) 視窗中量測和顯示多達八個通道，使用三或四個 USB 感測器，放大器的輸入和輸出功率、輸入反射功率和負載反射功率都可以量測並顯示在同一個軌跡視窗中，或透過遠端編程 (最多 16 或 32 個通道) 在自動化測試配置中進行。

第二種類型是僅具增益功能的放大器，其輸出是脈衝射頻輸入訊號的放大 (且通常失真) 版本 (圖 7)，沒有閘控訊號提供給放大器，此配置不僅適用於分析完全組裝的放大器，也適用於分析子組件，例如放大器的驅動級或最終級，甚至半導體功率電晶體，如 GaN，此配置使用三個峰值功率計和一個定向耦合器，對放大器進行類似純量網路分析儀的增益和回波損耗量測。

在評估像 GaN 這樣的新技術時，監測整個脈衝寬度內的功率下垂至關重要，因為它可以作為 GaN 元件及其封裝熱特性限制的一個指標，時域峰值功率量測可以在放大器的輸出端進行 (圖 9)。

由於典型感測器的額定功率約為 +20 dBm，因此 PA 的輸出會被衰減以保護功率感測器，同時進行輸出功率量測，在進行量測之前，需要在放大器將要測試的頻率下執行徹底的校準程序，以消除訊號路徑中的損耗，圖 7 測試配置中需要校準掉的損耗以及計算增益和回波損耗所需的計算如下所示。

• L1：從訊號產生器輸出到定向耦合器正向 (FWD) 埠的損耗。
• L2：從訊號產生器輸出到功率放大器輸入的損耗。
• L3：從放大器輸出到 40 dB 衰減器輸出的損耗。
• L4：從放大器輸入到定向耦合器反向 (REV) 埠的損耗。

一旦量測到損耗，就可以進行輸入、輸出和反射功率的量測：

• P1：在定向耦合器 FWD 埠的功率讀值。
• P2：在 40 dB 衰減器輸出口量測到的功率。
• P3：在定向耦合器 REV 埠量測到的功率。

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量測值增加一個偏移量，因此一旦量測到損耗並將其作為偏移量輸入到每個通道，上述數學運算就可以由儀器完成。

圖 6. 時域脈衝量測的測試配置，輸入訊號為連續波 (CW)，輸出訊號為脈衝射頻，閘控訊號調變輸入的連續波訊號。
 

圖 7. 測試配置顯示使用三個感測器和一個定向耦合器進行的時域純量式增益和回波損耗(RL)量測。
 

輸入、輸出和反射功率量測可用於計算增益 (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 可以使用波形數學運算在時域中執行這些量測，值得注意的是，在圖 6 和圖 7 的兩種測試配置中，定向耦合器都需要具有出色的方向性，才能進行準確的功率量測，尤其是在計算回波損耗時，在量測期間，耦合器的未使用埠必須用 50 歐姆負載端接。

圖 8. 此螢幕截圖擷取了脈衝射頻訊號的輸入、輸出和反射波形，藍色軌跡是待測物 (DUT1) 的輸出 (注意過衝和振鈴)，紫色軌跡是來自負載 待測物 (DUT2) 輸入埠的反射訊號。
 

量測

圖 8 顯示了使用圖 7 中的測試配置，並運用 55 系列峰值功率感測器量測到的三個波形，輸入波形顯示在 CH1，反射波形顯示在 CH3，輸出波形顯示在 CH2，請注意，在所有三個通道上執行的自動量測結果顯示在軌跡顯示視窗的左側，這些量測結果可以傳輸到試算表，以執行必要的增益和回波損耗計算，以及其他感興趣的參數，在自動化測試環境中，也可以透過遠端編程存取相同的量測結果，以執行增益和回波損耗的計算，圖 9 使用 Boonton 55318 USB 峰值功率感測器展示了下垂量測功能，功率下垂可以使用自動脈衝量測或自動標記量測以及水平標記來量測，自動標記量測可以透過在波形上期望的點放置標記並使用 MkRatio 來顯示下垂，或者，可以在垂直軸上期望的脈衝高點和低點放置參考線來量測下垂，自動脈衝量測是依據脈衝定義自動計算的，與標記或參考線的位置無關。

圖 9. 使用 Boonton 55318 USB 峰值功率感測器進行的下垂量測，藍色垂直線 1 和 2 是為自動標記量測放置的標記，黃色虛線水平線是參考線，自動脈衝量測是依據脈衝定義自動計算的，與標記或參考線的位置無關。
 

結論

在過去的七十年中，以 VED 為主的放大器主導了航空和作戰雷達系統中使用的 PA，然而，新型以半導體為主的 SSPA，特別是 GaN 型的放大器，已經進入了各種雷達應用領域，無論雷達 PA 中使用何種技術，高解析度、高精度的時域功率量測對於理解放大器的效能和行為至關重要，峰值功率計是進行時域功率分析以測試雷達功率放大器不可或缺的量測工具，適用於研發、品質、製造、現場支援和系統校準等環節。

Boonton 峰值功率計解決方案

Boonton 開發功率計已有六十年歷史，幾乎與雷達系統的歷史一樣長久，正如以 VED 為主的放大器不斷發展一樣，功率計也在不斷進步，數十年來，Boonton 峰值功率計已成功應用於民用和軍用航空、作戰及氣象雷達系統，並已成為雷達訊號測試的首選儀器，您可以探索更廣泛的峰值功率計解決方案以及各類 USB 峰值功率感測器。

此 4500C RF 峰值功率分析儀是頂級效能的桌上型峰值功率分析儀，它是擷取、顯示、分析和特性分析脈衝射頻應用中時域和統計域射頻功率的首選儀器，此 4500C 已部署於氣象、民用和軍用航空以及電子作戰雷達系統的測試，除了雷達應用外，對於如 802.11ac 無線區域網路 (WLAN) 和 分時雙工長期演進技術 (TDD-LTE) 等通訊訊號，也需要時間閘控功率量測，波形數學運算和記憶體通道，以及可在同一顯示器上監測外部觸發訊號與輸入射頻封包訊號的兩個示波器通道，是此 4500C 的獨特之處。

4540 系列將峰值功率計、平均功率計和電壓計整合到一款先進的射頻量測儀器中，與此 4500C 一樣，它具有高動態範圍和小於 7ns 的上升時間，並在訊號波形分析中提供豐富的細節，它是擷取、顯示和分析時域與統計域射頻功率的理想選擇，4540 系列功率計被高功率放大器製造商廣泛應用於研發和製造測試機架中。

55 系列 USB 峰值功率感測器，作為峰值功率計系列的最新成員，以 USB 的外形尺寸提供了桌上型的效能，採用目前僅在 55 系列中提供的即時功率處理 (Real Time Power Processing™) 技術，此感測器能夠每秒進行 100,000 次觸發量測，使其非常適合擷取高脈衝重複間隔 (PRI)/脈衝重複率 (PRR)/脈衝重複頻率 (PRF) 的雷達訊號，而不會遺漏任何脈衝和突波事件，其領先業界的 3 ns 上升時間專為處理最具挑戰性的雷達訊號而設計，195 MHz 的影像頻寬使其非常適用於對寬頻通訊訊號（如 802.11ac WLAN、TDD-LTE 和 分頻雙工長期演進技術 (FDD-LTE)）進行時間閘控功率和峰值因數量測。