CN114487554A - 一种脉冲功率放大器的iv测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波测量技术领域，提出了一种针对大功率脉冲功率放大器的IV测量方法。该方法对电压V的测量和现有方法相同，对电流I的测量和现有方法不同。该方法使用电流表测量电源向脉冲功率放大器输出的平均电流，再根据功率放大器的脉冲电流和电源输出的平均电流的关系，计算功率放大器的脉冲电流。相比于现有方法，发明方法测试简单、普适性强，可以有效降低电压过冲、保护脉冲功率放大器，具有较高的实际应用价值。
Description
技术领域:
本发明属于功率放大器测试领域，具体涉及一种大功率脉冲功率放大器的IV测量方法，可以减小功率放大器供电线的寄生电感，降低由寄生电感引起的电路过冲，提升测试安全性和可靠性。
背景技术：
在脉冲体制雷达、收发分时电子对抗***和猝发通信***中，功率放大器工作在脉冲模式，脉冲调制方式有栅极电压调制和漏极电压调制两种。J.Dhar等人在2009年的论文“Performance enhancement of Pulsed Solid State Power Amplifier using DrainModulation over Gate Modulation”中指出，与采用栅极电压调制的脉冲功率放大器比较，采用漏极电压调制的脉冲功率放大器可以获得更高的效率、更大的输出功率、更高的增益、更快的上升沿、更快的下降沿和更平坦的增益，因此采用漏极电压调制的脉冲功率放大器可以获得更好的性能。
随着第三代半导体材料GaN工艺的日渐成熟，微波功率放大器的输出功率不断提高，目前器件的输出功率已经突破kW级，E.Mitani等人在2007年发表的论文“A kW-classAlGaN/GaN HEMT Pallet Amplifier for S-band High Power Application”、L.Haapala等人在2016年发表的论文“Kilowatt-level power amplifier in a single-endedarchitecture at 352MHz”都记录了kW级功率放大器。
测量IV曲线是研究功率放大器的重要方法，I为漏极电流，V为漏极电压。若研究目标为脉冲功率放大器，则测量IV曲线需要测量脉冲开启时的瞬时电压和瞬时电流。现有方法中，可以使用电压探头和示波器测量瞬时电压，可以使用电流探头和示波器测量瞬时电流。
图1为测量瞬时电压和瞬时电流的现有技术的***连接示意图。测量功放为漏极电压调制方式，栅极电压为负电压，漏极电压、电流为脉冲电压、电流。
***连接关系为：
(1)测量功放的栅极与信号源连接，中间加隔直电容，信号源向测量功放输出脉冲微波激励。
(2)测量功放的栅极与负压直流电源连接，负压直流电源提供直流负压。
(3)测量功放的漏极与电压调制电路连接，电压调制电路输出脉冲电压。
(4)测量功放的漏极与功率计连接，中间加隔直电容，功率计检测测量功放的输出功率。
(5)电压调制电路与高压直流电源连接，直流电源向电压调制电路输出高压，电压调制电路输出的脉冲电压幅度和直流电源的电压幅度相同。
(6)电压调制电路与脉冲信号发生器连接，脉冲信号发生器向电压调制电路输出脉冲调制信号1，电压调制电路输出的脉冲电压的时序和脉冲调制信号1的时序相同
(7)信号源与脉冲信号发生器连接，脉冲信号发生器向信号源输出脉冲调制信号2，信号源输出的脉冲微波激励的时序和脉冲调制信号2的时序相同。
(8)电流探头套在电压调制电路和测量功放漏极之间的连接线上，测量连接线通过的电流，同时也是测量功放的漏极电流。
(9)电流探头与示波器连接，电流探头的测量结果通过示波器显示。
(10)电压探头与测量功放的漏极接触，测量功放的漏极电压。
(11)电压探头和示波器连接，电压探头的测量结果通过示波器显示。
