集總參數衰減器的大功率穩定性探討

大功率集總參數衰減器是一種常見(jiàn)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(jīng)常會(huì )用到衰減器，要說(shuō)這種器件的使用概率僅次于電纜和連接器也不為過(guò)。

通常，無(wú)論是生產(chǎn)廠(chǎng)家在出廠(chǎng)檢驗、用戶(hù)收貨時(shí)的驗收、或者計量院對衰減器進(jìn)行校準時(shí)，都是采用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)進(jìn)行測量，其主要指標就是輸入駐波比和衰減量。這已是實(shí)行多年的行業(yè)規則。

你是否考慮過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)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是否真實(shí)反應了這個(gè)衰減器的性能呢?顯然，這是多年來(lái)射頻工程師都“看得見(jiàn)”的“盲區”。

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)驗來(lái)分析，大致有以下兩條原因：

1,這么多年來(lái)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(jué)到，沒(méi)有人對最終測試結果“較真”;

2,大功率的測試有點(diǎn)麻煩，不測也罷。

完全是出于對射頻測試和測量的興趣，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(gè)50W的大功率信號經(jīng)過(guò)一個(gè)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(huì )說(shuō)，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(guò)衰減器的散熱片消耗在空氣中了(圖1)。

圖1:衰減器的基本作用

完全正確!衰減器在大功率條件下，其表面溫度會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的變化逐漸升高(超過(guò)70℃)，而內部的溫度更高(超過(guò)200℃)。也就是說(shuō)，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果呢?這就是本文要探討的話(huà)題。

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

實(shí)驗方法和結果

試驗對象是一個(gè)50W，3GHz，30dB的固定衰減器，我們采用了PM2010A47型大功率測試平臺進(jìn)行測試(圖2)。

在圖2中，放大器產(chǎn)生2GHz、47dBm(50W)的連續波功率，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(lái)的信號b1;經(jīng)過(guò)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VSWR。

圖2:衰減器的大功率特性測試

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(shí)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(zhì)材料的電纜，并預先進(jìn)行了歸一化校準。

測試進(jìn)行了1個(gè)小時(shí)，在整個(gè)過(guò)程中，每隔5分鐘進(jìn)行一次記錄，最終的測試結果如圖3所示。

圖3:大功率狀態(tài)下衰減量隨時(shí)間的變化

從圖3可以發(fā)現，當50W的功率持續加載到衰減器的一個(gè)小時(shí)之內，衰減量變化了約0.08dB，而VSWR則從1.3上升到了1.4。用溫度計測量衰減器的溫度上升情況，變化趨勢的一致的。

實(shí)驗結果分析

上述實(shí)驗結果顯示衰減器在大功率的持續作用下，其衰減量和VSWR都會(huì )發(fā)生變化，顯然這與衰減器內部溫度的變化是密切相關(guān)的。

結束語(yǔ)

關(guān)于集總參數衰減器的大功率穩定性評估，并無(wú)適合的標準可依，常見(jiàn)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(shí)際使用環(huán)境不符。本文中所描述的試驗是在真實(shí)的使用環(huán)境下進(jìn)行的，更具有實(shí)際應用價(jià)值。

或許你會(huì )認為這個(gè)實(shí)驗結果所呈現的變化可以忽略不計;也或許在一些精密測試場(chǎng)合，測試工程師會(huì )關(guān)注這一現象并愿意對此進(jìn)行更加深入的研究和探討，這也是筆者所希望的。在后續的實(shí)驗中，我們將繼續對一些衰減器進(jìn)行大功率測試，并對衰減器的功率系數進(jìn)行探討。

需要注意的是，衰減器是一種高溫工作的器件，在使用時(shí)要注意安全。