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高功率氮化镓雷达和电子战发射器的脉冲保真度的创新

Darren Miles和George Bollendorf，Empower RF Systems；Bob Buxton，Boonton Electronics

雷达和电子战（EW）一直是极高功率发射器的主要应用，推动了对专用高功率行波管（TWT）和磁控管的需求。行波管的供应来源越来越少，再加上其可靠性差、效率低、体积大、全寿命成本高，导致了对行波管的使用日益减少。虽然伴随着向固态发射器的转变，脉冲保真度提高了，但下一代雷达取决于波形保真度和灵活性的进一步提高。

下一代雷达系统利用长脉冲宽度，这带来了具体的挑战。作为回应，Empower开发了减少脉冲失真的技术，作为实现脉冲形状匹配的一个发展步骤，允许无失真再现输入脉冲。脉冲校正是在放大器内实时进行的。这一点很重要，因为长脉宽雷达特别容易受到过冲/反冲和下倾（droop）的影响，消除这些影响可以扩大雷达的探测距离，减少接收器的目标获取时间。从EW的角度来看，其好处是能够准确地模仿对手的脉冲，而不需要进行预处理，从而可以精确地模拟威胁和欺骗。

固态功率放大器(SSPA)发生下倾的主要原因

本文讨论了脉冲下倾和上升沿过冲的校正，数据来自Empower的40千瓦L波段长占空比液冷脉冲放大器，型号2237，如图1所示。氮化镓功率放大器中出现衰减的主要原因是晶体管的热响应。氮化镓的增益与温度呈反比关系。晶体管的热响应使增益降低了0.5至1.0dB，这取决于脉冲期间的温升。这种下倾与晶体管级联复合在一起，导致输出功率进一步降低。这在图2中得到了总结。第二个贡献与电源在高频率下的电流来源能力有关。在脉冲期间，晶体管漏极上的容性能量会放电。这是从脉冲的前缘开始的，随着脉冲进展到后缘，增益会因漏极电流和漏极电压的下降而日益减少。这两个因素可以造成高达3dB的下倾。使用软件固定下倾可以减少电源的尺寸和复杂性，并增加平均发射功率。其结果是改进了尺寸、重量和功率（SWaP）、成本和MTBF。

图1 2237型L波段40千瓦脉冲式发射机。

图2 晶体管级联的影响。

脉冲参数和对雷达性能的影响

脉冲下倾被定义为平顶矩形脉冲的失真，其特点是脉冲顶部的向下倾斜。图3描述了一个脉冲信号的特征。一般来说，每个脉冲都包括脉冲前缘的过冲和波纹以及脉冲下倾，即脉冲开始和结束之间的振幅下降。

图3 脉冲参数。

过冲和下倾对雷达性能的影响

雷达发射机有一个限幅器，以保护放大器的输出级不超过额定的峰值功率。当出现过冲时，必须设置增益，使脉冲的过冲不会激活限幅器。当过冲不存在或最小时，放大器的输出可以设置在限幅器阈值的正下方。在下倾的情况下，脉冲期间的功率随时间下降，进一步降低了平均功率。通过研究雷达测距方程，可以从方程（1）中看到功率降低的影响。

方程里：R_max=最大探测距离，P_t=发射器功率，G=发射器天线增益，σ=目标的雷达截面，A_e=接收天线有效孔径，S_min=最小可检测信号。

假设所有其他条件保持不变，最大距离随着发射器功率的四次方根而变化。例如，平均功率提高1dB，距离就会增加6%。

脉冲校正

两种主要的下倾源在时间上都有一个可重复的反应。这些通常是从每个脉冲的前缘开始标记的。有了足够快的采样率，就存在一种算法解决方案，可以在整个脉冲过程中实时改变放大器的增益。

作为一个例子，让我们采取最简单的算法。由于结温变化率在脉冲的上升沿是最高的，此时晶体管正在导通和导电，所以在脉冲开始时对增益的调整必须大于在脉冲的其余部分。实现这一点将大大减少过冲现象。这个简单调整的预期结果如图4所示。

图4 RF输出的脉冲下倾校正图。

在过冲部分之后，算法的增益调整可以作为第二个要素被采用。下倾有一个斜率，所以增益调整只是简单地加入了反增益斜率。应用的算法在每个脉冲中都会重复。这个两步算法可以通过增加更多的调整点来进一步完善，然而，两阶段校正的结果非常好，将在后面展示。校正算法驻留在FPGA固件中，包含一个用HDL描述的有限状态机。校正算法是用在工厂进行的数字校准过程中的适当参数配置的。这些参数包括两级校正的斜率和脉冲前缘的初始功率水平。

