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集总参数衰减器的大功率稳定性探讨

上网日期: 2016年04月14日 ?? 作者: FindRF ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:衰减器? 集总参数? 电缆? 连接器?

前言

大功率集总参数衰减器是一种常见的射频和微波控制器件,其主要功能之一就是降低射频信号的幅度。在测试和测量中经常会用到衰减器,要说这种器件的使用概率仅次于电缆和连接器也不为过。

通常,无论是生产厂家在出厂检验、用户收货时的验收、或者计量院对衰减器进行校准时,都是采用矢量网络分析仪来进行测量,其主要指标就是输入驻波比和衰减量。这已是实行多年的行业规则。

你是否考虑过这样一个问题:既然衰减器是工作在大功率条件下,而矢量网络分析仪的输出仅为0dBm,那么在这种条件下测得的指标是否真实反应了这个衰减器的性能呢?显然,这是多年来射频工程师都“看得见”的“盲区”。

并非大家不愿意进一步研究衰减器的大功率特性,以笔者与同行的交流以及经验来分析,大致有以下两条原因:

1,这么多年来都是这样用的,即使大功率和小功率测试有点误差,也很难察觉到,没有人对最终测试结果“较真”;

2,大功率的测试有点麻烦,不测也罢。

完全是出于对射频测试和测量的兴趣,笔者对衰减器的大功率特性进行了一些探讨性的测试,并发现了一些有趣的结果,在此提交给同行们讨论。

为什么要研究衰减器的大功率特性

当一个50W的大功率信号经过一个衰减量为20dB的衰减器后,信号被衰减了100倍,剩下0.5W的信号从出现在输出端,那49.5W的功率能量去哪了?当然你马上会说,这些射频信号能量被衰减器吸收并转化为热能了,最终通过衰减器的散热片消耗在空气中了(图1)。

集总参数衰减器的大功率稳定性探讨(电子工程专辑)
图1:衰减器的基本作用

完全正确!衰减器在大功率条件下,其表面温度会随着时间的变化逐渐升高(超过70℃),而内部的温度更高(超过200℃)。也就是说,在大功率条件下,器件的物理环境发生了变化,那么器件的性能必然也会随之变化!究竟有多少变化?会不会影响到最终的测试结果呢?这就是本文要探讨的话题。

在本文中,通过实验描述了一个衰减器在大功率条件下性能的变化。

实验方法和结果

试验对象是一个50W,3GHz,30dB的固定衰减器,我们采用了PM2010A47型大功率测试平台进行测试(图2)。

在图2中,放大器产生2GHz、47dBm(50W)的连续波功率,输入取样电路分别测量输入到被测衰减器的信号47dBm(a1)以及被衰减器反射回来的信号b1;经过被测衰减器的30dB衰减后,还有约+17dBm(b2)被输出取样电路检测到。

将b2减去a1,即可得出被测衰减器在大功率状态下的衰减量,而b1和a1的比值即为VSWR。

集总参数衰减器的大功率稳定性探讨(电子工程专辑)
图2:衰减器的大功率特性测试

采用这种方法的最大好处就是完全抵消了放大器输出的不稳定性。同时为了保证试验结果的精度,系统中均采用了耐高温的PTFE介质材料的电缆,并预先进行了归一化校准。

测试进行了1个小时,在整个过程中,每隔5分钟进行一次记录,最终的测试结果如图3所示。

集总参数衰减器的大功率稳定性探讨(电子工程专辑)
图3:大功率状态下衰减量随时间的变化

从图3可以发现,当50W的功率持续加载到衰减器的一个小时之内,衰减量变化了约0.08dB,而VSWR则从1.3上升到了1.4。用温度计测量衰减器的温度上升情况,变化趋势的一致的。

实验结果分析

上述实验结果显示衰减器在大功率的持续作用下,其衰减量和VSWR都会发生变化,显然这与衰减器内部温度的变化是密切相关的。

结束语

关于集总参数衰减器的大功率稳定性评估,并无适合的标准可依,常见的方法是采用直流替代法。但是笔者认为这种方法与被测衰减器的实际使用环境不符。本文中所描述的试验是在真实的使用环境下进行的,更具有实际应用价值。

或许你会认为这个实验结果所呈现的变化可以忽略不计;也或许在一些精密测试场合,测试工程师会关注这一现象并愿意对此进行更加深入的研究和探讨,这也是笔者所希望的。在后续的实验中,我们将继续对一些衰减器进行大功率测试,并对衰减器的功率系数进行探讨。

需要注意的是,衰减器是一种高温工作的器件,在使用时要注意安全。







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