大功率衰減器系統的設計方案

市場(chǎng)上的大多數衰減器基于絲網(wǎng)印刷在或沉積在陶瓷基板(通常是氧化鈹)上的厚或薄膜阻抗設計，這種技術(shù)需要特殊的處理、工藝和流程。這種方法非常適合于小功率衰減器，但要達到1kW水平，會(huì )很困難也會(huì )很昂貴。幸運的是，選用標準現成產(chǎn)品實(shí)現衰減器，以具成本效益的方式提供了大的平均功率和峰值功率處理能力。本文討論如何借助現有標準元件配置一個(gè)可用于廣播、電磁兼容(EMC)、半導體、軍事、醫療、科學(xué)及其它大功率應用的1到12.5kW的大功率衰減器系統。

大功率信號處理和測試需要高頻衰減器，這些衰減器要能處理大功率信號且不會(huì )影響信號性能。特別是對諸如在商業(yè)廣播和軍用雷達系統中常見(jiàn)的超過(guò)1kW的信號來(lái)說(shuō)，可靠的衰減器對任何測試系統都至關(guān)重要。

研發(fā)高效大功率衰減器系統的第一步是為應用所預期的最高額定峰值功率和平均功率選擇合適的射頻負載。例如，若應用要求具有10kW的平均功率處理能力，那么就應選用一個(gè)10kW負載。對這種功率水平來(lái)說(shuō)，油(硅或礦物質(zhì))電介質(zhì)負載(圖1)是最具成本效益且最緊湊小巧的負載形式之一。若沒(méi)有油電介質(zhì)，為冷卻電阻采用的強制風(fēng)冷會(huì )使負載設計得大如一個(gè)機柜。

裝配大功率衰減器系統的第二步是采用1-5/8英寸EIA法蘭樣式的負載連接器，借助專(zhuān)為能滿(mǎn)足這種功率水平要求的同軸連接器進(jìn)行連接。此連接將負載與系統中的剛性線(xiàn)路部分連接起來(lái)，在一次測量過(guò)程中通常不會(huì )斷開(kāi)此連接。剛性線(xiàn)路配備1-5/8英寸連接器，該連接器一般額定可處理約30千瓦的功率。因此，與剛性線(xiàn)路部分的連接要考慮匹配EIA法蘭。剛性線(xiàn)路和負載連接器間的連接元件包括將這兩個(gè)連接器連接起來(lái)所需的全部螺栓和硬件。

裝配大功率衰減器系統的第三步是為連接大功率負載(圖2)確定一種采用1-5/8英寸法蘭連接的剛性線(xiàn)路部分。一旦選定負載連接器，就必須組裝耦接頭/傳感器模塊。它包括一個(gè)用于匹配負載部分的同軸剛性線(xiàn)路部分。該線(xiàn)路部分可以有多種配置，如：?jiǎn)?、雙或三插座。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，帶帶1-5/8英寸EIA法蘭連接器的單插座剛性線(xiàn)路部分可用于多種應用。

裝配大功率衰減器系統的第四步涉及選擇一款RF采樣電致非指向性器件。它要有寬帶耦合環(huán)或用于使位于剛性線(xiàn)路內中心部位的導體平行的平板。為保證寬帶特性以及使對插入損耗和電壓駐波比的影響盡可能地小，對其機械尺寸容差的要求非常嚴格。一旦插入到線(xiàn)路部分，則整個(gè)元件就變成為2至1000MHz的非指向性耦合器，它能夠滿(mǎn)足負載的額定功率要求。被稱(chēng)為X-Tractors的采樣元件有一個(gè)可調設定螺釘，使用該螺釘可對預設的49dB耦合值進(jìn)行±8dB的微調(圖3)。低信號通過(guò)位于采樣元件頂部的一個(gè)BNC母接頭輸出。理論上，在采樣元件上添加一個(gè)標準BNC固定衰減器可進(jìn)一步降低信號水平。該衰減器應滿(mǎn)足2W CW(等幅波)要求。

裝配大功率衰減器系統的第五步(可選)是為剛性線(xiàn)路部分選擇一個(gè)輸入接口。為保證真正的大功率處理能力，剛性線(xiàn)路部分可接受另一個(gè)1-5/8英寸耦合器和線(xiàn)路部分。但為了方便，剛性線(xiàn)路的輸入端最好采用標準同軸類(lèi)型連接器，如N、HN、LC或7/16英寸EIA母接頭。為做到這一點(diǎn)，標準的同軸適配器套件可對接多種不同類(lèi)型的同軸連接器，從而能對許多不同應用提供支持。應該指出，該衰減器總成的這個(gè)部分會(huì )需要一個(gè)額外的耦合器(圖4)。采用商業(yè)現成部件和行業(yè)標準同軸連接器組裝的最終系統可覆蓋2到1000MHz頻率、在約50MHz以上頻段具有優(yōu)異的振幅平坦度(圖5)。對低于這個(gè)頻率、要求高精度的應用來(lái)說(shuō)，可選用定頻衰減器和窄頻帶方案。

為大功率測試和其它大功率應用具體研制一款具成本效益的衰減器系統并不需定制產(chǎn)品，也無(wú)需很長(cháng)的交貨周期，無(wú)需多家供應商的參與和很高的一次性工程(NRE)支出。使用可完美匹配的標準現成產(chǎn)品，可節約時(shí)間、降低成本、節省空間。下表給出了一個(gè)通常如何將標準模式產(chǎn)品用于一個(gè)頻率高于1GHz、很高功率水平的1-5/8英寸衰減器系統的范例。