测试设置（参考“测量考虑因素”）

为了演示，用一个1.5 GHz、500 μs的脉冲驱动Empower放大器，名义上是0 dBm。一个单独的保护带输入被用来构建脉冲，以便在真正的脉冲模式下运行。放大器被设置为全增益，在输出端实现40千瓦的峰值功率。整体设置如图5所示。

图5 测试设置。

如图6所示，该放大器在输出端有一个双向耦合器。耦合系数为76dB。使用了一个Boonton RTP5006 USB实时峰值功率传感器，因为这是唯一足够快的传感器，可以捕捉到过冲的峰值。全功率被终止到一个50Ω的负载。

图6 输出功率耦合。

实际执行的结果

图7显示了在应用校正算法之前，用Boonton功率传感器对40千瓦SSPA输出的测量。这个结果是由Boonton功率分析仪软件捕获的。对于500μs的脉冲宽度，带过冲的峰值测量为76.053 dBm。脉冲顶部的终点测量为74.36 dBm。Boonton软件捕获了脉冲包络，可以将其导出到CSV表格中。从该表格中，可以确定过冲量在75.2 dBm左右。然后，未校正的脉冲被描述为具有约0.9 dB的过冲（76.053 - 75.2 dBm）和约0.8 dB的下倾（75.2 - 74.36 dBm）。

图7 未校正的40千瓦脉冲。

图8a显示了过冲校正阶段的效果，它比未校正的脉冲减少了大约0.6dB的过冲。图8b显示了下倾校正的效果，它使过冲再次减少了近0.6dB。虽然这些减少了脉冲前缘的过冲幅度，但脉冲的后缘保持不变。这种效果降低了脉冲的整体能量，对于平坦化脉冲的好处来说，这是一个糟糕的折中。然而，一旦脉冲被压平，系统的增益就可以增加，因为减少的过冲将不再激活放大器的峰值限幅器。这在图9中有显示。

图8 应用了过冲校正的响应（a）。应用了斜率下倾校正的响应（b）。

图9 优化结果的响应。

对于图9的最终结果，通过增加系统增益来调整最大峰值功率。这导致系统增益高于未校正脉冲的例子。为了简单说明该方法，增益调整被描述为最后一步。在实际执行中，校正因子是提前建立并存储的，因此将系统设置为优化的最大增益是第一步。接下来，脉冲上升，超调被纠正，最后一步是纠正脉冲的下倾。

小结

图10显示了在500微秒脉冲持续时间内测量的输出功率。这个输出显示了一个更平坦的响应，过冲较小，这是应用下倾和过冲校正的结果。除了在整个脉冲过程中提供更均匀的功率外，放大器还可以产生更高的平均功率。这是一个更高的系统增益的结果，不用担心过冲激活限幅器，而且脉冲的下倾更小。

图10 过冲和下倾修正的影响。

结论

使用这些技术使平均脉冲功率增加了0.9dB，与脉冲校正的量相近。这与预期相符，因为最大发射器输出可以通过减少脉冲变化的量来增加。这一结果意味着平均功率增加了20%以上，这也改善了SWaP、成本和MTBF。发射器的功率密度提高了20%。MTBF和成本也得到改善，因为射频链中的元件数量会更多，发射器会在更高的温度下工作，以产生20%的输出功率增长，而这是在没有脉冲校正的情况下所需要的。此外，雷达的性能也得到了改善，因为大约增加1dB的发射功率使雷达的探测距离增加了6%。

测量考虑因素

测量脉冲雷达信号需要一个峰值功率传感器。对于快速脉冲，功率传感器的上升时间很重要。Boonton RTP5006的上升时间≤3 ns。这意味着可以舒适地测量5 ns的脉冲上升沿。一个有代表性的脉冲的上升时间显示在图S-1中。

快速的实时和等效时间采样为窄脉冲提供了精细的分辨率。RTP5000实时峰值功率传感器具有100 MSa/s实时和10 GSa/s等效时间采样率，可以对10纳秒的脉冲进行测量，分辨率为100 ps。

在测量放大器的下倾时，自动测量变得很重要。下倾是RTP5000系列提供的16种自动脉冲测量之一。图S-2显示了下倾对参考信号的影响。

RTP5000可与运行Boonton功率分析软件的PC机一起使用，或与PMX40功率计一起使用，以获得台式仪器的体验。无论哪种方式，它们都是表征雷达和EW信号的理想工具。

图S-1 脉冲上升沿，蓝色箭头所示为10/90%上升时间自动测量。

图S-2 实时跟踪与记忆的比较，看信号变化对下倾的影响。