集總參數(shù)衰減器的大功率穩(wěn)定性探討

大功率集總參數(shù)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(hào)的幅度。在測(cè)試和測(cè)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)廠家在出廠檢驗(yàn)、用戶收貨時(shí)的驗(yàn)收、或者計(jì)量院對(duì)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(lái)進(jìn)行測(cè)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(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(cè)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(lái)射頻工程師都“看得見(jiàn)”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(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(cè)試有點(diǎn)誤差，也很難察覺(jué)到，沒(méi)有人對(duì)最終測(cè)試結(jié)果“較真”;

2,大功率的測(cè)試有點(diǎn)麻煩，不測(cè)也罷。

完全是出于對(duì)射頻測(cè)試和測(cè)量的興趣，筆者對(duì)衰減器的大功率特性進(jìn)行了一些探討性的測(cè)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(guò)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(shuō)，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(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)隨著時(shí)間的變化逐漸升高(超過(guò)70℃)，而內(nèi)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(cè)試結(jié)果呢?這就是本文要探討的話題。

在本文中，通過(guò)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。

實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果

試驗(yàn)對(duì)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(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試(圖2)。

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

將b2減去a1，即可得出被測(cè)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(cè)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(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)。

測(cè)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(cè)試結(jié)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(xiàn)，當(dāng)50W的功率持續(xù)加載到衰減器的一個(gè)小時(shí)之內(nèi)，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(jì)測(cè)量衰減器的溫度上升情況，變化趨勢(shì)的一致的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示衰減器在大功率的持續(xù)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(nèi)部溫度的變化是密切相關(guān)的。

結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于集總參數(shù)衰減器的大功率穩(wěn)定性評(píng)估，并無(wú)適合的標(biāo)準(zhǔn)可依，常見(jiàn)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(cè)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。

或許你會(huì)認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所呈現(xiàn)的變化可以忽略不計(jì);也或許在一些精密測(cè)試場(chǎng)合，測(cè)試工程師會(huì)關(guān)注這一現(xiàn)象并愿意對(duì)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(xù)的實(shí)驗(yàn)中，我們將繼續(xù)對(duì)一些衰減器進(jìn)行大功率測(cè)試，并對(duì)衰減器的功率系數(shù)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。