(12)脉冲调制信号1的前沿早于脉冲调制信号2的前沿，脉冲调制信号1的后沿晚于脉冲调制信号2的后沿。
脉冲调制信号1开启、脉冲调制信号2关闭时，功率放大器的漏级电压为V、漏极电流为Iq；脉冲调制信号1开启、脉冲调制信号2开启时，功率放大器的漏极电流为Iq，但是由于漏极供电路径有寄生电感L，会产生图2所示的漏极电压过冲Vs，Vs的计算公式见公式(1)，tf为脉冲微波激励的后沿时间：
见公式(2)，漏极供电路径的寄生电感L由多方面组成：测量功放的本征寄生电感Lin、测量功放漏级偏置电路的扼流电感Lchoke、电压调制电路和测量功放漏极之间的连接线电感LC。
L＝LC+Lchoke+Lin (2)
使用现有技术测量大功率脉冲功率放大器的瞬时电压时，电压探头对电路没有影响，现有技术可以测量大功率脉冲功率放大器的瞬时电压。
使用现有技术测量大功率脉冲功率放大器的瞬时电流时，需要量程超过百安培的电流探头，此类大量程探头尺寸很大，放置此类探头需要延长电压调制电路和测量功放漏极之间的连接线，造成连接线电感LC和漏极供电路径的寄生电感L大幅增加，进而造成电压过冲Vs大幅增大，严重影响功率放大器的安全。
发明内容：
针对传统方法使用电流探头测试大功率脉冲功率放大器的电流，会增加寄生电感并增大电压过冲的问题，本发明提供了一种脉冲功率放大器的IV测量方法，不再使用电流探头，能够有效减少寄生电感并减小电压过冲，有利于保证功率放大器的安全。
本发明的技术方案如下：
本发明的第一个方面提供了一种脉冲功率放大器的IV测量方法，该方法首先使用电流表测量电源向脉冲功率放大器输出的平均电流，再根据功率放大器的脉冲电流和电源输出的平均电流的关系，计算出IV测量需要的功率放大器的脉冲电流。
进一步地，该方法包括电压测量与电流测量两部分，
电压测量方法是电压探头与测量功放的漏极接触，测量功放的漏极电压；电压探头和示波器连接，电压探头的测量结果通过示波器显示；
电流测量包括以下步骤：
首先，建立功率放大器的漏极电流Ip和电源输出的平均电流Ia的关系式；
假设脉冲调制信号1的脉冲重复频率为PRF，脉冲宽度为τ；脉冲调制信号1开启时，功率放大器的漏极电流为Ip，脉冲调制信号1关闭时，功率放大器的漏极电流为I0，则可以建立如公式(3)所示的电流Ia、漏极电流为Ip、I0的关系式；
Ia＝Ip·PRF·τ+I0(1-PRF·τ) (3)
若已知PRF，并且可以调整脉冲宽度，则由公式(3)可以得到Ip和的I0关系的另一种表达式，如公式(4)所示；
然后，将脉冲调制信号1和脉冲调制信号2的脉冲重复频率PRF设定为合理数值，脉冲调制信号1的脉宽τ设置为合理的初始值τ1，记录此时的电流表测量值Ia1；保持脉冲重复频率PRF重复不变，脉冲调制信号的脉宽τ依次变为τ2、τ3......、τn，脉宽改变的间隔是Δτ，记录脉宽τ改变后对应的电流表测量值Ia2、Ia3、......Ian，通过公式(4)可以求出对应的脉冲开启时的漏极电流Ip1、Ip2、......Ip(n-1)。
进一步地，脉冲调制信号1的前沿早于脉冲信号2的前沿，脉冲信号2的后沿晚于脉冲信号2的后沿。
本发明的第二个方面提供了一种脉冲功率放大器的IV测量***，该***包括：脉冲信号发生器、高压直流电源、电流表、电压调制电路、示波器、功率计、负压直流电源、信号源、电流探头、电压探头、测量功放、电容；
测量功放的栅极分别与信号源、负压直流电源连接，与信号源中间加隔直电容，信号源向测量功放输出脉冲微波激励；负压直流电源提供直流负压；
测量功放的漏极分别与电压调制电路、功率计连接，其与功率计中间加隔直电容，功率计检测测量功放的输出功率，电压调制电路输出脉冲电压；
高压直流电源通过电流表与电压调制电路连接，直流电源经由电流表向电压调制电路输出高压，电压调制电路输出的脉冲电压幅度和高压直流电源的电压幅度相同，电流表可以测试直流电源向电压调制电路输出的电流Ia；
