集總參數(shù)衰減器的大功率穩(wěn)定性探討新篇【轉(zhuǎn)發(fā)】

前言

大功率集總參數(shù)衰減器是一種常見的射頻和微波控制器件,其主要功能之一就是降低射頻信號(hào)的幅度。在測試和測量中經(jīng)常會(huì)用到衰減器,要說這種器件的使用概率僅次于電纜和連接器也不為過。

通常,無論是生產(chǎn)廠家在出廠檢驗(yàn)、用戶收貨時(shí)的驗(yàn)收、或者計(jì)量院對衰減器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),都是采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來進(jìn)行測量,其主要指標(biāo)就是輸入駐波比和衰減量。這已是實(shí)行多年的行業(yè)規(guī)則。

你是否考慮過這樣一個(gè)問題:既然衰減器是工作在大功率條件下,而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出僅為0dBm,那么在這種條件下測得的指標(biāo)是否真實(shí)反應(yīng)了這個(gè)衰減器的性能呢?顯然,這是多年來射頻工程師都“看得見”的“盲區(qū)”。并非大家不愿意進(jìn)一步研究衰減器的大功率特性,以筆者與同行的交流以及經(jīng)驗(yàn)來分析,大致有以下兩條原因:

1. 這么多年來都是這樣用的,即使大功率和小功率測試有點(diǎn)誤差,也很難察覺到,沒有人對最終測試結(jié)果“較真”;

2. 射頻大功率的實(shí)時(shí)測試有點(diǎn)麻煩,不測也罷。

筆者對衰減器的大功率特性進(jìn)行了一些探討性的測試,并發(fā)現(xiàn)了一些有趣的結(jié)果,在此提交給同行們討論。

為什么要研究衰減器的大功率特性

當(dāng)一個(gè)50W 的大功率信號(hào)經(jīng)過一個(gè)衰減量為20dB 的衰減器后,信號(hào)被衰減了100 倍,剩下0.5W的信號(hào)從出現(xiàn)在輸出端,那49.5W 的功率能量去哪了?當(dāng)然你馬上會(huì)說,這些射頻信號(hào)能量被衰減器吸收并轉(zhuǎn)化為熱能了,最終通過衰減器的散熱片消耗在空氣中了(圖1)。

完全正確!衰減器在大功率條件下,其表面溫度會(huì)隨著時(shí)間的變化逐漸升高(超過70oC),而內(nèi)部的溫度更高(超過200oC)。也就是說,在大功率條件下,器件的物理環(huán)境發(fā)生了變化,那么器件的性能必然也會(huì)隨之變化!究竟有多少變化?會(huì)不會(huì)影響到最終的測試結(jié)果呢?這就是本文要探討的話題。

在本文中,通過實(shí)驗(yàn)描述了一個(gè)衰減器在大功率條件下性能的變化。

試驗(yàn)方法和結(jié)果

試驗(yàn)對象是一個(gè)50W,6GHz,30dB 的固定衰減器,我們采用了PM2000LS60 型大功率測試平臺(tái)進(jìn)行測試

(圖2)。

在圖2 中,放大器產(chǎn)生2GHz、47dBm(50W)的連續(xù)波功率持續(xù)加載到被測衰減器,輸入取樣電路分別測量輸入到被測衰減器的信號(hào)47dBm(a1)以及被衰減器反射回來的信號(hào)b1;經(jīng)過被測衰減器的30dB 衰減后,還有約+17dBm(b2)被輸出取樣電路檢測到。

將b2 減去a1,即可得出被測衰減器在大功率狀態(tài)下的衰減量,而b1 和a1 的比值即為駐波比。

采用這種方法的最大好處就是完全抵消了放大器輸出的不穩(wěn)定性。同時(shí)為了保證試驗(yàn)結(jié)果的精度,系統(tǒng)中均采用了耐高溫的PTFE 介質(zhì)材料的電纜,并預(yù)先進(jìn)行了歸一化校準(zhǔn)。

開始測試時(shí),測試系統(tǒng)顯示被測衰減器呈現(xiàn)良好的駐波比表現(xiàn),同時(shí)衰減量也十分穩(wěn)定,只是溫度在不斷上升。當(dāng)測試進(jìn)行到三分鐘多時(shí),出現(xiàn)了故障的現(xiàn)象——駐波比從1.15 急劇變大到8、衰減量從30.1dB 急劇變化到34.3dB!(圖3)

圖3 a) 駐波比的變化

圖3 b) 衰減量的變化

圖3 c) 表面溫度的變化

圖3 大功率狀態(tài)下衰減器特性隨時(shí)間的變化

測試系統(tǒng)同時(shí)觀測并記錄了三組數(shù)據(jù),顯而易見,這個(gè)衰減器在50W 的功率作用下失效了!

更有意思的現(xiàn)象還在后面,上述大功率試驗(yàn)后,我們用網(wǎng)絡(luò)分析儀對衰減器重新進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)其居然是正常的!其駐波約為1.11@2GHz,衰減量約為30.1@2GHz

(圖4)。

再次采用大功率測試,又出現(xiàn)了圖3 的現(xiàn)象。

圖4a) 小功率下的駐波比

圖4b) 小功率下的衰減量

圖4. 網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果分析

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示被測衰減器在大功率的持續(xù)作用下,其衰減量和駐波比發(fā)生了明顯變化并失效了,顯然這與衰減器內(nèi)部溫度的變化是密切相關(guān)的。

但是在小功率條件下又恢復(fù)了正常,這種現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理解釋尚有待于對這個(gè)衰減器的進(jìn)一步分析結(jié)果。

結(jié)束語

關(guān)于集總參數(shù)衰減器的大功率穩(wěn)定性評(píng)估,并無適合的標(biāo)準(zhǔn)可依,常見的方法是采用直流替代法。但是筆者認(rèn)為這種方法與被測衰減器的實(shí)際使用環(huán)境不符。本文中所描述的試驗(yàn)是在真實(shí)的使用環(huán)境下進(jìn)行的,更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

如果這個(gè)衰減器是用在某個(gè)測試系統(tǒng)或者通信系統(tǒng),那么對系統(tǒng)的影響可想而知。

PM2000LS60 是BXT 自主研發(fā)的射頻大功率測試平臺(tái),測試頻率范圍是698-2700MHz,最大測試功率1000W(CW),方向性達(dá)到34dB,用于實(shí)時(shí)測量微波器件在大功率條件下的特性及變化量。

PM2000 系列可覆蓋2MHz-40GH 頻率范圍。