Gepulste Hochleistungsverstärker messen Nur messen, was wichtig ist

Neue Messmethoden im gepulstenden Betrieb
Neue Messmethoden im gepulstenden Betrieb

Die Kenndaten von GaN-Verstärkern im gepulsten Betrieb lassen sich mit dem Vektornetzwerkanalysator nur schwer messen, da viele Informationen im Rauschen untergehen. Eine neue Messmethode ermöglicht übersichtlichere Messungen aller wesentlichen Daten.

Die Galliumnitrid- (GaN) Technologie verspricht zahlreiche wertvolle Vorteile, die bei der Fertigung von Hochleistungsverstärkern genutzt werden: GaN-Verstärker sind klein und bieten eine Ausgangsleistung von mehreren 100 Watt. Sie sind robust und können über mehrere Frequenz­dekaden im GHz-Bereich hinweg betrieben werden. Radar- und Sender-Anwendungen im Telekommunikationsbereich, in der Luft- und Raumfahrttechnik und in Verteidigungssystemen können von der Anwendung der GaN-Technologie profitieren. Um ein GaN-Entwicklungsprojekt von der Entwicklung bis zur Kommerzialisierung erfolgreich durchführen zu können, sind jedoch intensive Versuchsreihen und Tests nötig, bevor ein Gerät mit der gewünschten Spezifikation in Fertigung gehen kann.

In Radaranlagen gibt es aufgrund des Impulscharakters der Übertragungen gewisse Beschränkungen bei der Messung der Ausgangsleistung eines Verstärkers. Es müssen sehr geringe Abweichungen bei Amplitude und Phase erkannt werden. Zudem ist es bei herkömmlichen Messverfahren für den Techniker schwer, das zu messende Signal vom Rauschen zu unterscheiden. Mit einer neuen Methode ist es jedoch weitaus einfacher, Abweichungen am gepulsten Ausgang eines GaN-Leistungsverstärkers zu erkennen.

Funktion eines GaN-Verstärkers in einem Radarmodul

In einer Radaranlage ist ein leistungsfähiger und mit einem weiten Frequenzbereich ausgestatteter GaN-Leistungsverstärker in einem T/R-Modul (Sende-/Empfangsmodul) sehr hilfreich (Bild 1). Ein Radar arbeitet mit der Übertragung modulierter Signale in hochenergetischen Impulsfolgen. Die Kenndaten des Empfangssignals, wie etwa die Amplitude und Phase des Signals, lassen sich auswerten, um Informationen über die relative Lage, Entfernung und Bewegungsgeschwindigkeit eines Objektes, von dem das Signal reflektiert wurde, zu erhalten.

Wenn die Auswertung des reflektierten Signals exakt sein soll, ist es unumgänglich, dass die Kenndaten dieses Signals bei dessen ursprünglicher Aussendung mit sehr hoher Genauigkeit und Präzision bekannt sind und gesteuert werden.

Für eine zuverlässige Signalübertragung müssen die Hersteller von Radaranlagen daher Leistungsverstärker verwenden, die über bekannte und stabile Kenndaten verfügen: Antennengewinn (Gain), Amplituden- und Phasenstabilität, Frequenzgang und Kompressionspunkt sind wichtige Parameter. Messungen des jeweiligen Frequenzgangs und des Kompressionspunkts lassen sich sowohl bei der Übertragung im Impuls- als auch im Dauerbetrieb durchführen. Beim Übergang einer neuen Generation von GaN-Verstärkern in die Entwicklungsphase stehen Verfahren zum Testen dieser Kennzahlen nun erneut im Mittelpunkt.

Ein besonders wichtiger Test für GaN-Verstärker ist das Messen der Amplituden- und Phasenstabilität von Impuls zu Impuls. Aufgrund von Elek­tronenfangeffekten im GaN-Material kann es bei diesen Verstärkern vorkommen, dass sie zu einer gewissen Drift neigen (Bild 2). Bei Radaranwendungen liegt der vertretbare Grenzwert für diese Instabilität bei maximal ein paar Hundertstel Dezibel für die Amplitude und bei einem Zehntel Grad für die Phase.

Ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) eignet sich besonders gut zum Messen von sehr kleinen Drifts bei Phase und Amplitude und ist daher prinzipiell ein geeignetes Messgerät für diese Anwendung. Herkömmliche VNAs führen jedoch zu schwer interpretierbaren und kaum nutzbaren Ergebnissen, wenn Abweichungen der Kenndaten von Impuls zu Impuls gemessen werden.

Messen von Instabilitäten mit einem VNA

Ein herkömmlicher VNA, der üblicherweise zum Messen von Streuparametern eingesetzt wird, erreicht mit CW-Signalen geringen Pegels gute Messergebnisse. Zum Messen von Radarsignalen – bei denen es sich um energiereiche Impulsfolgen handelt – muss die Messgerätekonfiguration angepasst werden.

Eine solche Konfiguration kann auch zum Testen eines GaN-Leistungsverstärkers in Radaranlagen genutzt werden (Bild 3): Der VNA muss simulierte Radar­impulse erzeugen und anschließend die Kenndaten für Amplituden- und Phasenstabilität des Impulses nach dessen Verstärkung messen. Ein qualitativ hochwertiger VNA verfügt über einen internen Signalgenerator zur Erzeugung von Impulsen. Die zeitliche Abfolge der Impulse lässt sich im Impuls-Konfigurationsfenster, das im VNA angezeigt wird, einstellen. Diese Impulse werden anschließend für den Betrieb eines externen Modulators zur Erzeugung des gewünschten Radarsignals genutzt.

Am Testport des VNA befinden sich diese Impulse auf einem relativ geringen Pegel. Um den Pegel so weit anzuheben, dass es für einen GaN-HF-Verstärker zur Verarbeitung ausreicht, muss das Signal einen Vorverstärker durchlaufen, der die Ausgangsleistung typischerweise um mehrere 10 dB erhöht.

Der VNA vergleicht die Eingangs- und Ausgangssignale des Prüfobjekts (DUT). Dazu routet ein Verbindungselement das Eingangssignal zurück zum Empfänger-Port (a1) des Receiver. Dies erfolgt über ein Dämpfungsglied. Das Ausgangssignal gelangt, wiederum über ein Dämpfungsglied, vom GaN-Verstärker zum Port 2 (b2) des VNA. Die Normalisierung vor Testbeginn ermöglicht es dem Anwender, die störenden Effekte der Komponenten des Versuchsaufbaus zu eliminieren, die zum Beispiel aus Verbindungselementen, Dämpfungsgliedern und Verkabelungen entstehen.