电压调制电路与脉冲信号发生器连接，脉冲信号发生器向电压调制电路输出脉冲调制信号1，电压调制电路输出的脉冲电压的时序和脉冲调制信号1的时序相同；
信号源与脉冲信号发生器连接，脉冲信号发生器向信号源输出脉冲调制信号2，信号源输出的脉冲微波激励的时序和脉冲调制信号2的时序相同；
电压探头与测量功放的漏极接触，测量功放的漏极电压；电压探头还与示波器连接，电压探头的测量结果通过示波器显示。
有益效果：
本发明使用电流表测量脉冲功率放大器的平均电流，再根据瞬时电流和平均电流的关系计算出IV测量需要的脉冲电流。相比于传统方式，该方法测试简单、普适性强，并且不再使用会增大电压过冲的电流探头，可以有效降低电压过冲、保护脉冲功率放大器，具有较高的实际应用价值。
附图说明：
图1现有技术***示意图；
图2现有技术测量脉冲功率放大器的漏极电压波形；
图3***技术***示意图；
图4现有技术和发明技术测量的漏极电流Ip；
图5现有技术和发明技术的测量结果的绝对误差；
图6现有技术和发明技术的测量结果的相对误差；
图7发明技术测量脉冲功率放大器的漏极电压波形。
具体实施方式
本发明的目的是消除现有技术测量大功率脉冲功率放大器的瞬时电流时，电压过冲Vs过大的问题，保证功率放大器的安全。
图3为本发明技术的***连接示意图。电压测试技术和现有技术相同，电流测试技术有变化。该***包括脉冲信号发生器、高压直流电源、电流表、电压调制电路、示波器、功率计、负压直流电源、信号源、电流探头、电压探头、测量功放、电容。
***连接关系为：
(1)测量功放的栅极与信号源连接，中间加隔直电容，信号源向测量功放输出脉冲微波激励。
(2)测量功放的栅极与负压直流电源连接，负压直流电源提供直流负压。
(3)测量功放的漏极与电压调制电路连接，电压调制电路输出脉冲电压。
(4)测量功放的漏极与功率计连接，中间加隔直电容，功率计检测测量功放的输出功率。
(5)高压直流电源通过电流表与电压调制电路连接，直流电源经由电流表向电压调制电路输出高压，电压调制电路输出的脉冲电压幅度和高压直流电源的电压幅度相同，电流表可以测试直流电源向电压调制电路输出的电流Ia。
(6)电压调制电路与脉冲信号发生器连接，脉冲信号发生器向电压调制电路输出脉冲调制信号1，电压调制电路输出的脉冲电压的时序和脉冲调制信号1的时序相同。
(7)信号源与脉冲信号发生器连接，脉冲信号发生器向信号源输出脉冲调制信号2，信号源输出的脉冲微波激励的时序和脉冲调制信号2的时序相同。
(8)电压探头点在测量功放的漏极，测量功放的漏极电压。
(9)电压探头和示波器连接，电压探头的测量结果通过示波器显示。
(10)脉冲调制信号1的前沿早于脉冲调制信号2的前沿，脉冲调制信号1的后沿晚于脉冲调制信号2的后沿。
假设脉冲调制信号1的脉冲重复频率为PRF，脉冲宽度为τ。脉冲调制信号1开启时，功率放大器的漏极电流为Ip，脉冲调制信号1关闭时，功率放大器的漏极电流为I0，则可以建立如公式(3)所示的电流Ia、漏极电流为Ip、I0的关系式；
Ia＝Ip·PRF·τ+I0(1-PRF·τ) (3)
若已知PRF，并且可以调整脉冲宽度τ，则由公式(3)可以得到Ip和的I0关系的另一种表达式，见公式(4)。
按照图3搭建测量***，将脉冲调制信号1和脉冲调制信号2的脉冲重复频率PRF设定为合理数值，脉冲调制信号1的脉宽τ设置为合理的初始值τ1，记录此时的电流表测量值Ia1；保持脉冲重复频率PRF重复不变，脉冲调制信号的脉宽τ依次变为τ2、τ3......、τn，脉宽改变的间隔是Δτ，记录脉宽τ改变后对应的电流表测量值Ia2、Ia3、......Ian，通过公式(4)可以求出对应的脉冲开启时的漏极电流Ip1、Ip2、......Ip(n-1)。
电压测试使用电压探头和示波器测量瞬时电压，将电压探头与测量功放的漏极接触，测量功放的漏极电压；电压探头和示波器连接，电压探头的测量结果通过示波器显示。
