一、引言

電場測試是指通過可控電場激勵(lì)被測物，并測量其響應(yīng)，從而提取介電常數(shù)、擊穿強(qiáng)度、極化特性等關(guān)鍵參數(shù)的過程。無論是電磁兼容（EMC）試驗(yàn)、鐵電材料研究，還是高壓絕緣評(píng)估，都離不開“高幅值、低失真、寬頻帶”的電場源。功率放大器正是把函數(shù)發(fā)生器輸出的毫瓦級(jí)信號(hào)提升到百瓦甚至千瓦量級(jí)的“能量閥門”，在整個(gè)測試鏈路中處于核心地位。

圖：功率放大器在鐵電材料極化測試中的應(yīng)用

二、作用機(jī)理

能量放大

函數(shù)發(fā)生器/任意波形源只能提供低功率信號(hào)，而平行板電極、TEM室或帶狀線等測試夾具往往需要在數(shù)百伏到數(shù)千伏電壓下才能建立所需場強(qiáng)。功率放大器通過多級(jí)功率晶體管或電子管將直流電源能量轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)能量，使電場強(qiáng)度升高。

阻抗匹配

電場測試負(fù)載通常呈容性或高阻特性。放大器后級(jí)加入寬帶變壓器或LC匹配網(wǎng)絡(luò)，可使源阻抗（常見50Ω）與負(fù)載阻抗實(shí)現(xiàn)共軛匹配，反射系數(shù)降至-20dB以下，保證功率高效傳輸。

波形保真

鐵電薄膜、生物組織等樣品對(duì)諧波非常敏感。現(xiàn)代功率放大器在額定功率輸出時(shí)，可將總諧波失真（THD）控制在0.1%–5%之間，從而確保電場波形與設(shè)定激勵(lì)一致，避免測試結(jié)果出現(xiàn)“偽極化”或“偽擊穿”。

保護(hù)與安全

高壓電場測試伴隨電弧、閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)。放大器普遍設(shè)置過壓、過流、過溫及反射功率保護(hù)；當(dāng)電極間發(fā)生擊穿導(dǎo)致負(fù)載阻抗突變時(shí)，能在微秒級(jí)切斷輸出，保護(hù)昂貴的電極夾具和測試樣品。

圖：功率放大器在介電彈性體制成的軟機(jī)器人研究中的應(yīng)用

三、典型應(yīng)用

鐵電/壓電材料極化與電滯回線測試

鐵電分析儀輸出±10V正弦波，經(jīng)高壓功率放大器放大至±1500V、頻率0.01Hz–1kHz后施加到薄膜樣品，實(shí)時(shí)采集電荷-電壓曲線，從而提取矯頑場、剩余極化強(qiáng)度等參數(shù)。

介電彈性體驅(qū)動(dòng)與形變測量

介電彈性體需要kV級(jí)高壓才能產(chǎn)生宏觀形變。利用0–1500V、帶寬DC-5kHz的功率放大器驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電涂覆的聚合物薄膜，可同步記錄電場-應(yīng)變關(guān)系，為柔性機(jī)器人、人工肌肉設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。

無線電能傳輸（WPT）電場耦合實(shí)驗(yàn)

電容耦合型WPT系統(tǒng)需要高壓、高頻電場實(shí)現(xiàn)能量跨越氣隙傳輸。功率放大器把函數(shù)源信號(hào)放大至數(shù)百伏級(jí)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射極板，配合阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳輸效率>80%的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

高場強(qiáng)生物效應(yīng)研究

為了研究細(xì)胞電穿孔或組織熱消融，需要脈沖電場強(qiáng)度達(dá)kV/cm。通過寬帶（DC-1MHz）、峰值功率>1kW的脈沖功率放大器，可輸出方波、指數(shù)波或微秒脈沖，精準(zhǔn)控制能量沉積，避免熱擴(kuò)散帶來的副作用。

圖：ATA-7000系列高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

功率放大器在電場測試中既是“能量源”也是“信號(hào)質(zhì)控官”。隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件的普及，未來功率放大器將向著更高電壓（>10kV）、更寬頻帶、更高效率（>90%）以及智能化（實(shí)時(shí)阻抗檢測、自適應(yīng)匹配）方向發(fā)展，為材料科學(xué)、電磁兼容和生物電磁學(xué)提供更強(qiáng)大的測試手段。


審核編輯 黃宇