前言

大功率集總參數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的幅度。在測試和測量中經常會用到衰減器,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,無論是生產廠家在出廠檢驗、用戶收貨時的驗收、或者計量院對衰減器進行校準時,都是采用矢量網絡分析儀來進行測量,其主要指標就是輸入駐波比和衰減量。這已是實行多年的行業規則。

你是否考慮過這樣一個問題:既然衰減器是工作在大功率條件下,而矢量網絡分析儀的輸出僅為0dBm,那么在這種條件下測得的指標是否真實反應了這個衰減器的性能呢?顯然,這是多年來射頻工程師都“看得見”的“盲區”。并非大家不愿意進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驗來分析,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誤差,也很難察覺到,沒有人對最終測試結果“較真”;

2. 射頻大功率的實時測試有點麻煩,不測也罷。

筆者對衰減器的大功率特性進行了一些探討性的測試,并發現了一些有趣的結果,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

當一個50W 的大功率信號經過一個衰減量為20dB 的衰減器后,信號被衰減了100 倍,剩下0.5W的信號從出現在輸出端,那49.5W 的功率能量去哪了?當然你馬上會說,這些射頻信號能量被衰減器吸收并轉化為熱能了,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,其表面溫度會隨著時間的變化逐漸升高(超過70oC),而內部的溫度更高(超過200oC)。也就是說,在大功率條件下,器件的物理環境發生了變化,那么器件的性能必然也會隨之變化!究竟有多少變化?會不會影響到最終的測試結果呢?這就是本文要探討的話題。

在本文中,通過實驗描述了一個衰減器在大功率條件下性能的變化。

試驗方法和結果

試驗對象是一個50W,6GHz,30dB 的固定衰減器,我們采用了PM2000LS60 型大功率測試平臺進行測試

(圖2)。

在圖2 中,放大器產生2GHz、47dBm(50W)的連續波功率持續加載到被測衰減器,輸入取樣電路分別測量輸入到被測衰減器的信號47dBm(a1)以及被衰減器反射回來的信號b1;經過被測衰減器的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定性。同時為了保證試驗結果的精度,系統中均采用了耐高溫的PTFE 介質材料的電纜,并預先進行了歸一化校準。

開始測試時,測試系統顯示被測衰減器呈現良好的駐波比表現,同時衰減量也十分穩定,只是溫度在不斷上升。當測試進行到三分鐘多時,出現了故障的現象——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 大功率狀態下衰減器特性隨時間的變化

測試系統同時觀測并記錄了三組數據,顯而易見,這個衰減器在50W 的功率作用下失效了!

更有意思的現象還在后面,上述大功率試驗后,我們用網絡分析儀對衰減器重新進行測試,發現其居然是正常的!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,又出現了圖3 的現象。

圖4a) 小功率下的駐波比

圖4b) 小功率下的衰減量

圖4. 網絡分析儀的測試結果

試驗結果分析

上述實驗結果顯示被測衰減器在大功率的持續作用下,其衰減量和駐波比發生了明顯變化并失效了,顯然這與衰減器內部溫度的變化是密切相關的。

但是在小功率條件下又恢復了正常,這種現象的產生機理解釋尚有待于對這個衰減器的進一步分析結果。

結束語

關于集總參數衰減器的大功率穩定性評估,并無適合的標準可依,常見的方法是采用直流替代法。但是筆者認為這種方法與被測衰減器的實際使用環境不符。本文中所描述的試驗是在真實的使用環境下進行的,更具有實際應用價值。

如果這個衰減器是用在某個測試系統或者通信系統,那么對系統的影響可想而知。

PM2000LS60 是BXT 自主研發的射頻大功率測試平臺,測試頻率范圍是698-2700MHz,最大測試功率1000W(CW),方向性達到34dB,用于實時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。