现有技术和发明方法测量的漏极电流Ip结果见图4，现有技术和发明方法的测量结果基本相同。现有技术和发明方法的测量结果的绝对误差见图5，绝对误差的绝对值小于0.2A。现有技术和本发明方法的测量结果的相对误差见图6，相对误差的绝对值小于2％。本发明方法测量脉冲功率放大器的漏极电压波形见图7，电压过冲为20V，仅为现有技术测量时产生的电压过冲的36.4％。
使用本发明技术方案测量大功率脉冲功率放大器的漏极瞬时电流，可以显著减少寄生电感L和电压过冲Vs，显著提升测量安全性，同时测量结果的准确性和现有技术方案基本相同。
Claims (4)
1.一种脉冲功率放大器的IV测量方法，其特征在于，该方法首先使用电流表测量电源向脉冲功率放大器输出的平均电流，再根据功率放大器的脉冲电流和电源输出的平均电流的关系，计算出IV测量需要的功率放大器的脉冲电流。
2.如权利要求1所述的脉冲功率放大器的IV测量方法，该方法包括电压测量与电流测量两部分，其特征在于，
电压测量方法是电压探头与测量功放的漏极接触，测量功放的漏极电压；同时电压探头和示波器连接，电压探头的测量结果通过示波器显示；
电流测量包括以下步骤：
首先，建立功率放大器的漏极电流Ip和电源输出的平均电流Ia的关系式；
假设脉冲调制信号1的脉冲重复频率为PRF，脉冲宽度为τ；脉冲调制信号1开启时，功率放大器的漏极电流为Ip，脉冲调制信号1关闭时，功率放大器的漏极电流为I0，则可以建立如公式(3)所示的电流Ia、漏极电流为Ip、I0的关系式；
Ia＝Ip·PRF·τ+I0(1-PRF·τ) (3)
若已知PRF，并且可以调整脉冲宽度τ，则由公式(3)可以得到Ip和Ia的关系的另一种表达式，如公式(4)所示；
然后，将脉冲调制信号1和脉冲调制信号2的脉冲重复频率PRF设定为合理数值，脉冲调制信号1的脉宽τ设置为合理的初始值τ1，记录此时的电流表测量值Ia1；保持脉冲重复频率PRF重复不变，脉冲调制信号的脉宽τ依次变为τ2、τ3......、τn，脉宽改变的间隔是Δτ，记录脉宽τ改变后对应的电流表测量值Ia2、Ia3、......Ian，通过公式(4)可以求出对应的脉冲开启时的漏极电流Ip1、Ip2、......Ip(n-1)。
3.如权利要求2所述的脉冲功率放大器的IV测量方法，其特征在于，脉冲调制信号1的前沿早于脉冲信号2的前沿，脉冲信号2的后沿晚于脉冲信号2的后沿。
4.一种实现权利要求1至3中任一项所述的脉冲功率放大器的IV测量方法的测量***，其特征在于，该***包括：脉冲信号发生器、高压直流电源、电流表、电压调制电路、示波器、功率计、负压直流电源、信号源、电流探头、电压探头、测量功放、电容；
测量功放的栅极分别与信号源、负压直流电源连接，与信号源中间加隔直电容，信号源向测量功放输出脉冲微波激励；负压直流电源提供直流负压；
测量功放的漏极分别与电压调制电路、功率计连接，其与功率计中间加隔直电容，功率计检测测量功放的输出功率，电压调制电路输出脉冲电压；
高压直流电源通过电流表与电压调制电路连接，直流电源经由电流表向电压调制电路输出高压，电压调制电路输出的脉冲电压幅度和高压直流电源的电压幅度相同，电流表可以测试直流电源向电压调制电路输出的电流Ia；
电压调制电路与脉冲信号发生器连接，脉冲信号发生器向电压调制电路输出脉冲调制信号1，电压调制电路输出的脉冲电压的时序和脉冲调制信号1的时序相同；
信号源与脉冲信号发生器连接，脉冲信号发生器向信号源输出脉冲调制信号2，信号源输出的脉冲微波激励的时序和脉冲调制信号2的时序相同；
电压探头与测量功放的漏极接触，测量功放的漏极电压；同时电压探头与示波器连接，电压探头的测量结果通过示波器显示。
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