某固态放大器输出单次微波脉冲信号测量方案

摘要

某固态放大器输出单次微波脉冲信号测量，需测量单个脉冲的频率，脉宽，功率。

测量指标范围

1. 频率：35GHz
2. 脉宽：15ns
3. 功率：100W

频率测量

测量方案

用混频器的思路来测量高频信号的频率，将较高的频率转化到低的频率来测量。具体的测量系统框图如图1.1所示，由于输出信号较高的功率，需要衰减器将输入信号功率衰减到较低的功率，衰减后的信号输入到混频器后与射频信号发生器产生的34.5GHz本振信号下变频到0.5GHz，输入到微波频率分析仪中。

图1.1

仪器选择

衰减器

测试信号输出功率100W，即功率50dBm，考虑到后面混频器和低通滤波器有所衰减和频谱仪的最高的输入功率需要衰减到27dBm左右。由于本测试是单次脉冲，脉冲宽度较小，可算作瞬时功率最大为100W，所以我选用了泰莱微波，如图1.2所示，型号为TAXXA50-40C，频率DC到40GHz，瞬时功率可到500W（5us的脉宽）。如图1.3所示，为该衰减器的S21，由图知，在35GHz时，该衰减器至少有30dB的衰减，满足测试所需。

图1.2 TAXXA50-40C衰减器结构图

图1.3 TAXXA50-40C衰减器S21

混频器

混频器选用Marki的TRIPLE-BALANCED MIXERS M2-0240，所图1.4所示，LO和RF端口可输入2到40GHz，IF端口输出0.001到6GHz，最大输入功率为26dBm因为这款为无源滤波器，所以9dB有变频损耗，RF的输入端口有20dBm的功率，LO也输入20dBm的信号，考虑到衰减，输出14dBm信号到频谱分析仪。

图1.4 TRIPLE-BALANCED MIXERS M2-0240

图1.5 混频器的变频损耗

信号发生器

信号发生器采用罗德与施瓦兹的射频与微波信号发生R&S®SMA100B，如图1.6所示，该信号发生器可产生最高67GHz的射频微波信号，最大功率为30dBm。

图1.6 R&S®SMA100B信号发生器

频谱分析仪

频谱分析仪选择R&S®FSW8，频率范围2到8GHz，因混频的信号在500MHz左右。输入到频谱分析仪的信号功率为14dBm，而该频谱分析仪的最大输入功率为30dBm。再考虑到本次测试是单次脉冲，需要输入捕获，该频谱仪可以选择相应的软件和选件，所以该频率仪符合。

可行性分析

某固态放大器输出的频率35GHz、脉宽为15ns，功率为100W，单次微波脉冲信号该方案具有成本低的特点，各个环节的参数经过分析，完全可以实现的对单次脉冲的频率测量。

脉宽和功率测量

方案一

如图3.1所示，测试信号输出到衰减器后直接输出给超宽带实时示波器可以测量出脉冲信号的脉宽频率，功率也能换算出来，结构简单。但是此方案的超宽带示波器的价格昂贵，不符合实际，但还是探讨一下可能性。
超宽带示波器选择KEYSIGHT 型号为DSOZ634A的数字存储示波器，最高可达63GHz的实时示波器带宽，最高160GSa/s的采样率，和最高2Gpts的存储深度，输入最大5V，50欧的输入阻抗，能满足需求。

图3.1脉宽和频率的测量框图

方案二

图3.2 方案二系统原理图

如图3.2所示，测试信号输出给衰减器，衰减后给检波器，输出脉冲信号包络，由示波器测出脉冲包络波形的宽度，瞬时功率可由包络波形根据P=V^2⁄((2×50))和衰减器的衰减值算出。

仪器选择

检波器

检波器选择了ADI的ADL6012，工作输出功率范围-25到15dBm，工作频率范围2到67GHz，500MHz的包络带宽。快速响应，0.6ns的输出上升时间，10dBm到没有射频输入只要1.3ns的下降时间。如图3.3所示，为检波器输入功率与输出电压的关系。检波器的输出接近方波。测量该波形的脉宽就能测出脉冲的脉宽，而瞬时功率根据该波形的最大电压、P=V^2⁄((2×50))和衰减器的衰减值可以算出。

图3.3 检波器输入功率与输出电压的关系

衰减器

衰减器不能选择之前的固定衰减器了，因为需要近50dB的衰减，耐受100W瞬时功率，才能输入给检波器。所以选择了R&S®RSC-Z405步进信号衰减仪，频率范围DC到40GHz，0到75dB的衰减范围，在输入信号脉宽小于10us时的最大承受功率200W。调节该仪器的衰减值到50dB，将50dBm的测试信号衰减到0dBm给检波器。

示波器

检波器输出信号的脉宽为15ns左右，所以我选择了R&S®RTC1000示波器，300MHz的带宽，检波器输出的脉宽约为15ns左右，300MHz的带宽可以实现对检波器输出信号的捕捉。瞬时功率可由包络波形根据上述输入功率与输出电压关系和衰减器的衰减值算出，而平均功率可以根据与峰值功率的1⁄√2算出。

可行性分析

该方案不需要昂贵的仪器，测试电路仅多了一个检波模块，脉宽、瞬时功率和平均功率测出来，不过该实验中检波器的温漂，对测量结果的准确度由影响，不过通过改进实验方法避免。